上交大Sci. Adv.：透过散射介质的超高清全息三维显示
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拥有悠久历史的全息投影技术近几十年来迅速发展。该技术通过记录相干光波的干涉图案，使其能够在未来的时间里在其所照射的空间中重现。研究团队致力于突破现有的全息记录技术，特别是频域记录能力，并逆向利用光散射带来的光场无序扰动，成功实现了具备全空间频段记录能力的超高清全息三维显示技术。
近日，上海交通大学的杨佳苗团队与加州理工学院的汪立宏（Lihong V. Wang）院士团队合作，通过光场的强散射作用，成功实现了具备全频信息记录能力的超高清全息三维显示技术。这一合作成果的突破已经发表在Science Advances上，题为“An ultrahigh fidelity 3D holographic display using scattering to homogenize the angular spectrum”，并引起了科学界广泛的关注。
全息三维显示（3DHD）技术通过完整记录光束的波前信息，以准确保存和重建物体的形貌信息，使人们能够肉眼观察逼真的三维图像，已经在智能制造、远程教育、医学工程、虚拟显示等领域广泛应用。然而，目前全息三维显示技术存在清晰度不足的问题，这限制了其应用的广泛推广。这个问题主要由以下两个因素引起：首先，目前的全息三维显示采用了离散数字全息显示设备，如液晶空间光调制器和数字微镜阵列，来重建三维图像信息。这些数字设备存在一些问题，包括调控模式数量有限、像素尺寸较大、相位调制不连续等缺陷，难以实现高清晰度的3DHD显示。其次，为了实现高分辨率的成像和显示，需要使用高频空间分量，但这些高频信息在空间传播时往往远离光轴，导致大量高频信息无法被有效地记录在光学系统的记录孔径内。这些丢失的高频分量进一步导致图像模糊的显示。
针对上述问题，研究团队提出了一种具备全频信息记录能力的超高清全息三维显示方法。与以往的研究不同，该方法利用散射介质扰乱入射光子的传播轨迹的机制，以重新分配和混合光场的高频和低频分量，将包含所有频率成分的光场信息完整地记录在光致聚合物中。这种聚合物具有十亿数量级的调制模式、半波长级别的像素尺寸以及连续相位调控能力，能够在全息显示中准确地还原以前在全息技术中丢失的高频信息。这些信息可以逆向传播通过散射介质，从而实现超高清全息图像的重建，巧妙地解决了现有全息显示技术中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问题。
超高清单光斑全息显示与超高清图像全息三维显示效果
通过准确记录传统全息技术所丢失的高频分量，这项研究显著提高了全息显示的对比度和分辨率。单光斑全息的峰背比达到了6×106，提高了约300倍，同时半高宽缩小到了0.5 µm，提高了4.4倍，因此实现了超高清全息显示。与数字全息显示技术相比，这种方法具有十亿级的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），在10至40 mm的轴向距离范围内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到59，提高了12倍。
全息图叠加记录及动态全息三维显示效果
同时，由于光致聚合物的空间复用能力，这项研究利用了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。通过散射介质的全面还原，呈现出由22个均匀亮度的聚焦光斑组成的复杂图像。进一步地，借助散射介质的传输通道选择能力，该研究还实现了由20个均匀亮度光斑组成的三维螺旋动态全息显示。
上海交通大学副教授杨佳苗、加州理工学院博士后李磊（Lei S. Li）和上海交通大学助理研究员何巧芝为共同第一作者，加州理工学院汪立宏院士担任通讯作者。上海交通大学为第一单位，加州理工学院为第二单位，该研究工作得到了美国NIH项目、国家自然科学基金委面上项目、上海交通大学2030项目等多个项目的资助。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9987
研究团队简介：
汪立宏教授是美国国家工程院院士，担任加州理工学院医学工程系与电子工程系的Bren讲席教授。他在国际顶级期刊如Science、Nature、Nature Photonics、Nature Methods、Nature Biomedical Engineering等发表多项具有突破性的研究成果，是光声生物医学成像、光场调控及超快成像领域的领军人物。
杨佳苗副教授长期从事光学检测、光学成像、光场调控和计算光学等领域的研究工作，主持了包括中央组织部、国家自然科学基金、上海市科委的多个重要项目，在国际著名期刊如Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等上发表了多项具有突破性的研究成果，成果受到了中央电视台“新闻联播”、美国物理联合会的“科学之光”栏目、世界科技研究新闻资讯网、科技探索网等媒体的报道。
李磊博士目前担任莱斯大学（Rice University）的助理教授，并且荣获TED Fellow和MIT TR35奖项。他在光声成像和光场调控领域的研究成果备受学术界广泛关注。何巧芝博士目前担任上海交通大学海洋装备研究院的助理研究员，专注于光场调控方向的研究工作。她在海底抗散射光学成像研究方面取得了多项成果。
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