显示技术及原理

在不同的发展时期，根据不同的应用，不同的公司开发了不同的3D显示技术；从观看形式上来区分，有的需要戴立体眼镜，有的不需要戴立体眼镜，立体眼镜也有主动式与被动式之分；总体来说，戴立体眼镜观看技术发展比较成熟，设计和制造难度、制造成本较低，3D效果好；而裸眼观看的技术还处于起步阶段，制造难度高，成本高，而观看的效果不尽如人意，尤其是观看的角度有限制，清晰度差，3D效果也不好（表2-3）。

图2-30 左、右眼视差

1.主动快门式（时分式）原理介绍

主动快门式具有以下特点。

（1）显示原理相对简单，系统的实现复杂度低。

（2）画质优异，能实现双眼1080P的高清显示，将影院级的3D影像带入家庭。

（3）成本低，由2D升级到3D的主要工作集中在驱动电路的升级以及有限的额外眼镜成本。

表2-3 现有3D显示方式对比

由于主动快门式3D显示的上述特点，当前主流的3D电视厂家纷纷采用这种技术，如Panasonic、Sony、Samsung等；另外也有3D影院系统采用这种技术，如XPAND。美中不足的是，这种技术要求观众戴眼镜，稍有不便。

2.光分式原理介绍

“光分式”也被称为“偏振式”。顾名思义，该技术利用了偏振光的特点。

图2-31 光波特点

我们知道，光波是一种横波（振动方向垂直于传播方向，如图2-31所示），是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们通常将其电场的振动方向称为光波的振动方向，自然光在各个方向上的振动是均匀的，如图2-32所示，因而被称为非偏振光。如果一束光在任意一个特定的时刻只在一个特定的方向上振动，则这束光就是偏振光。

图2-32 自然光

偏振光可以通过偏振镜获得，偏振镜就是一个栅栏，其具有振动方向。当一束自然光通过偏振镜时，偏振镜只会让这一束自然光中与其振动方向一致的那部分通过，而其他不一致的部分都会被过滤掉。当一束偏振光经过偏振镜时，如果这束偏振光的振动方向与偏振镜的振动方向一致，这束偏振光则全部通过；反之，如果这束偏振光的振动方向与偏振镜的方向不一致，这束偏振光则全部被过滤掉。光分式系统正是利用了这一原理。

当系统进行显示时，将左、右图像同时显示在屏幕上。不过左、右两幅图像在显示在屏幕上之前会经过不同偏振镜的过滤，左图像用垂直方向的偏振镜进行过滤，成为在垂直方向上振动的偏振光，而右图像则采用水平方向的偏振镜进行过滤，成为在水平方向上震动的偏振光。与之相对应的是，观众所戴的偏振眼镜的左镜片的震动方向为垂直方向，右镜片的振动方向为水平方向。这样就能保证左图像最终被观众的左眼看到，而右图像被观众的右眼看到，两幅图像经过大脑的合成最终形成一幅具有三维立体感的3D图像。

偏振光具体上分为线性偏振光与圆偏振光两种。在任意一个特定时刻，线偏振光和圆偏振光都只在一个特定方向上振动。而随着时间的变化，线偏振光保持振动方向不变，而圆偏振光的振动方向在垂直于光线传播方向的平面上旋转。旋转方向又分为左旋和右旋。

早期的光分式3D系统多采用线性偏振光，而采用线性偏振光最大的缺点是观众观看姿势必须尽量保持不变。如果观众歪头或侧身，眼睛的偏振方向会变得与光线的偏振方向不一致，3D效果会变差，甚至导致观看者头晕、头痛。

而圆偏振光的引入则比较有效地改善了线偏振光的缺点。圆偏振光系统与线偏振光系统的组成结构没有任何区别，只是将垂直偏振镜与水平偏振镜替换为左旋偏振镜与右旋偏振镜。

光分式的3D成像效果较好，造价相对较低；尤其是相对于主动快门式，眼镜的成本更低，眼镜的重量也要轻很多。该技术现阶段主要被各种3D影院系统所采用，如Real D、IMAX等。也有部分电视机厂商采用这种方式，如现代公司。但是在电视上实现这种技术对工艺要求较高，成本也会增加数百美元不等，而清晰度只能达到Full HD的一半。

光分式最大的问题在于没有完美的偏振镜，也无法过滤出完美的偏振光。因而观众所戴的偏振眼镜无法对左、右图像进行完美分离，因而导致总有一部分左图像的光线进入右眼，而一部分右图像的光线进入左眼。虽然从比例上讲很少，但足以导致3D效果下降以及导致一部分观众在观看过程中的不适，如头晕、头痛。

3.波分式原理介绍

光是人眼所能观察到的波长介于0．38～0．76nm之间的电磁波。光波从人眼能感觉的颜色又分为红、绿、蓝等各种颜色，每种颜色的光波长并不是一个特定值，而是介于一个范围之间，如：红光波长介于0．63～0．76nm之间，紫色光波长介于0．38～0．46nm之间。波分式3D系统正式利用了上述光波波长的特性，如图2-33所示。

图2-33 波分式系统示意图

波分式系统的组成与光分式非常类似。节目的拍摄并无不同，只是当在设备上进行显示时，利用了光波波长特性。在光分式（偏振光）系统中，利用偏振光实现左图像与右图像的分离；左图像与右图像采用不同偏振方向的偏振光；而在波分式系统中，利用不同波长的光波进行分离：左图像采用某特定波长的红光、绿光和蓝光；右图像采用不同于左图像的某特定波长的红光、绿光和蓝光。

