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上海交大李燕:基于液晶的中国真实三维显示

编辑:zhangyf 2016-09-22 18:22:56 浏览:629  来源:未知

上海交通大学助理研究员李燕

  在2016中国平板显示学术会议上,上海交通大学助理研究员李燕详细介绍了上海交通大学在真三维显示方面的工作。

  以下为现场演讲文字实录:

  首先我简单介绍一下三维显示,然后我将会介绍两种真三维显示目前在我们实验室研发的,最后是总结。

  三维显示我们知道无处不在,不论是三维的剧场,还是现在非常热门的虚拟现场,我们都有了一个三维的体验,应该说非常好。但是你能够发现,如果你长时间的观看三维的话,你就会有一点不舒服的感觉。为什么会产生这种感觉呢?不舒服是我的眼睛有问题吗?其实都是很正常的,这是由于三维本身一个缺陷引起的,这是的矛盾。

  什么叫做Accommodation convergence,我们人眼在看东西的时候因为要聚焦到物体上要进行旋转,物体很近的话我们的眼球所成的夹角就会比较大,因此我们可以根据眼球所成夹角的大小来判断这个问题离我们有多远。什么叫Accommodation,这个就是我们眼球的曲光度,我们看远物体的时候眼球就不需要很弯曲,像可以呈像在视网膜上,这是一个眼球调节的工作。而且这个Accommodation还有一个很有趣的现象,如果你看的比较近的物体,那么远的物体就会比较模糊。我们看一下真实的世界,我们的Accommodation眼球确实是聚焦到了三维物体,而且我们每一个眼球的曲光度都是进行了一个正确的调焦。那么现在在很常见的情况下,我们一般是左、右眼各个产生一个图象,然后眼睛之间产生一个位移,通过位移的距离来判断有多远,这个时候眼球的汇聚仍然是汇聚到物体上面。因为要看清楚内容,所以我们每个眼球的聚焦是在平板显示上的,所以Accommodation告诉我们的距离是在Displays。

  如何才能制造出一种让人非常舒适的环境呢?我们叫它一个光长,光长是什么呢?光长是无数根光线的结合,这些光线是有不同的方向、不同的起点、不同的亮度、不同的颜色,随着时间会有一个变化,如果我们把所有的元素包括在里面真实的呈现,这样就不会有头晕的效果了。

  如何来做这个事情呢?做起来主要由三种方法:

  1、超多视点,就是两个视点的多视点显示。

  2、Volumetric displays

  3、Holographic displays

  所以你并不是说你一定要有几百个视角,如果你有三个、四个能够进去也是可以的。右边这个图,如果有多个时点,那你的眼睛就要相应的调焦,这样才能在你的视网上呈一个清晰像。这个要求肯定也是比较高的,需要在非常小的范围内形成。这种方法,我们大概可以理解为是这样,在真实的物体中,每一个点都发出连续的光,那么用这个超多视点的方法来进行连接的方法。

  第二种方法,叫做体三维。这个图非常好的诠释了体三维的意义,在每一个空间它可以发出无数的光线,直接就可以反过来追溯到发光点的位置,它直接就是一个真三维的显示。问题是像这种显示,往往它点本身是弥散的,可能它的分辨率也比较低,我们要做的工作是如何把它做的分辨率更高,更连续,做得更大,同时又能满足分辨率。其实我们在平板显示方面大家做的非常好了,所以有一个非常常见的体三维的方式,就是叫多面的体三维,它把这个体切成了很多个二维的截面,假如你能一一把这个截面都展现出来,如果这个速度足够快,我们脑子里面就会呈现出一个完整的三维形象。

  最后一种,其实大家也是非常的熟悉了,全息这个概念也是产生了很久了,因为它能够同时产生强度和像位,所以我们叫它全息,所以它被认为是一种最终的3D显示技术,但是现在还存在很多的问题。

  后面真三维跟大家分享一下:

  首先是基于聚合物的体三维用于虚拟现实和增强现实,目前还有三星的VR,还有国内的暴风魔镜,最近都是非常的火。增强显示不仅仅能看到真实的物体,还能够看到虚拟物体。

  我们知道AR和VR,像娱乐、文化、教育、还有军事眼帘、教育等方面,我们来看一下,这个是一个视频,我们简单看一下。

  大概就是展示一个,在未来世界中,你可以在家里观看足球比赛,那些足球运动员的三维图象都呈现在你的面前。这个全息眼镜也是有它的道理的,这是一个非常好的体验,如果你看过一定会拍手称赞。但是它仍然有缺陷,你看一会儿可能是好的,但是如果长期看还是会产生头晕目眩的感觉。因此,为了克服这个困难,就采用了一种变体面的体三维的方式来应用于增强现实,我们可以看到这个结构图,左边是一个微显示器,它在不同的电压下是可以调节的。它通过放大,再通过增光镜,最终会在人的正前方呈现一个放大的图像,他可以显示像整个会场一样大,像一座山一样大,这个是非常强大的。

  我们可以看到,它这个透镜比较慢的原因,所以它一次只能显示一个面,这个彩色的求是它产生的一个虚拟的面,这个彩色的球是和前面最大的物体在一起的,后面两个是在比较远的位置。如果这个相机是聚焦在前面的话,这个虚拟的物体是比较清晰的,如果这个相机是聚焦在远处的话,这个虚拟的物体和前面的物体都会变得比较模糊,这是非常有趣的,它就像真实的物体一样你想要聚焦在哪里就聚焦在哪里,它就是真真实实的传像。唯一的缺陷,就是它的响应速度比较慢。

