【摘要】隨著3D顯示技術(shù)的成熟發(fā)展，帶3D功能的液晶顯示器價(jià)格一降再降，已經(jīng)不再是奢侈的高檔消費(fèi)品，早就成為尋常百姓家里的普通消費(fèi)品。而快門(mén)式3D顯示技術(shù)作為3D技術(shù)的一個(gè)重要類(lèi)別，以畫(huà)質(zhì)清晰可視角大的優(yōu)點(diǎn)被眾多顯示器廠(chǎng)家采用。但是快門(mén)式顯示技術(shù)由于其成像機(jī)理，重影就成為其重要的缺陷之一。因此在研發(fā)階段，是否有重影成為評(píng)判快門(mén)式3D顯示器畫(huà)質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。然而目前這項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)判通常是以測(cè)試人員觀(guān)看評(píng)測(cè)用3D影片來(lái)判定，含有一定的主觀(guān)性。因此筆者就如何使用儀器量測(cè)來(lái)客觀(guān)評(píng)測(cè)重影提出一種可行的解決方案。

【關(guān)鍵詞】3D顯示器;重影;光電感應(yīng)器;快門(mén)式3D眼鏡

1.序言

快門(mén)式3D顯示技術(shù)原理：利用人眼的視覺(jué)暫留原理與視差原理，將左右兩幅稍有差異的畫(huà)面以很高的頻率（120HZ）交替的在液晶屏幕上顯示，通過(guò)配戴左右同步開(kāi)關(guān)的眼鏡，使人的左眼和右眼分別看到對(duì)應(yīng)的圖像，經(jīng)過(guò)觀(guān)看者大腦內(nèi)部的融合，從而產(chǎn)生具有視覺(jué)景深的立體圖像。

圖1 快門(mén)式3D顯示技術(shù)原理

2.3D顯示器各功能模塊作用

快門(mén)式3D顯示器各功能模塊如圖2所示：

圖2 3D顯示器線(xiàn)路方框圖

主板（Scalar Board）：信號(hào)接收處理模塊，接收外部輸入信號(hào)，如HDMI、DVI、DP、VGA、USB等信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為3D信號(hào)處理模塊可識(shí)別的信號(hào);處理與各模塊進(jìn)行通訊，接收和發(fā)送相關(guān)指令;同時(shí)為3D處理模塊及3D眼鏡提供所需要的工作電源。

3D Panel C-Board：3D信號(hào)處理模塊，將信號(hào)接收處理模塊送來(lái)的畫(huà)面信息經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理變成液晶屏可識(shí)別的左右眼分別顯示的畫(huà)面;如信號(hào)接收處理模塊送來(lái)的是每秒60幀的畫(huà)面，則經(jīng)過(guò)處理后變?yōu)樽笥已鄹?0幀，即每秒120幀的畫(huà)面。

12V Power：為3D信號(hào)處理模塊中的供電模塊，將信號(hào)接收處理模塊提供的12V直流電源轉(zhuǎn)化為3D信號(hào)處理模塊各子模塊所需的不同電位的電壓，同時(shí)為面板供電。

2 Ch LVDS Connecter：為3D信號(hào)處理模塊與信號(hào)接收處理模塊的通訊接口，接受信號(hào)接收處理模塊送來(lái)的畫(huà)面信息及3D Enable使能指令。

3D Connecter：為3D信號(hào)處理模塊與3D converter及IR Driver模塊的通訊接口，3D信號(hào)處理模塊通過(guò)這個(gè)接口對(duì)這兩個(gè)模塊發(fā)出控制指令。

3D converter：面板背光控制模塊，接受到指令后對(duì)背光進(jìn)行相應(yīng)的控制。

IR Driver：3D無(wú)線(xiàn)眼鏡控制模塊，通過(guò)控制IR TX LED模塊或者Wireless Tower模塊來(lái)控制3D無(wú)線(xiàn)眼鏡。

