3D偏振演示實驗

管永軍，金 武，牛小寧

（蘭州大學物理科學與技術學院，甘肅蘭州730000）

1 引 言

3D即“3Dimensions”的縮寫，隨著3D電影《阿凡達》風靡全球，3D成為當下最流行的詞匯，3D照相機、3D顯示器、3D筆記本、3D游戲等3D技術也開始快速發展.3D電影是電影技術發展的革命性成果，它很大程度上提高了人們對視覺藝術的認識水平.3D效果的形成可以有多種途徑，比如紅藍或紅綠雙色眼鏡技術、偏振眼鏡技術、高頻開關眼鏡技術和全息照相技術[1]等.本實驗主要通過線偏振技術演示3D立體效果形成過程.通過演示，讓學生了解和理解3D技術的形成過程.演示涉及光偏振技術、透鏡成像規律、視覺暫留現象等基本光學原理.通過這些原理，清晰闡述3D立體效果的形成條件.

2 實驗原理

由于人的雙眼存在視差[2]，在日常生活中看東西時，2只眼睛看到的畫面是2張稍微有差異的二維圖像，同時進入左右眼的圖像經過大腦的融合，使人感受到三維圖像[3].這就是3D效果形成原理.原理應用應該注意以下幾點：

1）2張二維圖像是左右眼分別看到的圖像，所以2張二維圖像之間的差異很小.

2）要求1只眼睛只能看到某個角度上的1張圖片，1只眼睛不能同時看到2張圖片.這與人眼睛的機理有關，人的1只眼睛只能看到1幅畫面，不可能看到2幅畫面.

3）在現實生活中左眼和右眼看到的畫面幾乎是重疊在一起的.

下面扼要說明如何通過當下比較普遍的紅藍或紅綠眼鏡技術、偏振眼鏡技術和高頻開關眼鏡技術這3種3D電影技術實現3D效果.

紅藍或紅綠眼鏡技術：影片本身色調主要是紅色和藍色，有差異的2幅畫面一幅為紅色，另一幅為藍色，所佩戴的眼鏡片中其中一片是紅色，另一片是藍色，紅色鏡片濾掉藍色只能看到影片中紅色部分，而藍色鏡片可以濾掉紅色看到藍色部分，這樣2只眼睛就能同時看到稍有差異的2幅畫面而形成立體效果[3].這種方法的缺點很明顯，色彩過于單調.

高頻開關眼鏡技術：2臺攝像機拍攝的畫面（左右眼分別看到的畫面）被剪輯整理成交替排列的形式，即左邊攝像機拍的1幀下來接右邊攝像機拍的1幀畫面，這樣一直交替排列.佩戴的眼鏡鏡片由信號控制開與關，放映時當左眼畫面到來時，信號控制左眼鏡片打開，右眼鏡片關閉，當右眼畫面到來時，右眼鏡片打開，左眼鏡片關閉.這樣在開關頻率很高時，由于視覺暫留的原因，而形成立體效果[4].這種方法的缺點是不易控制.

3D偏振電影技術：通過偏振技術使稍微有差異的2幅畫面同時進入眼睛而產生立體效果，影片本身就是由2個攝像機拍的稍微有差異的畫面，2個攝像機相當于分別在左右眼的角度.電影放映時，用2個放映機同步放映，每個放映機前面分別有水平偏振片（或左旋圓偏振片）和垂直偏振片（或右旋圓偏振片），畫面經過偏振片后變為線偏振（或圓偏振）的光線，線偏振（或圓偏振）的畫面經過屏幕反射后經過線偏振眼鏡（或圓偏振眼鏡），使2幅稍微有差異的畫面分別進入2只眼睛而形成立體效果[4].缺點是2個放映機放映時不易做到同步放映.

3 實驗裝置

3.1 實驗裝置結構及器材

實驗裝置如圖1所示，由燈箱、圖片盤、鏡頭、偏振片、金屬幕布和偏振眼鏡等組成.圖片盤上并排放置稍有差異的2張圖片（立體照片）.有一系列這樣的立體圖片纏繞圖片盤一周.圖片盤經過燈箱的圖片窗口被投影出來，2幅畫面經過偏振片后分別形成水平偏振的畫面和垂直偏振的畫面，被屏幕反射后分別通過偏振眼鏡的2個鏡片進入眼睛，從而感受到立體效果.當圖片盤按照一定的速度轉動時，由于視覺暫留原因，就可以演示出同立體電影一樣的效果.

圖1 實驗裝置

3.2 燈箱

燈箱如圖2所示，燈箱內的裝置相當于2個幻燈機，但是2個主光路需有很小的角度，這是因為原理中第3點要求2幅畫面是大致重疊在一起的，兩鏡頭前面各置一水平偏振片和垂直偏振片.

燈箱內部器件有如下要求：

圖2 燈箱

1）用2盞投射燈.因投射燈所發出的光要經過圖片、投影鏡頭、偏振片、屏幕和偏振眼鏡等組件，每經過一個組件都會使光強度減弱，所以投射燈的光強度要求很高，這樣投射出的圖像才會清晰明亮.

2）投影鏡頭的作用是使圖片放大.為了使它能夠將圖片清晰地投影到屏幕上，必須要求屏幕上的像面照度均勻.

為了使投影效果達到最佳狀態，實現像面照度均勻，應該將圖片和聚光鏡L1靠在一起，光源像與成像鏡頭L2重合[5].如圖3所示布置燈箱內各器件位置.

