摘要

随着立体显示技术的发展，目前影院的动作片和动画片已经超半数都是3D格式，眼镜式3D电视虽然停产，但是偏光式和主动快门式这两种眼镜式立体显示技术仍然在沿用，偏光眼镜式以其轻薄、亮度高等优势在私人家庭影院、医疗、教育等方面有应用。裸眼3D技术中，虽然2视点设计的小尺寸产品已经不再出售，但是随着屏幕分辨率的提升，树脂型Lenticular已经发展到采用多视点设计的super multi view 3D技术，应用在电子白板、数字标牌等产品上，用作广告、展览展示，我们认为立体显示技术仍然处于发展之中，仍然不够成熟，文中叙述了立体显示技术的发展，讲解了各种技术的原理和优劣势，结合立体实现原理，我们盘点现有技术，是否能够总结一些经验来做深入的思考，规划未来光场显示和全息显示要解决的问题和研究方向。

我们人类眼中的世界是五彩斑斓、错落有致的，传播进入人眼的光线用距离和方向、强弱、波长和时间量这些变量来诠释这个美丽的世界。人眼所见皆为立体，那么立体感是怎样形成的呢，人眼通过判断空间中物体光线的距离和方向，在心理和生理因素共同作用下，获得空间的深度感；心理因素主要分为以下六个方面：视网膜上像的大小，距离人眼越近的像越大，反之越小；有一些平面图像也有立体感，比如长长的走廊或林荫路，那是因为线性透视，随着距离增加物体线性减小；重叠也会产生立体感，认为被遮挡的物体相对位置在后面，而遮挡的物体相对位置在前面；空气透视常用在图像处理中，近处的景物清晰远处的景物做模糊处理，会增加立体感；阴影的运用，比如美术当中的静物素描，用暗处表示被光线遮挡，来增强立体感；颜色也对立体感有影响，波长越短的颜色感觉越远，所以蓝色也被称作后退色，红色也被称作前进色。平面图像，人亦能感知立体，就是因为以上的心理因素在起作用。

图1. 立体感产生的心理因素

 人若要感知立体，仅仅只有心理暗示是不够的，生理方面分为单眼立体和双眼立体，单眼产生立体依靠单眼移动视差和焦点调节来实现，单眼的运动视差是指人眼移动时，远处的物体移动得慢移动方向相同，近处的物体移动得快移动方向相反；人眼单眼能调节聚焦，神经中枢通过睫状肌收缩张弛信息来判断物体距离， 适合10米内的范围；双眼立体主要是由于双眼集合和双目视差的原因，双眼对物点的张角为辐辏角，辐辏角越小物体越远，在20米以内适用，双目视差是左右眼感受到不完全相同的刺激，大脑融合成一个完整图像。

图2. 立体感产生的生理因素

人眼感知的真实世界是立体的，而市场上的显示器件呈现的是平面的，所以人类一直在研究如何能够再现真实世界的场景，从立体形成的原理得知，若空间中的光线场形成真实像点，有不同景深的像面，单眼聚焦调节、双眼集合都能够使人眼看到立体效果，这种技术叫做真光场显示，但是目前由于显示屏幕分辨率和器件工艺等限制条件，技术尚不成熟，也达不到产品的标准；除此以外，双目视差原理是比较容易实现立体效果的，双眼接收到带有视差的图像，大脑进行融合，在空间中形成立体的“幻象”，这种技术并不是真实的像点形成的立体图像，而是大脑想象的，人眼聚焦调节以屏幕为目标，但是双眼集合却在大脑融合图像上，所以单眼聚焦和双眼集合不一致，存在视觉矛盾，长时间观看产生晕眩，这个问题，需要真光场技术和全息技术来解决；

图3. 立体产生的单眼聚焦调节和双眼集合原理

  双目视差技术虽然存在视觉矛盾，但是目前市场上唯一能够产品化的立体显示技术原理，并且也在不断地发展，眼镜式3D主要分为偏光眼镜式和主动快门式两大类，2011年市场上30%的电视都带有3D功能，偏光眼镜式以LG公司为代表，具有眼镜轻薄、成本低等优点，左右视角与屏幕相同，但是上下视角很窄，约为10°左右，这是由于屏幕奇偶行像素与pattern retarder 对应的不同偏光方向的行之间存在放置高度，放置高度越高左右眼光线串扰越大且视角越小，这种技术最大的问题是对人观看的角度有限制。虽然现在偏光眼镜式3D技术已经不再应用于TV产品上，但是在3D影院、3D医疗等方面仍占主流，在公共影院，由于片源本身是左右眼分开播放且具有不同的偏光角度， 所以当观众观看3D影片的时候不存在视角问题，但是小型家庭私人影院播放的是side by side格式的3D片源，所以3D器件采用pattern retarder外贴在显示屏上的方案，医疗中的3D显示器也是采用这个方案，同时有两个摄像头能够实时采集画面，采集到的左右眼画面按照奇数行和偶数行在3D显示器上穿插成一幅图进行显示，人眼佩戴左右眼偏光方向不同的眼镜，左眼和右眼分别看到带有视差的不同画面，形成立体效果，此时人眼看到的是实时的立体图像。 目前生产pattern retarder的基材分膜材和玻璃两种，LG已经基本停产了，日本仍有厂家在生产，国内也有。Pattern retarder与屏幕的贴合精度在逐步提升，已经能有厂家满足±3um的精度，精度提升也能带来视角的改善。随着屏幕分辨率的提升，对应UHD产品的pattern retarder已经面世，上下视角窄的问题也通过减薄等方法得到改善，但是最理想的办法仍然是将pattern retarder制作在LCD屏幕的cell盒内，与彩膜层紧密贴合，这样才能大幅度提升视角，但是目前几乎没有屏幕生产厂家在开发这项技术。 主动快门式3D是之前三星主推的技术，将显示屏做到 120Hz以上，搭配液晶快门眼镜，利用人的左右眼存在视觉暂留的原理来实现立体效果，视角比偏光式的大，但是存在亮度低、眼镜重佩戴很不方便、闪烁严重等问题，这个技术之前应用在TV产品上，但是目前应用的不多。