IR TX LED：無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將從3D眼鏡遙控模塊接受到的數(shù)字指令轉(zhuǎn)換為3D無(wú)線(xiàn)眼鏡可識(shí)別的光信號(hào)。

Wireless Tower：無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將從3D眼鏡遙控模塊接受到的數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為3D無(wú)線(xiàn)眼鏡可識(shí)別的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

8 pin mini USB：微型USB接口，通過(guò)USB線(xiàn)可直接與有線(xiàn)3D眼鏡相連，3D信號(hào)處理模塊發(fā)出的同步控制指令（3D sync L/R out），通過(guò)該接口傳輸給3D有線(xiàn)眼鏡;3D無(wú)線(xiàn)眼鏡控制模塊可以通過(guò)該接口與Wireless Tower模塊連接，控制該模塊發(fā)出3D無(wú)線(xiàn)眼鏡可識(shí)別的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

3.快門(mén)式3D顯示產(chǎn)生重影的原因

快門(mén)式3D顯示技術(shù)的關(guān)鍵是要求圖像顯示與眼鏡觀(guān)看的同步，即左眼只能看到顯示的左幅圖像，右眼只能看到顯示的右幅圖像。否則，在人的視覺(jué)中就會(huì)產(chǎn)生帶有重影的圖像，從而無(wú)法正確再現(xiàn)圖像的立體效果。然而由于液晶顯示的掃描方式與液晶固有的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中不采取特別的措施，快門(mén)式3D液晶顯示器/電視很容易產(chǎn)生重影現(xiàn)象。

圖3只是快門(mén)式3D顯示的示意圖。實(shí)際上由于液晶顯示器/電視顯示圖像時(shí)，圖像內(nèi)容是從上到下一行一行刷新的，在圖像刷新過(guò)程中的任一時(shí)刻，屏幕上都存在著相鄰兩幀的圖像內(nèi)容，因此，快門(mén)式眼鏡中的一個(gè)鏡片并不能在整個(gè)顯示周期間一直打開(kāi)，而只能在消隱期間打開(kāi)。否則，由于眼鏡可以同時(shí)看到部分的左圖和右圖，將會(huì)在視覺(jué)中產(chǎn)生明顯的重影。

圖3 液晶顯示器/電視圖像刷新的過(guò)程

另外，由于液晶顯示器/電視狀態(tài)的改變需要響應(yīng)時(shí)間，在顯示屏幕的最下部，即使數(shù)據(jù)已經(jīng)刷新完成，圖像也還需要一定的響應(yīng)時(shí)間才能呈現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)如果立即打開(kāi)鏡片，仍然會(huì)看到前一幀圖像的部分殘影。因此在圖像刷新結(jié)束后，還需要一段等待時(shí)間，才能控制對(duì)應(yīng)的鏡片打開(kāi)。否則，也會(huì)導(dǎo)致重影現(xiàn)象。

4.預(yù)防重影的方法

因?yàn)榭扉T(mén)式3D顯示容易產(chǎn)生重影現(xiàn)象，所以為了有效規(guī)避重影問(wèn)題的發(fā)生，一般采用如下方式來(lái)解決重影現(xiàn)象（如圖4）

（1）主板給信號(hào)處理板發(fā)出指令（3D Enable：高電平代表右畫(huà)面，低電平代表左畫(huà)面），3D信號(hào)處理板接收到低電平后，開(kāi)始將液晶畫(huà)面逐條更新為所要顯示的左眼畫(huà)面（因?yàn)橐壕э@示驅(qū)動(dòng)的回路無(wú)法做到畫(huà)面所有行同時(shí)更新，所以只能逐行更新），此時(shí)整個(gè)畫(huà)面是之前的右眼畫(huà)面與將要顯示的左眼畫(huà)面并存。整個(gè)畫(huà)面從第一行開(kāi)始更新到最后一行更新結(jié)束，這段時(shí)間就是圖4中的Hold時(shí)間，也叫刷新時(shí)間。在此期間眼鏡的左右鏡片都是關(guān)閉的，防止出現(xiàn)看到畫(huà)面還在更新的狀況

