多主显示技术通过增加光谱自由度，有效缓解了激光显示器中观察者产生的色差现象（即所谓的“metamerism”）

《Optics & Laser Technology》：Multi-Primary displays alleviate observer metamerism in laser displays by enhancing spectral degrees of freedom

研究激光显示中多原色技术对缓解观察者色异质的影响，通过理论模拟分析3P/4P/5P系统，结合中国人口年龄分布的观察者数据集和OMI指数，发现增加原色数量可显著降低平均色异质指数，其中5P系统降低30.4%，并提出基于遗传算法的优化策略。

　　

高峰|陈远通|向家成|肖云飞|赵旭伟|杨崇和|徐胜杰|顾春|徐立新|朱立全

中国科学技术大学粒子探测与电子学国家重点实验室，合肥230026，中国

摘要

近期显示技术的进步重点在于提高色彩再现精度和亮度，激光显示器作为一种有前景的选择，因其窄光谱光源能够提供更广的色域和高亮度而受到关注。然而，诸如同色异色现象（即不同刺激产生相同颜色感知）等挑战阻碍了其应用。为了解决这一问题，对三原色（3P）、四原色（4P）和五原色（5P）激光系统进行了理论模拟，以CIE标准光源D65作为参考。使用了代表不同年龄段的观察者数据集和观察者同色异色指数（OMI）来评估这三个系统的同色异色性能。研究结果表明，增加原色数量可以有效降低同色异色现象，其中4P和5P系统分别降低了约20.6%和30.4%。本研究阐明了多原色显示技术通过增加光谱自由度来减轻观察者同色异色现象的机制。遗传算法方法被用于平衡色域性能和色彩一致性。这些发现支持了高性能激光显示器的开发，并建立了一个基于中国人口年龄分布的观察者色彩视觉评估模型，以提高研究的代表性。

引言

显示技术的进步是由对关键性能指标（尤其是色彩再现精度和亮度）的追求所驱动的[1]。在新兴的显示技术中，激光显示器因其窄光谱光源而脱颖而出，这些光源具有扩展的色域和高亮度等显著优势。然而，三色激光显示器与宽光谱系统之间的色彩不匹配是限制其应用的主要障碍[3],[4],[5]。这种现象正式定义为同色异色现象，即在不同条件下，光谱不同的刺激会产生相同的颜色感知。这种不一致性严重影响了设备间的色彩一致性，尤其是在对色彩要求严格的场景中，因为相同的三刺激值可能在不同设备上映射到不同的光谱分布。

同色异色现象[6],[7]可以分为光照度、场大小和观察者同色异色现象。观察者同色异色现象[8],[9]源于人眼颜色匹配函数（CMF）的个体差异，在激光显示器中尤为明显。具体来说，激光光源的高单色性会导致与CIE标准观察者的偏差，而这些偏差会因个体CMF的差异而被放大。光谱和生理分析证实，这些偏差——根源于激光的窄光谱特性——是激光引起的色彩不匹配的主要原因，从而加剧了观察者同色异色现象[10],[11]。无论是窄光谱还是宽光谱系统，都会以光谱加权的方式刺激视锥细胞。激光显示器中观察者同色异色现象严重的根本原因在于，三刺激匹配的颜色在窄带激发下对观察者之间颜色匹配函数的差异更为敏感。

激光显示器中观察者同色异色现象严重的根本原因是窄带光谱激发使得三刺激匹配的颜色对观察者之间颜色匹配函数的差异非常敏感[12],[13]。相比之下，宽光谱显示器能全面激活所有类型的视锥细胞，即使在三刺激值相同的情况下，也会产生根本不同的神经反应模式。

为了解决这些挑战，CIE建立了标准化框架，包括同色异色指数（1989年）[14]、观察者同色异色量化方法以及CIE 2006模型[15]，用于生成与年龄和场大小相关的CMF。基于这些标准，全球研究人员通过操控光谱形状、半高全宽（FWHM）、原色峰值波长、观察角度和颜色刺激等因素进行了大量的心理物理实验。2014年，Long和Fairchild[16]基于CMF和颜色差异模型开发了同色异色指数，用于在设计阶段评估显示原色并预测同色异色程度。2020年，Xie等人[17]提出了改进的观察者同色异色指数。2021年，Park和Murdoch[18]报告称，除了窄光谱显示器固有的严重不匹配外，两种显示器之间的观察者同色异色程度还取决于它们的原色FWHM值的相似性。2023年，Trumpy等人[19]分析了彩色显示器中观察者同色异色现象在色度图上的分布。总体而言，这些研究为同色异色现象的研究奠定了坚实的基础，但主要集中在宽光谱系统或单一影响因素上。值得注意的是，在窄光谱量子点（QD）显示系统中，多原色（MPC）技术已成功应用于解决色域扩展和色彩纯度之间的权衡，为激光显示器研究提供了宝贵的参考。Lin等人[20]通过光刻工艺制备了四原色QD下转换薄膜，实现了118.60%的Rec. 2020色域和指针色域的完全覆盖，验证了MPC技术对窄光谱显示器色彩再现能力的提升。Yan等人[21]进一步提出了用于投影显示器的量子点色轮，优化了原色的占空比，实现了D65白平衡，色域覆盖率为116.6%，光转换效率为57.0%，证实了原色比例调节是优化窄光谱显示器性能的有效策略。

