3D显示是显示的未来，是大数据时代显示巨量信息的载体，是实现健康显示的有效途径。本书在结合政、产、学、研多年科研成果和工程实践的基础上，系统地介绍了3D显示的基本原理、实现技术，以及存在的问题与对策。全书分为四部分：第一部分包括第1章和第2章，介绍3D显示技术的基本概念；第二部分包括第3～6章，介绍基于眼镜、光栅、指向背光等传统光学元件的2视点与多视点3D显示技术；第三部分包括第7～9章，介绍光场3D、体3D、全息3D等真3D显示技术；第四部分包括第10～12章，介绍视错觉3D显示技术、AR/VR中的3D显示技术及应用，以及3D显示的画质提升与视疲劳对策。本书可作为高校、科研单位、企业、政府等理解、应用和发展3D显示技术的重要参考资料。

总序 新型显示产业是国民经济和社会发展的战略性和基础性产业，加快发展新型显示产业对促进我国产业结构调整，实施创新驱动发展战略，推动经济提质增效升级具有重要意义。新型显示产业具有投资规模大、技术进步快、辐射范围广、产业集聚度高等特点，是一个年产值超过千亿美元的新兴产业。为了贯彻党中央、国务院提出的“加快实施科技创新和制造强国的发展战略”，促进政府引导下产、学、研的结合和全产业链的合作，推动我国新型显示技术和产业的创新升级与发展，把握下一代新型显示技术和产业的发展趋势，对于实现政府、产业、技术、市场和用户的良性互动并打破国外技术垄断，实现我国新型显示产业链条的延伸和产业升级，具有现实和长远的战略意义。 国家领导人高度重视我国新型显示产业的发展。习近平总书记先后于2007年6月19日视察上海广电的中国大陆地区第一条G5液晶面板生产线，2011年4月9日视察合肥京东方的中国大陆地区第一条G6液晶面板生产线，2016年1月4日视察重庆京东方的G8.5液晶面板生产线，2018年2月11日视察成都中电熊猫的世界第一条G8.6 IGZO液晶面板生产线。在合肥京东方，习近平总书记指出：显示产业作为战略性新兴产业代表着科技创新和产业升级的方向，决定着未来经济发展的制高点，一定要大力培育和发展。在成都中电熊猫，习近平总书记勉励企业抢抓机遇，提高企业自主创新能力和国际竞争力，推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。 短短十多年来，在政策推动及产业链相关企业的共同努力下，我国新型显示产业取得了跨越式发展。2017年，我国大陆地区TFT-LCD面板出货量和出货金额双双跃居世界第一。2018年，我国大陆地区面板出货量稳居世界第一，营收规模居世界第二。截至2019年8月，我国已建成显示面板生产线43条，规划或在建显示面板生产线17条，全球建成或在建的6条G10以上超高世代液晶面板生产线都在中国。显示面板生产线的投资总额已超过1万亿元。2020年，我国在全球面板市场的占比将超过50%。 在我国面板规模稳居世界第一的当下，如何引领产业继续向前发展是我们面临的新课题。未来几年是我国新型显示产业进入由大到强、由并跑到领跑的关键时期，面临着产能规模大与创新能力不足、产业配套能力薄弱之间的不平衡，技术储备和前瞻技术布局不充分，资源分散与集聚发展的要求不协调等诸多问题和挑战。深刻认识新型显示技术的原理内涵和显示产业的发展规律，利用并坚持按发展规律指导显示产业布局，关系到我们是否能够引领整个显示产业的发展，是否能够推动信息产业的转型升级。为了系统呈现当代新型显示技术的发展全貌及其进程，总结和探索新型显示领域已有的和潜在的研究成果，服务我国新型显示产业的持续发展，电子工业出版社组织编写了新型显示技术丛书。 本丛书共7册，具有以下特点： （1）系统创新性。