百余年來(lái)，人類(lèi)一直追求 3D 顯示夢(mèng)想。3D 顯示將極大拓展人類(lèi)獲取信息和處理信息的能力，重新定義人與自然的連接方式，支撐國(guó)防、健康、文化、教育等領(lǐng)域發(fā)展。3D 顯示的本質(zhì)是光場(chǎng)的重構(gòu)。簡(jiǎn)單的周期性透鏡結(jié)構(gòu)或光闌結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)精確的多視角光場(chǎng)調(diào)控。隨著微納光子學(xué)的快速發(fā)展，復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光場(chǎng)調(diào)控特性，為 3D 顯示提供了顛覆性的新機(jī)遇。

近日，蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 陳林森 研究員、喬文 教授團(tuán)隊(duì)以“基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼 3D 顯示技術(shù)”為題在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄、中文核心期刊）2022 年第 5 期發(fā)表文章。

文章具體分析了基于幾何光學(xué)的裸眼3D 顯示局限性，從器件設(shè)計(jì)和微納制備兩方面詳細(xì)介紹了基于平面光學(xué)的裸眼 3D 顯示最新研究進(jìn)展。最后總結(jié)了裸眼 3D 顯示的未來(lái)發(fā)展方向和潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

1. 背景

裸眼 3D 顯示技術(shù)不需要任何輔助設(shè)備就可觀(guān)察到物體深度信息。目前裸眼 3D 顯示技術(shù)有許多種，可分為基于幾何光學(xué)和基于微納光學(xué)的 3D 顯示。基于幾何光學(xué)的 3D 顯示主要有視差屏障、柱透鏡陣列、微透鏡陣列、時(shí)空復(fù)用等等。基于微納光學(xué)的 3D 顯示是通過(guò)微納結(jié)構(gòu)調(diào)制單個(gè)像素的出光方向和發(fā)散角，利用帶有方向的光束重構(gòu)空間三維物體。

“光場(chǎng)”這一概念于 1936 年被首次提出，定義為在均勻介質(zhì)中光的輻射能分布，對(duì)于空間中包含顏色信息的光場(chǎng)，我們用七維度的全光函數(shù)（x，y，z，θ，φ，λ，t）表示，（x，y，z）表示空間位置，（θ，φ）表示空間角度，λ，t 分別表示波長(zhǎng)和時(shí)間。全光函數(shù)表達(dá)了在任意時(shí)刻從空間任意點(diǎn)覆蓋任意波長(zhǎng)范圍的可見(jiàn)光錐，描述了所有可能場(chǎng)景的環(huán)境映射關(guān)系。

傳統(tǒng)顯示屏不攜帶角度信息。只能呈現(xiàn)光場(chǎng)中（x，y）兩個(gè)維度隨時(shí)間 t 變化的平面圖像信息，通過(guò)平面圖獲得仿射（近大遠(yuǎn)小）、遮擋、陰影、紋理等深度信息，而 3D 顯示能重建七維的光場(chǎng)，可以提供單眼調(diào)焦、輻輳調(diào)節(jié)、雙目視差和移動(dòng)視差等生理感知的深度信息。

將全光函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮光的顏色（即波長(zhǎng)），在某一個(gè)特定的時(shí)刻，光波可以用一個(gè)四維的光場(chǎng)模型 L（u，v，s，t）來(lái)表示。四維光場(chǎng)函數(shù)的參數(shù)組合并不是唯一的,不同參數(shù)組合其對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)模型也各不相同。在研究逐像素調(diào)控的裸眼 3D 顯示時(shí)，將全光函數(shù)簡(jiǎn)化為另一種四維光場(chǎng)函數(shù)（x，y，θ，φ）。通過(guò)計(jì)算單個(gè)像素的位置（x，y）和出射光線(xiàn)的空間角度信息（θ，φ），可以重建光場(chǎng)。

2. 基于微納結(jié)構(gòu)的裸眼 3D 顯示分類(lèi)

2.1 基于納米光柵的裸眼 3D 顯示

光柵作為一種重要的衍射光學(xué)元件，已廣泛用于光波調(diào)制、信息存儲(chǔ)編碼、脈沖壓縮等領(lǐng)域。David Fattal 等人提出用納米光柵波導(dǎo)陣列來(lái)調(diào)制出射光實(shí)現(xiàn)超薄 3D 顯示。蘇州大學(xué)陳林森研究員團(tuán)隊(duì)提出了逐像素調(diào)控的納米光柵設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了具有會(huì)聚光場(chǎng)的裸眼 3D 顯示。

如下圖，相位板（Amplitude plate）上是設(shè)計(jì)好的像素化的納米光柵陣列（每一個(gè)像素上的排列方式都不同），可以對(duì)振幅板上發(fā)出的光進(jìn)行重定向并將光場(chǎng)會(huì)聚于設(shè)計(jì)好的視點(diǎn)處，在不同視點(diǎn)上可以看到不同角度的 3D 圖像。

