另辟蹊径｜基于三维光刻的新方案，让“光场3D显示”更具想象力！

相信苏大维格。

鸣 颖 文 金水 苏大维格

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产业背景

平板显示产业已发展到前所未有的高度，显示分辨率的不断提升，呈现的信息已存在大量冗余，分辨率已超过人眼的分辨能力。人们不禁要问：

显示产业新一轮产品形态是什么？

设想一：

基于平板显示技术，光场3D显示将成为产品升级趋势

设想二：

面向元宇宙，可穿戴显示成为牵引消费电子发展的重要场景

设想三：

人工智能AIGC变革性发展，大场景空间透明显示将是实现裸眼AR、虚实融合空间成像的重要目标

因此，随着显示面板分辨率、芯片渲染处理速率的提高，拟真“光场3D显示”[1-4]将是新型显示产业技术的主攻方向和产业升级的牵引目标，也是国家政策鼓励方向。消除观察视疲劳、增加沉浸感、扩大观察视场角，是光场3D显示走向消费市场必须要克服的问题，这也是国内外科技巨头重点投入的研发方向。

本文就类似下面的悬空显示画面、分析不产生观察视疲劳的光场3D显示的解决方案，探讨技术实现的可行路径。

平面上呈现悬空显示不再是梦想？

国内外科技巨头在光场显示领域开展了大量研究，展示出不同的3D显示原理样机。几年前，美国Google 启动Starline Project计划(Project Starline: Be there from anywhere with our breakthrough communication technology)，旨在打造一种“拟真光场显示”的即时通讯解决方案，下图为Google网站渲染的光场显示效果视频。可预计，一旦光场显示技术取得突破，未来的电视TV，不仅用于看新闻与电视剧，更是与远隔千里的家人、朋友和客户做沉浸式-拟真场景交流的互动界面！其意义非凡！

拟真光场显示渲染（来源：https://starline.google）

然而，光场3D显示走进消费领域，必须攻克三大世纪难题：观察视疲劳；视角图像串扰；3D显示品质差（视场角与分辨率相互制约）。

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双目视差原理导致了人眼观察视疲劳。目前，产业中的裸眼3D显示或可穿戴显示，普遍采用双目视差方案（包括VR/AR，1908年发明），必须采用新的立体成像方式，来消除观察视疲劳。

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受技术手段的制约。柱面光栅的周期结构作为光调控模式，使得不同视角之间存在图像串扰。以倾斜放置的柱面光栅做分视角调控，光栅相邻视角对应的显示像素有交叉区域，导致图像串扰，影响3D显示观察效果。

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为满足多人观察，必然提高光场显示的视点数，但导致了3D显示分辨率下降。复合微透镜阵列可矫正成像像差、扩展视场角、并改善成像品质[3]，但光场3D显示分辨率下降严重，而超精密光学加工大面积复合微透镜阵列难以批量制造。

因而，已有方式，在3D成像原理、光调控模式、面板分辨率和技术手段等制约，光场3D显示的效果（视疲劳、观察视场角小、图像串扰和分辨率低）达不到市场期望，难以真正走向应用。

那么，解决上述共性难题的路径在哪里？

这需要从光场传播的基础原理、显示方式和技术手段多方向着手，认识光波传播与观察特性，分析3D显示屏所必须具有的光场传播属性，从而，以此为驱动来研究如何实现光场精确调控的底层关键技术。理论上，来自于3D显示屏的光场传播，必须符合如下机理：

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显示屏上任一像素发出的光波，都能到达视场角内的所有空间方位，在观察视场角内的人眼移动，均可观察到来自显示屏的光线。这一点，2D显示屏可实现该功能。参见下图。

人眼不同位置观察到来自于物体不同方位的光波

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在观察视场角内的某一位置上，人眼观察到来自显示屏上所有像素发出的光线，这意味着显示屏上的所有像素的光线必须同时到达人眼视网膜，即观察到的光是会聚在视网膜上，同时，双眼分别看到的会聚光场（图像）是不同的，并符合观察的视差特性。这一点，目前所有的3D显示屏，均未达到光场的传播特征。

