原創(chuàng) Light新媒體 中國光學(xué) 收錄于話題#液晶與顯示12個

計算全息（CGH）利用計算機生成全息圖，可以實現(xiàn)波前調(diào)控和全息顯示。該技術(shù)通過數(shù)值計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算全息圖，最終通過光學(xué)衍射的方法重建出攜帶物體信息的三維光場。在該過程中，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)振幅計算全息的原理與研究進(jìn)展，重點論述了基于現(xiàn)有空間光調(diào)制器實現(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，并對后續(xù)技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 計算全息三維顯示

由于左右眼能夠從不同方位獲得三維場景的二維圖像，這兩幅二維圖像存在的微小差別即為視差。大腦通過對視差的分析得到三維場景的空間分布信息，觀察者由此獲得了立體視覺的能力。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用了人對視差的感知與分析能力，對左右眼輸出不同的視差圖像，通過大腦的融合形成具有一定深度感的立體圖像。但隨著人們對顯示需求的提升，雙目視差型顯示面臨著分辨率低、視場角小的困境。此外，由于人眼看屏幕的觀測點與大腦融合得到的深度信息不匹配，觀測者可能會感到眩暈和不適。

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)通過記錄和再現(xiàn)真實的物光波，還原出具有深度信息的真三維光場，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過程。記錄過程是將相干光分束，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

隨著計算機技術(shù)與顯示器件的發(fā)展，傳統(tǒng)全息中的記錄過程可以在計算機中實現(xiàn)，即計算全息技術(shù)。通過數(shù)值計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，并通過光的衍射恢復(fù)出記錄的物體信息。

圖3 計算全息流程

由于現(xiàn)有空間光調(diào)制器大多僅能實現(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：

（1）高運算效率。復(fù)振幅全息圖的振幅和相位得以保留，計算過程相對簡單。而相位型全息圖的生成過程依賴優(yōu)化算法，計算耗時長。

（2）高空間帶寬積。復(fù)振幅全息圖同時保留了振幅與相位，擴展了顯示的瞬時帶寬。

（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帶來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代表性方法。在編碼時將復(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。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相位分量逐個像素穿插排列，使得相鄰像素在衍射傳播的過程中發(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一個相位型空間光調(diào)制器恢復(fù)出復(fù)振幅全息圖，實現(xiàn)真實生動的顯示效果。但由于兩個相位分量之間存在空間錯位，這種錯位成為雙相位全息圖噪聲的主要來源。

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，通過特定的光路設(shè)計使雙相位分量干涉，即相位干涉全息。相位干涉理論上可重建理想復(fù)振幅場，重建精度高，不依賴空間濾波。但它要求干涉分量實現(xiàn)像素級對準(zhǔn)，光學(xué)重建實驗要求苛刻，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)制器級聯(lián)方案與相位-相位空間光調(diào)制器級聯(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)勢與挑戰(zhàn)，得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)振幅調(diào)制能夠同時獨立地調(diào)控光場的振幅與相位，是人們對光場調(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）近年來復(fù)振幅全息在算法、器件與系統(tǒng)層面均取得了長足的發(fā)展，以雙相位為主的復(fù)振幅運算與編碼方法兼?zhèn)淞烁哌\算效率與高重建精度，有望實現(xiàn)高分辨率、大視場的真三維實時全息顯示。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)振幅全息在擴展空間帶寬積的同時也增加了計算全息的運算數(shù)據(jù)量，并要求器件具備獨立調(diào)控多階振幅與相位的能力，也對全息光路噪聲的可控性有了更高的要求。

（4）未來復(fù)振幅全息的調(diào)制手段將日趨多樣化，針對不同的顯示應(yīng)用場景，可采用不同的顯示器件。設(shè)計適配的運算算法與顯示系統(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)精密儀器系長聘副教授、博士生導(dǎo)師，國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）會士和美國光學(xué)學(xué)會（OSA）會士。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學(xué)者，2014年麻省理工學(xué)院訪問學(xué)者。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會全息與光信息處理專業(yè)委員會常務(wù)委員、北京光學(xué)學(xué)會理事，擔(dān)任《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》副主編和《液晶與顯示》等期刊編委會委員。作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目和科技部973項目/重點研發(fā)計劃子課題10余項。在Light: Science & Applications, Physical Review Letters, Nature Communications, Optics Letters等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇，申請專利20余項。