（精密仪器及机械专业论文）基于视差障栅原理的立体显示光学系统的研究.pdf

基于视差障栅原理的立体显示光学系统的研究 摘要 立体显示指的是运用液晶技术、光学技术、微电子技术和计算机技术，在 获取的二维平面图像中还原出被摄物体的立体形状并以三维的形式显示出来。 立体液晶显示技术在摄影、机器人视觉、医学整容和美容、工业产品的外观设 计、三维轮廓测量、艺术雕塑、建筑领域以及军事领域等有着广泛的应用前景， 深入研究和发展立体液晶显示技术将会给人们的生产和生活带来根本的变革 和深远的影响。 本文完成的主要工作有以下几个方面：首先对立体显示技术和双目视觉 原理进行研究，根据研究的目的选择结构简单、易于实现的、基于视差障栅原 理的立体显示模型；然后根据立体液晶显示和立体视觉原理建立立体液晶显示 的光学系统的几何模型以确定不同规格尺寸的具有2 d 3 d 转换功能的液晶可 控光栅系统；通过光学软件的模拟仿真来检验设计并对光栅系统参数进行优 化，同时针对这种立体液晶显示中存在的显示亮度和均匀性的问题对光栅系统 和背光系统结构进行改善用光学模拟软件进行仿真优化来提高立体显示效果； 论文最后对全文进行了总结，并对今后的要进行的工作以及立体显示技术的发 展进行了展望。 关键词立体显示双目视觉光栅系统背光系统 r e s e a r c ho nt h eo p t i c a ls y s t e mo fs t e r e o s c o p i cd i s p l a y b a s e do np a r a l l a xb a r r i e r a b s t r a c t w i t ht h et e c t m o l o g i e so f l i q u i dc r y s t a l ，o p t i c ，m i c r o e l e c t r o n i c ，m i c r o c o n t r o l a n dc o m p u t e r ，s t e r e o s c o p i cd i s p l a yc a l ld i s p l a y3 di m a g eo fa l lo b j e c tb a s e do nt h e 2 di n f o r m a t i o n s t e r e o s c o p i cd i s p l a yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np h o t o g r a p h y ，r o b o t v i s i o n ，m e d i c i n e ，d e s i g no fi n d u s t r i a lp r o d u c t ，3 dp r o f i l em e a s u r e m e n t ，a r t i c l e s c u l p t u r e ，a r c h i t e c t u r ea n dm i l i t a r yf i e l da n ds oo i l w i t l lt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h es t e r e o s c o p i cd i s p l a y ，t h es t e r e o s c o p i cd i s p l a yw i l lh a v eg r e a t i n f l u e n c e so na n dm a k eg r e a tc h a n g e0 1 1t h es t y l eo f p e o p l e sl i f e t h e r ea r es e v e r a lw o r kh a v i n gb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ：f i r s t l y ，r e s e a r c h i n go n t h e3 d d i s p l a ya n db i n o c u l a rv i s i o n ，s i m p l es t r u c t u r e ，p r i n c i p l ee a s i l yr e a l i z e d ，b a s e d o np a r a l l a xb a r r i e rp r i n c i p l e3 dd i s p l a ym o d e lw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h p u r p o s e ；s e c o n d l y ，s o l v eo u tt h et e c h n i q u ep a r a m e t e ro f2 d 3 db a r r i e rs y s t e m a c e o r d i n g t ot h eg e o m e t r ym o d e lo f o p t i c a