纳米全息显示技术为移动显示提供全新三维体验丨CellPress对话科学家

面向移动显示设备的高品质3D显示效果的构建，一直是研发者的重点研究内容。全息显示作为波前再现技术，能提供无视觉疲劳的三维体验。然而，受现今材料和器件限制，全息显示在动态、彩色、视场角和分辨率等特性上无法满足需求。

针对这一难题，苏州大学陈林森、乔文团队在Cell Press细胞出版社旗下交叉学科期刊iScience上发表论文，介绍了采用变周期、变取向的像素化metagrating调制3D光场相位的新方法，重建会聚光场视点，获得了无视觉疲劳、宽视场、彩色的三维体验效果。该系统结构紧凑，有望应用于移动显示设备。

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传统3D显示技术采用周期结构调制光场，易引起图像串扰和辐辏调节矛盾等问题，视觉体验感不佳。为此，研发团队创新性的提出，采用四变量可变的像素化metagrating调制3D图像位相信息，结合全息取样显示方法，再现会聚视点。在位相分布不变的情况下，刷新图像振幅信息，大幅减小了数据处理量。进一步地，结合彩色滤光片实现了无视觉疲劳的彩色3D显示。

团队理论计算了会聚视点再现角间隔与像素化metagrating周期和取向变化的关系。像素内结构变化精度达到亚纳米级才能形成会聚视点。例如，为获得0.7°的视角间隔，metagrating周期调控精度需达到0.12nm。为了攻克亚纳米精度metagrating的制备难题，研究团队自主研制了紫外连续变频纳米光刻系统，制备了含不同metagrating结构参数的视角调制板。

为了进一步验证metagrating对3D光场调制的正确性，研究团队将视角调制板与液晶屏幕结合。在LED光源的照明下，实现了16个视角的精确调制，得到了视场角为50°的真彩色3D显示效果，重现3D图像具有连续平滑的运动视差。

为了提高3D显示体验效果，研究团队设计并制备了紧密连续取样视点的metagrating像素结构，再现连续3D光场的波前信息，重现了单色和彩色的3D光场信息。利用相机模拟单个眼睛调焦过程时发现，投影在不同深度的彩色字母与真实物体的深度信息一致，攻克了以往3D显示中的辐辏调节矛盾这一国际难题。

为了阐释该技术应用可行性，研究团队还制备了幅面达32英寸的视角调制板。结合液晶屏幕，再现了32个连续会聚视角，视场角达96°，可满足多用户观看需求。

综上，该研究团队提出的基于像素化metagrating的全息采用3D显示技术与平板显示结合，实现了具有运动视差的宽视角彩色动态3D显示，并解决了3D显示中辐辏调节矛盾引起的视觉疲劳。此外，该器件结构轻薄，易于批量复制，为今后在移动显示设备上实现高品质3D效果提供了全新解决方案。

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者陈林森研究员代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

作者专访

Cell Press：未来，这种面向移动设备的高品质3D显示技术将会被如何应用？请您具体举例说明。

陈林森研究员：此技术可结合现今的移动终端设备，例如手机、平板等，帮助其实现三维显示功能。例如，和家人视频通话，对方能够跳出屏幕与您互动，亦或查找位置信息时，立体的交通实况图呈现在您的面前。

Cell Press：对于当下十分火热的AR/VR+来说，此项技术将如何助力其升级？

陈林森研究员：该项技术可解决近眼显示中的辐辏调节矛盾问题，帮助其提升3D视觉体验效果。

Cell Press：研究过程中遇到了哪些困难？是如何攻克的？

陈林森研究员：研究过程中需要解决三点难题：1.全息抽样显示中metagratings的设计问题。为实现会聚视点重建，每个像素的周期与取向都要逐一设计。我们为此定义了匹配的数据处理和传输格式；2.像素化metagratings的制备问题，为了保证紧密连续取样视点的再现，metagrating的周期变化精度达亚纳米级，比如，制备一幅5.5inch幅面的metagrating，即使用最快的电子束光刻EBL，无论是数据处理量还是光刻本身，都是极耗时的，这对制备提出了新的挑战，为此，我们采用一种称为“连续变频紫外纳米光刻系统”的设备，高效的完成了多种尺寸metagrating器件的制备，该光刻设备是自主研发的；3.与现今显示面板结合实现真彩色显示，需要解决metagratings的色散问题，为此，我们结合彩色滤光片，并对RGB三色分别设计metagratings结构参量，保证了对会聚光场颜色调控的准确性。

Cell Press：本研究中使用了哪些新的技术？

陈林森研究员：科研的重要进展离不开先进仪器和原创设施的支撑。对先进制备和检测设备平台的研究与追求，是取得高质量研究的基石，新型裸眼3D显示是否能率先实现，前提是要有独特的先进手段。本研究基于自主研发的像素化直写的混合光刻系统，每秒钟可光刻超过5000个像素metagrating，从而将周期精确可调的metagratings应用于全息抽样显示中，在保证对光场位相信息调制的同时，刷新振幅信息，大幅减小数据量，理论上可再现任意形式的光场，满足不同显示范围的应用。

Cell Press：基于此项成果，后续研究还有哪些工作将要进行？您的团队下一步的研究方向如何？

陈林森研究员：裸眼3Ｄ显示屏的光效和视场角的进一步提升、指向性平面照明板的设计与集成，以及相关的metagrating的纳米光刻与压印工艺，使之符合移动显示终端更低耗能和更好3Ｄ观察体验的需求，这些都是未来的重点研究工作。我们很有信心取得更好的研究进展。

论文通讯作者介绍

关于 陈林森 研究员

博导/研究员。2001年创立苏州苏大维格光电科技股份有限公司并担任董事长，从事微纳光学与柔性制造研发、生产与销售，公司于2012年深交所A股创业板上市。相关专利对微纳柔性制造领域的核心技术方法和功能材料设计与制造提供了框架性的布局，涉及微纳制造基础方法、新型微纳直写光刻装置、柔性纳米加工系统、新颖微纳柔性光电材料与方法、衍射光变印刷材料、纳米AR增强现实和3D图像与显示等领域。获中国专利奖（4项，其中2项为第一发明人），江苏省优秀专利金奖1项，国家科技进步二等奖（2项，主持人），江苏省科学技术一等奖（3项，主持人）和首届江苏省企业技术创新奖、教育部优秀科技成果技术发明二等奖等奖项。

关于 乔文 副教授

特聘副教授。2013年毕业于美国加州大学圣迭戈分校，获工学博士学位。2014年加入苏州大学，主要从事微纳光学、微纳制造、微纳传感技术等研究。先后主持中国国家自然科学基金项目2项，全军共用信息系统预研（基础类项目）项目1项，江苏省前沿引领技术基础研究专项课题1项，主持项目经费总额超过1000万元。已发表论文30余篇，其中包括《Advanced Material》、《Lab on aChip》、《Journal of Materials Chemistry C》、《Optics Express》、《Applied PhysicsLetters》等国际知名学术期刊。多次在国际国内会议上作邀请报告。先后参与撰写专业书籍章节4篇，申请中国发明专利近50项，授权中国发明专利8项。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Holographic Sampling Display Based on Metagratings

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30518-8

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100773

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