《主动发光显示技术》和《非主动发光显示技术》概述了等离子体显示、半导体发光二极管显示、液晶显示、投影显示等全部新型显示技术，《TFT-LCD原理与设计（第二版）》和《OLED显示技术》系统介绍了目前具备规模量产的TFT-LCD和OLED两大显示产业，《3D显示技术》和《柔性显示技术》完整介绍了最具潜力的两种新型显示形态，《触控显示技术》全面介绍了显示终端界面实现人机交互的支撑技术。 （2）实践应用性。本丛书基于新型显示的生产实践，将科学原理与工程应用相结合，主编和执笔者都是国内各相关技术领域的权威人士和一线专家。其中，马群刚博士、闫晓林博士、王保平教授、黄维院士都是工业和信息化部电子科技委委员。工业和信息化部电子科技委致力于电子信息产业发展的科学决策，推动建立以企业为主体、产学研用相结合的技术创新体系，加快新技术推广应用和科研成果产业化，增强自主创新技术和产品的国际竞争力，促进我国电子信息产业由生产大国向制造强国转变。本丛书是产业专家和科研院所研究人员合作的结晶，产业导向明确、实践应用性强，有利于推进新型显示技术的自主创新与产业化应用。 （3）能力提升性。本丛书注重新型显示行业从业人员应用意识、兴趣和能力的培养，强调知识与技术的灵活运用，从而培养和提高新型显示从业人员的实际应用能力和实践创新能力。丛书内容着眼于新型显示行业从业人员所需的专业知识和创新技能，让从业人员学而有用，学而能用，以提升新型显示行业从业人员的能力及工作效率。 培育新型显示人才，提升从业人员对新型显示技术的认识，出版“产学研”结合的科技专著必须先行。希望本丛书的出版，能够为增强产业自主创新能力，推动我国新型显示产业迈向全球价值链中高端贡献一份力量。 王小谟 中国工程院院士 工业和信息化部电子科技委首席顾问 2019年10月30日 序言 我们生活在三维空间里面，我们的双眼不仅能够感知物体的明暗、色彩，同时还能够感知物体的远近，感知三维空间中物体的相互位置关系。然而，在信息通信技术高速发展的今天，我们所接触的各种信息显示设备基本都是以二维图像的方式呈现在我们的眼前，我们无法通过双眼的直接观测来感知显示的三维物体。研究和发展一种可直接观看、交互的三维显示技术，一直是信息显示技术领域研究人员长期的奋斗目标。 三维显示技术可以追溯到100多年前英国人格林发明的立体电影装置，以及法国科学家Lippman发明的集成照相术（Integral Photography）。在此之后，三维显示技术的发展经历了多次起伏，20世纪50年代立体电影迎来了第一个发展高峰，2009年上映的《阿凡达》推动立体电影发展到又一个高峰。在这100多年的发展历程中，虽然用户的三维观影体验获得了极大的提升，但是三维显示技术本身却没有很大的技术突破。用户除需佩戴眼镜而带来不舒适感之外，还存在着屏幕显示亮度下降、立体视觉疲劳等诸多问题。 可实现裸眼观看、交互的三维显示技术经常出现在各种科幻电影当中，如三维空间的悬浮显示、三维全息显示等，如何将科幻电影中的技术转化成现实生活中的真实技术一直是近些年来研究的热点。由于三维显示技术可以采用声、光、电、气等多种形式将影像在三维空间呈现，因此技术种类非常多，经常使初学者摸不着门道，搞混各种定义。 马群刚博士和夏军教授编著的《3D显示技术》全面地分类和整理了当前各种三维显示技术。在这里，我真诚地将本书推荐给每位对光电显示技术有兴趣的读者。读者可以通过本书，了解到从传统几何光学的三维光场重建，到基于傅里叶光学的三维波前重建等各种三维显示原理。通过对各种技术的实现方法，以及发展路径的了解，读者可以认识当前三维显示技术存在的优缺点，从而启发更加深入的思考，激发原理性的创新。 信息显示技术涉及信号的采集、存储、处理和显示，是信息通信技术中的人机交互平台，对推动5G，乃至下一代通信技术的发展都具有指导意义。