自由立體顯示中的背光系統設計*

張冰清，王元慶，薛亞蘭，曹利群，周必業，李鳴皋*

（1.南京大學電子科學與工程學院，南京 210046；2.中國人民解放軍海軍總醫院，北京 100088）

近年來無論是內容業者，媒介業者，游戲業者還是終端顯示業者競相投入3D顯示技術的研發，3D立體顯示技術已經成為下一代顯示器的主流研發項目之一［1］。如今的立體電影在各大影院已經相當普及，不足之處是觀看者必須佩戴如眼鏡等輔助設備，無輔助的自由立體顯示才是人們追求的目標。目前的自由立體顯示方式主要有以下3種：視差立體、體立體與全息立體。視差立體主要基于立體影像（Stereopsis）原理，使觀看者的左右眼分別且只能看到對應立體圖像對的左右圖像［2］。在顯示背光方面，如何使觀看者看到高分辨率的立體圖像就成了十分重要的研究問題，同時要保證整體屏幕的亮度并有效地利用光源。目前，國內外大部分研究者都通過導光板實現側背光來達到目的［3-4］，并在導光板上增加絲網印刷或者刻畫凹槽的辦法來改變其全反射結構，從而改善出光均勻性［5］，但是我們希望盡可能地利用光能，因此如何盡量全部利用光源、避免漏光就成了一項十分重要的研究課題。

1 系統原理介紹

為了較好地利用光源并盡量減少光損失，我們設計了如圖1所示的光路結構：整體系統由棱柱鏡、平行導光板、三角棱鏡、平面反射鏡、菲涅爾透鏡與增亮膜BEF組成（Brightness Enhancement Film）。核心原理是利用菲涅爾透鏡與增亮膜形成指向性出瞳，同時，為了適應多用戶以及用戶可移動觀看，本裝置還包含人眼跟蹤模塊，人眼跟蹤模塊檢測觀看者的移動和觀看者數目，將此信息以30幀/s的速度近實時地傳遞給背光控制模塊［6］，背光控制模塊隨后做出相應處理，從而形成多個獨立的立體視域窗口。

圖1 系統整體結構

此外，采用分時原理而又不讓用戶觀看時產生閃爍感，LCD刷新頻率不應低于100 Hz，本裝置使用的是明基23寸LCD屏，分辨率為1 920×1 080@120 Hz。

2 各光學元件原理

2.1 棱柱鏡

棱柱鏡的功能是將有一定發散角的光源進行角度壓縮，從而形成近平行光入射進導光板，減少光損失。

2.2 導光板與三角棱鏡

導光板與三角棱鏡則利用光的全反射作用，減小了光能量損失，既起到了將光線在其中多次折轉的目的，也增加了為菲涅爾透鏡成像的光程，使得出瞳質量顯著提升。

2.3 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡PMMA材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。本項目中主要是用來匯聚光線，配合指向性光源，能將光線匯聚到指定位置，滿足公式

其中，u為物距，v為像距，f為菲涅爾透鏡的等效焦距。

圖2 菲涅爾透鏡橫截面

圖3 菲涅爾透鏡成像原理

2.4 掠入射結構

掠入射結構由平面反射鏡、導光板與一層光學膜組成。如圖4所示，光線經由平面反射鏡入射進平行導光板，一部分光通過膜中的微結構后向上射出，剩下一部分光線通過后部的光路結構經過表明的膜發生反射從而被再次利用，同樣經過全反射后向上射出，從而達到了增亮的效果。

圖4 掠入射示意圖

這是此背光系統的一大創新點，既巧妙地改變了光線的傳輸方向，又利用光學原理提高了光線利用率。

3 LED背光控制系統

本系統采用LED陣列作為顯示光源，此光源有兩個作用：（1）確定LED陣列的點亮位置；（2）控制點亮的時序，使之與屏幕亮滅時序一致。該系統采用AVR Atmega128作為控制處理器，其具體實現方法為：單片機通過RS232串口，從人眼跟蹤模塊獲得觀看者眼睛位置信息及觀看者數目，以此確定應該點亮的LED陣列的位置；同時通過外部中斷，模擬合成幀頻信號以控制對應LED陣列的亮滅，進而實現分時顯示［6-7，9］。

LED發光陣列由一排水平排列的高亮度、小尺寸LED以及驅動電路組成，采用共陽極接法，通過控制陰極的高低電平實現LED的亮滅，從而實現了光源的單獨控制，具有尋址性［8］。

