無散斑，更實用的計算全息顯示技術

關于“元宇宙”的討論已經成為近期學術界和產業界的熱點。于此，計算機生成全息(CGH)顯示被認為是具有變革潛力的技術，其應用范圍包括直視、虛擬和增強現實、以及車載顯示系統等。

雖然全息顯示的研究近年來取得了令人矚目的進展，但現有實驗室類別的全息顯示器還存在一定問題，其核心的圖像質量和用戶目視安全，從根本上受到相干光源，例如激光，引入的散斑 (Speckle) 的限制。

最傳統的解決方案是使用非相干光源，例如LED，替代激光將散斑分布模糊掉。這種方案不可避免在一定程度上犧牲了圖像的銳度和細節。從物理角度以及算法角度而言，其核心在于時間(temporal coherence) 和空間 (spatial coherence) 兩個維度相干性的平衡，尤其需要光學和計算機領域地交叉研究。

鑒于此，來自美國斯坦福大學和英偉達公司的研究團隊在以往神經全息技術（Neural Holography）（點擊查閱>）研究工作的基礎上進一步開發了一種具有部分相干性的CGH新方法——部分相干神經全息技術（Partially-coherent Neural Holography）。

該方案設計了一個部分相干光波傳播模型，該模型與相機閉環校準 (CITL) 策略相結合，能夠智能化地尋找到實現最佳圖像顯示質量的相位分布。

該工作以“Speckle-free holography with partially coherent light sources and camera-in-the-loop calibration”為題發表在 Science Advances。

技術路線

簡而言之，該方案核心在于設計了一個部分相干光波傳播模型，該模型與相機閉環校準（Camera-in-the-loop/CITL）策略相結合，能夠高效并且智能化地尋找到實現最佳圖像顯示質量的相位分布。

技術實現上，該研究使用發光二極管 (LED) 和超亮發光二極管 (Superluminescent LED / SLED)評估所提出的算法，并證明與具有高度相干性的激光相比，所得全息顯示的散斑特性顯著改善。

尤其地，SLED 被證明是用于全息顯示應用的最佳光源之一，因為它們可以產生細節清晰且高對比度的2D和3D圖像，同時這些圖像人眼安全且幾乎沒有斑點。具體技術實現和實驗顯示結果如（圖1-3/ 視頻1-3）所示。

圖1：使用相機閉環優化的部分相干光計算全息顯示概述。（上）SLM 相位被迭代顯示，相應的圖像由相機記錄，獲取與參考目標圖像的誤差后使用所提出的部分相干波傳播模型的梯度反向傳播到相位，該模型考慮了光源的有限尺寸（空間相干性）和寬發射光譜（時間相干性）；（下）實驗實現的不同光源下的2D全息圖像。可以看到，與由原始波傳播模型計算的全息顯示結果相比，Neural Holography 顯著地優化了圖像質量。

圖2：全息顯示系統示意以及顯示的分辨率版實驗結果。（左）不同光源的分辨率版的顯示結果；（右）全息顯示系統示意圖。針對該分辨率版目標圖像，所示地全息圖僅針對綠色通道進行實驗獲取并以灰度顯示。同時，只有在使用 LED 作為光源時才需要在照明路徑上設置針孔和窄帶濾光片，具體參數詳見論文及補充材料。

簡單總結，元宇宙概念的火爆帶來很多機會，但也需要大家冷靜分析。相信光學與計算機科學相結合是該研究方向的一大趨勢，而該研究工作論證的高質量部分相干光全息術，為計算全息在近眼顯示領域進一步走近廣大用戶提供了技術可行性支持，后續相信會有更多的研究工作可以在此基礎上展開。

論文信息：

Peng et al., Sci. Adv. 7, eabg5040 (2021）

https://doi.org/10.1126/sciadv.abg5040

補充資料（含諸多動畫，視頻，結果，代碼，論文）

https://www.computationalimaging.org/publications/partiallycoherentholography/ 

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https://mp.weixin.qq.com/s/Y8yrlZlOJmpL58a2wmBQTg

轉載 | IntelligentOptics 公眾號

本文編輯 | 趙陽

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