光学
可见光与 RGB 激光照明：亮度、白平衡与散斑
可见光光源并不是把 905 nm 换个波长那么简单。视见函数决定哪个颜色占掉功率预算，étendue（光扩展度）决定光斑能有多亮，散斑决定它看起来是否均匀；而人眼的厌恶反应确实放宽了安全预算，只是放宽的幅度比多数人以为的要小。
更新于 2026-10-07 · 7 分钟阅读
700 nm 以下究竟变了什么
有四件事变了，而只有第一件与光本身有关。
接收端变了。 硅的响应峰值在 900 nm 附近。450 nm 下它仍然可用——约 0.2 A/W，而 905 nm 下约 0.6 A/W——但你已经不在响应曲线的峰上了。对照明应用而言，这一点通常无关紧要。
危害机理变了。 400 nm 到 700 nm 之间，角膜与晶状体是透明的，因此光会抵达视网膜，并被视网膜聚焦。一束 1 mm 的 450 nm 光射入眼睛后会被汇聚到约 19 µm 的光斑上，辐照度放大约 2700 倍；而 1400 nm 以上，几乎没有光能到达视网膜。正是这种不对称使 1535 nm 成为人眼安全波段，也说明可见光并不是光谱上更安全的那一端——事实恰恰相反。
眼睛会做出反应。 可见光会触发厌恶反应：眨眼并转头，整个过程约 0.25 s。标准认可这一反应，可见光波段的曝光基准取 0.25 s，而非 905 nm 所用的 10 s。这确实放宽了可达发射限值。但这不是免责条款：它成立的前提是光束意外进入眼睛，而不是你在实验台上稳稳地握着一束准直的 5 W 光。
数字变了。 而数字才是真正决定设计的东西。
同样的瓦数，亮度并不相同
人眼的明视觉响应 V(λ) 在 555 nm 处达到峰值，在可见光两端迅速衰减。在我们这三个波长上，它大致是：
| 波长 | V(λ) | 同等主观亮度所需的功率 |
|---|---|---|
| 450 nm 蓝光 | 0.04 | 绿光的 18 倍 |
| 520 nm 绿光 | 0.71 | 1 倍 |
| 638 nm 红光 | 0.19 | 绿光的 3.7 倍 |
第三列就是 RGB 引擎的功率预算。要产生同样的光通量，450 nm 光源需要发出的光功率约为 520 nm 光源的十八倍，638 nm 光源约为三点七倍。
仅凭这一点，就能解释可见光产品线的形状：我们的蓝光额定 5 W ~ 5.5 W，绿光 1 W ~ 1.5 W，红光 500 mW ~ 1 W。蓝光额定更高，不是因为它更容易做，而是因为瓦数必须堆在蓝光上。
Étendue：功率抬不上去的那块天花板
投影机或探照灯真正需要的是亮度，也就是辐射亮度（W/m²/sr），而这是唯一无法被任何无源光学系统提高的量。透镜可以用面积换角度，也可以用角度换面积，但压不低两者的乘积。这个乘积就是 étendue（光扩展度），它在你的任何光学件存在之前，就已经由发光器件决定了。
由此有两个推论，而且都能在规格书里直接看到。
快轴是要付出代价的。 450 nm 器件的平行方向出射角为 4 – 16°，垂直方向为 35 – 57°。宽的那根轴不只是“更难准直”——étendue 主要就藏在那里。把它压到规格书同时给出的 0.8 – 1° 线形光斑，该轴上的立体角会缩小近三个数量级。这正是买准直件时真正买到的东西：不是更干净的光束，而是同样的功率被装进了小得多的角度里。
激光排（Bank）并不会自动赢。 增加发光点，在增加功率的同时也等比例增加发光面积，辐射亮度本身并不会提高。日亚绿光 Bank 用 8 个以上、单点 1.65 W 的发光点做到 13.5 W，规格给出的准直后发散角为平行 0.2 – 0.6°、垂直 ±1.0°，指向偏差控制在 0.7°。准直才是把多出来的发光点转化为可用亮度的环节；没有它，Bank 只是把单管的体积和热量整体放大一遍。
同一颗芯片，三种光斑
汇总规格书里每种颜色都给出了三种光束形态，它们之间的差别只在于整形光学。
| 原始光斑 | 方形光斑 | 线形光斑 | |
|---|---|---|---|
| 450 nm 蓝光 | 4 – 16° × 35 – 57° | 4 – 16° × 4 – 16° | 0.8 – 1° |
| 520 nm 绿光 | 5 – 20° × 35 – 55° | 5 – 20° × 5 – 20° | 0.8 – 1° |
| 638 nm 红光 | 1 – 26° × 25 – 70° | 1 – 26° × 1 – 26° | 0.8 – 1° |
方形光斑并不是另一次测量，而是把垂直方向发散角压到与平行方向相同，使远场从椭圆变成方形。线形光斑更进一步，把其中一根轴压到 1° 以内——这正是线结构光照明与扫描系统所需要的。先定光斑形态，再定光源：这三种形态不能互换，而指望线形光斑的光学去做方形光斑，不是重新对焦就能解决的事。
