最近家用投影的不同光源顯示技術(shù)受到不少用戶(hù)的關(guān)注，關(guān)于該話(huà)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(shù)運(yùn)用到家用投影當(dāng)中，存在不可避免的散斑和色散問(wèn)題，它們都直接影響到用戶(hù)的實(shí)際觀(guān)看體驗(yàn)，且目前尚沒(méi)有合適的技術(shù)從根源上去解決這些畫(huà)面問(wèn)題。那么究竟三色激光畫(huà)面問(wèn)題涉及到的原理是什么？下面摘選極米光學(xué)實(shí)驗(yàn)室公布的內(nèi)容來(lái)一探究竟。

一、專(zhuān)業(yè)影院的三色激光和家用投影的三色激光的區(qū)別

(資料圖片)

三色激光技術(shù)在商用領(lǐng)域和家用領(lǐng)域的應(yīng)用是有本質(zhì)差異的，從影響觀(guān)看舒適度的散斑和彩邊兩方面來(lái)看：

散斑的原理

散斑（Speckle）是一種光的衍射與干涉現(xiàn)象，當(dāng)高相干性光源照射到銀幕（墻面）表面時(shí)，粗糙表面的隨機(jī)起伏會(huì)帶來(lái)光相位的隨機(jī)漲落，被照射表面的每個(gè)點(diǎn)可以看作是次級(jí)光源，往自由空間發(fā)射球面波，球面波像水波紋一樣相互干涉，如下圖所示，產(chǎn)生能量疊加或能量抵消，從而形成分散亮斑的現(xiàn)象。由于激光具有很高的時(shí)間和空間相干性，會(huì)出現(xiàn)散斑的現(xiàn)象。

國(guó)際光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Optics Express》上發(fā)表的論文通過(guò)感知心理學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散斑對(duì)比度超過(guò)3.2%時(shí)，人眼可察覺(jué)到散斑；當(dāng)散斑對(duì)比度超過(guò)4.1 %時(shí)，散斑畫(huà)面會(huì)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(shí)間相干性

光源的時(shí)間相干性和光譜寬度有關(guān)，光譜越窄，時(shí)間相干性越強(qiáng)。通過(guò)不同波長(zhǎng)散斑對(duì)比度以及光的歸一化函數(shù)，可以得到散斑對(duì)比和光譜寬度以及屏幕表面粗糙度相關(guān)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(duì)比度越小。假設(shè)散射表面高度標(biāo)準(zhǔn)差為250um 的屏幕，激光中心波長(zhǎng)為450-640nm時(shí)，要使散斑對(duì)比度降低到5%以下，光譜半高寬至少為10nm以 上。而當(dāng)前三色激光器由于采用半導(dǎo)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(shù)解決方案，是以高昂的成本為代價(jià)，定制多顆、多組、多波段的激光光源進(jìn)行混合， 甚至有的高端方案是用兩臺(tái)獨(dú)立、波段不同的激光投影混合，將激光光譜的波段擴(kuò)寬來(lái)達(dá)到抑制散斑的目的。同時(shí)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(gè)光纖束中，多個(gè)光纖中子光束附加不同的、隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)相位。通過(guò)隨機(jī)相位的增加來(lái)降低激光的時(shí)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(kāi)的光源形成兩幅非相干散斑后，由于散斑強(qiáng)度疊加，使得散斑對(duì)比度降低。散斑對(duì)比度定義為散斑圖樣的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與強(qiáng)度平均值之比。對(duì)于N個(gè)獨(dú)立散斑圖樣在強(qiáng)度上疊加，總強(qiáng)度的對(duì)比度C可表示為：

當(dāng)各獨(dú)立分量平均強(qiáng)度都相等時(shí)，散斑對(duì)比度公式可簡(jiǎn)化為：

而真正影響人眼觀(guān)測(cè)的為復(fù)合散斑，復(fù)合散斑為人眼真實(shí)觀(guān)測(cè)到的散斑大小，主要由一次散斑（客觀(guān) 散斑）和二次散斑（主觀(guān)散斑）組合而成。其中一次散斑是激光經(jīng)過(guò)Diffuser/SLM等到投影屏幕上的散斑；二次散斑是激光經(jīng)過(guò)屏幕再次散射后，經(jīng)過(guò)人眼光學(xué)系統(tǒng)形成的散斑。當(dāng)獨(dú)立散斑圖樣（即一次散斑）達(dá)到一定的數(shù)量下，激光散斑對(duì)比度就主要依賴(lài)于人眼光學(xué)系統(tǒng)所能夠探測(cè)到的基元數(shù)量M，修正后公式為：

其中N：統(tǒng)計(jì)獨(dú)立散斑圖樣數(shù)量（一次散斑）

M：表示單位探測(cè)面上探測(cè)到的散斑的平均數(shù)量（二次散斑）

O<β<1：取決于激光器和系統(tǒng)其他影響

兩者相加產(chǎn)生的散斑對(duì)比度抑制關(guān)系如下圖所示：

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

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

3.引入屏幕抖動(dòng)技術(shù)

