基于OLED显示器的立体显示

基于OLED显示器的立体显示 专 业 班 次 姓 名 指导老师 成都信息工程学院 二00八年八月 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计 摘 要 在普通液晶显示器的背光源与LCD屏之间插入一块特殊的光栅板是主流立体显示器的基本配置。在本实验中，我们将不再以LCD显示器作为研究对象，而是对OLED立体显示作一些探索和实践。根据同样的原理，我们可以把这种立体显示技术应用于OLED显示器上，视差照明的基本功能是将OLED屏奇、偶象素列所对应的图像分别送入观察者的左、右眼，实现图像的分离从而使人产生立体的感觉。基于视差照明原理的立体显示器的设计最重要的是对视差光栅的设计，其中光栅离显示屏的距离以及光栅常数是决定性的。 关键词:立体显示, 视差照明, OLED 2 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 ABSTRACT The mainstream configuration of autostereoscopic display is to insert a shutter between liquid crystal display (LCD) screen and back lightsource. During the experiment, we will do some research and practice on OLED stereoscopic display instead of the LCD stereoscopic display. According to the same principle, the same stereoscopic display technology can be used in OLED display. Basic function of parallax illumination is to send the pixels in the odd or even columns on the OLED screen into left or right eyes resulting in the separation of two pictures and make the people who see them has stereo feeling. The design of a parallax grating is the most important factor when we design an autostereoscopic display which is based on parallax illumination principle. The distance between parallax grating and screen, and the grating constant are the key issues. Key words: autostereoscopic display, parallax illumination, OLED 3 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 目 录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 第1章 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 第 2 章 立体显示技术的研究发展„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.1 立体显示技术的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.1.1 视差照明技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.1.2 视障技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.1.3 微透镜投射技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2 立体显示技术的发展现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2.1 立体显示系统组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2.2 立体显示的主流产品„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2.3 立体显示的应用领域„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.2.4 国外立体显示器的研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.2.5 立体显示技术的不足„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2.2.6 立体显示技术中的其它问题„„„„„„„„„„„„„„„„13 第3章 基于OLED显示器的立体显示................................ 14 3.1 OLED显示原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.1 OLED的发现和发展„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.2 OLED的原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.3 OLED的种类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.4 OLED的技术特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.1.5 OLED的前景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.2 OLED国内外发展状况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.2.1 