光場顯示具有數據量小、結構簡單、易于集成化等優點，使其在軍事、醫學、教育、娛樂等領域具有巨大的應用潛力。然而，全彩色、大視角、高分辨率、大景深的光場顯示受限于高分辨率顯示器、光調制器、智能算法、超高速計算機等技術的發展。近年來，人們致力于探索新的設計策略、新的器件結構和潛在的應用。本文綜述了三維（3D）顯示技術的發展與分類以凸顯出光場顯示的優勢；闡述了光場顯示的概念與意義；介紹了光場顯示中的集成成像光場顯示、投影光場顯示和層光場顯示的發展及主要技術挑戰。強調了在新形勢下對光場顯示的新要求，并提出對中國發展光場顯示的建議，即加強技術創新平臺建設，推動光場顯示與其他前沿技術的融合，重點攻克關鍵技術和產業鏈瓶頸，促進產學研合作，以確保在全球高科技領域的競爭力。

三維（three-dimensional，3D）顯示器是最有前途的顯示器之一，可以提供逼真的3D圖像，并有可能改變娛樂、教育、醫療保健、制造業和其他領域使用的消費電子產品。根據是否存在顯示機理和人眼視覺生理之間的矛盾，可將3D顯示分為助視/光柵3D顯示和真3D顯示兩大類。真3D顯示目前大致包括全息3D顯示、光場3D顯示（簡稱“光場顯示”）和體3D顯示。相比于全息3D顯示和體3D顯示，光場顯示具有數據量小（只關注物體表面的光強度）、結構簡單、更易實現等優點，使得其獲得更多研究人員的青睞。根據重建光場數據的方式不同，光場顯示技術可以分為集成成像光場顯示、投影光場顯示和層光場顯示三大類。

1 光場顯示概念與意義

1.1 光場顯示概念

“光場”的概念最初是1939年由Gershun提出的，1996年，Levoy等和Gortler等將光場的概念具體化，提出了如圖1（a）所示的四維（4D）光場渲染理論。4D光場渲染理論的出現，促進了光場顯示的發展。光場顯示原理如圖1（b）所示，主要包含光場采集和光場重構2個階段。光場顯示可以再現3D物體發出的光線的強度、顏色和方向，如果光場采集的數據足夠大，這種方式能完美地擬合出原始場景的全部光線分布，能獲得很好的3D效果。相比于視差型3D顯示技術，光場顯示能給觀看者提供物理景深和心理景深，不存在顯示機理與人眼視覺生理之間的矛盾，觀看者不會產生立體觀看疲勞。

圖1 光場顯示原理

1.2 光場顯示的意義

元宇宙的興起，帶動了近眼顯示產業的發展，而光場顯示是實現近眼顯示3D效果的重要技術之一。重新構建3D物體的光場信息越多，光場顯示的3D效果就越優越，但這些信息量比常規平面顯示器的信息量大了好幾個數量級，因此，對現有顯示技術提出了新的挑戰。

中國在超高分辨率顯示屏、光場顯示技術等方面已具有較好基礎，顯示技術已經經歷了輕薄化和大型化的發展階段；但是應該看到，中國在光場顯示技術領域還存在一些關鍵技術短板和產業鏈條斷點，為避免光場顯示技術與產業再次落后于國外，中國應該加強光場顯示技術的研發，這不僅是一個技術性的問題，同時也是一個戰略性的問題。

2 光場顯示的發展及主要技術挑戰

2.1 集成成像光場顯示

集成成像光場顯示起源于集成攝影技術，由Lippman于1908年提出。集成成像光場顯示技術包含記錄階段與重構階段。通常采用3D圖像分辨率RI、觀看視角Ω、3D圖像景深ΔZm來分析、表征集成成像光場顯示系統（圖2），由這3個觀看參數描述集成成像光場顯示系統的特征得到公式（1）：

