Light人物:专访北京航空航天大学王琼华

来源:未知

作者:admin

2021-04-06 14:29

  近期,北京航空航天大学王琼华教授接受了《Light》记者张莹的专访。王琼华教授围绕3D显示技术、液晶技术、液体光子器件与成像技术中的一些问题,进行了深入的解答,展望了以上三种技术的发展趋势及面临的挑战,分享了她在潜心科研方面的心得体会。

  《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。本期我们很荣幸邀请到显示与成像技术领域国家科技创新领军人才——王琼华教授。本期采访将展现一位敢为先锋、勇于突破的学术界领军人物的卓越风采。

  北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授/博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”领军人才、国际信息显示学会会士(SID Fellow)、中国物理学会液晶分会副主任、中国图象图形学学会三维成像与显示副主任委员,Optics Express、Journal of the Society for Information Display等国际期刊Associate Editor,《液晶与显示》等期刊编委。

  1992年、1995年和2001年于电子科技大学先后获得学士、硕士和博士学位,1995-2001年在电子科技大学任助教、讲师和副教授,2001-2004年在美国中佛罗里达大学光学中心任Research Scientist,2004-2018年在四川大学任教授和博士生导师。

  主要研究方向为显示与成像技术,负责完成了国家级科研项目20余项,现为国家重点研发计划项目和国家重大科研仪器研制项目的负责人。研制了裸眼3D显示器、3D摄像机、新型液晶显示器、液晶透镜、可变焦液体透镜和连续光学变焦显微镜等;获得省部级科技奖励6项,获准美国专利5项,授权中国发明专利130余项,出版著作2部,发表了SCI收录论文300余篇,在国际学术会议上做特邀报告和担任学术领导成员60余次,分别作为大会主席和程序委员会主席举办了国际学术会议各1次。

  讲授本科生和研究生课程《信息显示原理与技术》等。已培养25名博士和66名硕士,指导学生创作的科技作品荣获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,2次荣获高等教育四川省教学成果奖。

  Light记者:您本科、硕士和博士毕业于电子科技大学并留校任教,随后在美国中佛罗里达大学光学中心从事研究工作,回国后先后担任四川大学和北京航空航天大学教授。您作为国家重点研发计划项目和国家重大科研仪器研制项目的负责人,带领团队在显示与成像技术领域取得了多项创新性成果,研制了裸眼3D显示器、3D摄像机、新型液晶显示器、液晶透镜、可变焦液体透镜和连续光学变焦显微镜等先进显示与成像设备。请问最初是什么原因让您对显示与成像技术产生浓厚兴趣,并全身心投入到该领域的科研事业中?您在国外的工作经历对您回国后的研究定位和发展方向有哪些影响?

  王琼华:我的研究方向是显示与成像技术,前者是1995年我在电子科技大学硕士毕业留校开始从事的研究方向,后者是2010年我在四川大学指导研究生新增的研究方向。由于中学时对物理产生了浓厚兴趣,我在电子科技大学选择的本科专业是物理电子技术,该专业主要涉及电真空技术,包括显示和微波两个方面。那时的电视机和显示器均采用阴极射线管(CRT)作为显示屏,CRT是典型的电真空器件,那时的微波器件也几乎是电真空器件。硕士期间,我主要从事微波器件的研究,毕业后留校任教,正好赶上我后来的博士生导师成建波教授正在承担高性能投影机方面的国家重大项目。成老师不嫌弃我硕士期间是学微波的,他认为显示与微波的基础是相通的,是他把我引入了显示方向的研究中来。5年中,我几乎在实验室做实验(图1所示),解决具体的技术和工艺问题,很少发表SCI论文。

