百余年來，人類一直追求 3D 顯示夢想。3D 顯示將極大拓展人類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，支撐國防、健康、文化、教育等領域發(fā)展。3D 顯示的本質是光場的重構。簡單的周期性透鏡結構或光闌結構難以實現(xiàn)精確的多視角光場調控。隨著微納光子學的快速發(fā)展，復雜微納結構具有獨特的光場調控特性，為 3D 顯示提供了顛覆性的新機遇。

近日，蘇州大學光電科學與工程學院 陳林森 研究員、喬文 教授團隊以“基于微納光子器件的光場裸眼 3D 顯示技術”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的裸眼3D 顯示局限性，從器件設計和微納制備兩方面詳細介紹了基于平面光學的裸眼 3D 顯示最新研究進展。最后總結了裸眼 3D 顯示的未來發(fā)展方向和潛在應用領域。

1. 背景

裸眼 3D 顯示技術不需要任何輔助設備就可觀察到物體深度信息。目前裸眼 3D 顯示技術有許多種，可分為基于幾何光學和基于微納光學的 3D 顯示?；趲缀喂鈱W的 3D 顯示主要有視差屏障、柱透鏡陣列、微透鏡陣列、時空復用等等。基于微納光學的 3D 顯示是通過微納結構調制單個像素的出光方向和發(fā)散角，利用帶有方向的光束重構空間三維物體。

“光場”這一概念于 1936 年被首次提出，定義為在均勻介質中光的輻射能分布，對于空間中包含顏色信息的光場，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 分別表示波長和時間。全光函數(shù)表達了在任意時刻從空間任意點覆蓋任意波長范圍的可見光錐，描述了所有可能場景的環(huán)境映射關系。

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

將全光函數(shù)進行簡化，不考慮光的顏色（即波長），在某一個特定的時刻，光波可以用一個四維的光場模型 L（u，v，s，t）來表示。四維光場函數(shù)的參數(shù)組合并不是唯一的,不同參數(shù)組合其對應的光場模型也各不相同。在研究逐像素調控的裸眼 3D 顯示時，將全光函數(shù)簡化為另一種四維光場函數(shù)（x，y，θ，φ）。通過計算單個像素的位置（x，y）和出射光線的空間角度信息（θ，φ），可以重建光場。

2. 基于微納結構的裸眼 3D 顯示分類

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元件，已廣泛用于光波調制、信息存儲編碼、脈沖壓縮等領域。David Fattal 等人提出用納米光柵波導陣列來調制出射光實現(xiàn)超薄 3D 顯示。蘇州大學陳林森研究員團隊提出了逐像素調控的納米光柵設計方法，并實現(xiàn)了具有會聚光場的裸眼 3D 顯示。

如下圖，相位板（Amplitude plate）上是設計好的像素化的納米光柵陣列（每一個像素上的排列方式都不同），可以對振幅板上發(fā)出的光進行重定向并將光場會聚于設計好的視點處，在不同視點上可以看到不同角度的 3D 圖像。

圖1：陳林森團隊提出的逐像素調控的納米光柵設計方法示意圖（圖源：iScience，2020，23（1）:100773.Fig.2）

圖2：陳林森團隊提出的逐像素調控的納米光柵設計方法效果圖（圖源：iScience，2020，23（1）:100773. Fig.3）

光柵對出射光的調控精度高、調控角度范圍大，可以實現(xiàn)大視場角、全視差的3D顯示效果。為了獲得良好的 3D 顯示效果，光柵的結構往往需要在波長或亞波長量級，在周期上的變化精度需要在納米量級。

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計的，表面具有階梯狀微納結構的光學元件。研究表明，具有近似連續(xù)相位延遲的多級衍射透鏡可顯著提高光利用率，并為裸眼 3D 顯示的多視角調制器件提供了更高的自由度。蘇州大學周馮斌等人提出了基于交錯式衍射透鏡的多視角相位板設計方法，研究了其在紅綠藍三色光下的光學性能?；谠撈骷?，實現(xiàn)了串擾低（<26%），觀察距離長(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 基于超構材料的裸眼 3D 顯示

