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)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:

14 thoughts on “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”

  1. 京華城的 3D 電影根據去年看地心歷險使用的就是圓偏光眼鏡.

  2. 请问如果使用DEPTHQ这样的机器加偏振模塊投射在普通白幕上會有多大的損失,對3D效果的影響有多大?謝謝!

  3. 您好由於您所提及的系統是透過光的偏振性來區隔左右眼的影像,所以如果您使用一般的投影幕,會因為沒辦法維持光的偏振性質,而使得兩眼的光線、影像都混在一起無法區隔;而在這種情況下,偏光眼鏡也會沒辦法正確地隔離光線,立體效果應該是會接近沒有了。

  4. 你好,請問主動式與偏光鏡收看的3D影像可以是相同的嗎?

  5. to peter您好,不確定你的意思?基本上主動式立體和偏光鏡立體的系統由於原理不同,所以眼鏡不能通用;但是在立體的內容部分,主要是看撥放器(例如電腦)是否能支援該種系統、輸出所需要的訊號。

  6. 圆偏光3D电视会贴膜让信号左右眼的画面进行相反方向的偏转,能确定电视上会贴圆偏光膜,那用来接收信号的眼镜是怎样的呢?谢谢~

  7. to amber抱歉,不是很能理解你的問題。不過基本上,眼鏡上面的偏光鏡片的類性、方向,都是要和電視做搭配,才能正確地看到立體的。如果是在顯示器上透過圓偏光膜產生兩種不同圓偏振光來區分左右眼的話,那眼鏡的兩眼也是各自需要不同方向的圓偏光鏡片。

  8. 请问,用LCD笔记本电脑播放Stereo 3D – Horizontal电影时,应该使用什么样的被動式立體眼鏡?

  9. to 星空王子請確認你的筆記電腦螢幕有支援立體顯示的功能,並使用它所提供的立體眼鏡,這樣才能看到立體。

  10. dear heresy: 請問只要用偏光眼鏡(線偏光與圓偏光)目前都會降低畫質嗎?上次我有去參加lg 3d偏光電視的展示會,會場人員有透漏線偏光就不會有降低畫質的問題,但是我看整個原理來說似乎必須降低畫質才可能達到偏光的方式?

  11. to frank我想你講的應該是指降低解析度的問題吧?偏光立體系統的基本概念,只是用不同方向的偏振光,來區隔兩眼的畫面,並不代表一定會降低解析度;會降低解析度的原因,主要是在於採用空間分割的方法,來在同一個面板、同時顯示左右兩眼的訊號。也因此,如果是採用其他方法,來做到兩眼訊號的輸出的,也是有可能可以避免掉解析度降低的問題的∼像是 iZ3D 就採用特殊的雙面板技術來避免掉解析度減半的問題,不過相對的成本就提高了。不過 LG 的方案到底會不會降低解析度?官方似乎沒有正式的資料,但是以目前看到的資料來說,應該還是會的。

  12. 您好
    請問一下
    一、目前市售的3D電視,都是使用左旋偏光還是右旋? 還是一邊左旋一邊右旋?
    二、目前電影院的3D效果,都是線性還是圓偏光呀?

    請幫忙一下哦

    感謝

  13. to 小BO

    答案是都不一樣。
    市面上的 3D 立體電視,有不少是採用主動式、而非偏光的。而就算採用偏光,使用的偏振光性質也不一定相同。
    但是基本上,如果是採用圓偏光的話,兩眼的旋轉方向一定不一樣。

    電影院也是一樣的狀況。
    每一家戲院的系統,都是不一樣的。

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