全息術(shù)的先驅(qū)，Gabor耙厚、Leith强挫、Upatnieks和Denisyuk很早就預(yù)測(cè)了三維顯示的終ji技術(shù)是全息。這個(gè)信念的基礎(chǔ)是：全息是可以渲染(render)所有能被人類視覺系統(tǒng)解釋的光學(xué)線索(cue)的僅有途徑颜曾。全息三維顯示已經(jīng)被人們追逐許多年了纠拔，其依然面臨所有方面的挑戰(zhàn)：計(jì)算、傳輸和渲染泛豪。用數(shù)字來(lái)描述稠诲，如6.6x10^15浮點(diǎn)運(yùn)算計(jì)算要求侦鹏，3x10^15b/s數(shù)據(jù)率，1.6x10^12phase pixels臀叙，任務(wù)相當(dāng)艱巨略水。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)推算，如果以以往的速度發(fā)展劝萤，需要到2100年方可實(shí)現(xiàn)真正的全息顯示渊涝。
全息以及三維顯示的未來(lái)
寫作背景：
全息術(shù)的先驅(qū)，Gabor床嫌、Leith跨释、Upatnieks和Denisyuk很早就預(yù)測(cè)了三維顯示的終ji技術(shù)是全息。這個(gè)信念的基礎(chǔ)是：全息是可以渲染(render)所有能被人類視覺系統(tǒng)解釋的光學(xué)線索(cue)的僅有途徑厌处。全息三維顯示已經(jīng)被人們追逐許多年了鳖谈，其依然面臨所有方面的挑戰(zhàn)：計(jì)算、傳輸和渲染阔涉。用數(shù)字來(lái)描述缆娃，如6.6x10^15浮點(diǎn)運(yùn)算計(jì)算要求，3x10^15b/s數(shù)據(jù)率瑰排，1.6x10^12phase pixels贯要，任務(wù)相當(dāng)艱巨。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)推算椭住，如果以以往的速度發(fā)展崇渗，需要到2100年方可實(shí)現(xiàn)真正的全息顯示。
圖1函荣、全息階梯：各種電信設(shè)備推出年份和近似比特率幅度圖
美國(guó)亞利桑那大學(xué)的Pierre-Alexandre Blanche撰寫綜述文章"Holography, and the future of 3D dISPlay"显押，回顧了全息三維顯示領(lǐng)域的新成果。
三維人類視覺和三維顯示：
圖2凌受、一些影響深度感知的 二維視覺線索的示例
對(duì)于三維顯示系統(tǒng)店雅，必須首先包含上述幾種二維線索，然后再加上額外的三維線索贞铣，這些是：立體視差(stereo disparity)闹啦、運(yùn)動(dòng)視差(motion parallax)、調(diào)節(jié)(accommodation)辕坝。
1)立體視差(Stereo Disparity)
立體視差是左右眼觀察到場(chǎng)景的視差變化窍奋，它是z容易實(shí)現(xiàn)的三維線索。通常通過讓人們佩戴眼鏡酱畅，左右眼接收到的圖像分別被彩色或正交偏振或交替快門編碼琳袄，使得左右眼觀察到不同的視角(view)，從而產(chǎn)生立體效果纺酸。商業(yè)上已經(jīng)在影院等特殊場(chǎng)所得到應(yīng)用挚歧，但是在日常生活中并沒有被人們廣泛接受。
2）裸眼3D(Autostereoscopy)
裸眼3D不需要借助特殊的眼鏡就可以實(shí)現(xiàn)立體視覺吁峻。憑借視差障壁(parallax barriers)或微透鏡陣列滑负，讓左右眼接收不同的視角，從而產(chǎn)生立體視覺效果用含。但是這種技術(shù)需要觀察者站在一個(gè)特定的位置矮慕，這限制了它的使用。當(dāng)然啄骇，通過自動(dòng)人眼追蹤技術(shù)可以緩解對(duì)觀察者位置的限制要求痴鳄，但是這種技術(shù)還沒有普及開來(lái)。
