基于偏振光的立体显示设备搭建实验报告

实验目的：

1、 利用菲涅尔公式与马吕斯定律检测液晶荧幕偏振状态

2、 利用偏振光的原理采用两台液晶显示器搭建出一套立体显示设备

实验仪器：

PC主机一台（带有ATIX1600显卡）、17寸液晶显示器两台、偏振眼镜4副、半反半透玻璃一块、角钢、大芯板、轴承、PVC材质水管、钉子、螺丝

实验原理：

1、 液晶的原理

液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。在液晶显示器中主要利用液晶的旋光效应，使得线偏振光的偏振状态发生旋转。

2、 液晶显示器原理

液晶显示器(LCD)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。LCD是基于液晶电光效应的显示器件

液晶显示器是利用液晶的基本性质实现显示的。显示器中背光源发出的光（荧光灯管投射出光）为自然光这些自然光首先经过一层偏光膜后成为线性偏振光。然后这些线偏振光通过液晶时，由于液晶分子的排列方式会改变穿透液晶的光线角度，当沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致时，其偏光方向在经过整个液晶层后会扭曲90°由另一侧射出。穿过液晶的光线需要经过彩色滤光膜和另一层偏光膜这层偏光膜起到透光的作用。只要改变刺激液晶排列方式的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩。 如果在液晶盒上施加一定值的电压，液晶长轴开始沿电场方向倾斜当电压达到约2倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的排列这时90°旋光的功能消失，在正交偏光膜间失去了旋光作用，使器件不能透光。正是这样利用给液晶盒通电或断电的办法使光改变其透－遮住状态，从而实现显示。

3、 立体成像和显示原理

由于人眼有4 - 6cm的距离，所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图象是有差异的，这个差异称为视差。两幅不同的图象输送到大脑后，我们看到的是有景深的图象。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。

实验内容与步骤

1. 测试线偏光眼镜

如图1所示，将偏振片与显示器呈90°角放置，显示器与偏振片之间放置半反半透玻璃，且玻璃与显示器为30°角，在偏振片后方放置一台照相机。调节偏振片角度，每5°拍摄一次照片。之后再将玻璃与显示器之间的角度调整为45°和60°，重复上述步骤。最后用MATLAB读取所有照片，读取固定一点的像素值大小，绘制曲线并解释。

2. 搭建立体显示器框架

先用角钢搭建出一个50*50*45的正六面体框架，其中5面用大芯板封住，留一面作为观察面。

一台计算机上接好双显示器，并且将双显示器设置为水平扩展模式。这时通过偏光眼镜的左镜片只能看到显示器1的内容，通过偏光眼镜的右镜片只能看到显示器2的内容。将显示器1正常放置于观看者的正前方，将显示器2 放置在显示器1的左侧并且与显示器1相垂直。将半反半透玻璃夹在两显示器之间，与两显示器的夹角为45度。

3. 调试显示器

设置计算机桌面为左右中心对称的简单图形，方便调整影像，如下例所示。

微调镜子的角度以及显示器的方向和位置把镜中显示器2和镜子后的显示器1的影像尽量重合在一起。此时通过正面观察，显示器1和显示器2的影像应该已经融合在一起，显示器2显示为反转的镜像

实验数据处理

对每一张相片的同一个点取像素值，最后作图。

由图中可以看出，三条曲线都是接近于?=cos2?的曲线，因而证明了偏光眼镜具有偏振片的效果。此外，三条曲线中，入射角为45°的曲线最高。原因是当入射角为30°和60°时，相机上的像为LCD屏幕斜出射的影像，因此辐照度受到影响。

第二篇：基于偏振光的立体显示设备搭建 实验报告

基于偏振光的立体显示设备搭建       

实验报告

●关于3D立体成像技术领域的研究

进入大学之后，刚开始对自己的专业就不熟悉，不清楚未来就业，所以自己曾经很迷茫。

  后来慢慢的对自己的专业了解之后，特别是近几年3D电影产业的蓬勃发展，自己开始对立体成像方面的问题越来越感兴趣啦。本次试验可能是我上大学以来做过的耗费自己精力最大的一个试验吧，这也是我大学期间的一大宝贵财富，自己也真的从中对立体成像方面的问题有了更深的理解。

  人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。

　根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。

  3D立体成像技术的发展得益于影片《阿凡达》的成功，3D带来的视觉震憾让人们对“身临其境”的体验从空想转为现实——迎面袭来的攻击、如梦似幻的森林、触手可得的野兽……科技在变，不变的是人们对品质的升级需求。因此，在《阿凡达》的火爆中，3D－IMAX放映厅中的一票难求显得不出所奇，也因此，随后带来的产品研发热度也让人们看到了3D生活在加速。

  3D俨然可以作为产业进行发展，然而标准的空白确实阻碍了企业研发的部分热情。有的企业曾呼吁国家出台相关标准，或者行业协会制定标准办法，这说明3D标准已经引起厂商重视，规范化发展迫在眉睫。

