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三維（3D）顯示是指采用光學,、圖像處理和計算機等各種技術(shù)手段模擬實現(xiàn)人眼的立體視覺特性,，將空間物體以 3D 信息再現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出具有縱深感的立體圖像的顯示方式,。近些年來,，3D 顯示技術(shù)發(fā)展迅猛，已廣泛應用于科技,、教育,、醫(yī)學、軍事和娛樂等領域,，在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重大戰(zhàn)略意義與經(jīng)濟前景日益凸顯,。3D 顯示是當前發(fā)展的重要前沿技術(shù)之一，其新技術(shù)不斷涌現(xiàn),。隨著高分辨率 2D 顯示屏和相關(guān)技術(shù)的進步,，3D 顯示器的性能也在不斷提升。在眾多 3D 顯示技術(shù)中,，光場裸眼 3D 顯示技術(shù)解決了眩暈等立體觀看中的視疲勞問題,，其實用化指日可待，特別將為元宇宙提供重要的顯示設備,。

基于此背景,，北京航空航天大學王瓊?cè)A教授（SID Fellow）組織了“3D 顯示技術(shù)及應用”這一專刊,，圍繞光場 3D 顯示,、多視點 3D 顯示、全息 3D 顯示,、近眼顯示和 3D 交互等內(nèi)容進行原創(chuàng)成果的展示和研究進展的專題綜述,。

在光場 3D 顯示方面，高鑫等人提出了基于預處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡提升 3D 光場顯示視覺分辨率的方法,，展示了 70 度視角的光場顯示效果,；鄧歡等人提出了基于回返器和反射偏振片的分辨率增強集成成像 3D 顯示器，改善了顯示器的黑網(wǎng)格效應；喬文等人綜述了基于微納光子器件的光場裸眼 3D 顯示技術(shù),，并總結(jié)了阻礙其走向?qū)嶋H應用的兩大瓶頸問題,；于迅博等人提出了一種裸眼 3D 顯示中的多視點校正方案，解決了空間視點分布和采集分布不匹配的問題,；閆興鵬等人提出了宏透鏡陣列位置誤差度量與校正方法,，改善了成像質(zhì)量；呂國皎等人提出了基于掩膜板陣列的消串擾集成成像 3D 顯示方法,，有效提升了集成成像 3D 顯示的觀看體驗,。

在多視點 3D 顯示方面，李海峰等人提出了基于多指向型背光源的 3D 顯示系統(tǒng),，實現(xiàn)了低串擾,、全分辨、多視點的 3D 顯示效果,；于迅博等人提出了一種視點均勻分布的桌面式光場顯示系統(tǒng),，改善了視點間的串擾問題。

在全息 3D 顯示方面,，曹良才等人綜述了基于液晶空間光調(diào)制器的計算全息波前編碼方法,，并總結(jié)了波前編碼算法的側(cè)重方向；桑新柱等人提出了基于數(shù)字微鏡器件的高分辨率計算全息顯示,，實現(xiàn)了大尺寸高分辨率的動態(tài)全息顯示效果,；李勇等人提出了基于數(shù)字化全息的虛實混合場景動態(tài)三維顯示，實現(xiàn)了 30 幀/秒的彩色動態(tài)全息三維顯示,。

在近眼顯示和 3D 交互方面,，王梓等人綜述了視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)的研究進展，并對其未來的前景進行了展望,；滕東東等人提出了基于時序-偏光特性條狀近眼孔徑的超多視圖 3D 顯示,，實現(xiàn)了大視角無閃爍 3D 顯示,；王瓊?cè)A等人提出了基于 Leap Motion 手勢識別的懸浮真 3D 顯示實時交互系統(tǒng),，實現(xiàn)了 30 幀/秒的交互幀率。

