自動立體液晶顯示技術研究_圖文

1、合肥工業(yè)大學碩士學位論文自動立體液晶顯示技術研究姓名:鄒陽申請學位級別:碩士專業(yè):精密儀器及機械指導教師:鄧善熙20050401 插圖清單吲11三維顯示的分類.圖21視網(wǎng)膜上形成視差.圖2-2在現(xiàn)實世界中的觀察和在理想的平面顯示中的觀察.圖23視差照明原理.圖24視差障原理.圖25視順序顯示光學原理.圖3一l具有多光源的背光系統(tǒng).圖32具有導光板結構的背光系統(tǒng)闊33顯示屏系統(tǒng)的總體結構示意圖.圖34背光板結構.圖35一對像素列被照明.圖36光路計算示意圖一.圖37光路計算示意圖二.圖38光路計算示意圖三.圖3-9平行光源.圖3一lO顯示屏上顯示的圖像示意圖.圖311光學模擬示意圖.圖312漫射

2、照明時的像.圖313平行光照明時的像.圖4一l顯示屏前面形成的視區(qū)示意圖.圖4-2液晶顯示原理.圖43透射式液晶屏.圖44普通液晶顯示器的背光系統(tǒng).圖45視差柵板.圖46數(shù)字驅動系統(tǒng)框圖.圖47軟件立體驅動模式.圖48基于視差障柵原理的自動立體顯示器樣機.圖6一l CCD測光原理.圖62(a顯示屏上顯示的矩形(b顯示屏上像素的分布圖63自動立體顯示立體對比度檢測裝置.圖64攝像頭在距顯示屏700ram、2度位置拍攝的國外進口的自動立體顯示器檢測圖像的RGB值圖65位于距顯示屏700mm、2度位置拍攝的國外進口的自動立體顯示器檢測圖像的RGB分量的每行立體對比度圖6-6位于距顯示屏700ram、

3、7度位置拍攝的國外進口的自5253o9m¨”M一!|!|一一¨一一一一¨一一¨一一一一一一一一一一¨一一一一一一一一一一一一一一一一一一; 圖23:視差照明原理體圖像對,產生深度感知。視差照明亮線的形成,即特制背光板的是實現(xiàn)DTI的視差照明技術的關鍵。到2002年為止,DTI的視差到了以下一些實現(xiàn)方法8q11:運用多光源,再用透鏡聚焦形成很細用單或雙光源,再用光導(光導的形式有很多傳光、透鏡匯聚形線:運用微加工技術制作旋光性不同的狹繾實現(xiàn)很細的亮線;運用旋光性和偏振片配合形成很細的亮線。具有實現(xiàn)二維,三維顯示的轉是DTI視差照明技術的特點。其中

4、主要的實現(xiàn)方法有:光源用導軌或通過光源位置的改變使光進入不同的介質:背光板位置的改變使透不匯聚光;漫反射板在施加電壓時呈漫射狀態(tài),而在無電壓時是透方法中的一些只能實現(xiàn)整個顯示面積的二維,三維轉換,而另一些方部分二維/三維的轉換。即顯示面積的任意部分用二維顯示模式而其維顯示模式。根據(jù)觀察者位置的不同顯示不同視角的高分辨率圖示技術的發(fā)展方向。實現(xiàn)這項功能的方法有超聲波定位、紅外定前面提到的頭跟蹤型。此外,DTI技術中實現(xiàn)了使用多套亮線與示配合,利用人眼的視覺暫留原理實現(xiàn)全分辨率顯示和多視區(qū)顯示要求液晶屏有很高的刷新頻率和更加復雜的電路控制。原理簡單、果不錯、重象少是DTI的視差照明技術的優(yōu)點。但要