散斑，以及为什么在这里比在 905 nm 更好解决
激光具有相干性，因此被照亮的表面会呈现颗粒状图案：散斑。充分发展的散斑，其对比度（标准差除以均值）为 1，也就是 100 % 的调制度。打在投影幕上，观众第一眼看到的就是它。
抑制手段按代价从低到高大致是：
- 增加独立发光点。 N 个互不相关的散斑图样叠加后，对比度约按 1/√N 下降。8 点 Bank 可以免费把对比度从 1 降到约 0.35。
- 波长多样性。 相差几个纳米的两颗器件不会产生相同的散斑图样，因此用分档（binning）过的器件拼出的 Bank，散斑弱于用同一批晶圆片拼出的。
- 偏振多样性。 两个正交偏振不干涉。一个 PBS 偏振合束 在拿到第二路偏振的同时，直接把散斑对比度减半。
- 运动扩散片。 经典方案，也是单模光源唯一有效的方案——代价是一套运动机构，以及它的可靠性。
注意这个论证的方向：多横模、宽光谱、多发光点，在测距激光器里全是缺点；在照明激光器里，它们恰恰是解药。
读规格书：有两行值得争论
| 638 nm 红光 | 520 nm 绿光 | 450 nm 蓝光 | |
|---|---|---|---|
| 额定输出 | CW 500 mW – 1 W | 单管 CW 1 – 1.5 W，Bank 13.5 W | 单管 CW 5 – 5.5 W |
| 阈值电流 | 90 – 180 mA | 0.10 – 0.32 A | 0.24 – 0.37 A |
| 工作电流 | 660 – 1000 mA | 1.4 – 2.0 A | 2.9 – 3.3 A |
| 工作电压 | 1.9 – 3.0 V | 4.8 – 6.5 V | 3.5 – 5.3 V |
| 斜率效率 | 0.8 – 1.4 mW/mA | 0.45 – 0.8 W/A | 1.45 – 2.0 W/A |
| 快轴（原始） | 25 – 70° | 35 – 55° | 35 – 57° |
| 慢轴（原始） | 1 – 26° | 5 – 20° | 4 – 16° |
| 工作壳温 | -10 ~ +40 ℃ | 0 ~ +60 ℃ | 0 ~ +70 ℃ |
| 合格货源 | 3 家 | 3 家 | 4 家 |
一款驱动方案覆盖不了三种颜色。 红光工作电压 1.9 – 3.0 V，绿光 4.8 – 6.5 V，蓝光 3.5 – 5.3 V。在单节锂电池或 5 V 轨下，红光可以用线性恒流源驱动，另外两色不行——必须升压。在三色引擎里，这意味着三套驱动拓扑，或每通道一个升压变换器，而绿光通道决定了这套电源的下限。
三份规格书的效率单位并不一致。 红光给的是 mW/mA，绿光和蓝光给的是 W/A。它们是同一个量——1 W/A 就是 1 mW/mA——但数值不能一眼对比。蓝光 1.45 – 2.0 W/A 把电流转换成光的效率约为绿光 0.45 – 0.8 W/A 的两倍，也约为红光的 1.5 倍。这在很大程度上解释了为什么蓝光的额定功率是绿光的四倍。
把三种颜色对齐
原始器件的指向偏差规格是 ±5°，准直 Bank 的规格是 0.7° 以内。这个差别比看上去更重要。
±5° 即 87 mrad。把三色经二向色镜合束后打向 10 m 外的目标，每种颜色的光轴最大可漂移 87 cm——三束光会分开，“白”光斑变成三个彩色光斑。先上准直件，同样的数字变成 12 cm。
这是买准直件的第二个理由，也是最容易被忘掉的一个：发散角保护的是你的光斑尺寸，指向偏差保护的是你的混色效果。
选型准则
选单管，当下游有匀光器或扩散片、单管的 étendue 已经够用、并且最看重成本与散热简单时。多数投影照明与机器视觉照明都属于这一类。
选准直 Bank，当功率必须落在很窄的角度内、当三种颜色需要在远距离上保持重合、或者当需要在不增加运动机构的前提下抑制散斑时。绿光与蓝光 Bank 正是为这种组合而存在的。
先算配色比例，再算总功率。 在 RGB 引擎里，蓝光通道占掉功率预算的大头——若三色都按同等主观亮度来配，蓝光相对绿光是十八倍。把三色按同样功率配置，是最常见的、最后只能靠牺牲光通量来纠正色点的做法。
然后核对安全等级。 该系列所有准直件都属于 3B 类或 4 类产品。可见光波段的判定算术比 905 nm 宽松；宽松从哪里来、又在哪里停止，见激光安全等级一文。
最后核对 étendue，而不是瓦数。 光斑距离模拟会告诉你发散角在远场意味着什么。聚不到目标上的瓦数，是你付了钱却没有用上的瓦数。
延伸阅读
- FAC、准直与光纤耦合整形——把这些数字变成可用光束的光学
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