中科大研发3D散射辅助动态全息术，成果实现动态3D矢量全息投影

裸眼动态 3D 显示，是人类梦寐以求的显示技术。自 1956 年全息术发明以来，人们一直相信光学全息是实现真三维显示的理想途径。

为实现逼真的三维显示，必须创建一个具有全深度调控的、可实现高密度多平面投影的三维全息图。

对于动态全息投影来说，它通常依赖空间光调制器来调制光场，进而重构物体的图像信息。全息图深度信息的调控能力越强，有效投影的平面密度越高，人眼观测到的重构物体图像就越逼真。

然而，即使采用最先进的空间光调制器，目前计算全息图的深度调控能力也非常有限。此外，不同深度的平面投影图像之间的强串扰，进一步降低了全息投影的质量。

因此，投影平面的深度分辨率低、以及平面间图像串扰大，成为产生逼真三维全息图的两个关键限制因素。

基于此，中科大教授龚雷课题组提出了一种三维散射辅助动态全息术（Three-dimensional scattering-assisted dynamic holography, 3D-SDH），具有超细精度调控、动态投影、偏振复用等功能。

图 | 龚雷（来源：龚雷）

研究中，该团队采用了一个简单的加法：1+H。H 代表全息图，1 就是一个平面波，经过散射介质之后在自由空间传输。就像魔法一样，走到哪里就能消除哪个平面的串扰。“这是一个多么简单而优美的方案。当然，它背后是光场相关性的物理原理。”龚雷说。

在实验之中，起初他们只是想尝试投影三维强度图像。这一想法来自于这样一个启发：当使用电影院的 3D 眼镜时，通过它的两只镜片可以看到不同偏振的图像。这时人脑会合成三维图像，但是我们却看不到图像内部的三维结构。

于是，龚雷课题组产生了一个很有意思的想法：是否有办法让两只眼睛看到不同的三维图像？这样一来，人脑合成的图像就是拥有三维内部结构的物体。

本质上，全息投影是目标光场的精确重构，两者具有紧密的联系。为此，他和团队提出来散射辅助的三维矢量全息投影方法，原理上仅仅使用相位型全息图，就能实现动态三维矢量全息投影。

为解决上述两个问题，课题组引入光学散射特性，借此突破了空间光调制器的空间频率调控极限。同时，将散射平面波的随机相位，叠加在每个投影平面降低光场相关性。

至此，他们从物理原理上找到了解决三维计算全息深度调控瓶颈的方案。

下一步则要解决三维全息图计算问题，其中涉及到如何在散射条件下光学重构三维清晰图像。

他们先给出了全息图表达式，并设计算法实现全息图的快速计算生成，进而采用数值模拟的方法验证该方案的可行性。

最后一步则是进行实验验证，包括设计三维散射全息投影的装置、实验设计和三维高密度全息投影的实验演示等。在模拟实验中，他们以全息投影的方式，展示了一个笼中兔子的三维模型。

此前，在三维全息重构过程中，同一束光需要穿过所有投影平面，这时面临一个困难便是如何抑制每个平面上的串扰和光学噪声，而本次工作成功解决了这一问题。

在使用该技术时，开发光散射效应可以突破传统菲涅尔全息投影技术的深度调控限制，在轴上分辨率上能够实现 3 个数量级的提升。

与此同时，平面间串扰也能得到极大抑制，从而实现超高密度的三维动态全息投影。而且，只使用相位型全息图就能实现动态三维矢量全息投影。

通过将更多深度信息融入到计算全息图中，可以更逼真地重构三维图像，未来有望用于立体显示、投影光刻、光信息存储、光学微操控和生物显微成像等。尤其是用于虚拟或增强现实领域时，可以带来人机交互、互动式教学和娱乐等潜在应用。

日前，相关论文以《Ultrahigh-density 3D holographic projection by scattering-assisted dynamic holography》（Ultrahigh-density 3D holographic projection by scattering-assisted dynamic holography）为题发在 Optica 上，YuPanpan 是第一作者，龚雷担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Optica）

另据悉，本次研究仅实现了 3D 点云化场景全息再现。该团队的最终目标是全息投影连续分布的 3D 物体。连续分布的三维物体包含的信息非常大，目前的数字全息图模式数有限，重构三维图像的复杂性仍然有限。

投影复杂 3D 场景需要更高像素分辨率的全息图。另外，当图像越复杂的时候，生成全息图的耗时也就越久，这也是生成逼真三维全息图所面临的重要挑战。

因此，他们将开发新的算法来提升高分辨率全息图的计算速度，例如深度学习的全息图计算方法。另外，其还打算提升硬件配置、优化散射介质设计，采用 4K 分辨率的空间调制器结合特殊加工的散射介质，提高 3D 全息投影图像的质量。

参考资料：

1.Yu, P., Liu, Y., Wang, Z., Liang, J., Liu, X., Li, Y., ... & Gong, L. (2023). Ultrahigh-density 3D holographic projection by scattering-assisted dynamic holography. Optica, 10(4), 481-490.