微纳光子器件：赋能裸眼3D显示

Original Light新媒体 中国光学 2022-05-15 20:01 Posted on 吉林

百余年来，人类一直追求 3D 显示梦想。3D 显示将极大拓展人类获取信息和处理信息的能力，重新定义人与自然的连接方式，支撑国防、健康、文化、教育等领域发展。3D 显示的本质是光场的重构。简单的周期性透镜结构或光阑结构难以实现精确的多视角光场调控。随着微纳光子学的快速发展，复杂微纳结构具有独特的光场调控特性，为 3D 显示提供了颠覆性的新机遇。

近日，苏州大学光电科学与工程学院 陈林森 研究员、乔文 教授团队以“基于微纳光子器件的光场裸眼 3D 显示技术”为题在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）2022 年第 5 期发表文章。

文章具体分析了基于几何光学的裸眼3D 显示局限性，从器件设计和微纳制备两方面详细介绍了基于平面光学的裸眼 3D 显示最新研究进展。最后总结了裸眼 3D 显示的未来发展方向和潜在应用领域。

  1. 背景  

裸眼 3D 显示技术不需要任何辅助设备就可观察到物体深度信息。目前裸眼 3D 显示技术有许多种，可分为基于几何光学和基于微纳光学的 3D 显示。基于几何光学的 3D 显示主要有视差屏障、柱透镜阵列、微透镜阵列、时空复用等等。基于微纳光学的 3D 显示是通过微纳结构调制单个像素的出光方向和发散角，利用带有方向的光束重构空间三维物体。

“光场”这一概念于 1936 年被首次提出，定义为在均匀介质中光的辐射能分布，对于空间中包含颜色信息的光场，我们用七维度的全光函数（x，y，z，θ，φ，λ，t）表示，（x，y，z）表示空间位置，（θ，φ）表示空间角度，λ，t 分别表示波长和时间。全光函数表达了在任意时刻从空间任意点覆盖任意波长范围的可见光锥，描述了所有可能场景的环境映射关系。

传统显示屏不携带角度信息。只能呈现光场中（x，y）两个维度随时间 t 变化的平面图像信息，通过平面图获得仿射（近大远小）、遮挡、阴影、纹理等深度信息，而 3D 显示能重建七维的光场，可以提供单眼调焦、辐辏调节、双目视差和移动视差等生理感知的深度信息。

将全光函数进行简化，不考虑光的颜色（即波长），在某一个特定的时刻，光波可以用一个四维的光场模型 L（u，v，s，t）来表示。四维光场函数的参数组合并不是唯一的,不同参数组合其对应的光场模型也各不相同。在研究逐像素调控的裸眼 3D 显示时，将全光函数简化为另一种四维光场函数（x，y，θ，φ）。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(24-90cm)，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。

图5：信息密度渐变显示示意图

图源：Light：Science & Applications,2021,10(1):213. Fig.1（c）

图6：信息密度渐变显示效果图

图源：Light：Science & Applications,2021,10(1):213. Fig.5（a）

  3. 面向裸眼 3D 显示的微纳制造技术  

相位调控微纳结构与器件兼具幅面大（组合幅面达米级）、结构小（50nm-50μm）、精度高（周期排列精度<1nm）等特点，属于极端微纳制造范畴。如何高效高精度微纳制造是微纳光电子器件与产业的共性技术难题。

苏州大学陈林森研究员提出并搭建了四变量输出的纳米光场光刻系统，它由两个傅里叶变换透镜和一个二元光学元件组成。如下图所示，激光经过扩展系统准直后入射到傅里叶变换透镜。经衍射光栅后产生正负一级（或多级）光，两光点发射的球面波在第二个傅里叶透镜的后焦面形成干涉光场，用光阑来限制光束大小，再经聚焦物镜倍缩后，在样品表面形成干涉条纹。通过双光束（或多光束）干涉光刻方法，一次曝光，形成像素尺寸为几十微米的纳米光栅像素，写入速度大大提高。同时，改变衍射光栅的前后位置可以输出变周期的干涉条纹，旋转衍射光栅可以输出不同取向的干涉条纹。该方法可实现对输出结构的实时连续调制，纳米光栅的变化精度可达纳米级。

