技術(shù)課 | 慎點(diǎn),今天你了解到的可不一斑(上)

　　激光放映散斑，早已是老生常談的問(wèn)題。前段時(shí)間，關(guān)于散斑的理論在放映行業(yè)中產(chǎn)生了一些分歧。盡管在產(chǎn)品的使用中，實(shí)際效果已經(jīng)告訴客戶(hù)爸爸們什么樣的激光放映技術(shù)呈現的效果是看不見(jiàn)散斑的，但是對于一向追求真理的我們，還是想從專(zhuān)業(yè)的角度，用科學(xué)武器來(lái)捍衛真理，讓大家不被文字游戲迷惑!讓大家對激光散斑有更全面和正確的認識。

　　關(guān)于光學(xué)干涉

　　光的特性：在19世紀，光的干涉現象的發(fā)現對于光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)起到了極大的促進(jìn)作用，科學(xué)家發(fā)現光既能像波一樣向前傳播，有時(shí)又表現出粒子的特征。

?。?科學(xué)家首次拍到光的二象性）

　　雖然“無(wú)論什么光源都可以產(chǎn)生光學(xué)干涉現象”這句話(huà)聽(tīng)起來(lái)似乎沒(méi)什么問(wèn)題，但光的穩定干涉是需要相干光才能實(shí)現的?，F代物理光學(xué)指出，只有兩列光波的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。對于普通的光源，若想產(chǎn)生相干，是如何實(shí)現的呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)光學(xué)裝置將同一個(gè)光源發(fā)出的源波分為若干個(gè)子波，它們具有相同的頻率、相位差和偏振方向，從而可以產(chǎn)生干涉現象。所以小編想強調的是：普通的光源想要產(chǎn)生光學(xué)干涉，是沒(méi)那么容易的。以大家熟知的牛頓環(huán)和楊氏雙縫干涉實(shí)驗為例進(jìn)行說(shuō)明。

　　牛頓環(huán)是牛頓在1675年首先觀(guān)察到的，其示意圖如圖2所示，將一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平板上，用單色光照射透鏡和玻璃板，就可以觀(guān)察到一些明暗相間的同心圓環(huán)。在日光下或用白光照射時(shí)，可以看到接觸點(diǎn)為一暗點(diǎn)，其周?chē)鸀橐恍┟靼迪嚅g的彩色圓環(huán)。它們是由球面上和平面上反射的光線(xiàn)相互干涉而形成的干涉條紋。牛頓環(huán)是通過(guò)分振幅法獲得相干光的，即當一束光投射到兩種透明媒質(zhì)的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射，因此，牛頓環(huán)中的球面和平面反射的是同一入射光的兩部分，只是經(jīng)歷不同的路徑而有恒定的相位差，故而這兩個(gè)反射光是相干的。

　圖 2 牛頓環(huán)示意圖

　　楊氏雙縫干涉實(shí)驗是一個(gè)著(zhù)名的光學(xué)實(shí)驗，托馬斯•楊把一支蠟燭放在一張開(kāi)了一個(gè)小孔的紙前面，這樣就形成了一個(gè)點(diǎn)光源，然后在紙后面再放一張開(kāi)了兩道平行狹縫的紙，從小孔中射出的光穿過(guò)兩道狹縫投到屏幕上，就會(huì )形成一系列明暗交替的條紋。楊氏雙縫干涉實(shí)驗獲得相干光的方法叫做分波陣面法，其原理示意圖如圖3所示，通過(guò)在雙縫b、c之前加一個(gè)小孔a，根據惠更斯原理，經(jīng)小孔a衍射的光為一個(gè)球面波，其波陣面上任一部分都可看作是具有相同頻率、相同相位的新光源，因此在雙縫b和c處衍射的光波為相干光，進(jìn)而在屏幕處形成明暗交替的干涉條紋。

