技術(shù)課 | 今天你了解到的可不一斑（下）

　　上期，針對目前行業(yè)中對于散斑的一些不正確的見(jiàn)解——“無(wú)論什么光源，都可以產(chǎn)生光學(xué)干涉現象，也就是說(shuō)‘任何光源都可以產(chǎn)生散斑現象’”進(jìn)行了分析說(shuō)明，受到了很多高能學(xué)霸小伙伴的歡迎，那么今天我們將繼續和大家分享一些不一“斑”的知識。

　　關(guān)于是否存在原生無(wú)散斑 　　行業(yè)某文章歧義觀(guān)點(diǎn)截圖

圖 1.原文章中的截圖

　　在這部分，原文以之前

　　“任何光源都可以產(chǎn)生散斑現象”

　　為前提推出了不正確論點(diǎn)，即

　　“不存在原生無(wú)散斑”。

　　而通過(guò)上期分析，可以看到如果光源不是激光器等相干光源，是看不到散斑現象的。

　　而熒光是典型的非相干光，

　　就是原生無(wú)散斑的!

　　另外，客觀(guān)來(lái)說(shuō)，熒光激光放映技術(shù)雖然綠光和紅光用的是熒光(為何這樣說(shuō)?請參考下圖漫畫(huà))，

　圖2.熒光激光放映技術(shù)示意漫畫(huà)

　　但藍光用的仍然是激光，因此確實(shí)含有激光成分。小編這里計算了一下熒光激光放映中激光成分的比例，如圖3所示，以輸出60000 lm的DCI標準的白光為例，RGB三基色激光放映機的光機需要輸出45.8 W的藍激光、81.0 W的綠激光和112.9 W的紅激光，而熒光激光的光機只需要輸出46.7 W的藍激光和119.7 W的熒光。即熒光激光輸出的相干光成分不到RGB的1/5。使用原文中引用的一句話(huà)，“任何拋開(kāi)劑量談毒性的，都是耍流氓”，在觀(guān)影過(guò)程中，激光散斑主要影響的是觀(guān)眾的觀(guān)影感受，是一個(gè)視覺(jué)心理量，人眼是有分辨閾值的，目前對激光散斑對比度的標準制定正在緊鑼密鼓的制定中，也就是說(shuō)，只要激光散斑對比度在某個(gè)閾值以下，觀(guān)眾是沒(méi)法察覺(jué)的。這里小編悄悄透露一下，目前在各種標準的測量中，和其他激光放映機相比，熒光激光放映機的散斑對比度是最低的哦，沒(méi)有之一!與標準測量相互驗證的是，在實(shí)際的產(chǎn)品運作中，熒光激光放映機的運營(yíng)者均沒(méi)有花額外的成本去消散斑，因為不需要，這也是為什么熒光激光技術(shù)敢號稱(chēng)“原生態(tài)，無(wú)散斑”的原因。

　圖3. 產(chǎn)生60000 lm白光時(shí)（a）RGB需要的激光功率，（b）熒光激光需要的激光和熒光功率

　　另外，熒光也正是一種消散斑的有效手段。關(guān)于是否存在原生無(wú)散斑這個(gè)問(wèn)題，我們已經(jīng)討論完了，接下來(lái)讓我們繼續看下一個(gè)歧義的觀(guān)點(diǎn)。

　　關(guān)于散斑的安全性 　　行業(yè)某文章歧義觀(guān)點(diǎn)截圖

　圖 4.  原文章中的截圖

　　在這部分，對于散斑的安全性問(wèn)題，某些文章認為激光放映機的屏幕反射光對人眼是安全的，因此散斑對人眼無(wú)害。小編承認屏幕反射光對人眼確實(shí)是安全的，不僅如此，激光放映機內部的原始激光在經(jīng)過(guò)一系列光學(xué)器件后，被均勻地散布在寬闊區域，從投影鏡頭射出的不再是非常強的窄平行光束，不再具有原始激光的危險能量。因此，國際電工委員會(huì )(IEC)在2015年正式將激光放映機的分類(lèi)從激光標準(IEC 50825-1: 2014)更改為了燈光標準(IEC 62471-5: 2015) [4]。

　　但大家不要忽視燈光標準中的強光危害哦，某文貼出的報告中也指出了，“距離激光放映機出光口0.25m至2.5m功率密度的變化范圍為1.97x103W/m2至213W/m2，超出人眼安全閾值，應避免人眼接觸。距離激光放映機出光口2.5m以上時(shí)，低于短時(shí)間(0.1~1秒)照射最大允許量，在人眼正常反應時(shí)間內可以采取保護性反應而不會(huì )出現照射時(shí)間過(guò)長(cháng)意外損傷，因此屬于人眼短時(shí)間照射安全范圍。”也就是說(shuō)，如果不小心直視了投影光，會(huì )對人眼安全造成威脅，且距離越近，光強越強，對人眼的傷害越強。那么，激光散斑會(huì )加深這種強光傷害嗎?答案是，會(huì )的!

