雷鋒網(wǎng)按：光場(chǎng)技術(shù)是目前最受追捧的下一代顯示技術(shù)，谷歌、Facebook、Magic Leap等國(guó)內(nèi)外大公司都在大力布局。然而目前國(guó)內(nèi)對(duì)光場(chǎng)（Light Field）技術(shù)的中文介紹十分匱乏，曹煊博士《Mars說(shuō)光場(chǎng)》系列文章旨在對(duì)光場(chǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的科普介紹。

曹煊博士系騰訊優(yōu)圖實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員。優(yōu)圖— 騰訊旗下頂級(jí)的機(jī)器學(xué)習(xí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專注于圖像處理、模式識(shí)別、深度學(xué)習(xí)。在人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、醫(yī)療AI、OCR、哼唱識(shí)別、語(yǔ)音合成等領(lǐng)域都積累了領(lǐng)先的技術(shù)水平和完整解決方案。

《Mars說(shuō)光場(chǎng)》系列文章目前已有5篇，包括：《Mars說(shuō)光場(chǎng)（1）— 為何巨頭紛紛布局光場(chǎng)技術(shù)》、《Mars說(shuō)光場(chǎng)（2）— 光場(chǎng)與人眼立體成像機(jī)理》、《Mars說(shuō)光場(chǎng)（3）— 光場(chǎng)采集》、《Mars說(shuō)光場(chǎng)（4）— 光場(chǎng)顯示》、《Mars說(shuō)光場(chǎng)（5）— 光場(chǎng)在三維人臉建模中的應(yīng)用》 ,雷鋒網(wǎng)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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【摘要】 — 重現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的三維世界，實(shí)現(xiàn)類似于《阿凡達(dá)》電影所展示的全息顯示，是人類長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。如果能采集并投射出全光函數(shù)中7個(gè)維度的光線，將能使環(huán)境中所有人同時(shí)獲得身臨其境的全息視覺體驗(yàn)。光場(chǎng)作為理想的3D顯示技術(shù)與傳統(tǒng)2D顯示有著明顯的區(qū)別：傳統(tǒng)的2D顯示器只能提供仿射、遮擋、光照陰影、紋理、先驗(yàn)知識(shí)五方面心理視覺信息。光場(chǎng)顯示除了能產(chǎn)生傳統(tǒng)2D顯示器的所有信息外，還能提供雙目視差、移動(dòng)視差、聚焦模糊三方面的生理視覺信息。在光場(chǎng)顯示技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了多種光場(chǎng)顯示技術(shù)方案，引起廣泛關(guān)注和研究的主要有五種技術(shù)：（1）體三維顯示（Volumetric 3D Display）；（2）多視投影陣列（Multi-view Projector Array）；（3）集成成像（Integral Imaging）；（4）數(shù)字全息；（5）多層液晶張量顯示。關(guān)于三維顯示的詳細(xì)發(fā)展歷史及其應(yīng)用可以參見[1-11]。 

圖 1. 電影《阿凡達(dá)》中描繪的光場(chǎng)全息三維軍事沙盤

1、體三維顯示

體三維顯示技術(shù)[12,13]主要通過(guò)在空間中不同深度平面顯示不同圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，屏幕沿著Z軸方向快速往返運(yùn)動(dòng)，屏幕移動(dòng)到不同位置時(shí)投影儀投射出不同的圖像[14]；當(dāng)屏幕的移動(dòng)足夠快時(shí)，由于人眼的視覺暫留特性從而在眼前顯示出三維立體圖像。然而高速且勻速的往返直線運(yùn)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，因此在體三維顯示系統(tǒng)中將平移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖 2. 平移式/旋轉(zhuǎn)式體三維顯示原理示意圖

Langhans 從90年代開始研發(fā)體三維顯示，并陸續(xù)推出了名為“Felix”的體三維顯示樣機(jī)。Langhans 在1996年發(fā)表了基于激光掃描的體三維顯示技術(shù)[15]，在1998年將體積進(jìn)一步縮小形成便攜式的體三維顯示[16]，后于2002年實(shí)現(xiàn)了可交互的體三維顯示[17]。

