全息術：3D顯示的未來

2022-01-06 11:28

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 顏悅（香港中文大學，博士生）

物理學家Dennis Gabor 因發明全息術被授予1971年諾貝爾物理學獎。全息術是一種可以記錄光波前（包括其幅度和相位）并重建的技術，其主要利用光的衍射來產生虛擬三維圖像。

先驅者們在很早就預言全息是實現完美3D 顯示的最終方法，這是因為全息術是目前可滿足適配人類視覺系統光學要求的唯一方法。多年以來，研究者們都在為實現這一目標不斷努力。

近期，來自美國亞利桑那大學光科學學院的Pierre-Alexandre Blanche教授在最新一期的Light: Advanced Manufacturing發表一篇題為"Holography, and the future of 3D display” 的綜述文章。

首先，闡述了為什么目前實現全息3D 顯示是一項艱巨的挑戰；

隨后，從人眼視覺系統出發，介紹了目前主流的3D 顯示技術及其特點；

隨后，以全息3D 顯示為重點，總結了利用機器學習和神經網絡算法實現實時全息計算的新進展；

接著，討論了全息數據傳輸模型和數據壓縮算法；

最后，介紹了全息數據硬件生成方法及其進展。

一、為何全息3D 顯示是一項艱巨的挑戰

為了直觀地描述全息3D 顯示的難度，作者使用數據傳輸速率（比特率，b/s）作為衡量指標。

假設實現一個45°視場，60Hz 刷新率，8位分辨率，50cm×50cm屏幕大小的全息彩色顯示，在所使用光源為500nm情況下，所需要的比特率約為3×101?b/s。

圖1 展示了全息和其他通訊技術所需的數據速率（按發展時間順序排列）對比情況。

1798年的搖臂信號機大約每分鐘可傳輸2~3個符號，約0.4bit/s。

1840年代開始流行以莫斯碼傳輸的電報，大約為100b/s。

1876年，電話的出現可以開始傳輸聲音信號，傳輸速率在64kb/s。

1940年代出現的黑白電視可顯示29.97幀/s的視頻，傳輸速率達26Mb/s。

1950年代開始出現的彩色電視傳輸速率又提高三倍，達78Mb/s。

1990年代開始出現數碼視頻，HDTV 720p 所需速率達1.33Gb/s。

2010年代出現4K 高清 HDTV 2160p所需傳輸速率達12.7Gb/s。

最新的8K 高清則需要47.8Gb/s的傳輸。（注：以上所需傳輸速率為壓縮前的數據量）而全息3D 彩色顯示比特率是8K 高清的6萬倍，所以實現全息3D 顯示的難度顯而易見。

圖1：通向全息之路：隨著時間推移，不同通訊系統所需比特率

按照圖1中的發展時間軸預測，實現商業化的全息3D顯示大約要到2100年。

發展軌跡或許不是無法改變的，所有的這一切取決于人類的不斷努力。盡管實現難度非常大，但全息仍然被認為是實現3D 顯示的終極技術。這是因為全息術是目前可滿足適配人眼視覺系統光學要求的唯一方法。

二、人眼視覺和3D 顯示

理解人眼視覺系統是如何感知三維信息對研發3D顯示至關重要。

人眼視覺系統從外部獲取的眾多信息中來進行深度感知，而其中絕大多數重要的深度感知要素是二維信息，其中包括陰影（shading + shadowing），透視方向（perspective），相對大小（relative size），遮擋（occlusion），模糊度（blurriness + haze）。

如下圖2展示了在一個二維平面上的三個球，但其包含了以上列舉的二維深度感知要素，這些二維深度感知要素經過人眼視覺系統后，我們會認為它們是存在于三維空間中的球。所以無論是繪畫，照片，或是影像，只要上面的二維深度感知要素被植入，我們人眼就會產生三維感知效果，否則光學圖像錯覺就會產生。因此3D 顯示系統首先需要保證以上二維深度感知要素，其次再加入和解決其他一些三維感知要素，如立體視差，運動視察和視覺輻輳調節沖突（vergence-accommodation conflict，VAC）等等。

圖2：二維深度感知要素及其對深度感知的影響

基于以上信息，作者討論了目前主要的幾種3D 顯示技術及其特點：

1. 基于立體視差（Stereo disparity）：常見于現在3D影院，需要穿戴3D眼鏡，存在VAC。

2. 裸眼3D 顯示（Autostereoscopy）：常用透鏡陣列實現光場三維成像；需要用戶固定在特定位置，存在VAC。

3. 基于運動視差（Motion Parallax，Multiview）：相當于用戶可移動的裸眼3D，存在VAC，所需比特率低，約10? Gb/s，也是目前研究的熱點。

4. 立體顯示（volumetric displays）：通過預先定義好的三維空間進行光發射，散射，照明以顯示三維圖像。圖像就像懸浮在空中，給人以極大的視覺沖擊。但存在遮擋問題，且成像體積受到限制。

以上這些3D 顯示技術各有利弊及其適用的應用場景，且很多受到人眼視覺系統限制而無法解決。但這些技術在最終全息術成熟之前，仍將繼續向前為朝著用戶體現更舒適，顯示效果更佳的方向繼續前進。

三、全息3D顯示

全息術被證明是目前唯一可滿足所有人眼視覺系統所需要素的3D 顯示技術。但其挑戰是巨大的，主要從三個方面闡述：

1. 全息3D信息計算（computation）

計算機數字全息（Computed Generated Holograms, CGH）的出現極大地推動了全息計算的發展。利用基爾霍夫和菲尼爾衍射理論計算由相位板在特定衍射距離上產生任意圖像。但是101?b/s 級別(720p video)的數據比特率需求讓計算變得龐大且耗時。而這需要更為簡潔的全息計算算法，并且對應的針對全息計算的特定硬件平臺也非常必要。

2. 全息信息傳輸（transmission）

因為超大的數據傳輸需求，建立有效的數據傳輸網絡模型，無失真的衍射數據壓縮算法非常重要。

3. 全息信息更迭生成（reproduction）

為了生成高質量的全息圖形，以3×101?b/s 比特率為例，大概需要23萬個4K 空間光調制器（SLM），15000臺電腦來處理對應的數據，這些聽起來很荒唐的數字再一次體現了全息3D顯示的實現難度之大。全息數據生成器件和方法通常可分為以下幾類：

i. 硅基集成的液晶調制器（liquid crystal on silicon，LCoS SLM）：分辨率高，但液晶的刷新速率低。

ii. 微機電系統（MEMS）：刷新率快，高集成度，但目前器件效率低。德州儀器處于領先地位，其下一代的高效率的相位調制器也正在研發。

iii. 研發可實時刷新的全息材料：比如光折變聚合物，聲光材料。

iv. 相位陣列光子集成芯片：微納尺度的相位陣列由一系列光波導組成并實現晶圓尺寸的大規模集成。如圖3，這些相位陣列通過片上的聲光或熱光調制器來改變其相位，并用光柵耦合出射。其優點是快速，相位易控制，片上大規模集成。缺點是相位分辨率較低，導致有較大的衍射旁瓣。