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米乐体育活动:液晶与显示 低串扰:多指向型背光三维显示

发布时间:2022-08-15 06:20:51 来源:米乐体育在线下载 作者:米乐体育app官方版下载

  经历了不断革新,从笨重的阴极射线管到轻薄的平板显示器,从黑白到彩色,从标清到超高清,显示设备正朝着更真实的还原世界的目标发展。如今,为了还原三维世界中立体物体的深度信息,

  已悄然而至,人们在无需佩戴眼镜等助视设备的情况下,仍可观察到生动形象的立体图像,获得奇妙非凡的观看体验。

  裸眼三维显示可采用平板显示器作为图像信息的来源,为了能完整再现一个立体图像,平板显示器上的图像信息被调制到各个视点处,立体图像的分辨率将不可避免的有所降低。而今,生活中充满了高清乃至超高清的二维图像,人们同样期望可以观看到高分辨率的立体图片。

  基于指向型背光源的三维显示技术可实现图像分辨率的提升。具有指向型的背光源即是此技术的关键器件,顾名思义,此背光源出射具有方向性的光束,分别指向观看者的左右眼,再配合高帧速液晶屏,可分别产生左右眼对应的视差图像。左右视差图像快速切换,根据人眼的视觉暂留效果,观看者可观察到高分辨率的三维图像。指向型背光源多采用微结构导光板和三维薄膜来实现,但由于三维薄膜对光线的调控能力有限,基于指向型背光源的三维显示技术的串扰通常较大,同时,较难实现具有多个方向的背光源。

  为了解决以上两个问题,来自浙江大学的李海峰教授研究团队,提出了采用体全息光学元件(Holographic optical element,HOE) 实现多指向型背光源,不仅实现了低串扰、高分辨率的三维图像,视点数目也得到了提升。

  该成果以“基于多指向型背光源的三维显示系统”为题发表在《液晶与显示》(ESCI、Scopus 收录,中文核心期刊)2022 年第 5 期。

  在多指向型背光源中,不同位置处的 LED 光源经柱面镜准直后,入射到体全息光学器件上,产生不同方向的衍射光束。人眼追踪模块负责捕获观看者左右眼的位置,并传递给液晶屏和多指向型背光源。左眼观看时,液晶屏显示左眼视差图像,多指向型背光源仅投射左眼方向光束,右眼观看时,液晶屏显示右眼视差图像,多指向型背光源仅投射右眼方向光束,二者快速交替进行,根据人眼的视觉暂留效应,观看者可观察到视差图像,获得三维感知。

  图1:多指向型背光三维显示装置图(图源:液晶与显示,2022, 37(5):599. Fig.1)

  HOE 是多指向型背光源中的关键器件。两束相干光束(参考光束和物光束)发生干涉,在干涉位置处放置感光材料,明暗相间的干涉条纹将记录在感光材料上,制备得到 HOE。当参考光束入射到 HOE 上,衍射光即为原始物光束,因此 HOE 可在超薄的材料上实现复杂的光学特性。当 HOE 的入射光束以较小角度偏移参考光束时,衍射光束亦稍偏移原始物光束,因此,可以通过修改入射光束角度,获取不同方向的衍射光。系统中 HOE 由柱面光束和扩散光束在光致聚合物薄膜上干涉制备而成,实现了柱透镜和定向扩散屏的光学特性的叠加,其制备过程如图2所示。光致聚合物薄膜经紫外灯均匀照射后,固化得到 HOE 器件,实验测得 HOE 器件的衍射效率约为 70%。

  由于该系统中 HOE 器件采用非平面波曝光制备而成,HOE 上各个区域的光栅矢量不断变化,因此边缘位置的 LED 入射时,HOE 上各区域的衍射方向将存在差异,边缘方向上背光源的均匀度将大大减低。为了解决这一问题,研究团队采用两种方式来提高均匀度,分别是双 LED 式和扩散屏式。

  双 LED 式即相邻的两个 LED 同时点亮,观看者在相应视点看到是拼接后的显示图像。在双 LED 式下,边缘视场的均匀度提升至 74%,即边缘视场显示效果将由图3 (a)变化为图3 (b)。同时,串扰值平均值仅为 1.4%,远小于引起观看者不适感的串扰最大值 5%。图4中显示了双 LED 点亮方式下,三个观看视点处分别对应的显示图像。

  研究团队利用 HOE 器件的衍射特性,搭建了基于多指向型背光源的三维显示系统,实现了低串扰、全分辨、多视点的三维显示效果,解决了现有的基于指向型背光源的三维显示装置在串扰、视点数目上的问题,大大提升了观看者的视觉体验。

  同时,该系统较容易集成于便携式的电子设备上,在未来,人们可以使用自己的手机、平板等设备观看三维图像,裸眼三维显示技术将极大地丰富人们的生活学习和工作娱乐体验。

  李海峰,浙江大学光电科学与工程学院教授、博士生导师,1988 年于南开大学获得学士学位,1991 年于南开大学获得硕士学位,2002 年于浙江大学获得博士学位,长期从事成像与显示相关领域研究,研究工作包括光学与光电子薄膜、三维显示、近眼显示、投影显示以及显微成像技术等。承担和参加了多项国家重点研发计划、国防重点预研项目、863 项目、973 项目以及重大横向课题;研究工作已授权国家发明专利 70 余项,发表论文 100 余篇。E-mail:.cn