技术干货！一种真正的裸眼3D场多层显示技术

一、概述目前，市面上已经商业化的显示方式有以下几种：CRT（冷阴极射线管）：已落伍，处于淘汰中CRT电视机是通过一个或多个电子枪发出电子束，射在真空管屏幕表面内侧，而涂在屏幕内侧的发光涂料受电子束冲击而发光产生图像。电子束冲击在屏幕内侧的一个发光点即为一个像素，通过调整电子束的强弱即可实现像素的灰阶。TFT-LCD（薄膜电晶体/三极管液晶）：现阶段主流产品液晶分子因其在电场中受电压大小而发生偏转（光通过不同偏转角度的液晶会有强弱变化），配合两片垂直放置的偏光片来实现光的可控，通过调整电压来实现显示的灰阶。OLED（有机电致发光）：未来主流产品，替代LCD中有机分子受电流作用，发生能级跃迁，产生不同颜色（RGB）的光，通过输入电流的大小引起光的强弱即可实现灰阶。当然还有Micro-LED，激光电视等，这里不一一赘述。以上显示方式均属于平面2D显示，屏幕尺寸有限（取决于屏幕生产线的世代，存在极限尺寸）要实现3D显示需配合外加设备或工艺来实现。目前能实现3D显示的工艺和技术有：1、现有LCD或OLED外贴柱透镜膜片，所播放视频需加工成3D片源：缺点是观看超过10分钟会头晕；2、全息：需通过特殊设备，观看场景特殊，体型巨大，无法形成小型或薄型显示屏幕；3、平面图像算法实现：对图像背景进行虚化，形成伪3D效果。而目前显示/观看效果好的主流方式仍是通过佩戴偏光眼镜来实现，且其片源需加工成3D片源，其实现3D电影的原理是：拍摄左右眼视点图像，并将两视点图像同步显示在银幕上，从放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，观众使用对应上述的偏振光的偏振眼镜观看，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会看到立体景像，这就是立体电影的原理。现实世界中，我们肉眼所看到的图像/影像都是立体具象的，人眼天生就可以感知真实的三维立体（3D）图像/影像。但是囿于现代显示科技，我们在平面屏幕上看到的往往都是二维平面（2D）图像/影像。如果能在2D屏幕上实现3D图像/影像,才能更加符合人眼观看习惯。我们所看到的三维立体（3D）图像从视线方向做分割的话，其实是无限多层图像缓慢递进的概念，组成不同层图像的“像素/位图点”分布在空间的各个立体位置（X/Y/Z）上，就像用“一把锋利的刀”将立体图像沿我们目视方向切成无数多层的位层图像，这么多“光滑无梯度”的多层图像/影像构成了我们眼中自然界中真实的立体图像/影像，而人眼又是一种精密的变焦系统，可以主动聚焦到想看的焦平面，形成我们眼中真实的立体图像，这是一种纯天然完美的接收/显示系统。如下图：但对目前科技而言，这种“光滑无梯度”近乎无限多层的显示显然无法达到。常见的一些实现裸眼3D效果的显示系统，往往都是通过简单的两层图像形成简单的对比度，造成3D效果。简单点的如电影院中采用偏光眼镜，将图像分成两层，分别用两束偏振光来显示，简单的形成位相差引起观看的3D效果，对比度效果虽然强烈，但其实就是相对简单的两层显示。那么，有没有办法可以不借助观看工具（眼镜，头盔等）在2D平面屏幕上来实现或接近真正的3D效果，或者说实现多层立体显示？这里要向大家介绍的是一种全新的显示方式，借助微投影/显示技术结合透镜阵列结构在2D平面实现真正裸眼3D观看效果的多层（场）显示技术。今天，我们提出多层（场）显示的一个技术雏形概念，希望能抛砖引玉，未来能发展出真正的近乎自然/真实的三维立体影像/图像。