引言
免眼镜3D显示被认为是未来关键显示技术之一 [1], [2]。密视点光场显示采用复合光学架构来精确调制光线的传播方向，旨在忠实地重建场景的空间光场 [3], [4], [5]。然而，受限于显示面板的有限像素数，重建光场的空时带宽积无法与真实场景相匹配 [6], [7]，导致空间分辨率与角度分辨率之间存在折中关系。
为缓解这种严格折中并提升信息效率，多层显示采用多层堆叠的液晶面板或液晶光学元件薄膜，在空间中的每个深度平面上直接呈现真实内容 [8], [9], [10], [11]。该方案面临的挑战包括：难以处理空间遮挡关系、相邻层之间存在视觉不连续、单层内缺乏立体深度，以及由于透射损耗导致的亮度降低。相比之下，压缩光场显示采用稀疏排列的乘法液晶，能够有效重建目标光场并忠实地再现不同视角间的场景遮挡和视差 [12], [13], [14], [15]。然而，此类系统中的层间距通常仅为几厘米，严重限制了感知景深。为缓解这些局限性，先前的工作采用了多帧渲染、加权分解 [16], [17], [18] 和级联架构 [19] 来扩展景深并提升显示质量。此外，头戴式显示器利用单一透镜放大CLF [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]。在这些配置中，角度分辨率仅由CLF提供，将观看区域限制在单眼的狭窄视场内。
另一方面，积分成像显示利用透镜阵列的成像特性将子图像集成到中央深度平面上的体素 [27], [28], [29]。然而，积分成像的一个根本瓶颈是其固有的浅景深 [30], [31], [32], [33]，如图1(a)所示。准确的3D重建仅发生在CDP附近；当目标深度偏离超出该有限景深范围时，会出现面片编织效应，表现为严重的剪切伪影，显著降低显示性能 [31], [34], [35]。
以往针对此问题的尝试均面临严格的折中。专注于伪影抑制算法的方法可提升感知质量，但无法扩展物理光学景深 [36], [37]。一些通过减小透镜孔径来提升深度容忍度的方法，不可避免地牺牲了空间分辨率和整体保真度 [38], [39]。其他方法试图调整透镜焦距以匹配期望的显示深度 [40], [41]，但制造紧密排列的可调透镜阵列以支持多样场景下的焦距调整仍然是巨大的工程挑战 [42]。尽管多平面积分成像显示引入了多个CDP来扩展范围（图1b），但这些平面通常独立工作。这种离散堆叠策略难以无缝连接不同景深，往往会引入离散化伪影，因为准确重建仅限于CDP处 [34], [43], [44], [45]。
为抑制传统积分成像显示中有限的景深和视觉伪影，我们提出了一种高质量3D积分压缩光场显示。该系统采用多个显示平面构建深度连续的3D体，并通过透镜阵列进行光学放大。该设计能够在任意深度实现准确的3D重建，减轻显示平面与目标深度之间的不匹配，显著扩展景深，如图1(c)所示。为进一步提升空间分辨率，我们引入了多帧平移分解方案，通过亚像素偏移帧合成更密集的光场光线。为优化复杂的光学调制，我们为该系统开发了一种端到端可微双向光线追踪算法。
为验证所提出的框架，我们构建了一个原型系统，采用2K高速投影仪、振镜和多层聚合物分散液晶薄膜。仿真和实验均证实了其有效性。该原型实现了约的大视场角和50–500 mm的深度范围，而传统积分成像显示在此范围内通常表现出严重的剪切伪影，我们的方法抑制了这些局限性并实现了全深度高保真3D可视化，保持平均PSNR超过30 dB。本文的主要贡献总结如下。
（1）积分压缩光场显示。
我们提出了一种ICLF显示方案，抑制了传统积分成像显示的固有景深局限性。不同于依赖离散CDP的传统方法，我们的方法将浅CLF放大为空间扩展的深度连续体。该机制有效抑制了面片编织效应，从而在全深度范围内保持高视觉保真度的同时显著扩展了景深。
（2）多帧平移分解方案。
通过亚像素平移偏移合成更密集的光场光线，MFTD提升了空间分辨率，增大了有效视点数量，并改善了CLF重建的保真度。此外，引入可学习的分解权重实现了自适应非均匀多帧分解。
（3）端到端双向光线追踪优化。
我们采用了一种双向光线追踪框架，模拟完整的ICLF显示流程，从平面光源到观察者视点。正向光线传播建模MFTD的合成过程，反向光线追踪则从观察者通过透镜阵列进行。通过将这些过程整合为端到端可微优化，我们的方法有效减轻了传统分步方法中固有的误差累积，从而提升了整体3D显示性能。
