張冰清，王元慶，薛亞蘭，曹利群，周必業(yè)，李鳴皋*

（1.南京大學電子科學與工程學院，南京 210046；2.中國人民解放軍海軍總醫(yī)院，北京 100088）

近年來無論是內(nèi)容業(yè)者，媒介業(yè)者，游戲業(yè)者還是終端顯示業(yè)者競相投入3D顯示技術(shù)的研發(fā)，3D立體顯示技術(shù)已經(jīng)成為下一代顯示器的主流研發(fā)項目之一［1］。如今的立體電影在各大影院已經(jīng)相當普及，不足之處是觀看者必須佩戴如眼鏡等輔助設備，無輔助的自由立體顯示才是人們追求的目標。目前的自由立體顯示方式主要有以下3種：視差立體、體立體與全息立體。視差立體主要基于立體影像（Stereopsis）原理，使觀看者的左右眼分別且只能看到對應立體圖像對的左右圖像［2］。在顯示背光方面，如何使觀看者看到高分辨率的立體圖像就成了十分重要的研究問題，同時要保證整體屏幕的亮度并有效地利用光源。目前，國內(nèi)外大部分研究者都通過導光板實現(xiàn)側(cè)背光來達到目的［3-4］，并在導光板上增加絲網(wǎng)印刷或者刻畫凹槽的辦法來改變其全反射結(jié)構(gòu)，從而改善出光均勻性［5］，但是我們希望盡可能地利用光能，因此如何盡量全部利用光源、避免漏光就成了一項十分重要的研究課題。

1 系統(tǒng)原理介紹

為了較好地利用光源并盡量減少光損失，我們設計了如圖1所示的光路結(jié)構(gòu)：整體系統(tǒng)由棱柱鏡、平行導光板、三角棱鏡、平面反射鏡、菲涅爾透鏡與增亮膜BEF組成（Brightness Enhancement Film）。核心原理是利用菲涅爾透鏡與增亮膜形成指向性出瞳，同時，為了適應多用戶以及用戶可移動觀看，本裝置還包含人眼跟蹤模塊，人眼跟蹤模塊檢測觀看者的移動和觀看者數(shù)目，將此信息以30幀/s的速度近實時地傳遞給背光控制模塊［6］，背光控制模塊隨后做出相應處理，從而形成多個獨立的立體視域窗口。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

此外，采用分時原理而又不讓用戶觀看時產(chǎn)生閃爍感，LCD刷新頻率不應低于100 Hz，本裝置使用的是明基23寸LCD屏，分辨率為1 920×1 080@120 Hz。

2 各光學元件原理

2.1 棱柱鏡

棱柱鏡的功能是將有一定發(fā)散角的光源進行角度壓縮，從而形成近平行光入射進導光板，減少光損失。

2.2 導光板與三角棱鏡

導光板與三角棱鏡則利用光的全反射作用，減小了光能量損失，既起到了將光線在其中多次折轉(zhuǎn)的目的，也增加了為菲涅爾透鏡成像的光程，使得出瞳質(zhì)量顯著提升。

2.3 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡PMMA材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。本項目中主要是用來匯聚光線，配合指向性光源，能將光線匯聚到指定位置，滿足公式

其中，u為物距，v為像距，f為菲涅爾透鏡的等效焦距。

圖2 菲涅爾透鏡橫截面

圖3 菲涅爾透鏡成像原理

2.4 掠入射結(jié)構(gòu)

掠入射結(jié)構(gòu)由平面反射鏡、導光板與一層光學膜組成。如圖4所示，光線經(jīng)由平面反射鏡入射進平行導光板，一部分光通過膜中的微結(jié)構(gòu)后向上射出，剩下一部分光線通過后部的光路結(jié)構(gòu)經(jīng)過表明的膜發(fā)生反射從而被再次利用，同樣經(jīng)過全反射后向上射出，從而達到了增亮的效果。