3）運(yùn)動(dòng)視差(Motion Parallax)
運(yùn)動(dòng)視差需要投影許多個(gè)視圖缸夹，這樣痪寻，即使觀察者在顯示器前移動(dòng)也能夠看到正確的視差(parallax)。不同視角的被投影密度需要確保能夠產(chǎn)生正確的立體信息虽惭，因此橡类，每個(gè)瞳孔間距至少需要兩個(gè)視角。然而芽唇，為了實(shí)現(xiàn)從一個(gè)視角到另一個(gè)視角的平滑過渡顾画，需要更大的視角密度。z佳視角密度取決于顯示器的確切配置和預(yù)期的觀察者距離匆笤，但數(shù)量大約為每度一個(gè)視角的量級(jí)研侣。
在大多數(shù)文獻(xiàn)中，再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)視差的顯示器被稱為多視角(multiview或multi-view)顯示器炮捧，而光場(chǎng)(light-field)顯示器基于射線光學(xué)(ray-optics)和積分成像(integral imaging)的概念來(lái)重建三維圖像庶诡。在多視角顯示器中，顯示器被設(shè)計(jì)成當(dāng)觀察者的位置改變時(shí)可以平滑地再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)視差咆课。這被認(rèn)為是一種多視角類型裸眼3D顯示器末誓。但是扯俱，當(dāng)顯示器還能夠重建虛像或實(shí)像時(shí)，通常稱其為光場(chǎng)顯示器基显。
一個(gè)多視角或光場(chǎng)顯示器蘸吓，以2160p(4K)橫向分辨率顯示再現(xiàn)具有±45°視場(chǎng)角的運(yùn)動(dòng)視差時(shí)，比特率量級(jí)為12.7x90^2=10^5Gb/s撩幽，平方是同時(shí)考慮了垂直和水平視差库继。由于人類視覺系統(tǒng)主要涉及水平瞳孔間距，并且橫向運(yùn)動(dòng)比垂直運(yùn)動(dòng)更受青睞窜醉，因此水平視差比垂直視差更重要宪萄。為了得到12.7x90=10^3Gb/s這樣更低的數(shù)據(jù)速率，垂直視差通常在多視角顯示器中被丟棄榨惰。
當(dāng)觀察者在多視角顯示器前保持不動(dòng)時(shí)拜英，觀察到的視差提供類似于裸眼3D顯示器的體驗(yàn)。然而琅催，由于視角的數(shù)量要多得多居凶，光場(chǎng)顯示器不像裸眼3D那樣受有限視域的限制，因此藤抡，用戶體驗(yàn)要好得多侠碧。
考慮到多視角和光場(chǎng)顯示器在某種程度上可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率和相對(duì)于裸眼3D的優(yōu)勢(shì)，它們目前是被深入研究的技術(shù)缠黍，并且無(wú)疑將是市場(chǎng)上的下一代三維顯示平臺(tái)(現(xiàn)在已有一些專門的應(yīng)用程序出現(xiàn))弄兜。
4）視覺輻輳沖突(vergence-accommodation conflict)
視覺輻輳沖突是我們迄今為止介紹的所有顯示系統(tǒng)的致命弱點(diǎn)(光場(chǎng)顯示有些例外),當(dāng)不匹配的視覺三維線索呈現(xiàn)給觀察者的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)。發(fā)生視覺輻輳沖突是因?yàn)檫@些顯示器投影的圖像位于固定距離處瓷式，因此產(chǎn)生了無(wú)法調(diào)整的恒定accommodation cue, 聚散是由視差提供的替饿，可能會(huì)在一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)發(fā)生變化。accommodation cue和vergence cue之間的差異贸典，會(huì)引起感知上的沖突视卢，這種沖突導(dǎo)致視覺上的不適。
