三色激光虽好但散斑很坏，该如何将其干掉？

摘要： 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...

投影机生成的图像，其光源以三色激光最为出色，凭借色彩纯净与精准度高，赋予显示设备无与伦比的色彩范围和色调准确性。此外，激光器具备出色的电能到光能转换效率，堪称一种环境友好型的先进光源方案。然而，三色激光并非完美无缺，它还存在一个显著缺陷，即会产生“散斑”现象。

手掌的正反面，散斑是什么

许多人常将散斑与激光以及三色激光相提并论，此乃错误认知！散斑实为：光线照射在粗糙度超过光波波长之表面时，所展现的一种“相干”状态。换言之，我们日常生活中所见之反射光，皆会产生散斑效应。

牛顿时期的学者已经注意到散斑这一现象，广东工业大学陈华平教授的研究表明，牛顿对恒星闪烁行为的研究，是现存文献中关于散斑最早的科学探究记录，这项研究还揭示了恒星与行星这两种天体在空间相干性上存在差异。后来，K.埃克斯纳探究了散射光产生的干涉图样，认为其形成源于光源单色性欠佳；1914年，M.von劳厄则完成了对散斑统计规律的首度考察——所有这些工作都发生在激光技术问世之前。

然而，激光技术的问世，为人类提供了纯净度极高的光源，使散斑研究获得了突破性工具，推动了该领域多项关键发展，诸如光波长短与频率变化对散斑的作用、相位差异对散斑的效应、反射表面粗糙程度对散斑的影响等等。

由此可见，假如非要探讨激光与散斑的关联，那也仅能归结为“激光的极致纯净特质，能够提纯散斑图样，使其更加明朗可辨”。而除了激光，其他各类光源和成像手段，同样会产生散斑现象，毕竟这是“光具有波动属性所决定的必然结果”。这些细小的斑点在日常生活中通常难以被人的视觉系统捕捉到，因为它们的变化速度和空间尺度超出了人类眼睛的感知极限；就好比那些肉眼无法察觉的微生物、病原体以及原子核心，我们的看不见并不代表它们不存在。

此外，也能明白，激光显示的长处源自激光的高纯度，这体现在频率和相位的一致性上；激光显示的短处，即散斑，也源于激光的高纯度——这两方面如同“阴阳”一般密不可分。实际上，激光显示技术中极为关键的部分之一，就是如何处理散斑问题。这种不足主要针对显示系统而言，散斑能够对非镜面反射物体进行高精度测量，通过分析散斑图样的统计特性，可以精确评估物体的位移、振动以及形变情况，因此成为无损检测领域的关键技术之一，也就是广为人知且应用广泛的激光表面检测方法，同时散斑在天文学研究中也具备重要的应用价值。

不能消灭你，但是可以让你隐身

系统中斑点现象的干扰现象十分常见，然而为何常规显示设备不提及此现象，而三色激光技术却要重点处理斑点干扰呢？

解法在于，常规显示设备的光源“纯净度不高”，所以其造成的图像散斑呈现无序的随机散布，并且互相重叠干扰。同时人的视觉辨识能力存在局限，所以“难以察觉”。激光的高纯净性，使得散斑的形成和分布更为规则，提升了其视觉上的显现程度，增大了人眼能够观测到散斑的概率。

实际上，成像系统经常借助人眼视觉极限来运作：比如，2K分辨率的10米宽影院屏幕，每个像素点都像黄豆那么大——按理说画面应该是马赛克效果了！然而，在电影院特有的观看距离和光线条件下，人眼分辨空间细节的能力远超黄豆尺寸，因此观众感知到的还是完整流畅的影像。

手机和电视等设备的显示屏，其像素由红绿蓝三个颜色的小单元组成，这些小单元在空间上平行分布。借助放大工具可以清晰地观察到这一构造。这种像素布局，一方面构成了类似马赛克的视觉效果，具体表现为三色马赛克，另一方面，线条的轮廓会呈现出单色的小单元边界。然而，这些微小的细节都超出了人类视觉工具通常所能分辨的精细程度，因此，观看者借助常规工具是无法察觉到的。

再比如，投影机采用的单片式DLP技术，它的三个基本色彩并非分别处在不同的空间位置，而是在色轮转动过程中，以间歇性的方式呈现出来。也就是说，假如能够对时间维度进行更精密的分辨，应该能够观察到三原色各自独立画面的连续变换。不过，人的眼睛在时间分辨能力上并不算特别强，因此这些色彩最终融合成了令人满意的彩色画面。

人的视觉感知存在时间分辨率的界限，因此，激光图像处理中抑制散斑效应的原理也就被确定下来。需要让激光成像装置产生的散斑现象，与传统照明方式形成的散斑状况相似，都达到超出人类视觉分辨能力的程度，这样人们就难以察觉，从而不会对“图像质量”造成影响。这正是当前“散斑抑制方法”正在努力实现的目标。

两条路下手，科技“消散斑”不留情

激光显示系统里，散斑的清晰度高，是因为激光具有“纯净度高”的特点：就是频率非常统一，相位也非常统一。要消除散斑，就要从这两方面着手：

激光成像系统里，每种原色光都用了不止一个激光器，因为单个激光器的光强达不到要求。因此，在单一原色光里使用多个频率略有不同的激光器，可以非常有效地降低图像的斑点效应。这种技术调整，并不会带来额外的费用增加。它所需要提升的，仅仅是半导体激光器在制造工艺上的精度，允许出光方向有微小的偏差。京镭创高科光电科技有限公司的WLD2.0-TEC激光光源技术，运用了6P激光光源方案，具体为两波长红光，三波长绿光，以及将蓝光波长范围适当拓宽，以此消除散斑现象