ls y s t e m ；t h i r d l y ，o p t i c a ls o f t w a r ew a su s e d t ov e i l f yt h ed e s i g na n da l s ot oo p t i m i z eb a r r i e rs y s t e ma n db a c kl i g h tu n i t e st o i m p r o v es t e r e o s c o p i cd i s p l a y si r r a d i a n c ea n du n i f o r m i t y ；a tl a s t ，t h ep a p e rw a s s u m m a r i z e da n dr a i s e do u tt h ew o r kw h a tw o u l db ed o n ei nt h ef u t u r ea n dt h e d e v e l o p m e n t t r e n do f t h es t e r e o s c o p i cd i s p l a y k e y w o r d s ：s t e r e o s c o p i cd i s p l a y b i n o c u l a rv i s i o nb a r r i e rs y s t e mb l u 插图表目录 图1 1 透视效果对比图2 图1 2 双眼视觉的空间定位示意图2 图1 3 立体显示技术分类示意图4 图2 1 人眼结构示意图8 图2 2 双眼单视圆示意图9 图2 3 双眼横向视差与距离关系示意图l o 图2 4 视差照明原理图1 2 图2 5 视差障栅原理图( 左图为视差障栅i j 置，右图为视差障栅后置) 1 3 图2 6p h i l l p s 公司倾斜放置的柱镜式立体显示原理图1 3 图2 7 视顺序光学原理1 4 图2 8 固态体显示结构示意图1 5 图3 1 向列相、胆甾相和近晶相分子排列示意图1 8 图3 2 光线通过介质的几种典型的光学现象示意图1 8 图3 3 椭圆偏振光电矢量振动椭圆示意图1 9 图3 4 线性偏振光和椭圆偏振光的示意图2 0 图3 5 光学器件对光线影响的p o i n c a r 6 球示意图一2 2 图3 6 i l ( d 液晶盒结构示意图2 4 图4 1 视差障栅原理示意图( 左图为狭缝式，右图为柱面镜式) 2 6 图4 2 立体视区和视距示意图 图4 3 狭缝和液晶像素位置关系示意图3 l 图4 4 狭缝大小与单眼视距的关系示意图3 5 图4 5 狭缝尺寸对光能损失的影响示意图 图4 6 液晶屏上显示的图像示意图3 6 图4 7 当a = 0 1 0 m m 时左右眼立体视区与亮度分布示意图3 8 图4 8 当a = 0 0 8 m m 时左右眼立体视区与亮度分布示意图3 8 图4 9 双眼的立体图像对3 9 图4 1 0 镀膜的可控光栅截面示意图4 0 图4 112 d 模式下无镀膜时光照度及其截面曲线示意图4 l 图4 1 22 d 模式下有镀膜时光照度及其截面曲线示意图4 l 图4 1 33 d 模式下无镀膜时光照度及其截面衄线示意图4 2 图4 1 43 d 模式下有镀膜时光照度及其截面曲线示意图4 2 图5 1 背光系统示意图( 左图为直下式背光系统，右图为侧光型背光系统) 4 4 图5 2c c f l 背光结构原理图4 5 图5 3l e d 背光结构原理图4 5 图5 4 扩散片截面示意图4 6 图5 5 光线透过扩散片示意图4 6 图5 6 增亮膜的光学原理示意图4 7 图5 7 检测亮度常用取点位置示意图4 8 图5 8c i e1 9 31 标准色度坐标4 9 图5 9 冷阴极荧光灯在背光系统中位置的截面示意图5 0 图5 1 0 不同b 值时总光照度和照度均方根与a 的关系示意图5 2 图5 1 1a = 4 m m 时b 值不同时照度分布及其截面曲线示意图5 3 表格清单 表4 1 两种光栅的比较 表4 2 光学系统参数及其表达式3 0 表4 31 7 寸立体液晶显示器技术参数3 9 表4 4 可控光栅系统相关技术参数4 l 表4 52 d 模式有无镀膜时的光照度比较4 2 表4 63 d 模式下有无镀膜时光照度的对照。 独创性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究r 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获锝金日b 互些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：半蠹哦签字日期：劢妒年刍月i ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹 、业厶堂有关保留、使用学忙论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 胆至些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 新躲品积 蝴飙叶。