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。

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。

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，其中斜线代表相机获取的视差图像。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°。

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。

 

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。

图4 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。

 

总之，本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）2023年第3期。