式中，Rd為顯示屏的分辨率。

圖2 集成成像光場顯示系統的觀看參數示意

由于顯示屏分辨率低、透鏡自身像差等的影響，集成成像光場顯示仍存在一些技術挑戰。

提高集成成像光場顯示系統的3D圖像分辨率，最簡單的方法是減小微透鏡單元的節距，但是這種方法會降低微透鏡單元所覆蓋像素的數量，這將減少進入微透鏡單元的光線數，進而降低3D重構圖像的質量。這種方法雖然簡單，但是需要配備超高分辨率的顯示屏與高精度微透鏡陣列才能設計出高質量的3D重構圖像且兩者的對準要求極高。通過合理地排布微透鏡陣列/增加掩膜，減小相鄰微透鏡之間的空白區域是一種簡單有效的降低集成成像光場顯示系統的串擾，提升重構圖像分辨率的手段。值得一提的是，隨著人工智能的興起，可以利用其（如深度神經網絡）優化系統的視覺分辨率，除了利用全息功能屏和實現元素圖像陣列渲染的平衡分辨率外，還可以提高每個重構視圖的顯示質量。這將是促進集成成像光場顯示技術商用的有效手段。

擴展系統的觀看視角能很大地提高集成成像光場顯示的重構效果。采用曲面微透鏡陣列與曲面顯示器結合是最常用的提高系統視場角的手段。曲面顯示屏需要顯示正確的彎曲微單元圖像，這與曲面顯示屏的彎曲關系是一致的，否則顯示出來的重構圖像將會失真。在系統的基礎上配合偏振開關與時分復用技術，利用人眼視覺暫留效應通常能將系統的觀看視角增大1倍；這種方法對顯示屏的刷新率要求較高，要實現實時集成成像光場顯示系統的難度很大。

提高集成成像光場顯示系統的景深，主要是通過增加系統中心深度平面的個數，即要求微透鏡陣列具有多種焦距。常見的有焦距固定不變的固體式多焦距微透鏡陣列與焦距可調節的調諧式多焦距微透鏡陣列。值得一提的是，在優化光學器件結構的基礎上，增加智能圖像處理也能有效地擴展集成成像系統的景深。此外，通過優化微透鏡陣列的結構并結合定向擴散屏、掩模、全息功能屏、全息光學元件等器件也能實現擴展集成成像光場顯示觀看效果的目的。

2.2 投影光場顯示

投影光場顯示最初由Balogh等在2007年提出，其利用64臺投影儀實現50°觀看視角的投影光場顯示系統。目前科研人員已實現了最大空間分辨率約為33萬像素的光場3D圖像再現。根據投影光場顯示系統使用投影儀的數量將其分為單個投影儀式（又稱為掃描式光場顯示）與投影儀陣列式。

單個投影儀式光場顯示原理如圖3（a）所示，高速投影儀作為光場的（u，v）平面，定向擴散器則是光場的（s，t）平面。這種采用時分復用的光場顯示系統具有高分辨率和大視角的優點，但是其依賴于人眼視覺的殘留效應，必須通過提高圖像刷新率才能帶來更好的3D效果。投影儀陣列式光場顯示（圖3（b））利用在不同空間的投影儀相互交疊的空間像素實現3D光場的空間拼接。

圖3 投影光場顯示原理

根據投影光場顯示系統的幾何關系可知，其觀看視角可由式（2）計算得到。

P太大會導致3D圖像分辨率下降，d1過小會影響光線的入射，所以系統觀看視角的提高有賴于N的增大。此外，使用大量的高分辨率投影儀能有效提高系統的觀看角度，也使得系統更適合顯示大尺寸、高分辨率的3D場景。但大量投影儀的使用增加了系統的成本。

2.3 層光場顯示

層光場顯示（也稱為疊層光場顯示）如圖4所示，由背光板與多個不共面的液晶顯示面板/亞克力板與光學膠片組成。

圖4 層光場顯示原理

目前已有科研人員成功在46.3×28.9 cm2的顯示面積上構建了設計空間分辨率約為640×360、角度分辨率為166×166、視角為45°×45°的超分辨率全視差3D光場顯示器。層光場顯示的層數越多則系統的景深越大，3D效果就越優質。性能優異的顯示技術雖可以推動層光場顯示的發展，但是層光場顯示在深度方向的不連續導致3D圖像失真是不可忽略的一個問題。針對這一問題，可增加計算機輔助設計來實現3D深度圖像的保真，這也是層光場顯示值得深入研究的一個方向。

隨著顯示器件與工藝技術的快速發展，出現了一種新型層光場顯示——矢量光場顯示，它由定向背光板和液晶顯示面板/投影儀組成。定向背光板由光源與光波導組成，每個像素的光線方向與發散角由高精度光波導控制，通過控制這些光線的方向可以實現3D場景的重建。此外，利用時間復用技術能有效地利用時間冗余來增加顯示器的信息量。

