1.1 3D显示技术的发展

3D显示与摄影技术、显示技术同时出现，经历了一个漫长的发展过程。3D显示是显示的未来，3D显示技术的发展就是要呈现更自然的3D显示效果。

1.1.1 显示技术的发展规律

显示的意义是在最短的时间内传播最多的信息。信息量越大越有助于消除不定性，越有利于认识和改造世界。为了处理越来越大的信息量，人们将信息的存储与显示分开，发明了磁带、软盘、硬盘、光盘等信息存储器件，以及CRT、PDP、LCD、OLED等信息显示器件。半导体芯片是现代信息存储与处理的典型代表，摩尔定律揭示的半导体芯片的发展方向就是增加晶体管密度，存储与处理尽可能多的信息。半导体显示是现代信息显示与处理的典型代表，其发展方向是显示尽可能多的信息。

1．显示的基本原理与信息量模型

根据显示的基本原理，图像信息的三个基本要素是亮度、色彩与像素。显示技术从黑白到彩色，亮度灰阶达到8bit后，显示的信息量主要由显示屏上的像素数量决定。像素分布矩阵m×n的显示屏，显示的平面图像I信息可以用每个像素的光束信息ci（j）表示：

显示屏上的像素数量是显示面积与显示密度的乘积。显示面积对应显示屏的尺寸，显示密度对应显示屏单位尺寸的像素分辨率，即PPI值。显示面积与显示密度的乘积越大，式（1-1）中的像素分布矩阵m×n越大，图像的像素坐标点越多，显示的信息量越大。大数据时代需要显示巨量信息，需要从平面显示上升到立体显示。在超高分辨率显示屏上，立体显示可以全面还原图像的纵深、层次、位置等客观场景信息。立体显示在显示深度上以切片堆叠的效果，呈现指数级增加的信息量，形成体素（Voxel）概念。

用显示面积、显示密度、显示深度表示显示屏呈现的信息量，可以构成一个三阶张量模型，完整地表达显示屏所能显示的全部信息量。把显示屏呈现的显示信息量称为屏幕显示信息量（Display Information Quantity on Screen，Qs），把人眼接收到的显示信息量称为人眼显示信息量（Display Information Quantity into the Eyes，Qe）。等式Qs =Qe成立的前提是显示无处不在，即人眼要在最短时间内获取最大的显示信息量（Display Information Quantity，DIQ）。这符合最小作用量原理（Least-Action Principle），即信息场在所有影响因素作用后的信息量聚集过程，沿着作用量取极值的路径进行，在最短的时间内获取最大的信息量。所以，增加显示用途可以建立显示信息量的四阶张量模型。

如图1-1（a）所示，在三阶张量模型中，显示面积、显示密度、显示深度都可以离散成n维，组合成n维空间中的三阶张量（多维数组），形成n张n×n矩阵平面构成的立方体，如式（1-2）所示。显示用途也可以离散成n维，n个三阶张量构成的立方体排成一列。四阶张量Tijkl可以用表示用途的一阶张量W与表示显示面积、密度、深度的三阶张量Tijk的Kronecker积表示：

式中，0≤i，j，k≤n，⊗表示Kronecker积。

在图1-1（a）中，张量数组空间不是每个维度的分量上都有一一对应的数据，在张量模型表示的数据空间中，信息是不完整的。为了研究方便，把张量空间包含的所有有效信息填满一个球体，形成如图1-1（b）所示的信息量球模型。

影响显示用途、显示面积、显示密度、显示深度的因素有很多，这些因素在四阶张量模型和球模型中的影响权重各不相同。产业技术的发展规律研究不在于统计所有的影响因素，而在于明确最核心的影响因素。影响显示用途的因素包括功耗、使用温度、外观等，其中外观，即轻薄化程度的影响权重最高。影响显示面积的因素包括边框尺寸、制造工艺、材料等，核心是大型化程度。影响显示密度的因素包括视野角、响应速度、帧频、亮度、色彩、分辨率等，其中像素的精细化程度，即像素密度PPI（Pixels Per Inch）的影响权重最高。影响显示深度的因素包括单目深度线索、双目深度线索、位置维度、方向维度等，核心是立体化程度。

分别用轻薄化、大型化、精细化、立体化代表显示用途、显示面积、显示密度、显示深度，构建一个如图1-1（b）所示的理想信息量球的内接四面体Q1Q2Q3Q4，用轻薄化截面、大型化截面、精细化截面、立体化截面包围的显示信息量的四面体体积近似显示的完整信息量。

2．显示技术的进化律

图1-1（b）所示信息量球的物理量，可以用球坐标系描述。信息量球内接四面体的每个面都对应一个垂直该面的向量：以球心为起点，球半径为大小，指向球面某点。四个向量的外延对应信息量四面体的扩张，信息量动态增大。以向量替代截面的方法，分别建立轻薄化、大型化、精细化、立体化四个维度，可以总结显示技术的发展历史，预测显示技术的发展趋势。

