技術(shù)干貨！一種真正的裸眼3D場多層顯示技術(shù)

一、概述目前，市面上已經(jīng)商業(yè)化的顯示方式有以下幾種：CRT（冷陰極射線管）：已落伍，處于淘汰中CRT電視機(jī)是通過一個或多個電子槍發(fā)出電子束，射在真空管屏幕表面內(nèi)側(cè)，而涂在屏幕內(nèi)側(cè)的發(fā)光涂料受電子束沖擊而發(fā)光產(chǎn)生圖像。電子束沖擊在屏幕內(nèi)側(cè)的一個發(fā)光點(diǎn)即為一個像素，通過調(diào)整電子束的強(qiáng)弱即可實(shí)現(xiàn)像素的灰階。TFT-LCD（薄膜電晶體/三極管液晶）：現(xiàn)階段主流產(chǎn)品液晶分子因其在電場中受電壓大小而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（光通過不同偏轉(zhuǎn)角度的液晶會有強(qiáng)弱變化），配合兩片垂直放置的偏光片來實(shí)現(xiàn)光的可控，通過調(diào)整電壓來實(shí)現(xiàn)顯示的灰階。OLED（有機(jī)電致發(fā)光）：未來主流產(chǎn)品，替代LCD中有機(jī)分子受電流作用，發(fā)生能級躍遷，產(chǎn)生不同顏色（RGB）的光，通過輸入電流的大小引起光的強(qiáng)弱即可實(shí)現(xiàn)灰階。當(dāng)然還有Micro-LED，激光電視等，這里不一一贅述。以上顯示方式均屬于平面2D顯示，屏幕尺寸有限（取決于屏幕生產(chǎn)線的世代，存在極限尺寸）要實(shí)現(xiàn)3D顯示需配合外加設(shè)備或工藝來實(shí)現(xiàn)。目前能實(shí)現(xiàn)3D顯示的工藝和技術(shù)有：1、現(xiàn)有LCD或OLED外貼柱透鏡膜片，所播放視頻需加工成3D片源：缺點(diǎn)是觀看超過10分鐘會頭暈；2、全息：需通過特殊設(shè)備，觀看場景特殊，體型巨大，無法形成小型或薄型顯示屏幕；3、平面圖像算法實(shí)現(xiàn)：對圖像背景進(jìn)行虛化，形成偽3D效果。而目前顯示/觀看效果好的主流方式仍是通過佩戴偏光眼鏡來實(shí)現(xiàn)，且其片源需加工成3D片源，其實(shí)現(xiàn)3D電影的原理是：拍攝左右眼視點(diǎn)圖像，并將兩視點(diǎn)圖像同步顯示在銀幕上，從放映機(jī)射出的光通過偏振片后，就成了偏振光，左右兩架放映機(jī)前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直，觀眾使用對應(yīng)上述的偏振光的偏振眼鏡觀看，即左眼只能看到左機(jī)映出的畫面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫面，這樣就會看到立體景像，這就是立體電影的原理。現(xiàn)實(shí)世界中，我們?nèi)庋鬯吹降膱D像/影像都是立體具象的，人眼天生就可以感知真實(shí)的三維立體（3D）圖像/影像。但是囿于現(xiàn)代顯示科技，我們在平面屏幕上看到的往往都是二維平面（2D）圖像/影像。如果能在2D屏幕上實(shí)現(xiàn)3D圖像/影像,才能更加符合人眼觀看習(xí)慣。我們所看到的三維立體（3D）圖像從視線方向做分割的話，其實(shí)是無限多層圖像緩慢遞進(jìn)的概念，組成不同層圖像的“像素/位圖點(diǎn)”分布在空間的各個立體位置（X/Y/Z）上，就像用“一把鋒利的刀”將立體圖像沿我們目視方向切成無數(shù)多層的位層圖像，這么多“光滑無梯度”的多層圖像/影像構(gòu)成了我們眼中自然界中真實(shí)的立體圖像/影像，而人眼又是一種精密的變焦系統(tǒng)，可以主動聚焦到想看的焦平面，形成我們眼中真實(shí)的立體圖像，這是一種純天然完美的接收/顯示系統(tǒng)。如下圖：但對目前科技而言，這種“光滑無梯度”近乎無限多層的顯示顯然無法達(dá)到。