3D顯示技術(shù)及原理

1、3D知識普及篇之3D顯示技術(shù)及原理在不同的發(fā)展時(shí)期，根據(jù)不同的應(yīng)用，不同的公司開發(fā)了不同的3D顯示技術(shù)；從觀看形式上來區(qū)分，有需要配戴眼鏡的，有不需要配戴眼鏡，眼鏡也有主動與被動式之分；總體來說，配戴眼鏡觀看技術(shù)發(fā)展比較成熟，設(shè)計(jì)和制造難度、制造成本較低，3D效果好；而裸眼觀看的技術(shù)還處于起步階段，制造難度高，成本高，而觀看的效果不盡如人意，尤其是觀看的角度有限制，清晰度差，3D效果也不好；第一屆現(xiàn)有3D顯示方式對比:觀看方式采用技術(shù)應(yīng)用方式成熟度優(yōu)缺點(diǎn)主動快門式時(shí)分式光分式3D電視3D影院優(yōu)點(diǎn)：3D成像質(zhì)里取好(FullHD)優(yōu)點(diǎn)：成像質(zhì)量較好缺點(diǎn)：造價(jià)高眼鏡式波分式3D影院優(yōu)點(diǎn)：成像質(zhì)量較

2、好被動式色分式初級3D影院和電視優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低廉缺點(diǎn)：3D效果差，色彩丟失嚴(yán)重裸眼式光棚式柱狀透鏡式3D電視機(jī)和顯示器3D電視機(jī)和顯示器優(yōu)點(diǎn)：/、需要配戴眼鏡缺點(diǎn)：3D效果差難以實(shí)現(xiàn)大屏幕缺點(diǎn)：3D效果差，難以實(shí)現(xiàn)大屏幕全息照相優(yōu)點(diǎn)：從各個(gè)角度觀看皆可以缺點(diǎn)：不成熟現(xiàn)有3D顯示方式對比第二節(jié)主動快門式(時(shí)分式)原理介紹主動快門式具有以下特點(diǎn)：(1)顯示原理相對簡單，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低；(2)畫質(zhì)優(yōu)異，能實(shí)現(xiàn)雙眼1080P的高清顯示，講影院級的3D影像帶入家庭；(3)成本低，由2D升級到3D的主要工作集中在驅(qū)動電路的升級，以及有限的額外眼鏡成本；由于主動快門式3D顯示的上述特點(diǎn)，當(dāng)前主流的3D電視

3、廠家紛紛采用這種技術(shù)，如：Pana-sonic,Sony,Samsung等；另外也有3D影院系統(tǒng)采用這種技術(shù)，如：XPAND;美中不足,這種技術(shù)要求觀眾佩戴眼鏡，稍有不便。第三節(jié)光分式原理介紹“光分式”也被稱為“偏振式”。顧名思義，中技術(shù)利用了偏振光的特點(diǎn)。光波我們知道，光波是一種橫波（震動方向垂直于傳播方向），是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉(zhuǎn)換的震動形成的。我們通常將其電場的振動方向稱為光波的震動方向，自然光在各個(gè)方向上的震動是均勻的，因而被稱為非偏振光。如果一束光在任意一個(gè)特定的時(shí)刻只在一個(gè)特定的方向上振動，則這束光就是偏振光。自然光偏振光可以通過偏振鏡獲得，偏振鏡就是一個(gè)柵欄，其具有

4、振動方向。當(dāng)一束自然光通過偏振鏡時(shí)，偏振鏡指揮這一束自然光中與其振動方向一直的一部分通過，而其他不一致的部分都會被過濾掉。I圓偏振光振動方向而當(dāng)一束偏振光經(jīng)過偏振鏡時(shí)，如果這束偏振光的振動方向與偏振鏡的振動偏振光振動方向一致，這束偏振光則全部允許通過；反之，如果這束偏振光的振動方向與偏振鏡的方向不一致，這束偏振光則全部被過濾掉。光分式系統(tǒng)正是利用了這一原理。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行顯示時(shí)，將左、右圖像同時(shí)顯示在屏幕上。不過左右兩幅圖像在顯示在屏幕上之前會經(jīng)過不同偏振鏡的過濾，如上圖所示：左圖像用垂直方向的偏振鏡進(jìn)行過濾，成為在垂直方向上振動的偏振光；而右圖像則采用水平方向的偏振鏡進(jìn)行過濾，成為在水平方向上震

