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新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

Opto-Electronic Advances 2023年预出版论文推荐

 

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

封底文章 | Xing Y, Lin XY, Zhang LB, Xia YP, Zhang HL et al. Integral imaging-based tabletop light field 3D display with large viewing angle. Opto-Electron Adv 6, 220178 (2023). 
第一作者：邢妍 副教授

 

通信作者：王琼华 教授

 

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研究背景

 

光场3D显示是一种新型裸眼3D显示技术，可以构建比平面2D显示和传统3D显示更高精度的3D信息，呈现真实、生动和直观的3D影像。光场3D显示更使用户摆脱了眼镜头盔等带来的束缚，因此具有很好的发展前景。其中，桌面光场3D显示提供了一种新的显示形态，同时具有传统桌面和3D显示屏的功能，用户围坐或围站在显示器四周的同时可互动共享观看3D影像，可支持多用户的协同工作和交互，因此在电子沙盘、会议办公、桌面游戏等领域可产生重要应用。

 

要想获得良好的桌面观看体验，最重要的是径向3D视角要足够大，这样用户不用紧贴在桌旁，从较大的倾斜角度就可以看到正确的3D影像。并且，径向上应具有正确的运动视差和遮挡关系。但是，受空间信息量的限制，已有研究成果的径向3D视角和运动视差还不能很好地满足需求。

文章亮点

 

使用全视差的3D显示技术可以获得径向上正确的运动视差，通过创新性地构建大视角的重构光线调控方案，可以同时实现径向上的大视角和正确的运动视差。为此，王琼华教授的北航和川大团队提出并研制了桌面集成成像光场3D显示器，在43.5英寸的大显示尺寸下实现了68.7°的大径向3D视角，径向上运动视差平滑正确。

 

研究团队基于集成成像对光场离散重构的思想，通过设计大相对孔径的复合透镜阵列，对2D显示屏上像素发出的光线方向进行自由空间的大范围调制，保证再现3D像点发出的光线以大角度出射，到达四周人眼。桌面集成成像光场3D显示（图1）由三个关键部件组成：超高分辨率LCD面板（7680 × 8640个像素）、复合透镜阵列和光学扩散屏。复合透镜阵列包含正六边形蜂窝排布的数千个复合透镜元，其中每个复合透镜元又包含3片透镜。研究人员在设计复合透镜阵列时，一方面注意平衡与3D视角存在制约关系的深度、空间3D分辨率参数，另一方面保证大视场角下的像质优于中心零度视场。

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器
图1 大视角桌面集成成像光场3D显示器的原理。（a）大视角桌面集成成像光场3D显示结构示意；（b）大相对孔径的复合透镜阵列示意；（c）复合透镜元的前视图和剖面图
研究团队还提出了针对大视角桌面集成成像3D显示的光场采样模型，采样的光场分布不再为传统的矩形，而是平行四边形。该采样模型为基于反向光线跟踪的3D渲染技术提供了充分理论指导。
根据上述原理，研究团队研制了一台桌面集成成像光场3D显示器（图2），经测试，径向3D影像观看角度范围为−34.4° ~ 34.3°，3D视角为68.7°。

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

图2 研制的桌面集成成像光场3D显示器。（a）呈现“游鱼”3D场景；（b）样机外观
 
 

 
 
 
视频1 3D影像
为定量证明大视角下的3D显示性能，研究团队使用桌面集成成像光场3D显示器对USAF-1951分辨率板再现。如图3所示，同一径向观看角度下，3D分辨率随着环向角度的增大几乎保持一致，维持了稳定的3D分辨率水平。
新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器
图3 位于不同环向观看角度的USAF-1951分辨率板的再现结果。（a）0°, 40°, 90°和130°的再现结果;（b）180°, 220°, 270°, 310°的再现结果
综上所述，该项研究提出并研制了一种桌面集成成像光场3D显示器，实现了径向的大视角和正确的运动视差，满足3D共享观看体验，为桌面3D显示乃至3D显示起到一定助力作用。未来将进一步探索视角和分辨率等协同提升的创新方案，争取在电子沙盘和多人协同等场景实现应用。
该工作以“Integral imaging-based tabletop light field 3D display with large viewing angle”为题发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）。目前文章已在线预出版，将于2023年6月作为封底论文正式出版。

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

 

研究团队简介

 

 

王琼华 教授

王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授、博士生导师、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家重点研发计划项目负责人、国际信息显示学会（SID）和美国光学学会（OPTICA）Fellow。长期从事显示和成像研究工作，取得了同行认可的研究成果。

 

邢妍 副教授

邢妍，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授。研究方向为3D显示技术，提出了针对桌面显示的光场采样和重构新模型，研制了集成成像裸眼光场3D显示器、桌面裸眼光场3D显示器，主持基金委青年基金项目等。发表SCI收录论文20余篇，授权发明专利20余项。

新的显示形态：大视角桌面集成成像光场3D显示器

北京航空航天大学显示与成像研究室

北京航空航天大学显示与成像研究室成立于2018年9月，由王琼华教授任负责人，主要从事3D显示技术、液晶技术、液体光子器件与成像技术等方向的研究工作。研究室现承担国家重点研发计划项目、国家重大科研仪器研制项目和国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目等。研究室独立或与四川大学合作研制了具有自主知识产权的裸眼集成成像光场3D显示器、裸眼光栅3D显示器、2D/3D兼容显示器、3D摄像机、3D图像视频处理软件、全息3D显示系统、电润湿液体透镜、连续光学变焦显微镜和液晶透镜阵列等，并在二维液晶材料、液晶光场调控和蓝相液晶等方面取得了多项创新成果。研究室主页：http://idlab.buaa.edu.cn/

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