（2）當(dāng)左眼畫(huà)面更新完成，3D眼鏡的左眼打開(kāi)，因?yàn)橐壕н€存在響應(yīng)時(shí)間，此時(shí)畫(huà)面還有殘留部分之前右眼的畫(huà)面，所以還不能讓左眼馬上看到畫(huà)面，因此當(dāng)左眼打開(kāi)后，BLU（背光）不能馬上打開(kāi)，等液晶響應(yīng)結(jié)束后，背光打開(kāi)，一幅完整清晰的左眼畫(huà)面就呈現(xiàn)在觀(guān)看者眼前。

（3）當(dāng)左眼畫(huà)面顯示結(jié)束，將要顯示右眼畫(huà)面，先將背光關(guān)閉，再關(guān)閉眼鏡，最后將3D Enable信號(hào)置高。背光先于眼鏡關(guān)閉，可以有效降低畫(huà)面整體的亮度感覺(jué)，為何要降低畫(huà)面的亮度感覺(jué)，在下文中會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明

（4）3D信號(hào)處理板接收到高電平指令（3D Enable），重復(fù)步驟（1），（2），（3）。

圖4 預(yù)防重影方法原理圖

5.測(cè)試難點(diǎn)

從上文的描述可以看出，針對(duì)快門(mén)式3D顯示重影的預(yù)防方式對(duì)3D Enable，眼鏡與背光的打開(kāi)時(shí)序是有嚴(yán)格要求的。而這三者的打開(kāi)時(shí)序最終是由軟件控制指令來(lái)決定的，如何通過(guò)外部的量測(cè)設(shè)備來(lái)有效的量測(cè)這三者的時(shí)序是否符合設(shè)計(jì)要求，則是快門(mén)式3D測(cè)試的難點(diǎn)也是重點(diǎn)。因?yàn)橹赜艾F(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響用戶(hù)的觀(guān)看效果，進(jìn)而影響品牌的聲譽(yù)度，所以是測(cè)試部門(mén)必需進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目。因?yàn)檠坨R左右眼的打開(kāi)指令為數(shù)字指令，為一串?dāng)?shù)字指令中的某段指令，極難判定是其中哪一段，所以通常由測(cè)試人員實(shí)際觀(guān)看測(cè)試影片確認(rèn)是否有重影來(lái)判定時(shí)序是否正確，而這種判定方式因?yàn)槿藛T的不同及機(jī)臺(tái)的差異，存在較大的主觀(guān)性和隨機(jī)性。為了克服這種測(cè)試方式的缺點(diǎn)，通過(guò)合理搭配改進(jìn)現(xiàn)有的測(cè)試工具，本人設(shè)計(jì)出一套測(cè)試治具及制訂與之對(duì)應(yīng)的測(cè)試流程，并在實(shí)際測(cè)試工作中證明是行之有效的。

6.測(cè)試原理

現(xiàn)在看來(lái)，3D Enable，Glasses及BLU三個(gè)信號(hào)中，如果Glasses信號(hào)可以通過(guò)某種方式量取到的話(huà)，這三組信號(hào)就可以通過(guò)使用示波器讀取來(lái)客觀(guān)判定了。本人設(shè)計(jì)出的方案就是采用光電感應(yīng)器利用光能轉(zhuǎn)換成電能的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的;通過(guò)偵測(cè)透過(guò)3D眼鏡的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電感應(yīng)器件，把光信號(hào)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再使用示波器讀取電信號(hào)來(lái)完成Glasses信號(hào)的量取。

7.光電感應(yīng)裝置的選取

常見(jiàn)的光電轉(zhuǎn)換器件有以下五種：

（1）太陽(yáng)能光電板：一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，其原理是將P型晶體硅通過(guò)摻雜磷可得N型硅，形成PN結(jié)。

圖5 太陽(yáng)能光電板

（2）光敏電阻：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱(chēng)為光電導(dǎo)探測(cè)器;入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。

