百余年来，人类一向寻求 3D 显现愿望。3D 显现将极大拓宽人类获取信息和处理信息的才能，从头界说人与自然的衔接办法，支撑国防、健康、文明、教育等领域开展。3D 显现的实质是光场的重构。简略的周期性透镜结构或光阑结构难以完成准确的多视角光场调控。跟着微纳光子学的快速开展，杂乱微纳结构具有共同的光场调控特性，为 3D 显现供给了颠覆性的新机遇。

　　近来，苏州大学光电科学与工程学院陈林森研讨员、乔文教授团队以“依据微纳光子器材的光场裸眼 3D 显现技能”为题在《液晶与显现》（ESCI、Scopus录入、中文中心期刊）2022 年第 5 期宣布文章。

　　文章具体分析了依据几许光学的裸眼3D 显现局限性，从器材规划和微纳制备两方面具体介绍了依据平面光学的裸眼 3D 显现最新研讨进展。最终总结了裸眼 3D 显现的未来开展方向和潜在应用领域。

　　裸眼 3D 显现技能不需要任何辅佐设备就可调查到物体深度信息。现在裸眼 3D 显现技能有许多种，可分为依据几许光学和依据微纳光学的 3D 显现。依据几许光学的 3D 显现首要有视差屏障、柱透镜阵列、微透镜阵列、时空复用等等。依据微纳光学的 3D 显现是经过微纳结构调制单个像素的出光方向和发散角，使用带有方向的光束重构空间三维物体。

　　“光场”这一概念于 1936 年被初次提出，界说为在均匀介质中光的辐射能散布，关于空间中包含色彩信息的光场，咱们用七维度的全光函数（x，y，z，θ，φ，λ，t）标明，（x，y，z）标明空间方位，（θ，φ）标明空间角度，λ，t别离标明波长和时间。全光函数表达了在恣意时间从空间恣意点掩盖恣意波长规划的可见光锥，描绘了一切或许场景的环境映射联系。

　　传统显现屏不带着角度信息。只能出现光场中（x，y）两个维度随时间 t 改动的平面图画信息，经过平面图取得仿射（近大远小）、遮挡、暗影、纹路等深度信息，而 3D 显现能重建七维的光场，能够供给单眼调焦、辐辏调理、双目视差和移动视差等生理感知的深度信息。

　　将全光函数进行简化，不考虑光的色彩（即波长），在某一个特定的时间，光波能够用一个四维的光场模型L（u，v，s，t）来标明。四维光场函数的参数组合并不是仅有的,不同参数组合其对应的光场模型也各不相同。在研讨逐像素调控的裸眼 3D 显现时，将全光函数简化为另一种四维光场函数（x，y，θ，φ）。经过核算单个像素的方位（x，y）和出射光线的空间角度信息（θ，φ），能够重建光场。

　　光栅作为一种重要的衍射光学元件，已广泛用于光波调制、信息存储编码、脉冲紧缩等领域。David Fattal 等人提出用纳米光栅波导阵列来调制出射光完成超薄 3D 显现。苏州大学陈林森研讨员团队提出了逐像素调控的纳米光栅规划办法，并完成了具有集聚光场的裸眼 3D 显现。

　　如下图，相位板（Amplitude plate）上是规划好的像素化的纳米光栅阵列（每一个像素上的摆放办法都不同），能够对振幅板上宣布的光进行重定向并将光场集聚于规划好的角度处，在不同角度上能够看到不同角度的 3D 图画。

　　图1：陈林森团队提出的逐像素调控的纳米光栅规划办法示意图（图源：iScience，2020，23（1）:100773.Fig.2）

　　图2：陈林森团队提出的逐像素调控的纳米光栅规划办法效果图（图源：iScience，2020，23（1）:100773. Fig.3）

　　衍射透镜是依据光波的衍射理论规划的，外表具有阶梯状微纳结构的光学元件。研讨标明，具有近似接连相位推迟的多级衍射透镜可明显进步光使用率，并为裸眼 3D 显现的多视角调制器材供给了更高的自在度。苏州大学周冯斌等人提出了依据交织式衍射透镜的多视角相位板规划办法，研讨了其在红绿蓝三色光下的光学功能。依据该器材，完成了串扰低（26%），调查间隔长(24-90cm)，光使用率高（82%）的裸眼 3D 显现屏。

　　超构资料是一种特别的超资料，使用单层金属或介电纳米结构发生可控的相位改动，完成亚波长标准的波前调控。与传统的几许光学元件和衍射光学元件比较，超外表具有宽波段、恣意波前规划和亚波长尺度像素等特色。

