基于單像素液晶透鏡的自由立體顯示技術(shù)

1 簡(jiǎn)介

　　近來，三維顯示技術(shù)受到了極大的關(guān)注，并有可能在將來帶來一個(gè)可觀的市場(chǎng)。三維顯示依據(jù)實(shí)現(xiàn)方法分為多種，例如：偏振眼鏡法式、頭盔式、障柵式、棱鏡式、體三維、全息立體等等。目前的立體顯示技術(shù)，仍然存在著很多的問題，例如：分辨率不高、串?dāng)_較大、均勻度有待提高等等。正是因?yàn)檫@些問題的存在，目前立體三維顯示器還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

　　在三維立體顯示當(dāng)中，液晶透鏡這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用，主要原因是其具有很高的靈活性，只需要在液晶層控制相應(yīng)的電極的電壓分布，液晶透鏡的折射率分布就會(huì)相應(yīng)的改變，從而對(duì)像素出射光的分布進(jìn)行控制，2D/3D轉(zhuǎn)換大多數(shù)就是利用液晶透鏡來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)液晶透鏡實(shí)現(xiàn)的三維立體顯示的基本原理是利用改變液晶層電極上的電壓分布，使折射率的分布呈現(xiàn)類似于固態(tài)透鏡的分布，控制一組像素出射光的分布，從而達(dá)到三維效果，其缺點(diǎn)是液晶透鏡的盒厚較大，會(huì)導(dǎo)致制備工藝問題，且嚴(yán)重影響切換速度；同時(shí)它仍然會(huì)引起顯示器分辨率的降低。

　　本文中，我們提出了在單個(gè)像素上形成獨(dú)立液晶透鏡的方式，如圖1所示。通過動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)液晶層的電極，使所有屏幕像素發(fā)出的所有光線在某個(gè)時(shí)間指向同一個(gè)視場(chǎng)（例如視場(chǎng)1），在下一個(gè)時(shí)間指向另一個(gè)視場(chǎng)（例如視場(chǎng)N），這樣就可以利用時(shí)序信號(hào)在不降低空間分辨率的前提下實(shí)現(xiàn)三維顯示。

　　本文提出的基于單像素透鏡的三維立體顯示方法，可以解決傳統(tǒng)方式帶來的分辨率降低問題。由于一個(gè)液晶透鏡控制一個(gè)像素的光線，能實(shí)現(xiàn)更加精確的控制，從而能提高3D顯示的串?dāng)_、均勻性等性能。

　　2 建模與仿真

　　2.1 模型的建立

　　本文的模型如圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)是在常規(guī)的LCD面板上方加上一層液晶層來實(shí)現(xiàn)液晶透鏡。

　　2.2 仿真分析

　　由于液晶透鏡與固態(tài)透鏡的等效性，前期仿真時(shí)以球面單像素固態(tài)透鏡建模，光源為瑯勃光源，單像素寬度0.08mm，透鏡焦距選擇1.23mm，可以得到像素發(fā)出的光在觀察面上的分布如圖3（a）所示。由圖可得，其光分布的范圍很寬。這是因?yàn)?，根?jù)模型尺寸，透鏡與對(duì)應(yīng)像素的夾角很小，即像素發(fā)出的角度為180度的出射光線，其中很大部分通過相鄰?fù)哥R出射，從而導(dǎo)致光線分散。當(dāng)減小發(fā)散角到2度，仿真結(jié)果如圖3（b）所示，可以看到光線的分布十分的集中。由此可見，像素出射光的發(fā)散角度對(duì)單像素液晶透鏡立體顯示有著很大的影響。

　　為了便于控制與研究，取單像素液晶透鏡折射率分布為線性分布，光線發(fā)散角為2度。對(duì)于不同視場(chǎng)，單像素液晶透鏡中的折射率取不同的線性分布，以使光線聚焦到市場(chǎng)中心。以此仿真，得到九視場(chǎng)立體顯示器的仿真光強(qiáng)分布如圖4所示。從圖中可知，基于單像素透鏡的三維立體顯示技術(shù)能夠極大的降低串?dāng)_。

　　為驗(yàn)證方案可實(shí)施性，對(duì)液晶層折射率控制進(jìn)行了建模，如圖5所示。其中，電極寬度4um，間隔4um，10個(gè)電極作為一個(gè)單像素透鏡的電極單元，采用ECB驅(qū)動(dòng)模式，其液晶層的配向方向與液晶面板出射光的偏振方向相同。

　　通過仿真，在不同的電極上施加不同的電壓，可以得到液晶層內(nèi)的折射率分布。圖6（a）為某一時(shí)刻液晶層內(nèi)部分區(qū)域的理想的線性折射率分布。當(dāng)在電極上加不同的電壓時(shí)（分別為：6.55V，15.3V，12.74V，11.9V，11.28V，10.73V，10.2V，9.66V，9.12V，8.29V），液晶層折射率分布如圖6（b）所示，與理想的折射率分布近似，因此說明通過此種方式可以實(shí)現(xiàn)液晶折射率的控制，以達(dá)到三維顯示的目的。

　　3 結(jié)論

　　通過上述仿真分析可知，基于單像素透鏡的3D顯示技術(shù)能夠大大地減小3D顯示的串?dāng)_，并可使顯示器解析度無降低。由于此動(dòng)態(tài)液晶透鏡三維顯示的特定使用原理，需要液晶透鏡具有快速切換能力，而本文提出的單像素液晶透鏡，由于透鏡節(jié)距小，液晶盒厚低，有助于提高液晶透鏡的響應(yīng)速度。在本文的仿真結(jié)果中，單像素透鏡三維顯示技術(shù)所要求的像素光線的入射角度很窄，且光強(qiáng)分布有一定的非均勻性。這些可以通過后續(xù)設(shè)計(jì)相應(yīng)背光模塊和優(yōu)化液晶透鏡中的折射率分布來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。