全息砖：具备超高空间带宽积能力的可扩展全息三维视频显示

全息显示能生成任意波前，可以提供一个目标场景的所有必要的三维真实视觉线索的立体图像。因此，它被认为是最终的三维可视化技术，在近将来具有极大的市场潜力。为了实现同时大视场和大尺寸的全息显示，空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)需要能够承载足够空间带宽积(Space Bandwidth Product, SBWP)的全息图，以能够生成一个携带庞大光学不变展度的全息图像。然而，一个承载庞大光学不变展度的全息图像的信息量远远高于当前SLM的调制能力。

最近，英国剑桥大学光子器件与传感器研究中心(Centre for Photonic Devices and Sensors)初大平教授研究团队与迪斯尼研究院合作提出一种“全息砖(Holobrick)”的概念。

该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为"Holobricks: Modular Coarse Integral Holographic Displays"。

该全息砖将SLM、扫描振镜和潜望式疏集成光学集成于一个独立疏集成全息(Coarse Integrated Holography, CIH）全息砖模块，通过多个CIH全息砖模块将全息砖发送的全息图在空间无缝拼接，从而可全光式空间扩展成更大尺度的疏集成全息显示。所提出的新方法能够实现全息显示在视场和图像尺寸上的同时扩展，具备超高空间带宽积全息三维视频显示能力。

全息显示技术中，SLM所能够承载的全息图的信息容量可以用SBWP表示。相应地，显示系统重构的全息图像可用光学扩展量表征。若要求全息显示的目标场景显示尺寸为60mm×40mm、视场角为30°×5°，显示系统所能提供的光学扩展量最少需要达到106mm²·deg²量级。然而，当前分辨率为1024×768、像素尺寸为12μm的SLM可提供的光学扩展量仅为259.12mm²·deg²，仅仅为理论值的1/3859。显然地，目标全息图像光学扩展量远远超越SLM调制能力。SLM的低SBWP体现在它的衍射角小和受限的空间分辨率。SLM的衍射角小和受限的空间分辨率根本上导致重现的三维全息图像视场小且尺寸小，重现全息图像所携带的光学扩展量较小。

图1. 疏集成全息显示研究框架

因此，为了实现真实三维显示效果，显示系统需要具备极高的SBWP和光学扩展量能力。当前SLM的分辨率较低、显示区域较小，调制能力还远远不够。针对该问题，国际上多个课题组开展了创新研究工作。如东京农业与技术大学、新加坡数据存储研究所、美国麻省理工学院以及浙江大学等机构的科研人员已经提出了不同光学扫描装置和新型SLM阵列布局等解决方法，均取得了较为深入的研究成果。

剑桥大学初大平教授研究团队从2013年开始，就致力于解决全息显示系统的光学扩展能力和SBWP不足的问题，与迪斯尼研究院一起提出了疏集成全息显示概念。经近十年的不懈努力，发展成了一套较为完备的大视场疏集成全息框架，如图1所示。主要包括静态疏集成全息、动态疏集成全息、全带宽疏集成全息等显示方法。该框架实现了SLM带宽利用率接近100%的大视场三维全息动态彩色视频显示，大幅提升了全息显示的空间带宽积能力。

创新研究

疏集成全息显示研究是建立在系统空间带宽积为恒定的约束下所形成。目前，所用方法仅能在视场或者尺寸一个方向上提升全息显示系统的能力。难以突破全息显示系统空间带宽积为恒定的约束，不具备系统的视场和尺寸同时扩展的能力。针对该问题，初大平教授研究团队提出一种可拼接的模块化疏集成全息显示，即“全息砖，Holobrick”的概念，如图2所示。如图2(a)-(b)所示，一个静态或动态全息砖将SLM和疏集成光学封装成一个具备空间扩展的独立CIH模块。多个全息砖可以无缝地空间级联成可扩展的大尺度全息显示系统，如图2(c)-(d)所示。拼接后的全息显示系统具备可扩展能力，可以将更多的全息砖级联，实现超大全息显示系统。不同的全息砖可以灵活的配置水平或者垂直视场信息，可以构建成不同的全息显示格式。通过单个或多个全息砖所构建的全息显示系统同时具备可扩展和全光空间可拼接性，实现系统视场和尺寸的同时提升，具备超大空间带宽积的三维全息图显示。

图2. 可扩展的疏集成全息视频显示系统

为了获得多个疏集成显示系统的无缝全光空间拼接，该团队设计了一种拼接式潜望疏集成光学模块单元，如图3所示。该单元主要由扫描中继光学和拼接式疏集成光学组成。扫描中继光学可以实现将高速SLM的全息图中继转换成满足拼接式疏集成光学单元的输入全息图阵列。拼接式疏集成光学模块单元采用一种扩展补偿潜望疏集成光学结构，可以将多个窄视场角的全息扩展成单个宽视场角超级全息图，完成全息图角度拼接。如图4(a)所示，两个或者多个拼接式潜望疏集成光学模块单元可以进一步扩展成一个新的光学单元，实现全息图像尺寸扩展。如图4(b)所示，以前的疏集成全息显示不具备可多显示系统的拼接能力。

图4. 两个拼接式疏集成光学单元扩级联一个较大尺度的可扩展（scalable）光路

实验系统采用两个动态全息砖的全光空间拼接实现了一套动态彩色全息显示系统。每个全息砖采用相同的光学配置，包括一个全带宽为17.5Gbit/s的高速SLM，红、绿和蓝三个高质量激光器，一块型号为SC-21的共振水平扫描镜和一块电流计垂直扫描镜。该全息显示系统SBWP可到达142.2×109bit/sec，重构全息图像携带的光学扩展量可达到5.2×106mm²·deg²/sec。系统首先采用脸谱图像作为标定源，实现整个系统的标定。标定后的重构脸谱的全息图像如图5所示。显示系统具备实现40°，帧率为24fps的全彩色的动态全息视频显示能力。

图5. 全息显示系统标定后的无缝拼接前后效果

实验在Autodesk 3DS Max 平台下设计了一个三维物体“teapotman”。通过课题组前期研制的全息图生成软件获得不同视场下的全息图序列，并导入到标定后的全息砖显示系统中。图6展示了该系统对三维模型的重建结果，实现了同时大显示尺寸和大视场角的全息显示效果，(a)和(f)分别是水平、竖直视角均为0°时重建图像和原始图像；(b)和(g)为水平视角为+20°时的重建图像和原始图像；(c)和(h)为水平视角为-20°时的重建图像和原始图像；(d)和(i)为垂直视角为+3°时的重建图像和原始图像；(e)和(g)为垂直视角为+3°时的重建图像和原始图像。

图6. 全息显示系统三维重建结果

论文信息

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

本文编辑 | 赵阳

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