圖1：陳林森團(tuán)隊(duì)提出的逐像素調(diào)控的納米光柵設(shè)計(jì)方法示意圖（圖源：iScience，2020，23（1）:100773.Fig.2）

圖2：陳林森團(tuán)隊(duì)提出的逐像素調(diào)控的納米光柵設(shè)計(jì)方法效果圖（圖源：iScience，2020，23（1）:100773. Fig.3）

光柵對(duì)出射光的調(diào)控精度高、調(diào)控角度范圍大，可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角、全視差的3D顯示效果。為了獲得良好的 3D 顯示效果，光柵的結(jié)構(gòu)往往需要在波長(zhǎng)或亞波長(zhǎng)量級(jí)，在周期上的變化精度需要在納米量級(jí)。

2.2 基于衍射透鏡的裸眼 3D 顯示

衍射透鏡是基于光波的衍射理論設(shè)計(jì)的，表面具有階梯狀微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。研究表明，具有近似連續(xù)相位延遲的多級(jí)衍射透鏡可顯著提高光利用率，并為裸眼 3D 顯示的多視角調(diào)制器件提供了更高的自由度。蘇州大學(xué)周馮斌等人提出了基于交錯(cuò)式衍射透鏡的多視角相位板設(shè)計(jì)方法，研究了其在紅綠藍(lán)三色光下的光學(xué)性能。基于該器件，實(shí)現(xiàn)了串?dāng)_低（<26%），觀(guān)察距離長(zhǎng)(24-90cm)，光利用率高（>82%）的裸眼 3D 顯示屏。

圖3：灰度衍射透鏡的原理圖（圖源：Optica，2022，9（3）:288-294. Fig.3（a））

圖4：灰度衍射透鏡的顯示效果圖（圖源：Optica，2022，9（3）:288-294. Fig.5）

2.3 基于超構(gòu)材料的裸眼 3D 顯示

超構(gòu)材料是一種特殊的超材料，利用單層金屬或介電納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可控的相位改變，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的波前調(diào)控。與傳統(tǒng)的幾何光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件相比，超表面具有寬波段、任意波前設(shè)計(jì)和亞波長(zhǎng)尺寸像素等特點(diǎn)。

為了解決空間分辨率、角分辨率和視場(chǎng)角之間的矛盾關(guān)系，蘇州大學(xué)華鑒瑜等人提出了一種基于二維超構(gòu)光柵的信息密度漸變裸眼 3D 顯示技術(shù)。由二維超構(gòu)光柵形成的點(diǎn)、線(xiàn)、面混合視角分布，實(shí)現(xiàn)了中央?yún)^(qū)域角分辨率高，邊緣區(qū)域角分辨率低的視角排布。在保證中央?yún)^(qū)域分辨率的同時(shí)，極大的擴(kuò)展了觀(guān)察角度。把基于二維超構(gòu)光柵的視角調(diào)制器件和液晶面板結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視場(chǎng)角高達(dá) 160° 的動(dòng)態(tài)彩色 3D 顯示系統(tǒng)。

圖5：信息密度漸變顯示示意圖（圖源：Light：Science & Applications,2021,10(1):213. Fig.1（c））

圖6：信息密度漸變顯示效果圖（圖源：Light：Science & Applications,2021,10(1):213. Fig.5（a））

3. 面向裸眼 3D 顯示的微納制造技術(shù)

相位調(diào)控微納結(jié)構(gòu)與器件兼具幅面大（組合幅面達(dá)米級(jí)）、結(jié)構(gòu)小（50nm-50μm）、精度高（周期排列精度<1nm）等特點(diǎn)，屬于極端微納制造范疇。如何高效高精度微納制造是微納光電子器件與產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)難題。

蘇州大學(xué)陳林森研究員提出并搭建了四變量輸出的納米光場(chǎng)光刻系統(tǒng)，它由兩個(gè)傅里葉變換透鏡和一個(gè)二元光學(xué)元件組成。如下圖所示，激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)展系統(tǒng)準(zhǔn)直后入射到傅里葉變換透鏡。經(jīng)衍射光柵后產(chǎn)生正負(fù)一級(jí)（或多級(jí)）光，兩光點(diǎn)發(fā)射的球面波在第二個(gè)傅里葉透鏡的后焦面形成干涉光場(chǎng)，用光闌來(lái)限制光束大小，再經(jīng)聚焦物鏡倍縮后，在樣品表面形成干涉條紋。通過(guò)雙光束（或多光束）干涉光刻方法，一次曝光，形成像素尺寸為幾十微米的納米光柵像素，寫(xiě)入速度大大提高。同時(shí)，改變衍射光柵的前后位置可以輸出變周期的干涉條紋，旋轉(zhuǎn)衍射光柵可以輸出不同取向的干涉條紋。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)制，納米光柵的變化精度可達(dá)納米級(jí)。

