3D偏振演示实验

管永军，金 武，牛小宁

（兰州大学物理科学与技术学院，甘肃兰州730000）

1 引 言

3D即“3Dimensions”的缩写，随着3D电影《阿凡达》风靡全球，3D成为当下最流行的词汇，3D照相机、3D显示器、3D笔记本、3D游戏等3D技术也开始快速发展.3D电影是电影技术发展的革命性成果，它很大程度上提高了人们对视觉艺术的认识水平.3D效果的形成可以有多种途径，比如红蓝或红绿双色眼镜技术、偏振眼镜技术、高频开关眼镜技术和全息照相技术[1]等.本实验主要通过线偏振技术演示3D立体效果形成过程.通过演示，让学生了解和理解3D技术的形成过程.演示涉及光偏振技术、透镜成像规律、视觉暂留现象等基本光学原理.通过这些原理，清晰阐述3D立体效果的形成条件.

2 实验原理

由于人的双眼存在视差[2]，在日常生活中看东西时，2只眼睛看到的画面是2张稍微有差异的二维图像，同时进入左右眼的图像经过大脑的融合，使人感受到三维图像[3].这就是3D效果形成原理.原理应用应该注意以下几点：

1）2张二维图像是左右眼分别看到的图像，所以2张二维图像之间的差异很小.

2）要求1只眼睛只能看到某个角度上的1张图片，1只眼睛不能同时看到2张图片.这与人眼睛的机理有关，人的1只眼睛只能看到1幅画面，不可能看到2幅画面.

3）在现实生活中左眼和右眼看到的画面几乎是重叠在一起的.

下面扼要说明如何通过当下比较普遍的红蓝或红绿眼镜技术、偏振眼镜技术和高频开关眼镜技术这3种3D电影技术实现3D效果.

红蓝或红绿眼镜技术：影片本身色调主要是红色和蓝色，有差异的2幅画面一幅为红色，另一幅为蓝色，所佩戴的眼镜片中其中一片是红色，另一片是蓝色，红色镜片滤掉蓝色只能看到影片中红色部分，而蓝色镜片可以滤掉红色看到蓝色部分，这样2只眼睛就能同时看到稍有差异的2幅画面而形成立体效果[3].这种方法的缺点很明显，色彩过于单调.

高频开关眼镜技术：2台摄像机拍摄的画面（左右眼分别看到的画面）被剪辑整理成交替排列的形式，即左边摄像机拍的1帧下来接右边摄像机拍的1帧画面，这样一直交替排列.佩戴的眼镜镜片由信号控制开与关，放映时当左眼画面到来时，信号控制左眼镜片打开，右眼镜片关闭，当右眼画面到来时，右眼镜片打开，左眼镜片关闭.这样在开关频率很高时，由于视觉暂留的原因，而形成立体效果[4].这种方法的缺点是不易控制.

3D偏振电影技术：通过偏振技术使稍微有差异的2幅画面同时进入眼睛而产生立体效果，影片本身就是由2个摄像机拍的稍微有差异的画面，2个摄像机相当于分别在左右眼的角度.电影放映时，用2个放映机同步放映，每个放映机前面分别有水平偏振片（或左旋圆偏振片）和垂直偏振片（或右旋圆偏振片），画面经过偏振片后变为线偏振（或圆偏振）的光线，线偏振（或圆偏振）的画面经过屏幕反射后经过线偏振眼镜（或圆偏振眼镜），使2幅稍微有差异的画面分别进入2只眼睛而形成立体效果[4].缺点是2个放映机放映时不易做到同步放映.

3 实验装置

3.1 实验装置结构及器材

实验装置如图1所示，由灯箱、图片盘、镜头、偏振片、金属幕布和偏振眼镜等组成.图片盘上并排放置稍有差异的2张图片（立体照片）.有一系列这样的立体图片缠绕图片盘一周.图片盘经过灯箱的图片窗口被投影出来，2幅画面经过偏振片后分别形成水平偏振的画面和垂直偏振的画面，被屏幕反射后分别通过偏振眼镜的2个镜片进入眼睛，从而感受到立体效果.当图片盘按照一定的速度转动时，由于视觉暂留原因，就可以演示出同立体电影一样的效果.

图1 实验装置

3.2 灯箱

灯箱如图2所示，灯箱内的装置相当于2个幻灯机，但是2个主光路需有很小的角度，这是因为原理中第3点要求2幅画面是大致重叠在一起的，两镜头前面各置一水平偏振片和垂直偏振片.

灯箱内部器件有如下要求：

图2 灯箱

1）用2盏投射灯.因投射灯所发出的光要经过图片、投影镜头、偏振片、屏幕和偏振眼镜等组件，每经过一个组件都会使光强度减弱，所以投射灯的光强度要求很高，这样投射出的图像才会清晰明亮.

2）投影镜头的作用是使图片放大.为了使它能够将图片清晰地投影到屏幕上，必须要求屏幕上的像面照度均匀.