圖4 掠入射示意圖

這是此背光系統(tǒng)的一大創(chuàng)新點，既巧妙地改變了光線的傳輸方向，又利用光學原理提高了光線利用率。

3 LED背光控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用LED陣列作為顯示光源，此光源有兩個作用：（1）確定LED陣列的點亮位置；（2）控制點亮的時序，使之與屏幕亮滅時序一致。該系統(tǒng)采用AVR Atmega128作為控制處理器，其具體實現(xiàn)方法為：單片機通過RS232串口，從人眼跟蹤模塊獲得觀看者眼睛位置信息及觀看者數(shù)目，以此確定應該點亮的LED陣列的位置；同時通過外部中斷，模擬合成幀頻信號以控制對應LED陣列的亮滅，進而實現(xiàn)分時顯示［6-7，9］。

LED發(fā)光陣列由一排水平排列的高亮度、小尺寸LED以及驅(qū)動電路組成，采用共陽極接法，通過控制陰極的高低電平實現(xiàn)LED的亮滅，從而實現(xiàn)了光源的單獨控制，具有尋址性［8］。

圖5所示為LED電路驅(qū)動板與燈板實物圖，驅(qū)動板采用串行輸入，并行輸出恒流形式，燈板采用鋁基板，目的是為了更好地散熱。

圖5 LED燈板與驅(qū)動板

3.1 同步信號與LED發(fā)光延時

為了達到同步點亮的目的，需要獲取顯卡每一對左右圖像的幀同步信號，中斷到來時刻，進入點亮控制環(huán)節(jié)。圖6為提取的120 Hz的幀同步信號，高電平有效，此信號作為單片機的外部中斷來源，單片機的中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，并配合適當?shù)狞c亮延時，就可以實現(xiàn)LED點亮與屏幕時序的吻合［9-10］。

由于采用了120 Hz的刷新頻率的顯示器，所以我們用光電二極管直接測量屏幕的亮滅波形，并通過示波器顯示。圖7中占空比窄的部分為高電平，說明屏幕被點亮，占空比寬的部分為低電平，說明屏幕為暗，由于示波器的余暉作用，導致圖7中所示結(jié)果。

圖6 測得屏幕的點亮時序

圖7 單片機中斷與LED時序

4 仿真及實驗結(jié)果

在上文中，我們通過理論分析驗證了原理的可行性，下面通過Zemax仿真軟件加以驗證。

4.1 菲涅爾透鏡成像

菲涅爾透鏡可以將入射光進行壓縮，并在適當?shù)奈恢眯纬沙鐾抡娼Y(jié)果如圖8所示。

圖8 菲涅爾透鏡成像仿真結(jié)果

4.2 掠入射

如圖9所示，左側(cè)入射光和從右側(cè)反射的光線通過BEF全反射后向上射出，圖10所示為后部反射鏡反射部分入射光的效果。

圖9 掠入射仿真結(jié)果

圖10 掠入射后部仿真結(jié)果

最終，通過背光控制，可以實現(xiàn)在整個屏幕上得到出光效果，Zemax仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 整體仿真光效

4.3 出瞳特性

為了得到滿足寬度的出瞳，需要配合LED的點亮時序與LED點亮的數(shù)量。根據(jù)菲涅爾透鏡成像規(guī)律，物寬L與像寬l的關系滿足

經(jīng)過棱柱鏡，導光板與菲涅爾透鏡的光束整形，最終在某一距離的到了如圖12所示的出瞳效果。圖12顯示的是在1 m出的出瞳，測得出瞳寬度為20.5 mm，兩個出瞳的中心距離為64.7 mm，滿足人眼的觀看需求，不會使得一只眼睛看到另一只眼睛的圖像。

圖12 出瞳效果

5 結(jié)束語

自由立體顯示技術(shù)已經(jīng)成為世界上研究的熱點課題，本文闡述了基于菲涅爾透鏡與BEF的背光顯示系統(tǒng)，通過理論分析與實際仿真，得到了良好的背光效果。

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張冰清（1990-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士生，研究方向為自由立體顯示，932546707@qq.com；

王元慶（1963-），男，漢族，博導，教授，研究方向為立體圖像顯示、立體圖像獲取、現(xiàn)代數(shù)字圖像處理、無侵擾人機交互，yqwang@nju.edu.cn。