狹縫光柵開口率與裸眼3D顯示串?dāng)_之間的關(guān)系

武延兵，李新國，董友梅，薛建設(shè)，張 興，王 漪，魏 偉，朱勁野

(1.北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京 100871；2． 京東方科技集團股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著顯示技術(shù)的迅猛發(fā)展，3D顯示也獲得了一波又一波的發(fā)展契機。雖然在TV應(yīng)用領(lǐng)域，不論shutter glass 3D還是FPR (film pattern retarder, 薄膜式圖案化相位差板)3D都在一度興起后，市場滲透率又大幅下跌。而裸眼3D顯示在主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展一直差強人意[1]。但是，在公共顯示等領(lǐng)域，裸眼3D顯示產(chǎn)品憑借其新鮮感、震撼的視覺效果仍然占有了一席之地。相信裸眼3D顯示在展覽展示、教學(xué)、游戲等領(lǐng)域會有更為廣闊的市場應(yīng)用。

裸眼3D的原理是“視差產(chǎn)生立體”，即通過透鏡光柵、狹縫光柵、指向性背光等光學(xué)器件，將顯示屏幕上的左眼圖送入觀看者的左眼，將右眼圖送入觀看者的右眼，從而使觀看者獲得3D視覺[2]。在常用的光學(xué)器件中，狹縫光柵(也叫視差障礙技術(shù)[3])是最常見的一種，它原理簡單、制作容易、成本低廉[4]，是研究裸眼3D顯示的重要方法。狹縫光柵可以分為兩種，一種是黑白條紋都是固定的，不可變化；另外一種是黑白條紋是可變化的，我們稱之為活動式狹縫光柵(active barrier)。

相比普通的2D顯示，3D顯示有許多新的評價維度，例如：景深、3D串?dāng)_、死區(qū)、3D摩爾紋等等。而其中3D串?dāng)_是最為重要，也是最為復(fù)雜的參數(shù)之一。3D串?dāng)_對于3D景深、3D顯示質(zhì)量，以及觀看者的視覺疲勞都有至關(guān)重要的影響[5]。所以3D串?dāng)_是3D產(chǎn)品設(shè)計和評價的重要考量因素之一。本文就通過實際測試，驗證了狹縫光柵開口率和3D串?dāng)_的關(guān)系。尤其是使用了開口率可變的狹縫光柵器件，通過電壓控制其開口率，同時確保其他參數(shù)不變，測試了其對應(yīng)的3D串?dāng)_。

2 3D串?dāng)_的測量方法

本文所采用的3D串?dāng)_方法參照中華人民共和國工業(yè)和信息化部于2016年10月發(fā)布的《裸眼立體電視圖像質(zhì)量測試方法》[6]，但為了更嚴(yán)格地表征3D串?dāng)_，我們根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，進行了微小修正[7]。測試步驟如下：

(1)將亮度計置于裸眼3D顯示裝置的理想最佳觀看距離點處(設(shè)計值)，鏡頭對準(zhǔn)屏幕中央，本實驗中亮度計采用的是CS200；

(2)將第一視圖置為全白畫面而將其他視圖置為全黑畫面[8]；

(3)亮度計以屏幕中央為圓心，以理想最佳觀看距離為半徑，繞屏幕水平旋轉(zhuǎn)，進行亮度測試。測量步長為1°, 測試的角度范圍為屏幕法線兩邊各45°，如圖1所示。

圖1 亮度測試平臺Fig.1 Brightness measurement device

(4)將第N視圖置為全白畫面，其他視圖置為全黑畫面，重復(fù)第二、三步操作，測試出第N個視圖的亮度曲線。并且不斷重復(fù)第二、三步操作，獲取所有視圖的亮度分布曲線，如圖2所示。

圖2 白光亮度分布曲線Fig.2 Brightness distribution curve

(1)

3 實驗1:固定式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置的3D串?dāng)_

2D面板采用BOE生產(chǎn)的256 mm(10.1 in) ADS面板，分辨率為1 280×800, 亞像素尺寸為0.056 5 (H)× 0.169 5 (V) mm。

狹縫光柵采用LCD工廠的黃光工藝制作。然后將狹縫光柵與2D面板做手動對位貼合，完成裸眼3D顯示裝置的裝配。裝配完成后，測試每一個樣品的3D串?dāng)_。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 固定式狹縫光柵測試結(jié)果Tab.1 Measurement result of fixed parallax barrier 3D display