 视网膜观察到的光场是会聚的

简略地，光场3D显示的基础原理是：同一位置上视网膜上观察到的来自物体上发出的光场是会聚的，且双眼观察的光场的信息是不同的。

原则一：消除光场3D显示的视疲劳现象

上述讨论可知，2D显示屏发出的光波是发散的，信息是各向同性的。如让光场3D显示屏的光波，在传播时是发散性、观察时是会聚性，且光场在不同会聚视点上携带立体信息是不同的，这是光场3D显示的核心问题。因此，让光场3D显示屏的光波传播接近于自然光传播属性，是消除观察视疲劳的关键。

原则二：消除图像串扰与扩大观察视场角

柱光栅与TFT array 平行放置，易产生莫尔条纹，柱光栅倾斜放置可部分消除莫尔暗纹，但柱光栅在相邻周期存在显示像素的交叉，带来不同视角下图像串扰；微透镜口径，在相邻视场的交界处存在图像跳变与串扰。因此，解决途径是：包括柱面光栅与微透镜阵列在内，光场相位调控元件必须像素化，与TFT array的像素匹配。同时，采用复合型微透镜阵列与TFT显示面板像素级对准，形成全视差光场显示[3]，在形成大视场角的同时，也具有正确运动视差。但微透镜存在22%空白区域，无法充分利用显示像素，复合型微透镜阵列超精密光学加工（组合精度、口径尺寸）成本和可复制性难以符合显示产业的需求。

复合型微透镜阵列示意图[3]

解决方案：像素化光调控器件的微结构设计与加工途径

理论上，逐像素对光场振幅和相位调控形成向量光场，是形成多视点会聚光场的主要途径[4-6]。

一种解决途径是采用“像素化”菲涅耳微透镜（或柱光栅），像素化菲涅尔微透镜阵列可与TFT像素排列相一致，从而，消除图像串扰。菲涅尔微透镜属于一种“变深度”平面化的光波相位调控模式，有四维光调控参量。研究表明[7]，菲涅耳微透镜比传统球面微透镜有更长焦深，有利于形成更好的3D显示景深。

菲涅耳透镜具有长焦深

像素化菲涅耳微透镜（局部）SEM

为验证像素化菲涅耳微透镜对光波相位调控特性，“光场成像（重构）算法”被用于设计像素化相位调控-微纳结构形貌的制备，来构造空间光场分布[8-10]。用紫外三维光刻技术将设计的数据转变成微纳结构形貌，其结构深度0～5微米。参见上图局部SEM（菲涅耳微透镜基元）。结果表明了大面积菲涅耳微透镜阵列制备，具有技术可行性。

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光场显示方案对比

近年来，随着通信能力、芯片处理速度、TFT面板分辨率提升，同时微纳光学设计与加工能力持续改进，为光场3D显示研究与发展提供了有力产业技术支撑。

根据可接受光场3D显示品质，估算对屏幕分辨率要求。光场3D显示性能指标：水平视角hFOV~60度（不重复），垂直视角vFOV～30度，图像出屏/景深200mm/500mm，则对32吋显示面板像，以观察距离1米计算，像素分辨率16k是必须的。下图为显示屏的视点分辨率、角度分辨率和观察视场角的示意图。观察视场角FOV取决于微透镜焦距、口径大小和视点数。

光场3D显示的视点与视场角FOV

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微柱光栅光调控方案。柱透镜光栅存在图像串扰和调变。通过三维光刻工艺，将柱面光栅做菲涅耳化和像素化，与TFT像素对准可消除图像串扰，菲涅耳柱透镜光栅的倾斜放置可形成8个视点（4x2），对16k分辨率面板，其3D显示分辨率达4k。但这种显示模式需用眼球跟踪技术，来消除人眼移动时显示图像跳变，并扩展动态视场角。

特点：视点少，需眼球跟踪，适合单人观看。以目前的技术工艺能力，该方案具有实施可行性。单人观看对应用有诸多限制。

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微透镜阵列的光调控方案。参照上述图片，经像差矫正的复合型菲涅耳微透镜阵列，在大视场角下有大焦深成像特性，有利于获得更清晰空间光场成像，可消除不同视角图像串扰。如视角分辨率为3度（20x10视点），对16k分辨率面板，光场3D显示分辨率仅0.8k。视点数越多，3D显示观察范围越大，但显示分辨率下降严重。

特点：具有正确的运动视差，多人观看，分辨率下降大。

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逐像素相位调控的向量光场显示方案。逐像素振幅与相位联合调控的3D显示视频，形成会聚多视点光场，多视点会聚光场接近自然光传播特性，消除了视疲劳[4-6]。