国内外总体发展格局及趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.2.2 国内外技术发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3 国内外OLED技术的应用情况„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.3.1 民用市场„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.3.2 军用市场„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3.4 OLED立体显示的最新进展„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20第4章 基于视差照明原理的自由立体显示几何建模„„„„„„„„„„„21 4.1 视差照明立体显示的基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„21 4.1.1 立体感觉的产生机理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 4.1.2 立体视区与视带„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 4.2 视差立体显示器的几何建模„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 4.2.1 几何建模„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 4.2.2 参数关系„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 4.3 中小尺寸自动立体显示器结构及视差栅栏设计的研究„„„„„„„25 4.3.1 中小尺寸自动立体显示器的研究意义„„„„„„„„„„„„„„„25 4 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 4.3.2 分辨率的平衡与视阈和视距的关系„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.3.3 分辨率的平衡„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.3.4 视阈与视距的关系„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.3.5 串扰与亮度的平衡 ............................................ 28 4.3.6 结论 ........................................................ 28 第5章 实验总结 .................................................... 29 参考文献 ........................................................... 30 致 谢 .............................................................. 31 5 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 第1章 引言 在我们的日常生活中，呈现在我们眼前的世界是有远近、纵深感觉的立体世界，但是最初的显示设备只能让我们看到二维的平面图形, 能不能让显示器呈现出的图像看起来更加有立体感呢,正是由于人们对立体视觉感觉的需求和科学技术的飞速发展催生了立体显示技术的发展。 早在1903 年，科学家发现了“视差创造立体”的原理。所谓“视差”，是指人的两个眼睛是从不同的角度来观看世界，就是说人左眼看到的物体同右眼看到的同一物体相互之间有小小的差别，平均相差约6.5厘米。大脑根据这两个有细微差别的场景进行综合处理，产生精确的三维物体，以及该物体在场景中的定位，这就是具有深度的立体感觉。 自由立体显示器正是利用了人的双目视差特性,以两个不同视点拍摄同一空间场景,得到两幅略有差异的平面图片,称为立体图片对。将其同时投射到同一显示屏上,通过视差照明方法使一幅图片进入视者左眼、另一幅图片进入视者右眼,这样在双目视网膜上分别有了略有差异的两幅图片,使原本一对二维平面图片在头脑中被重构成一幅具有深度感的空间立体图像。本实验正是基于该原理，从理论上对视差立体显示技术进行研究和探索。 6 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 第2章 立体显示技术的研究发展 2.1 立体显示技术的分类 立体显示是三维显示中主要的一类,它是运用视差来实现人眼的深度感觉。立体显示又可分为需要佩带辅助眼镜装置(如滤色眼镜和液晶光阀眼镜)的立体显示和无需佩带任何辅助眼镜装置的自动立体显示。 当前世界上自动立体显示技术主要有视差照明、视障、微透镜投射、波长滤波、分像素矢量衍射及数字镜面等。 在国内,立体显示技术的研究主要集中在需要辅助眼镜的立体显示方面,如液晶开关眼镜、滤色眼镜等形式。 2.1.1 视差照明技术 视差照明法的立体显示器在 LCD 的像素层后使用一系列并排的线状光源给像素列提供背光照明, 线光源宽度极小并与液晶屏的列像素平行。密集的光源照明使奇、偶列像素的图像传输路径分离, 使左右眼看到对应的画面。缺点是在立体显示时, 由于形成阻挡区, 降低了显示器的整体亮度。 视差照明技术是美国DTI (Dimension Technologies Inc.)公司的专利,它是自动立体显示技术中研究最早的一种技术。 DTI公司从20世纪80年代中期进行视差照明立体显示技术的研究,1997年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。利用视差照明实现立体显示的原理很简单,如图2-1所示。 在透射式的显示屏(如液晶显示屏)后形成离散的、极细的照明亮线,将这些亮线以一定的间距分开,这样人的左眼通过液晶显示屏的偶像素列能看到亮线,而观察者的右眼通过显示屏的偶像素列是看不到亮线的,反之亦然。 因此观察者的左眼只能看到显示屏偶像素列显示的图像,而右眼只能看到显示屏的奇像素列显示的图像。