常見的一些實(shí)現(xiàn)裸眼3D效果的顯示系統(tǒng)，往往都是通過簡單的兩層圖像形成簡單的對比度，造成3D效果。簡單點(diǎn)的如電影院中采用偏光眼鏡，將圖像分成兩層，分別用兩束偏振光來顯示，簡單的形成位相差引起觀看的3D效果，對比度效果雖然強(qiáng)烈，但其實(shí)就是相對簡單的兩層顯示。那么，有沒有辦法可以不借助觀看工具（眼鏡，頭盔等）在2D平面屏幕上來實(shí)現(xiàn)或接近真正的3D效果，或者說實(shí)現(xiàn)多層立體顯示？這里要向大家介紹的是一種全新的顯示方式，借助微投影/顯示技術(shù)結(jié)合透鏡陣列結(jié)構(gòu)在2D平面實(shí)現(xiàn)真正裸眼3D觀看效果的多層（場）顯示技術(shù)。今天，我們提出多層（場）顯示的一個技術(shù)雛形概念，希望能拋磚引玉，未來能發(fā)展出真正的近乎自然/真實(shí)的三維立體影像/圖像。為了更好的闡述這項(xiàng)多層（場）顯示技術(shù)，在介紹之前，先介紹什么是3D動態(tài)膜?二、基于微透鏡陣列成像的3D動態(tài)膜3D動態(tài)膜系采用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合微圖文陣列來實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示效果的產(chǎn)品，通過這種技術(shù)所得到的產(chǎn)品，動態(tài)效果無需借助二次儀器，肉眼直觀可見，是一種一目了然的視讀識別技術(shù)。具體表現(xiàn)如下：動態(tài)光學(xué)安全膜移動時，圖形就好像是在水面上滑動，薄膜在左右運(yùn)動時，圖形在垂直方向做反方向的滑動（正交運(yùn)動）；同樣，薄膜上下轉(zhuǎn)動，被放大的圖形左右運(yùn)動。下面是結(jié)構(gòu)原理示意圖：結(jié)構(gòu)原理示意圖一些應(yīng)用實(shí)例：百元美金的藍(lán)色安全線各種國家貨幣上動感安全線（當(dāng)左右轉(zhuǎn)動時，100和大笨鐘圖案會互換）光學(xué)微透鏡陣列莫爾放大-焦平面成像原理：微透鏡動態(tài)立體顯示技術(shù)，其原理是在微圖文信息層的前面加上一層透鏡層，使微圖文的像平面位于透鏡的焦平面上，在每個透鏡下面對應(yīng)有微圖文信息單元，這樣透鏡就能以不同的方向投影單元微圖文信息于焦平面形成動態(tài)的放大圖文。于是雙眼以不同的運(yùn)動狀態(tài)（左右/上下晃動）觀看動態(tài)膜，就看到動態(tài)放大圖文不同的運(yùn)動狀態(tài)（上下/左右運(yùn)動）。微透鏡陣列分布一定的情況下，可以通過設(shè)計(jì)不同的微圖文周期來得到不同層的動態(tài)放大圖文，下面以景深效果來進(jìn)行設(shè)計(jì)：假定微透鏡以六邊形圓相切排布，單個微透鏡直徑為R，那么相鄰兩個微透鏡圓心到圓心之間距離為R，圖文周期為R1，那么在一定范圍內(nèi)，當(dāng)R1<R時，為景深效果；在一定范圍內(nèi)當(dāng)R1>R時，為上浮效果（躍出紙面）。放大倍數(shù)則為n=R1/（R-R1）。舉個實(shí)例：微透鏡直徑40微米，微圖文32微米，圖文排列周期39.92微米，所以39.92<40，圖文效果出來為景深效果，放大倍數(shù)為39.92/（40-39.92）=499倍，圖像可放大為32X499=15968微米=1.5968厘米產(chǎn)品實(shí)樣如下：焦平面的聚焦則取決于微透鏡的大小，樹脂折射率，膜材料厚度等因素。由于微透鏡陣列焦平面成像在厚度方向有一定區(qū)域，所以可以在縱深方向上形成多層顯示。比如下圖中，我們在原有藍(lán)色“OK”陣列的基礎(chǔ)上再做一層紅色的微圖文“g”陣列，會形成如下藍(lán)色放大圖像OK在下，紅色放大圖像g在上的雙層雙色顯示。