自由立体显示中的背光系统设计*

张冰清，王元庆，薛亚兰，曹利群，周必业，李鸣皋*

（1.南京大学电子科学与工程学院，南京 210046；2.中国人民解放军海军总医院，北京 100088）

近年来无论是内容业者，媒介业者，游戏业者还是终端显示业者竞相投入3D显示技术的研发，3D立体显示技术已经成为下一代显示器的主流研发项目之一［1］。如今的立体电影在各大影院已经相当普及，不足之处是观看者必须佩戴如眼镜等辅助设备，无辅助的自由立体显示才是人们追求的目标。目前的自由立体显示方式主要有以下3种：视差立体、体立体与全息立体。视差立体主要基于立体影像（Stereopsis）原理，使观看者的左右眼分别且只能看到对应立体图像对的左右图像［2］。在显示背光方面，如何使观看者看到高分辨率的立体图像就成了十分重要的研究问题，同时要保证整体屏幕的亮度并有效地利用光源。目前，国内外大部分研究者都通过导光板实现侧背光来达到目的［3-4］，并在导光板上增加丝网印刷或者刻画凹槽的办法来改变其全反射结构，从而改善出光均匀性［5］，但是我们希望尽可能地利用光能，因此如何尽量全部利用光源、避免漏光就成了一项十分重要的研究课题。

1 系统原理介绍

为了较好地利用光源并尽量减少光损失，我们设计了如图1所示的光路结构：整体系统由棱柱镜、平行导光板、三角棱镜、平面反射镜、菲涅尔透镜与增亮膜BEF组成（Brightness Enhancement Film）。核心原理是利用菲涅尔透镜与增亮膜形成指向性出瞳，同时，为了适应多用户以及用户可移动观看，本装置还包含人眼跟踪模块，人眼跟踪模块检测观看者的移动和观看者数目，将此信息以30帧/s的速度近实时地传递给背光控制模块［6］，背光控制模块随后做出相应处理，从而形成多个独立的立体视域窗口。

图1 系统整体结构

此外，采用分时原理而又不让用户观看时产生闪烁感，LCD刷新频率不应低于100 Hz，本装置使用的是明基23寸LCD屏，分辨率为1 920×1 080@120 Hz。

2 各光学元件原理

2.1 棱柱镜

棱柱镜的功能是将有一定发散角的光源进行角度压缩，从而形成近平行光入射进导光板，减少光损失。

2.2 导光板与三角棱镜

导光板与三角棱镜则利用光的全反射作用，减小了光能量损失，既起到了将光线在其中多次折转的目的，也增加了为菲涅尔透镜成像的光程，使得出瞳质量显著提升。

2.3 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜PMMA材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。本项目中主要是用来汇聚光线，配合指向性光源，能将光线汇聚到指定位置，满足公式

其中，u为物距，v为像距，f为菲涅尔透镜的等效焦距。

图2 菲涅尔透镜横截面

图3 菲涅尔透镜成像原理

2.4 掠入射结构

掠入射结构由平面反射镜、导光板与一层光学膜组成。如图4所示，光线经由平面反射镜入射进平行导光板，一部分光通过膜中的微结构后向上射出，剩下一部分光线通过后部的光路结构经过表明的膜发生反射从而被再次利用，同样经过全反射后向上射出，从而达到了增亮的效果。

图4 掠入射示意图

这是此背光系统的一大创新点，既巧妙地改变了光线的传输方向，又利用光学原理提高了光线利用率。

3 LED背光控制系统

本系统采用LED阵列作为显示光源，此光源有两个作用：（1）确定LED阵列的点亮位置；（2）控制点亮的时序，使之与屏幕亮灭时序一致。该系统采用AVR Atmega128作为控制处理器，其具体实现方法为：单片机通过RS232串口，从人眼跟踪模块获得观看者眼睛位置信息及观看者数目，以此确定应该点亮的LED阵列的位置；同时通过外部中断，模拟合成帧频信号以控制对应LED阵列的亮灭，进而实现分时显示［6-7，9］。

LED发光阵列由一排水平排列的高亮度、小尺寸LED以及驱动电路组成，采用共阳极接法，通过控制阴极的高低电平实现LED的亮灭，从而实现了光源的单独控制，具有寻址性［8］。

