自1956年丹尼斯·加博爾發(fā)明全息術(shù)以來(lái)，人們一直相信光學(xué)全息是實(shí)現裸眼3D顯示的理想途徑。但是動(dòng)態(tài)重構逼真立體場(chǎng)景的三維全息顯示一直面臨重大挑戰，其中生成真實(shí)的三維全息圖（3D hologram）是瓶頸問(wèn)題。真實(shí)的三維全息圖涉及對重構物體深度信息的連續精密調控，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(guān)測到的重構物體圖像就越逼真。動(dòng)態(tài)全息投影通常依賴(lài)空間光調制器（SLM）調制光場(chǎng)波前重構物體圖像信息，然而即使采用最先進(jìn)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(jìn)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擾大成為產(chǎn)生逼真三維全息圖的兩個(gè)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(shí)克服了傳統全息投影技術(shù)深度調控的兩個(gè)瓶頸問(wèn)題，實(shí)現了超高密度的三維動(dòng)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(xiàn)發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Optica》上。Optica出版集團當天以News Release形式進(jìn)行了特別報道，該技術(shù)通過(guò)將更多深度信息融入到全息圖中，這種類(lèi)型的全息圖可以更逼真地重構三維圖像，用于虛擬現實(shí)和其它應用。
圖1. 3D-SDH實(shí)現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(dòng)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)系統可調控空間頻率的范圍，同時(shí)開(kāi)發(fā)散斑光場(chǎng)傳輸屬性降低不同深度平面光場(chǎng)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(gè)量級以上，同時(shí)極大抑制了不同投影平面間圖像的串擾。此外，光場(chǎng)的振幅、相位和偏振信息在散射過(guò)程中實(shí)現了耦合，3D-SDH進(jìn)一步通過(guò)單個(gè)數字全息圖實(shí)現了三維動(dòng)態(tài)偏振全息顯示。本研究提出的3D-SDH技術(shù)能夠實(shí)現高密度、低串擾、大視角的三維動(dòng)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(xué)微操控等領(lǐng)域。
圖2.3D-SDH和最先進(jìn)的三維計算全息（RV-CGH）方法的投影效果比較。
國際著(zhù)名光電雜志《Laser Focus World》針對該技術(shù)發(fā)明背景及潛在應用對團隊進(jìn)行了郵件采訪(fǎng)，并以“Researchers exploit disordered scattering to improve depth control for holograms”為題作為T(mén)OP STORIES做了特別報道。該雜志的網(wǎng)絡(luò )視頻節目Photonics Hot List也同步進(jìn)行了報道。
中國科大光學(xué)與光學(xué)工程系博后余盼盼為論文的第一作者，中國科大龔雷副教授和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文的共同通訊作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、安徽省自然科學(xué)基金委、合肥市自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會(huì )以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng )新重點(diǎn)項目的資助。
文章鏈接: P. Yu, Y. Liu, Z. Wang, J. Liang, X. S. Liu, Y. Li, C. Qiu, L. Gong, “Ultrahigh-density 3D Holographic Projection by Scattering-assisted Dynamic Holography,” 10(4), 481-490 (2023).
DOI: : doi.org/10.1364/OPTICA.483057
Laser Focus World報道：
https://www.laserfocusworld.com/detectors-imaging/article/14292057/researchers-exploit-disordered-scattering-to-improve-depth-control-for-holograms
（物理學(xué)院光學(xué)與光學(xué)工程系、科研部）