圖 3. 德國(guó)Felix體三維顯示系統(tǒng)

美國(guó)南加州大學(xué)Andrew Jones于2007年研制了360°體顯示系統(tǒng)[18]，如圖4所示。該系統(tǒng)通過(guò)高速投影儀將圖像投到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的反射鏡上。當(dāng)鏡子旋轉(zhuǎn)到不同的位置，投影儀投出對(duì)應(yīng)視點(diǎn)的圖像，從而實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視光場(chǎng)顯示。Jones在2009年進(jìn)一步將人臉實(shí)時(shí)重建技術(shù)加入到光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程裸眼3D視頻會(huì)議[19]。

圖 4. 美國(guó)南加州大學(xué)實(shí)現(xiàn)的360度光場(chǎng)顯示

體三維顯示技術(shù)在我國(guó)起步較晚，中科院自動(dòng)化研究所于2007研制出基于DMD高速投影儀的體三維顯示系統(tǒng)Helix[20]，如圖5所示，其視點(diǎn)分辨率為1024*768*170，每個(gè)體素的大小為0.23*0.23*1mm3，對(duì)比度為800:1，3D圖像的亮度為100Lux，3D圖像刷新率為15fps。實(shí)現(xiàn)體三維顯示的核心思路是分時(shí)復(fù)用地在空間中投射不同的圖像，犧牲反射場(chǎng)函數(shù)中時(shí)間t維度換取深度z維度，這就要求投影儀具有非常高的顯示幀率。該系統(tǒng)投影170層圖像并保持15fps的刷新率，則要求投影儀每秒投影2550幅圖像。為了達(dá)到如此高的幀率，投影儀只能工作在單色模式下。

圖 5. 中科院自動(dòng)化所研制的體三維顯示系統(tǒng)Helix

體三維顯示技術(shù)原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了有限的空間內(nèi)反射場(chǎng)函數(shù)中的5個(gè)維度(x, y, z, λ, t)，但體三維顯示技術(shù)存在多方面缺陷：1）體三維顯示技術(shù)的顯示器件不是一個(gè)平面，而是一個(gè)立體空間，因此占地面積大。2）螺旋面的成型精度要求高，因此加工成本高，不利于量產(chǎn)化。3）單位時(shí)間內(nèi)形成的體素?cái)?shù)量有限，視點(diǎn)分辨率有限。4）體三維顯示系統(tǒng)需要加入旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，投影與運(yùn)動(dòng)同步控制困難。

2、多視投影陣列光場(chǎng)顯示

多視投影陣列三維顯示技術(shù)通過(guò)多個(gè)投影儀組成的陣列向空間中一定角度范圍內(nèi)不同方向投射不同圖像。相比于體三維顯示技術(shù), 多視投影三維顯示技術(shù)保留了裸眼、多視等優(yōu)點(diǎn)，并且顯示屏幕更接近傳統(tǒng)的平面顯示器，符合人眼觀看顯示器的習(xí)慣。同時(shí)，多視投影三維顯示技術(shù)去掉了系統(tǒng)中機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件和螺旋顯示屏幕，還可以顯示復(fù)雜紋理和彩色三維內(nèi)容。但其明顯缺點(diǎn)是成本高昂、占地空間大。

浙江大學(xué)于2012年構(gòu)建了全視向的三維顯示[21]，隨后又展示了360°三維顯示系統(tǒng)[22,23]，如圖6所示。北京理工大學(xué)在2015年實(shí)現(xiàn)了可觸摸的360度光場(chǎng)顯示[24]，如圖7所示。北京郵電大學(xué)將多投影3D顯示應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)[25]，并比較了3D投影與柱面光場(chǎng)在垂直視差上的區(qū)別[26]。 

圖 6. 浙江大學(xué)360度多視三維顯示系統(tǒng)

