光场显示研究有何新突破？速看！ | 科技导报

光场显示具有数据量小、结构简单、易于集成化等优点，使其在军事、医学、教育、娱乐等领域具有巨大的应用潜力。然而，全彩色、大视角、高分辨率、大景深的光场显示受限于高分辨率显示器、光调制器、智能算法、超高速计算机等技术的发展。近年来，人们致力于探索新的设计策略、新的器件结构和潜在的应用。本文综述了三维（3D）显示技术的发展与分类以凸显出光场显示的优势；阐述了光场显示的概念与意义；介绍了光场显示中的集成成像光场显示、投影光场显示和层光场显示的发展及主要技术挑战。强调了在新形势下对光场显示的新要求，并提出对中国发展光场显示的建议，即加强技术创新平台建设，推动光场显示与其他前沿技术的融合，重点攻克关键技术和产业链瓶颈，促进产学研合作，以确保在全球高科技领域的竞争力。

三维（three-dimensional，3D）显示器是最有前途的显示器之一，可以提供逼真的3D图像，并有可能改变娱乐、教育、医疗保健、制造业和其他领域使用的消费电子产品。根据是否存在显示机理和人眼视觉生理之间的矛盾，可将3D显示分为助视/光栅3D显示和真3D显示两大类。真3D显示目前大致包括全息3D显示、光场3D显示（简称“光场显示”）和体3D显示。相比于全息3D显示和体3D显示，光场显示具有数据量小（只关注物体表面的光强度）、结构简单、更易实现等优点，使得其获得更多研究人员的青睐。根据重建光场数据的方式不同，光场显示技术可以分为集成成像光场显示、投影光场显示和层光场显示三大类。

1 光场显示概念与意义

1.1 光场显示概念

“光场”的概念最初是1939年由Gershun提出的，1996年，Levoy等和Gortler等将光场的概念具体化，提出了如图1（a）所示的四维（4D）光场渲染理论。4D光场渲染理论的出现，促进了光场显示的发展。光场显示原理如图1（b）所示，主要包含光场采集和光场重构2个阶段。光场显示可以再现3D物体发出的光线的强度、颜色和方向，如果光场采集的数据足够大，这种方式能完美地拟合出原始场景的全部光线分布，能获得很好的3D效果。相比于视差型3D显示技术，光场显示能给观看者提供物理景深和心理景深，不存在显示机理与人眼视觉生理之间的矛盾，观看者不会产生立体观看疲劳。

图1 光场显示原理

1.2 光场显示的意义

元宇宙的兴起，带动了近眼显示产业的发展，而光场显示是实现近眼显示3D效果的重要技术之一。重新构建3D物体的光场信息越多，光场显示的3D效果就越优越，但这些信息量比常规平面显示器的信息量大了好几个数量级，因此，对现有显示技术提出了新的挑战。

中国在超高分辨率显示屏、光场显示技术等方面已具有较好基础，显示技术已经经历了轻薄化和大型化的发展阶段；但是应该看到，中国在光场显示技术领域还存在一些关键技术短板和产业链条断点，为避免光场显示技术与产业再次落后于国外，中国应该加强光场显示技术的研发，这不仅是一个技术性的问题，同时也是一个战略性的问题。

2 光场显示的发展及主要技术挑战

2.1 集成成像光场显示

集成成像光场显示起源于集成摄影技术，由Lippman于1908年提出。集成成像光场显示技术包含记录阶段与重构阶段。通常采用3D图像分辨率RI、观看视角Ω、3D图像景深ΔZm来分析、表征集成成像光场显示系统（图2），由这3个观看参数描述集成成像光场显示系统的特征得到公式（1）：

