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技术课 | 慎点,今天你了解到的可不一斑(上)

中国投影网投影机资讯  来源:中影光峰  2018-7-20 9:24:56  编辑:落玥  [ ]

  激光放映散斑,早已是老生常谈的问题。前段时间,关于散斑的理论在放映行业中产生了一些分歧。尽管在产品的使用中,实际效果已经告诉客户爸爸们什么样的激光放映技术呈现的效果是看不见散斑的,但是对于一向追求真理的我们,还是想从专业的角度,用科学武器来捍卫真理,让大家不被文字游戏迷惑!让大家对激光散斑有更全面和正确的认识。
  关于光学干涉
  光的特性:在19世纪,光的干涉现象的发现对于光的波动学说起到了极大的促进作用,科学家发现光既能像波一样向前传播,有时又表现出粒子的特征。

  ( 科学家首次拍到光的二象性)

  虽然“无论什么光源都可以产生光学干涉现象”这句话听起来似乎没什么问题,但光的稳定干涉是需要相干光才能实现的。现代物理光学指出,只有两列光波的频率相同、相位差恒定、振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。对于普通的光源,若想产生相干,是如何实现的呢?简单来说,就是通过光学装置将同一个光源发出的源波分为若干个子波,它们具有相同的频率、相位差和偏振方向,从而可以产生干涉现象。所以小编想强调的是:普通的光源想要产生光学干涉,是没那么容易的。以大家熟知的牛顿环和杨氏双缝干涉实验为例进行说明。
  牛顿环是牛顿在1675年首先观察到的,其示意图如图2所示,将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上,用单色光照射透镜和玻璃板,就可以观察到一些明暗相间的同心圆环。在日光下或用白光照射时,可以看到接触点为一暗点,其周围为一些明暗相间的彩色圆环。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。牛顿环是通过分振幅法获得相干光的,即当一束光投射到两种透明媒质的分界面上,光能一部分反射,另一部分折射,因此,牛顿环中的球面和平面反射的是同一入射光的两部分,只是经历不同的路径而有恒定的相位差,故而这两个反射光是相干的。

  图 2 牛顿环示意图

  杨氏双缝干涉实验是一个著名的光学实验,托马斯•杨把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源,然后在纸后面再放一张开了两道平行狭缝的纸,从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明暗交替的条纹。杨氏双缝干涉实验获得相干光的方法叫做分波阵面法,其原理示意图如图3所示,通过在双缝b、c之前加一个小孔a,根据惠更斯原理,经小孔a衍射的光为一个球面波,其波阵面上任一部分都可看作是具有相同频率、相同相位的新光源,因此在双缝b和c处衍射的光波为相干光,进而在屏幕处形成明暗交替的干涉条纹。

  图3  杨氏双缝干涉原理示意图

  所以小编想再次强调:普通的光源想要产生光学干涉,是没那么容易的。直到激光器的出现,让人们可以更好的研究和应用光的干涉现象了,因为激光本身就拥有很好的相干性,是理想的相干光源。例如,目前在进行双缝干涉实验时,一般直接将激光照射在双缝上即可获得干涉图样,不再需要利用小孔获得相干光。
  得出结论
  并不是什么光源都可以产生相干,只有两列光波的频率相同、相位差恒定、振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。对于普通的光源,则需要一定的方法和措施来满足一定的条件,进而产生相干光。而激光本身是理想的相干光!
  这部分请谨记,因为接下来我们将了解到,相干光是产生散斑的一大前提!
  还能耐心看,佩服你。
  关于散斑
  下面我们来谈谈散斑,即在相干光的照射下,光经粗糙表面反射或透射后会形成无数独立的散射子波,这些子波在空间传播过程中发生干涉现象,形成颗粒状的斑纹图样,即散斑。虽然,从牛顿时代起一些科学家就观察到了散斑现象,但直到1960年激光器问世之后,人们对散斑现象才有了大量的深入研究和应用。
  形成条件
  因为形成散斑的两个条件:1. 相干光。2.平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表面(这个条件很容易满足)。
  而目前常见的相干光源只有激光,所以在没有特指的情况下,散斑一般指的就是激光散斑。
  所以对于“任何光源都可以产生散斑现象,并不是激光的专有属性,激光不背散斑这个锅!”是不成立的。
  1. 并不是“任何光源”都能形成散斑,只有特定条件下才会形成散斑。
  2.直接用RGB激光照射电影银幕符合特定条件,会形成散斑。然而电影放映是不需要散斑的,需要特定的技术去消除散斑。
  为了让大家对激光散斑有一个直观认识,图4给出了有散斑和消散斑后的激光投影图像,可以看到,影像中有散斑的话会极大地影响观看感受。

  图 4  散斑投影图像示例(a)有散斑

  (b)基本无散斑 [1]
  在电影行业,对于激光散斑,人们主要研究如何减弱散斑的影响,因为其对相干成像系统来说是一种很讨厌的“噪声”。但在其他领域,研究发现,散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息,于是产生了许多积极的应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度,利用散斑的动态情况测量物体运动的速度,利用散斑进行光学信息处理,甚至利用散斑验光等等。
  现今,激光显示技术迅猛发展,如何消除激光散斑又成为了科学家们研究的热点,目前有着各种各样的技术手段去减弱激光散斑,这些技术手段大致可以分为两类:
  1.从产生散斑的根源入手,减弱光源的相干性,如采用弱相干的光源、脉冲驱动、相位延迟、多模光纤等。
  2.将不相关的多个散斑在空间或时间域里叠加,从而降低对比度,如偏振叠加、波长叠加、多照明角度、散射片、抖动屏幕等。需要指出的是,一般通过单纯一种方法很难完全将散斑对比度降低到视觉无法察觉的程度,通常需要采用多种方式复合来实现。[2]



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