原創(chuàng) Light新媒體 中國(guó)光學(xué) 收錄于話題#液晶與顯示12個(gè)
計(jì)算全息（CGH）利用計(jì)算機(jī)生成全息圖，可以實(shí)現(xiàn)波前調(diào)控和全息顯示。該技術(shù)通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法模擬物光波的傳播與干涉，并將光波的振幅與相位編碼為計(jì)算全息圖，最終通過(guò)光學(xué)衍射的方法重建出攜帶物體信息的三維光場(chǎng)。在該過(guò)程中，空間光調(diào)制器（SLM）是用于全息圖數(shù)字編碼與光波調(diào)制作用的關(guān)鍵器件，對(duì)光波的調(diào)制能力影響著全息圖的數(shù)值特征與重建效果。
理想的復(fù)振幅全息圖記錄了包含物體振幅與相位的復(fù)振幅信息，但由于現(xiàn)有空間光調(diào)制器大多僅能單一調(diào)制光波的振幅或光波的相位，因此全息圖需要相應(yīng)地從復(fù)振幅轉(zhuǎn)換為純振幅或純相位。隨著大尺寸液晶空間光調(diào)制器與多種新型顯示器件的發(fā)展，復(fù)振幅全息圖編碼技術(shù)因其高運(yùn)算效率、高空間帶寬積與高重建精度，受到越多越多關(guān)注。
近日，清華大學(xué)隋曉萌博士生、曹良才副教授等人在《液晶與顯示》（ESCI，核心期刊）發(fā)表了題為“基于液晶空間光調(diào)制器的復(fù)振幅全息顯示進(jìn)展”的綜述文章。
該文章介紹了復(fù)振幅計(jì)算全息的原理與研究進(jìn)展，重點(diǎn)論述了基于現(xiàn)有空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的復(fù)振幅全息圖的編碼方法與復(fù)振幅全息三維顯示系統(tǒng)，分析其像質(zhì)影響因素與可用顯示帶寬，并對(duì)后續(xù)技術(shù)進(jìn)行了展望。
1 計(jì)算全息三維顯示
由于左右眼能夠從不同方位獲得三維場(chǎng)景的二維圖像，這兩幅二維圖像存在的微小差別即為視差。大腦通過(guò)對(duì)視差的分析得到三維場(chǎng)景的空間分布信息，觀察者由此獲得了立體視覺(jué)的能力。三維顯示的目標(biāo)是展現(xiàn)出物體位置關(guān)系與不同視角的信息，并讓場(chǎng)景具有一定的深度感，屬于高帶寬的信息呈現(xiàn)技術(shù)。目前較為廣泛應(yīng)用的雙目視差型三維顯示運(yùn)用了人對(duì)視差的感知與分析能力，對(duì)左右眼輸出不同的視差圖像，通過(guò)大腦的融合形成具有一定深度感的立體圖像。但隨著人們對(duì)顯示需求的提升，雙目視差型顯示面臨著分辨率低、視場(chǎng)角小的困境。此外，由于人眼看屏幕的觀測(cè)點(diǎn)與大腦融合得到的深度信息不匹配，觀測(cè)者可能會(huì)感到眩暈和不適。
圖1 視差型顯示屏幕深度與感知深度失配
全息顯示技術(shù)通過(guò)記錄和再現(xiàn)真實(shí)的物光波，還原出具有深度信息的真三維光場(chǎng)，是一種信息量大、符合人眼觀察習(xí)慣的三維顯示技術(shù)。傳統(tǒng)的全息技術(shù)包括記錄和重建兩個(gè)過(guò)程。記錄過(guò)程是將相干光分束，一束作為物光照射需要記錄的物體，一束作為參考光與物光發(fā)生干涉。物光波的振幅和相位攜帶著物體表面特征相關(guān)的信息，物光和參考光干涉產(chǎn)生的條紋則將物光波信息記錄在感光材料上，形成光學(xué)全息圖。在重建過(guò)程中使用相同的光源照射全息圖，可讀出記錄下的振幅和相位信息，并重建出與原物相同三維圖像。
圖2 全息圖的記錄和再現(xiàn)原理圖
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與顯示器件的發(fā)展，傳統(tǒng)全息中的記錄過(guò)程可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算全息技術(shù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法模擬物光波的傳播，得到物光波復(fù)振幅在全息圖平面的數(shù)學(xué)描述，隨后將全息圖平面的復(fù)振幅分布編碼為與空間光調(diào)制器匹配的數(shù)據(jù)格式。全息圖被上載到空間光調(diào)制器，并通過(guò)光的衍射恢復(fù)出記錄的物體信息。
