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三色激光投影散斑可以去除嗎？投影儀散斑色邊問題詳解

發布時間：2023-06-06 18:47:38 文章來源：科技之家

最近家用投影的不同光源顯示技術受到不少用戶的關注，關于該話題的討論

最近家用投影的不同光源顯示技術受到不少用戶的關注，關于該話題的討論更是一度登上了熱搜。我們知道，三色激光顯示技術運用到家用投影當中，存在不可避免的散斑和色散問題，它們都直接影響到用戶的實際觀看體驗，且目前尚沒有合適的技術從根源上去解決這些畫面問題。那么究竟三色激光畫面問題涉及到的原理是什么？下面摘選極米光學實驗室公布的內容來一探究竟。

一、專業影院的三色激光和家用投影的三色激光的區別

三色激光技術在商用領域和家用領域的應用是有本質差異的，從影響觀看舒適度的散斑和彩邊兩方面來看：

(資料圖片僅供參考)

散斑的原理

散斑（Speckle）是一種光的衍射與干涉現象，當高相干性光源照射到銀幕（墻面）表面時，粗糙表面的隨機起伏會帶來光相位的隨機漲落，被照射表面的每個點可以看作是次級光源，往自由空間發射球面波，球面波像水波紋一樣相互干涉，如下圖所示，產生能量疊加或能量抵消，從而形成分散亮斑的現象。由于激光具有很高的時間和空間相干性，會出現散斑的現象。

國際光學領域權威期刊《Optics Express》上發表的論文通過感知心理學實驗發現，當散斑對比度超過3.2%時，人眼可察覺到散斑；當散斑對比度超過4.1 %時，散斑畫面會讓人感受到干擾與不適。

激光散斑抑制原理

1.減弱激光光源時間相干性

光源的時間相干性和光譜寬度有關，光譜越窄，時間相干性越強。通過不同波長散斑對比度以及光的歸一化函數，可以得到散斑對比和光譜寬度以及屏幕表面粗糙度相關公式如下：

由上述公式可以看出，激光光譜寬度越大，激光散斑對比度越小。假設散射表面高度標準差為250um 的屏幕，激光中心波長為450-640nm時，要使散斑對比度降低到5%以下，光譜半高寬至少為10nm以上。而當前三色激光器由于采用半導體激光器，其單管激光器光譜半高寬小于2nm,如下圖。

影院三色激光技術解決方案，是以高昂的成本為代價，定制多顆、多組、多波段的激光光源進行混合，甚至有的高端方案是用兩臺獨立、波段不同的激光投影混合，將激光光譜的波段擴寬來達到抑制散斑的目的。同時部分影院激光顯示方案采用光纖耦合方式，將激光耦合到多個光纖束中，多個光纖中子光束附加不同的、隨時間和空間變化的隨機相位。通過隨機相位的增加來降低激光的時間相干性，從而抑制激光散斑。

2.減弱激光光源空間相干性

空間上相互分開的光源形成兩幅非相干散斑后，由于散斑強度疊加，使得散斑對比度降低。散斑對比度定義為散斑圖樣的強度標準差與強度平均值之比。對于N個獨立散斑圖樣在強度上疊加，總強度的對比度C可表示為：

當各獨立分量平均強度都相等時，散斑對比度公式可簡化為：

而真正影響人眼觀測的為復合散斑，復合散斑為人眼真實觀測到的散斑大小，主要由一次散斑（客觀散斑）和二次散斑（主觀散斑）組合而成。其中一次散斑是激光經過Diffuser/SLM等到投影屏幕上的散斑；二次散斑是激光經過屏幕再次散射后，經過人眼光學系統形成的散斑。當獨立散斑圖樣（即一次散斑）達到一定的數量下，激光散斑對比度就主要依賴于人眼光學系統所能夠探測到的基元數量M，修正后公式為：

其中N：統計獨立散斑圖樣數量（一次散斑）

M：表示單位探測面上探測到的散斑的平均數量（二次散斑）

O<β<1：取決于激光器和系統其他影響

兩者相加產生的散斑對比度抑制關系如下圖所示：

M數主要是探測器成像鏡頭（人眼系統）在觀察屏上的分辨基元除以投影鏡頭在觀察屏上的分辨基元，如下公式所示：

其中Z1為投影光機投射到屏幕的距離，Z2為探測系統（即人眼）到屏幕的距離。在投影系統固定的情況下，探測距離到達屏幕距離（即觀看距離）越大，M值越大，散斑對比度越小，這也是為什么影院激光顯示散斑不明顯的一個原因。

