Tracepro在OLED立體顯示設(shè)計中的應(yīng)用

趙百川，吳 非

(成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031)

吳非(1981- )，男(漢族)，河北保定人，講師，碩士，研究方向：光學(xué)工程。

Tracepro在OLED立體顯示設(shè)計中的應(yīng)用

趙百川，吳 非

(成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031)

通過Tracepro光學(xué)軟件對基于視差照明原理的立體顯示系統(tǒng)進(jìn)行建模，設(shè)定光柵常數(shù)及柵屏距離等參數(shù)，模擬顯示器件的幾何光路，來驗證基于視差照明原理的立體顯示器的可行性。實驗顯示奇、偶像素列圖像被成功分離，與視差照明原理的預(yù)期結(jié)果相符。為裸眼立體顯示器的設(shè)計及其立體視覺性能評價提供理論參考。

立體顯示；雙目視差；自發(fā)光二極管；Tracepro

立體顯示在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的意義和可觀的商業(yè)前景。當(dāng)今全球的顯示器市場銷售額達(dá)到數(shù)百億美元，具有立體顯示功能的顯示器價格大大高于相應(yīng)規(guī)格的平面顯示器。立體顯示技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，可以用在廣告、游戲、電視、醫(yī)療、科技、教育、制造、建筑和軍事等諸多領(lǐng)域[1]。常見的實現(xiàn)立體的方式有視差立體、體立體和全息立體。從技術(shù)性能以及可行性角度分析，綜合考慮工藝性和可預(yù)期的未來市場需求，基于視差原理的立體顯示方式是相對現(xiàn)實可行的方法[2]?；陔p目視差原理的三維立體顯示主要有眼鏡/頭盔式立體顯示和光柵式自由立體顯示，是運用視差來實現(xiàn)人眼的深度感覺。眼鏡/頭盔式立體顯示已被視為過時的技術(shù)，但是光柵式自由立體顯示技術(shù)等新一代顯示技術(shù)仍未成熟，還需要在視角、成本、兼容性等方面取得重大突破[3]。在普通液晶顯示器的背光源與液晶面板之間插入一塊視差光柵或者柱透鏡光柵是主流光柵式自由立體顯示器的基本配置。本文就視差光柵式立體顯示進(jìn)行軟件建模和光路模擬，為光柵常數(shù)及柵屏間距的設(shè)定提供技術(shù)參考，也可以作為立體顯示性能的評價手段。

1 基于雙目視差原理的自由立體顯示幾何建模

1.1 雙目視差立體顯示的基本原理

雙目視差是自由立體顯示器的主流方式，關(guān)鍵部件是一塊視差光柵或者柱透鏡光柵，它將2D顯示屏上的奇(偶)數(shù)像素列送入觀看者右眼；偶(奇)數(shù)像素列送入觀看者左眼，而奇、偶像素列分別屬于同一場景的2幅視差圖。

1.2 幾何建模

為了實現(xiàn)右眼只看到2D顯示屏上的奇像素列所構(gòu)成的圖像，看不到2D顯示屏上任何偶像素列；左眼只看到2D顯示屏上全部的偶像素列所構(gòu)成的圖像，看不到2D顯示屏上任何奇像素列，必須正確地配置立體顯示器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(對于2D顯示屏，需要確定像素尺寸、分辨率；對于光柵，需要確定節(jié)距、光柵與顯示面板之間的距離等參數(shù))，以及確定人眼兩瞳孔之間的距離、人眼與2D顯示屏之間的距離等與立體視覺性能參數(shù)之間的關(guān)系，這些是研發(fā)自由立體顯示器、評價立體視覺特性的前提性工作。

光柵式立體顯示器在結(jié)構(gòu)上分為兩大類:1)采用柱面光柵，以荷蘭的Phillips公司為代表；2)是采用狹縫光柵，以美國的DTI公司為代表。此次實驗采用狹縫光柵，在設(shè)計過程中主要考慮狹縫寬度a和擋板寬度b，并通過理論計算得出。

