不同顯示原理的眼鏡式立體顯示系統(tǒng)顏色特性分析*

陳 麗，屠 彥，王莉莉

(1．東南大學電子科學與技術學院，南京210096;2．中國科學技術大學納米科學技術學院，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的重要組成部分，立體顯示技術已經引發(fā)了世界范圍內的廣泛關注。根據(jù)不同的結構和成像原理，立體顯示技術可以分為:體三維［1］、全息立體顯示［2］和復合式立體顯示［3－4］。目前，全息顯示和體三維顯示技術仍處于發(fā)展階段，沒有大規(guī)模投向市場。而市場上常見的立體顯示器，仍然是復合式立體顯示，這類技術主要針對左右眼之間的距離，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，產生左右眼圖像的方式不同?；谝暡顤艡诘穆阊哿Ⅲw顯示技術利用可開關液晶層作為柵欄，使不同的觀看位置能觀察到構成具有一定視差圖像的像素集合［3］。也有利用透鏡對光線折射角度的差異來實現(xiàn)左右眼圖像分離［6］。雖然這兩類技術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題。目前，顯示效果較好、不受觀察位置限制的復合式立體顯示技術仍然需要佩戴眼鏡，比較常見的有基于偏振片式眼鏡的立體顯示技術和基于時序開關式眼鏡的立體顯示技術［4］。

基于不同顯示原理的三維顯示器的顯示質量差別很大，Wang Lili等人的研究結果表明不同顯示原理的三維顯示系統(tǒng)在亮度、對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量的重要指標之一，改善顯示系統(tǒng)顏色特性是提高顯示質量的重要因素之一。目前已有研究分析了體顯示真三維立體顯示器的色度學特征，并指出了色輪是影響其顏色特性的最關鍵因素，在此基礎上提出了優(yōu)化設計方案［8］。對于市場上常見的眼鏡式立體顯示器的顏色特性，相關研究涉及較少。

本文在測量和分析的基礎上，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，并在此基礎上提出改進方向。研究結果對于改善這類顯示系統(tǒng)性能起到了指導作用。

1 基于液晶開關眼鏡的立體顯示器顏色特性分析

基于液晶開關式眼鏡的立體顯示器主要是通過時分復合法，交替在顯示屏上顯示左右眼圖像［4］。通過紅外信號發(fā)生器，控制開關眼鏡以相同頻率交替屏蔽左右眼圖像(圖1)。當屏幕上顯示左眼圖像時，左眼鏡片完全開啟，而右眼的鏡片完全關閉，此時左眼只能看到左眼圖，反之亦然。

圖1 基于液晶開關眼鏡的立體顯示原理

由于眼鏡對不同波長光的透過率不同，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，液晶開關眼鏡是影響該立體顯示器顏色特性的一個關鍵因素。

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)是白場點的光譜輻射的能量分布函數(shù)，T(λ)是眼鏡對不同波長的透過率。圖3給出了未佩戴眼鏡時顯示器的白場光譜輻射能量分布。

圖2 顏色匹配函數(shù)

圖3 顯示器白場光譜輻射的能量分布

圖4給出了液晶開關眼鏡在顯示器顯示白光時，在可見光范圍對不同波長光的透過率曲線。

圖4 液晶開關眼鏡對不同波長光的透過率

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，光通過率僅為20%左右。眼鏡對不同波長光的透過率并不相同，紅光在580 nm到650 nm范圍內的透過率較藍、綠光低;大于650 nm處，透過率較高，但不穩(wěn)定。在計算三刺激值時，透過率和白場的光譜輻射能量分布必須結合起來考慮，白場的光譜輻射能量僅在460 nm、520 nm和636 nm附近較大，透過率不穩(wěn)定的部分對應的白場點光譜輻射能量較低，對結果影響不大。

