在眾多顯示應(yīng)用中沮协，全息是一種具有變革潛力的技術(shù)。如直視(direct-view)顯示卓嫂，全息可以實現(xiàn)裸眼三維顯示慷暂。對于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實中使用的近眼顯示器，全息顯示在感知真實感和視覺舒適度上也有更好的解決方案晨雳。對于汽車應(yīng)用中的HUD(heads-up displays)行瑞，全息顯示器不僅具有自然對焦提示(focus cues)，還具有前所未有的圖像亮度和動態(tài)范圍悍募。盡管計算機生成全息(conputer-generated holography, CGH)在光學系統(tǒng)和算法上已經(jīng)有了許多進展蘑辑，但是全息顯示使用相干光源產(chǎn)生的散斑使得全息還不能成為一個替代傳統(tǒng)顯示技術(shù)的成熟方案。散斑是由相干光的相長干涉和相消干涉產(chǎn)生的坠宴，其不僅降低圖像質(zhì)量，對zui終用戶也是一個潛在的安全隱患绷旗。
用于AR/VR的無散斑全息顯示
技術(shù)背景：
在眾多顯示應(yīng)用中，全息是一種具有變革潛力的技術(shù)庄岖。如直視(direct-view)顯示豁翎，全息可以實現(xiàn)裸眼三維顯示。對于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實中使用的近眼顯示器隅忿，全息顯示在感知真實感和視覺舒適度上也有更好的解決方案心剥。對于汽車應(yīng)用中的HUD(heads-up dISPlays)，全息顯示器不僅具有自然對焦提示(focus cues)背桐，還具有前所未有的圖像亮度和動態(tài)范圍优烧。盡管計算機生成全息(conputer-generated holography, CGH)在光學系統(tǒng)和算法上已經(jīng)有了許多進展，但是全息顯示使用相干光源產(chǎn)生的散斑使得全息還不能成為一個替代傳統(tǒng)顯示技術(shù)的成熟方案链峭。散斑是由相干光的相長干涉和相消干涉產(chǎn)生的畦娄，其不僅降低圖像質(zhì)量，對zui終用戶也是一個潛在的安全隱患弊仪。
散斑的緩解通常使用時間或空間的多路復用(multiplexing)來疊加獨立的散斑模式熙卡。這些多路復用方法包括使用機械振動、快速掃描微鏡励饵、可變形鏡以及對具有不同相位延遲的不同散斑圖案進行光學平均等驳癌。然而，幾乎所有的多路復用方法要么需要機械移動部件役听，要么需要復雜的光學系統(tǒng)喂柒，或兩者都需要。使用部分相干光源(如LED)是一種更好的方法禾嫉，因為它不需要對硬件系統(tǒng)做修改灾杰。LED的空間和時間不相干性直接減少了觀察到的散斑，這是由于在多個不同的波傳播方向(空間不相干)或光譜(時間不相干)上的多路復用的結(jié)果熙参。然而请毛，這引入了不想要的模糊和對比度犧牲澜术，導致觀察到圖像質(zhì)量下降。zui近的一些CGH算法研究已經(jīng)嘗試通過優(yōu)化策略來預補償這種模糊(這是一個不適定的逆問題，取得了一定的成功)檬果。
當前不足：
基于相干光源的全息顯示的圖像質(zhì)量和人眼安全受到相干光源引入的散斑的影響。而LED方案雖然可以緩解散斑软吐，但是相比相干光源解決方案现喳，基于LED的全息顯示的圖像質(zhì)量非常低，CGH算法缺少合適的數(shù)學模型來描述從部分相干光源到空間光調(diào)制器(SLM)锐涯，再到目標圖像的波傳播物理過程磕诊。
文章創(chuàng)新點：
基于此，斯坦福大學的Yifan Peng(一作)和Gordon Wetzstein(通訊)提出了一種部分相干波傳播模型，并結(jié)合相機在環(huán)校正技術(shù)霎终，實現(xiàn)了圖像質(zhì)量前所未有的無散斑全息顯示滞磺。并進一步證明，空間相干但時間不相干的超輻射發(fā)光二極管(superluminescent LED, SLED)可以進一步提高圖像清晰度莱褒。
原理解析：
(1)部分相干光源全息相機在環(huán)校正击困。如圖1，SLM調(diào)制入射光在目標平面形成全息圖像被相機采集到后广凸，與ground truth做比較阅茶，得到損失函數(shù)，使用隨機梯度下降法來更新SLM上不同像素的相位調(diào)制度谅海。相干光的傳播是基于角譜方法脸哀，而部分相干光考慮到其光譜和有限發(fā)射面積，在對光的傳播建模時胁赢，首先考慮一個在一定出射角度范圍(對應(yīng)有限發(fā)射面積企蹭，通過透鏡將焦平面上不同入射點轉(zhuǎn)換成不同的角度出射)和一定光譜范圍內(nèi)的相干光疊加傳播模型，然后在實際操作過程采用離散化實現(xiàn)這個連續(xù)模型智末。
(2)實驗裝置谅摄。作者將激光、LED系馆、SLED分別作為光源的全息整合進一個整體光路送漠，用于實驗對比，整體光路布置示意見圖2A由蘑∶龉眩空間光調(diào)制器(SLM)為相位型(HOLOEYE LETO, 6.4um)。準直透鏡L3是消色差雙膠合透鏡尼酿，焦距200mm.目鏡L6是Nikon AF-S 50-mm f/1.4D鏡頭爷狈。L4和L5是同樣的Nikon鏡頭，構(gòu)成4f系統(tǒng)裳擎。L4涎永、L5和4mm光闌(iris)一起濾掉高階衍射光。所用LED為880mW白光LED,匹配全帶寬為10nm的鹿响，中心波長分別為633羡微、532、460nm的濾光片惶我。LED耦合進纖芯直徑200um的多模光纖輸出妈倔。SLED模組(EXALOS RGB-SLED engines)單模光纖輸出，z大輸出功率5mW,中心波長分別為635绸贡、510盯蝴、450nm毅哗。
實驗結(jié)果：
參考文獻：Yifan PengSuyeon ChoiJonghyun KimGordon Wetzstein,"Speckle-free holography with partially coherent light sources and camera-in-theloop calibration",Sci. Adv., 7 (46), eabg5040.
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg5040
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