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?
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光场显示的基本原理
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。
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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。
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总结与展望
“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。
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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。
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