三维（3D）显示是指采用光学、图像处理和计算机等各种技术手段模拟实现人眼的立体视觉特性，将空间物体以 3D 信息再现出来，呈现出具有纵深感的立体图像的显示方式。近些年来，3D 显示技术发展迅猛，已广泛应用于科技、教育、医学、军事和娱乐等领域，在国民经济发展中的重大战略意义与经济前景日益凸显。3D 显示是当前发展的重要前沿技术之一，其新技术不断涌现。随着高分辨率 2D 显示屏和相关技术的进步，3D 显示器的性能也在不断提升。在众多 3D 显示技术中，光场裸眼 3D 显示技术解决了眩晕等立体观看中的视疲劳问题，其实用化指日可待，特别将为元宇宙提供重要的显示设备。

基于此背景，北京航空航天大学王琼华教授（SID Fellow）组织了“3D 显示技术及应用”这一专刊，围绕光场 3D 显示、多视点 3D 显示、全息 3D 显示、近眼显示和 3D 交互等内容进行原创成果的展示和研究进展的专题综述。

在光场 3D 显示方面，高鑫等人提出了基于预处理卷积神经网络提升 3D 光场显示视觉分辨率的方法，展示了 70 度视角的光场显示效果；邓欢等人提出了基于回返器和反射偏振片的分辨率增强集成成像 3D 显示器，改善了显示器的黑网格效应；乔文等人综述了基于微纳光子器件的光场裸眼 3D 显示技术，并总结了阻碍其走向实际应用的两大瓶颈问题；于迅博等人提出了一种裸眼 3D 显示中的多视点校正方案，解决了空间视点分布和采集分布不匹配的问题；闫兴鹏等人提出了宏透镜阵列位置误差度量与校正方法，改善了成像质量；吕国皎等人提出了基于掩膜板阵列的消串扰集成成像 3D 显示方法，有效提升了集成成像 3D 显示的观看体验。

在多视点 3D 显示方面，李海峰等人提出了基于多指向型背光源的 3D 显示系统，实现了低串扰、全分辨、多视点的 3D 显示效果；于迅博等人提出了一种视点均匀分布的桌面式光场显示系统，改善了视点间的串扰问题。

在全息 3D 显示方面，曹良才等人综述了基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法，并总结了波前编码算法的侧重方向；桑新柱等人提出了基于数字微镜器件的高分辨率计算全息显示，实现了大尺寸高分辨率的动态全息显示效果；李勇等人提出了基于数字化全息的虚实混合场景动态三维显示，实现了 30 帧/秒的彩色动态全息三维显示。

在近眼显示和 3D 交互方面，王梓等人综述了视网膜投影显示技术的研究进展，并对其未来的前景进行了展望；滕东东等人提出了基于时序-偏光特性条状近眼孔径的超多视图 3D 显示，实现了大视角无闪烁 3D 显示；王琼华等人提出了基于 Leap Motion 手势识别的悬浮真 3D 显示实时交互系统，实现了 30 帧/秒的交互帧率。

以上一系列 3D 显示技术及应用研究成果的展示，希望能为广大 3D 显示领域同行提供借鉴，带来一些有益的启发，同时希望能推动 3D 显示的技术进步和应用推广。总而言之，3D 显示作为新型显示技术，是未来显示技术发展的必然趋势，随着诸如高分辨率 2D 显示屏、平面液晶光学器件和超表面透镜等硬件的不断升级，以及人工智能等计算机技术的迭代更新，3D 显示将产生更多新的成果并且推动其应用的普及，届时全真再现人眼所见 3D 世界的梦想将成为现实。