當(dāng)光場(chǎng)密度足夠大的時(shí)候瓤漏，光場(chǎng)顯示器可以再現(xiàn)一定程度的accommodation腾夯。這種情況通常被稱為超多視角。accommodation發(fā)生在光場(chǎng)顯示中蔬充，因?yàn)閳D像平面可以移入和移出顯示器平面，這是通過將來(lái)自顯示器平面不同部分的光線導(dǎo)向一個(gè)體素來(lái)實(shí)現(xiàn)的(如圖3a)班利。然而饥漫，有人認(rèn)為，如果在光場(chǎng)現(xiàn)實(shí)中視角密度不斷增大罗标，則可以隨意延長(zhǎng)accommodation距離庸队。這種信念源自光場(chǎng)顯示通過使用線段(line segments)近似一個(gè)波前曲率的推斷积蜻。如果這些線段足夠小，它們可能與真實(shí)的波前曲率無(wú)法區(qū)分彻消。不幸的是竿拆，因?yàn)檠刂袼剡吘壈l(fā)生衍射，限制了體素分辨率宾尚，使得這種光線追跡簡(jiǎn)化不會(huì)發(fā)生丙笋。即使像素密度為每度100s，當(dāng)物體投影離光場(chǎng)顯示顯示器平面太遠(yuǎn)時(shí)煌贴，由于像素之間的衍射御板，它也會(huì)變得模糊。這種衍射效應(yīng)無(wú)法避免牛郑，并且本質(zhì)上會(huì)降低光場(chǎng)顯示器的深度分辨率和accommodation怠肋。
圖3、體素從發(fā)射平面投影的圖示 a 光場(chǎng)顯示淹朋，b 全息顯示
為了消除較小像素尺寸所經(jīng)歷的衍射現(xiàn)像笙各，像素之間需要很強(qiáng)的相干性，從而使光場(chǎng)顯示與全息無(wú)法區(qū)分础芍。
再現(xiàn)accommodation的難度引起了視覺不適杈抢，因此不得不限制顯示的景深。為了再現(xiàn)顯示器平面之外的體素者甲，光線需要被光學(xué)系統(tǒng)聚焦在那個(gè)點(diǎn)上春感。如果不能隨意重新聚焦子像素，光場(chǎng)顯示器只能從發(fā)射平面產(chǎn)生平面波前虏缸。如圖3a所示鲫懒，當(dāng)光場(chǎng)顯示器視圖再現(xiàn)離發(fā)射平面太遠(yuǎn)的體素時(shí)，體素總是變得模糊刽辙。
為了解決這個(gè)問題窥岩，研究人員開發(fā)了多平面光場(chǎng)顯示器。因?yàn)榘l(fā)射平面可以通過光學(xué)元件重新聚焦并沿觀察深度移動(dòng)宰缤，因此可行颂翼。但是，這需要多路復(fù)用以在時(shí)間上或空間上生成不同的平面慨灭，從而增加了系統(tǒng)需要的帶寬朦乏。還有一個(gè)不可忽視的點(diǎn)是，當(dāng)有很多視區(qū)的時(shí)候氧骤，不同平面之間的遮擋很難控制呻疹。
5)體積顯示(volumetric displays)
體積顯示有位于三維空間中的體素，并且同樣需要面對(duì)遮擋問題筹陵。遮擋只能在一個(gè)視點(diǎn)正確再現(xiàn)刽锤。使用眼球追蹤機(jī)制镊尺，通過重新計(jì)算遮擋并且呈現(xiàn)正確的圖像給觀察者，這可以應(yīng)對(duì)一個(gè)觀察者的場(chǎng)景并思，但是不適于多個(gè)觀察者庐氮。
在體積顯示中，遮擋問題產(chǎn)生是由于體素是全方位發(fā)射的宋彼，并且沒有吸收體素弄砍。盡管如此，體積顯示的優(yōu)勢(shì)在于它能夠在不損失分辨率的情況下再現(xiàn)景深宙暇。當(dāng)它不使用屏幕來(lái)顯示圖像時(shí)输枯，觀看會(huì)顯得更自然。在這種情況下占贫，圖像似乎漂浮在空氣中桃熄，這對(duì)觀察者的感知產(chǎn)生了戲劇性的影響。
體積顯示器還具有不能將圖像投影到有限體積之外的缺點(diǎn)型奥。圖像深度受該體積的限制瞳收，并且無(wú)法再現(xiàn)看似超出顯示器的深度景觀或物體。
