全息顯示能生成任意波前，可以提供一個目標(biāo)場景的所有必要的三維真實視覺線索的立體圖像。因此，它被認(rèn)為是最終的三維可視化技術(shù)，在近將來具有極大的市場潛力。為了實現(xiàn)同時大視場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，以能夠生成一個攜帶龐大光學(xué)不變展度的全息圖像。然而，一個承載龐大光學(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)初大平教授研究團隊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)集成于一個獨立疏集成全息(Coarse Integrated Holography, CIH）全息磚模塊，通過多個CIH全息磚模塊將全息磚發(fā)送的全息圖在空間無縫拼接，從而可全光式空間擴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)全息顯示在視場和圖像尺寸上的同時擴展，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)擴展量表征。若要求全息顯示的目標(biāo)場景顯示尺寸為60mm×40mm、視場角為30°×5°，顯示系統(tǒng)所能提供的光學(xué)擴展量最少需要達到106mm2·deg2量級。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)擴展量僅為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小且尺寸小，重現(xiàn)全息圖像所攜帶的光學(xué)擴展量較小。

圖1. 疏集成全息顯示研究框架

因此，為了實現(xiàn)真實三維顯示效果，顯示系統(tǒng)需要具備極高的SBWP和光學(xué)擴展量能力。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。針對該問題，國際上多個課題組開展了創(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)存儲研究所、美國麻省理工學(xué)院以及浙江大學(xué)等機構(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)初大平教授研究團隊從2013年開始，就致力于解決全息顯示系統(tǒng)的光學(xué)擴展能力和SBWP不足的問題，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、動態(tài)疏集成全息、全帶寬疏集成全息等顯示方法。該框架實現(xiàn)了SLM帶寬利用率接近100%的大視場三維全息動態(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或者尺寸一個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)的視場和尺寸同時擴展的能力。針對該問題，初大平教授研究團隊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，一個靜態(tài)或動態(tài)全息磚將SLM和疏集成光學(xué)封裝成一個具備空間擴展的獨立CIH模塊。多個全息磚可以無縫地空間級聯(lián)成可擴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)具備可擴展能力，可以將更多的全息磚級聯(lián)，實現(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信息，可以構(gòu)建成不同的全息顯示格式。通過單個或多個全息磚所構(gòu)建的全息顯示系統(tǒng)同時具備可擴展和全光空間可拼接性，實現(xiàn)系統(tǒng)視場和尺寸的同時提升，具備超大空間帶寬積的三維全息圖顯示。

圖2. 可擴展的疏集成全息視頻顯示系統(tǒng)

為了獲得多個疏集成顯示系統(tǒng)的無縫全光空間拼接，該團隊設(shè)計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展補償潛望疏集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以將多個窄視場角的全息擴展成單個寬視場角超級全息圖，完成全息圖角度拼接。如圖4(a)所示，兩個或者多個拼接式潛望疏集成光學(xué)模塊單元可以進一步擴展成一個新的光學(xué)單元，實現(xiàn)全息圖像尺寸擴展。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. 兩個拼接式疏集成光學(xué)單元擴級聯(lián)一個較大尺度的可擴展（scalable）光路

實驗系統(tǒng)采用兩個動態(tài)全息磚的全光空間拼接實現(xiàn)了一套動態(tài)彩色全息顯示系統(tǒng)。每個全息磚采用相同的光學(xué)配置，包括一個全帶寬為17.5Gbit/s的高速SLM，紅、綠和藍(lán)三個高質(zhì)量激光器，一塊型號為SC-21的共振水平掃描鏡和一塊電流計垂直掃描鏡。該全息顯示系統(tǒng)SBWP可到達142.2×109bit/sec，重構(gòu)全息圖像攜帶的光學(xué)擴展量可達到5.2×106mm2·deg2/sec。系統(tǒng)首先采用臉譜圖像作為標(biāo)定源，實現(xiàn)整個系統(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)具備實現(xiàn)40°，幀率為24fps的全彩色的動態(tài)全息視頻顯示能力。

圖5. 全息顯示系統(tǒng)標(biāo)定后的無縫拼接前后效果

實驗在Autodesk 3DS Max 平臺下設(shè)計了一個三維物體“teapotman”。通過課題組前期研制的全息圖生成軟件獲得不同視場下的全息圖序列，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)對三維模型的重建結(jié)果，實現(xiàn)了同時大顯示尺寸和大視場角的全息顯示效果，(a)和(f)分別是水平、豎直視角均為0°時重建圖像和原始圖像；(b)和(g)為水平視角為+20°時的重建圖像和原始圖像；(c)和(h)為水平視角為-20°時的重建圖像和原始圖像；(d)和(i)為垂直視角為+3°時的重建圖像和原始圖像；(e)和(g)為垂直視角為+3°時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

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