基于互補式多波段帶通濾光片的3D投影顯示系統(tǒng)

戚李陽，徐 斌，王元慶

基于互補式多波段帶通濾光片的3D投影顯示系統(tǒng)

戚李陽，徐 斌，王元慶*

南京大學立體影像技術實驗室，江蘇 南京 210046

本文提出一個基于互補式多波段帶通濾光片的3D投影顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使觀看者通過特制眼鏡獲得3D視覺體驗。不同于時分復用和空分復用的3D顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助成對的互補式濾光片實現(xiàn)譜分復用。通過設計可以實現(xiàn)兩塊濾光片的三對互補通帶恰好分別覆蓋RGB三色光譜范圍，且每對互補通帶相互交錯幾乎不重疊。在本文中，將兩臺普通的2D投影儀改造成3D投影系統(tǒng)，并測量了該系統(tǒng)的光譜、亮度、串擾等參數(shù)，其平均串擾3%，滿足3D顯示串擾小于10%的基本要求。

3D顯示；互補式多波段帶通濾光片；投影系統(tǒng)；串擾

1 引 言

在過去的數(shù)十年里，大量3D顯示技術的提出掀起了電影市場的革命。3D顯示根據(jù)引起人體立體視覺的不同可區(qū)分為雙目視差型3D顯示和真3D顯示[1]。真3D顯示技術包含體3D顯示、全息3D顯示和集成成像3D顯示。而雙目視差型3D顯示的基本原理是將兩幅具有一定視差的圖像分別提供給人的左眼和右眼觀看，利用視差效應形成具有深度的立體視覺。雙目視差型3D顯示是當下實現(xiàn)3D顯示的重要技術手段。

研究者們已經(jīng)提出很多關于雙目視差型3D顯示的實現(xiàn)方法。自由式的3D顯示主要借助空分復用的方法，例如基于視差屏障和指向背光的3D顯示[2-3]。這些方法的主要缺陷在于對LCD屏有嚴格的高刷新率要求和對觀看位置有固定區(qū)域的限制[4]。而借助于一些輔助器件，3D顯示更加容易實現(xiàn)，并且往往視覺效果也更好。在現(xiàn)代立體電影的發(fā)展史上，商業(yè)電影院先后采用了基于譜分復用、時分復用和偏振復用的鏡片實現(xiàn)三維顯示效果[5]。譜分復用傳統(tǒng)上是使用紅-青、紅-藍等雙色濾光片將攝影光路一分為二，在膠片上形成雙色拷貝的圖對，觀眾觀看時佩帶對應的雙色眼鏡即可獲得3D體驗，但此方案的缺點在于光譜上的缺失，例如紅-藍雙色眼鏡會損失大量綠色頻段的信息[6-7]；近年有專利提出使用紅、綠、藍三色濾光膜疊加形成整體上三通帶的成對濾光片，可以在一定程度上解決這個問題[8]。時分復用則是基于交替顯示的畫面和與之同步開關的鏡片實現(xiàn)觀看者眼鏡只接受到對應圖像，例如基于液晶開關眼鏡實現(xiàn)3D顯示技術[9]。基于偏振式的技術則是當下商業(yè)電影院最多選用的方案[10]，在這種方法下，左右圖像的光偏振方向不同，借助于偏振片，左右眼能獲得對應的圖像，但它的缺點也很明顯，當觀看角度變化時，串擾現(xiàn)象將會加劇，觀看者會產(chǎn)生視覺疲憊和頭暈現(xiàn)象。

在本文中，我們提出了一種基于互補式多波段帶通濾光片的譜分復用的3D投影系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的雙色譜分復用立體顯示方案，本文采用的濾光片擁有紅、綠、藍三色光譜范圍內(nèi)的三個分立通帶，結合使用成對的互補濾光片，幾乎可以覆蓋全部的可見光波段，不存在某些頻段內(nèi)大量的信息缺失。而與專利[8]提出的方案相比，本文的特點在于沒有使用三塊濾光膜疊加形成光譜上的三個通帶，而是使用一塊濾光片就可以達到同樣的設計效果，避免了不必要的組合和疊加，工藝上更加穩(wěn)定可靠。

