基于多指向型背光源的三维显示系统

20 世纪以来，显示技术经历了不断革新，从笨重的阴极射线管到轻薄的平板显示器，从黑白到彩色，从标清到超高清，显示设备正朝着更真实的还原世界的目标发展。如今，为了还原三维世界中立体物体的深度信息，裸眼三维显示已悄然而至，人们在无需佩戴眼镜等助视设备的情况下，仍可观察到生动形象的立体图像，获得奇妙非凡的观看体验。

裸眼三维显示可采用平板显示器作为图像信息的来源，为了能完整再现一个立体图像，平板显示器上的图像信息被调制到各个视点处，立体图像的分辨率将不可避免的有所降低。而今，生活中充满了高清乃至超高清的二维图像，人们同样期望可以观看到高分辨率的立体图片。

基于指向型背光源的三维显示技术可实现图像分辨率的提升。具有指向型的背光源即是此技术的关键器件，顾名思义，此背光源出射具有方向性的光束，分别指向观看者的左右眼，再配合高帧速液晶屏，可分别产生左右眼对应的视差图像。左右视差图像快速切换，根据人眼的视觉暂留效果，观看者可观察到高分辨率的三维图像。指向型背光源多采用微结构导光板和三维薄膜来实现，但由于三维薄膜对光线的调控能力有限，基于指向型背光源的三维显示技术的串扰通常较大，同时，较难实现具有多个方向的背光源。

为了解决以上两个问题，来自浙江大学的 李海峰 教授研究团队，提出了采用体全息光学元件（Holographic optical element， HOE） 实现多指向型背光源，不仅实现了低串扰、高分辨率的三维图像，视点数目也得到了提升。

该成果以“基于多指向型背光源的三维显示系统”为题发表在《液晶与显示》（ESCI、Scopus 收录，中文核心期刊）2022 年第 5 期。

1. 实现原理

在多指向型背光源中，不同位置处的 LED 光源经柱面镜准直后，入射到体全息光学器件上，产生不同方向的衍射光束。人眼追踪模块负责捕获观看者左右眼的位置，并传递给液晶屏和多指向型背光源。左眼观看时，液晶屏显示左眼视差图像，多指向型背光源仅投射左眼方向光束，右眼观看时，液晶屏显示右眼视差图像，多指向型背光源仅投射右眼方向光束，二者快速交替进行，根据人眼的视觉暂留效应，观看者可观察到视差图像，获得三维感知。

图1：多指向型背光三维显示装置图 图源：液晶与显示，2022， 37（5）：599. Fig.1

2. HOE 器件制备

HOE 是多指向型背光源中的关键器件。两束相干光束（参考光束和物光束）发生干涉，在干涉位置处放置感光材料，明暗相间的干涉条纹将记录在感光材料上，制备得到 HOE。当参考光束入射到 HOE 上，衍射光即为原始物光束，因此 HOE 可在超薄的材料上实现复杂的光学特性。当 HOE 的入射光束以较小角度偏移参考光束时，衍射光束亦稍偏移原始物光束，因此，可以通过修改入射光束角度，获取不同方向的衍射光。系统中 HOE 由柱面光束和扩散光束在光致聚合物薄膜上干涉制备而成，实现了柱透镜和定向扩散屏的光学特性的叠加，其制备过程如图2所示。光致聚合物薄膜经紫外灯均匀照射后，固化得到 HOE 器件，实验测得 HOE 器件的衍射效率约为 70%。

图2：HOE 制备过程图 图源：液晶与显示，2022， 37（5）：600. Fig.3

3. 显示均匀度的提升

由于该系统中 HOE 器件采用非平面波曝光制备而成，HOE 上各个区域的光栅矢量不断变化，因此边缘位置的 LED 入射时，HOE 上各区域的衍射方向将存在差异，边缘方向上背光源的均匀度将大大减低。为了解决这一问题，研究团队采用两种方式来提高均匀度，分别是双 LED 式和扩散屏式。

双 LED 式即相邻的两个 LED 同时点亮，观看者在相应视点看到是拼接后的显示图像。在双 LED 式下，边缘视场的均匀度提升至 74%，即边缘视场显示效果将由图3 （a）变化为图3 （b）。同时，串扰值平均值仅为 1.4%，远小于引起观看者不适感的串扰最大值 5%。图4中显示了双 LED 点亮方式下，三个观看视点处分别对应的显示图像。

图3：边缘视场处背光源的均匀度，（a） 单 LED 式，（b） 双 LED 式

图源：液晶与显示，2022， 37（5）：601. Fig.4， Fig.5

图4：双 LED 式不同视区下的视差图

图源：液晶与显示，2022， 37（5）：602. Fig.7

为了提高三维显示系统的观看视场角，同时保证均匀性和串扰，研究团队又提出添加扩散屏的方式，实现了 25 个观看视点。在扩散屏式下，视场角和边缘视场均匀度均得到提升，系统平均串扰值为 2.75%，仍小于 5% 的串扰最大值。图5显示了扩散屏方式下，5 个观看视点分别对应的显示图像。

图5：扩散屏式不同视区下的视差图

图源：2022， 37（5）：602. Fig.10

四、总结与展望

研究团队利用 HOE 器件的衍射特性，搭建了基于多指向型背光源的三维显示系统，实现了低串扰、全分辨、多视点的三维显示效果，解决了现有的基于指向型背光源的三维显示装置在串扰、视点数目上的问题，大大提升了观看者的视觉体验。

同时，该系统较容易集成于便携式的电子设备上，在未来，人们可以使用自己的手机、平板等设备观看三维图像，裸眼三维显示技术将极大地丰富人们的生活学习和工作娱乐体验。

审核编辑 ：李倩