圖 7. 北京理工大學(xué)360度懸浮光場(chǎng)顯示

南加州大學(xué)Graphic Lab在2014年提出了一種具有垂直視差的投影儀陣列光場(chǎng)顯示方案[27]，如圖8所示。所提出的方案通過(guò)人眼跟蹤來(lái)判斷人眼相對(duì)于屏幕的高低位置，并根據(jù)人眼位置實(shí)時(shí)渲染對(duì)應(yīng)視點(diǎn)圖像。該技術(shù)沿用水平排列的投影儀陣列同時(shí)獲得了水平視差和垂直視差，但是當(dāng)同一水平位置上出現(xiàn)高度不同的兩個(gè)（及以上）觀眾時(shí)，只有其中一個(gè)觀眾能觀看到正確視點(diǎn)圖像。

圖 8. 南加州大學(xué)實(shí)現(xiàn)的水平投影儀陣列

南加州大學(xué)Graphic Lab于2016年提出了與真人1:1的多視投影光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)話，如圖9所示，該系統(tǒng)包括216個(gè)投影儀、6臺(tái)PC主機(jī)。

圖 9. 南加州大學(xué)實(shí)現(xiàn)的真人1:1的多視投影光場(chǎng)顯示系統(tǒng)

之前外界猜測(cè)Magic Leap可能使用的光纖掃描投影技術(shù)，其實(shí)就是基于投影陣列的光場(chǎng)顯示。如果投影儀真的能做到1毫米直徑，那么Magic Leap的光場(chǎng)顯示方案是可行的。但最新上市的Magic Leap One并沒有采用這種方案，顯然是投影儀的微型化還不能在工程上大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。

3、集成成像光場(chǎng)顯示

集成成像[19]最早是將微透鏡陣列放于成像傳感器之前實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)采集。光場(chǎng)采集和光場(chǎng)顯示的光路是可逆的，因此集成成像技術(shù)既可應(yīng)用于光場(chǎng)采集[28]，又可應(yīng)用于光場(chǎng)顯示[29,30]。目前已經(jīng)商業(yè)化的裸眼3D電視正是基于集成成像原理。

韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)Byoungho Lee于2001年將柱面透鏡光柵覆蓋在LCD表面實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的集成成像3D顯示[31]。日本NHK的在1997年采用梯度下標(biāo)克服了深度有限的問題[32]并在HDTV上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的三維顯示[33]。東京大學(xué)Naemura在2001年實(shí)現(xiàn)了集成成像的任意視點(diǎn)合成[34]。國(guó)內(nèi)四川大學(xué)于2009年利用2層光柵實(shí)現(xiàn)了3D顯示[35]，在2010年通過(guò)疊加兩塊具有不同LPI（Line Per Inch）參數(shù)的柱面光柵所實(shí)現(xiàn)的3D顯示具有更小的圖像串?dāng)_，更大的可視角[36]，如圖10所示。北京郵電大學(xué)也嘗試了兩個(gè)光柵組合的3D顯示[37]。

圖 10. 四川大學(xué)采用兩層柱面光柵疊加實(shí)現(xiàn)的集成成像3D顯示

柱面透鏡光柵的主要作用是將不同像素的光線投射到不同的方向。如圖11所示，柱面透鏡下所覆蓋的8個(gè)像素分別產(chǎn)生不同的顏色，從而向不同方向投射出不同顏色的光線。然而單個(gè)柱面透鏡的寬度一般并不等于整數(shù)個(gè)像素的寬度，因此會(huì)存在某個(gè)像素橫跨兩個(gè)柱面透鏡的情況，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生光線串?dāng)_。在商業(yè)化的產(chǎn)品中普遍采用的技術(shù)方案為：將柱面透鏡光柵相對(duì)屏幕傾斜，然后通過(guò)軟件算法來(lái)減輕光線的串?dāng)_。 

