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图片：POND5
撰稿|何泽浩
01
导读
完全再现真实场景中的三维立体图像一直是人类希望达到的目标之一 。
全息显示可以提供人眼能感知的所有深度线索 ， 给观看者最逼真的三维视觉体验 ， 因此被认为是最为理想的三维视频显示方式之一 。
然而 ， 当前使用的空间光调制器（SpatialLightModulator ， SLM）面临着空间带宽积（SpatialBandwidthProduct ， SBP）和光学扩展能力不足的问题 ， 制约了全息视频显示系统的显示效果 。
最近 ， 英国剑桥大学光子器件与传感器研究中心（CentreforPhotonicDevicesandSensors）的初大平教授研究团队使用两块高刷新率的SLM、一块共振扫描镜以及一块高性能振镜 ， 搭建了一套可扩展的、基于空间图像平铺的疏积分全息视频显示系统 ， 完全利用了SLM、共振扫描镜以及振镜的性能潜力 ， 实现了显示尺寸和视场角的双重扩展 。
02
研究背景
全息技术中 ， 全息图的信息容量可以用光学扩展能力和SBP表达 。
若要求全息显示的目标场景显示尺寸为60mm×40mm、视场角为20°×5° ， 显示系统所能提供的光学扩展能力最少需要达到106mm2·deg2量级 。
然而 ， 当前分辨率为1024×768、像素尺寸为13μm的SLM可提供的光学扩展能力仅为257.64mm2·deg2 ， 仅仅为理论值的1/3881 。
此外 ， 为了让三维显示效果更加精细、逼真 ， 显示系统还需要极高的SBP 。 当前SLM的分辨率较低、显示区域较小 ， SBP还远远不够 。
针对全息显示光学扩展能力和SBP不足的问题 ， 东京农业技术大学、新加坡数据存储研究所、美国麻省理工学院以及浙江大学等机构的科研人员已经提出了开发图像扫描装置、研制新型SLM以及构建SLM阵列等解决方法 ， 均取得了较为深入的研究成果 。
【#BOE知识酷#全息视频显示】剑桥大学初大平教授研究团队从2014年开始 ， 就致力于解决全息显示光学扩展能力和SBP不足的问题 。
在2018年该团队展示了一套疏积分全息视频显示系统 ， 使用了一块分辨率较低但刷新率极高（22727fps）的SLM ， 搭建了一套由一块振镜和一块共振扫描镜组成的扫描系统 ， 完全利用了SLM的光学扩展能力和SBP ， 实现了视场角高达48°的彩色、动态全息显示 。
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图1.疏积分全息显示系统 。
03
创新研究
针对2018年工作视场角大但显示尺寸较小的不足 ， 初大平教授研究团队进一步研制了一套可扩展的基于空间图像拼接的疏积分全息视频显示系统 。
如图2所示 ， 该系统使用了两块分辨率较低但刷新率极高的SLM ， 搭建了一套由一块振镜和一块共振扫描镜组成的扫描系统 ， 实现了显示尺寸和视场角的双重扩展 。
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图2.可扩展的疏积分全息视频显示系统
为了获得理想的全息重建效果 ， 照明光经两块SLM反射后的衍射重建光应保持平行状态 。
此外 ， 由于SLM调制区域外具有边框 ， 如果不进行系统优化 ， 则重建图像中将会存在明显的重建空隙 。
为了解决这一问题 ， 该系统使用了一套由四面反射镜组成的延迟镜面阵列（DelayMirrorArrayStructure ， DMAS） 。
在DMAS中 ， 两块外围的反射镜控制了两个SLM全息重建像的距离 ， 两块内侧的反射镜则可以实现两个SLM全息重建图像的无缝拼接 。
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图3.延迟镜面阵列（DMAS）的光路设计 。
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