基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼3D 顯示技術(shù)

夏仲文，華鑒瑜，陳林森，喬 文

（蘇州大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006）

1 引 言

視覺(jué)是人們獲取世界認(rèn)知的主要信息來(lái)源，人們對(duì)世界的83%認(rèn)識(shí)來(lái)源于視覺(jué)信息。現(xiàn)實(shí)世界的物體是三維的，而傳統(tǒng)顯示器只能顯示平面信息，降低了大腦的利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們每天平均花費(fèi)5 h 在顯示屏幕上。裸眼3D 顯示將重新定義人機(jī)交互方式，以更加自然的方式呈現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)，極大提升人們的工作效率。因此，裸眼3D 顯示被喻為下一代顯示技術(shù)，在教育、軍事、醫(yī)療、娛樂(lè)、自動(dòng)駕駛等方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。自Charles Wheatstone 首次發(fā)明立體顯示裝置［1］，人們對(duì)于3D 顯示的研究熱情已持續(xù)了180 多年。

一般情況下，我們將裸眼3D 顯示技術(shù)分為3 類：全息3D 顯示［2］、體3D 顯示和光場(chǎng)裸眼3D顯示［3-4］。其中，光場(chǎng)裸眼3D 顯示技術(shù)可以和現(xiàn)有的平板顯示屏幕結(jié)合，符合個(gè)人信息終端對(duì)便攜輕薄的需求。光場(chǎng)裸眼3D 顯示將連續(xù)分布的光場(chǎng)信息分解成多個(gè)“觀察區(qū)域”，即視角（或視點(diǎn)）。每個(gè)視角呈現(xiàn)不同的視角圖像。多個(gè)視角組合形成連續(xù)的3D 圖像。因此，光場(chǎng)裸眼3D 顯示本質(zhì)上是多視角光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)和方法研究［5］，其核心是如何設(shè)計(jì)“視角調(diào)制器”，實(shí)現(xiàn)多個(gè)視角光場(chǎng)精確調(diào)控，所設(shè)計(jì)的視角調(diào)控器件需考慮具備如下特性：

（1）實(shí)現(xiàn)多視角光場(chǎng)分布，這是實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)動(dòng)視差的裸眼3D 顯示的基本條件。多視角光場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)水平、垂直或任意排列分布，以實(shí)現(xiàn)水平視差、垂直視差、環(huán)繞視差、全視差等視差效果；

（2）為了盡可能消除串?dāng)_和鬼影的影響，視角調(diào)制器需要把出射光調(diào)制在一個(gè)限定的區(qū)域內(nèi)；

（3）為了實(shí)現(xiàn)具有連續(xù)運(yùn)動(dòng)視差的大觀察視角，視角調(diào)制器需要實(shí)現(xiàn)出射光線較大轉(zhuǎn)向角度的精確調(diào)控；

（4）在個(gè)人信息終端中，視角調(diào)制器還需要有盡可能高的光利用率；

（5）為了滿足便攜要求，視角調(diào)制器的整體重量和外形也是需要考慮的要點(diǎn)之一；

（6）視角調(diào)控器件還可對(duì)每個(gè)視角光強(qiáng)形狀和光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)控，可改變裸眼3D 顯示的信息密度分布，消除信息總量受限情況下，分辨率與視場(chǎng)角之間的矛盾。

