基于障壁和漸變孔徑狹縫光柵的裸眼3D顯示系統設計

上海濟麗信息技術有限公司 劉 紅

1908年，法國物理學家Lippmann首次提出了集成攝影術，運用微透鏡陣列對3維(3D)立體場景進行記錄，根據光路可逆原理，便可重建得到3D圖。集成成像3D顯示具有全視差、連續視點和無需輔助設備等優點，從而受到各國研究人員的廣泛關注。但是，集成成像3D顯示也存在一些缺點與不足，例如：重建的3D立體場景視角窄、分辨率低、記錄和再現過程中存在著空間深度反轉等。為了克服這些問題，研究人員提出了許多解決方法，例如：通過采用狹縫光柵來取代2維集成成像3D顯示中的微透鏡陣列。狹縫光柵的參數設計是1維集成成像3D顯示器結構設計的關鍵之一。但是，在基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示器中，國內外還沒有關于狹縫孔徑寬度的理論研究報道。因此，作者設計了一種新型的狹縫光柵結構，主要是通過對狹縫孔徑寬度的設計和理論計算提高一維集成成像3D顯示的實用價值。并提出了關鍵參數的計算方法。

1.狹縫光柵裸眼3D顯示系統的結構

集成成像3D顯示技術是一種無需任何助視設備的真3D顯示技術。該技術具有裸眼觀看的特點，其記錄和顯示的過程相對簡單，且能顯示全視差和全真色彩的立體圖像，是目前3D顯示技術中的熱點技術之一。集成3D顯示裝置利用了光路可逆原理，通過針孔陣列或者微透鏡陣列將3D場景的立體信息記錄到圖像記錄設備上，生成微圖像陣列，然后把該微圖像陣列顯示于2D顯示屏上，透過針孔陣列或者微透鏡陣列重建出原3D場景的立體圖像。

目前，通過采用狹縫光柵來取代針孔陣列或者微透鏡陣列實現一維集成成像3D顯示可以增加3D圖像的垂直或者水平分辨率

2.狹縫光柵一維集成成像3D顯示關鍵技術

目前的基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置仍然存在觀看視角的缺點，從而限制了它的實際應用。而現有的解決方法有：一是通過減小狹縫的孔徑寬度來增大光看視角，但是同步減小光學效率，降低亮度；二是可以通過減小微圖像陣列中圖像元的數目來增大觀看視角，但是會降低分辨率；表明其實用性不強。由于用戶和市場的新型需求，我們要尋找新型的設計結構及其實現方法。

通過前述得知，集成成像3D顯示采用狹縫光柵技術，其應用受限于兩大關鍵技術指標，一個是分辨率指標，其技術上影響觀看的圖像元多少，效果上反映觀看的清晰程度、逼真程度等等，分辨率越高，清晰度、逼真度更好。另一個關鍵指標則是光學效率指標，其實際上是光通過效率，即透光率，透光率越高，顯示亮度越大。既然，狹縫光柵必須存在，其必然起到在屏前的遮擋作用，勢必要影響到透光率和圖像元數量。

3.漸變孔徑狹縫光柵的設計

為了克服以上的障礙并增強狹縫光柵3D顯示的實用性。在狹縫光柵、分辨率和透光率三者中權衡，找到平衡點，我們進行了無數次的結構改進、測試實驗和理論分析。

圖1 傳統狹縫光柵示意圖

圖1 所示為傳統狹縫光柵結構圖，2為傳統光柵。而我們的技術突破方案是設計出一種新型的狹縫光柵孔徑尺寸結構模型，即漸變孔徑的狹縫光柵。并設計了孔徑寬度的算法，以便于作為實際工藝生產的依據。最終實現能夠在不減小光學效率（顯示亮度關鍵指標）和分辨率（顯示效果關鍵指標）的前提下，實現寬視角的一維集成成像3D顯示的集成成像3D顯示，將能大大滿足用戶的需求，大大提高一維集成成像3D顯示的實際應用性。由于漸變孔徑具有技術創新，所以申請了中國發明專利[1-2]。

圖2 漸變孔徑狹縫光柵示意圖

如圖2所示，4為我們新型的漸變孔徑狹縫光柵。漸變孔徑狹縫光柵包括N列平行設置的狹縫，從光柵中間的一列狹縫開始，到光柵邊緣的一列狹縫結束，各列狹縫的孔徑寬度逐漸增大；N為正整數。

