基于多指向型背光源的三維顯示系統(tǒng)

20 世紀以來，顯示技術經歷了不斷革新，從笨重的陰極射線管到輕薄的平板顯示器，從黑白到彩色，從標清到超高清，顯示設備正朝著更真實的還原世界的目標發(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，人們在無需佩戴眼鏡等助視設備的情況下，仍可觀察到生動形象的立體圖像，獲得奇妙非凡的觀看體驗。

裸眼三維顯示可采用平板顯示器作為圖像信息的來源，為了能完整再現(xiàn)一個立體圖像，平板顯示器上的圖像信息被調制到各個視點處，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可實現(xiàn)圖像分辨率的提升。具有指向型的背光源即是此技術的關鍵器件，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，可分別產生左右眼對應的視差圖像。左右視差圖像快速切換，根據(jù)人眼的視覺暫留效果，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構導光板和三維薄膜來實現(xiàn)，但由于三維薄膜對光線的調控能力有限，基于指向型背光源的三維顯示技術的串擾通常較大，同時，較難實現(xiàn)具有多個方向的背光源。

為了解決以上兩個問題，來自浙江大學的 李海峰 教授研究團隊，提出了采用體全息光學元件（Holographic optical element， HOE） 實現(xiàn)多指向型背光源，不僅實現(xiàn)了低串擾、高分辨率的三維圖像，視點數(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. 實現(xiàn)原理

在多指向型背光源中，不同位置處的 LED 光源經柱面鏡準直后，入射到體全息光學器件上，產生不同方向的衍射光束。人眼追蹤模塊負責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，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，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，二者快速交替進行，根據(jù)人眼的視覺暫留效應，觀看者可觀察到視差圖像，獲得三維感知。

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現(xiàn)復雜的光學特性。當 HOE 的入射光束以較小角度偏移參考光束時，衍射光束亦稍偏移原始物光束，因此，可以通過修改入射光束角度，獲取不同方向的衍射光。系統(tǒng)中 HOE 由柱面光束和擴散光束在光致聚合物薄膜上干涉制備而成，實現(xiàn)了柱透鏡和定向擴散屏的光學特性的疊加，其制備過程如圖2所示。光致聚合物薄膜經紫外燈均勻照射后，固化得到 HOE 器件，實驗測得 HOE 器件的衍射效率約為 70%。

圖2：HOE 制備過程圖 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 上各個區(qū)域的光柵矢量不斷變化，因此邊緣位置的 LED 入射時，HOE 上各區(qū)域的衍射方向將存在差異，邊緣方向上背光源的均勻度將大大減低。為了解決這一問題，研究團隊采用兩種方式來提高均勻度，分別是雙 LED 式和擴散屏式。

雙 LED 式即相鄰的兩個 LED 同時點亮，觀看者在相應視點看到是拼接后的顯示圖像。在雙 LED 式下，邊緣視場的均勻度提升至 74%，即邊緣視場顯示效果將由圖3 （a）變化為圖3 （b）。同時，串擾值平均值僅為 1.4%，遠小于引起觀看者不適感的串擾最大值 5%。圖4中顯示了雙 LED 點亮方式下，三個觀看視點處分別對應的顯示圖像。

圖3：邊緣視場處背光源的均勻度，（a） 單 LED 式，（b） 雙 LED 式

圖源：液晶與顯示，2022， 37（5）：601. Fig.4， Fig.5

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)的觀看視場角，同時保證均勻性和串擾，研究團隊又提出添加擴散屏的方式，實現(xiàn)了 25 個觀看視點。在擴散屏式下，視場角和邊緣視場均勻度均得到提升，系統(tǒng)平均串擾值為 2.75%，仍小于 5% 的串擾最大值。圖5顯示了擴散屏方式下，5 個觀看視點分別對應的顯示圖像。

圖5：擴散屏式不同視區(qū)下的視差圖

圖源：2022， 37（5）：602. Fig.10

四、總結與展望

研究團隊利用 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)，實現(xiàn)了低串擾、全分辨、多視點的三維顯示效果，解決了現(xiàn)有的基于指向型背光源的三維顯示裝置在串擾、視點數(shù)目上的問題，大大提升了觀看者的視覺體驗。

同時，該系統(tǒng)較容易集成于便攜式的電子設備上，在未來，人們可以使用自己的手機、平板等設備觀看三維圖像，裸眼三維顯示技術將極大地豐富人們的生活學習和工作娛樂體驗。

審核編輯 ：李倩