4K體積顯示器的數(shù)據(jù)速率:
x×y×z×rep.rate×res.×colors=4096×2160×1000×60×8×3=1.3×10^13b/s厢汹。
因?yàn)轶w積顯示器易于拓展螟深，因此可以輕松使用較低分辨率的系統(tǒng)來(lái)展示該技術(shù)的潛力。
全息三維顯示：
靜態(tài)全息圖已經(jīng)被證明可以重建人類視覺系統(tǒng)理解三維所需的所有線索烫葬，并且依靠高質(zhì)量的光敏材料界弧，目前已經(jīng)可以顯示可信的全彩全息重建。但是現(xiàn)在的問題是搭综，怎樣讓動(dòng)態(tài)全息也具有靜態(tài)全息的圖像質(zhì)量垢箕。
要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)全息電視，需要解決三個(gè)基本的問題：從三維信息計(jì)算全息圖兑巾，數(shù)據(jù)的傳輸条获，全息圖到三維圖像顯示的重建。
1）計(jì)算生成全息圖
從三維圖像計(jì)算衍射圖案的理論基礎(chǔ)是基爾霍夫和菲涅爾衍射積分物理模型蒋歌。但是由于計(jì)算所需的浮點(diǎn)數(shù)過大帅掘，到目前為止還無(wú)法做到實(shí)時(shí)生成。以720p(1280x720)全息顯示為例堂油，蠻力計(jì)算需要每像素100x100個(gè)衍射元素以獲得全視差修档，以及每像素需要4000次乘法和累加，刷新率為60Hz府框，全彩三色顯示有1280x720x100x100x4000x3x60=6.6petaflops萍悴。因此必須對(duì)計(jì)算全息的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化。
用弗朗和費(fèi)積分(即傅里葉變換寓免，可用FFT算法完成)取代菲涅爾積分是z簡(jiǎn)化的版本癣诱，但是傅里葉全息圖只有一個(gè)像平面，因此這種簡(jiǎn)化犧牲了圖像深度信息袜香，不適合三維顯示撕予。
還值得注意的一點(diǎn)是，傅里葉變換產(chǎn)生了實(shí)數(shù)和虛數(shù)解蜈首。這兩個(gè)分量對(duì)應(yīng)著全息圖的幅度和相位实抡。大多數(shù)的時(shí)候，顯示衍射圖案的器件只能夠重建兩者之一欢策。這意味著從單個(gè)傅里葉變換的結(jié)果重建圖像的時(shí)候吆寨，會(huì)附帶大量的噪聲。全息圖另外的噪聲來(lái)源還有phase levels的量化誤差踩寇、像素結(jié)構(gòu)中的衍射啄清、隨機(jī)相位引起的散斑等。
提高圖像信噪比的方法有GS這樣的迭代方法俺孙，但是GS法只適用于二維輸入圖像辣卒。通過為不同的離散平面單獨(dú)計(jì)算全息圖可以獲得一些圖像的深度信息，這種解決方案可以同時(shí)render vergence和accommodation睛榄。但是由于不同圖像平面的全息圖是獨(dú)立計(jì)算荣茫，而不是作為一個(gè)三維整體場(chǎng)景，因此無(wú)法避開遮擋的問題场靴。目前啡莉，已經(jīng)開發(fā)了一些新的算法來(lái)解決遮擋問題。
對(duì)于三維顯示旨剥，可以直接基于三維模型來(lái)計(jì)算全息圖咧欣。用于這種場(chǎng)合的算法可以歸為兩類：基于波前的方法(wavefront-based methods)，基于光線的方法(ray-based methods)泞边。