光場(chǎng)裸眼3D 顯示又可稱為自由立體3D 顯示，從原理可分為基于幾何光學(xué)和基于微納光學(xué)的3D 顯示［6］?；趲缀喂鈱W(xué)的3D 顯示，最具代表的是視差屏障、柱透鏡陣列、微透鏡陣列（集成成像技術(shù)）和多層液晶屏的壓縮光場(chǎng)顯示。視差屏障和柱透鏡陣列最先與平板顯示屏幕結(jié)合應(yīng)用在3D 移動(dòng)電子設(shè)備領(lǐng)域［7-10］。為了提高顯示質(zhì)量，可以在系統(tǒng)中加入孔徑光闌，通過(guò)降低孔徑比來(lái)減少串?dāng)_，但是這種做法是以犧牲光利用率為代價(jià)的［11-13］?；谖⑼哥R陣列的3D 顯示，即集成成像3D 顯示技術(shù)，通過(guò)記錄和再現(xiàn)來(lái)自3D物體的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)3D 顯示［14-15］?；谖⑼哥R陣列的3D 顯示可以提供全視差圖像。最近，有人提出了一種仿生復(fù)眼的結(jié)構(gòu)來(lái)提高集成成像3D顯示效果，這種仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)可以在水平28°、垂直22°的 視 角 范 圍 內(nèi) 實(shí) 現(xiàn) 集 成 成 像3D 顯 示［16］。在另一項(xiàng)工作中，有人提出了一種可以提高分辨率和視場(chǎng)角的集成成像3D 顯示系統(tǒng)［17］。該系統(tǒng)可以在水平方向提供像素密度高達(dá)63.5 ppi 的3D 圖像顯示，水平和垂直視角分別為32.8°和26.5°。更進(jìn)一步的，通過(guò)3 組定向背光和高刷新率顯示屏幕，可實(shí)現(xiàn)具有120°寬視角的時(shí)分復(fù)用集成成像3D 顯示［18］?；诙鄬右壕恋膲嚎s光場(chǎng)顯示最早由Lanman 和Wetzstein 等人提出［19-22］，他們采用多個(gè)LCD 屏幕層來(lái)調(diào)制3D 物體的出射光線方向，可以給觀察者提供單眼聚焦和雙眼調(diào)焦信息，同時(shí)降低視覺(jué)疲勞和減輕頭暈癥狀［23］。然而，它的視場(chǎng)角受限于顯示面板的尺寸。此外，基于多層液晶屏的壓縮光場(chǎng)顯示也面臨著景深-系統(tǒng)復(fù)雜程度（液晶顯示屏的層數(shù)）的制約難題。概括來(lái)說(shuō)，基于幾何光學(xué)的自由立體3D 顯示具有低成本，易與現(xiàn)有2D 顯示面板結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于分辨率、視場(chǎng)角、景深和外形尺寸之間的相互制約關(guān)系，基于幾何光學(xué)的自由立體3D 顯示任重而道遠(yuǎn)［24］。如何消除這些因素之間制約影響，以提供更逼真的立體顯示，是下一代3D 顯示技術(shù)的重要研究方向。

快速發(fā)展的微納光子器件因其出眾的光調(diào)控能力，在諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［25-29］。在裸眼3D 顯示領(lǐng)域，納米光柵、衍射透鏡、超表面等平面光學(xué)元件可以以像素為單位調(diào)制3D 物體的光場(chǎng)信息。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，微納光學(xué)元件在光強(qiáng)度、相位和偏振等方面提供了卓越的光調(diào)控能力。因此，基于平面光學(xué)的裸眼3D 顯示展現(xiàn)出了極大的優(yōu)點(diǎn)：低串?dāng)_、較小的輻輳調(diào)節(jié)矛盾、較高的光利用效率和較大的視場(chǎng)角。基于其優(yōu)異的視角調(diào)制靈活性，基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼3D 顯示正在成為“下一代3D 顯示技術(shù)”。

2 光場(chǎng)理論

2.1 光場(chǎng)

人眼能看見(jiàn)現(xiàn)實(shí)世界的物體是因?yàn)槿搜劢邮盏絹?lái)自物體的光線。光線的合集就是“光場(chǎng)”［30］?！肮鈭?chǎng)”這一術(shù)語(yǔ)最早在1936年由Alexander Gershun提出，指的是空間中光的輻射能的分布。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為Parry Moon 在1981 年提出的“Photic Field”才是當(dāng)前學(xué)術(shù)界所研究的“光場(chǎng)”［31］。

2.2 全光函數(shù)

對(duì)于空間中包含顏色信息的光場(chǎng)，我們用七維全光函數(shù)L(x，y，z，θ，φ，λ，t)來(lái)表示。其中，(x，y，z)表示空間位置，(θ，φ)表示空間角度，λ表示波長(zhǎng)，t表示時(shí)間［32-33］。全光函數(shù)表達(dá)了在任意時(shí)刻從空間任意點(diǎn)覆蓋任意波長(zhǎng)范圍的可見(jiàn)光錐，描述了所有可能場(chǎng)景的環(huán)境映射關(guān)系，被廣泛用于圖像的采集、處理等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)顯示屏不攜帶角度信息。只能呈現(xiàn)光場(chǎng)中(x，y)兩個(gè)維度隨時(shí)間t變化的平面圖像信息。由平面圖像可使觀察者獲得仿射、遮擋、光照陰影、紋理、先驗(yàn)知識(shí)等由心理感知的深度信息，不能營(yíng)造出真實(shí)的3D 效果。

