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被動式眼鏡，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）和圓偏光（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，只要透過控置偏光鏡的方向，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，就可以同式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像互相垂直，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，就是真得使用兩塊液晶面板，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和右旋偏光鏡片之分，可以產生左旋和右旋兩種性質不同的偏振光。關於更進一步的圓偏光鏡片的性質，請參考《圓偏光鏡片的性質》一文。

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：

• 《數位相機：觀念、技巧與原理》：《第 L.6 章 偏光鏡的基本原理（pdf 檔）》
• 《PL偏光鏡的種類與性能》