 眼镜式3D技术在2011年到达一个顶峰之后，由于3D片源短缺、眩晕等原因导致技术迅速衰落，人们始终无法接受带眼镜看电视，于是大家把目光聚焦到裸眼立体显示技术的发展上面。裸眼立体显示技术与眼镜式立体显示技术相比，最大的优势是摘掉了眼镜，最大的劣势是串扰大视角窄，所以裸眼3D技术最核心的内容是如何增大视角。

裸眼立体显示技术主要分为狭缝光栅式和透镜式两种，狭缝光栅的原理是通过在屏幕前面贴合遮光区与透光区周期排布的光栅来分光，实现将左眼像素的光全部入射到左眼，右眼像素的光全部入射到右眼，左眼像素显示左眼图像，右眼像素显示右眼图像，左眼图像与右眼图像之间存在视差，这样人眼就会看到立体效果，这种技术与屏幕生产厂家的工艺符合度很高，狭缝光栅的发展经历了固定光栅、液晶光栅、渐进式液晶光栅（与Eye tracking系统和图像切换相结合）这三代，液晶光栅与固定光栅相比能够实现2D/3D切换的功能，渐进式液晶光栅内部由很多电极条组成，光栅开口能够随人眼移动而移动，搭载Eye tracking系统图像也相应进行实时切换能够有效增大视区。在生产制作等各个方面这种技术目前由LCD面板厂家掌握。

透镜式裸眼3D技术以柱透镜贴合在显示屏幕上这种结构为主，按照难易程度排列有Lenticular、Polarization active lens、 Actively Switched Lens、Electric field Driven LC Lens等几种技术；Lenticular是很多列柱状凸透镜组成的固定式光栅，目前大多采用低折材料在高折材料凸透镜上做填平的方式，放置在显示屏幕上，像素尺寸、内容排图、放置高度和柱透镜光栅参数相匹配，左右眼图像能够分开，即可产生3D效果；Polarization active lens是用一个TN Cell来控制出射光的偏振方向，而不同方向的偏振光在通过双折射光栅时会发生偏折或者直射，从而实现2D/3D切换的功能；Actively Switched Lens是将树脂型lenticular的各向同性材料换成各向异性的LC材料，通过电压控制液晶分子偏转实现透镜效果；Electric field Driven LC Lens是两片ITO玻璃夹一层液晶，在不同区域设置不同的电场强度，控制液晶分子不同的偏转程度，产生透镜效果；上面所述这四种技术中，后三种均可实现2D/3D功能的切换，树脂型的Lenticular虽然不能实现这个功能，但是在需要远距离观看的大尺寸产品中，随着屏幕分辨率的提升，特别是8K屏幕的出现，像素尺寸变小，透镜口径变小，无需进行2D切换，也不影响在2米以上的距离观看2D显示，树脂型的Lenticular以成本低的优势占据裸眼3D产品大部分市场份额，Polarization active lens和 Actively Switched Lens技术最大的优势就是能实现2D/3D功能的切换，用于小尺寸3D产品中，之前三星发布的15.6in裸眼3D笔记本就是应用的这种技术；前三种技术基本由3D柱透镜膜的制造和贴合厂家掌握，最后一种Electric field Driven LC Lens技术，需要由LCD面板厂商来做液晶透镜，虽然目前cell盒高gap的问题基本得以解决，但是由于液晶取向等原因，retardation曲线并不完美，目前液晶透镜精度没有树脂型透镜的精度好，没有实现产品化。

狭缝光栅式和透镜式两种裸眼立体显示技术相比较，透镜式是目前的主流技术，市场上绝大多数裸眼3D产品都是透镜式的，狭缝光栅式由于对光线进行了遮挡，光效至少损失了一半，所以亮度低、功耗大，而且液晶光栅双层屏容易产生摩尔纹，LCD面板厂家要推出这种产品还需要购入glass to glass的高精度贴合设备；透镜式由于3D透过率高达90%，所以亮度高是最大的优势，但是透镜式通过倾斜柱透镜来消除摩尔纹同时也带来了串扰的增加，目前这两种裸眼3D技术都解决不了串扰高、视角小的问题， 通过牺牲分辨率做多视点来增大视角但是只能是弱化串扰和视差，仍然无法彻底解决串扰高的问题，搭载Eye tracking系统来增大视角也并没有实现产品化，还有主瓣和旁瓣之间的“死区”，也是一个需要解决的难题。

图4. 立体显示技术时分&空分的分类法

图5. 立体显示技术图像并行&串行的分类法

对立体显示的主要技术进行总结，可以有两种分类方法，一种是按照左眼右眼图像分开的方式，时分、空分或者混合； 另一种是按照图像的类型来区分，并行或者串行，具体内容参考图4和图5。

以目前3D技术发展水平来看，仍然存在很多问题，眩晕、结构笨重、戴眼镜不方便、串扰高、视角窄等，这些问题都需要逐步去解决，但是双目视差这种3D技术即使发展由于本身原理的限制也无法将这些问题全部解决，比如super multi view光场技术无法解决人眼视觉矛盾的问题，所以需要我们共同努力进行真光场显示和全息显示的研究。

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