研究人員展示了一個不需要佩戴眼鏡的3D光場顯示系統原型，由於採用了新開發的平面透鏡，該系統的觀看距離大大延長。該系統則是朝著可用於電視、便攜式電子產品和桌面設備的緊湊型、外觀逼真的3D顯示器邁出的重要一步。

光場顯示器使用密集的光線場來產生全彩的實時3D視頻，這樣就不需要戴眼鏡也能觀看。這種創建3D顯示器的方法允許幾個人同時觀看虛擬場景，這很像一個真實的3D物體。

“大多數光場3D顯示器的觀看範圍有限，這導致3D虛擬圖像隨著觀察者遠離設備而退化，”來自蘇州大學的研究小組負責人Wen Qiao說道，“我們設計的納米結構平面透鏡只有100微米厚且有非常大的聚焦深度，這使得從更遠的地方可以看到高質量的虛擬3D場景。”

研究人員發表在《Optica》上的報告中指出，他們的原型顯示器在24厘米至90厘米的觀看距離上表現出高效率和高色彩保真度。通過將這些特點結合起來創造出了一個更真實的觀看體驗。

Qiao表示：“我們開發這項新技術是希望創造出能讓人們在視頻會議中感覺到他們真的在一起的顯示器。隨著納米技術的不斷發展，我們設想裸眼3D顯示器將成為日常生活的正常部分並將改變人們與計算機互動的方式。”

創造多種視圖

光場顯示器通過投射不同的視圖來創造逼真的圖像，進而使3D場景在從不同角度看時看起來是一樣的。當涉及到觀看距離時，用於創建這些視圖的鏡頭的焦距是一個限制性因素。

為了克服這個問題，研究人員通過將納米結構以聚焦光線的方式圖案化在一個平面上精心設計出一個新的衍射式平面透鏡。將這些透鏡中的幾個交織在一起，使他們能創造出一個像素化的視圖調製器，這是一種在光場顯示中為場景創造各種視角的光學組件。例如一個創建四個視角的3D顯示器將使用四個這樣的鏡頭，每個鏡頭都將光線匯聚成一個獨特的視角。

“由於跟傳統的玻璃透鏡相比，平面透鏡提供了卓越的光線操縱能力，它們可以用來解決三維顯示器中有限的運動視差、串擾、視覺疲勞和有限的觀看距離等棘手的問題，”Qiao說道。

測試原型

在表明透鏡在聚焦液晶顯示器用於創建圖像的紅、綠和藍光時實現了高分辨率後，研究人員將其納入了一個4英寸的原型3D光場顯示器，觀看距離則在24至90厘米之間。

該顯示器形成了一個平滑的水平視差，在所有觀看距離上的串擾率低於26%，這意味著很少有會導致眼睛疲勞或使圖像看起來不真實的錯誤。該顯示器還表現出高達82%的光效率，遠遠高於其他已報導的類似3D顯示系統。高光效對於創造一個明亮的虛擬圖像非常重要，特別是對於諸如便攜式電子產品等耗電量大的應用。

儘管原型機表現出的視角只有9度，但研究人員稱，通過優化用於製造平面透鏡的納米結構的設計，這個視角可以擴大到幾乎180度。除了研究這一點外，他們還計劃通過開發出一種更複雜的設計算法來操縱每個像素的光束從而進一步提高光效率。他們指出，為了使這種類型的顯示器能夠實際製造，還需要有更容易的方法來製造納米結構。