北航王琼华团队成果集锦：顶尖光学显示科技，前所未有的“真实”视觉体验

推广位（非商务）

桌面真3D显示系统可以在桌面上光学重建逼真的3D图像，供多人裸眼环视共享观看，是一种促进合作性工作与娱乐的新型显示方式，在医疗、军事和科研等领域具有重要的应用价值，但其研究工作具有很大的挑战性。 

王琼华、李海峰和桑新柱研究团队在共同承担的国家重点研发计划项目“面向大数据应用的桌面实时真三维显示技术”中，成功研制了桌面真3D显示装置（见视频），获得了很好的显示效果，并在显示类重要期刊Journal of the Society for Information Display上发表了综述文章。该文章对桌面真3D显示系统的特性进行了描述，并根据显示原理，将桌面真3D显示分为四种技术：基于投影、基于集成成像、基于全息和基于体3D的桌面真3D显示技术，对每种技术进行了详细与独特的分析和归纳，详细且清晰地罗列出每种技术的特点，并通过多维度对比，使每种技术的优缺点一目了然。该文章提出了桌面真3D显示的发展趋势、应用领域以及未来还需面临的挑战。

Hui Ren, Li-Xia Ni, Hai-Feng Li, Xin-Zhu Sang, Xin Gao, and Qiong-Hua Wang*, Review on tabletop true 3D display, Journal of Society for Information Display, 28(1), 75-91, 2020.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jsid.829

全息投影技术具有高光效率并能再现出3D物体的图像，在医疗、教育和娱乐等领域具有重要的应用价值。现有的全息投影技术存在难以实时获取物体的深度信息、再现图像的尺寸小及难以实现彩色等问题，亟需研究一种低成本和高度集成的全息获取与投影系统。

王琼华团队提出了一种基于自适应变焦透镜对真实物体进行全息获取和投影的系统。不同于传统的全息系统，在所提出的系统中，可变焦相机和数字锥透镜分别作为全息获取和投影中的关键部件。其中，变焦照相机由液态镜头和固态镜头混合设计而成，具有快速响应和轻量的优点，可实现对真实物体的变焦拍摄。同时，在空间光调制器上编码了具有大焦深的数字锥透镜，其光学特性可完美适用于大深度全息投影，尤其是多层成像。该系统可实现真实物体的全息变焦拍摄和无色差彩色再现。此外，该系统有望在微投影、多平面投影和3D显示技术中得到广泛应用。

集成成像3D显示技术被认为是最有发展前景的3D显示技术之一，它通过微透镜阵列与微图像阵列精确耦合重建出3D图像。显然，微透镜阵列是集成成像3D显示中的关键元器件。随着微透镜阵列中微透镜元节距的减小，微透镜元的色差问题更加严重，直接影响了3D图像的质量。传统透镜通常依赖于沿光路逐渐累积的相位差来调制光波的波前，其光学特性受限于材料本身的特性。超表面透镜是通过二维亚波长结构与光波的相互作用，在亚波长的距离上对光波的振幅、相位以及偏振态进行调制。通过二维亚波长结构的设计可以对超表面透镜的色散进行有效控制，从而实现消色差的表面透镜。

董建文和王琼华等人合作研发了基于宽波段消色差超表面透镜阵列的集成成像3D显示系统。该系统采用了在整个可见光区域工作的宽波段消色差超表面透镜阵列，通过使用CMOS兼容的半导体材料氮化硅来加工具有高透射率的纳米共振单元，有效实现了宽带消色差效应，通过制作出60×60的超表面透镜阵列，成功搭建了彩色消色差集成成像3D显示系统。该系统使集成成像3D图像的像素尺寸由毫米降至微米级别，极大地提高了集成成像3D图像的分辨率，解决了集成成像3D图像存在颗粒感、3D图像不够平滑自然的瓶颈问题。该工作还有望在光场相机、增强现实和虚拟现实等领域得到进一步的扩展与应用。

Zhi-Bin Fan, Hao-Yang Qiu, Han-Le Zhang, Xiao-Ning Pang, Li-Dan Zhou, Lin Liu, Hui Ren, Qiong-Hua Wang*, and Jian-Wen Dong*, A broadband achromatic metalens array for integral imaging in the visible, Light: Science & Applications, 8,67, 2019.