以上一系列 3D 顯示技術(shù)及應用研究成果的展示,，希望能為廣大 3D 顯示領域同行提供借鑒,，帶來一些有益的啟發(fā),，同時希望能推動 3D 顯示的技術(shù)進步和應用推廣?？偠灾?，3D 顯示作為新型顯示技術(shù)，是未來顯示技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,，隨著諸如高分辨率 2D 顯示屏,、平面液晶光學器件和超表面透鏡等硬件的不斷升級，以及人工智能等計算機技術(shù)的迭代更新,，3D 顯示將產(chǎn)生更多新的成果并且推動其應用的普及,，屆時全真再現(xiàn)人眼所見 3D 世界的夢想將成為現(xiàn)實。

吳詩聰

美國中佛羅里達大學飛馬教授

美國發(fā)明家學院首批院士

Optica/IS&T Edwin H. Land medal (2022)獲得者

SPIE Maria Goeppert-Mayer award (2022)獲得者

《液晶與顯示》編委

  本期?？?目錄  

基于預處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡提升 3D 光場顯示視覺分辨率的方法

作者：于迅博, 李涵宇, 高鑫, 桑新柱, 顏玢玢, 粟曦雯, 溫旭東, 徐斌, 王越笛

摘要：3D 光場顯示技術(shù)因具有較大的觀看視角,、密集的觀看視點而被研究學者們關(guān)注。分辨率是 3D 光場顯示技術(shù)的一個重要參數(shù),，提升分辨率的方法較為復雜,，因此研究學者們開始關(guān)注視覺分辨率。為了提高 3D 光場顯示的視覺分辨率,，提出了一種基于深度學習獲取預處理基元圖像陣列（PEIA）的方法,。在光場顯示的成像過程中，透鏡的像差會使成像平面上形成彌散斑,。彌散斑之間的交疊區(qū)域可以被視為新的視覺像素,，并被用作額外的信息載體。一個分辨率增強的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）被用來從高分辨率基元圖像陣列（HEIA）中獲取 PEIA,，將 PEIA 加載到 LCD 上,，經(jīng)過透鏡陣列的光學變換和定向擴散膜的擴散作用，呈現(xiàn)出具有視覺分辨率增強的 3D 光場顯示圖像,。在實驗中,，通過使用 PEIA、透鏡陣列以及定向擴散膜,，展示了一個具有 70° 視角的光場顯示,，并提高了視覺分辨率。

關(guān)鍵詞：3D 光場顯示; 深度學習; 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡; 視覺分辨率

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基于回返器和反射偏振片的分辨率增強集成成像 3D 顯示器

作者：何偉, 李強, 郭兆達, 鄧歡

摘要：隨著 3D 顯示被應用到軍事醫(yī)療等尖端領域,，高分辨率的 3D 圖像變得尤為重要,。然而，集成成像的 3D 顯示性能受制于 2D 顯示屏的分辨率,。為了突破 2D 顯示屏的分辨率限制,，本文提出了基于回返器和反射偏振片的集成成像3D顯示裝置。該裝置將顯示器上的微圖像陣列（elemental image array,，EIA）通過反射型偏振片分離成偏振方向正交的兩束光線,，回返器、四分之一波片和反射型偏振片分別將兩束偏振光反射,，并沿著像素的對角線方向以 2–√/22/2 個像素錯位疊加,，形成一個具有更小像素單元和更多像素數(shù)量的高分辨率 EIA。根據(jù)兩個偏振 EIA 和疊加的高分辨率 EIA 之間的像素索引關(guān)系,，反向計算出偏振 EIA 的像素值,。實驗結(jié)果表明,，該系統(tǒng)不僅可以重構(gòu)出高分辨率的 3D 圖像，還減弱了像素間的黑網(wǎng)格,。

關(guān)鍵詞：分辨率增強; 集成成像; 偏振復用; 回返器; 反射偏振片

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基于微納光子器件的光場裸眼 3D 顯示技術(shù)

