進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，3D 顯示技術(shù)迅速發(fā)展，在科研教育、醫(yī)療診斷和軍事演習(xí)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。特別是裸眼 3D 顯示技術(shù)，觀眾不需要佩戴助視設(shè)備即可體驗逼真的 3D 效果，也為當(dāng)下火熱的元宇宙、智慧城市等概念提供了技術(shù)支撐。在眾多裸眼 3D 技術(shù)中，集成成像 3D 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠直接嫁接在現(xiàn)有的 2D 顯示器上，減少開發(fā)成本，是最被市場所看好的裸眼 3D 顯示技術(shù)之一。

集成成像技術(shù)由諾貝爾獎獲得者李普曼在 1908 年提出，通過微透鏡陣列將 3D 場景不同角度下的視差信息記錄在圖像傳感器上，再傳輸給 2D 顯示器顯示，根據(jù)光路可逆原理，3D 場景的視差信息會通過微透鏡陣列再現(xiàn)出來，真實的還原出 3D 圖像。眾所周知，3D 場景的光場數(shù)據(jù)量大，而 2D 顯示器的空間帶寬積有限，這就導(dǎo)致 3D 圖像的分辨率、視角和景深之間相互制約。如何突破這種制約？在不損失視角和景深的前提下，提升 3D 分辨率，是目前 3D 顯示技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

圖1：集成成像技術(shù)原理

近日，四川大學(xué) 何偉 碩士生、鄧歡 教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄、中文核心期刊）發(fā)表了題為“基于回返器和反射偏振片的分辨率增強(qiáng)集成成像 3D 顯示器”的學(xué)術(shù)文章。該文章剖析了集成成像 3D 顯示性能的制約因素，提出偏振復(fù)用技術(shù)突破常規(guī) 2D 顯示器的空間帶寬積限制，實現(xiàn)集成成像 3D 分辨率的提高。文章介紹了偏振復(fù)用的原理，剖析了回返器和反射偏振片等核心元件的結(jié)構(gòu)和功能，闡述了高分辨率 3D 片源的生成方法。

1. 何為偏振復(fù)用？

自然光中包含著不同的偏振態(tài)光線，通過光學(xué)器件將不同偏振態(tài)的光分離出來，對每種偏振態(tài)光進(jìn)行獨(dú)立的光場調(diào)控，達(dá)到偏振復(fù)用的效果。隨著反射偏振片、液晶透鏡和幾何相位透鏡等偏振光學(xué)器件的出現(xiàn)，讓偏振復(fù)用技術(shù)在顯示領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。

圖2：偏振狀態(tài)分離

2. 偏振復(fù)用 3D 分辨率提升

從 2D 顯示屏出射的光線被反射偏振片分離成兩組偏振方向互相正交的偏振光，并向不同的方向傳播，隨后分別經(jīng)由回返器反射，在鏡面對稱的成像面上重疊。通過調(diào)節(jié)兩個反射偏振片的間距，使得兩組偏振光的像素分別在水平和豎直方向上錯位 1/2 像素，實現(xiàn)像素光線的錯位疊加。

圖3：偏振復(fù)用 3D 顯示系統(tǒng)光路（圖源：液晶與顯示, 2022, 37(5): 557. Fig.1）

兩組偏振光分別攜帶偏振片源，疊加后生成高分辨率 3D 片源，完成 3D 片源的偏振復(fù)用。根據(jù)疊加的 3D 片源和兩個偏振片源的之間的像素索引關(guān)系，可由疊加的 3D 片源的像素值計算出偏振片源的像素值。

圖4：3D 片源的偏振復(fù)用

疊加后的 3D 片源像素尺寸為 2D 顯示器像素尺寸的 1/4，像素數(shù)約為 4 倍，可以實現(xiàn)更精密的光場調(diào)控。疊加后的高分辨率 3D 片源經(jīng)過透鏡陣列實現(xiàn)方向性調(diào)制，保證 3D 視角和景深的前提下，在空間中重構(gòu)出更多體素的高分辨率 3D 圖像。

圖5：偏振復(fù)用 3D 分辨率增強(qiáng)

以上研究表明，偏振復(fù)用為提高集成成像 3D 顯示分辨率提供了一種新思路。在 2D 顯示器固有的空間帶寬積條件下，增加 3D 片源的可控光線數(shù)，有效的提升 3D 圖像的分辨率，為實現(xiàn)高分辨率集成成像 3D 顯示提供更多的可能。

| 論文信息 |

何偉，李強(qiáng)，郭兆達(dá)，鄧歡. 基于回返器和反射偏振片的分辨率增強(qiáng)集成成像3D顯示器[J]. 液晶與顯示, 2022, 37(5): 555-561.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0017

| 通訊作者簡介 |

鄧歡，四川大學(xué)電子信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2012 年 6 月于四川大學(xué)獲得光學(xué)工程博士學(xué)位，四川省優(yōu)博。主要致力于裸眼光場 3D 顯示、集成成像、AR 顯示、3D 視覺健康等領(lǐng)域的研究。獲得中國電子學(xué)會技術(shù)發(fā)明一等獎、教育部技術(shù)發(fā)明二等獎、軍隊科技進(jìn)步二等獎，主持國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項目課題、面上項目、青年基金等。在 Optics Express, Photonics Research 等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 30 余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利 30 余件。
E-mail：huandeng@scu.edu.cn

監(jiān)制 | 張瑩，趙陽

編輯 | 趙唯

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