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)明全息術以來，人們一直相信光學全息是實現(xiàn)裸眼3D顯示的理想途徑。但是動態(tài)重構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物體深度信息的連續(xù)精密調控，全息圖深度信息調控能力越強，有效投影平面密度越高，人眼觀測到的重構物體圖像就越逼真。動態(tài)全息投影通常依賴空間光調制器（SLM）調制光場波前重構物體圖像信息，然而即使采用最先進的SLM，目前生成的全息圖深度調控能力也非常有限。此外，不同深度平面上圖像之間的串擾進一步降低了全息投影的質量。因此，投影平面深度分辨率低和平面間圖像串擾大成為產生逼真三維全息圖的兩個關鍵限制因素。

近日，我校光學與光學工程系龔雷課題組與新加坡國立大學仇成偉教授、加拿大魁北克大學國家科學研究院 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中，同時克服了傳統(tǒng)全息投影技術深度調控的兩個瓶頸問題，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)表于國際知名學術期刊《Optica》上。Optica出版集團當天以News Release形式進行了特別報道，該技術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三維圖像，用于虛擬現(xiàn)實和其它應用。

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（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系統(tǒng)可調控空間頻率的范圍，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擾。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技術能夠實現(xiàn)高密度、低串擾、大視角的三維動態(tài)全息投影，并且有望應用于全息顯微成像、立體顯示、投影光刻、信息存儲、光學微操控等領域。

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》針對該技術發(fā)明背景及潛在應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。該雜志的網絡視頻節(jié)目Photonics Hot List也同步進行了報道。