自动立体液晶显示技术研究_图文

1、合肥工业大学硕士学位论文自动立体液晶显示技术研究姓名:邹阳申请学位级别:硕士专业:精密仪器及机械指导教师:邓善熙20050401 插图清单吲11三维显示的分类.图21视网膜上形成视差.图2-2在现实世界中的观察和在理想的平面显示中的观察.图23视差照明原理.图24视差障原理.图25视顺序显示光学原理.图3一l具有多光源的背光系统.图32具有导光板结构的背光系统阔33显示屏系统的总体结构示意图.图34背光板结构.图35一对像素列被照明.图36光路计算示意图一.图37光路计算示意图二.图38光路计算示意图三.图3-9平行光源.图3一lO显示屏上显示的图像示意图.图311光学模拟示意图.图312漫射

2、照明时的像.图313平行光照明时的像.图4一l显示屏前面形成的视区示意图.图4-2液晶显示原理.图43透射式液晶屏.图44普通液晶显示器的背光系统.图45视差栅板.图46数字驱动系统框图.图47软件立体驱动模式.图48基于视差障栅原理的自动立体显示器样机.图6一l CCD测光原理.图62(a显示屏上显示的矩形(b显示屏上像素的分布图63自动立体显示立体对比度检测装置.图64摄像头在距显示屏700ram、2度位置拍摄的国外进口的自动立体显示器检测图像的RGB值图65位于距显示屏700mm、2度位置拍摄的国外进口的自动立体显示器检测图像的RGB分量的每行立体对比度图6-6位于距显示屏700ram、

3、7度位置拍摄的国外进口的自5253o9m¨”M一!|!|一一¨一一一一¨一一¨一一一一一一一一一一¨一一一一一一一一一一一一一一一一一一; 图23:视差照明原理体图像对,产生深度感知。视差照明亮线的形成,即特制背光板的是实现DTI的视差照明技术的关键。到2002年为止,DTI的视差到了以下一些实现方法8q11:运用多光源,再用透镜聚焦形成很细用单或双光源,再用光导(光导的形式有很多传光、透镜汇聚形线:运用微加工技术制作旋光性不同的狭缱实现很细的亮线;运用旋光性和偏振片配合形成很细的亮线。具有实现二维,三维显示的转是DTI视差照明技术的特点。其中

4、主要的实现方法有:光源用导轨或通过光源位置的改变使光进入不同的介质:背光板位置的改变使透不汇聚光;漫反射板在施加电压时呈漫射状态,而在无电压时是透方法中的一些只能实现整个显示面积的二维,三维转换,而另一些方部分二维/三维的转换。即显示面积的任意部分用二维显示模式而其维显示模式。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、红外定前面提到的头跟踪型。此外,DTI技术中实现了使用多套亮线与示配合,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、果不错、重象少是DTI的视差照明技术的优点。但要

5、想用这项技术察者同时观看、多维和移动视差效果存在技术难点。DTI的视差照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利用视差照明实现的立体显示效果将不段完善。理想情况下要求照零宽度且精确定位,如果实现微米级甚至纳米级的线光源。那么视显示的结构将得以简化、显示效果将得以很大提高。视差照明立体能使用透射式的显示源,现在液晶屏最符合条件。所以液晶屏的性 屏的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面的图像的像素子像素,这样透镜就能咀不问的方向投影每个子像素,双眼从不同显示屏就看到不同的子像素。但同时像素间的间隙也被放大了,因的叠

6、加子像素,而使一组子像素交叉排列,这是PHILIPS的一个创的另一个改进是让柱透镜与像素列不是平行的,丽是成一定的角度为了使每一组子像素重复投射视区,而不是只投射一组视差图像。§2.3.4微数字镜面投射技术牛津大学和麻省理工学院对三维显示技术都研究得较早,并取破性的进展。最近两校强强连手进行的视顺序立体显示技术的研究人们的极大兴趣,给予了很高的期望。这种视顺序自动立体显示器在不同的位置观察不同的图像,并能实现运动视差。不象很多运用差障技术的立体显示器,视顺序技术使用时分多用的原理实现不牺蔓维效果。但视顺序显示器的光路设计要求长光路,因此难以实现近这个研究小组推出了一种运用德州仪器公司