（3）光敏二極管：光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r(shí)需加上反向電壓。

（4）光敏三級(jí)管：和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。

（5）光敏芯片：將光能轉(zhuǎn)化為電能的芯片，屬于集成IC，回路簡(jiǎn)單，便于運(yùn)用。

以上五種方案，考慮到液晶平板顯示器所采用的背光源主要有CCFL和LED，近幾年在市場(chǎng)需求節(jié)能環(huán)保的情況下，LED背光源已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流，顯示器發(fā)出的光亮度不屬于強(qiáng)光，其發(fā)出的光為一般可見(jiàn)光，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能光電感應(yīng)裝置，實(shí)際量測(cè)到的感應(yīng)電壓幅度值為0.35V，接收到的電信號(hào)太弱，故不采用太陽(yáng)能光電感應(yīng)方案，以免影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。對(duì)于光敏電阻、光敏二極管和光敏三級(jí)管方案可以增加放大器來(lái)應(yīng)用;但為了回路運(yùn)用簡(jiǎn)單，選擇光敏芯片方案。因?yàn)橐话憧梢?jiàn)光波長(zhǎng)為380～780nm，而一般人的眼睛可以感知的可見(jiàn)光波長(zhǎng)為400～700nm，正常視力的人眼對(duì)于波長(zhǎng)約為555nm的光最為敏感，所以盡量選擇一顆IC的接收波長(zhǎng)范圍與之相接近;同時(shí)輸出的電壓幅度相對(duì)較高，無(wú)需增加放大回路。通過(guò)查找元器件資料庫(kù)，選用PDIC17-55C光電轉(zhuǎn)換IC，如圖6 IC方塊圖和圖7 IC感應(yīng)波長(zhǎng)與人眼感知可見(jiàn)光波長(zhǎng)的比較圖。

圖6 PDIC17-55C方塊圖

圖7 IC接收波長(zhǎng)比較圖

IC主要規(guī)格參數(shù)如下：

IC供電Vcc：1.8～5.5V

IC輸出電流Iout：0～5mA

IC輸出電壓Vout：4.2V（Vout=Vcc-0.8，Vcc=5V，Lux=100）

IC工作響應(yīng)時(shí)間：Tr典型值為0.36ms;Tf典型值為1.13ms

IC感應(yīng)波長(zhǎng)：如圖7所示。

工作環(huán)境溫度：-40～85℃

光敏IC應(yīng)用線(xiàn)路圖如圖8所示。

電阻R值設(shè)定分析：從輸出電壓VS流明圖中可以看出，R值越大，隨著外部亮度增強(qiáng)輸出電壓越早的達(dá)到輸出電壓的上限值（Vcc-0.8），可以從圖9中看出，Vcc=3V，R=75K，流明=40時(shí)輸出電壓即達(dá)到輸出電壓上限值Voutmax=Vcc-0.8=2.2V，對(duì)應(yīng)的從供電電流VS流明圖可以查到40流明時(shí)對(duì)應(yīng)的供電電流為Ivcc=30uA，而從PDIC-55C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，當(dāng)輸出端負(fù)載阻抗很大時(shí)（量測(cè)電壓所用探頭阻抗為10M），供電電流Ivcc基本等同于流經(jīng)電阻R的電流Ir，而Vout=Ir*R=0.00003*75000=2.25V。所以實(shí)際測(cè)試時(shí)為讓PDIC17-55C感應(yīng)到透過(guò)眼鏡的弱光線(xiàn)也有最大電壓輸出，方便偵測(cè)。經(jīng)使用流明儀量測(cè)，當(dāng)眼鏡與顯示屏成55°時(shí)，測(cè)試區(qū)自然光透過(guò)眼鏡的亮度約為50流明，對(duì)應(yīng)電流Iout=35uA，Vcc=5，所以R=（5-0.8）/0.000035=120K，再增加一點(diǎn)裕度，而電阻又不能太大，否則過(guò)于對(duì)光線(xiàn)過(guò)于靈敏，會(huì)誤判，最終選電阻R=150K。

