相比于AR/VR顯示技術(shù)，全息光學(xué)的視場角受到更大限制。通常，全息技術(shù)通過干涉和衍射原理來記錄、重建完整的波前信息，實(shí)現(xiàn)3D全息顯示。現(xiàn)有的全息技術(shù)，常常將3D圖像投影到一個(gè)看似立體的平面上，而很多全息顯示方案使用衍射圖形來修改光波陣面，來創(chuàng)建3D圖像。比較常見的方案使用了空間光線調(diào)制器（SLM）、激光器或LED光源，并將圖像投影到LCoS顯示表面上。

傳統(tǒng)3D全息顯示技術(shù)基于光折變聚合物等光學(xué)材質(zhì)，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)刷新。因此，SLM在全息3D顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不過，對于動(dòng)態(tài)全息3D顯示技術(shù)，人們追求大尺寸、寬視場角。但目前SLM空間光調(diào)制器受到像素間距和尺寸限制，很難滿足要求。常見的基于單SLM的全息系統(tǒng)，視場角小于9°，顯示區(qū)域?qū)挾炔坏?cm。如果通過增加SLM像素?cái)?shù)來提升顯示區(qū)域和視場角，那么像素解析量過大，效率低下。

假設(shè)想要重建一個(gè)300mmx300mmx300mm的全視差3D全息圖，并實(shí)現(xiàn)30°視場角，那么SLM的像素?cái)?shù)量將至少達(dá)到10^12，而即使用目前最先進(jìn)的光刻技術(shù)，也很難制造出擁有該數(shù)量級的SLM模組。而如果在3D全息系統(tǒng)中僅使用單個(gè)SLM，那么即使在SLM分辨率達(dá)到3840x2160，像素間距達(dá)3.74μm，激光波長達(dá)532nm的情況下，視場角也通常小于9°，顯示寬度低于20mm，這很難實(shí)現(xiàn)良好的觀看效果。

為了解決上述問題，一些SLM利用時(shí)間復(fù)用、空間復(fù)用方式，來提高全息圖的FOV和尺寸，然而時(shí)間復(fù)用方案對于SLM的刷新率要求很高，而空間復(fù)用方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。此外，也有人采用超表面結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)亞波長調(diào)制。盡管超表面結(jié)構(gòu)、全息光學(xué)元件可以有效擴(kuò)大視場角、放大顯示尺寸，但這兩種方案在制造工藝上存在困難和挑戰(zhàn)。

因此，北京航空航天大學(xué)儀器與光電工程學(xué)院的科研人員提出了一種基于可調(diào)液晶光柵的大尺寸全息3D顯示系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)單個(gè)SLM系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢是視場角擴(kuò)大7倍，達(dá)57.4°，圖像尺寸放大了4.2倍。據(jù)悉，該實(shí)驗(yàn)由李移隆主導(dǎo)，他和科研團(tuán)隊(duì)實(shí)施了兩種不同的全息成像方案，一種基于周期可調(diào)的可調(diào)液晶光柵，可擴(kuò)大視場角，而另一種則是通過重建圖像的二次衍射來擴(kuò)大全息圖尺寸。

據(jù)了解，液晶光柵是一種基于幾何相位原理的光柵器件，它作用于圓偏振光，具有電光和偏振可調(diào)性，可調(diào)節(jié)入射光振幅和相位，其一級衍射的效率理論上可達(dá)到100%。由于液晶材料具備流動(dòng)性和雙折射特性，它可以實(shí)現(xiàn)對光強(qiáng)度、偏振等性質(zhì)的調(diào)控。此外，液晶材料在可見光和紅外波長范圍呈透明狀態(tài)，透光度較好。

科研人員表示：近年來，隨著液晶技術(shù)發(fā)展，它的相位可調(diào)特性為全息顯示提供了新的機(jī)遇。通過液晶透鏡、液晶光閥等元件，可提高全息3D顯示的質(zhì)量?？烧{(diào)液晶光柵通過電壓來驅(qū)動(dòng)光束調(diào)節(jié)，可用于光波導(dǎo)、光束偏轉(zhuǎn)、光互聯(lián)、AR顯示、3D顯示等多種場景。通過電壓調(diào)節(jié)液晶光柵，還可以實(shí)現(xiàn)2D圖像和3D圖像之間的切換。