5、想用這項技術察者同時觀看、多維和移動視差效果存在技術難點。DTI的視差照當前最成熟的自動立體顯示技術之一已經(jīng)很難在技術原理方面有所的、能有所創(chuàng)新的是它的實現(xiàn)方法。隨著加工技術和材料技術的發(fā)利用視差照明實現(xiàn)的立體顯示效果將不段完善。理想情況下要求照零寬度且精確定位,如果實現(xiàn)微米級甚至納米級的線光源。那么視顯示的結構將得以簡化、顯示效果將得以很大提高。視差照明立體能使用透射式的顯示源,現(xiàn)在液晶屏最符合條件。所以液晶屏的性 屏的像平面位于透鏡的焦平面上。在每個柱透鏡下面的圖像的像素子像素,這樣透鏡就能咀不問的方向投影每個子像素,雙眼從不同顯示屏就看到不同的子像素。但同時像素間的間隙也被放大了,因的疊

6、加子像素,而使一組子像素交叉排列,這是PHILIPS的一個創(chuàng)的另一個改進是讓柱透鏡與像素列不是平行的,麗是成一定的角度為了使每一組子像素重復投射視區(qū),而不是只投射一組視差圖像。§2.3.4微數(shù)字鏡面投射技術牛津大學和麻省理工學院對三維顯示技術都研究得較早,并取破性的進展。最近兩校強強連手進行的視順序立體顯示技術的研究人們的極大興趣,給予了很高的期望。這種視順序自動立體顯示器在不同的位置觀察不同的圖像,并能實現(xiàn)運動視差。不象很多運用差障技術的立體顯示器,視順序技術使用時分多用的原理實現(xiàn)不犧蔓維效果。但視順序顯示器的光路設計要求長光路,因此難以實現(xiàn)近這個研究小組推出了一種運用德州儀器公司

7、的數(shù)字微鏡面裝置動立體顯示器【17】【”1,光路如圖25。 圖25:視順序顯示光學原理美國辛辛那提大學也在進行運用數(shù)字微鏡面實現(xiàn)自動立體顯示 (b圖3-4背光板結構(a局部截面圖,(b局部軸測示意圖重合,背光板的上表面不同斜率的斜槽根據(jù)所在位置偏轉每一部分的微小角度,如圖35所示。 圈3-5一對像素列被照明望:等掣jf:.pL+rap-dm 如圖36,由相似三角形OGE與OHC可得,P,n+,dP又由相似三角形OIA與OHC可得,生P志;七=焉1+m1+m把(32式代入(31式得到(33式,下表面的微凹透鏡由式(3-3決定七:pL+m:p-一d 發(fā)所需的時間。ASAP藉由使用指令來指示光線如何

8、與系統(tǒng)對象交互作用,來交互作用的物理現(xiàn)象。結果是一組非常明了的仿真和分析功能,一種系統(tǒng)類別或是工業(yè)的分類上,足以處理更多的光學系統(tǒng)仿被全球很多的工程師和物理學家應用在很多不同的工業(yè)界領域。§3.3.2自動立體顯示系統(tǒng)的光學模擬根據(jù)設計,整體背光系統(tǒng)截面如圖33所示。成功地在AS 基于這種背光板的立體顯示。ASAP以其快速的光線追跡、高度靈準確的預測光學系統(tǒng)性能等優(yōu)點著稱。使用35×70陣列的透光和不透光的0.6ram×0.6mm的像素小方屏,如圖310所示。這樣的顯示屏相當于只能顯示二值黑白圖像是兩個三角形用奇偶像素列交叉排列,如圖3一lO所示。折射式背數(shù)為m=1

9、.2mm,F1.6mm,k=-0.8mm,n=1.5,伍l、a,alt在0.2。與3具體數(shù)值由式(38決定,參見圖34。根據(jù)人眼的瞳孔距約6對理想凸透鏡模擬人眼,并設置了一對接受平面120J,如圖311。確定了背光系統(tǒng)的幾何參數(shù)后,要想精確模擬這樣的光學系統(tǒng)光板和顯示屏介面折射率和反射率是不夠的,必須考慮到界面的散中,必須讓背光板具有一定的散射性質才能實現(xiàn)基于這種背光板的立因為使用平行光照明,通過微柱凹透鏡發(fā)散的光照明像素列時,假雙眼位于顯示屏的中間位置,這樣觀察耆只能接受到屏幕中間行部 圖3一10顯示屏上顯示的圖像示意圖就是只能看到顯示屏的中間行顯示的立體圖像。所以背光板的上表垂直方向散射光

