狭缝光栅开口率与裸眼3D显示串扰之间的关系

武延兵，李新国，董友梅，薛建设，张 兴，王 漪，魏 伟，朱劲野

(1.北京大学 软件与微电子学院，北京 100871；2． 京东方科技集团股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

随着显示技术的迅猛发展，3D显示也获得了一波又一波的发展契机。虽然在TV应用领域，不论shutter glass 3D还是FPR (film pattern retarder, 薄膜式图案化相位差板)3D都在一度兴起后，市场渗透率又大幅下跌。而裸眼3D显示在主要应用领域的发展一直差强人意[1]。但是，在公共显示等领域，裸眼3D显示产品凭借其新鲜感、震撼的视觉效果仍然占有了一席之地。相信裸眼3D显示在展览展示、教学、游戏等领域会有更为广阔的市场应用。

裸眼3D的原理是“视差产生立体”，即通过透镜光栅、狭缝光栅、指向性背光等光学器件，将显示屏幕上的左眼图送入观看者的左眼，将右眼图送入观看者的右眼，从而使观看者获得3D视觉[2]。在常用的光学器件中，狭缝光栅(也叫视差障碍技术[3])是最常见的一种，它原理简单、制作容易、成本低廉[4]，是研究裸眼3D显示的重要方法。狭缝光栅可以分为两种，一种是黑白条纹都是固定的，不可变化；另外一种是黑白条纹是可变化的，我们称之为活动式狭缝光栅(active barrier)。

相比普通的2D显示，3D显示有许多新的评价维度，例如：景深、3D串扰、死区、3D摩尔纹等等。而其中3D串扰是最为重要，也是最为复杂的参数之一。3D串扰对于3D景深、3D显示质量，以及观看者的视觉疲劳都有至关重要的影响[5]。所以3D串扰是3D产品设计和评价的重要考量因素之一。本文就通过实际测试，验证了狭缝光栅开口率和3D串扰的关系。尤其是使用了开口率可变的狭缝光栅器件，通过电压控制其开口率，同时确保其他参数不变，测试了其对应的3D串扰。

2 3D串扰的测量方法

本文所采用的3D串扰方法参照中华人民共和国工业和信息化部于2016年10月发布的《裸眼立体电视图像质量测试方法》[6]，但为了更严格地表征3D串扰，我们根据IEC标准，进行了微小修正[7]。测试步骤如下：

(1)将亮度计置于裸眼3D显示装置的理想最佳观看距离点处(设计值)，镜头对准屏幕中央，本实验中亮度计采用的是CS200；

(2)将第一视图置为全白画面而将其他视图置为全黑画面[8]；

(3)亮度计以屏幕中央为圆心，以理想最佳观看距离为半径，绕屏幕水平旋转，进行亮度测试。测量步长为1°, 测试的角度范围为屏幕法线两边各45°，如图1所示。

图1 亮度测试平台Fig.1 Brightness measurement device

(4)将第N视图置为全白画面，其他视图置为全黑画面，重复第二、三步操作，测试出第N个视图的亮度曲线。并且不断重复第二、三步操作，获取所有视图的亮度分布曲线，如图2所示。

图2 白光亮度分布曲线Fig.2 Brightness distribution curve

(1)

3 实验1:固定式狭缝光栅裸眼3D显示装置的3D串扰

2D面板采用BOE生产的256 mm(10.1 in) ADS面板，分辨率为1 280×800, 亚像素尺寸为0.056 5 (H)× 0.169 5 (V) mm。

狭缝光栅采用LCD工厂的黄光工艺制作。然后将狭缝光栅与2D面板做手动对位贴合，完成裸眼3D显示装置的装配。装配完成后，测试每一个样品的3D串扰。实验结果如表1所示。