圖 11. 柱面透鏡光柵光學(xué)特性示意圖

基于柱面透鏡光柵的光場(chǎng)顯示存在一個(gè)明顯的缺陷：視點(diǎn)圖像分辨率損失嚴(yán)重。柱面透鏡光柵的尺寸由LPI（Lens Per Inch）決定。當(dāng)LPI較大時(shí)，每個(gè)柱面透鏡覆蓋的像素就越少，從而產(chǎn)生的視點(diǎn)數(shù)量較少，在觀看時(shí)會(huì)產(chǎn)生視點(diǎn)不連續(xù)的情況。當(dāng)LPI較小時(shí)，每個(gè)柱面透鏡覆蓋的像素就越多，產(chǎn)生的視點(diǎn)數(shù)量也較多，但每個(gè)視點(diǎn)的圖像分辨率損失嚴(yán)重。由于整體可控的像素?cái)?shù)量是一定的，當(dāng)柱面透鏡覆蓋更多的像素時(shí)，單個(gè)視點(diǎn)的圖像分辨率損失嚴(yán)重。例如采用4K顯示屏（4096x2160），一般商業(yè)化的裸眼3D顯示器在水平方向產(chǎn)生16（或32）個(gè)視點(diǎn)，則每個(gè)視點(diǎn)的分辨率降低到256x2160。雖然存在分辨率損失的問題，但基于柱面透鏡光柵的光場(chǎng)顯示方案成本低廉，成為了目前唯一大面積商業(yè)化應(yīng)用的裸眼3D顯示方案。而且顯示器面板的分辨率正在逐步提高，視點(diǎn)圖像分辨率損失的問題將會(huì)逐步得到解決。

4、全息顯示

光場(chǎng)可以看做是“離散的”、“數(shù)字化的”全息，當(dāng)光場(chǎng)的角分辨率和視點(diǎn)分辨率不斷提高，光場(chǎng)的顯示效果也將不斷逼近全息顯示。全息顯示技術(shù)在近幾年不斷發(fā)展，Tay Savas于2008年在《Nature》上展示可更新內(nèi)容的全息顯示[38]。 P.A.Blanche于2010年在《Nature》上展示過(guò)彩色的全息顯示[39]?？傮w而言，全息的顯示是終極的光場(chǎng)顯示效果，但動(dòng)態(tài)彩色大尺度的全息顯示技術(shù)尚不成熟，仍有待于材料學(xué)、微機(jī)電、光學(xué)等多學(xué)科的共同進(jìn)步。

國(guó)內(nèi)北京理工大學(xué)和上海大學(xué)在全息成像方面積累了大量工作。北理工在2013年通過(guò)調(diào)制復(fù)振幅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)3D全息顯示[40]。在2014年采用編碼復(fù)用實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)彩色3D全息顯示[41]，如圖12所示。隨后在2015年采用壓縮查詢表的方法在3D全息顯示中實(shí)現(xiàn)了CGH（Computer Generated Hologram）[42]。 

圖12. 北京理工大學(xué)2014年實(shí)現(xiàn)的彩色3D全息顯示

5、多層液晶張量光場(chǎng)顯示

光場(chǎng)比傳統(tǒng)2D圖像具有更高的維度，不論是光場(chǎng)的采集還是顯示都會(huì)面臨犧牲圖像分辨率來(lái)?yè)Q取角度分辨率的兩難境地。國(guó)際上最新的研究思路是將高維的光場(chǎng)進(jìn)行壓縮分解。張量光場(chǎng)顯示技術(shù)最初由美國(guó)MIT Media Lab的Gordon Wetzstein提出[43]，如圖13所示。Gordon Wetzstein將光場(chǎng)表示為一個(gè)張量（Tensor），對(duì)張量進(jìn)行分解即可將高維度的光場(chǎng)壓縮為多個(gè)向量的張量積，從而利用有限層數(shù)的液晶就可以顯示出完整的光場(chǎng)?；诙鄬右壕У膹埩抗鈭?chǎng)顯示原理比較復(fù)雜，目前公開的資料比較少，因此本文將用較大篇幅來(lái)剖析其工作原理。

 

