固態體積式真三維立體顯示器顯示體驅動電路設計

張應松，梁監天，韓 東，劉志民，方 勇，呂國強＊

（1.合肥工業大學 特種顯示技術教育部重點實驗室 特種顯示技術國家工程實驗室現代顯示技術省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；4.合肥工業大學 光電技術研究院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

隨著顯示技術的發展，3D時代已經來臨。電影院3D電影隨處可見，給人們的視覺帶來極大的沖擊和享受；多數機場也已出現了裸眼立體顯示器；3D顯示技術的發展是顯示技術上的一次偉大變革。然而目前出現的3D顯示技術或多或少都有一定的缺陷，比如在電影院觀看3D電影需要佩戴專用眼鏡，而且部分觀眾對該種電影會產生眩暈現象；裸眼3D［1－2］雖然無需佩戴眼鏡，但是一般只能在固定的位置才能觀看，而且長久觀看會產生視覺疲勞。固態體積式真三維立體顯示器是一種在三維空間真實成像的顯示器，觀看時無需佩戴眼鏡，也不會導致視覺疲勞。

固態體積式真三維立體顯示器工程樣機顯示體由20層48cm（19in）液晶光閥（liquid crystal light valve）組成。在液晶光閥兩端加高于閾值的電壓時液晶光閥處于透明狀態，允許光以高透過率透過；當兩端無壓差時液晶光閥處于成像態，此時圖像在光閥上散射，觀察者可以看到圖像［3］。對液晶光閥而言，隨著尺寸的增大，其等效電阻和等效電容隨之增大，充放電時間延長，液晶光閥的透明態與成像態的切換速度隨之下降。為了滿足快速成像的需求，要求驅動電路開關速度快，導通電阻低，能承受瞬間大電流且安全可靠。為了延長液晶光閥的使用壽命，還必須能對液晶光閥進行正反向充電，目前業內尚無這種驅動［4－5］。工程樣機研制成功后，發現顯示體存在閃爍現象。本文的驅動電路很好地實現了顯示器顯示體的驅動，為以后更大尺寸的液晶光閥驅動提供了硬件支持；本文還通過對閃爍現象的研究，在不改變硬件的基礎上提出了一種新的驅動方法，消除了閃爍現象。

2 驅動電路結構設計

固態體積式真三維立體顯示器顯示體驅動電路是由光閥驅動控制模塊和光閥驅動模塊構成。驅動控制模塊的核心是現場可編程門陣列（FPGA），該模塊為光閥驅動控制和溫控所共有，與光閥驅動模塊通過柔性扁平電纜（FFC）相連。光閥驅動模塊是由20個相同的子模塊并聯而成，每個小模塊可以單獨驅動一層液晶光閥。

2.1 液晶光閥驅動控制模塊

驅動控制模塊的核心是現場可編程門陣列（FPGA），本系統選用的型號為ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，它有2 910個LE邏輯資源，104個PIN腳，13條 M4KRAM（共6.5KB）和一個數字鎖相環（PLL）。該型號FPGA價格低廉、使用方便，完全能滿足需求。

2.2 液晶光閥驅動模塊

該模塊由20個子模塊構成，每個子模塊有兩個光電耦合器、兩個半橋驅動器、一個與非門和4個N型金屬－氧化物－半導體（NMOS）組成，如圖1所示。

光電耦合器簡稱光耦，以光為媒介傳遞電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。本系統光閥驅動控制模塊屬于數字電路模塊，耐壓比較低且易受干擾，而后端液晶光閥驅動模塊，驅動電壓為100V，屬于高壓范疇，在兩者之間加光耦可以避免后端高壓電路對前端數字電路造成破壞。

半橋驅動器可以同時驅動半橋（H橋）臂上上下兩個MOS管，本系統使用的半橋驅動器為IR2104，它具有承受電壓高、驅動能力強、響應速度快等特點。如圖2所示，半橋驅動器有兩個輸入端和兩個輸出端，輸入輸出時序圖如圖3所示，可見只有為高時HO和LO輸出才與IN有關：HO與IN相同，LO與IN反相。

