三色激光这么好,散斑这么坏,我们如何

在投影机显示的成像光源中,三色激光以其纯度和准度,为显示设备提供了难以匹敌的色域宽度和色准表现。同时,激光器的高效电光转化,也是一种“更为低碳”的理想光源技术。但是,在这些天然优势之外,三色激光也有一个巨大的问题:那就是“散斑”!

手掌的正反面,散斑是什么

首先,很多人将散斑和激光、三色激光联系起来。这是不正确的结论!散斑是一种:光在粗糙度大于光波波长的表面反射过程中呈现的一种“相干”现象。即,日常生活中的反射光都会有散斑现象。

例如,牛顿时代的科学家就观察到散斑现象。据广东工业大学陈华平教授的研究,牛顿对恒星的闪烁现象的研究,是目前可查的最早关于散斑的科学研究纪录,并得到了恒星和行星两类星体的空间相干性是不同的结论。此后,K.埃克斯纳研究散射光干涉现象时,指出散斑图样是光源单色性不够引起的;年M.von劳厄则实现了对散斑的首次统计特性研究——这些研究都是在激光发明之前出现的。

但是,激光器的发明,给予了人类“最纯之光”,让散斑的研究拥有了强所未有的武器,带来了散斑科学研究的一系列重大进步:包括不限于波长和频率对散斑的影响、相位对散斑的影响、反射面颗粒度对散斑的影响等等。

由此可以看到,如果非要说激光和散斑有什么关系,也应该是“激光的超纯特性,纯化了散斑图样,让散斑更为清晰易见而已”。除了激光之外,其它光源和成像技术,照样要有散斑,因为这是“光的波动性的必然”。只不过,日常生活中的散斑现象大多超过人眼的时空分辨能力,人“看不到”而已:就像细菌病毒原子核,我们看不到不代表不存在。

同时,也可以看到,激光显示的优势来源于激光的高纯特性(包括频率和相位的一致性);激光显示的劣势,即散斑也来自于激光的高纯特性——这两者就像“手心手背”无法分割。事实上,激光显示技术“最”核心的内容之一,就在于如何“应对”散斑。当然,这种劣势是指对于显示系统而言:散斑也是对非镜面反射物体的一种高灵敏度测量方法——利用散斑图样的统计学特征可以测量物体的位移、振动和形变,成为无损检验的重要手段之一(即大名鼎鼎和火爆的激光表面检测技术);此外散斑也具有天文学上的重要研究利用价值。

不能消灭你,但是可以让你隐身

显示系统中散斑的干扰是普遍存在的!但是为什么传统显示产品不谈这个问题,三色激光却要着重解决散斑问题呢?

答案在于,传统显示系统的光源“纯度不够”,因此其形成的成像散斑也是毫无章法的随机分布,并各个叠加掩盖。加上我们人眼的分辨力有限,进而“人看不出来”。激光的高纯度,让散斑的形成和分布更有规律,使其视觉上的可感知性增强,增加了人眼看到散斑的可能性。

实际上,成像系统利用人眼“视觉极限”是常规操作:例如,2K的10米宽电影院大屏幕,每一个像素点的颗粒尺寸都达到黄豆粒大小——这样该是马赛克式的画面了吧!但是在影院特点的观看距离和环境明暗对比下,人眼对空间的分辨率极限要比黄豆粒大很多,所以观众看到的依然是连续、平滑的画面。

例如,手机、TV等应用的OLED/LCD显示器,像素是分成红绿蓝三个空间上平行排列的亚像素的。用放大镜近距离很容易看出来。这样的像素结构,第一,实际上也是马赛克,而且是三原色马赛克、第二,线条的边缘必然是亚像素的单原色彩边。然而,这些细节都超越了人眼正常使用设备时的空间分辨力极限,所以观众正常应用设备看不出来。

再例如,投影机显示的单片式DLP技术,其三个原色不是分布在不同的空间位置上,而是在色轮的轮转中,在单独的时间片出现。即,如果能够在时间轴上更精细的分辨,看到的应该是三原色一个个的单色画面的不断切换。然而,实际上人眼在时间分辨力上也不怎么出色,所以就混合成了彩色的完美画质。

“人眼时空分辨率有极限,所以,激光成像中散斑消减的基础也就有了”。那就是让激光成像系统的散斑和传统光源成像系统的散斑一样,超越人眼极限,让大家看不到,也就不会在对“画质”有任何的干扰。这也是目前“消散斑技术”所正在做的事情。

两条路下手,科技“消散斑”不留情

激光显示系统中,散斑的高可见性,源于激光的“高纯度”:即高频率一致性和高相位一致性。消散斑也就会从这两者入手:

第一,激光成像系统每一个原色的激光器数量都不是一个——因为一个的亮度不够用。所以,在同一个原色上采用多个频率略有差异的激光器,就能极大的消减散斑的可感知性。而且这种技术改变,丝毫不增加“额外”成本。其所要求的不过是半导体激光器的制造精度,在出光准度上,略微放宽一些。(例如,京镭创高科光电科技有限公司的WLD2.0-TEC激光光源技术,采用6P激光光源方案,即两波长红光、三波长绿光、并适度拉宽蓝光波长范围的方式,消除散斑。)

