二维超构光栅实现信息密度渐变裸眼3D显示

自2007年智能手机、平板等电子设备问世以来，科研人员一直在为其寻找下一代变革性技术。裸眼3D显示是一项能将真实场景中的物体和人，通过手机、电脑等显示屏生动再现的技术，被认为将开创新一代移动电子设备显示产业。

然而，受到平板显示器分辨率的制约，裸眼3D显示存在视场角、空间分辨率和角度分辨率之间的矛盾问题。古人云：“鱼和熊掌，二者不可兼得。”

是选择牺牲分辨率，实现大视场角？

还是牺牲观察角度，追求高分辨率？

在追求极致视觉体验的今天，

任一选择都不能满足人们的立体视觉需求。

事实上，有限信息量下，现有裸眼3D显示中，具有运动视差的可视角度与分辨率这对矛盾体，是由信息均一分布在全部可视范围所导致的（如图1a）。解决问题的途径在于：优化信息的空间分配，使可视空间内信息密度渐变分布，即按照显示屏幕观看需要分配信息量。在屏幕中心的常用观看区域分配更多信息量，在大视角区域分配少量信息。

近日，陈林森研究员、乔文教授的研究团队，设计了一种二维超构光栅阵列，通过调制入射光场的相位，形成点、线、面不同形状的混合视角。根据人眼视网膜上视锥细胞分布特征，创新地提出了信息密度渐变3D显示（如图1所示）。结合LCD显示平板，获得了超宽视角、彩色、无暗区的动态3D显示效果。该系统结构紧凑轻薄，在移动电子显示终端具有应用前景。

图1 信息密度渐变3D显示的示意图

该成果以Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex为题发表在Light: Science & Applications。

研究人员受人眼视网膜成像策略的启发，提出了一种3D显示的通用方法：即根据观察频率来投射空间上变密度的图像信息。在使用频率高的中间视区，投射密集排布的视角；而在使用频率低的边缘视区，投射稀疏排布的视角。这需要解决以下难题：

★ 视角之间的角度间隔需要空间可变；

★ 各个视角的光场图案需要精确调制，消除重叠区域，以避免图像串扰；

★ 相邻视角间的间隙需要避免，以消除过渡暗区；

★ 需要实现大幅面密排微纳结构的高精度制备（5英寸-32英寸）。

研究人员设计并制备了一种大幅面二维超构光栅结构，如图2所示，首先根据目标图像，利用G-S算法生成相位全息图；其次，利用紫外激光直写设备将全息图光刻转移至光刻胶上，形成二元衍射元件；最后，利用自主设计的变标度傅里叶变换光刻设备加工成二维超构光栅阵列。

 图2 视角调制板上二维超构光栅的设计流程

为了制备具有复杂纳米结构的大幅面视角调制板，研究人员设计了一种变标度傅里叶变换光刻系统，如图3所示，该系统由紫外激光器、傅里叶透镜、光阑及显微物镜等器件组成。其工作原理为一束准直扩束后的光斑经过相位调制（二元衍射元件）后，在第二片傅里叶透镜的后焦面形成多光束干涉图案。该干涉图案经物镜系统缩放后，光刻转移至光刻胶上，形成二维超构光栅结构。此光刻系统的一大特点是，通过轴向旋转和平移二元衍射元件，可以精确调制所形成超构光栅的周期和取向，调制精度达到1 nm。此外加工效率可达到每分钟20 mm², 基本满足了3D显示光场调控所需的大幅面微纳结构制备需求。

 图3  自主设计的变标度傅里叶变换光刻系统

及其相位调制元件

团队首先制备了6英寸单色视角调制板，验证信息密度渐变3D显示可行性。如图4所示，该视角调制板共包含800*600个体像素，每个体像素包含9个像素化超构光栅，即共计432万个像素单元结构。7个线状视角以10°的间隔分布在中间视区，其余2个面状视角则以30°的间隔分布在边缘视区。与镂空掩膜板结合，实现了横向160°视场的单色水平信息密度渐变3D显示。

 图4 信息密度渐变3D显示的概念验证

图5 3D图像“1-9”视频演示

团队进一步搭建了动态彩色信息密度渐变裸眼3D显示系统。如图6所示，为了消除色散，二维超构光栅根据RGB三种波长分别设计。与集成彩色滤光片的LCD显示面板结合，获得彩色动态的信息密度渐变3D显示系统。进一步地，采用纳米压印技术还可将视角调制板的厚度进一步减少至200 μm。当LED准直背光照射至视角调制板上时，二维超构光栅将RGB三种波长的光束分别传导至特定视角区域，融合形成了彩色3D图像，具有运动视差的视场角达到了创纪录的160°。

 图6 彩色动态信息密度3D显示的实验验证

图7 彩色3D图像“阿尔伯特·爱因斯坦”视频演示

 得益于纳米光子学的快速发展，研究团队从视角光场调制的角度出发，开发了一种裸眼3D显示的通用设计方法：利用二维超构光栅精确调制视角的空间位置和形状，在中间视区获得高分辨率的同时，极大扩展边缘视场范围。可以解决现有3D显示中因平板显示分辨率不足带来的视场角与分辨率矛盾问题。

因此，基于二维超构光栅的信息密度渐变3D显示可显著提升立体显示体验，在消费电子领域具有应用潜力，期待消费电子领域迎来“3D模式盛宴”。

★ 文章信息

该研究成果以"Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex"为题发表在Light: Science & Applications。

★ 论文信息：

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).

★ 论文地址：

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

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