基于液晶空間光調(diào)制器的大視角全息顯示技術(shù)

鄭義微， 王 迪， 李移隆， 儲 繁， 王瓊?cè)A

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100191)

1 引 言

人類生活在3D世界中，對3D信息的接收與顯示是滿足人類視覺感知的重要途徑。3D顯示自20世紀(jì)80年代以來先后出現(xiàn)了助視3D顯示和裸視3D顯示，裸視顯示又稱為裸眼顯示，它包括多視點光柵3D顯示、體顯示、集成成像3D顯示和全息3D顯示等多種方式[1-5]。其中全息3D顯示因為能夠完整記錄和再現(xiàn)3D物體的波前信息，提供人眼視覺系統(tǒng)所需要的全部深度信息，被廣泛地認(rèn)為是3D顯示的終極目標(biāo)。1898年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)多媒體實驗室基于聲光調(diào)制器(AOM)提出了第一代全息投影顯示系統(tǒng)。隨后，他們基于不同類型的AOM和光機系統(tǒng)先后開發(fā)了三代(Mark Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)全息顯示系統(tǒng)，其中第三代的顯示尺寸為80 mm×80 mm×80 mm，視角為24°[6]。此后，眾多利用不同空間光調(diào)制器(SLM)裝置實現(xiàn)全息顯示系統(tǒng)的研究成果被陸續(xù)報道。2003年，美國西南大學(xué)醫(yī)學(xué)中心采用數(shù)字微鏡器件(DMD)搭建了全息顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了二維圖像的分層投影[7]。為了提高全息顯示的分辨率，日本千葉大學(xué)的Shimobaba團隊和日本兵庫大學(xué)的Sato團隊分別用液晶顯示器(LCD)實現(xiàn)了三維全息顯示[8-9]。2004年，基于電尋址液晶SLM和光尋址液晶SLM的數(shù)字全息顯示系統(tǒng)也被提出，該系統(tǒng)的全息圖像面積可以達到136 mm×34 mm[10]。2005年，波蘭和美國的研究學(xué)者提出了使用硅基液晶(LCoS)的全息顯示方法[11]，由于LCoS具有較高的衍射效率，全息顯示的質(zhì)量得到了較好的提升。2008年和2010年，美國亞利桑那大學(xué)的研究小組先后在Nature上發(fā)表文章[12-13]，該研究團隊利用一種可擦寫的聚合物光折變材料，制作出了4英寸×4英寸全息顯示屏。然而，其刷新時間僅為2 s，離視頻顯示還有很大的差距。2013年，美國中佛羅里達大學(xué)的研究者基于藍(lán)相液晶提出了具有亞毫秒響應(yīng)速度的相位型LCoS，并很好地抑制了邊緣場效應(yīng)。該LCoS快速的響應(yīng)速度使其在時序方法擴大視角及彩色顯示中有著很大的潛力[14]。2016年，日本東北大學(xué)在LCoS器件上實現(xiàn)了突破，并利用1 μm像素間距的LCoS實現(xiàn)較大視角的全息顯示[15]。此外，也有學(xué)者利用波導(dǎo)調(diào)制器在大視角再現(xiàn)方面實現(xiàn)了突破[16]。2019年，韓國科學(xué)技術(shù)院的研究者提出了一種透射式的平板波前調(diào)制器，并借助該調(diào)制器實現(xiàn)了大視角高對比度的動態(tài)全息顯示[17]。2020年，韓國的研究學(xué)者通過在SLM前方設(shè)置轉(zhuǎn)向背光單元，將全息顯示視角擴大了近30倍[18]。如今，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，液晶SLM得到了大力的發(fā)展，基于液晶SLM的全息顯示研究也越來越成為科學(xué)家們關(guān)注的熱點。