裸眼3D 顯示重建光場(chǎng)函數(shù)，不僅可以提供心理立體視覺(jué)，同時(shí)還能提供單眼調(diào)焦、輻輳調(diào)節(jié)、雙目視差和移動(dòng)視差等生理感知的深度信息，如圖1 所示。

圖1 2D 和3D 提供的視覺(jué)信息范疇Fig.1 Visual information category offered by 2D and 3D display

2.3 四維光場(chǎng)

全光函數(shù)是七維的，高數(shù)據(jù)量對(duì)光場(chǎng)記錄和再現(xiàn)都是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。因此，通常會(huì)引入一些條件來(lái)降低光場(chǎng)函數(shù)的維度。美國(guó)斯坦福大學(xué)Marc Levoy 將全光函數(shù)簡(jiǎn)化，提出基于（x，y，u，v）的四維光場(chǎng)模型。兩個(gè)不共面的平面(x，y)和(u，v)，如果一條光線與這兩個(gè)平面各有一個(gè)交點(diǎn)，則該光線便可以用這兩個(gè)交點(diǎn)唯一表示。雙平面模型并不能完備地表示三維空間中的所有光線，與兩平面平行的光線就不能被該模型所表示出來(lái)，但該光線并不會(huì)進(jìn)入到人眼，所以該模型仍可以完備地表達(dá)人眼接收到的光線。基于(x，y，u，v)的四維光場(chǎng)模型被廣泛應(yīng)用于集成成像三維顯示的機(jī)理研究，如圖2 所示。

圖2 四維光場(chǎng)模型Fig.2 Four-dimensional light field model

四維光場(chǎng)函數(shù)的參數(shù)組合并不是唯一的，不同參數(shù)組合其對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)模型也各不相同。在研究當(dāng)中，如果只考慮光線在三維空間中傳播，不考慮光線顏色（波長(zhǎng)）的變化，那么，在任一時(shí)刻的光線可以用3 個(gè)空間位置坐標(biāo)(x，y，z)和兩個(gè)角度坐標(biāo)(θ，φ)來(lái)表示。因此，全光函數(shù)便由七維參量變成五維參量(x，y，z，θ，φ)［34］。如果忽略光線在空間中傳播時(shí)的衰減，則全光函數(shù)可以用兩個(gè)相互平行的平面進(jìn)行表征，全光函數(shù)便可降至四維(x，y，θ，φ)?；谖⒓{光子器件的裸眼3D顯示常常采用逐像素調(diào)控的策略，通過(guò)四維甚至五維結(jié)構(gòu)參量調(diào)控單個(gè)像素(x，y)出射光線的空間角度信息(θ，φ)，從而重建(x，y，θ，φ)光場(chǎng)函數(shù)。

3 基于微納光子器件的裸眼3D顯示

3.1 基于納米光柵的裸眼3D 顯示

納米光柵是一種特殊的光學(xué)元件，它可以同時(shí)將入射光調(diào)控至多個(gè)指定方向，已廣泛用于光譜儀、光波導(dǎo)和激光諧振腔［35-39］。Fattal 等人將納米光柵波導(dǎo)引入3D 顯示，提出了基于周期性納米光柵的寬視角指向型背光設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了90°視場(chǎng)角、64 視點(diǎn)的全視差3D 顯示效果。該技術(shù)開(kāi)啟了基于微納光子器件的裸眼3D 顯示研究序幕［40］。

