在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用方面，激光技術(shù)發(fā)展至今，散斑問(wèn)題竟成最大攔路虎。其嚴(yán)重影響顯示畫(huà)面的最終效果，導(dǎo)致激光技術(shù)優(yōu)勢(shì)不能有效發(fā)揮并投入使用。
散斑是什么原因造成的？有無(wú)解決辦法？對(duì)人的眼睛傷害有多大？光峰科技ALPD激光技術(shù)如何從源頭上抑制散斑？本文將一一剖析。
【散斑是什么】
由激光光束發(fā)出的光，經(jīng)粗糙表面反射或透射后會(huì)形成無(wú)數(shù)獨(dú)立的散射子波，這些子波在空間傳播過(guò)程中相干疊加，會(huì)在空間形成隨機(jī)無(wú)規(guī)則分布的亮斑和暗斑，或通過(guò)成像系統(tǒng)在像平面形成干涉圖樣，這樣的干涉圖樣即稱(chēng)為散斑。
楊氏雙縫干涉原理示意圖
上圖就是著名的楊氏雙縫干涉原理示意圖，我們可以看到，最右邊出現(xiàn)規(guī)范不一致的亮斑和暗斑，就是散斑現(xiàn)象。由于干涉圖像是明暗相間的條紋，所以最終無(wú)窮個(gè)干涉圖像在人眼視網(wǎng)膜上疊加形成的圖像，相當(dāng)于是在清晰圖像前加了一個(gè)霧化的透明玻璃而生成的圖像，極大影響畫(huà)質(zhì)和觀影體驗(yàn)。由于人眼看起來(lái)，仿佛被隔了一層磨砂玻璃（如下圖），因此散斑現(xiàn)象也稱(chēng)“毛玻璃”現(xiàn)象。
你可能看到的散斑畫(huà)面
【為什么會(huì)產(chǎn)生散斑】
激光，是目前人類(lèi)可以實(shí)現(xiàn)的最亮的人造光源，從被用作照明光源而逐漸進(jìn)入人們的視野。激光具有單色性、相干性和方向性三大特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的燈泡、氙燈等光源，激光的亮度更高、能效更高、色彩單色性好、結(jié)構(gòu)尺寸小、壽命長(zhǎng)，因有望成為照明顯示的理想光源而備受關(guān)注。
相干性，是指可以發(fā)生光線干涉現(xiàn)象的兩個(gè)不同光源。光的穩(wěn)定干涉是需要相干光才能實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代物理光學(xué)指出，只有兩列光波的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。激光是在同一相干輻射場(chǎng)感生下產(chǎn)生的受激發(fā)射光，所以激光的相干性很好，這是激光的物理屬性。
對(duì)于普通的光源，若想產(chǎn)生相干性，是如何實(shí)現(xiàn)的呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)光學(xué)裝置將同一個(gè)光源發(fā)出的源波分為若干個(gè)子波，它們具有相同的頻率、相位差和偏振方向，從而可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這里，想強(qiáng)調(diào)的是：普通的光源想要產(chǎn)生光學(xué)干涉，是沒(méi)那么容易的。目前常見(jiàn)的相干光源只有激光,所以在沒(méi)有特指的情況下,散斑一般指的就是激光散斑。
在顯示領(lǐng)域，相干性為激光帶來(lái)了傳輸中的高穩(wěn)定性，體現(xiàn)在畫(huà)面上為高光效、高亮度、高色域，但也帶來(lái)了散斑問(wèn)題。
形成散斑，需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：第一個(gè)是相干光，即能產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的光源（激光）；第二個(gè)是平均起伏大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的光學(xué)粗糙表面，日常生活中的墻壁、紙張、電影屏幕等均屬于光學(xué)粗糙表面。從下圖對(duì)比我們可以看到，散斑問(wèn)題嚴(yán)重影響顯示畫(huà)質(zhì)（a為散斑畫(huà)面,b為低散斑畫(huà)面）。
在激光顯示領(lǐng)域，散斑一直是困擾三色激光顯示技術(shù)架構(gòu)的一個(gè)難以克服的困難，也是激光顯示界數(shù)年至今持續(xù)研究的重要課題。
【傳統(tǒng)有哪些解決辦法】
