2019年秋季的一個夜晚，結(jié)束了一天科研任務(wù)的高輝博士決定看看最近熱播的古裝電視劇——由 @馬伯庸 老師同名小說改編的《長安十二時辰》——放松一下心情。當(dāng)主角在長安城中上下翻飛時，高博士卻被劇中的一樣道具吸引了，他忍不住內(nèi)心直呼：好眼熟！原來，此道具在設(shè)計思想上竟然與他正在進行的一項前沿科學(xué)研究有著異曲同工之妙。這個道具就是“望樓”。

《長安十二時辰》劇照（來自網(wǎng)絡(luò)）

“望樓”是電視劇《長安十二時辰》中編劇虛構(gòu)的一套“光通信”裝置。如今我們都知道，古代的狼煙或烽火算是最早的光學(xué)通信系統(tǒng)，但只能表達“有”或“無”這類比較簡單的信息。望樓則是由一個個獨立的格子構(gòu)成，每個格子都可以獨立控制燈籠的開關(guān)。這樣一來，具有N個格子的望樓就相當(dāng)于N-bit的光學(xué)通信裝置，最多可以傳遞2^N-1種不同的信息，極大提高了通信效率。

望樓示意圖（來自網(wǎng)絡(luò)）

高輝博士正在進行的科學(xué)研究，叫做“可見光波段超表面動態(tài)全息”。聽起來無論如何都與古裝劇八竿子打不著，為何會與“望樓”扯上關(guān)系呢？這就得從這項研究的背景說起了。

研究背景

“全息顯示”這個名字相信大家聽得很多了，它被認為是最有前景的裸眼3D顯示技術(shù)之一。“全息”的基本原理可以簡單表達為“干涉記錄，衍射復(fù)現(xiàn)”，物理教科書上都有講解，蝸牛君在此就不贅述了。傳統(tǒng)全息術(shù)需要搭建干涉光路，通過真正的拍攝過程獲得“全息底片”，因此只能用于現(xiàn)實中真實存在物體的顯示。“計算全息”技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一限制，通過物理光學(xué)相關(guān)理論和計算機算法，就可以計算出現(xiàn)實中不存在的虛構(gòu)物體對應(yīng)的“全息底片”。將計算得到的“底片”信息（相位/振幅分布圖等）加載到動態(tài)光學(xué)調(diào)制器件（如空間光調(diào)制器，spatial light modulator, SLM）上，就可以通過衍射來復(fù)現(xiàn)出虛構(gòu)物體的像。不斷刷新SLM加載的相位圖，我們就能看到動態(tài)的全息電影了。

“全息顯示技術(shù)”藝術(shù)效果圖（來自網(wǎng)絡(luò)）

這個過程設(shè)想得很美好，但實際操作中卻障礙重重，以至于如今還沒有任何嚴(yán)格意義上的動態(tài)全息顯示設(shè)備上市，生活中充斥的眾多標(biāo)注為“全息顯示”的設(shè)備也都與全息沒什么關(guān)系。之所以如此困難，其中一個比較大的障礙就是，這些動態(tài)光學(xué)調(diào)制器件的單元結(jié)構(gòu)實在是太大了，通常都比可見光波長大十幾甚至幾十倍。巨大的結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)致全息顯示的視場角極小，還會存在高級次像等問題。為了擴展視場角，有的研究團隊甚至不得不采用了陣列化SLM的方案，但也只是治標(biāo)不治本。

SLM陣列（來自網(wǎng)絡(luò)）

隨著微納加工工藝的不斷進步，有一類被稱為“超表面（metasurface）”的新型光學(xué)器件逐漸興起。這是一種準(zhǔn)二維形式的平面光學(xué)器件，由特殊排布的亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成。所謂“亞波長”，意思就是尺寸比光波長更小。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺寸小于光波長時，會呈現(xiàn)出與宏觀材料完全不同的光學(xué)性質(zhì)。這些亞波長結(jié)構(gòu)可以對光進行豐富的調(diào)制，無論是相位、振幅還是偏振，都不在話下。由這些強大的亞波長結(jié)構(gòu)組成的平面光學(xué)器件就是“超表面”。無論是透鏡、分束器、偏振器等常用光學(xué)元件，還是軌道角動量、光學(xué)隱身器件等復(fù)雜光學(xué)元件，超表面都能實現(xiàn)，因此近年來超表面在光學(xué)研究的許多方向都大放異彩。由于強大的光學(xué)調(diào)制功能和豐富的調(diào)節(jié)自由度，基于超表面的新興光學(xué)研究領(lǐng)域也被譽為“工程光學(xué)2.0”。

