3D显示器技术简介

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偏光式眼鏡(顯示器)
• 技術原理： 將左右眼欲看到影像以奇/偶列形成顯示影像，再藉由顯示器表面 貼附”微相位差膜(Micro-Retarder)”轉為互相垂直的偏極光， 觀 賞者透過偏光式眼鏡達到立體視覺感受。顯示器不同區域的畫素 分別負責不同方向的偏極光，所感受到的畫面解析度及螢幕亮度 僅為播放2D影像的50% 。
• 偏極光(Polarized Light): 光具前進方向、頻率以及振動方向，若針對特定振動方向前進的光 則稱之為偏極光。換言之，光為眾多不同之偏極光所集合。 • 偏光片(Polarizer) 為讓特定振動方向的光穿透，達到光偏極化 (Polarized) 效果，如：垂直式偏極光、水平式偏極光、圓偏極光 (Circular Polarized Light)
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空間分割
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快門式眼鏡(顯示器)
• 技術原理： 顯示器以影片正常播放速度的2倍頻率(Frame Rate)輪流播放左、右 眼視角畫面，快門式眼鏡藉由有線/無線裝置與顯示內容同步切換右 、左眼，使雙眼分別看見各自視角畫面，達到立體視覺效果。
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快門式眼鏡(投影機)-XpanD Mode
技術原理： 以單一高頻率投影機快速交錯播放左右眼畫面，並以遠紅外線同步配 合觀眾所佩帶之主動式液晶快門眼鏡，以極快的速度交錯遮蔽左右眼，讓 觀眾的左右眼『接近同時』各看到不同畫面以達到立體效果。
優點
‧可切換2D/3D ‧解析度不下降 ‧3D景深最佳 ‧需配載眼鏡(重) ‧亮度較低
‧可切換2D/3D ‧多人多視角 ‧成本最低 ‧解析度下降 ‧視角較窄 ‧亮度較低 Barrier layer (LCD or film) 1.1X DSC、手機、 DPF、公共顯示器
‧可切換2D/3D ‧多人多視角 ‧亮度不下降 ‧解析度下降 ‧視角較窄 ‧柱狀透鏡良率 低、成本高 Lenticular lens (LCD or film) 1.5X DSC、手機、 DPF、公共顯示器 32
Wheatstone’s Mirror Stereoscope Viewer(1835)
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3D立體影像原理
1. 立體感: 雙眼可由光角、視差，來判斷物體的遠 近、層次，即創造物體的立體感。
2. 光角: (Optical Angle) 物體與兩眼所形成的角度稱之為光角 ，我們利用光角來判斷物體的遠近。 3. 視差: (Parallax) 透過我們雙眼各自看到目標物位置的 差 異性。「光角」愈大其「視差」也愈大。
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裸眼式柱狀透鏡 ( Lenticular Lens )
• 技術原理： 顯示器表面貼附凸透鏡，依據聚光及折射原理改變光行進方向，觀 賞者於左、右眼影像畫素光線集中之設定區域達到立體視覺感受。 “柱狀透鏡” 優點為顯示器透光程度較視差屏障式來得佳，然而 透鏡精密度及製程要求嚴謹，畫面干涉(crosstalk) 情況不易消除。
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主流3D顯示器技術比較
技術 眼鏡 架構 偏光式 被動式偏光眼鏡 1.兩台偏光投影機 2.單台投影機+LC Shutter 3.LCD面板加貼Microretarder film ‧可切換2D/3D ‧成本低 ‧需配載眼鏡(軽) ‧垂直解析度下降 ‧視角較窄 LC Light Shutter、 Micro-retarder film 1.3X LCD監視器、NB 、 LCD TV 快門式 主動式快門眼鏡 LCD (120Hz=60Hz+60Hz) 光柵式 不需要 Barrier layer+ LCD 柱狀透鏡式 不需要 Lenticular lens+ LCD
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光的偏極化-圓偏光
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偏光式眼鏡(双機投影)
• 技術原理： 以2台偏光投影機(偏光角度互相垂直)於相同投影幕上同時播放左、 右視角畫面，觀看者藉由左、右眼偏光角度互相垂直偏光式眼鏡觀 看達到立體視覺。投影螢幕需為特殊材質(如：銀)，目的在於偏極 光經反射後仍保留其偏極光特性。
