基于微納光子器件的光場裸眼3D 顯示技術

夏仲文，華鑒瑜，陳林森，喬 文

（蘇州大學 光電科學與工程學院，江蘇 蘇州215006）

1 引 言

視覺是人們獲取世界認知的主要信息來源，人們對世界的83%認識來源于視覺信息?，F實世界的物體是三維的，而傳統顯示器只能顯示平面信息，降低了大腦的利用率。據統計，人們每天平均花費5 h 在顯示屏幕上。裸眼3D 顯示將重新定義人機交互方式，以更加自然的方式呈現信息與數據，極大提升人們的工作效率。因此，裸眼3D 顯示被喻為下一代顯示技術，在教育、軍事、醫療、娛樂、自動駕駛等方面展現了廣闊的應用前景。自Charles Wheatstone 首次發明立體顯示裝置［1］，人們對于3D 顯示的研究熱情已持續了180 多年。

一般情況下，我們將裸眼3D 顯示技術分為3 類：全息3D 顯示［2］、體3D 顯示和光場裸眼3D顯示［3-4］。其中，光場裸眼3D 顯示技術可以和現有的平板顯示屏幕結合，符合個人信息終端對便攜輕薄的需求。光場裸眼3D 顯示將連續分布的光場信息分解成多個“觀察區域”，即視角（或視點）。每個視角呈現不同的視角圖像。多個視角組合形成連續的3D 圖像。因此，光場裸眼3D 顯示本質上是多視角光場調控技術和方法研究［5］，其核心是如何設計“視角調制器”，實現多個視角光場精確調控，所設計的視角調控器件需考慮具備如下特性：

（1）實現多視角光場分布，這是實現具有運動視差的裸眼3D 顯示的基本條件。多視角光場可實現水平、垂直或任意排列分布，以實現水平視差、垂直視差、環繞視差、全視差等視差效果；

（2）為了盡可能消除串擾和鬼影的影響，視角調制器需要把出射光調制在一個限定的區域內；

（3）為了實現具有連續運動視差的大觀察視角，視角調制器需要實現出射光線較大轉向角度的精確調控；

（4）在個人信息終端中，視角調制器還需要有盡可能高的光利用率；

（5）為了滿足便攜要求，視角調制器的整體重量和外形也是需要考慮的要點之一；

（6）視角調控器件還可對每個視角光強形狀和光強進行調控，可改變裸眼3D 顯示的信息密度分布，消除信息總量受限情況下，分辨率與視場角之間的矛盾。

光場裸眼3D 顯示又可稱為自由立體3D 顯示，從原理可分為基于幾何光學和基于微納光學的3D 顯示［6］?；趲缀喂鈱W的3D 顯示，最具代表的是視差屏障、柱透鏡陣列、微透鏡陣列（集成成像技術）和多層液晶屏的壓縮光場顯示。視差屏障和柱透鏡陣列最先與平板顯示屏幕結合應用在3D 移動電子設備領域［7-10］。為了提高顯示質量，可以在系統中加入孔徑光闌，通過降低孔徑比來減少串擾，但是這種做法是以犧牲光利用率為代價的［11-13］。基于微透鏡陣列的3D 顯示，即集成成像3D 顯示技術，通過記錄和再現來自3D物體的光線來實現3D 顯示［14-15］?；谖⑼哥R陣列的3D 顯示可以提供全視差圖像。最近，有人提出了一種仿生復眼的結構來提高集成成像3D顯示效果，這種仿生復眼結構可以在水平28°、垂直22°的 視 角 范 圍 內 實 現 集 成 成 像3D 顯 示［16］。在另一項工作中，有人提出了一種可以提高分辨率和視場角的集成成像3D 顯示系統［17］。該系統可以在水平方向提供像素密度高達63.5 ppi 的3D 圖像顯示，水平和垂直視角分別為32.8°和26.5°。更進一步的，通過3 組定向背光和高刷新率顯示屏幕，可實現具有120°寬視角的時分復用集成成像3D 顯示［18］?；诙鄬右壕恋膲嚎s光場顯示最早由Lanman 和Wetzstein 等人提出［19-22］，他們采用多個LCD 屏幕層來調制3D 物體的出射光線方向，可以給觀察者提供單眼聚焦和雙眼調焦信息，同時降低視覺疲勞和減輕頭暈癥狀［23］。然而，它的視場角受限于顯示面板的尺寸。此外，基于多層液晶屏的壓縮光場顯示也面臨著景深-系統復雜程度（液晶顯示屏的層數）的制約難題。概括來說，基于幾何光學的自由立體3D 顯示具有低成本，易與現有2D 顯示面板結合的優點。然而，由于分辨率、視場角、景深和外形尺寸之間的相互制約關系，基于幾何光學的自由立體3D 顯示任重而道遠［24］。如何消除這些因素之間制約影響，以提供更逼真的立體顯示，是下一代3D 顯示技術的重要研究方向。

