立體顯示技術簡介 三 B、被動式眼鏡立體系統:偏光立體系統


上一篇先介紹了最便宜、但是效果相對滿差的彩色被動式立體系統,接下來則是介紹目前在大型多人場所中,所使用的主流立體技術,那就是偏光鏡片(polarizer)的立體系統。基本上,這種系統是透過光的波動性的方向性來做左右眼影像的區分、遮蔽的;而在實作上,有線偏光(linear polarizer)圓偏光(circular polarizer)兩種。由於實際上線偏光和圓偏光在立體系統建置時,有許多性質都是類似的,所以在這邊就先來講一下線偏光的基本原理吧~

線偏光的基本原理

基本上,光的波動就好像手上拿著一端固定在牆上的繩子,不停地上下擺動時,繩子會有高低的波峰和波谷,把力量往前傳遞;不過,繩子在波動時的振動是一個方向的,而光則是會在和前進方向垂直的任意方向做波動。而如果光的振動方向很均勻地在各方向產生,那這個光就是未偏極化(unpolarized)的;而如果光的振動方向有偏向某些方向的話,那這個光就是偏極化(polarized)的偏振光。

而線偏光鏡就是透過特殊的結構,只允許在某個特定方向振動的光可以通過,達到偏極化的效果。下圖就是簡單的圖示,藍色的箭頭是光的行進方向、中間的白灰色圓盤是線偏光鏡,而綠色的線則是光在垂直方向的振動、粉紅色的線則是光在水平方向的振;當然,光實際上不只是垂直和水平兩種振動方向,不過在此就先以這兩種作代表了。

 

在上面左邊的圖裡,是將線偏光鏡的條紋放垂直的,如此一來,當光線由左方經過線偏光鏡到右方的過程中,其他方向的振動都會被線偏光鏡給擋掉,只有垂直方向的振動被保存下來;而在右圖,則是將線偏光鏡轉九十度變成水平的,如此一來,經過線偏光鏡的光就會只剩下水平方向的振動。所以,只要透過控制偏光鏡的方向,就可以調整要讓光留下哪個方向的振動,進而控制光的偏極性。


用於立體顯示系統

那如果讓只剩下垂直方向振動的光再經過水平方向的線偏光鏡呢?那僅存的垂直方向的振動也會被偏光鏡片給擋掉,所以就什麼都看不見,進而達到遮蔽的效果了~進一步透過這樣的原理,就可以透過控制光的偏極性,來控制兩眼看到不同的影像,進一步產生立體效果了!

以上圖為例,只要讓螢幕的左眼影像(綠色、標示 L)都以在水平方向振動的光來呈現,而右眼影像(粉紅、標示 R)都以垂直方向振動的光呈現,就可以同時獨立送出不同的左右眼影像。而接下來只要在眼鏡的左眼放一片水平的線偏光鏡,就可以把垂直振動的光(也就是右眼影像)給擋掉,只剩下水平振動的左眼影像;同樣的,在右眼放一片垂直的線偏光鏡,就可以讓進入右眼的只有垂直振動的右眼影像。

像下面幾張圖就是兩隻線偏光眼鏡的照片。最左邊的一張是透過單層線偏光鏡看後方的東西,可以發現雖然變暗(因為部分的光被偏光鏡擋掉了)了,但是還是看得很清楚。而中間的照片則是兩組眼鏡重疊,這樣的話兩片線偏光鏡會是同方向的,所以還是看得到鏡片後的物體;但是如果像右圖一樣,把一隻眼鏡轉 90 度的話,就會讓兩個線偏鏡片的方向互相垂直,所以就可以幾乎把所有的光擋掉、看不到後方的物體了!


而眼鏡的基本概念問題解決了,接下來實務上的問題,就是要怎麼樣在同一個位置,同時以不同方向的偏振光來顯示左右眼的影像了。

投影機的方案

如果是搭配投影機使用的話,一般來說有兩種方法,一個是架設兩台投影機、各自在前方安裝偏光鏡片後,再調整好讓他們投影到同一個位置;如此一來就可以在同一個位置,同時有不同方向偏振光的左右兩眼影像。像右圖就是一組使用線偏光的雙投影機立體系統。

這樣做比較明顯的缺點,就是兩台投影機要做精確的校正,才能讓兩台投影機投出來的畫面完全重疊,也因此其實不是很適合經常性地移動、調整投影機。不過這樣做的好處,是一般的投影機大多可以使用,不需要特別的投影機;但是要另外要注意的是,如果是 LCD 投影機的話,有可能會因為在 LCD 製作時已經有使用到偏光鏡的關係,而導致會和外加的偏光鏡互相影響,所以不建議使用 LCD 投影機

而另一種方法,則是用一台高更新率投影機,依序送出左右眼影像(就像之前提過的主動式立體一樣),然後在前方安裝一片可以配合投影左右眼畫面頻率、切換偏振光方向的主動式偏光片(例如 Z-Screen);如此一來,也可以和用兩台投影機有一樣的效果,而且不用擔心對位的問題!但是相對的,這樣的主動式偏光鏡的要價也不低,和一般的偏光鏡比起來有相當大的價差。