月i 了日 电话： 邮编： 目 嘎哆 t 月 o界j 5 年 名7 雒 加 文 期 沧 日 位 字 学 签 致谢 值此论文完成之际，我要衷心感谢那些曾经给予我真诚帮助的人们。 首先要感谢我的导师吕国强教授，这篇论文是在他的悉心指导下才得以完 成的。在学习研究和学位论文撰写过程中，始终得到了吕教授正确积极的引导 和不断鼓励。由衷感谢吕教授这三年来为我的课题所付出的辛勤劳动以及对我 学习研究思维方式的培养，恩师的教诲和指引不仅使我在学习研究中受益匪 浅，也必将对我今后的工作学习和生活产生深远的影响。 向所有参与本论文送审、评审和答辩的老师致敬，正是你们的辛勤劳动才 能保证了我顺利完成学业按时去参加工作。感谢合肥工业大学光电技术研究院 电光源研究室的冯奇斌老师、胡俊涛博士和陆洪波博士，他们在课题研究学习 中给我提供了许多宝贵的意见，在日常学习生活给予我很多无私的帮助和关 怀。 同时要感谢母校的所有领导和老师，感谢立体显示课题组同事文江涛、钱 鑫、方勇和张铧铧，好友王冕、张煜良、汪显波和邓光晟等，正是他们各方面 的关心和帮助使我得以顺利完成课题和学业。 最后，对我家人在读研期间给予我的全力支持和关爱致以最诚挚地感谢， 他们永远都是我的精神支柱和前进动力。 作者：宋志成 2 0 0 7 年5 月2 8 日 1 1 概述 第一章绪论 人们对客观世界的感知方式有很多种，借助视觉感知所获取的信息量远远 超过了听觉、触觉、嗅觉及味觉等其它方式所获取的信息量，而且通过视觉感 知可以获得客观景物的立体三维信息。可靠、直观和详实是视觉信息所具有的 显著特点，因此视觉信息的处理与立体显示技术的结合具有重要意义和作用。 显示作为对信息的主要表示方式，在信息显示学会( s i d ：s o c i e t y o f i n f o r m a t i 0 1 1 d i s p l a y ) 1 9 6 3 年发表的文献中给出了关于显示的定义【1j ：信息显示是为了将特定 的信息向人们展示而使用的全部方法和手段。液晶显示器作为信息传播的媒介， 根据视觉可识别的亮度和色彩将信息内容以电信号的形式传达给人眼产生视觉 效果。 众所周知，人的视觉是立体视觉，在观看物体时观察者既能感受到物体之 间的距离，同时也能观察到物体与观察者之间的距离。正常的人眼的重要功能 就是使物体产生空间的深度感，有了深度感才能产生立体视觉。目前的显示器 多数只能显示二维平面的图像，要想充分发挥人类视觉感知的强大功能和发展 能再现真实的三维场景，开发和研制出立体液晶显示器是一个重要的途径。 立体显示器是近年来最新出现的虚拟现实显示设备，其最大的特点就是观 察者无需使用任何辅助附加设备，直接用肉眼就可看到屏幕上显示的立体图像。 立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一，同时也是虚拟现实系统最基本的要 求。立体显示比二维显示信息量更大、感染力更强、更逼真、更富于实感性和 参与性，可以为任何演示加入真实的景深信息可以使之更容易更快速地理解。 立体显示恢复了投影时失去的深度信息，更加接近自然的视觉方式，比传统显 示设备具有更优异的表现能力和理解能力。从1 9 9 3 年夏普最早发表并展示3 d 液晶笔记型计算机产品到现在，立体液晶显示在不断扩展其应用范围，如今已 经广泛渗透到数据可视化、医疗、建筑设计、娱乐、军事、工业和商业以及房 地产等各个领域。目前立体显示器的民用市场正处于成长阶段，随着传统产业 的技术变革和越来越多的应用需求，立体显示将会拥有巨大的市场发展潜力和 商业价值。这些都对对立体显示技术的研究提出了新的挑战，同时也为其发展 注入了新的发展活力。 立体显示是虚拟现实技术的重要组成部分，也是当前以及以后立体显示技 术的重要发展方向。 1 2 立体显示技术分类及其发展 从概述可以看出立体显示技术的发展改变了人们观看平板显示器的显示 视觉效果，不仅能对人们的生产和生活方式产生了重大的影响，同时也可以促 进科学技术的变革和不断进步。 1 2 1 立体感产生的条件 要使一幅画面产生立体感，至少要满足三个方面的条件【2 l ： 1 画面有透视效果 透视效果是观看三维世界时的基本规律，是画面产生立体感的基本要求。 如果画一个立方体不遵循立方体的透视规律来画，那么画出来的图像就一定不 会产生立方体所应有的立体感，不过即使是这样，图像还是有透视效果的，只 不过产生的是变形后的正方体的透视效果图。如果画面中只有一个孤零零的正 方形的话，一个正方形就没有透视效果，如图1 i 所示。 有立体感 无立体感 图1 1 透视效果对比图 2 画面有正确的明暗虚实变化 真实世界中根据光源的亮度、颜色、位置和数量的不同，物体会有相应的 亮面、暗面、投影和光泽等，同时近处的物体在色彩的饱和度、亮度、对比度 等方面都相对较高，远处相应的则比较低。如果画面中没有这些效果或是违反 这些规律，都不会产生好的立体感。 