光场显示技术的研究现状与发展趋势.docx

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1、光场显示技术的研究现状与发展趋势摘要：目前常用的三维显示技术，一般是通过人眼的双目视差和视觉暂留效应实现的三维效果。由于丢失了深度信息，会引起辐核调节冲突，使观看者产生不适感。光场显示是通过复现物体点面光线的真三维显示技术，其拥有良好的用户体验，符合人们对于未来显示的需求。文章梳理r各种光场显示技术的原理和特点，分析r国内外光场显示技术的发展现状，整理了国内外的研究进展和代表性样机的性能，最后对我国光场显示的发展进行r展望。我国光场显示虽然起步稍晚，但经过多家科研机构的一致努力，已在国际上拥有一定的地位。关键询：光场显示：三维显示：集成成像；近眼显示：悬浮光场显示引言研窕表明，人类通过视觉获取

2、的信息占80%以上，然而，传统的二维（Two-dimensiona1.,2D）显示只能获取空间物体某一截面的2D图像信息，由于缺乏真实的深度信息，在展示高纬度的图形时会造成混治，无法正确表示空间美系和深度信息。因此，具有更好沉浸感的三维Crhree-dimensiona1.,3D）显示技术应运而生，是新型显示技术的重要发展方向。根据引起人眼立体机制的不同，现有的3D显示可分为助视3D显示、双目视差3D显示和其3D显示三大类（如图1）o观看者需要佩戴眼镜的助视3D显示技术随着2009年3D电影阿凡达的上映已成熟并商业化：双目视差3D显示是利用双目视差的原理，借助光栅、柱透镜等精密光学调控元件的分

3、光作用，使左右眼接收到具有一定视差的图像，再通过大脑的融合实现立体观感。然而，由于只提供了单一视差深度图像，存在辐犊调节矛盾，长时间观看会产生视觉疲劳、眩最等不适感。对比前两种3D显示技术，真3D显示（大致分为光场显示和全息显示两种），可以提供近乎真实的3D图像信息和真正的物理毋深，在3D传感器12-3、3D电视4、医学成像等方面取得了很好的进展。全息显示理论上可以恢复空间物体全部的视觉信息，重构出完全逼真的场景。然而，由于需要处理大量的场景数据，在计算速度和传输速率方面有明显的技术限制，因此，很难实现多色和高分辨率的动态场景显示6J；而光场显示只关注物体表面的光强度，舍弃了对人眼无用的光相位

4、信息，因此数据量大幅度减少，只需一次曝光就可以记录空间物体所有的光场信息，其结构简单、性能优良，获得众多学者研究并逐步进入大众视野。光场显示技术主要分为集成成像光场显示、光场扫描显示、投影阵列光场显示、层叠光场显示、矢量光场显示、近眼光场显示和悬浮光场显示等。本文旨在介绍光场显示的分类、梳理其最新研究成果并对未来进行展望，帮助研究学者更全面了解该领域的研究进展。3D显示H3D显示助权和双月视煌3D显示柱透镜郛光）越呈示全,J（体32图1三维显示技术分类1光场显示的概念与重要意义1.1 光场显示概念光场是光线在空间中的分布，光场成像的雏形可以追溯到1903年Ives发明的双目视差显示系统中运用的

5、针孔成像技术刀。1908年1.iPPman对IVeS的装置进行改进，用微透镜阵列代替针孔阵列，直到Gershun在1936年提出光场是分布于三维空间中所有矢量光线的集合91但受到当时计弊能力及工艺水平限制，光场理论难以得到有效验证和实践。1992年Ade1.son提出了7D全光函数理论10,用来表示发光点的位置、方向、波长和时间，但七维函数的计算量十分H大。而在1996年1.eVOyu1和GOrt1.er12将光场概念具体化,提出了如图2所示的4D光场消染理论，即在不考虑光线的时间和波长，只考虑方向和位置的条件下，用（u,v）和（s,t）表示空间中不同位置的两个平面的坐标系，定向线将uv平面上

