基于液晶器件的大视角全息3D显示技术

直播开讲 精彩不停

2025年6月18日，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院王琼华教授课题组郑义微博士做客追光智汇直播间，带来了一场关于基于液晶器件的大视角全息3D显示技术的精彩之旅。

全息3D显示能重建出3D光场的波前信息，从原理上避免了辐辏调节矛盾，不会导致观看者的眩晕，因此被视为最具潜力的真3D显示技术之一。为了提供沉浸式的观看体验，全息3D显示应该具有大视角的显示效果。然而，受到空间光调制器的像素间隔的限制，传统全息3D显示系统的视角窄，难以满足实际观看需求。近年来，具有轻薄、透明度高、可自由设计、加工成本低的液晶器件越来越受到人们的关注。本次报告围绕大视角全息3D显示技术，重点介绍了基于液晶锥透镜的全息3D显示技术和基于消色差液晶光栅的全息3D显示技术。

为了解决上述问题，本次追光智汇直播间特邀请东南大学王雯琦同学为我们带来了一场有关”角光谱扩展的光场全息显示技术”的研究分享，介绍了包含角度信息光谱扩展的光场全息策略，包括频域光谱扩展方法（Spectrum Expansion, SE）与时空域光谱扩展方法（Spatiotemporal Spectrum Expansion, STE）。首先，系统性回顾了SE方法的基本原理及其在频域中对多角度光场的映射策略，分析其在提升视角范围与图像清晰度方面的优势与局限。随后，进一步提出STE方法，通过引入时间维度并结合多帧复振幅编码，在扩展频谱的同时有效抑制视点干涉伪影与散斑噪声。此外，STE方法借助人眼时间积分特性，进一步提升亮度均匀性与景深自然过渡效果。报告结合仿真与实验结果，从图像质量、结构一致性与重建自由度等方面对比分析两种方法的性能表现，并探讨其在全息AR显示、透明显示等场景中的应用潜力。

弹幕答疑 实时互动

Q：传统光学校正显微镜中常针对目标待测物体进行波前校正或采用算法进行自适应补偿连续光学变焦显微镜相比自适应光学显微镜的优缺点有哪些?连续变焦显微镜的各项指标如何?分辨率、视场、率等，是否配有操作软件?

A：连续光学变焦显微镜通过多片液体透镜的联动调控实现动态像差补偿，是纯光学的调制方法，响应快速、稳定可靠、控制简单、成本和功耗低，能够保证显微镜光学结构的紧凑不过目前我们课题组研制的连续光学变焦显微镜的调控模式是整体视场的像差调控，团队正在尝试结合自适应算法提升显微镜的局部像差补偿能力。连续变焦显微镜的各项指标优异，放大倍率10-100倍，可以以视频帧率成像(~30fps)，分辨率最高可达 300nm，线视场约 0.7mm，并配有自行研制的操作软件。

Q：实时全息视频与高帧率显示也是一个热门的研究方向，全息视频需要高帧率(如 60Hz)和低延迟，但现有系统大多依赖 RGB 时序切换，时间分辨率受限，这一问题有什么好的解决方式吗？全息 3D 显示技术一直在向更逼真、更实用的方向发展，其中视角扩展与色差消除的平衡应该如何把握?您所在团队提出的算法可以将亮度提升5倍，那么能量利用率上有明显提升吗?

A：实现彩色全息 3D 显示的主流方案包括空分复用法和时分复用法。对于时间分辨率要求较高的全息 3D 显示系统，可以采用空分复用法的思路,利用 RGB 三色光分别照射三个空间光调制器，从而在不牺牲刷新率的情况下，实现彩色全息 3D 显示。由于现有的空间光调制器难以同时调制振幅和相位信息，因此需要将复振幅光场信息编码为纯振幅全息图或者纯相位全息图。纯相位全息图具有衍射效率高的特点，在本次分享的全息技术方案中均采用了纯相位全息图。为了减少散斑噪声和串扰的影响，提高全息 3D 重建像的质量,在计算生成全息图时采用了误差扩散的优化算法和具有复合损失函数的随机梯度下降算法，在光路中采用了低通滤波的方式。在利用衍射光学元件进行视角扩展时，通常需要考虑它的波长敏感特点。传统的液晶光栅对于 RGB 三色光有不同的衍射角，存在严重的色差问题。所设计的消色差液晶光栅在不同的电压下具有不同的光栅常数，能够将 RGB 三色光衍射到相同的角度，从而实现色差消除。所提出的高亮度全息图生成算法通过频域约束，将能量约束在目标重建区域内，抑制了非目标区域的噪声的能量，提高了目标重建区域的能量利用率，将重建像亮度提高了5倍。

Q：PPT 最后展示的电润湿液体透镜的电路放在哪里?和传统油浸物镜相比，可以理解为电润湿液体透镜扩大了相位补偿范围吗?将复振幅信息编码为纯相位全息图可以最小化噪声和串扰吗?您的光路中噪声和串扰采用了哪些方法避免?基于 slm的全息裸眼 3D 的视场和视角的乘积和分辨率直接相关，扩大视角的同时有没有降低视场?

A：液体透镜控制电路是外接的,我们有研制驱动电路,目前尺寸可以做到大概 17×15mm。电润湿液体透镜元件可以和普通物镜直接集成，赋予物镜焦面快速调控的能力。全息 3D 显示的视角通常受限于 SLM 本身的参数如像素尺寸等，我们采用衍射元件在不影响分辨率的情况下对再现像进行二次调制来扩大视角。

北京航空航天大学仪器科学与光电工程王琼华教授团队的郑义微博士，主要研究方向为全息3D显示，本次直播介绍了3D显示技术的在生活中的应用场景，利用传统3D显示技术的局限性引出全息3D显示技术，详细介绍了全息3D显示技术、计算全息3D显示技术的基本原理，通过对比多种全息3D显示技术的发展优势和不足引发思考，论述了本次直播分享的核心内容：基于液晶锥透镜的全息3D显示技术和基于消色差液晶光栅的全息3D显示技术，着重介绍了液晶锥透镜的偏振特性、对不同偏振态入射光的调制特性和基于该特性研制的大视角全息3D显示系统，并基于该系统进行了二维视角扩展；基于消色差液晶光栅的全息3D显示技术工作中详细介绍了光栅的设计原理、光栅结构和效率优势，着重强调高亮度全息图生成算法的理论设计和实验验证。此外，郑义微博士还介绍了课题组的其他相关工作成果，如集成光场3D显示器、电润湿液体透镜和连续光学变焦显微镜等，从原理设计层面到实际应用效果都进行了充分展示，探讨了全息光场调控和全息3D显示技术在生物探测、工业印刷等行业的应用潜力。

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