10、的能力,但同時水平方向不能散射太大的角度,否能看到右眼的圖像,右眼能看到左眼的圖像,實現(xiàn)不了立體顯示。觀察距離和人雙眼的瞳孔距相對于像素的間距是很大的,因此只要常折射光線成一個很小的空間角就可以同時滿足;水平方向散射的過左眼圖像的光到達右眼、通過右眼圖像的光到達左眼;而垂直散右眼都能看到上下部分的像素。幸運的是,一般的拋光光學表面都樣的性質。因此選擇既符合實際材料和加工條件的散射模式,又能立體顯示效果的散射模式是一個需要特別注意的關鍵問題。功能強大的ASAP提供了豐富的散射模式,還能實現(xiàn)基于用戶自定義模式。AsAP的散射模型是基于BSDF(Bi-DirectionM Scatte Functi

11、on一-方向散射分布函數(shù),ASAP中的BSDF是一個完全的基于模型1211。因此只需要光線的入射角和散射角就能決定BSDF。其散射模型適合模擬拋光的光學表面透射散射光主要靠近折射光線分能很好實現(xiàn)本立體顯示的背光板的上表面的散射角和強度分布的要粼粼12是用朗伯漫射光直接照明顯示屏時,追跡30萬條光線后兩接受平左槐區(qū)像右褪區(qū)像(a (b圖312漫射照明時的像:a為散點圖。b為光強分布圖直麓囂右瓤區(qū)(a (b圈313平行光照明時的像:a為散點圖,b為光強分布圈§3.4本章小結從光學模擬中可以看出,通過本文作者設計的折射式背光系統(tǒng)體顯示,得到的左右眼圖像是完整的,幾乎沒有雜光的。這種新型能很

12、好地實現(xiàn)單用戶、單立體視區(qū)自動立體顯示,具有能適應不同式顯示屏、串擾少、光效高和亮度高的優(yōu)點。實現(xiàn)基于此設計的自樣機是進一步工作。哪只眼睛能看到液晶顯示屏上的哪些像素就由這些視差障柵來控制眼看到的圖像顯示在液晶屏上時,不透明的條紋會遮擋右眼看到它陔出右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時,不透明的條紋會遮擋左眼果把液晶視差障柵開關關掉,顯示器就能成為普通的二維顯示器。原理的方法用在自動立體顯示上有著悠久的歷史,在電子顯示時代們就已利用照相技術實現(xiàn)過。把具有黑白線條的液晶屏和一個成像合實現(xiàn)自動立體顯示的主要難題是這樣的合成不能使兩層充分的靠像困難。使狹縫視差障柵層與圖像層的像素充分的接近能大大地提質量,

13、并使觀察者能更接近地觀看立體圖像,使顯示器更加緊湊。利用這種原理實現(xiàn)的自動立體顯示在顯示屏前面的空間形成視區(qū)空間,如圖4一l所示。觀察者觀賞畫面時必須處于最適當?shù)木蜁邮懿坏嚼硐氲牧Ⅲw圖像。 圖4一l顯示屏前面形成的視區(qū)示意圖如果左眼在右眼視區(qū)接受到右眼圖像,右眼在左眼視區(qū)接受到左就會形成不正常的負立體效果?？傊?立體圖像觀察者必需固定在位置才能接受到理想的立體圖像對。光。它顯示圖案或字符只需很小能量。正因為低功耗和小型化使液較佳的顯示方式。液晶顯示所用的液晶材料是一種兼有液態(tài)和固體有機物,它的棒狀結構在液晶盒內一般平行排列,但在電場作用下列方向,如圖42所示。液晶顯示按液晶分子的工作方式分類

