直播開講 精彩不停

2025年6月18日，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院王瓊?cè)A教授課題組鄭義微博士做客追光智匯直播間，帶來了一場(chǎng)關(guān)于基于液晶器件的大視角全息3D顯示技術(shù)的精彩之旅。

全息3D顯示能重建出3D光場(chǎng)的波前信息，從原理上避免了輻輳調(diào)節(jié)矛盾，不會(huì)導(dǎo)致觀看者的眩暈，因此被視為最具潛力的真3D顯示技術(shù)之一。為了提供沉浸式的觀看體驗(yàn)，全息3D顯示應(yīng)該具有大視角的顯示效果。然而，受到空間光調(diào)制器的像素間隔的限制，傳統(tǒng)全息3D顯示系統(tǒng)的視角窄，難以滿足實(shí)際觀看需求。近年來，具有輕薄、透明度高、可自由設(shè)計(jì)、加工成本低的液晶器件越來越受到人們的關(guān)注。本次報(bào)告圍繞大視角全息3D顯示技術(shù)，重點(diǎn)介紹了基于液晶錐透鏡的全息3D顯示技術(shù)和基于消色差液晶光柵的全息3D顯示技術(shù)。

為了解決上述問題，本次追光智匯直播間特邀請(qǐng)東南大學(xué)王雯琦同學(xué)為我們帶來了一場(chǎng)有關(guān)”角光譜擴(kuò)展的光場(chǎng)全息顯示技術(shù)”的研究分享，介紹了包含角度信息光譜擴(kuò)展的光場(chǎng)全息策略，包括頻域光譜擴(kuò)展方法（Spectrum Expansion, SE）與時(shí)空域光譜擴(kuò)展方法（Spatiotemporal Spectrum Expansion, STE）。首先，系統(tǒng)性回顧了SE方法的基本原理及其在頻域中對(duì)多角度光場(chǎng)的映射策略，分析其在提升視角范圍與圖像清晰度方面的優(yōu)勢(shì)與局限。隨后，進(jìn)一步提出STE方法，通過引入時(shí)間維度并結(jié)合多幀復(fù)振幅編碼，在擴(kuò)展頻譜的同時(shí)有效抑制視點(diǎn)干涉?zhèn)斡芭c散斑噪聲。此外，STE方法借助人眼時(shí)間積分特性，進(jìn)一步提升亮度均勻性與景深自然過渡效果。報(bào)告結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖像質(zhì)量、結(jié)構(gòu)一致性與重建自由度等方面對(duì)比分析兩種方法的性能表現(xiàn)，并探討其在全息AR顯示、透明顯示等場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。

彈幕答疑 實(shí)時(shí)互動(dòng)

Q：傳統(tǒng)光學(xué)校正顯微鏡中常針對(duì)目標(biāo)待測(cè)物體進(jìn)行波前校正或采用算法進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡相比自適應(yīng)光學(xué)顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些?連續(xù)變焦顯微鏡的各項(xiàng)指標(biāo)如何?分辨率、視場(chǎng)、率等，是否配有操作軟件?

A：連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡通過多片液體透鏡的聯(lián)動(dòng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)像差補(bǔ)償，是純光學(xué)的調(diào)制方法，響應(yīng)快速、穩(wěn)定可靠、控制簡(jiǎn)單、成本和功耗低，能夠保證顯微鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的緊湊不過目前我們課題組研制的連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡的調(diào)控模式是整體視場(chǎng)的像差調(diào)控，團(tuán)隊(duì)正在嘗試結(jié)合自適應(yīng)算法提升顯微鏡的局部像差補(bǔ)償能力。連續(xù)變焦顯微鏡的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異，放大倍率10-100倍，可以以視頻幀率成像(~30fps)，分辨率最高可達(dá) 300nm，線視場(chǎng)約 0.7mm，并配有自行研制的操作軟件。

Q：實(shí)時(shí)全息視頻與高幀率顯示也是一個(gè)熱門的研究方向，全息視頻需要高幀率(如 60Hz)和低延遲，但現(xiàn)有系統(tǒng)大多依賴 RGB 時(shí)序切換，時(shí)間分辨率受限，這一問題有什么好的解決方式嗎？全息 3D 顯示技術(shù)一直在向更逼真、更實(shí)用的方向發(fā)展，其中視角擴(kuò)展與色差消除的平衡應(yīng)該如何把握?您所在團(tuán)隊(duì)提出的算法可以將亮度提升5倍，那么能量利用率上有明顯提升嗎?