下圖則是 DepthQ 的 Polarization Modulator(官方網頁)的示意圖,他就是一種這類可以切換偏極性的主動式偏光鏡片。

不過,不管是哪種方法,要透過投影機來建構偏光的立體系統,投影幕也都要經過特別選擇。因為一般的投影幕在反射時有可能會破壞掉光的偏極性,導致偏振光的偏極化又被破壞掉,讓眼鏡沒辦法把該過濾的光線過濾掉、兩隻眼睛都可以看到另一隻眼睛才該看到的畫面,最後的結果就是讓立體效果非常地差。所以為了最好的呈現效果,最好是使用專門為了這種系統而設計的 non-depolarized 的投影幕;這種投影幕會使用特殊的材質(一般似乎是銀質),讓投影到投影幕上反射的光,依然可以保持原有的偏極性。


一般液晶顯示器

投影機一般都是用在大型、多人用的場合,對於一般用的狀況,現在的液晶螢幕(LCD)也可以透過特殊的技術,來做到在同一個平面上,同時用不同的偏振光個別顯示兩眼的影像。

比較常見的方法,是在液晶螢幕上在加上特殊的交錯式的偏光鏡,螢幕上一半的畫素(pixel)顯示左眼影像、一半的畫素顯示右眼影像。右圖就是一個簡單的示意圖,圖內的紅綠藍三個一組就是一個畫素,紅色的區塊代表是垂直方向的線偏光鏡、綠色的區塊則是水平方向的線偏光鏡。螢幕裡奇數行的像素透過線偏光鏡後,就只剩下垂直方向的偏振光、用來顯示左眼影像;而偶數行的像素在通過偏光鏡後,則剩下水平的偏振光,用來顯示右眼影像。而這樣只要左眼戴上垂直方向的線偏光鏡、右眼戴上水平方向的線偏光鏡,就可以讓左眼只看到左眼影像(奇數行的像素)、右眼只看到右眼影像(偶數行的像素),進而達到立體顯示的效果。

這樣做的好處,是成本相對低!但是缺點就是,在立體時的解析度會是螢幕面板原生解析度的一半。例如本來螢幕解析度是 1280 x 1024 的話,那在立體的時候兩眼各自看到的解析度就會只有 640 x 1024(或 1280 x 512),使用者會很明顯地感覺到畫面會變粗。

另外還有另一種方法,就是真的使用兩塊液晶面板,各自加上不同的偏極性、用來顯示兩眼的畫面;這樣的好處是可以不用降低影像的解析度,但是相對地生產成本也會因為多了一片面板而提高。像是之前介紹過的 iZ3D 立體螢幕(右圖),就是這樣性質的螢幕;不過實際上 iZ3D 為了讓裸眼在 2D 模式時也能正常看到正常的影像,所以又在兩個面板的影像做了一些處理,而非純粹各自顯示左右眼影像,因此算是稍微有點改變的技術。

而如果是搭配 120hz 以上的液晶螢幕(或是 CRT 螢幕)的話,也可以像使用投影機時一樣,搭配主動式偏光片來做到左右眼的偏振方向切換,進而使用偏光眼鏡來達到顯示立體的效果;不過這個方案應該是比較少見就是了。


線偏光的問題

不過在用線偏光立體系統的時候,有一個比較大的問題,就是偏光鏡片的角度。由於這樣的系統基本上就是靠著偏光鏡片方向、角度的差異來做左右眼影像的遮蔽,所以如果當使用者的頭歪一邊、導致眼鏡的鏡片角度和系統架構時預期時不一樣的時候,就會產生左右眼影像遮蔽的不完整、而可以同時看到兩個影像的狀況;一般在立體顯示的領域,會把這樣的問題叫做「cross talk」,Heresy 不確定這個詞是否有正式的翻譯,所以姑且就先用比較簡單的中文「鬼影」來稱呼他吧~

下面的影片就是一個實際操作的例子。在螢幕上是重疊著左眼的畫面和右眼的畫面,左眼是一個大大的「R Screen」,右眼則是一個大大的「L Screen」(抱歉,錄影的時候沒注意到設定反了);而再透過眼鏡左眼看出去,就可以發現只能看到「R Screen」的字樣、透過眼鏡右眼看出去則只能看到「L Screen」。不過如果轉動眼鏡 90 度的話,就可以發現影像就會慢慢變成兩個,最後能看到的影像會左右相反。

