《Optics & Laser Technology》：Wavefront-guided integral imaging for near-eye 3D display with expanded depth of field
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摘要基于积分成像技术的传统近眼三维显示在深度范围方面存在根本性限制，这是由于光场采样为离散形式，且缺乏连续的轴向波前控制。目前用于扩展深度范围的策略往往需要牺牲深度连续性、系统简化程度或实时处理能力，因此在扩展深度范围与实现平滑深度感知之间难以找到理想平衡。在此，我们提出一种波前
摘要
基于积分成像技术的传统近眼三维显示在深度范围方面存在根本性限制，这是由于光场采样为离散形式，且缺乏连续的轴向波前控制。目前用于扩展深度范围的策略往往需要牺牲深度连续性、系统简化程度或实时处理能力，因此在扩展深度范围与实现平滑深度感知之间难以找到理想平衡。在此，我们提出一种波前引导积分成像框架，将全息波前调制融入积分成像技术，以此克服其固有的深度范围限制。该方案将图像源从二维强度分布提升为具有连续轴向波前信息的三维元素图像阵列，通过波前相位调制和光场像素映射实现高效密集的深度编码，突破了传统积分成像的采样模式，从而同时改善深度范围与深度连续性之间的矛盾。统一的波前引导积分成像架构结合了全息调制与光场调制的优势，在保持积分成像的多视图能力和运动视差特性的同时，实现了更广阔且近乎连续的深度范围。光学实验表明，该技术在531毫米的轴向范围内可实现深度分辨重建；数值模拟则显示，其具备65×119个高密度视点视差，且深度连续性与深度范围均显著优于传统积分成像技术。总体而言，所提出的波前引导积分成像框架为兼顾扩展深度表现与基于光场的近眼显示技术提供了切实可行且符合物理原理的解决方案，有望推动下一代高质量三维显示技术的发展。
引言
为应对这些挑战并实现更真实的近眼三维重建[1]，人们对多种显示技术进行了深入研究，包括多焦点显示[2][3][4]、全息显示[5][6][7][8]以及积分成像技术[9][10][11][12]。多焦点显示通过多个焦平面来减少视差，但只能提供离散的深度信息，且系统复杂度较高。全息显示虽能实现连续波前重建，但通常仅支持单一视点，且运动视差有限。作为折中方案，积分成像技术能够同时提供运动视差与深度信息，加之其结构简单且具备多视图能力，因此备受近眼三维显示领域的关注。然而，在传统积分成像系统中，经过微透镜阵列编码后的波前仅在透镜阵列的焦平面上形成单个中心深度平面，该平面上的重建图像最为清晰，而偏离此平面的物体图像则会逐渐模糊，这严重限制了可用空间带宽，不利于实现大深度范围的三维可视化。这一局限凸显了深度范围的大小及其连续性对于实现舒适且逼真的近眼三维体验的重要性。目前，相关研究主要致力于扩展深度范围或提升深度连续性，现有策略大致可分为两类：一类是通过引入多个中心深度平面来扩大有效深度范围，另一类则是提高单个中心深度平面的深度容忍度以改善深度连续性。
在积分成像系统中扩展深度范围的方法通常依赖于生成多个中心深度平面。这可以通过动态调整成像焦平面来实现，例如使用变焦镜头[13][14][15][16][17][18][19]，或是通过电控方式驱动液晶显示器或微透镜阵列发生轴向移动[20]。此外，还可以通过空间复用技术同时引入多个中心深度平面，比如堆叠微透镜阵列或采用非均匀设计的微透镜阵列[21][22]。多焦点衍射光学元件也为生成多个中心深度平面提供了另一种实现途径[23][24][25][26]。尽管这些方法能有效扩展整体深度范围，但往往会导致系统复杂度增加、时间复用时存在刷新率限制或闪烁问题，而空间复用则可能降低空间分辨率或空间带宽。那些旨在提升积分成像系统深度连续性的方法，则通常通过优化光学结构或参数来提高单个中心深度平面的深度容忍度。一种常见的方法是在系统中加入散射膜，该膜可以拓宽光场的空间频率分布，降低对精确对焦条件的依赖，从而提升深度容忍度[27]。类似地，调整微透镜阵列的排列方式或优化透镜参数，如光圈大小、焦距和数值孔径等，也能进一步提升深度容忍度，不过往往要以牺牲空间分辨率为代价。此外，通过优化背光设计来调整照明的角度分布或空间相干性，同样被用作提升深度容忍度的手段[30][31]。虽然这些方法能够改善深度连续性，但往往会导致有效深度范围缩小或空间分辨率下降。