消除散斑一般有兩種思路，一種是從源頭消除，在光出來(lái)之前就將有散斑的光轉(zhuǎn)化成無(wú)散斑的光，這種方式需要較高的技術(shù)門(mén)檻，目前只有光峰ALPD激光技術(shù)可以做到；另一種是后期處理，在光出來(lái)之后，將不相關(guān)的多個(gè)散斑在空間或時(shí)間域里疊加，通過(guò)降低對(duì)比度來(lái)消除，也就是行業(yè)人常說(shuō)“抖動(dòng)”，這種方式無(wú)門(mén)檻限制，常見(jiàn)抖動(dòng)方式有以下兩種：
1、光機(jī)抖動(dòng)
目前某些三色激光投影就是通過(guò)投影技術(shù)解決三色激光散斑問(wèn)題的，依靠搭載的LPU三色激光引擎，采用全新多維動(dòng)態(tài)消散斑技術(shù)來(lái)克服散斑問(wèn)題。然而該設(shè)備所謂的技術(shù)僅僅是在光機(jī)中增加了⼀個(gè)光學(xué)器件，該器件以⼀定的頻率在上下、左右兩個(gè)緯度震動(dòng)，減少散斑的干擾。并不會(huì)完全消除散斑，還會(huì)增加噪音。同時(shí)因?yàn)橛?#12032;個(gè)器件⼀直在物理抖動(dòng)，整機(jī)也會(huì)出現(xiàn)更多的不穩(wěn)定性，可能會(huì)降低投影儀的使用壽命。
2、幕布抖動(dòng)
除投影技術(shù)外，消除投影儀散斑問(wèn)題可以通過(guò)搭配價(jià)格昂貴的定制幕布來(lái)解決，定制的消散斑幕布是通過(guò)抖動(dòng)幕布改變激光照射在屏幕的不同散射點(diǎn)，消除在激光光源下的屏幕塊狀散斑，使激光投影屏幕反射的圖像顏色看起來(lái)自然、豐富、亮度均勻、畫(huà)面清晰。但從實(shí)際效果來(lái)看，定制幕布的效果微乎其微，并不能完全解決散斑問(wèn)題，實(shí)際上是被再消費(fèi)了一次。
那么，光峰的ALPD激光技術(shù)，是如何做到從技術(shù)源頭克服散斑問(wèn)題的呢？
ALPD激光技術(shù)
目前克服散斑難題的最優(yōu)解
光峰科技原創(chuàng)的ALPD激光技術(shù)，從產(chǎn)生散斑的根源——相干光入手，巧妙地引入納米發(fā)光稀土材料，發(fā)射大量非相干性光同時(shí)混合極少部分激光，來(lái)形成無(wú)散斑白光，做出了從源頭上消除激光的相干性的技術(shù)方案，不需要任何的附加措施，對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何負(fù)面影響，而且兼容性好，成本低，可靠性高。
所以，光峰科技的ALPD激光技術(shù)方案從根本上解決激光的基因病——散斑問(wèn)題，讓激光光源得以充分發(fā)揮獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，作為“超級(jí)心臟”為當(dāng)前激光產(chǎn)品提供強(qiáng)大的光源技術(shù)支持，呈現(xiàn)清晰、逼真自然的畫(huà)質(zhì)，為觀眾提供更為舒適、健康的光影體驗(yàn)。
【ALPD激光 觀看更舒適】
與純?nèi)す獠煌珹LPD激光是經(jīng)過(guò)特殊技術(shù)處理的激光，更接近自然界中的自然光譜，發(fā)出的光天生不會(huì)產(chǎn)生散斑，透過(guò)視網(wǎng)膜的光功率更低，更容易被眼球接受ALPD激光更接近自然界中的自然光譜，發(fā)出的光天生不會(huì)產(chǎn)生散斑，透過(guò)視網(wǎng)膜的光功率更低，更容易被眼球接受。
散斑感知及舒適等級(jí)劃分圖
【散斑是否對(duì)人眼有傷害】
答案是：會(huì)的。
當(dāng)我們看向刺眼的太陽(yáng)光，眼睛都睜不開(kāi)，因此很容易可以意識(shí)到，強(qiáng)光對(duì)人眼是有傷害的。當(dāng)人眼看向有散斑的圖樣時(shí)，也在人眼視網(wǎng)膜上形成散斑圖樣，即視網(wǎng)膜上會(huì)有強(qiáng)度隨機(jī)分布的亮斑和暗斑，則可以理解為，散斑可以對(duì)人眼造成不同程度的強(qiáng)光傷害。
我們來(lái)看一組數(shù)據(jù)。以DCI(Digital Cinema Initiatives)標(biāo)準(zhǔn)的白光為例，當(dāng)RGB激光放映機(jī)、ALPD激光放映機(jī)在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生平均強(qiáng)度為I0的光強(qiáng)時(shí)，人眼視網(wǎng)膜上不同區(qū)域的散斑強(qiáng)度分布如下圖(a)所示，從中可以看到，局部的視錐細(xì)胞需要承受9I0的光強(qiáng)。而如果為ALPD激光，則相干光成分較少，通過(guò)計(jì)算（附公式，詳見(jiàn)文末）可知ALPD激光的相干光成分不到RGB的1/5，因而該部分的視錐細(xì)胞只需承受2I0的光強(qiáng)，ALPD激光遠(yuǎn)小于RGB激光的光強(qiáng)傷害，兩者約相差9倍。