圖1 單層液晶光閥驅動流程圖Fig.1 Flow chart of driving one piece of liquid crystal light valve

圖2 半橋驅動電路Fig.2 Circuit of half－bridge driver

圖3 IR2104時序圖Fig.3 Timing diagram of IR2104

本系統采用2個半橋驅動器驅動一塊液晶光閥，如圖4所示，該電路可以實現液晶光閥的正反向充電。工作過程如下：圖（a）所示為液晶光閥正向充電過程，此時Q1和Q4閉合，Q2和Q3打開；圖（b）所示為液晶光閥正向放電過程，此時Q1由閉合變打開，同時Q2由打開變閉合，液晶光閥兩端接地，對地放電；圖（c）所示為光閥反向充電過程，此時Q2和Q3閉合，Q1和Q4打開；圖（d）所示為光閥反向放電過程，此時Q3由閉合變打開，同時Q4由打開變閉合，液晶光閥兩端接地，對地放電。

圖4 液晶光閥正反向充電示意圖Fig.4 Forward and reverse charge schematic of liquid crystal light valve

與非門的作用是為了防止Q1、Q3同時打開對液晶光閥造成損壞，通過對IN1和IN2信號進行與非操作，并將結果輸出給；當IN1和IN2都為高時兩端為低，Q1－Q4全部打開，使電路更加的安全可靠。

通過上述的分析可知單個小模塊即可實現對單塊液晶光閥進行正反向充放電操作，驅動控制板由20個該種小模塊組成，理論上可以實現顯示體的驅動，然而該種情況下驅動控制板在上電瞬間易損毀。經過分析，20個子模塊共用一個高壓和地，本質上是20個H橋并聯。MOS管雖然響應速度快、通過電流大，但是柵極和源級之間壓差不能過大；MOS管在高速開關狀態時柵極會產生振蕩，對20個H橋并聯在一起的電路，柵極振蕩疊加，當振蕩電壓超過柵極－源級極限電壓時，MOS管被擊穿，DS兩端處于導通狀態，導致電源和地之間短路而損毀。驅動控制模塊在上電瞬間會產生5kHz的干擾波，所以在上電瞬間光閥驅動板易損毀。

針對上述分析，提出以下措施：減少單塊電路板并聯H橋的數目，在每個MOS管柵極加吸收電阻，并在MOS管GS兩端加穩壓二極管。柵極吸收電阻的選擇根據實際情況來定，一般為幾歐到幾十歐之間，若選擇的阻值過大，會導致MOS管響應速度變慢，達不到系統要求，若過小，則不能起到濾除柵極振蕩的作用。

3 驅動方法研究

驅動控制板接收到的同步信號是頻率為60 Hz、高電平為70ns的脈沖信號，由固態體積式真三維立體顯示器成像原理可知，當檢測到同步信號下降沿時即開始依次掃描1～20層液晶光閥，在下一個高電平到來之前完成一個周期的掃描；在下一個掃描周期內液晶光閥的充電方式與前一周期相反。對于某一層屏而言，散射態和透明態切換的頻率為60Hz，散射態占整個周期的5%；若考慮正向充電和反向充電，則驅動波形即為30 Hz，圖5給出的是前兩層液晶光閥驅動波形。圖中State是正反向充電標志位，00表示散射態，01表示正向充電，10表示反向充電，閃射態的時間為0.83ms，整個大周期的時間為33.3ms。

