1 推文题目

PhotoniX｜北京航空航天大学王琼华/邢妍团队：光场3D显示性能统一表征—从光线传播到系统设计

2 撰稿人姓名

刘一健

3 中英文对应所有作者姓名

刘一健（Yi-Jian Liu）；李祎航（Yi-Hang Li）；张林博（Lin-Bo Zhang）；李伟泽（Wei-Ze Li）；文学锐（Xue-Rui Wen）；林星雨（Xing-Yu Lin）；赵雨杭（Yu-Hang Zhao）；王琼华（Qiong-Hua Wang）；邢妍（Yan Xing）。

4 中英文对应所有作者单位

中文：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京，中国。

英文：School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering, Beihang University, Beijing, China。

通讯作者：Yan Xing；邮箱：yanxing@buaa.edu.cn。

5 研究背景

光场3D显示通过调控光线的空间位置和传播方向，能够重建具有准连续视差和真实深度信息的光场，在医疗、教育和工业等领域具有重要应用前景。随着显示器件向高分辨率、大尺寸等高性能方向发展，视角、深度和分辨率成为衡量显示器性能的关键指标。然而，这些性能之间存在显著的相互制约关系，如何实现大视角、大深度与高分辨率的协同提升，已成为光场3D显示发展的重要瓶颈。

性能表征直接决定了系统性能分析与硬件参数设计的有效性。现有方法通常分别描述视角、深度和分辨率，虽然能够刻画单项性能，但难以揭示不同性能由同一光线调控过程产生的内在联系，也难以将目标性能直接映射至显示像素、光学调控器件等硬件参数。当多项性能需要协同优化时，这种分离式表征难以给出统一的性能边界和明确的参数设计依据。因此，亟需建立一种基于光线传播过程的统一性能通用表征方法，为光场3D显示的性能分析和硬件设计提供一致的理论基础。

6 导读

北京航空航天大学王琼华/邢妍团队在PhotoniX发表创新性成果，建立了光场3D显示统一性能表征框架。该框架以光线相空间为基础，从显示像素与光学调控器件之间的映射关系出发，建立起光线生成与传播的统一描述模型。通过区分正确光线和串扰光线，确定了完整无串扰观看区域，并通过分析光场单元随传播深度的扩展规律，建立了深度与分辨率之间的定量关系，揭示了最小可分辨宽度随显示深度线性增大的规律。进一步地，引入空间带宽积约束，将视角、深度和分辨率三个性能参数与显示像素、光学调控器件等关键硬件参数建立起定量联系，形成了面向目标性能的硬件参数可行域。在31.5英寸8K光场3D显示屏上的实验结果验证了理论的有效性。该工作为光场3D显示提供了从分散性能表征到统一性能分析与硬件参数设计的新思路。

7 X特点

论文的交叉创新点体现在光学/光子学与信息科学的融合。在光学层面，以光线相空间为基础，描述了像素与光学调控单元之间的映射关系以及光线传播过程，并由此统一表征视角、深度和分辨率。在信息层面，引入空间带宽积约束，刻画有限显示信息在空间与方向维度之间的分配关系，并进一步将目标显示性能映射至关键硬件参数，使性能分析由独立指标评价推进到面向系统信息容量的协同设计。论文展示了“光线传播—性能表征—信息约束—硬件设计”协同分析的新模式。

8 主要研究内容

论文围绕光场3D显示中“如何统一表征关键性能并指导硬件参数设计”这一核心问题展开。传统性能分析通常分别针对视角、深度和分辨率建立定义和评价方法，难以揭示不同性能之间的内在联系，也难以从目标性能直接推导显示器件参数。针对这一问题，论文基于光线相空间，建立了统一性能表征框架，将显示像素与光学调控单元之间的映射关系以及光线传播过程纳入同一模型，为多项性能的统一分析提供了理论基础。

在观看性能方面，论文通过区分正确光线与串扰光线，分析不同光线在空间中的传播边界，建立了完整无串扰观看区域的定量表征方法。在分辨率方面，进一步分析了光场单元随传播深度的扩展过程，建立了最小可分辨宽度与深度之间的解析关系，并揭示了其随深度线性增大的规律。由此，视角、深度和分辨率不再作为相互独立的指标进行描述，而是统一到光线传播及空间重建过程中进行分析。

论文随后引入空间带宽积约束，描述了有限显示信息在空间与方向维度之间的分配关系，并将视角、深度和分辨率统一关联至像素尺寸、光学调控单元节距和焦距等关键硬件参数，建立面向目标性能的参数可行域。在31.5英寸8K光场3D显示屏上验证了视角和不同深度下的分辨率。实验测得的视角与理论预测保持一致，分辨率实验结果与理论模型呈较强相关性，Pearson相关系数达到0.8561，预测结果与理论值的相关系数高于0.9990。结果表明，该框架能够实现从光线传播、性能表征到硬件参数设计的统一分析。