在此基礎(chǔ)上，蘇州大學(xué)萬(wàn)文強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了變周期變?nèi)∠虻募{米光柵陣列，提出了全息抽樣3D 顯示技術(shù)［41］，如圖3（a）所示。視角調(diào)制器調(diào)制光場(chǎng)相位信息，平面顯示面板提供可刷新的光場(chǎng)振幅信息。值得注意的是，位相板上每個(gè)像素的周期和方向都不相同，成會(huì)聚光束，而不是基于幾何光學(xué)的3D 顯示中的準(zhǔn)平行光束。因此，目標(biāo)視點(diǎn)的發(fā)散角（1.02°）接近衍射極限（0.94°），顯著減少了視點(diǎn)串?dāng)_和鬼影。研究人員進(jìn)一步展示了基于超構(gòu)光柵的全息采樣3D 顯示系統(tǒng)。視角調(diào)制器上的超構(gòu)光柵分別對(duì)R、G、B 波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用來(lái)重建每個(gè)采樣視點(diǎn)處波前信息，同時(shí)保持正確的白平衡。通過(guò)將視角調(diào)制器、液晶顯示面板和彩色濾光片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了12.7～81.28 cm（5～32 in）的動(dòng)態(tài)全彩3D 顯示［42］。此外，為了解決3D 顯示系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)固有的輻輳調(diào)節(jié)矛盾，還提出了基于像素化納米光柵的超多視點(diǎn)顯示（SMV）方法，間隔0.9°的視點(diǎn)分布為單個(gè)人眼的調(diào)焦過(guò)程提供了深度信息［43］?；诩{米光柵的3D 顯示具有串?dāng)_小、輻輳調(diào)節(jié)矛盾小、視點(diǎn)排列可設(shè)計(jì)和視場(chǎng)角大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 基于衍射透鏡的裸眼3D 顯示

近期，衍射透鏡也廣泛引起了研究人員的廣泛興趣［44-45］。衍射透鏡的聚焦效率可以與傳統(tǒng)的幾何透鏡相當(dāng)，甚至超過(guò)幾何透鏡。研究表明，具有近似連續(xù)相位延遲的閃耀或多級(jí)衍射透鏡可顯著提高光利用率［46］，同時(shí)多級(jí)衍射或多焦點(diǎn)衍射可解決寬波段下色散問(wèn)題［47-48］。多級(jí)衍射透鏡還可將光束聚焦在5～1 200 mm 的超大范圍內(nèi)［49］。此外，由于特征尺寸在幾個(gè)到幾百個(gè)微米的范圍內(nèi)，衍射透鏡易于低成本、大面積的批量制造。

光利用率是裸眼3D 顯示系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。納米衍射光柵的1 級(jí)衍射效率理論上約為40%［50］。在基于多級(jí)衍射器件的裸眼3D 顯示系統(tǒng)中，視角調(diào)制器精確調(diào)控準(zhǔn)直入射光的相位，并形成會(huì)聚視點(diǎn)。使用像素化多級(jí)衍射透鏡形成視角調(diào)制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，衍射透鏡將衍射效率從納米光柵的25%提高到60%，甚至更高，目前基于灰度衍射透鏡制備的視角調(diào)制器可以將光效提高到82%［51］，如圖3（b）所示。其次，通過(guò)視點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算視角調(diào)制器上的每個(gè)像素結(jié)構(gòu)參數(shù)。精確計(jì)算的非周期性微納結(jié)構(gòu)可以提高多角度光場(chǎng)調(diào)控精度，極大降低串?dāng)_和鬼影的影響。此外，利用多級(jí)衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)單元還可調(diào)制每個(gè)視角的光場(chǎng)分布。研究表明，垂直擴(kuò)展的視角光場(chǎng)分布可擴(kuò)展3D 顯示系統(tǒng)的垂直可視角度［52］。

3.3 基于超表面的3D 顯示

超材料是由納米結(jié)構(gòu)組成的人造材料。它具有許多傳統(tǒng)材料不具有的性質(zhì)，例如負(fù)折射率、完美吸收和隱形斗篷等［53-58］。作為一類特殊的超材料，超表面可以利用單層金屬或介電納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可控的相位改變，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的波前調(diào)控。超材料已用在超透鏡［59-60］、全息圖［61-62］、光譜儀［63-64］和渦旋光束發(fā)生器［65-66］等光學(xué)元件中。與傳統(tǒng)的幾何光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件相比，超表面具有寬波段、任意波前設(shè)計(jì)和亞波長(zhǎng)尺寸像素等優(yōu)點(diǎn)。

超表面具有精準(zhǔn)操控光場(chǎng)的能力。2013 年，像素化金屬納米柱組成的等離子體超表面在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算全息圖的重建［67］。超表面全息圖的像素大小僅為500 nm，遠(yuǎn)小于空間光調(diào)制器或衍射光學(xué)元件生成的全息圖像素，視場(chǎng)角可達(dá)40°。研究工作者還提出了一種使用氮化硅的偏振不敏感寬波段消色差超透鏡，實(shí)現(xiàn)了60×60 個(gè)超透鏡矩陣，在白光照射下展示了寬波段消色差的集成成像立體圖像［68］。其中單個(gè)消色差超透鏡的直徑為14 μm，平均聚焦效率為47%。

