王琼华团队：液体透镜在3D显示中的应用 | 专题亮点

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研究背景

液体透镜是一种通过电润湿效应、机械驱动或介电泳效应等方式改变液-液界面曲率，从而实现焦距动态调节的新兴光学元件。相比于传统固定焦距的光学透镜，液体透镜有良好的变焦能力，具有焦距快速调节、低制造成本、低功耗、体积小易于集成和易于编程控制等显著优势，近年来在显示技术中应用广泛。

3D显示作为信息显示领域的前沿方向，在医疗、教育等领域有着广泛应用。现有主流技术普遍面临显示平面固定、无动态调控能力、景深与视场受限等难题，增强现实/虚拟现实（AR/VR）设备中由辐辏-调节冲突（VAC）引发的晕动症，更是严重制约了用户的长时间使用。

传统依赖机械光学元件的解决方案，存在体积大、响应慢、易磨损等固有缺陷，无法满足新一代3D显示对高动态性能和微型化的需求。液体透镜凭借快速响应、低功耗、无机械磨损、微型化等核心优势，为上述挑战提供了创新性的解决思路，在构建结构紧凑、具备强大动态调控能力的下一代显示系统中，展现出广阔的应用前景。

图1 几种典型的不同驱动方式的液体透镜和实物图

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液体透镜在3D显示技术中的应用

多视点裸眼3D显示的核心原理是视差效应，通过光学元件将左右眼对应的视差图像定向投射至不同空间区域，使观察者双眼接收独立图像并融合产生立体感知。传统方案采用固体柱透镜阵列或视差屏障，存在2D与3D模式无法兼容、视区固定且狭窄、亮度与分辨率相互制约等问题。液体透镜的核心解决路径是用液体柱透镜阵列替代固体柱透镜阵列：通过驱动电压或液压控制液体界面曲率，使阵列在不同焦距之间快速切换，让观察者感知到有深度层次的3D视觉效果。

图2 用于2D/3D可切换显示的液体柱透镜阵列。（a）空气/流体切换控制的液体柱透镜阵列和2D/3D显示效果[图片来自Optics Express, 2021, 29(23): 37418-37428]；（b）电润湿液体柱透镜阵列设计和2D/3D显示效果[图片来自IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(22): 2479-2482]

集成成像3D显示基于微透镜阵列的光场捕获与三维重构原理，可实现全视差、无视觉疲劳的裸眼3D效果，是近眼显示等领域的重要技术路线。传统固体微透镜阵列的致命缺陷是中心深度平面（CDP）固定，导致系统景深极短（通常小于20 mm）、视场角窄（小于30°），且无法动态适配不同深度的显示内容。液体透镜作为具备动态光场调控能力的新型光学元件，应用于集成成像3D显示中的核心优势在于：通过改变液体界面形态，动态迁移CDP以扩展景深；通过单元焦距微调补偿视场畸变；优化结构适配近眼显示等紧凑场景。

图3 基于液体透镜的集成成像3D显示。（a）时间复用集成成像3D显示系统[图片来自Proceedings of SPIE, 2015, 9385: 93850D]；（b）采用浸涂工艺制备的液体微透镜阵列3D显示效果[图片来自Optics and Lasers in Engineering, 2024, 180: 108322]；（c）集成液体透镜的光学透明2D/3D兼容显示器[图片来自Photonics, 2021, 8(8): 297]

全息3D显示基于光的干涉记录与衍射再现原理，能完整保留物体的振幅与相位信息，是实现真3D显示最具潜力的技术路线；当前其核心瓶颈包括：机械变焦响应慢、RGB三基色色差严重、视角窄、杂散光干扰大，严重制约了显示质量与实用性。液体透镜凭借其动态调控焦距、波前等独特能力，被很多研究人员引入了全息3D显示系统，为缓解全息3D显示中的瓶颈、拓展全息3D显示的功能提供了创新途径与技术支撑。

图4 基于液体透镜的全息3D显示系统。（a）基于液体透镜的彩色全息变焦系统显示效果[图片来自Chinese Optics Letters, 2015, 13(7): 072301]；（b）基于液体透镜的全息3D显示效果SID [图片来自Symposium Digest of Technical Papers, 2018, 49(1): 1614-1615]；（c）基于液体透镜的全息捕捉与投影系统显示效果[图片来自PhotoniX, 2020, 1(1): 6]

AR/VR显示的核心目标是构建沉浸式虚实融合体验，但传统固定焦距光学系统存在VAC根本性问题：人眼辐辏感知的物体深度与眼球调焦对应的焦平面不匹配，造成严重的视觉疲劳与晕动症，限制了设备的长时间使用。同时，传统方案无法动态适配不同用户的屈光不正，也难以实现虚拟物体与真实环境的深度自然融合。液体透镜可以通过ms级的焦距快速切换，在光路中构建多个连续可寻址的焦平面，使虚拟物体的深度信息与人眼对不同距离目标的调焦需求精准匹配，从根源上缓解VAC问题。结合眼动追踪技术，可实时跟随人眼视线调整焦平面，进一步提升沉浸感与自然度。

图5 基于液体透镜的AR/VR显示系统。（a）搭载液体透镜的近眼显示器结构和显示效果（图片来自Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, 2016）；（b）针对近视/远视人群设计的可切换近眼显示系统组成和显示效果[图片来自IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2019, 25(11): 3114-3124]；（c）搭载液体透镜的自适应微投影系统组成和显示效果[图片来自Optics & Laser Technology, 2023, 167: 109734]

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未来展望

未来，研究将持续围绕液体透镜在3D显示应用中的现存瓶颈，持续优化其材料体系、腔室结构、驱动方式与制造工艺，提升液体微透镜阵列的光学均匀性、环境稳定性与长期工作寿命。同时，将推动液体透镜与超表面、衍射光学元件等微纳光子器件的级联，结合算法进行逆向设计和端到端设计等，实现多维度光场的精准调控，进一步拓宽3D显示的视场范围、提升成像质量，最终推动裸眼3D显示、全息交互、沉浸式AR/VR等技术发展和落地，实现更大的社会经济效益。

团队简介

北航“显示与成像研究室”（团队负责人：长江学者 王琼华教授）依托惯性测量全国重点实验室，长期从事3D显示技术、液体透镜成像技术、液晶技术研究。以国家重大需求为导向，发明并成功研制了高性能光场3D显示器、基于液体透镜的连续光学变焦显微镜、电润湿液体透镜、基于液体透镜和端到端物理模型驱动网络的全息相机等，并在二维液晶材料、液晶光场调控和蓝相液晶等方面取得了创新成果。近年来，团队牵头获得2024年度中国图象图形学学会自然科学一等奖、2023年度国家技术发明奖二等奖、2022年度教育部技术发明一等奖等奖项。

科学编辑 | 张小豪

编辑 | 杨晨

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