液晶與顯示 | 偏振復用實現高分辨率3D顯示

昵稱246550 2022-05-14

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原創 Light新媒體中國光學 2022-05-14 20:01

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進入 21 世紀以來，3D 顯示技術迅速發展，在科研教育、醫療診斷和軍事演習等領域具有極大的應用前景。特別是裸眼 3D 顯示技術，觀眾不需要佩戴助視設備即可體驗逼真的 3D 效果，也為當下火熱的元宇宙、智慧城市等概念提供了技術支撐。在眾多裸眼 3D 技術中，集成成像 3D 顯示系統結構緊湊，能夠直接嫁接在現有的 2D 顯示器上，減少開發成本，是最被市場所看好的裸眼 3D 顯示技術之一。

集成成像技術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，根據光路可逆原理，3D 場景的視差信息會通過微透鏡陣列再現出來，真實的還原出 3D 圖像。眾所周知，3D 場景的光場數據量大，而 2D 顯示器的空間帶寬積有限，這就導致 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 顯示技術所面臨的主要挑戰之一。

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圖1：集成成像技術原理

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

1. 何為偏振復用？

自然光中包含著不同的偏振態光線，通過光學器件將不同偏振態的光分離出來，對每種偏振態光進行獨立的光場調控，達到偏振復用的效果。隨著反射偏振片、液晶透鏡和幾何相位透鏡等偏振光學器件的出現，讓偏振復用技術在顯示領域具有更廣泛的應用。

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圖2：偏振狀態分離

2. 偏振復用 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，隨后分別經由回返器反射，在鏡面對稱的成像面上重疊。通過調節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，實現像素光線的錯位疊加。

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圖3：偏振復用 3D 顯示系統光路

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 片源的偏振復用。根據疊加的 3D 片源和兩個偏振片源的之間的像素索引關系，可由疊加的 3D 片源的像素值計算出偏振片源的像素值。

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圖4：3D 片源的偏振復用

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

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圖5：偏振復用 3D 分辨率增強

以上研究表明，偏振復用為提高集成成像 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，有效的提升 3D 圖像的分辨率，為實現高分辨率集成成像 3D 顯示提供更多的可能。

論文信息

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

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通訊作者簡介

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鄧歡，四川大學電子信息學院教授、博士生導師。2012 年 6 月于四川大學獲得光學工程博士學位，四川省優博。主要致力于裸眼光場 3D 顯示、集成成像、AR 顯示、3D 視覺健康等領域的研究。獲得中國電子學會技術發明一等獎、教育部技術發明二等獎、軍隊科技進步二等獎，主持國家自然科學基金聯合基金重點項目課題、面上項目、青年基金等。在 Optics Express, Photonics Research 等國內外學術期刊發表論文 30 余篇，授權中國發明專利 30 余件。

E-mail：huandeng@scu.edu.cn

監制 | 張瑩，趙陽

編輯 | 趙唯

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