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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,。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產(chǎn)生虛擬三維圖像,。

先驅(qū)者們在很早就預(yù)言全息是實現(xiàn)完美3D 顯示的最終方法,，這是因為全息術(shù)是目前可滿足適配人類視覺系統(tǒng)光學(xué)要求的唯一方法。多年以來,，研究者們都在為實現(xiàn)這一目標(biāo)不斷努力,。

近期,，來自美國亞利桑那大學(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展。

一,、為何全息3D 顯示是一項艱巨的挑戰(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)實現(xiàn)一個45°視場,，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)展時間順序排列）對比情況,。

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6萬倍,，所以實現(xiàn)全息3D 顯示的難度顯而易見。

圖1：通向全息之路：隨著時間推移,，不同通訊系統(tǒng)所需比特率

二,、人眼視覺和3D 顯示

理解人眼視覺系統(tǒng)是如何感知三維信息對研發(fā)3D顯示至關(guān)重要,。

人眼視覺系統(tǒng)從外部獲取的眾多信息中來進行深度感知，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），相對大?。╮elative size）,，遮擋（occlusion），模糊度（blurriness + haze）,。

如下圖2展示了在一個二維平面上的三個球,，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)過人眼視覺系統(tǒng)后,，我們會認為它們是存在于三維空間中的球,。所以無論是繪畫，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a(chǎn)生三維感知效果,，否則光學(xué)圖像錯覺就會產(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,，運動視察和視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（vergence-accommodation conflict，VAC）等等,。

圖2：二維深度感知要素及其對深度感知的影響

1.  基于立體視差（Stereo disparity）：常見于現(xiàn)在3D影院，需要穿戴3D眼鏡,，存在VAC,。
2. 裸眼3D 顯示（Autostereoscopy）：常用透鏡陣列實現(xiàn)光場三維成像,；需要用戶固定在特定位置，存在VAC,。
3. 基于運動視差 （Motion Parallax,，Multiview）：相當(dāng)于用戶可移動的裸眼3D，存在VAC,，所需比特率低,，約10? Gb/s，也是目前研究的熱點,。

4. 立體顯示（volumetric displays）：通過預(yù)先定義好的三維空間進行光發(fā)射,，散射，照明以顯示三維圖像,。圖像就像懸浮在空中,，給人以極大的視覺沖擊。但存在遮擋問題,，且成像體積受到限制,。

1. 全息3D信息計算（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23萬個4K 空間光調(diào)制器（SLM），15000臺電腦來處理對應(yīng)的數(shù)據(jù),，這些聽起來很荒唐的數(shù)字再一次體現(xiàn)了全息3D顯示的實現(xiàn)難度之大,。全息數(shù)據(jù)生成器件和方法通常可分為以下幾類：

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)可實時刷新的全息材料：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)組成并實現(xiàn)晶圓尺寸的大規(guī)模集成,。如圖3，這些相位陣列通過片上的聲光或熱光調(diào)制器來改變其相位,，并用光柵耦合出射,。其優(yōu)點是快速，相位易控制,，片上大規(guī)模集成,。缺點是相位分辨率較低，導(dǎo)致有較大的衍射旁瓣,。

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