圖3 計(jì)算全息流程
由于現(xiàn)有空間光調(diào)制器大多僅能實(shí)現(xiàn)單一振幅或相位調(diào)制，如振幅調(diào)制的數(shù)字微鏡器件（DMD）和相位調(diào)制的硅基液晶（LCoS）。這導(dǎo)致復(fù)振幅全息圖在編碼時(shí)需要舍棄振幅信息或者相位信息，才能轉(zhuǎn)換為與空間光調(diào)制器匹配的數(shù)據(jù)格式。
近些年，隨著大尺寸液晶空間光調(diào)制器與多種新型顯示器件的發(fā)展，復(fù)振幅全息圖編碼技術(shù)受到廣泛關(guān)注。相比相位型全息圖與振幅型全息圖，復(fù)振幅全息圖具有一些優(yōu)勢(shì)：
（1）高運(yùn)算效率。復(fù)振幅全息圖的振幅和相位得以保留，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。而相位型全息圖的生成過(guò)程依賴優(yōu)化算法，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)。
（2）高空間帶寬積。復(fù)振幅全息圖同時(shí)保留了振幅與相位，擴(kuò)展了顯示的瞬時(shí)帶寬。
（3）高重建精度。復(fù)振幅全息圖能夠有效避免丟失振幅與相位項(xiàng)帶來(lái)的偽影與顆粒狀激光散斑噪聲。
2 復(fù)振幅全息原理
現(xiàn)有復(fù)振幅調(diào)制的主流思路是將全息圖分解為多個(gè)相位或振幅組分，并從不同組分的疊加中恢復(fù)出復(fù)振幅。雙相位分解法就是其中一個(gè)代表性方法。在編碼時(shí)將復(fù)振幅分布分解為兩幅相位型全息圖，在光學(xué)重建中使兩幅相位型全息圖相干疊加，即可恢復(fù)出全息圖平面的復(fù)振幅場(chǎng)。基于雙相位分解原理，演化出兩種復(fù)振幅全息的編碼思路。
一種思路為將分解的兩個(gè)相位分量逐個(gè)像素穿插排列，使得相鄰像素在衍射傳播的過(guò)程中發(fā)生干涉，恢復(fù)出復(fù)振幅全息圖，這種容納了兩個(gè)相位分量的全息也被稱為雙相位全息圖（DPH）。這種方法可以僅通過(guò)一個(gè)相位型空間光調(diào)制器恢復(fù)出復(fù)振幅全息圖，實(shí)現(xiàn)真實(shí)生動(dòng)的顯示效果。但由于兩個(gè)相位分量之間存在空間錯(cuò)位，這種錯(cuò)位成為雙相位全息圖噪聲的主要來(lái)源。
圖4 雙相位全息圖
另一種思路為將分解的雙相位分量排布在不同空間光調(diào)制器或同一空間光調(diào)制器的不同區(qū)域，通過(guò)特定的光路設(shè)計(jì)使雙相位分量干涉，即相位干涉全息。相位干涉理論上可重建理想復(fù)振幅場(chǎng)，重建精度高，不依賴空間濾波。但它要求干涉分量實(shí)現(xiàn)像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)，光學(xué)重建實(shí)驗(yàn)要求苛刻，其進(jìn)一步發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)。
圖5 相位干涉的復(fù)振幅全息重建系統(tǒng)
3 其他復(fù)振幅調(diào)制方案
隨著全息顯示的快速發(fā)展致使其對(duì)復(fù)振幅編碼技術(shù)的需求與日俱增，也產(chǎn)生了其他復(fù)振幅調(diào)制的方案。其中包括基于單個(gè)振幅型或相位型空間光調(diào)制器的復(fù)振幅編碼方案，振幅-相位空間光調(diào)制器級(jí)聯(lián)方案與相位-相位空間光調(diào)制器級(jí)聯(lián)方案等。除此之外，以超穎表面為代表的新型顯示材料與顯示元件迅速發(fā)展，也為計(jì)算全息的波前調(diào)控與波前編碼提供了新角度與新手段
4 總結(jié)與展望
本文分析了不同復(fù)振幅調(diào)控方案的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，得出以下結(jié)論：