为更清晰地对比各类策略，表1总结了基于积分成像的近眼三维显示技术中常见的深度范围扩展方法，从深度范围、深度连续性、系统复杂度、实时处理能力以及主要局限性等方面进行了对比。补充材料S5中的表S1则提供了与典型积分成像方法的更具体的定量对比数据。如表1所示，现有方法要么通过引入多个中心深度平面，要么通过提升单个中心深度平面的深度容忍度，但它们仍然需要在深度连续性、系统复杂度、光学效率以及空间分辨率之间进行权衡。相比之下，所提出的波前引导积分成像方法在微透镜阵列采样之前，就将轴向信息嵌入到全息生成的三维元素图像阵列中，从而在保持积分成像多视图能力的同时，实现了更广阔且近乎连续的深度范围。
尽管已有诸多进展，但目前大多数用于扩展积分成像深度范围的技术仍依赖二维强度型图像源，深度信息是在光场采样之后才被引入的。这一固有限制使得连续的轴向波前编码成为可能，但也从根本上约束了深度信息的表达能力。因此，便出现了这样的矛盾：引入多个中心深度平面虽然能够实现较大的整体深度范围，但由于其离散特性，会导致深度连续性较差；而提升单个中心深度平面的深度容忍度虽然能改善深度连续性，却会缩小整体深度范围。
为克服深度范围与深度连续性之间的固有矛盾，我们提出了波前引导积分成像框架，该框架将积分成像的图像源从二维强度分布升级为具有深度分辨能力的三维波前表示形式。通过实现连续的轴向波前编码，该方案打破了深度范围与深度连续性之间的矛盾。与传统方法将深度分解为多个中心深度平面或仅提升单个平面深度容忍度的做法不同，波前引导积分成像通过波前相位调制，生成兼具更大深度范围与更好连续性的三维元素图像阵列。通过在统一的光学架构中整合全息调制与光场调制技术，该框架既保留了积分成像的运动视差和多视图能力，又实现了高效的深度编码。因此，所提出的框架能够实现更广阔且近乎连续的深度范围，为开发高质量、大深度范围的积分成像显示技术以及推进下一代近眼三维可视化技术提供了切实可行且符合物理原理的路径。
章节要点
方法
所提出的波前引导积分成像框架包含两个依次进行的阶段：全息波前调制与光场调制，如图1(a)所示。在全息波前调制阶段，采用仅具有相位功能的空间光调制器生成沿传播方向具有连续复数振幅分布的三维元素图像阵列。随后通过衍射受限点光源方法计算出计算机生成的全息图，并将其加载到该空间光调制器上。
结果
图3(a)展示了用于验证所提波前引导积分成像方法的实验光学装置。实验中使用了中心波长为532纳米的单色激光光源，该激光经扩束和准直处理后，照射到一款具有0到2π相位调制范围的反射式仅相位功能空间光调制器上，该调制器的分辨率为1920×1080，像素间距为8微米。空间光调制器的相位响应是通过加载到设备配置中的HOLOEYE相位调制曲线来校准的，而计算得到的相位全息图则通过HOLOEYE设备进行显示。
讨论
由于实验中使用的激光光源为单色光，因此实验重建结果仅限于单波长条件下。全息成像过程依赖于相干衍射，若相干性不足，就会导致重建出的三维元素图像阵列出现模糊现象；而波长偏差则会影响衍射角度和相位传播关系，进而使重建图像发生横向或轴向偏移。若要实现彩色显示，就需要分别生成红色、绿色和蓝色的全息图。
结论
在本研究中，我们通过将全息波前调制技术融入积分成像架构，提出了一种用于近眼三维显示的波前引导积分成像框架，以此扩展重建系统的深度范围。该方法利用仅具有相位功能的空间光调制器生成连续的三维元素图像阵列，从而在光场采样之前即可实现对深度信息的密集轴向编码，进而实现具有更大深度范围的高质量积分成像三维显示。这种波前引导策略在保持原有特性的同时，实现了近乎连续的深度表示。
作者贡献说明
马浩文：论文撰写——初稿撰写、软件应用、方法设计、正式分析、概念构思。赵欢：论文撰写——审阅与编辑、研究指导。李静楠：论文撰写——审阅与编辑、数据整理。姚俊辉：论文撰写——审阅与编辑、正式分析。赵颖：论文撰写——审阅与编辑、方法设计。彭布青：论文撰写——审阅与编辑、软件应用。王永天：研究指导。刘娟：研究指导、项目管理、资金筹集。
资助情况
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）的资助，项目编号分别为U22A2079和62575016；同时 juga获得了北京市自然科学基金的支持，项目编号为F251051。
利益冲突声明
所有作者声明，本人不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
致谢
作者们特此感谢北京工业大学的周天丰教授，感谢他提供了用于光学实验的微透镜阵列。
马浩文|赵欢|李静楠|姚俊辉|赵颖|彭布青|王永天|刘娟