  2001年,我加入美国中佛罗里达大学吴诗聪教授团队从事博士后研究工作,研究方向从原来的投影显示转为液晶显示,并开始接触3D显示。液晶显示与3D显示成为了我近20年来从事的主要研究方向。2004年回国后,几经变动,我在四川大学任职,带领学生主攻裸眼3D显示和新型液晶显示技术。这期间,我培养的博士生赵悟翔(现为四川大学副教授)和邓欢(现为四川大学教授)先后留校,团队得到了发展和壮大,在3D显示方向也做出了一些成效。

  在吴诗聪教授团队时,我也耳闻目染了吴诗聪老师、任洪文师兄和林怡欣师妹研究的液体光子器件。2010年,时任韩国全北国立大学教授的任师兄来成都参加国际学术会并来我们实验室交流,我的博士生李磊(现为四川大学教授)和刘超(现为北京航空航天大学副教授)对他的研究方向非常感兴趣,我们自此开始了液体光子器件方向的研究。我们与吴老师和任师兄的研究略有不同,在电润湿液体透镜及其在连续光学变焦显微镜方面做出了有特色的研究工作。

  在这几位导师和学长的指引,团队学生和青年老师的努力,以及国家在3D显示和自适应成像方面的资助下,使我全身心投入到该领域的科研事业中并取得了一点点成绩。

  Light记者:集成成像3D显示技术被认为是最有发展前景的3D显示技术之一,而微透镜阵列是集成成像3D显示中的关键元器件。您和中山大学董建文教授合作,于2019年在《Light》上发表了题为“A broadband achromatic metalens array for integral imaging in the visible”的重要研究成果文章【⏬】,通过制作超表面透镜阵列,成功搭建了彩色消色差集成成像3D显示系统。该系统使集成成像3D图像的像素尺寸由毫米降至微米级别,极大地提高了集成成像3D图像的分辨率。该项工作突破了哪些技术瓶颈?请您结合该项工作谈一谈集成成像3D显示技术的发展趋势、应用领域及未来面临的挑战。

  王琼华:集成成像3D显示技术被认为是最有发展前景的3D显示技术之一,它通过微透镜阵列与显示屏上的微图像阵列精确耦合重建出3D图像,微透镜阵列是集成成像3D显示中的关键元器件。集成成像3D显示的分辨率是衡量显示性能的重要技术指标,而3D显示分辨率受制于微透镜阵列中微透镜元的节距和排列密度很难提高。为此,我们与中山大学董建文教授团队联合提出了基于消色差超透镜阵列的彩色集成成像3D显示系统。对集成成像3D重建过程中的微透镜阵列架构进行了分析,提出了宽波段消色差超透镜阵列,完成了氮化硅超透镜阵列的纳米级精密加工和像素级密度排列,实现了可见光波段的色差校正和接近衍射极限的聚焦光斑。在宽光谱白光照明下,实现了彩色消色差高分辨率3D显示。相比于传统微透镜阵列,超透镜阵列厚度降到了400μm,排列节距仅为15μm,并实现了超透镜阵列与微图像阵列的精密耦合,使集成成像3D图像的像素尺寸由毫米降至微米级别,极大地提高了集成成像3D图像的分辨率,如图2所示。

  基于超透镜阵列的超薄、超轻、便携等特点,集成成像3D显示也会逐渐朝着超轻薄、超高清、大尺寸、大视角的方向发展。虽然超轻薄和高分辨率的3D显示已在该项工作中实现,但若要应用于超高清3D手机、3D Pad、AR/VR眼镜等产品,还要突破大尺寸超透镜阵列的制作工艺等难题。

  Light记者:裸眼3D是指无需佩戴眼镜或头盔等辅助设备即可看到3D图像的3D显示技术,您在该技术领域已经潜心研究了近20年,具有丰富的经验和独到的见解。请您介绍一下裸眼3D的技术途径、原理和特点以及您所在团队承担的国家重点研发计划项目完成的代表性成果。该成果攻克了哪些关键技术,具有哪些独特的优势?要实现实用化或产业化,还存在哪些技术瓶颈?