特点：多视点会聚光场，支持多人观察，显示分辨率下降介于上述两方案之间。需提高超光栅光效，同时需要像素级对准。不足之处是严格的对准要求、3D显示分辨率下降。随着显示分辨率的提升，逐像素调控将是光场3D显示的主要解决方案。

，时长00:20

逐像素调控的光场4D显示 

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光场3D显示新方案探讨

在显示面分辨率仍不足以支撑高品质3D显示情形下，对上述解决方案的分析，“复合式菲涅耳成像指向性分视角-分时照明“方案，是一种具有可行性的光场3D显示的解决方案，特点是：3D显示分辨率不下降、支持多人观看，无需像素级对准，不足是：指向性照明研制难度大、模组厚度大。

在光场3D显示方案上，基于菲涅耳微透镜阵列与microLED集成，来实现分时与分视角的指向性照明，顺序同步刷新显示面板上的不同视角图像，让左右人眼观察到不同视角图像，指向性能和microled尺寸，是影响分视角照明质量的主要因素。

在技术实现手段上，通过三维光刻和套准纳米压印加工模式，在薄膜双面制备菲涅耳微透镜或柱光栅，与microLED结合（其尺寸尽量小），形成低畸变、平场成像或准直性的分视角指向性会聚光源，可形成多视点光场，与面板分时视角图像刷新结合，可形成光场3D显示。

理论上，该方案支持水平视角hFOV>60度，垂直视场角vFOV>35度的3D显示，可改善3D影像的景深与上浮高度。特点是不需要像素级对准，有利于工业化，难点在于，指向性与会聚视点的光调控器件的设计与加工。

新方案也可逐像素光场调控方案相结合，提高光场3D显示出屏高度和景深并减少图像串扰。随着显示产业技术的迭代，可预期，光场3D显示必将成为行业发展趋势。

面向高分辨率LCD面板，采用复合菲涅耳微透镜阵列或菲涅耳微柱面光栅，与microLED联合设计，研制高指向性平面光源。同时配套研制大口径复合菲涅尔透镜组，与指向型光源组合，来形成多视点会聚光场。如指向性光源发散角度如小于3度，可消除视角间图像串扰和视疲劳，同时面板和光源刷新频率须达到或超过120Hz。

面向高分辨率OLED面板，随着无FMM光刻工艺成熟，OLED像素分辨率会大幅提升，采用像素化复合型菲涅耳微透镜作为OLED发光像素的光场调控。如OLED显示像素分辨率达到10微米，则32吋以上高品质光场3D显示屏成为可能。

指向性照明光场3D显示方案

面向可穿戴元宇宙场景，新方案也适合高分辨率microOLED。LED显示像素分辨率达5微米，则15吋以上光场3D显示屏成为可能。如分辨率达2微米，则周视空间显示可行，智能手表、智能手机实现悬空显示成为现实。

面向节能3D显示，随着显示TFT驱动分辨率提高，新方案也适用于电子纸作为图形显示载体，实现节能反射型光场3D显示。

面向大场景远距离成像，大面积菲涅尔微透镜设计与制造工艺，具有大范围光学像差矫正能力，为实现广域、高分辨率、复杂环境下的光场成像系统提供了解决方案，支持编码光场景深拓展、弱光动态场景下的光场去噪等技术。

考虑到光调控器件在微结构精细度与复杂性，紫外三维光刻技术是加工制备的主要途径，产业化上，通过套准卷对卷纳米压印光刻系统，可实现复合型菲涅耳微透镜或光栅的工业复制，同时microLED产业技术也不断发展，指向性照明光场3D显示方案，具有产业化创新发展空间。

“基于三维光刻和光场成像技术，有望打破常规倾斜柱面光栅对3D显示性能的制约，为实现大视场光场3D显示、空间成像变换等创新应用，提供强大设计与制备工具，套准纳米压印技术让光调控器件的批量化提供了可行性”。因此，新解决方案，可让拟真光场3D显示在迈向应用的进程中，更具想象力，让类似下图渲染的光场3D显示屏，真正走入消费领域。

，时长00:03

https://starline.google/static/videos/what-data-shows-gif.mp4

随着AIGC快速进步，以精确生成“接近真实的物理世界”视频并融合光场显示，将能进一步提升拟真光场显示的沉浸效果，推动在各种场景的应用。