裸眼三維立體顯示領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展
清華廖洪恩教授成功研發(fā)出世界最長(zhǎng)顯示距離的動(dòng)態(tài)立體顯像裝置
清華新聞網(wǎng)4月28日電 日前，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系廖洪恩教授在立體圖像顯示領(lǐng)域取得重要突破，其研究成果“超長(zhǎng)距離空間光束均勻發(fā)射三維顯示”（Super Long Viewing Distance Light Homogeneous Emitting Three-dimensional Display）發(fā)表于Nature出版集團(tuán)《科學(xué)報(bào)道》（Scientific Reports）期刊。該項(xiàng)成果刊登后，迅速被英國(guó)物理學(xué)會(huì)光學(xué)網(wǎng)站（Optics.org）以題為《裸眼三維顯示嶄新途徑》（New route to glasses-free 3D displays）和《清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用微機(jī)電掃描系統(tǒng)規(guī)避了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷》（Tsinghua University system uses MEMS scanning units to avoid pitfalls of existing designs）研究亮點(diǎn)所評(píng)述。
此項(xiàng)研究完全摒棄傳統(tǒng)裸眼三維立體顯示技術(shù)對(duì)光學(xué)透鏡或光柵的依賴(lài)，并克服現(xiàn)有立體成像技術(shù)的缺陷，提出基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）光束掃描陣列的具有突破性的技術(shù)革新方法以實(shí)現(xiàn)立體空間全真三維圖像重建。研究成果不僅在裸眼三維顯示的理論領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，而且基于此理論研制出的動(dòng)態(tài)立體顯示裝置也刷新了裸眼立體顯示距離的世界記錄。
隨著3D電視和顯示技術(shù)的進(jìn)步，三維立體顯示逐漸成為大眾關(guān)注的熱點(diǎn)話(huà)題。作為一種真三維裸眼立體顯示技術(shù)，立體全像（Integral Photography）能夠在無(wú)輔助定位與顯示裝置的條件下顯示全視差三維立體圖像。但包括立體全像在內(nèi)的現(xiàn)有裸眼三維顯示技術(shù)其顯示深度、分辨率和視角等受限于透鏡陣列或光柵的性能，如何克服硬件條件，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)三維立體圖像顯示一直是立體影像領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。這項(xiàng)研究通過(guò)融合MEMS加工技術(shù)與信號(hào)通信及處理技術(shù)，摒棄裸眼三維立體成像中透鏡或光柵引入的局限，開(kāi)創(chuàng)MEMS光束掃描型真三維立體影像顯示的先河。該研究著眼點(diǎn)極具獨(dú)創(chuàng)性，同時(shí)得益于無(wú)光學(xué)畸變的高精度光束發(fā)射，該方法也在裸眼立體顯示深度上獲得重大突破，為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離裸眼立體顯示尋找到有效途徑。
超長(zhǎng)距離空間光束均勻發(fā)射三維立體顯示原理及與傳統(tǒng)技術(shù)的比較。
研究使用的MEMS光束掃描型方法被命名為超長(zhǎng)距離空間光束均勻發(fā)射（Light Homogeneous Emitting，LHE）新型三維立體顯示方法。實(shí)際搭建的LHE三維顯示器從實(shí)驗(yàn)論證了新型研究思路的可行性并獲得出色成果?，F(xiàn)階段生成的立體圖像縱深可超過(guò)6米，實(shí)現(xiàn)了世界最長(zhǎng)距離的三維立體顯示。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)控制MEMS光束，現(xiàn)可制作超長(zhǎng)距離的動(dòng)態(tài)裸眼立體影像顯示器。
基于MEMS光束掃描的LHE 3D顯示技術(shù)。
作為此立體顯示裝置主要組成部分，MEMS光束掃描器可由集成電路技術(shù)制造，并能夠進(jìn)行快速有效的產(chǎn)業(yè)化。隨著MEMS制造與集成技術(shù)的進(jìn)步，緊湊型設(shè)計(jì)與精確控制技術(shù)將大大提高LHE三維顯示裝置的性能與實(shí)用性。在未來(lái)將有可能生產(chǎn)出與現(xiàn)有二維顯示器尺寸相當(dāng)?shù)穆阊廴S顯示裝置，在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛取代二維顯示器。此外，結(jié)合可控輸入數(shù)據(jù)源與掃描模式，LHE三維顯示裝置將實(shí)現(xiàn)包括二維、多視點(diǎn)立體及裸眼三維立體全像等模式在內(nèi)的多模態(tài)動(dòng)態(tài)影像顯示。這項(xiàng)技術(shù)在克服裸眼三維立體成像技術(shù)瓶頸的同時(shí)，也期待實(shí)現(xiàn)裸眼三維顯示以及3D電視等的革命性變化，占領(lǐng)未來(lái)三維立體顯示的一席之地。
LHE三維顯示系統(tǒng)的原型及超長(zhǎng)距離立體顯示結(jié)果。
廖洪恩教授2010年獲國(guó)家特聘專(zhuān)家稱(chēng)號(hào)，現(xiàn)任清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授、博士生導(dǎo)師。廖洪恩教授長(zhǎng)年致力于高性能裸眼三維立體醫(yī)學(xué)影像、微創(chuàng)診療一體化等領(lǐng)域的研究，并取得一系列國(guó)際矚目的重要成果。其在世界上首次實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)治療的立體空間透視導(dǎo)航系統(tǒng)，以及研制的世界上首臺(tái)用肉眼即可觀(guān)察到具5米以上圖像縱深的立體圖像顯示裝置曾被美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)媒介廣為報(bào)道，并在德國(guó)漢諾威世界博覽會(huì)、日本科學(xué)未來(lái)館等十幾家展覽會(huì)和博物館展出。曾獲得國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)盟頒發(fā)的IFMBE青年學(xué)者獎(jiǎng)、愛(ài)立信青年科學(xué)家獎(jiǎng)、荻野獎(jiǎng)等十余項(xiàng)國(guó)際/地區(qū)性獎(jiǎng)項(xiàng)。廖洪恩教授研究團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于超高速成像和空間三維顯示的研究成果也發(fā)表在《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）、《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express）等國(guó)際頂級(jí)期刊。
該研究得到包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、985工程等基金和項(xiàng)目的支持。
相關(guān)鏈接：
Hongen Liao: Super long viewing distance light homogeneous emitting three-dimensional display, Scientific Reports, 5: 9532, 2015. (DOI: 10.1038/srep09532)
http://www.nature.com/srep/2015/150329/srep09532/full/srep09532.html
新聞報(bào)道鏈接：New route to glasses-free 3D displays---Tsinghua University system uses MEMS scanning units to avoid pitfalls of existing designs.
http://optics.org/news/6/4/17
微創(chuàng)診療與三維影像實(shí)驗(yàn)室：http://at3d.med.tsinghua.edu.cn/
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：蕾蕾