圖1 參數(shù)計算圖

圖2 視差光柵的形成

圖3 立體顯示體統(tǒng)模型示意圖

對于立體顯示器的設(shè)計，人眼兩瞳孔之間的距離以及人眼到2D顯示屏的距離都是重要參數(shù)。人的雙眼距離設(shè)定是否適當(dāng)將直接影響到立體顯示器的觀察效果，甚至決定能否看到立體圖像。本設(shè)計中，將人的雙眼距離設(shè)定為平均水平6 cm。另外，考慮到研究目標(biāo)是中小尺寸的立體顯示器，主要應(yīng)用于手機(jī)屏幕、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)等，因此把人眼到2D顯示屏的距離設(shè)定為20 cm[4-5]。為了計算方便，可以在允許的范圍內(nèi)假設(shè)像素單元是一個200 μm×200 μm的正方形。確定以上3個參數(shù)后，根據(jù)光柵板隙縫柵距與像素尺寸之間的關(guān)系以及人的觀察距離與光柵板和LCD 屏間距的關(guān)系[6]，可以建立坐標(biāo)系來計算視差光柵到2D顯示屏的距離、光柵狹縫寬度和光柵周期，如圖1所示。假設(shè)一個由8個像素單元組成的陣列，圖中視差擋板離2D顯示屏的距離為h，人眼到2D顯示屏的距離為20 cm，人雙眼的距離為6 cm，狹縫寬度為a，擋板寬度為b，通過圖1可知：左眼只能看到偶數(shù)列像素發(fā)出的光線，右眼只能看到奇數(shù)列像素發(fā)出的光線。通過計算可以得到：光柵離2D顯示屏的距離h=1.324 5 mm，a=0.199 mm，b=0.597 mm。

2 仿真模擬

Tracepro軟件采用 Non-Sequential和 Monte Carlo法進(jìn)行光線仿真，對光線進(jìn)行準(zhǔn)確和有效的分析，能夠仿真主流的顯示系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方法相比，Tracepro 在建立系統(tǒng)模型的成本和時間上要節(jié)省很多。本文采用OLED(OrganicLight-EmittingDiode，自發(fā)光二極管)作為平面顯示屏， OLED及其視差光柵均使用Tracepro建模，并利用光線仿真和設(shè)置光線接收面來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。

2.1 OLED器件建模

本文仿真的OLED器件結(jié)構(gòu)為玻璃(0.75 mm)/ITO(100 nm)/TPD(100 nm)/ Alq3(100 nm)/ Al(200 nm)。首先利用Tracepro對OLED器件進(jìn)行繪圖建模。OLED器件尺寸為20 mm×20 mm，然后設(shè)置像素的模型和視差光柵，考慮到像素有一定的體積，將像素單元設(shè)定為尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm的立方體，如圖2所示。

對于人眼模型的設(shè)定，筆者考慮到人眼應(yīng)該在一定范圍內(nèi)都能夠看到立體圖象，因此將人眼模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯螅⑶覍⑷搜墼O(shè)定為一個完全吸收的接收面，如圖3所示。這樣可以通過觀察接收面上光線的分布情況來分析人眼可以觀察到的立體圖形的區(qū)域以及在哪里觀察效果最好等問題。

2.2 仿真分析

仿真的基本原理是：首先，設(shè)定能被右眼看到的奇像素為發(fā)光點，偶像素則沒有光線出射。如果右眼能夠接收到光線，而左眼的接收面上沒有接收到任何光線，則證明奇像素被成功分離而且被成功接收。然后，設(shè)定能被左眼看到的偶像素為發(fā)光點，奇像素沒有光線出射。如果左眼能夠接收到光線，而右眼的接收面上沒有接收到任何光線，則證明偶像素被成功分離而且被成功接收。

