第三章-光电显示技术4-3D显示技术

3DDisplay3D显示技术什么是3D显示技术3D显示技术的分类3D显示技术的原理3D显示技术的发展内容一、什么是3D显示技术？3D–3Dimension即三维立体，是相对于2D平面的一个概念。我们人类所生存的世界就是一个三维的空间，我们在现实世界中观察到的物体也都具有三个维度：高度、宽度和深度。我们早已习惯了3D的世界，然而由于技术发展的局限性，在电影、广播电视以及印刷等媒体世界中，我们被局限在了二维世界。

3D显示的特点

立体逼真：3D影像与现实生活中习惯的场景达成一致，更加逼真；临场感强：3D影像的立体感、景深，让观者产生身临其境的感觉；强烈视觉冲击：可以利用3D影像特点制造各种强烈的视觉冲击，如体育比赛直播、演唱会现场直播，以及各种宏大的电影场景；

3D显示技术就是利用一系列的光学方法使人左右眼产生视差从而接受到不同的画面，在大脑形成3D（3Dimensions）立体效果的技术。3D显示技术3D显示生理如果要实现真正的3D，就需要两眼同时看到一个画面的不同位置。比如，举起一个手指，只用一只眼睛看，那么它是平面的，只有两只眼睛同时看，它才是立体的。左右眼看到不同视角的影像大脑融合成具有深度的3D影像3D显示需求左眼看到左眼影像右眼看到右眼影像人眼3D视觉原理视觉因素-视差人双眼能同时看相同一方向，但是眼间距仍有约60mm，所以不能完全瞄上一条直线，在一定的范围内双眼看到的图像会产生一定的差异。实现立体效果的原理视差(parallax)－人类是通过左眼和右眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度,从而识别出立体图像一般视差为6-7CM视觉因素-光角&视角光角视角立体视觉的形成具有深度感的图像,形成立体感3D显示裸眼式反射全息法透镜全息法全像全息法体积全息法

全息二、3D显示技术分类裸眼式透镜阵列法视察挡板法微镜投影法微位相差板法指向光源法

非全息辅助设备光分法色分法时分法3D显示分类3D显示技术原理立体图相对技术体显示技术全息技术裸眼式3D技术眼镜式3D技术色差式快门式偏光式柱状透镜视差屏障指向光源立体图相对技术

原理先产生场景的两个视图或多个视图，然后用某种机制（如佩戴眼镜）将不同视图分别传送给左右眼，确保每只眼睛只看到对应的视图而看不到其他视图，从而产生立体视觉。这种技术的本质只是在空间中产生两张或多张平面图像，通过“欺骗”人眼视觉系统而立体成像。这类技术会使人眼产生矛盾的晶状体焦距调节和视线汇聚调节，长时间观看会产生视觉疲劳。三、3D显示技术原理体显示技术

原理此种技术是在物理上显示了三个维度，能在空间中产生真正的3D效果。成像物体就像在空间中真实存在，观察者能看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的3D透视图像。从数字图像处理技术来说，平面图像对应了二维数组，每个元素被称为像素；而三维图像对应三维数组，每个元素被称为体素。体显示技术正是在空间中表现了这个三维数组。全息技术

原理全息技术是利用光波的干涉和衍射原理记录并再现物体的真实感的一种成像技术。全息技术再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。除用光波产生全息图外，现在已发展到可用计算机产生全息图，然而需要的计算量极其巨大。全息术应该是3D显示的终极解决方案，但目前还有很多技术问题有待解决，短期内难有成熟产品量产。色差式采用互补色色彩将图形或物体显示在平面图片上，观视者通过光学滤色镜对图片进行双眼同时观视，即可展现其图形成物体的立体形态。立体图相对技术色差式互补色眼镜滤色原理色分法成像的图

色分法的互补色眼镜色差式特点：不需要改动硬件设备，眼镜设备简单，成本低，无需维护。两只眼睛能看到的颜色不同，画面颜色损失严重，而且亮度降低，画面过滤不全引起“鬼影”而使得观看效果大大降低。应用于家庭观赏和入门尝试3D的产品。色差式常见问题解析：画面闪烁画面重影缺色色差式3D画面用裸眼观看时的效果偏光式

将左右眼欲看到影像以奇/偶列形成显示影像，再由显示器表面贴附”微相位差(Micro-Retarder)”转为互相垂直的偏极光，观赏者透过偏光式眼镜达到立体视觉感受。（光分法）偏光式光：自然光偏振光偏光式—投影屏幕

以2台偏光投影机(偏光角度互相垂直)于相同投影幕上同时播放左、右视角画面，观看者藉由左、右眼偏光角度互相垂直偏光式眼镜观看达到立体视觉。偏光式圆偏振光:线偏光片加上相位差膜(RetarderFilm)，使得光线因相位差膜而产生旋转角度的圆偏极光；因而圆偏光组成要素为偏光片加上相位差膜;偏光片+1/4波长相位差膜(QuarterWaveRetarder)=左旋或右旋圆偏光片偏光式光分法显示图解圆偏振光的形成3D图像的形成采用交错偏光片的3D液晶电视偏光片眼镜IMAX3D影片？IMAX（即ImageMaximum的缩写)是一种能够放映比传统胶片更大和更高解像度的电影放映系统。画面高亮度、高清晰。