國內(nèi)眾多高校及科研單位也開展了全息顯示方面的研究工作，并取得了一定的進展。北京理工大學(xué)是我國較早開始研究全息3D顯示的學(xué)校之一，在提高再現(xiàn)像質(zhì)量和視角擴大等方面進行了深入細(xì)致的研究并取得了一定的成果[19-20]。清華大學(xué)在速度提升、全息圖的編碼等方面取得了諸多成果[21]。東南大學(xué)近些年在基于高分辨率LCoS方面的全息顯示研究上取得了較好的成果[22]。上海交通大學(xué)針對動態(tài)全息3D顯示的摻雜液晶光折變材料和聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶器件開展了相關(guān)研究[23]。蘇州大學(xué)利用全息衍射調(diào)控技術(shù)，研制了全視差的彩色3D顯示器[24]。此外，北京郵電大學(xué)[25]、浙江大學(xué)[26]、上海大學(xué)[27]、安徽大學(xué)[28]、西北工業(yè)大學(xué)[29]、北京航空航天大學(xué)[30]、四川大學(xué)[31-32]等都針對全息顯示技術(shù)進行了深入研究，并取得了諸多成果。

計算全息顯示發(fā)展至今，已在多方面取得了很大的進展，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。受目前SLM器件的限制，全息再現(xiàn)像的觀看視角很小。例如顯示大小為300 mm×300 mm×300 mm、視角為30°的全視差3D圖像，所需要空間光調(diào)制器的像素數(shù)至少為1012，現(xiàn)階段很難實現(xiàn)。本文將從基于液晶SLM的全息顯示原理出發(fā)，分析影響全息顯示的再現(xiàn)像視角的因素，總結(jié)增大視角的方法，并對這些方法進行分析和討論，最后展望未來的研究趨勢。

2 全息顯示視角增大的原理

全息顯示中，3D再現(xiàn)像的大小與視角主要由目前液晶SLM陣列的尺寸、像素大小以及再現(xiàn)光路決定。如圖1所示，液晶SLM的最大衍射角θmax可用式(1)表示：

(1)

其中：λ為再現(xiàn)光的波長，p為SLM的像素間距。當(dāng)使用的SLM像素間距為8 μm，用人眼最敏感的綠光(λ=532 nm)照射時，再現(xiàn)像的最大視角僅為3.8°，而這無法滿足觀看者的需求。由于SLM自身結(jié)構(gòu)的限制，在觀看距離R處，只有在特定的位置才能觀看到物體的完整再現(xiàn)像，如圖1中區(qū)域V所示。根據(jù)公式(1)以及圖1的幾何關(guān)系可得出再現(xiàn)像的最大視角為：

(2)

由公式(2)可知再現(xiàn)像的最大觀看視角與H有關(guān)，當(dāng)SLM一維方向上像素個數(shù)為N，即H=Np，那么公式(2)可以寫為：

(3)

由于再現(xiàn)像大小與p成反比，減小SLM的像素間距可以得到更大尺寸的再現(xiàn)像。而采用多個SLM拼接的方式則可以同時增大再現(xiàn)像尺寸和視角。平面拼接SLM的方式雖然可以增大全息顯示的觀看視區(qū)，但SLM之間的間隙會導(dǎo)致視區(qū)不連續(xù)。相比之下，采用圓弧形狀排列的SLM陣列可以很好地解決這一問題[33]。如圖2所示，d是再現(xiàn)像的大小，f是再現(xiàn)像與SLM之間的距離，如果有n個位于圓弧上且彼此之間傾斜角度為γ的SLM，理論上再現(xiàn)像視角可以增加到θ′:

θ′=θ+(n-1)γ.

