撰稿 | 颜悦（香港中文大学，博士生）

物理学家因其在全息术领域的杰出贡献，荣获了1971年的诺贝尔物理学奖。全息术是一种技术，它能够捕捉光波的前沿信息，如幅度与相位，并具备重建这些信息的能力。这项技术主要依赖于光的衍射效应，以生成逼真的三维虚拟图像。

早期，先驱者们便预测全息技术将成为实现理想3D显示的终极途径，其依据在于全息技术是目前唯一能够满足人类视觉系统光学需求的手段。历经多年，研究者们始终致力于达成这一目标，不懈地努力着。

近期，美国亚利桑那大学光科学学院的某教授，在最新一期的某学术期刊上，发布了一篇以“3D技术发展”为主题的综述论文。

首先，阐述了为什么目前实现全息3D 显示是一项艰巨的挑战；

紧接着，基于人眼视觉系统的原理，阐述了当前广泛应用的3D显示技术及其显著特性。

接着，聚焦于全息3D显示技术，对运用机器学习及神经网络算法来达成实时全息计算的最新成果进行了归纳总结；

接着，讨论了全息数据传输模型和数据压缩算法；

最后，介绍了全息数据硬件生成方法及其进展。

一、为何全息3D 显示是一项艰巨的挑战

为了更直观地展现全息3D显示技术的挑战性，作者选取了数据传输速度（比特率，每秒比特数）作为评价的标准。

若要构建一个拥有45度视角范围、60赫兹刷新速度、8位色彩深度以及50厘米乘以50厘米尺寸的全彩全息显示屏，并且考虑到所采用的光源特性，那么所需的比特传输速率大约为3乘以10的15次方比特每秒。

图1中呈现了按照时间发展顺序排列的全息技术与其他通讯技术所需的数据传输速率的对比情形。

在1798年，这种摇臂式信号机的传输速度大约是每分钟2到3个符号，其数据传输速率大约为0.4比特每秒。

自1840年代起，莫斯码传输的电报开始盛行，其传输速率大约为每秒100比特。

在1876年，电话技术的诞生标志着声音信号的传输成为可能，其传输速度达到了64千比特每秒。

在1940年代问世的黑白电视机，其播放的视频帧率为每秒29.97帧，而传输速度则高达26兆比特每秒。

自1950年代起，彩色电视的传输速度实现了显著提升，其速率增至78兆比特每秒，相当于原来的三倍。

自1990年代起，数码视频技术逐渐崭露头角，而要实现HDTV 720p的播放效果，所需的传输速率高达1.33Gb/s。

2010年代，4K高清HDTV的传输速率需达到12.7Gb/s。

8K超高清画面所需的传输速率高达47.8Gb/s。（注：此传输速率指的是压缩前的数据量。）相比之下，全息3D彩色显示的比特率是8K超高清的六万倍，由此可见，要实现全息3D显示的难度极大。

图1：通向全息之路：随着时间推移，不同通讯系统所需比特率

依据图1所示的时间线进行预测，预计全息3D显示技术实现商业化应用的时间点将在2100年左右。

或许，发展的路径并非完全不可更改，这一切均依赖于人类不懈的追求。尽管达成目标的过程充满挑战，全息技术依旧被视为实现三维显示的至高境界。其之所以如此，乃是因为在目前的技术条件下，全息术是唯一能够满足人眼视觉系统光学需求的方法。

二、人眼视觉和3D 显示

理解人眼视觉系统是如何感知三维信息对研发3D显示至关重要。

人的视觉系统从外界接收到的丰富信息中提取深度感知，其中大部分关键的深度感知元素都来源于二维信息，比如阴影（+）、透视方向、相对尺寸（size）、遮挡以及模糊度（+ haze）。

图2中呈现了三个位于二维平面上的球体，尽管如此，它们却具备了所提及的二维深度感知特征。这些特征在经过人眼视觉系统处理后，我们便将它们视为三维空间中的球体。因此，无论是绘画、照片还是影像，只要其中融入了这些二维深度感知要素，我们的眼睛便能感受到三维空间的效果。反之，若缺乏这些要素，便可能产生光学图像的错觉。因此，3D显示系统首要任务是确保具备这些二维深度感知的基本要素，接着还需引入并处理诸如立体视差、运动视察以及视觉辐辏调节冲突等问题。

