張應(yīng)松，梁監(jiān)天，韓 東，劉志民，方 勇，呂國強(qiáng)＊

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；4.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，3D時(shí)代已經(jīng)來臨。電影院3D電影隨處可見，給人們的視覺帶來極大的沖擊和享受；多數(shù)機(jī)場也已出現(xiàn)了裸眼立體顯示器；3D顯示技術(shù)的發(fā)展是顯示技術(shù)上的一次偉大變革。然而目前出現(xiàn)的3D顯示技術(shù)或多或少都有一定的缺陷，比如在電影院觀看3D電影需要佩戴專用眼鏡，而且部分觀眾對該種電影會產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象；裸眼3D［1－2］雖然無需佩戴眼鏡，但是一般只能在固定的位置才能觀看，而且長久觀看會產(chǎn)生視覺疲勞。固態(tài)體積式真三維立體顯示器是一種在三維空間真實(shí)成像的顯示器，觀看時(shí)無需佩戴眼鏡，也不會導(dǎo)致視覺疲勞。

固態(tài)體積式真三維立體顯示器工程樣機(jī)顯示體由20層48cm（19in）液晶光閥（liquid crystal light valve）組成。在液晶光閥兩端加高于閾值的電壓時(shí)液晶光閥處于透明狀態(tài)，允許光以高透過率透過；當(dāng)兩端無壓差時(shí)液晶光閥處于成像態(tài)，此時(shí)圖像在光閥上散射，觀察者可以看到圖像［3］。對液晶光閥而言，隨著尺寸的增大，其等效電阻和等效電容隨之增大，充放電時(shí)間延長，液晶光閥的透明態(tài)與成像態(tài)的切換速度隨之下降。為了滿足快速成像的需求，要求驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻低，能承受瞬間大電流且安全可靠。為了延長液晶光閥的使用壽命，還必須能對液晶光閥進(jìn)行正反向充電，目前業(yè)內(nèi)尚無這種驅(qū)動(dòng)［4－5］。工程樣機(jī)研制成功后，發(fā)現(xiàn)顯示體存在閃爍現(xiàn)象。本文的驅(qū)動(dòng)電路很好地實(shí)現(xiàn)了顯示器顯示體的驅(qū)動(dòng)，為以后更大尺寸的液晶光閥驅(qū)動(dòng)提供了硬件支持；本文還通過對閃爍現(xiàn)象的研究，在不改變硬件的基礎(chǔ)上提出了一種新的驅(qū)動(dòng)方法，消除了閃爍現(xiàn)象。

2 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固態(tài)體積式真三維立體顯示器顯示體驅(qū)動(dòng)電路是由光閥驅(qū)動(dòng)控制模塊和光閥驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)控制模塊的核心是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），該模塊為光閥驅(qū)動(dòng)控制和溫控所共有，與光閥驅(qū)動(dòng)模塊通過柔性扁平電纜（FFC）相連。光閥驅(qū)動(dòng)模塊是由20個(gè)相同的子模塊并聯(lián)而成，每個(gè)小模塊可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一層液晶光閥。

2.1 液晶光閥驅(qū)動(dòng)控制模塊

驅(qū)動(dòng)控制模塊的核心是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），本系統(tǒng)選用的型號為ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，它有2 910個(gè)LE邏輯資源，104個(gè)PIN腳，13條 M4KRAM（共6.5KB）和一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）。該型號FPGA價(jià)格低廉、使用方便，完全能滿足需求。

2.2 液晶光閥驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊由20個(gè)子模塊構(gòu)成，每個(gè)子模塊有兩個(gè)光電耦合器、兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)與非門和4個(gè)N型金屬－氧化物－半導(dǎo)體（NMOS）組成，如圖1所示。

光電耦合器簡稱光耦，以光為媒介傳遞電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。本系統(tǒng)光閥驅(qū)動(dòng)控制模塊屬于數(shù)字電路模塊，耐壓比較低且易受干擾，而后端液晶光閥驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電壓為100V，屬于高壓范疇，在兩者之間加光耦可以避免后端高壓電路對前端數(shù)字電路造成破壞。

