全息顯示能生成任意波前，可以提供一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景的所有必要的三維真實(shí)視覺(jué)線索的立體圖像。因此，它被認(rèn)為是最終的三維可視化技術(shù)，在近將來(lái)具有極大的市場(chǎng)潛力。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)大視場(chǎng)和大尺寸的全息顯示，空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)需要能夠承載足夠空間帶寬積(Space Bandwidth Product, SBWP)的全息圖，以能夠生成一個(gè)攜帶龐大光學(xué)不變展度的全息圖像。然而，一個(gè)承載龐大光學(xué)不變展度的全息圖像的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前SLM的調(diào)制能力。

最近，英國(guó)劍橋大學(xué)光子器件與傳感器研究中心(Centre for Photonic Devices and Sensors)初大平教授研究團(tuán)隊(duì)與迪斯尼研究院合作提出一種“全息磚(Holobrick)”的概念。

該文章被發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊上，題為"Holobricks: Modular Coarse Integral Holographic Displays"。

該全息磚將SLM、掃描振鏡和潛望式疏集成光學(xué)集成于一個(gè)獨(dú)立疏集成全息(Coarse Integrated Holography, CIH）全息磚模塊，通過(guò)多個(gè)CIH全息磚模塊將全息磚發(fā)送的全息圖在空間無(wú)縫拼接，從而可全光式空間擴(kuò)展成更大尺度的疏集成全息顯示。所提出的新方法能夠?qū)崿F(xiàn)全息顯示在視場(chǎng)和圖像尺寸上的同時(shí)擴(kuò)展，具備超高空間帶寬積全息三維視頻顯示能力。

全息顯示技術(shù)中，SLM所能夠承載的全息圖的信息容量可以用SBWP表示。相應(yīng)地，顯示系統(tǒng)重構(gòu)的全息圖像可用光學(xué)擴(kuò)展量表征。若要求全息顯示的目標(biāo)場(chǎng)景顯示尺寸為60mm×40mm、視場(chǎng)角為30°×5°，顯示系統(tǒng)所能提供的光學(xué)擴(kuò)展量最少需要達(dá)到106mm2·deg2量級(jí)。然而，當(dāng)前分辨率為1024×768、像素尺寸為12μm的SLM可提供的光學(xué)擴(kuò)展量?jī)H為259.12mm2·deg2，僅僅為理論值的1/3859。顯然地，目標(biāo)全息圖像光學(xué)擴(kuò)展量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越SLM調(diào)制能力。SLM的低SBWP體現(xiàn)在它的衍射角小和受限的空間分辨率。SLM的衍射角小和受限的空間分辨率根本上導(dǎo)致重現(xiàn)的三維全息圖像視場(chǎng)小且尺寸小，重現(xiàn)全息圖像所攜帶的光學(xué)擴(kuò)展量較小。

圖1. 疏集成全息顯示研究框架

因此，為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維顯示效果，顯示系統(tǒng)需要具備極高的SBWP和光學(xué)擴(kuò)展量能力。當(dāng)前SLM的分辨率較低、顯示區(qū)域較小，調(diào)制能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)際上多個(gè)課題組開(kāi)展了創(chuàng)新研究工作。如東京農(nóng)業(yè)與技術(shù)大學(xué)、新加坡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究所、美國(guó)麻省理工學(xué)院以及浙江大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員已經(jīng)提出了不同光學(xué)掃描裝置和新型SLM陣列布局等解決方法，均取得了較為深入的研究成果。

劍橋大學(xué)初大平教授研究團(tuán)隊(duì)從2013年開(kāi)始，就致力于解決全息顯示系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展能力和SBWP不足的問(wèn)題，與迪斯尼研究院一起提出了疏集成全息顯示概念。經(jīng)近十年的不懈努力，發(fā)展成了一套較為完備的大視場(chǎng)疏集成全息框架，如圖1所示。主要包括靜態(tài)疏集成全息、動(dòng)態(tài)疏集成全息、全帶寬疏集成全息等顯示方法。該框架實(shí)現(xiàn)了SLM帶寬利用率接近100%的大視場(chǎng)三維全息動(dòng)態(tài)彩色視頻顯示，大幅提升了全息顯示的空間帶寬積能力。

