自由立體顯示中的背光系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張冰清，王元慶，薛亞蘭，曹利群，周必業(yè)，李鳴皋*

（1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046；2.中國(guó)人民解放軍海軍總醫(yī)院，北京 100088）

近年來無論是內(nèi)容業(yè)者，媒介業(yè)者，游戲業(yè)者還是終端顯示業(yè)者競(jìng)相投入3D顯示技術(shù)的研發(fā)，3D立體顯示技術(shù)已經(jīng)成為下一代顯示器的主流研發(fā)項(xiàng)目之一［1］。如今的立體電影在各大影院已經(jīng)相當(dāng)普及，不足之處是觀看者必須佩戴如眼鏡等輔助設(shè)備，無輔助的自由立體顯示才是人們追求的目標(biāo)。目前的自由立體顯示方式主要有以下3種：視差立體、體立體與全息立體。視差立體主要基于立體影像（Stereopsis）原理，使觀看者的左右眼分別且只能看到對(duì)應(yīng)立體圖像對(duì)的左右圖像［2］。在顯示背光方面，如何使觀看者看到高分辨率的立體圖像就成了十分重要的研究問題，同時(shí)要保證整體屏幕的亮度并有效地利用光源。目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究者都通過導(dǎo)光板實(shí)現(xiàn)側(cè)背光來達(dá)到目的［3-4］，并在導(dǎo)光板上增加絲網(wǎng)印刷或者刻畫凹槽的辦法來改變其全反射結(jié)構(gòu)，從而改善出光均勻性［5］，但是我們希望盡可能地利用光能，因此如何盡量全部利用光源、避免漏光就成了一項(xiàng)十分重要的研究課題。

1 系統(tǒng)原理介紹

為了較好地利用光源并盡量減少光損失，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的光路結(jié)構(gòu)：整體系統(tǒng)由棱柱鏡、平行導(dǎo)光板、三角棱鏡、平面反射鏡、菲涅爾透鏡與增亮膜BEF組成（Brightness Enhancement Film）。核心原理是利用菲涅爾透鏡與增亮膜形成指向性出瞳，同時(shí)，為了適應(yīng)多用戶以及用戶可移動(dòng)觀看，本裝置還包含人眼跟蹤模塊，人眼跟蹤模塊檢測(cè)觀看者的移動(dòng)和觀看者數(shù)目，將此信息以30幀/s的速度近實(shí)時(shí)地傳遞給背光控制模塊［6］，背光控制模塊隨后做出相應(yīng)處理，從而形成多個(gè)獨(dú)立的立體視域窗口。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

此外，采用分時(shí)原理而又不讓用戶觀看時(shí)產(chǎn)生閃爍感，LCD刷新頻率不應(yīng)低于100 Hz，本裝置使用的是明基23寸LCD屏，分辨率為1 920×1 080@120 Hz。

2 各光學(xué)元件原理

2.1 棱柱鏡

棱柱鏡的功能是將有一定發(fā)散角的光源進(jìn)行角度壓縮，從而形成近平行光入射進(jìn)導(dǎo)光板，減少光損失。

2.2 導(dǎo)光板與三角棱鏡

導(dǎo)光板與三角棱鏡則利用光的全反射作用，減小了光能量損失，既起到了將光線在其中多次折轉(zhuǎn)的目的，也增加了為菲涅爾透鏡成像的光程，使得出瞳質(zhì)量顯著提升。

2.3 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡PMMA材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。本項(xiàng)目中主要是用來匯聚光線，配合指向性光源，能將光線匯聚到指定位置，滿足公式

其中，u為物距，v為像距，f為菲涅爾透鏡的等效焦距。

圖2 菲涅爾透鏡橫截面

圖3 菲涅爾透鏡成像原理

2.4 掠入射結(jié)構(gòu)

掠入射結(jié)構(gòu)由平面反射鏡、導(dǎo)光板與一層光學(xué)膜組成。如圖4所示，光線經(jīng)由平面反射鏡入射進(jìn)平行導(dǎo)光板，一部分光通過膜中的微結(jié)構(gòu)后向上射出，剩下一部分光線通過后部的光路結(jié)構(gòu)經(jīng)過表明的膜發(fā)生反射從而被再次利用，同樣經(jīng)過全反射后向上射出，從而達(dá)到了增亮的效果。

圖4 掠入射示意圖

這是此背光系統(tǒng)的一大創(chuàng)新點(diǎn)，既巧妙地改變了光線的傳輸方向，又利用光學(xué)原理提高了光線利用率。

3 LED背光控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用LED陣列作為顯示光源，此光源有兩個(gè)作用：（1）確定LED陣列的點(diǎn)亮位置；（2）控制點(diǎn)亮的時(shí)序，使之與屏幕亮滅時(shí)序一致。該系統(tǒng)采用AVR Atmega128作為控制處理器，其具體實(shí)現(xiàn)方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過RS232串口，從人眼跟蹤模塊獲得觀看者眼睛位置信息及觀看者數(shù)目，以此確定應(yīng)該點(diǎn)亮的LED陣列的位置；同時(shí)通過外部中斷，模擬合成幀頻信號(hào)以控制對(duì)應(yīng)LED陣列的亮滅，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分時(shí)顯示［6-7，9］。

