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。
(资料图)
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.
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