吴诗聪

美国中佛罗里达大学飞马教授

美国发明家学院首批院士

Optica/IS&T Edwin H. Land medal (2022)获得者

SPIE Maria Goeppert-Mayer award (2022)获得者

《液晶与显示》编委

  本期专刊 目录  

基于预处理卷积神经网络提升 3D 光场显示视觉分辨率的方法

作者：于迅博, 李涵宇, 高鑫, 桑新柱, 颜玢玢, 粟曦雯, 温旭东, 徐斌, 王越笛

摘要：3D 光场显示技术因具有较大的观看视角、密集的观看视点而被研究学者们关注。分辨率是 3D 光场显示技术的一个重要参数，提升分辨率的方法较为复杂，因此研究学者们开始关注视觉分辨率。为了提高 3D 光场显示的视觉分辨率，提出了一种基于深度学习获取预处理基元图像阵列（PEIA）的方法。在光场显示的成像过程中，透镜的像差会使成像平面上形成弥散斑。弥散斑之间的交叠区域可以被视为新的视觉像素，并被用作额外的信息载体。一个分辨率增强的卷积神经网络（CNN）被用来从高分辨率基元图像阵列（HEIA）中获取 PEIA，将 PEIA 加载到 LCD 上，经过透镜阵列的光学变换和定向扩散膜的扩散作用，呈现出具有视觉分辨率增强的 3D 光场显示图像。在实验中，通过使用 PEIA、透镜阵列以及定向扩散膜，展示了一个具有 70° 视角的光场显示，并提高了视觉分辨率。

关键词：3D 光场显示; 深度学习; 卷积神经网络; 视觉分辨率

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基于回返器和反射偏振片的分辨率增强集成成像 3D 显示器

作者：何伟, 李强, 郭兆达, 邓欢

摘要：随着 3D 显示被应用到军事医疗等尖端领域，高分辨率的 3D 图像变得尤为重要。然而，集成成像的 3D 显示性能受制于 2D 显示屏的分辨率。为了突破 2D 显示屏的分辨率限制，本文提出了基于回返器和反射偏振片的集成成像3D显示装置。该装置将显示器上的微图像阵列（elemental image array，EIA）通过反射型偏振片分离成偏振方向正交的两束光线，回返器、四分之一波片和反射型偏振片分别将两束偏振光反射，并沿着像素的对角线方向以 2–√/22/2 个像素错位叠加，形成一个具有更小像素单元和更多像素数量的高分辨率 EIA。根据两个偏振 EIA 和叠加的高分辨率 EIA 之间的像素索引关系，反向计算出偏振 EIA 的像素值。实验结果表明，该系统不仅可以重构出高分辨率的 3D 图像，还减弱了像素间的黑网格。

关键词：分辨率增强; 集成成像; 偏振复用; 回返器; 反射偏振片

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基于微纳光子器件的光场裸眼 3D 显示技术

作者：夏仲文, 华鉴瑜, 陈林森, 乔文

摘要：裸眼 3D 显示是“元宇宙”的入口，是可以重新定义人机交互方式的变革性技术。经过百余年发展，裸眼 3D 显示已取得显著进步，但仍然存在视场角小、分辨率下降严重、运动视差受限和视疲劳等问题。光场裸眼 3D 显示本质上是多视角光场调控技术和方法研究。最近研究表明，微纳光子器件（衍射光栅、衍射透镜、超表面等）对光的强度、相位、偏振等参量具有灵活而精确的调控能力，有望解决裸眼 3D 显示长期存在的难题。然而，数英寸至上百英寸显示幅面的微纳光子器件在设计与制备层面都面临巨大挑战。本文具体分析了基于几何光学的裸眼 3D 显示局限性，从器件设计和微纳制备两方面详细介绍了基于平面光学的裸眼 3D 显示最新研究进展。最后总结了裸眼 3D 显示的未来发展方向和潜在应用领域。