同樣，超表面也可以應(yīng)用于“計算全息”領(lǐng)域，被稱為“超表面全息（meta-hologram）”。由于超表面的單元結(jié)構(gòu)比光波長更小，可以實現(xiàn)大視場角，并直接從原理上規(guī)避多級次像等問題，因此備受相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注。

研究內(nèi)容

目前可見光波段的超表面全息相關(guān)研究還是以靜態(tài)顯示為主，已有的少量動態(tài)顯示相關(guān)研究結(jié)果也不盡如人意。其中主要的問題是幀數(shù)和幀率。“幀數(shù)”是指一片器件能顯示幾幅不同的全息圖，“幀率”則是指每秒能切換多少幅全息圖。目前大部分動態(tài)顯示的研究結(jié)果幀數(shù)都在個位數(shù)，幀率也很低。這就導(dǎo)致“動態(tài)”只是概念性的實現(xiàn)，離真正應(yīng)用還差很遠。

對于超表面動態(tài)全息顯示，目前的主流研究方向是想辦法讓組成超表面器件的每個亞波長結(jié)構(gòu)都進行獨立控制。這當(dāng)然是一個很正常的想法，舉個例子類比一下就很容易理解。拋開3D顯示暫且不談，就說說我們?nèi)粘Ｒ姷降钠胀?D顯示設(shè)備，比如平日里使用的LED/LCD顯示屏，只要能夠獨立控制每個像素，那整個屏幕要顯示什么內(nèi)容都可以。同樣的，只要能夠?qū)γ總€亞波長結(jié)構(gòu)進行獨立控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)任意的3D顯示了。所以這也是超表面動態(tài)全息通用的解決方案，也是大家最終努力的方向，只是當(dāng)前暫時還無法很好地實現(xiàn)。

不過，在剛才的舉例中，雖然LED/LCD是2D顯示中通用的解決方案，但通用方案未必在所有場景中都是最佳方案，所以并不是所有的2D顯示都是靠LED/LCD實現(xiàn)的。比如電子記分牌、時鐘、機場登機信息板等是利用類似“數(shù)碼管”的方式實現(xiàn)的，它們的特點就是通過大量子元素的不同組合來呈現(xiàn)不同的信息；還有一類諸如膠片電影，將連續(xù)動作分解為不同的連續(xù)幀，利用視覺暫留效果實現(xiàn)流暢的2D動態(tài)顯示。可以看出，在不同的具體應(yīng)用場景中，其他技術(shù)方案可能比通用方案更有優(yōu)勢，如成本、可靠性、維護難易程度等等。

常見的三種2D顯示技術(shù)

同樣地，在超表面動態(tài)全息研究中，除了對每個單元結(jié)構(gòu)獨立控制，研究人員也產(chǎn)生了很多奇思妙想。例如通過切換入射的激光波長來切換全息圖像，或是通過改變?nèi)肷浣嵌然蚣す馄穹较蚋淖冿@示的全息圖像，等等。不過這些方案能夠?qū)崿F(xiàn)的幀數(shù)都極少，幀率更是非常非常低，無法很好滿足動態(tài)顯示的需求。

為了解決幀數(shù)少、幀率低的問題，研究團隊構(gòu)思了一種新的超表面動態(tài)全息的實現(xiàn)方法。一般情況下，超表面器件在使用時，構(gòu)成這個器件的所有亞波長結(jié)構(gòu)都會同時發(fā)揮作用。本研究反其道而行之，提出了“空間信道超表面器件”的概念。

