Light Adv. Manuf. | 基于最大衍射调制的大视角全息3D显示系统
苹果首款头显设备Vision Pro的发布将消费市场对于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）的热情推向了又一个高峰。3D显示技术是实现VR/AR/MR的核心技术之一。在3D显示技术中，全息3D显示技术可以提供人眼所需的所有深度信息，实现身临其境的舒适观看体验，是一种很有潜力的真3D显示技术。然而，现有的全息3D显示普遍存在视场角小的问题，大大限制了其应用。
鉴于此，北京航空航天大学王琼华教授研究团队提出了一种基于最大衍射调制的大视角全息3D显示系统。在该系统中，研究人员基于空间光调制器的最大衍射调制提出了一种大尺寸全息图计算方法，并利用结构优化的液晶光栅进行二次衍射调制，有效扩大了全息3D显示的视角。该系统有望促进全息3D显示在教育医疗、文化艺术和国防安全等领域的应用。
目前，该成果以“Large viewing angle holographic 3D display system based on maximum diffraction modulation”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。北京航空航天大学的王迪副教授和博士生李楠楠为该论文共同第一作者，储繁博士后和王琼华教授为通讯作者。
理想的全息3D显示技术能够提供大视角、全彩色和低散斑噪声的观看体验。然而，受空间光调制器像素间距和尺寸的限制，全息3D显示的视角难以满足实际观看需求。有研究者提出了时间复用或空间复用方法来扩大全息显示的视角，但是时间复用法对空间光调制器的刷新率要求较高，空间复用法需要较为复杂的系统进行3D显示，都存在一定的局限性。还有研究者提出了利用柱面全息图或球面全息图来解决视角小的难题，但是由于现有的空间光调制器难以实现非平面的结构，因此该方案的应用难度较大。如今，如何实现结构简单和造价低廉的大视角全息3D显示系统成为了全息3D显示亟待解决的关键问题之一。
鉴于上述问题，研究人员提出了一种基于最大衍射调制的大视角全息3D显示系统。如图1所示，该系统的核心调制元件主要包括空间光调制器和液晶光栅。为了最大化利用空间光调制器的衍射调制能力，研究人员提出了大尺寸全息图计算方法。此外，研究人员还设计了一种结构优化的液晶光栅，用以对全息再现像进行二次衍射调制，从而进一步扩大全息3D显示系统的视角。最终，所提系统实现了观看视角为73.4°的大视角全息3D显示。
图1 基于最大衍射调制的大视角全息3D显示系统的示意图
大视角全息3D显示的实现原理如图2所示。在传统的全息图记录过程中，当物体尺寸、衍射距离和观看距离等参数确定时，全息再现像的衍射角并未完全达到空间光调制器的最大衍射角。在所提系统中，空间光调制器的最大衍射角记为φ，为了扩大视角，使全息再现像的每一个像点在衍射时都达到空间光调制器的最大衍射角，研究人员对每个像点的最大干涉图进行计算，进而将所有像点的干涉图叠加，生成大尺寸的全息图，同时扩展空间光调制器的尺寸。因此，基于大尺寸全息图的全息再现像的观看视角比传统全息图的观看视角大。
此外，研究人员设计并制作了结构优化的液晶光栅来对全息再现像进行二次衍射调制，以进一步提升全息再现像的视角。如图3所示，当对液晶光栅上的电极施加电压时，在像素电极与公共电极之间形成了特殊电场分布。该电场会诱导液晶分子的指向矢发生偏转，形成中心对称的梯度折射率分布。此时，入射到液晶层上的光线发生衍射，全息再现像被二次衍射调制，产生N个二次衍射像。在确定全息再现像的尺寸和衍射距离后，通过设计液晶光栅的参数，可以实现观看视角的连续扩大。所提出的全息3D系统的视角被扩大为2φ×N。目前该液晶光栅可以实现9个级次的均匀衍射，在不影响全息再现像质量的情况下实现了73.4°的观看视角。
论文信息
Di Wang, Nan-Nan Li, Yi-Long Li, Yi-Wei Zheng, Zhong-Quan Nie, Zhao-Song Li, Fan Chu, Qiong-Hua Wang. Large viewing angle holographic 3D display system based on maximum diffraction modulation[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 18(2023).
https://doi.org/10.37188/lam.2023.018