其次，调整激光成像系统的“相位匹配性”。实现途径并不复杂，只需让激光在成像过程中经过的介质或其反射成像界面，产生不规则的“变化”即可。这种技术就是广为人知的“振膜”方法。同时，这也是激光影院广泛应用的消除散斑手段。然而，“振膜”并非必须采用“振动屏幕”的形式，业内还存在着许多基于相似原理的“调整相位匹配性”的替代方案。

采用这两种方法，理论上可以使散斑变得“完全看不见”：无论是三色激光、单色激光还是双色激光的显示都可以达到这个效果。然而，实际工程应用中的标准是“勉强可见”：也就是说，在展示单色原色画面时，如果从近处看屏幕，会看到略微明显的散斑；但在正常观影距离和正常画面播放时，观众不会察觉到散斑的存在。

主要目的并非彻底消除散斑现象，而是尽量减轻其影响，因为完全消除需要付出较高代价，而适度减弱则不会对实际使用造成障碍，也无需承担不必要的经济负担。

大名鼎鼎的振幕技术，何以这么神奇

振幕方案是影院应对激光散斑现象的常用手段，这种做法由来已久。其运作方式基础，在于让投影幕布沿着与光线垂直的方向，发生不规则且高频次的轻微晃动。这种晃动幅度很小，但频率极高，远远超出人眼的反应速度。幕布的这种动态效果，是由特定的设备来驱动的，振动会以波纹形态在屏幕表面扩散传播。该系统能够在各种投影幕布上实现“附加”，同时不会破坏原有构造和影响其光学特性。

该装置的核心在于调整光线进入视觉系统的路径，具体表现为干扰了光波到达观察者瞳孔时的同步性，这种干扰的节奏非常快，变化的速度远远超过了视觉器官的捕捉能力，因此大脑会自动将这种快速变化整合为静态图像，使得原本杂乱无章的光斑图案，最终呈现出一种平滑无纹理的整体景象。此外，振幕装置的振幅是用来调整激光反射的相位，其振动幅度与可见光的光波长度大致相当，根本不会干扰投影镜头的聚焦清晰度，因为振幕对“焦距”的改变通常比镜头的光学偏差要小得多，也远低于人眼的视觉分辨能力极限。振幕系统存在诸多挑战，包括多个振动源的联合调整难题，声音干扰现象，以及振动部件的耐久性和工作可靠性难题等，尤其对于大型影剧院的屏幕装置，上述挑战的复杂程度显著提升。

振幕技术的优异表现，令投影业界对三色激光显示的前景充满期待，由此催生出诸多基于相似原理的“消散斑”、调整相位的方法：例如，既然反射屏幕的震动能够实现效果，那么1.激光发射装置本身，即激光器的震动也能影响光线在时间轴上到达人眼时的相位分布；2.激光器的发光相位和频率会随温度波动而变化，迅速调整激光器的工作温度同样可以控制频率和相位；3.构成成像系统的DLP或LCD光阀的震动也能改变成像光线的时间相位；4.在投影光路中增设一种“相位调控镜片”：这种镜片具有极高精度、颗粒分布高度无序、颗粒凸起尺寸变化与光在该镜片中传播速度差异相当（此类镜片可通过光刻或化学工艺制造）——这种镜片若能高速、在上下、左右及前后方向上随机震动，将能显著改变成像光线在空间和时间上的相位；5.借助加电晶体在不同电压下内部光速的差异，通过高频的电压调制，构建能改变投射光线相位的装置；6.经由投影机内部的光源光线处理用的均光、反射或分光镜片，在垂直于光线方向上实施震动来调整相位……等等。

经过上述研究可以发现，用于调整相位的方法相当多样，然而它们在本质上都与最初发展完善的振幕技术如出一辙。另外，在投影光路中调整相位的技术，还具备体积缩小的特点，能够作为家庭用三色激光投影机的技术选择。而且，倘若这些技术不计代价地推广，那么，即便借助放大工具也难以察觉散斑的三色激光投射装置并非绝无可能——只是这种做法违背了市场在经济性和现实要求方面的准则罢了。

此外，采用宽频光源的防散斑方法，既能涵盖巴可数字电影放映机的“六分频”方案、纯激光的多频段光源配置；也能是激光与LED的光源搭配，适当牺牲色调精准度和色域范围，借助LED发光频谱较宽的优势，大幅削弱散斑现象；并且LED光源作为激光的辅助照明，在相位上会自然干扰激光的高度纯一性，达成另一种原理上的相位防散斑——双重策略并用，使得LED与激光混合照明的散斑抑制效果通常能达到95-97%以上，同时还能增强色彩品质的视觉体验，这也是LED与激光联合应用的重要价值。

另一方面，纯激光显示的彩边现象，其成因与散斑现象是相同的：即任何减弱或消除散斑干扰的方法，同样能够非常有效地抑制彩边的产生。而且，彩边现象本身比散斑现象要轻微一些，因此，实现彩边完全消失的技术难度，比将散斑完全消除的技术难度要小一些。

综合所述，散斑现象确实需要重点关注，但它并非激光成像独有的特征，而是广泛存在的自然现象，与激光成像没有必然联系。尽管这种普遍存在的散斑通常不被视觉系统所感知，但研究这种现象可以为消除散斑提供启示——即在激光显示领域，可以通过运用多种技术手段调整激光的频率和相位匹配度，从而在视觉上实现散斑的消除效果。这是工艺诀窍，也是理论依据，更是视觉感知极限的精妙融合与运用。也正因这些技艺的精进，才使得当前三色激光、全色激光显示得以普及应用。当然，如今的消除散斑方法尚存不足，业界仍需不断探索，在技术制作、材料选用上持续提升。