快速發展的微納光子器件因其出眾的光調控能力，在諸多領域受到廣泛關注［25-29］。在裸眼3D 顯示領域，納米光柵、衍射透鏡、超表面等平面光學元件可以以像素為單位調制3D 物體的光場信息。通過適當的設計，微納光學元件在光強度、相位和偏振等方面提供了卓越的光調控能力。因此，基于平面光學的裸眼3D 顯示展現出了極大的優點：低串擾、較小的輻輳調節矛盾、較高的光利用效率和較大的視場角。基于其優異的視角調制靈活性，基于微納光子器件的光場裸眼3D 顯示正在成為“下一代3D 顯示技術”。

2 光場理論

2.1 光場

人眼能看見現實世界的物體是因為人眼接收到來自物體的光線。光線的合集就是“光場”［30］?！肮鈭觥边@一術語最早在1936年由Alexander Gershun提出，指的是空間中光的輻射能的分布。學術界普遍認為Parry Moon 在1981 年提出的“Photic Field”才是當前學術界所研究的“光場”［31］。

2.2 全光函數

對于空間中包含顏色信息的光場，我們用七維全光函數L(x，y，z，θ，φ，λ，t)來表示。其中，(x，y，z)表示空間位置，(θ，φ)表示空間角度，λ表示波長，t表示時間［32-33］。全光函數表達了在任意時刻從空間任意點覆蓋任意波長范圍的可見光錐，描述了所有可能場景的環境映射關系，被廣泛用于圖像的采集、處理等領域。

傳統顯示屏不攜帶角度信息。只能呈現光場中(x，y)兩個維度隨時間t變化的平面圖像信息。由平面圖像可使觀察者獲得仿射、遮擋、光照陰影、紋理、先驗知識等由心理感知的深度信息，不能營造出真實的3D 效果。

裸眼3D 顯示重建光場函數，不僅可以提供心理立體視覺，同時還能提供單眼調焦、輻輳調節、雙目視差和移動視差等生理感知的深度信息，如圖1 所示。

圖1 2D 和3D 提供的視覺信息范疇Fig.1 Visual information category offered by 2D and 3D display

2.3 四維光場

全光函數是七維的，高數據量對光場記錄和再現都是一項巨大挑戰。因此，通常會引入一些條件來降低光場函數的維度。美國斯坦福大學Marc Levoy 將全光函數簡化，提出基于（x，y，u，v）的四維光場模型。兩個不共面的平面(x，y)和(u，v)，如果一條光線與這兩個平面各有一個交點，則該光線便可以用這兩個交點唯一表示。雙平面模型并不能完備地表示三維空間中的所有光線，與兩平面平行的光線就不能被該模型所表示出來，但該光線并不會進入到人眼，所以該模型仍可以完備地表達人眼接收到的光線。基于(x，y，u，v)的四維光場模型被廣泛應用于集成成像三維顯示的機理研究，如圖2 所示。