而观众所戴眼镜的左、右镜片都涂有不同的多个涂层。左镜片的涂层只允许左图像所采用的特定波长的红光、绿光和蓝光通过；而右镜片的涂层恰恰相反，只允许右图像所采用的特定波长的红光、绿光和蓝光通过，从而达到对左、右图像进行分离的目的；左眼只能看到左图像，右眼只能看到右图像。左、右两幅图像经过大脑的合成，最终呈现出一帧立体图像。

波分式的3D成像效果较好（与偏振式相当），现阶段主要被Dolby公司的3D影院系统所采用。系统的造价也较低，只需要普通的白屏幕就可以进行3D电影的放映（相比起来，偏振光式则需要金属屏幕，造价相对较高），眼镜造价也较低，戴起来也比较轻便。该系统的主要难度在于眼镜不同波长滤光涂层的开发，该技术掌握在Dolby公司的手中。而且这种技术现阶段还无法用于3D电视系统，只用于3D影院系统。

4.色分式原理介绍

色分式俗称红蓝眼镜式，最突出的特点是观看时所戴的眼镜由两片不同颜色的镜片组成，通常一片为红色，另一片为蓝色或者绿色。与前面介绍的几种3D显示技术相比是一种比较古老的技术，早在1915年就被发明并进行了商业应用。这种技术也是最早普及的一种3D显示技术。若干年前在游乐场看到的3D动画，几乎都是采用这种技术实现的。

我们知道红色、绿色和蓝色被称为三原色，自然界中的任何颜色都可以由这三种颜色合成，而这三种颜色本身是互斥的，没有任何的交集。色分式3D系统正是利用了三原色互斥的特性，如图2-34所示。

图2-34 色分式系统示意图

内容的拍摄部分没有任何区别，只是在后期制作、播放过程中，左图像只保留三原色中的一种颜色，而右图像只保留三原色中的另一种颜色。而观众戴的色分眼镜也是由这两种颜色的镜片组成。通过色分眼镜对左、右图像进行分离，保证左眼看到左图像，右眼看到右图像。左、右两幅图像经过大脑的合成，最终呈现出一帧立体图像。

色分式由于采用了互斥的三原色，因此左、右两帧图像即使冲印到同一张底片上，在放映时也可以利用色分眼镜进行完美的分离。正是具有这个特性，现有的显示设备，如电视机、显示器、投影仪等，在不进行升级的情况下就可以进行这种3D影像的显示。同时，色分式3D系统的造价很低廉。

然而，色分式3D系统最大的缺陷在于其只采用了三原色中的两种，另一种被丢弃了。因此，在实际显示中偏色非常严重，显示效果大打折扣。正是由于这个缺陷，导致色分式3D系统趋于淘汰。

5.光栅式原理介绍

以上介绍的各种3D技术在观看时都需要戴眼镜，无论是主动快门眼镜、振光眼镜、波分涂层眼镜还是红绿色或红蓝色分眼镜。而光栅式与之最大的区别在于：观看光栅式3D显示系统时不需要戴眼镜，裸眼就可以观看3D影像。正是由于这个特点，光栅式3D技术引起了很多厂商的重视，技术和应用上也得到了很大的发展。

在具体的实现细节上，光栅式又细分为狭缝光栅式与柱状透镜式，如图2-35所示。狭缝光栅式的显示器件被划分为一些竖条，一部分竖条用于显示左图像，而另一部分竖条用于显示右图像，左、右相互间隔。而在显示器件的前方有一些柱状的狭缝光栅。这些光栅的作用在于能够允许左眼看到左图像，阻挡右眼看到左图像，同时光栅允许右眼看到右图像，阻挡左眼看到右图像。

图2-35 光栅式示意图

柱状透镜式与狭缝光栅式的区别在于将显示器件前的狭缝光栅替换为柱面透镜，如图2-36所示。显示器件同样被划分为竖条，一部分竖条用于显示左图像，而另一部分竖条用于显示右图像，左、右相互间隔。利用显示器件前面的柱面透镜的折射作用，左图像的光线射向左眼位置，而右图像的光线射向右眼位置。左、右两幅图像经过大脑的合成，最终呈现出一帧立体图像。

光栅式的优点很明显：观看者不需要戴眼镜。而其缺点跟优点一样明显：①观看者只能站在几个固定的角度才能出现立体效果；②现阶段的清晰度也非常低；③工艺难度与成本都很高，尤其难以在大屏幕上实现；④无法与2D兼容。由于以上特点，光栅式3D技术主要被一些电视机厂家用来研发、生产用于广告牌等展示用途的设备。

图2-36 柱状透镜式

6.全息照相式原理介绍

全息照相相对于传统的摄影技术来说是一种革命性的发明。光作为一种电磁波有三个属性：颜色（即波长）、亮度（即振幅）和相位，传统的照相技术只记录了物体反射光的颜色与亮度信息，而全息照相则把光的颜色、亮度和相位三个属性全部记录下来了，如图2-37所示。

图2-37 全息照相示意图

全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光波分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随着强度变化也随着两束光的位相关系而变化。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。

人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到与原来被拍摄物体完全相同的三维立体像，如图2-38所示。一张全息摄影图片即使只剩下很小的一部分，依然可以重现全部景物。

图2-38 全息影像再现示意图

全息照相在理论上是一种很完美的3D技术，从不同角度观看，观看者会得到角度不同的3D图像。而上述的3D显示技术都无法做到这一点。全息照相可应用于无损工业探伤、超声全息、全息显微镜、全息摄影存储器、全息电影和电视。但是由于技术的复杂度，全息照相在上述领域还没有得到商业应用。