圖5所示為LED電路驅動板與燈板實物圖，驅動板采用串行輸入，并行輸出恒流形式，燈板采用鋁基板，目的是為了更好地散熱。

圖5 LED燈板與驅動板

3.1 同步信號與LED發光延時

為了達到同步點亮的目的，需要獲取顯卡每一對左右圖像的幀同步信號，中斷到來時刻，進入點亮控制環節。圖6為提取的120 Hz的幀同步信號，高電平有效，此信號作為單片機的外部中斷來源，單片機的中斷觸發方式為上升沿觸發，并配合適當的點亮延時，就可以實現LED點亮與屏幕時序的吻合［9-10］。

由于采用了120 Hz的刷新頻率的顯示器，所以我們用光電二極管直接測量屏幕的亮滅波形，并通過示波器顯示。圖7中占空比窄的部分為高電平，說明屏幕被點亮，占空比寬的部分為低電平，說明屏幕為暗，由于示波器的余暉作用，導致圖7中所示結果。

圖6 測得屏幕的點亮時序

圖7 單片機中斷與LED時序

4 仿真及實驗結果

在上文中，我們通過理論分析驗證了原理的可行性，下面通過Zemax仿真軟件加以驗證。

4.1 菲涅爾透鏡成像

菲涅爾透鏡可以將入射光進行壓縮，并在適當的位置形成出瞳，仿真結果如圖8所示。

圖8 菲涅爾透鏡成像仿真結果

4.2 掠入射

如圖9所示，左側入射光和從右側反射的光線通過BEF全反射后向上射出，圖10所示為后部反射鏡反射部分入射光的效果。

圖9 掠入射仿真結果

圖10 掠入射后部仿真結果

最終，通過背光控制，可以實現在整個屏幕上得到出光效果，Zemax仿真結果如圖11所示。

圖11 整體仿真光效

4.3 出瞳特性

為了得到滿足寬度的出瞳，需要配合LED的點亮時序與LED點亮的數量。根據菲涅爾透鏡成像規律，物寬L與像寬l的關系滿足

經過棱柱鏡，導光板與菲涅爾透鏡的光束整形，最終在某一距離的到了如圖12所示的出瞳效果。圖12顯示的是在1 m出的出瞳，測得出瞳寬度為20.5 mm，兩個出瞳的中心距離為64.7 mm，滿足人眼的觀看需求，不會使得一只眼睛看到另一只眼睛的圖像。

圖12 出瞳效果

5 結束語

自由立體顯示技術已經成為世界上研究的熱點課題，本文闡述了基于菲涅爾透鏡與BEF的背光顯示系統，通過理論分析與實際仿真，得到了良好的背光效果。

［1］陳玲玲.3D立體顯示技術的現況與展望［J］.中國西部科技，2010，30：38-39.

［2］王元慶.立體電視技術及其現狀［J］.南京大學學報：自然科學，2014，50（3）：361-370.

［3］Xue Y.L，Wang Y.Q.Multi-User Autostereoscopic 2D/3D Switch?able Flat-Panel Display［J］.Journal of Technology，2014：355-360.

［4］Richards W.Stereopsis and Stereoblindness［J］.Experimental Brain Research，1970，10（4）：380-388.

［5］Luo Zhenyue，Cheng Yu Wen，Wu Shin-Tson.Polarization-Pre?serving Light Guide Plate for a Linearly Porlarized Backlight［J］.Journal Of Display Technology，2014，10（3）：208-214.

［6］歐偉明.單片機原理與應用系統設計［M］.北京：電子工業出版社，2009：109-130.

［7］潘啟勇，婁維鴻，鄔正義.基于89C51單片機的環境噪聲測量儀［J］.電子器件，2000，23（2），146-149.

［8］周志敏.LCD背光驅動電路設計與應用實例［M］.北京：人民郵電出版社，2009：11-33.

［9］張瑞雪，王元慶，張兆陽.基于AVR單片機的自由立體顯示背光控制系統［J］.現代電子技術，2011，34（23）：149-151.

［10］吳鵬，陶正蘇，胡宇貞.基于單片機USB接口的PC主機驅動程序和應用程序設計［J］.電子器件，2005，28（3）：612-614.

張冰清（1990-），男，江蘇鎮江人，碩士生，研究方向為自由立體顯示，932546707@qq.com；

王元慶（1963-），男，漢族，博導，教授，研究方向為立體圖像顯示、立體圖像獲取、現代數字圖像處理、無侵擾人機交互，yqwang@nju.edu.cn。