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keyiyouxiaodezhaodaozijixuyaodexinxi，shiyongqilaigengjiadeqingsong，youxiaodefupin。shoudongsousuobendijuyuwangdeshebeixingyundazhuanpan：wanzhuanpan，meitiandoukemianfeilingqudaliangyouxidaoju！nilaiwan，womenjiusong！shouhuoreai，qidaigengduo。xianjiangchangqiqiuchonghaoqi，qiqiudeweiduanyaoliucmzuoyoudechangdubuchongqi利(li)用(yong)SLM+可(ke)調(tiao)液(ye)晶(jing)光(guang)柵(zha)，北(bei)航(hang)大(da)尺(chi)寸(cun)全(quan)息(xi)3D顯(xian)示(shi)系(xi)統(tong)解(jie)析(xi)

相(xiang)比(bi)於(yu)AR/VR显示技(ji)術(shu)，全息光學(xue)的(de)視(shi)場(chang)角(jiao)受(shou)到(dao)更(geng)大限(xian)制(zhi)。通(tong)常(chang)，全息技术通過(guo)幹(gan)涉(she)和(he)衍(yan)射(she)原(yuan)理(li)來(lai)記(ji)錄(lu)、重(zhong)建(jian)完(wan)整(zheng)的波(bo)前(qian)信(xin)息，實(shi)現(xian)3D全息显示。现有(you)的全息技术，常常將(jiang)3D圖(tu)像(xiang)投(tou)影(ying)到壹(yi)個(ge)看(kan)似(si)立(li)體(ti)的平(ping)面(mian)上(shang)，而(er)很(hen)多(duo)全息显示方(fang)案(an)使(shi)用衍射图形(xing)来修(xiu)改(gai)光波陣(zhen)面，来創(chuang)建3D图像。比較(jiao)常見(jian)的方案使用了(le)空(kong)間(jian)光線(xian)调制器(qi)（SLM）、激(ji)光器或(huo)LED光源(yuan)，並(bing)将图像投影到LCoS显示表(biao)面上。

傳(chuan)统3D全息显示技术基(ji)于光折(zhe)變(bian)聚(ju)合(he)物(wu)等(deng)光学材(cai)質(zhi)，難(nan)以(yi)实现動(dong)態(tai)刷(shua)新(xin)。因(yin)此(ci)，SLM在(zai)全息3D显示領(ling)域(yu)得(de)到廣(guang)泛(fan)應(ying)用。不(bu)过，對(dui)于动态全息3D显示技术，人(ren)們(men)追(zhui)求(qiu)大尺寸、寬(kuan)视场角。但(dan)目(mu)前SLM空间光调制器受到像素(su)间距(ju)和尺寸限制，很难滿(man)足(zu)要(yao)求。常见的基于單(dan)SLM的全息系统，视场角小(xiao)于9°，显示區(qu)域宽度(du)不到2cm。如(ru)果(guo)通过增(zeng)加(jia)SLM像素數(shu)来提(ti)升(sheng)显示区域和视场角，那(na)麽(me)像素解析量(liang)过大，效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)。

假(jia)設(she)想(xiang)要重建一个300mmx300mmx300mm的全视差(cha)3D全息图，并实现30°视场角，那么SLM的像素数量将至(zhi)少(shao)達(da)到10^12，而即(ji)使用目前最(zui)先(xian)進(jin)的光刻(ke)技术，也(ye)很难制造(zao)出(chu)擁(yong)有該(gai)数量級(ji)的SLM模(mo)組(zu)。而如果在3D全息系统中(zhong)僅(jin)使用单个SLM，那么即使在SLM分(fen)辨(bian)率达到3840x2160，像素间距达3.74μm，激光波長(chang)达532nm的情(qing)況(kuang)下，视场角也通常小于9°，显示宽度低于20mm，這(zhe)很难实现良(liang)好(hao)的觀(guan)看效果。

為(wei)了解決(jue)上述(shu)問(wen)題(ti)，一些(xie)SLM利用時(shi)间復(fu)用、空间复用方式(shi)，来提高(gao)全息图的FOV和尺寸，然(ran)而时间复用方案对于SLM的刷新率要求很高，而空间复用方案結(jie)構(gou)复雜(za)、成(cheng)本(ben)高。此外(wai)，也有人采(cai)用超(chao)表面结构，来实现亞(ya)波长调制。盡(jin)管(guan)超表面结构、全息光学元(yuan)件(jian)可以有效擴(kuo)大视场角、放(fang)大显示尺寸，但这兩(liang)種(zhong)方案在制造工(gong)藝(yi)上存(cun)在困(kun)难和挑(tiao)戰(zhan)。

因此，北京(jing)航空航天(tian)大学儀(yi)器與(yu)光電(dian)工程(cheng)学院(yuan)的科(ke)研(yan)人員(yuan)提出了一种基于可调液晶光栅的大尺寸全息3D显示系统，相比于传统单个SLM系统，该系统的優(you)勢(shi)是(shi)视场角扩大7倍(bei)，达57.4°，图像尺寸放大了4.2倍。據(ju)悉(xi)，该实驗(yan)由(you)李(li)移(yi)隆(long)主(zhu)導(dao)，他(ta)和科研團(tuan)隊(dui)实施(shi)了两种不同(tong)的全息成像方案，一种基于周(zhou)期(qi)可调的可调液晶光栅，可扩大视场角，而另(ling)一种則(ze)是通过重建图像的二(er)次(ci)衍射来扩大全息图尺寸。