圖2 四維光場模型Fig.2 Four-dimensional light field model

四維光場函數的參數組合并不是唯一的，不同參數組合其對應的光場模型也各不相同。在研究當中，如果只考慮光線在三維空間中傳播，不考慮光線顏色（波長）的變化，那么，在任一時刻的光線可以用3 個空間位置坐標(x，y，z)和兩個角度坐標(θ，φ)來表示。因此，全光函數便由七維參量變成五維參量(x，y，z，θ，φ)［34］。如果忽略光線在空間中傳播時的衰減，則全光函數可以用兩個相互平行的平面進行表征，全光函數便可降至四維(x，y，θ，φ)?；谖⒓{光子器件的裸眼3D顯示常常采用逐像素調控的策略，通過四維甚至五維結構參量調控單個像素(x，y)出射光線的空間角度信息(θ，φ)，從而重建(x，y，θ，φ)光場函數。

3 基于微納光子器件的裸眼3D顯示

3.1 基于納米光柵的裸眼3D 顯示

納米光柵是一種特殊的光學元件，它可以同時將入射光調控至多個指定方向，已廣泛用于光譜儀、光波導和激光諧振腔［35-39］。Fattal 等人將納米光柵波導引入3D 顯示，提出了基于周期性納米光柵的寬視角指向型背光設計，實現了90°視場角、64 視點的全視差3D 顯示效果。該技術開啟了基于微納光子器件的裸眼3D 顯示研究序幕［40］。

在此基礎上，蘇州大學萬文強等人設計了變周期變取向的納米光柵陣列，提出了全息抽樣3D 顯示技術［41］，如圖3（a）所示。視角調制器調制光場相位信息，平面顯示面板提供可刷新的光場振幅信息。值得注意的是，位相板上每個像素的周期和方向都不相同，成會聚光束，而不是基于幾何光學的3D 顯示中的準平行光束。因此，目標視點的發散角（1.02°）接近衍射極限（0.94°），顯著減少了視點串擾和鬼影。研究人員進一步展示了基于超構光柵的全息采樣3D 顯示系統。視角調制器上的超構光柵分別對R、G、B 波長進行設計，用來重建每個采樣視點處波前信息，同時保持正確的白平衡。通過將視角調制器、液晶顯示面板和彩色濾光片結合，實現了12.7～81.28 cm（5～32 in）的動態全彩3D 顯示［42］。此外，為了解決3D 顯示系統長期以來固有的輻輳調節矛盾，還提出了基于像素化納米光柵的超多視點顯示（SMV）方法，間隔0.9°的視點分布為單個人眼的調焦過程提供了深度信息［43］?；诩{米光柵的3D 顯示具有串擾小、輻輳調節矛盾小、視點排列可設計和視場角大的優勢。

3.2 基于衍射透鏡的裸眼3D 顯示

近期，衍射透鏡也廣泛引起了研究人員的廣泛興趣［44-45］。衍射透鏡的聚焦效率可以與傳統的幾何透鏡相當，甚至超過幾何透鏡。研究表明，具有近似連續相位延遲的閃耀或多級衍射透鏡可顯著提高光利用率［46］，同時多級衍射或多焦點衍射可解決寬波段下色散問題［47-48］。多級衍射透鏡還可將光束聚焦在5～1 200 mm 的超大范圍內［49］。此外，由于特征尺寸在幾個到幾百個微米的范圍內，衍射透鏡易于低成本、大面積的批量制造。

光利用率是裸眼3D 顯示系統中的一個關鍵參數。納米衍射光柵的1 級衍射效率理論上約為40%［50］。在基于多級衍射器件的裸眼3D 顯示系統中，視角調制器精確調控準直入射光的相位，并形成會聚視點。使用像素化多級衍射透鏡形成視角調制器具有以下優點：首先，衍射透鏡將衍射效率從納米光柵的25%提高到60%，甚至更高，目前基于灰度衍射透鏡制備的視角調制器可以將光效提高到82%［51］，如圖3（b）所示。其次，通過視點之間的相對位置關系計算視角調制器上的每個像素結構參數。精確計算的非周期性微納結構可以提高多角度光場調控精度，極大降低串擾和鬼影的影響。此外，利用多級衍射光學結構單元還可調制每個視角的光場分布。研究表明，垂直擴展的視角光場分布可擴展3D 顯示系統的垂直可視角度［52］。