A：實(shí)現(xiàn)彩色全息 3D 顯示的主流方案包括空分復(fù)用法和時(shí)分復(fù)用法。對(duì)于時(shí)間分辨率要求較高的全息 3D 顯示系統(tǒng)，可以采用空分復(fù)用法的思路,利用 RGB 三色光分別照射三個(gè)空間光調(diào)制器，從而在不犧牲刷新率的情況下，實(shí)現(xiàn)彩色全息 3D 顯示。由于現(xiàn)有的空間光調(diào)制器難以同時(shí)調(diào)制振幅和相位信息，因此需要將復(fù)振幅光場(chǎng)信息編碼為純振幅全息圖或者純相位全息圖。純相位全息圖具有衍射效率高的特點(diǎn)，在本次分享的全息技術(shù)方案中均采用了純相位全息圖。為了減少散斑噪聲和串?dāng)_的影響，提高全息 3D 重建像的質(zhì)量,在計(jì)算生成全息圖時(shí)采用了誤差擴(kuò)散的優(yōu)化算法和具有復(fù)合損失函數(shù)的隨機(jī)梯度下降算法，在光路中采用了低通濾波的方式。在利用衍射光學(xué)元件進(jìn)行視角擴(kuò)展時(shí)，通常需要考慮它的波長(zhǎng)敏感特點(diǎn)。傳統(tǒng)的液晶光柵對(duì)于 RGB 三色光有不同的衍射角，存在嚴(yán)重的色差問題。所設(shè)計(jì)的消色差液晶光柵在不同的電壓下具有不同的光柵常數(shù)，能夠?qū)?RGB 三色光衍射到相同的角度，從而實(shí)現(xiàn)色差消除。所提出的高亮度全息圖生成算法通過頻域約束，將能量約束在目標(biāo)重建區(qū)域內(nèi)，抑制了非目標(biāo)區(qū)域的噪聲的能量，提高了目標(biāo)重建區(qū)域的能量利用率，將重建像亮度提高了5倍。

Q：PPT 最后展示的電潤(rùn)濕液體透鏡的電路放在哪里?和傳統(tǒng)油浸物鏡相比，可以理解為電潤(rùn)濕液體透鏡擴(kuò)大了相位補(bǔ)償范圍嗎?將復(fù)振幅信息編碼為純相位全息圖可以最小化噪聲和串?dāng)_嗎?您的光路中噪聲和串?dāng)_采用了哪些方法避免?基于 slm的全息裸眼 3D 的視場(chǎng)和視角的乘積和分辨率直接相關(guān)，擴(kuò)大視角的同時(shí)有沒有降低視場(chǎng)?

A：液體透鏡控制電路是外接的,我們有研制驅(qū)動(dòng)電路,目前尺寸可以做到大概 17×15mm。電潤(rùn)濕液體透鏡元件可以和普通物鏡直接集成，賦予物鏡焦面快速調(diào)控的能力。全息 3D 顯示的視角通常受限于 SLM 本身的參數(shù)如像素尺寸等，我們采用衍射元件在不影響分辨率的情況下對(duì)再現(xiàn)像進(jìn)行二次調(diào)制來擴(kuò)大視角。

北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程王瓊?cè)A教授團(tuán)隊(duì)的鄭義微博士，主要研究方向?yàn)槿?D顯示，本次直播介紹了3D顯示技術(shù)的在生活中的應(yīng)用場(chǎng)景，利用傳統(tǒng)3D顯示技術(shù)的局限性引出全息3D顯示技術(shù)，詳細(xì)介紹了全息3D顯示技術(shù)、計(jì)算全息3D顯示技術(shù)的基本原理，通過對(duì)比多種全息3D顯示技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和不足引發(fā)思考，論述了本次直播分享的核心內(nèi)容：基于液晶錐透鏡的全息3D顯示技術(shù)和基于消色差液晶光柵的全息3D顯示技術(shù)，著重介紹了液晶錐透鏡的偏振特性、對(duì)不同偏振態(tài)入射光的調(diào)制特性和基于該特性研制的大視角全息3D顯示系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)進(jìn)行了二維視角擴(kuò)展；基于消色差液晶光柵的全息3D顯示技術(shù)工作中詳細(xì)介紹了光柵的設(shè)計(jì)原理、光柵結(jié)構(gòu)和效率優(yōu)勢(shì)，著重強(qiáng)調(diào)高亮度全息圖生成算法的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，鄭義微博士還介紹了課題組的其他相關(guān)工作成果，如集成光場(chǎng)3D顯示器、電潤(rùn)濕液體透鏡和連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡等，從原理設(shè)計(jì)層面到實(shí)際應(yīng)用效果都進(jìn)行了充分展示，探討了全息光場(chǎng)調(diào)控和全息3D顯示技術(shù)在生物探測(cè)、工業(yè)印刷等行業(yè)的應(yīng)用潛力。

智慧凝集 攜手同行

晶萃光學(xué)JCOPTIX自2023年底啟動(dòng)了“追光計(jì)劃”系列活動(dòng)，旨在打造一個(gè)促進(jìn)學(xué)術(shù)與技術(shù)交流、推動(dòng)學(xué)科建設(shè)、培養(yǎng)光電領(lǐng)域人才的優(yōu)質(zhì)平臺(tái)，致力于構(gòu)建無界限、多元化的互動(dòng)生態(tài)，渴望讓參與者們?cè)凇白饭庵菂R”找到專屬自己的光芒。該計(jì)劃還包含了追光者講壇、論文激勵(lì)方案等一系列活動(dòng)，鼓勵(lì)光電行業(yè)從業(yè)的伙伴在光電領(lǐng)域不懈探索與創(chuàng)新。

晶萃光學(xué)JCOPTIX誠(chéng)摯地向所有新老朋友發(fā)出邀請(qǐng)，無論您是光電領(lǐng)域的資深專家，還是懷揣夢(mèng)想、初出茅廬的青年學(xué)者，我們都渴望聽到您最新的研究成果分享，也期待與每一位熱愛光電行業(yè)的伙伴不期而遇，探討科研道路上的心得體會(huì)。追光智匯欄目將持續(xù)凝集智慧與靈感之光，照亮追光路上的每一個(gè)夢(mèng)想。在這個(gè)充滿無限可能的舞臺(tái)上，讓我們攜手并進(jìn)，共同感受光電科技的神秘魅力，創(chuàng)造產(chǎn)學(xué)研深度融合的美好未來！