关键词：裸眼 3D 显示; 视角调控; 微纳光子器件; 光场显示; 微纳制造

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一种视点均匀分布的桌面式光场显示系统

作者：徐斌, 于迅博, 高鑫, 桑新柱

摘要：基于视点分段式体像素的桌面光场显示系统具有正面观看视区以及 100° 超大视角，能够显示具有全视差的高质量三维图像。但是，该系统还存在所构建的视点在空间分布不均匀的问题，观看视区中间区域视点分布密集，两边区域视点分布稀疏，使得显示的三维图像出现透视关系不正确以及视点间的串扰等问题，影响显示质量。本文通过对系统视点的构建过程进行分析，发现造成视点分布不均匀问题的原因是系统采用的柱透镜存在像差，导致出射光线无法会聚于一点，而是形成一个弥散斑。因而，为了均匀系统视点分布，本文提出了采用对透镜进行光学优化的方法以减小像差，并设计了一种非球面透镜。最终通过实验验证了方法的可行性，系统视点分布的均匀度由 39.32% 提升至 98.39%，显示图像透视关系不正确以及视点间的串扰等问题得到了有效改善。

关键词：光场显示; 电子沙盘; 视点分布; 非球面透镜

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大幅面集成成像显示系统中宏透镜阵列位置误差度量与校正

作者：毛岩, 燕展, 刘新蕾, 荆涛, 黄应清, 蒋晓瑜, 闫兴鹏

摘要：在大幅面集成成像显示系统中，宏透镜阵列位置误差会严重影响成像质量。宏透镜阵列位置误差可以分为轴向位置误差和横向位置误差，理想情况下汇聚于重构点的像素在位置误差作用下将不再汇聚，这些像素将在其他点处成像。本文利用重构点到这些点的距离的平均值和方差对位置误差的大小进行了度量，并讨论了宏透镜阵列轴向位置和横向位置的测量方法，给出了宏透镜阵列轴向位置误差和横向位置误差的校正方法，从而缓解了宏透镜阵列位置误差对成像质量的影响，提高了显示效果。

关键词：三维显示; 集成成像; 宏透镜阵列; 误差校正

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基于掩膜板阵列的消串扰集成成像 3D 显示方法

作者：邓慧, 吕国皎, 杨梅, 赖莉萍

摘要：随着立体显示技术的不断发展，集成成像三维（three-dimensional， 3D）显示技术受到广泛的认可，但普遍存在的视觉串扰现象严重影响其立体观看效果。为了减小集成成像中相邻图像元间的串扰光线，提高观看舒适度，本文提出了一种基于掩膜板阵列的消串扰集成成像 3D 显示方法。该方法通过特定参数设计的掩膜板阵列，能有效阻挡相邻图像元间的光线，从而消除视区串扰现象，且结构简单，易于制备。文中分析了集成成像 3D 显示视区分布关系，以及无串扰立体视区范围和立体观看视角大小，详细阐述了基于掩膜板阵列的消串扰集成成像 3D 显示方法的设计原理和结构，并通过实验验证了该显示方法能有效阻挡相邻图像元间的视区串扰。随着观看视角逐渐增大，串扰图像逐渐被阻挡直至全部消失，有效提升了集成成像 3D 显示的观看体验。

关键词：三维显示; 集成成像; 掩膜板阵列; 串扰消除

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基于多指向型背光源的三维显示系统

作者：李子寅, 李海峰, 刘旭

摘要：为了实现低串扰、全分辨、多视点的三维显示效果，搭建了多指向型背光源的三维显示系统。本系统由人眼追踪模块获取双目位置并反馈到多指向型背光源和液晶显示屏，多指向型背光源和液晶显示屏协同时序产生快速切换的左右眼视差图像。由于人眼的视觉暂留效应，观看者可感知到三维图像。多指向型背光源主要由一列柱面光源和体全息光学器件实现，不同柱面光源经体全息光学器件将产生不同方向的衍射光束。为了改善本系统显示不均匀现象，提出了双 LED 式和扩散屏式两种方法。实验结果表明：本系统可提供全分辨的三维图像，且均匀度提高至 80%，平均串扰值低至 2.75%，实现了 25 个显示视点，满足了三维显示对串扰、分辨率、均匀度等方面的要求，观看者的视觉体验大幅提升。

