光栅式自由立体显示器光学构成的理论研究

1、（华南）中国国际电子信息显示技术产业发展研讨会论文集光栅式自由立体显示器光学构成的理论研究王元庆南京大学电子科学与工程系引育目前普遍使用的显示器都是二维的，不能直观地表现场景的纵深信息二立体图象显示器将场景的三维信息完全地再现出来，显示具有纵深感的图像，观看者可以直接看出图像中各物体的远近、纵深和图像的现实分布，获得更加全面而直观的信息。无需佩带眼镜的自由立体图像显示技术受到广泛注意，以日本、德国、美国等国家从上个世纪年代初就开始着手该技术的基础研究，并于年代中叶陆续获得成果，自由立体图像显示器的实现方式有许多种。其中，光栅式立体显示器足以自由立体图片技术为基础发展出来的，它继承了自由立体图片

2、技术，实现工艺也不复杂，足最有可表光栅式立体显示器比较类型柱皿光栅式狭缝光栅式能实现商业化的技术。光栅式立体显示器在结构上分为两大类：第一类采用柱面光栅，以荷兰的公司为代表；第二比较结构和材料柱丽光栅足具有柱面阵列的透明光栅板，材料为光学塑料或者玻璃、不遮挡娃示画面优点、不影响显示亮度、不存在对焦问题、光栅板制作成本高、狭缝光栅是具有明暗相间的狭缝阵列的透明光栅薄膜，材料为聚酯蟛料或其它薄膜材料、制作成本低、光栅参数易于改变类采用狭缝光栅，以美国的公司（）为代表。两者的比较见表选择那种光栅，要具体问题具体分析】，本文主要分析狭缝光栅式立体显示器的光学构成，论述狭缝光栅式立体显示器的光学模型：缺

3、点、光栅参数：易改变、遮挡不遮挡显示画面冈而影响显示亮度光橱式立体显示器结构、柱丽镜的焦平面埘焦要求高光栅式立体显示器基本上都是由、，、和纯平等普通平面显示器上增置光栅板构成。光栅板一般有柱面光栅及狭缝光栅两种：图所示为光栅式立体娃示器的光学结构，它包括以下几大部分。）普通平面显示器：图中所示为普通的液晶显示器。）光栅：置于平面显示器的前端，此处采用的是狭缝光栅。光栅与平面显示图像面之间的距离、光栅空】周期与象素间距等需要严格匹配。）背光源：只有液晶显示器才有背光源。背光源由图中的漫射体、灯、反射器、逆变器以及图中未画的导光板、亮度增强膜（）等构成。由于狭缝光栅会阻隔显示器光束，降低显示器亮度

4、，因此，需要适当提现代显示增甲一一光栅补偿片偏振片偏振片液晶一盒灯（）导光板视频电路漫射体图立体液晶显示器的光学结构分解图（华南）中国国际电子信息显示技术与产业发展研讨会论文集高背光源的亮度，只有液晶显示器可以做到这一点，这也是液晶显示器的优点所在。其它平面显示器没有背光源，无法借助背光源提高亮度。）电子线路：包括视频电路、测量控制电路和辅助电路等。为了扩大立体显示的视角，必须根据观看者的头部位置调整光栅与平面显示图像面之间的相对水平位置，即进行所谓的微相位差调节，使观看者在变动头部位置时，总能观看到最佳的立体效果。因此，显示器需要有视角测量机构。一般视角测量机构由红外线投影机构、图像接收机构

5、、图像处理机构、微位相位差调节机构等组成。红外线投影机构向显示器前方投射照明红外光，图像接收机构则拍摄观看者面部图像，图像处理机构分析判断人眼视角位置，微位相位差调节机构则根据人眼视角位置，对可控式光栅进行微位相位差调节。光栅式立体显示器的光学模型图所示为狭缝光栅式立体液晶显示器的光学结构。光栅单元轴线取向与液晶象素矩阵的列平行。当人眼透过任意一条狭缝观看液晶屏的图象面时，人的单眼只能看到该狭缝所对应的一列象素。为了使画面具有一定的清晰度，狭缝的宽度需要适当选取。每一条狭缝对应一对、象素，适当调节狭缝的方位和光学参数，可以使观看者的左眼只能看到（左）象素序列，右眼只能看到（右）象素序列，如图所

6、示。为了使画面具有一定的清晰度，狭缝的宽度需要适当选取。图为狭缝式立体显示器的光路图。设定坐标系（，）中的轴穿过人眼瞳孔连线的中，并与液晶屏垂直，轴与液晶屏表面重合，轴在图中未画出。相邻狭缝中心的平均间距与象素宽度，的关系为：血（）设人眼距离液晶屏的表面为，瞳孔距离厶以坐标系（，）的坐标原点为起点，设定立体图像对（、）的标注如下：面显示图像面图光栅式立体显示器结构图光栅式立体显示器光路现代显示增刊一一。“（华南）中国国际电子信息显示技术与产业发展研讨会论文集、轴坐标原点处的负向象素和正向象素的一对象素为刀的象素对；，、沿轴正向的每两组象素为一对，刀取正值，称作第刀组显然，刀、；、沿轴负向的每两

7、组象素为一对，刀取负值，称作第刀组，显然，刀一、一、一、。那么，第刀组象素中左图像象素距离坐标原点的距离为：、（一去弘（妄）况：（）第组象素中右图像象素距离坐标原点的距离为：（）为了使第刀组象素的左、右图像分别被左、右眼看到，要求狭缝的中心位于（、）处，根据图，有以下情对于坐标位置处于（一、）的左眼，希望狭缝的位置为：（寺）（一÷）一（）对于坐标位置处于（、）的右眼，希望狭缝的位置为：音）（行一言），（）显然，对于左、右眼而言，用的都是同一狭缝光源，因此（）或者：（扣疗扣）（一扣，一三），二日。（）一般人眼瞳孔距离石一，液晶屏的象素宽度，；另外，人眼观看液晶屏时的距离一般大于明视距离

