自1956年丹尼斯·加博尔发明全息术以来，人们一直相信光学全息是实现裸眼3D显示的理想途径。但是动态重构逼真立体场景的三维全息显示一直面临重大挑战，其中生成真实的三维全息图（3D hologram）是瓶颈问题。真实的三维全息图涉及对重构物体深度信息的连续精密调控，全息图深度信息调控能力越强，有效投影平面密度越高，人眼观测到的重构物体图像就越逼真。动态全息投影通常依赖空间光调制器（SLM）调制光场波前重构物体图像信息，然而即使采用最先进的SLM，目前生成的全息图深度调控能力也非常有限。此外，不同深度平面上图像之间的串扰进一步降低了全息投影的质量。因此，投影平面深度分辨率低和平面间图像串扰大成为产生逼真三维全息图的两个关键限制因素。
近日，中国科大光学与光学工程系龚雷课题组与新加坡国立大学仇成伟教授、加拿大魁北克大学国家科学研究院Jinyang Liang教授合作提出一种超高密度3D全息投影的新方法。团队将光散射引入到三维全息投影技术中，同时克服了传统全息投影技术深度调控的两个瓶颈问题，实现了超高密度的三维动态全息投影，研究成果以“Ultrahigh-density 3D Holographic Projection by Scattering-assisted Dynamic Holography”为题于2023年4月6日在线发表于国际知名学术期刊《Optica》上。Optica出版集团当天以News Release形式进行了特别报道，该技术通过将更多深度信息融入到全息图中，这种类型的全息图可以更逼真地重构三维图像，用于虚拟现实和其它应用。
图1 3D-SDH实现逼真三维全息投影的概念图
图2 3D-SDH和最先进的三维计算全息（RV-CGH）方法的投影效果比较
在此工作中，研究人员发明了一种散射辅助的三维动态全息技术（Three-dimensional scattering-assisted dynamic holography, 3D-SDH)。3D-SDH利用光的多重散射极大提高了光学系统可调控空间频率的范围，同时开发散斑光场传输属性降低不同深度平面光场的相关性，将基于菲涅尔全息的投影深度分辨率提高3个量级以上，同时极大抑制了不同投影平面间图像的串扰。此外，光场的振幅、相位和偏振信息在散射过程中实现了耦合，3D-SDH进一步通过单个数字全息图实现了三维动态偏振全息显示。本研究提出的3D-SDH技术能够实现高密度、低串扰、大视角的三维动态全息投影，并且有望应用于全息显微成像、立体显示、投影光刻、信息存储、光学微操控等领域。
图3 超高密度3D全息投影图示
图4 超高密度3D全息投影原理与特性
国际著名光电杂志《Laser Focus World》针对该技术发明背景及潜在应用对团队进行了邮件采访，并以“Researchers exploit disordered scattering to improve depth control for holograms”为题作为TOP STORIES做了特别报道。该杂志的网络视频节目Photonics Hot List也同步进行了报道。
中国科大光学与光学工程系博后余盼盼为论文的第一作者，中国科大龚雷副教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委、安徽省自然科学基金委、合肥市自然科学基金委、中国博士后科学基金会以及中国科学技术大学青年创新重点项目的资助。
文章链接: doi.org/10.1364/OPTICA.483057
