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封
面
解
读
本封面生动描绘了一幅增强现实三维显示（AR-3D）技术及产业的未来应用场景：驾驶员借助AR-3D抬头显示，享受着便利的导航和驾驶服务；透过车窗，不远处的行人通过头戴式AR-3D眼镜查看着地图等虚拟信息；远处是苏州的地标性建筑——苏州中心，借助AR-3D空间光场显示，可观看到虚实相生的东方之门轮廓以及三维定位标识。AR-3D技术实现了数字信息和现实信息的交互融合，可为人们提供更丰富的虚拟信息和更沉浸的三维观看体验，丰富的应用场景更揭示了AR-3D技术具有广阔的未来。
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背景
增强现实三维（AR-3D）显示技术，是一种将数字信息叠加到现实世界中的新型显示技术，并提供立体视觉体验，具有高度的交互性和可扩展性，极大地增强了人类与数字信息的感知与交融。近年来，随着“元宇宙”概念的出现与不断升温，元宇宙的硬件接口呈现出多元化的趋势，包括个人元宇宙的可穿戴设备、车载元宇宙的智能座舱设备，以及空间元宇宙的智能交互设备。其对应的新型显示形态分别为提供个人沉浸式体验的头戴式显示［包括虚拟现实（VR）头盔、AR 眼镜等］、常应用于汽车或航空领域的抬头显示，以及适用于公共场合支持多人观看的空间透明显示，如图1 所示。
图1 元宇宙的硬件接口及相应的新型显示形态
现有AR显示产品存在共性局限：1）仅能呈现2D图像；2）基于左右眼不同的视差形成“伪3D”图像，长期观看易受到辐辏调节矛盾（VAC）影响而产生严重视疲劳。此外，增加沉浸感、扩大观察视场角，也是目前AR-3D显示走向消费市场必须要克服的问题与众多研究人员重点投入的研究方向。
苏州大学陈林森研究员、乔文教授团队特邀综述回顾了现有的AR-3D显示技术，并根据3D显示的不同实现方式进行分类，包括视差型、多平面型和光场型AR-3D显示技术。此外，根据各类技术的特点，分析了它们的应用场景、核心规格、市场规模与产业链结构。最后，对AR-3D显示技术的未来发展进行了展望。
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AR-3D显示技术分类
人眼主要依靠深度感知线索来观察3D图像。3D显示技术提供的深度感知线索包括双目视差、双目会聚、单目调焦与运动视差4类。根据所提供的不同物理感知线索，3D显示可分为视差型、多平面型和光场型。
2.1 视差型AR-3D显示技术
视差型AR-3D显示技术基于双目视差原理，在人的左右眼呈现略有差别的图像，利用人脑形成立体视觉。该技术常应用于头戴式显示设备，但存在易造成人眼VAC的问题。为解决VAC问题，学者们提出了麦克斯韦视图的技术方案，该技术允许虚拟3D图像被投影在一定深度范围内，该范围覆盖了从双眼会聚深度到单眼调节深度的距离，从而可以缓解视疲劳。最新提出的一种基于计算全息术和麦克斯韦视图的视差型AR-3D显示系统，可以提供具有大景深的视差型全息图像，不仅解决了VAC问题，还实现了800~900 mm的景深范围，如图2所示。然而，麦克斯韦视图显示方案还存在眼盒范围小的限制，并且其与真实体验有一定差异——无法产生对应的视网膜模糊。
图2 基于麦克斯韦视图和计算全息的视差型AR-3D显示[1]。（a）原理示意图；（b）长焦深显示实验效果图
智能手术训练、医疗模拟等领域对该技术有着迫切需求。国内外各大AR眼镜厂商，正在积极布局头显设备的研发与量产[2-4]， 如微软、雷鸟、苹果。Internet Data Center（IDC）在2024年年初的报告中指出2024年AR/VR头戴式设备出货量预计增长44.2%，达到970万台。2028年底，AR头盔的基数将从2024年的不到100万台增长到2028年的1090万台，同期复合年增长率为87.1%[5]。
2.2 多平面型AR-3D显示技术
多平面型AR-3D显示技术通过空间复用或时间复用技术在空间构建两焦面或多焦面来提供部分深度信息，有效地解决了VAC问题。该技术发展存在如下突破点：1）实现准确聚焦线索和高保真3D还原需要大量的焦平面和紧凑的平面间距，这对图像渲染速度和系统复杂度提出了很高的要求，而结合深度融合三维感知原理可进一步改进多平面AR-3D显示；2）空间复用和时间复用技术都会引入额外的器件，每增加一个焦平面，就需要多配备一个微显示器或者增加刷新率，而引入偏振复用的超表面结构可以实现更多的焦平面，进而减轻系统的负担。
该技术主要应用于车载抬头显示（HUD）设备，其中双焦面的AR-HUD成为目前汽车行业的研发趋势，如图3所示。大众、奥迪、FUTURUS等公司正在探索可实现连续变焦效果的多焦面方案，实现将不同位置的真实物体与HUD虚拟影像在视觉上融合。根据Vantage Market Research的报告，全球AR-HUD市场将从2023年的3.43亿美元增长到2032年的28.33亿美元，复合年增长率为26.43%[6]。
