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器件及系统

1. 集成成像和光栅3D显示技术

集成成像和光栅3D显示是两种重要的裸眼3D显示。研制了裸眼集成成像光场3D显示器、裸眼光栅3D显示器、3D摄像机、3D实时拍摄与显示系统、交互式裸眼3D显示系统和裸眼3D图像视频处理软件等。


代表成果1:高性能光场3D显示器3D显示器

研制了一款31.5英寸高性能光场3D显示器3D实现了精准光场重构的裸眼真3D显示效果,具有清晰度好、立体感强、3D图像栩栩如生等优势。该高性能光场3D显示器已取得多项知识产权,具有很好的应用前景,有望在军事和国防、医学和医疗、科研和工程、教育和科普、文化和娱乐等领域得到重要应用。如应用于医疗诊断时,能够清晰展现患者病灶的立体影像,使医生更准确快速地诊断病情,提高诊疗效率。 

  

1-2 高分辨率裸眼集成成像光场3D显示器

代表成果2:桌面裸眼集成成像光场3D显示器

研制了43.5英寸桌面裸眼集成成像光场3D显示器,实现了360°水平视角、68.5°垂直视角的3D显示效果,可应用于电子沙盘、多人协同办公等多种场景。

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a)有3D显示图像时                b)无图像时

1-2 桌面裸眼集成成像光场3D显示器

代表成果3:高分辨率裸眼集成成像光场3D显示器

研制了15.6英寸高分辨率裸眼集成成像光场3D显示器,图像清晰,观看舒适,立体感强。

 

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1-3 高分辨率裸眼集成成像光场3D显示器

代表成果4:裸眼光栅3D显示器

研制了多种规格的高性能裸眼光栅3D显示器、裸眼光栅3D投影系统。观看者不需佩戴眼镜,就能观看到浮出屏幕外、伸向屏幕纵深处的3D场景,具有身临其境、活灵活现的效果。

 

1-4 裸眼光栅3D显示器

 

1-5  高分辨率裸眼光栅3D背投及前投系统

代表成果5:多视点3D摄像机

研制的多视点3D摄像机为裸眼光栅3D显示器提供实拍片源,还可以根据自己的专利技术为裸眼集成成像3D显示提供实拍片源。

 

1-6   八视点3D摄像机和四视点3D摄像机

代表成果6:集成成像实时3D拍摄和显示系统

研制了基于网络摄像机阵列的集成成像实时3D拍摄和显示系统,由8×8网络摄像机阵列、千兆网PoE交换机、工作站及裸眼集成成像3D显示器组成。该系统实现了真实场景3D信息的实时拍摄和显示,帧率可达37/秒。

 

1-7 集成成像实时3D拍摄和显示系统

代表成果7基于单目摄像机的人脸3D视频实拍实显系统

研制了基于单目摄像机的人脸3D视频实拍实显系统,由单个网络摄像机、交换机、服务端、客户端以及裸眼3D显示器组成。该系统采用人脸实时3D重建和虚拟视点合成技术,以裸眼3D显示的方式呈现了人脸的3D图像,并能实现语音同步播放,可用于3D视频通讯等场景中。

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1-8 基于单目摄像机的人脸3D视频实拍实显系统

代表成果8:裸眼光栅3D实时拍摄与显示系统

研制的裸眼3D实时拍摄与显示系统由计算机、裸眼光栅3D显示器和3D摄像机组成。系统启动时滞小于100ms,运行帧率18-30/秒。可用于3D拍摄的预览、3D监控和3D视频会议等领域。

 

1-9 裸眼光栅3D实时拍摄与显示系统I

 

1-10 裸眼光栅3D实时拍摄与显示系统II

代表成果9:交互式裸眼3D显示系统

基于Kinect的裸眼3D交互系统采用非接触式人体姿态感知和裸眼3D显示融合技术,通过手势控制3D场景,实现便捷的人机交互,将在游戏和互动电视等领域具有潜在应用。

 

1-11 交互式裸眼3D显示系统

代表成果10:裸眼3D图像视频处理软件

裸眼3D显示的视频播放器、器件装配测试软件、3D图像录制软件和2D/3D视频实时转换软件等。采用自主开发的GPU处理算法,运行效率高。

2. 全息3D显示技术

全息3D显示是最理想的3D显示方式之一。围绕全息3D显示性能的提升,提出了基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统、基于液体透镜和端到端物理模型驱动网络的全息相机以及大视角彩色全息3D显示系统,实现了快速大视角彩色全息3D显示效果。研究成果有望应用于VR/AR等领域中。

