基于光電效應的裸眼3D顯示技術的探究

楊超等

摘 要：為了提高人們對裸眼3D顯示的體驗效果，提出了一種基于光電效應的激光“螢火蟲效應”的裸眼3D顯示方法，主要研究了該方法對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缺點。研究結果顯示，該方法是一種具有研究和實用價值的新方法，并具有可行性。該研究結果為裸眼3D顯示技術的新研究打下基礎，并為激光技術研發和尋找光電材料提出了新的要求。

關鍵詞：裸眼3D顯示技術；光電效應；光電材料；激光；螢火蟲效應

前言

隨著人們生活品質的改善，對色彩和顯示技術特別是3D顯示技術提出了更高的要求。就目前3D顯示技術中，總體分為了眼鏡式3D技術以及裸眼式3D技術兩大類，并以眼鏡式3D技術的偏振式3D技術為主流[1]。但眼鏡式3D技術具有嚴重的缺陷，就是光線經過偏振片過濾之后，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，達不到預期的欣賞效果。此時裸眼3D顯示技術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有細微的不同，根據人左右眼感光細胞的視差成像在視網膜上，大腦會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3D立體特征。目前主流裸眼3D顯示技術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的激光“螢火蟲效應”的裸眼3D顯示方法，從新的角度探索3D顯示技術。

1 理論分析

根據人眼細胞的感光頻率，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3D立體特征，需要解決的基本問題是按照各個物體的結構顯示，那么就需要在具體的物體空間內有可見光進入人眼，而且要符合物體的基本結構。

由于光在介質材料中傳播，其頻率不變，不能將不可見光轉變為可見光，那么在顯示空間內外都是可見光，無法顯示空間物體的基本結構，所以不能直接使用可見光。但是如果采用不可見的激光，并在傳播中與介質材料發生光電效應現象[3]。發生電子躍遷，光子逸出，使光子在合適的可見光頻率范圍內，達到將不可見光轉變為可見光。再對可見光進行顯示控制，使其能夠在空間內顯示出物體，這種方法稱為“螢火蟲效應”。

“螢火蟲效應”是指假設空間內有無數按規則排列整齊的螢火蟲，根據物體的結構特征規則，按規則點亮該空間內的螢火蟲，而規則外的螢火蟲則不點亮；螢火蟲時亮時暗，利用人眼的視覺暫留，由此而顯示出物體結構特征。根據該效應，光電介質材料是空間內按照規則排列整齊的螢火蟲；激光的光電效應產生光子就是點亮螢火蟲，而顯示出物體結構特征就是按照規則發射出激光。因為光電效應的發生是不需要時間，發出激光則點亮，激光停止則瞬間熄滅，所以只要控制好激光發射的時間和位置就可以在空間內顯示物體。

為了提高顯示效果，像素的分辨率是一項重要指標[4]。那么在“螢火蟲效應”原理下，一只螢火蟲，或者說一個光電效應所逸出的光子，就對應一個像素點。以目前技術標準，達到高清1080P畫質，其分辨率為1920×1080PPI，每英寸的像素數為207萬。像素點大小約為3214百萬個/平方米，即激光點大小和出光口大小為3214百萬分之一m2，同時要求光電材料的敏感度為7.56萬分之一m，約為1.3×10-5m，達到了微米級別。具體空間內的像素點越小，則分辨率越高，顯示效果就越好，那么同時對激光點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比

如圖1所示，對排列整齊的光電材料的位置關系建立空間直角坐標系，某個位置點的坐標為（x1，y1，z1），單面激光源中與該位置點對應的激光點坐標為（x1，y1，0）。

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

所以需要在Z方向上光電材料各點的激發特性不一致，其激發頻率隨Z的坐標呈現函數關系f=f（Zi），該函數關系最好是線性的，而且要求其分辨率達到微米級別。由此，（xi，yi，0）點的激光源發出激光的頻率也符合該函數關系f=f（Zi）。

矩陣向量Z=[Z1，Z2，Z3，……，Zn]，該向量上的點亮規則矩陣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上的點是否點亮取決于ZGT=[a1Z1，a2Z2，a3Z3，……，anZn]，若ai取0，則aiZi=0，表示Zi不點亮；ai取1，則aiZi=Zi，表示Zi點亮。綜上，根據ZGT=[a1Z1，a2Z2，a3Z3，……，anZn]內的取值，激光發射頻率f為ZGT矩陣內各個元素對應頻率f（aiZi）的混合疊加。

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

在雙面激光源下，要點亮坐標（x2i，y2i，z2i）發生光電效應，需要（0，y1i，z1i）、（x2i，y2i，0）兩點的激光源同時發出激光。因此即使光電材料激發特性的一致，也能點亮坐標（x2i，y2i，z2i）。但是，由單面激光源可知，因為光電材料的各點激發特性一致，激光頻率給定不變。一個

所以要求只有在（0，y1，z1）、（x2，y2，0）兩點的激光源同時發出激光才能點亮坐標（x2i，y2i，z2i），這就要求光電材料具有雙點激發性。

單、雙面光源優缺點比較：單面光源只需要一面激光源，其功率小，更加節能；但需要激光點發出的激光頻率符合函數f（Zi），并且需要同一激光點發出多個頻率的激光，即多個函數值；同時對光電材料也要求符合這一頻率函數的激發特性，這二者要求難以到達。雙面光源不需要變頻激光，其頻率為定值，容易實現；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；它要求兩點同時發出激光，而且要求光電材料只有在兩點光源的匯交點時，才會被激發。

由此可知，用面激光點點亮立體點，從二維平面點到三維立體點，終究會有一個方向上的信息，不足。只有補充這個方向上的信息才可以點亮特定點。這個信息可以依據光電材料的特性設定，例如上述的激發頻率、雙點激發性，甚至還可以是溫度。這就對激光技術研發和尋找光電材料提出了新的要求。

3 結束語

文章從新的角度探索裸眼3D顯示技術，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呈現3D立體特征。提出了一種基于光電效應的激光裸眼3D顯示方法和“螢火蟲效應”的概念。該方法提出了單、雙面光源“螢火蟲效應”的模型，并進行了點亮“螢火蟲”的規則研究。闡述了各自模型對激光和光電材料在微米級別的制造要求和特性要求，以及各自的優缺點。

參考文獻

[1]張興，鄭成武，李寧，等.液晶材料與3D顯示[J].液晶與顯示，2012（4）：448-455.

[2]王瓊華.3D顯示技術與器件[M].北京：科學出版社，2011.

[3]王慶有.光電技術（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2008.

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

作者簡介：楊超（1992-），男，湖北黃梅，學士學位，本科，機械電子工程專業。

伍世虔（1964-），男，江西贛州，教授，博士生導師，博士研究生，博士，研究方向：圖像處理，模糊邏輯及神經網絡，智能機器人。

戴千（1993-），女，湖北黃梅，學士學位，本科，高分子材料與工程專業。