关键词：三维显示; 多指向型背光源; 全息光学元件

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一种裸眼 3D 显示中的多视点校正方案

作者：李宁驰, 于迅博, 高鑫, 颜玢玢, 桑新柱, 温旭东, 徐斌

摘要：在裸眼 3D 显示中，传统的多视点采集方式为均匀采集。研究表明，因柱透镜光栅存在畸变，所以显示器构建的视点分布并不均匀，进而导致显示器视点和采集视点不匹配，产生了视点图像错位、透视关系错误等问题，影响最终的观看体验。针对上述问题，本文提出了一种多视点图像分布校正方案，该方案由一种视点筛选算法和中间视点生成网络构成：结合空间视点真实分布规律，针对均匀采集的多视点图像进行视点筛选，以指导中间视点预测网络生成对应位置的虚拟视点，使之匹配显示器构建视点位置。实验证明该方案为显示器视点填充了正确的视差图，有效地解决了显示器空间视点和采集视点的位置不匹配问题，提升了光栅立体显示器的观看质量。

关键词：裸眼 3D 显示; 光流; 多视点; 视点校正

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基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法

作者：隋晓萌, 何泽浩, 曹良才, 金国藩

摘要：波前编码过程将计算全息所得的复振幅波前变换为与显示器件匹配的调制函数，是计算全息显示的关键技术之一。现有的计算全息显示器件大多只能实现单一振幅或单一相位调制，因此需要将复振幅波前编码为相应的振幅型或相位型全息图。本文围绕基于液晶空间光调制器的计算全息显示，综述了相位优化编码与复振幅转化编码的基本原理与算法步骤，分析了常见的波前编码方案框架，针对不同编码方法的适用范围进行讨论，为计算全息图波前编码提供方法选择参考。

关键词：波前编码; 三维显示; 计算全息; 液晶空间光调制器

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基于数字微镜器件的高分辨率计算全息显示

作者：李会, 桑新柱, 仲崇力, 秦秀娟, 王葵如, 颜玢玢

摘要：针对基于数字微镜器件的全息显示分辨率受限的问题，提出了一种大尺寸、高分辨率计算全息显示方法。本文利用计算机渲染或相关变换方法生成高分辨率输入图像，利用菲涅尔衍射算法和傅立叶变换并行计算提升全息图的分辨率，根据数字微镜器件特性进行衍射图像的时空复用与动态融合，有效提升计算全息显示的分辨率与动态效率。实验结果表明，该方法可实现大尺寸、高分辨率的动态全息显示效果，突破了数字微镜器件固有的像素数目及分辨率限制，使用像素分辨率为 2K  的数字微镜器件可显示 8K 甚至更高分辨率的重建图像，尺寸可以达到 82 mm 甚至更大。

关键词：计算全息; 数字微镜器件; 高分辨率全息; 动态全息

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基于数字化全息的虚实混合场景动态三维显示

作者：李勇, 何良波, 詹建东, 黄凯

摘要：提出了一种数字全息图（DH）与计算机制全息图（CGH）结合的虚实混合场景全息三维显示方法。首先采用无透镜傅里叶变换数字全息图记录真实场景三维信息。接着根据空间光调制器像素间距对 DH 进行采样频率变换。然后在频域对变换后的 DH 进行高通滤波及场景的缩放、面内旋转、平移等操作。最后采用双极强度法计算虚拟场景的 CGH。计算中，将处理后的 DH 作为双极强度叠加的初始值，从而实现了真实和虚拟场景全息图的融合。搭建彩色动态全息三维显示系统对提出的方法进行了实验验证。对商用反射式液晶 4 K 投影仪进行了改造，实现了 30 fps 的彩色动态全息三维显示。实验结果表明所提出的方法实现了 DH 和 CGH 的高效融合，为虚实混合场景动态全息三维显示提供了一种有效途径。

