在现实世界里，人眼看到空间中的物体是三维的，而传统的显示技术只能提供二维平面图像显示，缺少深度信息，这不符合人眼观看三维物体的视觉习惯。人眼在观看远近不同距离的物体时，眼球内睫状肌会调节晶状体的形状使物体的像聚焦到视网膜上，与此同时两个眼球在看近处物体时会向内转动，在看远处物体时会向外转动，这种现象称为辐辏效应^[1-3]。聚焦和辐辏总是同时发生的，相互匹配调节。然而，传统的二维平面显示由于缺少深度信息，聚焦和辐辏会产生调节冲突，易造成人眼的视觉疲劳。

为了实现三维立体显示，人们研究了多种三维显示技术。视差屏障显示和柱镜光栅显示基于双目视差原理，显示屏交互排列的图像通过视差屏障或柱镜光栅分别进入左右眼并在视网膜上形成图像，由视网膜上的感光细胞将图像信息通过视觉神经传递给大脑合成立体图像，从而感知物体的深度^[4-7]。投影多视点显示通过柱面镜、聚焦镜和散射屏在空间区域形成足够多的视点，随着观看角度的变化，人眼可以看到三维物体各个角度的图像^[8-9]。扫描立体显示是通过高速旋转显示屏或反射屏，同时图像实时刷新，在空间扫描形成360°的三维图像，实现360°的立体显示^[10-12]。但以上的显示技术只能将物体显示在单一平面上，缺少深度信息，并不是在空间中重构出三维物体。体三维显示和全息显示则可以在空间中重构出三维物体。体三维显示是利用空间中的三维像素来重建三维物体，三维像素在其空间位置点向各个方向的反射光进入人眼，人就可以多角度裸眼观看到悬浮在半空中的三维图像^[13-14]。全息显示技术是利用干涉原理记录物体光波信息、利用衍射原理再现物体光波信息的三维显示技术。由于全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物体的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来^[15-17]。但是，无论是体三维显示还是全息显示，需要处理的数据量都很大，对计算速度、传输速率要求很高。

目前，国内外研究人员研究了基于空间三维物体重构的光场显示技术，利用光场在空间中构造出三维物体，不需要处理大量的数据即可实现三维物体的重建。目前的光场显示技术主要包括层叠光场显示、快门光场显示、集成成像光场显示和矢量光场显示。表 1对4种光场显示技术与传统显示技术进行了简要比较。本文对各种光场显示技术进行详细论述。

1 层叠光场显示

层叠光场显示利用多个显示层构建所显示三维物体的空间光场，其显示原理是基于4个维度的光场。光场这个概念是由Gershun^[21]提出的，指光在空间中通过任意一点的所有方向的光线集合。之后，Adelson和Bergen^[22]将其完善并给出了全光函数的形式，该函数是7维函数，包含任意一点的位置(x, y, z)、任意方向(极坐标中的θ, φ)、波长(λ)和时间(t)。在实际应用中，颜色和时间维度的信息通常用RGB三色和显示帧率表示，并且大部分成像系统只关注光线的方向和位置，这样就将函数从7维降到4维^[23]。一般用2个平面表示光场，经过两个平面内的两点(x₁, y₁)和(x₂, y₂)决定一条光线的传播方向，即光线可表示为L(x₁, y₁, x₂, y₂)。空间中的光场如图 1所示。

层叠光场显示最早是由Wetzstein等^[18]在2011年提出的，如图 2所示。其原型机采用了5层亚克力板，每层厚度0.317 5 cm，印刷分辨率300 dpi (dots per inch，每英寸点数，1英寸=2.54 cm)。层叠光场显示的景深超过传统的多视点立体显示，观看者会明显感受到物体悬浮于显示板之外。近眼观看时，立体图像的分辨率高，显示亮度接近集成成像。另外，通过增加显示层数，可以降低聚焦辐辏冲突。同年，该团队又采用多层液晶显示屏层叠的方式实现了动态图像显示，只利用一小部分的全光样本即可生成高质量的图像和光场。层叠光场显示技术以迭代方式求解优化问题，减少对计算资源的需求^[24]。2016年Chen等^[25]也研究了基于多层液晶屏的权重压缩光场显示技术，如图 3所示。他们采用多层液晶屏对立体图像进行光场调制，实现了压缩3D光场显示，其观看距离为150 cm，可视角度达到了70°×60°，支持4人同时观看。