式中，Rd为显示屏的分辨率。

图2 集成成像光场显示系统的观看参数示意

由于显示屏分辨率低、透镜自身像差等的影响，集成成像光场显示仍存在一些技术挑战。

提高集成成像光场显示系统的3D图像分辨率，最简单的方法是减小微透镜单元的节距，但是这种方法会降低微透镜单元所覆盖像素的数量，这将减少进入微透镜单元的光线数，进而降低3D重构图像的质量。这种方法虽然简单，但是需要配备超高分辨率的显示屏与高精度微透镜阵列才能设计出高质量的3D重构图像且两者的对准要求极高。通过合理地排布微透镜阵列/增加掩膜，减小相邻微透镜之间的空白区域是一种简单有效的降低集成成像光场显示系统的串扰，提升重构图像分辨率的手段。值得一提的是，随着人工智能的兴起，可以利用其（如深度神经网络）优化系统的视觉分辨率，除了利用全息功能屏和实现元素图像阵列渲染的平衡分辨率外，还可以提高每个重构视图的显示质量。这将是促进集成成像光场显示技术商用的有效手段。

扩展系统的观看视角能很大地提高集成成像光场显示的重构效果。采用曲面微透镜阵列与曲面显示器结合是最常用的提高系统视场角的手段。曲面显示屏需要显示正确的弯曲微单元图像，这与曲面显示屏的弯曲关系是一致的，否则显示出来的重构图像将会失真。在系统的基础上配合偏振开关与时分复用技术，利用人眼视觉暂留效应通常能将系统的观看视角增大1倍；这种方法对显示屏的刷新率要求较高，要实现实时集成成像光场显示系统的难度很大。

提高集成成像光场显示系统的景深，主要是通过增加系统中心深度平面的个数，即要求微透镜阵列具有多种焦距。常见的有焦距固定不变的固体式多焦距微透镜阵列与焦距可调节的调谐式多焦距微透镜阵列。值得一提的是，在优化光学器件结构的基础上，增加智能图像处理也能有效地扩展集成成像系统的景深。此外，通过优化微透镜阵列的结构并结合定向扩散屏、掩模、全息功能屏、全息光学元件等器件也能实现扩展集成成像光场显示观看效果的目的。

2.2 投影光场显示

投影光场显示最初由Balogh等在2007年提出，其利用64台投影仪实现50°观看视角的投影光场显示系统。目前科研人员已实现了最大空间分辨率约为33万像素的光场3D图像再现。根据投影光场显示系统使用投影仪的数量将其分为单个投影仪式（又称为扫描式光场显示）与投影仪阵列式。

单个投影仪式光场显示原理如图3（a）所示，高速投影仪作为光场的（u，v）平面，定向扩散器则是光场的（s，t）平面。这种采用时分复用的光场显示系统具有高分辨率和大视角的优点，但是其依赖于人眼视觉的残留效应，必须通过提高图像刷新率才能带来更好的3D效果。投影仪阵列式光场显示（图3（b））利用在不同空间的投影仪相互交叠的空间像素实现3D光场的空间拼接。

图3 投影光场显示原理

根据投影光场显示系统的几何关系可知，其观看视角可由式（2）计算得到。

P太大会导致3D图像分辨率下降，d1过小会影响光线的入射，所以系统观看视角的提高有赖于N的增大。此外，使用大量的高分辨率投影仪能有效提高系统的观看角度，也使得系统更适合显示大尺寸、高分辨率的3D场景。但大量投影仪的使用增加了系统的成本。

2.3 层光场显示

层光场显示（也称为叠层光场显示）如图4所示，由背光板与多个不共面的液晶显示面板/亚克力板与光学胶片组成。

图4 层光场显示原理

目前已有科研人员成功在46.3×28.9 cm2的显示面积上构建了设计空间分辨率约为640×360、角度分辨率为166×166、视角为45°×45°的超分辨率全视差3D光场显示器。层光场显示的层数越多则系统的景深越大，3D效果就越优质。性能优异的显示技术虽可以推动层光场显示的发展，但是层光场显示在深度方向的不连续导致3D图像失真是不可忽略的一个问题。针对这一问题，可增加计算机辅助设计来实现3D深度图像的保真，这也是层光场显示值得深入研究的一个方向。

随着显示器件与工艺技术的快速发展，出现了一种新型层光场显示——矢量光场显示，它由定向背光板和液晶显示面板/投影仪组成。定向背光板由光源与光波导组成，每个像素的光线方向与发散角由高精度光波导控制，通过控制这些光线的方向可以实现3D场景的重建。此外，利用时间复用技术能有效地利用时间冗余来增加显示器的信息量。