根據(jù)提出的方案，在普通的2D投影系統(tǒng)基礎上加入特制的互補式濾光片和一些控制電路，就可以獲得一個表現(xiàn)良好的3D投影系統(tǒng)。本文針對該系統(tǒng)的相關參數(shù)進行了測量，其中平均串擾小于3%。

2 原理和制備

2.1 譜分復用立體顯示原理

整體系統(tǒng)核心部分是成對的互補式多波段帶通濾光片(complementary multiband bandpass filter, CMBF)，以下簡稱為互補濾光片或CMBF。每個濾光片擁有多個光譜通帶，分立分布在光譜的不同范圍內(nèi)。兩個這樣的濾光片構成一對，每對濾光片的通帶相互交錯而且?guī)缀醪恢丿B。在3D投影顯示系統(tǒng)中，每對濾光片應當有三組通帶，分別分布在藍、綠、紅三個光譜范圍內(nèi)，如圖1所示。由于CMBF的固有特性，在每組通帶中會存在著少量的重疊部分，如圖1(a)中黃色部分所示，這是造成顯示時串擾的主要原因。

如圖1(b)所示，當系統(tǒng)工作時，從投影儀1中透過CMBF1投射出的光經(jīng)過投影屏反射后，僅能通過同樣覆蓋有CMBF1的鏡片進入右眼，左眼的情況同理。透過不同互補濾光片的左右圖像通過投影屏反射后，僅能進該圖像對應的眼睛內(nèi)，由此可以實現(xiàn)立體視覺。值得注意的是，在這種方法里，投影屏不需要特殊處理，可以使用任何傳統(tǒng)投影儀使用的投影屏，甚至是白墻。

圖1 譜分復用立體顯示原理。(a) CMBF的光譜分布圖；(b) 立體投影工作原理圖

2.2 互補式多波段帶通濾光片制備

為實現(xiàn)光譜復用的3D顯示設備，需要制備相應的互補濾光片。依據(jù)薄膜干涉理論，不同光的干涉級次不同，調節(jié)薄膜的厚度可以控制不同頻率的光發(fā)生相長干涉或者是相消干涉，加之光從光疏介質進入光密介質時，光會發(fā)生相位變化，從而通過不同介質在基板上交替疊層，可以設計得到一定頻段的帶通濾光片。在制備互補濾光片時，首先使用Comsol仿真軟件對疊層結構進行仿真，以期濾光片光譜能接近圖1(a)中的分布，獲取相應的參數(shù)后再進行實驗驗證和實際制備。

以Nb2O5和SiO2為沉積材料，采用磁控濺射(HSP-1650)交替沉積兩種材料構成多波段帶通濾波器。薄膜沉積過程中，腔體內(nèi)充斥純氧，交替使用硅靶和鎳靶在玻璃基板(厚0.8 mm)上進行沉積，沉積的第一層為Nb2O5。磁控濺射的環(huán)境記錄如表1。

在表1中，TG2是鎳靶、TG3/4是硅靶，其對應的Power和Ar是為生成對應的氧化物沉積所需要的電壓和氬氣的流速，這兩個參數(shù)影響沉積的速率和穩(wěn)定性。而結合使用ICP(離子束濺射)是為了彌補普通磁控濺射中反應氣體離化率較低、沉積物活性不足的缺點，從而使得制備成品率更高[11]。

2.3 顯示系統(tǒng)設備制備

圖1(b)表明，光譜復用立體顯示系統(tǒng)需要兩對互補式濾光片、兩個常規(guī)的2D投影儀和相應的驅動電路。其中一對濾光片用于覆蓋兩臺投影儀的鏡頭，另一對屬性與前一對相同，用來制作光譜眼鏡。如圖2。

投影儀的參數(shù)由表2給出。

投影儀位置設置和實驗場景實拍由圖3給出。

表1 磁控濺射的環(huán)境記錄

圖2 互補濾光片相關設備制備。(a)，(b) 是由一對切割好的互補濾光片，用來構成圖(e) 中眼鏡的兩塊鏡片； (c)，(d) 為一對覆蓋在投影儀鏡頭的濾光片；(f) 是互補濾光片的相關尺寸和重疊效果

表2 投影器參數(shù)

