基于單像素液晶透鏡的自由立體顯示技術(shù)

1 簡(jiǎn)介

　　近來(lái)，三維顯示技術(shù)受到了極大的關(guān)注，并有可能在將來(lái)帶來(lái)一個(gè)可觀的市場(chǎng)。三維顯示依據(jù)實(shí)現(xiàn)方法分為多種，例如：偏振眼鏡法式、頭盔式、障柵式、棱鏡式、體三維、全息立體等等。目前的立體顯示技術(shù)，仍然存在著很多的問(wèn)題，例如：分辨率不高、串?dāng)_較大、均勻度有待提高等等。正是因?yàn)檫@些問(wèn)題的存在，目前立體三維顯示器還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

　　在三維立體顯示當(dāng)中，液晶透鏡這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用，主要原因是其具有很高的靈活性，只需要在液晶層控制相應(yīng)的電極的電壓分布，液晶透鏡的折射率分布就會(huì)相應(yīng)的改變，從而對(duì)像素出射光的分布進(jìn)行控制，2D/3D轉(zhuǎn)換大多數(shù)就是利用液晶透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)液晶透鏡實(shí)現(xiàn)的三維立體顯示的基本原理是利用改變液晶層電極上的電壓分布，使折射率的分布呈現(xiàn)類似于固態(tài)透鏡的分布，控制一組像素出射光的分布，從而達(dá)到三維效果，其缺點(diǎn)是液晶透鏡的盒厚較大，會(huì)導(dǎo)致制備工藝問(wèn)題，且嚴(yán)重影響切換速度；同時(shí)它仍然會(huì)引起顯示器分辨率的降低。

　　本文中，我們提出了在單個(gè)像素上形成獨(dú)立液晶透鏡的方式，如圖1所示。通過(guò)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)液晶層的電極，使所有屏幕像素發(fā)出的所有光線在某個(gè)時(shí)間指向同一個(gè)視場(chǎng)（例如視場(chǎng)1），在下一個(gè)時(shí)間指向另一個(gè)視場(chǎng)（例如視場(chǎng)N），這樣就可以利用時(shí)序信號(hào)在不降低空間分辨率的前提下實(shí)現(xiàn)三維顯示。

　　本文提出的基于單像素透鏡的三維立體顯示方法，可以解決傳統(tǒng)方式帶來(lái)的分辨率降低問(wèn)題。由于一個(gè)液晶透鏡控制一個(gè)像素的光線，能實(shí)現(xiàn)更加精確的控制，從而能提高3D顯示的串?dāng)_、均勻性等性能。

　　2 建模與仿真

　　2.1 模型的建立

　　本文的模型如圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)是在常規(guī)的LCD面板上方加上一層液晶層來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶透鏡。

　　2.2 仿真分析

　　由于液晶透鏡與固態(tài)透鏡的等效性，前期仿真時(shí)以球面單像素固態(tài)透鏡建模，光源為瑯勃光源，單像素寬度0.08mm，透鏡焦距選擇1.23mm，可以得到像素發(fā)出的光在觀察面上的分布如圖3（a）所示。由圖可得，其光分布的范圍很寬。這是因?yàn)?，根?jù)模型尺寸，透鏡與對(duì)應(yīng)像素的夾角很小，即像素發(fā)出的角度為180度的出射光線，其中很大部分通過(guò)相鄰?fù)哥R出射，從而導(dǎo)致光線分散。當(dāng)減小發(fā)散角到2度，仿真結(jié)果如圖3（b）所示，可以看到光線的分布十分的集中。由此可見(jiàn)，像素出射光的發(fā)散角度對(duì)單像素液晶透鏡立體顯示有著很大的影響。