层叠光场显示也适用于近眼显示。Huang等^[26]研制了两层液晶显示屏层叠的头盔显示系统，如图 4所示。两层液晶显示屏采用同一背光源，当通过一对透镜观看时，除了传统显示器提供的双目视差之外，该显示屏还能实现聚焦，其工作原理如图 5所示。

图 5中，确定空间中P点位置的两条光线η_L、ηR可用两个显示屏上的像素α_L、β_L、α_R、β_R来实现。令背光源的光强为I_BG，各个像素的透过率分别为T(α_L)、T(β_L)、T(α_R)、T(β_R)，那么人眼看到的两条光线的光强分别为：

$ {I_L} = {I_{{\rm{BG}}}} \cdot T\left( {{\alpha _L}} \right) \cdot T\left( {{\beta _L}} \right), $

(1)

$ {I_R} = {I_{{\rm{BG}}}} \cdot T\left( {{\alpha _R}} \right) \cdot T\left( {{\beta _R}} \right). $

(2)

因此，空间中的P点就可以被构造出来，同理另一位置的Q点也可以被构造出来^[28]。只要根据实际三维场景的光场强度分布，并利用迭代算法来控制每个像素的透过率，就可以通过层叠光线来实现三维场景的再现。Huang等^[26]的头盔显示系统的两层液晶显示屏的分辨率为1 280×800像素，目镜是非球面镜，焦距为5 cm、直径5.08 cm，目镜间隔6.5 cm符合人眼瞳距，显示屏距离目镜分别为3.8和4.8 cm，所成的虚拟图像分别位于19和123 cm处。图 6是电脑合成图像前、中、后焦点的成像效果，呈现出人眼真实场景的观看效果。

层叠光场显示利用多个平面上的像素点来确定光线的方向和位置，然而在实际应用中，每个平面都不是无限大的，因此平面的有效面积限制了层叠光场显示的视场范围。层叠光场显示若用于近眼观看的头盔显示系统，可通过增加显示层来实现基于不同景深构建连续的焦点，景深超过传统的多视点立体显示。但对于头盔显示系统，层叠过多的显示屏会使头盔变重，长时间佩戴会影响舒适度。

2 快门光场显示

快门光场显示的原理是时分法。这种显示技术主要是基于人眼的视觉暂留效应，当空间中立体图像的刷新率超过24 Hz时，人眼看到的就是连续的、无波动的三维物体。该显示技术不同于传统的快门式3D技术。传统的快门式3D技术的左、右眼镜片可以分别控制透明状态的两片液晶屏，并结合信号发射装置，使左右眼分别接收屏幕显示的图像^[29-30]。屏幕图像的刷新率达到60 Hz时，通过视觉暂留，两幅图像在大脑即可合成立体图，但并没有通过光场在空间重建三维物体，物体仍显示在二维平面上。快门光场显示的原理如图 7所示。由显示屏上A、B两个像素发出的光线来构造空间中的物体C，晶状体将其成像在视网膜的C'上。因为像素A、B发出的光线存在一定的夹角，像素A和B在视网膜上的成像区域面积过大会导致成像模糊。若用快门遮挡住瞳孔的上半部分Oe，像素A在视网膜上的成像区域缩小为a'd'。同理，若用快门遮挡住瞳孔的下半部分Oe'，像素B在视网膜上的成像区域缩小为db'，视网膜上的成像区域越小，获得的图像越清晰。

刘立林等^{[19, 31-32]}采用快门光场显示技术搭建了光场3D眼镜，如图 8所示。其显示屏尺寸为27英寸，刷新率120 Hz，快门为小型液晶屏，距离显示屏60 cm，左右眼各设置两个快门，其间隔符合人眼双目瞳孔距离6.5 cm，人眼距离快门0.8 cm，快门宽度0.36 cm。4个水平排列的液晶快门按120 Hz速率依次开关，可实现空间三维图像30 Hz的刷新率。图 9是快门光场显示的工作原理图。图 10是无快门和有快门时的显示效果，无快门时观看效果较为模糊，有快门时画面呈现出一定的景深。

