撰稿 | 華鑒瑜（蘇州大學(xué)）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

自2007年智能手機(jī)、平板等電子設(shè)備問世以來，科研人員一直在為其尋找下一代變革性技術(shù)。裸眼3D顯示（名詞解釋>>>）是一項(xiàng)能將真實(shí)場景中的物體和人，通過手機(jī)、電腦等顯示屏生動再現(xiàn)的技術(shù)，被認(rèn)為將開創(chuàng)新一代移動電子設(shè)備顯示產(chǎn)業(yè)。

然而，受到平板顯示器分辨率的制約，裸眼3D顯示存在視場角、空間分辨率和角度分辨率之間的矛盾問題。古人云：“魚和熊掌，二者不可兼得。”是選擇犧牲分辨率，實(shí)現(xiàn)大視場角？還是犧牲觀察角度，追求高分辨率？在追求極致視覺體驗(yàn)的今天，任一選擇都不能滿足人們的立體視覺需求。

事實(shí)上，有限信息量下，現(xiàn)有裸眼3D顯示中，具有運(yùn)動視差的可視角度與分辨率這對矛盾體，是由信息均一分布在全部可視范圍所導(dǎo)致的（如圖1a）。解決問題的途徑在于：優(yōu)化信息的空間分配，使可視空間內(nèi)信息密度漸變分布，即按照顯示屏幕觀看需要分配信息量。在屏幕中心的常用觀看區(qū)域分配更多信息量，在大視角區(qū)域分配少量信息。

近日，來自蘇州大學(xué)的陳林森研究員、喬文教授的研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計了一種二維超構(gòu)光柵陣列，通過調(diào)制入射光場的相位，形成點(diǎn)、線、面不同形狀的混合視角。根據(jù)人眼視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞分布特征，創(chuàng)新地提出了信息密度漸變3D顯示（如圖1所示）。結(jié)合LCD顯示平板，獲得了超寬視角、彩色、無暗區(qū)的動態(tài)3D顯示效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊輕薄，在移動電子顯示終端具有應(yīng)用前景。

圖1：信息密度漸變3D顯示的示意圖

該成果以"Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex"為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

研究人員受人眼視網(wǎng)膜成像策略的啟發(fā)，提出了一種3D顯示的通用方法：即根據(jù)觀察頻率來投射空間上變密度的圖像信息。在使用頻率高的中間視區(qū)，投射密集排布的視角；而在使用頻率低的邊緣視區(qū)，投射稀疏排布的視角。這需要解決以下難題：

（1）視角之間的角度間隔需要空間可變；

（2）各個視角的光場圖案需要精確調(diào)制，消除重疊區(qū)域，以避免圖像串?dāng)_；

（3）相鄰視角間的間隙需要避免，以消除過渡暗區(qū)；

（4）需要實(shí)現(xiàn)大幅面密排微納結(jié)構(gòu)的高精度制備（5英寸-32英寸）。

研究人員設(shè)計并制備了一種大幅面二維超構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)，如圖2所示，首先根據(jù)目標(biāo)圖像，利用G-S算法（名詞解釋>>>）生成相位全息圖；其次，利用紫外激光直寫設(shè)備將全息圖光刻轉(zhuǎn)移至光刻膠上，形成二元衍射元件；最后，利用自主設(shè)計的變標(biāo)度傅里葉變換光刻設(shè)備加工成二維超構(gòu)光柵陣列。

圖2：視角調(diào)制板上二維超構(gòu)光柵的設(shè)計流程

為了制備具有復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的大幅面視角調(diào)制板，研究人員設(shè)計了一種變標(biāo)度傅里葉變換光刻系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)由紫外激光器、傅里葉透鏡、光闌及顯微物鏡等器件組成。其工作原理為一束準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光斑經(jīng)過相位調(diào)制（二元衍射元件）后，在第二片傅里葉透鏡的后焦面形成多光束干涉圖案。該干涉圖案經(jīng)物鏡系統(tǒng)縮放后，光刻轉(zhuǎn)移至光刻膠上，形成二維超構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)。此光刻系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是，通過軸向旋轉(zhuǎn)和平移二元衍射元件，可以精確調(diào)制所形成超構(gòu)光柵的周期和取向，調(diào)制精度達(dá)到1nm。此外加工效率可達(dá)到每分鐘20mm2, 基本滿足了3D顯示光場調(diào)控所需的大幅面微納結(jié)構(gòu)制備需求。

圖3：自主設(shè)計的變標(biāo)度傅里葉變換光刻系統(tǒng)及其相位調(diào)制元件

團(tuán)隊(duì)首先制備了6英寸單色視角調(diào)制板，驗(yàn)證信息密度漸變3D顯示可行性。如圖4所示，該視角調(diào)制板共包含800*600個體像素，每個體像素包含9個像素化超構(gòu)光柵，即共計432萬個像素單元結(jié)構(gòu)。7個線狀視角以10°的間隔分布在中間視區(qū)，其余2個面狀視角則以30°的間隔分布在邊緣視區(qū)。與鏤空掩膜板結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了橫向160°視場的單色水平信息密度漸變3D顯示。

圖4：信息密度漸變3D顯示的概念驗(yàn)證

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了動態(tài)彩色信息密度漸變裸眼3D顯示系統(tǒng)。如圖5所示，為了消除色散，二維超構(gòu)光柵根據(jù)RGB三種波長分別設(shè)計。與集成彩色濾光片的LCD顯示面板結(jié)合，獲得彩色動態(tài)的信息密度漸變3D顯示系統(tǒng)。進(jìn)一步地，采用納米壓印技術(shù)還可將視角調(diào)制板的厚度進(jìn)一步減少至200μm。當(dāng)LED準(zhǔn)直背光照射至視角調(diào)制板上時，二維超構(gòu)光柵將RGB三種波長的光束分別傳導(dǎo)至特定視角區(qū)域，融合形成了彩色3D圖像，具有運(yùn)動視差的視場角達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的160°。

圖5：彩色動態(tài)信息密度3D顯示的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

得益于納米光子學(xué)的快速發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)從視角光場調(diào)制的角度出發(fā)，開發(fā)了一種裸眼3D顯示的通用設(shè)計方法：利用二維超構(gòu)光柵精確調(diào)制視角的空間位置和形狀，在中間視區(qū)獲得高分辨率的同時，極大擴(kuò)展邊緣視場范圍。可以解決現(xiàn)有3D顯示中因平板顯示分辨率不足帶來的視場角與分辨率矛盾問題。

因此，基于二維超構(gòu)光柵的信息密度漸變3D顯示可顯著提升立體顯示體驗(yàn)，在消費(fèi)電子領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，期待消費(fèi)電子領(lǐng)域迎來“3D模式盛宴”。

論文信息：

Hua JY., Hua EK., Zhou FB., et al. Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex. Light Sci Appl 10, 213 (2021).

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00651-1

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編輯 | 趙陽

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