第二,改变激光成像系统中的“相位一致性”。方法也不复杂,即让激光在成像中穿越的介质或者其反射成像面,不规则的“改变”就可以。后者就是大名鼎鼎的“振幕”技术。也是激光电影院常用的消散斑技术。不过,振幕也不一定就要“振屏幕”,实际上业内也有众多其它相似原理的“改变相位一致性”的设想方案。

有了以上两大手段,理论上散斑能够消除到“完全不可见”:不仅是三色激光、单色激光、双色激光显示也是如此。但是,实际工程应用中的标准是“弱可见”即可:也就是,在显示单色原色画面时,近距离观察屏幕,能够看到不太明显的散斑;但是,正常观影距离、正常画面显示,观众察觉不到散斑的存在。

之所以不完全搞定散斑,让其彻底看不到,是因为有成本因素的考虑:不影响正常应用就可以,不用为了“心理上的膈应”增加额外成本。

大名鼎鼎的振幕技术,何以这么神奇

振幕技术是目前消除激光显示散斑中,在电影院常见的方案,也是一个古老的方案。其方法原理很简单:投影屏幕做垂直于投影光线方向的不规则、高频率(远超人眼时间分辨率)的微弱振动。这种振动由专门的振动发生装置实现,振动可在屏幕上以振动波的方式传播。其系统可以在任何投影屏幕上“叠加”,而不改变和损坏幕布既有结构与光学性能。

振幕系统本质是改变了时间轴上,反射光线到人眼的“相位一致性”。但是,这种改变的频率很高、速度极快,超越人眼分辨力很多;人眼自动将其合成为一个画面,进而让不同形态的散斑无规则叠加成近乎均匀的无散斑画面。同时,振幕系统的振幅是改变激光反射相位,其振动偏移与可见光光波波长具有可比性,完全不影响投影镜头的对焦清晰度效果(对振幕对“焦距”的变化影响往往小于镜头光学误差,亦大幅小于人眼空间分辨力极限。振幕系统的主要问题在于多个振动源的协同调试问题、噪音问题、振动源寿命和稳定性问题等,特别是大型影院屏幕上,这些问题的难度大幅增加)。

振幕技术的成功,让投影行业对三色激光显示的未来充满信心,并诞生了很多类似于这一原理的“消散斑”、改变相位的方案:例如,既然反射屏幕振动可以,那么1.激光光源,即激光器的振动也可以改变时间轴上光线到达人眼的相位分布;2.激光器发光相位和频率受温度变化影响,快速改变激光器工作温度也可以调节频率和相位;3.成像的DLP或者LCD光阀的振动同样可以改变成像光线的时间相位;4.在投影光路中增加一个“相位改变镜片”:精度极高、颗粒度高度不规则、颗粒凸起尺寸变化与空气、该镜片中光速传播差异可比(这样的镜片可经由光刻加工或者化学加工实现)——这样的镜片高速的、同时在垂直、水平和前后方向上无规则抖动,大幅度在空间和时间上改变成像光线相位;5.利用加电晶体在不同电压下内部光速的不同,通过高频的加电电压变化,制作改变投射光线相位的机构;6.通过投影机内部的光源光线处理的均光、反射或分光镜片的垂直于光线方向的振动改变相位……等等。

通过以上分析可以看到,改变相位的技术手段很多,但是都与最早成熟的振幕技术异曲同工。且在投影光路内改变相位的技术,还兼具小型化的优势,可以成为居家三色激光投影的技术方案。且,如果这些技术,不计成本的应用,那么,拿着放大镜也看不到散斑的三色激光投影显示系统并非不可能——只不过,这不符合经济性和现实需求的市场规律而已。

同时,多频段光源消减散斑技术,不仅可以是巴可数字电影放映机那种“6P”技术、纯激光的多个频段激光器组合;也可以是激光+LED的光源组合,牺牲一点色准和色域,利用LED的发光频段比较宽的特性,实现极大程度上的散斑抑制;同时,LED光源作为激光的补光,在相位上自然也会“打破激光的高纯一致性”,实现另一重原理上,即相位消散斑——双管齐下,这让LED和激光混光的散斑消除率通常在95-97%以上,且还可以提升色彩质感的视觉舒适性,这也是LED和激光混合使用的一大意义。

另一方面,纯激光显示的彩边问题,其形成的本质和散斑问题是一致的:即任何降低和消除散斑干扰的技术,也都能极大的抑制彩边的出现。且,彩边问题本身就比散斑要轻微,所以,做到彩边完全不可见的技术门槛,要比消减散斑到完全不可见要更低一些。

综上述,“散斑”固然是一个必须要重视的现象,但是其并非与激光成像“绑定”的科学现象,而是普遍存在的。通过对普遍存在的散斑,却基本被视觉无感的研究,可以为消散斑提供经验——即在激光显示上应用多种技术改变激光的频率和相位一致性,实现视觉上的“消散斑”。这是工程技巧、也是科学原理、更是人眼极限能力等的巧妙组合与应用。也恰是这些技术的成熟,才让今天三色激光、全色激光显示能登堂入室。当然,今天的消散斑技术距离“完美”还有些距离,行业依然需要继续努力,在技术工艺、材料上持续进步。



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