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【摘要】基于像素分割控制的立体显示技术可使观众在欣赏立体影像时摆脱眼镜的束缚。本文所述的立体显示装置利用多电极驱动液晶透镜方式可以实现多个立体显示的观看距离。利用电压的改变最佳的观看距离可以在45cm到80cm之间调节。
【关键词】液晶透镜；3D显示；栅距可变；多电极驱动
1、简介
液晶是一种高分子材料，其具有双折射性，同时由于特殊的电驱动性，被广泛应用于显示技术上。而液晶透镜则是利用液晶材料的双折射性实现透镜聚焦效果的装置。基于液晶透镜的裸眼3D显示技术相比于液晶狭缝的技术还具有更高的背光利用效率，同时还具有简便的2D3D切换功能而备受关注[1]。
本文中所设计的液晶透镜用于改善裸眼3D显示技術观看区域窄的问题。一般来说，裸眼3D显示方案使观看者的观看范围都很小，只能在特定的菱形区域内才能看到好的立体效果[2]。而如图1所示，只有在图中特定菱形区域才能看到立体效果，处于菱形区域之外时，只会看到具有很大串扰的或者反视的图像。本文提出的可变栅距液晶透镜通过改变透镜栅距的方法，使器件形成的可视菱形区发生变化，从而更好的匹配人眼位置。
2、透镜结构和驱动方法
本文所设计的可变液晶透镜的结构如图2所示，其驱动电极包括两种，分别是在上基板上的分离式条形ITO电极和位于下基板上的整面电极。液晶透镜的PI摩擦方向为反平行方式，摩擦预倾角为2度[3]。
由于多电极液晶透镜阵列的电极条数超过2000多条，因此其驱动信号由FPGA生成，并通过IC输出至相应电极。液晶透镜阵列置于显示面板之上，其到显示面板的距离匹配液晶透镜的焦距值。在实验中，所用显示面板的3D图像信号来自与PC视频端口的输出。
3、实验设计
实验中采用了一块分辨率为800*480的3.5寸LCD显示屏。显示屏Color Filter玻璃的厚度为0.7mm，MeD-LC lens基板玻璃的厚度为0.5mm。因此我们设定的MeD-LC lens的焦距为1.2mm，和到Color Filter的玻璃厚度相同。
我们采用的lens盒厚为25um，实验中的液晶材料为SD509（Δn=0.36），以便产生足够的光程差。
为了达到观看距离从45cm到80cm的改变，我们计算出透镜光栅的栅距应在200um到330um之间改变。而我们选择的电极结构中电极的宽度为15um，电极之间的线距也为15um，因此我们设定了三种不同栅距的透镜参数，即分别由7，9，11条电极构成的透镜。
确定MeD-LC lens参数之后，我们需要优化得到出各个电极上的驱动电压。理想情况下，MeD-LC lens应该具有抛物线型的光程曲线分布。我们用液晶模拟软件来计算液晶指向矢的分布，之后从液晶指向矢的资料中计算出光程曲线的结果。计算得出的7电极MeD-LC lense的光程分布如图3所示。红色线表示理想的抛物线型光程曲线，蓝线由模拟结果得到的拟合曲线。
参考模拟获得的结果，我们用优化的驱动电压来驱动多电极液晶透镜进行测试。我们利用高分辨率线阵CCD相机（Dalsa SF-10-02k40）记录下焦点位置处的光强分布，其结果如图3所示。图中我们给出了7电极透镜的聚焦效果。我们可以测量出透镜聚焦点之间的距离，以及聚焦光的强度。图中的绿线和蓝线分别表示在给液晶透镜施加电压前后光强分布的情况。这也证明了施加电压后可以形成类似透镜的光线聚焦效果。我们可以计算聚焦位置到液晶透镜盒基板表面的距离得出其焦距大小，同时通过测量两个聚焦峰值之间的距离就可以得出准确的透镜栅距。在实验中，我们测量出7电极透镜的栅距为206um，9电极为267um，11电极为326um。测量的数值和我们的设计值基本相同。为了维持相同的焦距，7，9，11电极上的电压分布具有不同的电压分布。经实验测定的三种不同栅距液晶透镜的焦距分别为1.18mm、1.21mm、1.22mm，这也和我们的设计值基本相符。
4、总结
在本文中，我们制作了一种用于自由立体显示的多电极驱动液晶透镜。我们通过改变液晶透镜基本上各个分离电极上驱动电压的值以形成不同栅距的透镜效果，配合高分辨率显示屏，可以使其最佳的观看距离在45cm到80cm之间变化。最终我们通过实验验证了可变栅距液晶透镜的透镜效果，并测量了三种栅距的焦距，证明了可变栅距液晶透镜的可行性。
参考文献
[1]Yi-Hsin Lin， Hongwen Ren， Kuan-Hsu Fan-Chang， Wing-Kit Chol， Sebastian Gauza， Xinyu Zhu， Shin-Tson Wu， J.J.A.P.， vol.44， p.243 （2005）
[2]N. A. Dodgson， J. R. Moore， S. R. Lang， IBC ’99， p.497 （1999）
[3]Chih-Wei Chen， Yi-Ching Huang， Yi-Pai Huang， SID’10 Digest， vol.18， pp.428 （2010）
作者简介
宫晓达（1982-），男，广东省深圳市，硕士，工程师。主要从事新型裸眼立体显示技术的研究与开发。
