不同显示原理的眼镜式立体显示系统颜色特性分析*

陈 丽，屠 彦，王莉莉

(1．东南大学电子科学与技术学院，南京210096;2．中国科学技术大学纳米科学技术学院，江苏 苏州215123

CHEN Li1，2，TU Yan1* ，WANGLili1

(1．School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．Nano Science and Technology Institute，University of Science and Technology of China，Suzhou Jiangsu 215123，China)

作为新一代显示技术的重要组成部分，立体显示技术已经引发了世界范围内的广泛关注。根据不同的结构和成像原理，立体显示技术可以分为:体三维［1］、全息立体显示［2］和复合式立体显示［3－4］。目前，全息显示和体三维显示技术仍处于发展阶段，没有大规模投向市场。而市场上常见的立体显示器，仍然是复合式立体显示，这类技术主要针对左右眼之间的距离，分别向双眼显示两幅存在视差的图像［5］。不同的立体显示技术，产生左右眼图像的方式不同。基于视差栅栏的裸眼立体显示技术利用可开关液晶层作为栅栏，使不同的观看位置能观察到构成具有一定视差图像的像素集合［3］。也有利用透镜对光线折射角度的差异来实现左右眼图像分离［6］。虽然这两类技术可以在裸眼条件下观察到立体图形，但是普遍存在观察位置受限的问题。目前，显示效果较好、不受观察位置限制的复合式立体显示技术仍然需要佩戴眼镜，比较常见的有基于偏振片式眼镜的立体显示技术和基于时序开关式眼镜的立体显示技术［4］。

基于不同显示原理的三维显示器的显示质量差别很大，Wang Lili等人的研究结果表明不同显示原理的三维显示系统在亮度、对比度等光电特性方面存在显著差异［7］。颜色特性也是决定显示器显示质量的重要指标之一，改善显示系统颜色特性是提高显示质量的重要因素之一。目前已有研究分析了体显示真三维立体显示器的色度学特征，并指出了色轮是影响其颜色特性的最关键因素，在此基础上提出了优化设计方案［8］。对于市场上常见的眼镜式立体显示器的颜色特性，相关研究涉及较少。

本文在测量和分析的基础上，比较了基于不同显示原理的眼镜式立体显示器颜色特性，及其与传统二维显示器颜色特性的差别，并在此基础上提出改进方向。研究结果对于改善这类显示系统性能起到了指导作用。

1 基于液晶开关眼镜的立体显示器颜色特性分析

基于液晶开关式眼镜的立体显示器主要是通过时分复合法，交替在显示屏上显示左右眼图像［4］。通过红外信号发生器，控制开关眼镜以相同频率交替屏蔽左右眼图像(图1)。当屏幕上显示左眼图像时，左眼镜片完全开启，而右眼的镜片完全关闭，此时左眼只能看到左眼图，反之亦然。

图1 基于液晶开关眼镜的立体显示原理

由于眼镜对不同波长光的透过率不同，人眼观察到的颜色是立体显示器和眼镜共同作用的效果。因此，除显示器本身颜色特性，液晶开关眼镜是影响该立体显示器颜色特性的一个关键因素。

颜色三刺激值常用的颜色特性表征方式之一，其光谱可由式(1)表示［9］，其中Y是表征亮度信息的参数，颜色匹配函数分别为¯x(λ)，¯y(λ)，¯z(λ)，如图2所示。光谱辐射的能量分布函数为f(λ)，可由式(2)表示。W(λ)是白场点的光谱辐射的能量分布函数，T(λ)是眼镜对不同波长的透过率。图3给出了未佩戴眼镜时显示器的白场光谱辐射能量分布。

图2 颜色匹配函数

图3 显示器白场光谱辐射的能量分布

图4给出了液晶开关眼镜在显示器显示白光时，在可见光范围对不同波长光的透过率曲线。

图4 液晶开关眼镜对不同波长光的透过率

从图4中可以看出佩戴眼镜后，光损失很大，尤其是430 nm到650 nm这一光谱范围内，光通过率仅为20%左右。眼镜对不同波长光的透过率并不相同，红光在580 nm到650 nm范围内的透过率较蓝、绿光低;大于650 nm处，透过率较高，但不稳定。在计算三刺激值时，透过率和白场的光谱辐射能量分布必须结合起来考虑，白场的光谱辐射能量仅在460 nm、520 nm和636 nm附近较大，透过率不稳定的部分对应的白场点光谱辐射能量较低，对结果影响不大。

根据式(1)计算得到不同情况下的三刺激值。表1给出与未佩戴眼镜时相比，佩戴液晶开关眼镜后的亮度的损失情况。

表1 显示不同颜色时的亮度损失

从表1可以看出，佩戴眼镜后，亮度损失高达80%左右，主要因为液晶开关眼镜对可见光的透过率较低。液晶开关式眼镜的光透过率还受外加电压和液晶响应时间的影响。光透过率和电压之间的关系可用图5(a)表示［10］。电压低于一定值时，透光强度不发生变化;当外加电压增加到一定值，透光强度迅速减小，在到达一定电压值后达到稳定。在立体显示中，液晶开关眼镜的透过率并不是呈阶跃性，直接从100跳至0%。在一个周期内，透过率与时间之间的关系如图5(b)所示。如果响应曲线达到理想阶跃性，透过率将提高22%左右。因此，可以通过改变电压和减小响应时间来改善液晶开关眼镜的特性，进而改善这种立体显示系统的颜色特性。另外，由于液晶材料等因素［11］，导致部分光能量被吸收。这既是液晶开关眼镜透过率低的原因之一，也是导致不同波长光透过率不一致性的主要原因。优化液晶材料也是改善液晶开关眼镜的途径之一。

