用于立體顯示的可變焦距液晶透鏡

【摘要】基于像素分割控制的立體顯示技術可使觀眾在欣賞立體影像時擺脫眼鏡的束縛。本文所述的立體顯示裝置利用多電極驅(qū)動液晶透鏡方式可以實現(xiàn)多個立體顯示的觀看距離。利用電壓的改變最佳的觀看距離可以在45cm到80cm之間調(diào)節(jié)。

【關鍵詞】液晶透鏡；3D顯示；柵距可變；多電極驅(qū)動

1、簡介

液晶是一種高分子材料，其具有雙折射性，同時由于特殊的電驅(qū)動性，被廣泛應用于顯示技術上。而液晶透鏡則是利用液晶材料的雙折射性實現(xiàn)透鏡聚焦效果的裝置?；谝壕哥R的裸眼3D顯示技術相比于液晶狹縫的技術還具有更高的背光利用效率，同時還具有簡便的2D3D切換功能而備受關注[1]。

本文中所設計的液晶透鏡用于改善裸眼3D顯示技術觀看區(qū)域窄的問題。一般來說，裸眼3D顯示方案使觀看者的觀看范圍都很小，只能在特定的菱形區(qū)域內(nèi)才能看到好的立體效果[2]。而如圖1所示，只有在圖中特定菱形區(qū)域才能看到立體效果，處于菱形區(qū)域之外時，只會看到具有很大串擾的或者反視的圖像。本文提出的可變柵距液晶透鏡通過改變透鏡柵距的方法，使器件形成的可視菱形區(qū)發(fā)生變化，從而更好的匹配人眼位置。

2、透鏡結構和驅(qū)動方法

本文所設計的可變液晶透鏡的結構如圖2所示，其驅(qū)動電極包括兩種，分別是在上基板上的分離式條形ITO電極和位于下基板上的整面電極。液晶透鏡的PI摩擦方向為反平行方式，摩擦預傾角為2度[3]。

由于多電極液晶透鏡陣列的電極條數(shù)超過2000多條，因此其驅(qū)動信號由FPGA生成，并通過IC輸出至相應電極。液晶透鏡陣列置于顯示面板之上，其到顯示面板的距離匹配液晶透鏡的焦距值。在實驗中，所用顯示面板的3D圖像信號來自與PC視頻端口的輸出。

3、實驗設計

實驗中采用了一塊分辨率為800*480的3.5寸LCD顯示屏。顯示屏Color Filter玻璃的厚度為0.7mm，MeD-LC lens基板玻璃的厚度為0.5mm。因此我們設定的MeD-LC lens的焦距為1.2mm，和到Color Filter的玻璃厚度相同。

我們采用的lens盒厚為25um，實驗中的液晶材料為SD509（Δn=0.36），以便產(chǎn)生足夠的光程差。

為了達到觀看距離從45cm到80cm的改變，我們計算出透鏡光柵的柵距應在200um到330um之間改變。而我們選擇的電極結構中電極的寬度為15um，電極之間的線距也為15um，因此我們設定了三種不同柵距的透鏡參數(shù)，即分別由7，9，11條電極構成的透鏡。

確定MeD-LC lens參數(shù)之后，我們需要優(yōu)化得到出各個電極上的驅(qū)動電壓。理想情況下，MeD-LC lens應該具有拋物線型的光程曲線分布。我們用液晶模擬軟件來計算液晶指向矢的分布，之后從液晶指向矢的資料中計算出光程曲線的結果。計算得出的7電極MeD-LC lense的光程分布如圖3所示。紅色線表示理想的拋物線型光程曲線，藍線由模擬結果得到的擬合曲線。

參考模擬獲得的結果，我們用優(yōu)化的驅(qū)動電壓來驅(qū)動多電極液晶透鏡進行測試。我們利用高分辨率線陣CCD相機（Dalsa SF-10-02k40）記錄下焦點位置處的光強分布，其結果如圖3所示。圖中我們給出了7電極透鏡的聚焦效果。我們可以測量出透鏡聚焦點之間的距離，以及聚焦光的強度。圖中的綠線和藍線分別表示在給液晶透鏡施加電壓前后光強分布的情況。這也證明了施加電壓后可以形成類似透鏡的光線聚焦效果。我們可以計算聚焦位置到液晶透鏡盒基板表面的距離得出其焦距大小，同時通過測量兩個聚焦峰值之間的距離就可以得出準確的透鏡柵距。在實驗中，我們測量出7電極透鏡的柵距為206um，9電極為267um，11電極為326um。測量的數(shù)值和我們的設計值基本相同。為了維持相同的焦距，7，9，11電極上的電壓分布具有不同的電壓分布。經(jīng)實驗測定的三種不同柵距液晶透鏡的焦距分別為1.18mm、1.21mm、1.22mm，這也和我們的設計值基本相符。

4、總結

在本文中，我們制作了一種用于自由立體顯示的多電極驅(qū)動液晶透鏡。我們通過改變液晶透鏡基本上各個分離電極上驅(qū)動電壓的值以形成不同柵距的透鏡效果，配合高分辨率顯示屏，可以使其最佳的觀看距離在45cm到80cm之間變化。最終我們通過實驗驗證了可變柵距液晶透鏡的透鏡效果，并測量了三種柵距的焦距，證明了可變柵距液晶透鏡的可行性。

參考文獻

[1]Yi-Hsin Lin， Hongwen Ren， Kuan-Hsu Fan-Chang， Wing-Kit Chol， Sebastian Gauza， Xinyu Zhu， Shin-Tson Wu， J.J.A.P.， vol.44， p.243 （2005）

[2]N. A. Dodgson， J. R. Moore， S. R. Lang， IBC ’99， p.497 （1999）

[3]Chih-Wei Chen， Yi-Ching Huang， Yi-Pai Huang， SID’10 Digest， vol.18， pp.428 （2010）

作者簡介

宮曉達（1982-），男，廣東省深圳市，碩士，工程師。主要從事新型裸眼立體顯示技術的研究與開發(fā)。

陳寅偉，男，1986（吉林省長春市），漢族，碩士，光學工程師，主要從事與立體顯示相關的光學器件設計與研究。

項目名稱

深圳市裸眼3D顯示技術工程實驗室