7、的数字微镜面装置动立体显示器【17】【”1,光路如图25。 图25:视顺序显示光学原理美国辛辛那提大学也在进行运用数字微镜面实现自动立体显示 (b图3-4背光板结构(a局部截面图,(b局部轴测示意图重合,背光板的上表面不同斜率的斜槽根据所在位置偏转每一部分的微小角度,如图35所示。 圈3-5一对像素列被照明望:等掣jf:.pL+rap-dm 如图36,由相似三角形OGE与OHC可得,P,n+,dP又由相似三角形OIA与OHC可得,生P志;七=焉1+m1+m把(32式代入(31式得到(33式,下表面的微凹透镜由式(3-3决定七:pL+m:p-一d 发所需的时间。ASAP藉由使用指令来指示光线如何

8、与系统对象交互作用,来交互作用的物理现象。结果是一组非常明了的仿真和分析功能,一种系统类别或是工业的分类上,足以处理更多的光学系统仿被全球很多的工程师和物理学家应用在很多不同的工业界领域。§3.3.2自动立体显示系统的光学模拟根据设计,整体背光系统截面如图33所示。成功地在AS 基于这种背光板的立体显示。ASAP以其快速的光线追迹、高度灵准确的预测光学系统性能等优点著称。使用35×70阵列的透光和不透光的0.6ram×0.6mm的像素小方屏,如图310所示。这样的显示屏相当于只能显示二值黑白图像是两个三角形用奇偶像素列交叉排列,如图3一lO所示。折射式背数为m=1

9、.2mm,F1.6mm,k=-0.8mm,n=1.5,伍l、a,alt在0.2。与3具体数值由式(38决定,参见图34。根据人眼的瞳孔距约6对理想凸透镜模拟人眼,并设置了一对接受平面120J,如图311。确定了背光系统的几何参数后,要想精确模拟这样的光学系统光板和显示屏介面折射率和反射率是不够的,必须考虑到界面的散中,必须让背光板具有一定的散射性质才能实现基于这种背光板的立因为使用平行光照明,通过微柱凹透镜发散的光照明像素列时,假双眼位于显示屏的中间位置,这样观察耆只能接受到屏幕中间行部 图3一10显示屏上显示的图像示意图就是只能看到显示屏的中间行显示的立体图像。所以背光板的上表垂直方向散射光

10、的能力,但同时水平方向不能散射太大的角度,否能看到右眼的图像,右眼能看到左眼的图像,实现不了立体显示。观察距离和人双眼的瞳孔距相对于像素的间距是很大的,因此只要常折射光线成一个很小的空间角就可以同时满足;水平方向散射的过左眼图像的光到达右眼、通过右眼图像的光到达左眼;而垂直散右眼都能看到上下部分的像素。幸运的是,一般的抛光光学表面都样的性质。因此选择既符合实际材料和加工条件的散射模式,又能立体显示效果的散射模式是一个需要特别注意的关键问题。功能强大的ASAP提供了丰富的散射模式,还能实现基于用户自定义模式。AsAP的散射模型是基于BSDF(Bi-DirectionM Scatte Functi

11、on一-方向散射分布函数,ASAP中的BSDF是一个完全的基于模型1211。因此只需要光线的入射角和散射角就能决定BSDF。其散射模型适合模拟抛光的光学表面透射散射光主要靠近折射光线分能很好实现本立体显示的背光板的上表面的散射角和强度分布的要粼粼12是用朗伯漫射光直接照明显示屏时,追迹30万条光线后两接受平左槐区像右褪区像(a (b图312漫射照明时的像:a为散点图。b为光强分布图直麓嚣右瓤区(a (b圈313平行光照明时的像:a为散点图,b为光强分布圈§3.4本章小结从光学模拟中可以看出,通过本文作者设计的折射式背光系统体显示,得到的左右眼图像是完整的,几乎没有杂光的。这种新型能很

12、好地实现单用户、单立体视区自动立体显示,具有能适应不同式显示屏、串扰少、光效高和亮度高的优点。实现基于此设计的自样机是进一步工作。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看到它陔出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果把液晶视差障栅开关关掉,显示器就能成为普通的二维显示器。原理的方法用在自动立体显示上有着悠久的历史,在电子显示时代们就已利用照相技术实现过。把具有黑白线条的液晶屏和一个成像合实现自动立体显示的主要难题是这样的合成不能使两层充分的靠像困难。使狭缝视差障栅层与图像层的像素充分的接近能大大地提质量,

