赵百川，吴 非

(成都工业学院 通信工程系，成都 610031)

吴非(1981- )，男(汉族)，河北保定人，讲师，硕士，研究方向：光学工程。

Tracepro在OLED立体显示设计中的应用

赵百川，吴 非

(成都工业学院 通信工程系，成都 610031)

通过Tracepro光学软件对基于视差照明原理的立体显示系统进行建模，设定光栅常数及栅屏距离等参数，模拟显示器件的几何光路，来验证基于视差照明原理的立体显示器的可行性。实验显示奇、偶像素列图像被成功分离，与视差照明原理的预期结果相符。为裸眼立体显示器的设计及其立体视觉性能评价提供理论参考。

立体显示；双目视差；自发光二极管；Tracepro

立体显示在国民经济发展中具有重要的意义和可观的商业前景。当今全球的显示器市场销售额达到数百亿美元，具有立体显示功能的显示器价格大大高于相应规格的平面显示器。立体显示技术应用前景广阔，可以用在广告、游戏、电视、医疗、科技、教育、制造、建筑和军事等诸多领域[1]。常见的实现立体的方式有视差立体、体立体和全息立体。从技术性能以及可行性角度分析，综合考虑工艺性和可预期的未来市场需求，基于视差原理的立体显示方式是相对现实可行的方法[2]。基于双目视差原理的三维立体显示主要有眼镜/头盔式立体显示和光栅式自由立体显示，是运用视差来实现人眼的深度感觉。眼镜/头盔式立体显示已被视为过时的技术，但是光栅式自由立体显示技术等新一代显示技术仍未成熟，还需要在视角、成本、兼容性等方面取得重大突破[3]。在普通液晶显示器的背光源与液晶面板之间插入一块视差光栅或者柱透镜光栅是主流光栅式自由立体显示器的基本配置。本文就视差光栅式立体显示进行软件建模和光路模拟，为光栅常数及栅屏间距的设定提供技术参考，也可以作为立体显示性能的评价手段。

1 基于双目视差原理的自由立体显示几何建模

1.1 双目视差立体显示的基本原理

双目视差是自由立体显示器的主流方式，关键部件是一块视差光栅或者柱透镜光栅，它将2D显示屏上的奇(偶)数像素列送入观看者右眼；偶(奇)数像素列送入观看者左眼，而奇、偶像素列分别属于同一场景的2幅视差图。

1.2 几何建模

为了实现右眼只看到2D显示屏上的奇像素列所构成的图像，看不到2D显示屏上任何偶像素列；左眼只看到2D显示屏上全部的偶像素列所构成的图像，看不到2D显示屏上任何奇像素列，必须正确地配置立体显示器的结构参数(对于2D显示屏，需要确定像素尺寸、分辨率；对于光栅，需要确定节距、光栅与显示面板之间的距离等参数)，以及确定人眼两瞳孔之间的距离、人眼与2D显示屏之间的距离等与立体视觉性能参数之间的关系，这些是研发自由立体显示器、评价立体视觉特性的前提性工作。

光栅式立体显示器在结构上分为两大类:1)采用柱面光栅，以荷兰的Phillips公司为代表；2)是采用狭缝光栅，以美国的DTI公司为代表。此次实验采用狭缝光栅，在设计过程中主要考虑狭缝宽度a和挡板宽度b，并通过理论计算得出。

图1 参数计算图

图2 视差光栅的形成

图3 立体显示体统模型示意图

对于立体显示器的设计，人眼两瞳孔之间的距离以及人眼到2D显示屏的距离都是重要参数。人的双眼距离设定是否适当将直接影响到立体显示器的观察效果，甚至决定能否看到立体图像。本设计中，将人的双眼距离设定为平均水平6 cm。另外，考虑到研究目标是中小尺寸的立体显示器，主要应用于手机屏幕、掌上电脑、数码相机等，因此把人眼到2D显示屏的距离设定为20 cm[4-5]。为了计算方便，可以在允许的范围内假设像素单元是一个200 μm×200 μm的正方形。确定以上3个参数后，根据光栅板隙缝栅距与像素尺寸之间的关系以及人的观察距离与光栅板和LCD 屏间距的关系[6]，可以建立坐标系来计算视差光栅到2D显示屏的距离、光栅狭缝宽度和光栅周期，如图1所示。假设一个由8个像素单元组成的阵列，图中视差挡板离2D显示屏的距离为h，人眼到2D显示屏的距离为20 cm，人双眼的距离为6 cm，狭缝宽度为a，挡板宽度为b，通过图1可知：左眼只能看到偶数列像素发出的光线，右眼只能看到奇数列像素发出的光线。通过计算可以得到：光栅离2D显示屏的距离h=1.324 5 mm，a=0.199 mm，b=0.597 mm。