快门光场显示使双眼都能接收到空间中构造出的立体图像，并且可以聚焦在任何景深位置，在单个快门开启时不会降低屏幕的分辨率，可以实现全分辨率的光场立体显示。但该技术的遮挡方式会降低空间中立体图像的亮度，实际亮度差不多会降低1/2，如果提升显示屏的亮度作为补偿，人眼对亮度损失的感觉就不会很明显。另外，快门与显示屏的位置相对固定且距离较远，整个系统无法做成紧凑的头盔显示系统，只适合单人在固定的位置观看，不适合多人多角度观看。

3 集成成像光场显示

集成成像是由Lippmann^[33]提出的，距今已有一百多年的历史。集成成像是一种显示效果优于视差屏障和柱镜光栅三维显示的真三维立体显示技术，如图 11所示。集成成像将显示屏前的柱面镜阵列换成了微透镜阵列，微透镜阵列把显示屏图像单元发射出来的光线聚集还原，重建出微透镜阵列的物空间场景的立体图像^[34-36]。如图 12所示，屏幕发出的多条光线经过微透镜阵列构造出空间三维物体，微透镜阵列可以同时提供水平视差和垂直视差，并且视差信息连续，消除了双目视差立体显示所普遍存在的视觉疲劳问题。

集成成像在使用微透镜阵列提供水平视差和垂直视差的同时，也降低了立体图像的分辨率。采用超高分辨率显示屏和高精度微透镜阵列可以提高集成成像的分辨率，但对显示面板和微透镜阵列之间的对齐工艺有很高的要求。集成成像的视角由微透镜阵列间距以及微透镜阵列和显示屏之间的距离决定，可视角度非常窄，一般只有几度到十几度。Shin等^[37]将微透镜阵列排列成曲面状，比传统的集成成像视角增加了7°，如图 13a所示。Park等^[38]通过对头部的跟踪，动态调节系统参数以增加视角，如图 13b所示。

于迅博等^[39]利用微透镜阵列结合高分辨率显示屏实现了60°视角的平滑运动视差集成成像显示系统，通过深度结构信息与子图像纹理来构建立体图像。图 14是不同角度3D图的观看效果。集成成像的显示景深范围非常小，Kim等^[40]在微透镜阵列的后放置“浮动透镜”对三维场景进行放大，如图 15a所示。Kim等^[41]采用多个聚合物分散液晶薄膜层，重建出多个聚焦面来增加景深，如图 15b所示。

4 矢量光场显示

矢量光场显示是近年来出现的裸眼光场显示技术，用光波导来控制像素的发光方向和发散角度，利用带有方向的光束来构建空间三维物体，因为其模拟三维物体发出的光线，所以像素尺寸和光束发散角度要足够小，才能使发出的光束近似等同于光线。

惠普实验室的Fattal等^[42]报道了一种定向背光体，如图 16所示。该定向背光体可以为液晶显示屏提供定向光束，定向光束具有不同的传播方向，

可以被液晶快门调制，如开启、关闭或者改变亮度。定向像素排列在由多个输入平面光束照射的定向背板中，定向像素接受输入平面光束并且将它们的一部分散射为定向光束，液晶快门被放置在定向像素之上以按照需要调制定向光束。液晶快门可调制单个定向像素的单个定向光束或者一组定向像素的一组定向光束，因此可利用很多不同的视图产生3D图像，其中每个视图由一组定向光束产生。

定向背板中的定向像素具有排列在定向背板中或定向背板顶部上的光栅，定向背板的材料可采用氮化硅、玻璃、石英、塑料、铟锡氧化物等。光栅可以直接刻蚀在定向背板上，光栅的长度、宽度、取向、间距和占空比决定了每个定向像素发出的定向光束的方向和发散角。惠普实验室应用定向背光体技术已经实现了每英寸127个像素、200个视点、90°的观看视角。该技术对光栅面板的设计及nm级光栅刻蚀精度的工艺要求很高。