(4)

圖1 再現(xiàn)像視角與SLM之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the viewing angle of the reconstructed image and the SLM

圖2 圓弧排列SLM增大視角的原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of multiple SLMs in circular configuration for large viewing angle

3 計算全息顯示視角增大的方法

計算全息再現(xiàn)像視角增大的方法有很多種，根據(jù)使用SLM的個數(shù)，可以分為單個SLM視角增大的方法和多個SLM拼接視角增大的方法。

3.1 單個SLM視角增大方法

在全息顯示系統(tǒng)中，使用較少光學(xué)器件的簡潔光學(xué)系統(tǒng)不僅易于操作，還可以降低成本，因此很多學(xué)者針對單個SLM進行了視角增大的研究。

3.1.1 高級衍射光增大視角法

全息顯示中再現(xiàn)像視角與SLM的像素間距成反比，但是，受限于當(dāng)前的生產(chǎn)工藝，商業(yè)化SLM的像素間距很難做到波長量級。一些學(xué)者提出一種不依賴SLM的像素間距，利用由SLM像素結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的高級衍射光來增大全息再現(xiàn)視角的方法[30]，其原理如圖3所示。

圖3 時序轉(zhuǎn)換法增大視角原理圖。(a)生成0級衍射像；(b)生成1級衍射像；(c)通過切換(a)和(b)來增大觀看視角。Fig.3 Principle of the method for enlarging the viewing angle. (a) 0-order reconstructed image; (b) 1-order reconstructed image; (c) Viewing angle enlargement by switching (a) and (b).

在此方法中，圖3(a)代表某一時刻產(chǎn)生的0級衍射像，圖3(b)代表另一不同時刻產(chǎn)生高級衍射像，通過時間復(fù)用，觀看者可以得到如圖3(c)所示的0級衍射像和高級衍射像相結(jié)合的大視角全息再現(xiàn)效果。但是，由衍射原理可知，衍射光強會隨著衍射級次的升高而降低，因此，要想利用此方法得到光強分布均勻的大視角再現(xiàn)像，除了結(jié)合不同級次的衍射像，還需進一步對再現(xiàn)光進行處理[34]。

3.1.2 橫向豎向分辨率重新分布法

根據(jù)人眼立體視覺原理可知，圖像之間的水平視差是觀看者產(chǎn)生立體感的主要原因。因此，在3D顯示技術(shù)中，水平視角的大小是評價再現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。針對一個橫向和豎向分辨率固定的SLM，一些學(xué)者利用4f光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)橫向和豎向的分辨率重新分布，通過犧牲豎向分辨率達到增大橫向分辨率進而增大水平再現(xiàn)視角的目的[35-36]，其再現(xiàn)原理如圖4所示。該系統(tǒng)中，水平視角的增大倍數(shù)由傅里葉透鏡的f數(shù)決定，f數(shù)越小，水平視角越大。

圖4 利用4f系統(tǒng)增大視角的實驗裝置圖Fig.4 Experimental setup diagram of the large viewing angle system by using 4f system

3.1.3 線性相位因子添加法

除了上述兩種方法外，中山大學(xué)的研究者提出一種在計算全息圖上添加線性相位因子的方法來增大再現(xiàn)像視角[33]，其顯示效果等同于多個SLM的曲面排布。其原理如圖5所示，在此技術(shù)中，當(dāng)使用傾斜再現(xiàn)光照射SLM時，相對于再現(xiàn)光垂直入射SLM的方法，再現(xiàn)角θout明顯增大，且效果等同于SLM之間彼此按照傾斜角θin進行曲面排布。另外，再現(xiàn)光傾斜入射SLM相當(dāng)于在SLM上添加一個線性相位因子，為了避免SLM陣列弧形排列的繁瑣設(shè)置，該方法通過在計算全息圖上添加線性相位因子θin實現(xiàn)再現(xiàn)視角的擴大。該方法簡單易行，通過時間復(fù)用疊加不同的相位因子，可以進一步實現(xiàn)視角的擴大。最終，該方法僅利用一個SLM就實現(xiàn)了13.6°的視角。

