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拟转化成果 | 微纳光子器件:赋能裸眼3D显示
来源:中国光学《液晶与显示》(ESCI、Scopus收录,中文核心期刊)2022 年第 5 期 | 作者:4SHQ | 发布时间: 198天前 | 720 次浏览 | 分享到:

)。通过计算单个像素的位置(x,y)和出射光线的空间角度信息(θ,φ),可以重建光场。


  2. 基于微纳结构的裸眼 3D 显示分类  

2.1 基于纳米光栅的裸眼 3D 显示

光栅作为一种重要的衍射光学元件,已广泛用于光波调制、信息存储编码、脉冲压缩等领域。David Fattal 等人提出用纳米光栅波导阵列来调制出射光实现超薄 3D 显示。苏州大学陈林森研究员团队提出了逐像素调控的纳米光栅设计方法,并实现了具有会聚光场的裸眼 3D 显示。


如下图,相位板(Amplitude plate)上是设计好的像素化的纳米光栅阵列(每一个像素上的排列方式都不同),可以对振幅板上发出的光进行重定向并将光场会聚于设计好的视点处,在不同视点上可以看到不同角度的 3D 图像。

图1:陈林森团队提出的逐像素调控的纳米光栅设计方法示意图

图源:iScience,2020,23(1):100773.Fig.2

图2:陈林森团队提出的逐像素调控的纳米光栅设计方法效果图

图源:iScience,2020,23(1):100773. Fig.3


光栅对出射光的调控精度高、调控角度范围大,可以实现大视场角、全视差的3D显示效果。为了获得良好的 3D 显示效果,光栅的结构往往需要在波长或亚波长量级,在周期上的变化精度需要在纳米量级。


2.2 基于衍射透镜的裸眼 3D 显示

衍射透镜是基于光波的衍射理论设计的,表面具有阶梯状微纳结构的光学元件。研究表明,具有近似连续相位延迟的多级衍射透镜可显著提高光利用率,并为裸眼 3D 显示的多视角调制器件提供了更高的自由度。苏州大学周冯斌等人提出了基于交错式衍射透镜的多视角相位板设计方法,研究了其在红绿蓝三色光下的光学性能。基于该器件,实现了串扰低(<26%),观察距离长(24-2250px),光利用率高(>82%)的裸眼 3D 显示屏。

图3:灰度衍射透镜的原理图

图源:Optica,2022,9(3):288-294. Fig.3(a)

图4:灰度衍射透镜的显示效果图

图源:Optica,2022,9(3):288-294. Fig.5


2.3 基于超构材料的裸眼 3D 显示

超构材料是一种特殊的超材料,利用单层金属或介电纳米结构产生可控的相位改变,实现亚波长尺度的波前调控。与传统的几何光学元件和衍射光学元件相比,超表面具有宽波段、任意波前设计和亚波长尺寸像素等特点。


为了解决空间分辨率、角分辨率和视场角之间的矛盾关系,苏州大学华鉴瑜等人提出了一种基于二维超构光栅的信息密度渐变裸眼 3D 显示技术。由二维超构光栅形成的点、线、面混合视角分布,实现了中央区域角分辨率高,边缘区域角分辨率低的视角排布。在保证中央区域分辨率的同时,极大的扩展了观察角度。把基于二维超构光栅的视角调制器件和液晶面板结合,实现了视场角高达 160° 的动态彩色 3D 显示系统。