3 双眼的空间定位效果 图1 2 双眼视觉的空间定位示意图 2 右眼 左眼 如图1 2 所示，人跟在观看物体时，两只眼睛分别从两个角度来观看，看 到的两幅画面自然有细微的差别，大脑将两幅画面混合成一幅完整的画面，并 根据它们的差别暗示来感知被视物体之闯的距离，这就是双跟的空间定位。双 眼的空间定位是人眼感知距离的最主要的手段。如果重放画面的时候不能再现 这种空间定位的效果，那么即使前阿点的选择比较合理也不会产生应有的立体 视觉。 以上三点只有同时满足才能产生比较完美的立体效果，普通显示器可以实 现前两点却无法实现第三点。因此，所谓的立体显示技术也就是能够再现空间 定位感的显示技术。 1 2 2 立体显示技术的分类 立体显示技术的分类方法很多，在光学范畴里可以分为非全息立体三维立 体显示和全息三维立体显示。 非全息三维立体显示构成图像深度感的机理主要包括如下四种效应： 1 调节效应，是指人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸来调节眼球晶状体的焦距。显 然即使用单眼观看物体时，这种调节效应也是存在的，故它属于一种单眼深 度感知心理暗示。这种心理暗示只有在与双眼心理暗示共同配合下，且物体 距离人眼较近时才会起作用。 2 会聚效应，是指当双眼观看物体上的一点时( 两眼视轴所构成的角度称为会 聚角) ，当纤毛体肌肉的拉伸使眼球稍微转向内侧，以便对着一点观看时能 够给出一种深度感的心理暗示，这种双眼心理暗示就称为汇聚效应。通常调 节效应和会聚效应相互关联，汇聚效应仅在物体距离较近时才会较为明显。 3 双眼视差，人的双眼具有一定的空间距离，瞳孔间距约为6 5 r a m ，当双眼观 看同一立体三维物体时，双眼是从略微不同的角度注视的，从而双眼视像会 稍有差异，这种差异成为双眼视差。对于中等视距的物体，人们公认双眼视 差信息是深度感中最重要的心理暗示。当人眼观看物体上的一点时，从该点 发出的光便聚焦于双眼视网膜的中心斑点。因此一双眼内的两个中心斑点在 视网膜上给出了“对应位置”，从而依据“对应位置”来确定汇聚的大小， 而来自关注点以外各点的光线并不总是聚焦在视网膜的“对应位置”上，这 种效应称为双眼视差效应。现代发展起来的各种由平面二维图像产生出立体 三维图像的技术正是利用这一基本机理。 4 单眼移动视差，当用单眼观看物体时，若眼睛位置不动，调节效应便是对深 度感的唯一心理暗示，若允许观看位置移动的话，便可利用双眼视差效应从 各个方向观看物体，从而产生深度感，这个效应称为单跟移动视差。显然， 单眼移动视差对静态物体不起作用。 基于非全息光学原理的立体显示技术研究已经有很多年的历史，并且已经 开发出比较成熟的产品在一些领域得到了应用。 全息学( h o l o g r a p h y ) 自2 0 世纪6 0 年代激光器问世后得到了迅速的发展， 其基本机理是利用光波干涉法同时记录光波的振幅与相位。由于全息再现的光 波保留了原有物光波的全部振幅与相位信息，故再现的像与原物有着完全相同 的三维特性。换句话说，人们观看全息像时会得到与观看原物时具有完全相同 的视觉效果，其中包括各种位置视差，这就是全息三维显示的理论依据。从这 种意义上说，全息才是真正的三维图像1 3 1 。 光学式立体显示包括非全息立体显示和全息立体显示分类1 4 ，结构如图1 1 3 所示。 互补色立体显示 偏振式立体显示 辈厂眼镜式l 棱镜式立体显示 ，牟-il 做：现工、1 0h 且e ，j 、 ，曼，jj 光栅式立体显示 厂立? 儿1 ”怛肾” l 簦l1 视差挡板式立体显示 l 蓑 l 裸眼式 i 微透镜阵列式立体显示 立ii 柱状透镜屏式立体显示 釜l 自动式式立体显示显、自动式式立体显不 壤lf ，透射式垒息立体显示 i 企i 反射式全息立体显示 i 鼻l 像面式全息立体显示 蒈 彩虹式全自，立体显示 婪l 台成式垒息立体显示 l 模压式全息立体显示 k 计算机金皂应体显示 圈1 3 立体显示技术分类示意图 基于上述原理开发出了几种常用的立体显示设备删硒1 ： 1 头盔显示器( h m d ，h e a dm o u n t e dd i s p l a y ) ，头盔显示器是沉浸式虚拟现实 的常用装备，也常用于军事战备仿真等场合。它的原理是将小型二维显示 器所产生的影像藉由光学系统放大，小型显示器所发射的光线经过凸状透 镜使影像因折射产生类似远方效果，利用此效果将近处物体放大至远处观 赏而达到全像视觉( h o l o g r a m ) 。 2 立体眼镜( s t e r e og l a s s e s ) ，由液晶光阀镜片和同步电路构成，同步电路控制 4 左右镜片的丌关，使用户左右眼看到的图像不同，从而产生立体感。 3 体块式立体显示( v o l u m e t r i c3 dd i s p l a y ) ，体块式立体显示能呈现出“悬浮” 在半空中的三维半透视图像。体三维显示技术目前可分为扫描体块式立体 显示( s w e p t v o l u m e3 dd i s p l a y ) 和固念体块式显示( s o l i d v o l u m e3 dd i s p l a y ) 两种。 