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[摘 要]本设计将首先介绍快门式3D显示的原理，其次介绍快门式3D显示的电路结构设计，最后介绍快门式3D显示的优缺点及对人体健康的影响。
[关键词]3D 液晶显示 快门式3D 3D眼镜
中图分类号：TM741 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0385-01
2010年开始，为吸引消费者眼球、占据销售市场，3D液晶电视被国内外各大电视生产厂家作为其主打旗舰产品。现阶段3D显示技术大致可以分为两种：眼镜式3D显示技术、裸眼3D显示技术。受产品空间与相关技术的限制，裸眼3D并没有得到普遍的应用，反而眼镜式3D显示技术以其较低的技术门槛、较低的硬件要求、简单易实现等优势，成为3D电视显示与电影院等显示平台经常采用的技术模式，成为当前主流的3D技术。其中，快门眼镜式3D以其高分辨率、画质自然等优势成为目前主流的3D显示技术。[1]
本课题主要对主动快门眼镜式3D做了一定的研究。重点解释相关技术的原理以及介绍3D显示的电路系统设计。并对3D技术对人体的健康问题做了一定的讨论。
1 快门式3D显示原理
1.1 3D显示原理
3D（3 Dimension）就是三维立体，该名词概念是相对于二维平面而言的。我们人类所能观察到的周围世界就是一个立体的空间，其中的所有事物都有三个维度，如图2-1所示：宽度（X）、高度（Y）、深度（Z）。所以我们可以感受到它们的前后与远近以及相互之间的位置关系。我们已经习惯了在这种3D立体世界中的生活方式。然而由于受到显示技术发展的制约，在传统的显示设备上，我们只能观看到二维的世界。
3D显示技术就是人为的把一帧图像处理成具有视差的两帧图像，为了得到这样的图像我们可以在拍摄影像的时候利用摄像机模拟人眼，用摄像机的左右两个镜头分别拍摄一幅略有不同的2D图像，也可以在电视上利用3D处理技术直接可以把一帧图像处理成左右、上下或者行交错的两幅图像，使得两眼看到有差异的景象，再利用特制的眼镜或者通过裸眼3D技术来感受真正的三维立体显示效果。[2]
1.2 快门式3D显示技术原理
主动快门式3D技术，是一种时间域调制技术（时分法）。按照显示图像刷新频率的不同，传统的快门眼镜式3D液晶显示系统可分为120HZ和240HZ两种。120HZ是将2D下的图像刷新频率提高至2倍，左右眼画面轮流交替的显示在液晶屏上；而针对240HZ刷新频率的液晶显示屏，为正常显示，其需要的芯片处理速度和图像处理速度都非常高，此外对液晶屏的液晶响应速度要求亦很高，而受目前的资源和技术限制，真正意义上的240HZ液晶显示技术并未广泛生产。
目前240HZ传统的做法依旧是将左右眼画面以120HZ的频率显示在液晶屏上，不同的是它通过缩短左右眼画面的显示时间，分别在左右眼画面之后插入一段时间的黑或灰画面，如此在很大程度上降低了左右眼图像的串扰。目前主流的快门眼镜式3D液晶显示系统的图像刷新频率为120HZ、液晶逐行寻址。3D信号经过电路处理后，在液晶显示屏上以120HZ的频率轮流交替显示左右眼的图像，即左右眼图像均为60HZ。同时观看者需佩戴一幅快门式3D眼镜，眼镜受同步信号的控制而同步开关，当显示左眼画面时，左眼镜片打开，右眼镜片关闭；同样，当显示右眼画面时，右眼镜片打开，左眼镜片关闭，如此观看者就能看到较好的立体效果。
1.3 快门眼镜工作原理
快门眼镜式3D技术所用的快门式眼镜在接收到空间的射频或者红外控制信后，镜片开始有规律的打开关闭，这种控制信号大部分采用频率60Hz幅值3.3V38kHz或者25kHz载波信号，主流的3D眼镜可接收的频率范围是60±1Hz，载波频率范围为±0.5%，必须保证同步信号的频率满足眼镜的要求，避免因频率不符合要求带来液晶屏的闪烁或者镜片闪烁等问题。
眼镜的镜片实际上是两片可以分别控制开和关的液晶屏，工作原理与液晶面板类似，不同之处在于镜片的状态只有黑和白两种，没有中間灰阶的存在。不通电的情况下，镜片是透明状态显示为白色，通电后镜片显示为黑色状态。不同眼镜其黑-白-黑的翻转时间是不一样的。镜片翻转的时间越短，稳态的时间越长，这样背光的打开时间可以增加，屏的亮度也会随之提高。