　圖3  楊氏雙縫干涉原理示意圖

　　所以小編想再次強調：普通的光源想要產(chǎn)生光學(xué)干涉，是沒(méi)那么容易的。直到激光器的出現，讓人們可以更好的研究和應用光的干涉現象了，因為激光本身就擁有很好的相干性，是理想的相干光源。例如，目前在進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗時(shí)，一般直接將激光照射在雙縫上即可獲得干涉圖樣，不再需要利用小孔獲得相干光。

　　得出結論

　　并不是什么光源都可以產(chǎn)生相干，只有兩列光波的頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。對于普通的光源，則需要一定的方法和措施來(lái)滿(mǎn)足一定的條件，進(jìn)而產(chǎn)生相干光。而激光本身是理想的相干光!

　　這部分請謹記，因為接下來(lái)我們將了解到，相干光是產(chǎn)生散斑的一大前提!

　　還能耐心看，佩服你。

　　關(guān)于散斑

　　下面我們來(lái)談?wù)勆?，即在相干光的照射下，光?jīng)粗糙表面反射或透射后會(huì )形成無(wú)數獨立的散射子波，這些子波在空間傳播過(guò)程中發(fā)生干涉現象，形成顆粒狀的斑紋圖樣，即散斑。雖然，從牛頓時(shí)代起一些科學(xué)家就觀(guān)察到了散斑現象，但直到1960年激光器問(wèn)世之后，人們對散斑現象才有了大量的深入研究和應用。

　　形成條件

　　因為形成散斑的兩個(gè)條件：1. 相干光。2.平均起伏大于波長(cháng)數量級的光學(xué)粗糙表面(這個(gè)條件很容易滿(mǎn)足)。

　　而目前常見(jiàn)的相干光源只有激光，所以在沒(méi)有特指的情況下，散斑一般指的就是激光散斑。

　　所以對于“任何光源都可以產(chǎn)生散斑現象，并不是激光的專(zhuān)有屬性，激光不背散斑這個(gè)鍋!”是不成立的。

　　1. 并不是“任何光源”都能形成散斑，只有特定條件下才會(huì )形成散斑。

　　2.直接用RGB激光照射電影銀幕符合特定條件，會(huì )形成散斑。然而電影放映是不需要散斑的，需要特定的技術(shù)去消除散斑。

　　為了讓大家對激光散斑有一個(gè)直觀(guān)認識，圖4給出了有散斑和消散斑后的激光投影圖像，可以看到，影像中有散斑的話(huà)會(huì )極大地影響觀(guān)看感受。

　圖 4  散斑投影圖像示例（a）有散斑

　　（b）基本無(wú)散斑 [1]

　　在電影行業(yè)，對于激光散斑，人們主要研究如何減弱散斑的影響，因為其對相干成像系統來(lái)說(shuō)是一種很討厭的“噪聲”。但在其他領(lǐng)域，研究發(fā)現，散斑攜帶了光束和光束所通過(guò)的物體的許多信息，于是產(chǎn)生了許多積極的應用。例如用散斑的對比度測量反射表面的粗糙度，利用散斑的動(dòng)態(tài)情況測量物體運動(dòng)的速度，利用散斑進(jìn)行光學(xué)信息處理，甚至利用散斑驗光等等。

　　現今，激光顯示技術(shù)迅猛發(fā)展，如何消除激光散斑又成為了科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，目前有著(zhù)各種各樣的技術(shù)手段去減弱激光散斑，這些技術(shù)手段大致可以分為兩類(lèi)：

　　1.從產(chǎn)生散斑的根源入手，減弱光源的相干性，如采用弱相干的光源、脈沖驅動(dòng)、相位延遲、多模光纖等。

　　2.將不相關(guān)的多個(gè)散斑在空間或時(shí)間域里疊加，從而降低對比度，如偏振疊加、波長(cháng)疊加、多照明角度、散射片、抖動(dòng)屏幕等。需要指出的是，一般通過(guò)單純一種方法很難完全將散斑對比度降低到視覺(jué)無(wú)法察覺(jué)的程度，通常需要采用多種方式復合來(lái)實(shí)現。[2]