圖5 傾斜光照射時的光柵衍射Fig.5 Grating diffraction with inclined illumination

3.1.4 特殊光學(xué)元件擴大視角法

在全息顯示系統(tǒng)中，利用諸如全息光學(xué)元件(HOE)等特殊器件來擴大視角是近些年的一個研究熱點。北京郵電大學(xué)的研究者通過使用特殊設(shè)計的透鏡組和偏振濾光片,將全息顯示系統(tǒng)的視角擴大到了60°[37]。SandoYusuke等研究者基于圓柱形HOE搭建了全息顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了大視角的全息AR顯示效果[38]。在該系統(tǒng)中，經(jīng)過SLM調(diào)制的光波以45°的傾斜角入射到圓柱形HOE上。圓柱形HOE將入射平面波轉(zhuǎn)換為發(fā)散的球面波，即進入圓柱形HOE的波前以大的發(fā)散角被徑向反射。因此，觀看者可以在非常寬的觀看區(qū)域內(nèi)看到全息再現(xiàn)像。此外，北京理工大學(xué)的研究團隊提出了基于雙層衍射結(jié)構(gòu)HOE的全息近眼顯示系統(tǒng)，并通過紅、綠、藍(lán)三束光路實現(xiàn)了彩色全息顯示[39]。該系統(tǒng)的顯示視角達到了80°。

3.2 多個SLM拼接視角增大方法

根據(jù)公式(3)可知，全息顯示的視角大小與SLM的像素個數(shù)成正比。目前有很多技術(shù)通過使用多個SLM的拼接來增大SLM的總像素個數(shù)，從而增大全息再現(xiàn)像的視角。

3.2.1 多SLM平面排布法

Naoki Fukaya等學(xué)者提出了使用多個LCD作為SLM進行平面排布來擴大全息再現(xiàn)視角的方法。由于SLM本身存在外部緊固框及外延電路，所以當(dāng)SLM并列排布時，很難實現(xiàn)它們之間的無縫拼接，因此導(dǎo)致再現(xiàn)像的跳變，嚴(yán)重影響觀看體驗。為了解決此問題，該團隊提出了通過使用半透半反鏡來實現(xiàn)SLM的無縫拼接[40]，其系統(tǒng)光路示意圖如圖6所示。3個LCD的拼接實現(xiàn)了全息水平方向再現(xiàn)像視角的擴大，而柱透鏡和透鏡片的使用則能在豎直方向分別對再現(xiàn)像的尺寸和視角進行擴大。但是，由于拼接方式的限制，該系統(tǒng)僅有水平方向的視差。

圖6 基于3個LCD的顯示系統(tǒng)Fig.6 Configuration of the whole display system based on three LCDs

此外，Takanori Senoh等學(xué)者利用9個SLM的平面拼接開發(fā)了全視差彩色全息顯示系統(tǒng)[41-42]。該系統(tǒng)利用濾波器組和多個透鏡組的結(jié)合同時實現(xiàn)了9個SLM的無縫拼接和再現(xiàn)像大小的變換。觀看者能夠在5.6°的角度范圍內(nèi)觀看到完整的3D物體再現(xiàn)像。然而，利用多個SLM的直線排布來擴大再現(xiàn)視角時，需要改變物體的記錄距離。所以當(dāng)SLM的個數(shù)發(fā)生變化時，全息圖必須重新記錄[43]。

3.2.2 多SLM曲面排布法

為了克服平面排布的多個SLM擴大視角方法中所存在的問題，不少學(xué)者提出通過SLM曲面排布來擴大全息再現(xiàn)視角的方法。

在多個SLM的曲面排布的方法中，目前已有學(xué)者通過分束器實現(xiàn)9個呈圓弧排布的SLM無縫拼接[44]，最終實現(xiàn)了24°再現(xiàn)視角的彩色全息顯示，如圖7所示。Tomasz Kozacki等將Wigner分布函數(shù)應(yīng)用到曲面排布SLM全息顯示技術(shù)中，使6個SLM呈最優(yōu)化曲面排布[45]。隨后，為了進一步改善全息再現(xiàn)像的觀看效果，他們將6個SLM按照圖8(a)所示的結(jié)構(gòu)進行曲面排布[46]，并應(yīng)用了時空復(fù)用的方法實現(xiàn)了35°水平再現(xiàn)視角、3.3°垂直再現(xiàn)視角的全視差全息顯示。該系統(tǒng)從不同視角觀察到的再現(xiàn)像如圖8(b)所示。

