新的光片全息技术克服了三维全息图中的深度感知难题

通过堆叠严格控制的光线的二维片，Federico Capasso实验室的研究人员可以描绘出三维全息物体。资料来源：哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院

全息术--利用光的投射来显示图像--可以用来构建全息图，这是一种描绘真实物体和场景的三维光结构。虽然今天的技术还不能产生科幻电影中令人难以置信的栩栩如生的全息图，但来自哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员已经朝着这个目标迈出了一大步。

由SEAS的罗伯特-华莱士应用物理学教授和文顿-海斯电子工程高级研究员Federico Capasso领导的科学家和工程师团队在《自然-光子学》杂志上报告了一种全新的创建全息图的方法，该方法利用光线分层构建包含严格控制的光阵列的二维片。然后，这些薄片可以像一堆熟食奶酪一样紧密地堆叠起来，描绘出三维物体。

"卡帕索说："这项研究以一种创新的方式利用了广泛使用和商业化的空间光调制器技术来塑造传播中的光线，创造了一种全新的全息图。"我预见这种全息方法将对虚拟和增强现实、生物成像、体积显示、人机互动、互动教育工具等产生影响。"

传统的全息技术方法将光线安排在远离观众眼睛的平面上，就像一系列连续的多米诺骨牌，这是有问题的，因为最远的层变得更难看。这可能会扰乱观众的深度感知，并最终使三维物体的细节显示得很模糊。为了解决这个问题，卡帕索的团队和来自圣保罗大学和巴西坎皮纳斯州立大学的合作者设计了一种全息方法，以垂直于光学显示器的方式传播光片，这样观众就可以沿着光片的整个长度看。

"通过这样做，我们减轻了传统上影响全息技术的深度感知问题，"论文的第一作者、卡帕索小组的研究助理艾哈迈德-多拉说。"我们还可以实现均匀间隔的光片，同时保持光片之间的低串扰和描绘图像和物体的高分辨率。"

Dorrah说，这种方法有朝一日可用于描绘任何三维全息图，可从任何角度观看，具有连续的深度，就像它实际存在一样。"他说："这一发展的核心是一种被称为贝塞尔光束的特殊光束。与更常用的激光束不同的是，贝塞尔光束会发生衍射，并在远离其源头时变得不那么强烈，而贝塞尔光束则保持其强度，甚至可以在遇到障碍物后通过绕过它们来 "治愈 "自己。

"贝塞尔光束以环状模式向外扩散。巴西坎皮纳斯州立大学电气工程教授、这项工作的高级合作者米歇尔-赞博尼-拉奇（Michel Zamboni-Rached）说："结合一个以上的贝塞尔光束--一个称为叠加的过程--通过干涉对沿任何特定点的光强度进行精确控制。他补充说："你可以有选择地照亮这些光片的所需部分，"而不会失去对描绘图像和物体至关重要的景深。

通过将这些叠加的光束堆叠在一起形成光片，就有可能加成一个由精确结构的光构成的 "3D打印 "投影。卡帕索的团队对利用这种新方法来改善生物研究特别感兴趣。

"多拉说："我认为我们可以对光的强度进行有选择的控制，可以与显微镜方法相结合，对光被送入生物样本的位置有更大的控制。这一点很重要，因为显微镜中使用的激光束可以通过一个被称为光毒性的过程损害活细胞，限制组织样本可以承受的成像量。

Dorrah还热衷于将这种方法用于光遗传学研究，在这种研究中，大脑电路经过基因工程设计，从而使组织活动能够在光的作用下被触发或关闭，使科学家能够研究某些细胞如何影响行为。他说："利用光片全息技术，你可以以非常高的精确度和特异性激活光遗传学电路中的目标细胞或细胞网络。

这种新的全息方法是卡帕索的团队偶然发现的。多拉和他在巴西的合作者一直在开发利用贝塞尔光束将粒子困在焦点上的技术，以便可以更好地研究特定空间和时间点上的原子。这时，该小组开始思考，将这些光束堆叠成片状是否可用于构建全息图。

当他们测试该技术并看到它的工作效果如此之好时，该小组感到震惊。"圣保罗大学电气工程教授、另一位高级合作者莱昂纳多-安布罗西奥（Leonardo Ambrosio）说："通常情况下，我们开发一个新的理论，用一个实验来测试它，结果是有缺陷的，然后我们重新思考我们的方法。"但是这一次，我们的初步实验甚至远远超过了我们最乐观的预期。我们对我们能做出的图像和物体的复杂性感到惊讶"。

参考资料

Ahmed H. Dorrah et al, Light sheets for continuous-depth holography and three-dimensional volumetric displays, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01188-y