　　为了处理空间分辨率、角分辨率和视场角之间的对立联系，苏州大学华鉴瑜等人提出了一种依据二维超构光栅的信息密度突变裸眼 3D 显现技能。由二维超构光栅构成的点、线、面混合视角散布，完成了中心区域角分辨率高，边际区域角分辨率低的视角排布。在确保中心区域分辨率的一起，极大的扩展了调查角度。把依据二维超构光栅的视角调制器材和液晶面板结合，完成了视场角高达 160° 的动态五颜六色 3D 显现体系。

　　相位调控微纳结构与器材兼具幅面大（组合幅面达米级）、结构小（50nm-50μm）、精度高（周期摆放精度1nm）等特色，归于极点微纳制作领域。怎么高效高精度微纳制作是微纳光电子器材与工业的共性技能难题。

　　，它由两个傅里叶变换透镜和一个二元光学元件组成。如下图所示，激光经过扩展体系准直后入射到傅里叶变换透镜。经衍射光栅后发生正负一级（或多级）光，两光点发射的球面波在第二个傅里叶透镜的后焦面构成干与光场，用光阑来约束光束巨细，再经聚集物镜倍缩后，在样品外表构成干与条纹。经过双光束（或多光束）干与光刻办法，一次曝光，构成像素尺度为几十微米的纳米光栅像素，写入速度大大进步。一起，改动衍射光栅的前后方位能够输出变周期的干与条纹，旋转衍射光栅能够输出不同取向的干与条纹。该办法可完成对输出结构的实时接连调制，纳米光栅的改动精度可达纳米级。

　　。该体系首要包含激光器、空间光调制器（DMD）和微缩投影物镜。空间光调制器加载规划好的结构图形，结构图画的改写速度与样品载物台的移动同步。聚集物镜将空间光调制器上的结构图画缩小，投影至光刻胶上。若想要制备多台阶结构，可在样品同一区域进行屡次曝光，依据台阶的级数每次曝光的图画也不同。该办法可完成无掩膜灰度光刻，接连加工面型结构，制备多台阶的微纳结构。

　　微纳光子器材为逐像素控制光束供给了或许性。与依据微透镜阵列的 3D 显现架构中区域化光场重构战略比较，逐像素光场重构具有以下优势：

　　1.能够将角度自在摆放成水平的直线、带有弧度的曲线或全视差平面矩阵等恣意款式。为人们依据实际使用需求规划角度散布供给了或许；

　　2.当区域像素成像或显现时，许多像素被白白浪费。尤其在大视场角下，分辨率下降严峻。在像素化光场重构办法中，每个像素都被使用到，确保了较高的分辨率；

　　5.角度可规划为点、线、面等形状，用于信息密度改动的裸眼 3D 显现，处理分辨率和视场角之间的对立；

　　6.选用严密角度摆放办法可在少数角度情况下完成超多角度，并消除因为辐辏调理对立引起的视疲惫；

　　7.多台阶结构，如闪烁光栅，多级衍射透镜和超外表等器材规划办法的引进，能够有用进步光使用率，削减色差，进步分辨率，和扩展景深；

　　在疫情的影响下，人类社会愈加虚拟化。线上购物、长途会议为代表的虚拟日子明显增多。人们正大规划向虚拟国际搬迁，虚拟与现实日子愈加有机交融。3D现实是虚拟国际的硬件接口。3D 显现研讨正不断打破着一个又一个极限，信任在不远的未来，3D 显现会渗透到医学影像、工业制作、日子文娱等方方面面，走进千家万户，带给人们革新式交互体会。

　　乔文，苏州大学光电科学与工程学院教授、博士生导师。2013 年取得美国加州大学圣迭戈分校博士学位。首要从事微纳光学与新式显现的理论和根底应用研讨，包含 3D 显现、昂首显现、近眼显现、微纳制作等。研制了全息抽样 3D 显现体系、信息密度突变宽视角 3D 显现体系、全息昂首显现器、真假交融线D 显现器等，展现了光子器材打破裸眼 3D 显现现有瓶颈的巨大潜力。在《Advanced Materials》、《Light: Science & Applications》、《Optica》等期刊宣布论文 40 余篇，请求/授权我国发明专利 100 余项。作为项目负责人先后掌管了包含国家自然科学基金面上项目、“十四五”要点研制方案课题等多个项目。E-mail：/p>