半橋驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)半橋（H橋）臂上上下兩個(gè)MOS管，本系統(tǒng)使用的半橋驅(qū)動(dòng)器為IR2104，它具有承受電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。如圖2所示，半橋驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，輸入輸出時(shí)序圖如圖3所示，可見只有為高時(shí)HO和LO輸出才與IN有關(guān)：HO與IN相同，LO與IN反相。

圖1 單層液晶光閥驅(qū)動(dòng)流程圖Fig.1 Flow chart of driving one piece of liquid crystal light valve

圖2 半橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Circuit of half－bridge driver

圖3 IR2104時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of IR2104

本系統(tǒng)采用2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一塊液晶光閥，如圖4所示，該電路可以實(shí)現(xiàn)液晶光閥的正反向充電。工作過程如下：圖（a）所示為液晶光閥正向充電過程，此時(shí)Q1和Q4閉合，Q2和Q3打開；圖（b）所示為液晶光閥正向放電過程，此時(shí)Q1由閉合變打開，同時(shí)Q2由打開變閉合，液晶光閥兩端接地，對地放電；圖（c）所示為光閥反向充電過程，此時(shí)Q2和Q3閉合，Q1和Q4打開；圖（d）所示為光閥反向放電過程，此時(shí)Q3由閉合變打開，同時(shí)Q4由打開變閉合，液晶光閥兩端接地，對地放電。

圖4 液晶光閥正反向充電示意圖Fig.4 Forward and reverse charge schematic of liquid crystal light valve

與非門的作用是為了防止Q1、Q3同時(shí)打開對液晶光閥造成損壞，通過對IN1和IN2信號進(jìn)行與非操作，并將結(jié)果輸出給；當(dāng)IN1和IN2都為高時(shí)兩端為低，Q1－Q4全部打開，使電路更加的安全可靠。

通過上述的分析可知單個(gè)小模塊即可實(shí)現(xiàn)對單塊液晶光閥進(jìn)行正反向充放電操作，驅(qū)動(dòng)控制板由20個(gè)該種小模塊組成，理論上可以實(shí)現(xiàn)顯示體的驅(qū)動(dòng)，然而該種情況下驅(qū)動(dòng)控制板在上電瞬間易損毀。經(jīng)過分析，20個(gè)子模塊共用一個(gè)高壓和地，本質(zhì)上是20個(gè)H橋并聯(lián)。MOS管雖然響應(yīng)速度快、通過電流大，但是柵極和源級之間壓差不能過大；MOS管在高速開關(guān)狀態(tài)時(shí)柵極會產(chǎn)生振蕩，對20個(gè)H橋并聯(lián)在一起的電路，柵極振蕩疊加，當(dāng)振蕩電壓超過柵極－源級極限電壓時(shí)，MOS管被擊穿，DS兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致電源和地之間短路而損毀。驅(qū)動(dòng)控制模塊在上電瞬間會產(chǎn)生5kHz的干擾波，所以在上電瞬間光閥驅(qū)動(dòng)板易損毀。

針對上述分析，提出以下措施：減少單塊電路板并聯(lián)H橋的數(shù)目，在每個(gè)MOS管柵極加吸收電阻，并在MOS管GS兩端加穩(wěn)壓二極管。柵極吸收電阻的選擇根據(jù)實(shí)際情況來定，一般為幾歐到幾十歐之間，若選擇的阻值過大，會導(dǎo)致MOS管響應(yīng)速度變慢，達(dá)不到系統(tǒng)要求，若過小，則不能起到濾除柵極振蕩的作用。