作者：夏仲文, 華鑒瑜, 陳林森, 喬文

摘要：裸眼 3D 顯示是“元宇宙”的入口,，是可以重新定義人機交互方式的變革性技術(shù)。經(jīng)過百余年發(fā)展,，裸眼 3D 顯示已取得顯著進步,，但仍然存在視場角小、分辨率下降嚴重,、運動視差受限和視疲勞等問題,。光場裸眼 3D 顯示本質(zhì)上是多視角光場調(diào)控技術(shù)和方法研究。最近研究表明,，微納光子器件（衍射光柵,、衍射透鏡、超表面等）對光的強度,、相位,、偏振等參量具有靈活而精確的調(diào)控能力，有望解決裸眼 3D 顯示長期存在的難題,。然而,，數(shù)英寸至上百英寸顯示幅面的微納光子器件在設計與制備層面都面臨巨大挑戰(zhàn)。本文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(jié)了裸眼 3D 顯示的未來發(fā)展方向和潛在應用領域。

關(guān)鍵詞：裸眼 3D 顯示; 視角調(diào)控; 微納光子器件; 光場顯示; 微納制造

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一種視點均勻分布的桌面式光場顯示系統(tǒng)

作者：徐斌, 于迅博, 高鑫, 桑新柱

摘要：基于視點分段式體像素的桌面光場顯示系統(tǒng)具有正面觀看視區(qū)以及 100° 超大視角,，能夠顯示具有全視差的高質(zhì)量三維圖像,。但是，該系統(tǒng)還存在所構(gòu)建的視點在空間分布不均勻的問題,，觀看視區(qū)中間區(qū)域視點分布密集,，兩邊區(qū)域視點分布稀疏，使得顯示的三維圖像出現(xiàn)透視關(guān)系不正確以及視點間的串擾等問題,，影響顯示質(zhì)量,。本文通過對系統(tǒng)視點的構(gòu)建過程進行分析，發(fā)現(xiàn)造成視點分布不均勻問題的原因是系統(tǒng)采用的柱透鏡存在像差,，導致出射光線無法會聚于一點,，而是形成一個彌散斑。因而,，為了均勻系統(tǒng)視點分布,，本文提出了采用對透鏡進行光學優(yōu)化的方法以減小像差，并設計了一種非球面透鏡,。最終通過實驗驗證了方法的可行性,，系統(tǒng)視點分布的均勻度由 39.32% 提升至 98.39%,，顯示圖像透視關(guān)系不正確以及視點間的串擾等問題得到了有效改善。

關(guān)鍵詞：光場顯示; 電子沙盤; 視點分布; 非球面透鏡

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大幅面集成成像顯示系統(tǒng)中宏透鏡陣列位置誤差度量與校正

作者：毛巖, 燕展, 劉新蕾, 荊濤, 黃應清, 蔣曉瑜, 閆興鵬

摘要：在大幅面集成成像顯示系統(tǒng)中,，宏透鏡陣列位置誤差會嚴重影響成像質(zhì)量,。宏透鏡陣列位置誤差可以分為軸向位置誤差和橫向位置誤差，理想情況下匯聚于重構(gòu)點的像素在位置誤差作用下將不再匯聚,，這些像素將在其他點處成像,。本文利用重構(gòu)點到這些點的距離的平均值和方差對位置誤差的大小進行了度量,，并討論了宏透鏡陣列軸向位置和橫向位置的測量方法,，給出了宏透鏡陣列軸向位置誤差和橫向位置誤差的校正方法，從而緩解了宏透鏡陣列位置誤差對成像質(zhì)量的影響,，提高了顯示效果,。