截面示意圖如下：實(shí)際樣品圖如下：可以從上圖看出：藍(lán)色“OK”在底層，紅色“g”在上層，兩者互不干擾，清晰度基本不受影響。三、封裝式3D動態(tài)膜形成微透鏡結(jié)構(gòu)的UV樹脂折射率為1.5左右，所形成微透鏡結(jié)構(gòu)的折射率與空氣折射率（1.0）差距過大，所形成的動態(tài)膜產(chǎn)品光學(xué)折射角度大，霧度高，從外觀看起來會不清晰，模糊，所以需要有一種方法來解決霧度大的問題，因此筆者開發(fā)了封裝式微透鏡光學(xué)動態(tài)膜產(chǎn)品，可有效降低產(chǎn)品的霧度，提高光學(xué)透過率等技術(shù)指標(biāo)。封裝式微透鏡光學(xué)膜片由信息圖文層、光學(xué)基材、微透鏡層和表面封裝層組成。信息圖文層與微透鏡層分別附于光學(xué)基材表面，而封裝層則按凹凸結(jié)構(gòu)完整填充覆蓋于透鏡陣列表面，其中封裝層材料折射率小于微透鏡層材料的折射率，這個差值在0.05以上，視需要的產(chǎn)品厚度而定。具體膜片結(jié)構(gòu)如下圖所示。封裝式動態(tài)膜產(chǎn)品示意圖由于微透鏡結(jié)構(gòu)表面被封裝，霧度降低，光學(xué)透過率增加，周圍環(huán)境發(fā)出光線透過微透鏡層時亮度不會受到影響，因此動態(tài)圖文亮度高，更清晰。簡單示意圖說明如下：直顯動態(tài)膜封裝式動態(tài)膜當(dāng)光線從微透鏡射出時，如直接進(jìn)入空氣中，由于折射率差異較大的緣故，散射角度大，所以霧度高，透過率低；而微透鏡被封裝后，光線從微透鏡射出首先進(jìn)入的是封裝層，折射率差異不明顯，所以光線再進(jìn)入空氣后散射角度小，霧度低，透過率高。封裝式動態(tài)顯示原理是：微透鏡層是由若干微透鏡陣列組成，而每一微透鏡由一個凸面透鏡和一個凹面透鏡構(gòu)成，當(dāng)凸面透鏡材料折射率大于凹面透鏡材料折射率時，透鏡整體呈對光線聚焦?fàn)顟B(tài)，霧度降低，光學(xué)透過率增加，清晰度提高。封裝式3D動態(tài)顯示低霧度/高清晰度對比示意圖從上圖得到，封裝式產(chǎn)品外觀較直顯產(chǎn)品更清晰，動態(tài)效果更強(qiáng)。我們請第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)（蘇州計(jì)量所）做了物性指標(biāo)測試，得到如下對比數(shù)據(jù)：國內(nèi)外動態(tài)立體顯示防偽光學(xué)膜片性能參數(shù)對比可以看出，封裝式動態(tài)膜在霧度，透過率，動態(tài)位移上均有明顯提升，尤其是光學(xué)透過率和滴水動態(tài)位移。四、新型顯示/裸眼3D動態(tài)投影顯示上文提到了用微透鏡陣列和微圖文陣列經(jīng)焦平面成像而得到動態(tài)膜，從動態(tài)膜可以看出，微透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)微圖像的放大，并能實(shí)現(xiàn)景深/上浮等3D效果，同時還能實(shí)現(xiàn)多層圖像的疊加。那么，把微透鏡和微圖文同步放大幾百倍到上千倍，即將靜態(tài)微圖像轉(zhuǎn)換為一個個小投影儀/顯示屏，每個小投影儀/顯示屏對應(yīng)一個透鏡，每個小投影儀/顯示屏同步播放出的動態(tài)影像文件（連續(xù)多幀靜態(tài)圖像，電影/MTV等）是不是就能實(shí)現(xiàn)動態(tài)影像的放大，將小投影儀/顯示屏按照透鏡對應(yīng)位置規(guī)律性分布排列即可出現(xiàn)景深/上浮等3D效果？