3 光場顯示的新形勢與新要求

隨著第5代/第6代移動通信、物聯網和人工智能等新信息技術的快速發展，信息顯示發生了深刻的變化。中國顯示產業已躋身世界一流，從“跟跑”“并跑”，到實現了“領跑”。新型3D顯示技術正朝著視覺更自然、用戶更友好的方向發展。因此，3D顯示器由于其更強的真實感而得到很多關注，其中，光場3D顯示器被認為是未來潛在的3D顯示器。

集成成像光場顯示是利用光路可逆原理，采用微透鏡陣列再現記錄階段3D場景的光線，能正確顯示物體之間的遮擋關系、具有連續平滑的視點信息，符合人類觀看的特征且觀看者無需佩戴助視設備，是目前成本較低、3D效果較好的一種真3D顯示。集成成像光場顯示經常被用于具有很強沉浸感的人機交互設備——近眼顯示，還被應用于具有大視角的桌面顯示，相比于近眼顯示，桌面顯示則無需觀看者佩戴設備。值得一提的是，復用技術與高精度空間光調制器的發展也將推進高質量集成成像光場顯示的商用進程。

投影光場顯示在原理上與集成成像光場顯示相似，根據投影儀使用的臺數被分為投影儀陣列式與單個投影儀式。對于前者，主要是采用投影儀陣列代替了集成成像光場顯示系統中的微透鏡陣列，利用投影儀陣列投射出的光線進行高密度疊加，進而實現3D圖像的顯示。對于后者，還需配備多路復用技術與投影屏、全息光學元件、旋轉反射器件等光學器件模擬出投影儀陣列的效果，進而實現3D顯示。

層光場顯示需要堆疊不同數量的液晶面板來提高重構3D場景的景深，其具有較為連續的視場，比較適用于小尺寸的移動光學設備。若要增大3D顯示效果則需要堆疊一定數量的液晶屏，這將引起兩個不容忽視的問題：一是隨著液晶屏數量的提升，系統的視場角也隨之降低；二是增加液晶屏的數量，會增大3D顯示系統的體積、提高系統的成本、降低其實用性。層光場顯示引申出的矢量光場顯示提升了光場顯示的性能。矢量光場顯示具有可視角度大、體積小、能耗低等優點，但是由于其使用的光學器件精度達到納米級別，對制作工藝的精度提出了更高要求。

4 結論

光場3D顯示是真3D顯示的一種，通過光傳感器模擬人眼接收3D物體發出的光，然后利用特殊器件與光傳感器接收的信息再現出真實的3D場景；它重建的3D場景能正確地描述被記錄場景的空間特性，此外，重構的3D場景符合人眼觀看的特性，能還原被記錄物體之間相互遮擋的關系。光場3D顯示技術是一種數據量小、結構簡單、易于集成化且符合人類觀看習慣的3D顯示技術，有望被應用于軍事、醫學、教育、娛樂等領域。隨著工藝技術與計算機科學技術等相關領域的發展，光場顯示技術已經得到大力發展。但應該看到，中國在光場顯示領域還存在一些關鍵技術短板和產業鏈條斷點。為避免中國高科技終端設備技術與產業再次落后于國外，建議促進光場顯示與物聯網、人工智能、大數據等交叉融合。此外，建議中國加強光場顯示技術創新平臺的建設，并設立光場顯示研發重點專項，通過學術研討會等形式梳理光場顯示的技術難點、技術差距和問題等，凝練出光場顯示核心材料、關鍵技術、核心裝備等研發內容；充分發揮顯示龍頭企業在光場顯示技術創新中的主體地位，以新型舉國體制推動產學研在光場顯示技術方面的創新合作。

本文作者：彭玉顏、康家欣、周雄圖、張永愛、郭太良、吳朝興

作者簡介： 彭玉顏，福州大學物理與信息工程學院，博士研究生，研究方向為3D顯示；周雄圖（通信作者），福州大學物理與信息工程學院，中國福建光電信息科學與技術創新實驗室，教授，研究方向為信息顯示技術。

論文全文發表于《科技導報》2025年第2期，原標題為《光場顯示研發進展》，本文有刪減，歡迎訂閱查看。

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