為了解決空間分辨率、角分辨率和視場(chǎng)角之間的矛盾關(guān)系，人們還提出了一種基于二維超構(gòu)光柵的信息密度漸變裸眼3D 顯示技術(shù)［69］。由二維超構(gòu)光柵形成的點(diǎn)、線、面混合視角可調(diào)控視角密度。把基于二維超構(gòu)光柵的視角調(diào)制器件和LCD 面板結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)角高達(dá)160°的動(dòng)態(tài)彩色3D 顯示系統(tǒng)，如圖3（c）所示。

圖3 （a）基于納米光柵的3D 顯示［69］；（b）基于像素化灰度衍射透鏡的3D 顯示［51］；（c）基于二維超構(gòu)光柵的3D 顯示［69］。Fig.3 （a）3D display based on nano-gratings［69］；（b）3D display based on pixelated blazed diffraction gratings［51］；（c）3D display based on 2D-metagratings［69］.

4 基于微納光子器件的視角調(diào)制器的制造難題

高效高精度微納制造是微納光電子器件與產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)難題。為了能高效制備像素化納米結(jié)構(gòu)，人們提出并搭建了納米光場(chǎng)光刻系統(tǒng)［70］，如圖4（a）所示。它由兩個(gè)傅里葉變換透鏡和一個(gè)二元光學(xué)元件組成。通過(guò)雙光束干涉光刻方法，一次曝光，形成像素尺寸為幾十微米的納米光柵像素。寫入速度為20 mm2/min，比串行寫入的電子束光刻系統(tǒng)快得多。此外，所制備納米結(jié)構(gòu)的周期控制精可達(dá)1 nm 以內(nèi)。該納米光場(chǎng)光刻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一維納米結(jié)構(gòu)、二微納米結(jié)構(gòu)和非周期性納米結(jié)構(gòu)陣列制備。使用納米光場(chǎng)光刻系統(tǒng)，可解決250 nm 線寬，81.28 cm（32 in）幅面的像素化納米光柵陣列制備難題。

復(fù)雜浮雕型微米結(jié)構(gòu)亦極具挑戰(zhàn)。激光灰度直寫可用于大幅面灰度微納結(jié)構(gòu)的高效制備。激光直寫系統(tǒng)主要包含激光器、空間光調(diào)制器和微縮投影物鏡，如圖4（b）所示?？臻g光調(diào)制器加載設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)圖形，結(jié)構(gòu)圖像的刷新速度與樣品載物臺(tái)的同步移動(dòng)。微縮投影物鏡將空間光調(diào)制器上的結(jié)構(gòu)圖像縮小5～50 倍，投影至光刻膠上。 灰度激光直寫系統(tǒng)寫入效率可達(dá)25 mm2/min，制備40 mm2幅面大小的4 臺(tái)階微納結(jié)構(gòu)密排等視角調(diào)制器件僅需30 min。

圖4 （a）納米光柵光刻系統(tǒng)［70］；（b）灰度激光直寫系統(tǒng)［50］。Fig.4 （a）Nano-grating lithography system［70］；（b）Grayscale laser direct writing system［50］.

5 結(jié)論及展望

微納光子器件為逐像素操控光束提供了可能性。與基于微透鏡陣列的3D 顯示架構(gòu)中區(qū)域化光場(chǎng)調(diào)控策略相比，逐像素光場(chǎng)調(diào)控有以下優(yōu)勢(shì)：首先，可以將視點(diǎn)自由排列成水平的直線、帶有弧度的曲線或全視差平面矩陣等任意樣式，為人們根據(jù)實(shí)際使用需求設(shè)計(jì)視點(diǎn)分布提供了可能。其次，當(dāng)區(qū)域像素成像或顯示時(shí)，很多像素被白白浪費(fèi)。尤其在大視場(chǎng)角下，分辨率下降嚴(yán)重。在像素化光場(chǎng)調(diào)控方式中，每個(gè)像素都被利用到，保證了較高的分辨率。第三，微納光子元件具有大偏折角度光線調(diào)控能力，可實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)動(dòng)視差的超大視場(chǎng)角。第四，每個(gè)視角光強(qiáng)分布可從高斯分布調(diào)整到超高斯分布，顯著減少視點(diǎn)間串?dāng)_和鬼影。第五，視點(diǎn)可設(shè)計(jì)為點(diǎn)、線、面等形狀，用于信息密度變化的裸眼3D 顯示，解決分辨率和視場(chǎng)角之間的矛盾。第六，采用緊密視點(diǎn)排列方式可在少量視點(diǎn)情況下實(shí)現(xiàn)超多視點(diǎn)，并消除由于輻輳調(diào)節(jié)矛盾引起的視疲勞。第七，多臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如閃耀光柵、多級(jí)衍射透鏡和超表面等器件設(shè)計(jì)方法的引入，可以有效提高光利用率，減少色差，提高分辨率，和擴(kuò)展景深。第八，微納光子器件體積小且輕薄，與便攜式電子產(chǎn)品形態(tài)兼容。