我也真诚地将本书推荐给每位对信息技术有兴趣的读者，从这本书里你可以了解到信息在人机交互的终端上所呈现的多样性，以及多维度信息在当前和未来所面临的挑战。 三维显示技术涉及光学、电学、材料学、信息学等多个领域，本书以光场再现方式作为主线，对各种三维显示技术进行了分类，并详细描述各种实现方法，有助于初学者在了解各种技术的同时，触类旁通，拓宽视野。 三维显示技术仍然是一个发展中的技术，我们都在殷切期望着科幻电影中炫酷三维显示能够尽早实现。我真诚地推荐这本书给有志于从事三维显示技术的研究人员和学生，它既可以作为一本手册常备身边检索，也可以作为系统学习的教材，通过对现有技术的全面学习，从而能够站在前人研究的基础上，获得灵感，将炫酷的三维显示带到现实中来。 戴琼海 中国工程院院士 2019年10月30日 前言 真实还原三维世界的影像，是信息显示技术发展的终极目标。真实世界的三维信息对视频的采集、处理、传输和显示都提出了更高的要求，当前5G通信以及超高分辨率显示屏的发展，为克服传统三维显示分辨率低、立体视觉疲劳、用户体验差等问题带来了契机。 针对目前3D显示行业学习资料较少的现实，著者把近十多年来3D显示领域的研究成果进行了整理，编写了此书。 本书兼顾3D显示技术的科学原理与产业应用，力求全面系统。在介绍3D显示的视觉原理和发展概述后，详细介绍了各类3D显示技术。其中，眼镜式3D显示技术、光遮挡型3D显示技术、光折射型3D显示技术、指向背光3D显示技术都实现了商业化应用，本书分别作为一章进行具体介绍。作为最有希望实现舒适观看体验的3D显示方向，光场3D显示技术、体3D显示技术、全息3D显示技术，分别进行了重点介绍。为了保持3D显示技术的完整性，随后还介绍了初级的视错觉3D显示技术。在介绍了各类3D显示技术之后，介绍了VR/AR中的3D显示技术应用以及改善3D显示视疲劳的技术方向。 本书共12章，马群刚博士撰写了第1章、第2章、第3章、第4章、第5章、第6章、第7章、第10章、第12章，夏军教授撰写了第8章、第9章、第11章。全书由马群刚博士负责统稿。 本书既可作为电子科学与技术、光学工程、物理学、信息与通信工程、计算机科学与技术等相关专业学生的教材、参考书，也可作为3D显示技术相关领域的研究人员、工程师、管理者的自学参考用书。 感谢工业和信息产业科技与教育专著出版资金的支持，感谢在本书撰写过程中给予支持的各位专家。3D显示技术的发展方向众多、创新层出不穷，由于著者水平和经验有限，书中难免存在不足之处，真诚希望读者批评指正。 作者 2019年7月1日

目录 第1章 绪论 1 1.1 3D显示技术的发展 1 1.1.1 显示技术的发展规律 1 1.1.2 3D显示技术的发展历程 5 1.2 3D显示技术的类别 9 1.2.1 3D显示技术的分类 9 1.2.2 各类3D显示技术的优缺点 12 1.3 3D显示技术的应用 14 1.4 3D显示技术的挑战 17 本章参考文献 19 第2章 立体视觉与3D显示 25 2.1 人眼的视觉功能 25 2.1.1 人眼视觉系统 25 2.1.2 单眼视觉功能 28 2.1.3 双眼视觉功能 32 2.2 深度线索 35 2.2.1 心理深度线索 35 2.2.2 运动深度线索 38 2.2.3 立体深度线索 41 2.2.4 生理深度线索 43 2.2.5 深度感知范围 46 2.3 3D显示中的视觉线索 49 2.3.1 3D空间再现的基本要素 49 2.3.2 双目视差式3D显示 51 2.3.3 单目聚焦式3D显示 55 2.3.4 2D视图转3D显示 57 本章参考文献 61 第3章 眼镜式3D显示技术 67 3.1 色差式3D显示技术 67 3.1.1 颜色视觉理论与分色3D显示 67 3.1.2 宽带分色3D显示技术 69 