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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

1.  基于立體視差（Stereo disparity）：常見(jiàn)于現(xiàn)在3D影院,，需要穿戴3D眼鏡,，存在VAC。
2. 裸眼3D 顯示（Autostereoscopy）：常用透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)三維成像,；需要用戶固定在特定位置,，存在VAC。
3. 基于運(yùn)動(dòng)視差 （Motion Parallax,，Multiview）：相當(dāng)于用戶可移動(dòng)的裸眼3D,，存在VAC，所需比特率低,，約10? Gb/s,，也是目前研究的熱點(diǎn)。

4. 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>

1. 硅基集成的液晶調(diào)制器（liquid crystal on silicon,，LCoS SLM）：分辨率高，但液晶的刷新速率低,。
2. 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：刷新率快,，高集成度，但目前器件效率低,。德州儀器處于領(lǐng)先地位,，其下一代的高效率的相位調(diào)制器也正在研發(fā)。
3. 研發(fā)可實(shí)時(shí)刷新的全息材料：比如光折變聚合物,，聲光材料,。

4. 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,。

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