为了更好的阐述这项多层（场）显示技术，在介绍之前，先介绍什么是3D动态膜?二、基于微透镜阵列成像的3D动态膜3D动态膜系采用微透镜阵列结构，结合微图文阵列来实现动态显示效果的产品，通过这种技术所得到的产品，动态效果无需借助二次仪器，肉眼直观可见，是一种一目了然的视读识别技术。具体表现如下：动态光学安全膜移动时，图形就好像是在水面上滑动，薄膜在左右运动时，图形在垂直方向做反方向的滑动（正交运动）；同样，薄膜上下转动，被放大的图形左右运动。下面是结构原理示意图：结构原理示意图一些应用实例：百元美金的蓝色安全线各种国家货币上动感安全线（当左右转动时，100和大笨钟图案会互换）光学微透镜阵列莫尔放大-焦平面成像原理：微透镜动态立体显示技术，其原理是在微图文信息层的前面加上一层透镜层，使微图文的像平面位于透镜的焦平面上，在每个透镜下面对应有微图文信息单元，这样透镜就能以不同的方向投影单元微图文信息于焦平面形成动态的放大图文。于是双眼以不同的运动状态（左右/上下晃动）观看动态膜，就看到动态放大图文不同的运动状态（上下/左右运动）。微透镜阵列分布一定的情况下，可以通过设计不同的微图文周期来得到不同层的动态放大图文，下面以景深效果来进行设计：假定微透镜以六边形圆相切排布，单个微透镜直径为R，那么相邻两个微透镜圆心到圆心之间距离为R，图文周期为R1，那么在一定范围内，当R1<R时，为景深效果；在一定范围内当R1>R时，为上浮效果（跃出纸面）。放大倍数则为n=R1/（R-R1）。举个实例：微透镜直径40微米，微图文32微米，图文排列周期39.92微米，所以39.92<40，图文效果出来为景深效果，放大倍数为39.92/（40-39.92）=499倍，图像可放大为32X499=15968微米=1.5968厘米产品实样如下：焦平面的聚焦则取决于微透镜的大小，树脂折射率，膜材料厚度等因素。由于微透镜阵列焦平面成像在厚度方向有一定区域，所以可以在纵深方向上形成多层显示。比如下图中，我们在原有蓝色“OK”阵列的基础上再做一层红色的微图文“g”阵列，会形成如下蓝色放大图像OK在下，红色放大图像g在上的双层双色显示。截面示意图如下：实际样品图如下：可以从上图看出：蓝色“OK”在底层，红色“g”在上层，两者互不干扰，清晰度基本不受影响。三、封装式3D动态膜形成微透镜结构的UV树脂折射率为1.5左右，所形成微透镜结构的折射率与空气折射率（1.0）差距过大，所形成的动态膜产品光学折射角度大，雾度高，从外观看起来会不清晰，模糊，所以需要有一种方法来解决雾度大的问题，因此笔者开发了封装式微透镜光学动态膜产品，可有效降低产品的雾度，提高光学透过率等技术指标。封装式微透镜光学膜片由信息图文层、光学基材、微透镜层和表面封装层组成。信息图文层与微透镜层分别附于光学基材表面，而封装层则按凹凸结构完整填充覆盖于透镜阵列表面，其中封装层材料折射率小于微透镜层材料的折射率，这个差值在0.05以上，视需要的产品厚度而定。具体膜片结构如下图所示。封装式动态膜产品示意图由于微透镜结构表面被封装，雾度降低，光学透过率增加，周围环境发出光线透过微透镜层时亮度不会受到影响，因此动态图文亮度高，更清晰。简单示意图说明如下：直显动态膜封装式动态膜当光线从微透镜射出时，如直接进入空气中，由于折射率差异较大的缘故，散射角度大，所以雾度高，透过率低；而微透镜被封装后，光线从微透镜射出首先进入的是封装层，折射率差异不明显，所以光线再进入空气后散射角度小，雾度低，透过率高。