前沿进展 | 利用像素化交错多级衍射透镜极大扩展裸眼3D显示观察距离

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，苏州大学陈林森研究员、乔文教授研究团队设计了一种利用多级衍射的长焦深平面透镜，在红光(658 nm)、绿光(532 nm)、蓝光(450 nm)下均有良好的聚焦效果。根据向量光场3D显示理论，将像素化交错衍射透镜阵列与液晶面板结合(如图1所示)，实现了具有连续运动视差、大观看距离范围、高光效率的裸眼3D显示器。该系统结构紧凑，在移动电子显示终端具有良好应用前景。

该成果以" Vector light field display based on an intertwined flat lens with large depth of focus "为题于3月10日发表在Optica上。

图1 向量光场3D显示示意图

2022 | 前沿进展

02 研究背景

作为人类获取信息的主要来源之一，视觉在日常生活中显得尤为重要。裸眼3D显示无需佩戴任何外置设备就能展现第三维度(深度)的信息，在影视、游戏、教育、车载、航空、医疗、军事均有着巨大的应用价值，被誉为“下一代显示技术”。然而，现有裸眼3D显示的还存在不少问题。诸如有限的观看距离、不连贯的运动视差、重复性的视点分布以及辐辏调节矛盾易引起晕眩等问题的出现，很大程度上制约了3D显示的进一步发展与推广，难以被广大消费者接受。

传统裸眼3D显示的实现方法往往利用了微透镜阵列或柱透镜阵列的成像性质（集成光场显示），因此其观看距离受制于微透镜的焦深。得益于微纳光学的发展，基于微纳结构的衍射光学元件以其轻薄性、对光场调控自由度高等特点，为科研工作者提供了一项变革性的技术手段。观看距离作为衡量3D显示系统的重要参数之一，很大程度上影响了基于衍射光学的裸眼3D显示在市场的推广与应用。光栅作为较为常用的衍射元件是课题组研究团队一开始所尝试的研究方案(https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100773)，虽然获得了较好的3D显示效果，但是光效率不足是课题组所需要解决的重要问题。

03 研究创新点

研究人员首先设计了一种多光谱长焦深薄膜透镜。研究团队针对三个中心波长，设计薄膜透镜中每个菲涅尔环带的形貌分布，实现了薄膜透镜焦深的扩展延伸，在20~110 mm范围均清晰成像。进一步地，设计并制备了具有四视点的像素化交错薄膜透镜阵列，作为3D显示的视角调控面板。在白色LED准直面照明下，视角调控面板实现了24~90 cm超长焦深的4个白色会聚视点（图2）。实验结果显示其串扰低于26%，光利用率达82%。与液晶面板（实验中采用Iphone5液晶屏幕）进行像素级对准贴合，实现了高光效的全彩3D显示效果，如图3所示。

图2 四视点视角调制板显示性能

图3 彩色3D显示实验验证

04 总结与展望

传统几何光学，其透镜受数值孔径和波长限制，焦深难以展宽。微纳光学的发展为研究人员研制超长焦深的薄膜透镜阵列提供了一种全新的设计思路。研究团队通过优化薄膜透镜的微结构分布，在获得高质量成像性能的前提下，扩展了薄膜透镜的焦深。基于超长焦深薄膜透镜阵列研制的向量光场3D显示屏，在准直光下形成会聚视点，实现了具有良好运动视差、高光效、大观看范围的全彩色3D显示。该研究成果在消费电子领域具有应用潜力，有望为消费者及厂商带来“3D模式盛宴”（图4）。苏州大学光电科学与工程学院陈林森研究员及乔文教授是该工作的通讯作者。博士研究生周冯斌、硕士研究生周峰是该工作的共同第一作者。

图4 彩色3D图像视频演示(Visualization)

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.439613

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编辑 | 方紫璇

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