这样观察者就能接收到视差立体图像对,产生深度感知。 7 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 图2-1 视差照明原理 2.1.2 视障技术 夏普公司欧洲实验室的工程师们经过10年的研究开发出了能在三维/二维模式间转换的自动立体液晶显示器,并于2002年底成功推向市场。夏普的立体显示技术是视差障技术。视差障技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、一个偏振膜和一个高分子液晶层,利用一个液晶层和一层偏振膜制造出一系列的旋光方向成90?的垂直条纹。这些条纹宽几十微米,通过这些条纹的光就形成了垂直的细条栅模式。夏普公司称之为“视差障栅”。在立体显示模式时,哪只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就由这些视差障栅来控制。应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时,不透明的条纹会遮挡右眼;同理,应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时,不透明的条纹会遮挡左眼。如果把液晶开关关掉,显示器就能成为普通的二维显示器。 2.1.3 微透镜投射技术 菲利普公司对立体显示技术的研究是基于传统的微柱透镜方法。该公司的自动立体液晶显示器是在液晶显示屏的前面加上一层微柱透镜,使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素,这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素,双眼从不同的角度观看显示屏,就看到不同的子像素。但同时像素间的间隙也被放大了,因此不能简单的叠加子像素。更好的做法是使一组子像素交叉排列,这是一个创新。菲利普的另一个改进让柱透镜与像素列不是平行的,而是成一定的角度。这样做是为了使每 8 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 一组子像素重复投射视区,而不是只投射一组视差图像。 2.2 立体显示技术的发展现状 2.2.1 立体显示系统组成 一般的立体显示系统主要由3部分组成: 图像输入模块、三维视频处理模块以及图像输出显示模块, 框图如图 2-2所示。图像输入模块主要完成图像采集功能,通过外部的同步触发信号使摄像机同步,并将采集到的模拟信号转换为数字信号。三维视频处理模块主要完成的功能有:调整图像大小、图像扫描以及图像格式转换(YCbCr?RGB)。图像输出显示模块要完成图像的三维显示。 图2-2 立体显示系统组成框图 2.2.2 立体显示的主流产品 近十几年来, 随着电子信息技术的发展, 以三维显示器为代表的立体显示系统逐渐成为各国研发的热点。世界发达国家都加入了三维显示器的研发。 美国 DTI公司推出的38.1cm(15 英寸)2015XLS 3D液晶显示器,采用视差 9 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 照明(parallax illumination)的开关液晶技术。其工作原理是,针对左眼与右眼的两幅影像,以每秒60张的速度产生,分别被传送到不同区域的像素区块,奇数区块代表左眼影像, 偶数区块则代表右眼影像。而在LCD背光板与LCD屏幕本体之间加入的一个TN(Twisted Nematic 扭曲向列型)上,垂直区块则会根据需要显示哪一幅影像,相应照亮奇数或偶数的区块,人的左眼只能看到左眼影像,右眼只会看到右眼影像,从而在大脑中形成一个纵深的真实世界。 三洋电机生产的127cm(50英寸)3D 液晶显示器,采用了Step barrier技术即使倾斜观看也可以欣赏到立体图像。三洋电机公司3D显示器的原理为:在画面上设计多个条状遮光“图像分割棒”,使用户的右眼和左眼分别只能看到右眼图像和左眼图像,以此实现立体效果。同时还通过与可用户头部位置的“头部跟踪系统”,即使用户移动到了立体可视范围之外,也能相应地改变图像分割棒的开口部,以便用户在移动后的位置上也能获得立体视觉效果。 夏普开发的3D液晶显示技术与 DTI 的技术有些类似,其原理是通过现有 TFT 液晶显示器上配备夏普自主开发的“开关液晶”进行三维显示。开关液晶可控制光线前进方向,使观看者的左右两眼看到不同的图像。这两种不同的图像合到一起就得到了三维显示效果。与DTI的2015XLS 显示器一样,夏普的立体液晶显示器不仅可作为立体显示器使用,而且还可将其作为普通的二维显示器使用。 日本NTT公司根据全新的错视原理,开发了DFD(Depth- Fused 3D)技术,即景深融合型立体影像技术,利用两片液晶显示器与半透型反射镜(half mirror),开发不需特殊眼镜就可以观赏的立体影像的技术,彻底解决用眼观看者使用上的诸多不适等问题。 2.2.3 立体显示的应用领域 同平面显示器一样,立体显示器应用范围非常广泛: 1)工商业领域:个人计算机、立体广告、可视电话、娱乐、计算机游戏、卡通、网上购物、工业造型设计、CAD,CAM、远程监视、远程机器人、深海物探、危险物品生产、小部件安装、工业检测等; 2)医学、教学领域:内窥镜图像显示、眼科学、体内成像(例如 MRI、CT、B型超声)、体内造影、外科手术模拟、虚拟人技术、蛋白质、DNA、分子模型显示、所有类型的立体显微镜、医学教学等; 10 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 3)军事、安全领域:潜水艇的水下领航显示、卫星图像分析、夜视侦察、数字化沙盘、飞行模拟、作战模拟训练、风洞试验、航空图像学、图像地理学等;痕迹(如弹痕、剪切痕 )分析、物证分析比对、夜晚监控、红外监视等; 4)建筑、艺术领域:建筑设计、建筑导览、城市、美化设计、室内设计、艺术品展览; 就目前情况而言，在军事上，立体显示器尤其有着特殊地位。1993年，美国空军为 Wright-Patterson空军基地研制的未来先进座舱模拟器中就有自由立体显示器。美国国家航空航天局也展开了全仿真立体显示器的研制。 国外立体显示器的研究现状 2.2.4 立体显示的应用领域 国际上立体显示技术的研究主要从20世纪90年代开始，以日本和美国为首，其它发达国家纷纷跟进。研究经费主要来源于军事工程费用、政府科研基金和大型企业商业性研发等三个方面。 