基于障壁和漸變孔徑狹縫光柵的裸眼3D顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海濟(jì)麗信息技術(shù)有限公司 劉 紅

1908年，法國物理學(xué)家Lippmann首次提出了集成攝影術(shù)，運(yùn)用微透鏡陣列對(duì)3維(3D)立體場景進(jìn)行記錄，根據(jù)光路可逆原理，便可重建得到3D圖。集成成像3D顯示具有全視差、連續(xù)視點(diǎn)和無需輔助設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，從而受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。但是，集成成像3D顯示也存在一些缺點(diǎn)與不足，例如：重建的3D立體場景視角窄、分辨率低、記錄和再現(xiàn)過程中存在著空間深度反轉(zhuǎn)等。為了克服這些問題，研究人員提出了許多解決方法，例如：通過采用狹縫光柵來取代2維集成成像3D顯示中的微透鏡陣列。狹縫光柵的參數(shù)設(shè)計(jì)是1維集成成像3D顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。但是，在基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示器中，國內(nèi)外還沒有關(guān)于狹縫孔徑寬度的理論研究報(bào)道。因此，作者設(shè)計(jì)了一種新型的狹縫光柵結(jié)構(gòu)，主要是通過對(duì)狹縫孔徑寬度的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算提高一維集成成像3D顯示的實(shí)用價(jià)值。并提出了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法。

1.狹縫光柵裸眼3D顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

集成成像3D顯示技術(shù)是一種無需任何助視設(shè)備的真3D顯示技術(shù)。該技術(shù)具有裸眼觀看的特點(diǎn)，其記錄和顯示的過程相對(duì)簡單，且能顯示全視差和全真色彩的立體圖像，是目前3D顯示技術(shù)中的熱點(diǎn)技術(shù)之一。集成3D顯示裝置利用了光路可逆原理，通過針孔陣列或者微透鏡陣列將3D場景的立體信息記錄到圖像記錄設(shè)備上，生成微圖像陣列，然后把該微圖像陣列顯示于2D顯示屏上，透過針孔陣列或者微透鏡陣列重建出原3D場景的立體圖像。

目前，通過采用狹縫光柵來取代針孔陣列或者微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)一維集成成像3D顯示可以增加3D圖像的垂直或者水平分辨率

2.狹縫光柵一維集成成像3D顯示關(guān)鍵技術(shù)

目前的基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置仍然存在觀看視角的缺點(diǎn)，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。而現(xiàn)有的解決方法有：一是通過減小狹縫的孔徑寬度來增大光看視角，但是同步減小光學(xué)效率，降低亮度；二是可以通過減小微圖像陣列中圖像元的數(shù)目來增大觀看視角，但是會(huì)降低分辨率；表明其實(shí)用性不強(qiáng)。由于用戶和市場的新型需求，我們要尋找新型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。

通過前述得知，集成成像3D顯示采用狹縫光柵技術(shù)，其應(yīng)用受限于兩大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，一個(gè)是分辨率指標(biāo)，其技術(shù)上影響觀看的圖像元多少，效果上反映觀看的清晰程度、逼真程度等等，分辨率越高，清晰度、逼真度更好。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)則是光學(xué)效率指標(biāo)，其實(shí)際上是光通過效率，即透光率，透光率越高，顯示亮度越大。既然，狹縫光柵必須存在，其必然起到在屏前的遮擋作用，勢必要影響到透光率和圖像元數(shù)量。

3.漸變孔徑狹縫光柵的設(shè)計(jì)

為了克服以上的障礙并增強(qiáng)狹縫光柵3D顯示的實(shí)用性。在狹縫光柵、分辨率和透光率三者中權(quán)衡，找到平衡點(diǎn)，我們進(jìn)行了無數(shù)次的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、測試實(shí)驗(yàn)和理論分析。

圖1 傳統(tǒng)狹縫光柵示意圖

圖1 所示為傳統(tǒng)狹縫光柵結(jié)構(gòu)圖，2為傳統(tǒng)光柵。而我們的技術(shù)突破方案是設(shè)計(jì)出一種新型的狹縫光柵孔徑尺寸結(jié)構(gòu)模型，即漸變孔徑的狹縫光柵。并設(shè)計(jì)了孔徑寬度的算法，以便于作為實(shí)際工藝生產(chǎn)的依據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)能夠在不減小光學(xué)效率（顯示亮度關(guān)鍵指標(biāo)）和分辨率（顯示效果關(guān)鍵指標(biāo)）的前提下，實(shí)現(xiàn)寬視角的一維集成成像3D顯示的集成成像3D顯示，將能大大滿足用戶的需求，大大提高一維集成成像3D顯示的實(shí)際應(yīng)用性。由于漸變孔徑具有技術(shù)創(chuàng)新，所以申請(qǐng)了中國發(fā)明專利[1-2]。

圖2 漸變孔徑狹縫光柵示意圖

如圖2所示，4為我們新型的漸變孔徑狹縫光柵。漸變孔徑狹縫光柵包括N列平行設(shè)置的狹縫，從光柵中間的一列狹縫開始，到光柵邊緣的一列狹縫結(jié)束，各列狹縫的孔徑寬度逐漸增大；N為正整數(shù)。

其中，通過使用孔徑寬度從中心到邊緣逐漸增大的漸變孔徑狹縫光柵取代傳統(tǒng)如圖3所示的孔徑寬度不變的狹縫光柵，再配合以隔離相鄰圖像元的障壁，從而使得顯示效果在不減小光學(xué)效率和分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)更寬視角的一維集成成像3D顯示。