9倍的強(qiáng)光傷害，你想感受一下嗎？↓
【小結(jié)】
在激光顯示領(lǐng)域，激光散斑這個(gè)攔路虎是客觀存在，我們需要做的，一是拿出正確的態(tài)度來(lái)對(duì)待，不論是為了更好的觀影體驗(yàn)，還是為了降低散斑傷害風(fēng)險(xiǎn)，都需要想辦法去盡量降低激光散斑，而不要去回避它；二是堅(jiān)持研究，尋找更有效更穩(wěn)定更便宜的消散斑方式。如果散斑不需要解決，為何學(xué)術(shù)界還樂(lè)此不疲地研究？
光峰ALPD激光技術(shù)，從源頭上消除散斑，真正做到天生無(wú)散斑，不僅更適合市場(chǎng)，還為觀眾提供更為舒適、健康的光影體驗(yàn)，從而成為目前行業(yè)主流激光技術(shù)路線。
如今在激光顯示領(lǐng)域的發(fā)展中，行業(yè)各種技術(shù)方案百花齊放，殊途同歸都是為了消費(fèi)者提供更好的視覺(jué)體驗(yàn)，而各種技術(shù)路線相互促進(jìn)，正是行業(yè)發(fā)展壯大的希望。
附：散斑傷害計(jì)算公式
已知：散斑在視網(wǎng)膜上的尺寸
求：造成傷害強(qiáng)度值
由文獻(xiàn)[1]可知，在帶鏡頭的CCD相機(jī)上成像的散斑的平均尺寸為:
（1）
其中f/#為相機(jī)鏡頭的f-number，即
（2）
人眼結(jié)構(gòu)類(lèi)似于CCD相機(jī)，其焦距f為22.8mm[2]，瞳孔直徑D為3.2mm[3]。因此，對(duì)于638nm、525nm和465 nm的紅綠藍(lán)光，人眼視網(wǎng)膜上的散斑平均尺寸分別為26.32μm2、17.82μm2和13.98μm2在人眼視網(wǎng)膜中央凹區(qū)域，視錐細(xì)胞（感光細(xì)胞）的平均密度為191000mm-2即視網(wǎng)膜上單個(gè)像素點(diǎn)的平均尺寸為5.24μm2，因此單個(gè)散斑平均可以覆蓋3~5個(gè)視錐細(xì)胞。
在激光散斑成像中，散斑強(qiáng)度是一個(gè)隨機(jī)量，通過(guò)Goodman的“隨機(jī)行走”理論[4]，可以獲得散斑強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。在單個(gè)散斑平均覆蓋3~5個(gè)視錐細(xì)胞的情況下，視網(wǎng)膜感受到的散斑強(qiáng)度的概率密度函數(shù)為圖5所示的負(fù)指數(shù)函數(shù)[4]，其概率密度函數(shù)為：
（3）
其中(I)表示散斑的平均強(qiáng)度，即同功率非相干光到達(dá)視網(wǎng)膜時(shí)的光強(qiáng)。
圖5. 散斑強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的直方圖，實(shí)線表示負(fù)指數(shù)函數(shù)[4]
在實(shí)際應(yīng)用中，我們更關(guān)心散斑強(qiáng)度超過(guò)一定閾值的概率，該概率為：
（4）
從公式（4）可以看出，視網(wǎng)膜上某處感光細(xì)胞的散斑強(qiáng)度有5%的概率超過(guò)3倍平均強(qiáng)度，有0.01%的概率超過(guò)9倍平均強(qiáng)度，當(dāng)散斑強(qiáng)度超過(guò)安全限值，將會(huì)導(dǎo)致該處感光細(xì)胞的損傷。
[1] S.Roelandt, et al.Standardized speckle measurement method matched to human speckle perception in laser projection systems. Optics Express. 2012, 20(8): 8770-8783.
[2] W. J. Smith. Modern Optical Engineering. New York: McGraw-Hill International Book Co, 1966.
[3] J. Pokorny and V. C. Smith. How much light reaches the retina. Documenta Ophthalmologica Proceedings Series. 1997, 59: 491-511.
[4] J. W. Goodman. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications. 2006.