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0178-2

双视显示技术可以实现“一屏两用”的效果，即利用一个显示屏为不同方位的观看者提供不同的显示内容，满足不同观看者的需求，在车载显示、医疗和娱乐等领域具有广阔的应用前景。例如，驾驶员可以从车载双视显示系统获取导航信息，而乘客可以观看综艺或新闻节目。然而，传统的双视显示技术只能提供2D显示内容，无法重建出具有深度及视差信息的3D图像。

王琼华团队提出了一种基于正交偏振器阵列和偏振开关的双视集成成像3D显示器。2D显示屏和微透镜阵列用于3D图像的呈现；正交偏振器阵列和偏振开关用于调制光线，实现双视显示。该显示器利用时、空复用技术提高了双视3D显示的分辨率。随着光学器件制造工艺的不断提升和计算机技术的飞速发展，集成成像双视3D显示技术将会有更大的技术突破，有望发挥出更大的应用价值。

Qiong-Hua Wang*, Chao-Chao Ji, Lei Li, and Huan Deng, Dual-view integral imaging 3D display by using orthogonal polarizer array and polarization switcher, Optics Express, 24(1), 9-16, 2016.

全文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-1-9

LCoS(基于硅基液晶)微显示技术由于其开口率大、分辨率高等特性已广泛应用于大屏幕投影显示及近眼虚拟现实中，其优势在于很小面积上形成高分辨率的显示。然而随着分辨率的提高，单个像素电极面积变得更小，当施加电场后，相邻两像素间的边缘场效应变得不可忽略，将会严重影响显示的亮度和对比度。实现高对比度和高亮度的LCoS具有较大难度。

王琼华团队提出并制作了介电突起消除边缘场的LCoS微显示器。通过在像素之间引入一种突起结构来消除相邻像素电极之间的横向电场，并设计了突起结构的形状，优化突起结构的参数，探索突起结构的加工工艺，最大限度地消除了LCoS微显示器的边缘场效应，从而提高对比度和亮度。同时，研究团队通过光刻工艺，制作了宽度1μm、间隙7.5μm、高度2.6μm的介电突起结构，为零边缘场效应、高对比度、高亮度的LCoS微显示器的实用化提供了理论和技术支持。

侯文义, 储繁, 田莉兰, 李睿, 顾小情, 周祥屿, 王琼华*, 一种采用介电突起消除边缘场效应的LCoS, 液晶与显示, 35(1), 12-18, 2020.

全文链接：http://www.yjyxs.com/CN/abstract/abstract10562.shtml

透反液晶显示器由于其在户外有很好的可读性和低功耗等特性而广泛应用在便携式显示器件中。双盒厚透反液晶显示器是透反显示领域的研究热点，具有高光学效率和低驱动电压的特点，然而双盒厚透反液晶显示器存在一些固有缺陷，如透射区的液晶分子响应时间大于反射区液晶分子的响应时间，不均匀的盒厚很难控制和制作，并且透射区和反射区的分界处存在一定的缺陷等。

王琼华团队基于介电层的分压原理，提出了利用复合介电层匹配透反液晶显示器透射区和反射区的相位延迟，实现了单盒厚透反液晶显示器。由于创新性地引入了复合介电层，在加电情况下，透射区到反射区会产生线性的电势变化，光线在透射区和反射区累积了相同的相位延迟。提出的显示器具有较低的工作电压、较高的光学效率和匹配良好的电压-透过率曲线和电压-反射率曲线。采用介电层代替了聚酰亚胺层，减少了聚酰亚胺层对液晶分子的锚定作用，提高了显示器的响应时间。

Fan Chu, Hu Dou, Li-Lan Tian, Rui Li, Wen-Yi Hou, Lei Li, and Qiong-Hua Wang*, A simple transflective liquid crystal display with composite dielectric layer, Liquid Crystals, 46(12), 1790-1798, 2019.