對(duì)于基于光線的方法该押，全息圖從三維場(chǎng)景以非相干的方式采集多個(gè)二維圖像平面計(jì)算得來(lái)，并依賴于光的幾何傳播形式阵谚。其可以分為兩類：全息立體圖(holographic stereogram, HS)和多視點(diǎn)投影(multiple viewpoint projection, MVP)蚕礼。HS和MVP的計(jì)算速度很快，可以呈現(xiàn)逼真的圖像梢什。但是由于沒有考慮物體的整個(gè)波前奠蹬，在呈現(xiàn)某些三維光學(xué)線索的時(shí)候會(huì)存在困難。HS由于不同的視角以非相干的形式結(jié)合嗡午，其景深有限囤躁。MVP法需要采集或渲染大量的圖像，這些圖像設(shè)計(jì)相機(jī)位置的小增量，否則狸演，運(yùn)動(dòng)視差會(huì)發(fā)生跳動(dòng)(jumpy)言蛇，并且無(wú)法很好地表示遮擋。從某種意義上來(lái)講宵距，HS和MVP全息圖是介于光場(chǎng)顯示和全息顯示之間的混合體腊尚。
基于波前傳播的方法計(jì)算光波傳播考慮從點(diǎn)光源開始照射由點(diǎn)云或多邊形表示的物體。計(jì)算生成全息圖通過仿真從物體和參考光發(fā)生干涉計(jì)算得來(lái)满哪。它的優(yōu)勢(shì)在于天然考慮了遮擋和視差線索婿斥，因此渲染準(zhǔn)確。但代價(jià)是計(jì)算量巨大哨鸭。將CGH的一些計(jì)算預(yù)先存儲(chǔ)在查找表中可以降低計(jì)算的要求民宿。通過在專門構(gòu)建的硬件加速器上執(zhí)行計(jì)算也可以加快計(jì)算的時(shí)間。盡管計(jì)算機(jī)全息領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展像鸡，但是從zui近的文獻(xiàn)來(lái)看活鹰，使用基于波前的算法計(jì)算的三維圖像的質(zhì)量仍然很難令人信服(見圖4)。這也證明了要再現(xiàn)完整詳細(xì)的全息圖像是多么的困難坟桅。
圖4华望、文獻(xiàn)中基于波前的計(jì)算機(jī)生成全息圖的光學(xué)重建示例
在許多情況下，使用基于波前的方法計(jì)算的全息圖像缺乏紋理(見圖4(2))仅乓。這是因?yàn)榧y理的渲染需要考慮到材料表面精細(xì)的細(xì)節(jié)赖舟，而計(jì)算機(jī)還無(wú)法達(dá)到這種層次的細(xì)節(jié)。
機(jī)器學(xué)習(xí)夸楣、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于全息圖的計(jì)算宾抓，但目前其大多數(shù)情況下只適用于二維圖像，預(yù)計(jì)很快會(huì)擴(kuò)展到三維圖像豫喧。
2）全息圖的傳輸
為全息顯示采集的圖像可以滿足人眼的z低要求石洗，并且不必像靜態(tài)全息圖那樣使用相干照明和解析納米級(jí)干涉條紋。
為了適應(yīng)人眼accommodation紧显，要再現(xiàn)的三維信息可以僅具有幾厘米的深度分辨率讲衫，而不是全息所能達(dá)到的納米級(jí)分辨率。這樣的圖像甚至可以像現(xiàn)代視頻游戲那樣孵班，壓縮成覆蓋有紋理圖案的三維網(wǎng)格模型涉兽。視頻游戲?qū)⑦@些信息與虛擬攝像機(jī)的位置一起處理以顯示二維圖像。同樣篙程，如果顯示需要枷畏，游戲引擎可以顯示三維圖像(如可以使用立體VR headset調(diào)整和播放視頻游戲)。
實(shí)際上虱饿，要傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量并不大拥诡，并且當(dāng)今的技術(shù)很容易就能應(yīng)對(duì)触趴。然而，對(duì)于三維圖像渴肉，其全息圖的計(jì)算極大地增加了信息量(因?yàn)檠苌鋱D案不能夠縮放到適應(yīng)人眼的橫向分辨率(≈1 arcminute或0.3mrad),而是必須根據(jù)可見光的波長(zhǎng)(≈500nm)來(lái)確定尺寸)冗懦。通過比較圖1中體積顯示(≈10^13b/s)和全息顯示(≈10^15b/s)的數(shù)據(jù)速率可以很好的理解這種放縮的作用。