圖3 燈箱內光源、圖片和鏡頭相對位置

3.3 圖片盤

在實驗中，透明圖片放在圖片盤上，如圖4所示.左眼的一組圖片和右眼的一組圖片分別貼到圖片盤上.注意立體照片中的2張圖片所在平面不是重合的，它們的法線之間有很小的夾角.圖片盤可以用程序控制的步進電機帶動，且轉動必須是一停一走，當每幅畫面投影到幕布上時需要停一段時間，這樣才能在屏幕上看清楚畫面，切換畫面的速度須在視覺暫留的允許范圍內，這樣才能形成前后2個畫面的連續.

圖4 圖片盤

3.4 立體照片

立體照片是左右眼分別看到的圖像，是差異很小的2張圖片，是這2張圖片（稱一個單位）在大腦中融合而形成立體效果.如圖5就是2張稍微有差異的圖片.有2個鏡頭的照相機可以在同一時間拍到這樣的立體圖片.具體實驗中，是將圖片打印到專門的投影膠片上，然后將這樣的圖片做成幻燈片的形式，用透射燈將其投影.

圖5 立體照片（源于www.litipai.com）

3.5 偏振片和偏振眼鏡

3D形成原理要求1只眼睛只能看到某個角度上的1張圖片，1只眼睛不能看到2張圖片.因此引入偏振技術[6].燈箱原理圖（圖2）中所示的偏振片一邊是水平的（光經過偏振片以后只有水平方向的振動），一邊是垂直的，所以左右眼看到的2張圖片被投射后，一張以水平振動的方式投影到屏幕上，另一張是以垂直振動的方式投影到屏幕上，經過屏幕的反射進入偏振眼鏡，而偏振眼鏡一邊可透過水平方向的振動，另一邊可透過垂直方向的振動.這樣2張圖片通過各自的通路在同一時間分別進入左右眼，達到1只眼睛只能看到某個角度上的1張圖片，1只眼睛不能看到2張圖片的要求.實驗中為了更好地演示3D形成過程，所用偏振眼鏡是自制的可以調節偏振方向的眼鏡.

3.6 屏幕

屏幕要求能夠很好地反射偏振光，只有金屬幕才能達到這樣的效果.將屏幕制作成細小的曲面形狀，再在其表面涂以鋁粉.金屬幕特點如下：

1）高增益，視角大，高還原性，高均勻性和很好的對比度.

2）適合常光下投影，可徹底消除漫反射普通幕常光下投影時產生霧狀白背景現象.

3）色彩還原好，屏幕圖像清晰逼真，方向性較強，屏幕對光的反射率高.

4）屬于漫反射型幕布，具有良好的光線反射能力.缺點是對觀賞角度有一定的要求，如果在側面觀賞時，圖像會產生畸變.

4 實驗演示過程及現象

1）調節步進電機步進速度.設置步進電機步進速度，分別打開左右側投射燈，開啟電機，不戴眼鏡觀察幕布上的畫面，使每幀畫面達到清晰且畫面之間能夠流暢切換.

2）偏振眼鏡調節.不啟動步進電機，使圖片盤上的某一幀畫面停留在偏振片之前，先打開左邊投射燈，戴偏振眼鏡觀察幕布，調節偏振眼鏡的右鏡片，使右眼看不到屏幕上的畫面；然后打開右邊投射燈，關閉左邊投射燈，使左眼看不到屏幕上的畫面.注意調節偏振眼鏡時頭不要改變位置.

3）靜態3D效果觀察.兩邊燈同時打開，不帶眼鏡觀察，會看到2幅像模糊地重疊在一起；戴上眼鏡觀察（注意觀察位置就在調節好的位置），會觀察到畫面立體效果.然后戴上眼鏡改變觀察位置觀察或者改變水平方向的角度，又會看到2幅模糊畫面，這是由于2幅畫面進入了同一只眼睛的緣故.基于上面原因，現在電影院中都采用圓偏振眼鏡，這樣就不會因為水平方向角度變化而1只眼睛看到2幅畫面，大大提高穩定性.

4）動態3D效果觀察.開啟調節好的步進電機，在靜態時調節好眼鏡的位置觀察幕布，會有立體電影的效果.

5 結束語

目前，3D技術的產業鏈已涵蓋工業、航天、科研、醫療以及互聯網等諸多領域，3D產業與平常百姓生活關系越來越密切.3D教育的意義不僅是國際化的，更是社會化的.3D演示實驗裝置不僅能夠直觀形象地演示3D立體效果的形成過程，而且能夠很好地幫助更多的人去理解3D電影的原理，認識人的眼睛與立體世界之間的關系.

[1] 田宇，呼文來，徐雪楠.半導體激光器拍攝全息圖的研究[J].物理實驗，2010，30（8）：24－26.

[2] 陳振華.光和眼睛[M].北京：科學普及出版社，1958：30－36.

[3] 孫延祿.3D電影新進展[J].現代電影技術，2008（3）：3－6.

[4] 高五峰，李樞平.迅速發展的數字3D電影技術及相關設備[J].現代電影技術，2008（6）：12－16.

[5] 李曉彤.幾何光學和光學設計[M].杭州：浙江大學出版社，1997：203－305.

[6] 竺子民.物理光學[M].武漢：華中科技大學出版社，2009：215－264.