圖5 第一層液晶光閥驅動控制信號Fig.5 Drive signal of first piece of liquid crystal light valve

20層液晶光閥按上述方式依次掃描，配合前端的成像系統，即可在顯示體上顯示立體圖像。

按上述掃描方式進行掃描雖然可以顯示立體圖像，但是卻有很強的閃爍感。經過分析，閃爍主要由兩方面因素導致，一是環境光干擾，二是60 Hz固有閃爍疊加。

固態體積式真三維立體顯示器由于結構上限制，液晶光閥與環境光不能完全隔離。環境光的主要成分是室內照明燈光，由于中國的民用交流電頻率為50Hz，所以一般的室內照明燈光頻率為100Hz正弦波，如圖波形a所示。單層液晶光閥切換頻率為60Hz，散射態占空比為5%，如圖6波形b所示。當液晶光閥處于散射態時，環境光照射在液晶光閥上散射，人眼接收到的散射光波形如圖7所示。由圖7可知：散射光頻率雖然為60Hz，但是散射光亮度在變化，所以人眼會感覺到明顯的閃爍感。

圖6 環境光波形和單層液晶光閥閃射態波形Fig.6 Waveform of ambient light and liquid crystal light valve

圖7 人眼合成頻率Fig.7 Synthesized frequency by human eye

另一個導致閃爍的原因就是60Hz本身存在閃爍問題。人眼的光感受器對間斷光刺激的反應決定于刺激的間歇頻率，當閃爍的頻率增至某一值時，閃爍感消失，人眼感受到固定的連續的光，此時的閃光頻率叫做臨界閃爍頻率（CFF）。CFF受很多因素的限制，如閃光的亮度、光斑的大小、觀察的角度、環境光等。J.E.Farrell基于陰極射線管顯示提出CFF計算公式［6］：

其中：m、n為常數，由顯示器尺寸決定。

其中：LT：顯示器輸出光平均亮度；LR：環境光平均亮度；d：瞳孔直徑。

式（6）對應的為熒光粉余輝指數變化e1／α的時間常數。對于液晶顯示屏，上式不再適用，對其進行修正［7］：

對于本系統而言：LT：60cd／m2，LR：20 cd／m2。

經過計算，對于單層液晶光閥，CFF為67.6 Hz，即只有光閥驅動頻率超過67.6Hz才不會感覺到閃爍。而顯示體由20層液晶光閥組成，閃爍感會疊加。

針對閃爍現象，在原來驅動的基礎上，提出了一種新的驅動方法。以第一層液晶光閥為例，如圖8所示，在原來透明態的基礎上增加4個0.1 ms散射態，同時充放電方式變換4次，則既可以解決60Hz低于臨界閃爍頻率導致的本身閃爍問題，又可消除環境光帶來的影響，因為該種變換之后液晶光閥驅動頻率為300Hz，與日光燈的100 Hz是相匹配的，合成波形如圖9所示，雖然散射光亮度依然在變化，但是散射光頻率為300Hz，遠遠大于閃爍閾值，所以人眼感覺不到閃爍。由于0.1ms成像時間與正常0.83ms成像時間相比而言較為短暫，由于人眼的視覺特性，對立體顯示效果不會產生影響。

圖8 改進后第一層液晶光閥驅動控制信號Fig.8 Improved drive signal of first piece of liquid crystal light valve

圖9 改進后人眼合成頻率Fig.9 Synthesized frequency by human eye after improved

固態體積式真三維立體顯示器工程樣機實際效果圖如圖10所示，圖中的圖像具有很強的立體感，無閃爍現象。

圖10 顯示3D效果圖Fig.10 3Dimage displayed

4 結 論

本文設計了一種大尺寸液晶光閥驅動電路，該種驅動電路驅動能力強、響應速度快、可以實現雙極性驅動，穩定性高。基于上述驅動電路，在消除柵極振蕩的基礎上設計了固態體積式真三維立體顯示器顯示體驅動電路，通過更改顯示體驅動方法，消除了閃爍現象，實現了當前固態體積式真三維立體顯示器工程樣機顯示體的設計要求，并為下一代更大尺寸真三維立體顯示器的設計打下基礎。

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