据了解，液晶光栅是一种基于幾(ji)何(he)相位(wei)原理的光栅器件，它(ta)作(zuo)用于圓(yuan)偏(pian)振(zhen)光，具(ju)有电光和偏振可调性(xing)，可调節(jie)入(ru)射光振幅(fu)和相位，其(qi)一级衍射的效率理論(lun)上可达到100%。由于液晶材料(liao)具備(bei)流(liu)动性和雙(shuang)折射特(te)性，它可以实现对光強(qiang)度、偏振等性质的调控(kong)。此外，液晶材料在可见光和紅(hong)外波长範(fan)圍(wei)呈(cheng)透(tou)明(ming)狀(zhuang)态，透光度较好。

科研人员表示：近(jin)年(nian)来，隨(sui)著(zhe)液晶技术發(fa)展(zhan)，它的相位可调特性为全息显示提供(gong)了新的機(ji)遇(yu)。通过液晶透鏡(jing)、液晶光閥(fa)等元件，可提高全息3D显示的质量。可调液晶光栅通过电壓(ya)来驅(qu)动光束(shu)调节，可用于光波导、光束偏轉(zhuan)、光互(hu)聯(lian)、AR显示、3D显示等多种场景(jing)。通过电压调节液晶光栅，還(hai)可以实现2D图像和3D图像之(zhi)间的切(qie)換(huan)。

为了实现宽视场角，科研人员将液晶光栅通电，电压會(hui)导致(zhi)液晶分子(zi)呈现衍射光栅的周期性順(shun)序(xu)，接(jie)着光栅又(you)会形成二次衍射图像。因此，可以通过改变电压和调整光栅的周期，来调整二次衍射图像的数量。此外，再(zai)通过调整偏振光阀，来確(que)保(bao)只(zhi)有正(zheng)向(xiang)一级衍射光可以通过该系统。

簡(jian)单来講(jiang)，就(jiu)是利用可调液晶光栅对SLM產(chan)生(sheng)的衍射图进行(xing)二次调节。第(di)一次衍射：衍射光經(jing)过SLM和分束器後(hou)通过透镜1，然后通过濾(lv)光片(pian)，消(xiao)除(chu)高階(jie)衍射光。可调液晶光栅位于透镜1的后焦(jiao)平面与透镜2的前焦平面上，向液晶光栅施加电压后，会导致第二次衍射，從(cong)而扩大3D全息图的视场角和尺寸。为了扩大3D全息图像的尺寸，第二种成像方案生成两个大小相等的子全息图，在光栅通电之前，第一个子全息图已(yi)经加載(zai)到SLM上，通电后，便(bian)将第二个子全息图也加载到SLM上。

當(dang)響(xiang)应速(su)度足夠(gou)快(kuai)时，两个子全息图可以無(wu)縫(feng)拼(pin)接，利用人眼(yan)视覺(jiao)暫(zan)留(liu)效果，将3D全息图像尺寸扩大到4.2倍。科研人员表示：由于光栅的响应时间約(yue)29.2ms，几乎(hu)可以满足同步(bu)控制子全息图的效果。

細(xi)节方面，科研人员设計(ji)的可调液晶光栅主要由上基板(ban)、上电極(ji)、液晶層(ceng)、下电极和下基板组成。在初(chu)始(shi)状态下，可调液晶光栅不通电，而通电并施加电压时，液晶分子呈周期模式排(pai)列(lie)，这时可调液晶光栅对全息图像进行二次调制，并通过光栅的周期将原始全息图变成7个連(lian)續(xu)的大全息图，从而将视场角扩大为原来的7倍。另外，通过不同的通电模式（仅上电极通电，或上下电极同时通电），可形成不同的液晶分子排布(bu)（小周期或大周期），从而实现液晶光栅的周期切换。通过施加电流，可调液晶光栅的间距也可以改变。

实验中使用的3D全息系统由激光器、扩束器、分束器、SLM、4f光学系统（包(bao)括(kuo)两个透镜）、滤波器和可调液晶光栅、偏振光阀、信號(hao)控制器组成。其中激光器和扩束器可产生準(zhun)直(zhi)入射光，准直入射光通过分束器后，会照(zhao)射SLM。而SLM加载了3D全息图。

而偏振光阀则用于控制不同衍射级的光通过，从而调节光的强度。信号控制器用于生成全息图，并同步控制施加在可调液晶光栅上的电压、全息图的加载顺序，以及(ji)偏振光阀的状态。二次衍射图像通过透镜2后，可通过相机来捕(bu)捉(zhuo)重建的3D全息图像。

科研人员指(zhi)出，全息技术可用于多种领域，比如3D可视化(hua)、数据儲(chu)存、光学加密(mi)、醫(yi)学成像、数字(zi)显微(wei)镜等等。而其研发的SLM+液晶光栅系统结构简单、易(yi)于操(cao)作，未(wei)来可以用于医療(liao)、教(jiao)育(yu)、娛(yu)樂(le)、广告(gao)等领域。未来，还将繼(ji)续优化该方案的色(se)彩(cai)，推(tui)动其在全息显示领域的应用。除了全息显示外，科研人员还希(xi)望(wang)将该技术用于AR显示领域。參(can)考(kao)：DisplayDaily，Nature返(fan)回(hui)搜(sou)狐(hu)，查(zha)看更多

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