實(shí)現(xiàn)大屏幕或超大屏幕動態(tài)影像的關(guān)鍵點(diǎn)是：1、透鏡結(jié)構(gòu)；2、投影/顯示設(shè)計(jì)，動態(tài)影像每幀圖像的同步性和周期位置的精準(zhǔn)性；3、需設(shè)計(jì)的景深視頻圖像和正常視頻圖像按不同周期分布的干擾問題（尤其是復(fù)雜圖像的竄擾）：是否可以考慮將兩種視頻圖像投影在同一透鏡的不同位置，圖像重疊位置盡量少，盡量不發(fā)生竄擾；4、景深視頻和正常視頻結(jié)合的算法問題。所謂的視頻圖像其實(shí)就是一楨禎靜態(tài)圖像的連續(xù)播放，只不過每幀之間播放時間需短于人眼反應(yīng)時間（<0.04秒）。我們經(jīng)常所說的3D效果其實(shí)就是景深/上浮效果的一種綜合體現(xiàn)，只有相互參照才能出現(xiàn)3D立體效果。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：將100個均勻的半透鏡（直徑2厘米）按照圓相切的陣列分布規(guī)律成型于基板上，通過照射平行光將每個透鏡的焦點(diǎn)位置確定在焦點(diǎn)定位層/膜上，然后在焦點(diǎn)定位層/膜上按照透鏡焦點(diǎn)位置貼附100個紅色漏光字符“A”?！癆”字符為透明紅色，非“A”部分以黑色遮光。將貼有100個“A”的焦點(diǎn)定位層/膜先貼近透鏡層/透鏡封裝層，照射平行光，然后慢慢移動焦點(diǎn)定位層/膜，使之慢慢遠(yuǎn)離透鏡層/透鏡封裝層，直至一個清晰的放大的“A”出現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)“A”字符間的距離可以得到景深/上浮等3D效果。這種即是一種簡易的投影裝置，如下圖：如果采用直顯的方式來做3D投影/顯示動態(tài)顯示，由于透鏡直接裸露在空氣中，透鏡材料折射率1.5左右，空氣折射率1，所以極大的折射率差異會導(dǎo)致透鏡陣列表面霧度比較大，影響觀看效果；同時，單個透鏡尺寸（直徑R）一般大于1厘米，根據(jù)不同的用途/場景，甚至透鏡直徑在幾個厘米或十幾個厘米，所以相對較大的透鏡直徑會使人眼輕易分辨出來，試想一下：如果透鏡尺寸超過1厘米，那么肉眼非常容易識別。人眼對微小物體識別的極限尺寸是0.1mm(25mm距離直視)。如果屏幕上的透鏡尺寸達(dá)到厘米級，觀看者在觀看放大圖像的同時，也非常容易識別到單個透鏡，影響觀看效果。那么能解決以上問題的方法就是我們上面提到的透鏡陣列封裝技術(shù)。封裝式透鏡屏幕因?yàn)楸砻嫱哥R被樹脂封裝，霧度低，光學(xué)透過率高，在空氣中看起來近似透明。如果透鏡表面被封裝，那么無論觀看距離遠(yuǎn)近，單個被封裝的透鏡都極難被肉眼看到/分辨。與3D動態(tài)膜在一定尺寸（比如2厘米×3厘米，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽尺寸）內(nèi)形成多個放大圖像不同的是，3D場顯示在屏幕區(qū)域僅形成兩或三個放大圖像（景深/上浮圖像，景深/正常圖像，正常/上浮圖像），所以即使長時間觀看也不會有眼暈頭昏現(xiàn)象。3D場顯示屏幕大小的計(jì)算：如前面動態(tài)膜的計(jì)算方法，假定透鏡陣列中透鏡直徑1cm，放大倍數(shù)為500倍，投影圖像在1cm以內(nèi)，假定為0.8cm，則可實(shí)現(xiàn)屏幕尺寸為0.8cmX500=400cm，即4米。根據(jù)不同場景要求，如電影院或戶外需要超大型屏幕（>10米），則可通過調(diào)整透鏡直徑和放大倍率來實(shí)現(xiàn)，如透鏡直徑3cm，放大倍率500倍，圖像2cm，放大的圖像為2cmX500=1000cm=10米；如家庭用，透鏡直徑1cm，放大倍率200倍，圖像0.8cm，放大的圖像為0.8cmX200=160cm=1.6米。在透鏡直徑固定的情況下，設(shè)計(jì)圖文周期使得放大倍數(shù)越大，則投影后放大的圖像也越大；反之，放大倍數(shù)越小，投影后放大的圖像也越?。辉诜糯蟊稊?shù)固定的情況下，透鏡直徑越大，則投影后放大的圖像也越大；反之，透鏡直徑越小，投影后放大的圖像也越?。