9 技术突破与创新点

论文主要取得了三方面技术突破。

首先，建立了基于光线相空间的光场3D显示统一性能表征框架。传统光场3D显示研究通常分别分析视角、深度和分辨率，不同性能指标采用不同的定义和评价方法，难以形成统一描述。论文从显示像素与光学调控单元之间的光线映射关系出发，在光线相空间中统一描述光线的生成、传播与空间重建过程，并进一步区分正确光线与串扰光线，建立完整无串扰观看区域的定量表征方法。该框架将不同性能指标统一到同一光线传播模型中，为分析光场3D显示性能之间的内在联系提供了统一的理论基础。

其次，揭示了深度与分辨率之间的定量耦合关系。传统性能评价通常将深度与分辨率作为相互独立的指标，而实际光场单元在传播过程中会随深度发生空间扩展。论文从光场单元的传播特性出发，建立了最小可分辨宽度与深度之间的解析关系，并揭示了最小可分辨宽度随深度线性增大的规律。这一结果明确了分辨率并非固定性能，而是随重建深度连续变化的系统特性，从而将显示深度与空间分辨率纳入统一的定量描述，为不同深度处的显示性能预测提供了理论依据。

第三，建立了空间带宽积约束下的硬件设计可行域。视角、深度和分辨率共同受到有限显示信息量的约束，单一性能的提升会改变空间信息与方向信息之间的分配关系。本研究引入空间带宽积描述这一约束，并进一步建立目标性能与显示像素、光学调控单元节距和焦距等关键硬件参数之间的定量联系，由此形成满足多项性能要求的硬件参数可行域，为面向目标性能的系统参数选择提供了定量设计依据。论文在31.5英寸8K光场3D显示屏上对视角和不同深度下的分辨率进行了实验验证，实验结果与理论预测保持一致。

图1 光场3D显示原理及光线相空间表征。

（a）典型显示结构。系统可建模为由像素平面（P-plane）和调制平面（M-plane）构成的双平面结构，分别对应2D显示面板和微透镜阵列。（b）光线调制逻辑。由P-plane发出的光线经过M-plane上对应的光学中心，从而确定其传播轨迹，实现由无序光到有序光场的转换。（c）映射机制。根据像素起点P_o及系统硬件参数，求得对应的调制中心P_c，并进一步确定光线传播方向dir。（d）M-plane处光场的光线相空间表征。其网格结构反映了系统的基本特性。（e）光线传播后的光线相空间表征。传播过程对应相空间中的剪切变换，将角度信息映射为空间坐标。

图2 31.5英寸8K光场3D显示器样机上的3D显示效果。

上排：CG角色“孙悟空”，展示遮挡关系变化和连续运动视差。中排：真实食物模型，可辨识其纹理细节。下排：医学心脏模型，可观察到清晰的结构特征。

10 结论与展望

论文建立了基于光线相空间的光场3D显示统一性能表征框架，将视角、深度和分辨率由相互独立的性能指标统一到光线传播与空间重建过程之中。通过区分正确光线与串扰光线，确定了完整无串扰观看区域，并揭示了最小可分辨宽度随显示深度线性增大的规律。进一步结合空间带宽积约束，建立了目标显示性能与关键硬件参数之间的定量联系，实现了由性能表征向硬件参数设计的拓展。在31.5英寸8K光场3D显示屏上验证了理论模型的有效性。展望未来，该框架可进一步拓展至不同光学调控结构及更复杂的系统条件，并结合器件误差、非理想光学效应和动态观察过程完善性能模型，为大视角、大深度和高分辨率的光场3D显示协同设计提供更完备的理论基础。

11 主要作者介绍

王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授/博导，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，SID、OPTICA、SPIE、COS 和 CSOE 会士，国家重点研发计划项目负责人。1988—2001年在电子科技大学先后获得学士、硕士和博士学位，并任职至副教授。2001—2004年在美国中佛罗里达大学光学学院从事博士后研究，2004—2018年在四川大学任教授，2018年至今任北京航空航天大学教授。主要从事显示与成像技术研究，以第一完成人获2023年度国家技术发明奖二等奖及3项省部级/学会技术发明或自然科学一等奖，获准近200件美国和中国发明专利，出版科学出版社著作3部，发表SCI收录论文超400篇。

邢妍，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授、博士生导师。主要从事3D显示技术研究。主持国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目等3项，发表SCI收录论文30余篇，授权中国发明专利25件，申请国际发明专利3件。获2022年度教育部技术发明一等奖（3/6）。现任IEEE Senior member、中国图像图形学会三维成像与显示专委会秘书长，并担任中国光学工程学会光显示专委会、中国光学学会全息与光信息专委会等委员。担任《中国图像图形学会通讯》编委。2010—2019年在四川大学先后获得学士、博士学位，2019—2023年在北京航空航天大学从事博士后研究，2023年至今任北京航空航天大学副教授。

刘一健，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士生，研究方向为光场3D显示技术。在PhotoniX、Laser & Photonics Reviews、Optics Express等期刊上发表论文。获研究生国家奖学金、北航博士生卓越学术基金等荣誉。担任国际信息显示学会SID China北京分会学生主席。