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上海交通大學(xué)助理研究員李燕

　　在2016中國平板顯示學(xué)術(shù)會議上，上海交通大學(xué)助理研究員李燕詳細(xì)介紹了上海交通大學(xué)在真三維顯示方面的工作。

　　以下為現(xiàn)場演講文字實(shí)錄：

　　首先我簡單介紹一下三維顯示，然后我將會介紹兩種真三維顯示目前在我們實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，最后是總結(jié)。

　　三維顯示我們知道無處不在，不論是三維的劇場，還是現(xiàn)在非常熱門的虛擬現(xiàn)場，我們都有了一個三維的體驗(yàn)，應(yīng)該說非常好。但是你能夠發(fā)現(xiàn)，如果你長時間的觀看三維的話，你就會有一點(diǎn)不舒服的感覺。為什么會產(chǎn)生這種感覺呢?不舒服是我的眼睛有問題嗎?其實(shí)都是很正常的，這是由于三維本身一個缺陷引起的，這是的矛盾。

　　什么叫做Accommodation convergence，我們?nèi)搜墼诳礀|西的時候因?yàn)橐劢沟轿矬w上要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，物體很近的話我們的眼球所成的夾角就會比較大，因此我們可以根據(jù)眼球所成夾角的大小來判斷這個問題離我們有多遠(yuǎn)。什么叫Accommodation，這個就是我們眼球的曲光度，我們看遠(yuǎn)物體的時候眼球就不需要很彎曲，像可以呈像在視網(wǎng)膜上，這是一個眼球調(diào)節(jié)的工作。而且這個Accommodation還有一個很有趣的現(xiàn)象，如果你看的比較近的物體，那么遠(yuǎn)的物體就會比較模糊。我們看一下真實(shí)的世界，我們的Accommodation眼球確實(shí)是聚焦到了三維物體，而且我們每一個眼球的曲光度都是進(jìn)行了一個正確的調(diào)焦。那么現(xiàn)在在很常見的情況下，我們一般是左、右眼各個產(chǎn)生一個圖象，然后眼睛之間產(chǎn)生一個位移，通過位移的距離來判斷有多遠(yuǎn)，這個時候眼球的匯聚仍然是匯聚到物體上面。因?yàn)橐辞宄?nèi)容，所以我們每個眼球的聚焦是在平板顯示上的，所以Accommodation告訴我們的距離是在Displays。

　　如何才能制造出一種讓人非常舒適的環(huán)境呢?我們叫它一個光長，光長是什么呢?光長是無數(shù)根光線的結(jié)合，這些光線是有不同的方向、不同的起點(diǎn)、不同的亮度、不同的顏色，隨著時間會有一個變化，如果我們把所有的元素包括在里面真實(shí)的呈現(xiàn)，這樣就不會有頭暈的效果了。

　　如何來做這個事情呢?做起來主要由三種方法：

　　1、超多視點(diǎn)，就是兩個視點(diǎn)的多視點(diǎn)顯示。

　　2、Volumetric displays

　　3、Holographic displays

　　所以你并不是說你一定要有幾百個視角，如果你有三個、四個能夠進(jìn)去也是可以的。右邊這個圖，如果有多個時點(diǎn)，那你的眼睛就要相應(yīng)的調(diào)焦，這樣才能在你的視網(wǎng)上呈一個清晰像。這個要求肯定也是比較高的，需要在非常小的范圍內(nèi)形成。這種方法，我們大概可以理解為是這樣，在真實(shí)的物體中，每一個點(diǎn)都發(fā)出連續(xù)的光，那么用這個超多視點(diǎn)的方法來進(jìn)行連接的方法。

　　第二種方法，叫做體三維。這個圖非常好的詮釋了體三維的意義，在每一個空間它可以發(fā)出無數(shù)的光線，直接就可以反過來追溯到發(fā)光點(diǎn)的位置，它直接就是一個真三維的顯示。問題是像這種顯示，往往它點(diǎn)本身是彌散的，可能它的分辨率也比較低，我們要做的工作是如何把它做的分辨率更高，更連續(xù)，做得更大，同時又能滿足分辨率。其實(shí)我們在平板顯示方面大家做的非常好了，所以有一個非常常見的體三維的方式，就是叫多面的體三維，它把這個體切成了很多個二維的截面，假如你能一一把這個截面都展現(xiàn)出來，如果這個速度足夠快，我們腦子里面就會呈現(xiàn)出一個完整的三維形象。