圖7 弧形全息視頻顯示系統(tǒng)Fig.7 Circular holographic video display system

圖8 基于時空復(fù)用的全視差曲面全息顯示系統(tǒng)。(a) 6個SLM的曲面拼接結(jié)構(gòu)圖；(b) 3D模型及不同視角觀察到的再現(xiàn)像。Fig.8 Full-parallax circular holographic display system based on spatiotemporal multiplexing. (a) Alignment of 6 SLMs in a circle； (b) 3D model and reconstructed images with different viewing angles.

此外，上海大學(xué)的研究團隊將4f系統(tǒng)與SLM的曲面拼接相結(jié)合，搭建了彩色全息顯示系統(tǒng)[47]。該系統(tǒng)中，兩個像素間距為8 μm的SLM以3°的傾斜角度進行曲面拼接，透鏡焦距比為2∶1的4f系統(tǒng)進一步擴大了再現(xiàn)像的視角，最終使系統(tǒng)達到了12.8°的視場角。該系統(tǒng)基于時空復(fù)用同步控制方法實現(xiàn)了彩色顯示，并利用特殊設(shè)計的同步模塊消除了色彩串?dāng)_。北京航空航天大學(xué)的研究者提出的基于復(fù)合曲面全息圖的全息顯示方法為大視角全息顯示提供了另一種思路[48]。該方法通過生成多個物體的曲面全息圖，從而生成復(fù)合曲面全息圖。當(dāng)改變?nèi)D的彎曲角度時，能看到不同物體的全息再現(xiàn)像。

綜上所述，目前國內(nèi)外的研究者對全息顯示的視角較小這一問題做了大量的研究，報道的方法都能在一定程度上增大全息再現(xiàn)像的視角。與國外相比，國內(nèi)的研究起步雖相對較晚，但近些年呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。研究者們傾向于使用較少的空間光調(diào)制器來擴大全息顯示的視角，以減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度。與此同時，國內(nèi)的研究者們還注重再現(xiàn)像質(zhì)量的提升，經(jīng)常將視角擴大與散斑抑制方法相結(jié)合。此外，將新材料與特殊光學(xué)器件運用到全息顯示中以擴大系統(tǒng)的視角在近兩年里也成為研究者的一個研究熱點。但是，國內(nèi)對于超高性能液晶空間光調(diào)制器這類關(guān)鍵器件的研究與國外仍有一定的距離。

4 結(jié) 論

本文對提高再現(xiàn)像視角的方法進行了歸納總結(jié)，目前的方法中多以硬件拼接方式或者多成分衍射光束拼接為主，各種方法的提出為大視角全息顯示提供了一定的參考思路，但從液晶顯示器件的衍射能力看，新型的高性能衍射調(diào)控裝置的研制也是全息技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵路線。我們期望SLM器件的像素尺寸能達到或者接近可見光波長，且具有高衍射效率、高刷新率、高信噪比以及實現(xiàn)2π的相位調(diào)制。對于這種類型的小像素化器件開發(fā)，其核心包括器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的突破。此外，全息顯示與全息光學(xué)元件、超表面等新型光學(xué)器件的結(jié)合，必將為大視角全息顯示提供新的思路與發(fā)展機遇。同時，結(jié)構(gòu)更加緊湊的大視角動態(tài)全息顯示也必將隨著AR/VR/XR的發(fā)展具有更大的市場潛力。