中國科大實現(xiàn)超高密度三維動態(tài)全息投影

自1956年丹尼斯·加博爾發(fā)明全息術(shù)以來，人們一直相信光學(xué)全息是實現(xiàn)裸眼3D顯示的理想途徑。但是動態(tài)重構(gòu)逼真立體場景的三維全息顯示一直面臨重大挑戰(zhàn)，其中生成真實的三維全息圖（3D hologram）是瓶頸問題。真實的三維全息圖涉及對重構(gòu)物體深度信息的連續(xù)精密調(diào)控，全息圖深度信息調(diào)控能力越強，有效投影平面密度越高，人眼觀測到的重構(gòu)物體圖像就越逼真。動態(tài)全息投影通常依賴空間光調(diào)制器（SLM）調(diào)制光場波前重構(gòu)物體圖像信息，然而即使采用最先進的SLM，目前生成的全息圖深度調(diào)控能力也非常有限。此外，不同深度平面上圖像之間的串?dāng)_進一步降低了全息投影的質(zhì)量。因此，投影平面深度分辨率低和平面間圖像串?dāng)_大成為產(chǎn)生逼真三維全息圖的兩個關(guān)鍵限制因素。

近日，我校光學(xué)與光學(xué)工程系龔雷課題組與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授、加拿大魁北克大學(xué)國家科學(xué)研究院 Jinyang Liang 教授合作提出一種超高密度3D全息投影的新方法。團隊將光散射引入到三維全息投影技術(shù)中，同時克服了傳統(tǒng)全息投影技術(shù)深度調(diào)控的兩個瓶頸問題，實現(xiàn)了超高密度的三維動態(tài)全息投影，研究成果以“Ultrahigh-density 3D Holographic Projection by Scattering-assisted Dynamic Holography”為題于2023年4月6日在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Optica》上。Optica出版集團當(dāng)天以News Release形式進行了特別報道，該技術(shù)通過將更多深度信息融入到全息圖中，這種類型的全息圖可以更逼真地重構(gòu)三維圖像，用于虛擬現(xiàn)實和其它應(yīng)用。

圖1. 3D-SDH實現(xiàn)逼真三維全息投影的概念圖。

在此工作中，研究人員發(fā)明了一種散射輔助的三維動態(tài)全息技術(shù)（Three-dimensional scattering-assisted dynamic holography, 3D-SDH)。3D-SDH利用光的多重散射極大提高了光學(xué)系統(tǒng)可調(diào)控空間頻率的范圍，同時開發(fā)散斑光場傳輸屬性降低不同深度平面光場的相關(guān)性，將基于菲涅爾全息的投影深度分辨率提高3個量級以上，同時極大抑制了不同投影平面間圖像的串?dāng)_。此外，光場的振幅、相位和偏振信息在散射過程中實現(xiàn)了耦合，3D-SDH進一步通過單個數(shù)字全息圖實現(xiàn)了三維動態(tài)偏振全息顯示。本研究提出的3D-SDH技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、低串?dāng)_、大視角的三維動態(tài)全息投影，并且有望應(yīng)用于全息顯微成像、立體顯示、投影光刻、信息存儲、光學(xué)微操控等領(lǐng)域。

圖2.3D-SDH和最先進的三維計算全息（RV-CGH）方法的投影效果比較。

國際著名光電雜志《Laser Focus World》針對該技術(shù)發(fā)明背景及潛在應(yīng)用對團隊進行了郵件采訪，并以“Researchers exploit disordered scattering to improve depth control for holograms”為題作為TOP STORIES做了特別報道。該雜志的網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)目Photonics Hot List也同步進行了報道。