本文主要討論了基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼3D 顯示現(xiàn)狀。介紹了基于幾何光學(xué)的裸眼3D 顯示面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，從器件設(shè)計(jì)和微納制備兩方面詳細(xì)介紹了基于平面光學(xué)的裸眼3D顯示最新研究進(jìn)展?；诩{米光柵和衍射透鏡的3D 顯示具有高光效、大視場(chǎng)角、低串?dāng)_和消色差的優(yōu)點(diǎn)?；诔砻娴?D 顯示采用納米結(jié)構(gòu)的各向異性排列的方式，具有高度的設(shè)計(jì)靈活性。值得注意的是，基于二維超構(gòu)光柵的視角調(diào)制器件，可以在160°超大視場(chǎng)角下實(shí)現(xiàn)信息密度漸變的裸眼3D 顯示。

綜上所述，基于微納光子器件的3D 顯示系統(tǒng)具有質(zhì)輕體薄、靈活設(shè)計(jì)、視場(chǎng)角大等優(yōu)點(diǎn)。有望突破基于幾何光學(xué)的裸眼3D 顯示局限性，實(shí)現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用中。

從系統(tǒng)層面來(lái)說(shuō)，仍有一些方法可以用來(lái)進(jìn)一步提升顯示性能。采用時(shí)分復(fù)用的方式，在犧牲刷新率的情況下，可有效提高空間帶寬積。單用戶使用應(yīng)用中，人眼追蹤技術(shù)可有效保證高分辨率［71-73］。信息密度漸變的方法優(yōu)化了信息密度的分布方式，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大視場(chǎng)角的目的［74-76］。此外，借助軟件優(yōu)化，可以將深度學(xué)習(xí)算法與硬件結(jié)合，進(jìn)行圖像預(yù)校準(zhǔn)［77］。

然而，仍然存在兩大瓶頸阻礙著基于微納光子器件的光場(chǎng)裸眼3D 顯示走向?qū)嶋H應(yīng)用。一方面，具有高準(zhǔn)直度和高均勻性的指向型背光系統(tǒng)仍有待開(kāi)發(fā)［78-82］。像素化納米光柵波導(dǎo)為側(cè)入式準(zhǔn)直照明提供了解決途徑［83］。此外，基于納米波導(dǎo)的照明單元還被設(shè)計(jì)為時(shí)間復(fù)用的變角度準(zhǔn)直照明，為大視角全息顯示提供照明方案。其系統(tǒng)厚度＜10 cm［84］。盡管如此，超薄準(zhǔn)直背光源的設(shè)計(jì)和制造仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

另一方面，微納制造技術(shù)仍是一大挑戰(zhàn)。大尺寸的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)、高深寬比的多臺(tái)階結(jié)構(gòu)、微納結(jié)構(gòu)的高保真批量復(fù)制無(wú)一不是棘手的難題［85-89］。但我們?nèi)韵嘈艜?huì)有更多的微納加工方法不斷迭代，滿足裸眼3D 顯示需求。

機(jī)遇伴隨著挑戰(zhàn)。理想情況下，裸眼3D 顯示所需平板屏幕的分辨率要大于50K。MicroLED和NanoLED 顯示可以有效地?cái)U(kuò)展空間帶寬積，提供信息冗余，并從根本上解決3D 顯示中分辨率下降的問(wèn)題。我們認(rèn)為，通信技術(shù)、平板顯示技術(shù)、微納制備方法的進(jìn)步將會(huì)共同引領(lǐng)3D 顯示產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展［90-91］。