高辉度视差屏障式立体显示技术之研究

1、高輝度視差屏障式立體顯示技術之研究張明傑 陳建宇國立雲林科技大學電子工程系暨研究所.tw摘要本論文針對傳統屏障式立體顯示技術的作法加以改良，由於傳統式的作法會產生很多光能被屏蔽光柵給吸收或漫射，造成輝度的嚴重下降。因此，我們提出光能有效再利用之想法。我們利用與屏蔽光柵尺寸相符的微反射元件將反射光再次導引回所需方向，使得反射光能再次的利用。關鍵詞：立體影像、光能再利用AbstractThis paper is proposed for improving the traditional parallax barrier method, because the

2、 practice of the traditional method will produce much reflected light and cause the deficiency of the luminance. We propose that the light can be reused effectively. The first idea is roll the light over to the needed angle by using a set of grating with coating different refractive index patterns o

3、n it. The second idea is guiding the reflected light to transparent region by using a micro optical device and the reflected light can be reused again.Keywords: three-dimensional image, light source reuse1. 前言隨著顯像技術不斷的提升，近年來已有不少科技先進的國家，針對立體影像的顯示技術進行研究並投入開發，由於三度空間的立體顯示較二維平面的顯示有更接近實體的視覺效果，因此，能夠呈現立體影像的

4、顯示技術將來會愈被人們所需要，其應用也會更加廣泛，製作也會越朝簡單化發展1。十七世紀時Giovanni Battista della Porta利用繪畫的技術，將同一個物體從兩個不同的觀看方向，去畫出兩張不同的圖形而組合成一立體圖。自此以來，有關於三維顯示的技術就不斷的發展與突破。1838年，Charles Wheatstone提出Wheatstone 立體鏡，該立體鏡之原理為拍攝同一物體不同方向的兩張影像，利用兩個反射鏡，讓雙眼同時觀看這兩張像而產生立體之效果。1849 年，David Brewster利用相同的概念，只是將反射鏡以稜鏡來取代，便製作出第一個具有實用性的立體鏡，而這種形式的立

5、體視鏡，現今則稱之為Brewster立體鏡。而為要同時取得不同角度的影像，特別設計的立體相機便因應而生，藉由光學設計、透鏡組合，能讓兩張或多張影像同時成像於底片的不同位置上，這對於同時獲取不同角度的影像提供了相當大的便利。直到1903年，美國的F. E. Ives提出平行遮蔽立體視覺（parallax stereogram）的方式，也就是將左右眼的個別影像依垂直畫素線切割，再彼此依照奇偶重新排列融合成新的影像，並在融合影像的前面加上一片視差遮障光柵（Parallax barrier），利用平行光柵的遮蔽效果，讓左右眼分別看到融合圖形中的左右影像，以達到立體的效果。1948 年， D. Gabo

6、r 所提出的全像術；1962 年美國的Leith和Upatnieks 依照二光束法設計了一套雷射全像干涉式之3D 立體顯示系統，至此，3D顯示技術漸漸地從科幻電影走入現實的世界。然而全像術與立體顯示系統(volumetric display system)雖然在想上可達到較佳的體顯示效果，但其技術難較高，實。因此，時至今日的21世紀，3D立體顯示技術還是以視差影像(parallax images )的產品為主流。2. 視差屏障式立體顯示原理視差遮障法主要仍是利用雙眼的視差來產生立體感，其原理如圖1所示。首先，將取得的兩個不同角度的影像，分別做等距離的分割成垂直線條狀，然後利用插排（interl

7、ace）的方式將左右影像交錯地融合在一起，則融合圖形的偶數部分是右影像；奇數部分是左影像。然而，要達到立體的效果，還需利用透光狹縫（Slit）與不透光遮障（Barrier）垂直相間的光柵條紋，放置於融合圖形之上，而狹縫與遮障的寬度，與左右影像切割的寬度一致，並利用遮障的遮蔽作用，來限制左右眼分別看到左右影像，使雙眼所看到的影像產生差異而有立體的感覺。圖1. 視差遮障式立體顯示技術示意圖2 由於傳統利用視差遮障製作3D顯示的方法，是利用遮障板配合經過特殊處理的畫面（將正常左右眼所看見的圖片分開，再利用軟體把原本左右眼所得到的資訊重新結合而成一張新的圖片）將左右眼的資訊錯開，產生類似人眼的視差，當

8、兩張有視差的圖片分別由左右眼進入後，於是在大腦形成一個立體的圖像。然而採遮障分光方式的技術會造成輝度(brightness)大量的降低，本研究是為了讓原本損失的輝度經由反射式光學元件達成光能再利用的效果，也就是使原本被遮障吸收的光源經過多重反射之後可以再次成為可利用的光源，以解決平面顯示器在呈現3D畫面時其輝度下降造成畫面較暗的問題。3. 研究方法由於平常使用上的習慣，在觀賞文字的時候還是以二維的方式為主，因此，在設計上必須考量2D/3D的可切換性。SHARP公司提出利用液晶來實現可切換式的視差遮障板3。顯示2D畫面時，所有的液晶單元皆為可透光的模式，一旦切換成3D模式時，液晶單元就可以如同視