恢皇撬枰姆糯髨D像越大，則所需要的后端投影點(diǎn)陣越多。通過透鏡陣列和投影/顯示作為圖文陣列，經(jīng)過焦平面成像，不僅能形成超大顯示屏幕，而且可以獲得裸眼3D效果。輕薄化屏幕亦可通過顯示圖文陣列的特殊設(shè)計(jì)獲得。并且，創(chuàng)造性的引入封裝技術(shù)解決了透鏡單元尺寸大影響觀看效果的問題。將透鏡/封裝透鏡膜折成彎曲3D，結(jié)合投影/顯示有機(jī)會實(shí)現(xiàn)真正的全息成像。實(shí)現(xiàn)3D場顯示的兩種技術(shù)路線：1、每個獨(dú)立小投影儀/顯示對應(yīng)一個透鏡，實(shí)現(xiàn)圖像/視頻文件的精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)確同步播放，就可能實(shí)現(xiàn)動態(tài)圖像/視頻的精準(zhǔn)聚焦；一個或二三個大投影儀/顯示，但需將投影儀/顯示播放的視頻動態(tài)影像分解成數(shù)百或數(shù)千個單元影像（鏡像），分別精準(zhǔn)定位于所對應(yīng)的透鏡單元，因此單元影像均從同一/二投影儀/顯示而來，因此不存在同步問題。景深效果的視頻圖像和正常的視頻圖像均需單獨(dú)拍攝。焦平面成像形成的動態(tài)膜在限定區(qū)域往往會形成多個放大影像，而動態(tài)視頻則不需要在屏幕區(qū)域內(nèi)形成多個放大視頻影像，只需要形成一個即可。不同于靜態(tài)圖像動態(tài)膜防偽需求所要求的微透鏡尺寸大多集中在80微米以內(nèi)，動態(tài)視頻要求的微透鏡尺寸可以是厘米級，通過幾百倍乃至幾千倍的放大，可得到長寬均為幾米，十幾米乃至幾十米的顯示圖像，遠(yuǎn)超目前LCD/OLED所能達(dá)到的顯示尺寸。一般圖像經(jīng)上百倍放大后，圖像精度降低，粗糙度增加，傳統(tǒng)簡單放大不同的是：焦平面放大可以將圖文單元開始的精度一直保留，多只是因?yàn)橥哥R陣列分布不均而造成放大圖像變形/拉伸的問題?？梢詤⒖忌厦娴摹癘K”實(shí)樣，可以看出放大的藍(lán)色“OK”與顯微鏡中微圖文“OK”精度一致。這對于用顯示作為圖像單元陣列有極大的幫助。顯示作為圖像單元時，由于單元圖像復(fù)雜的原因，可能經(jīng)常會造成在一個透鏡單元內(nèi)無法表現(xiàn)出單元圖像（圖像溢出）的問題。可以考慮將復(fù)雜單元圖像拆分成幾個乃至十幾個/幾十個圖像，用這些被拆分出來的圖像作為圖像單元在屏幕的不同位置經(jīng)過焦平面放大成像，然后將這些屏幕上不同位置的放大圖像做畫面無縫拼接處理，即可解決圖像溢出問題。五、3D多層/場顯示優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、首先，這是一種以光學(xué)結(jié)構(gòu)成像換空間距離的顯示技術(shù)（以前電影放映機(jī)需要一個電影院的空間距離才能實(shí)現(xiàn)圖像的放大，在這個技術(shù)基礎(chǔ)上只需要幾個厘米即能實(shí)現(xiàn)）；2、其次，這是一種可以實(shí)現(xiàn)多層圖像顯示的技術(shù)（如前文所述，不同的單元圖像周期性分布產(chǎn)生不同層次的放大圖像，形成3D立體效果），單層顯示會實(shí)現(xiàn)超大2D顯示，雙層顯示的裸眼觀看效果能達(dá)到影院級（戴偏光眼鏡）3D觀影效果，極限條件下的無數(shù)多層顯示將會產(chǎn)生真正意義上的真實(shí)立體顯示效果；3、這是一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示的技術(shù)（不依賴平面顯示（如LCD/OLED）的生產(chǎn)世代線尺寸，僅通過單元圖像的拼接即能實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，且所有的拼