　　最后一種，其實(shí)大家也是非常的熟悉了，全息這個概念也是產(chǎn)生了很久了，因?yàn)樗軌蛲瑫r產(chǎn)生強(qiáng)度和像位，所以我們叫它全息，所以它被認(rèn)為是一種最終的3D顯示技術(shù)，但是現(xiàn)在還存在很多的問題。

　　后面真三維跟大家分享一下：

　　首先是基于聚合物的體三維用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，目前還有三星的VR，還有國內(nèi)的暴風(fēng)魔鏡，最近都是非常的火。增強(qiáng)顯示不僅僅能看到真實(shí)的物體，還能夠看到虛擬物體。

　　我們知道AR和VR，像娛樂、文化、教育、還有軍事眼簾、教育等方面，我們來看一下，這個是一個視頻，我們簡單看一下。

　　大概就是展示一個，在未來世界中，你可以在家里觀看足球比賽，那些足球運(yùn)動員的三維圖象都呈現(xiàn)在你的面前。這個全息眼鏡也是有它的道理的，這是一個非常好的體驗(yàn)，如果你看過一定會拍手稱贊。但是它仍然有缺陷，你看一會兒可能是好的，但是如果長期看還是會產(chǎn)生頭暈?zāi)垦５母杏X。因此，為了克服這個困難，就采用了一種變體面的體三維的方式來應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，我們可以看到這個結(jié)構(gòu)圖，左邊是一個微顯示器，它在不同的電壓下是可以調(diào)節(jié)的。它通過放大，再通過增光鏡，最終會在人的正前方呈現(xiàn)一個放大的圖像，他可以顯示像整個會場一樣大，像一座山一樣大，這個是非常強(qiáng)大的。

　　我們可以看到，它這個透鏡比較慢的原因，所以它一次只能顯示一個面，這個彩色的求是它產(chǎn)生的一個虛擬的面，這個彩色的球是和前面最大的物體在一起的，后面兩個是在比較遠(yuǎn)的位置。如果這個相機(jī)是聚焦在前面的話，這個虛擬的物體是比較清晰的，如果這個相機(jī)是聚焦在遠(yuǎn)處的話，這個虛擬的物體和前面的物體都會變得比較模糊，這是非常有趣的，它就像真實(shí)的物體一樣你想要聚焦在哪里就聚焦在哪里，它就是真真實(shí)實(shí)的傳像。唯一的缺陷，就是它的響應(yīng)速度比較慢。

　　接下來就換了一個透鏡，這個幾K赫茲都可以操作，它展現(xiàn)了同時有六個畫面的效果。但是我們可以看到這個結(jié)構(gòu)仍然是非常的復(fù)雜，雖然它的效果是非常的好，但是他用的透鏡的原理，以至于它前面需要很多的透鏡來對這個光度進(jìn)行整形，得到一個正確的視廠角，我們可以用一個簡單的方法把這個透鏡都去掉。

　　這是我們現(xiàn)在采用的一個方案，左邊是一個投影儀，它投出的是一個平行的二維的投像，它投出的這些就是我們聚合物穩(wěn)定液晶膜，每一個液晶膜在不加電壓的時候是處于一種散射的狀態(tài)，在加電壓的時候就會變成透明狀態(tài)。我們知道一束光打到膜上就會形成發(fā)散的光，這樣我們就可以反推出來發(fā)光點(diǎn)的位置，這確實(shí)就是一個真三維顯示。

　　這個注意一下，在每一個時刻只有一個液晶膜是屬于散射的狀態(tài)，其他的都屬于透明的狀態(tài)。當(dāng)然，我們這邊也用到了一個凸鏡對它進(jìn)行放大，所以我們這個范圍是可以非常廣的。

　　這是我們最終拍攝的一個視頻，這只展現(xiàn)了兩個面，SJ是在前面的面，TU和小的物體是在同一個距離，是在比較遠(yuǎn)的位置。當(dāng)相機(jī)聚焦在前面位置的時候，我們可以看到后面的物體無論是真實(shí)的還是虛擬的都變模糊了，當(dāng)我們的相機(jī)聚焦在比較后面的面的時候，我們可以看到TU和遠(yuǎn)的物體是清晰的，但是我們的SJ和近的物體卻是模糊的，所以我們也是真真實(shí)實(shí)的呈現(xiàn)了真三維顯示。

