可见光波段大帧数高帧率超表面动态全息显示
《长安十二时辰》剧照（来自网络）
望楼示意图（来自网络）
高辉博士正在进行的科学研究，叫做“可见光波段超表面动态全息”。听起来无论如何都与古装剧八竿子打不着，为何会与“望楼”扯上关系呢？这就得从这项研究的背景说起了。
研究背景
“全息显示”这个名字相信大家耳闻已久，它被认为是最有前景的裸眼3D显示技术之一。“全息”的基本原理可以简单表达为“干涉记录，衍射复现”，物理教科书上都有讲解，蜗牛君在此就不赘述了。传统全息术需要搭建干涉光路，通过真正的拍摄过程获得“全息底片”，因此只能用于现实中真实存在物体的显示。“计算全息”技术的出现打破了这一限制，通过物理光学相关理论和计算机算法，就可以计算出现实中不存在的虚构物体对应的“全息底片”。将计算得到的“底片”信息（相位/振幅分布图等）加载到动态光学调制器件（如空间光调制器，spatial light modulator, SLM）上，就可以通过衍射来复现出虚构物体的像。不断刷新SLM加载的相位图，我们就能看到动态的全息电影了。
“全息显示技术”艺术效果图（来自网络）
这个过程设想得很美好，但实际操作中却障碍重重，以至于如今还没有任何严格意义上的动态全息显示设备上市，生活中充斥的众多标注为“全息显示”的设备也都与全息没什么关系。之所以如此困难，其中一个比较大的障碍就是，这些动态光学调制器件的单元结构实在是太大了，通常都比可见光波长大十几甚至几十倍。巨大的结构尺寸导致全息显示的视场角极小，还会存在高级次像等问题。为了扩展视场角，有的研究团队甚至不得不采用了阵列化SLM的方案，但也只是治标不治本。
SLM阵列（来自网络）
随着微纳加工工艺的不断进步，有一类被称为“超表面（metasurface）”的新型平面光学器件逐渐兴起。这类器件是一种准二维形式的平面光学器件，由特殊排布的亚波长结构构成。所谓“亚波长”，意思就是尺寸比光波长更小。研究发现，当物质结构的尺寸小于光波长时，会呈现出与宏观材料完全不同的光学性质。这些亚波长结构可以对光进行丰富的调制，无论是相位、振幅还是偏振，都不在话下。由这些强大的亚波长结构组成的平面光学器件就是“超表面”。无论是透镜、分束器、偏振器等常用光学元件，还是轨道角动量、光学隐身器件等复杂光学元件，超表面都能实现，因此近年来超表面在光学研究的许多方向都大放异彩。由于强大的光学调制功能和丰富的调节自由度，基于超表面的新兴光学研究领域也被誉为“工程光学2.0”。
同样，超表面也可以应用于“计算全息”领域，被称为“超表面全息（meta-hologram）”。由于超表面的单元结构比光波长更小，可以实现大视场角，并直接从原理上规避多级次像等问题，因此备受相关领域关注。
研究内容
目前可见光波段的超表面全息相关研究还是以静态显示为主，已有的少量动态显示相关研究结果也不尽如人意。其中主要的问题是帧数和帧率。“帧数”是指一片器件能显示几幅不同的全息图，“帧率”则是指每秒能切换多少幅全息图。目前大部分动态显示的研究结果帧数都在个位数，帧率也很低。这就导致“动态”只是概念性的实现，离真正应用还差很远。
对于超表面动态全息显示，目前的主流研究方向是想办法让组成超表面器件的每个亚波长结构都进行独立控制。这当然是一个很正常的想法，举个例子类比一下就很容易理解。抛开3D显示暂且不谈，就说说我们日常见到的普通2D显示设备，比如平日里使用的LED/LCD显示屏，只要能够独立控制每个像素，那整个屏幕要显示什么内容都可以。同样的，只要能够对每个亚波长结构进行独立控制，就能够实现任意的3D显示了。所以这也是超表面动态全息通用的解决方案，也是大家最终努力的方向，只是当前暂时还无法很好地实现。
不过，在刚才的举例中，虽然LED/LCD是2D显示中通用的解决方案，但通用方案未必在所有场景中都是最佳方案，所以并不是所有的2D显示都是靠LED/LCD实现的。比如电子记分牌、时钟、机场登机信息板等是利用类似“数码管”的方式实现的，它们的特点就是通过大量子元素的不同组合来呈现不同的信息；还有一类诸如胶片电影，将连续动作分解为不同的连续帧，利用视觉暂留效果实现流畅的2D动态显示。可以看出，在不同的具体应用场景中，其他技术方案可能比通用方案更有优势，如成本、可靠性、维护难易程度等等。