6、的点连接到St平面上的一个点。光场表征理论的不断完善也加速了光场显示设条的研究和发展。图2四维函数表征示意图11和光场显示原理图1.2 光场显示的意义光场显示技术是模拟人眼观察真实三维场景接受到的漫反射光分布，利用特殊显示和控光器件重构三维空间光场信息的三维显示技术，能够给观看者提供真实的三维动态显示效果。要实现光场显示,需要构建一种可以控制平面或柱面显示屏上每个点的光线强度和方向的显示器。光场三维显示是在重新构建三维物体的发光分布基础上实现的一种三维显示，因此具有连续视角、消除聚焦辐犊冲突13）等特点，但它所需要的信息量相比常规平面显示器信息量增大了数个量级,因此对现有显示技术提出了新的挑战

7、。显示技术在中国得到了大力发展，已经经历了轻薄化和大型化的发展阶段，目前正处在精细化的关键阶段，超高清视频产业将推动显示的立体化进程。三维显示技术与产业是新型显示产业重要组成部分和重点发展方向。发达国家不仅在立体显示技术和设备方面拥有大量相关专利和知识产权，而且已经逐步往产业化方向发展。因此，保持与世界先进水平同步，并形成自主知识产权的立体显示核心关键技术,开展裸眼三维显示技术的研究，不仅仅是一个技术性的问题，同时也是一种战略性的问题。2光场显示技术现状与发展趋势国内开展光场显示的几家单位长期坚持相关技术的研究，在光场三维显示的机理、光学系统设计理论、三维图像显示景深模型构建与优化方法、基于集

8、成成像和全息功能屏的大视角光场显示方法、基于非球面透镜阵列和全息功能屏的大尺寸、大视角光场显示系统构建等领域取得很多创新性的成果。浙江大学开发了探入式悬浮光场3D显示系统,实现了360。交互式桌面光场3D显示，该系统可稳定识别多种手部动作，拥有顺畅的3D图像交互体验14-15。该系统引入了人眼跟踪模块，保证了观看者在移动过程中始终能接收到正确的图像信息。北京航空航天大学与四川大学研制了多种尺寸的集成成像光场3D显示流，具有结构紧凑、功耗低的优点：实时3D光场拍摄与显示系统显著提升了3D信息的处理速度，实现了对真实场景信息的实时采集与光场重构；搭建的桌面光场显示系统如图3（八）所示，在不引入机械

9、运动器件的前提下实现了360。的环视观看视角口6。北京邮电大学将全息功能屏引入光场显示，通过光学优化设计的方法提升透镜阵列的成像质量，搭建了大视角的动态光场显示系统，其显示效果如图3(C)所示，在面向光场显示的光机设计上积累了丰富的经验，并提出了基于反向光线追踪的3D内容制作方法，大大提升了虚拟3D内容的生成速度17-18。清华大学将集成成像与图像悬浮器件结合,实现了3D医学图像的悬浮显示19,系统配置如图3(b)所示，推动了光场显示技术在生物医疗方面的应用等。泉面成像3D显示器Iw*三IIeapMotionI计算机平价(b)用于外科手术的3D图像AR设备的系统配置,（八）交互式集成成像3D显

10、示原型装置”Oo(C)不同位冏观察到的3D图像-20o20o图3国内对于光场显示研究的成果在国外，美国南加州大学提出r如图4所示的基于超薄投影仪的三维显示系统，采用凸面反射显示屏，具有较大的水平视角20。之后通过增加投影仪的数量，实现了如图4（八）所示的真人大小的多投影光场显示系统，延迟较低，可以实现实时对话21。南加州大学实现的用人1:1多投影光场相示系统X(b)由虚拟和现实物体组成的混企现实环境.图4国外对于光场显示研究的成果口本的国家通信技术研究所提出一种可以交互的3D桌面显示系统22,虚拟图像可以漂浮在桌面上，适合小组讨论和电话会议。由于该桌面显示存在水平视差，虚拟图像和真实物体都可以

