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[经验心得] [科普] 什么三色激光散斑

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发表于 2023年11月06日 15:55 2184 1 来源:投影/幕布> 经验心得 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |

笙歌未散 帖主

2023-11-6 15:55

一些激光投影仪采用三色激光作为光源,相对于其他光源的投影仪,提供了多项优势。这些激光提供了更高的纯度和准确性,能产生更广的色域、更高的亮度、更长的使用寿命和极高的电光效率。因此,与其他光源机器相比,激光投影仪的修护成本更低。可惜的是,这里我们提醒一下用户激光并非完美的光源。因为它存在一种与激光显示相关的有害效应,被称为“散斑”。

什么是激光散斑?
散斑这个术语指的是一种随机的颗粒状图案,可以在高度相干的光束(例如来自激光的光束)在经过具有复杂(粗糙)结构的表面时观察到,如纸张、白色涂料、显示屏或金属表面。这种现象是由于入射光束许多存在不同的反射部分,它们彼此有随机相对光学相位干涉而导致这个问题。即使是条件的轻微变化,如照射点或入射激光束的方向的改变,都可以改变散斑图案的具体形状。
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为什么三色激光会产生散斑?
三色激光的散斑原因与其工作原理有关。三色激光的原理并不复杂,它只是将红、绿和蓝激光分别照射到DMD芯片上,并通过DMD投出所需的图像。由于激光光源的相干性,激光束中的光波在传播时会以完全同步的波峰和波谷振荡,当两个激光束重叠时,每个光束的波峰和波谷就会相互增强,从而产生干涉图案。

激光的三个鲜明特征
激光目前是人类能够产生的最强大的人造光源。激光具有三个鲜明特征:单色性、相干性和定向性。与传统的白炽灯泡、氙气灯和其他光源相比,激光提供更高的亮度、更高的能源效率、出色的色彩单色性、紧凑的体积和更长的寿命。因此,由于这些优势,激光引起了制造商的极大关注,并有望成为照明显示的首选。

· 单色性
单色光是指包含单一颜色或波长的光。普通光源发出的光具有不同的能量、频率、波长或颜色。但激光光只有单一波长或颜色。
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· 相干性
相干性指的是两个不同的光源能够相互干涉的现象。为了使光波的稳定干涉发生,必须存在相干光。根据现代物理光学原理,只有拥有相同频率和恒定相位差的相干光源,同时保持一致的振动方向,才能产生干涉图案。由于激光是在具有相同特性(频率和相位)的相干辐射场的影响下产生的受激发射光,它们在其物理本质内表现出出色的相干性特性。
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· 定向性
普通光源发出的光线在各个方向传播,但激光光线只在一个方向传播。这被称为激光光源的定向性。激光束的宽度非常窄。因此,激光束可以在不扩散的情况下传播到较远的距离。

相干性:提高显示效果但引入散斑
在显示领域,相干性使激光在传输过程中具有高稳定性,从而导致更高的亮度、更广的色域和整体效率。然而,它也引入了散斑的问题。

要产生散斑,必须满足两个条件:首先,使用相干光,例如稳定干涉能力的光源,如激光;其次,存在高度与波长量级的光学粗糙表面。日常能见到的一些表面如墙壁、纸张和电影屏幕都属于光学粗糙表面的范畴。正如我们可以从下图的比较中观察到的那样,散斑极大影响显示质量(a代表散斑图像,b代表低散斑图像)。
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激光散斑对人眼有害吗?
答案是肯定的,长时间观看具有散斑的图像会导致眼睛疲劳和对眼睛的重大伤害。这对于儿童的视力健康特别有害,可能会导致不可逆转的损害。

根据人眼的结构和光线的折射路径原理,人眼的折射系统对可见光和近红外激光具有强烈的聚焦效应。与角膜上的激光照射相比,视网膜上的激光辐射功率密度增加了超过105倍。换句话说,视网膜接收到的散斑亮度比其他地方(如角膜或皮肤表面)的平均亮度高出105倍。当散斑强度超过一定阈值时,可能会对视网膜组织造成潜在伤害,引发视觉疲劳、眼干、眼睛肿胀,甚至引发头晕等身体不适。

如何减少激光散斑?
通常有三种方法可以减少激光散斑。以下是具体的方法:
振动屏技术
振动屏技术是当前在电影院中消除激光显示散斑的常见解决方案,也是一种古老的解决方案。该方法的原理很简单:投影屏幕以垂直于投影光方向的不规则、高频(远远超出人眼时间分辨率的时间分辨率)微弱振动。这种振动是通过特殊的振动生成装置实现的,振动以振动波的形式传播到屏幕上。振动屏系统的本质是改变反射给人眼的光在时间轴上的“相位一致性”。然而,这种变化的频率非常高,速度极快,远远超出了人眼的分辨能力;人眼会自动将其合成成一幅图像,然后允许不同形式的散斑不规则叠加成几乎均匀的无散斑图像。同时,振动屏系统的振幅改变了激光的反射相位,其振动偏移与可见光的波长相比相当小,完全不会影响投影镜头的焦点定义(振动屏对“焦距”的影响通常小于镜头光学误差,也明显小于人眼的空间分辨率的限制。振动屏系统的主要问题包括多个振动源的协调调试、噪音问题、振动源寿命和稳定性问题等,特别是在大尺寸电影屏幕上,难度明显增加)。

投影屏
解决这个问题的另一种方法是选择合适的投影屏幕。在激光投影仪上,平滑的坚固表面上的散斑更加明显,而在粗糙表面上的散斑则不太明显。测试还表明,在菲涅尓屏上投射的散斑最不明显,而在白色塑料或光滑墙壁上投射的散斑则更明显。

IDDW(积分动态扩散器轮)散斑减少技术

此外,IDDW散斑减少技术(也是市面上一些激光电视使用的解决方案)为这个问题提供了更有效的解决方案。基于多波长综合光源解决方案与区域涂覆,这种创新方法利用了更广谱的光谱,显著降低了激光波长的相干性。其结果是显著减少了激光干涉现象,有望消除高达95%的散斑,为显示技术提供了重大进展。

总结

根据当前的三色激光技术现状,可以明显看出在三色激光投影中的散斑问题尚未完全解决。因此,这项技术需要进一步改进和完善。为了减轻散斑问题,建议搭配获取与适当屏幕兼容的三色激光投影仪。
总之,无论选择什么种类的光源或投影仪,肯定都有自身的优缺点,选择哪一个就看个人如何选择了。
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tomjerry2014 2

2024-4-14 11:34

学习了,谢谢啦。
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