技术进步为更逼真的3D全息图铺平道路，用于虚拟现实和更多领域

研究人员已经开发出一种新的方法来实现3D物体在超高密度连续平面上的动态投影。通过将更多的细节打包到三维图像中，这种方法可以实现在虚拟现实和其他应用中使用的逼真表现。资料来源：中国科学技术大学，龚磊

研究人员已经开发出一种新的方法来创建动态的超高密度三维全息投影。通过将更多的细节装入三维图像，这种类型的全息图可以使我们周围的世界得到真实的呈现，用于虚拟现实和其他应用。

"三维全息图可以呈现具有连续和精细特征的真实三维场景，"领导中国科技大学研究团队的龚磊说。"对于虚拟现实，我们的方法可以与基于头盔的全息显示器一起使用，以大大改善视角，这将增强3D观看体验。它还可以在不需要头盔的情况下提供更好的3D视觉效果"。

制作外观逼真的3D物体全息显示器需要将具有高像素分辨率的图像投射到大量连续的平面或层上，这些平面或层之间的间隔很近。这就实现了高深度分辨率，这对于提供深度线索，使全息图看起来是三维的非常重要。

Gong的团队和新加坡国立大学的Chengwei Qiu研究团队在《Optica》杂志上描述了他们的新方法，称为三维散射辅助动态全息术（3D-SDH）。他们表明，这种方法可以达到比最先进的多平面全息投影方法高出三个数量级的深度分辨率。

"我们的新方法克服了当前数字全息技术中长期存在的两个瓶颈--低轴向分辨率和高平面间串扰--它们阻碍了全息图的精细深度控制，从而限制了三维显示的质量，"龚说。"我们的方法还可以通过允许在全息图中加密更多的数据来改进基于全息图的光学加密。"
 

新的三维散射辅助动态全息方法通过将高分辨率的图像投射到间隔紧密的平面上（a）来创建数字全息图，实现了比传统全息技术更真实的表现（b）。资料来源：中国科学技术大学，龚磊

制作更详细的全息图
创建一个动态的全息投影通常需要使用空间光调制器（SLM）来调制光束的强度和/或相位。然而，今天的全息图在质量上是有限的，因为目前的SLM技术只允许将一些低分辨率的图像投射到深度分辨率低的相邻平面上。

为了克服这个问题，研究人员将一个SLM与一个扩散器结合起来，使多个图像平面以更小的数量分开，而不受SLM特性的限制。通过抑制平面之间的串扰，利用光的散射和波前整形，这个装置可以实现超高密度的三维全息成像。

为了测试这种新方法，研究人员首先用模拟方法表明，它可以产生每个平面之间深度间隔小得多的三维重建。例如，他们能够在一张1000×1000像素的全息图中以0.96毫米的深度间隔投射出具有125个连续图像平面的三维火箭模型，而使用另一种最近开发的被称为基于随机矢量的计算机生成全息术的方法，其深度间隔为3.75毫米的图像平面。

研究人员用他们的新方法模拟了火箭的全息表现[图示为（a），点云模型为（b）]。由基于随机矢量的计算机生成全息技术（RV-CGH）方法投射的三维火箭的体积渲染图像显示在（c）中，使用的是一个1000×1000像素的全息图。三维投影由32幅图像表示，深度间隔为3.75毫米。3D-SDH投影的物体的体积渲染图像显示在（d）中。125个均匀距离为0.96毫米的图像平面同时从一个1000×1000像素的全息图上投影出来。(e-g)中显示了具有不同视角的模拟三维火箭的体积渲染图像。资料来源：中国科技大学，龚磊

为了在实验中验证这一概念，他们建立了一个3D-SDH原型投影仪来创建动态3D投影，并将其与传统的3D菲涅尔计算机生成全息术的先进设置进行了比较。他们表明，3D-SDH在轴向分辨率上比传统的对应设备提高了三个数量级以上。

研究人员展示的3D全息图都是点云式3D图像，这意味着它们不能呈现3D物体的实体。最终，研究人员希望能够用全息图投射出三维物体的集合，这将需要更高像素的全息图和新算法。

参考资料

Panpan Yu et al, Ultrahigh-density 3D Holographic Projection by Scattering-assisted Dynamic Holography, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.483057