图片：POND5
撰稿 | 何泽浩
01
导读
完全再现真实场景中的三维立体图像一直是人类希望达到的目标之一。
全息显示可以提供人眼能感知的所有深度线索，给观看者最逼真的三维视觉体验，因此被认为是最为理想的三维视频显示方式之一。
然而，当前使用的空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）面临着空间带宽积（Spatial Bandwidth Product，SBP）和光学扩展能力不足的问题，制约了全息视频显示系统的显示效果。
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）的初大平教授研究团队使用两块高刷新率的SLM、一块共振扫描镜以及一块高性能振镜，搭建了一套可扩展的、基于空间图像平铺的疏积分全息视频显示系统，完全利用了SLM、共振扫描镜以及振镜的性能潜力，实现了显示尺寸和视场角的双重扩展。
02
研究背景
全息技术中，全息图的信息容量可以用光学扩展能力和SBP表达。
若要求全息显示的目标场景显示尺寸为60mm×40mm、视场角为20°×5°，显示系统所能提供的光学扩展能力最少需要达到106mm²·deg²量级。
然而，当前分辨率为1024×768、像素尺寸为13μm的SLM可提供的光学扩展能力仅为257.64 mm²·deg²，仅仅为理论值的1/3881。
此外，为了让三维显示效果更加精细、逼真，显示系统还需要极高的SBP。当前SLM的分辨率较低、显示区域较小，SBP还远远不够。
针对全息显示光学扩展能力和SBP不足的问题，东京农业技术大学、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开发图像扫描装置、研制新型SLM以及构建SLM阵列等解决方法，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2014年开始，就致力于解决全息显示光学扩展能力和SBP不足的问题。
在2018年该团队展示了一套疏积分全息视频显示系统，使用了一块分辨率较低但刷新率极高（22727fps）的SLM，搭建了一套由一块振镜和一块共振扫描镜组成的扫描系统，完全利用了SLM的光学扩展能力和SBP，实现了视场角高达48°的彩色、动态全息显示。
图1. 疏积分全息显示系统。
03
创新研究
针对2018年工作视场角大但显示尺寸较小的不足，初大平教授研究团队进一步研制了一套可扩展的基于空间图像拼接的疏积分全息视频显示系统。
如图2所示，该系统使用了两块分辨率较低但刷新率极高的SLM，搭建了一套由一块振镜和一块共振扫描镜组成的扫描系统，实现了显示尺寸和视场角的双重扩展。
图2. 可扩展的疏积分全息视频显示系统
为了获得理想的全息重建效果，照明光经两块SLM反射后的衍射重建光应保持平行状态。
此外，由于SLM调制区域外具有边框，如果不进行系统优化，则重建图像中将会存在明显的重建空隙。
为了解决这一问题，该系统使用了一套由四面反射镜组成的延迟镜面阵列（Delay Mirror Array Structure，DMAS）。
在DMAS中，两块外围的反射镜控制了两个SLM全息重建像的距离，两块内侧的反射镜则可以实现两个SLM全息重建图像的无缝拼接。
图3. 延迟镜面阵列（DMAS）的光路设计。
图4.全息显示系统的无缝拼接前后效果。
为了充分匹配SLM的尺寸、SBP和光学扩展能力，系统中使用了一块型号为SC-21的共振扫描镜用于水平方向的扫描，具备高达70°的最大扫描范围。
实际使用过程中，该共振扫描镜的扫描范围被限制在48°。
另外，系统中还使用了另一种扫描振镜进行竖直方向的扫描，扫描范围为4.8°，系统的数据流总量可达10.8×105mm²deg²/sec，与2018年的系统相比提高了两倍。
图5展示了该系统对三维模型的重建结果，实现了大显示尺寸和大视场角的全息显示效果，(a)、(b)分别是两块SLM在水平、竖直视角均为0°时各自的重建图像；(d)为水平、竖直视角均为0°时的合成重建图像；(c)、(e)为水平视角为±20°时的合成重建图像；(f)、(g) 为竖直视角为±1.6°时的合成重建图像。
图5.全息显示系统三维重建结果。
04
作者简介
初大平 教授
初大平教授现任英国剑桥大学光电子与传感器组教授、主任，剑桥大学工程系先进光电与电子研究中心主任，英国物理学会会士（Fellow），英国物理学会特聘物理学家（Chartered Physicist）和英国工程技术学会会士（Fellow）。
初大平教授的主要研究领域包括高亮度多稳态反射彩色显示器件、应用于投影、照明和电信的全息空间光调制器、夹层电活性金属箔和灵活/可印刷电子技术，在相关领域取得了卓越的成就，在国际学术界享有很高的学术地位。
文章转载至：中国光学