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计算全息（CGH）利用计算机生成全息图，可以实现波前调控和全息显示。该技术通过数值计算的方法模拟物光波的传播与干涉，并将光波的振幅与相位编码为计算全息图，最终通过光学衍射的方法重建出携带物体信息的三维光场。在该过程中，空间光调制器（SLM）是用于全息图数字编码与光波调制作用的关键器件，对光波的调制能力影响着全息图的数值特征与重建效果。
理想的复振幅全息图记录了包含物体振幅与相位的复振幅信息，但由于现有空间光调制器大多仅能单一调制光波的振幅或光波的相位，因此全息图需要相应地从复振幅转换为纯振幅或纯相位。随着大尺寸液晶空间光调制器与多种新型显示器件的发展，复振幅全息图编码技术因其高运算效率、高空间带宽积与高重建精度，受到越多越多关注。
近日，清华大学隋晓萌博士生、曹良才副教授等人在《液晶与显示》（ESCI，核心期刊）发表了题为“基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展”的综述文章。
该文章介绍了复振幅计算全息的原理与研究进展，重点论述了基于现有空间光调制器实现的复振幅全息图的编码方法与复振幅全息三维显示系统，分析其像质影响因素与可用显示带宽，并对后续技术进行了展望。
1 计算全息三维显示
由于左右眼能够从不同方位获得三维场景的二维图像，这两幅二维图像存在的微小差别即为视差。大脑通过对视差的分析得到三维场景的空间分布信息，观察者由此获得了立体视觉的能力。三维显示的目标是展现出物体位置关系与不同视角的信息，并让场景具有一定的深度感，属于高带宽的信息呈现技术。目前较为广泛应用的双目视差型三维显示运用了人对视差的感知与分析能力，对左右眼输出不同的视差图像，通过大脑的融合形成具有一定深度感的立体图像。但随着人们对显示需求的提升，双目视差型显示面临着分辨率低、视场角小的困境。此外，由于人眼看屏幕的观测点与大脑融合得到的深度信息不匹配，观测者可能会感到眩晕和不适。
图1 视差型显示屏幕深度与感知深度失配
全息显示技术通过记录和再现真实的物光波，还原出具有深度信息的真三维光场，是一种信息量大、符合人眼观察习惯的三维显示技术。传统的全息技术包括记录和重建两个过程。记录过程是将相干光分束，一束作为物光照射需要记录的物体，一束作为参考光与物光发生干涉。物光波的振幅和相位携带着物体表面特征相关的信息，物光和参考光干涉产生的条纹则将物光波信息记录在感光材料上，形成光学全息图。在重建过程中使用相同的光源照射全息图，可读出记录下的振幅和相位信息，并重建出与原物相同三维图像。
图2 全息图的记录和再现原理图
随着计算机技术与显示器件的发展，传统全息中的记录过程可以在计算机中实现，即计算全息技术。通过数值计算的方法模拟物光波的传播，得到物光波复振幅在全息图平面的数学描述，随后将全息图平面的复振幅分布编码为与空间光调制器匹配的数据格式。全息图被上载到空间光调制器，并通过光的衍射恢复出记录的物体信息。
图3 计算全息流程
由于现有空间光调制器大多仅能实现单一振幅或相位调制，如振幅调制的数字微镜器件（DMD）和相位调制的硅基液晶（LCoS）。这导致复振幅全息图在编码时需要舍弃振幅信息或者相位信息，才能转换为与空间光调制器匹配的数据格式。
近些年，随着大尺寸液晶空间光调制器与多种新型显示器件的发展，复振幅全息图编码技术受到广泛关注。相比相位型全息图与振幅型全息图，复振幅全息图具有一些优势：
（1）高运算效率。复振幅全息图的振幅和相位得以保留，计算过程相对简单。而相位型全息图的生成过程依赖优化算法，计算耗时长。
（2）高空间带宽积。复振幅全息图同时保留了振幅与相位，扩展了显示的瞬时带宽。
（3）高重建精度。复振幅全息图能够有效避免丢失振幅与相位项带来的伪影与颗粒状激光散斑噪声。
2 复振幅全息原理
现有复振幅调制的主流思路是将全息图分解为多个相位或振幅组分，并从不同组分的叠加中恢复出复振幅。双相位分解法就是其中一个代表性方法。在编码时将复振幅分布分解为两幅相位型全息图，在光学重建中使两幅相位型全息图相干叠加，即可恢复出全息图平面的复振幅场。基于双相位分解原理，演化出两种复振幅全息的编码思路。
