過去幾年里，關于“三維世界”的想象幾乎都圍繞著頭顯展開。從 Vision Pro 到各種 AR 眼鏡，人們似乎已經默認，想要獲得沉浸式三維體驗，就必須依靠頭戴式設備。

但其實還存在另一條更簡單的路線：裸眼 3D 顯示。顧名思義，就是只用雙眼看，就能直接獲得具有深度感的三維視覺體驗。我們已經能在一些生活場景中見到它：商場外墻上那些仿佛從屏幕里探出來的巨型熊貓；博物館里用于展示文物的三維數字展項；以及一些無需佩戴眼鏡就能觀看立體影像的展示設備……

不過，今天的裸眼 3D 還沒有成為主流的三維顯示方式。一個重要原因是，現有系統往往只能在有限視角內提供理想觀看效果。觀眾一旦偏離最佳位置，立體感就會迅速下降；而那些能夠跟蹤用戶位置、提供高質量顯示效果的方案，又很難同時支持多人自由觀看。

針對這個問題，近日，清華大學戴瓊海、吳嘉敏團隊在 Nature Photonics 發表最新研究，提出一種名為“超斯涅爾掃描光場顯示（SSS-LiD）”的新方案。研究團隊在 150°超寬視角下實現了高分辨率裸眼 3D 顯示。實驗結果顯示，相比具有代表性的商業光場顯示產品，其觀看視角提升接近 3 倍，在整個觀看范圍內的有效分辨率提升 2 倍以上。

（來源：論文）

不可兼得的視角與分辨率

裸眼三維顯示有著多種不同的技術路線。常見的例如全息顯示、體顯示和空中成像等。但在這些之外，還有一條被認為最有潛力支持“多人同時觀看”的方案：光場顯示。這也是戴瓊海團隊的選擇。

與普通顯示器向所有觀眾顯示同一幅畫面不同，光場顯示會主動控制光線傳播的方向，讓來自不同方向的觀察者接收到略有差異的圖像信息。當人眼接收到這些具有視差的光線時，大腦便會感知到深度，從而形成真實的三維效果。

然而，這種優勢也帶來了新的挑戰。為了讓更多角度的觀眾都能看到正確的三維畫面，系統必須向空間中的不同方向同時投射大量光線。隨著觀看視角不斷擴大，需要生成和分配的視圖數量也會隨之增加，而顯示系統能夠承載的信息量卻是有限的。

這樣造成的結果就是：視角越寬，每個視角能夠獲得的信息越少，畫面細節就越容易被攤薄，分辨率隨之下降。

團隊在進入這一方向時便意識到，這個矛盾必須被解決，否則裸眼 3D 很難真正走向實用化。“我們最開始是從信息量的角度思考這個問題。”本次論文的第一作者、清華大學陳一帆博士說。

圖｜陳一帆博士（來源：受訪者）

團隊認為，視角和分辨率本質上都受到系統總信息量的限制。除了信息量本身，他們還發現另一個重要瓶頸：串擾。所謂串擾，可以理解為不同視角之間的信息互相干擾。即使系統本身擁有足夠的信息量，如果這些信息無法被有效利用，最終呈現出來的顯示效果依然會大打折扣。

因此，如何提高信息利用效率、降低串擾，成為團隊研究過程中的另一條主線。

一次偶然觀察帶來的靈感

在尋找解決方法的過程中，團隊早期曾嘗試過超表面、透鏡優化等多種路線，希望降低不同視角之間的串擾。在一次實驗中，研究人員從側面觀察柱透鏡結構時，意外發現如果將結構反向放置，可視角似乎會明顯增大。

最初，他們并不完全理解這一現象背后的原因。后來經過大量資料查閱和理論分析，團隊才意識到，它與“斯涅爾窗口”（Snell's Window）所體現的折射規律存在相似機制。

斯涅爾窗口，是指潛水者從水下仰望水面時，原本覆蓋整個半球的天空會因為水和空氣界面的折射，被壓縮進一個明亮的圓形窗口之中。自然界是在把大范圍光線壓縮進一個有限窗口，而團隊希望實現的則恰恰相反。他們想要通過重新設計光學結構，將有限范圍內的顯示光線展開到更大的觀看角度。

圖｜斯涅爾窗口現象示意（來源：受訪者）

“這看起來像一個偶然出現的靈感，但實際上經歷了很多輪工程迭代。”陳一帆說。

沿著這一思路，團隊多次試驗，最終設計出超斯涅爾柱透鏡陣列（SS-LLA）。傳統柱透鏡陣列受幾何光路和孔徑采樣關系限制，如果想獲得 150°這樣的超寬視角，往往需要極大的面板尺寸，系統體積和采樣損失都會迅速增加。

SS-LLA 則通過兩次連續折射重新分配光線路徑，將原本約 52°的投射范圍擴展到 150°。與此同時，團隊還通過透鏡結構和孔徑位置的聯合設計，降低大視角條件下的像差和串擾，使不同視角之間盡可能保持獨立。簡單來說，這套結構負責把光線送得更廣，同時盡量避免邊緣視角變得模糊。

（來源：受訪者）

不過，當視角被成功擴展之后，前面提到的信息量的問題隨之浮現。光線被分配到更大的空間范圍后，每個角度能夠獲得的采樣信息也會相應減少。“這個 trade-off 本身是由信息量決定的，不可能憑空消失。”陳一帆告訴我們。