11、被镜子反射,如图4(b)O韩国首尔国立大学提出了由波导组合器、空间光调制器和激光光源组成的一种近眼显示概念，如图4(C),这种组合可以将全息显示器与波导技术相结合，从而实现全息增强显示眼镜23卜2.1 集成成像光场显示集成成像光场显示是利用微透镜阵列对空间中的物体或者三维场景进行记录以及后期的还原重构，一般使用在显示器前方添加一组微透镜阵列的方式实现。每个微透镜单元会记录下来自不同视角的微单元图像，微单元图像阵列被微透镜阵列投射，在三维空间中还原出不同视角的光线，由此重现物体或三维场景，如图5所示。集成成像可以为观看者提供水平与竖直方向的视差和连续平滑的视点信息，实现较真实的三维光场显示效果；

12、但是受限于显示平面的分辨率、透镜阵列的制作及其内在几个重要显示性能指标的制约，显示的视角小、深度小、分辨率低，显示的细赋程度不高24-26）。依峨兀Mt的糕点像并列T*M像臼国X.*元的IBft蛆IE不同ItY图直窿的极阵像阵列乐1图5集成成像的概念和使用针孔阵列对光线进行采集和重现的原理图242005年，韩国首尔国立大学By。Ungho1.ee利用图像分辨率、视角和图像深度等观测参数对三维集成成像系统进行了分析2刀，新的分析方法可以以更高的精度预测集成成像系统的视角，有助于实现最佳的3D显示系统。2008年，乂提出利用对每个微单元图像选定位置处的像素进行视差估计，根据估计的结果针对集成成像生

13、成任意透视和正交视点的方法28。2009年，提出利用电致发光薄膜背光实现2D/3D切换的集成成像显示系统，证明了使用可弯曲的电致发光薄膜的光转换层制作柔性集成成像系统的可行性29。2013年，提出基于集成成像的实时采集与显示系统30。2015年，提出基于全息光学元件的2D/3D可切换投影屏31。2016年，利用全息光学元件的布拉格不匹配特性，将集成成像的显示视角从15。提高到了3032o2021年，将集成成像与断层扫描显示器相结合，克服了集成成像中与像素数量相关的性能限制33。国内的北京航空航天大学和四川大学研制了127cm的壁挂式可交互集成成像显示器以及大尺寸360。桌面集成成像显示器16,

14、如图6（八）、(b)O清华大学搭建了金字塔式悬浮集成成像光场显示装置34。福州大学在用于集成成像3D显示的微透镜阵列制备方面取得较大进展。2016年，提出一种基于丝网印刷的大面积、高性能微透镜阵列的制备方法35,如图6(C)。图6(d)是58Cm集成成像3D显示样机的显示效果。之后在柔性PMMA衬底上制作了大规模微透镜阵列，与2D显示屏结合，实现了宽视角的集成成像显示器36,图6(e)是该显示器的柔性屏幕，并且通过电调谐焦距改善复合微透镜阵列的景深,如图6(f)o2019年,该团队又采用高阻抗层圆孔驱动电极的液晶微透镜阵列实现2D/3D可切换的14cm集成成像3D显示样机。3W1.0M域示面板

15、散射川-透幔阵列一触啦兀图像阵列(b)至势在旻示d上的久互效果S“)交互式3D与示霸的示弱图“利刀开Q图柱空球赤列用“V11WRft-后的.镜M，萦外光髓耀柱形半球苏州仝过紫外光肉化的做透施行网(C)使用fiM印端Mift读透悔历刊的工之示意I1.1.g(在FTO股玳拓板上切作不同大小的做造桢对列佚利的京建图像F(e)APMMA些板上制迪的REM1.At制片X紫外校阅化的做透慢跳列(0夏合为遭愤冏列的结构Rr图6国内各高校对于集成成像的研窕2.2 扫描光场显示扫描光场显示的系统配置一般由高速电机、旋转的散射屏及高速投影仪组成，如图7所示，高帧率投影仪将图像投射到旋转的屏幕上,在空间中构建360。三维图像，利用人眼视觉暂留特性，实现光场