關(guān)鍵詞：三維顯示; 集成成像; 宏透鏡陣列; 誤差校正

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基于掩膜板陣列的消串擾集成成像 3D 顯示方法

作者：鄧慧, 呂國皎, 楊梅, 賴莉萍

摘要：隨著立體顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，集成成像三維（three-dimensional,， 3D）顯示技術(shù)受到廣泛的認可,，但普遍存在的視覺串擾現(xiàn)象嚴重影響其立體觀看效果。為了減小集成成像中相鄰圖像元間的串擾光線,，提高觀看舒適度,，本文提出了一種基于掩膜板陣列的消串擾集成成像 3D 顯示方法。該方法通過特定參數(shù)設計的掩膜板陣列,，能有效阻擋相鄰圖像元間的光線,，從而消除視區(qū)串擾現(xiàn)象，且結(jié)構(gòu)簡單,，易于制備,。文中分析了集成成像 3D 顯示視區(qū)分布關(guān)系，以及無串擾立體視區(qū)范圍和立體觀看視角大小,，詳細闡述了基于掩膜板陣列的消串擾集成成像 3D 顯示方法的設計原理和結(jié)構(gòu),，并通過實驗驗證了該顯示方法能有效阻擋相鄰圖像元間的視區(qū)串擾。隨著觀看視角逐漸增大,，串擾圖像逐漸被阻擋直至全部消失,，有效提升了集成成像 3D 顯示的觀看體驗。

關(guān)鍵詞：三維顯示; 集成成像; 掩膜板陣列; 串擾消除

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基于多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng)

作者：李子寅, 李海峰, 劉旭

摘要：為了實現(xiàn)低串擾,、全分辨,、多視點的三維顯示效果，搭建了多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng),。本系統(tǒng)由人眼追蹤模塊獲取雙目位置并反饋到多指向型背光源和液晶顯示屏,，多指向型背光源和液晶顯示屏協(xié)同時序產(chǎn)生快速切換的左右眼視差圖像。由于人眼的視覺暫留效應,，觀看者可感知到三維圖像,。多指向型背光源主要由一列柱面光源和體全息光學器件實現(xiàn),，不同柱面光源經(jīng)體全息光學器件將產(chǎn)生不同方向的衍射光束。為了改善本系統(tǒng)顯示不均勻現(xiàn)象,，提出了雙 LED 式和擴散屏式兩種方法,。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)可提供全分辨的三維圖像，且均勻度提高至 80%,，平均串擾值低至 2.75%,，實現(xiàn)了 25 個顯示視點，滿足了三維顯示對串擾,、分辨率,、均勻度等方面的要求，觀看者的視覺體驗大幅提升,。

關(guān)鍵詞：三維顯示; 多指向型背光源; 全息光學元件

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一種裸眼 3D 顯示中的多視點校正方案

作者：李寧馳, 于迅博, 高鑫, 顏玢玢, 桑新柱, 溫旭東, 徐斌

摘要：在裸眼 3D 顯示中,，傳統(tǒng)的多視點采集方式為均勻采集。研究表明,，因柱透鏡光柵存在畸變,，所以顯示器構(gòu)建的視點分布并不均勻，進而導致顯示器視點和采集視點不匹配,，產(chǎn)生了視點圖像錯位,、透視關(guān)系錯誤等問題，影響最終的觀看體驗,。針對上述問題,，本文提出了一種多視點圖像分布校正方案，該方案由一種視點篩選算法和中間視點生成網(wǎng)絡構(gòu)成：結(jié)合空間視點真實分布規(guī)律,，針對均勻采集的多視點圖像進行視點篩選,，以指導中間視點預測網(wǎng)絡生成對應位置的虛擬視點，使之匹配顯示器構(gòu)建視點位置,。實驗證明該方案為顯示器視點填充了正確的視差圖,，有效地解決了顯示器空間視點和采集視點的位置不匹配問題，提升了光柵立體顯示器的觀看質(zhì)量,。

關(guān)鍵詞：裸眼 3D 顯示; 光流; 多視點; 視點校正

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基于液晶空間光調(diào)制器的計算全息波前編碼方法

作者：隋曉萌, 何澤浩, 曹良才, 金國藩

摘要：波前編碼過程將計算全息所得的復振幅波前變換為與顯示器件匹配的調(diào)制函數(shù),，是計算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)有的計算全息顯示器件大多只能實現(xiàn)單一振幅或單一相位調(diào)制,，因此需要將復振幅波前編碼為相應的振幅型或相位型全息圖,。本文圍繞基于液晶空間光調(diào)制器的計算全息顯示，綜述了相位優(yōu)化編碼與復振幅轉(zhuǎn)化編碼的基本原理與算法步驟,，分析了常見的波前編碼方案框架,，針對不同編碼方法的適用范圍進行討論，為計算全息圖波前編碼提供方法選擇參考,。