美国每年都大量科研经费用于新型显示器项目的研究。近年来，美国对于诸如真实感立体显示器(Real 3-D Display)、有机电致发光显示器(OLED)、零场反射液晶显示器(RLCD)、加固型显示器(Rugged Display)都十分重视。美国国防部发布的2006财政年度预算中，对于功能材料与设备(Functional Materials and Devices)的专项，投入4303万美元研究经费，该专项共有十个子项目，其中就有真实感立体显示器(Real 3-D Display)。 从原理上看，目前具有代表性的立体显示器有两大类:借助辅助工具的立体显示器和无须借助眼镜的自由立体显示器。借助辅助工具的立体显示器以美国 VRex公司产品为代表，该公司利用微纤维研制了一种微阵列偏振片。这种微阵列偏振片由一系列平行的条形偏振片构成，条形偏振片宽度与平面显示器的象素水平宽度相同，相邻条形偏振片的透光轴相互垂直。用户将这种微阵列偏振片置于普通平面显示器上并作适当调整，戴上偏振眼镜即可观看到立体图像了。自由立体显示器则无须借助任何辅助工具，这样的显示器以美国DTI公司与荷兰Philips公司的产品为代表 ，两者的工作原理有所不同。 DTI公司采用的是狭缝照明光栅，如图 2-3所示。将液晶显示器的背光源改 变为狭缝照明光源，照明狭缝的取向与显示器的列像素平行，狭缝的周期与显示器的列像素分布成比例。狭缝光源经微准直片准直成平行的狭缝照明光源，再透过液晶屏射出。狭缝光的使用使得人的左右眼睛只能分别看到对应的 11 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 “像素组”，如果两组像素组分别显示左右图像，那么人眼将看到立体的图像。 DTI公司利用头位置跟踪的手段，通过适当调整狭缝照明光栅的位置的办法，扩大了显示器的立体视角。 图2-3 DTI公司立体显示器原理 Philips公司在英国Redhill的研究室将透明的柱面光栅置于液晶显示器的前面，如图2-4所示 图2-4 Philips公司显示器原理结构 与人们熟悉的柱面光栅立体图片一样，可以得到立体的图像，Philips公司在这种类型的立体显示器方面最大的技术特点是，它将柱面光栅与显示器的列像素相交成一定的角度，解决了立体显示的多视点与分辨率之间的矛盾，制作了3、4、7等多视点的立体显示器。 2.2.5 立体显示技术的不足 12 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 目前,立体显示技术已取得了突飞猛进的进展,但是还有许多有待改进和继续探索的地方: 1)3D显示器规格研究。目前使用显示器3D模式或厂商提供的播放软件, 因不同的3D显示器显示原理和硬件规格而不同,没有很好的通用性,因此需研究每一类型的规格; 2)更精确的深度图。可以考虑加入已知条件,如相机参数、光源点、景深比例,室内、走廊、郊外等各场景,结合最新的计算机视觉和计算机图形学技术,在更多的已知条件下获得更准确的场景深度图; 3)区域移动补点研究。三维显示器变形和移动时会产生许多洞点(即没有匹配的点)和杂点(即匹配不正确的点),因此要寻求补偿算法使失真降至最低,达到更立体清晰的显示效果; 4)对人的生理影响。研究自体视显示系统对人的生理影响,例如长时间观看所带来的眼疲劳问题,使三维显示更适合人们的生活需要。 2.2.6 立体显示技术中的其它问题 立体显示器和立体电视发展还面临着其他一些问题,这些问题将随着立体显示技术的发展得以解决。 很明显,显示技术本身影响着自动立体显示技术,自动立体显示技术将随着显示技术的发展而发展。另一方面,在影视制作公司、计算机软硬件开发公司没制作出很多可以在立体屏幕上使用的三维产品之前,立体显示技术是难以推广的。 ,一个致力于推动三维显示技术及其应用发展的三维国际联盟已成立,目前 该联盟现在由70余家公司和机构组成,包括三洋、夏普、索尼等5家核心公司及一些硬件制造商、软件开发商、系统开放商、影视制作公司、广播公司及研究机构等。 软件问题也是立体显示中重要的一方面。最近总部在加州的DYNAMIC DIGITAL DEPTH,DDD软件公司在这个方面取得了重大的突破。他们使用精密的图像分析方法,能够重新产生使用标准的二维摄像机拍摄一个场景时丢失的深度数据。这个技术叫做DYNAMIC DEPTHCUEING。使用这种技术加工1 min的影 13 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 像要花费约30h。但是这样处理的图像数据被压缩后大小只增加了约5%。因此二维和三维图像信息就能同时传送,满足不同要求的观众。 实际上,观看实际景物和立体显示器时毕竟是不一样的,在看实际景物时,眼球通过晶状体周围的肌肉来调节以聚焦不同距离的物体,但看立体图像时不需要改变聚焦。所以,观看立体图像容易导致眼睛疲劳或头痛。此外,眼睛的聚焦方式也会妨碍观看立体图像。当我们看实际景物时,眼睛会根据物体的远近来聚焦。可是在观看平面屏幕上的景物时,应该聚焦在哪里呢?对此DDD公司还发展可以帮助立体图像观察者调节有效景深的软件。 14 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 第3章 基于OLED显示器的立体显示 3.1 OLED显示原理 3.1.1 OLED的发现和发展 OLED (0rganic Light-Emitting Diodes)有机发光二极管，又可称为有机电致发光(0rganie Electroluminescence，简称0EL)。在l963年，Pope发表了世界上第一篇有关OLED的文献，当时使用数百伏特的电压通过Anthracene晶体时，观察到发光的现象。但由于其过高的电压与不佳的发光效率，在当时并未受到重视。一直到l987年美国柯达公司的C(W(Tang及steve Van Slyke等人发明以真空蒸镀法制成多层式结构的OLED组件后，大幅提高了组件的性能，其低操作电压与高亮度的商业应用潜力吸引了全球的目光。自此之后，OLED便在业界、学界掀起了一股无法阻挡的旋风与魅力。而l990年英国剑桥大学的Friend等人成功的开发出以涂布方式将大分子应用在OLED上，即Polymer LED，亦称为PLED。不但再引发研究热潮，更确立了OLED在产业中所占有的重要地位。 3.1.2 OLED的原理 OLED是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射而发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。