导读
随着元宇宙概念的兴起，能够提供临场真实感的3D显示技术被越来越多的人所关注。其中，全息3D显示技术可以重构出3D光场的波前信息，从而提供人眼所需要的全部深度信息，被认为是最理想的3D显示技术之一。然而，利用该技术重构出的3D光场信息量受空间光调制器的限制，难以实现大尺寸和宽视角的动态全息3D显示。
近日，北京航空航天大学王琼华教授研究团队提出了一种基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统。该系统利用可调液晶光栅对全息再现像进行二次调制，并通过使用两种不同的全息图生成方法，分别突破了全息3D显示视角窄和尺寸小的限制。该系统结构简单且易于操作，有望应用于医疗、教育、娱乐和广告等领域。该成果以“Tunable liquid crystal grating based holographic 3D display system with wide viewing angle and large size”为题发表在国际顶尖学术期刊Light: Science & Applications上。
研究背景
全息技术通过干涉和衍射原理来记录并重建出物体完整的波前信息。传统基于光学材料（如光折变聚合物）的光学全息3D显示技术受光学材料刷新率的限制，难以实现动态显示效果。近些年，随着光电器件的发展，各种具有高刷新率和高衍射效率的空间光调制器被开发出来，基于空间光调制器的全息3D显示技术得到了迅速发展。
然而，受空间光调制器像素间距和尺寸的限制，想要实现宽视角、大尺寸的动态全息3D显示非常困难。例如，想要重构一个尺寸为300mm×300mm×300mm的全息3D再现像，如果观看视角为30°，那么所需要的空间光调制器像素数至少为1012，该数量级像素的空间光调制器即便使用目前最先进的光刻技术也很难制造出来。如果在全息3D显示系统中仅使用单个空间光调制器，在空间光调制器分辨率为3840×2160、像素间距为3.74μm、再现光波长为532nm的情况下，其全息3D再现像的视角通常小于9°，尺寸小于20mm，这显然是难以满足观看需求的。
创新研究
鉴于上述问题，研究人员提出了一种基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统。如图1所示，该系统主要由空间光调制器和具有周期可调功能的液晶光栅组成，该液晶光栅用以对空间光调制器产生的衍射图像进行二次调制。在该系统中，研究人员还开发了两种不同的全息图生成方法，用来配合液晶光栅分别实现了57.4°视角和4.2倍尺寸扩大的全息3D显示效果。
图1 基于可调液晶光栅的宽视角大尺寸全息3D显示系统示意图
该可调液晶光栅主要由上基板、上电极、液晶层、下电极和下基板组成，如图1右侧所示。当仅对上电极施加电压时，下电极之间形成中心对称的渐变电场分布，此时该电场诱导液晶分子形成小周期排布；当对上电极和下电极同时施加电压时，下电极之间的电场实现局部抵消，此时该电场诱导液晶分子形成大周期排布。通过改变上下电极之间的加电方式形成不同的液晶分子排布，从而实现液晶光栅不同周期的切换。该可调液晶光栅响应速度快，其响应时间达到了毫秒级别。
宽视角全息3D显示的原理如图2所示。首先计算得到物体的全息图，其分辨率为a×b。然后将全息图加载在空间光调制器上，在初始状态下，可调液晶光栅不施加电压，此时系统的观看视角为θ0；当对可调液晶光栅施加电压时，液晶分子呈周期模式排列，可调液晶光栅对全息再现像进行了二次调制，通过调节可调液晶光栅的周期使再现像经过它后产生7个连续的全息再现像，此时系统的观看视角扩大为原来的7倍，可以达到57.4°。
图2 宽视角全息3D显示原理: (a)初始状态下的观看视角；(b)可调液晶光栅施加电压时的观看视角
大尺寸全息3D显示的原理如图3所示。首先计算得到物体的全息图，其分辨率为2a×b，然后等分成两个子全息图I和子全息图II，分辨率为a×b。在T1时刻，子全息图I被加载在空间光调制器上，此时可调液晶光栅不加电压；在T2时刻，子全息图II被加载在空间光调制器上，此时对可调液晶光栅施加电压，可调液晶光栅对全息再现像进行了二次位移调制。通过调节可调液晶光栅的周期，实现了两个时刻全息再现像的无缝拼接，由于可调液晶光栅的响应时间非常快，利用人眼视觉暂留效应实现了4.2倍尺寸扩大的全息显示效果。
图3 大尺寸全息3D显示原理
论文信息
该研究成果以“Tunable liquid crystal grating based holographic 3D display system with wide viewing angle and large size”为题在线发表在Light: Science & Applications。北京航空航天大学的博士生李移隆和李楠楠为共同第一作者，王迪副教授和王琼华教授为通讯作者。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00880-y