4.漸變孔徑狹縫光柵的關(guān)鍵參數(shù)算法

如圖1所示，1為普通2D顯示屏，3為障壁，障壁設(shè)置在相鄰兩個(gè)圖像元之間，從而將相鄰的圖像元分隔開來。圖像元個(gè)數(shù)與漸變孔徑狹縫光柵中狹縫列數(shù)相同，均為M個(gè)和M列，漸變孔徑狹縫光柵上第i列狹縫的孔徑寬度Wi由以下公式[1]計(jì)算得到：

其中i是小于或等于M的正整數(shù)，p為漸變孔徑狹縫光柵中單個(gè)狹縫的節(jié)距，l為觀看距離，g為2D顯示屏與漸變孔徑狹縫光柵的間距，w為位于漸變孔徑狹縫光柵中心位置的狹縫的孔徑寬度，由此，可以精確計(jì)算出狹縫光柵的孔徑。

依據(jù)圖2所示，我們可以理論上依據(jù)公式[1]計(jì)算出可視角度θ′：

由上述計(jì)算可視角度θ′的公式可以看出，我們所設(shè)計(jì)的漸變孔徑狹縫光柵一維集成成像裸眼3D顯示設(shè)備的觀看視角僅僅與光柵自身之間的節(jié)距p、中心位置狹縫光柵的孔徑寬度w和光柵至2D顯示屏間距g有關(guān)。其中，與狹縫的孔徑寬度成正比；與光柵至2D顯示屏的間距成反比；而與微圖像陣列中圖像元的數(shù)目無關(guān)，也與微圖像陣列中圖像元的數(shù)目無關(guān)。

5.狹縫光柵的工藝技術(shù)簡介與分析

眾所周知，狹縫光柵是相對(duì)比較成熟的光柵，因?yàn)橹谱鳘M縫光柵比較簡單，技術(shù)難度不大。以液晶屏為例，實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)開關(guān)液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向?yàn)?0°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過它們的光就形成了垂直的細(xì)條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術(shù)正是利用了安置在背光模塊及LCD面板間的視差障壁。通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3D影像。

然而，采用這種技術(shù)的屏幕亮度偏低，影響分辨率且可視角度偏小，只能在一個(gè)合適的角度和位置才能有比較好的視覺效果。我們研究的漸變孔徑狹縫光柵正好從技術(shù)上突破，很好的解決了亮度（光學(xué)效率）、分辨率和可視角度均衡的問題。

因此，漸變孔徑狹縫光柵保持了成本優(yōu)勢和制造工藝簡單的優(yōu)勢，同時(shí)兼顧和優(yōu)化了亮度、分辨率和可視角度的關(guān)系，將大大利于該裸眼3D顯示方案的產(chǎn)業(yè)化推廣。

6.總結(jié)

裸眼3D技術(shù)首先處于政策推動(dòng)的前沿，同時(shí)處于行業(yè)用戶與消費(fèi)者認(rèn)知提升的關(guān)鍵階段。2016年底，國務(wù)院正式發(fā)布“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，裸眼3D被列入規(guī)劃的第六章節(jié)“促進(jìn)數(shù)字創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造引領(lǐng)新消費(fèi)”，文中提出加強(qiáng)內(nèi)容和技術(shù)裝備協(xié)同創(chuàng)新，在內(nèi)容生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域緊跟世界潮流，在消費(fèi)服務(wù)裝備領(lǐng)域建立國際領(lǐng)先優(yōu)勢， 提升創(chuàng)作生產(chǎn)技術(shù)裝備水平，加快裸眼3D等核心技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。對(duì)3D產(chǎn)業(yè)而言，這是行業(yè)發(fā)展史上的一次重大標(biāo)志性事件，是政策引導(dǎo)的裸眼3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。運(yùn)用新技術(shù)，我們已經(jīng)成功打造了國內(nèi)多個(gè)仿真、規(guī)劃場館的大型裸眼3D顯示系統(tǒng)行業(yè)案例。隨著客戶需求的不斷提高和市場引導(dǎo)，我們必須不斷創(chuàng)新，不斷開發(fā)和利用最新的技術(shù)，改進(jìn)我們的設(shè)計(jì)，盡可能滿足用戶在視覺技術(shù)上的新需求。經(jīng)過前瞻產(chǎn)業(yè)研究院專業(yè)市場研究分析，在可以預(yù)見的未來3—5年里，裸眼3D產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展期，全球市場規(guī)模將達(dá)到近千億美元市場，年復(fù)合增長率將超過10%，市場滲透率將達(dá)到50%以上。因此，我們必須充分發(fā)揮自身優(yōu)勢、推陳出新，不斷研究開發(fā)出適合于時(shí)代發(fā)展潮流的世界領(lǐng)先的技術(shù)產(chǎn)品，這樣才能更好的推動(dòng)整個(gè)裸眼3D顯示產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

[1]劉紅.基于障壁和漸變孔徑狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置[P].中國發(fā)明專利授權(quán)號(hào)ZL201610039136.2.

[2]劉紅,顧偉,鄒芳芳,羅亮,朱傳香.一種漸變節(jié)距針孔陣列的集成成像3D顯示裝置[P].中國發(fā)明專利授權(quán)號(hào)ZL201610511000.7.