圖 13. Gordon Wetzstein 于2013年在MIT實(shí)現(xiàn)的張量光場(chǎng)顯示

5.1 液晶工作原理

液晶的工作原理直接關(guān)系到多層液晶光場(chǎng)顯示樣機(jī)的搭建，在搭建多層液晶樣機(jī)之前有必要詳細(xì)了解液晶的工作原理及特性。如圖14所示[44]，背光板發(fā)出的光線是均勻自然光，經(jīng)過(guò)下偏光片（起偏膜）過(guò)濾變了偏振光。對(duì)液晶層施加電壓后，液晶會(huì)扭轉(zhuǎn)偏振光的偏振方向，扭轉(zhuǎn)角度的大小與施加電壓成正比，也即與像素值的大小成正比。經(jīng)液晶扭轉(zhuǎn)后的偏振光被上偏光片（阻偏膜）過(guò)濾，偏振光與上偏光片的夾角越小則透過(guò)的光線亮度越高。下偏光片與上偏光片的偏振極性始終垂直。當(dāng)液晶像素值為0時(shí)，液晶對(duì)偏振光的扭轉(zhuǎn)角度也為0，偏振光的偏振極性與上偏光片的偏振極性垂直，所以該像素點(diǎn)發(fā)出的光線衰減到0，如圖14中藍(lán)色偏振光。當(dāng)液晶像素值為1時(shí)，液晶對(duì)偏振光扭轉(zhuǎn)90度，偏振光的偏振極性與上偏光片的偏振極性平行，所以該像素點(diǎn)發(fā)出的光線不衰減，如圖14中紅色和綠色偏振光。

 

（圖片來(lái)源于https://www.xianjichina.com/news/details_34485.html）

圖 14. 液晶面板工作原理示意圖

5.2 多層液晶偏振特性

從上述液晶的成像原理可知每層液晶顯示面板都具有起偏膜和阻偏膜，如果直接將多層液晶顯示面板平行堆疊起來(lái)，那么無(wú)論將液晶像素設(shè)為多少值，背光發(fā)出的光線都無(wú)法穿透多層液晶，從而無(wú)法顯示任何圖像。如圖15所示，由于第一層液晶LCD#1阻偏膜的存在，背光發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)第一層液晶后必定為偏振光且偏振極性與第二層液晶LCD#2起偏膜的偏振極性垂直，理論上不會(huì)有任何光線經(jīng)過(guò)第二層液晶，也就不會(huì)有光線進(jìn)入第三層液晶。所以，多層液晶前的觀看者不會(huì)接收到任何光線，呈現(xiàn)一片漆黑。 

圖 15. 直接堆疊多層液晶的偏振特性示意圖

由上述分析可知，直接將多層液晶顯示面板平行堆疊起來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)顯示。為了使得多層液晶能夠按照光場(chǎng)4D模型來(lái)工作，需要重新排列偏振膜。有兩種偏振片排列方式，分別稱之為乘法模型和加法模型。乘法模型的偏振片排列方式如圖16所示，如果有N層液晶則需要（N+1）塊偏振片，在任意兩塊偏振片之間放入一塊液晶，且任意兩塊相鄰的偏振片的偏振極性互相垂直。圖16中P1偏振片為正45度偏振極性，對(duì)背光進(jìn)行起偏，所以進(jìn)入LCD#1的為正45度偏振光。P2偏振片為負(fù)45度偏振極性，對(duì)LCD#1的偏振光進(jìn)行阻偏，從而調(diào)節(jié)從LCD#1出來(lái)的光線的亮度，同時(shí)保證進(jìn)入LCD#2的光線都為負(fù)45度偏振極性。同理，P3偏振片為正45度偏振極性，對(duì)LCD#2的偏振光進(jìn)行阻偏，從而調(diào)節(jié)從LCD#2出來(lái)的光線的亮度，同時(shí)保證進(jìn)入LCD#3的光線都為正45度偏振極。以此類推，每一層液晶都對(duì)進(jìn)入的光線起到了亮度調(diào)制的功能，從而實(shí)現(xiàn)了多層液晶聯(lián)合調(diào)制光線。光線從背光板發(fā)出穿過(guò)多層液晶，每穿過(guò)一層液晶，液晶就會(huì)對(duì)上一層液晶的偏振光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，且上一層液晶的偏振角度不會(huì)累加到當(dāng)前層液晶的偏轉(zhuǎn)，所以調(diào)制關(guān)系為乘法運(yùn)算，可表示為式(1)。當(dāng)然，我們也可以將乘法運(yùn)算通過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算，如式(2)。

l = [a, b, c] = a×b×c                                                          (1)

log(l ) =log(a×b×c) = log(a) + log(b) + log(c)                                  (2)