創(chuàng)新研究

疏集成全息顯示研究是建立在系統(tǒng)空間帶寬積為恒定的約束下所形成。目前，所用方法僅能在視場(chǎng)或者尺寸一個(gè)方向上提升全息顯示系統(tǒng)的能力。難以突破全息顯示系統(tǒng)空間帶寬積為恒定的約束，不具備系統(tǒng)的視場(chǎng)和尺寸同時(shí)擴(kuò)展的能力。針對(duì)該問(wèn)題，初大平教授研究團(tuán)隊(duì)提出一種可拼接的模塊化疏集成全息顯示，即“全息磚，Holobrick”的概念，如圖2所示。如圖2(a)-(b)所示，一個(gè)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)全息磚將SLM和疏集成光學(xué)封裝成一個(gè)具備空間擴(kuò)展的獨(dú)立CIH模塊。多個(gè)全息磚可以無(wú)縫地空間級(jí)聯(lián)成可擴(kuò)展的大尺度全息顯示系統(tǒng)，如圖2(c)-(d)所示。拼接后的全息顯示系統(tǒng)具備可擴(kuò)展能力，可以將更多的全息磚級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超大全息顯示系統(tǒng)。不同的全息磚可以靈活的配置水平或者垂直視場(chǎng)信息，可以構(gòu)建成不同的全息顯示格式。通過(guò)單個(gè)或多個(gè)全息磚所構(gòu)建的全息顯示系統(tǒng)同時(shí)具備可擴(kuò)展和全光空間可拼接性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)視場(chǎng)和尺寸的同時(shí)提升，具備超大空間帶寬積的三維全息圖顯示。

圖2. 可擴(kuò)展的疏集成全息視頻顯示系統(tǒng)

為了獲得多個(gè)疏集成顯示系統(tǒng)的無(wú)縫全光空間拼接，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種拼接式潛望疏集成光學(xué)模塊單元，如圖3所示。該單元主要由掃描中繼光學(xué)和拼接式疏集成光學(xué)組成。掃描中繼光學(xué)可以實(shí)現(xiàn)將高速SLM的全息圖中繼轉(zhuǎn)換成滿足拼接式疏集成光學(xué)單元的輸入全息圖陣列。拼接式疏集成光學(xué)模塊單元采用一種擴(kuò)展補(bǔ)償潛望疏集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以將多個(gè)窄視場(chǎng)角的全息擴(kuò)展成單個(gè)寬視場(chǎng)角超級(jí)全息圖，完成全息圖角度拼接。如圖4(a)所示，兩個(gè)或者多個(gè)拼接式潛望疏集成光學(xué)模塊單元可以進(jìn)一步擴(kuò)展成一個(gè)新的光學(xué)單元，實(shí)現(xiàn)全息圖像尺寸擴(kuò)展。如圖4(b)所示，以前的疏集成全息顯示不具備可多顯示系統(tǒng)的拼接能力。

圖4. 兩個(gè)拼接式疏集成光學(xué)單元擴(kuò)級(jí)聯(lián)一個(gè)較大尺度的可擴(kuò)展（scalable）光路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用兩個(gè)動(dòng)態(tài)全息磚的全光空間拼接實(shí)現(xiàn)了一套動(dòng)態(tài)彩色全息顯示系統(tǒng)。每個(gè)全息磚采用相同的光學(xué)配置，包括一個(gè)全帶寬為17.5Gbit/s的高速SLM，紅、綠和藍(lán)三個(gè)高質(zhì)量激光器，一塊型號(hào)為SC-21的共振水平掃描鏡和一塊電流計(jì)垂直掃描鏡。該全息顯示系統(tǒng)SBWP可到達(dá)142.2×109bit/sec，重構(gòu)全息圖像攜帶的光學(xué)擴(kuò)展量可達(dá)到5.2×106mm2·deg2/sec。系統(tǒng)首先采用臉譜圖像作為標(biāo)定源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定。標(biāo)定后的重構(gòu)臉譜的全息圖像如圖5所示。顯示系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)40°，幀率為24fps的全彩色的動(dòng)態(tài)全息視頻顯示能力。

圖5. 全息顯示系統(tǒng)標(biāo)定后的無(wú)縫拼接前后效果

實(shí)驗(yàn)在Autodesk 3DS Max 平臺(tái)下設(shè)計(jì)了一個(gè)三維物體“teapotman”。通過(guò)課題組前期研制的全息圖生成軟件獲得不同視場(chǎng)下的全息圖序列，并導(dǎo)入到標(biāo)定后的全息磚顯示系統(tǒng)中。圖6展示了該系統(tǒng)對(duì)三維模型的重建結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)大顯示尺寸和大視場(chǎng)角的全息顯示效果，(a)和(f)分別是水平、豎直視角均為0°時(shí)重建圖像和原始圖像；(b)和(g)為水平視角為+20°時(shí)的重建圖像和原始圖像；(c)和(h)為水平視角為-20°時(shí)的重建圖像和原始圖像；(d)和(i)為垂直視角為+3°時(shí)的重建圖像和原始圖像；(e)和(g)為垂直視角為+3°時(shí)的重建圖像和原始圖像。

圖6. 全息顯示系統(tǒng)三維重建結(jié)果

論文信息

Li, J., Smithwick, Q. & Chu, D. Holobricks: modular coarse integral holographic displays. Light Sci Appl 11, 57 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00742-7

本文編輯 | 趙陽(yáng)

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