近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院杨佳苗团队和加州理工学院Lihong V. Wang院士合作，在超高清全息三维显示方向取得重要进展，相关成果以“An ultrahigh fidelity 3D holographic display using scattering to homogenize the angular spectrum”（一种具有全频信息记录能力的超高清全息三维显示方法）为题发表在《Science Advances》上。

研究背景

全息三维显示通过完整记录光束的波前信息，从而准确保存和重建物体的形貌信息，使人们通过肉眼即可看到逼真的三维图像，已被广泛用于智能制造、远程教育、医学工程、虚拟显示等领域中。然而，目前全息三维显示技术的清晰度较低，限制了其应用的推广。这主要是由两个因素造成的：第一，目前的全息三维显示使用离散数字全息显示设备（如液晶空间光调制器、数字微镜阵列等）来重建三维图像信息。这些数字设备存在调控模式数量有限、像素尺寸大、相位调制离散等缺陷，难以实现高清晰度的3DHD显示；第二，高分辨率成像和显示所必需的高频空间分量在空间传播时远离光轴，导致大量高频信息落在有效记录孔径之外，这些高频分量的丢失进一步使图像模糊显示。

创新成果

针对以上问题，上海交通大学杨佳苗团队和加州理工学院Lihong V. Wang团队合作提出了具有全频信息记录能力的超高清全息三维显示方法。相较于以往研究，该方法逆向利用散射介质扰乱入射光子的传播轨迹的机制，来重新分配并充分混合光场高频和低频分量，将包含全部频率成分的光场信息全部通过光致聚合物记录下来。该聚合物具有十亿量级调制模式数、半波长尺度像素尺度以及连续相位调控能力，能够在全息显示时精确地恢复在以往全息技术中丢失的高频信息，这些信息将能够沿原路径逆向通过散射介质，从而实现超高清全息图像重建，巧妙地解决了现有全息显示技术高频分量丢失和全息图记录精度低所导致的图像清晰度不足的问题。

具有全频信息记录能力的超高清全息三维显示原理图

通过准确记录传统全息技术所丢失的高频分量，此研究使全息显示的对比度和分辨率大幅提升，单光斑全息的峰背比达到6×106（提高约300倍），将半高宽达0.5µm（提升4.4倍），从而能够实现超高清全息显示。与数字全息显示技术相比，此方法具有十亿级调控模式数和更小的像素尺寸（比液晶空间光调制器小30倍）调控模式数，在10至40mm轴向距离范围内均能够准确重建混合高低频成分的全息图像信息，分辨率板全息显示的峰背比可达59（提高12倍）。

超高清单光斑全息显示与超高清图像全息三维显示效果

同时，得益于光致聚合物的空间复用能力，此研究利用基于数字微镜阵列的三维焦点扫描模块实现了多个全息图的叠加记录，并透过散射介质全部还原，呈现出由22个亮度均匀的聚焦光斑组成的复杂图像。另外，利用散射介质的传输通道选择能力，此研究实现了20 个亮度均匀的光斑组成的三维螺旋动态全息显示，全息显示空间为1mm×1mm×26mm。

全息图叠加记录及动态全息三维显示效果研究团队

上海交通大学电子信息与电气工程学院杨佳苗副教授、加州理工学院医学工程系Lei S. Li博士后和上海交通大学海洋装备研究院何巧芝助理研究员为共同第一作者，加州理工学院医学工程系Lihong V. Wang院士担任通讯作者，上海交通大学为第一单位，加州理工学院为第二单位，该工作得到了国家自然科学基金委面上项目等项目的资助。

电院杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发。杨佳苗以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances（2篇）、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文30余篇，研究成果被中央电视台“新闻联播”“美国物理联合会科学之光栏目”“世界科技研究新闻资讯网”“科技探索网”等报道。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adi9987