而要解決線偏光會因為眼鏡角度產生立體效果不佳的問題,可以考慮使用圓偏光鏡片來代替線偏光鏡片。


圓偏光

圓偏光的基本設計,就是在線偏光鏡的其中一面,再加上一個 1/4 波長延遲膜(quarter-wave retardation plate,一般又叫波片、wave plates),如此就可以產生偏振方向會旋轉的圓偏振光。而這片波片就像線偏光鏡一樣,也是有方向性的,一般在圓偏光鏡片裡會是和線偏光鏡的偏振方向成 45 度;根據和線偏光鏡相對角度的差異(一個是正的、一個是負的),圓偏光鏡片也有左旋偏光鏡片右旋偏光鏡片之分,可以產生左旋右旋兩種性質不同的偏振光。關於圓偏光的一些額外性質,可以參考《圓偏光鏡片的性質》這篇。

而圓偏光由於光學性質的關係,相對起來沒有線偏光鏡片角度的問題,所以比較不會因為頭偏了一邊而產生鬼影的情形;當然不是不會發生,只是發生時的影響,相對線偏光來說,小非常的多!下面幾張照片,就是 Heresy 手邊的圓偏光眼鏡實際測試的照片。


單一附圓偏光眼鏡

如果搭配對的話,可以幾乎沒有影響

但是如果是換一種正確的搭配,則可以幾乎完全遮蔽!

不過實際上,轉九十度後,還是可以發現會有漏光(而且顏色會變)

不過圓偏光也不是沒有缺點的。除了和線偏光一樣會因為過濾光線使亮度變暗外,圓偏光在某些情形下也會因為他的光學性質,產生某種程度的色偏;不過一般這類情況大多不會太嚴重,大致上是可以忽略他的影響。

像右圖就是一個比較特別的例子,可以明顯地發現因為穿過的鏡片不同,而造成一部份偏藍、一部分偏黃的狀況;不過這算是刻意弄出來效果,一般來說,在正常架設的情形下,是不會出現這樣嚴重的色偏的。

由於 Heresy 手邊沒有正在運作的圓偏光立體系統,所以下面就先以兩副圓偏光眼鏡,來大致示範他們運作的效果。仔細看的話,可以發現雖然圓偏光的鏡片之間的相對角度不會影響很大,但是在顏色上還是會有些許的變化。

此外,圓偏光鏡片由於製作上比線偏光鏡片更複雜(因為要加上波片),所以在售價上也比線偏光鏡片來的貴,所以在系統建置的成本上也會稍高一些;這部分也是和線偏光系統相比之下的缺點了。


小結

整體來說,偏光立體系統的優點在於他的眼鏡成本相對較低(應該只有彩色立體的眼鏡更便宜)、不容易損壞,而且也有相當不錯的效果,所以適合使用於大量觀賞者的場所;目前有不少大型展覽場所(像是台中科博館、IMAX 3D)等等,都是使用偏光立體的技術。

但是如果是採用投影機的方案的話,則有兩個比較大的問題。第一點就是他需要特別的投影幕,而這種投影幕的價錢基本上也不低,會增加不少成本,同時也會使得這種系統的攜帶性相當差(要帶出去展示還需要帶專用投影幕);另一點則是在系統使用時,會因為光線需要經過兩次偏光鏡片(投影機前方一次、眼鏡一次),而會有一定程度的亮度衰減,所以如果是用投影機方案的話,建議要使用流明數較高的機種。


參考:

本系列文章目錄

對「立體顯示技術簡介 三 B、被動式眼鏡立體系統:偏光立體系統」的想法

  1. […] 不過…手邊好像也沒夠好的東西來減光,所以是拿了四片偏光鏡片來調整角度控制進光量。但是似乎是因為有拿到圓偏光片,所以結果雖然成功地把亮度控制在合適的範圍,但是不但畫質感覺變差了,也造成了相當的色偏(參考)… orz 所以結果,拍出來的就變成是偏紫色的太陽了… […]

  2. […] 在前一篇《被動式眼鏡之偏光立體系統》的文章裡,已經大概介紹過了線偏光和圓偏光在立體系統中的性質和應用;而這一篇算是用來額外補充一些圓偏光的原理和性質。不過由於 Heresy 本身不是學這方面的,所以大部分的東西都是看資料拼湊出來的,所以如果有發現錯誤,也歡迎指正。 […]

  3. […] 和偏光立體投影系統比起來,他最大的好處在於他不需要特殊的投影幕,就算是一面白牆,也可以得到很好的立體效果;這也使得這樣的系統在可攜性上稍微好上一些(可以不用帶專用的投影幕),而且如果是要用大型投影幕的話,在這方面的成本也可以降低不少。 […]

  4. […] 而點下這個 3D 的按鈕後,他的字會變成紅色的,就代表開啟 3D 立體顯示模式了。而同時,YouTube 也有提供幾種不同的 3D 立體顯示設定可以選擇(如左下圖),他預設是使用紅藍(紅青)的分色立體(技術介紹);如果選擇「其他選項…」的話,他則會在讓使用者選擇幾種不同的立體顯示方法來做切換(下右圖)。除了可以選擇不同的眼鏡顏色之外,如果有交錯式訊號的立體顯示器(一般是 DLP 3D 或偏光立體)的話,也可以切換成對應的模式來看。 […]

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