用于双层圆柱透镜阵列光场3D显示的灵活设计方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Flexible design method for bilayer cylindrical lens array light field 3D display

本文提出一种针对LCD亚像素结构的双层正交圆柱透镜阵列（ROCLA）设计方法，通过参数优化整合人眼视觉分辨率限制，结合二维光场编码算法实现高空间分辨率与多视场数量，数值模拟和实验验证表明该方法能有效优化资源分配，适用于多种沉浸式显示系统。

　　本文提出了一种适用于LCD子像素结构的双层柱面透镜阵列的灵活设计方法。该方法旨在提升光场三维显示系统在水平和垂直方向上的空间分辨率和视角数量控制能力。通过将柱面透镜的参数与LCD子像素的结构和尺寸相匹配，同时考虑到人眼分辨率限制对视角数量的影响，该设计能够更有效地分配空间分辨率和视角数量。此外，本文还引入了一种二维光场编码算法，以实现对双层柱面透镜阵列的精确子像素编码。数值模拟和光学实验结果表明，该方法能够优化空间分辨率与视角数量的资源分配效率，并在多个沉浸式显示领域展现出实际应用价值，包括自主立体电视系统、增强现实头戴设备以及体积化远程呈现平台。

三维显示技术能够客观、全面地模拟和再现真实场景，为观察者提供物理深度线索，如调节、辐辏、运动视差和双眼视差。光场三维显示技术具有复制人眼在真实场景中所感知的完整信息的能力，包括颜色、光强、方向和深度信息。由于其能够通过提供深度信息实现更丰富的信息传输，这种技术被认为是极具前景的三维显示技术，超越了传统二维显示技术的局限性。然而，光场三维显示系统仍然面临诸多挑战，尤其是在复杂的光学设计和观看体验方面，现有的技术难以满足人类视觉的生理需求。

超级多视角（SMV）三维显示技术利用柱面透镜阵列来调控光场，将来自不同视角的视差图像投射给观察者。虽然这种方法在单一轴向上实现了高空间分辨率的三维重建，但其视差感知仅限于单向观察，限制了其在大规模自主立体三维显示系统中的应用。积分成像（InI）则采用透镜阵列来调控光场，使三维视差感知能够在水平和垂直方向上同时实现。然而，这种方法存在每视角分辨率较低的问题，导致三维重建图像模糊，并且透镜元件引入了显著的光学畸变。

为了提高三维显示的空间分辨率或视角数量，已有多种方法被提出。提高空间分辨率的方法之一是通过光调制器增加重建平面的像素密度。另一种方法则是改进背光结构，以实现对光的精确控制。此外，还有提出子像素重新对齐算法，以充分利用空间带宽积。然而，这些方法在提升性能的同时，也增加了系统的复杂性，甚至可能导致视角数量的下降。

提高视角数量的方法通常包括透镜时间复用拼接技术，常与视角压缩技术和数字可切换快门阵列结合使用。然而，光场三维显示系统在空间分辨率和视角数量之间存在权衡关系，这种关系源于空间带宽积的限制。增加视角数量会导致明显的颗粒感，从而影响观看质量。这种权衡关系被视为光场三维显示技术发展和商业应用中的关键瓶颈。

为了实现高空间分辨率和二维视差效果，已经开发出一种正交柱面透镜阵列（SOCLA）结构。在该配置中，交叉柱面透镜阵列被计算建模为等效的透镜阵列，用于生成元素图像。实验结果表明，交叉柱面透镜阵列在抑制串扰方面具有增强的能力。然而，由于该方法未实现对LCD子像素级别的调制，空间分辨率仍然受到限制。此外，SOCLA结构也被用于提升积分成像三维显示系统的视场角（FOV）。通过使用能够独立调制LCD子像素在水平和垂直方向上的SOCLA，该方法实现了44°的宽视场角三维显示，同时保持重建图像的畸变在可接受范围内。尽管这种方法展现出显著优势，但仍需进一步考虑两个方面。首先，LCD子像素在水平和垂直方向上的各向异性比例尚未得到解决，可能导致方向性的重建伪影。其次，人眼视觉分辨率阈值与角采样密度之间的相关性仍需更系统地整合到优化框架中。

本文提出了一种适用于LCD子像素结构的双层矩形正交柱面透镜阵列（ROCLA）的自适应设计方法。如表1所示，与上述三种光场三维显示方法相比，该方法能够实现二维运动视差、高空间分辨率和高视角数量。我们的方法能够在三维光场显示中动态调控空间分辨率和角采样密度，以适应正交轴向的需求。透镜的几何参数被优化以匹配LCD子像素的配置，同时结合人眼视觉的生理限制对视角数量的影响。此外，我们还开发了一种二维光场编码算法，实现对双层柱面透镜阵列的精确子像素对齐。数值模拟和光学实验验证了该方法在空间分辨率与视角数量之间实现了最优的资源分配效率。当该系统与无线电子传输技术相结合时，可以实现高质量、远距离的三维通信。