4 立体投影显示屏幕( 3 d p r o j e e t i o n ) ，立体投影显示需要配合立体眼镜使用， 代表技术为使用基于空间投影的现实技术s i d ( s p a t i a l l yi m m e r s i v e d i s p l a y ) 。 5 自由立体显示器( a u t o s t e r e od i s p l a y s ) ，通过附加的透镜( 1 e n t i e u l a t ) 或液晶光 阀，使具有双目视差的左右眼立体图像对分别进入观察者的左右眼，使用户无 需佩戴3 d 眼镜就可以感受到立体效果。裸眼式立体显示器在效果上有双视点 和多视点两种实现方式。可以说，自由立体显示技术代表了立体显示研究的最 新成果和研究趋势。 1 2 3 国内外发展现状 立体液晶显示技术是现代新型显示技术发展的必然方向，它将会成为世界 未来光电子技术的重要支柱产业。美国、日本等许多发达国家对立体液晶显示 技术的研究工作开展较早，取得了许多突破式的进展并有相应的产品或原型机 ( p r o t o - t y p e ) 发布。而我国对立体液晶显示技术研究起步开始晚，对立体液晶显 示的研究也是基于现有原理的基础上相应的产品开发较少。下面就立体显液晶 示器已取得的成果做简要介绍【7 】f 8 j | 9 】【1 0 1 【1 1 1 ： 美国d t i 公司从8 0 年代中期就开始进行视差照明立体显示技术的研究， 1 9 9 7 年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。d t i 的视差照明技术作为当前 最成熟的自由立体显示技术之一，在技术原理上很难再有突破，改变实现方法 是其关键的能有多突破的途径。 s h a r p 公司基于视羞障栅的能在2 d 3 d 模式问进行转换的自动立体液晶 显示器于2 0 0 2 年底成功推向市场。s h 舢冲公司的突破是使狭缝视差障栅层与 图像层充分地接近，大大提高了图像的质量，并使观察者能更接近地观看立体 图像，使显示器更加紧凑。 p h i l i p s 公司对立体显示技术的研究是基于传统的微柱透镜法。p h i l i p s 的创新是使一组子像素交叉排列，同时让柱镜与像素列成一定角度，这样做可 以每一组子像素重复投射到视区更好产生立体效果。 日本n t t 根据全新的错视原理，开发了d f d ( d e p t h - f u s e d3 d ) 技术， 就是景深融合型立体影像技术，利用两片液晶显示器与h a l fm i r r o r ，开发不需 特殊眼镜就可以观赏的立体影像的技术，彻底解决眼观视者使用上诸多生理不 适等问题。 p l a n a r y 在2 0 0 5 年第三季度发表了一款型号为s d l 7 1 01 7 英寸3 dl c d 显 示器，这款显示器由两个液晶屏幕组成，展开成1 1 0 度角，中间还隔着一块半 透明的镜子。用户戴上特殊的极化镜片眼镜就能看到高达1 2 8 0 1 0 2 4 分辨率的 3 d 图像。这种特殊的眼镜让用户可以自然地移动而不必将眼睛固定于所谓的 最佳观察视点。 北京欧亚宝龙国际科技公司( b o l o dt e c h n o l o g i e s ) 拥有从1 7 英寸到4 6 英寸 多个尺寸的裸眼自由立体显示器产品线，并可为客户提供从硬件设备、立体内 容制作、相关配套设计到支持服务的全方位解决方案。更令人欣喜的是，b o l o d 超大尺寸的裸眼自由立体显示器的研发工作目前也基本完成，有望近期面市。 南京大学电子科学与工程系教授王元庆介绍，目前研制出的液晶显示器为 1 5 英寸和1 7 英寸两种，具备平面与立体兼容功能，多个人能够同时观察到i e 确的立体图像。 合肥工业大学光电技术研究院开发的裸眼式立体液晶显示器，并自主研发 了配套的立体三维立体显示浏览器能够实现良好的立体效果【1 2 1 。 综上所述，各研究机构研发的基于不同原理的立体液晶显示都各自具备优 点。原理不同以及实现方法的不同所达到的立体效果以及所应用的领域也各不 相同。在体验立体液晶显示所带来的视觉效果的同时，由于所基于原理的限制 或者是设计不合理的缺陷也给观察者带来一些限制和不便；同时立体液晶显示 器作为新兴的显示终端，其昂贵的价格也令很多人望而却步。尽管立体液晶显 示是显示技术的发展方向，但是要想使其市场化走入寻常百姓的生活还有很长 的一段路要走。 1 3 课题研究意义和内容 1 3 1 课题的提出及研究意义 本课题来源于国家特种显示工程中心，课题的提出是作为合肥工业大学光 电技术研究院自主研制的自由立体显示系统项目。光电技术研究院已经研制出 一套1 5 寸裸眼式立体液晶显示，并且自主研发了配套的立体显示软件。虽然 此款立体液晶显示器能够显示出立体效果，但是由于选择的实现原理的限制以 及在研制开发过程中忽略的影响立体显示效果的因素，所开发出的产品并没有 达到理想的立体显示效果。同时针对研制出的1 5 寸立体液晶显示器的使用情 况反馈，用户需求更大尺寸的立体液晶显示器来满足要求。