显示专题 | 多指向型背光助力便携式自体视三维显示 (Optica OE)

基于多指向型背光源的便携式自体视三维显示

Portable autostereoscopic display based on multi-directional backlight

本期导读

自体视三维显示可为观看者提供具有深度信息的三维图像，且无需佩戴眼镜等助视设备。其中，实现高分辨率的三维图像对于自体视三维显示至关重要。传统的自体视三维显示通常采用空间分割的方式实现，这将不可避免的产生分辨率下降的问题。采用时分复用方式实现的指向型背光源可实现高分辨率的三维显示，但涉及串扰大等问题。

来自浙江大学的研究人员提出了一种基于多指向型背光源的便携式自由立体三维显示系统，采用体全息光学元件（Volume holographic optical element, VHOE）的布拉格不匹配重建方式，对一列LED光源进行方向调控，并结合人眼追踪系统搭建了自体视三维显示装置，相较于其他方法，该方法可实现高分辨率、低串扰、具有运动视差的三维图像。该研究近期发表于美国光学学会Optica旗下老牌期刊《Optics Express》。

技术路线

研究背景 目前自体视三维显示主要分为多投影光场显示，集成成像显示，矢量光场显示，指向型背光显示。多投影光场显示可提供高分辨率，大视场角的三维图像，但其需对多投影机精确校准，且系统体积较大。集成成像显示和矢量光场显示均可采用液晶屏来实现轻薄的显示系统，但受限于液晶屏的像素数，空间分辨率和视场角将相互制约，全分辨率的三维图像更是难以实现。指向型背光三维显示可提供全分辨率图像，其使用时分复用技术，在微棱镜薄膜等角度调制器件和高帧率的液晶显示屏的协同作用下，将具有左右视差的图像分别传递到左右眼，在人眼的视觉暂留范围内，观看者可观察到立体图像。但微棱镜薄膜对光线的调控能力有限，很难实现对光源的精确调控，并产生多个方向的光束。因此，指向型背光三维显示系统的串扰较大，且缺乏运动视差。
     技术方案 该研究提出了利用VHOE的布拉格不匹配重建实现多指向型背光源的方法，并通过多指向型背光源、液晶屏和人眼追踪系统的协同作用，时序地为观看者提供视差图像。多指向型背光源包括一列可独立控制的LED光源、柱透镜、VHOE和菲涅尔透镜。当人眼追踪系统获取人眼位置后，LED阵列中将有相应的LED点亮，出射光束经柱透镜准直、VHOE衍射、菲涅尔透镜会聚后，传递到人眼位置。该研究提出了两种不同结构来实现多指向型背光源，如图1所示。

图1. 多指向型背光三维显示系统的结构图，（a）棱镜型三维显示系统，（b）波导型三维显示系统

第一种为棱镜型，其采用棱镜来引导光束，VHOE贴在棱镜倾斜面上。该结构装置简单，容易制备，但厚度受限于液晶屏的尺寸。第二种为波导型，光束在波导中传播，VHOE贴在波导底部，且波导和VHOE之间镀有半透半反膜。光束在传播过程中，部分光束透射到VHOE中并衍射出波导，部分光束继续在波导中传播，直至下次传播到半透半反膜处重复上述过程。该结构可降低多指向型背光源的厚度，且不受液晶屏尺寸影响。

多指向型背光三维显示系统中VHOE的制备光路如图2所示，VHOE由柱面光束和定向扩散光束曝光而成。在波导型VHOE的制备中同样需采用半透半反膜来扩大曝光面积，同时，为了消除参考光束在传播过程中递减产生的影响，研究采用预曝光的方式来制备VHOE，并实现均匀出射。随后，将制备得的VHOE分别添加到棱镜型和波导型三维显示中。

图2. 曝光光路图（a）棱镜型VHOE，（b）波导型VHOE

图3为棱镜型多指向背光源的实物图及相关结果。在添加小角度扩散屏后，棱镜型多指向型背光源在中心视场和边缘视场均具有较好的均匀度，多指向背光源的平均串扰值仅为2.75%，且密集的视点分布保证了平滑的运动视差。图4展示了棱镜型三维显示系统在不同视场处的全分辨率图像。

图3. 棱镜型多指向背光源实验装置图及其相关结果图

图4. 棱镜型三维显示系统在不同视场处的显示图像

图5为波导型多指向背光源的实物图及相关结果。在添加小角度扩散屏后，波导型多指向型背光源仍保持了较好的均匀度，背光源的平均串扰值增加到5.55%，但当更换光源为光学扩展量较小的LD光源时，背光源的平均串扰值可降低至2.41%。图6展示了波导型三维显示系统在不同视场处的显示图像。

图5. 波导型多指向背光源实验装置图及其相关结果图

图6. 波导型三维显示系统在不同视场处的显示图像

技术小结 该研究提出了多指向型背光三维显示系统，其多指向型背光源是基于VHOE的布拉格不匹配实现的，该光源可根据人眼追踪系统的反馈，提供指向人眼位置的光束。就实验效果而言，其在三维图像帧率的提高、彩色图像的显示方面仍需要进一步的研究。该方法改善了指向型背光三维显示系统所存在的串扰大，平滑运动视差较难实现的问题，相信可为提高自体视三维显示的成像质量提供新思路。

论文信息：

• Ziyin Li, Chen Gao, Haifeng Li, Rengmao Wu, and Xu Liu, "Portable autostereoscopic display based on multi-directional backlight," Opt. Express 30, 21478-21490 (2022)
  

技术详见：

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-12-21478&id=476254

*该技术分享所涉及文字及图片源于发表论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

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