3.引入屏幕抖動技術

由上述分析在人眼積分時間內產生的多幅散斑相互積分疊加抑制散斑對比度，影院通過引入屏幕抖動來抑制激光散斑對比度，使散斑出現類似運動，在人眼積分時間內產生的多幅散斑相互積分疊加抑制散斑對比度，該方案詳情見2014年專利。當前影院散斑對比度不可見的最重要原因便是屏幕的抖動（電影院屏幕在人眼不可覺察的范圍內不斷地抖動）。

家用投影的純三色激光解決不了散斑的原因——

基于上述三種降低散斑的方式來看：

（1）家用三色激光顯示在激光器顆數遠不及影院激光顯示，同時家用三色激光顯示的光源模組遠不如影院系統釆用光纖耦合模組；

（2）家用三色激光顯示在觀影距離上無法像影院激光顯示那樣遠距離觀看，而隨著觀影距離的減小，主觀散斑越嚴重；

（3）家用三色激光顯示目前沒有屏幕抖動解決方案，且該方案在普通家庭較難實現，而屏幕抖動是影院激光顯示解決散斑問題最有效的方案。因此，家用三色激光顯示無法做到影院消散斑的效果。

彩邊的原理

彩邊（Color Fringing）現象是在一定角度下觀看畫面時在人眼處產生的色彩分離現象，內容邊緣或投影畫面邊框有明顯的紅青色重影，人眼和眼鏡均有色散，對于戴眼鏡的用戶尤為明顯如下圖所示。

當使用純三色激光這類窄光譜光源時，由于紅綠之間沒有黃色的光譜能量分布、藍綠之間沒有青色的光譜能量分布，使得原本連續漸變的彩虹色散變成完全分離開的紅藍色重影，一方面重影就如同3D顯示左右視場沒有完美匯聚一樣，使得內容不清晰，如下圖，長時間觀看有眩暈感；另一方面由于窄光譜色彩飽和度高，彩邊會尤其的刺眼不舒適，同時由于彩邊是在人眼處產生的分離，無法通過顏色調教減小色域降低飽和度緩解彩邊的影響。

家用投影的純三色激光解決不了彩邊的原因——

彩邊不同于投影光學系統的橫向色差（Lateral Chromatic Aberration）導致的色散現象，它無法通過鏡頭的消色差來解決，觀看角度和距離不同、人眼屈光度散光度不同人眼處觀察到的彩邊程度也不同，僅能通過使用寬光譜光源改善彩邊。

在影院的觀影環境中，觀眾的觀影距離遠、座位固定、觀看角度固定，因此彩邊不明顯，一場觀影的時間有限，輕度視覺疲勞是可被接受的。但在家庭觀影環境下，觀影距離非常近，人們會經常變換位置和角度，無法保證所有人都時刻正視投影畫面，尤其是視覺系統更脆弱而且好動的兒童，彩邊問題會更加明顯，眼部不舒適度會加重。

綜上所述，從散斑的抑制和彩邊的影響程度來看，專業影院的三色激光和家用投影的三色激光是有本質差異的，后者散斑抑制效果遠不及前者，彩邊問題無法解決。

以上關于家用投影三色激光散斑和色散的原理分析較為詳細。總得來說，當前專業影院所采用的消散方案還不能在家用領域中實現，用戶長時間觀看帶有散斑和色散問題的投影畫面，會產生視力受損、生理不適、眼部不可逆傷害等一系列危害。目前主流產品所搭載的激光光源分為三色激光、ALPD激光以及極米超級混光，而同時兼顧亮度、色彩和舒適度的技術只有ALPD激光和混光技術，它們能使投影儀擁有更高的亮度、更強的色彩表現力，從根源上克服散斑、色散等缺陷。

使用ALPD激光光源的品牌代表為當貝，品牌推出的激光投影產品具備里程碑意義。其在2021年率先把激光光源引入到智能家用投影當中，在家用領域開拓了全新的激光賽道；隨著技術的演進，極米這次又把LED和激光光源技術進行結合，帶來了雙光路融合的超級混光技術，在全色LED的基礎上，通過疊加純色激光，實現了更高的亮度和色域，同時通過動態光譜模組進一步增加了色域范圍，達到更高的色準表現。

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