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撰稿 | 顏悅(香港中文大學(xué),,博士生)
物理學(xué)家Dennis Gabor 因發(fā)明全息術(shù)被授予1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。全息術(shù)是一種可以記錄光波前(包括其幅度和相位)并重建的技術(shù),,其主要利用光的衍射來(lái)產(chǎn)生虛擬三維圖像,。
先驅(qū)者們?cè)诤茉缇皖A(yù)言全息是實(shí)現(xiàn)完美3D 顯示的最終方法,這是因?yàn)槿⑿g(shù)是目前可滿足適配人類視覺(jué)系統(tǒng)光學(xué)要求的唯一方法,。多年以來(lái),,研究者們都在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不斷努力。
近期,,來(lái)自美國(guó)亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院的Pierre-Alexandre Blanche教授在最新一期的 Light: Advanced Manufacturing發(fā)表一篇題為"Holography, and the future of 3D display” 的綜述文章,。
最后,,介紹了全息數(shù)據(jù)硬件生成方法及其進(jìn)展,。
一、為何全息3D 顯示是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)
為了直觀地描述全息3D 顯示的難度,,作者使用數(shù)據(jù)傳輸速率(比特率,,b/s)作為衡量指標(biāo),。
假設(shè)實(shí)現(xiàn)一個(gè)45°視場(chǎng),60Hz 刷新率,,8位分辨率,,50cm×50cm屏幕大小的全息彩色顯示,在所使用光源為500nm情況下,,所需要的比特率約為3×1015b/s,。
圖1 展示了全息和其他通訊技術(shù)所需的數(shù)據(jù)速率(按發(fā)展時(shí)間順序排列)對(duì)比情況。
最新的8K 高清則需要47.8Gb/s的傳輸。(注:以上所需傳輸速率為壓縮前的數(shù)據(jù)量)而全息3D 彩色顯示比特率是8K 高清的6萬(wàn)倍,,所以實(shí)現(xiàn)全息3D 顯示的難度顯而易見(jiàn),。
圖1:通向全息之路:隨著時(shí)間推移,不同通訊系統(tǒng)所需比特率
二,、人眼視覺(jué)和3D 顯示
理解人眼視覺(jué)系統(tǒng)是如何感知三維信息對(duì)研發(fā)3D顯示至關(guān)重要。
人眼視覺(jué)系統(tǒng)從外部獲取的眾多信息中來(lái)進(jìn)行深度感知,,而其中絕大多數(shù)重要的深度感知要素是二維信息,,其中包括陰影(shading + shadowing),透視方向(perspective),,相對(duì)大?。╮elative size),,遮擋(occlusion),模糊度(blurriness + haze),。
如下圖2展示了在一個(gè)二維平面上的三個(gè)球,,但其包含了以上列舉的二維深度感知要素,,這些二維深度感知要素經(jīng)過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)后,,我們會(huì)認(rèn)為它們是存在于三維空間中的球。所以無(wú)論是繪畫,,照片,,或是影像,只要上面的二維深度感知要素被植入,,我們?nèi)搜劬蜁?huì)產(chǎn)生三維感知效果,,否則光學(xué)圖像錯(cuò)覺(jué)就會(huì)產(chǎn)生。因此3D 顯示系統(tǒng)首先需要保證以上二維深度感知要素,,其次再加入和解決其他一些三維感知要素,,如立體視差,,運(yùn)動(dòng)視察和視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突(vergence-accommodation conflict,,VAC)等等。
圖2:二維深度感知要素及其對(duì)深度感知的影響
立體顯示(volumetric displays):通過(guò)預(yù)先定義好的三維空間進(jìn)行光發(fā)射,,散射,,照明以顯示三維圖像。圖像就像懸浮在空中,,給人以極大的視覺(jué)沖擊,。但存在遮擋問(wèn)題,且成像體積受到限制,。
1. 全息3D信息計(jì)算(computation)
2. 全息信息傳輸(transmission)
3. 全息信息更迭生成(reproduction)
為了生成高質(zhì)量的全息圖形,,以3×1015b/s 比特率為例,大概需要23萬(wàn)個(gè)4K 空間光調(diào)制器(SLM),,15000臺(tái)電腦來(lái)處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),,這些聽(tīng)起來(lái)很荒唐的數(shù)字再一次體現(xiàn)了全息3D顯示的實(shí)現(xiàn)難度之大。全息數(shù)據(jù)生成器件和方法通??煞譃橐韵聨最悾?/span>
相位陣列光子集成芯片:微納尺度的相位陣列由一系列光波導(dǎo)組成并實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的大規(guī)模集成。如圖3,,這些相位陣列通過(guò)片上的聲光或熱光調(diào)制器來(lái)改變其相位,,并用光柵耦合出射。其優(yōu)點(diǎn)是快速,,相位易控制,,片上大規(guī)模集成。缺點(diǎn)是相位分辨率較低,導(dǎo)致有較大的衍射旁瓣,。
論文信息
轉(zhuǎn)載 | 先進(jìn)制造 公眾號(hào)
本文編輯 | 趙陽(yáng)