根据上述研究现状，现有研究主要探讨了激光引起的同色异色现象和窄光谱效应，但基于多原色（MPD）的系统性校正策略相对有限。随着窄光谱光源（如激光和量子点）在宽色域显示器中的普及，这些系统中的观察者同色异色现象尤为明显，而针对窄光谱系统的全面多原色优化策略仍需进一步探索。此外，多原色显示（MPD）技术减轻观察者同色异色现象的调节机制也尚未得到充分研究。MPD技术通过增加光谱自由度（SDF）[22],[23]来增强颜色刺激光谱与视锥细胞响应之间的匹配，从而改善了色彩匹配性能，并有助于减轻观察者同色异色现象。随着原色数量的增加，SDF得到提升，显示系统的光谱调节能力也随之增强，为同一颜色提供了更多光谱解决方案和差异化的同色异色特性。因此，可以实现最佳的光谱比和显示性能。

为了解决这些研究空白，本研究首先分析了三原色（3P）系统与CIE标准光源D65（作为参考宽光谱系统，以下简称D65）之间的色彩不匹配，并基于人类视觉感知的生理原理阐明了其背后的机制。以MPD技术为核心解决方案[24]，本研究通过科学采样、理论分析和定量评估系统地研究了四原色（4P）和五原色（5P）系统。研究结果为优化MPD系统中的亮度比提供了定量理论基础，并为跨设备色彩一致性校准提供了参考，对激光显示器技术在专业色彩关键领域的标准化应用研究具有理论和实践价值。本研究建立了一个基于6500 K以下中国人口年龄分布的观察者色彩视觉评估模型。与QD窄光谱投影显示器的占空比优化不同，本研究重点关注原色数量对色彩性能的影响，所提出的模型也可扩展到其他颜色温度下的评估。在此基础上，提出了一种平衡色域性能和观察者色彩一致性的MPD优化方案，对激光显示器技术在专业色彩关键领域的标准化应用研究具有重要的理论和应用参考价值。

章节片段

激光显示器系统中的同色异色现象

为了系统地探讨观察者同色异色现象，本章首先阐述了观察者同色异色现象的基本理论基础，重点研究了其在激光显示器系统中的表现特性，并探讨了MPD在减轻同色异色现象中的调节机制。

理论模拟实验

鉴于观察者年龄是影响CMF变化的关键生理因素，主要通过年龄相关的晶状体色素密度变化和视锥光色素的光谱响应[33]，模拟中的年龄概率密度分布是根据中国2020年第七次全国人口普查数据得出的，涵盖了20-80岁的年龄范围，如图4所示。这种方法确保了模拟结果的人口代表性。采用了两种年龄采样方法

结果与讨论

为全面解释模拟结果并阐明MPD技术在观察者同色异色现象中的调节机制，本节重点关注三个相互关联的方面。首先，探讨了亮度比参数$k$对MPD系统色域性能的影响，为后续的同色异色现象分析奠定了基础。随后，本节研究了OMI随系统配置和观察者年龄的变化规律，验证了MPD在减轻同色异色现象中的有效性

结论

本研究通过理论模拟和多目标优化系统地探讨了MPD技术对$man\_OMI$的调节效应，旨在减轻窄光谱激光显示器中的观察者同色异色现象。通过增加原色数量和采用两种年龄采样策略，获得了关键发现，从而提高了观察者同色异色现象的改善效果。传统的3P系统本质上容易产生观察者同色异色现象，其$man\_OMI$值高于CIE标准

CRediT作者贡献声明

高峰：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件开发，方法论，实验设计，数据分析，概念化。陈远通：撰写——审稿与编辑，方法论，实验设计。向家成：撰写——审稿与编辑。肖云飞：撰写——审稿与编辑。赵旭伟：撰写——审稿与编辑。杨崇和：撰写——审稿与编辑。徐胜杰：撰写——审稿与编辑。顾春：撰写——审稿与编辑，资源协调。徐立新：

资助

国家重点新材料研发与应用科技重大项目（2025ZD0616601）；安徽省自然科学基金一般项目（2508085MF146）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文所呈现的数据目前尚未公开，但可根据合理请求向作者获取。