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微纳加工技术:无视疲劳裸眼3D显示助推器
时间:2019-11-23    评论:0
    来源:电子科学技术
    作者:乔文、陈林森

    导读:视角调控器件”是无视疲劳裸眼3D显示中重建光线传播特性的关键器件。依托于微纳加工平台的多视点3D显示器件可以有效减少观看者的视觉疲劳,改善裸眼3D显示的观看体验。然而目前微纳加工平台及光刻技术主要面向半导体电子产业,与光学显示产业对玻璃和聚合物衬底上3D形貌结构加工要求不尽一致。未来,微纳制造技术必然会向复杂形貌结构高效制备工艺的方向进一步发展和提高,其发展有望使制作具有更大自由度和更优异显示特性的“视角调控器件”成为可能,并将进一步促进裸眼3D显示技术的产业化。
 
    作为显示产业发展的中心,我国2018年已经超越韩国成为全球显示面板产能第一大国,与此同时,我国也积极部署和发展作为下一代新型显示技术发展重点的3D显示技术与产业。裸眼3D显示在影视、游戏、设计、医疗、车载、航空、教育、展示等领域都有巨大应用价值。以医疗服务领域为例,从精准医疗、诊疗、远程医疗、医生培训等各个环节,都迫切需要图像3D可视化。截至目前,3D显示产品的视觉体验感仍然有待提高,能够应用于商业化推广的3D显示技术还没有完全被突破。本文将介绍裸眼3D显示技术实现的机理以及制约裸眼3D显示技术发展的因素,探讨裸眼3D显示技术走向千家万户所需的必要条件。
 
    裸眼3D显示研究现状
 
    裸眼3D显示,顾名思义是在不需要任何辅助设备(如3D眼镜、头盔等)的情况下,即可获得所观察物体的深度信息并形成立体视觉,主要可分为全息显示、体3D显示和多视角3D显示。其中多视角3D显示通过将三维物体的光场信息分解成多个狭窄的观察窗口,每个观察窗口用二维视角图像来表达,形成近似连续的视差信息,获得具有空间、深度的逼真立体景象。

    由于多视角裸眼3D显示可与传统平板显示技术结合,并运用现有平板显示技术的发展优势来实现,因此得到众多研究工作者的青睐,被认为是最快可能实现商业化应用的三维显示技术。多视角3D显示主要包括视差屏障、柱透镜阵列、集成光场、时空复用和衍射光学等实现机理和方法(图1)。

图1 多视角3D显示

    基于柱透镜光栅、视差挡板或两者混合的裸眼3D显示技术,如图1(a)和图1(b)所示,通过几何光学方法把图像分离至多个水平视角,并常常通过增加眼球跟踪的方法进一步减少视角间图像串扰。基于集成光学的裸眼3D显示技术如图1(c)所示,通过微透镜阵列或扫描阵镜的方法在二维空间上重构多达数千个视角,实现全视差三维显示。时空复用技术如图1(d)所示,结合分布在左右两侧的两组不同角度的LED,配合高刷新率的LCD面板和反射棱镜模块,让画面以奇偶帧交错排序方式,分别反射给左右眼。、视角数目只有2个,其特点是不损失空间分辨率。惠普实验室提出了一种基于纳米光栅阵列的指向性导光板如图1(e)所示,通过设计纳米光栅的周期和取向角,可使出射光分离至若干个观察视角上。

    以上无论是哪种实现方法,其目的都是实现三维景物的模拟再现。考察一个3D场景时,空间内某一点发出的光线具有7个独立参量,可用光函数P(x,y,z,θ,φ,λ,t)进行描述(图2(a))。略去传播损耗,只考虑空间视场维度,至少需要4个独立变量描述空间传播的光线:P(x,y,θ,φ)。这个光函数包含两个空间变量(x,y)和两个角度变量(θ,φ)。因此,如图2(b)所示,一个3D显示器件操纵光线,重建其空间传播信息。对应于4个独立变量的光函数,需要具有4个独立可调控量的3D显示器件方能实现光场重建,还原3D景物。

    回顾上面介绍的裸眼3D显示技术,人们采用具有周期性的微纳结构元件将不同视角图像信息以平行光束的方式发射至不同视角,观察者的眼睛捕捉来自不同视角方向的视差图像后在其大脑产生虚拟的三维场景。

