评述：一种纵深表现能力很强的新型全息投影技术

研究背景

      增强现实(Augmented Reality，AR)是20世纪发展起来的一种全新实用技术，也是目前很热门的研究方向。通俗来讲，AR是一种将虚拟世界带入现实的技术。从专业角度去看，AR的目标是将计算机创造的文字、图像、视频、三维模型、音乐等虚拟信息，通过投影、全息、音响等技术或设备将其展现在现实世界，为使用者提供额外的信息或辅助以便于更好的完成要做的事情。例如，在开车需要导航的时候，可以在眼前的空中具现出一个箭头来实时指路；做设计的时候，直接在工作台上展示目标的三维影像，以便于动手拆分、修改和组装等。AR技术在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、飞行器的研发与导航、大数据可视化、工业设计等领域发挥着重要作用，有着广泛的应用前景和市场潜力。

      目前AR领域的研究重点主要集中在视觉研究领域，例如：以谷歌眼镜为代表的智能眼镜、在春晚等大型活动中屡见不鲜的虚拟主持人和全息投影等。

论文导读

      生活中最常见的投影应用是电影。现有的3D电影是利用了人眼的三维视觉原理让人“以为”看到了立体影像，但实际上投影到幕布上的仍然是二维图像，坐在影院不同位置的观众看到的景象都是一样的。全息投影则不同，其再现出来的影像本身就是三维的。当观察者位置发生变化时，可以看到目标不同角度的样子。

      早期的全息成像技术通常需要先给目标物体“拍照”，即用一束相干光照明物体，物体反射的光和另一束相干光一起照射在感光介质上形成干涉条纹被记录下来。观察时则利用一束相干光照射感光介质，经过其中的干涉条纹衍射后，出射光的波前被调制成与物体的反射光一样的状态。此时，人们透过感光介质就可以看到物体的静态全息图。

      与全息成像相比，本文所说的全息投影是一种动态显示技术，主要通过电脑控制空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)根据全息成像的原理来调制光场的波前，进而重构出物体的三维影像。其中的SLM起到了全息成像中的‘带有干涉条纹的感光介质’的作用。利用电脑的超强运算能力，连续改变SLM中的信息就可以让三维影像动起来。

      SLM投影出的全息影像在纵深方向上的厚度通常是有限的，可以看作是一“薄片”状的三维影像(如图1a所示)，需要将多个影像在投影方向上堆叠到一起才能形成一个完整的三维场景(如图1b所示)。这些“薄片”之间的间隔控制和‘投影方向上的位置’的精准还原被称为深度信息调控能力。全息图深度信息调控能力越强，有效投影平面密度越高(即间隔越小)，人眼观测到的重构物体就越逼真。但是，目前即使采用最先进的SLM，生成全息图的深度调控能力也非常有限。

      为了解决这一问题，美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的Ahmed H. Dorrah等人提出了一种新的实现全息投影的思路，提高了全息影像在纵深方向上的分辨率。相关成果以Light sheets for continuous-depth holography and three-dimensional volumetric displays为题发表在Nature Photonics上。

技术突破

      如图1a和b所示，现有的全息投影技术通常是在垂直于投影光轴的多个平面上投影出物体的三维影像“拼接”出一幅三维场景。这一“拼接”的过程导致了在投影方向上的深度分辨率问题。作者改变了思路，尝试在平行于投影光轴的多个平面上投影出物体的三维影像(如图1c所示)，然后按照等间距进行紧密堆叠，以构建高保真度，低串扰和长景深的所需3D场景(如图1d所示)。简单来说，将垂轴投影改为沿轴投影提高轴向分辨率；同时，利用等间隔紧密堆叠保证垂轴分辨率，从而提高投影质量。

      作者的思路是先将要重建的三维场景分解为多个平行于投影光轴的二维片状影像，然后再将每一片影像拆分为多条平行于投影光轴的线状光强分布，最后做三维重建时按照线、面、体的顺序来紧密堆叠实现，如图2a和图4a所示。

      作者利用具有不同模式的贝塞尔光在传播过程中的轴向干涉来塑造具有任意轴向光强分布的线状光束。如图2b和c所示，这一过程等价于锥透镜下不同倾角贝塞尔光的轴向干涉。这一技术首见于2004年，被称为冻波(frozen waves)。之所以选择贝塞尔光束，一方面是因为其具有无衍射和自重建的特点，有利于提高投影质量；另一方面，作为波动方程的精确解，使用贝塞尔光束有利于提高‘在电脑上分解三维场景并推导出SLM控制信号’的工作效率。具体实现时，作者通过对三维场景的分解和逐线的光强分布的理论计算分析SLM的相位掩模，然后使用SLM的相位调制对光束的波前进行塑形。调制后的波前通过4F光学系统实现投影成像。

      作者按照线(图2)、面(图3)、体(图4)的顺序对全息投影的性能进行了实验测试。实验所用SLM分辨率为1920×1200像素，像素间距8μm，前者决定了投影的纵向范围(纵深方向55cm)，后者决定了贝塞尔模的空间分辨率；设定投影光束的半径为30μm，光束间隔45μm。

      面投影的实验结果如图3所示，图3a采用了明暗两种背景的图片来测试成像的对比度，可以看出亮暗之间的边界很清晰，保真度和对比度不错；图3b主要用来测试细节表现力，重点是9和45之间的两个点；图3c利用停车标志来测试边缘重现能力和线分辨率；图3d和e的学校与学院徽记则是用来测试对复杂图像的重现能力。其中，图3d是图形复杂，显然结果中的细节比较模糊，通过更换像素更小、分辨率更高的SLM有望解决这一问题；图3e是灰度级比较丰富，对于低灰度部分重现的不是太好，但是大致的灰度差异还是表现出来了。

      体投影的实验结果如图4所示，图中投影的长宽比可以通过调整全息图的参数、改变4F光学系统的放大比来调整。实验中作者选择横向比例为1/4、纵向比例1/16，因此图4中的投影在深度方向上的尺寸远大于横向，以便于展示深度分辨率。图4a是三维目标分解和重建的原理展示。图4b是一个直径50cm的空心球体。图4c是一个同样大小的实心球体。作者将这两者均切分为8个空心圆环分别投影成像，各个切面之间的间隔约为0.5mm以便于分别测量空心和实心的投影效果。如图4d所示，作者为了研究全息投影的逼真度和复现能力，设定各切面之间的间隔为0.1mm对立体字符进行了投影实验。实验中所有全息投影的对比度约为-20dB，效果很好。

观点评述

      该文针对目前基于SLM的傅里叶和菲涅尔全息投影技术在纵深方向上的分辨率不足的问题，提出了一种新型投影方案。作者团队从锥透镜的菲涅尔轴向干涉原理出发，利用SLM对波前的调制能力，实现了全息像在投影光轴方向上的连续重构和垂轴方向上的均匀密集离散化，提高了全息投影的逼真程度。通过更换性能更好的SLM还有望进一步提高投影效果。

      出于提高论文可读性的目的，作者在论文中列举的投影结果均是目标亮、背景暗的类型。为了展示该方法的性能，作者将目标暗、背景亮的实验结果放在了该论文的支撑材料中。

      另一方面，作者在该论文中只使用了单一的绿色光源，因此实验结果均为单色影像。针对这一问题，作者也提出了如果增加红色和蓝色光源，同时改用可以同时为RGB三个通道提供不同波前调制的全息器件(例如定制化的超表面器件)，也可以实现彩色全息投影。

      综合来看，这种新型全息投影技术在可穿戴设备、全息显微测量、增强现实等技术领域有着很好的应用潜力。

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