苏州大学：平面镜头改善无眼镜的3D显示

从19世纪30年代的立体镜等早期尝试开始，科学家们一直在追求能够真正重建我们周围3D世界的显示技术的发展。然而，即使在几个世纪之后，大多数显示设备仍然只能显示缺乏深度信息的二维平面图像。

近日，我国苏州大学的研究人员报告了一种不用眼镜的矢量光场显示器，这种显示器可以为电视、便携式电子设备和桌面设备带来紧凑、全彩的3D真实感。3D显示器通常受到观看范围的限制，但该团队的原型系统利用了一种新型的平面镜头，以更好地保持更远距离的图像质量。

鉴于新冠疫情，研究人员们希望打造更接近真人会议的电话会议技术。他们决定设计一种多视图3D显示器，将光场离散成间隔的视图，为多个观察者同时提供3D立体体验，而不需要特殊的眼镜。 苏州大学的研究人员表示，无需佩戴眼镜的3D显示是重建虚拟场景和真实感的关键组成部分，裸眼3D显示的主要问题包括视觉疲劳、运动视差有限、观看距离有限以及分辨率和视角之间的权衡。解决观察距离问题的一种方法是结合衍射光学，这可以显著增加焦深(DOF)。为此，研究人员创建了一个基于衍射平面透镜的矢量光场显示，可以在多个视图下重建具有正确深度信息的三维虚拟图像。

研究人员设计了优化的圆形锯齿浮雕透镜，并通过在平面上形成相应的微观结构来制造它。在该设备中，多个相互缠绕的镜头组合在一起形成了视图调制器，这个光学组件可以在矢量光场显示中为场景创建各种透视图。该设备以LED为光源发射准直光束均匀照亮一个现成的LCD显示面板，该LCD显示面板被用来生成一个可刷新的图像。被调制的光通过彩色滤光片，然后通过视图调制器。构成视场调制器的平面透镜的锯齿状微观结构将出射光重定向到相应的视场。视图调制器上相应的表面浮雕结构揭示了相邻像素之间的相位延迟，并为采样的光场视图重建了三维场景的截面相位，从每个视图的角度来看，像素化的结构可以用作聚焦透镜将光束聚焦到视图中。

研究人员制造的原型系统大小为4英寸，观看距离从24厘米到90厘米，景深提高了1.8 × 104倍，光效率为82%，远高于其他同类3D显示器。显示器还显示了良好的图像质量，在所有观看距离内水平视差平滑并且串扰低于26%。目前的原型设备中视场角被限制在9°，在未来的工作中，研究人员们计划进一步提高视角，以及通过更复杂的设计算法来提高光效率。

图：该团队的设备将包含四个镜头，每个镜头将光线汇聚成一个独特的视图。