  接下来就换了一个透镜,这个几K赫兹都可以操作,它展现了同时有六个画面的效果。但是我们可以看到这个结构仍然是非常的复杂,虽然它的效果是非常的好,但是他用的透镜的原理,以至于它前面需要很多的透镜来对这个光度进行整形,得到一个正确的视厂角,我们可以用一个简单的方法把这个透镜都去掉。

  这是我们现在采用的一个方案,左边是一个投影仪,它投出的是一个平行的二维的投像,它投出的这些就是我们聚合物稳定液晶膜,每一个液晶膜在不加电压的时候是处于一种散射的状态,在加电压的时候就会变成透明状态。我们知道一束光打到膜上就会形成发散的光,这样我们就可以反推出来发光点的位置,这确实就是一个真三维显示。

  这个注意一下,在每一个时刻只有一个液晶膜是属于散射的状态,其他的都属于透明的状态。当然,我们这边也用到了一个凸镜对它进行放大,所以我们这个范围是可以非常广的。

  这是我们最终拍摄的一个视频,这只展现了两个面,SJ是在前面的面,TU和小的物体是在同一个距离,是在比较远的位置。当相机聚焦在前面位置的时候,我们可以看到后面的物体无论是真实的还是虚拟的都变模糊了,当我们的相机聚焦在比较后面的面的时候,我们可以看到TU和远的物体是清晰的,但是我们的SJ和近的物体却是模糊的,所以我们也是真真实实的呈现了真三维显示。

  下面这个图有点类似,只不过距离远近有所不同。

  小结:我们做了一个人眼舒适的眼镜,可以长期佩戴,它的校正率也、分辨率比较高,希望它能成为下一代的智能VR。

  我知道全信显示最终的显示,但是它现状有很多问题,大多数的用的是电光调制方法,用电的信号来调控它的信号,一般分辨率比较难做小、比较难做过,像素比较难做好。另外,它的周期比较大,我们可以看到它显示的面积也比较小。所以我们就用光光传息的方法,不再是电光传息,这种材料用到的是纳米,微米型的,因为它的视角比较宽,它的分辨率、显示范围也可以做的比较大。这个文章他们也做了全息成像的工作,他们是想做一个动态的视频,因为它的速度比较慢,所以不能达到时时的控干,早期我们用的是燃料,它的工作原理大家可以看一下,这个黄色是燃料分子,在没有光的情况下,它比较容易处于一种比较直的状态,在有光的情况下容易处于比较直的状态。在光强的情况下,液晶的扭曲度降低,扭曲度降低会带来折射率也会降低,所以这样就会实现光强折射率转化的过程,我们用这种材料确实达到了非常快的速度,可以达到1.28毫秒完成传达信息。#p#分页标题#e#

  这是不同彩色的视频图,这边我们同时实现了在一个视频里面同时有红色、蓝色,这个是我们的一个实验装置图,这边有很多光学原件,中间有一个红的是我们的样品,我们用绿光进行记录。

  我们的响应速度已经足够快了,其他的特性发现DRY的(显示率)非常低只有0.6,这个相当的低。如何改进这个效率,仍然保持比较快速度,接下来的速度就用了一个离子搀杂方式,最终它们被捕获以后,就会形成电刻的周期性分布,就会形成一个周期性分布的内件电厂,最终会形成一个总的电长的分布。在电场比较强的位置,会发生比较大转动,就会竖起来。所以形成了液晶分子的周期性排列,最终会形成这折射率温度排列和像位的主体, 我们实现了光强和像位的转换,这个机理是一样的,那么用了这种材料以后,机理有所不同,它性能得到了很大的提升,在最好的情况下达到20%,得到了很大的进步。我们也做了刷新的实验,用了三种颜色红、绿蓝,我们刷新频率是60赫兹,我们看到图像要比原来亮很多,仍然是一个没有脱维的实时动态的刷新,这个也有相关报报道。

  现在看来我们的问题已经解决的差不多了,但是它这个光强其实还是非常强的,这个不是很安全,有没有办法降低这个光强,让材料的灵敏度得到提督呢。,半导体材料在这个光照的情况下很容易生光声、电贺的。半导体膜一旦介入,虽然其他条件也是一样,产生的折射率,变化的效果是非常惊人,我们发现(机电光强)大概有40毫瓦降到了40微瓦,响应速度非常快。

  刚才所说的,其实我们只是验证了这个材料的记录性,最终是要做一个三维的长期显示,我们就设计了这样的一个光路,光场的分布,然后再用我们搀杂液晶材料能够把这些三维的物体呈现出来,我们希望在前面能够形成一个四角形的画面,在后面比较远的位置产生五角形画面,我们做的不仅仅是一个画面,其实是有个视频在这里不能看,在屏幕比较近的位置进行承接,它是一个四角形在旋转,当我们屏幕移到比较远的位置的时候,它是一个五角形在旋转,不是在任何一个位置看到的都是一模一样的东西。

  半导体膜进行了三种颜色,同样是三种平面,近的平面是四角形,远的平面是五角星。

  最后总结一下,主要讲了两部分内容:第一部分是能够长期佩戴头戴式响应,两形面的一个展示;第二个是视频刷新的全息液晶显示,我们用了好几种,我们都可以实现实时公开的彩色显示,而且我们还展示了两个平面的三维显示。

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