激光投影显示散斑抑制方法研究

陈海洋

（山西汉威激光科技股份有限公司，山西 太原 030006）

激光具有单色性好、方向性好和高亮度等方面的特点，正是由于这些特点使得激光在显示方面具有非常多的优点，包括显色色域范围大、颜色饱和度高等，这使得激光显示技术具有非常好的发展前景，当前已经成为第四代显示技术，在国内国外都具有广泛的应用，激光显示技术的产业化进程不断推进。由于激光光源具有高单色性的特点，使其显示色域得到了极大的拓展，同时也导致了激光散斑的问题，会导致图像的质量严重降低。因此，为了推广激光显示技术，需要抑制或者是消除散斑。

1 散斑的概念

1.1 散斑形成的原因

20世纪90年代，人们相继发明了He和Ne激光器，在对这些激光器进行研究的过程中，人们发现如果用激光对漫射体进行照明，物体表面上会出现一层精细的颗粒状结构。人们对其进行进一步的研究发展，在漫射体的散射场中放置一个高分辨干板来对其进行曝光，不论干板放置在场中的各种位置，在对干板进行显影定影处理以后，干板上都会出现明暗相间的无规则结构，而且研究还发现这种无规则斑点并不是只存在于物体表面，而是整个散射空间内都存在这种结构，这种无规则结构被人们称为散斑。

激光这种光源具有高度相干的特点。对于可见光波长而言，物体表面基本上都是粗糙不平的，即物体表面分布着大量无规则的面元。激光在照射到物体的表面之后，这些无规则的面元会使入射光产生不同的附加相位，不同面元的反射光会存在交叉，在它们相遇以后就会出现干涉。物体的表面具有非常多数量的散射面元，而且并没有规律，彼此并不相关，因此所产生的干涉光强也并不规律，随着空间的变化，干涉光强也会出现无规则的交替，这样就会形成无规则的散斑图样。

1.2 散斑的分类

散斑的形成方式有很多，在性质方面也有一定的差异，因此可以根据不同的标准对散斑进行分类。散斑的种类主要由两方面的因素决定，一是投影屏幕表面的粗糙程度；二是激光光源的相干性。屏幕表面的粗糙程度不同，可以将散斑分为两类，强散射屏幕下所产生的散斑为高斯散斑，低反射屏幕下产生的则是非高斯散斑。根据光源的相干性可以将散斑分为完全相干和不完全相干两类散斑。除了这两类分类标准以外，还可以根据光线的传播情况将其分为远场散斑、近场散斑和镜面散斑；根据观察条件的不同将其分为主观散斑和客观散斑；主观散斑是一种镜面散斑，客观散斑则包括了近场散斑和远场散斑是客观散斑。在实际观察过程中，观察到的散斑强弱主要是由散斑强度的大小决定的，其相对分布位置则不是影响其观测强度的主要因素。

2 散斑消除方法

随着激光显示的快速发展，其优势逐渐显现，但是要使其得到充分的应用，还需要解决激散斑问题，因此研究人员对抑制散斑的方法进行了大量的研究。具体来说，有研究人员希望通过降低激光光源相干性的方式来抑制散斑，具体的措施包括采用不同波长的光源，如单光纤或者纤维束照明等光源；除了这些方法之外，脉冲激光的叠加、移动散射体等方法也都被人们用于散斑的抑制，这些方法能够抑制散斑，主要是由于其可以降低激光在时间和空间方面的相干性，这些方法具有一定的局限性，即只能在近距离的条件下起到抑制散斑的效果。本文提出的抑制散斑的方法，能够不对激光束性质前提进行改变的前提下，对激光投影散斑进行有效的抑制。

2.1 消除散斑的原理方法

基于当前技术水平，激光投影电视主要依靠以下技术实现，即蓝色光源+荧光粉+色轮技术，在这种技术条件下，激光投影并不会出现散斑问题，这主要是在这种设计下，激光器只采用了蓝色这一种颜色的激光科技，然后绿光和红光都是通过蓝光和荧光粉来激发出来的，这样激光没有相干性，单独的蓝色激光不会出现明显的散斑现象，因此可以忽略。

在激光投影显示过程中，RGB三色激光投影的色域更高，能够实现大部分自然界中色彩的还原。随着激光投影技术的发展以及产品的升级，高阶激光电视基本都采用三色激光，从而达到更好的色彩效果，但是在这样的设计下，由于RGB三色激光光源都有相干性，导致投影时会出现明显的散斑效果。虽然说这样的情况下，可以达到最好的视觉效果，但是散斑问题却难以解决，给系统带来不利的影响。