3 驅(qū)動(dòng)方法研究

驅(qū)動(dòng)控制板接收到的同步信號是頻率為60 Hz、高電平為70ns的脈沖信號，由固態(tài)體積式真三維立體顯示器成像原理可知，當(dāng)檢測到同步信號下降沿時(shí)即開始依次掃描1～20層液晶光閥，在下一個(gè)高電平到來之前完成一個(gè)周期的掃描；在下一個(gè)掃描周期內(nèi)液晶光閥的充電方式與前一周期相反。對于某一層屏而言，散射態(tài)和透明態(tài)切換的頻率為60Hz，散射態(tài)占整個(gè)周期的5%；若考慮正向充電和反向充電，則驅(qū)動(dòng)波形即為30 Hz，圖5給出的是前兩層液晶光閥驅(qū)動(dòng)波形。圖中State是正反向充電標(biāo)志位，00表示散射態(tài)，01表示正向充電，10表示反向充電，閃射態(tài)的時(shí)間為0.83ms，整個(gè)大周期的時(shí)間為33.3ms。

圖5 第一層液晶光閥驅(qū)動(dòng)控制信號Fig.5 Drive signal of first piece of liquid crystal light valve

20層液晶光閥按上述方式依次掃描，配合前端的成像系統(tǒng)，即可在顯示體上顯示立體圖像。

按上述掃描方式進(jìn)行掃描雖然可以顯示立體圖像，但是卻有很強(qiáng)的閃爍感。經(jīng)過分析，閃爍主要由兩方面因素導(dǎo)致，一是環(huán)境光干擾，二是60 Hz固有閃爍疊加。

固態(tài)體積式真三維立體顯示器由于結(jié)構(gòu)上限制，液晶光閥與環(huán)境光不能完全隔離。環(huán)境光的主要成分是室內(nèi)照明燈光，由于中國的民用交流電頻率為50Hz，所以一般的室內(nèi)照明燈光頻率為100Hz正弦波，如圖波形a所示。單層液晶光閥切換頻率為60Hz，散射態(tài)占空比為5%，如圖6波形b所示。當(dāng)液晶光閥處于散射態(tài)時(shí)，環(huán)境光照射在液晶光閥上散射，人眼接收到的散射光波形如圖7所示。由圖7可知：散射光頻率雖然為60Hz，但是散射光亮度在變化，所以人眼會感覺到明顯的閃爍感。

圖6 環(huán)境光波形和單層液晶光閥閃射態(tài)波形Fig.6 Waveform of ambient light and liquid crystal light valve

圖7 人眼合成頻率Fig.7 Synthesized frequency by human eye

另一個(gè)導(dǎo)致閃爍的原因就是60Hz本身存在閃爍問題。人眼的光感受器對間斷光刺激的反應(yīng)決定于刺激的間歇頻率，當(dāng)閃爍的頻率增至某一值時(shí)，閃爍感消失，人眼感受到固定的連續(xù)的光，此時(shí)的閃光頻率叫做臨界閃爍頻率（CFF）。CFF受很多因素的限制，如閃光的亮度、光斑的大小、觀察的角度、環(huán)境光等。J.E.Farrell基于陰極射線管顯示提出CFF計(jì)算公式［6］：

其中：m、n為常數(shù)，由顯示器尺寸決定。

其中：LT：顯示器輸出光平均亮度；LR：環(huán)境光平均亮度；d：瞳孔直徑。

式（6）對應(yīng)的為熒光粉余輝指數(shù)變化e1／α的時(shí)間常數(shù)。對于液晶顯示屏，上式不再適用，對其進(jìn)行修正［7］：

對于本系統(tǒng)而言：LT：60cd／m2，LR：20 cd／m2。

經(jīng)過計(jì)算，對于單層液晶光閥，CFF為67.6 Hz，即只有光閥驅(qū)動(dòng)頻率超過67.6Hz才不會感覺到閃爍。而顯示體由20層液晶光閥組成，閃爍感會疊加。