  王琼华:裸眼3D显示主要分为光栅分光裸眼3D显示和光场重构裸眼3D显示两大类。前者需要在2D显示屏前加柱透镜或狭缝光栅,借助双目视差并依靠观看者大脑融合来产生立体感,优点是技术成熟度高、立体感强,但存在集合和调节冲突导致的观看者眩晕问题。后者包括集成成像3D显示、光场3D显示、全息3D显示、体3D显示等方式,是对原始光场或波前信息的重构,具有集合和调节一致、符合自然规律、观看舒适等多种优势,属于前沿裸眼3D显示技术,整体技术成熟度还不高。十三五期间,我作为项目负责人承担了国家重点研发计划项目“面向大数据应用的桌面实时真三维显示技术”,带领北京航空航天大学和四川大学的科研团队成功研制了集成成像桌面线所示。

  我们在“基于复合透镜阵列的大视角集成成像桌面线D显示技术、基于胶体散射层的集成成像桌面线D显示技术和光线追踪的集成成像桌面环扇形微图像阵列生成技术”三项关键技术上取得了重要突破。该桌面线D显示器实现了很好的观看效果,水平观看视角达到了360°,垂直观看视角大于67°,未来可应用在电子沙盘、多人协同办公等多种场合。

  该项技术要实现实用化或产业化,还需要解决复合透镜阵列的低成本制备、显示屏与复合透镜阵列的精密耦合装配以及海量3D内容的制作等难点。

  Light记者:2021央视牛年春晚可以说是一场融合文艺与科技元素的盛会。整台晚会通过采用5G+8K+AI+VR裸眼3D技术,突破传统舞台空间的呈现形态,呈现出精彩纷呈、新颖炫酷、科技感十足的现实与虚拟场景,实现了与观众的沉浸式互动。此外,随着裸眼3D技术的发展,采用“实景拍摄+3D特效”方式制作的2D电影,具有极强的立体感和视觉冲击力,已达到了无需配戴眼镜的裸眼3D效果。这些应用场景表明裸眼3D技术已经逐渐走入我们的生活。您认为裸眼3D技术与5G、AI等技术结合,在教育、医疗等领域会带来哪些新机遇?

  王琼华:2021央视牛年春晚里的3D技术主要是基于计算机、图形学、图像处理等技术对特定场景进行渲染,并采用虚实融合等处理方法使之具有3D效果,让观看者不戴3D眼镜便可感受到极强的立体感和视觉冲击力。我从事的裸眼3D显示技术,主要基于光学等原理研制裸眼3D显示器和电视机,观看者不戴眼镜对任意场景都可观看到具有立体感的图像和视频,其应用前景十分广阔。裸眼3D技术与5G、AI等技术结合,在教育、医疗等领域会带来很多新机遇。

  在教育领域,“5G与远程3D互动教学”可以将珍贵的教学资源(例如异地的授课老师和3D化学分子结构等逼真的教学内容)传输到任何地方,使学生与老师实时互动。5G将带动超高清3D视频数据的异地获取和显示速率的大幅提升。进一步地,借助5G边缘计算服务,3D视频的渲染还可在云平台完成,突破本地服务器的算力限制,使3D视频的渲染效率能够线D互动教学”开拓出优质的教学信息通道,打破物理空间上的限制,提升教学质量和效率。

  在医疗领域,“AI与3D医学影像”是一种万众期待的技术,它是以3D可视化医学影像为核心,借助人工智能、大数据等技术,为临床外科专家和进阶学习的医生服务,为他们展示清晰的3D医学图像,直观的3D解剖结构、逼真的临床影像,并提供智能、灵活的交互方式。为临床、科研庞大的数据管理与分析以及3D信息可视化创造完整连续的技术路线

  Light记者:基于液体透镜的连续光学变焦显微镜作为您的重要研究成果之一,通过将自适应液体透镜技术应用于显微镜,实现了快速、无抖动的连续显微光学变焦效果。该显微镜为癌细胞等的观测和研究提供了新仪器。与传统光学透镜相比,液体透镜具有哪些优势,如何实现快速、无抖动连续光学变焦?下一步研究将面临哪些挑战?