封装式动态显示原理是：微透镜层是由若干微透镜阵列组成，而每一微透镜由一个凸面透镜和一个凹面透镜构成，当凸面透镜材料折射率大于凹面透镜材料折射率时，透镜整体呈对光线聚焦状态，雾度降低，光学透过率增加，清晰度提高。封装式3D动态显示低雾度/高清晰度对比示意图从上图得到，封装式产品外观较直显产品更清晰，动态效果更强。我们请第三方权威机构（苏州计量所）做了物性指标测试，得到如下对比数据：国内外动态立体显示防伪光学膜片性能参数对比可以看出，封装式动态膜在雾度，透过率，动态位移上均有明显提升，尤其是光学透过率和滴水动态位移。四、新型显示/裸眼3D动态投影显示上文提到了用微透镜阵列和微图文阵列经焦平面成像而得到动态膜，从动态膜可以看出，微透镜阵列可以实现对静态微图像的放大，并能实现景深/上浮等3D效果，同时还能实现多层图像的叠加。那么，把微透镜和微图文同步放大几百倍到上千倍，即将静态微图像转换为一个个小投影仪/显示屏，每个小投影仪/显示屏对应一个透镜，每个小投影仪/显示屏同步播放出的动态影像文件（连续多帧静态图像，电影/MTV等）是不是就能实现动态影像的放大，将小投影仪/显示屏按照透镜对应位置规律性分布排列即可出现景深/上浮等3D效果？实现大屏幕或超大屏幕动态影像的关键点是：1、透镜结构；2、投影/显示设计，动态影像每帧图像的同步性和周期位置的精准性；3、需设计的景深视频图像和正常视频图像按不同周期分布的干扰问题（尤其是复杂图像的窜扰）：是否可以考虑将两种视频图像投影在同一透镜的不同位置，图像重叠位置尽量少，尽量不发生窜扰；4、景深视频和正常视频结合的算法问题。所谓的视频图像其实就是一桢祯静态图像的连续播放，只不过每帧之间播放时间需短于人眼反应时间（<0.04秒）。我们经常所说的3D效果其实就是景深/上浮效果的一种综合体现，只有相互参照才能出现3D立体效果。设计实验如下：将100个均匀的半透镜（直径2厘米）按照圆相切的阵列分布规律成型于基板上，通过照射平行光将每个透镜的焦点位置确定在焦点定位层/膜上，然后在焦点定位层/膜上按照透镜焦点位置贴附100个红色漏光字符“A”。“A”字符为透明红色，非“A”部分以黑色遮光。将贴有100个“A”的焦点定位层/膜先贴近透镜层/透镜封装层，照射平行光，然后慢慢移动焦点定位层/膜，使之慢慢远离透镜层/透镜封装层，直至一个清晰的放大的“A”出现。通过设计“A”字符间的距离可以得到景深/上浮等3D效果。这种即是一种简易的投影装置，如下图：如果采用直显的方式来做3D投影/显示动态显示，由于透镜直接裸露在空气中，透镜材料折射率1.5左右，空气折射率1，所以极大的折射率差异会导致透镜阵列表面雾度比较大，影响观看效果；同时，单个透镜尺寸（直径R）一般大于1厘米，根据不同的用途/场景，甚至透镜直径在几个厘米或十几个厘米，所以相对较大的透镜直径会使人眼轻易分辨出来，试想一下：如果透镜尺寸超过1厘米，那么肉眼非常容易识别。人眼对微小物体识别的极限尺寸是0.1mm(25mm距离直视)。如果屏幕上的透镜尺寸达到厘米级，观看者在观看放大图像的同时，也非常容易识别到单个透镜，影响观看效果。那么能解决以上问题的方法就是我们上面提到的透镜阵列封装技术。封装式透镜屏幕因为表面透镜被树脂封装，雾度低，光学透过率高，在空气中看起来近似透明。如果透镜表面被封装，那么无论观看距离远近，单个被封装的透镜都极难被肉眼看到/分辨。与3D动态膜在一定尺寸（比如2厘米×3厘米，标准标签尺寸）内形成多个放大图像不同的是，3D场显示在屏幕区域仅形成两或三个放大图像（景深/上浮图像，景深/正常图像，正常/上浮图像），所以即使长时间观看也不会有眼晕头昏现象。