2 快门式3D显示的电路结构设计
快门式3D液晶电视眼镜系统方案包含两部分：红外发射部分和眼镜部分。
红外发射部分设计红外发射部分电路结构如图2.1.1所示。红外发射硬件部分包括MCU和红外发射两部分。液晶电视机逐帧显示左右帧，当帧画面切换的时候，有一个sync信号，电视机主芯片将此sync信号发出。VESA标准的sync信号为方波信号，如图2.1.2所示，sync高电平周期对应左画面，低电平周期内对应右画面。但是目前的3D片源有R/L、L/R方式的，有可能与VESA标准反向，高电平周期对应右画面，低电平周期对应左画面，为解决此问题，发射电路上设一个极性切换按钮，如果在实际观看中发现有错乱现象，可以按一下按钮，发射电路会将sync信号做极性反向处理。MCU收到sync信号后进行处理，然后调制为红外发射码，通过20kHz的红外载波发射出去。目前电视机上采用的红外遥控接收头频率为8kHz，为防止干扰，特选用20kHz的载波频率。
眼镜部分设计眼镜部分电路结构如图2.1.3所示。眼镜部分内部包含可充电聚合物锂电池、红外接收头、两块PCB板；一块PCB板上放置USB接口和充电电路，放在右边镜架内；另一块PCB板上包含MCU、升压电路、镜片切换控制电路三部分，放在左边镜架内；红外接收头放在两只镜片的正中间部位；PCB板與镜片、红外接收头通过FPC线连接，镜片、红外接收头需焊接在FPC线上，电池自带接线口，焊接在PCB板上。
软件部分要求实现休眠/工作模式切换、红外解码、电量检测指示和产生眼镜驱动信号的功能。眼镜接收到发射电路发出来的红外信号时，根据其内容控制左右眼镜片的开关。
参考文献
[1] 杨杰.快门眼镜式3D液晶显示背光控制系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2012.5.
[2] 刘壮壮.快门眼镜式3D变速扫描显示系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2014.5.
[3] 张仕利.快门眼镜式3D变频扫描显示系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2013.5.
[关键词]3D 液晶显示 快门式3D 3D眼镜
中图分类号：TM741 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0385-01
2010年开始，为吸引消费者眼球、占据销售市场，3D液晶电视被国内外各大电视生产厂家作为其主打旗舰产品。现阶段3D显示技术大致可以分为两种：眼镜式3D显示技术、裸眼3D显示技术。受产品空间与相关技术的限制，裸眼3D并没有得到普遍的应用，反而眼镜式3D显示技术以其较低的技术门槛、较低的硬件要求、简单易实现等优势，成为3D电视显示与电影院等显示平台经常采用的技术模式，成为当前主流的3D技术。其中，快门眼镜式3D以其高分辨率、画质自然等优势成为目前主流的3D显示技术。[1]
本课题主要对主动快门眼镜式3D做了一定的研究。重点解释相关技术的原理以及介绍3D显示的电路系统设计。并对3D技术对人体的健康问题做了一定的讨论。
1 快门式3D显示原理
1.1 3D显示原理
3D（3 Dimension）就是三维立体，该名词概念是相对于二维平面而言的。我们人类所能观察到的周围世界就是一个立体的空间，其中的所有事物都有三个维度，如图2-1所示：宽度（X）、高度（Y）、深度（Z）。所以我们可以感受到它们的前后与远近以及相互之间的位置关系。我们已经习惯了在这种3D立体世界中的生活方式。然而由于受到显示技术发展的制约，在传统的显示设备上，我们只能观看到二维的世界。
3D显示技术就是人为的把一帧图像处理成具有视差的两帧图像，为了得到这样的图像我们可以在拍摄影像的时候利用摄像机模拟人眼，用摄像机的左右两个镜头分别拍摄一幅略有不同的2D图像，也可以在电视上利用3D处理技术直接可以把一帧图像处理成左右、上下或者行交错的两幅图像，使得两眼看到有差异的景象，再利用特制的眼镜或者通过裸眼3D技术来感受真正的三维立体显示效果。[2]
1.2 快门式3D显示技术原理