  王琼华:与传统固体光学透镜相比,液体透镜可以自适应改变曲率半径,实现连续的光学变焦,同时电湿润的液体透镜具有毫秒级的响应速度。因此,基于液体透镜的连续光学变焦显微镜可以通过电压的变化实现显微镜放大倍率的改变。通过曲率的变化替代传统机械移动实现光学变焦,解决了样品的抖动问题。

  目前,我们研制的基于液体透镜的显微镜实现了10X~60X的连续光学变焦显微成像,如图4所示。但是,由于液体透镜口径和光焦度的限制,显微镜的数值孔径和变倍范围还有待继续提升。为此,接下来面临的挑战将是研制更大变倍比(如10X~100X)和更高分辨率的显微镜。

  Light记者:您于2020年在《液晶与显示》上发表题为“一种采用介电突起消除边缘场效应的LCoS”的研究成果文章【⏬】提出了一种使用介电突起消除边缘场效应的硅基液晶微显示器。通过在像素之间引入一种突起结构来消除相邻像素电极之间的横向电场,最大限度地消除了硅基液晶微显示器的边缘场效应,从而提高了对比度和亮度。您认为实现高对比度和高亮度硅基液晶微显示技术的难点在哪?该技术未来应用前景如何?

  王琼华:硅基液晶(LCoS)因其高开口率、高分辨率、低功耗和紧凑性而在微显示器中得到广泛应用。然而,目前硅基液晶微显示器存在对比度低的缺陷,在原理和工艺上突破高对比度硅基液晶技术存在难点。首先,在显示原理上,不同于透射式液晶显示器,反射式硅基液晶显示器其液晶层未置于正交偏振片下,故硅基液晶显示器通常处于常白显示模式,这样必然导致显示对比度低,该难点是硅基液晶显示所固有的。其次,在制作工艺上,设计光学补偿膜会消除硅基液晶显示器的暗态漏光效应,但是需要对光学补偿膜的光轴进行精密设计和制作,工艺复杂并且难度大。我们提出的使用介电突起消除边缘场效应的硅基液晶微显示器,显著提高了显示对比度,如图5所示。

  硅基液晶显示的应用领域相当广泛,如用于全息显示的硅基液晶空间光调制器、彩色高分辨率硅基液晶投影电视、头戴显示、辅助瞄准微显示系统和激光雷达显示等领域,具有重要的应用价值。

  2. 侯文义, 储繁, 田莉兰, 李睿, 顾小情, 周祥屿, 王琼华,一种采用介电突起消除边缘场效应的LCoS,液晶与显示,2020, 35(1):12-18.

  张莹,博士,高级工程师,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心副主任、副总编、《液晶与显示》执行主编、《Light: Science & Applications》编辑,兼任中国物理学会液晶分会秘书长、中国科技期刊编辑学会青委会委员、吉林省科技创新创业研究会常务理事,2017-2018年美国罗切斯特大学访问学者。曾获得中科院自然科学期刊编辑研究会研究课题一等奖和突出贡献奖、中科院建院70周年优秀作品二等奖、吉林省新闻出版优秀集体奖、中科院长春分院先进基层党组织、长春光机所优秀成果奖等奖项和荣誉;作为项目负责人,主持了中科院、中国科协等期刊类课题4项;作为项目核心成员,承担中国科技期刊卓越行动计划、国际影响力提升计划、登峰行动计划等项目10余项,发表SCI、EI收录论文30余篇,发表期刊出版类论文10余篇,受邀作报告30余次,受邀接受期刊强国等媒体以及中国高校科技期刊研究会、北京万方数据股份有限公司访谈;参与编写中国科协组织的“建设世界一流科技期刊专题研究系列丛书”分册—《科技期刊出版伦理规范》等著作。

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