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偏光式眼鏡(單機投影)- Real D Mode
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彩色眼鏡(anaglyph)- 紅藍濾色片 3D 眼鏡
• 早期的 3D 立體電影多採用此方式，分別投射出經紅色濾 光與藍色濾光的畫面，利用不同顏色的影像重疊，再讓觀 看者配戴紅藍眼鏡來分離過濾重疊影像，達到景深。 • 優點：眼鏡價格低廉 • 缺點：立體效果較差 、色偏問題
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光的偏極化-線性偏光
6. 3D 顯示技術: 將不同視角拍攝的影像分別投射於左右 眼方能達成立體效果，技術的基本要求是 能讓左、右眼所看到的影像有些許不同。
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3D影像產業相關產品
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3D顯示器技術分類
目前3D顯示器技術大致可區分為眼鏡式和裸眼式技術： 1. 眼鏡式3D（with glasses） ◆被動式眼鏡（passive glasses） 彩色眼鏡(anaglyph) 偏光式眼鏡 ( Polarizer glasses ) ◆主動式眼鏡（active glasses ) 快門式眼鏡 ( Shutter glasses ) 2. 裸眼式3D（without glasses） ◆空間多工(spatial-multiplexed) 視差屏障 ( Parallax Barrier，光柵式 ) 柱狀透鏡 ( Lenticular Lens ) ◆時間多工(Time-multiplexrd) 指向性背光3D膜
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4.視差變化: (1)正視差:兩眼焦點視線在螢光幕前沒有交叉，其影像呈現在螢光幕後。 (2)零視差:兩眼焦點視線的交叉點在螢光幕上，其影像呈現在螢光幕上。 (3)負視差:兩眼焦點視線在螢光幕前有交叉，影像呈現在螢光幕前交叉點。
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3D立體影像原理
5.立體視覺: 3D影像是指影像除了平面的x和y軸外， 還要有明顯的深度。3維物體可藉由雙眼 視覺視差(如右圖)，在大腦中相互補償融 合而形成立體影像。此種視覺感受稱之為 Stereoscopy (立體視覺)。
最適觀賞區間
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視差屏障 3D轉2D
• 若將barrier的製作，改用可切換狀態的 LC Barrier就可做到2D/3D顯示切換模式
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視差屏障-- 多視角(Multi-View)
• 視差屏障多視角立體技術為藉由多台Camera 視角拍攝，可讓觀賞者感受 不同視角的3D 立體視覺，若3D 採用N 台Camera 拍攝，預期將有(N-1) 種3D 立體視覺感受，但觀賞者所感受的影像畫面亮度及解析度皆為2D 畫面的1/N 。 視差屏障3D 顯示技術關鍵性價值在於“可調焦距式視差屏障”，通常為 液晶式視差屏障(LC Barrier)，觀賞者可依與顯示器距離調整最適柵欄結 構，或完全透光觀賞2D畫面。
缺點
特殊材料
LC Shutter Glasses 、120Hz系統、高速 GPU、Dual-link DVI 1.6X LCD監視器、NB 、 LCD TV
成本乘數 應用

南亞導入3D產品以開發液晶快門眼鏡及投影機液晶光閘產品最合適。
3D液晶光閘產品規格
項次 1 2 3 4 5 6 項目 Frame frequency Reflash Shutter Tr Tf NLK(三星) 120Hz 240Hz 60Hz 120Hz 0.3ms 3.5ms 4um 9v 40% 300 0° 7 視角 (Deg) 25 0.3ms 1.7ms 2um 10v 70% 1000 40 愛爾得 240Hz 120Hz 0.3ms 1.7ms 2um 10v 35% 1000 — 台達電(#174) 120 Hz 60Hz 1ms 2.5ms 4um 20v 90% (無偏光片) — —
3D顯示器技術簡介
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大綱
