楊光磊，井長龍，裴治棋，張應(yīng)松，宋志剛，馮奇斌

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室，

特種顯示技術(shù)國家工程實驗室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

立體顯示技術(shù)分為體視顯示技術(shù)與真三維顯示技術(shù)兩種［1］。體視顯示技術(shù)利用人眼的雙目視差原理，通過輔助設(shè)備讓雙眼接收到同一場景不同視角的圖像，再經(jīng)過高級視覺中樞處理后，產(chǎn)生偽三維立體視覺。這種顯示方式會導(dǎo)致視覺疲勞，而且對于大景深的圖像會出現(xiàn)左右眼圖像分離，形成視覺重影。真三維立體顯示技術(shù)將圖像的每一個三維像素點顯示到三維物理空間的真實位置，并且每個三維像素點的亮度和色度可以調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生真正的三維立體圖像［2－3］。真三維立體顯示技術(shù)中目前比較成熟的是體三維顯示技術(shù)，可以分為旋轉(zhuǎn)掃描式和固態(tài)體積式兩種。

合肥工業(yè)大學(xué)2010年開發(fā)的第一代固態(tài)體積式真三維立體顯示器［4］采用超高壓汞燈（Ultra High Pressure Mercury Lamp，UHP）作為光源，利用色輪分色，配置單片數(shù)字微鏡器件（Digital Micro－mirror Device，DMD）進行光調(diào)制。由于采用單一白光源且液晶光閥對不同波長的光透過率不同，造成顯示白場不平衡；使用色輪，出現(xiàn)能量利用率低、色域窄的問題；單片DMD 采用時分復(fù)用方式進行光調(diào)制，限制了顯示頻率。

基于此，合工大開發(fā)了第二代固態(tài)體積式真三維立體顯示器，采用紅綠藍(lán)白光4個LED 代替UHP 作為光源，利用分色棱鏡代替了色輪進行分色，配置3片高速DMD，成功地解決了第一代顯示器中出現(xiàn)的問題。

2 固態(tài)體積式真三維立體顯示系統(tǒng)

固態(tài)體積式真三維立體顯示器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示，主要包括光源、方棒積分器、中繼系統(tǒng)全反射（Total Internal Reflection，TIR）棱鏡、分色棱鏡、DMD、投影鏡頭、折疊光路和顯示體等組成部分。

圖1 顯示器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram

光 源 選 取 了 紅 綠 藍(lán) 白（Red Green Blue White，RGBW）4 個顏色LED。紅綠藍(lán)LED 經(jīng)X 棱鏡合色垂直入射方棒，單獨控制紅綠藍(lán)LED的驅(qū)動電流，可以調(diào)節(jié)合成白光的色溫，從而解決白場不平衡問題；白光LED 傾斜約8°入射，光效接近垂直入射，有利于提高顯示亮度［5－6］。

方棒對入射的光進行內(nèi)部全反射，將圓形入射光斑轉(zhuǎn)換為均勻的矩形［7］。矩形光斑長寬比與DMD 的相同，提高了照明均勻性和系統(tǒng)光能利用率。

中繼系統(tǒng)用于銜接照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)，將方棒出射端面成像在DMD 上。分色棱鏡位于中繼系統(tǒng)和DMD 之間，將白色照明光分成紅綠藍(lán)單色光分別照射到3 片DMD 上。DMD 對入射光進行調(diào)制，反射紅綠藍(lán)單色成像光，經(jīng)過棱鏡合色產(chǎn)生彩色圖像，再由投影鏡頭出射。TIR 棱鏡主要用來分離入射照明光與出射成像光。

折疊光路由4塊高反鏡組成，每塊高反鏡的反射率達到95%。顯示體由20 層19in（1in＝2.54cm）液晶光閥層疊而成，每層光閥可單獨通過加電和撤電在透明態(tài)和散射態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換。20層液晶光閥順序切換成散射態(tài)依次成像，利用人眼的視覺暫留特性，實現(xiàn)真實三維物理空間的立體投影顯示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 液晶光閥

固態(tài)體積式真三維立體顯示器的顯示體是由20 層 聚 合 物 穩(wěn) 定 膽 甾 相（Polymer Stabilized Cholesteric Texture，PSCT）液晶光閥組成，它是將膽甾相液晶和液晶性單體（一般＜10%）的混合材料注入到?jīng)]有取向?qū)拥囊壕Ш兄校谕饧与妶鍪挂壕Х肿哟怪迸帕械臈l件下用紫外光誘導(dǎo)單體聚合形成的復(fù)合材料［8］。

PSCT 液晶光閥在加電壓和不加電壓時會分別呈現(xiàn)出透射態(tài)和散射態(tài)，如圖2所示（網(wǎng)狀曲線代表聚合物，棒狀直線代表液晶分子）。加電壓時，液晶分子垂直于基板排列，此時液晶層是一個均勻光學(xué)介質(zhì)，光能透過率很高，入射光直接透射，光閥上不會成像；不加電壓時，液晶分子呈多疇的焦錐態(tài)，此時液晶層是一個非均勻光學(xué)介質(zhì)，光能透過率較低，入射光線經(jīng)過液晶分子散射，光閥上會成像。PSCT 液晶光閥通過電路控制加電和撤電，可以實現(xiàn)在兩種狀態(tài)間快速切換，并且能在0.8ms內(nèi)完成一次透明態(tài)－散射態(tài)－透明態(tài)的轉(zhuǎn)換，滿足60Hz以上的刷新率，顯示畫面穩(wěn)定無閃爍。

