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北京橫渠四句科技有限公司
擬轉(zhuǎn)化成果 | 低串?dāng)_：多指向型背光三維顯示
來(lái)源: | 作者:4SHQ | 發(fā)布時(shí)間: 1063天前 | 5100 次瀏覽 | 分享到:

20 世紀(jì)以來(lái),，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?cè)跓o(wú)需佩戴眼鏡等助視設(shè)備的情況下,，仍可觀察到生動(dòng)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(lái)源,，為了能完整再現(xiàn)一個(gè)立體圖像，平板顯示器上的圖像信息被調(diào)制到各個(gè)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(duì)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(jué)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(lái)實(shí)現(xiàn),，但由于三維薄膜對(duì)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(shí),，較難實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)方向的背光源,。


為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，來(lái)自浙江大學(xué)的 李海峰 教授研究團(tuán)隊(duì),，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(shí),，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(shí),，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(jué)暫留效應(yīng)，觀看者可觀察到視差圖像,，獲得三維感知,。
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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(shí)，衍射光束亦稍偏移原始物光束,，因此,，可以通過(guò)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(guò)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(cè)得 HOE 器件的衍射效率約為 70%,。
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圖2：HOE 制備過(guò)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(gè)區(qū)域的光柵矢量不斷變化,，因此邊緣位置的 LED 入射時(shí),，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(wèn)題,，研究團(tuán)隊(duì)采用兩種方式來(lái)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(gè) LED 同時(shí)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(chǎng)的均勻度提升至 74%,，即邊緣視場(chǎng)顯示效果將由圖3 (a)變化為圖3 (b)。同時(shí),，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(gè)觀看視點(diǎn)處分別對(duì)應(yīng)的顯示圖像,。
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圖3：邊緣視場(chǎng)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

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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(chǎng)角,，同時(shí)保證均勻性和串?dāng)_,，研究團(tuán)隊(duì)又提出添加擴(kuò)散屏的方式，實(shí)現(xiàn)了 25 個(gè)觀看視點(diǎn),。在擴(kuò)散屏式下,，視場(chǎng)角和邊緣視場(chǎng)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(gè)觀看視點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的顯示圖像,。
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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(duì)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(wèn)題,，大大提升了觀看者的視覺(jué)體驗(yàn)。
同時(shí),，該系統(tǒng)較容易集成于便攜式的電子設(shè)備上,，在未來(lái)，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(lè)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/C?JLCD.2022-0031

  通訊作者簡(jiǎn)介  
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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(kāi)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,，1991 年于南開(kāi)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(zhǎng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(guó)家發(fā)明專利 70 余項(xiàng),，發(fā)表論文 100 余篇,。

E-mail：[email protected]



監(jiān)制 | 張瑩、趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