“裸眼3D”漫漫十年研发路的启示

来源:新华日报 2022-06-08 08:37中投网 A-A+

   近日,《科技周刊》记者走进苏州一家光电企业,记录他们的裸眼3D十年研发之路。他们坦言,十年来投入大量科研资金、人才力量,但面临产业化仍有很漫长的路要走。

  “也许只有在AR、VR技术普及后,裸眼3D技术才会迎来自己的一番天地,但这不妨碍我们超前布局。”业界坚信,在数字经济时代,裸眼3D等数字技术终有一日会渗透到社会生活的方方面面,走进千家万户,而这需要政产学研各界的合力突围。

  十年前,向一项未来技术发起“攻势”

  2012年,当苏大维格光电科技股份有限公司(以下简称苏大维格)成立新型显示部时,苏大维格新型显示部部长、苏州大学教授乔文绝不会想到,裸眼3D的研发之路会有如此多的“拦路虎”。

  裸眼3D显示是典型的数字化技术。“显示本身就是把真实的世界或想要表达的图片进行数字化模拟表达。而裸眼3D显示是新型显示技术的一种,它能够将真实世界、元宇宙或虚拟世界的三维结构进行表达,最终通过硬件接口显示出来。”乔文这样定义裸眼3D。

  毫无疑问,在十年前,裸眼3D是一项面向未来的技术。向其发起“总攻”,团队的信心从何而来?

  “当时显示行业对裸眼3D技术已经有明确需求,传统显示产品上下游有链条,全息显示技术有积累,虽然不会马上见效果,但我们相信裸眼3D技术将变成未来的刚需。”苏大维格新型显示部副部长罗明辉说,人与信息的交互方式中视觉占据70%,而视觉信息大部分基于电脑和手机屏幕,现在几乎每个人都离不开电子显示。“裸眼3D显示更符合自然的交互方式,将重新定义人与机器的交互方式,一旦成熟,就是颠覆。”

  乔文记得,项目启动时,团队遇到的首要问题就是幅面缩小带来的挑战。“裸眼3D的显示载体是从6英寸手机到电视的大幅面,如果要实现深度3D信息的表达,就需要尺寸极小的结构和极高的精度,否则显示的3D图像非常模糊。”

  “成功表达三维信息,器件设计和制备两个要素非常重要,这也是裸眼3D显示的关键技术。”乔文告诉记者,在传统裸眼3D显示中,大部分使用微透镜或凸透镜表达,显示效果不佳。裸眼3D显示技术现今又面向手机端移动端,微纳结构是最佳的替代技术。

  “万里长征”第一步是微纳米加工技术,团队研发出微纳光刻设备,实现了3D信息的精准调控和编辑。“具体来说,在这个设备上,过去在设计上无法实现的一些结构能够被制造出来,同时可以实现图像的精准调控。”乔文解释说,团队设计了一种二维超构光栅阵列,通过调制入射光场的相位,形成点、线、面不同形状的混合视角;再根据人眼视网膜上视锥细胞分布特征,创新地提出了信息密度渐变3D显示;通过结合LCD平板,获得了超宽视角(160度)、彩色、无暗区的动态3D显示效果。该系统结构紧凑轻薄,虽还在迈向产业化的阶段,但面向移动电子显示终端提供了可行的技术方案,具有广泛的应用前景。

  人才、资金、“外援”,一个都不能少

  近几年,随着裸眼3D技术进入成熟期,其应用场景正在逐渐拓宽,比如用于购物、广告等。未来,还有望进入医疗、教育、旅游等多个领域。

  中研普华研究院《2022-2027年中国裸眼3D显示器行业竞争格局分析及发展趋势预测研究报告》分析,目前裸眼3D市场这块“蛋糕”还比较小,主要应用在商业方面,除了小尺寸的光障碍技术应用到7寸电影本可以民用化外,其他行情并不乐观。但随着技术的革新,裸眼3D或将是下一代显示的飞跃,更是一大趋势。此外,数字化进程加快以及政策的加持,也为裸眼3D显示带来新机遇。

  2021年5月上旬,科技部发布了《国家重点研发计划“数学和应用研究”等“十四五”重点专项2021年度项目申报指南》和《国家重点研发计划“信息光子技术”等“十四五”重点专项2021年度项目申报指南的通知》,此次发布的项目总共拨经费近50亿元。其中,裸眼3D显示核心光学器件和共性技术与架构的关键技术研发被纳入榜单之中。