代表成果1:基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统

针对全息3D显示视角窄和尺寸小的问题,提出了基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统。该系统利用可调液晶光栅对全息再现像进行二次衍射,并利用提出的两种全息图生成方法对应实现了宽视角和大尺寸全息3D示。该系统的视角达57.4°,重建图像的尺寸扩大了约4.2Light: Science & Applications, 11, 188, 2022

代表成果2:基于液体透镜和端到端物理模型驱动网络的全息相机

针对现有全息技术中真实3D场景计算速度慢和全息再现像质量低的两大瓶颈问题,提出了基于液体透镜和端到端物理模型驱动网络的全息相机。该全息相机的硬件模块采用了搭载大口径液体透镜的液体相机,软件模块使用了一种端到端的物理模型驱动网络,该网络可在53ms内获得3D场景的高保真全息图。当全息图加载到空间光调制器上进行重建时,彩色全息再现像的峰值信噪比达到了28dB,实现了真实3D场景的高保真全息再现(Light: Science & Applications, 13, 62, 2024)。

代表成果3:基于彩色液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统

针对单空间光调制器视角扩大和彩色显示难以兼容的难题,提出了基于彩色液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统。该系统使用特殊设计的彩色液晶光栅对彩色再现像进行二次衍射调制,并提出一种与彩色液晶光栅配合使用的无色差全息图计算方法,将彩色全息显示的视角扩大到50.12°,实现了大视角彩色全息3D显示(Light: Science & Applications, 13, 16, 2024)。

 

3. 液体光子器件与成像技术

液体光子器件是起关键光学功能的部分为液体并可根据系统自适应调谐的光子器件。研制了电润湿液体透镜、连续光学变焦显微镜、基于液体透镜的成像镜头等,这些器件和仪器设备具有智能化、轻量化和便携化的优点。

代表成果1:电润湿液体透镜

研制了多种结构的电润湿液体透镜,兼具160V耐高压和12V低压驱动特性,并开发了配套驱动软硬件。

 

3-1 电润湿液体透镜样品及驱动软/硬件

 

代表成果2:连续光学变焦显微镜

研制了基于液体透镜的10×-60×连续光学变焦显微镜,分辨率~1.5μm,倍率切换时间~50ms,具备1mm大范围轴向深度扫描功能。

 

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显微镜样机                显微成像结果


3-2 连续变焦显微镜样机及成像结果

 

代表成果3:基于液体透镜的成像镜头

研制了多种基于液体透镜的连续光学变焦成像镜头,实现了自适应轻量化变焦成像功能。

 

3-3 基于液体透镜的连续光学变焦成像镜头

 

4. 液晶技术

液晶是介于液态和晶体态之间的一种中间态,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性。研究工作涉及液晶透镜、液晶显示、二维液晶材料、液晶光场调控和蓝相液晶等。

代表成果1:液晶透镜阵列

研制了液晶透镜阵列,具有轻薄化、平面化等特点,同时具有5.4V低电压驱动和28ms快速响应特性,可应用于2D/3D切换显示等领域。

 

4-1 液晶透镜阵列的结构和原理

 

4-2 液晶透镜阵列的变焦特性

 

代表成果2:基于液晶透镜阵列的2D/3D兼容显示屏

研制了基于液晶透镜阵列的2D/3D兼容显示屏,具有2D3D全屏显示、2D/3D同屏兼容显示功能且图像清晰(Optics Express, 29(23), 37464, 2021)。

 

4-3 2D显示模式

 

4-4 3D显示模式

 

代表成果3:彩色LCoS微显示器

研制了低边缘场效应的彩色LCoS微显示器,实现了时序彩色显示,对比度达1000:1,显示帧率达180Hz

 

4-5 LCoS微显示器                              4-6 彩色显示效果

 

代表成果4:超大克尔系数液晶材料

首次证明了氧化石墨烯液晶(GO-LC)中间相存在,克尔系数高达10-5m/V2,具有稳定性高的特点,为GO-LC在显示器件中的应用提供理论参考(Nature Materials, 13, 394, 2014)。

 

4-7 氧化石墨烯液晶相划分

 

4-8 氧化石墨烯液晶取向效果

 
 
 
 
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