图2：二维深度感知要素及其对深度感知的影响

根据所提供的信息，作者对当前流行的几种三维显示技术及其特性进行了探讨：

立体视差技术，广泛运用于当前的三维电影院，观众观影时需佩戴特制的3D眼镜，并伴随视觉疲劳等副作用。

裸眼3D技术主要通过透镜阵列来构建光场三维图像；此技术要求观众保持在一个固定的位置，因而存在视觉适应问题。

基于运动视差技术，这种技术类似于用户无需佩戴眼镜即可体验的3D效果，具有体积渲染的属性，所需的比特率较低，大约为10⁵ Gb/s，并且目前已成为研究领域的焦点。

立体显示技术，它通过在事先设定的三维空间中发射、散射及照明光线，来呈现立体的图像。这些图像仿佛漂浮在空中，给观者带来强烈的视觉震撼。然而，这种技术面临遮挡的困扰，并且其成像的体积也受到一定的约束。

这些3D显示技术各有其优势和局限，以及它们各自适用的特定应用领域，且众多技术因人眼视觉系统的限制而难以克服。然而，在实现全息术的成熟之前，这些技术仍将不断进步，致力于为用户提供更加舒适的体验和更优质的显示效果。

三、全息3D显示

全息技术已被证实为目前唯一能满足人类视觉系统所有需求的立体显示技术。然而，它所面临的挑战相当严峻，主要体现在以下三个方面：

1. 全息3D信息计算（）

计算机数字全息技术（简称CGH）的问世，显著加速了全息计算领域的进步。通过应用基尔霍夫和菲尼尔衍射理论，我们可以计算出相位板在特定衍射距离上所形成的任意图像。然而，对于达到10¹⁵b/s（720p分辨率）的数据比特率需求，计算过程变得异常庞大且耗时。因此，开发更为高效的全息计算算法变得尤为迫切，同时，构建专门用于全息计算的硬件平台也显得极为关键。

2. 全息信息传输（）

巨大的数据传输需求促使我们构建一个高效的数据传输网络模型，同时，开发一种能够保证数据无失真的衍射数据压缩算法显得尤为关键。

3. 全息信息更迭生成（）

为了制作出高品质的全息图像，以每秒3×10¹⁵比特的传输速度为例，大约需要二十三万个4K空间光调制器（SLM），同时还需要一台电脑来处理相应的数据，这些看似荒谬的数字再次彰显了全息3D显示技术实现的艰巨性。全息数据生成设备和相关技术通常可以划分为以下几个类别：

硅基集成型液晶调谐器，即LCoS SLM，具备较高的分辨率，然而其液晶的更新速度相对较慢。

微机电系统，简称MEMS，具有快速刷新率和高度集成化的特点，然而，当前其器件效率尚待提高。在MEMS领域，德州仪器公司处于行业前沿，公司正在积极研发下一代高效能的相位调制器。

iii. 开发能够即时更新的全息材料：例如，光折变聚合物以及声光材料。

iv. 相位阵列光子集成芯片，由众多光波导构成，在微纳米尺度上实现了晶圆级的大规模集成。如图3所示，这些阵列利用片上声光或热光调制器调整相位，并通过光栅实现光信号的输出。其显著特点是处理速度快、相位调节灵活、集成度较高。然而，也存在相位分辨率不足的问题，这导致了较大的衍射旁瓣。

图3：大规模集成相位阵列

截至目前，尚无任何技术能够同时达到高分辨率、大量数据生成以及高度集成的多重标准。

全息技术依旧被视为达到完美三维显示的终极手段。尽管目前尚无成熟完备的解决方案，但这并不能掩盖人们对该技术所做出的卓越贡献，科学家们正以前所未有的速度将这一技术推向现实。

论文信息

. : (2021)2:28