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

表1 顯示不同顏色時的亮度損失

從表1可以看出，佩戴眼鏡后，亮度損失高達80%左右，主要因為液晶開關眼鏡對可見光的透過率較低。液晶開關式眼鏡的光透過率還受外加電壓和液晶響應時間的影響。光透過率和電壓之間的關系可用圖5(a)表示［10］。電壓低于一定值時，透光強度不發(fā)生變化;當外加電壓增加到一定值，透光強度迅速減小，在到達一定電壓值后達到穩(wěn)定。在立體顯示中，液晶開關眼鏡的透過率并不是呈階躍性，直接從100跳至0%。在一個周期內，透過率與時間之間的關系如圖5(b)所示。如果響應曲線達到理想階躍性，透過率將提高22%左右。因此，可以通過改變電壓和減小響應時間來改善液晶開關眼鏡的特性，進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］，導致部分光能量被吸收。這既是液晶開關眼鏡透過率低的原因之一，也是導致不同波長光透過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眼鏡的途徑之一。

圖5 液晶開關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眼鏡時的白場、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，其中紅色和白場色度偏移較嚴重，白場向青色方向移動。色度值的偏移主要是由于液晶開關眼鏡對不同波長透過率不同。在相同的白場下，眼鏡對不同波長透過率不同，根據(jù)式(1)和圖2所示的顏色匹配函數(shù)、圖4所示的透過率，佩戴眼鏡后，三刺激值并不是均勻變化。設三刺激值分別由X、Y、Z變?yōu)?αX、βY、γZ，則 α ＜β ＜ γ ＜1。白場的色度坐標變化量可以由式(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，白場朝著Δu變小的方向發(fā)生顯著變化。同樣，紅色的色度坐標也會發(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)域為未佩戴眼鏡的色域范圍，深色區(qū)域為佩戴眼鏡后的色域范圍。

圖7 佩戴眼鏡對色域的影響

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，分別可以產生順時針和逆時針的圓形偏振光［12］。不同方向偏振光與左右眼圖像和眼鏡對應(圖8)，例如:順時針偏振片與右眼圖像相對應，逆時針偏振片與左眼圖像相對應，右眼鏡片可以通過順時針偏振光，但是阻隔逆時針偏振光，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

與液晶開關式眼鏡立體顯示技術類似，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鍵因素。

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

圖9 偏振眼鏡對不同波長的透過率

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。與上述液晶開關眼鏡相比，透過率較高，亮度損失較小。

表2 顯示不同顏色時的亮度損失

圖10給出與未佩戴眼鏡時相比，佩戴液晶開關眼鏡后的白場、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給出佩戴眼鏡對色域的影響。佩戴眼鏡情況下，色域體積降為不戴眼鏡時的35．5%

圖11 佩戴眼鏡對色域的影響

圖11中，淺色區(qū)域為未佩戴眼鏡的色域范圍，深色區(qū)域為佩戴眼鏡后的色域范圍。

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行考慮。一方面，可以從顯示器白場亮度和眼鏡透過率兩方面考慮，提高佩戴眼鏡后的顯示亮度。隨著背光技術的發(fā)展，白場亮度已有了顯著提高。而透過率方面，影響偏振眼鏡特性的參數(shù)為單體透過率，即單片偏光鏡片的平均透過率?？梢酝ㄟ^改進制造方法、改善制造工藝等多種方法提高單體透過率。目前，相關研究較多，很多產品的單體透過率可達到43%以上。相比而言，本文采用的偏振式眼鏡，單體透過率不到40%，仍有進步空間。另一方面，顏色保真也是必須考慮的問題，提高眼鏡對不同波長光線透過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 結論

立體顯示系統(tǒng)由于本身顯示機理，左右眼視圖分開，僅被相對應的眼睛看到，因此亮度會下降至少一半。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。其中液晶開關式立體顯示系統(tǒng)僅有二維模式下的8%，而且白場向青色方向發(fā)生了明顯的偏移，最終圖像顯示效果將偏青。相對而言，偏振式眼鏡對光的透過率有了較大的提高，同時在顏色的保真性方面，也有較好的表現(xiàn)，白場基本保持不變。色域體積為不戴眼鏡時的35．5%。不僅如此，已有研究表明，偏振式眼鏡對應的系統(tǒng)串擾較小［7］。因此，在眼鏡式立體顯示技術方面，采用偏振式眼鏡將取得更好的顯示效果。

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