由于數(shù)據(jù)大小這樣的增加宾娜，可以想到傳輸三維圖像/模型要比全息圖案更高效批狐。在這種情況下，全息圖的計(jì)算應(yīng)該在客戶端(接收器)執(zhí)行前塔。因?yàn)橛?jì)算在本地進(jìn)行以降低長(zhǎng)距離傳輸介質(zhì)的負(fù)擔(dān)，故將這種模型稱為"thick client"承冰，這也意味著本地站點(diǎn)需要強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)支持這種解碼华弓。
圖5是一個(gè)全息圖的傳輸和重建模型，每個(gè)階段所需的不同量級(jí)的計(jì)算和數(shù)據(jù)速率都有展示百宇。
圖5考廉、全息電視傳輸過程示意圖。thick client和lean client架構(gòu)之間的比較
我們已經(jīng)熟悉lean client/fat pipe這樣的架構(gòu)用于手機(jī)和云計(jì)算携御。為了支持全息昌粤，整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)將不得不更新至能支持?jǐn)?shù)據(jù)流10^6的增長(zhǎng)(見圖1，從HDTV到全息)啄刹′套考慮到我們?cè)谶^去20年中已經(jīng)經(jīng)歷了五代手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這種增長(zhǎng)并非沒有道理誓军。
由于目前還沒有三維全息圖像和電影傳輸?shù)男枨蟾ざ铮虼耍瑃hick和lean client模型之間的對(duì)比優(yōu)勢(shì)還不清楚昵时。但值得注意的捷雕，用于全息圖存儲(chǔ)和傳輸?shù)膲嚎s算法不如自然圖像所用的壓縮算法有效(如JPEG和MPEG)。這是基于破壞圖案應(yīng)有的光的干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致衍射圖案分辨率的下降债查，從而破壞全息圖像非区。因此，衍射圖案需要使用接近無(wú)損的算法進(jìn)行壓縮盹廷。
關(guān)于全息圖傳輸?shù)牧硪粋€(gè)重點(diǎn)是干涉圖的計(jì)算與顯示架構(gòu)關(guān)聯(lián)征绸。為了正確再現(xiàn)全息圖，干涉圖的計(jì)算必須考慮顯示是全視差還是僅在水平視差下運(yùn)作、確切的照明波長(zhǎng)管怠，以及像素密度如何等(以及其它參數(shù))淆衷。同樣地，傳統(tǒng)顯示渤弛，如二維電視祝拯，立體影像(stereoscope)、裸眼3D和體積顯示等也必須考慮在內(nèi)她肯。
成像設(shè)備中有一個(gè)時(shí)空積(spatio-temporal product, STP)的概念佳头，它是像素?cái)?shù)和刷新率的乘積。刷新率的引入之所以重要晴氨，是因?yàn)闀r(shí)域復(fù)用機(jī)制可以用來(lái)提高顯示分辨率(全息或非全息)康嘉。由圖1所示，全息顯示的比特率在3x10^15b/s級(jí)籽前，其顯示設(shè)備的STP也應(yīng)該具有相同的數(shù)量級(jí)亭珍。
通過多個(gè)空間光調(diào)制器(SLM)的拼接實(shí)現(xiàn)大型全息顯示在技術(shù)上是可行的。假設(shè)使用適用于二維成像的4K SLM枝哄，其比特率為12.7Gb/s肄梨，需要230000個(gè)SLM才能達(dá)到3x10^15b/s，并且需要15000臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)操作這些屏幕挠锥。這些數(shù)字說明了當(dāng)前想要實(shí)現(xiàn)全息顯示是多么困難众羡，但已經(jīng)有研究表明這種方法可行(是小規(guī)模驗(yàn)證)。