根据这种发光原理而制成显示器被称为有机发光显示器，也叫OLED显示器。 3.1.3 OLED的种类 根据有机材料的不同OLED分成小分子与大分子 (PLED)两种，小分子OLED的优点在于化合物易纯化，可获得较纯的色光，缺点是热稳定性较差，易产生结晶，降低发光效率。大分子PLED的优点在于其热稳定性好，不易结晶，但缺点是不易控制发光的波长，无法充分掌握色光的纯度。采用小分子OLED的厂商有先锋、夏普、NEC、东芝等，采用大分子PLED的厂商有爱普生、惠普、飞利浦、杜邦等。 15 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 3.1.4 OLED的技术特点 与 LCD相比，OLED具有主动发光，无视角问题，重量轻，厚度薄，高亮度，高发光效率，发光材料丰富，全彩色显示，响应速度快，动态画面质量高，使用温度范围广，可实现柔软显示，工艺简单，成本低，抗震能力强等一系列的优点。其组件结构比目前流行的TFT-LCD简单，生产成本只有TFT-LCD的三到四成左右。除了生产成本便宜之外，OLED还有许多优势，比如自身发光的特性。目前LCD都需要背光模块(在液晶后面加灯管)，但OLED通电之后就会发光，可以省掉灯管的重量体积及耗电量，不仅让产品厚度只剩两厘米左右，操作电压更低到2至10伏特。加上OLED的反应时间(小于10ms)及色彩都比TFT-LCD出色，更有可弯曲的特性，让它的应用范围极广，只要克服其使用寿命短的缺陷，OLED取代TFT-LCD只是时间的问题，因此OLED被专家称为未来的理想显示器。 3.1.5 OLED的前景 OLED的众多特性，使其在各种领域有着广泛的应用。OLED主要应用领域包括:家电及仪表用显示屏;新型便携式装置如手机、数码相机、PDA等;便携式电脑、壁挂电视，电子书籍等新型柔软显示屏;对环境适应性要求较高的野外作业应用，如低温环境等。业界普遍认为，OLED的产业化已经开始。今后 3—5年是OLED技术走向成熟和市场高速增长的阶段。国际上权威的平板显示器市场分析公司Stanford Resource认为，随着在材料研究、生产工艺、成本控制、市场应用等方面的进展，OLED市场的增长势头将会更大。2007年，OLED产品的市场规模可达31亿美元 。 3.2 OLED国内外发展状况 3.2.1 国内外总体发展格局及趋势 目前，在OLED的两大技术体系中，小分子OLED技术为日本掌握，而大分子的PLED技术及专利则由英国的科技公司CDT掌握，两者相比PLED产品的彩色化上仍有困难，而低分子OLED则较易彩色化。由于OLED市场巨大的成长性，各大厂商纷纷进入OLED的竞争格局，斥资建立生产线。如果从产品的市场竞争力来看，全球最具有竞争力的区域为日、韩及中国台湾等地区，主要开发厂商有SAMSUNG、SONY、HP、IBM、KODAK、TOSHIBA、SANYO、 16 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 EPSON等。如果以技术专利来看，目前OLED最核心的专利多数却掌握在柯达、杜邦等美国公司手中。 OLED面板正朝着大尺寸、高分辨率、高稳定性、长寿命的方向发展，缩小设计工艺已成为必然的发展需求。图3-1是国际显示屏产业研究机构(Display Search)预测的OLED工艺需求图。可以看出，目前市场主流以0.25微米、18V或25V工艺，以及0.35微米、18V工艺为主，未来进入QVGA甚至更大的面板尺寸时，则将以0.18微米、40V的工艺为主，甚至有可能只需要30V，主要视面板发光效率或发光材料的改革而定。 图3-1 OLED工艺需求图 3.2.2 国内外技术发展概况 OLED的发展，是以全彩化的平面显示器为最高目标在前进的。目前红、蓝、绿三原色的掺杂材料都已成功开发出来，但是还没有达到完全令人满意的地步，仍需要继续研究开发新的、更好的三原色掺杂材料，尤其是蓝光及红光。1998年，美国的Blado等人研究出以铱金属络合物(iridium complex)制成的器件，可以把原先三重态中流失的能量补救回来，将OLED组件的发光效率大幅提升三倍以上，是近来OLED技术开发上的一大突破。研究以塑料基板取代玻璃基板也成为一大热点，制备柔性OLED，即Flexible OLED(FOLED)。FOLED显示设备可以呈现各种各样的弯曲形状，屏幕能象纸一样轻薄柔软，但目前来说该技术还很不成熟。目前，对于OLED的基础研究主要集中在提高器件的效 17 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 率和寿命等性能以及寻找新的、改进的材料上。例如优化器件的制作工艺;运用透明和柔性电极;设计多种材料的多层传输和发光器件结构;探讨器件衰减机理以及提出OLED器件发光机理的理论模型;此外还需要不断合成出具有高发光效率和各种颜色的小分子有机材料或大分子材料等。 近年来，有机薄膜OLED技术得到了工业界和学术界的大量投入，并取得了令人瞩目的发展，产品化的OLED显示器件不断出现:1997年，日本Idemitsu Kosan公司就成功地研制了灰度级为256，分辨率为240×960及每秒60帧的3cm的单色视频显示器，他们还展示了红绿蓝(RGB)多色OEL显示器;同年，日本Pioneer Electronics出了第一个商品化的OLED器件产品——汽车通信信息系统仪表，当时在日本的售价为300美元/台。随后，Pioneer Electronics公司展示了无源矩阵驱动、可显示视频图像的彩色OLED显示屏，这种高清晰度显示器所显示的图像几乎可以和传统的阴极射线显示器媲美。美国Eastman Kodak与日本Sanyo公司合作，采用低温多晶硅薄膜晶体管驱动制作出OLED显示器，该器件仅有一个硬币那么厚;英国剑桥大学和日本EPSON公司合作，研制出采用低温多晶硅薄膜晶体管驱动的彩色聚合物显示屏;此外，Philips公司、Uniax公司及德国Covin公司也研制出了高效率、高亮度、长寿命的OEL显示器。 对于OLED,PLED的研究工作，国内开始于1990年。 目前从事这个方面的研发和产业化的机构和企业很多，比较有影响的有:清华大学等高校。其中，上海大学与中国航天科工集团公司联合组建了“上海航天上大欧德科技有限公司”，进行OLED的中试和批量生产。清华大学从1996年起开始研究OLED，在国家基金委和彩虹集团的支持下，在OLED新材料的设计、显示屏的制备和驱动技术的开发等方面取得了一系列重大进展，申请了二十多项国际、国内专利，建成了我国第一条OLED中试线。