图3 双焦面AR-3D显示应用于车载HUD[7]。（a）原理示意图；（b）显示效果
2.3 光场型AR-3D显示技术
光场型AR-3D显示采用高精度、高透明度的光学器件调控光场，使观众无需佩戴眼镜，即可观看到具有真实深度线索的AR-3D效果，能够提供完整连续的深度信息。该技术以光场调控器件为核心，包括微透镜阵列、超透镜阵列与像素化超构光栅等，可同时提供双目视差、单目调焦以及连续运动视差等多种物理感知线索。基于像素化衍射光学元件的AR-3D显示如图4所示。该技术目前主要面临的瓶颈是视场角、空间分辨率与显示深度之间相互矛盾，且显示效果十分依赖光场调控器件。
图4 基于像素化衍射光学元件的光场型AR-3D显示[8]。（a）原理示意图；（b）实际效果图
近几年，苏大维格-苏州大学合作研制的300~450 mm边长的衍射光波导与大尺寸融合现实透明全息样机，突破了大面积光场屏的设计与制造瓶颈，这种显示屏将有望应用于智慧文旅、智慧教育等领域。目前，该技术因受到算法、微纳加工等限制，仍处于研发阶段，还未实现大规模的产业化、市场化，但其具有真实三维成像效果、高自由度等特点，故会是未来AR-3D显示技术的重要技术方案之一。
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总结与展望
本文针对AR-3D显示的技术路径和产业化进程进行了系统综述。根据提供给用户的不同物理感知线索，对AR-3D显示技术进行了分类。重点介绍了各类3D显示的基本原理和各种AR-3D显示的发展过程、技术特点以及代表性文献。此外，根据各类技术的特点，分析了它们当前的应用场景、核心规格、市场规模与产业链结构。
展望未来，一方面随着人工智能和机器学习的广泛发展和应用拓展，未来将实现更多维度的光场调控，提高光场调控效率，针对AR-3D 显示应用场景设计出各类高性能光场调控器件。另一方面，光场感知技术与AR-3D显示结合发展，将进一步扩展AR-3D显示的应用场景，为航空航天、工业制造、医疗健康等领域提供更高效和安全的显示、交互一体式解决方案。
作者介绍
李颖泉，苏州大学光电科学与工程学院2024级硕士研究生。研究方向为微纳光学及新型显示。
华鉴瑜，苏州大学师资博士后，主要从事微纳光学及新型显示研究，包括复杂3D光场调控、裸眼3D显示与虚实融合3D显示等。在Light：Science & Applications、Nanophotonics 等期刊发表论文10余篇，申请国家发明专利4项。现主持国家/江苏省自然科学青年基金、中国博士后科学基金，并参与国家重点研发计划、江苏省前沿基础等重大项目。获江苏省科学技术一等奖、苏州市自然科学优秀学术论文二等奖等奖项。
乔文，苏州大学教授、博士生导师，主要从事微纳光学与新型显示的理论和基础应用研究，包括3D显示、抬头显示、近眼显示、微纳制造等。在Advanced Materials、Light: Science & Applications、Optica 等期刊发表论文50余篇，申请/授权中国发明专利100余项。作为项目负责人先后主持了国家自然科学基金、“十四五”重点研发计划课题等多个项目。入选教育部国家级重大人才工程青年项目，荣获国际信息显示学会（SID）中国大陆地区年度杰出显示青年人才奖，入选江苏省“333高层次人才培养工程”第三层次培养对象。
陈林森，苏州大学研究员，博士生导师，九三学社社员。从事微纳光学与柔性制造的前沿研究与创新应用。我国最早提出“微纳光学与柔性制造”时，作为首席科学家，主持承担国家863计划-先进制造领域重大项目、国家重大仪器设备开发专项、国家重点研发项目。荣获3项国家科技进步奖二等奖、5项江苏省科技奖一等奖，发明专利获7项中国专利优秀奖。
科学编辑 | 李颖泉
编辑 | 贾文斌
参考文献：
[4] https://www.163.com/dy/article/I58VBR3M0511AEA7.html.
[6] https://www.vantagemarketresearch.com/industry-report/ar-hud-market-0737.
[7] Wang Z, Pang Y J, Su Y M, et al. Holographic multiplane augmented reality head-up display with switchable display modes based on polymer dispersed liquid crystal[J]. Applied Optics, 2024, 63(3): 692-698. 返回搜狐，查看更多