圖7：納米光柵光刻系統(tǒng)及制備的結(jié)構(gòu)圖（圖源：Optics Express,2016,24(6):6203. Fig.3）

為了制備具有復(fù)雜型貌的微納結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)還提出了 3D 光刻技術(shù)。該系統(tǒng)主要包含激光器、空間光調(diào)制器（DMD）和微縮投影物鏡。空間光調(diào)制器加載設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)圖形，結(jié)構(gòu)圖像的刷新速度與樣品載物臺(tái)的移動(dòng)同步。聚焦物鏡將空間光調(diào)制器上的結(jié)構(gòu)圖像縮小，投影至光刻膠上。若想要制備多臺(tái)階結(jié)構(gòu)，可在樣品同一區(qū)域進(jìn)行多次曝光，根據(jù)臺(tái)階的級(jí)數(shù)每次曝光的圖案也不同。該方法可實(shí)現(xiàn)無(wú)掩膜灰度光刻，連續(xù)加工面型結(jié)構(gòu)，制備多臺(tái)階的微納結(jié)構(gòu)。

圖8：灰度激光直寫(xiě)系統(tǒng)及制備的結(jié)構(gòu)圖（圖源：IEEE Photonics Technology Letters,2020,32(5):283-6. Fig.3(a)，F(xiàn)ig.4（d））

4. 總結(jié)

微納光子器件為逐像素操控光束提供了可能性。與基于微透鏡陣列的 3D 顯示架構(gòu)中區(qū)域化光場(chǎng)重構(gòu)策略相比，逐像素光場(chǎng)重構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.可以將視點(diǎn)自由排列成水平的直線(xiàn)、帶有弧度的曲線(xiàn)或全視差平面矩陣等任意樣式。為人們根據(jù)實(shí)際使用需求設(shè)計(jì)視點(diǎn)分布提供了可能；

2.當(dāng)區(qū)域像素成像或顯示時(shí)，很多像素被白白浪費(fèi)。尤其在大視場(chǎng)角下，分辨率下降嚴(yán)重。在像素化光場(chǎng)重構(gòu)方式中，每個(gè)像素都被利用到，保證了較高的分辨率；

3.微納光子元件具有大偏折角度光線(xiàn)調(diào)控能力，可實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)動(dòng)視差的超大視場(chǎng)角；

4.每個(gè)視角光強(qiáng)分布可從高斯分布調(diào)整到超高斯分布，顯著減少視點(diǎn)間串?dāng)_和鬼影；

5.視點(diǎn)可設(shè)計(jì)為點(diǎn)、線(xiàn)、面等形狀，用于信息密度變化的裸眼 3D 顯示，解決分辨率和視場(chǎng)角之間的矛盾；

6.采用緊密視點(diǎn)排列方式可在少量視點(diǎn)情況下實(shí)現(xiàn)超多視點(diǎn)，并消除由于輻輳調(diào)節(jié)矛盾引起的視疲勞；

7.多臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如閃耀光柵，多級(jí)衍射透鏡和超表面等器件設(shè)計(jì)方法的引入，可以有效提高光利用率，減少色差，提高分辨率，和擴(kuò)展景深；

8.微納光子器件體積小且輕薄，與便攜式電子產(chǎn)品形態(tài)兼容。

在疫情的影響下，人類(lèi)社會(huì)更加虛擬化。線(xiàn)上購(gòu)物、遠(yuǎn)程會(huì)議為代表的虛擬生活顯著增多。人們正大規(guī)模向虛擬世界遷移，虛擬與現(xiàn)實(shí)生活更加有機(jī)融合。3D現(xiàn)實(shí)是虛擬世界的硬件接口。3D 顯示研究正不斷突破著一個(gè)又一個(gè)極限，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，3D 顯示會(huì)滲透到醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)制造、生活?yuàn)蕵?lè)等方方面面，走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，帶給人們變革式交互體驗(yàn)。

| 論文信息 |

夏仲文, 華鑒瑜, 陳林森, 喬文. 基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼3D顯示技術(shù)[J]. 液晶與顯示, 2022, 37(5):562-572.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0043

| 通訊作者介紹 |

喬文，蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2013 年獲得美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校博士學(xué)位。主要從事微納光學(xué)與新型顯示的理論和基礎(chǔ)應(yīng)用研究，包括 3D 顯示、抬頭顯示、近眼顯示、微納制造等。研制了全息抽樣 3D 顯示系統(tǒng)、信息密度漸變寬視角 3D 顯示系統(tǒng)、全息抬頭顯示器、虛實(shí)融合真 3D 顯示器等，展示了光子器件突破裸眼 3D 顯示現(xiàn)有瓶頸的巨大潛力。在《Advanced Materials》、《Light: Science & Applications》、《Optica》等期刊發(fā)表論文 40 余篇，申請(qǐng)/授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 100 余項(xiàng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后主持了包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等多個(gè)項(xiàng)目。
E-mail：wqiao@suda.edu.cn

監(jiān)制 | 張瑩，趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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