  3D立体成像技术在现代社会中应用越来越广泛。当然首先就是大家熟知的电影产业，“身临其境”的感觉让越来越多的人走进电影院，去感受3D技术带给我们的快乐与惊奇。不仅电影产业，如今游戏的3D化也成为趋势。一些网游企业已经开始考虑3D制作，以便带来玩家更强憾的视觉冲击。

  还有现在正在举办的上海世博会，由于种种原因不能去现场看世博的观众们，也可以在网上看到世博会现场的3D版，让自己如临其境。

  随着北理工70年校庆来临之际，我们学校也制作了3D虚拟校园，让人有种更加亲切的感觉。

  3D立体成像技术正在慢慢的渗入并改变着人们的生活。

  3D立体成像技术的成功缘于科技的无穷魅力，而3D创造的奇迹也为能否抓住时代机遇带来挑战。对于中国的技术发展前景来看，3D技术是产品设计、人才储备、市场管理等各个方面的新课题。3D技术的成熟不仅可以带动：产品价值提升，同时为我国电影国际化和文化产业振兴奠定了基础。3D革命才刚刚起步，更多全新的视听颠覆体验让我们拭目以待。

●试验设计（目的、原理、最初方案以及最终方案）

本次试验的主要目的是：1利用菲涅尔公式通过来检测液晶显示器的偏振状态。 2、利用偏振光的原理采用两台液晶显示器搭建出一套立体显示设备。

一：检测液晶显示器的偏振状态。

  原理：如图：

                     根据菲涅尔公式，偏正光p分量经过反射后方向改变90度，从而偏振方向改变，透射光则不变。这样经过偏振眼镜后透射光与反射光光强不同，通过两者光强的比值可分析出显示器偏振方向。

设计方案：显示器桌面调成全红，在日光灯环境下，将半反半透玻璃平置于桌面，显示器垂直于玻璃放置，找到透过偏振眼镜看显示器最亮的角度，用照相机透过偏振眼镜直视显示器，拍摄照片。再同样的角度拍摄反射成像的照片。然后将显示器垂直旋转，旋转10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，分别找到透过偏振眼镜看显示器最亮的角度，再拍摄反射成像的照片。之后利用Photoshop提取照片灰度，在照片上提取六个不同的点，取灰度平均值。

数据处理：将反射所拍照片的灰度分别与直视所拍照片的灰度做比值，比较数据。然后度数作为横坐标，比值作为纵坐标，利用matlab绘制曲线。

二：立体显示设备搭建。

原理：由于立体视觉是基于视差而来，因此 3D 立体显示的基础，就是要以人工方式来重现视差，就是想办法让左右两眼分别看到不同的影像，从而模拟出立体视觉。这里主要介绍通过偏光式3D立体眼镜进行显示的方式：

偏振片（偏光膜）是透过如百叶窗般排列的矽晶体涂料薄膜来过滤原本朝不同方向震动的光线，会挡住与偏光膜方向垂直的光线，只让与偏光膜方向相同的光线通过。

图2 偏光原理

                                                                            

播放时只要使用两组设备分别透过偏光片投射出垂直偏光与水平偏光画面，或是使用一组设备搭配可切换偏光方向的主动式偏光片交替投射出垂直偏光与水平画面，再让观看者配戴垂直偏光片与水平偏光片组合的偏光式 3D 立体眼镜，就可以观看到立体画面。在本实验中，采用了两台液晶显示器分别显示垂直与水平偏光画面。

最初设计方案：

在我们的最初方案中，两个显示器是不用固定的。但是在我们跑建材市场购买材料时，我们渐渐的把自己的这个方案给否定了，于是开始构想能把显示器固定的方案。

最终方案：

最终结构设计图：

最后的答辩中，我们看到了自己优秀的一面，同时和其他人设计方案比较中，我们所设计方案的欠缺。由于方案改的很仓促，所以可能最后不是那么美观，而且调试效果不如在实验室里明显。

●自我感受

作为团队里面的硬件工程师，我感受最深的就是去建材市场的那几次吧。总共去过三次，第一次去的时候本来是去熟悉一下建材市场怎么走，顺便问一下价格，结果耗费了不少时间和体力，还找错地方了。第二次是全组出动的，我们转悠了不少的地方，也就是在和师傅交流我们设计方案的过程中，我们渐渐的改进了我们的方案。第三次就是为了加固显示器，又去了趟建材市场采购材料。

在整个购买过程中，我熟悉了各种材料的用处以及基本价格，这些全是我们平时在课本上学不到的东西。而且真正的体验到了和商家砍价的不容易。

  在整个队伍的设计实验过程中，我们经常会因为为了搭建设备的某个部分而忘记去吃饭，经常会为了某个问题发生激烈的争吵，也偶尔会羡慕一下其他同学选择比较轻松的实验，但是，在一个礼拜的实验过程中，我们学到的不仅仅只有知识，我们学会了团队之间的团结，学会了合作，学会了努力把自己的想法讲给其他人。

  总之，我们这一周很辛苦，但是我们很快乐。