基于空间光调制器虚拟拼接的高质量全息3D显示系统
High-quality holographic 3D display system based on virtual splicing of spatial light modulator
导读
全息3D显示技术被认为是最理想的3D显示技术之一，不会引起观看者的视觉疲劳。然而，由于全息再现像存在视角窄、尺寸小和散斑噪声严重等问题，全息3D显示技术的发展受到了阻碍。近年来，研究者们提出了不少方法试图解决上述问题，然而，能同时扩大全息再现像的视角和尺寸并抑制散斑噪声的全息3D显示系统却比较少。
近日，来自北京航空航天大学的研究人员通过使用时分复用方法和特别定制的光束偏折元件，搭建了空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）的虚拟拼接系统，扩大了全息再现像的视角和尺寸。同时，他们还提出了一个物理模型驱动网络（Physical model-driven network, PMD-Net），来实现全息图的快速计算和散斑噪声抑制。该研究为同时解决全息3D显示的视角、尺寸和散斑噪声问题提供了新的方法和思路，有望推动全息3D显示在教育、娱乐和医疗等领域中的应用。研究成果于12月发表在《ACS Photonics》期刊。
图1. 系统的概念图
技术背景
全息3D显示技术利用光的衍射重建3D物体的波前信息，提供了人眼所需要的全部深度信息。由于人眼在观看3D物体的全息再现像时不会产生视疲劳，因此全息3D显示被视为3D显示领域未来发展的重要方向之一。然而，全息3D显示中使用的SLM的像素间距为微米级，像素数量也有限，这导致了全息再现像的视角和尺寸很难满足实际观看的需求。加之在全息重建过程中，激光的高相干性给全息再现像带来了严重的散斑噪声，严重影响观看体验。
技术路线
为了增大系统的空间带宽积，首先要设计光束偏折元件，图2(a)是光束偏折元件的设计图，它由上下两个光楔和一个平板玻璃组成。当光垂直入射时，偏折角则唯一确定。通过在系统中使用两个光束偏折元件来保证SLM的无缝虚拟拼接（光束偏折元件I和II具有相同的光学特性）。图2(b)中展示了组合的光束偏折元件Ⅰ和Ⅱ的功能。在光束偏折元件的制作过程中，H-K9L被选为制作材料。
图2. 光束偏折元件的结构
图3是所提出系统的光路结构图。通过控制快门阵列，三束按时序出射的平行光在扩束后被三个分束器转向光束偏折元件I，然后，三束光以不同的入射角照射SLM。被SLM调制后的三束衍射光经过光束偏折元件II后在空间中拼接在一起，在经过一个由透镜I、动态滤波器和透镜II组成的4f滤波系统后，全息再现像被相机接收。该系统能将单个SLM的全息再现像的视角和尺寸扩大3倍。
图3. 系统的光路结构
图4是提出的PMD-Net的流程图，用以快速生成低噪声的全息图，其中PMD-Net的核心是编码器与解码器网络。在带限角谱衍射算法的驱动和非锐化掩膜滤波器的作用下，由多尺度结构相似性和平均绝对误差构成的损失函数不断优化编码器与解码器网络的参数，直到损失函数的值小于设定的阈值，此时编码器与解码器网络输出的纯相位全息图即为所需的全息图。训练好的编码器与解码器网络能在100ms内生成一张分辨率为1920×1072的纯相位全息图。
图4. PMD-Net的流程图
大视角全息3D显示的实验效果如图5所示，用相距40mm的真实物体“B”和“H”作为参照物来反映全息再现像视角的变化，被记录3D物体“雨云”和“树木”的记录距离分别为160mm和200mm。图5(a-c)是当“雨云”聚焦时拍摄到的大视角全息再现效果，图5(d-f)是当“树木”聚焦时拍摄到的大视角全息再现效果。经计算，全息再现像的视角被扩大到~14.4°。同时，全息再现像的散斑噪声对比度（Speckle noise contrast, SNC）均低于0.03，大视角全息3D显示的散斑噪声得到了很好的抑制。
图5. 大视角全息3D显示的实验效果
大尺寸全息3D显示的实验效果如图6所示，图6(a)是分辨率为2160×1290的大尺寸物体，图6(b)是空间光调制器虚拟拼接后实现的大尺寸全息再现像，全息再现像的SNC为0.0263。利用提出的系统，在实现低散斑噪声的全息重建的同时，也能将单个SLM的全息再现像的尺寸扩大3倍。
图6. 大尺寸全息3D显示的实验效果
简要小结：
该研究中提出的基于SLM虚拟拼接的高质量全息3D显示系统利用两个能够改变光束传播方向的光束偏折元件，实现了系统空间带宽积的扩大。系统中所使用的PMD-Net，在快速生成全息图的同时，也能抑制全息再现像的散斑噪声。与传统的使用单个SLM的全息显示系统相比，所提出的系统将全息再现像的视角和尺寸分别扩大了3倍，也能将全息再现像的SNC控制在0.03以下。该研究在教育、医疗和其他领域有很好的应用前景。
论文信息：
D. Wang, Z. S. Li, Y. W. Zheng, N. N. Li, Y. L. Li, and Q. H. Wang, “High-quality holographic 3D display system based on virtual splicing of spatial light modulator,” ACS Photonics 2022.
技术详见：
