基于多指向型背光源的三维显示系统

20 世纪以来,显示技术经历了不断革新,从笨重的阴极射线管到轻薄的平板显示器,从黑白到彩色,从标清到超高清,显示设备正朝着更真实的还原世界的目标发展。如今,为了还原三维世界中立体物体的深度信息,裸眼三维显示已悄然而至,人们在无需佩戴眼镜等助视设备的情况下,仍可观察到生动形象的立体图像,获得奇妙非凡的观看体验。
裸眼三维显示可采用平板显示器作为图像信息的来源,为了能完整再现一个立体图像,平板显示器上的图像信息被调制到各个视点处,立体图像的分辨率将不可避免的有所降低。而今,生活中充满了高清乃至超高清的二维图像,人们同样期望可以观看到高分辨率的立体图片。
基于指向型背光源的三维显示技术可实现图像分辨率的提升。具有指向型的背光源即是此技术的关键器件,顾名思义,此背光源出射具有方向性的光束,分别指向观看者的左右眼,再配合高帧速液晶屏,可分别产生左右眼对应的视差图像。左右视差图像快速切换,根据人眼的视觉暂留效果,观看者可观察到高分辨率的三维图像。指向型背光源多采用微结构导光板和三维薄膜来实现,但由于三维薄膜对光线的调控能力有限,基于指向型背光源的三维显示技术的串扰通常较大,同时,较难实现具有多个方向的背光源。
为了解决以上两个问题,来自浙江大学的 李海峰 教授研究团队,提出了采用体全息光学元件(holographic optical element, hoe) 实现多指向型背光源,不仅实现了低串扰、高分辨率的三维图像,视点数目也得到了提升。
该成果以“基于多指向型背光源的三维显示系统”为题发表在《液晶与显示》(esci、scopus 收录,中文核心期刊)2022 年第 5 期。
1. 实现原理
在多指向型背光源中,不同位置处的 led 光源经柱面镜准直后,入射到体全息光学器件上,产生不同方向的衍射光束。人眼追踪模块负责捕获观看者左右眼的位置,并传递给液晶屏和多指向型背光源。左眼观看时,液晶屏显示左眼视差图像,多指向型背光源仅投射左眼方向光束,右眼观看时,液晶屏显示右眼视差图像,多指向型背光源仅投射右眼方向光束,二者快速交替进行,根据人眼的视觉暂留效应,观看者可观察到视差图像,获得三维感知。
图1:多指向型背光三维显示装置图 图源:液晶与显示,2022, 37(5):599. fig.1
2. hoe 器件制备
hoe 是多指向型背光源中的关键器件。两束相干光束(参考光束和物光束)发生干涉,在干涉位置处放置感光材料,明暗相间的干涉条纹将记录在感光材料上,制备得到 hoe。当参考光束入射到 hoe 上,衍射光即为原始物光束,因此 hoe 可在超薄的材料上实现复杂的光学特性。当 hoe 的入射光束以较小角度偏移参考光束时,衍射光束亦稍偏移原始物光束,因此,可以通过修改入射光束角度,获取不同方向的衍射光。系统中 hoe 由柱面光束和扩散光束在光致聚合物薄膜上干涉制备而成,实现了柱透镜和定向扩散屏的光学特性的叠加,其制备过程如图2所示。光致聚合物薄膜经紫外灯均匀照射后,固化得到 hoe 器件,实验测得 hoe 器件的衍射效率约为 70%。
图2:hoe 制备过程图 图源:液晶与显示,2022, 37(5):600. fig.3
3. 显示均匀度的提升
由于该系统中 hoe 器件采用非平面波曝光制备而成,hoe 上各个区域的光栅矢量不断变化,因此边缘位置的 led 入射时,hoe 上各区域的衍射方向将存在差异,边缘方向上背光源的均匀度将大大减低。为了解决这一问题,研究团队采用两种方式来提高均匀度,分别是双 led 式和扩散屏式。
双 led 式即相邻的两个 led 同时点亮,观看者在相应视点看到是拼接后的显示图像。在双 led 式下,边缘视场的均匀度提升至 74%,即边缘视场显示效果将由图3 (a)变化为图3 (b)。同时,串扰值平均值仅为 1.4%,远小于引起观看者不适感的串扰最大值 5%。图4中显示了双 led 点亮方式下,三个观看视点处分别对应的显示图像。
图3:边缘视场处背光源的均匀度,(a) 单 led 式,(b) 双 led 式
图源:液晶与显示,2022, 37(5):601. fig.4, fig.5
图4:双 led 式不同视区下的视差图
图源:液晶与显示,2022, 37(5):602. fig.7
为了提高三维显示系统的观看视场角,同时保证均匀性和串扰,研究团队又提出添加扩散屏的方式,实现了 25 个观看视点。在扩散屏式下,视场角和边缘视场均匀度均得到提升,系统平均串扰值为 2.75%,仍小于 5% 的串扰最大值。图5显示了扩散屏方式下,5 个观看视点分别对应的显示图像。
图5:扩散屏式不同视区下的视差图
图源:2022, 37(5):602. fig.10
四、总结与展望
研究团队利用 hoe 器件的衍射特性,搭建了基于多指向型背光源的三维显示系统,实现了低串扰、全分辨、多视点的三维显示效果,解决了现有的基于指向型背光源的三维显示装置在串扰、视点数目上的问题,大大提升了观看者的视觉体验。
同时,该系统较容易集成于便携式的电子设备上,在未来,人们可以使用自己的手机、平板等设备观看三维图像,裸眼三维显示技术将极大地丰富人们的生活学习和工作娱乐体验。


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