    以基于柱透镜阵列的多视角3D显示为例,这种周期性的微纳结构元件中,位置变量(x,y)与角度变量(周期,透镜曲率半径)并不完全独立,其结果是出射光线具有一定方向性,但不能重构具有4个独立变量的光函数。产生的问题是,当一只眼睛同时接收到两个视角的不同视差图像时将产生串扰并引起眩晕。这是当前裸眼3D显示系统让观看者产生眩晕感的一个重要原因(图2(b))。此外,该显示方案中单眼与双眼聚焦的像平面不同而引起的辐辏调节矛盾,是引起视觉疲劳的主要原因。
图2光场调制机理

    考虑到如图3(a)所示的缺陷,我们把位置变量(x,y)与角度变量完全独立开来,设计具有4个独立变量的3D显示方法如图3(b)所示,形成具有会聚视点的多视角3D显示方法。其思路为,通过离散采样传播光波前函数,获得波前离散位置的光信息。这种方式将不同的视角光束汇聚至离散视点处。如果视点的数目足够多,那么随着观察者在视角范围内移动,将在可视区域内接收到连续无串扰的视差图像,不存在暗区。此外将不同视差图像投射入单眼瞳孔内,能够减小辐辏调节矛盾,消除视觉疲劳。

    实际上,在裸眼3D显示中最关键的技术之一是如何利用一个“视角调控器件”把传统平面面板信息分离至不同的角度,该“视角调控器件”上微纳结构需具有4个独立结构参数,以达到对光线进行操控的目的,从而实现多样的视角分布特性。

图3 立体显示机理 (a)多视角3D显示;(b)会聚视点3D显示

    为获得会聚光的光场调制特性,需要精确调控每个像素上光线传播速度,使之同时到达各个会聚视点,在会聚点处观察,能获得连续无串扰的视差图像,实现无疲劳裸眼3D显示。为此,需要精确控制“视角调控器件”上每个像素对应的微纳结构参数,使其光学特性产生细微差别,在设计与制备上极具挑战性。目前的微纳结构加工设备主要有激光直写设备与连续变空频纳米干涉光刻技术,能够实现周期控制精度为0.5nm的微纳结构制备。

    本文下面从“视角调控器件”的设计方法入手,讨论视角光场精确调控带来的优势。

   视角光场调控与裸眼3D显示技术

    如前所述,裸眼3D显示的本质是通过视角光场调控将显示信息投射至平面空间和深度空间,视角操控的精确度、多样性、灵活性直接决定视场角、图像清晰度、串扰等裸眼3D显示特性。
 
    一、会聚式裸眼3D显示机理
 
    光栅作为一种重要的衍射光学元件被广泛应用于光波调制、信息存储与编码、脉冲压缩等诸多领域。在三维显示中,特制的光栅对出射光方向的调控具有精度高、范围广、自由度大等优势,而像素尺寸的光栅就能对单位像素的出射光方向进行调控。如图4(a)是像素型光栅实现会聚视点的示意图。我们用准直入射光倾斜入射至布满像素光栅的结构上,每个像素上光束的出射方向都需要不同,因此每个像素区域光栅有着不同的取向和光栅周期。利用4个独立结构变量(x,y,周期,取向)(图4(b))调控光函数,并形成会聚视点重建光波前若干点的全部相位信息,再将纳米光栅紧密排布的视角调控板与传统显示平板(液晶面板)结合,获得光波前抽样点的振幅信息,从而获得动态的3D显示效果(图4(c))。

图4 多视点3D显示原理图

    如图5为4视点裸眼3D显示的效果图。如果视点分离良好,没有相互影响,通过刷新液晶面板上的二维视差图像信息,在观察点处就能观察到连续的视差变化,实现三维的显示效果,并且不会存在暗区和串扰。

图5 3D重建场景

    二、2D/3D混合显示机理

    在屏幕像素数一定的条件下,多视点裸眼3D显示的空间分辨率和角分辨率是一对辩证矛盾体。提高空间分辨率可提高显示图像、清晰度,但意味着视点数目减少,角分辨率下降。另一方面,提高角分辨率可扩大视场角或视角变换更连贯,却带来图像颗粒感增强,空间分辨率下降的问题。

图6 基于纳米结构像素单元的2D/3D混合显示

    考察当前有望普及的8K(7680×4320)显示屏幕。设图像分辨率为1K(1280×720),则可获得36个视角。考虑到人类双眼水平排列,以水平视差为主。在牺牲垂直视差的情况下,若视角间隔为1°,则可获得水平可视范围36°;若视角间隔为2°,则可获得水平可视范围72°。信息量受限情况下,裸眼3D显示系统中图像分辨率下降和视场角受限问题是制约其走进千家万户的一个重要因素。