  2021年12月,苏大维格牵头承担了裸眼3D领域国家重点项目“超薄宽视角向量光场显示技术与系统”。“得到了国内专家的认可,这对我们的技术是一种肯定,对我们继续走下去也是极大的鼓励。”罗明辉说。

  “回过头来看,十年磨一剑,时间甚至还不够用,技术上还有很多问题要解决。”乔文坦言,裸眼3D显示技术立项时,团队就很清楚这个项目产生效益的周期很久,因此大家都沉下心来,甘坐“冷板凳”。“说不焦虑是假的,一开始都是摸着石头过河,看不到项目进展,身边甚至没有太多支持的声音。”她回忆道,公司其他团队出成果时,新型显示团队每个成员内心都充满煎熬,同时自己作为苏州大学光电学院的教授,在考核上也面临很大的压力。

  好在公司对这一研发方向无比坚定。“人力和资金,只要团队提需求,公司都毫不犹豫地支持,现在的科研团队全部由博士硕士组成。”罗明辉说,除人力支出以外,还有设备开发费、材料费、额外加工费、测试费等,这些研发费用犹如填不满的“无底洞”,而公司一如既往的支持,给团队吃了“定心丸”。

  除自研团队外,苏大维格也积极寻找“外援”。乔文本身是苏州大学光电学院的教授,她的课堂有时候在高校,有时候在企业实验室。“现在有很多研究生借用苏大维格的场地做微纳原理验证性、机理性研究,而工程化工业化的技术处理则由团队自研人员完成,学生和研发人员互相配合、精诚合作,产出的专利和文章也是双方挂名、成果共享,无形中形成合力,产生1+1>2的效果。”

  产业化遇“拦路虎”,需合力解围

  目前,在现有核心技术基础上,乔文团队已与面板龙头企业合作研发出裸眼3D显示原型样机。期待产业化吗?“当然!从2012年立项至今,公司每年投入海量的研发经费,就是为了有朝一日能够让广大民众享受到裸眼3D显示带来的惊艳与逼真。”但乔文也坦言,显示行业在上下游仍有很长的产业链暂未疏通,目前能探讨的仅是应用的可能性。

  “技术配套、产业链融合、商业模式都是裸眼3D显示产业化的‘拦路虎’。”乔文一一列举道:裸眼3D显示首先要有播放源。一个理想裸眼3D需要的分辨率达到40K以上,目前还没有如此高分辨率的显示和拍摄设备;其次,裸眼3D影片的数据量非常大,目前的传输速率和影片渲染速度还无法满足;现有平板显示行业的贴合与工艺兼容性不同,对硬件制造提出了极高要求。

  基于目前对市场的最新判断,乔文认为,裸眼3D显示走进千家万户还需较长时间。“现有面板行业大规模升级仍需周期,只有在AR、VR技术普及后,裸眼3D技术才会迎来自己的灿烂时光,但很显然,AR、VR产品出现已久,但普及度依旧不够。”

  即使前路漫漫,裸眼3D产业化的道路迟早会走。“我们非常期望有龙头企业能够带动新型显示行业,产业化是从点到面的逐步实现过程。目前在裸眼3D领域,已有显示巨头开发出医疗手术增强显示的局部应用,虽然技术方向不同,但可以发挥出‘鲶鱼效应’,激起新型显示行业的一潭‘活水’。”乔文说。

  “裸眼3D属于显示面板行业,江苏在显示面板布局较早,但裸眼3D领域还相对处于市场导入早期。”谈及省内裸眼3D显示产业现状时,东南大学电子科学与工程学院教授夏军如是说。“从高校研发端来看,南京大学、东南大学及苏州大学等都有相关学科研究,还有一些中小型企业在做3D悬浮显示项目,但目前还处于初创阶段,离产业化还有距离。”他表示。

  谈及缘由,夏军认为,国内科技巨头都将裸眼3D显示当作未来重要研发方向,但整个产业链“缺胳膊少腿”,从三维图像的获取、编码、传输再到显示端的驱动、显示屏的展现,中间有很多“断层”。目前在显示屏端投入更多,有些龙头企业甚至投入10亿元经费做显示面板相关研发,显示面板产业化已经非常成熟,但在前端产业链还有很多制约。

  “行业内讨论时,我就提出大家能否先把整个产业链条搭建好,再做专利布局,现在最大的问题就是没有机构去做牵头这件事。”夏军坦言,任何技术从实验室到产业化都是漫长的过程,一定要提前规划布局。“包括苏大维格在内的研发机构都在努力,国家重点研发计划也在重点关注,相信产业化的黎明不会太远。”

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