關(guān)鍵詞：波前編碼; 三維顯示; 計算全息; 液晶空間光調(diào)制器

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基于數(shù)字微鏡器件的高分辨率計算全息顯示

作者：李會, 桑新柱, 仲崇力, 秦秀娟, 王葵如, 顏玢玢

摘要：針對基于數(shù)字微鏡器件的全息顯示分辨率受限的問題,，提出了一種大尺寸,、高分辨率計算全息顯示方法。本文利用計算機渲染或相關(guān)變換方法生成高分辨率輸入圖像,，利用菲涅爾衍射算法和傅立葉變換并行計算提升全息圖的分辨率,，根據(jù)數(shù)字微鏡器件特性進行衍射圖像的時空復用與動態(tài)融合，有效提升計算全息顯示的分辨率與動態(tài)效率,。實驗結(jié)果表明,，該方法可實現(xiàn)大尺寸、高分辨率的動態(tài)全息顯示效果,，突破了數(shù)字微鏡器件固有的像素數(shù)目及分辨率限制,，使用像素分辨率為 2K  的數(shù)字微鏡器件可顯示 8K 甚至更高分辨率的重建圖像，尺寸可以達到 82 mm 甚至更大,。

關(guān)鍵詞：計算全息; 數(shù)字微鏡器件; 高分辨率全息; 動態(tài)全息

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基于數(shù)字化全息的虛實混合場景動態(tài)三維顯示

作者：李勇, 何良波, 詹建東, 黃凱

摘要：提出了一種數(shù)字全息圖（DH）與計算機制全息圖（CGH）結(jié)合的虛實混合場景全息三維顯示方法,。首先采用無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息圖記錄真實場景三維信息,。接著根據(jù)空間光調(diào)制器像素間距對 DH 進行采樣頻率變換,。然后在頻域?qū)ψ儞Q后的 DH 進行高通濾波及場景的縮放、面內(nèi)旋轉(zhuǎn),、平移等操作,。最后采用雙極強度法計算虛擬場景的 CGH。計算中,，將處理后的 DH 作為雙極強度疊加的初始值,，從而實現(xiàn)了真實和虛擬場景全息圖的融合。搭建彩色動態(tài)全息三維顯示系統(tǒng)對提出的方法進行了實驗驗證,。對商用反射式液晶 4 K 投影儀進行了改造,，實現(xiàn)了 30 fps 的彩色動態(tài)全息三維顯示。實驗結(jié)果表明所提出的方法實現(xiàn)了 DH 和 CGH 的高效融合,，為虛實混合場景動態(tài)全息三維顯示提供了一種有效途徑,。

關(guān)鍵詞：三維顯示; 計算機制全息圖; 數(shù)字全息圖; 空間光調(diào)制器; 虛實場景融合

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視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)研究進展

作者：張旭, 王梓, 屠科鋒, 陳濤, 龐煜劍, 呂國強, 馮奇斌

摘要：近眼顯示器可將數(shù)字世界與物理世界無縫融合，有望成為下一代增強現(xiàn)實顯示終端,。視網(wǎng)膜投影顯示（Retinal projection displays,，RPD）技術(shù)因其具有無輻輳-聚焦沖突、高光效,、大視場等優(yōu)點,，是近眼顯示領域的研究熱點之一。本文回顧了 RPD 技術(shù)的發(fā)展,，闡述了 RPD 的基本工作原理,，綜述了 RPD 及其出瞳拓展方面的最新進展，并對其未來的前景進行了展望,。未來通過結(jié)合全息波前調(diào)控與全息光學元件（HOE）的優(yōu)點,，有望實現(xiàn)大出瞳,、高系統(tǒng)自由度的輕薄化 RPD 近眼顯示。  