Ostendo公司是一家美国的3D全息投影、虚拟现实(virtual reality，VR)/增强现实(augmented reality，AR)技术公司，该公司的核心技术量子光子成像器(quantum photonic imager，QPI)是世界首个光微处理器^{[20, 43-44]}，如图 17所示。

QPI的每个像素是由垂直层叠的RGB 3层LED组成的竖直波导管，竖直波导管将光耦合出发光层，并通过多层微透镜阵列将光聚焦到特定方向，每个像素都可单独控制发光方向。像素间隔为5~10 μm，分辨率可达1 280×720像素，亮度大于20 000 cd/cm²，对比度为1 000 000:1，响应时间小于5 ns，刷新频率分别为60和120 Hz。单个像素的RGB采用了立体排列，使得分辨率提高了3倍。

QPI模组体积非常小、能耗低、价格低廉，可广泛应用于新型平板显示、VR、AR及全息显示等诸多重要领域。QPI显示技术对μm级透镜阵列设计及制作工艺有着很高的要求。另外，研究人员下一步计划研制基于QPI的更大尺寸、无彩色莫尔(moiré)效应的全色彩、全视差拼接光场显示。

矢量光场显示不需要像层叠光场显示那样佩戴头盔观看，也不需要像快门光场显示那样固定在特定的位置观看，裸眼即可观看空间中光场构造出的三维物体，同时又不需要像集成成像光场显示那样降低立体图像分辨率，因此矢量光场显示是未来可实现裸眼观看的真三维立体显示技术。

5 总结与展望

随着显示技术的不断发展，人们利用光场在空间中重构出三维物体，解决了聚焦辐辏冲突，使观众获得更加真实的观看体验。本文总结了目前出现的基于空间三维物体重构的光场显示技术，包括层叠光场显示、快门光场显示、集成成像光场显示和矢量光场显示，分析了各种光场显示技术的优势及其尚待解决的问题。

层叠光场显示利用多层液晶屏上的像素来构造空间光线，景深超过传统的多视点显示，对计算资源的需求较少；但为了增加景深需要层叠多层液晶屏，用于近眼显示时会影响长时间观看的舒适度。快门光场显示基于人眼的视觉暂留效应。因为控制像素单元的发散角度来减小其在视网膜上的成像面积较难做到，所以近眼通过控制快门切换遮挡进入瞳孔的光线，构造出无分辨率损失的三维图像，但挡光也必然会影响图像的亮度。另外，显示装置体积过大，观看位置固定，不适合多人多角度观看。集成成像光场显示可实现裸眼观看三维物体，成像具有水平视差和垂直视差，并且视差信息连续，拍摄和显示过程比较简单，图像的传输和处理比较容易；但3D图像的分辨率较低，深度范围较小，观看视角较窄，对显示屏的分辨率和微透镜阵列的加工精度有很高要求。

矢量光场显示是一种最近出现的裸眼光场显示技术，用光波导来控制像素的发光方向和发散角度，利用带有方向的光束来重构空间三维物体。人眼可视角度通常是120°，当集中注意力时仅有约25°，眼球通常是随着观看不同位置处的物体而不停转动，某一方向上进入人眼的光信息量是有限的，因此只需选择渲染该方向上的矢量光立体图像使其进入人眼即可，有效减少了显示带宽和计算资源。目前，惠普公司的定向背光体和Ostendo公司的量子光子成像器都已经实现了利用方向光束来构建三维物体。同时，他们所研制的矢量光像素小，显著提高了显示分辨率，并且可视角度大、体积小、能耗低。另外，近年来也有研究人员采用超表面材料，根据波动光学理论改变光波的传输方向来实现矢量光^[45-46]。矢量光场显示对nm级的制作工艺有很高的要求，随着制造工艺的不断进步，矢量光场显示是有望实现多人裸眼观看、可视角度大、计算资源低的光场显示技术。