    在传统裸眼3D显示中,信息均匀分布在观察空间中,表现为空间均匀分布的点阵或线阵视点。然而,在信息量有限时,应优化信息空间分布,把更多信息用在更重要位置。即在常观察区域提高信息密度,在不常观察区域降低信息密度。为此,我们采用二元光学元件调控视点分布,实现点/线/面混合的视角分布,可实现基于复杂纳米结构像素单元的2D/3D混合显示,如图6所示。与多视角3D显示不同,其思想是在人眼最关注的中央观察区域实现3D显示,而在使用率较低的边缘观察区域实现2D显示。该方法可在不损失图像清晰度的情况下显著提升视场角,从而解决多视角3D显示技术的分辨率下降或视场角受限问题。
 
    三、无疲劳3D显示原理

    在多视角三维显示中,由于视角图像显示于屏幕上,因此单眼调焦的位置始终处于屏幕表面,而双眼集合的位置在大脑融合的立体图像上,如图 7(a) 所示。上述这种单眼调焦距离与双眼集合距离并不一致的情况就会产生所谓的辐辏调节矛盾,这是引起观看者视觉疲劳的主要原因之一,也是妨碍3D显示普及的重要原因之一。

    在具有多个会聚视点的裸眼3D显示技术中,单个瞳孔可同时观看到两个以上的视角,多条经过三维物体中同一点的光线同时进入人眼(例如右眼),成像于视网膜上,根据光线可逆原理,人眼会聚焦在三维物体的像素点上(而不是显示屏上),这样便实现了单眼调焦效果。如图7(b)所示,基于纳米结构像素式位相板,视角间隔为0.7度,小于人眼瞳孔大小。当单个眼睛能够看到两幅以上视角图像时,实现单眼视差效果,即单眼聚焦的位置位于显示物体上,与双眼聚合的位置相同,减小了辐辏调节矛盾,同时实现了连续的动态视差,使观看效果更加自然。

图7 无疲劳3D显示原理

    “视角调控器件”的新型加工手段-微纳加工技术

    3D显示器件的发展受“视角调控器件”的加工手段限制。随着平板显示技术的发展,移动电子设备的单个像素尺寸在几个到几十个微米量级。一方面,实现单个像素具有两个独立结构变量调控的复杂结构制备,其加工精度需在纳米级别。另一方面,显示器件的尺寸从5英寸到50英寸,再到200英寸,幅面变化范围很大。实现米级尺寸下具有复杂纳米结构的器件制备并达到纳米级加工精度,在技术上具有极大的挑战性。这里我们介绍两种正在迅速发展的“视角调控器件”的加工方法。

    一、激光直写技术

    激光直写技术是在大尺度上制备微米、纳米级结构的主流方法之一。它利用一个由运动台控制的高度聚焦的激光光斑在光敏感材料上书写形成图案,不需要事先制备掩膜版,与多次曝光和光场拼接技术相结合,可实现具有3D形貌的复杂纳米结构制备。如图8是无掩膜激光直写技术的示意图,根据直写方式的不同分为串行激光直写和并行激光直写,串行直写精度高但是加工效率低,并行直写利用数字空间光调制器(DMD)作为数字掩膜版进行逐面积直写,效率显著提升。

图8 激光直写示意图

    如图9所示,基于滚动曝光的激光直写技术可以制备多台阶微纳结构和微纳灰度结构。并行激光直写可以高效率地制备变周期光栅结构,能够将准直光束汇聚至空间内某一点。衍射光学元件的衍射效率与台阶结构的台阶数有关,利用数字掩膜的多次套刻能够制备多台阶结构,大幅提高衍射光学元件的衍射效率,目前的无掩膜激光直写技术常用于加工最小线宽不小于0.5μm的微纳结构制备。

图9 多台阶相位结构SEM图
 
    二、连续变空频的纳米干涉光刻技术

    在制备基于像素光栅的裸眼3D显示器件时,视角间隔在3度情况下,光栅周期变化精度要求为1nm 左右,当视角间隔在 5度情况下,光栅周期变化精度为3nm 左右。这个精度是激光直写设备无法达到的,电子束曝光(EBL)可以实现高分辨率、任意图形纳米结构的设计,能够满足三维显示的所有需求,但制备效率低、成本高,特别是大面积光栅制备几乎不可能,严重限制了其在三维显示中的应用范围。相对于电子束光刻技术,双光束干涉光刻是一种更高效的微纳米加工技术。

