初大平教授带领团队提出“全息砖”,实现超强全息3D显示
发布时间:2022-04-24浏览量:128
3D 显示能够让人产生打破虚拟界限的超“真实”视觉感受,是不少人希望在生活中体验到的。目前电影院里常见的所谓“3D 显示”是双视显示,其实只是两个二维显示的叠加。

对此,研究 3D 显示多年的科学家表示,只有全息的 3D 显示才能根本性地解决各种现实问题。

同时,从平面的 2D 显示过渡到 3D 显示是一个很大的跳跃。通常 2D 的电视显示会使得常规的电视信息量达到每秒 3Gb,而 3D 显示会使得信息量再扩大 1000 倍,即每秒钟 3Tb,现在的技术平台还无法支撑如此庞大的信息体量,即空间信息带宽。

近日,英国剑桥大学光子器件与传感中心(Centre for Photonic Devices and Sensors)教授初大平带领与迪斯尼研究院(Disney Research)合作的团队,提出并演示了一种模块化全息显示系统,该系统允许对多个被称为“全息砖”的疏积分全息(Coarse Integrated Holography,CIH)显示器进行无缝空间拼接,达到了在视角和图像尺寸方面均大幅提升的全息 3D 显示效果。



3 月 16 日,相关论文以《全息砖:模块化粗集成全息显示屏》(Holobricks: modular coarse integral holographic displays)为题发表在 Light: Science & Applications 上,初大平教授担任通讯作者。图 | 相关论文(来源:Light: Science & Applications)

有审稿人评价道,“这项研究是智能和有效的,并证明了所提出系统的稳定性。”还有审稿人称赞,“该研究是一个创新且非常棒的大型全息显示器解决方案。”

据了解,全息实际上是衍射光学的结果,衍射光学能够展开的角度与其波长和衍射物质的尺寸有关,在现有基础上产生的视角在 1~2 度左右,也就是说把人稍微挪动一下就可以产生 3D 的效果,但是角度过大就无法看到物体。

而 CIH 可以解决这一问题,其原理为把空间中不同角度上每一个角度上的两度左右,在空间上拼接起来,以达到 30-40 度甚至更大的空间视角。

解决视角问题后,该团队将目光转向如何增加动态的空间信息带宽,以进一步扩大全息显示的画面。以 DMD 光引擎为例,它的空间刷新率可以到几千赫兹,但人眼只需要几十个赫兹,也就是说中间有很多冗余的信息量没有用到。在这个阶段,他们花两年左右的时间做出了全带宽的 CIH 显示。

接下来,该团队又遇到了新的挑战,即光引擎可以根据信息量显示一定大小的图像,但由于光引擎本身空间信息带宽有限,这个图像无法再继续做大,二维上把图像做大就是简单的直接拼接,那么在三维上如何拼接呢?

一种方式是直接把三维显示图像拼起来,但这几乎不可能做到。因为三维图像有纵深并且互相有遮挡效应,要想在各个角度和各个深度都做好是比较困难的;另一种方式是把全息图拼大,用物理方式复制出很多小的全息图后,再把它们放在一起,但这样拼成的大全息图存在分辨率不高的问题,而且产生的整体效果并不自然。

于是,研究人员采用了新的方法,通过拼接所显示的不同部分全息图来得到无缝拼接出的空间图像。他们做了一些既能提供大视角,又能利用全波段信息的“全息砖”单元,并通过光学设计,使得每一个产生的全息图在无缝拼接后,能将显示的 3D 图像在空间中融合起来。

该团队表示,后续他们还将继续做一些关于光引擎的研究,希望能够将光引擎本身的信息带宽提高 1-2 个,甚至 2~3 个量级,从而解决更多的问题。

关于此次研究成果的潜在应用场景,初大平介绍,如果不计成本的话,可以尝试运用该成果拼接出一张全息的 3D 大型地图、城市和沙盘等,不过目前每个单元成本较大,而且中间牵扯到的步骤也比较多。

下一步,该团队会把重心放在解决成本和计算量问题上,努力实现小型化或者扁平化,并以此实现更多实用的应用场景,如可以实现虚拟空间交互的 3D 信息墙。

图 | 初大平(来源:初大平)

据了解,初大平在大学里既教学生,也从事科研工作。他不仅是剑桥大学光子器件和传感器中心的主任,也是一个剑桥大学和工业界合作平台的先进光电研究中心(Center for Advanced Photonics and Electronics, CAPE)的主任,该中心主要进行应用性研究和产业化的研究。

初大平表示,现在,他们是以应用或者产生的实际效果为导向来做研究,过程中需要考虑很多因素,其中包括研究者自身对于技术的洞察和判断。

此外,他谈到,科学和工程还是有比较大的差异,科学研究就像一个“OR process”,而工程研究更像“AND process”。做科学研究可以同时做很多事情,只要做好其中一件事情就有机会发表论文;做工程研究则不同,一个实际的工程问题不但需投入很多,包括从技术科研到应用,最后再到产业化,而且会牵涉到方方面面的东西,要同时去解决才能成功。

支持:熊岳城

参考:
1.Jin Li, et al. Holobricks: modular coarse integral holographic displays. Light: Science & Applications (2022)

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00742-7


本文转自 DeepTech深科技(微信号:deeptechchina), 作者华卫。