圖3 實驗場景圖。(a) 投影儀設置方式；(b) 投影屏及部分實驗投影內(nèi)容

兩臺投影儀之間的距離為8 cm，投影屏幕到投影儀的距離為2.5 m，顯示區(qū)域的對角線為70 in(1 in=2.54 cm)。相應的驅動則由圖4給出。

3 實驗和分析

3.1 CMBF的微觀結構

圖5是使用玻璃刀劃開樣本，液氮處理后再進行沉金，最終使用掃描電鏡Nova Nano SEM 230測量得到的微觀結構圖。CMBF的沉積區(qū)域為54 mm′22 mm，大小足夠覆蓋投影儀鏡頭，其沉積厚度分別為4.29 μm和3.50 μm。圖中可以清晰看到CMBF層疊交替的結構，除了最底層為玻璃基板外，其余各層為交替的不同厚度的Nb2O5和SiO2。相應的厚度是在薄膜干涉理論指導下的由Comsol仿真確定。

3.2 CMBF的光譜分析

從圖6中可以看到，在入射角為0°的情況下，CMBF1有三個主要的通帶范圍，分別是450 nm~475 nm，530 nm~560 nm和610 nm~640 nm；而CMBF2的三個主要通帶范圍分別是400 nm~450 nm，500 nm~530 nm和580 nm~610 nm。同時也看到通帶范圍也受到光線入射角度的影響，當入射角度從0°增加到15°時，通帶整體上向左移動，在圖6(c)、6(d)中重疊的部分是造成串擾的主要原因。

物理上藍光波長分布在400 nm~480 nm，綠光波長分布在500 nm~560 nm，紅光波長分布在600 nm~700 nm。結合譜分立體顯示原理中對光譜通帶的要求，這樣的互補式濾光片可以滿足系統(tǒng)要求。

圖4 (a) 驅動電路示意圖；(b) 實際拍攝圖

圖5 CMBF微觀結構圖。(a) 左側CMBF1；(b) 右側CMBF2

圖6 CMBF的光譜圖。(a) CMBF1在入射角0°和15°下的光譜圖；(b) CMBF2在入射角0°和15°下的光譜圖；(c) 在入射角為0°時，CMBF1和CMBF2的光譜圖；(d) 入射角為15°時，CMBF1和CMBF2的光譜圖。光譜由DH-2000-BAL測量

3.3 立體顯示實驗

實驗場景如圖1(b)和圖3所示，實際實驗效果圖如圖7所示。

從圖7中可以看到，圖7(b)、7(d)是通過不同濾光片的實際顯示效果，分別表現(xiàn)出作為原始圖片的圖7(a)和圖7(c)的圖形和色彩?？傮w的顯示效果基本符合譜分復用的設計原理，即透過CMBF只能看到對應的投影儀投射的圖片，從而能夠實現(xiàn)立體顯示的效果。但是圖7(b)和圖7(d)之間存在一定色差，且兩者均存在一定程度的串擾。

圖7 原始參考圖和實驗拍攝圖。(a)，(c) 分別是兩臺投影儀投射的原始圖像；(b)，(d) 分別是相機透過左右兩個鏡片拍攝到的圖像，黃色框內(nèi)為串擾

3.4 顯示色域的測量和分析

使用CA-310分析儀對圖3(a)中的兩臺分別覆有不同互補濾光片的投影儀進行色域測量，并以原始的不帶濾光片的投影儀作為參考。色彩空間采用(CIE，1931)標準，各色域以ITU-R Recommendation BT.2020.(Rec.2020)作為參照對象。該測試使用紅(0，0，255)，綠(0，255，0)，藍(255，0，0)，白(255，255，255)作為測試圖，獲得的色坐標如表3所示。

按照表3繪制出對應的色度圖，半透明黃色區(qū)域標記的是Rec.2020色域，其標準白點坐標標記為D65(0.3127，0.3290)，綠色三角形標記的是CMBF1投影系統(tǒng)色域的范圍，紫色三角形標記的是CMBF2的投影系統(tǒng)色域的范圍，如圖8所示。

可以看出，圖8(b)與圖8(c)存在明顯差異，這是由于兩塊CMBF光譜差異造成的。由圖6可知，CMBF2的紅綠藍三色光譜通帶相比于CMBF1整體上偏向藍光一側，這與圖8(c)的色域相比于圖8(b)偏向藍色是一致的。這也是圖7(b)和圖7(d)之間存在色差，圖7(d)圖像更加偏藍的原因。