將發(fā)光面定義為輻通量為1 W的朗伯光源，將A1設(shè)置為全反射，最后設(shè)置人眼為全吸收面，用作出射光線的接收面。平面顯示屏的混色效果與視角相關(guān), 需要從色度和光強(qiáng)度2個方面進(jìn)行分析。本文主要探討Tracepro在OLED立體顯示設(shè)計中的作用，所以只對綠色OLED進(jìn)行光線模擬。設(shè)置奇像素發(fā)光而偶像素不發(fā)光，通過光線追蹤可以得到人眼接收面的能量分布圖，如圖4所示。Incident rays是接收面接收到的出射光線條數(shù)。Irradiance的出射光線的強(qiáng)度。左眼接收面沒有接收到任何光線，而右眼接收面接收到286條出射光線，即奇像素被成功分離而且被成功接收。

同理，再設(shè)置偶像素發(fā)光而奇像素不發(fā)光，通過光線追蹤可以類似的能量分布圖，即偶像素被成功分離而且被成功接收。至此，以上結(jié)果和理論計算是一致的，證明光線確實被視差光柵分離，因此基于雙目視差原理的立體顯示是能實現(xiàn)的。但是由于OLED器件本身的發(fā)光效率較低，而且本實驗建立的模型還不是很完善，特別是視差光柵對光線的吸收現(xiàn)象比較嚴(yán)重，造成了OLED立體顯示器的發(fā)光效率很低。今后可考慮從提高OLED器件本身的發(fā)光效率和改善視差光柵兩方面來解決。

(a)右眼

(b)左眼

3 結(jié)語

本文通過Tracepro光學(xué)設(shè)計軟件驗證了視差光柵對OLED顯示圖像的分離，并且通過計算機(jī)模擬確定器件的具體參數(shù)。對于一個立體顯示器系統(tǒng)的設(shè)計者，其中一個重要的目標(biāo)是降低獨立視區(qū)間的漏光造成的串?dāng)_問題。柵欄開口率的減小可以大大減少串?dāng)_的機(jī)會。然而柵欄開口率太小勢必影響顯示器的亮度，進(jìn)而影響立體顯示的效果。如何得到一個柵欄開口率與串?dāng)_的平衡，是今后需要解決的問題[7]。

[1] 王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2] 張瑞雪,王元慶,范科峰.自由立體顯示背光系統(tǒng)的設(shè)計[J].照明工程學(xué)報,2012(2):79-82.

[3] 呂國強(qiáng),胡躍輝,張濤,等.立體顯示的現(xiàn)狀、機(jī)遇與建言[J].真空電子技術(shù),2011(5):22-27.

[4] 房慧聰,沈模衛(wèi),李鵬.立體顯示系統(tǒng)設(shè)計中人的因素[J].人類工效學(xué),2004(2):49-51.

[5] 鄒陽,鄧善熙,梁發(fā)云.裸眼立體顯示液晶屏的光學(xué)結(jié)構(gòu)和設(shè)計[J].液晶與顯示,2005(6):81-85.

[6] 黃永剛,劉文文.基于視差照明原理的自由立體顯示幾何建模[J].液晶與顯示,2006(5):177-181.

[7] 吳非.Tracepro在OLED器件模擬中的應(yīng)用[J].真空電子技術(shù),2010(1):65-67.

ApplicationofTraceprointheautostereoscopicdisplayofOLED

ZHAOBaichuan，WUFei

(Communication Engineering Department, Chengdu Technological University, Chengdu 610031, China)

Basic function of parallax illumination is to send pixels in odd or even columns on OLED screen into left or right eyes resulting in separation of two pictures and makes the person who sees them have stereo feeling. The design of a parallax grating is the most important factor when designing an autostereoscopic display which is based on parallax illumination principle. The distance between parallax grating and screen, and the grating constant are key issues. This paper tries to use Tracepro optic design software to realize the simulation of autostereoscopic display's ray path and validate the feasibility of stereoscopic display based on parallax illumination principle. With a given distance between gating and screen and gating constant, it is successful to separate the pictures of odd or even columns.

autostereoscopic display；parallax illumination；OLED；Tracepro

2013-04-08

四川省教育廳科研項目“一維集成成像系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)研究”(13ZB0050)

趙百川(1979- )，男(漢族)，四川通江人，助教，碩士，研究方向：光電子學(xué)。

TN383.1

A

2095-5383(2013)02-0056-03