空間信道超表面全息器件設(shè)計示意圖

研究人員將同一片超表面器件劃分為不同的空間區(qū)域，每個區(qū)域成為獨立的“空間信道”，每個空間信道負責(zé)顯示不同的全息圖形，而每個空間信道都可以實現(xiàn)獨立的開啟或關(guān)閉。如此一來，由N個空間信道構(gòu)成的超表面全息器件，不就能夠?qū)崿F(xiàn)2^N-1幅不同的全息圖了嗎？

“2^N-1”，是不是很眼熟？沒錯，這就是本文開篇我們看到的古裝劇中的“望樓”啊！甚至論文中設(shè)計的器件樣子也和方格子組成的望樓差不多（如下圖所示），只不過望樓每個格子只是用來顯示黑與白，而本研究中的每個空間信道則加載著豐富的全息信息罷了。通過增加空間信道數(shù)目，可以以指數(shù)形式極大提高總幀數(shù)。因此用這種方法，同一片超表面器件可以輕松實現(xiàn)數(shù)億甚至數(shù)百億幅不同的全息圖的動態(tài)顯示。

空間信道超表面全息器件

設(shè)想很美好，但要能夠?qū)崿F(xiàn)清晰流暢的動態(tài)顯示，最關(guān)鍵的就是能夠精確獨立開關(guān)每個空間信道。不到1mm^2的器件由幾十甚至數(shù)百個空間信道構(gòu)成，每個信道都比頭發(fā)絲還細，控制起來非常困難。為了解決這一問題，研究團隊設(shè)計了基于數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）的高速高精度結(jié)構(gòu)光場調(diào)制系統(tǒng)。

DMD局部放大圖（來自網(wǎng)絡(luò)）

DMD是一類由微型反射鏡（尺寸大約幾十微米）陣列構(gòu)成的光學(xué)器件，每個反射鏡都可以獨立擺動，從而控制光的反射方向。只有當(dāng)反射方向沿著目標(biāo)路徑方向時，這個小鏡子的反射光才能夠出射，否則光會被遮擋住。因此平面激光光束通過DMD調(diào)制后，就可以變成空間復(fù)雜分布的結(jié)構(gòu)光束。不過由于單個微鏡尺寸與空間信道尺寸相近，所以如果直接利用DMD調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光去控制空間信道，精度會很差。因此研究團隊利用透鏡和顯微物鏡搭建了縮束投影系統(tǒng)（類似于基礎(chǔ)版光刻機的光學(xué)系統(tǒng)），將DMD編碼的激光結(jié)構(gòu)光束精確投影到超表面器件上，從而實現(xiàn)每個空間信道的獨立開啟與關(guān)閉。

之所以選擇使用DMD作為結(jié)構(gòu)光束的編碼器件，還有一個重要原因就是DMD每秒萬幀的超高刷新速率，因此該動態(tài)全息顯示系統(tǒng)的幀率高達每秒萬幀。如此一來，就可以實現(xiàn)高速、高幀率的超表面動態(tài)全息顯示了。這個幀率其實已經(jīng)遠遠超出了視覺暫留的需要，因此除了全息顯示，該研究還可以應(yīng)用于光學(xué)信息處理、激光加工等其他領(lǐng)域。

該研究成果已于近期發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊Science Advances。

結(jié)果展示

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后記

可能誰都想不到，熱播古裝劇與前沿科學(xué)領(lǐng)域在思想上竟然有不少相通的地方。所以蝸牛君科研之余還是應(yīng)該多去看看劇，說不定對科研還有更多促進作用呢！

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本文為該研究內(nèi)容的科普性介紹，具體理論及技術(shù)細節(jié)請參閱論文原文：

H. Gao, Y. Wang, X. Fan, B. Jiao, T. Li, C. Shang, C. Zeng, L. Deng, W. Xiong, J. Xia, M. Hong, Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate. Sci. Adv.6, eaba8595 (2020).

論文地址：Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate

2. 本文首發(fā)于“光電期刊”公眾號，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。

總結(jié)

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