20 世紀(jì)以來，顯示技術(shù)經(jīng)歷了不斷革新，從笨重的陰極射線管到輕薄的平板顯示器，從黑白到彩色，從標(biāo)清到超高清，顯示設(shè)備正朝著更真實(shí)的還原世界的目標(biāo)發(fā)展。如今，為了還原三維世界中立體物體的深度信息，裸眼三維顯示已悄然而至，人們在無需佩戴眼鏡等助視設(shè)備的情況下，仍可觀察到生動形象的立體圖像，獲得奇妙非凡的觀看體驗(yàn)。

裸眼三維顯示可采用平板顯示器作為圖像信息的來源，為了能完整再現(xiàn)一個立體圖像，平板顯示器上的圖像信息被調(diào)制到各個視點(diǎn)處，立體圖像的分辨率將不可避免的有所降低。而今，生活中充滿了高清乃至超高清的二維圖像，人們同樣期望可以觀看到高分辨率的立體圖片。

基于指向型背光源的三維顯示技術(shù)可實(shí)現(xiàn)圖像分辨率的提升。具有指向型的背光源即是此技術(shù)的關(guān)鍵器件，顧名思義，此背光源出射具有方向性的光束，分別指向觀看者的左右眼，再配合高幀速液晶屏，可分別產(chǎn)生左右眼對應(yīng)的視差圖像。左右視差圖像快速切換，根據(jù)人眼的視覺暫留效果，觀看者可觀察到高分辨率的三維圖像。指向型背光源多采用微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板和三維薄膜來實(shí)現(xiàn)，但由于三維薄膜對光線的調(diào)控能力有限，基于指向型背光源的三維顯示技術(shù)的串?dāng)_通常較大，同時，較難實(shí)現(xiàn)具有多個方向的背光源。

為了解決以上兩個問題，來自浙江大學(xué)的 李海峰 教授研究團(tuán)隊，提出了采用體全息光學(xué)元件(Holographic optical element, HOE) 實(shí)現(xiàn)多指向型背光源，不僅實(shí)現(xiàn)了低串?dāng)_、高分辨率的三維圖像，視點(diǎn)數(shù)目也得到了提升。

該成果以“基于多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng)”為題發(fā)表在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus 收錄，中文核心期刊）2022 年第 5 期。

1. 實(shí)現(xiàn)原理

在多指向型背光源中，不同位置處的 LED 光源經(jīng)柱面鏡準(zhǔn)直后，入射到體全息光學(xué)器件上，產(chǎn)生不同方向的衍射光束。人眼追蹤模塊負(fù)責(zé)捕獲觀看者左右眼的位置，并傳遞給液晶屏和多指向型背光源。左眼觀看時，液晶屏顯示左眼視差圖像，多指向型背光源僅投射左眼方向光束，右眼觀看時，液晶屏顯示右眼視差圖像，多指向型背光源僅投射右眼方向光束，二者快速交替進(jìn)行，根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，觀看者可觀察到視差圖像，獲得三維感知。

圖1：多指向型背光三維顯示裝置圖（圖源：液晶與顯示，2022, 37(5):599. Fig.1）

2. HOE器件制備

HOE 是多指向型背光源中的關(guān)鍵器件。兩束相干光束（參考光束和物光束）發(fā)生干涉，在干涉位置處放置感光材料，明暗相間的干涉條紋將記錄在感光材料上，制備得到 HOE。當(dāng)參考光束入射到 HOE 上，衍射光即為原始物光束，因此 HOE 可在超薄的材料上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)特性。當(dāng) HOE 的入射光束以較小角度偏移參考光束時，衍射光束亦稍偏移原始物光束，因此，可以通過修改入射光束角度，獲取不同方向的衍射光。系統(tǒng)中 HOE 由柱面光束和擴(kuò)散光束在光致聚合物薄膜上干涉制備而成，實(shí)現(xiàn)了柱透鏡和定向擴(kuò)散屏的光學(xué)特性的疊加，其制備過程如圖2所示。光致聚合物薄膜經(jīng)紫外燈均勻照射后，固化得到 HOE 器件，實(shí)驗(yàn)測得 HOE 器件的衍射效率約為 70%。

