最近家用投影的不同光源顯示技術(shù)受到不少用戶的關(guān)注，關(guān)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(shù)運用到家用投影當(dāng)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(shù)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(xué)實驗室公布的內(nèi)容來一探究竟。

一、專業(yè)影院的三色激光和家用投影的三色激光的區(qū)別

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，從影響觀看舒適度的散斑和彩邊兩方面來看：

(資料圖片)

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，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(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間和空間相干性，會出現(xiàn)散斑的現(xiàn)象。

國際光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Optics Express》上發(fā)表的論文通過感知心理學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散斑對比度超過3.2%時，人眼可察覺到散斑；當(dāng)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(guān)，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(shù)，可以得到散斑對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(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，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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)合散斑，復(fù)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(jīng)過Diffuser/SLM等到投影屏幕上的散斑；二次散斑是激光經(jīng)過屏幕再次散射后，經(jīng)過人眼光學(xué)系統(tǒng)形成的散斑。當(dāng)獨立散斑圖樣（即一次散斑）達到一定的數(shù)量下，激光散斑對比度就主要依賴于人眼光學(xué)系統(tǒng)所能夠探測到的基元數(shù)量M，修正后公式為：

其中N：統(tǒng)計獨立散斑圖樣數(shù)量（一次散斑）

M：表示單位探測面上探測到的散斑的平均數(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)生的散斑對比度抑制關(guān)系如下圖所示：

M數(shù)主要是探測器成像鏡頭（人眼系統(tǒng)）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(tǒng)（即人眼）到屏幕的距離。在投影系統(tǒng)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(shù)

由上述分析在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)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(xiàn)類似運動，在人眼積分時間內(nèi)產(chǎn)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(dāng)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(nèi)不斷地抖動）。

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影距離上無法像影院激光顯示那樣遠(yuǎn)距離觀看，而隨著觀影距離的減小，主觀散斑越嚴(yán)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(xiàn)，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(xiàn)象是在一定角度下觀看畫面時在人眼處產(chǎn)生的色彩分離現(xiàn)象，內(nèi)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(dāng)使用純?nèi)す膺@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(lán)綠之間沒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的紅藍(lán)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(nèi)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(chǎn)生的分離，無法通過顏色調(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(huán)境中，觀眾的觀影距離遠(yuǎn)、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(huán)境下，觀影距離非常近，人們會經(jīng)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(tǒng)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(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，彩邊問題無法解決。

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)。總得來說，當(dāng)前專業(yè)影院所采用的消散方案還不能在家用領(lǐng)域中實現(xiàn)，用戶長時間觀看帶有散斑和色散問題的投影畫面，會產(chǎn)生視力受損、生理不適、眼部不可逆?zhèn)Φ纫幌盗形：ΑＤ壳爸髁鳟a(chǎn)品所搭載的激光光源分為三色激光、ALPD激光以及極米超級混光，而同時兼顧亮度、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)域開拓了全新的激光賽道；隨著技術(shù)的演進，極米這次又把LED和激光光源技術(shù)進行結(jié)合，帶來了雙光路融合的超級混光技術(shù)，在全色LED的基礎(chǔ)上，通過疊加純色激光，實現(xiàn)了更高的亮度和色域，同時通過動態(tài)光譜模組進一步增加了色域范圍，達到更高的色準(zhǔn)表現(xiàn)。

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