（1）復(fù)振幅調(diào)制能夠同時(shí)獨(dú)立地調(diào)控光場(chǎng)的振幅與相位，是人們對(duì)光場(chǎng)調(diào)控與操縱的主要目標(biāo)，復(fù)振幅調(diào)制是全息顯示的終極發(fā)展方向。
（2）近年來(lái)復(fù)振幅全息在算法、器件與系統(tǒng)層面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，以雙相位為主的復(fù)振幅運(yùn)算與編碼方法兼?zhèn)淞烁哌\(yùn)算效率與高重建精度，有望實(shí)現(xiàn)高分辨率、大視場(chǎng)的真三維實(shí)時(shí)全息顯示。大尺寸高分辨率空間光調(diào)制器和超穎表面等新型光學(xué)器件的發(fā)展，為下一代復(fù)振幅顯示技術(shù)的誕生創(chuàng)造了條件。
（3）復(fù)振幅全息在擴(kuò)展空間帶寬積的同時(shí)也增加了計(jì)算全息的運(yùn)算數(shù)據(jù)量，并要求器件具備獨(dú)立調(diào)控多階振幅與相位的能力，也對(duì)全息光路噪聲的可控性有了更高的要求。
（4）未來(lái)復(fù)振幅全息的調(diào)制手段將日趨多樣化，針對(duì)不同的顯示應(yīng)用場(chǎng)景，可采用不同的顯示器件。設(shè)計(jì)適配的運(yùn)算算法與顯示系統(tǒng)將是復(fù)振幅全息顯示的發(fā)展方向。
論文信息
隋曉萌, 何澤浩, 曹良才, 金國(guó)藩. 基于液晶空間光調(diào)制器的復(fù)振幅全息顯示進(jìn)展[J]. 液晶與顯示, 2021, 36(6):797-809. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0049.
論文地址
http://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2021-0049
作者簡(jiǎn)介
隋曉萌，清華大學(xué)精密儀器系博士研究生，2018年于清華大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事計(jì)算全息與三維顯示方面的研究。
E-mail: suixm18@mails.tsinghua.edu.cn
曹良才，清華大學(xué)精密儀器系長(zhǎng)聘副教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）會(huì)士和美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）會(huì)士。2005年獲得清華大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)博士學(xué)位，畢業(yè)后留校工作至今，主要從事全息光學(xué)成像與顯示技術(shù)方面的研究。2009年加州大學(xué)圣塔克魯茲分校訪問(wèn)學(xué)者，2014年麻省理工學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者。擔(dān)任中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)全息與光信息處理專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、北京光學(xué)學(xué)會(huì)理事，擔(dān)任《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》副主編和《液晶與顯示》等期刊編委會(huì)委員。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和科技部973項(xiàng)目/重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題10余項(xiàng)。在Light: Science & Applications, Physical Review Letters, Nature Communications, Optics Letters等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇，申請(qǐng)專利20余項(xiàng)。
