陳 麗，屠 彥，王莉莉

(1．東南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210096;2．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215123

CHEN Li1，2，TU Yan1* ，WANGLili1

(1．School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．Nano Science and Technology Institute，University of Science and Technology of China，Suzhou Jiangsu 215123，China)

作為新一代顯示技術(shù)的重要組成部分，立體顯示技術(shù)已經(jīng)引發(fā)了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和成像原理，立體顯示技術(shù)可以分為:體三維［1］、全息立體顯示［2］和復(fù)合式立體顯示［3－4］。目前，全息顯示和體三維顯示技術(shù)仍處于發(fā)展階段，沒(méi)有大規(guī)模投向市場(chǎng)。而市場(chǎng)上常見的立體顯示器，仍然是復(fù)合式立體顯示，這類技術(shù)主要針對(duì)左右眼之間的距離，分別向雙眼顯示兩幅存在視差的圖像［5］。不同的立體顯示技術(shù)，產(chǎn)生左右眼圖像的方式不同。基于視差柵欄的裸眼立體顯示技術(shù)利用可開關(guān)液晶層作為柵欄，使不同的觀看位置能觀察到構(gòu)成具有一定視差圖像的像素集合［3］。也有利用透鏡對(duì)光線折射角度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)左右眼圖像分離［6］。雖然這兩類技術(shù)可以在裸眼條件下觀察到立體圖形，但是普遍存在觀察位置受限的問(wèn)題。目前，顯示效果較好、不受觀察位置限制的復(fù)合式立體顯示技術(shù)仍然需要佩戴眼鏡，比較常見的有基于偏振片式眼鏡的立體顯示技術(shù)和基于時(shí)序開關(guān)式眼鏡的立體顯示技術(shù)［4］。

基于不同顯示原理的三維顯示器的顯示質(zhì)量差別很大，Wang Lili等人的研究結(jié)果表明不同顯示原理的三維顯示系統(tǒng)在亮度、對(duì)比度等光電特性方面存在顯著差異［7］。顏色特性也是決定顯示器顯示質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，改善顯示系統(tǒng)顏色特性是提高顯示質(zhì)量的重要因素之一。目前已有研究分析了體顯示真三維立體顯示器的色度學(xué)特征，并指出了色輪是影響其顏色特性的最關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［8］。對(duì)于市場(chǎng)上常見的眼鏡式立體顯示器的顏色特性，相關(guān)研究涉及較少。

本文在測(cè)量和分析的基礎(chǔ)上，比較了基于不同顯示原理的眼鏡式立體顯示器顏色特性，及其與傳統(tǒng)二維顯示器顏色特性的差別，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方向。研究結(jié)果對(duì)于改善這類顯示系統(tǒng)性能起到了指導(dǎo)作用。

1 基于液晶開關(guān)眼鏡的立體顯示器顏色特性分析

基于液晶開關(guān)式眼鏡的立體顯示器主要是通過(guò)時(shí)分復(fù)合法，交替在顯示屏上顯示左右眼圖像［4］。通過(guò)紅外信號(hào)發(fā)生器，控制開關(guān)眼鏡以相同頻率交替屏蔽左右眼圖像(圖1)。當(dāng)屏幕上顯示左眼圖像時(shí)，左眼鏡片完全開啟，而右眼的鏡片完全關(guān)閉，此時(shí)左眼只能看到左眼圖，反之亦然。

圖1 基于液晶開關(guān)眼鏡的立體顯示原理

由于眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光的透過(guò)率不同，人眼觀察到的顏色是立體顯示器和眼鏡共同作用的效果。因此，除顯示器本身顏色特性，液晶開關(guān)眼鏡是影響該立體顯示器顏色特性的一個(gè)關(guān)鍵因素。

顏色三刺激值常用的顏色特性表征方式之一，其光譜可由式(1)表示［9］，其中Y是表征亮度信息的參數(shù)，顏色匹配函數(shù)分別為ˉx(λ)，ˉy(λ)，ˉz(λ)，如圖2所示。光譜輻射的能量分布函數(shù)為f(λ)，可由式(2)表示。W(λ)是白場(chǎng)點(diǎn)的光譜輻射的能量分布函數(shù)，T(λ)是眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的透過(guò)率。圖3給出了未佩戴眼鏡時(shí)顯示器的白場(chǎng)光譜輻射能量分布。

圖2 顏色匹配函數(shù)

