立体液晶显示器工作原理

前言

由于人类的眼睛已经习惯日常生活中三次元立体影像，因此认为包含电影在内及其它显示器所显示的画面也应该是立体影像，然而令人讶异的是这种潜意识的需求，长久以来却碍于科技上的束缚，快速且毫无抗拒的接受平面二次元影像。数字信息革命后除了带动多媒体社会提早来临之外，也再次点燃医疗、动画、CAD/CAM等领域对于三次元立体影像的殷切需求。有鉴于此本文将介绍有关利用液晶显示器制作三次元立体影像技术动向。

三维影像分割器(image splitter)

日本SANYO公司是最早从事有关三维立体影像技术的研究，早在94年曾推出不需专用眼镜的三维立体影像分割器，利用这种影像分割器可用来观赏立体动态影像，基本上它是根据视差障碍(parallax barrier)原理使影像交互排列先通过细长的纵列光栅后才由两眼捕捉观察，由于进入左、右眼的纵向影像因视差障碍器被分开，造成左、右眼所捕捉的影像产生微小偏离，最后经由视网膜当作三维影像读取(图1)。


利用这种原理可以针对观视者观赏画面时的最适当位置，除了提供观视者左右两眼影像之外，由影像正面的显示区到最适距离所函盖的区域，对观视者而言就变成正常的立体三次元影像。不过两眼视线相邻处的影像，会被左、右两眼在无意识状态下捕捉读取形成所谓的逆视领域，换句话说使用这种三维立体影像分割器的观视者必需固定在一定的观视位置才能产生立体视觉效果(图2)。


为了改善上述缺失因此开发出头部检测系统(head tracking system)，利用这种检测系统可随时侦测观视者头部位置，一旦产生逆视领域时显示器会立即切换左右两眼所读取的影像，如此一来不但可以防止逆视问题的发生，还可以扩大三次元立体影像的可观视范围(图3)。

然而实际使用上头部检测系统时，却发现图3的A处部位的各菱形区域界面非长狭窄，造成观视者感受到微妙的重叠影像、失真(crosstalk)与黑色纵纹(moire)等观视性不佳及眼睛极易酸痛疲劳反效果。有鉴于此SANYO将该系统改成由液晶所构成的电子驱动型可动式头部检测系统(图4)，如果观视者的头部移动至界面区域时，该新型头部检测系统可以立即检测，同时移动上述三维立体影像分割器的开口部(图5)，也就是说它是利用检测器随时侦测、监控观视者的头部位置，并将侦测结果feed back给影像分割器，调整、控制液晶显示器上所显示的左、右两眼的影像位置，利用这种新技术观视者可以观看到范围极广的三次元立体影像(图6)。






三维影像显示器

上述的电子驱动液晶头部检测系统最大缺憾是立体观视区域内的观视距离(由显示器的画面到观视者之距离)依然存在，因此在应用上受到极多的限制。为了缩短观视距离并扩大应用领域，因此开发出新世代三次元显示器。这种新型显示器的特征为:

(A).大幅扩大立体观视范围(比以往提高三倍)

传统的不需专用眼镜的三维立体影像显示器，同样水平方向时小画面的前后方向的立体可视范围比大画面的立体可视范围大(图7)，这是因为小画面的视角比较小，液晶显示器与影像分割器较不容易产生所谓的moire干涉缟。利用这种物理现象将液晶显示器与影像分割器，藉由电子方式分割成16等份各别掌控专属区域(图8)





换言之它可针对观视者的位置将上述影像分割器的开口部位置，以及液晶显示器内的影像微调到最适当状态，如此无论立体观视远、近，观视者都可以观赏到三次元立体影像。根据液晶显示器上方的立体头部检测系统(stereo head track)所侦测有关的观视者二次元位置数据(前后左右)，同时控制并切换液晶显示器左、右眼影像，以及影像分割器的开口部位置，对立体观视区以外的观视者则进行上述个别影像分割控制(图9)、(图10)，其结果如图11所示前后方向的立体观视区比以往扩大三倍以上。




　
(B).可有效掌控最适当的立体观视区

以往的显示器立体观视区以外的部位极易发生波纹、失真或局部逆视等问题，造成观视者眼睛容易疲劳、不易观赏立体影像等问题。上述新型电子式影像分割器与液晶显示器，可以随时监控观视者的状况，保持最适当的立体观视位置。

(C).可显示高画质二次元影像
只需关闭电子驱动的液晶显示器的shutter，便可获得与一般平面显示器同等质的二次元影像。

(D).成本低廉
上述新型电子式影像分割器与液晶显示器的控制方法与结构都非常简单，因此它具有低价化的潜力。 　

三维影像显示器的应用

目前三维影像显示器主要是应用在工作站(work station)、漫画、卡通等动画制作、医疗用途、教育用途以及航空、汽车仿真教学、电子游乐器等领域。例如医疗用途的立体内视镜、立体显微镜、利用导引系统之手术、利用CT、MRI之医疗诊断、视觉机能检查、医疗教育、医疗训练等等。