固态体积式真三维立体显示器

杨光磊，井长龙，裴治棋，张应松，宋志刚，冯奇斌

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 特种显示技术教育部重点实验室，

特种显示技术国家工程实验室现代显示技术省部共建国家重点实验室，安徽 合肥230009；2.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

立体显示技术分为体视显示技术与真三维显示技术两种［1］。体视显示技术利用人眼的双目视差原理，通过辅助设备让双眼接收到同一场景不同视角的图像，再经过高级视觉中枢处理后，产生伪三维立体视觉。这种显示方式会导致视觉疲劳，而且对于大景深的图像会出现左右眼图像分离，形成视觉重影。真三维立体显示技术将图像的每一个三维像素点显示到三维物理空间的真实位置，并且每个三维像素点的亮度和色度可以调节，从而产生真正的三维立体图像［2－3］。真三维立体显示技术中目前比较成熟的是体三维显示技术，可以分为旋转扫描式和固态体积式两种。

合肥工业大学2010年开发的第一代固态体积式真三维立体显示器［4］采用超高压汞灯（Ultra High Pressure Mercury Lamp，UHP）作为光源，利用色轮分色，配置单片数字微镜器件（Digital Micro－mirror Device，DMD）进行光调制。由于采用单一白光源且液晶光阀对不同波长的光透过率不同，造成显示白场不平衡；使用色轮，出现能量利用率低、色域窄的问题；单片DMD 采用时分复用方式进行光调制，限制了显示频率。

基于此，合工大开发了第二代固态体积式真三维立体显示器，采用红绿蓝白光4个LED 代替UHP 作为光源，利用分色棱镜代替了色轮进行分色，配置3片高速DMD，成功地解决了第一代显示器中出现的问题。

2 固态体积式真三维立体显示系统

固态体积式真三维立体显示器的结构原理图如图1 所示，主要包括光源、方棒积分器、中继系统全反射（Total Internal Reflection，TIR）棱镜、分色棱镜、DMD、投影镜头、折叠光路和显示体等组成部分。

图1 显示器结构原理图Fig.1 Structure diagram

光 源 选 取 了 红 绿 蓝 白（Red Green Blue White，RGBW）4 个颜色LED。红绿蓝LED 经X 棱镜合色垂直入射方棒，单独控制红绿蓝LED的驱动电流，可以调节合成白光的色温，从而解决白场不平衡问题；白光LED 倾斜约8°入射，光效接近垂直入射，有利于提高显示亮度［5－6］。

方棒对入射的光进行内部全反射，将圆形入射光斑转换为均匀的矩形［7］。矩形光斑长宽比与DMD 的相同，提高了照明均匀性和系统光能利用率。

中继系统用于衔接照明系统与投影系统，将方棒出射端面成像在DMD 上。分色棱镜位于中继系统和DMD 之间，将白色照明光分成红绿蓝单色光分别照射到3 片DMD 上。DMD 对入射光进行调制，反射红绿蓝单色成像光，经过棱镜合色产生彩色图像，再由投影镜头出射。TIR 棱镜主要用来分离入射照明光与出射成像光。

折叠光路由4块高反镜组成，每块高反镜的反射率达到95%。显示体由20 层19in（1in＝2.54cm）液晶光阀层叠而成，每层光阀可单独通过加电和撤电在透明态和散射态之间快速转换。20层液晶光阀顺序切换成散射态依次成像，利用人眼的视觉暂留特性，实现真实三维物理空间的立体投影显示。

3 系统设计

3.1 液晶光阀

固态体积式真三维立体显示器的显示体是由20 层 聚 合 物 稳 定 胆 甾 相（Polymer Stabilized Cholesteric Texture，PSCT）液晶光阀组成，它是将胆甾相液晶和液晶性单体（一般＜10%）的混合材料注入到没有取向层的液晶盒中，在外加电场使液晶分子垂直排列的条件下用紫外光诱导单体聚合形成的复合材料［8］。

PSCT 液晶光阀在加电压和不加电压时会分别呈现出透射态和散射态，如图2所示（网状曲线代表聚合物，棒状直线代表液晶分子）。加电压时，液晶分子垂直于基板排列，此时液晶层是一个均匀光学介质，光能透过率很高，入射光直接透射，光阀上不会成像；不加电压时，液晶分子呈多畴的焦锥态，此时液晶层是一个非均匀光学介质，光能透过率较低，入射光线经过液晶分子散射，光阀上会成像。PSCT 液晶光阀通过电路控制加电和撤电，可以实现在两种状态间快速切换，并且能在0.8ms内完成一次透明态－散射态－透明态的转换，满足60Hz以上的刷新率，显示画面稳定无闪烁。