圖3 顯示器白場(chǎng)光譜輻射的能量分布

圖4給出了液晶開關(guān)眼鏡在顯示器顯示白光時(shí)，在可見光范圍對(duì)不同波長(zhǎng)光的透過(guò)率曲線。

圖4 液晶開關(guān)眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光的透過(guò)率

從圖4中可以看出佩戴眼鏡后，光損失很大，尤其是430 nm到650 nm這一光譜范圍內(nèi)，光通過(guò)率僅為20%左右。眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光的透過(guò)率并不相同，紅光在580 nm到650 nm范圍內(nèi)的透過(guò)率較藍(lán)、綠光低;大于650 nm處，透過(guò)率較高，但不穩(wěn)定。在計(jì)算三刺激值時(shí)，透過(guò)率和白場(chǎng)的光譜輻射能量分布必須結(jié)合起來(lái)考慮，白場(chǎng)的光譜輻射能量?jī)H在460 nm、520 nm和636 nm附近較大，透過(guò)率不穩(wěn)定的部分對(duì)應(yīng)的白場(chǎng)點(diǎn)光譜輻射能量較低，對(duì)結(jié)果影響不大。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到不同情況下的三刺激值。表1給出與未佩戴眼鏡時(shí)相比，佩戴液晶開關(guān)眼鏡后的亮度的損失情況。

表1 顯示不同顏色時(shí)的亮度損失

從表1可以看出，佩戴眼鏡后，亮度損失高達(dá)80%左右，主要因?yàn)橐壕ч_關(guān)眼鏡對(duì)可見光的透過(guò)率較低。液晶開關(guān)式眼鏡的光透過(guò)率還受外加電壓和液晶響應(yīng)時(shí)間的影響。光透過(guò)率和電壓之間的關(guān)系可用圖5(a)表示［10］。電壓低于一定值時(shí)，透光強(qiáng)度不發(fā)生變化;當(dāng)外加電壓增加到一定值，透光強(qiáng)度迅速減小，在到達(dá)一定電壓值后達(dá)到穩(wěn)定。在立體顯示中，液晶開關(guān)眼鏡的透過(guò)率并不是呈階躍性，直接從100跳至0%。在一個(gè)周期內(nèi)，透過(guò)率與時(shí)間之間的關(guān)系如圖5(b)所示。如果響應(yīng)曲線達(dá)到理想階躍性，透過(guò)率將提高22%左右。因此，可以通過(guò)改變電壓和減小響應(yīng)時(shí)間來(lái)改善液晶開關(guān)眼鏡的特性，進(jìn)而改善這種立體顯示系統(tǒng)的顏色特性。另外，由于液晶材料等因素［11］，導(dǎo)致部分光能量被吸收。這既是液晶開關(guān)眼鏡透過(guò)率低的原因之一，也是導(dǎo)致不同波長(zhǎng)光透過(guò)率不一致性的主要原因。優(yōu)化液晶材料也是改善液晶開關(guān)眼鏡的途徑之一。

圖5 液晶開關(guān)眼鏡的電光特性曲線

色度圖可以直觀表現(xiàn)顯示器色域，CIE1976色度圖是比較常用的色度圖之一。根據(jù)三刺激值，可由式(3)計(jì)算色度值u，v。

圖6給出CIE1976色度圖中，佩戴和未佩戴液晶開關(guān)眼鏡時(shí)的白場(chǎng)、三基色的色度情況。其中三角形為未佩戴眼鏡的色度值，菱形為佩戴眼鏡后的色度值。

圖6 佩戴眼鏡對(duì)色度的影響

從圖6可以發(fā)現(xiàn)佩戴眼鏡后，色度值發(fā)生了偏移，其中紅色和白場(chǎng)色度偏移較嚴(yán)重，白場(chǎng)向青色方向移動(dòng)。色度值的偏移主要是由于液晶開關(guān)眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)透過(guò)率不同。在相同的白場(chǎng)下，眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)透過(guò)率不同，根據(jù)式(1)和圖2所示的顏色匹配函數(shù)、圖4所示的透過(guò)率，佩戴眼鏡后，三刺激值并不是均勻變化。設(shè)三刺激值分別由X、Y、Z變?yōu)?αX、βY、γZ，則 α ＜β ＜ γ ＜1。白場(chǎng)的色度坐標(biāo)變化量可以由式(4)表示:

由于 α ＜β，α ＜γ，γ ＞β，則 Δu明顯小于0，而 Δv變化較小。因此，白場(chǎng)朝著Δu變小的方向發(fā)生顯著變化。同樣，紅色的色度坐標(biāo)也會(huì)發(fā)生類似的偏移。

除了亮度和色度，常常在均勻顏色空間中，通過(guò)色域體積表征顯示器顏色特性，色域體積的大小直接反映顯示系統(tǒng)可以再現(xiàn)顏色的范圍。圖7給出不同模式下，顯示系統(tǒng)可顯示的色域體積大小。在立體模式下的色域體積比二維模式有明顯減小，僅有二維模式下的8%，可顯示顏色范圍將大大減小。其中淺色區(qū)域?yàn)槲磁宕餮坨R的色域范圍，深色區(qū)域?yàn)榕宕餮坨R后的色域范圍。