從上面兩組數(shù)據(jù)可以看出，不論是2視圖還是4視圖，3D串?dāng)_的確隨著光柵開口率的增加而增大。

但是，我們也發(fā)現(xiàn)，4%～2%的開口率的差距帶來的3D串?dāng)_的差距其實只有0.23%～1.93%。這么微小的差距究竟是來自于狹縫光柵的開口率，還是來自于2D面板的個體性差異？或者來自于我們在手工操作中，狹縫光柵和2D面板的對位誤差？

為了更明確地證實這個規(guī)律，我們進行了實驗2。

4 實驗2:活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置的3D串?dāng)_

本實驗采用了活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置。其中2D面板采用和實驗1中相同的BOE的256 mm(10.1 in)ADS面板?；顒邮姜M縫光柵采用TN 盒的技術(shù)來制作。即兩片玻璃基板上設(shè)置透明電極，并且刻蝕成條紋狀，該條紋寬度對應(yīng)狹縫光柵的遮光條紋的寬度，條紋和間距的寬度對應(yīng)狹縫光柵的pitch。在兩片玻璃基板上設(shè)置有趨向?qū)樱谄渲虚g設(shè)置有一定厚度的液晶層。在其外側(cè)設(shè)置有偏光片。這樣，當(dāng)不加電時，他是全透明的，當(dāng)給條紋狀透明電極加電時，對應(yīng)的部分就會變成不透明狀態(tài)，從而起到狹縫光柵的工作。同時，這樣的器件，可以通過加大電壓的方法，在一定范圍內(nèi)，改變條紋寬度。見圖3。

活動式狹縫光柵的光學(xué)設(shè)計參數(shù)包括：采用2視圖設(shè)計; 相對底邊，光柵條紋傾斜角度為71.43°；設(shè)計柵距為0.112 9 mm；設(shè)計開口率30%。活動式狹縫光柵和2D面板的裝配采用手工周邊貼合的方法。活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Active barrier 3D display device structure

圖4 不同電壓下的開口寬度Fig.4 Widths of transparent area at different voltages

對同一片活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置，改變其活動式狹縫光柵的電壓，就可以改變其開口率。如圖3所示，當(dāng)工作電極持續(xù)增加時，液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)的區(qū)域就會更寬，從而使黑色區(qū)域的寬度增加，最終降低開口率。圖4模擬了在4，8，15 V時的開口寬度。

然后針對同一片活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置，改變其活動式狹縫光柵的電壓，測試其亮度和3D串?dāng)_，如表2所示。

從以上實驗結(jié)果可以看到，對于該裸眼3D顯示裝置，它擁有同一片2D面板，具有同樣的貼合狀態(tài)，可以認(rèn)為只有狹縫光柵的開口率發(fā)生了改變，我們可以清晰地看到3D串?dāng)_隨著電壓的增加，開口率的增加而增大。

表2 2視點活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置的3D串?dāng)_Tab.2 2-view 3D crosstalk of active barrier 3D display at different voltages

然后采用4視圖設(shè)計制作活動式狹縫光柵： 相對底邊，光柵條紋傾斜角度為71.43°；柵距為0.225 6 mm；開口率為20%。活動式狹縫光柵和2D面板的裝配采用手工周邊貼合的方法(圖3)。測試其不同電壓下的3D串?dāng)_，得到表3。

從表3可以看到，4視圖的活動式狹縫光柵裸眼3D顯示器也展示出了相同的規(guī)律。隨著驅(qū)動電壓的升高，活動式狹縫光柵開口率持續(xù)降低，而3D串?dāng)_則隨之降低。

表3 4視點活動式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置的3D串?dāng)_Tab.3 4-view 3D crosstalk of active barrier 3D display at different voltages

5 結(jié) 論

本文通過實際測試開口率不同的固定式狹縫光柵裸眼3D顯示裝置的3D串?dāng)_，初步驗證了開口率越大，3D串?dāng)_越大的規(guī)律。

為了排除諸如2D顯示面板之間的個體差異，和狹縫光柵貼合時的操作誤差等因素對3D串?dāng)_造成的影響。本文通過給活動式狹縫光柵裸眼3D顯示器的狹縫光柵液晶盒加不同的驅(qū)動電壓，從而獲得不同的開口率，然后測試了在不同驅(qū)動電壓下的3D串?dāng)_，最終證實了“開口率越大，3D串?dāng)_越大”的規(guī)律。

所以，為了改善3D顯示質(zhì)量，需要控制狹縫光柵的開口率，以減小3D串?dāng)_。當(dāng)然這樣會造成亮度的損失和功耗的上升[9]。所以，狹縫光柵角度的調(diào)整，排圖方法[10]，立體圖像對的處理等都需要綜合考慮，以綜合改善裸眼3D顯示器的3D顯示品質(zhì)。