1 簡介
近來，三維顯示技術受到了極大的關注，并有可能在將來帶來一個可觀的市場。三維顯示依據(jù)實現(xiàn)方法分為多種，例如：偏振眼鏡法式、頭盔式、障柵式、棱鏡式、體三維、全息立體等等。目前的立體顯示技術，仍然存在著很多的問題，例如：分辨率不高、串擾較大、均勻度有待提高等等。正是因為這些問題的存在，目前立體三維顯示器還未能實現(xiàn)大規(guī)模推廣。
在三維立體顯示當中，液晶透鏡這種技術被廣泛應用，主要原因是其具有很高的靈活性，只需要在液晶層控制相應的電極的電壓分布，液晶透鏡的折射率分布就會相應的改變，從而對像素出射光的分布進行控制，2D/3D轉換大多數(shù)就是利用液晶透鏡來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)液晶透鏡實現(xiàn)的三維立體顯示的基本原理是利用改變液晶層電極上的電壓分布，使折射率的分布呈現(xiàn)類似于固態(tài)透鏡的分布，控制一組像素出射光的分布，從而達到三維效果，其缺點是液晶透鏡的盒厚較大，會導致制備工藝問題，且嚴重影響切換速度；同時它仍然會引起顯示器分辨率的降低。
本文中，我們提出了在單個像素上形成獨立液晶透鏡的方式，如圖1所示。通過動態(tài)驅動液晶層的電極，使所有屏幕像素發(fā)出的所有光線在某個時間指向同一個視場（例如視場1），在下一個時間指向另一個視場（例如視場N），這樣就可以利用時序信號在不降低空間分辨率的前提下實現(xiàn)三維顯示。
本文提出的基于單像素透鏡的三維立體顯示方法，可以解決傳統(tǒng)方式帶來的分辨率降低問題。由于一個液晶透鏡控制一個像素的光線，能實現(xiàn)更加精確的控制，從而能提高3D顯示的串擾、均勻性等性能。
2 建模與仿真
2.1 模型的建立
本文的模型如圖2所示，其基本結構是在常規(guī)的LCD面板上方加上一層液晶層來實現(xiàn)液晶透鏡。
2.2 仿真分析
由于液晶透鏡與固態(tài)透鏡的等效性，前期仿真時以球面單像素固態(tài)透鏡建模，光源為瑯勃光源，單像素寬度0.08mm，透鏡焦距選擇1.23mm，可以得到像素發(fā)出的光在觀察面上的分布如圖3（a）所示。由圖可得，其光分布的范圍很寬。這是因為，根據(jù)模型尺寸，透鏡與對應像素的夾角很小，即像素發(fā)出的角度為180度的出射光線，其中很大部分通過相鄰透鏡出射，從而導致光線分散。當減小發(fā)散角到2度，仿真結果如圖3（b）所示，可以看到光線的分布十分的集中。由此可見，像素出射光的發(fā)散角度對單像素液晶透鏡立體顯示有著很大的影響。
為了便于控制與研究，取單像素液晶透鏡折射率分布為線性分布，光線發(fā)散角為2度。對于不同視場，單像素液晶透鏡中的折射率取不同的線性分布，以使光線聚焦到市場中心。以此仿真，得到九視場立體顯示器的仿真光強分布如圖4所示。從圖中可知，基于單像素透鏡的三維立體顯示技術能夠極大的降低串擾。
為驗證方案可實施性，對液晶層折射率控制進行了建模，如圖5所示。其中，電極寬度4um，間隔4um，10個電極作為一個單像素透鏡的電極單元，采用ECB驅動模式，其液晶層的配向方向與液晶面板出射光的偏振方向相同。
通過仿真，在不同的電極上施加不同的電壓，可以得到液晶層內的折射率分布。圖6（a）為某一時刻液晶層內部分區(qū)域的理想的線性折射率分布。當在電極上加不同的電壓時（分別為：6.55V，15.3V，12.74V，11.9V，11.28V，10.73V，10.2V，9.66V，9.12V，8.29V），液晶層折射率分布如圖6（b）所示，與理想的折射率分布近似，因此說明通過此種方式可以實現(xiàn)液晶折射率的控制，以達到三維顯示的目的。
3 結論
通過上述仿真分析可知，基于單像素透鏡的3D顯示技術能夠大大地減小3D顯示的串擾，并可使顯示器解析度無降低。由于此動態(tài)液晶透鏡三維顯示的特定使用原理，需要液晶透鏡具有快速切換能力，而本文提出的單像素液晶透鏡，由于透鏡節(jié)距小，液晶盒厚低，有助于提高液晶透鏡的響應速度。在本文的仿真結果中，單像素透鏡三維顯示技術所要求的像素光線的入射角度很窄，且光強分布有一定的非均勻性。這些可以通過后續(xù)設計相應背光模塊和優(yōu)化液晶透鏡中的折射率分布來實現(xiàn)調節(jié)。