陈寅伟，男，1986（吉林省长春市），汉族，硕士，光学工程师，主要从事与立体显示相关的光学器件设计与研究。
项目名称
深圳市裸眼3D显示技术工程实验室
【关键词】液晶透镜；3D显示；栅距可变；多电极驱动
1、简介
液晶是一种高分子材料，其具有双折射性，同时由于特殊的电驱动性，被广泛应用于显示技术上。而液晶透镜则是利用液晶材料的双折射性实现透镜聚焦效果的装置。基于液晶透镜的裸眼3D显示技术相比于液晶狭缝的技术还具有更高的背光利用效率，同时还具有简便的2D3D切换功能而备受关注[1]。
本文中所设计的液晶透镜用于改善裸眼3D显示技術观看区域窄的问题。一般来说，裸眼3D显示方案使观看者的观看范围都很小，只能在特定的菱形区域内才能看到好的立体效果[2]。而如图1所示，只有在图中特定菱形区域才能看到立体效果，处于菱形区域之外时，只会看到具有很大串扰的或者反视的图像。本文提出的可变栅距液晶透镜通过改变透镜栅距的方法，使器件形成的可视菱形区发生变化，从而更好的匹配人眼位置。
2、透镜结构和驱动方法
本文所设计的可变液晶透镜的结构如图2所示，其驱动电极包括两种，分别是在上基板上的分离式条形ITO电极和位于下基板上的整面电极。液晶透镜的PI摩擦方向为反平行方式，摩擦预倾角为2度[3]。
由于多电极液晶透镜阵列的电极条数超过2000多条，因此其驱动信号由FPGA生成，并通过IC输出至相应电极。液晶透镜阵列置于显示面板之上，其到显示面板的距离匹配液晶透镜的焦距值。在实验中，所用显示面板的3D图像信号来自与PC视频端口的输出。
3、实验设计
实验中采用了一块分辨率为800*480的3.5寸LCD显示屏。显示屏Color Filter玻璃的厚度为0.7mm，MeD-LC lens基板玻璃的厚度为0.5mm。因此我们设定的MeD-LC lens的焦距为1.2mm，和到Color Filter的玻璃厚度相同。
我们采用的lens盒厚为25um，实验中的液晶材料为SD509（Δn=0.36），以便产生足够的光程差。
为了达到观看距离从45cm到80cm的改变，我们计算出透镜光栅的栅距应在200um到330um之间改变。而我们选择的电极结构中电极的宽度为15um，电极之间的线距也为15um，因此我们设定了三种不同栅距的透镜参数，即分别由7，9，11条电极构成的透镜。
确定MeD-LC lens参数之后，我们需要优化得到出各个电极上的驱动电压。理想情况下，MeD-LC lens应该具有抛物线型的光程曲线分布。我们用液晶模拟软件来计算液晶指向矢的分布，之后从液晶指向矢的资料中计算出光程曲线的结果。计算得出的7电极MeD-LC lense的光程分布如图3所示。红色线表示理想的抛物线型光程曲线，蓝线由模拟结果得到的拟合曲线。
参考模拟获得的结果，我们用优化的驱动电压来驱动多电极液晶透镜进行测试。我们利用高分辨率线阵CCD相机（Dalsa SF-10-02k40）记录下焦点位置处的光强分布，其结果如图3所示。图中我们给出了7电极透镜的聚焦效果。我们可以测量出透镜聚焦点之间的距离，以及聚焦光的强度。图中的绿线和蓝线分别表示在给液晶透镜施加电压前后光强分布的情况。这也证明了施加电压后可以形成类似透镜的光线聚焦效果。我们可以计算聚焦位置到液晶透镜盒基板表面的距离得出其焦距大小，同时通过测量两个聚焦峰值之间的距离就可以得出准确的透镜栅距。在实验中，我们测量出7电极透镜的栅距为206um，9电极为267um，11电极为326um。测量的数值和我们的设计值基本相同。为了维持相同的焦距，7，9，11电极上的电压分布具有不同的电压分布。经实验测定的三种不同栅距液晶透镜的焦距分别为1.18mm、1.21mm、1.22mm，这也和我们的设计值基本相符。
4、总结
在本文中，我们制作了一种用于自由立体显示的多电极驱动液晶透镜。我们通过改变液晶透镜基本上各个分离电极上驱动电压的值以形成不同栅距的透镜效果，配合高分辨率显示屏，可以使其最佳的观看距离在45cm到80cm之间变化。最终我们通过实验验证了可变栅距液晶透镜的透镜效果，并测量了三种栅距的焦距，证明了可变栅距液晶透镜的可行性。
参考文献
[1]Yi-Hsin Lin， Hongwen Ren， Kuan-Hsu Fan-Chang， Wing-Kit Chol， Sebastian Gauza， Xinyu Zhu， Shin-Tson Wu， J.J.A.P.， vol.44， p.243 （2005）
[2]N. A. Dodgson， J. R. Moore， S. R. Lang， IBC ’99， p.497 （1999）
[3]Chih-Wei Chen， Yi-Ching Huang， Yi-Pai Huang， SID’10 Digest， vol.18， pp.428 （2010）
作者简介
宫晓达（1982-），男，广东省深圳市，硕士，工程师。主要从事新型裸眼立体显示技术的研究与开发。
陈寅伟，男，1986（吉林省长春市），汉族，硕士，光学工程师，主要从事与立体显示相关的光学器件设计与研究。
项目名称
深圳市裸眼3D显示技术工程实验室