其中，a, b, c分別為目標(biāo)光線與LCD#1，LCD#2和LCD#3交點(diǎn)上的像素值；為多層液晶聯(lián)合調(diào)制后光線的亮度。 

圖 16. 多層液晶的乘法模型偏振片排列示意圖

加法模型的偏振片排列方式如圖17所示，如果有N層液晶，不論N為多少，則都只需要兩塊偏振片，分別位于第一層液晶的起偏位置和第N層液晶的阻偏位置，且兩塊偏振片的偏振極性互相垂直。圖17中P1偏振片為正45度偏振極性，對(duì)背光進(jìn)行起偏，所以進(jìn)入LCD#1的為正45度偏振光。LCD#1對(duì)進(jìn)入的光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入LCD#2。LCD#2在LCD#1偏轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的光線進(jìn)入LCD#3。同理，LCD#3在LCD#1和LCD#2偏轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。P2 偏振片為負(fù)45度偏振極性，對(duì)經(jīng)過(guò)LCD#3偏轉(zhuǎn)后的光線進(jìn)行阻偏，從而調(diào)制光線亮度。光線從背光板發(fā)出穿過(guò)多層液晶，每穿過(guò)一層液晶，液晶就會(huì)對(duì)上一層液晶的偏振光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，且上一層液晶的偏振角度會(huì)累加到當(dāng)前層液晶的偏轉(zhuǎn)，最后進(jìn)入人眼的光線亮度由多層液晶偏振角度之和來(lái)決定，所以多層液晶的調(diào)制關(guān)系為加法運(yùn)算，可表示為式(3)。 

圖 17. 多層液晶的加法模型偏振片排列示意圖

l = [a, b, c] = a+b+c                                                         (3)

其中，a, b, c分別為目標(biāo)光線與LCD#1，LCD#2和LCD#3交點(diǎn)上的像素值；為多層液晶聯(lián)合調(diào)制后光線的亮度。

5.3 多層液晶的各向異性

如圖18所示，傳統(tǒng)2D顯示器每個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)在一定角度范圍內(nèi)發(fā)出光線，但每個(gè)像素點(diǎn)發(fā)出的光線都是各向同性的。換句話說(shuō)，每個(gè)像素點(diǎn)向各個(gè)方向發(fā)出的光線都具有一樣的亮度和顏色。左右眼接收到同樣的圖像，不同位置的觀看者也接收到同樣的圖像。2D顯示器既不能提供雙目視差，也不能提供移動(dòng)視差，因此人眼始終只能看見一幅2D 圖像。

圖 18. 傳統(tǒng)2D顯示器各向同性光學(xué)特性

產(chǎn)生各向異性的光線是光場(chǎng)顯示的關(guān)鍵。將傳統(tǒng)的液晶顯示器多層堆疊起來(lái)可以構(gòu)造如圖19中光場(chǎng)4D模型，待顯示的物體向各個(gè)方向發(fā)出的光線都可以被多層液晶重現(xiàn)，從而確保多層液晶前不同位置的觀眾可以接收到不同的光線，不同位置的觀眾可以看見三維物體的不同側(cè)面。

圖 19. 多層液晶光場(chǎng)顯示原理示意圖

如圖20所示，假設(shè)背光是均勻的，所有從背光發(fā)出并達(dá)到第一層液晶的光線的亮度一致，多層液晶上不同像素的連線就形成了一條不同亮度和顏色的光線。通過(guò)不同像素的組合，多層液晶可以在一定空間范圍內(nèi)的任意位置重建出發(fā)光點(diǎn)，例如多層液晶之間的點(diǎn)F、多層液晶之后的點(diǎn)G、多層液晶之前的點(diǎn)H，且重建的發(fā)光點(diǎn)可以發(fā)出各向異性的光線。

