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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(lǐng)域發(fā)展,。3D 顯示的本質(zhì)是光場的重構(gòu),。簡單的周期性透鏡結(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?；趲缀喂鈱W(xué)的 3D 顯示主要有視差屏障,、柱透鏡陣列、微透鏡陣列,、時空復(fù)用等等,。基于微納光學(xué)的 3D 顯示是通過微納結(jié)構(gòu)調(diào)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(gòu)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(zhì)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(dá)了在任意時刻從空間任意點(diǎn)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(guān)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(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,，可以提供單眼調(diào)焦、輻輳調(diào)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(jìn)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(yīng)的光場模型也各不相同,。在研究逐像素調(diào)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(jié)構(gòu)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(xué)元件,，已廣泛用于光波調(diào)制,、信息存儲編碼、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)計方法，并實(shí)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(shè)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(jìn)行重定向并將光場會聚于設(shè)計好的視點(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)計方法效果圖

圖源：iScience,，2020，23（1）:100773. Fig.3

光柵對出射光的調(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(shè)計的，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式衍射透鏡的多視角相位板設(shè)計方法,，研究了其在紅綠藍(lán)三色光下的光學(xué)性能?；谠撈骷?，實(shí)現(xiàn)了串?dāng)_低（<26%），觀察距離長(24-2250px),，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)計和亞波長尺寸像素等特點(diǎn),。

為了解決空間分辨率、角分辨率和視場角之間的矛盾關(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,、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,，極大的擴(kuò)展了觀察角度。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)了視場角高達(dá) 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(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）、結(jié)構(gòu)?。?0nm-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光刻系統(tǒng)，它由兩個傅里葉變換透鏡和一個二元光學(xué)元件組成,。如下圖所示,，激光經(jīng)過擴(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（或多級）光,，兩光點(diǎn)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(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)對輸出結(jié)構(gòu)的實(shí)時連續(xù)調(diào)制，納米光柵的變化精度可達(dá)納米級,。

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的移動同步,。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)臺階的級數(shù)每次曝光的圖案也不同,。該方法可實(shí)現(xiàn)無掩膜灰度光刻,，連續(xù)加工面型結(jié)構(gòu)，制備多臺階的微納結(jié)構(gòu),。

圖8：灰度激光直寫系統(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）

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)域化光場重構(gòu)策略相比,，逐像素光場重構(gòu)具有以下優(yōu)勢：

1.可以將視點(diǎn)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(shí)際使用需求設(shè)計視點(diǎn)分布提供了可能,；

2.當(dāng)區(qū)域像素成像或顯示時,，很多像素被白白浪費(fèi)。尤其在大視場角下,，分辨率下降嚴(yán)重,。在像素化光場重構(gòu)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(diào)控能力,，可實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)動視差的超大視場角,；

4.每個視角光強(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)計為點(diǎn),、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(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.多臺階結(jié)構(gòu),，如閃耀光柵，多級衍射透鏡和超表面等器件設(shè)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(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,，人類社會更加虛擬化。線上購物,、遠(yuǎn)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(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又一個極限，相信在不遠(yuǎn)的未來,，3D 顯示會滲透到醫(yī)學(xué)影像,、工業(yè)制造、生活娛樂等方方面面,，走進(jìn)千家萬戶,，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

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/授權(quán)中國發(fā)明專利 100 余項(xiàng),。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后主持了包括國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計劃課題等多個項(xiàng)目,。

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