全息磚：具備超高空間帶寬積能力的可擴展全息三維視頻顯示

2022-03-22 11:51

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

全息顯示能生成任意波前，可以提供一個目標場景的所有必要的三維真實視覺線索的立體圖像。因此，它被認為是最終的三維可視化技術，在近將來具有極大的市場潛力。為了實現同時大視場和大尺寸的全息顯示，空間光調制器(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不變展度的全息圖像。然而，一個承載龐大光學不變展度的全息圖像的信息量遠遠高于當前SLM的調制能力。

最近，英國劍橋大學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實現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。

Light人物訪談——劍橋大學初大平教授 / 李進博士(09:34)

研究背景

全息顯示技術中，SLM所能夠承載的全息圖的信息容量可以用SBWP表示。相應地，顯示系統重構的全息圖像可用光學擴展量表征。若要求全息顯示的目標場景顯示尺寸為60mm×40mm、視場角為30°×5°，顯示系統所能提供的光學擴展量最少需要達到106mm2·deg2量級。然而，當前分辨率為1024×768、像素尺寸為12μm的SLM可提供的光學擴展量僅為259.12mm2·deg2，僅僅為理論值的1/3859。顯然地，目標全息圖像光學擴展量遠遠超越SLM調制能力。SLM的低SBWP體現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致重現的三維全息圖像視場小且尺寸小，重現全息圖像所攜帶的光學擴展量較小。

圖1. 疏集成全息顯示研究框架

因此，為了實現真實三維顯示效果，顯示系統需要具備極高的SBWP和光學擴展量能力。當前SLM的分辨率較低、顯示區域較小，調制能力還遠遠不夠。針對該問題，國際上多個課題組開展了創新研究工作。如東京農業與技術大學、新加坡數據存儲研究所、美國麻省理工學院以及浙江大學等機構的科研人員已經提出了不同光學掃描裝置和新型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的光學擴展能力和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。經近十年的不懈努力，發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。主要包括靜態疏集成全息、動態疏集成全息、全帶寬疏集成全息等顯示方法。該框架實現了SLM帶寬利用率接近100%的大視場三維全息動態彩色視頻顯示，大幅提升了全息顯示的空間帶寬積能力。

創新研究

疏集成全息顯示研究是建立在系統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的能力。難以突破全息顯示系統空間帶寬積為恒定的約束，不具備系統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，一個靜態或動態全息磚將SLM和疏集成光學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成可擴展的大尺度全息顯示系統，如圖2(c)-(d)所示。拼接后的全息顯示系統具備可擴展能力，可以將更多的全息磚級聯，實現超大全息顯示系統。不同的全息磚可以靈活的配置水平或者垂直視場信息，可以構建成不同的全息顯示格式。通過單個或多個全息磚所構建的全息顯示系統同時具備可擴展和全光空間可拼接性，實現系統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

為了獲得多個疏集成顯示系統的無縫全光空間拼接，該團隊設計了一種拼接式潛望疏集成光學模塊單元，如圖3所示。該單元主要由掃描中繼光學和拼接式疏集成光學組成。掃描中繼光學可以實現將高速SLM的全息圖中繼轉換成滿足拼接式疏集成光學單元的輸入全息圖陣列。拼接式疏集成光學模塊單元采用一種擴展補償潛望疏集成光學結構，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模塊單元可以進一步擴展成一個新的光學單元，實現全息圖像尺寸擴展。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的拼接能力。

圖4. 兩個拼接式疏集成光學單元擴級聯一個較大尺度的可擴展（scalable）光路

實驗系統采用兩個動態全息磚的全光空間拼接實現了一套動態彩色全息顯示系統。每個全息磚采用相同的光學配置，包括一個全帶寬為17.5Gbit/s的高速SLM，紅、綠和藍三個高質量激光器，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SBWP可到達142.2×109bit/sec，重構全息圖像攜帶的光學擴展量可達到5.2×106mm2·deg2/sec。系統首先采用臉譜圖像作為標定源，實現整個系統的標定。標定后的重構臉譜的全息圖像如圖5所示。顯示系統具備實現40°，幀率為24fps的全彩色的動態全息視頻顯示能力。

圖5. 全息顯示系統標定后的無縫拼接前后效果

實驗在Autodesk 3DS Max 平臺下設計了一個三維物體“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，并導入到標定后的全息磚顯示系統中。圖6展示了該系統對三維模型的重建結果，實現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。