超構材料是一種特殊的超材料，利用單層金屬或介電納米結構產(chǎn)生可控的相位改變，實現(xiàn)亞波長尺度的波前調控。與傳統(tǒng)的幾何光學元件和衍射光學元件相比，超表面具有寬波段、任意波前設計和亞波長尺寸像素等特點。

為了解決空間分辨率、角分辨率和視場角之間的矛盾關系，蘇州大學華鑒瑜等人提出了一種基于二維超構光柵的信息密度漸變裸眼 3D 顯示技術。由二維超構光柵形成的點、線、面混合視角分布，實現(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，極大的擴展了觀察角度。把基于二維超構光柵的視角調制器件和液晶面板結合，實現(xiàn)了視場角高達 160° 的動態(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

相位調控微納結構與器件兼具幅面大（組合幅面達米級）、結構?。?0nm-50μm）、精度高（周期排列精度<1nm）等特點，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)的共性技術難題。

蘇州大學陳林森研究員提出并搭建了四變量輸出的納米光場光刻系統(tǒng)，它由兩個傅里葉變換透鏡和一個二元光學元件組成。如下圖所示，激光經(jīng)過擴展系統(tǒng)準直后入射到傅里葉變換透鏡。經(jīng)衍射光柵后產(chǎn)生正負一級（或多級）光，兩光點發(fā)射的球面波在第二個傅里葉透鏡的后焦面形成干涉光場，用光闌來限制光束大小，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，寫入速度大大提高。同時，改變衍射光柵的前后位置可以輸出變周期的干涉條紋，旋轉衍射光柵可以輸出不同取向的干涉條紋。該方法可實現(xiàn)對輸出結構的實時連續(xù)調制，納米光柵的變化精度可達納米級。

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

為了制備具有復雜型貌的微納結構，團隊還提出了 3D 光刻技術。該系統(tǒng)主要包含激光器、空間光調制器（DMD）和微縮投影物鏡?？臻g光調制器加載設計好的結構圖形，結構圖像的刷新速度與樣品載物臺的移動同步。聚焦物鏡將空間光調制器上的結構圖像縮小，投影至光刻膠上。若想要制備多臺階結構，可在樣品同一區(qū)域進行多次曝光，根據(jù)臺階的級數(shù)每次曝光的圖案也不同。該方法可實現(xiàn)無掩膜灰度光刻，連續(xù)加工面型結構，制備多臺階的微納結構。

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

4. 總結

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 顯示架構中區(qū)域化光場重構策略相比，逐像素光場重構具有以下優(yōu)勢：

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

2.當區(qū)域像素成像或顯示時，很多像素被白白浪費。尤其在大視場角下，分辨率下降嚴重。在像素化光場重構方式中，每個像素都被利用到，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調控能力，可實現(xiàn)具有運動視差的超大視場角；

4.每個視角光強分布可從高斯分布調整到超高斯分布，顯著減少視點間串擾和鬼影；

5.視點可設計為點、線、面等形狀，用于信息密度變化的裸眼 3D 顯示，解決分辨率和視場角之間的矛盾；

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

7.多臺階結構，如閃耀光柵，多級衍射透鏡和超表面等器件設計方法的引入，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，人類社會更加虛擬化。線上購物、遠程會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)實生活更加有機融合。3D現(xiàn)實是虛擬世界的硬件接口。3D 顯示研究正不斷突破著一個又一個極限，相信在不遠的未來，3D 顯示會滲透到醫(yī)學影像、工業(yè)制造、生活娛樂等方方面面，走進千家萬戶，帶給人們變革式交互體驗。

| 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裸眼3D顯示技術[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，蘇州大學光電科學與工程學院教授、博士生導師。2013 年獲得美國加州大學圣迭戈分校博士學位。主要從事微納光學與新型顯示的理論和基礎應用研究，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/授權中國發(fā)明專利 100 余項。作為項目負責人先后主持了包括國家自然科學基金面上項目、“十四五”重點研發(fā)計劃課題等多個項目。

E-mail：wqiao@suda.edu.cn

監(jiān)制 | 張瑩，趙陽

編輯 | 趙唯

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