基于柱透镜光栅的2D/3D兼容显示的实现原理
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摘要：文中介绍了带有柱透镜光栅的显示器上2D/3D兼容显示的实现过程及实现原理。以笔记本电脑为例，通过打开/关闭电脑上3D显示的控制软件，将控制信号传送到switch cell的开启/关闭驱动电路中，使switch cell处于打开/关闭状态，通过控制柱透镜光栅是否有分光折射作用，实现电脑显示屏上不同的显示状态。
关键词：柱透镜光栅 2D/3D兼容显示 switch cell 笔记本电脑
中图分类号：TN27 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0070-02
3D显示器能够同时显示自然景物的平面信息和深度信息，使人们能够看出事物的纵深层次感[1]。基于柱透镜光栅的3D显示，由于柱透镜光栅在放置时需要倾斜一定角度，使3D显示的分辨率在水平方向和垂直方向都下降了一定的比例[2]，从而使得整个3D显示的分辨率下降，对于一些没有3D效果的文字图像等，显示效果不佳，使观看者有模糊、看不清楚的感觉，没有2d显示的效果好。
对于笔记本电脑，很多情况下，人们也需要使用文字编写、网页浏览等其他需要2D显示的功能应用软件。如果笔记本电脑能够实现2D/3d兼容，在工作学习时，采用2D显示方式，能够非常清晰的看到电脑上显示的文字、图片等各种信息；在娱乐时，可以采用3D显示方式，看到效果非常好的裸眼3D显示，体验身临其境的感觉。这样的2D/3D兼容显示的笔记本电脑会受到人们更多的青睐。
1 基于柱透镜光栅的3D显示
3D显示的实现，主要是在2D显示屏上贴一片柱透镜光栅，柱透镜光栅的焦平面贴在显示屏上，它的圆柱曲面是周期排列的透明材质，主要起到分光折射的作用[3-5]。
实现基于柱透镜光栅的3D显示，需要将多幅有左右视差的视频图像生成一幅合成后的视频图像，再通过柱透镜光栅的分光折射作用，将各有左右视差图像的光线沿着不同的方向传播至合适的位置，观看者站在可视区就能感受到很好的3D显示效果[6-7]。
1.2 3D显示观看2D信息时的不足
2D显示屏的组成材料中包含黑矩阵（Black Matrix），它是防止漏光和串扰显示的必要组成部分。它的周期结构与柱透镜光栅的周期结构的相互干涉，产生的莫尔纹将导致3D显示效果不好，为减轻莫尔纹对3D显示效果的影响，需将柱透镜光栅按照一定的角度倾斜放置[8]。对于N个视点的3D显示，使3D显示的分辨率在水平和垂直方向都降低为2D显示屏本身分辨率的N-1/2时，才会有最好的3D显示效果，但这使得人们在看没有3D显示效果的普通文字图像时，没有直接在2D显示屏上清楚。
2 2D/3D兼容显示实现原理
2.1 switch cell的组成
2D/3D兼容显示是在3D显示的基础上，增加了控制光是否进行折射传播的switch cell。Switch cell是放置于2D显示屏和柱透镜光栅之间的、一种基于偏振态切换弧形液晶透镜法的TN（twisted nematic，扭曲向列）液晶盒，它是由两片玻璃基板和玻璃基板中间的TN液晶组成，上、下玻璃基板和TN液晶之间都有配向膜和ITO（氧化铟锡）电极。其中，上、下配向膜的方向相互垂直，使得从下玻璃板入射的光线通过TN液晶扭转90°之后，上玻璃的出射光的偏振方向也旋转了90°。ITO电极是实现外部驱动电路给TN液晶供电，使液晶分子发生旋转，从而控制光线方向改变的导电电极。
2.2 基于柱透镜光栅的2D/3D显示实现原理
柱透镜光栅是由上下两层玻璃基板、它们之间的圆弧状的固态液晶和其它固态聚合物组成。对于正性液晶，液晶的长轴方向上的折射率ne>短轴折射率no，而聚合物的折射率np和正性液晶短轴的折射率相等，即ne>no=np。
2D/3D显示的关键在于是否给switch cell的上下ITO电极加电压，其原理如图1所示。
当给switch cell加电压时，TN液晶盒里的液晶分子在电场的作用下，液晶分子的长轴与电场方向一致，使得从下玻璃基板入射的偏振光线在通过该TN液晶盒时，其偏振方向不被改变。当switch cell出射光的光线入射到柱透镜光栅时，该光线的偏振方向与光栅中液晶分子的长轴方向一致，柱透镜中的液晶分子表现出长轴折射率，由于ne>np，使得偏振光在液晶和聚合物的交界面发生折射，从而实现3D显示。
在不给switch cell加电压时，入射光通过switch cell后，光线的偏振方向被旋转了90度，当该光线入射到柱透镜光栅时，偏振光的方向与柱透镜光栅中液晶分子的短轴方向一致，柱透镜中液晶表现出的短轴折射率no与聚合物的折射率np相等，使得最后经过柱透镜光栅的出射光不被折射，直射出光栅，实现2D显示（图1）。
3 笔记本电脑上2D/3D兼容显示的实现
该笔记本电脑的显示屏是在普通的2D显示屏的基础上，增加了switch cell和柱透镜光栅，switch cell的下玻璃基板上的配向膜方向与显示屏的open cell的上偏光片方向一致，柱透镜光栅在switch cell和观看者之间，起分光折射作用。
笔记本电脑上安装有控制switch cell开关的应用软件，当打开/关闭该应用软件时，笔记本电脑的主控驱动板上接收到该信号，并将该控制信号传送到switch cell开启/关闭的驱动电路中，给switch cell加电压/不加电压，从而实现笔记本电脑上的3D/2D显示。不同显示屏的open cell的上偏光片的方向可能不同，打开/关闭switch cell实现的是2D显示还是3D显示的结果可能不同，但利用switch cell实现2D/3D兼容显示的原理是一致的。
4 结语
文中详细介绍了实现2D/3D兼容显示的方法及原理。基于柱透镜光栅的3D显示主要利用了光的分光折射作用；而基于switch cell的2D/3D兼容显示，主要利用了液晶分子的电气特性、及其在不同情况下折射率不同的光学特性。随着3D显示的发展趋势，笔记本电脑的2D/3D兼容显示在未来有非常好的发展前景。
参考文献
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