為了實(shí)現(xiàn)寬視場角，科研人員將液晶光柵通電，電壓會(huì)導(dǎo)致液晶分子呈現(xiàn)衍射光柵的周期性順序，接著光柵又會(huì)形成二次衍射圖像。因此，可以通過改變電壓和調(diào)整光柵的周期，來調(diào)整二次衍射圖像的數(shù)量。此外，再通過調(diào)整偏振光閥，來確保只有正向一級衍射光可以通過該系統(tǒng)。

簡單來講，就是利用可調(diào)液晶光柵對SLM產(chǎn)生的衍射圖進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。第一次衍射：衍射光經(jīng)過SLM和分束器后通過透鏡1，然后通過濾光片，消除高階衍射光?？烧{(diào)液晶光柵位于透鏡1的后焦平面與透鏡2的前焦平面上，向液晶光柵施加電壓后，會(huì)導(dǎo)致第二次衍射，從而擴(kuò)大3D全息圖的視場角和尺寸。為了擴(kuò)大3D全息圖像的尺寸，第二種成像方案生成兩個(gè)大小相等的子全息圖，在光柵通電之前，第一個(gè)子全息圖已經(jīng)加載到SLM上，通電后，便將第二個(gè)子全息圖也加載到SLM上。

當(dāng)響應(yīng)速度足夠快時(shí)，兩個(gè)子全息圖可以無縫拼接，利用人眼視覺暫留效果，將3D全息圖像尺寸擴(kuò)大到4.2倍?？蒲腥藛T表示：由于光柵的響應(yīng)時(shí)間約29.2ms，幾乎可以滿足同步控制子全息圖的效果。

細(xì)節(jié)方面，科研人員設(shè)計(jì)的可調(diào)液晶光柵主要由上基板、上電極、液晶層、下電極和下基板組成。在初始狀態(tài)下，可調(diào)液晶光柵不通電，而通電并施加電壓時(shí)，液晶分子呈周期模式排列，這時(shí)可調(diào)液晶光柵對全息圖像進(jìn)行二次調(diào)制，并通過光柵的周期將原始全息圖變成7個(gè)連續(xù)的大全息圖，從而將視場角擴(kuò)大為原來的7倍。另外，通過不同的通電模式（僅上電極通電，或上下電極同時(shí)通電），可形成不同的液晶分子排布（小周期或大周期），從而實(shí)現(xiàn)液晶光柵的周期切換。通過施加電流，可調(diào)液晶光柵的間距也可以改變。

實(shí)驗(yàn)中使用的3D全息系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束器、分束器、SLM、4f光學(xué)系統(tǒng)（包括兩個(gè)透鏡）、濾波器和可調(diào)液晶光柵、偏振光閥、信號控制器組成。其中激光器和擴(kuò)束器可產(chǎn)生準(zhǔn)直入射光，準(zhǔn)直入射光通過分束器后，會(huì)照射SLM。而SLM加載了3D全息圖。

而偏振光閥則用于控制不同衍射級的光通過，從而調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度。信號控制器用于生成全息圖，并同步控制施加在可調(diào)液晶光柵上的電壓、全息圖的加載順序，以及偏振光閥的狀態(tài)。二次衍射圖像通過透鏡2后，可通過相機(jī)來捕捉重建的3D全息圖像。

科研人員指出，全息技術(shù)可用于多種領(lǐng)域，比如3D可視化、數(shù)據(jù)儲存、光學(xué)加密、醫(yī)學(xué)成像、數(shù)字顯微鏡等等。而其研發(fā)的SLM+液晶光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，未來可以用于醫(yī)療、教育、娛樂、廣告等領(lǐng)域。未來，還將繼續(xù)優(yōu)化該方案的色彩，推動(dòng)其在全息顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。除了全息顯示外，科研人員還希望將該技術(shù)用于AR顯示領(lǐng)域。參考：DisplayDaily，Nature