由上述分析在人眼積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的多幅散斑相互積分疊加抑制散斑對(duì)比度，影院通過(guò)引入屏幕抖動(dòng)來(lái)抑制激光散斑對(duì)比度，使散斑出現(xiàn)類(lèi)似運(yùn)動(dòng)，在人眼積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的多幅散斑相互積分疊加抑制散斑對(duì)比度，該方案詳情見(jiàn)2014年專(zhuān)利。當(dāng)前影院散斑對(duì)比度不可見(jiàn)的最重要原因便是屏幕的抖動(dòng) （電影院屏幕在人眼不可覺(jué)察的范圍內(nèi)不斷地抖動(dòng)）。

家用投影的純?nèi)す饨鉀Q不了散斑的原因——

基于上述三種降低散斑的方式來(lái)看：

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

（2）家用三色激光顯示在觀(guān)影距離上無(wú)法像影院激光顯示那樣遠(yuǎn)距離觀(guān)看，而隨著觀(guān)影距離的減小，主觀(guān)散斑越嚴(yán)重；

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

彩邊的原理

彩邊（Color Fringing）現(xiàn)象是在一定角度下觀(guān)看畫(huà)面時(shí)在人眼處產(chǎn)生的色彩分離現(xiàn)象，內(nèi)容邊緣或投影畫(huà)面邊框有明顯的紅青色重影，人眼和眼鏡均有色散，對(duì)于戴眼鏡的用戶(hù)尤為明顯如下圖所示。

當(dāng)使用純?nèi)す膺@類(lèi)窄光譜光源時(shí)，由于紅綠之間沒(méi)有黃色的光譜能量分布、藍(lán)綠之間沒(méi)有青色的光譜能量分布，使得原本連續(xù)漸變的彩虹色散變成完全分離開(kāi)的紅藍(lán)色重影，一方面重影就如同3D顯示左右視場(chǎng)沒(méi)有完美匯聚一樣，使得內(nèi)容不清晰，如下圖，長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)看有眩暈感；另一方面由于窄光譜色彩飽和度高，彩邊會(huì)尤其的刺眼不舒適，同時(shí)由于彩邊是在人眼處產(chǎn)生的分離，無(wú)法通過(guò)顏色調(diào)教減小色域降低飽和度緩解彩邊的影響。

家用投影的純?nèi)す饨鉀Q不了彩邊的原因——

彩邊不同于投影光學(xué)系統(tǒng)的橫向色差（Lateral Chromatic Aberration）導(dǎo)致的色散現(xiàn)象，它無(wú)法通過(guò)鏡頭的消色差來(lái)解決，觀(guān)看角度和距離不同、人眼屈光度散光度不同人眼處觀(guān)察到的彩邊程度也不同，僅能通過(guò)使用寬光譜光源改善彩邊。

在影院的觀(guān)影環(huán)境中，觀(guān)眾的觀(guān)影距離遠(yuǎn)、座位固定、觀(guān)看角度固定，因此彩邊不明顯，一場(chǎng)觀(guān)影的時(shí)間有限，輕度視覺(jué)疲勞是可被接受的。但在家庭觀(guān)影環(huán)境下，觀(guān)影距離非常近，人們會(huì)經(jīng)常變換位置和角度，無(wú)法保證所有人都時(shí)刻正視投影畫(huà)面，尤其是視覺(jué)系統(tǒng)更脆弱而且好動(dòng)的兒童，彩邊問(wèn)題會(huì)更加明顯，眼部不舒適度會(huì)加重。

綜上所述，從散斑的抑制和彩邊的影響程度來(lái)看，專(zhuān)業(yè)影院的三色激光和家用投影的三色激光是有本質(zhì)差異的，后者散斑抑制效果遠(yuǎn)不及前者，彩邊問(wèn)題無(wú)法解決。

以上關(guān)于家用投影三色激光散斑和色散的原理分析較為詳細(xì)。總得來(lái)說(shuō)，當(dāng)前專(zhuān)業(yè)影院所采用的消散方案還不能在家用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)看帶有散斑和色散問(wèn)題的投影畫(huà)面，會(huì)產(chǎn)生視力受損、生理不適、眼部不可逆?zhèn)Φ纫幌盗形：?。目前主流產(chǎn)品所搭載的激光光源分為三色激光、ALPD激光以及極米超級(jí)混光，而同時(shí)兼顧亮度、色彩和舒適度的技術(shù)只有ALPD激光和混光技術(shù)，它們能使投影儀擁有更高的亮度、更強(qiáng)的色彩表現(xiàn)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(dāng)貝，品牌推出的激光投影產(chǎn)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(dāng)中，在家用領(lǐng)域開(kāi)拓了全新的激光賽道；隨著技術(shù)的演進(jìn)，極米這次又把LED和激光光源技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，帶來(lái)了雙光路融合的超級(jí)混光技術(shù)，在全色LED的基礎(chǔ)上，通過(guò)疊加純色激光，實(shí)現(xiàn)了更高的亮度和色域，同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)光譜模組進(jìn)一步增加了色域范圍，達(dá)到更高的色準(zhǔn)表現(xiàn)。

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