图5所示为LED电路驱动板与灯板实物图，驱动板采用串行输入，并行输出恒流形式，灯板采用铝基板，目的是为了更好地散热。

图5 LED灯板与驱动板

3.1 同步信号与LED发光延时

为了达到同步点亮的目的，需要获取显卡每一对左右图像的帧同步信号，中断到来时刻，进入点亮控制环节。图6为提取的120 Hz的帧同步信号，高电平有效，此信号作为单片机的外部中断来源，单片机的中断触发方式为上升沿触发，并配合适当的点亮延时，就可以实现LED点亮与屏幕时序的吻合［9-10］。

由于采用了120 Hz的刷新频率的显示器，所以我们用光电二极管直接测量屏幕的亮灭波形，并通过示波器显示。图7中占空比窄的部分为高电平，说明屏幕被点亮，占空比宽的部分为低电平，说明屏幕为暗，由于示波器的余晖作用，导致图7中所示结果。

图6 测得屏幕的点亮时序

图7 单片机中断与LED时序

4 仿真及实验结果

在上文中，我们通过理论分析验证了原理的可行性，下面通过Zemax仿真软件加以验证。

4.1 菲涅尔透镜成像

菲涅尔透镜可以将入射光进行压缩，并在适当的位置形成出瞳，仿真结果如图8所示。

图8 菲涅尔透镜成像仿真结果

4.2 掠入射

如图9所示，左侧入射光和从右侧反射的光线通过BEF全反射后向上射出，图10所示为后部反射镜反射部分入射光的效果。

图9 掠入射仿真结果

图10 掠入射后部仿真结果

最终，通过背光控制，可以实现在整个屏幕上得到出光效果，Zemax仿真结果如图11所示。

图11 整体仿真光效

4.3 出瞳特性

为了得到满足宽度的出瞳，需要配合LED的点亮时序与LED点亮的数量。根据菲涅尔透镜成像规律，物宽L与像宽l的关系满足

经过棱柱镜，导光板与菲涅尔透镜的光束整形，最终在某一距离的到了如图12所示的出瞳效果。图12显示的是在1 m出的出瞳，测得出瞳宽度为20.5 mm，两个出瞳的中心距离为64.7 mm，满足人眼的观看需求，不会使得一只眼睛看到另一只眼睛的图像。

图12 出瞳效果

5 结束语

自由立体显示技术已经成为世界上研究的热点课题，本文阐述了基于菲涅尔透镜与BEF的背光显示系统，通过理论分析与实际仿真，得到了良好的背光效果。

［1］陈玲玲.3D立体显示技术的现况与展望［J］.中国西部科技，2010，30：38-39.

［2］王元庆.立体电视技术及其现状［J］.南京大学学报：自然科学，2014，50（3）：361-370.

［3］Xue Y.L，Wang Y.Q.Multi-User Autostereoscopic 2D/3D Switch⁃able Flat-Panel Display［J］.Journal of Technology，2014：355-360.

［4］Richards W.Stereopsis and Stereoblindness［J］.Experimental Brain Research，1970，10（4）：380-388.

［5］Luo Zhenyue，Cheng Yu Wen，Wu Shin-Tson.Polarization-Pre⁃serving Light Guide Plate for a Linearly Porlarized Backlight［J］.Journal Of Display Technology，2014，10（3）：208-214.

［6］欧伟明.单片机原理与应用系统设计［M］.北京：电子工业出版社，2009：109-130.

［7］潘启勇，娄维鸿，邬正义.基于89C51单片机的环境噪声测量仪［J］.电子器件，2000，23（2），146-149.

［8］周志敏.LCD背光驱动电路设计与应用实例［M］.北京：人民邮电出版社，2009：11-33.

［9］张瑞雪，王元庆，张兆阳.基于AVR单片机的自由立体显示背光控制系统［J］.现代电子技术，2011，34（23）：149-151.

［10］吴鹏，陶正苏，胡宇贞.基于单片机USB接口的PC主机驱动程序和应用程序设计［J］.电子器件，2005，28（3）：612-614.

张冰清（1990-），男，江苏镇江人，硕士生，研究方向为自由立体显示，932546707@qq.com；

王元庆（1963-），男，汉族，博导，教授，研究方向为立体图像显示、立体图像获取、现代数字图像处理、无侵扰人机交互，yqwang@nju.edu.cn。