Vcc（PDIC17-55C）=5V（5V電源適配器供電）

C=10uF

R=150Kohm

Vout=4.2V

LED背光源的電流驅(qū)動(dòng)IC，調(diào)節(jié)背光的工作頻率范圍在100Hz～10KHz。

圖8 光敏IC應(yīng)用線(xiàn)路圖

圖9

圖10 光感應(yīng)板實(shí)物圖

8.制作測(cè)試屏蔽盒子

如圖10所示，將3D眼鏡和光敏芯片光電感應(yīng)器放置在盒子內(nèi)，盒子一側(cè)挖兩個(gè)小眼孔，分別對(duì)應(yīng)3D眼鏡的左右眼;將眼鏡左右鏡片緊貼于盒子的左右眼，使得盒子上的眼孔不要留有空隙，避免外界的光線(xiàn)不通過(guò)3D眼鏡的鏡片而是從左右眼孔的縫隙照進(jìn)盒子內(nèi)，引起光電感應(yīng)裝置誤判。同時(shí)在光電感應(yīng)裝置與3D眼鏡間放置一塊紙板隔離，紙板對(duì)應(yīng)3D眼鏡的左右鏡片分別挖孔，好讓透過(guò)鏡片的光線(xiàn)照射到光電感應(yīng)裝置上，加一層紙板隔離的目的也是為了進(jìn)一步遮蔽外界干擾光線(xiàn)，以及左眼鏡的光線(xiàn)干擾到右眼鏡后面的光傳感器，或右眼鏡的光線(xiàn)干擾到左眼鏡后面的光傳感器，防止因?yàn)闇y(cè)試治具影響到實(shí)驗(yàn)量測(cè)波形的準(zhǔn)確性，影響判定。最后將光電感應(yīng)裝置的白黑兩根導(dǎo)線(xiàn)引出盒子外，用示波器探頭勾取后連接到示波器，量測(cè)光轉(zhuǎn)化為電的信號(hào)電壓。量測(cè)3D眼鏡左眼開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)則將光電感應(yīng)裝置至于紙板左眼眼孔處，量測(cè)3D眼鏡右眼開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)則將光電感應(yīng)裝置至于紙板右眼眼孔處。內(nèi)部涂黑處理，吸收光的反射和折射。

圖11 3D眼鏡光線(xiàn)屏蔽盒

9.測(cè)試量取

3D顯示器軟體設(shè)計(jì)控制圖像的開(kāi)關(guān)時(shí)序規(guī)則如下：

開(kāi)（On）：3D Enable→Glasses→BLU

關(guān)（Off）：BLU→Glasses→3D Enable

3D控制信號(hào)量測(cè)點(diǎn)位如圖12所示。

圖12 3D控制信號(hào)量測(cè)點(diǎn)位示意圖

圖13 實(shí)際量測(cè)圖

圖14 實(shí)際量測(cè)波形

3D Enable信號(hào)：量測(cè)信號(hào)接收處理模塊與3D信號(hào)處理模塊之間的3D Connecter，找到對(duì)應(yīng)的3D Enable Pin腳，用示波器探頭連接測(cè)試，讀取此點(diǎn)位的電壓高低;

Panel背光開(kāi)關(guān)信號(hào)：在背光控制模塊中找到控制背光開(kāi)關(guān)的控制Pin腳，用示波器探頭連接測(cè)試，讀取此點(diǎn)位的電壓高低;

3D眼鏡控制開(kāi)關(guān)信號(hào)：在眼鏡后方放置光電感應(yīng)裝置（Light sensor），光電感應(yīng)裝置感應(yīng)到眼鏡打開(kāi)后透過(guò)來(lái)的光轉(zhuǎn)化為電壓，用示波器探頭連接測(cè)試，讀取此點(diǎn)位的電壓高低。

作者簡(jiǎn)介：周洋（1980—），男，湖北宜昌人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于福建捷聯(lián)電子有限公司研發(fā)處設(shè)計(jì)驗(yàn)證部。