9、差遮障板一般，形成透光狹縫（Slit）與不透光遮障（Barrier）垂直相間的光柵條紋。配合上經過特殊處理的畫面，我們就可以觀察到3D的圖像。但是，當液晶層形成視差遮障板時，由背光源所投射的光勢必被遮障板不透光的部分給遮蓋住而浪費掉了，造成3D圖像的亮度大幅的降低。因此，為了被浪費的光源能再被利用，本研究中提出在不透光遮障部分與背光板接觸部分設計一個微反射層結構（圖2），讓投射在遮障部分的光源，經過微反射層的反射後，讓液晶板透光區的透射光增加，我們認為此方法可以有效的增加所顯示之立體影像的輝度。圖2. 可切換式遮障板和微反射層結構圖在本研究中，我們將利用tracepro光機系統模擬軟體針對我們

10、所提出之想法與設計之結構進行模擬，以驗證理論之正確。其相關參數如下表1所敘述，我們模擬適當尺寸的遮障板(4.288 mm 10 mm)，並設計在不透光的遮障板下方鍍上與之尺寸相符之金屬反射層後，計算出各種情況下輸出輝度的數值。由於本研究中是利用可切換式液晶板作為視遮障的工具，我們也應該去模擬計算出，當該顯示器在播放一般的二維影像時，切換成全透光結構的情況下，我們所鍍上的微反射層結構會讓此刻的輝度犧牲多少。表1. 設計相關參數材質厚度折射率上玻璃板PMMA0.5mm1.4935下玻璃板PMMA0.5mm1.4935液晶層液晶分子4m1.52反射結構Ag0.07mNA4. 模擬結果圖3所示之模擬結

11、果，為視遮障板在加上我們所設計具有尺寸相符之微反射層結構之後，所模擬計算出輝度呈現分佈圖；而圖4則是傳統的視遮障結構所呈現之模擬輝度分佈圖。我們分別將輝度的最高值、平均值以及均方根值列於表2以便於比較。 圖3. 有反射結構圖4. 傳統視差遮障表2. 3D模式有反射結構無反射結構最高值平均值均根值而切換為2D模式的結構時輝度分佈的模擬計算結果如圖5與圖6所示，其中圖5為加上我們所設計具有尺寸相符之微反射層結構之後，所模擬計算出輝度呈現分佈圖；而圖6則是一般的二維液晶顯示器結構所呈現之模擬輝度分佈圖。我們也分別將輝度的最高值、平均值以及均方根值列於表3以便於比較。圖5. 2D模式有反射結構圖6.

12、2D模式無反射結構表3. 2D模式有反射結構無反射結構最高值平均值均根值5. 討論與結論由表2的數據比較我們可以發現，在3D模式下，鍍上微反射層的輝度為，較無反射層的高出62.02%，因此我們很有信心這樣的結構設計可以很顯著的改善傳統遮障板輝度下降的缺點，並提升了六成左右的輝度。但在2D模式時，液晶層是處於全透光的狀態，因此鍍上反射層反而影響了原本背光源穿透過液晶層的透光量，因此該微反射層造成在切換至一般的二維顯示狀況時輝度的犧牲，也是我們在設計此微反射結構時應該注意的部分。由表3的數據比較得知，在2D模式下有反射層的輝度為，相較於沒有鍍上微反射層的低了16.83%。的確證明了我們所假設，在2

13、D模式下，反射層反而會造成輝度的下降。因此，如何彌補此缺點也是我們是日後研究微反射結構所需克服的重要課題。經過模擬的各種比較結果，證實了鍍上金屬反射層的確對提高視差遮障式3D顯示的輝度有所幫助。再來，我們將利用製程技術實地製作我們所模擬的成果，進而思考如何改良此新方法的在二微顯示部分輝度損失的缺點。現在立體顯示技術已經發展了一段時間，還無法普及於市面上，而且還有許多問題有待解決。目前最主要的瓶頸除了提升立體影像的效果、提升有限的觀賞人數和位置外，相關的影像處理技術也是相當重要的。期望有朝一日在眾人的努力下，讓3D立體影像能夠走入我們的日常生活中，讓顯示技術邁向另一個新紀元。6. 誌謝感謝中華映管股份有限公司林振吉經理在相關資訊的提供，以及財團法人國家實驗研究院儀器科技研究中心對光機模擬軟體的提供使用。7. 參考文獻1 Yasuo Funazou, Satoshi Tak