只再現(xiàn)水平視差并且垂直掃描圖像可以減少STP瘪贱。與全視差相比纱控，水平視差將STP降低了10^3倍，除此之外菜秦，水平視差不需要保持構(gòu)成三維圖像的不同水平線之間的coherence甜害。因?yàn)槿搜垡暡?eye disparity)主要是水平的，水平視差全息圖在垂直視差上的損失并不會(huì)嚴(yán)重影響三維感知球昨。但是尔店，這可能會(huì)引入一些其它的偽影，如像散或者需要觀察者站在特定距離觀看主慰。盡管存在這些問題嚣州，許多研究人員還是利用水平視差提供的STP減少來(lái)演示全息投影。
降低全息系統(tǒng)STP的另一種可能方法是限制全息圖投影的eye box共螺。使用這種技術(shù)该肴，光線通過眼球追蹤系統(tǒng)或頭戴式顯示器直接射向觀察者。知道觀察者的位置可以極大地減少全息圖的計(jì)算量藐不，因?yàn)檫@只需要考慮有限數(shù)量的視點(diǎn)匀哄。同樣的秦效，如果觀察者站在預(yù)定區(qū)域內(nèi)，全息圖的角度范圍(其衍射角)可以變窄涎嚼，衍射像素?cái)?shù)可以減少阱州。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不犧牲圖像質(zhì)量或三維線索。
4）空間光調(diào)制器和相位陣列器件
硅基液晶(LCoS)SLM可以用于顯示衍射圖案法梯。它的優(yōu)點(diǎn)在于像元尺寸可小至數(shù)微米苔货，衍射角可達(dá)10°；大像素?cái)?shù)立哑，可以生成高分辨率全息圖夜惭；可以調(diào)制相位，相位分辨率有8bit刁憋，具有高的衍射效率滥嘴。缺點(diǎn)在于液晶的粘彈性將LCoS的刷新速度限制在幾毫秒，這個(gè)速度用于成像足夠了至耻，但zui終限制了LCoS SLM在全息應(yīng)用方面的STP。
MEMS由微反射鏡組成镊叁，可以通過傾斜或移動(dòng)微反射鏡來(lái)與光交互尘颓。其刷新率遠(yuǎn)高于LCoS，并且像素?cái)?shù)和像元尺寸與LCoS相似晦譬，因此可提高STP疤苹，減小創(chuàng)建全息顯示所需要的單元數(shù)量。
早期的MEMS有索尼開發(fā)的micro-ribbons敛腌，用于構(gòu)建衍射光調(diào)制器卧土。該技術(shù)開關(guān)速度達(dá)20ns，然而micro-ribbons是一維的像樊，需要掃描來(lái)形成二維圖像尤莺。大約在同一時(shí)間，德州儀器試驗(yàn)了一種相位調(diào)制器生棍，可以通過上下移動(dòng)像素來(lái)調(diào)制相位颤霎。不幸的是，這種MEMS調(diào)制器并未商業(yè)化涂滴。德州儀器押寶的非常受歡迎的MEMS之一是數(shù)字光處理器(DLP)友酱。
DLP基于DMD開發(fā)而來(lái)，本來(lái)是用于成像目的柔纵，如投影儀和電視等缔杉。但是，當(dāng)用于全息的時(shí)候搁料，DLP zui多只能以10%的效率顯示幅度全息圖或详。盡管如此系羞，DLP 的STP可達(dá)47.7G像素/s(1920x1080分辨率，刷新率23kHz)鸭叙，有的芯片的像素?cái)?shù)可以支持4K(3840x2160)觉啊，但是刷新率只有60Hz，STP降至0.5G像素/s沈贝。
zui近杠人，德州儀器又恢復(fù)了其早期在相位調(diào)制器方面的嘗試，正在開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的活塞式MEMS宋下。這種相位光調(diào)制器(PLM)在全息三維顯示系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)該非常有用嗡善。如果PLM能夠像某些DLP那樣以20kHz的頻率運(yùn)行，那么與典型的LCoS SLM相比学歧，它的STP能提高100倍罩引。