5、動的偏振光。與之相對應(yīng)的是，觀眾所配戴的偏振眼鏡的左鏡片的震動方向?yàn)榇怪狈较?，右鏡片的振動方向?yàn)樗椒较?。這樣就能保證做圖像最終被觀眾的左眼所看到，而右圖像被觀眾的右眼所看到，兩幅圖像經(jīng)過大腦的合成最終形成一幅具有三維立體感的3D圖像。偏振光具體上分為線性偏振光與圓偏振光兩種。在任意一個(gè)特定時(shí)刻，線偏振光和圓偏振光都只在一個(gè)特定方向上振動。而隨著時(shí)間的變化，線偏振光保持振動方向不變，而圓偏振光的振動方向在垂直于光線傳播方向的平面上旋轉(zhuǎn)。而旋轉(zhuǎn)方向又分為左旋和右旋。早期的光分式3D系統(tǒng)多采用線性偏振光，而采用線性偏振光最大的缺點(diǎn)是觀眾觀看姿勢必須盡量保持不變。如果觀眾歪頭或側(cè)身，則眼睛的偏振方向

6、會變的與光線的偏振方向不一致，3D效果會變差，甚至?xí)?dǎo)致觀看者頭暈、頭痛等現(xiàn)象。而圓偏振光的引入則比較有效的改善了線偏振光的缺點(diǎn)。圓偏振光系統(tǒng)與線偏振光系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)沒有任何區(qū)別，只是將垂直偏振鏡與水平偏振鏡替換為左旋偏振鏡與右旋偏振鏡。光分式的3D成像效果較好，造價(jià)相對較低；尤其是相對于主動快門式，眼鏡的成本更低，眼鏡的重量也要輕很多。該技術(shù)現(xiàn)階段主要被各種3D影院系統(tǒng)所采用，如RealD,IMAX等。也有部分電視機(jī)廠商采用這種方式，如：現(xiàn)代公司，但是在電視上實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)對工藝要求較高，成本也會增加數(shù)百美元不等，而清晰度只能達(dá)到FullHD的一半。光分式最大的問題在于沒有完美的偏振鏡，也無法

7、過濾出完美的偏振光。因而觀眾所配戴的偏振眼鏡無法對左右圖像進(jìn)行完美的分離，因而導(dǎo)致總有一部分左圖像的光線進(jìn)入右眼，而一部分右圖像光線進(jìn)入左眼。雖然從比例上講很少，但足以導(dǎo)致3D效果下降，以及導(dǎo)致一部分觀眾觀看過程中的不適，如頭暈。頭痛。第四節(jié)波分式原理介紹光是人眼所能觀察到的波長介于0.76nm至0.38nm之間的電磁波。光波從人眼能感覺的顏色上又分為紅、綠、藍(lán)等各種顏色，而每種顏色的光的波長并不是一個(gè)特定值，而是介于一個(gè)范圍之間，如：紅光波長介于0.63nm至0.76nm之間，紫色波長介于0.38nm至0.46nm之間。波分式3D系統(tǒng)正式利用了上述特性光波波長的特性。波分式系統(tǒng)示意圖波分式系

8、統(tǒng)的組成與光分式非常類似。節(jié)目的拍攝并無不同，只是當(dāng)在設(shè)備上進(jìn)行顯示時(shí)，利用了光波波長特性。在光分式（偏振光）系統(tǒng)中，利用偏振光實(shí)現(xiàn)左圖像與右圖像的分離；左圖像與右圖像采用不同偏振方向的偏振光；而在波分式系統(tǒng)中，利用不同波長的光波進(jìn)行分離：左圖像采用某特定波長紅光、綠光和藍(lán)光；右圖像采用不同于左圖像的某特定波長的紅光、綠光和藍(lán)光。而觀眾所配戴眼鏡的左右鏡片都涂有不同的多個(gè)涂層。左鏡片的涂層只允許左圖像所采用的特定波長紅光、綠光和藍(lán)光通過；而右鏡片的涂層恰恰相反，只允許右圖像所采用的特定波長紅光、綠光和藍(lán)光通過；從而達(dá)到對左右圖像進(jìn)行分離的目的；左眼只能看到左圖像，右眼只能看到右圖像。左右兩幅圖

9、像經(jīng)過大腦的合成，最終呈現(xiàn)出一幀立體圖像。波分式的3D成像效果較好（與偏振式相當(dāng)），現(xiàn)階段主要被Dolby公司的3D影院系統(tǒng)所采用。系統(tǒng)的造價(jià)也較低，只需要普通的白屏幕就可以進(jìn)行3D電影的放映（相比起來，偏振光式則需要金屬屏幕，造價(jià)相對較高），眼鏡造價(jià)也較低，佩戴起來也比較輕便。該系統(tǒng)的主要難度主要在于眼鏡不同波長濾光涂層的開發(fā)，該技術(shù)掌握在Dolby公司的手中。而且這種技術(shù)現(xiàn)階段還無法用于3D電視系統(tǒng)，只用于3D影院系統(tǒng)。第五節(jié)色分式原理介紹色分式俗稱為紅藍(lán)眼鏡式，最突出的特點(diǎn)是觀看時(shí)所配的眼鏡有兩片不同顏色的鏡片組成，通常一片為紅色，另一片為藍(lán)色或者綠色。與前面介紹的幾種3D顯示技術(shù)相比起