同样地，在超表面动态全息研究中，除了对每个单元结构独立控制，研究人员也产生了很多奇思妙想。例如通过切换入射的激光波长来切换全息图像，或是通过改变入射角度或激光偏振方向改变显示的全息图像，等等。不过这些方案能够实现的帧数都极少，帧率更是非常非常低，无法很好满足动态显示的需求。
为了解决帧数少、帧率低的问题，研究团队构思了一种新的超表面动态全息的实现方法。一般情况下，超表面器件在使用时，构成这个器件的所有亚波长结构都会同时发挥作用。本研究反其道而行之，提出了“空间信道超表面器件”的概念。
空间信道超表面全息器件设计示意图
研究人员将同一片超表面器件划分为不同的空间区域，每个区域成为独立的“空间信道”，每个空间信道负责显示不同的全息图形，而每个空间信道都可以实现独立的开启或关闭。如此一来，由N个空间信道构成的超表面全息器件，不就能够实现2N-1幅不同的全息图了吗？
“2N-1”，是不是很眼熟？没错，这就是本文开篇我们看到的古装剧中的“望楼”啊！甚至论文中设计的器件样子也和方格子组成的望楼差不多（如下图所示），只不过望楼每个格子只是用来显示黑与白，而本研究中的每个空间信道则加载着丰富的全息信息罢了。通过增加空间信道数目，可以以指数形式极大提高总帧数。因此用这种方法，同一片超表面器件可以轻松实现数亿甚至数百亿幅不同的全息图的动态显示。
设想很美好，但要能够实现清晰流畅的动态显示，最关键的就是能够精确独立开关每个空间信道。不到1mm2的器件由几十甚至数百个空间信道构成，每个信道都比头发丝还细，控制起来非常困难。为了解决这一问题，研究团队设计了基于数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）的高速高精度结构光场调制系统。
DMD局部放大图（来自网络）
DMD是一类由微型反射镜（尺寸大约几十微米）阵列构成的光学器件，每个反射镜都可以独立摆动，从而控制光的反射方向。只有当反射方向沿着目标路径方向时，这个小镜子的反射光才能够出射，否则光会被遮挡住。因此平面激光光束通过DMD调制后，就可以变成空间复杂分布的结构光束。不过由于单个微镜尺寸与空间信道尺寸相近，所以如果直接利用DMD调制后的结构光去控制空间信道，精度会很差。因此研究团队利用透镜和显微物镜搭建了缩束投影系统（类似于基础版光刻机的光学系统），将DMD编码的激光结构光束精确投影到超表面器件上，从而实现每个空间信道的独立开启与关闭。
之所以选择使用DMD作为结构光束的编码器件，还有一个重要原因就是DMD每秒万帧的超高刷新速率，因此该动态全息显示系统的帧率高达每秒万帧。如此一来，就可以实现高速、高帧率的超表面动态全息显示了。这个帧率其实已经远远超出了视觉暂留的需要，因此除了全息显示，该研究还可以应用于光学信息处理、激光加工等其他领域。
结果展示
实验结果1
实验结果2
后记
可能谁都想不到，热播古装剧与前沿科学领域在思想上竟然有不少相通的地方。所以蜗牛君科研之余还是应该多去看看剧，说不定对科研还有更多促进作用呢！
该研究成果已于近期发表于 Science Advances。
论文主要作者简介
高辉，华中科技大学武汉光电国家研究中心微纳光电子实验室博士后，中国科学院大学/新加坡国立大学联合培养博士。主要研究方向为微纳光学、超表面器件、全息显示等领域。
王玉西，华中科技大学武汉光电国家研究中心2016级直博生，光学工程专业，研究领域主要涉及纳米光子学、超表面光学器件、半导体微纳加工技术等。
熊伟，华中科技大学教授，博士生导师，武汉光电国家研究中心微纳光电子实验室负责人，承担国家重点研发计划、自然科学基金面上项目等。长期从事微纳尺度3D/4D打印、纳米功能材料的激光诱导合成与组装，以及非线性超快激光成像与表征等领域研究。
邮箱：weixiong@hust.edu.cn
夏金松，华中科技大学教授，博士生导师，日本东京都市大学客座教授。主持国家重点研发计划项目、自然科学基金重点项目、973课题、863课题、教育部新世纪优秀人才等项目。研究领域主要涉及集成光子学、薄膜铌酸锂光子集成、光学微腔、高精度半导体微纳加工技术等。
邮箱：jsxia@hust.edu.cn
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