3.1.3 窄带分色3D显示技术 71 3.2 偏光式3D显示技术 73 3.2.1 偏振光与3D显示 73 3.2.2 被动式偏光3D显示技术 76 3.2.3 主动式偏光3D显示技术 79 3.2.4 双屏式偏光3D显示技术 81 3.3 快门式3D显示技术 83 3.3.1 快门式3D显示的基本原理 83 3.3.2 快门式3D显示的课题 86 3.3.3 快门式3D显示的串扰对策 88 本章参考文献 91 第4章 光遮挡型3D显示技术 95 4.1 视差光栅3D显示技术 95 4.1.1 上视差光栅3D显示技术 95 4.1.2 下视差光栅3D显示技术 99 4.1.3 双视差光栅3D显示技术 102 4.1.4 阶梯视差光栅3D显示技术 103 4.1.5 偏光光栅3D显示技术 106 4.2 动态视差光栅技术 109 4.2.1 2D/3D切换型视差光栅技术 109 4.2.2 时间分割型视差光栅技术 111 4.2.3 移动型视差光栅技术 114 4.3 自由立体显示的评价参数 117 4.3.1 视点与瓣 117 4.3.2 最佳观看距离 120 本章参考文献 122 第5章 光折射型3D显示技术 127 5.1 柱透镜光栅3D显示技术 127 5.1.1 柱透镜光栅3D显示原理 127 5.1.2 倾斜透镜光栅3D显示技术 131 5.1.3 移动透镜板3D显示技术 135 5.2 棱镜光栅3D显示技术 136 5.3 液晶透镜光栅3D显示技术 138 5.3.1 非均匀盒厚液晶透镜光栅3D显示技术 139 5.3.2 LCP柱透镜光栅3D显示技术 141 5.4 GRIN液晶透镜光栅3D显示技术 144 5.4.1 GRIN液晶透镜与3D显示 144 5.4.2 GRIN液晶透镜的设计技术 148 5.4.3 局部2D/3D显示切换技术 152 5.4.4 纵横2D/3D显示切换技术 156 5.4.5 扫描式GRIN液晶透镜技术 159 本章参考文献 161 第6章 指向背光3D显示技术 167 6.1 光折射型指向背光3D显示技术 167 6.1.1 单凸透镜结构指向背光技术 167 6.1.2 3D膜结构指向背光技术 168 6.1.3 棱镜阵列结构指向背光技术 171 6.1.4 透镜阵列结构指向背光技术 172 6.1.5 扫描视差背光技术 173 6.2 光反射型指向背光3D显示技术 175 6.2.1 契型沟槽结构指向背光技术 175 6.2.2 散射图案结构指向背光技术 178 6.2.3 椭圆反射镜结构指向背光技术 179 6.3 光衍射型指向背光3D显示技术 182 6.3.1 体全息光学元件指向背光技术 182 6.3.2 像素型光栅结构指向背光技术 184 本章参考文献 187 第7章 光场3D显示技术 191 7.1 光线空间与光场显示 191 7.1.1 光线空间与光场近似 191 7.1.2 光场3D显示的分类 195 7.1.3 光场成像与光场显示 199 7.2 集成成像3D显示技术 202 7.2.1 集成成像3D显示原理 203 7.2.2 集成成像与多视点显示 206 7.2.3 深度反转的解决对策 208 7.2.4 图像视域扩展技术 211 7.2.5 图像景深扩大技术 214 7.2.6 图像分辨率提升技术 217 7.2.7 集成成像2D/3D切换技术 219 7.3 多层成像3D显示技术 222 7.3.1 多层成像3D显示原理 222 7.3.2 压缩光场显示技术 225 本章参考文献 230 第8章 体3D显示技术 235 8.1 基于发光介质的固态体3D显示 235 8.1.1 基于固体介质能量跃迁的固态体3D显示 235 8.1.2 