图7：纳米光栅光刻系统及制备的结构图

图源：Optics Express,2016,24(6):6203. Fig.3

为了制备具有复杂型貌的微纳结构，团队还提出了 3D 光刻技术。该系统主要包含激光器、空间光调制器（DMD）和微缩投影物镜。空间光调制器加载设计好的结构图形，结构图像的刷新速度与样品载物台的移动同步。聚焦物镜将空间光调制器上的结构图像缩小，投影至光刻胶上。若想要制备多台阶结构，可在样品同一区域进行多次曝光，根据台阶的级数每次曝光的图案也不同。该方法可实现无掩膜灰度光刻，连续加工面型结构，制备多台阶的微纳结构。

图8：灰度激光直写系统及制备的结构图

图源：IEEE Photonics Technology Letters,2020,32(5):283-6. Fig.3(a)，Fig.4（d）

  4. 总结  

微纳光子器件为逐像素操控光束提供了可能性。与基于微透镜阵列的 3D 显示架构中区域化光场重构策略相比，逐像素光场重构具有以下优势：

1.可以将视点自由排列成水平的直线、带有弧度的曲线或全视差平面矩阵等任意样式。为人们根据实际使用需求设计视点分布提供了可能；

2.当区域像素成像或显示时，很多像素被白白浪费。尤其在大视场角下，分辨率下降严重。在像素化光场重构方式中，每个像素都被利用到，保证了较高的分辨率；

3.微纳光子元件具有大偏折角度光线调控能力，可实现具有运动视差的超大视场角；

4.每个视角光强分布可从高斯分布调整到超高斯分布，显著减少视点间串扰和鬼影；

5.视点可设计为点、线、面等形状，用于信息密度变化的裸眼 3D 显示，解决分辨率和视场角之间的矛盾；

6.采用紧密视点排列方式可在少量视点情况下实现超多视点，并消除由于辐辏调节矛盾引起的视疲劳；

7.多台阶结构，如闪耀光栅，多级衍射透镜和超表面等器件设计方法的引入，可以有效提高光利用率，减少色差，提高分辨率，和扩展景深；

8.微纳光子器件体积小且轻薄，与便携式电子产品形态兼容。

在疫情的影响下，人类社会更加虚拟化。线上购物、远程会议为代表的虚拟生活显著增多。人们正大规模向虚拟世界迁移，虚拟与现实生活更加有机融合。3D现实是虚拟世界的硬件接口。3D 显示研究正不断突破着一个又一个极限，相信在不远的未来，3D 显示会渗透到医学影像、工业制造、生活娱乐等方方面面，走进千家万户，带给人们变革式交互体验。

  论文信息  

夏仲文, 华鉴瑜, 陈林森, 乔文. 基于微纳光子器件的光场裸眼3D显示技术[J]. 液晶与显示, 2022, 37(5):562-572.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.‍2022-0043

  通讯作者介绍  

乔文，苏州大学光电科学与工程学院教授、博士生导师。2013 年获得美国加州大学圣迭戈分校博士学位。主要从事微纳光学与新型显示的理论和基础应用研究，包括 3D 显示、抬头显示、近眼显示、微纳制造等。研制了全息抽样 3D 显示系统、信息密度渐变宽视角 3D 显示系统、全息抬头显示器、虚实融合真 3D 显示器等，展示了光子器件突破裸眼 3D 显示现有瓶颈的巨大潜力。在《Advanced Materials》、《Light: Science & Applications》、《Optica》等期刊发表论文 40 余篇，申请/授权中国发明专利 100 余项。作为项目负责人先后主持了包括国家自然科学基金面上项目、“十四五”重点研发计划课题等多个项目。

E-mail：wqiao@suda.edu.cn