另外一種可以使用低效率器件增加全息圖強(qiáng)度的方法是使用可刷新的全息材料≈Ρ浚可刷新材料袁铐，如光折變聚合物(phtorefractive polymers)，可以記錄由SLM生成的波前横浑，并憑借其高衍射效率方法全息圖的強(qiáng)度剔桨。目前在視頻速率全息投影以及大型全息顯示上已經(jīng)用這種類型材料做過一些成功案例。需要注意的一點(diǎn)是徙融，這些材料依賴像SLM洒缀、DLP等電子可尋址設(shè)備(electronically addressable device)來(lái)顯示初始的全息圖案。
考慮到STP是解鎖實(shí)用全息三維顯示的關(guān)鍵所在欺冀，聲光材料(acoustic-optic material, AOM)是一種不錯(cuò)的選擇树绩。對(duì)于AOM，聲波的傳播會(huì)產(chǎn)生密度調(diào)制使光衍射隐轩。如果聲波被正確編程饺饭，衍射光可以形成全息圖像。在其波導(dǎo)形式中龙助，聲光調(diào)制器允許光和生成聲波有更長(zhǎng)的相互作用長(zhǎng)度砰奕，從而進(jìn)一步提高STP。單個(gè)leaky聲光波導(dǎo)可以具有每種顏色50MHz的可用帶寬提鸟，對(duì)應(yīng)于30Hz時(shí)1.67M像素军援。通過在單個(gè)晶體上制造多個(gè)波導(dǎo)通道，可以輕易達(dá)到50G像素/s的STP称勋。AOM zui初只演示了水平視差胸哥，但是使用單個(gè)激光源饋送不同的波導(dǎo)并控制相位以實(shí)現(xiàn)水平和垂直相干光束轉(zhuǎn)向在理論上是可行的。
另一種高STP器件是相控陣光子集成電路(phased array photonic integrated circuit, PIC)赡鲜。在這種方法中空厌，納米光子相控陣是通過在光子晶片上記錄分支波導(dǎo)來(lái)構(gòu)建的(見圖6)庐船。這些波導(dǎo)將從單個(gè)源投射的光分布在二維網(wǎng)格上。每個(gè)波導(dǎo)末端的相位可以通過電光或熱光相位調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)嘲更。通過終止每個(gè)波導(dǎo)的光柵輸出耦合器從晶片正交抽取光筐钟。類似于相控陣?yán)走_(dá)，光柵輸出耦合器也被稱為光學(xué)天線赋朦。
圖6篓冲、光子集成電路光學(xué)相控陣示意圖。單個(gè)相干激光源被引導(dǎo)到波導(dǎo)內(nèi)宠哄，光被多個(gè)光柵耦合器(充當(dāng)光天線)提取壹将。可以使用相位調(diào)制器調(diào)整每個(gè)天線的相位以創(chuàng)建全息圖
PIC相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于相位調(diào)制的頻率非常高毛嫉。電光調(diào)制器可達(dá)一百GHz诽俯。這本質(zhì)上將數(shù)據(jù)速率提升到10^10b/s級(jí)。使用具有300x300天線的陣列承粤，可以達(dá)到全息顯示所需的10^15b/s暴区。光子相控陣目前的難點(diǎn)在于晶片(wafer)材料、天線之間的間隙辛臊、天線之間的相位精度颜启。
PIC的第1選擇材料是硅，它不透射可見光浪讳。其它在可見光波段有更佳透射性能的材料應(yīng)該用于顯示目的。已有一些文獻(xiàn)探索了用于光學(xué)相控陣的氮化硅或二氧化硅平臺(tái)涌萤，但還處于實(shí)驗(yàn)階段淹遵。
相控陣的填充因子只有25%，而MEMS和LCoS的高于90%负溪。由于存在旁瓣發(fā)射透揣，因此填充因子會(huì)影響衍射效率(如果天線相隔太遠(yuǎn)，則這種效應(yīng)無(wú)法消除)川抡。天線的分離是由于波導(dǎo)的轉(zhuǎn)彎半徑有限以及波導(dǎo)元件之間需要分離以避免交叉耦合辐真。轉(zhuǎn)彎半徑和波導(dǎo)間距這兩個(gè)因素都由波導(dǎo)內(nèi)部和外部之間的折射率差決定。更大的折射率差將允許更大的填充因子崖堤。
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