一. 3D立體影像原理 二. 3D顯示器技術種類 三. 眼鏡式立體顯示系統 四. 裸眼立體顯示系統 五. πCell 原理
六. 液晶光閘開發評估
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3D 顯示器的發展
• • • • • • • 1830s —Mirror Stereoscope Viewer, by Wheatstone 1850s —紅藍眼鏡立體影片,by D’Almeida 1920s —Shutter式立體影片,by Hammond 1936 —MGM推出紅藍眼鏡商業電影 1939 —偏極眼鏡立體影片, by ChrystlerCo. 1990s —裸眼式立體顯示器萌芽 2003 —Sharp推出3D mobile phone
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時間分割
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微相位差膜(Micro-Retarder)
• 相位差膜(Retarder Film)具偏極光旋轉特性：利用光的相位延遲 (Phase Retardation) 原理，將入射偏極光旋轉一定的偏極角度，如 ：水平式偏極光穿過1/2λ相位差膜後則轉為垂直式偏極光。 • 微相位差膜(Micro-Retarder)：利用化學、雷射、熱處理等加工處 理方式消除相位差膜某些區域的相位延遲效果，亦即透過微結構 形成微相位差膜。
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主動快門式眼鏡結構
• 快門眼鏡鏡片通常以液晶光閘(LC light shutter)控制透光度 。
• 主要組成： 1.液晶鏡片 2.IR接收器 3.電池 4.塑膠眼鏡框架 5.控制板
塑膠框架
電池 控制板
液晶鏡片
IR接收器
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裸眼立體 (Autustereoscopic)
• 所謂「祼眼 3D 」，意指整個技術著眼於顯示螢 幕，本身不須戴上立體眼鏡即可看到立體影像。
•1.空間多工平面裸眼立體顯示系統: 視差遮蔽立體顯示 (Parallax Barrier） 柱狀透鏡立體顯示（Lenticular Lens） •2.時間多工平面裸眼立體顯示系統: 指向性背光3D膜
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空間多工顯示系統
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裸眼式視差屏障 ( Parallax Barrier，光柵式)
• 技術原理： 顯示器同時播放左、右眼影像畫素交叉，再藉由顯示器表面貼附 具柵欄結構的屏障片(Barrier)限制光的行進路線，觀賞者於左、右 眼影像畫素光線集中之設定區域達到立體視覺感受，若觀賞者於 非設定區域會有明顯的畫面干涉(Crosstalk)。
光閘反應速率(25℃) 面板 Cell gap 設計 面板驅動電壓 (Volt) 穿透率 對比 (25℃)
90°
180° 270°
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25 25 0.4t
50
40 40
—
— — 0.7t 0.2mm —
—
— — 1.1t — ＜30sec
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8 9 10
玻璃厚度 (mm) 偏光片厚度 (mm) Warm-up time (預置時間)
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柱狀透鏡陣列-多視點(Multi-Point)
透鏡分光：利用分光技術達到視差影像，5個 視點，輝度不變 ，解析度下降為2D 畫面的1/N
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時間多工-裸眼式指向性背光3D膜
• 此種技術主要是透過與主動式立體液晶螢幕一樣的120HZ高速面板， 交錯顯示左右眼畫面，利用兩組背光經過特殊設計，讓光行進的方向 ，分別投射至兩眼， 造成立體效果。
0.13mm —
3D液晶光閘型式
基本要求 : 1. Response Time : Tr+Tf＜ 4ms 2. Contrast : ＞300 3. Clear : 穿透率＞30﹪ 4. phase shift =λ/2
目前應用LC Mode:
1. TN 2. π Cell
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