2 仿真模拟

Tracepro软件采用 Non-Sequential和 Monte Carlo法进行光线仿真，对光线进行准确和有效的分析，能够仿真主流的显示系统。与传统方法相比，Tracepro 在建立系统模型的成本和时间上要节省很多。本文采用OLED(OrganicLight-EmittingDiode，自发光二极管)作为平面显示屏， OLED及其视差光栅均使用Tracepro建模，并利用光线仿真和设置光线接收面来获取相关数据[7]。

2.1 OLED器件建模

本文仿真的OLED器件结构为玻璃(0.75 mm)/ITO(100 nm)/TPD(100 nm)/ Alq3(100 nm)/ Al(200 nm)。首先利用Tracepro对OLED器件进行绘图建模。OLED器件尺寸为20 mm×20 mm，然后设置像素的模型和视差光栅，考虑到像素有一定的体积，将像素单元设定为尺寸为0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm的立方体，如图2所示。

对于人眼模型的设定，笔者考虑到人眼应该在一定范围内都能够看到立体图象，因此将人眼模型进行了适当的放大，并且将人眼设定为一个完全吸收的接收面，如图3所示。这样可以通过观察接收面上光线的分布情况来分析人眼可以观察到的立体图形的区域以及在哪里观察效果最好等问题。

2.2 仿真分析

仿真的基本原理是：首先，设定能被右眼看到的奇像素为发光点，偶像素则没有光线出射。如果右眼能够接收到光线，而左眼的接收面上没有接收到任何光线，则证明奇像素被成功分离而且被成功接收。然后，设定能被左眼看到的偶像素为发光点，奇像素没有光线出射。如果左眼能够接收到光线，而右眼的接收面上没有接收到任何光线，则证明偶像素被成功分离而且被成功接收。

将发光面定义为辐通量为1 W的朗伯光源，将A1设置为全反射，最后设置人眼为全吸收面，用作出射光线的接收面。平面显示屏的混色效果与视角相关, 需要从色度和光强度2个方面进行分析。本文主要探讨Tracepro在OLED立体显示设计中的作用，所以只对绿色OLED进行光线模拟。设置奇像素发光而偶像素不发光，通过光线追踪可以得到人眼接收面的能量分布图，如图4所示。Incident rays是接收面接收到的出射光线条数。Irradiance的出射光线的强度。左眼接收面没有接收到任何光线，而右眼接收面接收到286条出射光线，即奇像素被成功分离而且被成功接收。

同理，再设置偶像素发光而奇像素不发光，通过光线追踪可以类似的能量分布图，即偶像素被成功分离而且被成功接收。至此，以上结果和理论计算是一致的，证明光线确实被视差光栅分离，因此基于双目视差原理的立体显示是能实现的。但是由于OLED器件本身的发光效率较低，而且本实验建立的模型还不是很完善，特别是视差光栅对光线的吸收现象比较严重，造成了OLED立体显示器的发光效率很低。今后可考虑从提高OLED器件本身的发光效率和改善视差光栅两方面来解决。

(a)右眼

(b)左眼

3 结语

本文通过Tracepro光学设计软件验证了视差光栅对OLED显示图像的分离，并且通过计算机模拟确定器件的具体参数。对于一个立体显示器系统的设计者，其中一个重要的目标是降低独立视区间的漏光造成的串扰问题。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，是今后需要解决的问题[7]。

[1] 王琼华.3D显示技术与器件[M].北京:科学出版社,2011.

[2] 张瑞雪,王元庆,范科峰.自由立体显示背光系统的设计[J].照明工程学报,2012(2):79-82.

[3] 吕国强,胡跃辉,张涛,等.立体显示的现状、机遇与建言[J].真空电子技术,2011(5):22-27.

[4] 房慧聪,沈模卫,李鹏.立体显示系统设计中人的因素[J].人类工效学,2004(2):49-51.

[5] 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[J].液晶与显示,2005(6):81-85.

[6] 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[J].液晶与显示,2006(5):177-181.

[7] 吴非.Tracepro在OLED器件模拟中的应用[J].真空电子技术,2010(1):65-67.

ApplicationofTraceprointheautostereoscopicdisplayofOLED

ZHAOBaichuan，WUFei

(Communication Engineering Department, Chengdu Technological University, Chengdu 610031, China)

Basic function of parallax illumination is to send pixels in odd or even columns on OLED screen into left or right eyes resulting in separation of two pictures and makes the person who sees them have stereo feeling. The design of a parallax grating is the most important factor when designing an autostereoscopic display which is based on parallax illumination principle. The distance between parallax grating and screen, and the grating constant are key issues. This paper tries to use Tracepro optic design software to realize the simulation of autostereoscopic display's ray path and validate the feasibility of stereoscopic display based on parallax illumination principle. With a given distance between gating and screen and gating constant, it is successful to separate the pictures of odd or even columns.

autostereoscopic display；parallax illumination；OLED；Tracepro

2013-04-08

四川省教育厅科研项目“一维集成成像系统的部分关键技术研究”(13ZB0050)

赵百川(1979- )，男(汉族)，四川通江人，助教，硕士，研究方向：光电子学。

TN383.1

A

2095-5383(2013)02-0056-03