在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用方面，激光技術(shù)發(fā)展至今，散斑問題竟成最大攔路虎。其嚴(yán)重影響顯示畫面的最終效果，導(dǎo)致激光技術(shù)優(yōu)勢不能有效發(fā)揮并投入使用。
散斑是什么原因造成的？有無解決辦法？對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形成無數(shù)獨(dú)立的散射子波，這些子波在空間傳播過程中相干疊加，會在空間形成隨機(jī)無規(guī)則分布的亮斑和暗斑，或通過成像系統(tǒng)在像平面形成干涉圖樣，這樣的干涉圖樣即稱為散斑。
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，所以最終無窮個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霧化的透明玻璃而生成的圖像，極大影響畫質(zhì)和觀影體驗。由于人眼看起來，仿佛被隔了一層磨砂玻璃（如下圖），因此散斑現(xiàn)象也稱“毛玻璃”現(xiàn)象。
你可能看到的散斑畫面
【為什么會產(chǎn)生散斑】
激光，是目前人類可以實現(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，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)象的兩個不同光源。光的穩(wěn)定干涉是需要相干光才能實現(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。
對于普通的光源，若想產(chǎn)生相干性，是如何實現(xiàn)的呢？簡單來說，就是通過光學(xué)裝置將同一個光源發(fā)出的源波分為若干個子波，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，是沒那么容易的。目前常見的相干光源只有激光,所以在沒有特指的情況下,散斑一般指的就是激光散斑。
在顯示領(lǐng)域，相干性為激光帶來了傳輸中的高穩(wěn)定性，體現(xiàn)在畫面上為高光效、高亮度、高色域，但也帶來了散斑問題。
形成散斑，需要滿足兩個條件：第一個是相干光，即能產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的光源（激光）；第二個是平均起伏大于波長數(shù)量級的光學(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。從下圖對比我們可以看到，散斑問題嚴(yán)重影響顯示畫質(zhì)（a為散斑畫面,b為低散斑畫面）。
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，在光出來之前就將有散斑的光轉(zhuǎn)化成無散斑的光，這種方式需要較高的技術(shù)門檻，目前只有光峰ALPD激光技術(shù)可以做到；另一種是后期處理，在光出來之后，將不相關(guān)的多個散斑在空間或時間域里疊加，通過降低對比度來消除，也就是行業(yè)人常說“抖動”，這種方式無門檻限制，常見抖動方式有以下兩種：
1、光機(jī)抖動
目前某些三色激光投影就是通過投影技術(shù)解決三色激光散斑問題的，依靠搭載的LPU三色激光引擎，采用全新多維動態(tài)消散斑技術(shù)來克服散斑問題。然而該設(shè)備所謂的技術(shù)僅僅是在光機(jī)中增加了⼀個光學(xué)器件，該器件以⼀定的頻率在上下、左右兩個緯度震動，減少散斑的干擾。并不會完全消除散斑，還會增加噪音。同時因為有⼀個器件⼀直在物理抖動，整機(jī)也會出現(xiàn)更多的不穩(wěn)定性，可能會降低投影儀的使用壽命。
2、幕布抖動
除投影技術(shù)外，消除投影儀散斑問題可以通過搭配價格昂貴的定制幕布來解決，定制的消散斑幕布是通過抖動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自然、豐富、亮度均勻、畫面清晰。但從實際效果來看，定制幕布的效果微乎其微，并不能完全解決散斑問題，實際上是被再消費(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混合極少部分激光，來形成無散斑白光，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，對系統(tǒng)無任何負(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——散斑問題，讓激光光源得以充分發(fā)揮獨(dú)有優(yōu)勢，作為“超級心臟”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、逼真自然的畫質(zhì)，為觀眾提供更為舒適、健康的光影體驗。
【ALPD激光 觀看更舒適】
與純?nèi)す獠煌珹LPD激光是經(jīng)過特殊技術(shù)處理的激光，更接近自然界中的自然光譜，發(fā)出的光天生不會產(chǎn)生散斑，透過視網(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)出的光天生不會產(chǎn)生散斑，透過視網(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劃分圖
【散斑是否對人眼有傷害】
答案是：會的。
當(dāng)我們看向刺眼的太陽光，眼睛都睜不開，因此很容易可以意識到，強(qiáng)光對人眼是有傷害的。當(dāng)人眼看向有散斑的圖樣時，也在人眼視網(wǎng)膜上形成散斑圖樣，即視網(wǎng)膜上會有強(qiáng)度隨機(jī)分布的亮斑和暗斑，則可以理解為，散斑可以對人眼造成不同程度的強(qiáng)光傷害。
我們來看一組數(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，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，通過計算（附公式，詳見文末）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)度來對待，不論是為了更好的觀影體驗，還是為了降低散斑傷害風(fēng)險，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，真正做到天生無散斑，不僅更適合市場，還為觀眾提供更為舒適、健康的光影體驗，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)者提供更好的視覺體驗，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)膜上單個像素點(diǎn)的平均尺寸為5.24μm2，因此單個散斑平均可以覆蓋3~5個視錐細(xì)胞。
在激光散斑成像中，散斑強(qiáng)度是一個隨機(jī)量，通過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)。在單個散斑平均覆蓋3~5個視錐細(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)膜時的光強(qiáng)。
圖5. 散斑強(qiáng)度測試結(jié)果的直方圖，實線表示負(fù)指數(shù)函數(shù)[4]
在實際應(yīng)用中，我們更關(guān)心散斑強(qiáng)度超過一定閾值的概率，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3倍平均強(qiáng)度，有0.01%的概率超過9倍平均強(qiáng)度，當(dāng)散斑強(qiáng)度超過安全限值，將會導(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.
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