图2 液晶光阀状态Fig.2 Liquid crystal shutter state

3.2 光源设计

19in、4∶3的液晶光阀显示面积为0.11m2，对于0.5m 的观看距离、120cd／m2的屏前亮度要求，由光通量（Φ）＝光亮度（L）×显示面积（S）×立体角，立体角≈面积（S）／距离（R）的平方，即Φ＝L×（S×S／R2），估算屏前光通量Φ1＝120×0.11×0.11／0.52＝5.8lm。采用液晶综合参数测试仪测试了液晶光阀的性能，结果如图3所示，液晶光阀的散射态透过率为10%，透射态透过率为86%，因此可以计算显示体的光能透过率η1＝（86%）19×10%＝0.57%。4块高反镜组成的折叠光路光效η2＝（95%）4＝81%，计算投影镜头的输出光通量Φ2＝5.8lm／（0.57%×81%）＝12 56 lm。假设光机的光效为30%，光源的光通量就需要达到4 187lm。

图3 液晶光阀性能曲线Fig.3 Electro－optic property of LC shutter

对于R∶G∶B＝3∶6∶1的配比，估算需要红光1 257lm、绿光2 513lm、蓝光419lm。考虑到液晶光阀对RGB三原色透过率不同，采用红绿蓝单色LED 进行补色；为了提高显示亮度，增加白光LED，本文选用的4 个高亮度的RGBW LED 参数如表1所示。

表1 LED参数Tab.1 LEDs specifications

图4 准直透镜Fig.4 Collimating lens

图5 准直效果Fig.5 Collimation result

图6 光源仿真Fig.6 Light source simulation

3.3 电路模块

电路系统主要包括1 块视频解码电路板、3块DMD 主控电路板、1块驱动控制电路板、4 块LED 驱动电路板和4块液晶光阀驱动电路板，如图7所示。视频解码板通过DVI接口与计算机连接，当计算机输出一幅彩色图像时，视频解码板会提取出这幅图像RGB 颜色信号。DMD 主控板接收RGB颜色信号并提取出每种颜色的深度信号，将图像依据深度信息分割成20个切片顺序送到DMD 中。驱动控制板接收主控板的深度信号，通过LED 驱动板控制RGBW LED 的亮暗，通过光阀驱动板控制显示体中液晶光阀的加电和撤电。协调LED、DMD 和显示体的控制，将一幅图像的20个深度信息切片快速顺序投影到对应深度的20层液晶光阀上，利用人眼的视觉暂留，实现真三维立体显示。

图7 电路系统框图Fig.7 Circuit systems

4 样机测试

根据设计，制作了固态体积式真三维立体显示器样机，如图8所示。

图8 固态体积式真三维立体显示器系统及显示效果Fig.8 Prototype of solid－state volumetric true 3Ddisplay

采用TES 1332A 照度计测量投影镜头出射的ANSI流明，测得60in白场的9点照度数据如表2所示。

表2 照度测试数据Tab.2 Illumination test data

由表2得到9点平均照度为1 251lx，已知60in白场面积为1.1m2，计算得到投影镜头出射光通量为1 376lm，高于理论值1 256lm。

使用法国ELDIM 公司的Umaster面成像仪测试了显示亮度和色度，测试结果分别如图9和图10所示，平均显示亮度为123cd／m2，色三角面积 为0.123 8，达 到78.43% 的NTSC 标 准色域。

分析测试结果：影响显示亮度的因素主要是显示体和显示方式。显示体透光率较低，20层液晶光阀顺序扫描的特殊显示方式光能损失较多。影响显示色域的主要因素是分色棱镜，由于没有将绿光与蓝光较好地分离，导致绿色和蓝色之间混合部分的色彩表现能力较差。

图9 显示亮度测试Fig.9 Display brightness test

图10 显示色域测试Fig.10 Color gamut test

5 结 论

和第一代固态体积式真三维立体显示器相比，合肥工业大学开发的第二代显示器采用RGBW 四色LED 作为投影光源，扩展了显示色域；通过控制红绿蓝三色LED 的驱动电流，可以调节合成白光的RGB配比，进而调节输出白场色温，解决了白场不平衡问题；配置三片高速DMD，利用棱镜分色合色，再配合纳秒级响应速度的LED能够满足60Hz的刷新频率，显示图像无人眼感知的闪烁；设计了准直透镜对LED 发出光线进行收集，提高了能量利用率。实际测试结果表明显示器的显示亮度达到123cd／m2，色彩饱和度达到78.43%NTSC色域。

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