　　下面這個圖有點(diǎn)類似，只不過距離遠(yuǎn)近有所不同。

　　小結(jié)：我們做了一個人眼舒適的眼鏡，可以長期佩戴，它的校正率也、分辨率比較高，希望它能成為下一代的智能VR。

　　我知道全信顯示最終的顯示，但是它現(xiàn)狀有很多問題，大多數(shù)的用的是電光調(diào)制方法，用電的信號來調(diào)控它的信號，一般分辨率比較難做小、比較難做過，像素比較難做好。另外，它的周期比較大，我們可以看到它顯示的面積也比較小。所以我們就用光光傳息的方法，不再是電光傳息，這種材料用到的是納米，微米型的，因?yàn)樗囊暯潜容^寬，它的分辨率、顯示范圍也可以做的比較大。這個文章他們也做了全息成像的工作，他們是想做一個動態(tài)的視頻，因?yàn)樗乃俣缺容^慢，所以不能達(dá)到時時的控干，早期我們用的是燃料，它的工作原理大家可以看一下，這個黃色是燃料分子，在沒有光的情況下，它比較容易處于一種比較直的狀態(tài)，在有光的情況下容易處于比較直的狀態(tài)。在光強(qiáng)的情況下，液晶的扭曲度降低，扭曲度降低會帶來折射率也會降低，所以這樣就會實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)折射率轉(zhuǎn)化的過程，我們用這種材料確實(shí)達(dá)到了非常快的速度，可以達(dá)到1.28毫秒完成傳達(dá)信息。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　這是不同彩色的視頻圖，這邊我們同時實(shí)現(xiàn)了在一個視頻里面同時有紅色、藍(lán)色，這個是我們的一個實(shí)驗(yàn)裝置圖，這邊有很多光學(xué)原件，中間有一個紅的是我們的樣品，我們用綠光進(jìn)行記錄。

　　我們的響應(yīng)速度已經(jīng)足夠快了，其他的特性發(fā)現(xiàn)DRY的(顯示率)非常低只有0.6，這個相當(dāng)?shù)牡汀Ｈ绾胃倪M(jìn)這個效率，仍然保持比較快速度，接下來的速度就用了一個離子攙雜方式，最終它們被捕獲以后，就會形成電刻的周期性分布，就會形成一個周期性分布的內(nèi)件電廠，最終會形成一個總的電長的分布。在電場比較強(qiáng)的位置，會發(fā)生比較大轉(zhuǎn)動，就會豎起來。所以形成了液晶分子的周期性排列，最終會形成這折射率溫度排列和像位的主體， 我們實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)和像位的轉(zhuǎn)換，這個機(jī)理是一樣的，那么用了這種材料以后，機(jī)理有所不同，它性能得到了很大的提升，在最好的情況下達(dá)到20%，得到了很大的進(jìn)步。我們也做了刷新的實(shí)驗(yàn)，用了三種顏色紅、綠藍(lán)，我們刷新頻率是60赫茲，我們看到圖像要比原來亮很多，仍然是一個沒有脫維的實(shí)時動態(tài)的刷新，這個也有相關(guān)報報道。

　　現(xiàn)在看來我們的問題已經(jīng)解決的差不多了，但是它這個光強(qiáng)其實(shí)還是非常強(qiáng)的，這個不是很安全，有沒有辦法降低這個光強(qiáng)，讓材料的靈敏度得到提督呢。，半導(dǎo)體材料在這個光照的情況下很容易生光聲、電賀的。半導(dǎo)體膜一旦介入，雖然其他條件也是一樣，產(chǎn)生的折射率，變化的效果是非常驚人，我們發(fā)現(xiàn)(機(jī)電光強(qiáng))大概有40毫瓦降到了40微瓦，響應(yīng)速度非?？臁?/p>

　　剛才所說的，其實(shí)我們只是驗(yàn)證了這個材料的記錄性，最終是要做一個三維的長期顯示，我們就設(shè)計了這樣的一個光路，光場的分布，然后再用我們攙雜液晶材料能夠把這些三維的物體呈現(xiàn)出來，我們希望在前面能夠形成一個四角形的畫面，在后面比較遠(yuǎn)的位置產(chǎn)生五角形畫面，我們做的不僅僅是一個畫面，其實(shí)是有個視頻在這里不能看，在屏幕比較近的位置進(jìn)行承接，它是一個四角形在旋轉(zhuǎn)，當(dāng)我們屏幕移到比較遠(yuǎn)的位置的時候，它是一個五角形在旋轉(zhuǎn)，不是在任何一個位置看到的都是一模一樣的東西。

　　半導(dǎo)體膜進(jìn)行了三種顏色，同樣是三種平面，近的平面是四角形，遠(yuǎn)的平面是五角星。

　　最后總結(jié)一下，主要講了兩部分內(nèi)容：第一部分是能夠長期佩戴頭戴式響應(yīng)，兩形面的一個展示;第二個是視頻刷新的全息液晶顯示，我們用了好幾種，我們都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時公開的彩色顯示，而且我們還展示了兩個平面的三維顯示。