2001年底，清华大学与相关企业和风险投资公司共同组建北京维信诺科技有限公司，2002年11月11日该公司正式宣布，成功开发出国内第一款全彩色OLED显示屏，采用了拥有自主知识产权的新型OLED材料 ，并解决了蒸镀工艺等方面的技术难题，使得显示器件的色纯度 、发光效率等指标得到了进一步的改善，标志着我国显示屏行业开始进入具有自主开发研究的彩屏时代。 18 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 3.3 国内外OLED技术的应用情况 3.3.1 民用市场 OLED的运用范围是非常广泛的，在显示器或照明设备上都非常有市场潜力。如:移动电话、手机、数码相机、MP3播放器、游戏机、音响面板、数字照相机、掌上电脑(PDA)、汽车导航系统、电子书、信息家电、笔记本电脑、监视器、电视等。 OLED器件，无可比拟的优越性能，符合了人们追求现代化高质量生活的标准。目前较成熟的技术产品集中在中小尺寸显示领域，但全球各大OLED厂商都在大尺寸、有源驱动OLED上加大投人，以期在大尺寸OLED电视机市场上取得有利地位。以下是未来OLED在民品市场上的主要发展方向。 ?用于照明和各式灯光布置 发白光的OLED发光光源片能任意弯曲，可用作显示器、仪器仪表盘的光源。如果解决了发光效率问题，还可用作普通的照明光源，例如将大面积发光器件装贴于墙上，可以照亮整个房间。利用发出各种颜色的器件，可以很方便地实现各种绚丽多彩的灯光布置。 ?用于制作大屏幕、全彩色、高清晰度的平面显示器 例如彩色电视机、电脑显示器等。将透明电极发出红光、蓝光、绿光的器件叠加在一起组成复合器件，每层电路都独立，它可产生全彩色的单独像素，这些像素具有很高的空间分辨率，其间距达0.1mm，而不和周围的像素混色。 ?用于制作具有高柔性的显示系统 例如各种广告显示板、室外标志等。OLED发光器件可以很容易地附着于任何形状和任何曲面的基底介质上，制成任何形状和任何尺寸的卷面显示器，它不但可以代替目前使用的平视显示系统，而且还可制成正反两面均能观看的连续更新的电子显示板。此显示板甚至可以代替目前使用的纸制地图。 ?用来制作电子图书和电子报纸。 日本佳能公司曾在东京展示了像纸一样薄的佳能数字新型显示器样品，此产品主要用来制作电子图书和电子报纸。据市场调查机构Display Search预测，去年全球OLED市场规模约为3.3亿美元，今年将扩大到8.3亿美元左右， 19 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 随着AM—OLED产品逐渐进入市场，预测到2008年，全球OLED产业有望快速增长到22亿美元以上。此后将保持快速增长的势头，OLED显示器件的产业化时代正在到来。 3.3.2 军品市场 军事部门对显示器有许多特殊的要求，如要求工作温度范围宽，能承受作战平台的震动和冲击，视角大，能在阳光下读出，像素格式和分辨率能与各种传感器的输出匹配等。 因而，军事部门一直都是采用技术已相当成熟的阴极射线管显示器。然而，随着显示技术的迅速发展，平板显示技术已趋于成熟，其许多性能已可与阴极射线管相匹敌，同时其体积、重量小和功耗低的特点是阴极射线管无法实现的。 目前，军事部门已逐渐接受平板显示器，扩展其应用范围，逐步用平板显示器取代笨重的阴极射线管。与平板显示器相比，OLED的优点更能满足军品对显示器性能的特殊要求。例如，单兵作战系统中头盔显示器及瞄准具、武器定位系统、摄录机取景器、航空夜视眼镜、激光测距机指示器、探雷用和通用头部显示器，以及航天器、飞机、坦克、汽车仪表盘、地图显示及电子照相机等军用电子产品。 随着较大屏幕的OLED的上市，它还将用于便携式PC、雷达显示屏、电视机(壁挂式、飞机及汽车椅背式、使携式)、可视电话及航空航天飞行器等的显示终端。目前已有很多国家政府在积极投资开发本国的军用OLED技术，并已在部分尖端武器中推广应用。 2001年，美国空军拨款两千万美元资助EMagin公司，用于研制OLED微显示器和F-15战斗机系统中头盔用全景夜视镜，目前正投入使用。美国军方实验室对FOLED(flexible OLED)技术也极其关注，并于2004年投资开发能卷进钢笔大小通话设备的显示屏。美国国防部高级计划研究局正在进行战场电子地图的研发。 20 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 3.4 OLED立体显示的最新进展 图3-2 基于OLED的立体显示器 现在世界范围内对OLED立体显示技术的研究不是很多，推出的样品也十分有限，唯一的样品是三星在美国旧金山的Society for Information Display展览上展出的全球首个3D Active Matrix OLED，尺寸为4.3寸，分辨率为480×272，官方称此Active Matrix OLED显示3D图案时比一般TFT—LCD快一千倍～图3-2为实物图 21 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 第4章基于视差照明原理的自由立体显示几何建模 41 视差照明立体显示的基本原理 4.1.1立体感觉的产生机理 双眼在观察空间场景时之所以有深度(立体)感主要是缘于空间场景在双眼视网膜上所成的像略有差异,这种差异称为双目视差。 自由立体显示器正是利用了人的双目视差特性,以两个不同视点拍摄同一空间场景,得到两幅略有差异的平面图片,称为立体图片对。将其同时投射到同一显示屏上,通过视差照明方法使一幅图片进入视者左眼，另一幅图片进入视者右眼,这样在双目视网膜上分别有了略有差异的两幅图片,使原本一对二维平面图片在头脑中被重构成一幅具有深度感的空间立体图像。 视差照明是主流自由立体显示器的基本照明方式,关键部件是一块特殊光栅板,其将显示屏上的奇(偶)数像素列送入视者右眼;偶(奇)数像素列送入视者左眼,而奇、偶像素列分别属于一对立体图片对中的两幅平面图片。 视者无须佩带诸如偏振眼镜、互补色眼镜或液晶眼镜等辅助工具就可以直接看到立体图像,以这种原理构造的显示器称为自由(自动、裸眼)立体显示器。 自由立体显示器基本配置见图4-1,光栅板位于像素平面和背光源之间,其上有细的透光的隙缝,隙缝的方向平行于像素列方向。 从背光源发出的光线透过光栅板照亮了显示屏,当双目处于显示屏前的特定区域时,通过光栅板的遮光效应使左(右)眼只能接收到从隙缝发出的照亮奇像素列的光线;使右(左)眼只能接收到从隙缝发出的照亮偶像素列的光线,使左、右眼得以分别看见奇、偶像素列所构成的图片。 