三色激光这么好，散斑这么“坏”，我们如何“干掉它”

    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，1877 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；1914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。