3.3 基于超表面的3D 顯示

超材料是由納米結構組成的人造材料。它具有許多傳統材料不具有的性質，例如負折射率、完美吸收和隱形斗篷等［53-58］。作為一類特殊的超材料，超表面可以利用單層金屬或介電納米結構產生可控的相位改變，實現亞波長尺度的波前調控。超材料已用在超透鏡［59-60］、全息圖［61-62］、光譜儀［63-64］和渦旋光束發生器［65-66］等光學元件中。與傳統的幾何光學元件和衍射光學元件相比，超表面具有寬波段、任意波前設計和亞波長尺寸像素等優點。

超表面具有精準操控光場的能力。2013 年，像素化金屬納米柱組成的等離子體超表面在可見光和近紅外范圍內實現了計算全息圖的重建［67］。超表面全息圖的像素大小僅為500 nm，遠小于空間光調制器或衍射光學元件生成的全息圖像素，視場角可達40°。研究工作者還提出了一種使用氮化硅的偏振不敏感寬波段消色差超透鏡，實現了60×60 個超透鏡矩陣，在白光照射下展示了寬波段消色差的集成成像立體圖像［68］。其中單個消色差超透鏡的直徑為14 μm，平均聚焦效率為47%。

為了解決空間分辨率、角分辨率和視場角之間的矛盾關系，人們還提出了一種基于二維超構光柵的信息密度漸變裸眼3D 顯示技術［69］。由二維超構光柵形成的點、線、面混合視角可調控視角密度。把基于二維超構光柵的視角調制器件和LCD 面板結合，可實現視場角高達160°的動態彩色3D 顯示系統，如圖3（c）所示。

圖3 （a）基于納米光柵的3D 顯示［69］；（b）基于像素化灰度衍射透鏡的3D 顯示［51］；（c）基于二維超構光柵的3D 顯示［69］。Fig.3 （a）3D display based on nano-gratings［69］；（b）3D display based on pixelated blazed diffraction gratings［51］；（c）3D display based on 2D-metagratings［69］.

4 基于微納光子器件的視角調制器的制造難題

高效高精度微納制造是微納光電子器件與產業的共性技術難題。為了能高效制備像素化納米結構，人們提出并搭建了納米光場光刻系統［70］，如圖4（a）所示。它由兩個傅里葉變換透鏡和一個二元光學元件組成。通過雙光束干涉光刻方法，一次曝光，形成像素尺寸為幾十微米的納米光柵像素。寫入速度為20 mm2/min，比串行寫入的電子束光刻系統快得多。此外，所制備納米結構的周期控制精可達1 nm 以內。該納米光場光刻系統可實現一維納米結構、二微納米結構和非周期性納米結構陣列制備。使用納米光場光刻系統，可解決250 nm 線寬，81.28 cm（32 in）幅面的像素化納米光柵陣列制備難題。

復雜浮雕型微米結構亦極具挑戰。激光灰度直寫可用于大幅面灰度微納結構的高效制備。激光直寫系統主要包含激光器、空間光調制器和微縮投影物鏡，如圖4（b）所示?？臻g光調制器加載設計好的結構圖形，結構圖像的刷新速度與樣品載物臺的同步移動。微縮投影物鏡將空間光調制器上的結構圖像縮小5～50 倍，投影至光刻膠上。 灰度激光直寫系統寫入效率可達25 mm2/min，制備40 mm2幅面大小的4 臺階微納結構密排等視角調制器件僅需30 min。

圖4 （a）納米光柵光刻系統［70］；（b）灰度激光直寫系統［50］。Fig.4 （a）Nano-grating lithography system［70］；（b）Grayscale laser direct writing system［50］.