但是,若要实现右眼看到显示屏上全部的奇像素列所构成的图像,而看不到显示屏上任何偶像素列;左眼只看到显示屏上全部的偶像素列所构成的图像,而看不到显示屏上任何奇像素列,还必须正确地配置立体显示器的结构参数。对应特定的LCD屏,必须确立像素尺寸、水平显示分辨率、光栅板栅距、隙缝宽度、象素平面与照明板之间的距离等结构参数与人眼两瞳孔之间的距离、立体视带与显示屏之间的距离、视区尺寸等立体视觉性能参数之间的关系,这是 22 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 研发立体显示器、评价立体视觉特性的前提性工作。 图4-1自由立体显示器结构 4.1.2 立体视区与视带 见图4-1,左右眼只看到LCD屏上与左右眼对应的图片信息是因为左眼仅仅接收了从隙缝发出的、通过奇像素列到达左眼的光线,右眼仅仅接收了从隙缝发出的、通过偶像素列到达右眼的光线。此时,在头脑中可以重构出具有深度感的立体图像。显然,当头发生偏移时,单眼既可能看到奇像素列，又可能看到偶像素列所构成图像,此时总体上看到的是有重影的平面图像,不会形成立体感。所以,立体视觉效果与双眼在显示屏前所处的位置是密切相关的,建立显示器结构配置参数与立体视觉参数之间的关系是设计评价立体显示器性能的关键。 设OLED屏在水平方向的像素尺寸为c、分辨率为n;设光栅板上有m条隙缝,其宽度为a、栅距为a+b,光栅板与OLED屏之间的距离为l。见图4-2,在与像素列垂直的水平面XOY内,当单眼位于P(x,y)处时,其能够看到OLED屏上全部奇(偶)像素列、而看不到任何偶(奇)像素列;可以想象,当单眼位于P(x,-y)处时,能够看到OLED屏上全部偶(奇)像素列,而看不到任何奇(偶)像素列。当人的左右眼分别位于P(x,y)和P(x,-y)处时,左、右眼看到的分别是纯粹的奇、偶像素列所对应的图片信息,能够形成完全的立体视觉。当隙缝宽度a非常小时,将全部P(x,y)构成的区域称为单眼立体视区,多个立体视区串成立体视带。 只有当头部位于立体视带时方可能有立体视觉。 23 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 图4-2 左右眼视区图 4.2视差立体显示器的几何建模 4.2.1 几何建模 为了实现单眼在P(x,y)处看到OLED屏上全部的偶像素列而看不到任何奇像素列,必须确保a2c。见图4-2,右眼视区1实际上受4条直线(AE、AD、AD、AC)的约束;左眼视区111112222 受到另外4条直线(AD、AC、AE、AD)的约束。若屏宽D=m(a+b)=nc,若不记11112222 隙缝宽度的情况下(a=0),立体视带中心到显示屏的距离: 2cl (4-1) s,bac，,2 单眼视区尺寸: ()bac， (4-2) u,bac，,2 2()mlbac， (4-3) v,22mbacc，,,2，，，，，， 立体视带中心到显示屏的距离s决定了视者头部到显示屏之间的距离,在设计立体显示器时,必须使s与视者感觉舒适的观察距离匹配,通常为一臂之距。显然s主要受光栅板与LCD屏之间的距离l的支配。单眼视区尺寸u、v不仅决 24 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 定了单眼视区的大小,还决定了视者在显示屏前可以左右、前后移动的范围,关键是u必须与人的瞳距匹配,所以设计时合理地选择光栅板栅距尤为重要。v决定了立体视带的宽度,显然v越大,允许同时感受立体视觉的视者也越多。 4.2.2 参数关系 光栅板隙缝栅距与像素尺寸之间的关系a+b?2c是立体显示器的关键参数,决定了视带与人眼瞳距的匹配关系,也决定了立体视区的尺寸和视者的观察距离;通过合理选择光栅板栅距,实现立体视区与人眼瞳距的匹配,是实现自由立体显示的前提。光栅板与LCD屏之间的距离主要决定了人的观察距离。 在实际的结构配置中,配置参数l是以玻璃厚度来体现的,在此l为玻璃平板厚度的光学等效尺寸。光栅板隙缝宽度直接影响LCD屏的显示亮度,在设定配置a+b?2c的情况下,为了获得立体视区,必须确保b>a,那么光能损失率将大于50%,所以,针对图1所示立体显示器,显示亮度和立体视觉性能难以兼得。 通常协调矛盾的基本方法是改变基本配置,例如选择3(a+b)?2c,此时光能损失能够得到有效遏制,但在最好的情况下,单眼能够获得2m/3的奇像素列和m/3偶像素列,不能产生立体视觉,只有采用软件或硬件操控显存的办法适当调节LCD屏上奇偶象素的位置以使单眼看见立体图像对中的一幅完整的图片,同时丝毫看不见立体图像对中的另一幅的图片,此时由式(1)--(3)决定的立体视区仍然适用。 在评价自由立体显示器的立体效果时,显示内容对立体视觉参数有相当的影响。当需要展示立体效果的显示内容只占屏宽的一部分时，多位视者在屏前均获得完美的立体效果。这是因为此时m减小,视带尺寸v将急剧加大。这种情况不能作为评价自由立体显示器立体显示性能的依据。式(1)--(3)表征的是针对需要展示满屏立体显示内容的立体视觉参数。 4.3中小尺寸自动立体显示器结构及视差栅栏设计的研究 4.3.1中小尺寸自动立体显示器的研究意义 视差栅栏方式的立体显示技术是现在最主要的自动立体显示技术，由于中小尺寸的立体显示器比大尺寸的自动立体显示器的影像小很多，因此需要更小的可观看距离和更宽的视阈。 25 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 手机行业在彩屏手机取代黑白手机，百万像素拍照手机迅速普及,这两次声势浩大的更新换代运动后，随着技术的进步和功能的整合，可以提供更为全面信息的移动3D手机以其所带来的新奇体验将成为下次更新换代的趋势，因此中小尺寸立体显示器的研究得到了人们越来越多的关注。 纵深信息方式和波面信息方式的立体显示器由于信息容量大，技术还不够成熟，因此还未被广泛使用。现在实用化的三维显示技术主要采用了视差信息方式，恢复视差之后的3D显示已经不再是运用阴影、底纹、明暗、位置处理及其他深度暗示等方法表现出来的平面三维影像，而是跳出屏幕悬挂在空中的全真 3D影像，表现出很好的深度感和层次感。 视差挡板方式的自动立体显示器，让人们无需佩戴眼镜等辅助设备也能观看三维影像，而且可以实现二维、三维显示方式的转换。这种方式结构简单，是现在普遍采用的立体显示方式。视差显示方式又分为视差栅栏和视差照明技术两种，本节我们主要针对视差栅栏方式的立体显示进行研究。 