后期，我們會在顯示色差方面做進一步的改進?？梢允褂肍PGA對圖像進行預處理，采用數(shù)字圖像矯正的辦法提前消除色差，調整兩臺投影儀的輸入圖像，從而使圖8(b)，8(c)中表征CMBF1和CMBF2的兩個投影系統(tǒng)色域的三角形盡可能重合。

3.5 顯示亮度的測量和分析

亮度測試中，用一片CMBF模擬正常觀看時的鏡片，使用CA-310分析儀模擬人眼。將CMBF置于CA-310探測端頂部，按照圖9(a)標注好的角度逐步旋轉測量，獲得一系列亮度測量值，如圖9所示。圖10(a)表明當左投影儀投射純白圖像，右投影儀投射純黑圖像時(用WB表示)。圖10(b)、10(c)分別是闡述右投影儀投射純白圖像、左投影儀投射純黑圖像(用BW表示)和左投影儀投射純黑圖像、右投影儀投射純黑圖像(用BB表示)的兩種情況。透過匹配的互補濾光片測量到純白圖像的亮度都大于110 nit，而純黑圖像的亮度均小于4 nit。

3.6 顯示串擾的測量和分析

立體顯示設備的串擾計算由下述公式給出：

左眼：

右眼：

表3 各系統(tǒng)的色坐標

圖8 色度圖。三圖中的黃色部分均為Rec.2020標準色域。(a) 紅色標記未覆蓋濾光片的原始投影系統(tǒng)色域；(b) 綠色標記覆蓋CMBF1的投影系統(tǒng)色域；(c) 紫色標記覆蓋CMBF2的投影系統(tǒng)色域

圖9 測試設備及場景的俯視圖(a)與正視圖(b)

其中：WB表示左圖為白，右圖為黑時的亮度；BW表示左圖為黑，右圖為白時的亮度；BB表示左右圖均為黑時的亮度。上述串擾計算需要的數(shù)據(jù)在圖10中以柱狀圖形式給出。計算結果如圖11所示。

可以發(fā)現(xiàn)，該譜分復用的立體顯示系統(tǒng)左眼的串擾小于1.9%而右眼的串擾小于3.2%。其左右串擾的不對稱是由CMBF結構決定的。在圖6(a)、6(b)中我們使用的是平行光測量CMBF的光譜圖，可以看到當入射角度從0°變化為15°時，兩塊CMBF的光譜整體向左移動(即向波長更短的方向平移)。當進行串擾測試，使用投影儀投射出的光束是帶有一定發(fā)散角的(約為15°)，致使在實際使用中，兩塊CMBF的通帶都向左側發(fā)生一定的延伸，使通帶變寬。而整體上由圖6(c)、6(d)可以看出CMBF1的通帶位于CMBF2右側，這樣在非平行光的情況下，CMBF2會更多的受到來自于CMBF1光譜延伸帶來的影響，從而CMBF2的串擾值要大于CMBF1。

4 結 論

根據(jù)譜分復用3D投影系統(tǒng)的相關理論，在普通的2D投影系統(tǒng)基礎上，改進得到一個表現(xiàn)良好的3D投影系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)的相關參數(shù)進行了測量評估，其中平均串擾小于3%，符合立體顯示對串擾低于10%的要求，具有一定的實用價值，但是仍舊不滿足數(shù)字立體放映系統(tǒng)串擾度低于2.5%的要求[12]，需要研制更合適的互補式濾光片來解決這個問題。理想的互補式濾光片應滿足兩個要求：其一，通帶近似方波，擁有陡峭的帶通邊緣；其二，互補的濾光片沒有通帶交疊的部分。在薄膜干涉理論的指導下，將來的工作需要更多的計算機仿真和相應的驗證實驗獲取表現(xiàn)更優(yōu)秀的層疊結構。此外，系統(tǒng)在亮度方面也存在一定的不足，后期可以通過增加投影儀亮度的方式改善。而在色彩校正方面，可通過調整兩臺投影儀的輸入圖像，結合使用FPGA進行色域變化，一定程度上可以解決色偏問題。

