基于光電效應(yīng)的裸眼3D顯示技術(shù)的探究

楊超等

摘 要：為了提高人們對(duì)裸眼3D顯示的體驗(yàn)效果，提出了一種基于光電效應(yīng)的激光“螢火蟲效應(yīng)”的裸眼3D顯示方法，主要研究了該方法對(duì)面光源激光和光電材料的制造要求，并提出了單面激光和雙面激光的模型及其優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)果顯示，該方法是一種具有研究和實(shí)用價(jià)值的新方法，并具有可行性。該研究結(jié)果為裸眼3D顯示技術(shù)的新研究打下基礎(chǔ)，并為激光技術(shù)研發(fā)和尋找光電材料提出了新的要求。

關(guān)鍵詞：裸眼3D顯示技術(shù)；光電效應(yīng)；光電材料；激光；螢火蟲效應(yīng)

前言

隨著人們生活品質(zhì)的改善，對(duì)色彩和顯示技術(shù)特別是3D顯示技術(shù)提出了更高的要求。就目前3D顯示技術(shù)中，總體分為了眼鏡式3D技術(shù)以及裸眼式3D技術(shù)兩大類，并以眼鏡式3D技術(shù)的偏振式3D技術(shù)為主流[1]。但眼鏡式3D技術(shù)具有嚴(yán)重的缺陷，就是光線經(jīng)過偏振片過濾之后，亮度變暗，容易模糊不清；并且需要觀看者配戴眼鏡，這就給原本就佩戴了眼鏡（如近視眼鏡）的觀看者帶來了不便和十分糟糕的體驗(yàn)，達(dá)不到預(yù)期的欣賞效果。此時(shí)裸眼3D顯示技術(shù)的探究就顯得格外重要。

從立體視覺原理來分析，每只眼睛看到的圖像會(huì)有細(xì)微的不同，根據(jù)人左右眼感光細(xì)胞的視差成像在視網(wǎng)膜上，大腦會(huì)將這些圖像處理成立體視覺效果，而不是真正在物理空間上呈現(xiàn)3D立體特征。目前主流裸眼3D顯示技術(shù)原理主要是這種基于雙目視差的深度暗示[2]。特提出一種基于光電效應(yīng)的激光“螢火蟲效應(yīng)”的裸眼3D顯示方法，從新的角度探索3D顯示技術(shù)。

1 理論分析

根據(jù)人眼細(xì)胞的感光頻率，光按照是否可見，分為可見光和不可見光。二者的頻率范圍不同。研究真正物理空間上呈現(xiàn)3D立體特征，需要解決的基本問題是按照各個(gè)物體的結(jié)構(gòu)顯示，那么就需要在具體的物體空間內(nèi)有可見光進(jìn)入人眼，而且要符合物體的基本結(jié)構(gòu)。

由于光在介質(zhì)材料中傳播，其頻率不變，不能將不可見光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽猓敲丛陲@示空間內(nèi)外都是可見光，無法顯示空間物體的基本結(jié)構(gòu)，所以不能直接使用可見光。但是如果采用不可見的激光，并在傳播中與介質(zhì)材料發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象[3]。發(fā)生電子躍遷，光子逸出，使光子在合適的可見光頻率范圍內(nèi)，達(dá)到將不可見光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽狻Ｔ賹?duì)可見光進(jìn)行顯示控制，使其能夠在空間內(nèi)顯示出物體，這種方法稱為“螢火蟲效應(yīng)”。

“螢火蟲效應(yīng)”是指假設(shè)空間內(nèi)有無數(shù)按規(guī)則排列整齊的螢火蟲，根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)特征規(guī)則，按規(guī)則點(diǎn)亮該空間內(nèi)的螢火蟲，而規(guī)則外的螢火蟲則不點(diǎn)亮；螢火蟲時(shí)亮?xí)r暗，利用人眼的視覺暫留，由此而顯示出物體結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)該效應(yīng)，光電介質(zhì)材料是空間內(nèi)按照規(guī)則排列整齊的螢火蟲；激光的光電效應(yīng)產(chǎn)生光子就是點(diǎn)亮螢火蟲，而顯示出物體結(jié)構(gòu)特征就是按照規(guī)則發(fā)射出激光。因?yàn)楣怆娦?yīng)的發(fā)生是不需要時(shí)間，發(fā)出激光則點(diǎn)亮，激光停止則瞬間熄滅，所以只要控制好激光發(fā)射的時(shí)間和位置就可以在空間內(nèi)顯示物體。

為了提高顯示效果，像素的分辨率是一項(xiàng)重要指標(biāo)[4]。那么在“螢火蟲效應(yīng)”原理下，一只螢火蟲，或者說一個(gè)光電效應(yīng)所逸出的光子，就對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)。以目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到高清1080P畫質(zhì)，其分辨率為1920×1080PPI，每英寸的像素?cái)?shù)為207萬。像素點(diǎn)大小約為3214百萬個(gè)/平方米，即激光點(diǎn)大小和出光口大小為3214百萬分之一m2，同時(shí)要求光電材料的敏感度為7.56萬分之一m，約為1.3×10-5m，達(dá)到了微米級(jí)別。具體空間內(nèi)的像素點(diǎn)越小，則分辨率越高，顯示效果就越好，那么同時(shí)對(duì)激光點(diǎn)大小和光電材料的敏感度的要求也越高。

2 單、雙面激光源顯示模型對(duì)比

如圖1所示，對(duì)排列整齊的光電材料的位置關(guān)系建立空間直角坐標(biāo)系，某個(gè)位置點(diǎn)的坐標(biāo)為（x1，y1，z1），單面激光源中與該位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)坐標(biāo)為（x1，y1，0）。