LED發(fā)光陣列由一排水平排列的高亮度、小尺寸LED以及驅(qū)動(dòng)電路組成，采用共陽極接法，通過控制陰極的高低電平實(shí)現(xiàn)LED的亮滅，從而實(shí)現(xiàn)了光源的單獨(dú)控制，具有尋址性［8］。

圖5所示為L(zhǎng)ED電路驅(qū)動(dòng)板與燈板實(shí)物圖，驅(qū)動(dòng)板采用串行輸入，并行輸出恒流形式，燈板采用鋁基板，目的是為了更好地散熱。

圖5 LED燈板與驅(qū)動(dòng)板

3.1 同步信號(hào)與LED發(fā)光延時(shí)

為了達(dá)到同步點(diǎn)亮的目的，需要獲取顯卡每一對(duì)左右圖像的幀同步信號(hào)，中斷到來時(shí)刻，進(jìn)入點(diǎn)亮控制環(huán)節(jié)。圖6為提取的120 Hz的幀同步信號(hào)，高電平有效，此信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷來源，單片機(jī)的中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，并配合適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)亮延時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)亮與屏幕時(shí)序的吻合［9-10］。

由于采用了120 Hz的刷新頻率的顯示器，所以我們用光電二極管直接測(cè)量屏幕的亮滅波形，并通過示波器顯示。圖7中占空比窄的部分為高電平，說明屏幕被點(diǎn)亮，占空比寬的部分為低電平，說明屏幕為暗，由于示波器的余暉作用，導(dǎo)致圖7中所示結(jié)果。

圖6 測(cè)得屏幕的點(diǎn)亮?xí)r序

圖7 單片機(jī)中斷與LED時(shí)序

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上文中，我們通過理論分析驗(yàn)證了原理的可行性，下面通過Zemax仿真軟件加以驗(yàn)證。

4.1 菲涅爾透鏡成像

菲涅爾透鏡可以將入射光進(jìn)行壓縮，并在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬沙鐾抡娼Y(jié)果如圖8所示。

圖8 菲涅爾透鏡成像仿真結(jié)果

4.2 掠入射

如圖9所示，左側(cè)入射光和從右側(cè)反射的光線通過BEF全反射后向上射出，圖10所示為后部反射鏡反射部分入射光的效果。

圖9 掠入射仿真結(jié)果

圖10 掠入射后部仿真結(jié)果

最終，通過背光控制，可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)屏幕上得到出光效果，Zemax仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 整體仿真光效

4.3 出瞳特性

為了得到滿足寬度的出瞳，需要配合LED的點(diǎn)亮?xí)r序與LED點(diǎn)亮的數(shù)量。根據(jù)菲涅爾透鏡成像規(guī)律，物寬L與像寬l的關(guān)系滿足

經(jīng)過棱柱鏡，導(dǎo)光板與菲涅爾透鏡的光束整形，最終在某一距離的到了如圖12所示的出瞳效果。圖12顯示的是在1 m出的出瞳，測(cè)得出瞳寬度為20.5 mm，兩個(gè)出瞳的中心距離為64.7 mm，滿足人眼的觀看需求，不會(huì)使得一只眼睛看到另一只眼睛的圖像。

圖12 出瞳效果

5 結(jié)束語

自由立體顯示技術(shù)已經(jīng)成為世界上研究的熱點(diǎn)課題，本文闡述了基于菲涅爾透鏡與BEF的背光顯示系統(tǒng)，通過理論分析與實(shí)際仿真，得到了良好的背光效果。

［1］陳玲玲.3D立體顯示技術(shù)的現(xiàn)況與展望［J］.中國(guó)西部科技，2010，30：38-39.

［2］王元慶.立體電視技術(shù)及其現(xiàn)狀［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2014，50（3）：361-370.

［3］Xue Y.L，Wang Y.Q.Multi-User Autostereoscopic 2D/3D Switch?able Flat-Panel Display［J］.Journal of Technology，2014：355-360.

［4］Richards W.Stereopsis and Stereoblindness［J］.Experimental Brain Research，1970，10（4）：380-388.

［5］Luo Zhenyue，Cheng Yu Wen，Wu Shin-Tson.Polarization-Pre?serving Light Guide Plate for a Linearly Porlarized Backlight［J］.Journal Of Display Technology，2014，10（3）：208-214.

［6］歐偉明.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：109-130.

［7］潘啟勇，婁維鴻，鄔正義.基于89C51單片機(jī)的環(huán)境噪聲測(cè)量?jī)x［J］.電子器件，2000，23（2），146-149.

［8］周志敏.LCD背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2009：11-33.

［9］張瑞雪，王元慶，張兆陽.基于AVR單片機(jī)的自由立體顯示背光控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（23）：149-151.

［10］吳鵬，陶正蘇，胡宇貞.基于單片機(jī)USB接口的PC主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2005，28（3）：612-614.

張冰清（1990-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士生，研究方向?yàn)樽杂闪Ⅲw顯示，932546707@qq.com；

王元慶（1963-），男，漢族，博導(dǎo)，教授，研究方向?yàn)榱Ⅲw圖像顯示、立體圖像獲取、現(xiàn)代數(shù)字圖像處理、無侵?jǐn)_人機(jī)交互，yqwang@nju.edu.cn。