其中，通過使用孔徑寬度從中心到邊緣逐漸增大的漸變孔徑狹縫光柵取代傳統如圖3所示的孔徑寬度不變的狹縫光柵，再配合以隔離相鄰圖像元的障壁，從而使得顯示效果在不減小光學效率和分辨率的前提下，實現更寬視角的一維集成成像3D顯示。

4.漸變孔徑狹縫光柵的關鍵參數算法

如圖1所示，1為普通2D顯示屏，3為障壁，障壁設置在相鄰兩個圖像元之間，從而將相鄰的圖像元分隔開來。圖像元個數與漸變孔徑狹縫光柵中狹縫列數相同，均為M個和M列，漸變孔徑狹縫光柵上第i列狹縫的孔徑寬度Wi由以下公式[1]計算得到：

其中i是小于或等于M的正整數，p為漸變孔徑狹縫光柵中單個狹縫的節距，l為觀看距離，g為2D顯示屏與漸變孔徑狹縫光柵的間距，w為位于漸變孔徑狹縫光柵中心位置的狹縫的孔徑寬度，由此，可以精確計算出狹縫光柵的孔徑。

依據圖2所示，我們可以理論上依據公式[1]計算出可視角度θ′：

由上述計算可視角度θ′的公式可以看出，我們所設計的漸變孔徑狹縫光柵一維集成成像裸眼3D顯示設備的觀看視角僅僅與光柵自身之間的節距p、中心位置狹縫光柵的孔徑寬度w和光柵至2D顯示屏間距g有關。其中，與狹縫的孔徑寬度成正比；與光柵至2D顯示屏的間距成反比；而與微圖像陣列中圖像元的數目無關，也與微圖像陣列中圖像元的數目無關。

5.狹縫光柵的工藝技術簡介與分析

眾所周知，狹縫光柵是相對比較成熟的光柵，因為制作狹縫光柵比較簡單，技術難度不大。以液晶屏為例，實現方法是使用一個開關液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向為90°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過它們的光就形成了垂直的細條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術正是利用了安置在背光模塊及LCD面板間的視差障壁。通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3D影像。

然而，采用這種技術的屏幕亮度偏低，影響分辨率且可視角度偏小，只能在一個合適的角度和位置才能有比較好的視覺效果。我們研究的漸變孔徑狹縫光柵正好從技術上突破，很好的解決了亮度（光學效率）、分辨率和可視角度均衡的問題。

因此，漸變孔徑狹縫光柵保持了成本優勢和制造工藝簡單的優勢，同時兼顧和優化了亮度、分辨率和可視角度的關系，將大大利于該裸眼3D顯示方案的產業化推廣。

6.總結

裸眼3D技術首先處于政策推動的前沿，同時處于行業用戶與消費者認知提升的關鍵階段。2016年底，國務院正式發布“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃，裸眼3D被列入規劃的第六章節“促進數字創意產業蓬勃發展，創造引領新消費”，文中提出加強內容和技術裝備協同創新，在內容生產技術領域緊跟世界潮流，在消費服務裝備領域建立國際領先優勢， 提升創作生產技術裝備水平，加快裸眼3D等核心技術創新發展。對3D產業而言，這是行業發展史上的一次重大標志性事件，是政策引導的裸眼3D產業發展的風向標。運用新技術，我們已經成功打造了國內多個仿真、規劃場館的大型裸眼3D顯示系統行業案例。隨著客戶需求的不斷提高和市場引導，我們必須不斷創新，不斷開發和利用最新的技術，改進我們的設計，盡可能滿足用戶在視覺技術上的新需求。經過前瞻產業研究院專業市場研究分析，在可以預見的未來3—5年里，裸眼3D產業將迎來快速發展期，全球市場規模將達到近千億美元市場，年復合增長率將超過10%，市場滲透率將達到50%以上。因此，我們必須充分發揮自身優勢、推陳出新，不斷研究開發出適合于時代發展潮流的世界領先的技術產品，這樣才能更好的推動整個裸眼3D顯示產業的健康發展。

[1]劉紅.基于障壁和漸變孔徑狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置[P].中國發明專利授權號ZL201610039136.2.

[2]劉紅,顧偉,鄒芳芳,羅亮,朱傳香.一種漸變節距針孔陣列的集成成像3D顯示裝置[P].中國發明專利授權號ZL201610511000.7.