基于气体介质能量跃迁的固态体3D显示 238 8.1.3 基于化学染料的固态体3D显示 238 8.1.4 基于喷墨印刷的固态体3D显示 240 8.2 基于旋转屏幕的动态体3D显示 241 8.2.1 基于阴极射线球法的动态体3D显示 241 8.2.2 基于旋转发光二极管阵列的动态体3D显示 242 8.2.3 基于激光扫描螺旋旋转面的动态体3D显示 242 8.3 全息体显示 246 8.3.1 基于激光投影仪的全息体显示 246 8.3.2 基于ZBLAN玻璃的全息体显示 247 8.3.3 基于空中投影系统的全息体显示 249 8.4 自由空间体3D显示 250 8.4.1 基于光学陷阱的自由空间体3D显示 251 8.4.2 基于等离子体的自由空间体3D显示 252 8.4.3 基于改良空气的自由空间体3D显示 253 8.4.4 基于声学悬浮的自由空间体3D显示 255 8.5 多平面体3D显示 258 8.5.1 基于多变焦镜头的体3D显示 258 8.5.2 基于多液晶屏幕的体3D显示 261 8.5.3 基于多投影机的体3D显示 263 本章参考文献 264 第9章 全息3D显示技术 267 9.1 全息3D显示的基本原理 267 9.2 全息图的计算方法 269 9.2.1 点云法 269 9.2.2 倾斜平面方法 273 9.2.3 多平面法 277 9.2.4 光场方法 281 9.3 全息3D显示器件 285 9.3.1 基于光调控的全息3D显示器件 285 9.3.2 基于电调控的全息3D显示器件 289 9.3.3 基于声光调制器的全息3D显示器件 290 9.3.4 全息3D显示的复振幅调制方法 292 本章参考文献 298 第10章 视错觉3D显示技术 302 10.1 视错觉3D显示原理 302 10.1.1 视错觉的成因与类型 302 10.1.2 视错觉立体画与3D动画 306 10.2 景深融合3D显示技术 309 10.2.1 景深融合3D显示原理 309 10.2.2 亮度加法型景深融合3D显示技术 314 10.2.3 亮度除法型景深融合3D显示技术 317 10.3 基于Pulfrich效应的3D显示技术 319 本章参考文献 323 第11章 VR/AR中的3D显示技术 326 11.1 虚拟现实中的3D显示技术 326 11.1.1 虚拟现实显示技术的分类 326 11.1.2 虚拟现实中的三维显示技术 328 11.2 增强现实中的三维显示技术 334 11.2.1 增强现实显示的分类 334 11.2.2 增强现实显示技术面临的问题 337 11.2.3 增强现实中的三维光场显示技术 337 11.2.4 增强现实中的全息显示技术 341 11.2.5 全息光学元件在增强现实中的应用 347 本章参考文献 352 第12章 3D显示画质与视疲劳 354 12.1 串扰及其改善对策 354 12.1.1 眼镜式3D显示的串扰定义 354 12.1.2 自由立体显示的串扰定义 359 12.1.3 串扰的改善对策 363 12.2 摩尔纹及其改善对策 366 12.2.1 光栅3D显示的摩尔纹形成机理 367 12.2.2 摩尔纹的分类与对策 370 12.3 逆视及其改善对策 374 12.3.1 逆视的形成与改善 374 12.3.2 超多视点3D显示技术 377 12.3.3 人眼跟踪式3D显示技术 381 12.4 视疲劳及其改善对策 384 12.4.1 生理与心理因素对视疲劳的影响 384 12.4.2 3D图像对视疲劳的影响 388 12.4.3 显示设备对视疲劳的影响 391 12.4.4 视疲劳的评价与缓解措施 392 本章参考文献 395