3D场显示屏幕大小的计算：如前面动态膜的计算方法，假定透镜阵列中透镜直径1cm，放大倍数为500倍，投影图像在1cm以内，假定为0.8cm，则可实现屏幕尺寸为0.8cmX500=400cm，即4米。根据不同场景要求，如电影院或户外需要超大型屏幕（>10米），则可通过调整透镜直径和放大倍率来实现，如透镜直径3cm，放大倍率500倍，图像2cm，放大的图像为2cmX500=1000cm=10米；如家庭用，透镜直径1cm，放大倍率200倍，图像0.8cm，放大的图像为0.8cmX200=160cm=1.6米。在透镜直径固定的情况下，设计图文周期使得放大倍数越大，则投影后放大的图像也越大；反之，放大倍数越小，投影后放大的图像也越小；在放大倍数固定的情况下，透镜直径越大，则投影后放大的图像也越大；反之，透镜直径越小，投影后放大的图像也越小；只是所需要的放大图像越大，则所需要的后端投影点阵越多。通过透镜阵列和投影/显示作为图文阵列，经过焦平面成像，不仅能形成超大显示屏幕，而且可以获得裸眼3D效果。轻薄化屏幕亦可通过显示图文阵列的特殊设计获得。并且，创造性的引入封装技术解决了透镜单元尺寸大影响观看效果的问题。将透镜/封装透镜膜折成弯曲3D，结合投影/显示有机会实现真正的全息成像。实现3D场显示的两种技术路线：1、每个独立小投影仪/显示对应一个透镜，实现图像/视频文件的精准定位和准确同步播放，就可能实现动态图像/视频的精准聚焦；一个或二三个大投影仪/显示，但需将投影仪/显示播放的视频动态影像分解成数百或数千个单元影像（镜像），分别精准定位于所对应的透镜单元，因此单元影像均从同一/二投影仪/显示而来，因此不存在同步问题。景深效果的视频图像和正常的视频图像均需单独拍摄。焦平面成像形成的动态膜在限定区域往往会形成多个放大影像，而动态视频则不需要在屏幕区域内形成多个放大视频影像，只需要形成一个即可。不同于静态图像动态膜防伪需求所要求的微透镜尺寸大多集中在80微米以内，动态视频要求的微透镜尺寸可以是厘米级，通过几百倍乃至几千倍的放大，可得到长宽均为几米，十几米乃至几十米的显示图像，远超目前LCD/OLED所能达到的显示尺寸。一般图像经上百倍放大后，图像精度降低，粗糙度增加，传统简单放大不同的是：焦平面放大可以将图文单元开始的精度一直保留，多只是因为透镜阵列分布不均而造成放大图像变形/拉伸的问题。可以参考上面的“OK”实样，可以看出放大的蓝色“OK”与显微镜中微图文“OK”精度一致。这对于用显示作为图像单元阵列有极大的帮助。显示作为图像单元时，由于单元图像复杂的原因，可能经常会造成在一个透镜单元内无法表现出单元图像（图像溢出）的问题。可以考虑将复杂单元图像拆分成几个乃至十几个/几十个图像，用这些被拆分出来的图像作为图像单元在屏幕的不同位置经过焦平面放大成像，然后将这些屏幕上不同位置的放大图像做画面无缝拼接处理，即可解决图像溢出问题。五、3D多层/场显示优缺点：优点：1、首先，这是一种以光学结构成像换空间距离的显示技术（以前电影放映机需要一个电影院的空间距离才能实现图像的放大，在这个技术基础上只需要几个厘米即能实现）；2、其次，这是一种可以实现多层图像显示的技术（如前文所述，不同的单元图像周期性分布产生不同层次的放大图像，形成3D立体效果），单层显示会实现超大2D显示，双层显示的裸眼观看效果能达到影院级（戴偏光眼镜）3D观影效果，极限条件下的无数多层显示将会产生真正意义上的真实立体显示效果；3、这是一项可以实现超大尺寸显示的技术（不依赖平面显示（如LCD/OLED）的生产世代线尺寸，仅通过单元图像的拼接即能实现超大尺寸显示，且所有的拼