5 結論及展望

微納光子器件為逐像素操控光束提供了可能性。與基于微透鏡陣列的3D 顯示架構中區域化光場調控策略相比，逐像素光場調控有以下優勢：首先，可以將視點自由排列成水平的直線、帶有弧度的曲線或全視差平面矩陣等任意樣式，為人們根據實際使用需求設計視點分布提供了可能。其次，當區域像素成像或顯示時，很多像素被白白浪費。尤其在大視場角下，分辨率下降嚴重。在像素化光場調控方式中，每個像素都被利用到，保證了較高的分辨率。第三，微納光子元件具有大偏折角度光線調控能力，可實現具有運動視差的超大視場角。第四，每個視角光強分布可從高斯分布調整到超高斯分布，顯著減少視點間串擾和鬼影。第五，視點可設計為點、線、面等形狀，用于信息密度變化的裸眼3D 顯示，解決分辨率和視場角之間的矛盾。第六，采用緊密視點排列方式可在少量視點情況下實現超多視點，并消除由于輻輳調節矛盾引起的視疲勞。第七，多臺階結構，如閃耀光柵、多級衍射透鏡和超表面等器件設計方法的引入，可以有效提高光利用率，減少色差，提高分辨率，和擴展景深。第八，微納光子器件體積小且輕薄，與便攜式電子產品形態兼容。

本文主要討論了基于微納光子器件的光場裸眼3D 顯示現狀。介紹了基于幾何光學的裸眼3D 顯示面臨的難點與挑戰，從器件設計和微納制備兩方面詳細介紹了基于平面光學的裸眼3D顯示最新研究進展。基于納米光柵和衍射透鏡的3D 顯示具有高光效、大視場角、低串擾和消色差的優點?；诔砻娴?D 顯示采用納米結構的各向異性排列的方式，具有高度的設計靈活性。值得注意的是，基于二維超構光柵的視角調制器件，可以在160°超大視場角下實現信息密度漸變的裸眼3D 顯示。

綜上所述，基于微納光子器件的3D 顯示系統具有質輕體薄、靈活設計、視場角大等優點。有望突破基于幾何光學的裸眼3D 顯示局限性，實現在便攜式電子產品的應用中。

從系統層面來說，仍有一些方法可以用來進一步提升顯示性能。采用時分復用的方式，在犧牲刷新率的情況下，可有效提高空間帶寬積。單用戶使用應用中，人眼追蹤技術可有效保證高分辨率［71-73］。信息密度漸變的方法優化了信息密度的分布方式，實現了擴大視場角的目的［74-76］。此外，借助軟件優化，可以將深度學習算法與硬件結合，進行圖像預校準［77］。

然而，仍然存在兩大瓶頸阻礙著基于微納光子器件的光場裸眼3D 顯示走向實際應用。一方面，具有高準直度和高均勻性的指向型背光系統仍有待開發［78-82］。像素化納米光柵波導為側入式準直照明提供了解決途徑［83］。此外，基于納米波導的照明單元還被設計為時間復用的變角度準直照明，為大視角全息顯示提供照明方案。其系統厚度＜10 cm［84］。盡管如此，超薄準直背光源的設計和制造仍然是一項艱巨的任務。

另一方面，微納制造技術仍是一大挑戰。大尺寸的復雜微納結構、高深寬比的多臺階結構、微納結構的高保真批量復制無一不是棘手的難題［85-89］。但我們仍相信會有更多的微納加工方法不斷迭代，滿足裸眼3D 顯示需求。

機遇伴隨著挑戰。理想情況下，裸眼3D 顯示所需平板屏幕的分辨率要大于50K。MicroLED和NanoLED 顯示可以有效地擴展空間帶寬積，提供信息冗余，并從根本上解決3D 顯示中分辨率下降的問題。我們認為，通信技術、平板顯示技術、微納制備方法的進步將會共同引領3D 顯示產業的創新和發展［90-91］。