针对上述情况，建 立合理的立体液晶显示光学系统的几何模型，确定不同尺寸的立体液晶显示系 统的技术参数对于开发立体液晶显示器具有重要意义；同时对立体液晶显示中 存在的亮度和立体视区方面的缺陷进行改善束提高立体显示效果。用光学软件 模拟仿真的方法，不仅可以验证设计丌发的正确性并且从一定程度上对系统结 构进行优化设计：同时还可以节省人力物力降低产品的成本价格缩短产品的上 市周期。 在信息时代，立体液晶显示技术作为一种有着广泛应用，并且对其它科学 技术的研究有着极大促进作用的显示技术，我国对于立体液晶显示器的研究和 开发还处于初始阶段。随着立体液晶显示在各个领域的广泛应用以及它对人们 的生产和生活带来的极大便利，立体液晶显示技术成为当前世界上显示技术领 域研究的一个热点，各国、各科研机构投入了大量的人力和物力进行了深入探 索和研究，使立体液晶显示技术也得到了f 1 新月异的发展。现在大多数立体液 晶显示价格都比较昂贵，开发一种结构简单、原理易于实现的立体液晶显示让 它为大众所接受和应用也是研究开发的最终目的。 1 3 2 课题的主要内容 1 查找和搜集立体显示相关的文献和资料；了解和掌握立体显示技术的原理， 根据国内外各个机构对于立体显示技术的研究和开发、目前人们对立体液 晶显示器的应用和需求状况以及自身的科研实力和水平选择一种原理的立 体显示作为研究和开发的对象。人们对基于视差障栅原理的立液晶显示器 的研究比较多，技术也相对也比较成熟，同时可以开发出能在2 d 3 d 模式 下进行切换使显示器得到充分的应用，这是该种原理的立体显示最大的优 点。 2 立体液晶显示的光学系统性能是立体显示的决定性因素，对立体液晶显示 的光学系统的研究以及系统中组件选取有着重要的意义。通过对光学系统 的研究、系统组件的选取以及系统模型的建立，我们最终来确定立体液晶 显示系统及相关的技术参数。 3 通过理论设计之后，要通过试验的方法来检验系统设计。我们选择软件模 拟仿真的方法来检验设计，同时根据此种原理的液晶显示器存在的视区和 亮度问题进行一定程度的优化来提高立体显示器的性能。软件模拟仿真的 方法可以在不进行样品的实际生产来检验产品的性能，这样就降低了产品 开发的成本以及缩短产品开发的周期，加快产品上市的时间。软件仿真是 一种既经济又是直接有效的方法。 4 通过对光学系统的模型建立以及对系统的仿真优化，最后从事立体显示课 题组的其他同事共同完成整个立体液晶显示器的开发。希望开发出的这种 产品能够具有成本低、易于制造、体积小和重量轻等优点，并且能在某些 领域发挥其应有的作用。 7 第二章双目视觉及立体液晶显示 了解人类视觉的构成和信息处理过程，对于研究立体液晶显示技术来讲是 非常具有启发性和吸引力的。本章从人眼的基本构造出发，介绍了立体视觉原 理以及基于立体视觉原理的立体液晶显示技术。 2 1 双目视觉 双目视觉是指一个外界物体的形象，分别落在两眼视网膜对应点上( 主要 指黄斑部) ，图形信息转变为电信息沿视觉知觉系统传入大脑，在大脑高级中 枢把来自两眼的视觉信号进行分析、综合成一个完整的、具有立体感知觉印象 的过程，又称为双眼单视。双眼视觉是一个完整的生理功能，在医学上可以将 其分为三级：一是同时知觉，是指两眼对物像有同时接受和感知的能力，但二 者不一定完全重合。同时知觉是双眼视觉的最基本条件，没有同时知觉就谈不 上双眼单视的问题。异常视网膜对应者也具有同时知觉功能。二是融合功能， 是大脑将来自两眼相同物像综合在一起，而仅感知为单一物像的功能。必须在 有同时知觉的基础上，才能够具有这种融像功能，异常视网膜对应者也可以具 有这种“合二为一”的功能。三是立体觉，即三维空间知觉，是在上述两级功 能的基础上较为独立的一种最高级的双眼视觉部分，是人类从事多种工作及日 常生活中必须具备的一种重要功能“如。 2 1 1 视觉系统的构成 人的视觉系统包括视觉光学系统和视觉神经生理学系统两大部分，人眼的 结构如图2 1 所示构造组成。 图2 1 人眼结构示意图 视觉的感受器是眼睛。从某种意义上说，人眼同时具有“成像光组+ 光电 变换系统”的功用，可把它比拟为一架照相机，更确切的说类似于一架数码照 相机。人眼中晶状体的作用相当于照相机的镜头，瞳孔的作用与可变光阑类似， 眼球壁相当于暗箱，而视网膜相当于光电接受器。 其实，人眼的结构、机理和功能绝非任何照相机所能比拟的。当人们用眼 睛观察周围的景物时，瞳孔自动调节直径以适应外界光线的强弱，晶状体则将 光线清晰聚焦到视网膜上。对于照相机而言，必须采用多个透镜组成的镜头才 能实现清晰聚焦，每次实现一次调焦都需要耗费一定的时间，而眼睛的单个晶 状体功能就等同于照相机的镜头组，甚至功能更加完善而且整个调焦过程几乎 瞬间完成。外界景物经眼球光学系统成像后，视网膜上的感光细胞将这些光信 号转变成生物电信号，由神经系统逐级传递至大脑；大脑再依据经验、记忆、 分析、判断和识别等极为复杂的过程，最终产生视觉。整个过程总结起来就是： 光学系统负责把外界的光信息清晰地传递成像到视网膜上：视觉系统则负责将 光信息接收转换成电信号，再通过视觉通路逐级传递到大脑视皮层而形成视觉 【1 4 2 1 2 双眼单视圆和双眼视差 早在1 9 世纪m u l l e l 等人发现，当双眼的中央凹注视空间的某一点时，由于 目标落在左右眼视网膜的对应点上，因此可产生单一视觉。