8、（），而狭缝距图像面的距离一。适当选取值，使（）式成立，最终使光学系统近似满足（）式的实际情况，即：（）（）（）取】【，则狭缝的坐标位置与立体图像对组数之间的关系为：（一言）（刀三）（）式中。刀、±、±、±、士、：（一上：坠爿（一万八）一这样，利用式（）所表示的狭缝的坐标与液晶屏象素对之间的数学关系即可以针对所使用的液晶屏的数据设计狭缝光栅板。现代显示增刊一参考文献：（略一编者）光栅式自由立体显示器光学构成的理论研究作者：作者单位：王元庆南京大学电子科学与工程系相似文献(10条)1.期刊论文 王元庆 光栅式自由立体显示器光学构成的理论研究 -现代显示2003,&q

9、uot;"(3)自由立体显示器是新一代图像显示器件之一,其中基于光栅的立体显示器具有许多卓越的优点.本文首先分析了光栅式自由立体显示器的光学结构,在此基础上,进一步论述了狭缝式自由立体显示器的光学模型.2.学位论文 文江涛 光栅式立体显示器重影问题的研究 2007本文首先通过对计算机立体视觉、潘弄区理论及光栅式自由立体显示器成像机理等内容进行深入研究之后,从潘弄区和可视区域两个角度分析了光栅式自由立体显示设备产生重影问题的理论原因并提出了两种改善重影问题的途径;接着建立一个光学结构模型,推导出人眼位于可视区域时所看到的实际象素强度公式;之后对重影度的评价进行了分析并给出一种定义重影度

10、的方法,用于作为度量重影度的一个指标,并对上述两种改善重影问题的途径进行了软件仿真,得到重影度与人眼到显示屏幕距离的关系曲线.最后对全文进行了总结,概述了所取得的成果和今后的研究工作,对光栅式自由立体显示器的发展进行了展望.建立了一套简化的分析模型,深入研究了BM(Black Matrix)的节距、观察距离、光栅倾斜角度对莫尔条纹的走向及其节距的影响,并进行了理论推导与试验验证,结果表明,该理论能有效地揭示莫尔条纹的形成机理与形成规律,为莫尔条纹问题的解决提供了必要的理论依据.光栅式自由立体显示设备由于存在重影问题而限制了它们在商业上的应用,文章从潘弄区和可视区域两个角度分析了光栅式自由立体显

11、示设备产生重影问题的理论原因,并建立一个光学结构模型,推导出人眼所看到的实际像素强度公式.给出一种定义重影度的方法,经软件仿真得到重影度与人眼到显示屏幕距离的关系曲线,基于上述模型和定义对重影问题的改善进行了探讨.软件仿真结果显示通过改善边缘光栅结构能在一定程度上增大可视区域,减小人眼看到重影的几率.根据光栅式自动立体显示原理建立光学系统模型,运用ASAP光学设计软件对该系统进行仿真. 通过对光线透过狭缝后形成的视区分布条纹图的分析,提出了一种增大视区和控制串扰的方法,实现了对狭缝光栅式自动立体显示器的优化设计.6.期刊论文 张铧铧.吕国强 一种新型光栅式自由立体显示器的硬件电路设计 -电子技

12、术应用2006,32(11) 一种新型的光栅式自由立体显示器的硬件电路设计方案.该方案可以实现对进行过标准插的图像和FrS图像的立体显示.本文在引入分辨率损失的概念基础上,利用光线追迹的方法,通过ASAP分析软件研究了柱面透镜光栅式自由立体显示器的柱镜光栅对自由立体显示器分辨率的影响.研究了柱镜光栅与LCD显示器之间以不同角度装配时,柱镜光栅对显示图像在垂直和水平方向上分辨率的影响,实验和计算机模拟研究均得出两方向分辨率下降一般是不同的结论,提出了一种行之有效的立体显示器分辨率损失的评定方法,对柱镜光栅式自由立体显示器的设计有指导意义.8.学位论文 张铧铧 一种新型光栅式自由立体显示器硬件电路

13、设计 2007本文在目前自由立体显示技术已逐步成熟的基础上,提出了一种新型的光栅式自由立体显示的硬件电路设计,使得立体显示器结构变得简单,价格进一步降低,并最终实现市场化.本设计的核心是用高性能的cyclone 系列FPGA,实现像素变换,并进行模式识别控制2D与3D之间以及两种3D格式之间的切换.并且设计了一个强负载能力的光栅驱动电路来驱动光栅,实现立体显示.介绍了针对不同的液晶显示器尺寸设计的两种硬件电路,15寸液晶显示器是通过单通道的LVDS传输实现立体显示.17-20寸液晶显示器是通过双通道的LVDS传输实现立体显示.除此之外,对LVDS信号,以及FPGA实现LVDS接收器,LVDS发送器做了深入的研究.光栅式自由立体显示器具有性能优良的特点,是目前有很好应用前景的一类重要立体显示器,但由于它存在观看视疲劳问题而限制了其广泛应用.文章从分析立体显示视觉原理入手,系统阐述了引起自由立体显示器观看视疲劳的生理和立体显示器性能不佳两大原因,并提出相应的改善方法.该研究工作将对光栅式自由立体显示器的进一步研究和应用开发具有一定指导意义.在引入分辨率损失的概念基础上,利用光线追迹的方法,通过ASAP软件研究了柱面透镜光栅式自由立体显示器的柱镜光栅导