圖2：HOE 制備過程圖（圖源：液晶與顯示，2022, 37(5):600. Fig.3）

3. 顯示均勻度的提升

由于該系統(tǒng)中 HOE 器件采用非平面波曝光制備而成，HOE 上各個區(qū)域的光柵矢量不斷變化，因此邊緣位置的 LED 入射時，HOE 上各區(qū)域的衍射方向?qū)⒋嬖诓町悾吘壏较蛏媳彻庠吹木鶆蚨葘⒋蟠鬁p低。為了解決這一問題，研究團(tuán)隊采用兩種方式來提高均勻度，分別是雙 LED 式和擴(kuò)散屏式。

雙 LED 式即相鄰的兩個 LED 同時點(diǎn)亮，觀看者在相應(yīng)視點(diǎn)看到是拼接后的顯示圖像。在雙 LED 式下，邊緣視場的均勻度提升至 74%，即邊緣視場顯示效果將由圖3 (a)變化為圖3 (b)。同時，串?dāng)_值平均值僅為 1.4%，遠(yuǎn)小于引起觀看者不適感的串?dāng)_最大值 5%。圖4中顯示了雙 LED 點(diǎn)亮方式下，三個觀看視點(diǎn)處分別對應(yīng)的顯示圖像。

圖3：邊緣視場處背光源的均勻度，(a) 單 LED 式，(b) 雙 LED 式（圖源：液晶與顯示，2022, 37(5):601. Fig.4, Fig.5）

圖4：雙 LED 式不同視區(qū)下的視差圖（圖源：液晶與顯示，2022, 37(5):602. Fig.7）

為了提高三維顯示系統(tǒng)的觀看視場角，同時保證均勻性和串?dāng)_，研究團(tuán)隊又提出添加擴(kuò)散屏的方式，實(shí)現(xiàn)了 25 個觀看視點(diǎn)。在擴(kuò)散屏式下，視場角和邊緣視場均勻度均得到提升，系統(tǒng)平均串?dāng)_值為 2.75%，仍小于 5% 的串?dāng)_最大值。圖5顯示了擴(kuò)散屏方式下，5 個觀看視點(diǎn)分別對應(yīng)的顯示圖像。

圖5：擴(kuò)散屏式不同視區(qū)下的視差圖（圖源：2022, 37(5):602. Fig.10）

四、總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊利用 HOE 器件的衍射特性，搭建了基于多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低串?dāng)_、全分辨、多視點(diǎn)的三維顯示效果，解決了現(xiàn)有的基于指向型背光源的三維顯示裝置在串?dāng)_、視點(diǎn)數(shù)目上的問題，大大提升了觀看者的視覺體驗(yàn)。

同時，該系統(tǒng)較容易集成于便攜式的電子設(shè)備上，在未來，人們可以使用自己的手機(jī)、平板等設(shè)備觀看三維圖像，裸眼三維顯示技術(shù)將極大地豐富人們的生活學(xué)習(xí)和工作娛樂體驗(yàn)。

| 論文信息 |

李子寅, 李海峰, 劉旭. 基于多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng)[J]. 液晶與顯示, 2022, 37(5):598-604.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0031

| 通訊作者簡介 |

李海峰，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，1988 年于南開大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1991 年于南開大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2002 年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，長期從事成像與顯示相關(guān)領(lǐng)域研究，研究工作包括光學(xué)與光電子薄膜、三維顯示、近眼顯示、投影顯示以及顯微成像技術(shù)等。承擔(dān)和參加了多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國防重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目、863 項(xiàng)目、973 項(xiàng)目以及重大橫向課題；研究工作已授權(quán)國家發(fā)明專利 70 余項(xiàng)，發(fā)表論文 100 余篇。
E-mail：lihaifeng@zju.edu.cn

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