圖2 液晶光閥狀態(tài)Fig.2 Liquid crystal shutter state

3.2 光源設(shè)計

19in、4∶3的液晶光閥顯示面積為0.11m2，對于0.5m 的觀看距離、120cd／m2的屏前亮度要求，由光通量（Φ）＝光亮度（L）×顯示面積（S）×立體角，立體角≈面積（S）／距離（R）的平方，即Φ＝L×（S×S／R2），估算屏前光通量Φ1＝120×0.11×0.11／0.52＝5.8lm。采用液晶綜合參數(shù)測試儀測試了液晶光閥的性能，結(jié)果如圖3所示，液晶光閥的散射態(tài)透過率為10%，透射態(tài)透過率為86%，因此可以計算顯示體的光能透過率η1＝（86%）19×10%＝0.57%。4塊高反鏡組成的折疊光路光效η2＝（95%）4＝81%，計算投影鏡頭的輸出光通量Φ2＝5.8lm／（0.57%×81%）＝12 56 lm。假設(shè)光機的光效為30%，光源的光通量就需要達到4 187lm。

圖3 液晶光閥性能曲線Fig.3 Electro－optic property of LC shutter

對于R∶G∶B＝3∶6∶1的配比，估算需要紅光1 257lm、綠光2 513lm、藍(lán)光419lm?？紤]到液晶光閥對RGB三原色透過率不同，采用紅綠藍(lán)單色LED 進行補色；為了提高顯示亮度，增加白光LED，本文選用的4 個高亮度的RGBW LED 參數(shù)如表1所示。

表1 LED參數(shù)Tab.1 LEDs specifications

圖4 準(zhǔn)直透鏡Fig.4 Collimating lens

圖5 準(zhǔn)直效果Fig.5 Collimation result

圖6 光源仿真Fig.6 Light source simulation

3.3 電路模塊

電路系統(tǒng)主要包括1 塊視頻解碼電路板、3塊DMD 主控電路板、1塊驅(qū)動控制電路板、4 塊LED 驅(qū)動電路板和4塊液晶光閥驅(qū)動電路板，如圖7所示。視頻解碼板通過DVI接口與計算機連接，當(dāng)計算機輸出一幅彩色圖像時，視頻解碼板會提取出這幅圖像RGB 顏色信號。DMD 主控板接收RGB顏色信號并提取出每種顏色的深度信號，將圖像依據(jù)深度信息分割成20個切片順序送到DMD 中。驅(qū)動控制板接收主控板的深度信號，通過LED 驅(qū)動板控制RGBW LED 的亮暗，通過光閥驅(qū)動板控制顯示體中液晶光閥的加電和撤電。協(xié)調(diào)LED、DMD 和顯示體的控制，將一幅圖像的20個深度信息切片快速順序投影到對應(yīng)深度的20層液晶光閥上，利用人眼的視覺暫留，實現(xiàn)真三維立體顯示。

圖7 電路系統(tǒng)框圖Fig.7 Circuit systems

4 樣機測試

根據(jù)設(shè)計，制作了固態(tài)體積式真三維立體顯示器樣機，如圖8所示。

圖8 固態(tài)體積式真三維立體顯示器系統(tǒng)及顯示效果Fig.8 Prototype of solid－state volumetric true 3Ddisplay

采用TES 1332A 照度計測量投影鏡頭出射的ANSI流明，測得60in白場的9點照度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 照度測試數(shù)據(jù)Tab.2 Illumination test data

由表2得到9點平均照度為1 251lx，已知60in白場面積為1.1m2，計算得到投影鏡頭出射光通量為1 376lm，高于理論值1 256lm。

使用法國ELDIM 公司的Umaster面成像儀測試了顯示亮度和色度，測試結(jié)果分別如圖9和圖10所示，平均顯示亮度為123cd／m2，色三角面積 為0.123 8，達 到78.43% 的NTSC 標(biāo) 準(zhǔn)色域。

分析測試結(jié)果：影響顯示亮度的因素主要是顯示體和顯示方式。顯示體透光率較低，20層液晶光閥順序掃描的特殊顯示方式光能損失較多。影響顯示色域的主要因素是分色棱鏡，由于沒有將綠光與藍(lán)光較好地分離，導(dǎo)致綠色和藍(lán)色之間混合部分的色彩表現(xiàn)能力較差。

圖9 顯示亮度測試Fig.9 Display brightness test

圖10 顯示色域測試Fig.10 Color gamut test

5 結(jié) 論

和第一代固態(tài)體積式真三維立體顯示器相比，合肥工業(yè)大學(xué)開發(fā)的第二代顯示器采用RGBW 四色LED 作為投影光源，擴展了顯示色域；通過控制紅綠藍(lán)三色LED 的驅(qū)動電流，可以調(diào)節(jié)合成白光的RGB配比，進而調(diào)節(jié)輸出白場色溫，解決了白場不平衡問題；配置三片高速DMD，利用棱鏡分色合色，再配合納秒級響應(yīng)速度的LED能夠滿足60Hz的刷新頻率，顯示圖像無人眼感知的閃爍；設(shè)計了準(zhǔn)直透鏡對LED 發(fā)出光線進行收集，提高了能量利用率。實際測試結(jié)果表明顯示器的顯示亮度達到123cd／m2，色彩飽和度達到78.43%NTSC色域。

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