于是他們決定引入第三個維度——時間。

把時間變成分辨率

研究團隊提出了整體機械掃描方法（HMS）。

與傳統只移動透鏡的掃描方式不同，HMS 將顯示屏和超斯涅爾柱透鏡陣列固定為一個整體，再讓整個顯示模塊高速橫向掃描。

與此同時，顯示內容同步刷新，人眼則利用視覺暫留效應，將不同時間獲得的圖像自然疊加起來。從結果上看，相當于同一塊屏幕在多個時間點提供不同采樣信息，再通過時間復用補充空間分辨率。這于團隊之前在成像領域所提出的掃描光場成像有異曲同工之妙。

（來源：受訪者）

換句話說，團隊沒有試圖在固定的信息量條件下強行突破空間限制，而是把時間也納入信息系統之中，在更高維度上提高整體信息通量。

這種設計還有一個額外優勢。在傳統只移動透鏡的掃描方案中，極小的同步誤差都可能導致三維場景發生明顯扭曲。而在 HMS 中，同樣的誤差更多表現為輕微平移，對最終觀看效果影響更小，因此系統穩定性也得到提升。

基于 SS-LLA 和 HMS 兩項核心設計，團隊搭建了完整的 SSS-LiD 原型系統。系統采用一塊 1080×1920 分辨率、360Hz 刷新率的顯示面板，并配合定制超斯涅爾柱透鏡陣列進行整體掃描。實驗結果顯示，該系統能夠在 150°超寬視角范圍內實現接近 480p 的裸眼 3D 顯示效果。

具體來看，HMS 使系統水平方向空間分辨率最高提升約 8 倍，垂直方向最高提升約 3.2 倍。同時，系統在整個 150°觀看范圍內保持較低串擾，并能夠維持連續運動視差和正確空間遮擋關系。

研究團隊還將其與當前商業光場顯示領域具有代表性的 Looking Glass 32 英寸顯示器進行了對比。在輸入像素數量統一的條件下，SSS-LiD 的觀看視角約為商業方案的 3 倍；在整個觀看范圍內，水平和垂直方向有效分辨率提升約 2 至 2.5 倍，同時表現出更少偽影和更高的細節清晰度。

（來源：論文）

當 AI 開始生成三維世界

在不少人看來，隨著 VR 和 AR 設備不斷成熟，裸眼 3D 似乎已經不再是最熱門的技術方向。而在陳一帆看來，AI 的發展讓三維顯示的價值重新被凸顯。

他告訴 DeepTech，三維顯示本質上是一種人機交互方式，而完整的人機交互系統既包括前端顯示設備，也包括后端內容生產能力。過去很長一段時間里，三維內容制作成本高、周期長，內容供給本身就是行業發展的瓶頸，因此顯示技術的重要性并沒有充分體現出來。

但生成式 AI 的出現正在改變這一局面。無論是三維建模、數字內容創作，還是空間場景生成，AI 都在快速降低內容生產門檻。過去需要專業團隊耗費數周甚至數月制作的三維內容，如今越來越多能夠通過算法自動生成。“以前的問題是沒有內容，現在的問題反而是內容越來越多，但顯示端跟不上了。”陳一帆說。

在他看來，AI 正在以前所未有的速度提升后端內容生成能力，而顯示設備依然受制于視角、分辨率和觀看人數等問題。隨著后端能力快速進步，顯示反而開始成為新的瓶頸。這也是團隊重新投入裸眼 3D 研究的重要原因之一。

三維顯示時代還有多遠？

可當 AI 正在加速創造三維世界，另一個問題也隨之而來，顯示技術真的已經準備好落地了嗎？

對于這項技術的商業化前景，團隊的態度很明確。“我們最終的研究方向一定是要把這項技術推向真正的應用，而不是停留在實驗室里展示或者發論文。”陳一帆說。

不過，盡管論文展示了領先于現有商業產品的性能指標，研究團隊并不認為這已經是一套成熟產品。目前的系統仍然是一套實驗室原型機。加工精度、小型化、長期穩定性以及成本控制，都仍然需要進一步優化。

但陳一帆也認為，裸眼 3D 未來未必需要首先進入每個人的桌面。相比個人顯示設備，團隊更看好多人共享場景，例如教育、展覽、文化遺產展示以及工業可視化等領域。原因很簡單：與強調個人沉浸感的頭顯不同，光場顯示最大的優勢之一恰恰是共享。

“VR 更像是把人帶進虛擬世界，而裸眼 3D 是在把虛擬世界帶到現實世界里。”他說。在課堂上，學生可以圍繞同一個三維模型進行觀察和討論；在博物館里，觀眾無需佩戴設備便能夠從不同角度觀看數字文物；在展覽和公共空間中，多個人也可以同時分享同一個三維場景。這種多人共享能力，恰恰是許多頭顯設備難以提供的體驗。

在團隊的設想中，理想的三維顯示產品應當能夠將三維內容生產、顯示硬件和用戶交互真正連接起來，讓三維信息像今天的視頻和圖片一樣自然地進入日常生活。而在那之前，裸眼 3D 仍然需要跨想要獲得沉浸式三維體驗越工程化、成本和生態建設等一系列現實門檻。

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成