图5 液晶开关眼镜的电光特性曲线

色度图可以直观表现显示器色域，CIE1976色度图是比较常用的色度图之一。根据三刺激值，可由式(3)计算色度值u，v。

图6给出CIE1976色度图中，佩戴和未佩戴液晶开关眼镜时的白场、三基色的色度情况。其中三角形为未佩戴眼镜的色度值，菱形为佩戴眼镜后的色度值。

图6 佩戴眼镜对色度的影响

从图6可以发现佩戴眼镜后，色度值发生了偏移，其中红色和白场色度偏移较严重，白场向青色方向移动。色度值的偏移主要是由于液晶开关眼镜对不同波长透过率不同。在相同的白场下，眼镜对不同波长透过率不同，根据式(1)和图2所示的颜色匹配函数、图4所示的透过率，佩戴眼镜后，三刺激值并不是均匀变化。设三刺激值分别由X、Y、Z变为 αX、βY、γZ，则 α ＜β ＜ γ ＜1。白场的色度坐标变化量可以由式(4)表示:

由于 α ＜β，α ＜γ，γ ＞β，则 Δu明显小于0，而 Δv变化较小。因此，白场朝着Δu变小的方向发生显著变化。同样，红色的色度坐标也会发生类似的偏移。

除了亮度和色度，常常在均匀颜色空间中，通过色域体积表征显示器颜色特性，色域体积的大小直接反映显示系统可以再现颜色的范围。图7给出不同模式下，显示系统可显示的色域体积大小。在立体模式下的色域体积比二维模式有明显减小，仅有二维模式下的8%，可显示颜色范围将大大减小。其中浅色区域为未佩戴眼镜的色域范围，深色区域为佩戴眼镜后的色域范围。

图7 佩戴眼镜对色域的影响

2 基于偏振式眼镜的立体显示器特性研究

基于偏振式眼镜的立体显示系统在普通液晶显示器的表面叠加了一层偏振片，偏振片与像素间隔相等，分别可以产生顺时针和逆时针的圆形偏振光［12］。不同方向偏振光与左右眼图像和眼镜对应(图8)，例如:顺时针偏振片与右眼图像相对应，逆时针偏振片与左眼图像相对应，右眼镜片可以通过顺时针偏振光，但是阻隔逆时针偏振光，因此右眼镜片可以看到右眼图像，看不到左眼图像;反之亦然。

图8 基于偏振片的眼镜式立体显示原理

与液晶开关式眼镜立体显示技术类似，偏振式眼镜的性能同样是影响这类立体显示器颜色特性的关键因素。

图9给出了显示白光时，眼镜对不同波长光线的透过率。可以看到，与液晶开关眼镜相比，偏振式眼镜光损失有明显减小，大约在60%左右。偏振式眼镜对不同波长透过率的均匀性也有所提升，在显示器三基色对应的460 nm、520 nm和636 nm附近，都在40%左右，但是绿色部分稍高。其余，透过率不稳定的部分对应的白场点光谱辐射能量较低，对最终显示结果影响不大。

图9 偏振眼镜对不同波长的透过率

根据式(1)～式(3)可以分别求出不同模式下的亮度、色度值。表2给出与未佩戴眼镜时相比，佩戴偏振式眼镜后的亮度的损失情况。佩戴眼镜后，亮度损失60%左右。与上述液晶开关眼镜相比，透过率较高，亮度损失较小。

表2 显示不同颜色时的亮度损失

图10给出与未佩戴眼镜时相比，佩戴液晶开关眼镜后的白场、三基色的色度情况。从图中可以看出，色度变化不大。

图10 偏振眼镜对色度的影响

其中三角形为未佩戴眼镜的色度值，菱形为佩戴眼镜后的色度值

图11给出佩戴眼镜对色域的影响。佩戴眼镜情况下，色域体积降为不戴眼镜时的35．5%

图11 佩戴眼镜对色域的影响

图11中，浅色区域为未佩戴眼镜的色域范围，深色区域为佩戴眼镜后的色域范围。

为了提高基于偏振式眼镜的立体显示系统的颜色特性，可以从以下几方面进行考虑。一方面，可以从显示器白场亮度和眼镜透过率两方面考虑，提高佩戴眼镜后的显示亮度。随着背光技术的发展，白场亮度已有了显著提高。而透过率方面，影响偏振眼镜特性的参数为单体透过率，即单片偏光镜片的平均透过率。可以通过改进制造方法、改善制造工艺等多种方法提高单体透过率。目前，相关研究较多，很多产品的单体透过率可达到43%以上。相比而言，本文采用的偏振式眼镜，单体透过率不到40%，仍有进步空间。另一方面，颜色保真也是必须考虑的问题，提高眼镜对不同波长光线透过率的均匀性也是改善这一类立体显示系统颜色特性的方法之一。

3 结论

立体显示系统由于本身显示机理，左右眼视图分开，仅被相对应的眼睛看到，因此亮度会下降至少一半。眼镜式立体显示系统，受位置影响较小，效果较好。但是引入眼镜，对显示效果特别是颜色性能影响较大。以上述两种不同原理的眼镜式立体显示系统来看，立体模式下的色域体积比二维模式有明显减小，可显示颜色范围将大大减小。其中液晶开关式立体显示系统仅有二维模式下的8%，而且白场向青色方向发生了明显的偏移，最终图像显示效果将偏青。相对而言，偏振式眼镜对光的透过率有了较大的提高，同时在颜色的保真性方面，也有较好的表现，白场基本保持不变。色域体积为不戴眼镜时的35．5%。不仅如此，已有研究表明，偏振式眼镜对应的系统串扰较小［7］。因此，在眼镜式立体显示技术方面，采用偏振式眼镜将取得更好的显示效果。

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