在單面激光源下，要點(diǎn)亮坐標(biāo)（x1，y1，z1），發(fā)生光電效應(yīng)，需要（x1，y1，0）點(diǎn)的激光源發(fā)出激光。但是若Z方向上的光電材料各點(diǎn)的激發(fā)特性一致，在（xi，yi，0）點(diǎn)的激光源發(fā)出激光后，OZ方向上所有

所以需要在Z方向上光電材料各點(diǎn)的激發(fā)特性不一致，其激發(fā)頻率隨Z的坐標(biāo)呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系f=f（Zi），該函數(shù)關(guān)系最好是線性的，而且要求其分辨率達(dá)到微米級(jí)別。由此，（xi，yi，0）點(diǎn)的激光源發(fā)出激光的頻率也符合該函數(shù)關(guān)系f=f（Zi）。

矩陣向量Z=[Z1，Z2，Z3，……，Zn]，該向量上的點(diǎn)亮規(guī)則矩陣G=[a1，a2，a3，……，an]，其中a1，a2，a3，……，an的取值為0或1。所以矩陣向量Z上的點(diǎn)是否點(diǎn)亮取決于ZGT=[a1Z1，a2Z2，a3Z3，……，anZn]，若ai取0，則aiZi=0，表示Zi不點(diǎn)亮；ai取1，則aiZi=Zi，表示Zi點(diǎn)亮。綜上，根據(jù)ZGT=[a1Z1，a2Z2，a3Z3，……，anZn]內(nèi)的取值，激光發(fā)射頻率f為ZGT矩陣內(nèi)各個(gè)元素對(duì)應(yīng)頻率f（aiZi）的混合疊加。

同理，如圖2所示，光電材料的位置關(guān)系建立空間直角坐標(biāo)系。某個(gè)位置的坐標(biāo)（x2，y2，z2） ，而面激光源1中的坐標(biāo)為（0，y1，z1），面激光源2中的坐標(biāo)為（x2，y2，0）。

在雙面激光源下，要點(diǎn)亮坐標(biāo)（x2i，y2i，z2i）發(fā)生光電效應(yīng)，需要（0，y1i，z1i）、（x2i，y2i，0）兩點(diǎn)的激光源同時(shí)發(fā)出激光。因此即使光電材料激發(fā)特性的一致，也能點(diǎn)亮坐標(biāo)（x2i，y2i，z2i）。但是，由單面激光源可知，因?yàn)楣怆姴牧系母鼽c(diǎn)激發(fā)特性一致，激光頻率給定不變。一個(gè)

所以要求只有在（0，y1，z1）、（x2，y2，0）兩點(diǎn)的激光源同時(shí)發(fā)出激光才能點(diǎn)亮坐標(biāo)（x2i，y2i，z2i），這就要求光電材料具有雙點(diǎn)激發(fā)性。

單、雙面光源優(yōu)缺點(diǎn)比較：?jiǎn)蚊婀庠粗恍枰幻婕す庠矗涔β市。庸?jié)能；但需要激光點(diǎn)發(fā)出的激光頻率符合函數(shù)f（Zi），并且需要同一激光點(diǎn)發(fā)出多個(gè)頻率的激光，即多個(gè)函數(shù)值；同時(shí)對(duì)光電材料也要求符合這一頻率函數(shù)的激發(fā)特性，這二者要求難以到達(dá)。雙面光源不需要變頻激光，其頻率為定值，容易實(shí)現(xiàn)；但兩面激光源，其消耗功率大，是同等條件下單面光源的兩倍；它要求兩點(diǎn)同時(shí)發(fā)出激光，而且要求光電材料只有在兩點(diǎn)光源的匯交點(diǎn)時(shí)，才會(huì)被激發(fā)。

由此可知，用面激光點(diǎn)點(diǎn)亮立體點(diǎn)，從二維平面點(diǎn)到三維立體點(diǎn)，終究會(huì)有一個(gè)方向上的信息，不足。只有補(bǔ)充這個(gè)方向上的信息才可以點(diǎn)亮特定點(diǎn)。這個(gè)信息可以依據(jù)光電材料的特性設(shè)定，例如上述的激發(fā)頻率、雙點(diǎn)激發(fā)性，甚至還可以是溫度。這就對(duì)激光技術(shù)研發(fā)和尋找光電材料提出了新的要求。

3 結(jié)束語

文章從新的角度探索裸眼3D顯示技術(shù)，摒棄了目前主流的雙目視差的深度暗示，而是在物理空間上真實(shí)呈現(xiàn)3D立體特征。提出了一種基于光電效應(yīng)的激光裸眼3D顯示方法和“螢火蟲效應(yīng)”的概念。該方法提出了單、雙面光源“螢火蟲效應(yīng)”的模型，并進(jìn)行了點(diǎn)亮“螢火蟲”的規(guī)則研究。闡述了各自模型對(duì)激光和光電材料在微米級(jí)別的制造要求和特性要求，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]王嘉輝.鄧玉桃.蘇劍邦，等.全高清裸眼3D顯示效果的評(píng)價(jià)與測(cè)量[J].液晶與顯示，2013（5）：805-809.

作者簡(jiǎn)介：楊超（1992-），男，湖北黃梅，學(xué)士學(xué)位，本科，機(jī)械電子工程專業(yè)。

伍世虔（1964-），男，江西贛州，教授，博士生導(dǎo)師，博士研究生，博士，研究方向：圖像處理，模糊邏輯及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，智能機(jī)器人。

戴千（1993-），女，湖北黃梅，學(xué)士學(xué)位，本科，高分子材料與工程專業(yè)。