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裸眼三维立体显示领域取得突破性进展
清华廖洪恩教授成功研发出世界最长显示距离的动态立体显像装置

清华新闻网4月28日电 日前,清华大学医学院生物医学工程系国家“千人计划”廖洪恩教授在立体图像显示领域取得重要突破,其研究成果“超长距离空间光束均匀发射三维显示”(Super Long Viewing Distance Light Homogeneous Emitting Three-dimensional Display)发表于Nature出版集团《科学报道》(Scientific Reports)期刊。该项成果刊登后,迅速被英国物理学会光学网站(Optics.org)以题为《裸眼三维显示崭新途径》(New route to glasses-free 3D displays)和《清华大学团队使用微机电扫描系统规避了现有技术的缺陷》(Tsinghua University system uses MEMS scanning units to avoid pitfalls of existing designs)研究亮点所评述。

此项研究完全摒弃传统裸眼三维立体显示技术对光学透镜或光栅的依赖,并克服现有立体成像技术的缺陷,提出基于MEMS(微机电系统)光束扫描阵列的具有突破性的技术革新方法以实现立体空间全真三维图像重建。研究成果不仅在裸眼三维显示的理论领域独树一帜,而且基于此理论研制出的动态立体显示装置也刷新了裸眼立体显示距离的世界记录。

随着3D电视和显示技术的进步,三维立体显示逐渐成为大众关注的热点话题。作为一种真三维裸眼立体显示技术,立体全像(Integral Photography)能够在无辅助定位与显示装置的条件下显示全视差三维立体图像。但包括立体全像在内的现有裸眼三维显示技术其显示深度、分辨率和视角等受限于透镜阵列或光栅的性能,如何克服硬件条件,实现精准三维立体图像显示一直是立体影像领域亟待解决的问题。这项研究通过融合MEMS加工技术与信号通信及处理技术,摒弃裸眼三维立体成像中透镜或光栅引入的局限,开创MEMS光束扫描型真三维立体影像显示的先河。该研究着眼点极具独创性,同时得益于无光学畸变的高精度光束发射,该方法也在裸眼立体显示深度上获得重大突破,为实现超长距离裸眼立体显示寻找到有效途径。

超长距离空间光束均匀发射三维立体显示原理及与传统技术的比较。

研究使用的MEMS光束扫描型方法被命名为超长距离空间光束均匀发射(Light Homogeneous Emitting,LHE)新型三维立体显示方法。实际搭建的LHE三维显示器从实验论证了新型研究思路的可行性并获得出色成果。现阶段生成的立体图像纵深可超过6米,实现了世界最长距离的三维立体显示。同时,通过实时控制MEMS光束,现可制作超长距离的动态裸眼立体影像显示器。


 

基于MEMS光束扫描的LHE 3D显示技术。

作为此立体显示装置主要组成部分,MEMS光束扫描器可由集成电路技术制造,并能够进行快速有效的产业化。随着MEMS制造与集成技术的进步,紧凑型设计与精确控制技术将大大提高LHE三维显示装置的性能与实用性。在未来将有可能生产出与现有二维显示器尺寸相当的裸眼三维显示装置,在各个应用领域广泛取代二维显示器。此外,结合可控输入数据源与扫描模式,LHE三维显示装置将实现包括二维、多视点立体及裸眼三维立体全像等模式在内的多模态动态影像显示。这项技术在克服裸眼三维立体成像技术瓶颈的同时,也期待实现裸眼三维显示以及3D电视等的革命性变化,占领未来三维立体显示的一席之地。

 LHE三维显示系统的原型及超长距离立体显示结果。

廖洪恩教授2010年入选国家“千人计划”,获国家特聘专家称号,现任清华大学医学院生物医学工程系教授、博士生导师。廖洪恩教授长年致力于高性能裸眼三维立体医学影像、微创诊疗一体化等领域的研究,并取得一系列国际瞩目的重要成果。其在世界上首次实现微创手术治疗的立体空间透视导航系统,以及研制的世界上首台用肉眼即可观察到具5米以上图像纵深的立体图像显示装置曾被美国、英国、德国、俄罗斯、日本等国媒介广为报道,并在德国汉诺威世界博览会、日本科学未来馆等十几家展览会和博物馆展出。曾获得国际生物医学工程联盟颁发的IFMBE青年学者奖、爱立信青年科学家奖、荻野奖等十余项国际/地区性奖项。廖洪恩教授研究团队近期关于超高速成像和空间三维显示的研究成果也发表在《自然光子学》(Nature Photonics)、《光学快报》(Optics Express)等国际顶级期刊。

该研究得到包括国家自然科学基金、国家重大科研仪器研制项目、985工程等基金和项目的支持。

相关链接:

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

新闻报道链接: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

微创诊疗与三维影像实验室:http://at3d.med.tsinghua.edu.cn/

 

供稿:医学院 编辑:蕾蕾

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2015-04-28 14:22:26]
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