　　為此小編進(jìn)行過(guò)深入的研究和推算，推算過(guò)程有點(diǎn)長(cháng)，但作為科學(xué)探討也貼在這，大家如果不愿看可以跳過(guò)，直接看最后的結論。

　　當人眼看向放映的光束時(shí)，由于該光束是已經(jīng)被散射過(guò)的相干光，因此會(huì )在人眼視網(wǎng)膜上形成散斑圖樣，即視網(wǎng)膜上會(huì )有強度隨機分布的亮斑和暗斑。下面我們給出視網(wǎng)膜上散斑的尺寸和強度。

　　由文獻 [5]可知，在帶鏡頭的CCD相機上成像的散斑的平均尺寸為：

　　(1)

　　其中f/#為相機鏡頭的f-number，即

　　(2)

　　其中f為鏡頭焦距，為鏡頭孔徑的直徑。

　　人眼結構類(lèi)似于CCD相機，其焦距f為22.8mm [6]，瞳孔直徑D為3.2mm [7]。因此，對于638nm、525nm和465 nm的紅綠藍光，人眼視網(wǎng)膜上的散斑平均尺寸分別為26.32μm2、17.82μm2和13.98μm2在人眼視網(wǎng)膜中央凹區域，視錐細胞(感光細胞)的平均密度為191000mm-2即視網(wǎng)膜上單個(gè)像素點(diǎn)的平均尺寸為5.24μm2，因此單個(gè)散斑平均可以覆蓋3~5個(gè)視錐細胞。

　　在激光散斑成像中，散斑強度是一個(gè)隨機量，通過(guò)Goodman的“隨機行走”理論 [3]，可以獲得散斑強度的概率密度函數。在單個(gè)散斑平均覆蓋3~5個(gè)視錐細胞的情況下，視網(wǎng)膜感受到的散斑強度的概率密度函數為圖5所示的負指數函數 [3]，其概率密度函數為：

　　(3)

　　其中(I)表示散斑的平均強度，即同功率非相干光到達視網(wǎng)膜時(shí)的光強。

圖5. 散斑強度測試結果的直方圖

　　實(shí)線(xiàn)表示負指數函數 [3]

　　在實(shí)際應用中，我們更關(guān)心散斑強度超過(guò)一定閾值的概率，該概率為：

　　（4）

　　從公式(4)可以看出，視網(wǎng)膜上某處感光細胞的散斑強度有5%的概率超過(guò)3倍平均強度，有0.01%的概率超過(guò)9倍平均強度，當散斑強度超過(guò)安全限值，將會(huì )導致該處感光細胞的損傷。

　　以DCI標準的白光為例，RGB三色激光放映機在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生平均強度為I0的光強時(shí)，人眼視網(wǎng)膜上不同區域的散斑強度分布如圖6 (a)所示，從中可以看到，局部的視錐細胞需要承受9I0的光強。而如果為激光熒光，則由于大部分為熒光，相干光成分較少，前文計算可知相干光成分不到RGB的1/5，因而該部分的視錐細胞只需承受2I0的光強，熒光遠小于RGB的光強傷害。9倍的強光傷害你想感受一下嗎?

圖6.（a）RGB三色激光投影

　　和（b）熒光激光放映在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的散斑強度分布

　　今天，關(guān)于行業(yè)一些文章對散斑的觀(guān)點(diǎn)，我們分析到此結束。但小編想說(shuō)的是，在激光顯示領(lǐng)域，我們都需要拿出正確的態(tài)度來(lái)對待激光散斑這個(gè)攔路虎，不論是為了更好的觀(guān)影體驗，還是為了降低強光傷害風(fēng)險，都需要想辦法去盡量降低激光散斑，而不要去回避它。目前即使已經(jīng)有大量手段來(lái)消散斑，學(xué)術(shù)界也還在繼續研究更便宜更有效更穩定的消散斑方式，附上今年最近的一篇消散斑的文獻 [9]，如果散斑不需要解決，為何學(xué)術(shù)界還樂(lè )此不疲的研究呢。事實(shí)上，熒光也正是一種消散斑的有效手段，目前熒光激光放映技術(shù)的代表ALPD®也正是在利用這種手段消散斑。希望，在激光顯示領(lǐng)域的發(fā)展中，大家能夠相互促進(jìn)，為整個(gè)行業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

　　Reference

　　[3]J. W. Goodman. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications. 2006.

　　[4]https://www.lipainfo.org/laser-projection/laser-regulations/.

　　[5]S.Roelandt, et al.Standardized speckle measurement method matched to human speckle perception in laser projection systems. Optics Express. 2012, 20(8): 8770-8783.

　　[6 W. J. Smith. Modern Optical Engineering. New York: McGraw-Hill International Book Co, 1966.

　　[7]J. Pokorny and V. C. Smith. How much light reaches the retina. Documenta Ophthalmologica Proceedings Series. 1997, 59: 491-511.

　　[8]C. Curcio. Human photoreceptor topography. J.Comp. Neurol. 1990, 292: 497-523.

　　[9]F. Shevlin. Phase randomization for spatio-temporal averaging of unwanted interference effects arising from coherence. 2018, 57(22): E6-E10.