光场三维(3D)成像日益被视为下一代沉浸式系统的核心技术,能够提供真实和虚拟场景的全视差和自然视角可视化[[1], [2], [3], [4]]。在各种实现方法中,积分成像因其在光学配置上的相对简单性以及通过元素图像阵列(EIAs)重建体积场景的能力而受到广泛关注[[3], [4], [5], [6]]。尽管具有这些优势,传统的积分成像系统在视场(FoV)、景深和空间分辨率方面仍存在固有局限,这些限制主要由透镜阵列和系统架构的参数决定。
为了解决这些问题,人们探索了一系列光学和计算策略,包括透镜移动、空间复用、图像插值以及基于深度学习的重建算法[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而,虽然这些方法可以提高分辨率和深度保真度,但扩展FoV通常需要对光学系统进行物理修改[[17], [18], [19], [20], [21]]。传统方法(如增大元件透镜尺寸或缩短焦距)往往会降低分辨率并减弱深度感知[5,6],这凸显了寻找能够在不牺牲关键视觉特性的前提下扩展FoV的替代策略的迫切需求。例如,计算机生成积分成像中的广角编码和基于正交视图的重建技术虽然在提高FoV方面具有潜力,但由于其复杂性和相关的性能权衡,在实际应用中并不实用[22,23]。
一些研究提出了使用曲率型透镜阵列来物理扩展FoV的方法。实验表明,在高折射率环境中,当使用曲面透镜阵列与平面或曲面屏幕结合时,观看角度几乎可以翻倍[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]。还引入了一种具有可调曲率的多层透镜阵列(Adaptive),以实现传统模式和广角模式之间的切换[30]。尽管这种设计带来了明显的改进,但在不同曲率状态下生成合适的EIAs并保持精确的光学对准仍面临挑战。其他策略则涉及将观看区域划分为多个部分,从而在不改变核心光学配置的情况下扩展3D可视化的空间范围[[31], [32], [33], [34], [35]]。
与此同时,场切换式液晶(LC)技术的发展实现了新的动态光学控制形式[[36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。例如,基于快速变焦响应和大光圈能力的液晶透镜的全息图像采集和重建系统已被证明非常有效,可用于捕获和重建来自真实物体的3D全息数据[39,40]。通过利用空间场图案化的LC相位轮廓,LC透镜阵列现在支持无需机械驱动即可实现电调透镜移动[[41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]],而基于LC的光束偏转装置(BSDs)提供了适合薄型轻量光学模块的紧凑型电压控制棱镜功能[[49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。这些BSDs通过图案化电极场在有效折射率中创建空间梯度,实现了灵活的光束偏转,同时保持了可扩展和紧凑的形态。
在此背景下,我们介绍了一种积分成像显示系统,该系统集成了角度对齐的透镜阵列(AALA)、定制设计的电驱动微光束偏转器(μBD)和实时自适应眼动追踪(AET)模块。μBD根据AET模块提供的实时眼动位置数据,动态地将入射光束引导至AALA的选定部分。这种同步协调显著扩展了有效水平FoV,同时保持了图像保真度、准确的深度线索和一致的视差。实验结果证实,所提出的系统为克服传统光场显示的长期FoV限制提供了一种实用且可扩展的解决方案。