北航专辑 | 王琼华：彩色计算全息3D显示技术

3D显示在医学、教育、工业、娱乐等多个领域有着诸多市场需求。科幻电影《阿凡达》和《星球大战》中逼真的效果为我们描绘了3D显示的美好未来，微软公司推出的HoloLens展示了3D显示在虚拟现实、增强现实等领域中的重要作用。随着元宇宙概念的兴起，这一显示技术越来越引起社会各界的广泛关注。

计算全息3D显示技术能精确调控光波前、提供人眼视觉所需要的全部深度暗示，避免了辐辏调节冲突问题，因而被认为是最理想的3D显示技术之一。理想的计算全息3D显示具有观看视角大、散斑噪声低、动态刷新速度快和色彩丰富等特点。

其中，彩色全息显示技术是基于光的干涉原理记录彩色3D物体的波前信息，再利用光的衍射原理重建出彩色再现像。在激光技术快速发展的基础上，彩色全息显示技术得到了很大优化，不仅能较好地解决倍率色差、轴向色差等问题，也大大提高了分辨率。

北京航空航天大学王琼华教授课题组根据显示分辨率的不同，对诸多彩色计算全息3D显示的实现方法进行了分类概述，总结了各类方法的优势与不足，并对未来彩色计算全息3D显示技术的研究重点和发展方向进行了展望。

1. 时分复用法

时分复用法通常利用红、绿、蓝三种颜色的再现光按时间顺序分别照射红、绿、蓝三色全息图；当时间足够短时，依据视觉暂留效应人眼能同时看到三种颜色的全息再现像，从而实现彩色全息3D重建。

2011年，研究人员采用时分复用法搭建了全彩色全息3D显示系统。在该系统中，液晶显示器（LCD）被用作显示器件，控制红、绿、蓝三色激光分别以20 Hz的频率交替照射到LCD上。同时，红、绿、蓝三色全息图在三个不同的时刻（T₁、T₂、T₃）分别以20 Hz的频率被加载到LCD上，每个颜色的全息图分辨率与LCD相同，实现了彩色全息3D重建（图1）。

2015年，研究人员利用单个高刷新率的数字微镜器件（DMD）搭建了彩色全息显示系统。在该系统中，光纤耦合的激光二极管发出的红、绿、蓝三色激光以不同的角度时序照射DMD，高阶衍射光被用于重建再现像。2019年，基于复振幅调制的全息近眼显示系统被研制出来，该系统利用时分复用实现了彩色显示。

在时分复用法中，针对由空间光调制器（SLM）相位响应的高度分散特性引起的相位响应色散，可通过分析SLM对不同光波的相位调制能力进行相应补偿。针对系统中的轴向色差，通过在全息图算法中采用厚透镜近似的方法进行补偿。对于横向色差，通过对红、绿、蓝三色全息图分别进行图像缩放的方法进行补偿。

基于时分复用方法的彩色计算全息3D显示技术对SLM的刷新率和同步控制模块的同步控制性能的要求较高，这在一定程度上限制了动态显示效果的实现。但时分复用方法在仅利用一个SLM的情况下即可实现彩色全息显示，因而在需要紧凑型结构的全息显示系统中有较大的应用潜力。

2. 基于多个SLM的空分复用法

为了规避SLM的刷新率对彩色显示效果的影响，研究人员提出了基于多个SLM的空分复用法来实现彩色全息图的重建。在这类方法中，红、绿、蓝三色全息图被分别加载到多个SLM上，每个颜色通道的全息图的分辨率都等于SLM的分辨率。通过精确调整光路，红、绿、蓝三色再现像在空间上重合，即可得到彩色再现像（图2）。

一些研究者利用三个不同颜色的发光二极管（LED）作为再现光源分别照射加载有红、绿、蓝三色全息图的三个SLM，实现了彩色显示效果。LED用作再现光源抑制了散斑噪声对再现像的影响，但是由于LED的光谱较宽，相干性较弱，再现像的质量受到了较大影响。

2019年，研究人员基于空分复用法搭建了再现像强度匹配的彩色显示系统。2020年，研究人员通过将多图形处理单元（GPU）集群和三个SLM相连，实现了对含有21000个物点的3D物体的实时彩色再现。

基于多个SLM的空分复用法对SLM的刷新率要求较低，因此，不会出现图像的闪烁，但所需要的系统结构通常较为复杂，成本较高，对红、绿、蓝三色再现像的空间对准要求很高。

3. 基于单个SLM的空分复用法

为了使彩色显示系统更简单，2010年，基于单个SLM的彩色投影系统被研制出来（图3）。该系统中，三色激光同时照射单个SLM，并在投影屏上会聚为同一个点。红、绿、蓝三色光路中均加入了掩模，以确保每个通道分别正确照射到SLM上1/3的区域，每个颜色通道的全息图的分辨率只有SLM分辨率的1/3。2016年，研究人员进一步通过在单个SLM表面附加彩色滤光片，实现了彩色显示。

2020年，研究人员提出了基于变焦相机的全息获取和再现系统。在三色全息图中添加数字锥透镜，调整焦深使其大于最大轴向色差，以实现无色差的全息再现。

基于单个SLM的空分复用彩色显示系统，光路结构较为简单，且再现像不会出现闪烁现象和彩虹效应，但是图像的分辨率下降为原来的1/3，彩色再现像的空间带宽积减小，视角也受到了影响。

4. 其他方法

为了不牺牲彩色再现像的分辨率，基于单个SLM的目标像分离法被提出，其基本原理是通过编码方法控制三种颜色的全息再现像在空间上同一位置重合。当利用红、绿、蓝三色光同时照射单个SLM时，目标彩色再现像和干扰像分离，通过滤波即可得到目标彩色再现像。

此外，一些研究人员基于角度补偿的原理，使红、绿、蓝三色光分别以不同的角度同时照射SLM，以增大彩色目标再现像与干扰像的分离角度。

除了从光学系统的角度对系统结构进行设计与改进，利用新材料的优良特性也是实现彩色显示的另一种思路。例如，超表面是一类人工设计的亚波长结构的光学器件，对光波具有优良的调控特性，近些年受到越来越多的关注。基于超表面的彩色显示系统，结构较为简单，能够对光波实现多维度调控；但超表面的加工较为复杂，彩色全息中的噪声和动态显示等问题仍有待解决。

随着激光技术的快速发展，彩色全息3D显示的效果越来越好，实现的方法也逐渐丰富。其中，使用多个SLM的空分复用法以及使用单个SLM的时分复用法得到了较多应用；而基于单个SLM的空分复用法由于降低了分辨率，再现像的质量也受到了影响。而近几年发展较快的基于角度补偿的方式使用单个SLM实现彩色全息再现，由于节省了空间和时间资源，在分辨率上有着一定的优势。

从现阶段全息3D显示的发展情况来看，高质量计算全息3D显示技术对空间带宽积有着较高的要求。在彩色计算全息3D显示技术方面，高性能SLM对彩色全息质量的提升非常重要。因此，在提高空间带宽积的同时，如何使彩色计算全息3D显示系统的结构简单紧凑，且没有复杂的同步控制系统，有待于进一步的研究和探索。此外，如何使彩色物体逼真地重建也是未来彩色计算全息3D显示技术需重点解决的问题。

王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、国际信息显示学会会士、中国物理学会液晶分会副主任、中国图象图形学学会三维成像与显示副主任委员、期刊J. Soc. Inf. Display、《液晶与显示》等的Associate Editor或编委。

科学编辑 | 王琼华 王迪