视差栅栏方式的自动立体显示器通过平板显示器前的视差栅栏进行视线的遮挡，使平板显示器上交叉排列的略有差别的左、右眼视图分别汇聚于左、右眼，从而实现对视图的分离，再通过大脑的立体融合，恢复视差实现三维显示。其中视差栅栏的设计对于最终的显示效果有着重要的影响。中小尺寸的立体显示器因为影像较小，因此对于栅栏的设计更加严格。下面我们就分别从分辨率平衡和视阈的关系、串扰和亮度的关系两个方面来讨论中小尺寸立体显示器视差栅栏设计中的一些问题。 4.3.2分辨率的平衡与视阈和视距的关系 使用恢复视差原理实现的自动立体显示器存在独立的视区，它是平板显示器上的左右眼影像经过栅栏分离后再汇聚而形成的，空间分割的二维影像分别与左右眼一一对应。这种显示机理不可避免地要产生逆视。 如图4-3所示，由影像正面的显示区到最适合距离所涵盖的区域(浅色区域 )，对观察者而言就是正常的三维立体影像区，只有在这个区域才能进行正常的观看。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区域(黑色区域)。而且这种正常与逆视的区域是周期间隔排列的。在观看的时候应该先选择一个距离显示器的合适距离，然后尽量调整到正常区域进行观看。 计算表明，大尺寸立体显示器的独立视区一般为菱形。由于中小尺寸显示 26 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 器画面的视角比较小，因此它的独立视区不再为菱形，前后方向立体可视距离范围比大尺寸的要大。 图4-3 不同尺寸三维显示器的视阈和逆视区域分布 一般来说，增大视阈最常用的方法是采用头部检测系统(head tracking system)或采用多视点的方法。但是对于中小尺寸三维显示器来说，前一种方法过于复杂，而后一种方法会进一步降低显示器的亮度和分辨率，因此以上两种方法都不太适合，只能考虑如何在满足分辨率平衡的同时通过栅栏设计尽量得到一个较大的视阈范围。 4.3.3分辨率的平衡 平板显示器的像素分布如图4-4(a)所示，通过栅栏可以实现的遮挡效果如图 4-4(b)、(c)、(d)所示。由上面三种栅栏结构遮挡效果我们可以看到，作为3D片源的原始二维图像的分辨率都为2×4，通过栅栏的遮挡作用，作为三维显示所用的立体重叠图像中的单一图像的分辨率对于(b)栅栏变为2×2，而对(c)和(d)来说分辨率仍为4×2，因此为了使作为3D片源的原始二维图像与三维图像的分辨率保持平衡，我们应该选(c)和(d)模式的栅栏。 27 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 (d) (b) (c) (a) 图4-4 栅栏设计的三种形式 4.3.4视阈与视距的关系 对于可以实现分辨率平衡的两种栅栏设计图4-4(c)和图4-4(d)，在观看时除了需要调整与显示器的视距之外，长条状栅栏设计(d)只需在水平方向调整位置即 可排除逆视区域，实现正常观看，而阶梯状栅栏设计(c)除了在水平方向调整之外还需在垂直方向进行调整，才能防止水平和垂直方向都有可能出现的逆视区域。因此视差栅栏(d)比(c)有更大的三维可视范围。 由图4-4中相似三角形关系可知:V=dV,p，可视距离与象素大小成反比，与dw 栅栏和显示器的距离成正比。 因此视差栅栏(d)需要比(c)有更远的可观看距离才能正常观看。这对于中小尺寸立体显示器是不利的。 因此如果我们只需要考虑分辨率的平衡，那我们应该选取栅栏(c)或者(d):在此基础上，如果我们还需要得到一个尽量大的可视范围，我们应该选取栅栏(d),但是如果我们需要一个尽量小的可视距离，我们应该选取栅栏(c)。 28 成都信息工程学院 光电技术学院毕业设计论文 图4-4 三维图像的视阈和视距的关系 4.3.5串扰与亮度的平衡 由于左右眼独立视区间的漏光造成的串扰问题在视差栅栏型的自动立体显示器中是不可避免的，对于一个立体显示器系统的设计者，重要的目标是降低漏光。栅栏开口率的减小可以大大减少串扰的机会。然而栅栏开口率太小势必影响显示器的亮度，进而影响立体显示的效果。如何得到一个栅栏开口率与串扰的平衡，是我们需要解决的另一个问题。 4.3.6 结论 通过以上的讨论，我们可以看到如果采用图4-4(d)形式的栅栏设计，我们既可以使得三维图像的分辨率得到平衡，同时还可以得到一个尽量大的可观看范围。这对于中小尺寸的自动立体显示器是有利的。采用一个合适的开口率在得到尽量大的亮度的同时也可以减少三维图像发生串扰和干涉的机会。 29 第5章 试验结论 通过一系列的研究与实验，我们可以得出如下结论: 1(实验的理论基础是正确的，基于视差照明原理的立体显示技术是目前主流的立体显示技术，是经过理论论证可行的，并且美国DTI公司已经推出了相关的产品。 2(实验的理论计算结果是正确的，在计算过程中，我们用到了平面几何以及几何光学方面的相关知识，理论运用正确，计算结果较精确，为系统模拟准确提供了全部所需数据。 3. 模型建立合理，我们运用了TRACEPRO光学设计软件对我们的模型进行了模拟，所用软件功能强大，能满足我们所设计模型的各种参数要求，完全实现了光学系统的仿真。 4. 通过实验验证了基于视差照明原理的立体显示技术的可行性，视差光栅确实能实现对图像的分离，使得人左右眼观察到不同的图像而产生立体的感觉。但是由于视差光栅对光线的吸收作用使得显示器的发光效率较低。 成都电子机械高等专科学校 电子与电气工程系毕业设计论文 参考文献 [1] 贾正根.立体显示技术进展[J].光电子技术,2001(12): 267-271 [2] 邹阳,邓善熙,梁发云.自动立体显示技术的研究发展.合肥工业大学学 报,Aug.2005,Vol.28,No.8 [3] 陆招扬.OLED技术及其国内外发展状况.集成电路通讯, Dec.2006,Vol.24,No.4 [4] 王元庆.新型传感器原理及应用[M](北京:机械工业出版社，2000(147-156 [5] 房慧聪,沈模卫,李鹏.立体显示系统设计中人的因素.人类工效学,2004年6月第10卷第2 期 [6] 邹阳,邓善熙,梁发云.裸眼立体显示液晶屏的光学结构和设计.液晶与显 示,Dec.2005,Vol.20,No.6 [7] 黄永刚,刘文文.基于视差照明原理的自由立体显示几何建模.液晶与显 示,Oct.2006,Vo21,No.5 31 成都电子机械高等专科学校 电子与电气工程系毕业设计论文 致谢 在本论文结尾,我要感谢我的毕业设计的组长李家明教授以及我的辅导老师张飞老师对我在整个设计过程中的耐心辅导和帮助,对我的帮助什分全面,同时也要感谢与我同组的李远同学对我的帮助，使得我的这个论文得以顺利完成. 32