撰稿 | 華鑒瑜（蘇州大學）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

自2007年智能手機、平板等電子設備問世以來，科研人員一直在為其尋找下一代變革性技術。裸眼3D顯示（名詞解釋>>>）是一項能將真實場景中的物體和人，通過手機、電腦等顯示屏生動再現的技術，被認為將開創新一代移動電子設備顯示產業。

然而，受到平板顯示器分辨率的制約，裸眼3D顯示存在視場角、空間分辨率和角度分辨率之間的矛盾問題。古人云：“魚和熊掌，二者不可兼得。”是選擇犧牲分辨率，實現大視場角？還是犧牲觀察角度，追求高分辨率？在追求極致視覺體驗的今天，任一選擇都不能滿足人們的立體視覺需求。

事實上，有限信息量下，現有裸眼3D顯示中，具有運動視差的可視角度與分辨率這對矛盾體，是由信息均一分布在全部可視范圍所導致的（如圖1a）。解決問題的途徑在于：優化信息的空間分配，使可視空間內信息密度漸變分布，即按照顯示屏幕觀看需要分配信息量。在屏幕中心的常用觀看區域分配更多信息量，在大視角區域分配少量信息。

近日，來自蘇州大學的陳林森研究員、喬文教授的研究團隊，設計了一種二維超構光柵陣列，通過調制入射光場的相位，形成點、線、面不同形狀的混合視角。根據人眼視網膜上視錐細胞分布特征，創新地提出了信息密度漸變3D顯示（如圖1所示）。結合LCD顯示平板，獲得了超寬視角、彩色、無暗區的動態3D顯示效果。該系統結構緊湊輕薄，在移動電子顯示終端具有應用前景。

圖1：信息密度漸變3D顯示的示意圖

該成果以"Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex"為題發表在 Light: Science & Applications。

研究人員受人眼視網膜成像策略的啟發，提出了一種3D顯示的通用方法：即根據觀察頻率來投射空間上變密度的圖像信息。在使用頻率高的中間視區，投射密集排布的視角；而在使用頻率低的邊緣視區，投射稀疏排布的視角。這需要解決以下難題：

（1）視角之間的角度間隔需要空間可變；

（2）各個視角的光場圖案需要精確調制，消除重疊區域，以避免圖像串擾；

（3）相鄰視角間的間隙需要避免，以消除過渡暗區；

（4）需要實現大幅面密排微納結構的高精度制備（5英寸-32英寸）。

研究人員設計并制備了一種大幅面二維超構光柵結構，如圖2所示，首先根據目標圖像，利用G-S算法（名詞解釋>>>）生成相位全息圖；其次，利用紫外激光直寫設備將全息圖光刻轉移至光刻膠上，形成二元衍射元件；最后，利用自主設計的變標度傅里葉變換光刻設備加工成二維超構光柵陣列。

圖2：視角調制板上二維超構光柵的設計流程

為了制備具有復雜納米結構的大幅面視角調制板，研究人員設計了一種變標度傅里葉變換光刻系統，如圖3所示，該系統由紫外激光器、傅里葉透鏡、光闌及顯微物鏡等器件組成。其工作原理為一束準直擴束后的光斑經過相位調制（二元衍射元件）后，在第二片傅里葉透鏡的后焦面形成多光束干涉圖案。該干涉圖案經物鏡系統縮放后，光刻轉移至光刻膠上，形成二維超構光柵結構。此光刻系統的一大特點是，通過軸向旋轉和平移二元衍射元件，可以精確調制所形成超構光柵的周期和取向，調制精度達到1nm。此外加工效率可達到每分鐘20mm2, 基本滿足了3D顯示光場調控所需的大幅面微納結構制備需求。

圖3：自主設計的變標度傅里葉變換光刻系統及其相位調制元件

團隊首先制備了6英寸單色視角調制板，驗證信息密度漸變3D顯示可行性。如圖4所示，該視角調制板共包含800*600個體像素，每個體像素包含9個像素化超構光柵，即共計432萬個像素單元結構。7個線狀視角以10°的間隔分布在中間視區，其余2個面狀視角則以30°的間隔分布在邊緣視區。與鏤空掩膜板結合，實現了橫向160°視場的單色水平信息密度漸變3D顯示。

圖4：信息密度漸變3D顯示的概念驗證

團隊進一步搭建了動態彩色信息密度漸變裸眼3D顯示系統。如圖5所示，為了消除色散，二維超構光柵根據RGB三種波長分別設計。與集成彩色濾光片的LCD顯示面板結合，獲得彩色動態的信息密度漸變3D顯示系統。進一步地，采用納米壓印技術還可將視角調制板的厚度進一步減少至200μm。當LED準直背光照射至視角調制板上時，二維超構光柵將RGB三種波長的光束分別傳導至特定視角區域，融合形成了彩色3D圖像，具有運動視差的視場角達到了創紀錄的160°。

圖5：彩色動態信息密度3D顯示的實驗驗證

得益于納米光子學的快速發展，研究團隊從視角光場調制的角度出發，開發了一種裸眼3D顯示的通用設計方法：利用二維超構光柵精確調制視角的空間位置和形狀，在中間視區獲得高分辨率的同時，極大擴展邊緣視場范圍。可以解決現有3D顯示中因平板顯示分辨率不足帶來的視場角與分辨率矛盾問題。

因此，基于二維超構光柵的信息密度漸變3D顯示可顯著提升立體顯示體驗，在消費電子領域具有應用潛力，期待消費電子領域迎來“3D模式盛宴”。

論文信息：

Hua JY., Hua EK., Zhou FB., et al. Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex. Light Sci Appl 10, 213 (2021).

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00651-1

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編輯 | 趙陽

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