关键词：三维显示; 计算机制全息图; 数字全息图; 空间光调制器; 虚实场景融合

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视网膜投影显示技术研究进展

作者：张旭, 王梓, 屠科锋, 陈涛, 庞煜剑, 吕国强, 冯奇斌

摘要：近眼显示器可将数字世界与物理世界无缝融合，有望成为下一代增强现实显示终端。视网膜投影显示（Retinal projection displays，RPD）技术因其具有无辐辏-聚焦冲突、高光效、大视场等优点，是近眼显示领域的研究热点之一。本文回顾了 RPD 技术的发展，阐述了 RPD 的基本工作原理，综述了 RPD 及其出瞳拓展方面的最新进展，并对其未来的前景进行了展望。未来通过结合全息波前调控与全息光学元件（HOE）的优点，有望实现大出瞳、高系统自由度的轻薄化 RPD 近眼显示。  

关键词：近眼显示; 增强现实; 视网膜投影; 出瞳拓展

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基于时序-偏光特性条状近眼孔径的超多视图三维显示

作者：范海震, 叶秋, 黄海坤, 刘立林, 滕东东

摘要：通过沿排列方向间距小于观察者瞳孔直径的 4 个近眼条状液晶光阀，时序投射各两个视图分别至观察者不同瞳孔，可以基于超多视图实现无聚焦-辐辏冲突的三维显示。但是，一方面，显示频率仅 30 Hz，带来闪烁效应；另一方面，条状孔径沿排列方向的小尺寸，严重限制通过该孔径所能观察到场景的视角。本文设计了同时具有时序和偏光特性的近眼条状液晶光阀，并排列各眼对应条状液晶光阀沿观察者双目连线的垂直方向，利用相邻多个液晶光阀所观察到拼合图像相对于仅通过一个液晶光阀所观察场景的视角扩展，基于时序复用和偏光复用的结合进行显示视角的扩展。实验中，将该时序-偏光特性液晶光阀构建为双目眼镜，利用偏振分束器将两台 240 Hz 电脑显示屏构建形成一个等效正交偏振特性显示屏，两者对应同步刷新显示，实现了对角线视角达 70° 的超多视图三维显示，离焦模糊效应验证了显示场景的自然聚焦能力。  

关键词：3D; 聚焦-辐辏冲突; 超多视图

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基于 Leap Motion 手势识别的悬浮真 3D 显示实时交互系统

作者：林星雨, 邢妍, 张汉乐, 王琼华

摘要：提出基于 Leap Motion 手势识别的悬浮真 3D 显示实时交互系统，可实现对多个悬浮 3D 图像的独立交互。系统由显示和交互两个模块组成，显示模块利用集成成像 3D 显示屏再现 3D 图像，再通过二面角反射镜阵列实现悬浮真 3D 显示；交互模块通过 Leap Motion 识别手部各关节空间位置，提取手势信息并判断用户操作意图，利用提出的通道机制，独立改变 3D 场景内多个物体的空间坐标，渲染对应的 3D 片源并刷新，完成实时悬浮真 3D 显示交互，构成人机交互闭环系统。实验结果表明，该系统在 3840×2160 分辨率下，可实现 30帧/s 的交互帧率。所提系统通过预设手势可实现多物体的独立实时交互，提高了交互自由度。  

关键词：悬浮 3D 显示; 集成成像; 人机交互

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专刊客座主编介绍

王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授/博士生导师、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国际信息显示学会会士（SID Fellow）、中国物理学会液晶分会副主任、中国图象图形学学会三维成像与显示副主任委员，Journal of the Society for Information Display 等国际期刊 Associate Editor 和《液晶与显示》等期刊编委。1992 年、1995 年和 2001 年于电子科技大学先后获得学士、硕士和博士学位，1995-2001 年在电子科技大学任助教、讲师和副教授，2001-2004 年在美国中佛罗里达大学光学中心任 Research Scientist，2004-2018 年在四川大学任教授和博士生导师。主要研究方向为显示与成像技术，负责完成了国家级科研项目 20 余项，现为国家重点研发计划项目和国家重大科研仪器研制项目的负责人。研制了裸眼 3D 显示器、3D 摄像机、新型液晶显示器、液晶透镜、可变焦液体透镜和连续光学变焦显微镜等；获得省部级科技奖励 6 项，获准美国和中国发明专利 150 余项，出版著作 3 部，发表了 SCI 收录论文 300 余篇。