圖7 佩戴眼鏡對(duì)色域的影響

2 基于偏振式眼鏡的立體顯示器特性研究

基于偏振式眼鏡的立體顯示系統(tǒng)在普通液晶顯示器的表面疊加了一層偏振片，偏振片與像素間隔相等，分別可以產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針的圓形偏振光［12］。不同方向偏振光與左右眼圖像和眼鏡對(duì)應(yīng)(圖8)，例如:順時(shí)針偏振片與右眼圖像相對(duì)應(yīng)，逆時(shí)針偏振片與左眼圖像相對(duì)應(yīng)，右眼鏡片可以通過(guò)順時(shí)針偏振光，但是阻隔逆時(shí)針偏振光，因此右眼鏡片可以看到右眼圖像，看不到左眼圖像;反之亦然。

圖8 基于偏振片的眼鏡式立體顯示原理

與液晶開關(guān)式眼鏡立體顯示技術(shù)類似，偏振式眼鏡的性能同樣是影響這類立體顯示器顏色特性的關(guān)鍵因素。

圖9給出了顯示白光時(shí)，眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光線的透過(guò)率?？梢钥吹?，與液晶開關(guān)眼鏡相比，偏振式眼鏡光損失有明顯減小，大約在60%左右。偏振式眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)透過(guò)率的均勻性也有所提升，在顯示器三基色對(duì)應(yīng)的460 nm、520 nm和636 nm附近，都在40%左右，但是綠色部分稍高。其余，透過(guò)率不穩(wěn)定的部分對(duì)應(yīng)的白場(chǎng)點(diǎn)光譜輻射能量較低，對(duì)最終顯示結(jié)果影響不大。

圖9 偏振眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的透過(guò)率

根據(jù)式(1)～式(3)可以分別求出不同模式下的亮度、色度值。表2給出與未佩戴眼鏡時(shí)相比，佩戴偏振式眼鏡后的亮度的損失情況。佩戴眼鏡后，亮度損失60%左右。與上述液晶開關(guān)眼鏡相比，透過(guò)率較高，亮度損失較小。

表2 顯示不同顏色時(shí)的亮度損失

圖10給出與未佩戴眼鏡時(shí)相比，佩戴液晶開關(guān)眼鏡后的白場(chǎng)、三基色的色度情況。從圖中可以看出，色度變化不大。

圖10 偏振眼鏡對(duì)色度的影響

其中三角形為未佩戴眼鏡的色度值，菱形為佩戴眼鏡后的色度值

圖11給出佩戴眼鏡對(duì)色域的影響。佩戴眼鏡情況下，色域體積降為不戴眼鏡時(shí)的35．5%

圖11 佩戴眼鏡對(duì)色域的影響

圖11中，淺色區(qū)域?yàn)槲磁宕餮坨R的色域范圍，深色區(qū)域?yàn)榕宕餮坨R后的色域范圍。

為了提高基于偏振式眼鏡的立體顯示系統(tǒng)的顏色特性，可以從以下幾方面進(jìn)行考慮。一方面，可以從顯示器白場(chǎng)亮度和眼鏡透過(guò)率兩方面考慮，提高佩戴眼鏡后的顯示亮度。隨著背光技術(shù)的發(fā)展，白場(chǎng)亮度已有了顯著提高。而透過(guò)率方面，影響偏振眼鏡特性的參數(shù)為單體透過(guò)率，即單片偏光鏡片的平均透過(guò)率?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)制造方法、改善制造工藝等多種方法提高單體透過(guò)率。目前，相關(guān)研究較多，很多產(chǎn)品的單體透過(guò)率可達(dá)到43%以上。相比而言，本文采用的偏振式眼鏡，單體透過(guò)率不到40%，仍有進(jìn)步空間。另一方面，顏色保真也是必須考慮的問(wèn)題，提高眼鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光線透過(guò)率的均勻性也是改善這一類立體顯示系統(tǒng)顏色特性的方法之一。

3 結(jié)論

立體顯示系統(tǒng)由于本身顯示機(jī)理，左右眼視圖分開，僅被相對(duì)應(yīng)的眼睛看到，因此亮度會(huì)下降至少一半。眼鏡式立體顯示系統(tǒng)，受位置影響較小，效果較好。但是引入眼鏡，對(duì)顯示效果特別是顏色性能影響較大。以上述兩種不同原理的眼鏡式立體顯示系統(tǒng)來(lái)看，立體模式下的色域體積比二維模式有明顯減小，可顯示顏色范圍將大大減小。其中液晶開關(guān)式立體顯示系統(tǒng)僅有二維模式下的8%，而且白場(chǎng)向青色方向發(fā)生了明顯的偏移，最終圖像顯示效果將偏青。相對(duì)而言，偏振式眼鏡對(duì)光的透過(guò)率有了較大的提高，同時(shí)在顏色的保真性方面，也有較好的表現(xiàn)，白場(chǎng)基本保持不變。色域體積為不戴眼鏡時(shí)的35．5%。不僅如此，已有研究表明，偏振式眼鏡對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)串?dāng)_較小［7］。因此，在眼鏡式立體顯示技術(shù)方面，采用偏振式眼鏡將取得更好的顯示效果。

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