三色激光投影散斑可以去除吗？投影仪散斑色边问题详解
最近家用投影的不同光源显示技术受到不少用户的关注，关于该话题的讨论更是一度登上了热搜。我们知道，三色激光显示技术运用到家用投影当中，存在不可避免的散斑和色散问题，它们都直接影响到用户的实际观看体验，且目前尚没有合适的技术从根源上去解决这些画面问题。那么究竟三色激光画面问题涉及到的原理是什么？下面摘选极米光学实验室公布的内容来一探究竟。
一、专业影院的三色激光和家用投影的三色激光的区别
三色激光技术在商用领域和家用领域的应用是有本质差异的，从影响观看舒适度的散斑和彩边两方面来看：
散斑的原理
散斑（Speckle）是一种光的衍射与干涉现象，当高相干性光源照射到银幕（墙面）表面时，粗糙表面的随机起伏会带来光相位的随机涨落，被照射表面的每个点可以看作是次级光源，往自由空间发射球面波，球面波像水波纹一样相互干涉，如下图所示，产生能量叠加或能量抵消，从而形成分散亮斑的现象。由于激光具有很高的时间和空间相干性，会出现散斑的现象。
国际光学领域权威期刊《Optics Express》上发表的论文通过感知心理学实验发现，当散斑对比度超过3.2%时，人眼可察觉到散斑；当散斑对比度超过4.1 %时，散斑画面会让人感受到干扰与不适。
激光散斑抑制原理
1.减弱激光光源时间相干性
光源的时间相干性和光谱宽度有关，光谱越窄，时间相干性越强。通过不同波长散斑对比度以及光的归一化函数，可以得到散斑对比和光谱宽度以及屏幕表面粗糙度相关公式如下：
由上述公式可以看出，激光光谱宽度越大，激光散斑对比度越小。假设散射表面高度标准差为250um 的屏幕，激光中心波长为450-640nm时，要使散斑对比度降低到5%以下，光谱半高宽至少为10nm以 上。而当前三色激光器由于采用半导体激光器，其单管激光器光谱半高宽小于2nm,如下图。
影院三色激光技术解决方案，是以高昂的成本为代价，定制多颗、多组、多波段的激光光源进行混合， 甚至有的高端方案是用两台独立、波段不同的激光投影混合，将激光光谱的波段扩宽来达到抑制散斑的目的。同时部分影院激光显示方案采用光纤耦合方式，将激光耦合到多个光纤束中，多个光纤中子光束附加不同的、随时间和空间变化的随机相位。通过随机相位的增加来降低激光的时间相干性，从而抑制激光散斑。
2.减弱激光光源空间相干性
空间上相互分开的光源形成两幅非相干散斑后，由于散斑强度叠加，使得散斑对比度降低。散斑对比度定义为散斑图样的强度标准差与强度平均值之比。对于N个独立散斑图样在强度上叠加，总强度的对比度C可表示为：
当各独立分量平均强度都相等时，散斑对比度公式可简化为：
而真正影响人眼观测的为复合散斑，复合散斑为人眼真实观测到的散斑大小，主要由一次散斑（客观 散斑）和二次散斑（主观散斑）组合而成。其中一次散斑是激光经过Diffuser/SLM等到投影屏幕上的散斑；二次散斑是激光经过屏幕再次散射后，经过人眼光学系统形成的散斑。当独立散斑图样（即一次散斑）达到一定的数量下，激光散斑对比度就主要依赖于人眼光学系统所能够探测到的基元数量M，修正后公式为：
其中N：统计独立散斑图样数量（一次散斑）
M：表示单位探测面上探测到的散斑的平均数量（二次散斑）
O<β<1：取决于激光器和系统其他影响
两者相加产生的散斑对比度抑制关系如下图所示：
M数主要是探测器成像镜头（人眼系统）在观察屏上的分辨基元除以投影镜头在观察屏上的分辨基元，如下公式所示：
其中Z1为投影光机投射到屏幕的距离，Z2为探测系统（即人眼）到屏幕的距离。在投影系统固定的情况下，探测距离到达屏幕距离（即观看距离）越大，M值越大，散斑对比度越小，这也是为什么影院激光显示散斑不明显的一个原因。