10、來是一種比較古老的技術(shù)，早在1915年就被發(fā)明并進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。這種技術(shù)也是最早普及的一種3D顯示技術(shù)。我們?nèi)舾赡昵霸谟螛穲鲋惖膱鏊吹?D動畫，幾乎都是采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。我們知道紅色、綠色和藍(lán)色被稱為三原色，自然界中的任何顏色都可以由這三種顏色合成，而這三種顏色本身是互斥的，沒有任何的交集。色分式3D系統(tǒng)正式利用了三原色互斥的特性。色分式系統(tǒng)示意圖內(nèi)容的拍攝部分沒有任何區(qū)別，只是在后期制作、播放過程中，左圖像只保留三原色中的一種顏色，而右圖像則只保留三原色中另一種顏色。而觀眾所配戴色分眼鏡也是由這兩種顏色的鏡片組成。通過色分眼鏡對左右圖像進(jìn)行分離，保證左眼看到左圖像，而右眼看到右圖像。左

11、右兩幅圖像經(jīng)過大腦的合成，最終呈現(xiàn)出一幀立體圖像。色分式由于采用了互斥的三原色，因此左右兩幀圖像即使沖印到同一張底片上，在放映時(shí)也可以利用色分眼鏡進(jìn)行完美的分離。正式具有這個(gè)特性，現(xiàn)有的顯示設(shè)備，如電視機(jī)、顯示器、投影儀等，在不進(jìn)行升級的情況下就可以進(jìn)行這種3D影像的顯示。同時(shí)，色分式3D系統(tǒng)的造價(jià)很低廉。然而，色分式3D系統(tǒng)最大缺陷在于其只采用了三原色中的兩種，另一種被丟棄了。因此，在實(shí)際顯示中偏色非常嚴(yán)重，顯示效果大打折扣。正式由于這個(gè)缺陷，導(dǎo)致色分式3D系統(tǒng)趨于淘汰。第六節(jié)光柵式原理介紹上述介紹的各種3D技術(shù)，在觀看時(shí)都需要配戴眼鏡，無論是主動快門眼鏡、振光眼鏡、波分涂層眼鏡還是紅綠或紅

12、藍(lán)色分眼鏡；而光柵式與之最大的區(qū)別在于：觀看光柵式3D顯示系統(tǒng)時(shí)不需要配戴眼鏡，裸眼就可以進(jìn)行3D影像的觀看。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，光柵式3D技術(shù)引起了很多廠商的重視，技術(shù)和應(yīng)用上也得到了很大的發(fā)展。光柵式示意圖在具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上，光柵式又細(xì)分為狹縫光柵式與柱狀透鏡式（LenticularLens）。正如右圖所示：狹縫光柵式的顯示器件被劃分為一些豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。而在顯示器件的前方則有一些柱狀的狹縫光柵。這些光柵的作用在于能夠允許左眼看到左圖像，阻擋右眼看到左圖像；同時(shí)光柵允許右眼看到右圖像，阻擋左眼看到右圖像；而柱狀透鏡式與狹縫光柵式的區(qū)

13、別在于將顯示器件前的狹縫光柵替換為柱面透鏡，如右圖所示：顯示器件同樣被劃分為豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。利用顯示器件前面的柱面透鏡的折射作用，左圖像的光線射向左眼位置，而有圖像的光線射向有眼位置。左右兩幅圖像最終經(jīng)過大腦的合成，最終呈現(xiàn)出一幀立體圖像。光柵式的優(yōu)點(diǎn)很明顯：觀看者不需要配戴眼鏡；而其缺點(diǎn)跟優(yōu)點(diǎn)同樣的明顯：（1）觀看者只能站在幾個(gè)固定的角度才能出現(xiàn)立體效果（2）現(xiàn)階段的清晰度也非常低;（3）工藝難度與成本都很高，尤其難以在大屏幕上實(shí)現(xiàn)；（4）而且無法與2D兼容。由于以上特點(diǎn)，光柵式3D技術(shù)主要被一些電視機(jī)廠家用來研發(fā)、生產(chǎn)用于廣告牌等展示用途的設(shè)備。第七節(jié)全息照相式原理介紹全息照相相對于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)來說是一種革命性的發(fā)明。光作為一種電磁波有三個(gè)屬性：顏色（即波長）、亮度（即振幅）和相位，傳統(tǒng)的照相技術(shù)只記錄了物體所反射光的顏色與亮度信息，而全息照相則把光的顏色、亮度和相位三個(gè)屬性全部記錄下來了。全息照相示意圖全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光波分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度，也記錄了位相信息。全息影像再現(xiàn)示意圖人眼直接去看這種感光的底片，只能