14、, (ThinFilmTransistor簿片式晶體管型、TN(TwistedNeumatic扭和sTN(SuperTwistedNeumatic超扭曲向列型三大類。 圈42:液晶顯示原理TFT薄片式晶體管型的液晶顯示器較為復雜,主要的構成包括:導光板、偏光扳、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶首先液晶顯示面板必須先利用背光源,也就是熒光燈管投射出光源會先經(jīng)過一個偏光板然后再經(jīng)過液晶,這時液晶分子的排列方式進液晶的光線角度。然后這些光線接下來還必須經(jīng)過前方的彩色的濾塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出度與色彩,并進而能在液晶面板上交化出有不同深淺的顏色組合了。T

15、N扭曲向列型的液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的它種類的液晶顯示器也可說是以TN型為原點來加以改良。不加電場入射光經(jīng)過偏光板后通過液晶層,偏光被分子扭轉排列的液晶層旋液晶分子的排列。使其分子棒進行扭轉,光線便無法穿透,進而遮STN超扭曲向列型的顯示原理與TN相類似,不同的是TN扭效應的液晶分子是將入射光旋轉90度,而STN超扭轉式向列場效光旋轉180-270度。要在這里說明的是,單純的TN液晶顯示器本兩種情形(或稱黑自,并沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶液晶材料的關系,以及光線的干涉現(xiàn)象,因此顯示的色調都以淡綠主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片(color 將單色顯示

16、矩陣之任一像素(pixel分成三個子像索(sub.pixel彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色,再經(jīng)由三原色比例之調和,也全彩模式的色彩。另外,TN型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越對比度就會顯得較差,不過藉由STN的改良技術,則可以彌補對比況。經(jīng)過比較分析TFT透射式液晶顯示屏最適合作為自動立體顯示如圖43所示。立體圖像對顯示在對應的像素上。§4.2.2背光系統(tǒng)圖43透射式液晶屏 對于一般的普通二維顯示用途,使用非發(fā)光顯示器件液晶圖44普通液晶顯示器的背光系統(tǒng)背光源從其結構大致分為正下方型和側燈型。后者是在液晶面置導光扳,在導光板邊緣設置光源,用導光板射出的散射光照亮液下方型可以設鼉很多

17、光源。因此,很容易達到亮度高,但薄型化很通過把導光板做得很薄,可以實現(xiàn)背光源的溥型化,但光源設置空間很難實現(xiàn)高亮度和大型化。視障柵板是基于視差障柵原理的自動立體顯示器的關鍵部件所示。根據(jù)建立的視差立體顯示匹配的雙目視覺模型,以及相關參計算和仿真結果,設計并制造了微視障柵板。該視差障柵扳被放在和液晶屏之間a每個光學部件的精確定位是該項技術的關鍵。視差直微視障條紋,實現(xiàn)左右眼圖像的分離。 圖45視差柵板視差柵板的垂直條紋加工需要一定的精度。如果需要實現(xiàn)一般模式,就需要視障柵板具有通斷功能。在一般二維顯示模式時,視 圖48基于視差障柵原理的自動立體顯示器樣機安裝完成后,進行了視差障柵的調試以及立體顯示轉換電路的整體調試表明這臺樣機的立體顯示效果達到了預期的要求。§4.4本章小結視差柵板遮蔽光線實現(xiàn)左右眼立體圖像對的分離,同時也損失線,從而顯示屏的亮度降低了。為此應該進一步提高背光源的亮度在立體顯示中,尤其是自動立體顯示中,光線串擾引起重像的是影響立體感知的主要因素。即使在最佳觀察位置也存在一定的光的重像問題。這種重像問題主要表現(xiàn)方式是屏幕不同位置的重像程例如,當屏幕中央位置的左右眼圖像得到很好的分離時,屏幕四個像的分離不夠完全。對于一個立體顯示系統(tǒng)的設計者