图1 信息与能量按需排布的光场3D显示：（A）系统原理示意图；（B）空间分辨率调制方式；（C）高需求视角与低需求视角的实验效果对比
1. 导读
裸眼3D显示技术因其在智能制造、远程医疗、车载显示、社交娱乐等领域的重要应用和需求而成为热点研究方向。在众多裸眼3D显示技术中，光场3D显示凭借外形轻薄、系统集成简单的特点，有望重新定义移动电子端的信息交互方式。然而，受平板显示器总信息量的限制，光场3D显示的空间分辨率、角分辨率和视场角之间相互矛盾，使得显示效果大打折扣。尽管扩大显示器的信息量有助于缓解矛盾问题，但在可预见的未来仍难以满足理想3D显示的需求（>20 K）。
“各尽所能，各取所需”——“按需分配”是一种被广泛运用的社会分配方式，通过合理分配有限资源来应对日益增长的需求。受此启发，近日，苏州大学陈林森研究员和乔文教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了分辨率渐变调制方法，实现信息与能量按需排布的光场3D显示（见图1）。团队利用大幅面超构光栅阵列，精确调控每个像素的投射，根据观看习惯分配显示器的信息量。此外，基于相位恢复原理调控各视角的光场分布。通过联合调控像素密度和视角排布，大大提升了高需求视角（high-demand view）的空间分辨率、角分辨率以及光照度。该研究成果不仅为高分辨率裸眼3D显示提供了新的设计思路，同时也证明了平面衍射光子器件应用于新型显示领域的可控性和优越性。
2. 研究背景
近年来，随着“元宇宙”概念的兴起，裸眼3D显示技术愈发受到科研工作者的广泛关注。受限于平板显示器的可实时刷新信息量，光场显示的空间分辨率、角分辨率和视场角之间存在矛盾，这一矛盾是阻碍光场3D显示性能提升的重要原因。目前用于缓解分辨率与视场角矛盾的主要手段是拼接技术和时分复用技术，这些方法都增加了系统成本和复杂度。因此，亟需探索一种简单便捷的系统设计方案，提升光场3D显示的空间分辨率与角分辨率，从而提升3D显示的成像质量。2021年，本研究团队创新地提出信息密度渐变3D显示方法，通过构建点、线、面形状的混合视角，实现了角分辨率渐变排布，大大扩展了水平视角范围，但其较低的空间分辨率尚未得到解决。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员进一步提出空间分辨率与角分辨率同时调控，实现信息与能量按需排布的光场3D显示新方法。基于“信息按需排布”这一思想，研究者将不同视差图按照观看习惯投影到不同的视角区域（见图1（A））。将像素数目按需排布，促使3D显示空间分辨率呈现类高斯函数分布（图1（B）），从而提升了高需求视角的空间分辨率（图1（C））。此外，研究人员基于相位恢复原理，设计了超构光栅阵列来调控各视角的光场分布，从而调整角分辨率分布。利用自主设计的变标度傅里叶变换干涉光刻系统实验制备了大幅面超构光栅阵列（图2）。
图2 超构光栅阵列的设计与制备过程
研究人员实验验证了单色照明下分辨率渐变调制的光场3D显示（图3）。通过联合调控像素密度和视角排布，中间高需求视角的信息密度和光照度分别调制为边缘低需求视角的5.6倍和16倍。将视场调制板与掩膜版贴合，在单色LED光照射下，得到了分辨率渐变分布的视差图像（图3（C）），从图中可看到高需求视角（即View 4）的空间分辨率和亮度显著提升。
图3 分辨率渐变调制的单色光场3D显示
进一步地，将制备的超构光栅阵列与LCD显示屏逐像素对准，搭建了8.4英寸的彩色动态光场3D显示样机（图4）。在显示器总信息量为2560×1600的情况下，将高需求视角的空间分辨率提升为119.6 ppi(pixel per inch)，角分辨率提升至0.25 vpd（views per degree）。此外，水平视场角达到140°。
图4 分辨率渐变调制的彩色动态光场3D显示实验验证
4. 应用与展望
该研究提出的分辨率按需调制的光场3D显示具有轻薄的外形，有望应用于下一代消费电子端。在实际应用场景中，还可根据观看习惯改变高需求视角的投射位置。例如，在车载显示领域，根据斜视观看习惯将高需求视角集中在边缘；在近眼显示中，将高需求视角实时切换至眼球注视的方向。
该工作展示了平面衍射光子器件应用于新型显示领域的光明前景。需要指出的是，本文使用的超构光栅阵列并不是唯一实现信息与能量按需排布3D显示的衍射器件。更多复杂纳米结构的衍射器件可用于提升3D图像景深、光利用率等性能。
该研究成果以“Large-scale metagrating complex-based light field 3D display with space-variant resolution for non-uniform distribution of information and energy”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jianyu Hua，Fengbin Zhou，Zhongwen Xia，Wen Qiao and Linsen Chen，其中博士后华鉴瑜为第一作者，陈林森研究员与乔文教授为共同通讯作者。此项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、江苏省重点研发项目等的资助。
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