如图1-2所示，显示技术在四个维度上独立进化，相互之间又有明显的产业继承性，呈现出技术的阶梯式发展过程与规律。在每个维度上，显示技术都存在18年左右的重点发展阶段。

轻薄化重点发展阶段始于1973年，标志是搭载LCD显示屏的电子表（精工06LC）和计算器（夏普EL-805）等产品量产，以及在此前后发明的PDP（1964年）、LCD（1968年）、LED（1977年）、OLED（1979年）等平板显示技术。显示屏厚度薄到一定程度（如0.1mm以下）就自然进化为柔性显示。

大型化重点发展阶段始于1991年，标志是夏普、NEC、东芝的第一代TFT-LCD（300mm×400mm）量产。成熟的LCD显示技术结合成熟的半导体工艺技术，平均两年升级一代，直到2009年第十代TFT-LCD（2880mm× 3130mm）量产。同时，小尺寸LCD采用触控等技术，大尺寸LCD采用LED背光等技术，不断地扩大显示面积。

精细化重点发展阶段始于2009年，标志是LTPS产品（三星i8910）、IGZO产品、视网膜手机（苹果iPhone 4）的量产。六代及以下的生产线转型为LTPS TFT驱动，六代以上的生产线转型为IGZO TFT驱动，大型化重点发展阶段的a-Si TFT技术逐渐被替代。精细化重点发展阶段前半段的发展以智能手机为代表，后半段的发展以超高清电视为代表。

立体化重点发展阶段始于超高清视频产业的全面成熟，所以精细化是立体化的基础，两者的关系如图1-3所示。为保证3D图像的分辨率，立体显示从2K（FHD/1080p）起步，最早具备2K高分辨率的电影最先导入3D显示，后来出现的FHD全高清电视促进了眼镜式3D显示的普及。裸眼3D显示需要更高的显示屏分辨率，以增加视点数（视角）并保证3D图像分辨率。为改善调节与辐辏冲突，保证观看的舒适度，要有全高清的3D显示图像和自由视场，要求显示屏分辨率持续提高。

目前，制约3D显示发展的调节和辐辏冲突、逆视等共性问题都可以通过提高显示屏分辨率加以解决。高精细显示屏上的巨量信息通过自然的3D显示不仅能给人类提供巨量信息，还能保证观看的舒适度，实现健康显示。所以，3D显示是显示的未来。

1.1.2 3D显示技术的发展历程

如图1-4所示，在3D显示的发展历程中，经历了漫长的基础3D显示技术开发阶段，随后眼镜式3D显示技术先后在电影和大尺寸电视上获得产业化，因为电影和大尺寸电视具有高分辨率影像的特点。随着显示屏像素的精细化程度越来越高，不需要佩戴眼镜的自由立体显示技术将获得广泛的应用。

1．基础3D显示技术开发

英国的C.Wheatstone最早揭示了左右眼的视觉差异在3D显示中的作用。1833年，他提出了双眼视差所产生的视网膜像的不对应性通过神经系统综合后形成立体视觉机制的学说，并于1838年制成象征人的双眼视差的台式实体镜（立体镜）。实体镜由两面彼此垂直的镜子A'和A组成，有相应位移的左右照片E'和E分别放置在照片的夹具D'和D上，转动游戏杆将照片调整至适当位置，左右照片通过左边镜子A'和右边镜子A的反射分别进入左右眼，经过大脑融合后形成深度感知。

3D显示离不开内容，最早的3D影像技术是1853年开发的Anaglyph技术。1853年，Rollman开发了3D照片技术。1855年，第一台可以用来制作3D动画的3D摄影机问世。1861年，Scovill发明了第一台双镜头3D相机。1891年，Anderton提出了基于偏光技术的3D投影概念，并于1893年申请了相关专利。

进入20世纪，3D显示技术得到了实质性的发展。1903年，F. E. Ives提出了双镜立体成像技术的概念，通过狭缝光栅的分光作用对特制图像成像。1908年，G. Lippmann提出了基于微透镜阵列的集成成像技术。1911年，Sokolov利用针孔阵列代替微透镜阵列实现了集成成像技术。1918年，Kanolt发明了基于视差光栅的全景图显示技术，实现多视点显示。20世纪30年代，基于集成透镜阵列的思想，简化的柱透镜光栅被应用到3D显示技术中。

1915年，第一部3D电影诞生，这部电影的播放利用了两种颜色的滤色眼镜片，每种眼镜片对有视差的图像内容滤色后分别进入一只眼，形成3D显示效果。1922年，第一部公开的3D电影The Power of Love上映；1935年，第一部3D彩色电影诞生；1939年，偏光技术被应用到3D电影中。