圖 20. 多層液晶光場(chǎng)顯示光線的各向異性

圖20中F點(diǎn)的光線、G點(diǎn)的光線和分別由三層液晶上的不同像素組合產(chǎn)生，表示為式(4)。類似的，其他光線也可以由多層液晶上像素的聯(lián)合調(diào)制產(chǎn)生。為了實(shí)現(xiàn)光線的快速調(diào)制，曹煊于2015年開發(fā)了基于GPU的并行光場(chǎng)分解算法[45,46]]。

l ₁ = [a₁, b₁, c₁]                                                                

l _i = [a_i, b_i, c_i]                                                             (4)

l ₃ = [a₃, b₃, c₃]                                                               

其中，l i 表示第條光線；a_i, b_i, c_i分別為光線與LCD#1、LCD#2和LCD#3相交的像素；[a_i, b_i, c_i] 可表示兩種不同的運(yùn)算法則，這主要取決于多層液晶的偏振膜的工作方式。

通過(guò)上述的分析可知，多層液晶進(jìn)行光線調(diào)制時(shí)具有高度的靈活性，可以重現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)處于多層液晶不同位置時(shí)的各向異性光線。當(dāng)足夠多的發(fā)光點(diǎn)同時(shí)被調(diào)制產(chǎn)生時(shí)，就能投射出整個(gè)三維物體。如圖21所示，待顯示的三維物體可以設(shè)置在多層液晶之前、之后或者中間，從而使觀看者感覺物體突出于顯示器之外或者凹陷于顯示器之內(nèi)，并且三維顯示的“突出感”可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖 21. 多層液晶張量光場(chǎng)顯示的深度范圍示意圖

張量光場(chǎng)顯示本質(zhì)上是利用多層液晶進(jìn)行空間復(fù)用，形成空間光調(diào)制器。該方案不會(huì)損失視點(diǎn)圖像分辨率，但存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：液晶和偏振膜的透光率較低，當(dāng)背光穿過(guò)多層液晶后光強(qiáng)損失嚴(yán)重；因此基于多層液晶的光場(chǎng)顯示往往亮度比較低。液晶層數(shù)越多，光場(chǎng)顯示亮度損失越嚴(yán)重。

需要說(shuō)明的是，OLED（Organic Light-Emitting Diode）是自發(fā)光顯示屏，無(wú)需背光。多層OLED疊加在一起，進(jìn)入人眼的光線并不是由多層OLED屏聯(lián)合調(diào)制后的結(jié)果，不滿足光場(chǎng)4D模型。因此，多層OLED顯示屏的堆疊并不能實(shí)現(xiàn)張量光場(chǎng)顯示。

表 1. 傳統(tǒng)平面顯示與光場(chǎng)顯示技術(shù)方案對(duì)比

	可顯示的維度	顯著優(yōu)點(diǎn)	顯著缺點(diǎn)
平面顯示 2D Display	R(x, y, λ, t)	技術(shù)成熟 價(jià)格低廉	缺乏立體 三維信息
體三維顯示 Volumetric 3D Display	單色：R(x, y, z, t) 彩色：R(x, y, z, λ, t)	360度可視范圍	存在機(jī)械運(yùn)動(dòng) 占地面積大
多視投影陣列 Multi-view Projector Array	水平陣列：R(x, y, θ, λ, t) 全陣列：R(x, y, θ, Φ, λ, t)	分辨率高 可視角度大	成本高昂 占地面積大
集成成像 Integral Imaging	柱面光柵：R(x, y, θ, λ, t) 透鏡陣列：R(x, y, θ, Φ, λ, t)	成本低廉	視點(diǎn)圖像分辨率 損失嚴(yán)重
全息顯示 Holographic Display	R(x, y, z, θ, Φ, λ, t)	三維顯示效果極佳	技術(shù)尚不成熟
多層張量顯示 Multi-layer Tensor DIsplay	R(x, y, z, θ, Φ, λ, t)	成本低 分辨率不損失	算法復(fù)雜 運(yùn)算量大 亮度有損失

 

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