3.引入屏幕抖动技术
由上述分析在人眼积分时间内产生的多幅散斑相互积分叠加抑制散斑对比度，影院通过引入屏幕抖动来抑制激光散斑对比度，使散斑出现类似运动，在人眼积分时间内产生的多幅散斑相互积分叠加抑制散斑对比度，该方案详情见2014年专利。当前影院散斑对比度不可见的最重要原因便是屏幕的抖动 （电影院屏幕在人眼不可觉察的范围内不断地抖动）。
家用投影的纯三色激光解决不了散斑的原因——
基于上述三种降低散斑的方式来看：
（1）家用三色激光显示在激光器颗数远不及影院激光显示，同时家用三色激光显示的光源模组远不如影院系统釆用光纤耦合模组；
（2）家用三色激光显示在观影距离上无法像影院激光显示那样远距离观看，而随着观影距离的减小，主观散斑越严重；
（3）家用三色激光显示目前没有屏幕抖动解决方案，且该方案在普通家庭较难实现，而屏幕抖动是影院激光显示解决散斑问题最有效的方案。因此，家用三色激光显示无法做到影院消散斑的效果。
彩边的原理
彩边（Color Fringing）现象是在一定角度下观看画面时在人眼处产生的色彩分离现象，内容边缘或投影画面边框有明显的红青色重影，人眼和眼镜均有色散，对于戴眼镜的用户尤为明显如下图所示。
当使用纯三色激光这类窄光谱光源时，由于红绿之间没有黄色的光谱能量分布、蓝绿之间没有青色的光谱能量分布，使得原本连续渐变的彩虹色散变成完全分离开的红蓝色重影，一方面重影就如同3D显示左右视场没有完美汇聚一样，使得内容不清晰，如下图，长时间观看有眩晕感；另一方面由于窄光谱色彩饱和度高，彩边会尤其的刺眼不舒适，同时由于彩边是在人眼处产生的分离，无法通过颜色调教减小色域降低饱和度缓解彩边的影响。
家用投影的纯三色激光解决不了彩边的原因——
彩边不同于投影光学系统的横向色差（Lateral Chromatic Aberration）导致的色散现象，它无法通过镜头的消色差来解决，观看角度和距离不同、人眼屈光度散光度不同人眼处观察到的彩边程度也不同，仅能通过使用宽光谱光源改善彩边。
在影院的观影环境中，观众的观影距离远、座位固定、观看角度固定，因此彩边不明显，一场观影的时间有限，轻度视觉疲劳是可被接受的。但在家庭观影环境下，观影距离非常近，人们会经常变换位置和角度，无法保证所有人都时刻正视投影画面，尤其是视觉系统更脆弱而且好动的儿童，彩边问题会更加明显，眼部不舒适度会加重。
综上所述，从散斑的抑制和彩边的影响程度来看，专业影院的三色激光和家用投影的三色激光是有本质差异的，后者散斑抑制效果远不及前者，彩边问题无法解决。
以上关于家用投影三色激光散斑和色散的原理分析较为详细。总得来说，当前专业影院所采用的消散方案还不能在家用领域中实现，用户长时间观看带有散斑和色散问题的投影画面，会产生视力受损、生理不适、眼部不可逆伤害等一系列危害。目前主流产品所搭载的激光光源分为三色激光、ALPD激光以及极米超级混光，而同时兼顾亮度、色彩和舒适度的技术只有ALPD激光和混光技术，它们能使投影仪拥有更高的亮度、更强的色彩表现力，从根源上克服散斑、色散等缺陷。
使用ALPD激光光源的品牌代表为当贝，品牌推出的激光投影产品具备里程碑意义。其在2021年率先把激光光源引入到智能家用投影当中，在家用领域开拓了全新的激光赛道；随着技术的演进，极米这次又把LED和激光光源技术进行结合，带来了双光路融合的超级混光技术，在全色LED的基础上，通过叠加纯色激光，实现了更高的亮度和色域，同时通过动态光谱模组进一步增加了色域范围，达到更高的色准表现。
相关阅读：