这时如果其他目标 的图像也投射到视网膜的对应点上，也可引起单一视觉。根据几何光学原理， 能够使双眼产生单一视觉的目标点，位于一个通过双眼节点的圆周上，这个圆 周叫做双眼单视圆或者双眼单视界，如图2 2 所示。 图2 2 双眼单视圆示意图 当双眼注视一对图像时，如果另外一个对象不在双眼单视圆上，那么后者 在左右视网膜上的像并不位于对应点上。如果它们在视网膜上的位置差别很 大，便出现复视现象，即把目标看是两个像。例如在我们关注远处目标的同时 把手指头放在跟前不远处，看到的手指便出现双像。这时闭上左眼，位于右边 9 的手指像就会消失；反之左边的像消失，这种复视称作交叉复视，因为左像来 自右眼，右像来自左眼。反过来，如果注视点是手指头，远处的物体就会出现 双像，这时的复视是非交叉复视。这双眼复视现象在生活中十分常见，只是我 们没有去刻意留心它。而且，双眼往往能够从这些复视现象中提取出三维深度 信息，因此复视现象并不影响同常视觉运用。 当注视一个眼前的平面时，左眼和右眼看到的平面像没有任何差别的信 息，因此视觉结果是一个平面。而观察立体目标是，由于左右眼瞳孔间平均约 为6 5 m m ，实际上双眼是从不同角度看物体的，左眼看到的目标像左边的部分 多一些；右眼看到的目标像右边的部分多一些。双眼接收到的这些微小差别， 经过神经系统的加工整合，最终形成立体视觉。可见，双眼接收到的图像之间 的微小差别，是产生立体视觉的必要条件，这些差别称为双眼视差。由空问深 度或目标远近引起的双眼视差，在视网膜上表现为横向视差，如图2 3 所示。 图2 3 双眼横向视差与距离关系示意图 当双眼注视位于单视圆上的一点b 时，它在左右眼视网膜上的像均位于中 央凹，即左右眼像点b 和b ：的像的对应位置相同。而远处点a 和近处一点c 的 左右视网膜像的位置，不但与b 点像的位置有差别，而且每一点的左右眼像的 位置也各不相同，如左像a ，和b 1 的右边，右像a 2 却在b 2 的左边，c 点像的位置正 好与之相反。这些像点位置与注视点b 的像点之间的差别，即为横向视差。按 照一般的图形叠加原理，如果以注视点像为基准，将左右眼的图像叠加在一起， 除了b 点是单一视觉外，a 和c 将产生复视，即应该看到位于同一平面上的五个 点，从左到右依次为：c 1 ，a 2 ，b l ( b 2 ) ，a j 和c 2 。但事实并非如此，因为视觉 系统能够有效地从横向视差中提取三维深度信息，实际的视觉结果是看到三个 位于不同距离的点。 2 1 3 立体视觉机制 从几何光学上看，目标的远近或深度的不同造成了双眼视网膜的横向视 差，而视觉系统又能够根据生理学和心理学的机制，从横向视差中提取三维的 1 0 空问信息。从双眼视觉的几何图解和视觉心理学中，我们可以得到立体视觉的 产生机制。首先，双眼同时观察到两幅包含横向视差的刺激图像，这些图像可 以是平面图像对，也可以是实际目标在左右眼视网膜上所成的图像对，这一阶 段称为同时视。其次，视觉系统将来自左右眼的平面图像对，根据像素对应关 系融合成一幅完整的图像，称为融像。在此基础上，视觉系统将平面横向视差 信息转换成三维立体信息，最终产生立体视觉。也就是说，立体视觉的产生过 程分为三个步骤：同时视、融像和立体视觉。 有关立体视觉的生理基础，还有待于进一步的研究。人眼视觉通路中视神 经的部分交叉，以及左右大脑半球间的连接，使双眼具有共同视野的生理依据， 也是产生立体视觉的基础。尽管如此，我们对立体视觉现象已有充分的认识， 并从几何学和视觉心理学等方面揭示了立体视觉机制，由此发展了各种立体视 觉的应用技术，立体液晶显示技术是其应用技术中的一种。立体液晶显示是利 用显示屏呈现左右跟的图像对给用户的左右跟，这样用户通过视觉系统的融合 作用而得到立体视觉。显示屏上产生的左右眼图像对一般采用时间复用方式和 空间分割方式。本文将采用基于视差障栅原理实现立体液晶显示，视差障栅的 作用是使观察者左眼只能看到左眼像素列的图像，右眼只能看到右眼像素列的 图像。 2 2 立体液晶显示技术 自动立体液晶显示器是近年来新出现的虚拟现实显示设备，其最大的特点 就是观察者无需使用任何附加设备，直接用肉眼就可看到屏幕上显示的立体图 像。为任何演示加入真实的景深信息可以使之更容易更快速地理解。因此立体 显示技术成为当前世界上液晶显示技术领域研究的一个热点，各国和各个研究 机构都积极加入立体液晶显示技术的研究行列使该项技术得到了同新月异的 发展。当前世界上自动立体液晶显示技术主要有视差照明、视障、微透镜投射、 数字镜面、体块式、波长滤波、分像素矢量衍射等。近年来我国也开始了对立 体液晶显示技术的研究，但是还处于初始阶段，如果要想使我国的立体液晶显 示技术达到一个先进的水平还须很长的路要走。 2 2 1 视差照明技术 视差照明技术是美国d t i 公司的专利，它是自动立体显示技术中研究得最 早的一种技术之一。d t i 公司从8 0 年代中期进行视差照明立体显示技术的研究 “扪，1 9 9 7 年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。