研究人员使用平面透镜来加长3D显示的观看距离

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日前，研究人员展示了一个不需要佩戴眼镜的3D光场显示系统原型，由于采用了新开发的平面透镜，该系统大大加长了观看距离。该系统则是朝着可用于电视、便携式电子产品和桌面设备的紧凑型、外观逼真的3D显示器迈出的重要一步。

光场显示器使用密集的光线场来产生全彩的实时3D视频，这样就不需要戴眼镜也能观看。这种创建3D显示器的方法允许几个人同时观看虚拟场景，这很像一个真实的3D物体。



“大多数光场3D显示器的观看范围有限，这导致3D虚拟图像随着观察者远离设备而退化，”来自苏州大学的研究小组负责人Wen Qiao说道，“我们设计的纳米结构平面透镜只有100微米厚且有非常大的聚焦深度，这使得从更远的地方可以看到高质量的虚拟3D场景。”

研究人员发表在《光学》上的报告中指出，他们的原型显示器在24厘米至90厘米的观看距离上表现出高效率和高色彩保真度。通过将这些特点结合起来创造出了一个更真实的观看体验。



Qiao表示：“我们开发这项新技术是希望创造出能让人们在视频会议中感觉到他们真的在一起的显示器。随着纳米技术的不断发展，我们设想裸眼3D显示器将成为日常生活的正常部分并将改变人们与计算机互动的方式。”

创建多个视图

光场显示器通过投射不同的视图来创造逼真的图像，进而使3D场景在从不同角度看时看起来是一样的。当涉及到观看距离时，用于创建这些视图的镜头的焦距是一个限制性因素。

为了克服这个问题，研究人员通过将纳米结构以聚焦光线的方式图案化在一个平面上精心设计出一个新的衍射式平面透镜。将这些透镜中的几个交织在一起，使他们能创造出一个像素化的视图调制器，这是一种在光场显示中为场景创造各种视角的光学组件。例如一个创建四个视角的3D显示器将使用四个这样的镜头，每个镜头都将光线汇聚成一个独特的视角。

“由于跟传统的玻璃透镜相比，平面透镜提供了卓越的光线操纵能力，它们可以用来解决三维显示器中有限的运动视差、串扰、视觉疲劳和有限的观看距离等棘手的问题，”Qiao说道。

测试原型

在表明透镜在聚焦液晶显示器用于创建图像的红、绿和蓝光时实现了高分辨率后，研究人员将其纳入了一个4英寸的原型3D光场显示器，观看距离则在24至90厘米之间。

该显示器形成了一个平滑的水平视差，在所有观看距离上的串扰率低于26%，这意味着很少有会导致眼睛疲劳或使图像看起来不真实的错误。该显示器还表现出高达82%的光效率，远远高于其他已报道的类似3D显示系统。高光效对于创造一个明亮的虚拟图像非常重要，特别是对于诸如便携式电子产品等耗电量大的应用。

尽管原型机表现出的视角只有9°，但研究人员称，通过优化用于制造平面透镜的纳米结构的设计，这个视角可以扩大到几乎180度。除了研究这一点外，他们还计划通过开发出一种更复杂的设计算法来操纵每个像素的光束从而进一步提高光效率。他们指出，为了使这种类型的显示器能够实际制造，还需要有更容易的方法来制造纳米结构。

相关链接：https://phys.org/news/2022-03-flat-lenses-viewing-distance-3d.html

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