3D是画面立体，同时在银幕上投射出两组独立的影像：一组给左眼看，一组给右眼看。观众戴上特制的3D偏光镜把看到的影像合并。快门式通过提高屏幕刷新率把图像按帧一分为二，形成左右眼连续交错显示的两组画面，通过快门式3D眼镜的配合，使得这两组画面分别进入左右双眼，最终在大脑中合成3D立体图像。（时分法）快门式主动式LCD快门眼镜，交替左眼和右眼看到的图象以至于你的大脑将两幅图像融合成一体来实现，从而产生了单幅图像的3D深度感。快门式3D眼镜HMD头盔式显示器快门式快门式显示效果图显示器效果眼镜效果视差屏障式显示器同时播放左、右眼影像像素交叉，再由显示器表面贴附具栅栏结构的屏障片(Barrier)限制光的行进路线，观赏者于左、右眼影像画素光线集中之设定区域达到立体视觉感受。视差屏障式合成图视差屏障式光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显示模式下，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，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。通过光线遮挡的方式来产生视差从而实现立体效果优点：与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势

缺点：画面亮度低，分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低视差屏障式显示终端型号SY3DAP473D技术狭缝光栅式高亮屏裸眼多视点显示技术最佳观看距离4—6米3D视图8/9自然分辨率全高清（1920×1080RGB-Pixel）自然亮度700cd/m²（3D图像：视差屏障式显示器柱状透镜式在显示器前面板镶上一块柱透镜板组成裸眼立体显示的光学系统，像素的光线通过柱透镜的折射，把视差图像投射到人的左、右眼，经视觉中枢的立体融合获得立体感。柱透镜板由细长的半圆柱透镜紧密排列构成。左右眼视图分别位于奇列和偶列像素上，形成视图分区。柱透镜阵列技术运用折射原理,采用透镜阵列技术产生立体效果透镜阵列显示器及其合成原理优点：3D技术显示效果更好，亮度不受到影响

缺点：相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容。为透镜投影显示器指向光源式指向光源（DirectionalBacklight）3D技术是在LCD的像素层后使用一系列并排的线状光源给像素列提供背光照明，线光源宽度极小并与液晶屏的列像素平行。密集的线光源照明使奇、偶列像素的图像传输路径分离，使左、右眼看到对应的画面。优点：分辨率、透光率方面能保证，不会影响既有的设计架构，3D显示效果出色。

缺点：技术尚在开发，产品不成熟。3M公司的指向光源显示屏

全息全息：（Holography）特指一种可以让从物体发射的衍射光能够被重现的3维技术，其位置和大小同之前一模一样。从不同的位置观测此物体，其显示的像也会变化。

一种最基本的全息显示图像。记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后形成物光波；同时引入另一束参考光波（平面光波或球面光波）照射记录干板。对记录干板曝光后便可获得干涉图形，即全息显示图像。再现时，利用与参考光波相同的光波照射记录干板，人眼在透射光中观看全息板，便可在板后原物处观看到与原物完全相同的再现虚像。

透射式全息显示图像将物体置于全息板的右侧，相干点光源从左方照射全息板。将直接照射至全息板平面上的光作为参考光；而将透过全息板（未经处理过的全息板是透明的）的光射向物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，两束光干涉后便形成全息显示图像。由于记录时物光与参考光分别从全息板两侧入射，故全息板上的干涉条纹层大致与全息板平面平行。再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板中的各条纹层宛如镜面一样对再现光产生出反射，在反射光中观看全息板便可在原物处观看到再现的图像。

反射式全息显示图像反射式原理图

全像式（E-Holography）主要是麻省理工学院所发展的，是利用红、蓝、绿三色雷射光源，各自经过声光调变器晶体(AcousticOpticalModulator,AOM)，产生相位型光栅，带着光栅讯息的雷射光经过全像片合并之后，利用垂直扫描镜(VerticalScanningmirror)及多面镜(Polygonalmirror)，进行垂直及水平的扫描，进而将立体影像呈现出来，其优点为全像片的取得容易且技术成熟，然而，影像大小常受限于声光调变器晶体的大小，且多面镜的扫描速度必须与三色雷射光源在晶体传播速度同步。全像式全像式原理结构图上图是一对从车的左右侧面采取的图像。全像式成像图片德州仪器(TexasInstrument,TI)提出体积式显示器。主要是利用一个快速旋转的圆盘，配合由底下投影的雷射光源，由雷射光源投射到快速旋转的旋转面时，会产生散射的效应，以扫描空间中的每一点。

体显示技术体积式原理图基于运动扫描的体三维显示螺旋面片上的像素运动情况即等价于像素沿轴向在两个相距360/N的水平面间作竖直移动，因此体素大小可以近似均等基于运动扫描的体三维显示基于LED阵列平板旋转的三维显示优点：结构简单缺点：清晰度受限；平板旋转屏三维体素的空间分布不均匀，

基于运动扫描的体三维显示Felix3D系统

基于螺旋屏加激光扫描优点：不需要复杂的转向光学部件缺点：激光扫描器的速度有限，显示容量受限基于运动扫描的体三维显示Perspecta3D系统

采用柱面轴心旋转外加空间投影的结构优点：旋转结构简单，能显示近10亿个体象素缺点：为了解决平面屏带来的体素重叠死区，引入了复杂精密的光学中继转向器件，增加了系统的制备难度和生产成本。

体显示技术静态层叠式体三维显示DepthCube3D系统

利用DLP投影，在层叠胆甾液晶屏幕上显像优点：避免了运动扫描方式固有的亮度和旋转问题缺点：观看角度受限，成本较高。体积式显示器各方法的优劣色分法：

实现3维简易，对视场和景深无严格的限制。但易引起眼部的疲劳。光分法：

宽视域、大景深，成像质量优异，但头部倾斜是无法过滤掉另一方向的光。时分法：

丞相优异，但眼镜由液晶构成成本较高。视察挡板法：无需其他辅助设备，能2D\3D切换，但有效像素低，光源被遮挡，亮度低。透镜阵列法：画面明亮，观看简便，但对屏面与柱状透镜的配准位置要求较高，图像的清晰度亦受到柱状透镜屏密度的限制。指向光源法：易实现大屏幕，机构简单，可2