2．眼镜式3D显示产业化

经历了基础3D显示技术开发阶段后，3D显示的发展进入需要佩戴眼镜观看的3D电影时代，先后出现过三波浪潮，每波浪潮之间的间隔在30年左右。在眼镜式3D显示产业化的同时，学者们陆续开发了一些不需要佩戴眼镜的自由立体显示技术。

第一波3D显示浪潮出现在1952—1954年，标志是互补色3D显示技术在宽银幕电影中的应用。这段时间，共有40多部3D电影上映。但是，由于左右眼视差图像不能实时同步等原因，这波浪潮没能持续。伴随第一波3D显示浪潮，全息技术开始出现。1948年，Gabor提出了全息技术的概念。1960年，由于激光的发明给全息技术提供了条件，全息技术迅速发展并得到应用。

第二波3D显示浪潮出现在1982—1984年，标志是偏光眼镜式3D电影的普及。这段时间，共有30多部3D电影上市。但是，这些电影大多是低成本的作品，加上有线电视的普及，这波浪潮也没能持续。不过，伴随着这波浪潮，一些基础的3D显示技术陆续被提出来。1985年，基于液晶开关的主动快门式3D显示技术开始走向应用。20世纪90年代，随着平板显示技术的发展，狭缝光栅和柱透镜式自由立体显示技术得到迅速发展。1996年，基于转换荧光材料和激光扫描的体3D显示技术被首次提出。

第三波3D显示浪潮出现在2005—2010年，许多3D电影都以IMAX 3D的形式上映。IMAX 3D技术强调数字的精确性，比先前的技术在视觉舒适度方面有很大改善。除3D电影外，3D电视、3D电脑和3D手机也陆续上市。各种3D显示技术获得了广泛的研究。眼镜式3D显示技术的产业化与自由立体显示技术的研发齐头并进。

从2010年开始，随着家用电视尺寸的增大，偏光式与快门式3D电视伴随着第三波3D显示浪潮出现在普通消费者家庭。但由于电视的分辨率基本局限在FHD，所以3D显示效果欠佳。

3．自由立体显示产业化

在基础3D显示技术开发阶段和眼镜式3D显示产业化阶段，先后出现了多种自由立体显示技术。

早期获得实用化的自由立体显示技术是夏普欧洲公司开发的光屏障式3D显示技术，该技术通过在LCD显示屏和背光源之间增设光栅屏障，将左右眼接收的画面区分开来，实现3D显示。为解决光屏障式3D显示技术的亮度损失，Philips等公司开发了柱状透镜3D显示技术。该技术是在显示屏幕前面加上一层柱状透镜，构成左右视差图的像素光线通过柱透镜的折射，把视差图像分别投射到人的左右眼，从而使观众获得立体感。其实早在1985年，德国海因里希赫兹研究所（HHI）就使用透镜实现了自由立体显示，并于1990年开发出支持单个观看者的立体原型机。

此外，美国3M公司开发的指向背光3D显示技术，英国Reality Vision公司提出的全息自由立体显示（Holographic Autostereoscopic Display，HAD）技术，美国PureDepth公司开发的多层显示技术（Multi-Layer Display，MLD），都开展了产业化应用的探索。

目前，裸眼3D产品在分辨率、可视角度和可视距离方面仍然存在不足，限制了产业化的进一步发展，未来产业要努力突破这些技术难点。

由于技术的原理所限，目前裸眼3D显示产品的分辨率普遍不太高，显示效果要进行提升比较困难，这对于习惯了高清节目的观众来说就比较难以忍受。为了在提高分辨率的同时改善可视角度，人们提出了头部（人眼）跟踪技术。

可视角度也是一个亟待解决的问题，目前的产品，人们在观看屏幕时，必须位于一定的范围内才能观看到立体画面，若观看角度太大，3D显示效果就会弱化。可视角度与分辨率是一对矛盾体。

另外，可视距离也是一个不容忽视的问题，如果观看者距离屏幕位置太远同样会使3D显示效果大打折扣，而距离屏幕位置太近的话，人又容易出现明显的头晕现象。裸眼3D显示在观看的时候，观众需要和显示设备保持一定的距离才能看到3D效果的图像（3D效果受视角影响较大），3D画面和常见的眼镜式3D显示技术尚有一定的差距。

裸眼3D作为显示技术发展的必然趋势，被认为是最有生命力且终将成为下一代显示技术，裸眼3D显示关键技术的研究将决定今后显示产业的发展。目前，随着8K4K超高清大尺寸电视的出现，多视点和超多视点自由立体（裸眼3D）将成为3D显示的发展方向。整个3D显示产业的发展将由3D电视主导。