主动快门式3D技术，是一种时间域调制技术（时分法）。按照显示图像刷新频率的不同，传统的快门眼镜式3D液晶显示系统可分为120HZ和240HZ两种。120HZ是将2D下的图像刷新频率提高至2倍，左右眼画面轮流交替的显示在液晶屏上；而针对240HZ刷新频率的液晶显示屏，为正常显示，其需要的芯片处理速度和图像处理速度都非常高，此外对液晶屏的液晶响应速度要求亦很高，而受目前的资源和技术限制，真正意义上的240HZ液晶显示技术并未广泛生产。
目前240HZ传统的做法依旧是将左右眼画面以120HZ的频率显示在液晶屏上，不同的是它通过缩短左右眼画面的显示时间，分别在左右眼画面之后插入一段时间的黑或灰画面，如此在很大程度上降低了左右眼图像的串扰。目前主流的快门眼镜式3D液晶显示系统的图像刷新频率为120HZ、液晶逐行寻址。3D信号经过电路处理后，在液晶显示屏上以120HZ的频率轮流交替显示左右眼的图像，即左右眼图像均为60HZ。同时观看者需佩戴一幅快门式3D眼镜，眼镜受同步信号的控制而同步开关，当显示左眼画面时，左眼镜片打开，右眼镜片关闭；同样，当显示右眼画面时，右眼镜片打开，左眼镜片关闭，如此观看者就能看到较好的立体效果。
1.3 快门眼镜工作原理
快门眼镜式3D技术所用的快门式眼镜在接收到空间的射频或者红外控制信后，镜片开始有规律的打开关闭，这种控制信号大部分采用频率60Hz幅值3.3V38kHz或者25kHz载波信号，主流的3D眼镜可接收的频率范围是60±1Hz，载波频率范围为±0.5%，必须保证同步信号的频率满足眼镜的要求，避免因频率不符合要求带来液晶屏的闪烁或者镜片闪烁等问题。
眼镜的镜片实际上是两片可以分别控制开和关的液晶屏，工作原理与液晶面板类似，不同之处在于镜片的状态只有黑和白两种，没有中間灰阶的存在。不通电的情况下，镜片是透明状态显示为白色，通电后镜片显示为黑色状态。不同眼镜其黑-白-黑的翻转时间是不一样的。镜片翻转的时间越短，稳态的时间越长，这样背光的打开时间可以增加，屏的亮度也会随之提高。
2 快门式3D显示的电路结构设计
快门式3D液晶电视眼镜系统方案包含两部分：红外发射部分和眼镜部分。
红外发射部分设计红外发射部分电路结构如图2.1.1所示。红外发射硬件部分包括MCU和红外发射两部分。液晶电视机逐帧显示左右帧，当帧画面切换的时候，有一个sync信号，电视机主芯片将此sync信号发出。VESA标准的sync信号为方波信号，如图2.1.2所示，sync高电平周期对应左画面，低电平周期内对应右画面。但是目前的3D片源有R/L、L/R方式的，有可能与VESA标准反向，高电平周期对应右画面，低电平周期对应左画面，为解决此问题，发射电路上设一个极性切换按钮，如果在实际观看中发现有错乱现象，可以按一下按钮，发射电路会将sync信号做极性反向处理。MCU收到sync信号后进行处理，然后调制为红外发射码，通过20kHz的红外载波发射出去。目前电视机上采用的红外遥控接收头频率为8kHz，为防止干扰，特选用20kHz的载波频率。
眼镜部分设计眼镜部分电路结构如图2.1.3所示。眼镜部分内部包含可充电聚合物锂电池、红外接收头、两块PCB板；一块PCB板上放置USB接口和充电电路，放在右边镜架内；另一块PCB板上包含MCU、升压电路、镜片切换控制电路三部分，放在左边镜架内；红外接收头放在两只镜片的正中间部位；PCB板與镜片、红外接收头通过FPC线连接，镜片、红外接收头需焊接在FPC线上，电池自带接线口，焊接在PCB板上。
软件部分要求实现休眠/工作模式切换、红外解码、电量检测指示和产生眼镜驱动信号的功能。眼镜接收到发射电路发出来的红外信号时，根据其内容控制左右眼镜片的开关。
参考文献
[1] 杨杰.快门眼镜式3D液晶显示背光控制系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2012.5.
[2] 刘壮壮.快门眼镜式3D变速扫描显示系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2014.5.
[3] 张仕利.快门眼镜式3D变频扫描显示系统的设计与实现.中国海洋大学硕士学位论文.2013.5.