表1 固定式狭缝光栅测试结果Tab.1 Measurement result of fixed parallax barrier 3D display

从上面两组数据可以看出，不论是2视图还是4视图，3D串扰的确随着光栅开口率的增加而增大。

但是，我们也发现，4%～2%的开口率的差距带来的3D串扰的差距其实只有0.23%～1.93%。这么微小的差距究竟是来自于狭缝光栅的开口率，还是来自于2D面板的个体性差异？或者来自于我们在手工操作中，狭缝光栅和2D面板的对位误差？

为了更明确地证实这个规律，我们进行了实验2。

4 实验2:活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置的3D串扰

本实验采用了活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置。其中2D面板采用和实验1中相同的BOE的256 mm(10.1 in)ADS面板。活动式狭缝光栅采用TN 盒的技术来制作。即两片玻璃基板上设置透明电极，并且刻蚀成条纹状，该条纹宽度对应狭缝光栅的遮光条纹的宽度，条纹和间距的宽度对应狭缝光栅的pitch。在两片玻璃基板上设置有趋向层，在其中间设置有一定厚度的液晶层。在其外侧设置有偏光片。这样，当不加电时，他是全透明的，当给条纹状透明电极加电时，对应的部分就会变成不透明状态，从而起到狭缝光栅的工作。同时，这样的器件，可以通过加大电压的方法，在一定范围内，改变条纹宽度。见图3。

活动式狭缝光栅的光学设计参数包括：采用2视图设计; 相对底边，光栅条纹倾斜角度为71.43°；设计栅距为0.112 9 mm；设计开口率30%。活动式狭缝光栅和2D面板的装配采用手工周边贴合的方法。活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置结构如图3所示。

图3 活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置结构示意图Fig.3 Active barrier 3D display device structure

图4 不同电压下的开口宽度Fig.4 Widths of transparent area at different voltages

对同一片活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置，改变其活动式狭缝光栅的电压，就可以改变其开口率。如图3所示，当工作电极持续增加时，液晶发生偏转的区域就会更宽，从而使黑色区域的宽度增加，最终降低开口率。图4模拟了在4，8，15 V时的开口宽度。

然后针对同一片活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置，改变其活动式狭缝光栅的电压，测试其亮度和3D串扰，如表2所示。

从以上实验结果可以看到，对于该裸眼3D显示装置，它拥有同一片2D面板，具有同样的贴合状态，可以认为只有狭缝光栅的开口率发生了改变，我们可以清晰地看到3D串扰随着电压的增加，开口率的增加而增大。

表2 2视点活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置的3D串扰Tab.2 2-view 3D crosstalk of active barrier 3D display at different voltages

然后采用4视图设计制作活动式狭缝光栅： 相对底边，光栅条纹倾斜角度为71.43°；栅距为0.225 6 mm；开口率为20%。活动式狭缝光栅和2D面板的装配采用手工周边贴合的方法(图3)。测试其不同电压下的3D串扰，得到表3。

从表3可以看到，4视图的活动式狭缝光栅裸眼3D显示器也展示出了相同的规律。随着驱动电压的升高，活动式狭缝光栅开口率持续降低，而3D串扰则随之降低。

表3 4视点活动式狭缝光栅裸眼3D显示装置的3D串扰Tab.3 4-view 3D crosstalk of active barrier 3D display at different voltages

5 结 论

本文通过实际测试开口率不同的固定式狭缝光栅裸眼3D显示装置的3D串扰，初步验证了开口率越大，3D串扰越大的规律。

为了排除诸如2D显示面板之间的个体差异，和狭缝光栅贴合时的操作误差等因素对3D串扰造成的影响。本文通过给活动式狭缝光栅裸眼3D显示器的狭缝光栅液晶盒加不同的驱动电压，从而获得不同的开口率，然后测试了在不同驱动电压下的3D串扰，最终证实了“开口率越大，3D串扰越大”的规律。

所以，为了改善3D显示质量，需要控制狭缝光栅的开口率，以减小3D串扰。当然这样会造成亮度的损失和功耗的上升[9]。所以，狭缝光栅角度的调整，排图方法[10]，立体图像对的处理等都需要综合考虑，以综合改善裸眼3D显示器的3D显示品质。