13、并使观察者能更接近地观看立体图像,使显示器更加紧凑。利用这种原理实现的自动立体显示在显示屏前面的空间形成视区空间,如图4一l所示。观察者观赏画面时必须处于最适当的就会接受不到理想的立体图像。 图4一l显示屏前面形成的视区示意图如果左眼在右眼视区接受到右眼图像,右眼在左眼视区接受到左就会形成不正常的负立体效果。总之,立体图像观察者必需固定在位置才能接受到理想的立体图像对。光。它显示图案或字符只需很小能量。正因为低功耗和小型化使液较佳的显示方式。液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体有机物,它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列,但在电场作用下列方向,如图42所示。液晶显示按液晶分子的工作方式分类

14、, (ThinFilmTransistor簿片式晶体管型、TN(TwistedNeumatic扭和sTN(SuperTwistedNeumatic超扭曲向列型三大类。 圈42:液晶显示原理TFT薄片式晶体管型的液晶显示器较为复杂,主要的构成包括:导光板、偏光扳、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶首先液晶显示面板必须先利用背光源,也就是荧光灯管投射出光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶,这时液晶分子的排列方式进液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出度与色彩,并进而能在液晶面板上交化出有不同深浅的颜色组合了。T

15、N扭曲向列型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的它种类的液晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。不加电场入射光经过偏光板后通过液晶层,偏光被分子扭转排列的液晶层旋液晶分子的排列。使其分子棒进行扭转,光线便无法穿透,进而遮STN超扭曲向列型的显示原理与TN相类似,不同的是TN扭效应的液晶分子是将入射光旋转90度,而STN超扭转式向列场效光旋转180-270度。要在这里说明的是,单纯的TN液晶显示器本两种情形(或称黑自,并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶液晶材料的关系,以及光线的干涉现象,因此显示的色调都以淡绿主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(color 将单色显示

16、矩阵之任一像素(pixel分成三个子像索(sub.pixel彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色,再经由三原色比例之调和,也全彩模式的色彩。另外,TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越对比度就会显得较差,不过藉由STN的改良技术,则可以弥补对比况。经过比较分析TFT透射式液晶显示屏最适合作为自动立体显示如图43所示。立体图像对显示在对应的像素上。§4.2.2背光系统图43透射式液晶屏 对于一般的普通二维显示用途,使用非发光显示器件液晶图44普通液晶显示器的背光系统背光源从其结构大致分为正下方型和侧灯型。后者是在液晶面置导光扳,在导光板边缘设置光源,用导光板射出的散射光照亮液下方型可以设鼍很多

17、光源。因此,很容易达到亮度高,但薄型化很通过把导光板做得很薄,可以实现背光源的溥型化,但光源设置空间很难实现高亮度和大型化。视障栅板是基于视差障栅原理的自动立体显示器的关键部件所示。根据建立的视差立体显示匹配的双目视觉模型,以及相关参计算和仿真结果,设计并制造了微视障栅板。该视差障栅扳被放在和液晶屏之间a每个光学部件的精确定位是该项技术的关键。视差直微视障条纹,实现左右眼图像的分离。 图45视差栅板视差栅板的垂直条纹加工需要一定的精度。如果需要实现一般模式,就需要视障栅板具有通断功能。在一般二维显示模式时,视 图48基于视差障栅原理的自动立体显示器样机安装完成后,进行了视差障栅的调试以及立体显示转换电路的整体调试表明这台样机的立体显示效果达到了预期的要求。§4.4本章小结视差栅板遮蔽光线实现左右眼立体图像对的分离,同时也损失线,从而显示屏的亮度降低了。为此应该进一步提高背光源的亮度在立体显示中,尤其是自动立体显示中,光线串扰引起重像的是影响立体感知的主要因素。即使在最佳观察位置也存在一定的光的重像问题。这种重像问题主要表现方式是屏幕不同位置的重像程例如,当屏幕中央位置的左右眼图像得到很好的分离时,屏幕四个像的分离不够完全。对于一个立体显示系统的设计者