針對閃爍現(xiàn)象，在原來驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的驅(qū)動(dòng)方法。以第一層液晶光閥為例，如圖8所示，在原來透明態(tài)的基礎(chǔ)上增加4個(gè)0.1 ms散射態(tài)，同時(shí)充放電方式變換4次，則既可以解決60Hz低于臨界閃爍頻率導(dǎo)致的本身閃爍問題，又可消除環(huán)境光帶來的影響，因?yàn)樵摲N變換之后液晶光閥驅(qū)動(dòng)頻率為300Hz，與日光燈的100 Hz是相匹配的，合成波形如圖9所示，雖然散射光亮度依然在變化，但是散射光頻率為300Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閃爍閾值，所以人眼感覺不到閃爍。由于0.1ms成像時(shí)間與正常0.83ms成像時(shí)間相比而言較為短暫，由于人眼的視覺特性，對立體顯示效果不會產(chǎn)生影響。

圖8 改進(jìn)后第一層液晶光閥驅(qū)動(dòng)控制信號Fig.8 Improved drive signal of first piece of liquid crystal light valve

圖9 改進(jìn)后人眼合成頻率Fig.9 Synthesized frequency by human eye after improved

固態(tài)體積式真三維立體顯示器工程樣機(jī)實(shí)際效果圖如圖10所示，圖中的圖像具有很強(qiáng)的立體感，無閃爍現(xiàn)象。

圖10 顯示3D效果圖Fig.10 3Dimage displayed

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種大尺寸液晶光閥驅(qū)動(dòng)電路，該種驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、可以實(shí)現(xiàn)雙極性驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定性高。基于上述驅(qū)動(dòng)電路，在消除柵極振蕩的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了固態(tài)體積式真三維立體顯示器顯示體驅(qū)動(dòng)電路，通過更改顯示體驅(qū)動(dòng)方法，消除了閃爍現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前固態(tài)體積式真三維立體顯示器工程樣機(jī)顯示體的設(shè)計(jì)要求，并為下一代更大尺寸真三維立體顯示器的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

［1］ 文江濤，胡耀輝，呂國強(qiáng)，等.光柵式立體顯示器重影問題的研究［J］.液晶與顯示，2007，22（3）：310－314.Wen J T，Hu Y H，Lv G Q，et al.Naked 3Ddisplay system with wide viewing angle based on head－tracking technology［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2007，22（3）：310－314.（in Chinese）

［2］ 陳瑞改，陶宇虹，謝佳，等.基于頭部追蹤的寬視角裸眼3D顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2013，28（2）：233－237.Chen R G，Tao Y H，Xie J，et al.Naked 3Ddisplay system with wide viewing angle based on head－tracking technology［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（2）：233－237.（in Chinese）

［3］ 張興，鄭成武，李寧，等.液晶材料與3D顯示［J］.液晶與顯示，2012，27（4）：448－455.Zhang X，Zheng C W，Li N，et al.Liquid crystal materials and 3Ddisplay［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（4）：448－455.（in Chinese）

［4］ 黃澤鍔.小尺寸液晶屏驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究［J］.科學(xué)之友，2013，8（1）：6－7.Huang Z E.Small size LCD drive technology research［J］.Friend of Science Amateurs，2013，8（1）：6－7.（in Chinese）

［5］ 韓少飛，方勇，周仕娥，等.高速液晶光閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代顯示，2010，115（1）：10－12.Han S F，F(xiàn)ang Y，Zhou S E，et al.Design of driver circuit for high－speed liquid crystal light valve［J］.Advanced Display，2010，115（1）：10－12.（in Chinese）

［6］ Farrell J E，Benson B L，Haynie C R.Predicting flicker thresholds for video display terminals［J］.Proceedings of the SID，1987，28（4）：449－453.

［7］ 徐益勤，張宇寧，李曉華.顯示器件大面積閃爍視覺生理基礎(chǔ)與改善方法［J］.電子器件，2008，31（5）：1417－1420.Xu Y Q，Zhang Y N，Li X H.Physiology analysis and reduction method for large area flicker of displays［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2008，31（5）：1417－1420.（in Chinese）