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狭缝光栅热点技术

2019-09-20

  狭缝光栅与柱透镜的分光原理基本相似。狭缝光栅采用垂直遮罩阵列来分离左、右眼图像。如图1所示,如果一个垂直狭缝光栅阵列设计正确,将有一个视点位置使每只眼睛可以通过狭缝间的空隙看到偶数或奇数列的像素,左眼和右眼分别看到对应的视差图像,从而实现立体显示。狭缝光栅与柱透镜一样,具有分辨率降低的问题。由于狭缝遮罩阻止了来自像素的光线,立体图像的亮度大大降低。而且在多视点情况下狭缝遮罩的总面积增加,因此当狭缝光栅用于多视点时亮度将更低。虽然狭缝光栅有这些缺点,但由于其技术实现简单,无需额外的光学元件,狭缝光栅是目前流行的自动立体裸眼显示技术。

  

 

  图1 狭缝光栅立体成像原理

  一:光栅2D/3D显示切换

  基于狭缝光栅的2D/3D切换技术也是裸眼立体显示中的热点技术,它能提供2D/3D转换功能。通过在显示面板前增加另一个基于液晶面板的垂直遮罩,实现3D显示模式。2D显示模式可以通过在额外液晶板上显示白色图像来实现。如图2所示,液晶面板成为一个透明的玻璃,在显示面板上的2D图像直接展现给观众。3D显示模式可以通过在额外液晶板上显示黑白相间的图像来实现。黑白相间图案的功能类似狭缝光栅,黑条与遮罩功能相同,遮挡光线;白条与光栅缝隙功能相同,让光线通过。

  

 

  图2 基于2D/3D液晶面板的2D显示模式

  由于液晶开启时本身就是透明的,透明液晶面板很容易获得,所以基于光栅2D/3D显示切换技术较容易掌握,不但国内外各大专业公司掌握了此技术,国内的上海大学、四川大学、合肥工业大学也广泛开展了此技术的研究。

  二:全分辨率光栅3D显示

  利用液晶面板快速交替显示作为狭缝光栅遮罩是提高狭缝光栅立体显示分辨率的另一热点技术。狭缝光栅立体显示的分辨率降低是因为图像信息只来自于每个狭缝位置。通过以缝隙间距为步长不断转动一列垂直遮罩,可以获得全分辨率的显示画面,其中的高帧频成为此方案的关键技术。韩国三星SDI在2006年提出这种高分辨率的时分视差光栅的立体显示,韩国三星SDI CTO显示研发中心拥有全分辨率光栅3D显示技术专利。而由于缺乏液晶面板的工业基础,国内并没有研究机构涉足此技术。

  图3所示,在全分辨率光栅3D显示中,显示屏某一时刻的奇列像素显示右视差图像,而偶列像素显示左视差图像,此时,液晶狭缝光栅的A部分透光,而B部分不透光,透过液晶狭缝光栅右眼看到位于偶列的右视差图像,而左眼看到位于奇列的左视差图像;在下一时刻,显示屏的偶列像素显示右视差图像,而奇列像素显示左视差图像,此时,液晶狭缝光栅的B部分透光,而A部分不透光,透过液晶狭缝光栅右眼看到位于奇列的右视差图像,而左眼看到位于偶列的左视差图像。在两个不同的时刻,观众左右眼看到的视差图象分辨率只有显示器分辨率的一半。当液晶狭缝光栅和液晶显示面板的输出频率高于120Hz时,由于视觉暂留效应,观众将观察不到两个时刻的交替画面,最终获得了等同于2D显示屏分辨率的立体影像。如果液晶的反应速度进一步提高,基于多视点的高分辨率立体显示也可能实现。

  

 

  图3 全分辨率光栅3D显示

  三:高分辨率光栅3D显示

  3D显示把平面显示的分辨率均匀分布在各个视点中,其显示分辨率随视点增加比而下降。提高3D显示分辨率的技术主要包括空间复用技术和双光栅技术,其基本的原理是通过多投影阵列增加平面显示分辨率,从而提高3D显示的分辨率。精工爱普生公司利用此技术在2009年分析并且改善了双视图和多视图的三维显示器。目前日本掌握了高分辨率狭缝光栅3D显示技术掌握,而国内并没有研究机构涉足此技术。

  空间复用技术采用两台投影机、半波屏、漫射屏和偏光条栅屏组成。两台投影机射出的偏振光相互垂直;半波屏中黑色部分有条状半波片,白色部分则没有;漫射屏只在垂直方向有漫射特性;偏光条栅屏由两种偏振方向互相正交的条状偏光片相间排列构成。基于视差偏光屏的投影3D显示系统本质是狭缝光栅3D显示系统,偏光条栅屏起狭缝光栅的作用。

  双光栅技术也用于投影3D显示系统中,双光栅投影3D显示系统主要由多投影机阵列、背投屏及两个光栅组成。后置光栅将多个投影图像按规律投射到背投屏上,背投屏上显示的图像为多个投影画面的合成图像,多投影架构提高了数倍显示分辨率;前置光栅与普通3D显示器中光栅的作用相同,遮挡图象以实现视差3D图象。双光栅技术使得立体图像的亮度更低。美国哥伦比亚大学计算机实验室利用多台投影机,配合快门遮罩,实现了高亮度和高分辨率的8个视点自由立体显示。

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