3 光场显示的新形势与新要求

随着第5代/第6代移动通信、物联网和人工智能等新信息技术的快速发展，信息显示发生了深刻的变化。中国显示产业已跻身世界一流，从“跟跑”“并跑”，到实现了“领跑”。新型3D显示技术正朝着视觉更自然、用户更友好的方向发展。因此，3D显示器由于其更强的真实感而得到很多关注，其中，光场3D显示器被认为是未来潜在的3D显示器。

集成成像光场显示是利用光路可逆原理，采用微透镜阵列再现记录阶段3D场景的光线，能正确显示物体之间的遮挡关系、具有连续平滑的视点信息，符合人类观看的特征且观看者无需佩戴助视设备，是目前成本较低、3D效果较好的一种真3D显示。集成成像光场显示经常被用于具有很强沉浸感的人机交互设备——近眼显示，还被应用于具有大视角的桌面显示，相比于近眼显示，桌面显示则无需观看者佩戴设备。值得一提的是，复用技术与高精度空间光调制器的发展也将推进高质量集成成像光场显示的商用进程。

投影光场显示在原理上与集成成像光场显示相似，根据投影仪使用的台数被分为投影仪阵列式与单个投影仪式。对于前者，主要是采用投影仪阵列代替了集成成像光场显示系统中的微透镜阵列，利用投影仪阵列投射出的光线进行高密度叠加，进而实现3D图像的显示。对于后者，还需配备多路复用技术与投影屏、全息光学元件、旋转反射器件等光学器件模拟出投影仪阵列的效果，进而实现3D显示。

层光场显示需要堆叠不同数量的液晶面板来提高重构3D场景的景深，其具有较为连续的视场，比较适用于小尺寸的移动光学设备。若要增大3D显示效果则需要堆叠一定数量的液晶屏，这将引起两个不容忽视的问题：一是随着液晶屏数量的提升，系统的视场角也随之降低；二是增加液晶屏的数量，会增大3D显示系统的体积、提高系统的成本、降低其实用性。层光场显示引申出的矢量光场显示提升了光场显示的性能。矢量光场显示具有可视角度大、体积小、能耗低等优点，但是由于其使用的光学器件精度达到纳米级别，对制作工艺的精度提出了更高要求。

4 结论

光场3D显示是真3D显示的一种，通过光传感器模拟人眼接收3D物体发出的光，然后利用特殊器件与光传感器接收的信息再现出真实的3D场景；它重建的3D场景能正确地描述被记录场景的空间特性，此外，重构的3D场景符合人眼观看的特性，能还原被记录物体之间相互遮挡的关系。光场3D显示技术是一种数据量小、结构简单、易于集成化且符合人类观看习惯的3D显示技术，有望被应用于军事、医学、教育、娱乐等领域。随着工艺技术与计算机科学技术等相关领域的发展，光场显示技术已经得到大力发展。但应该看到，中国在光场显示领域还存在一些关键技术短板和产业链条断点。为避免中国高科技终端设备技术与产业再次落后于国外，建议促进光场显示与物联网、人工智能、大数据等交叉融合。此外，建议中国加强光场显示技术创新平台的建设，并设立光场显示研发重点专项，通过学术研讨会等形式梳理光场显示的技术难点、技术差距和问题等，凝练出光场显示核心材料、关键技术、核心装备等研发内容；充分发挥显示龙头企业在光场显示技术创新中的主体地位，以新型举国体制推动产学研在光场显示技术方面的创新合作。

本文作者：彭玉颜、康家欣、周雄图、张永爱、郭太良、吴朝兴

作者简介： 彭玉颜，福州大学物理与信息工程学院，博士研究生，研究方向为3D显示；周雄图（通信作者），福州大学物理与信息工程学院，中国福建光电信息科学与技术创新实验室，教授，研究方向为信息显示技术。

论文全文发表于《科技导报》2025年第2期，原标题为《光场显示研发进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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