關(guān)鍵詞：近眼顯示; 增強現(xiàn)實; 視網(wǎng)膜投影; 出瞳拓展

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基于時序-偏光特性條狀近眼孔徑的超多視圖三維顯示

作者：范海震, 葉秋, 黃海坤, 劉立林, 滕東東

摘要：通過沿排列方向間距小于觀察者瞳孔直徑的 4 個近眼條狀液晶光閥,，時序投射各兩個視圖分別至觀察者不同瞳孔,，可以基于超多視圖實現(xiàn)無聚焦-輻輳沖突的三維顯示。但是,，一方面,，顯示頻率僅 30 Hz，帶來閃爍效應,；另一方面,，條狀孔徑沿排列方向的小尺寸，嚴重限制通過該孔徑所能觀察到場景的視角,。本文設計了同時具有時序和偏光特性的近眼條狀液晶光閥,，并排列各眼對應條狀液晶光閥沿觀察者雙目連線的垂直方向，利用相鄰多個液晶光閥所觀察到拼合圖像相對于僅通過一個液晶光閥所觀察場景的視角擴展,，基于時序復用和偏光復用的結(jié)合進行顯示視角的擴展,。實驗中，將該時序-偏光特性液晶光閥構(gòu)建為雙目眼鏡,，利用偏振分束器將兩臺 240 Hz 電腦顯示屏構(gòu)建形成一個等效正交偏振特性顯示屏,，兩者對應同步刷新顯示，實現(xiàn)了對角線視角達 70° 的超多視圖三維顯示,，離焦模糊效應驗證了顯示場景的自然聚焦能力,。  

關(guān)鍵詞：3D; 聚焦-輻輳沖突; 超多視圖

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基于 Leap Motion 手勢識別的懸浮真 3D 顯示實時交互系統(tǒng)

作者：林星雨, 邢妍, 張漢樂, 王瓊?cè)A

摘要：提出基于 Leap Motion 手勢識別的懸浮真 3D 顯示實時交互系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多個懸浮 3D 圖像的獨立交互,。系統(tǒng)由顯示和交互兩個模塊組成,，顯示模塊利用集成成像 3D 顯示屏再現(xiàn) 3D 圖像，再通過二面角反射鏡陣列實現(xiàn)懸浮真 3D 顯示,；交互模塊通過 Leap Motion 識別手部各關(guān)節(jié)空間位置,，提取手勢信息并判斷用戶操作意圖，利用提出的通道機制,，獨立改變 3D 場景內(nèi)多個物體的空間坐標,，渲染對應的 3D 片源并刷新，完成實時懸浮真 3D 顯示交互,，構(gòu)成人機交互閉環(huán)系統(tǒng),。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在 3840×2160 分辨率下,，可實現(xiàn) 30幀/s 的交互幀率,。所提系統(tǒng)通過預設手勢可實現(xiàn)多物體的獨立實時交互，提高了交互自由度。  

關(guān)鍵詞：懸浮 3D 顯示; 集成成像; 人機交互

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王瓊?cè)A,，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授/博士生導師、教育部長江學者特聘教授,、國家杰出青年科學基金獲得者,、國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、國際信息顯示學會會士（SID Fellow）,、中國物理學會液晶分會副主任,、中國圖象圖形學學會三維成像與顯示副主任委員，Journal of the Society for Information Display 等國際期刊 Associate Editor 和《液晶與顯示》等期刊編委,。1992 年,、1995 年和 2001 年于電子科技大學先后獲得學士、碩士和博士學位,，1995-2001 年在電子科技大學任助教,、講師和副教授，2001-2004 年在美國中佛羅里達大學光學中心任 Research Scientist,，2004-2018 年在四川大學任教授和博士生導師,。主要研究方向為顯示與成像技術(shù)，負責完成了國家級科研項目 20 余項,，現(xiàn)為國家重點研發(fā)計劃項目和國家重大科研儀器研制項目的負責人,。研制了裸眼 3D 顯示器,、3D 攝像機,、新型液晶顯示器、液晶透鏡,、可變焦液體透鏡和連續(xù)光學變焦顯微鏡等,；獲得省部級科技獎勵 6 項，獲準美國和中國發(fā)明專利 150 余項,，出版著作 3 部,，發(fā)表了 SCI 收錄論文 300 余篇。