在第二部分，我们将介绍所提出的ROCLA方法的基本原理。第三部分将进行数值模拟和光学实验，以验证该方法的可行性。第四部分将总结所提出方法的创新之处和实验结果。通过这些内容的阐述，我们希望展示出一种在三维显示领域具有广泛应用前景的新技术。该技术不仅能够提升显示效果，还能够在实际应用中克服传统方法的不足，为未来的三维显示系统提供更优的解决方案。

三维显示技术在近年来取得了显著进展，但仍然面临诸多挑战。尤其是在空间分辨率和视角数量之间的权衡问题，一直是制约其发展的重要因素。传统的SMV和InI方法在实现三维视差方面各有优劣，但都存在一定的局限性。SMV方法虽然能够提供较高的空间分辨率，但其视角数量受到限制，无法满足大规模观看需求。而InI方法虽然能够实现多视角的三维视差，但每视角的分辨率较低，导致重建图像模糊。此外，这两种方法在实现过程中也引入了较多的光学畸变，影响了显示质量。

为了解决上述问题，本文提出了一种双层矩形正交柱面透镜阵列（ROCLA）的自适应设计方法。该方法通过将柱面透镜的参数与LCD子像素的结构和尺寸相匹配，实现了对空间分辨率和视角数量的灵活控制。同时，考虑到人眼视觉的生理限制，对视角数量的分配进行了优化。通过这种方式，该方法能够在保持高空间分辨率的同时，提供更多的视角数量，从而提升整体的显示效果。此外，本文还引入了一种二维光场编码算法，以实现对双层柱面透镜阵列的精确子像素对齐，从而进一步优化显示质量。

实验结果表明，该方法在空间分辨率和视角数量之间实现了最优的资源分配效率。通过使用分辨率板图像进行评估，该方法能够实现0.056 × 0.056的空间分辨率。同时，该方法能够有效抑制串扰，提升图像的清晰度。在实际应用中，该方法能够与无线电子传输技术相结合，实现高质量、远距离的三维通信，为未来的沉浸式显示系统提供新的可能性。

本文的研究不仅为三维显示技术的发展提供了新的思路，也为实际应用中的技术难题提供了有效的解决方案。通过双层柱面透镜阵列的自适应设计，我们能够在保持高空间分辨率的同时，提供更多的视角数量，从而提升整体的显示效果。此外，二维光场编码算法的引入，使得子像素对齐更加精确，进一步优化了显示质量。这些创新点为三维显示技术的应用拓展提供了坚实的基础，同时也为相关领域的研究者提供了新的参考方向。

在技术实现过程中，我们采用了数值模拟和光学实验相结合的方法，以验证所提出方法的可行性。通过这些实验，我们能够评估该方法在不同条件下的性能表现，并进一步优化其参数设置。实验结果表明，该方法在提升空间分辨率和视角数量的同时，能够有效抑制串扰，提升图像的清晰度和逼真度。这些结果不仅验证了该方法的有效性，也为未来的三维显示系统提供了重要的技术支持。

此外，本文的研究还考虑了人眼视觉的生理限制，对视角数量的分配进行了优化。通过这种方式，我们能够在保证显示质量的前提下，尽可能多地提供视角数量，从而满足不同应用场景下的需求。同时，该方法还能够有效提升空间分辨率，使得三维重建图像更加清晰，具有更强的视觉效果。这些优势使得该方法在实际应用中具有更高的可行性。

在未来的三维显示技术发展中，空间分辨率和视角数量的平衡将是关键。本文提出的ROCLA方法为这一问题提供了新的解决方案，使得在保持高空间分辨率的同时，能够实现更高的视角数量。通过这种方式，我们能够在三维显示系统中实现更丰富的信息传输，从而提升整体的显示效果。此外，该方法还能够有效抑制串扰，提高图像的清晰度和逼真度，为未来的沉浸式显示系统提供更优的技术支持。

本文的研究不仅具有理论价值，也具有实际应用意义。通过双层柱面透镜阵列的自适应设计，我们能够在保持高空间分辨率的同时，实现更高的视角数量，从而提升整体的显示效果。同时，该方法还能够有效抑制串扰，提高图像的清晰度和逼真度，为未来的沉浸式显示系统提供更优的技术支持。这些创新点为三维显示技术的发展提供了新的方向，也为相关领域的研究者提供了重要的参考价值。

总之，本文提出的双层柱面透镜阵列的自适应设计方法，不仅解决了传统方法在空间分辨率和视角数量之间的权衡问题，还通过二维光场编码算法的引入，实现了对子像素的精确对齐。这些创新点为三维显示技术的发展提供了新的思路，也为实际应用中的技术难题提供了有效的解决方案。通过数值模拟和光学实验的验证，我们确认了该方法的有效性，并展示了其在多个沉浸式显示领域中的应用潜力。这些研究成果为未来的三维显示系统提供了重要的技术支持，同时也为相关领域的研究者提供了新的参考方向。