在众多的液晶光电器件中，液晶透镜因其可调焦、无需机械移动和轻薄化等特性而备受关注，具有很大的研究价值和发展潜力。液晶透镜虽然有着诸多的优势，但是在其应用化和产业化的过程中却存在一些技术问题亟待解决，如响应速度慢、光学成像质量差和制作工艺复杂等，其中尤为严峻的问题是口径小和可调焦范围小，极大限制了液晶透镜的应用和发展。

王琼华和孙玉宝团队合作，结合光刻技术和高性能液晶透镜制作技术，将复合取向层技术应用到了制作大孔径液晶透镜中。复合取向层除了可以对液晶分子进行摩擦取向外，还能对电场进行调制，均匀的平面电场通过复合取向层后会变为梯度电场直接作用于液晶层中，使液晶层产生透镜的光学效果。采用复合取向层技术的液晶透镜结构简单，驱动电压较低，焦距短，并且无需特殊形状的电极和多种材料合成的介电层就可实现大孔径液晶透镜的制备，降低了液晶透镜的工艺制作成本和难度。

Hu Dou, Fan Chu, Yu-Qiang Guo, Li-Lan Tian, Qiong-Hua Wang*, and Yu-Bao Sun, Large aperture liquid crystal lens array using a composited alignment layer, Optics Express, 26(7), 9254-9262, 2018.

全文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-7-9254

目前，世界约85%的通信业务经光纤传输，光开关作为切换光路的功能器件，是智能化光通信网络体系中的重要部分。现有光开关中实现光路通断的部件均是固体材料，成本高且加工难度大，可同时实现红外光和可见光自适应切换的光开关更是鲜有报道。

以水为媒，水利万物，王琼华团队在大自然中汲取灵感，创新性地以天然油脂和水为原料，分别配制了对1450nm-1650nm红外光和可见光波段具有强烈吸收的两种液体。同时，团队巧妙地设计了具有特殊功能的腔体结构，通过调节各腔室中的液体体积，可改变腔室中弹性薄膜的曲率，进而形成红外光或可见光的光通道，研制了红外光和可见光自适应切换的光流控开关。所研制的光开关具有低插损、低成本、低功耗和高消光比等优点。该成果不仅为光通信和光网络的逻辑控制技术提供了实用化的创新方案，也为新型光电子集成器件的设计和研发提供了全新研究思路。

Chao Liu, Di Wang, Guang-Xu Wang, Zhao Jiang, and Qiong-Hua Wang*, 1550 nm infrared/visible light switchable liquid optical switch, Optics Express, 28(6), 8974-8984, 2020.

全文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-28-6-8974&origin=search

光学透镜是成像和显示系统的重要元件。传统光学透镜为固体材质，虽具有良好的光学特性，然而其形状固定，使光学元件自身不具备自适应特性，从而使系统体积和重量大幅度增加。现代社会人们越来越青睐轻量化的成像和显示设备。

吴诗聪、王琼华和李磊等人合作报道了一种可移动的液体透镜。该透镜引入了循环液体的原理，将液-液面的移动和形变在一个系统中实现，解决了传统单透镜不能实现光学变焦的问题，为成像设备的轻量化提供了技术途径。研究团队正积极将理论的研究成果转化为可服务于应用的新技术、新工艺和新产品，研制了可商业化的液体透镜样品，并推向产业化。

Lei Li, Jin-Hui Wang, Qiong-Hua Wang*, and Shin-Tson Wu*, Displaceable and focus-tunable electrowetting optofluidic lens, Optics Express, 26(20), 25839- 25848, 2018. 

全文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-20-25839&origin=search

在生物和医疗领域，传统显微镜在观测样本时存在的放大倍率离散化、变焦抖动和倍率切换速度慢等突出问题，存在无法进行实时高效的现实样本追踪，不利于对癌变的机理的进一步探索。因此，对无机械移动的连续光学变焦显微镜的需求十分迫切。

王琼华和李磊团队研制了首台无机械移动的连续光学变焦显微镜。通过将自适应液体透镜技术应用于显微镜，实现了快速、无抖动的连续显微光学变焦技术。研制出的显微镜倍率切换响应时间为~50ms，可实现10╳-20╳的连续光学变焦并实时校正像差，同时变焦的过程无机械移动和抖动。该显微镜为活体样本的观测，特别是癌细胞的观测和研究提供了新仪器。

Lei Li, Di Wang, Chao Liu, and Qiong-Hua Wang*, Zoom microscope objective using electrowetting lenses, Optics Express, 24(3), 2931-2940, 2016.

全文链接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-3-2931&origin=search

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开 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

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