一种思路为将分解的两个相位分量逐个像素穿插排列，使得相邻像素在衍射传播的过程中发生干涉，恢复出复振幅全息图，这种容纳了两个相位分量的全息也被称为双相位全息图（DPH）。这种方法可以仅通过一个相位型空间光调制器恢复出复振幅全息图，实现真实生动的显示效果。但由于两个相位分量之间存在空间错位，这种错位成为双相位全息图噪声的主要来源。
图4 双相位全息图
另一种思路为将分解的双相位分量排布在不同空间光调制器或同一空间光调制器的不同区域，通过特定的光路设计使双相位分量干涉，即相位干涉全息。相位干涉理论上可重建理想复振幅场，重建精度高，不依赖空间滤波。但它要求干涉分量实现像素级对准，光学重建实验要求苛刻，其进一步发展面临许多挑战。
图5 相位干涉的复振幅全息重建系统
3 其他复振幅调制方案
随着全息显示的快速发展致使其对复振幅编码技术的需求与日俱增，也产生了其他复振幅调制的方案。其中包括基于单个振幅型或相位型空间光调制器的复振幅编码方案，振幅-相位空间光调制器级联方案与相位-相位空间光调制器级联方案等。除此之外，以超颖表面为代表的新型显示材料与显示元件迅速发展，也为计算全息的波前调控与波前编码提供了新角度与新手段
4 总结与展望
本文分析了不同复振幅调控方案的优势与挑战，得出以下结论：
（1）复振幅调制能够同时独立地调控光场的振幅与相位，是人们对光场调控与操纵的主要目标，复振幅调制是全息显示的终极发展方向。
（2）近年来复振幅全息在算法、器件与系统层面均取得了长足的发展，以双相位为主的复振幅运算与编码方法兼备了高运算效率与高重建精度，有望实现高分辨率、大视场的真三维实时全息显示。大尺寸高分辨率空间光调制器和超颖表面等新型光学器件的发展，为下一代复振幅显示技术的诞生创造了条件。
（3）复振幅全息在扩展空间带宽积的同时也增加了计算全息的运算数据量，并要求器件具备独立调控多阶振幅与相位的能力，也对全息光路噪声的可控性有了更高的要求。
（4）未来复振幅全息的调制手段将日趋多样化，针对不同的显示应用场景，可采用不同的显示器件。设计适配的运算算法与显示系统将是复振幅全息显示的发展方向。
论文信息
隋晓萌, 何泽浩, 曹良才, 金国藩. 基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展[J]. 液晶与显示, 2021, 36(6):797-809. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0049.
论文地址
http://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2021-0049
作者简介
隋晓萌，清华大学精密仪器系博士研究生，2018年于清华大学获得学士学位，主要从事计算全息与三维显示方面的研究。
E-mail: suixm18@mails.tsinghua.edu.cn
曹良才，清华大学精密仪器系长聘副教授、博士生导师，国际光学工程学会（SPIE）会士和美国光学学会（OSA）会士。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位，毕业后留校工作至今，主要从事全息光学成像与显示技术方面的研究。2009年加州大学圣塔克鲁兹分校访问学者，2014年麻省理工学院访问学者。担任中国光学学会全息与光信息处理专业委员会常务委员、北京光学学会理事，担任《激光与光电子学进展》副主编和《液晶与显示》等期刊编委会委员。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目和科技部973项目/重点研发计划子课题10余项。在Light: Science & Applications, Physical Review Letters, Nature Communications, Optics Letters等国内外学术期刊发表论文100余篇，申请专利20余项。