多彩色全息技术可以使3D显示设备更加“简洁”

多彩色波导全息技术一直面临着器件结构的复杂性、光在材料中的损耗等诸多的挑战。近期，研究人员已经发展了一种新的多彩色全息技术，这种技术可以增强传统的光学系统、智能手机、头戴设备的3D显示，而且不需要较大体积的光学元件。

Fig.1 全介质的多彩色全息波导系统，图片摘自文献1

最近optica期刊（美国光学学会旗下期刊）刊登了杜克大学（Duke university）的科研成果，文章报道了研究人员利用300*300um的二维全息波导结构（一个很小的可以传光的光栅波导耦合器）来对彩色图像进行编码，基本的系统结构与原理示意如图1。当红、绿、蓝光照射该微结构时，经过计算机处理可以获得一幅多彩色全息图像（Computer-generated hologram, CGH）。全息图像可以直接通过增强现实设备直接投射到人眼的瞳孔而不需要任何复杂的透镜、分束镜或棱镜，该技术还可以拓展到智能手机上。
新的制造方法是利用集成光子技术在材料中进行全息图像的编码。这意味着全息设备可以利用该种方法大规模制造，近而利用在计算机芯片上。这个“编码器件”很容易集成到极小的芯片上去产生3D图像。

该多彩色全息技术是依据计算机生成全息图像，不像传统的全息技术需要客观物体与光束产生干涉图样，该种方法利用计算机技术产生“数字干涉图样”创造全新信息。利用计算机产生全息的方法可以产生高分辨率的3D图像，但是由单色到多色是该方法的难点。杜克大学通过制作一块光栅（利用光刻胶在波导上制作二元浮雕结构）克服了该技术难点，该技术可以将干涉图像的红、绿、蓝颜色分量信息进行单独编码处理。论文的第一作者Zhiqin Huang 表示多彩色显示技术的难点是将不同颜色合成、精确的“分解”不同颜色近而形成全彩色图像。该种技术不需复杂的过程，而且不需分束镜、棱镜等诸多光学元件，使其很容易集成到便携式设备上。该课题的一个主要成果是利用波导结构处理全息信息的设备，该设计为增强现实显示或其它显示方式提供了一种更简单、灵活、体积更小的一种处理方案。

研究人员使用新的全息技术对苹果、花和鸟的全息干涉图像进行编码。最终获得的全息图像同理论预测的结果基本一致，效果如下图所示

Fig.2 实验结果同理论模拟对比，图片摘自文献1

研究人员虽然只是制作了很小的样品进行演示，但是科研人员认为该技术很容易应用到更大尺度的显示，他们认为该种方法可以与已有的显示技术进行合成，如利用到液晶显示技术去实现动态成像。目前，研究人员也正在思考利用微结构减少光的损失是该技术可以获得更好的实现。

Reference

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1. Zhiqin Huang, Daniel L. Marks, David R. Smith. Out-of-plane computer-generated multicolor waveguide holography. Optica, 2019; 6 (2): 119.
2. The Optical Society. "Multicolor holography technology could enable extremely compact 3D displays: Lens-free holography method could bring color 3D displays to augmented reality glasses and smartphones." ScienceDaily. ScienceDaily, 24 January 2019. <www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190124141544.htm>.