圖10 顯示亮度測量。(a) 左投影儀純白，右投影儀純黑亮度測量；(b) 左投影儀純黑、右投影儀純白亮度測量；(c) 左投影儀純黑、右投影儀純黑亮度測量

圖11 系統(tǒng)串擾圖

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A 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter

Qi Liyang, Xu Bin, Wang Yuanqin*

Stereo Image Technology Lab, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210046, China

The principle of spectrum-multiplex 3D display. (a)The spectrogram of CMBF; (b) The principle diagram of 3D projector

Overview:A 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter (CMBF) is proposed in this paper, which enables viewers to gain 3D experience through special glasses. Different from the time-multiplex or the spatial-multiplex system, it is a spectrum-multiplex system using pairs of CMBFs. The three pairs of complementary bandpass of a pair of CMBFs can be designed to cover the three spectrum ranges of RGB individually and in each pair the two bandpass nearly do not overlap. By using the CMBFs, the images from left and right projectors can be divided in spectrum as well. The special glass’s lens is same as the corresponding CMBFs appended to the projector. So, the left image can only be seen by the left eye through the special glasses and vice verse. In this paper, pairs of CMBFs which can meet the principle of spectrum-multiplex system are made and a whole 3D projection system is built from two ordinary projectors. This 3D projection system does not need special screen which is common in a commercial cinema.That’s to say, by adding several CMBF films, common projection system can be adapted in to a 3D one. The system’s spectrum, chromaticity, brightness and crosstalk are also measured in this paper. The spectrum is close to the ideal one, only having a few overlaps which will result in the crosstalk. There are some differences in the chromaticity diagrams between the two CMBFs, which will cause a little chromaticity aberration. This problem can be solved by using FPGA to adjust the input digital images to make the triangle in one chromaticity diagram almost the same as the other one. The brightness is over 110 nits when a pure white image is shown and the brightness is below 4 nits when a pure black image is shown. The left crosstalk is less than 2% and the right crosstalk is less than 3.5%. So the average crosstalk of this system is about 3%, meeting the basic requirement of crosstalk in 3D display which is commonly less than 10%. But the crosstalk of 3D projection in cinema is usually less than 2%. To meet this requirement, an improvement in CMBF’s overlap must be done in the future, such as making a better pair of CMBFs without overlaps in spectrum. Besides, the brightness and color are not good enough in this system but can be improved easily for the reason that the screen in our experiment is just a wall.

Citation: Qi L Y, Xu B, Wang Y QA 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter[J]., 2020, 47(7): 190334

A 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter

Qi Liyang, Xu Bin, Wang Yuanqin*

Stereo Image Technology Lab, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210046, China

A 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter (CMBF) is proposed in this paper, which enables viewers to gain 3D experience through special glasses. Different from the time-multiplex or the spatial-multiplex system, it is a spectrum-multiplex system using pairs of CMBFs. The three pairs of complementary bandpass of a pair of CMBFs can be designed to cover the three spectrum ranges of RGB individually and in each pair the two bandpass nearly do not overlap. In this paper, a 3D projection system is built from two ordinary projectors and its spectrum, brightness and crosstalk have been measured. The average crosstalk is 3%, meeting the basic requirement of crosstalk in 3D display which is less than 10%.

3D display; complementary multiband bandpass filter; projection system; crosstalk

TN27

A

10.12086/oee.2020.190334

: Qi L Y, Xu B, Wang Y Q. A 3D projection system based on complementary multiband bandpass filter[J]., 2020,47(7): 190334

戚李陽，徐斌，王元慶. 基于互補式多波段帶通濾光片的3D投影顯示系統(tǒng)[J]. 光電工程，2020，47(7): 190334

Supported by National Key R&D Plan (2016YFB0401503) and R&D Plan of Jiangsu Science and Technology Department (BE2016173)

* E-mail: yqwang@nju.edu.cn

2019-06-18；

2020-02-11

國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性先進電子材料重點專項資助項目(2016YFB0401503)；江蘇省科技計劃項目(BE2016173)

戚李陽(1995-)，男，碩士研究生，主要從事三維顯示的研究。E-mail：qiliyang1995@163.com

王元慶(1964-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事光學電子和信息處理領域，尤其是傳感器、立體視覺與顯示等方面的研究。E-mail：yqwang@nju.edu.cn