    图10为连续变空频的纳米干涉光刻系统原理图,激光光源经过扩展系统形成准直平面波入射到傅里叶变换透镜和衍射光栅上,被分为两束光经过光阑限制出光半径大小,经过聚焦物镜进一步缩小,聚焦曝光于样品表面,形成干涉条纹。计算机控制系统控制用于同步控制二维移动平台和衍射光栅的位置,拼接形成像素型纳米光栅区域分布。轴向平移衍射光栅,两光点的距离将连续变化,因此,在第二傅立叶变换透镜的后焦面上形的干涉条纹周期将连续改变,同时旋转衍射光栅,可实现干涉条纹取向的连续变化(360°可调)。这个光刻系统能够逐面积曝光,在曝光过程中能够变化光栅的周期和取向,制备速率达到20mm2/min。

图10 连续变空频纳米干涉光刻系统原理图

    若将光刻系统中的衍射光栅换为二元光学元件,紫外光经过第一傅立叶变换透镜后,通过衍射光学元件,在透镜的后焦面上形成多个聚焦光点。多个点光源发射的球面波通过第二傅立叶变换透镜后,在其后焦面上形成复杂干涉光场,光场内部的纳米结构取决于衍射光学元件结构和在光路中所处的位置。轴向平移衍射光栅会使多光点的距离连续变化,在第二傅立叶变换透镜的后焦面上形成的结构光场空频将连续改变。此外,旋转衍射光学元件则可实现复杂干涉光场取向的连续调制。图11为利用连续变空频的纳米干涉光刻系统制备的微纳结构。

图11 光刻系统制备的微纳结构

    总结

    “视角调控器件”是无视疲劳裸眼3D显示中重建光线传播特性的关键器件。为表达光函数(x,y,θ,φ)特性,视角调控器件在设计上需要具备4个独立结构变量。基于这个思想,本文提出了基于会聚视点的裸眼3D显示机理,解决裸眼3D显示的图像串扰问题;提出了2D/3D混合显示方法,在显示信息量有限的条件下极大地扩展了视场角;提出了基于超多视点的裸眼3D显示方法,可减小辐辏调节矛盾引起的视觉疲劳。

    依托于微纳加工平台的多视点3D显示器件可以有效减少观看者的视觉疲劳,改善裸眼3D显示的观看体验。然而目前微纳加工平台及光刻技术主要面向半导体电子产业,与光学显示产业对玻璃和聚合物衬底上3D形貌结构加工要求不尽一致。

    随着包括显示行业在内的光电子器件加工需求逐步增大,微纳制造技术必然会向复杂形貌结构高效制备工艺的方向进一步发展和提高。具体表现为:制备效率提升,加工幅面增大;结构由2D走向3D;大幅面复制工艺日趋成熟。微纳制造技术的发展有望使制作具有更大自由度和更优异显示特性的“视角调控器件”成为可能,并将进一步促进裸眼3D显示技术的产业化。

    除视角调控器件制备所需的微纳制造技术外,裸眼3D显示的普及还需解决产业链上其他的瓶颈问题。相较于平面显示,裸眼3D显示增加了一个显示维度,决定了传输、处理和显示等整个产业链的信息处理能力相应增大一个维度。一个理想的裸眼3D显示需要比2D显示高106倍的显示信息量。在60Hz的刷新频率下,裸眼3D显示所需的数据量为1011b/s,相当于4G数据传输能力(100Mb/s)的103倍。

    5G时代(1Gbps数据传输能力)的来临,以及正在研发的6G(10Gbps或者更高的数据传输能力)通信技术,都将为裸眼3D显示技术的普及提供重要的支撑条件。此外,Micro LED显示技术通过模块化的设计,利用多个较小面板的无缝拼接为显示信息量的增加提供了技术途径。因此,裸眼3D显示的发展需要信息处理能力的巨大提升和整个产业链的技术变革共同推动。未来的先进信息处理和通信技术、Micro LED技术和微纳光学制造技术3方面协同发展,将带动和引领裸眼3D产业创新和生态链的大发展。
标签:裸眼全息光场三维
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