可堆叠的“全息砖”可以制作巨大的3D图像

诸平

Fig. 1 Researchers have developed a new method to display highly realistic holographic images using 'holobricks' that can be stacked together to generate large-scale holograms. Credit: University of Cambridge

Fig. 2 Reconstructed holographic images of a toy train with holobricks, (top), and original image captured by a camera (bottom). Credit: University of Cambridge

据英国剑桥大学（University of Cambridge）2022年3月16日提供的消息，来自剑桥大学和美国迪士尼研究公司（Disney Research, Glendale, CA, USA）的研究人员合作开发了一种全息砖的概念验证，它可以将全息图拼接在一起，形成一个巨大的无缝3D图像(Stackable 'holobricks' can make giant 3D images)。这是该技术首次被展示，并为可伸缩全息3D显示器打开了大门。上述图示就是由剑桥大学提供的研究人员利用开发的新方法，使用“全息砖”来显示高度逼真的全息图像，这些“全息砖”可以堆叠在一起，生成大规模的全息图。相关研究结果于2022年3月16日已经在《光:科学与应用》（Light: Science & Applications）杂志网站发表——Jin Li1, Quinn Smithwick, Daping Chu. Holobricks: Modular Coarse Integral Holographic Displays. Light: Science & Applications, Published: 16 March 2022. Volume 11, Article number: 57. DOI: 10.1038/s41377-022-00752-7. http://www.nature.com/articles/s41377-022-00742-7

随着技术的发展，人们想要高质量的视觉体验，从2-D高分辨率电视到3-D全息增强或虚拟现实，以及大型真正的3-D显示器。这些显示器需要支持大量的数据流:对于2D全高清显示器，信息数据速率大约是3 Gb/s，但同样分辨率的3D显示器将需要3 Tb/s的速率，这目前还无法实现。

全息显示可以重建高质量的图像，真正的3-D视觉感知。它们被认为是连接真实世界和虚拟世界的终极显示技术，以实现身临其境的体验。

领导这项研究的剑桥大学工程系(Cambridge's Department of Engineering)的褚大平教授（Professor Daping Chu音译）说：“用目前的技术提供足够的3D体验是一个巨大的挑战。在过去的十年里，我们一直在与我们的行业合作伙伴合作，开发可以同时实现大尺寸和大视场的全息显示，这需要与具有大光学信息内容的全息图相匹配。”

然而，由于空间带宽产品有限，目前全息图信息的信息内容远远大于目前被称为空间光调制器(spatial light modulators)的光引擎的显示能力。

对于二维显示器，标准做法是将小尺寸显示器平铺在一起形成一个大显示器。这里正在探索的方法与此类似，但针对的是3D显示器，这是以前从未做过的。先进光子与电子中心(Center for Advanced Photonics and Electronics简称CAPE)的主任、上述研究论文的通讯作者褚大平教授说：“将3D图像拼接在一起并非易事，因为最终的图像必须从各个角度和深度看都是无缝的。在真实空间直接平铺3D图像是不可能的。”

为了解决这一挑战，研究人员开发了全息砖单元（holobrick unit），基于粗糙集成全息显示的角度平铺的3-D图像，这是大约七年前在CAPE与迪斯尼研究公司（Disney Research）共同开发的概念。

每个全息砖使用高信息带宽空间光调制器进行信息传递，结合粗集成光学（coarse integrated optics），形成具有较大的观看区域和视场的有角度的平铺三维全息图。

仔细的光学设计确保全息条纹图案填满了全息砖的整个表面，从而使多个全息砖可以无缝地堆叠起来，形成一个可扩展的空间平铺全息图像3-D显示，既能宽视场角度，又能大尺寸。

由研究人员开发的概念验证是由两块无缝贴合的全息砖组成的。每个全彩砖是1024×768像素，40°视场，每秒24帧，以显示全3D图像的平铺全息图。

褚大平说:“要想制造出具有宽视角的超大3D显示器，比如全息3D墙，还有很多挑战。在目前空间光调制器显示能力有限的基础上，我们希望这项工作可以为解决这一问题提供一种有前途的方法。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

The future of 3D display and the emergence of holographic television

Abstract

Here, we propose and demonstrate a modular holographic display system that allows seamless spatial tiling of multiple coarse integral holographic (CIH) displays called “holobricks”. A holobrick is a self-contained CIH module enclosing a spatial light modulator (SLM), a scanner, and periscopic coarse integral optics. Modular CIH uses a coarse pitch and small area but high-bandwidth SLM in conjunction with periscopic coarse integral optics to form the angularly tiled 3D holograms with large viewing areas and fields of view. The creation of periscopic coarse integral optics prevents the optical system from being larger than the holographic image and allows the holographic fringe pattern to fill the entire face of the holobrick. Thus, multiple holobricks can be seamlessly abutted to form a scalable spatially tiled holographic image display capable of both wide field-of-view angle and arbitrary large-size area. We demonstrate an initial prototype that seamlessly tiles two holobricks each with 1024×768 pixels, 40° FOV, full color, 24 fps, displaying 2D, 3D holographic stereograms, and full parallax 3D CGI Fresnel holograms.