为了使投影效果达到最佳状态，实现像面照度均匀，应该将图片和聚光镜L1靠在一起，光源像与成像镜头L2重合[5].如图3所示布置灯箱内各器件位置.

图3 灯箱内光源、图片和镜头相对位置

3.3 图片盘

在实验中，透明图片放在图片盘上，如图4所示.左眼的一组图片和右眼的一组图片分别贴到图片盘上.注意立体照片中的2张图片所在平面不是重合的，它们的法线之间有很小的夹角.图片盘可以用程序控制的步进电机带动，且转动必须是一停一走，当每幅画面投影到幕布上时需要停一段时间，这样才能在屏幕上看清楚画面，切换画面的速度须在视觉暂留的允许范围内，这样才能形成前后2个画面的连续.

图4 图片盘

3.4 立体照片

立体照片是左右眼分别看到的图像，是差异很小的2张图片，是这2张图片（称一个单位）在大脑中融合而形成立体效果.如图5就是2张稍微有差异的图片.有2个镜头的照相机可以在同一时间拍到这样的立体图片.具体实验中，是将图片打印到专门的投影胶片上，然后将这样的图片做成幻灯片的形式，用透射灯将其投影.

图5 立体照片（源于www.litipai.com）

3.5 偏振片和偏振眼镜

3D形成原理要求1只眼睛只能看到某个角度上的1张图片，1只眼睛不能看到2张图片.因此引入偏振技术[6].灯箱原理图（图2）中所示的偏振片一边是水平的（光经过偏振片以后只有水平方向的振动），一边是垂直的，所以左右眼看到的2张图片被投射后，一张以水平振动的方式投影到屏幕上，另一张是以垂直振动的方式投影到屏幕上，经过屏幕的反射进入偏振眼镜，而偏振眼镜一边可透过水平方向的振动，另一边可透过垂直方向的振动.这样2张图片通过各自的通路在同一时间分别进入左右眼，达到1只眼睛只能看到某个角度上的1张图片，1只眼睛不能看到2张图片的要求.实验中为了更好地演示3D形成过程，所用偏振眼镜是自制的可以调节偏振方向的眼镜.

3.6 屏幕

屏幕要求能够很好地反射偏振光，只有金属幕才能达到这样的效果.将屏幕制作成细小的曲面形状，再在其表面涂以铝粉.金属幕特点如下：

1）高增益，视角大，高还原性，高均匀性和很好的对比度.

2）适合常光下投影，可彻底消除漫反射普通幕常光下投影时产生雾状白背景现象.

3）色彩还原好，屏幕图像清晰逼真，方向性较强，屏幕对光的反射率高.

4）属于漫反射型幕布，具有良好的光线反射能力.缺点是对观赏角度有一定的要求，如果在侧面观赏时，图像会产生畸变.

4 实验演示过程及现象

1）调节步进电机步进速度.设置步进电机步进速度，分别打开左右侧投射灯，开启电机，不戴眼镜观察幕布上的画面，使每帧画面达到清晰且画面之间能够流畅切换.

2）偏振眼镜调节.不启动步进电机，使图片盘上的某一帧画面停留在偏振片之前，先打开左边投射灯，戴偏振眼镜观察幕布，调节偏振眼镜的右镜片，使右眼看不到屏幕上的画面；然后打开右边投射灯，关闭左边投射灯，使左眼看不到屏幕上的画面.注意调节偏振眼镜时头不要改变位置.

3）静态3D效果观察.两边灯同时打开，不带眼镜观察，会看到2幅像模糊地重叠在一起；戴上眼镜观察（注意观察位置就在调节好的位置），会观察到画面立体效果.然后戴上眼镜改变观察位置观察或者改变水平方向的角度，又会看到2幅模糊画面，这是由于2幅画面进入了同一只眼睛的缘故.基于上面原因，现在电影院中都采用圆偏振眼镜，这样就不会因为水平方向角度变化而1只眼睛看到2幅画面，大大提高稳定性.

4）动态3D效果观察.开启调节好的步进电机，在静态时调节好眼镜的位置观察幕布，会有立体电影的效果.

5 结束语

目前，3D技术的产业链已涵盖工业、航天、科研、医疗以及互联网等诸多领域，3D产业与平常百姓生活关系越来越密切.3D教育的意义不仅是国际化的，更是社会化的.3D演示实验装置不仅能够直观形象地演示3D立体效果的形成过程，而且能够很好地帮助更多的人去理解3D电影的原理，认识人的眼睛与立体世界之间的关系.

[1] 田宇，呼文来，徐雪楠.半导体激光器拍摄全息图的研究[J].物理实验，2010，30（8）：24－26.

[2] 陈振华.光和眼睛[M].北京：科学普及出版社，1958：30－36.

[3] 孙延禄.3D电影新进展[J].现代电影技术，2008（3）：3－6.

[4] 高五峰，李枢平.迅速发展的数字3D电影技术及相关设备[J].现代电影技术，2008（6）：12－16.

[5] 李晓彤.几何光学和光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，1997：203－305.

[6] 竺子民.物理光学[M].武汉：华中科技大学出版社，2009：215－264.