近年来,随着3D(Three-dimensional)技术的迅猛发展,实现裸眼3D显示的途径越来越多,其中基于定向背光技术的裸眼3D显示器因可以保持液晶面板的原有分辨率不变,贴合要求不高,视频图像无需专门处理等优点而得到广泛研究。但传统定向背光技术存在视点区域观看亮度变化大、视差图像串扰大等缺点。为此本文提出一种定向背光裸眼3D显示新方案,采用一种蝶形光源阵列结构,产生定向背光横向平顶光束,用于解决定向背光裸眼3D显示器的串扰和视点区域观看亮度变化大的问题。论文首先介绍消除定向背光裸眼3D显示串扰的背光模组的设计。定向背光模组由均匀背光源、LCD(liquid crystal display)光开关和柱面透镜阵列组成。为了使视点位置的光强分布均匀,提出一种LCD蝶形光开关单元结构。通过分析串扰产生的原因,基于偏轴光线的光学成像原理,推导出LCD光开关板蝶形列单元与柱面透镜组成的偏轴光学系统的参数计算式。采用光线追迹软件TracePro对设计的背光模组进行模拟仿真,结果表明:所设计的背光模组可消除定向背光裸眼3D显示器的串扰。在视点平面90%观看区域的串扰度小于0.5%,光束10%峰值宽度的串扰面积比为0,光束90%峰值宽度比普通液晶单元结构的宽度增大了37%,改善了不同位置观看图像时亮度变化大的问题。论文接着介绍一种采用蝶形小孔掩模片实现LCD光开关蝶形单元的方案,以减小LCD的结构复杂性。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论和多波长叠加原理,推导出蝶形光源阵列经柱面透镜后的近场光强分布表达式。将蝶形光源阵列置于柱面透镜的物方焦平面上,模拟了不同柱面透镜焦距和不同传输距离的横向光强分布曲线,并分析了蝶形参数β(蝶形中心高度与边长的比值)对横向光强分布平顶因子F的影响。结果表明,当蝶形光源单元的宽度d为0.05mm时,焦距f为4~12mm的柱面透镜输出光束具有横向平顶特性;传输距离500~2000mm范围内平顶因子F基本保持不变;蝶形参数β对F影响较大,β越小,横向衍射光场的中心光强度越小,随着β减小,横向衍射光场的F先增大后减小,β=0.4~0.6之间可使F达到最大值。论文最后介绍了定向背光模组中的蝶形光源阵列产生横向平顶光束实验装置和实验结果。实验装置采用LED白光平面光源、蝶形小孔阵列衍射掩模片和柱面透镜阵列产生白光横向平顶光束,以验证横向平顶光强分布与距离的关系和小孔蝶形参数对横向光强分布的影响。结果表明:当选择小孔蝶形参数为0.5-0.66时,可以得到平顶因子F≥0.89的白光横向平顶光束,横向平顶光束的宽度随着传输距离的增大而增大,而平顶因子基本不变。实验还发现柱面透镜的折射色散和衍射色散可以互相抵消,使白光横向平顶光束基本无色散。