[论文解读] TomoReal: Tomographic Displays

Seungjae Lee, Youngjin Jo+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 28被引用 3

一句话总结

TomoReal 提出了一种新型的全息显示技术——全息显示（tomographic displays），该技术结合可调焦光学元件、2D 显示面板和快速空间可调背光（FSAB），实现了准连续的调节适应、宽景深以及全向视差运动，同时保持了完整的分辨率和帧率。该原型机实现了 60Hz 运行，分辨率为 450×450，眼盒尺寸为 7.5mm，视场角为 30°，在 5.5D 至 0.0D 的深度范围内实现了 80 个全息层。

ABSTRACT

Since the history of display technologies began, people have dreamed an ultimate 3D display system. In order to get close to the dream, 3D displays should provide both of psychological and physiological cues for recognition of depth information. However, it is challenging to satisfy the essential features without sacrifice in conventional technical values including resolution, frame rate, and eye-box. Here, we present a new type of 3D displays: tomographic displays. We claim that tomographic displays may support extremely wide depth of field, quasi-continuous accommodation, omni-directional motion parallax, preserved resolution, full frame, and moderate field of view within enough eye-box. Tomographic displays consist of focus-tunable optics, 2D display panel, and fast spatially adjustable backlight. The synchronization of the focus-tunable optics and the backlight enables the 2D display panel to express the depth information. Tomographic displays have various applications including tabletop 3D displays, head-up displays, and near-eye stereoscopes. In this study, we implement a near-eye display named TomoReal, which is one of the most promising application of tomographic displays. We conclude with the detailed analysis and thorough discussion for tomographic displays, which would open a new research field.

研究动机与目标

• 解决传统 3D 显示中在保持分辨率、帧率或眼盒尺寸的前提下提供逼真 3D 视觉线索的长期挑战。
• 克服现有 3D 显示技术（如光场显示、带调节适应的立体镜、全息显示）在性能指标上常存在的权衡问题。
• 开发一种新型显示架构，支持生理深度线索（调节适应、会聚与视差运动），同时保持高空间与时间分辨率。
• 展示近眼原型设备 TomoReal，将全息显示的理论优势在实际中得以实现。

提出的方法

• 系统采用可调焦镜作为主要光学元件，动态调节 2D 显示图像的焦平面。
• 数字微镜器件（DMD）用作快速空间可调背光（FSAB），根据深度层选择性照亮显示面板上的特定像素。
• 通过数据采集卡（DAQ）板与 LabVIEW 实现可调焦镜与 DMD 之间的同步，生成 60Hz 的三角波用于镜片调焦，以及 4,800Hz 的方波用于 DMD 帧更新。
• 全息层图像通过 2D 投影图像与深度图生成，最优背光操作通过求解最小二乘问题获得，以最小化直流噪声。
• 在渲染流程中使用赛德尔系数（Seidel coefficients）对光学像差（如场曲）进行预补偿，以提升图像质量。
• 系统采用 4f 重叠光学系统，使用两片 50mm 电影镜头，实现 2× 放大，将 DMD 图像投射到显示屏幕上。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D 显示系统能否在不牺牲空间分辨率或帧率的前提下，实现准连续调节适应与宽景深？
• RQ2 如何实现可调焦光学与快速空间可调背光之间的同步，以支持体三维渲染？
• RQ3 在全息显示系统中，通过预补偿渲染，场曲等光学像差能在多大程度上被抑制？
• RQ4 全息显示能否支持高动态范围（HDR）成像？其架构如何实现这一能力？
• RQ5 全息显示在遮挡真实感、亮度、外形尺寸与成本方面存在哪些实际限制？

主要发现

• TomoReal 原型机成功实现了 60Hz 运行，空间分辨率为 450×450，眼盒尺寸为 7.5mm，可在 5.5D 至 0.0D 的深度范围内支持 80 个全息层。
• 通过优化照明时间（10/480 秒），系统实现了 0.05 的直流噪声水平，相当于每个周期内进行 10 次连续照明。
• 基于 DMD 的 FSAB 实现了对背光图案的精确、高速控制，支持准确的深度层重建。
• 基于赛德尔系数的预补偿有效抑制了场曲像差，显著提升了整个深度范围内的图像质量。
• 系统支持 30° 视场角，并保持全帧、全分辨率运行，无需空间或时间复用。
• 该实现验证了全息显示作为现有 3D 显示技术的有竞争力且成本效益高的替代方案的可行性，尤其适用于近眼与桌面应用场景。