从原理上讲，为了降低激光光源的相关性可以采取改变激光波长、改变激光照射角度的措施，同时还可以将多幅独立非相关的散斑图样进行动态叠加，以这种方式来实现对于散斑的抑制。下面对这两种方法进行分析：

（1）为了降低激光光源的相关性可以采取改变激光波长、改变激光照射角度的措施。这种方法是针对散斑的过程来解决散斑问题的，由于散斑是基于散射光线相干而产生的，那么为了抑制散斑，可以采取降低激光相干性的方法。降低激光的相干性，可以从空间和时间两方面进行，即改变激光波长、改变激光照射角度的措施，使激光的时间相干性和空间相干性降低。

（2）当前，多幅独立非相关的散斑图样的动态叠加抑制散斑是一种常见的手法，这种抑制散斑的方法利用了人眼的特点。研究发现，人眼对于图像的响应时间在24ms左右，如果在响应时间内人眼接收到了很多的图像，就会对图像进行叠加，研究人员将这种现象称为人眼视觉残留效应。基于人眼的这一特点，对于多幅独立的非相关散斑图样，在人眼视觉残留效应内进入人眼，那么人眼就会对其进行叠加，呈现出视觉平均的效果，从而让人不能完全观察到散斑，实现对散斑的抑制。

2.2 消除散斑的实际应用

对于RGB激光投影散斑问题，在实践中为了解决这一问题，可以采取以下两种措施：

（1）银幕震动干涉。这种方法原理如下：通过电动马达的运转，使激光电视投影屏幕保持振动的状态，这样屏幕上的粗糙点也在不断的变化，从而使激光的散射点出现变化，由于散射点不同，可以有效的抑制激光光源下的屏幕块状散斑，通过这样的方式可以有效的提升激光投影发射图像的质量，使图像的颜色自然丰富，亮度均匀，保证图像具有清晰的画质。利用这样的方式具有多方面的优点，首先，这种方法不会对激光光源的光电转化效率造成不利的影响；其次，这种方法对于激光模组散热没有特殊的要求；最后，投影屏幕震动结构为机械装置，技术门槛比较低，同时维护起来也比较简单。正是由于这一优点，所以这种激光投影散斑消除方法获得了广泛的应用。基于这种方法，还衍生出了另一种方法，即类似屏幕震动的衍生方法，震动光源。这种方法同同样是利用激光器的震动，来实现光源不用电照射角度的改变，进而改善散斑图像，提高图像的质量。但是，需要注意的是，这两种方法都不能后完全的消除散斑，在某一个时间点还是存在散斑问题的。从本质上讲，这类方法并不能够解决散斑问题，而是基于人眼的视觉特性，让人看不到散斑而已，因此这并不是一个完美的解决激光投影散斑问题的方法。

（2）激光波长干涉。通过对激光的散射特点进行研究发现，激光投影的散射斑是在绿光波长下出现的，因此可以基于这一原理采取针对性的措施对绿光波长进行干涉，通过这样的方式对绿光连续波长进行分解来实现散斑的消除。这种方法能够实现散斑的完全消除，因此效果非常好，但是对于设计、设备和技术等的要求都比较高，这影响了其的推广应用。但是就目前激光散斑的解决方案来说，由于震动屏幕的方式会消耗比较多的电量，因此会造成比较大的能源浪费。所以，从整体上讲，现在还不存在完美的消除散斑的方法，为了获得更加完美的RGB激光光源，需要加强对于散斑问题的研究，研究出更好的抑制散斑的方法，对散斑问题进行进一步的优化，从而提高抑制散斑的效果。

3 结束语

激光技术具有良好的单色性、方向性以及高亮度等，由于其具有这些特点，激光显示技术得到了快速发展们，成为了第四代显示技术。其中，RGB三色激光技术具有最好的显示效果，但是散斑问题一直困扰着其应用的拓展。当前，激光投影行业正在致力于研究散斑问题的原因，并且致力于解决散斑问题，相关研究已经取得了不错的效果，但是散斑问题并没有得到完全的解决，为了更好地解决这一问题，需要综合应用多种方法，从多个方面入手，对散斑进行抑制，从而促进激光投影技术的应用。