视羞照明实现三维显示的 原理简单，如图2 4 所示。 线照明 l c d 像素 l j 图2 4 视差照明原理图 在透射式的显示屏( 如液晶显示屏) 后形成离散的、极细的照明亮线，将这 些亮线以一定的间距分开，这样人的左眼通过液晶显示屏的偶像素列能看到亮 线，而观察者的右眼通过显示屏的偶像素列是看不到亮线的，反之亦然。因此 观察者的左眼只能看到显示屏偶像素列显示的图像，而右眼只能看到显示屏的 奇像素列显示的图像。这样观察者就能接受到视差立体图像对，产生深度感知。 视差照明亮线的形成，即特制背光板的设计和加工是实现d t i 的视差照明技术 的关键。到2 0 0 2 年为止，d t i 的视差照明技术有以下实现方法1 6 ”1 1 1 8 1 【1 9 1 ：运用 多光源，再用透镜聚焦形成很细的亮线；运用单或双光源，再用光导( 光导的 形式有很多) 传光、透镜汇聚形成很细的亮线；运用微加工技术制作旋光性不 同的狭缝实现很细的亮线；运用液晶光阀的旋光性和偏振片配合形成很细的亮 线。具有实现2 d 3 d 显示模式转换的功能也是d t i 视差照明技术的特点。其中主 要的实现方法有：光源用导轨或铰链连接，通过光源位置的改变使光线进入不 同的介质；背光板位置的改变使透镜会聚光或不会聚光；漫反射板在施加电压 时呈漫射状态，而在无电压时是透明的。这些方法中的些只能实现整个显示 面积的2 d 3 d 转换，而另一些方法可以实现部分2 d 3 d 的转换，即显示面积的 任意部分用二维显示模式而其它部分是三维显示模式。根据观察者位置的不 同，显示不同视角的高分辨率图像，也是d t i 显示技术的发展方向。实现这项 功能的方法有超声波定位、红外定位等。此外，d t i 技术中提到了使用多套亮 线与液晶屏的显示配合，利用人眼的视觉暂留原理实现全分辨率显示和多视区 显示。这种方法要求液晶屏有很高的刷新频率和更加复杂的电路控制。原理简 单、视差显示效果不错、幻像少是d t i 的视差照明技术的优点。但要想用这项 技术实现多个观察者同时观看、多维和移动视差效果存在技术难点。d t i 的视 差照明技术作为当前最成熟的自动立体显示技术之一，已经很难在技术原理方 面有所突破，关键的、能有所创新的是它的实现方法。随着加工技术和材料技 术的发展和创新，利用视差照明实现的立体显示效果将不断完善。理想情况下 1 2 要求照明亮线接近零宽度且精确定位，如果实现微米甚至是纳米级的线光源， 那么视差照明立体显示的结构将得以简化，显示效果将得以很大提高。视差照 明立体显示技术只能使用透射式的显示源，现在的液晶屏很符合条件。液晶屏 的性能指标是对视差照明立体显示技术的限制。 2 2 2 视障技术 s h a r p 公司欧洲实验室的工程师们经过l o 年的研究开发出了能在2 d 3 d 模式间转换的自动立体液晶显示器，并于2 0 0 2 年底成功推向市场。s h a r p 的立 体显示技术是视差障栅技术”。】【2 ”。视差障栅技术的实现方法是使用一个开关 液晶屏、一个偏振膜和一个高分子液晶层，利用一个液晶层和一层偏振膜产生 出一系列的旋光方向成9 0 0 的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过这些条纹 的光就形成了垂直的细条障栅模式，s h a r p 公司称之为“视差障栅”。在立体 显示模式时，哪只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就由这些视差障栅来控 制，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同 理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼。如 果把液晶开关关掉，显示器就能成为普通的二维显示器。把视差障栅的方法用 在立体显示上这并不是第一次，以前就有人尝试把具有黑白线条的液晶屏和一 个成像的液晶屏结合实现立体显示。但是，主要的难题是这样的合成不能使层 与层之间充分地靠近，造成成像困难。夏普公司的突破是使狭缝视差障栅层与 图像层的像素充分的接近，大大地提高了图像的质量，并使观察者能更接近地 观看立体图像，使显示器更加紧凑。s h a r p 公司的视差障栅可以放在显示屏的 前面或后面形成视觉障碍，如图2 5 所示。在显示屏的后面形成视觉障碍的方法 与d t i 的视差照明有相似之处，d t i 的视差照明技术中透光的地方是被照明， s h a r p 的视差障栅技术中不透光的地方是被遮挡。 背光源视差障捶背光源 视差障栅 右眼 左眼 右鼹 左最 图2 5 视差障栅原理( 左图为视差障栅前置，右图为视差障栅后置) 纽约大学的m e d i ar e s r e a r c hl a b 也利用视障原理研制出单用户自动 立体显示器1 2 2 1 。该显示器能提供双眼全分辨率的图像，允许观察者在一定范围 内自由的移动，包括距离和方向。 2 2 3 微透镜投射技术 p h i l i p s 公司对立体显示技术的研究是基于传统的微柱透镜方法。】【“1