编者按

元宇宙是一个与现实世界相互平行、彼此影响并且始终在线的数字虚拟世界。用户可在元宇宙中生活、娱乐、学习和工作，开展虚拟购物、在线学习和博物馆浏览等活动。作为元宇宙的重要技术支撑，三维显示可以为元宇宙用户提供更具沉浸感的交互体验。据此，学会邀请了全息三维显示研究专家——学会理事兼副 秘书长、清华大学曹良才教授，讨论全息三维显示对未来的影响。

简介

曹良才，清华大学精密仪器系教授、博士生导师，国际光学工程学会（SPIE）会士和美国光学学会（OPTICA）会士，教育部长江学者特聘教授。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位，毕业后留校工作至今，加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者，研究方向主要为全息光学成像与显示技术。

Q：今年元宇宙受到了广泛的关注，是否介绍一下您近期针对该技术的最新研究发现或研究成果？能否预测一下该技术可能会改变未来、影响未来的哪些领域？

A：当前，元宇宙的概念提出后，全息三维显示受到了一些关注。我所在的课题组长期开展计算全息三维显示技术的研究，围绕全息图实时计算、全息显示质量增强、三维内容实时捕捉渲染和全息系统像差校正等方面进行了初步探索，目前也关注人工智能技术在全息显示领域的应用。全息三维显示在未来可以用于教育、工业、娱乐等领域，为用户提供更加真实、沉浸的视觉体验，使显示系统呈现的内容和真实世界中的景物更加接近。计算全息三维显示技术被认为是三维显示的终极形态之一，可以突破传统三维显示中辐辏-调焦冲突难以克服的问题，为用户提供视觉体验更友好的三维显示解决方案。

Q：全息这个概念具体指代了什么？当前市场上的各种全息显示产品的主要特色有哪些？影响该技术大规模应用的主要瓶颈体现在哪些方面？

A：全息的概念范围在最近几十年被极大地扩展了。市场上绝大多数的全息显示产品都是广义上的全息设备。它们的特点是可以实现悬浮效果、给人三维观感，但具体的实现技术和全息光学技术还存在差别。狭义上的全息技术是通过干涉和衍射等手段，实现三维物体振幅和相位的记录与再现。它的发明人丹尼斯·盖伯凭借该技术获得了1971年的诺贝尔物理学奖。相比于其他三维显示技术，全息三维显示技术可以提供人眼所能感知的所有种类的深度线索，它所呈现的显示内容和真实物体并无区别，理论上可实现最逼真的三维显示效果。

计算全息三维显示技术当前正处于快速发展期，深度学习技术和计算全息技术的交叉融合，突破了全息图计算速度的瓶颈，推动了计算全息技术的进一步发展。实现计算全息三维显示的大规模应用，还需要突破若干技术瓶颈。首先是全息图快速计算方法的泛化能力。深度学习技术大大提升了全息图的计算速度，但这一过程往往只能针对特定深度、特定尺寸和特定分布的三维物体。系统参数发生变化时，深度学习网络往往需要重新训练，泛化能力仍有待进一步提升。其次是全息显示系统的空间带宽。空间带宽决定了全息显示系统的信息承载能力。即便是当前最先进的全息显示系统，其信息承载能力距离实现理想的三维显示效果仍有一定差距。作为全息显示系统的核心部件，空间光调制器的像素尺寸决定了系统的最大衍射角度，是影响三维显示可视角度的关键因素；空间光调制器的分辨率和动态范围决定了光信号调制的自由度，是影响三维显示图像质量和细节表现能力的关键因素。因此，扩展全息显示系统的空间带宽需要更小的像素尺寸、更高的分辨率和更大动态范围。作为时下研究热点的超表面为光学调制器件的研发提供了全新的思路，但其在器件尺寸、像素数目和调制效率等方面还有待提升。学术界和产业界对于何时可以达到理想的空间带宽还没有定论，当前大家更关注如何针对不同的应用场景设计全息显示系统，力争在有限的空间带宽下，尽可能实现最佳的应用效果。

Q：全息技术除了用于三维显示，还有哪些应用领域？

A：全息三维成像是全息技术的另一个重要应用领域，也是国内外全息技术的一个重要研究方向。从原理上说，全息显示和全息成像可以看作两个相反的过程。其中，计算全息（Computer-generated holography, CGH）显示使用全息显示算法计算获得三维目标的全息图，再通过空间光调制器和光学系统实现三维重建；数字全息（Digital holography, DH）成像使用传感器和光学系统捕捉三维目标的振幅和相位，再通过全息成像算法获得三维目标的形貌特征。显示过程是已知三维目标的形貌求全息图，而成像过程是已知全息图求三维目标的形貌。这两个方向的研究当前都倍受关注，器件、算法和算力的发展，给计算成像与计算显示、三维成像与三维显示带来了新的活力，相关的技术突破与产业应用也倍受期待。

Q：近期您在远距离计算成像技术有新的成果发表，这些技术相较于传统成像技术有什么优势？当前影响这类技术的主要限制体现在哪些方面？

A：在远距离光学成像中，镜头口径造成的衍射模糊是限制成像分辨率的主要原因。合成孔径技术可以扩展成像系统的等效口径，获得更高分辨率的图像，但光场的相位信息难以直接记录，为合成孔径的实现带来了一定挑战。和全息技术密切相关的傅里叶叠层成像技术将相位恢复技术与孔径扫描过程相结合，为合成孔径成像提供了一种新思路，可在一定程度上解决镜头口径对成像分辨率的限制问题。在傅里叶叠层成像技术中，相位恢复是一个不适定的优化问题，因此成像采集过程需要较高的孔径重叠率来保证算法的收敛性。这种通过密集孔径扫描的采集方式会导致采集时间长、计算数据量大，限制了傅里叶叠层成像技术的应用。我们课题组的博士生吴佳琛同学提出了一种采用稀疏孔径进行傅里叶叠层成像的方法，通过引入全变差正则化降低了算法收敛性对孔径重叠率的依赖。借助这种方法可以利用稀疏孔径阵列实现大孔径成像，摆脱了密集孔径扫描的限制，为图像的并行采集带来了可能，此外该方法还可以自动获取孔径的相位畸变，简化了成像配置并提高了采集效率。

Q：请问您作为中国光学工程学会的理事兼副秘书长，对学会目前开展的工作有什么感受和建议？

A：我非常荣幸参加到学会的各种活动中，学会组织了一系列系统、深入和高端的学术活动，给我们青年学者提供了非常理想的交流平台，推动了光学工程领域的学术繁荣。学会的目标是“以全球为背景，开放、创新、对标国际，建设成为国内外一流水准的社团组织”。当前疫情导致学术交流受到了很多限制，我们将在学会理事会的指导下，进一步挖掘资源，组织形式多样、内容丰富的线上学术交流活动，充分调动学会理事和会员的积极性，继续努力打造一流学术会议、学术期刊、科技服务和人才交流平台。另外，学会还持续贯彻落实国家人才强国战略，充分发挥培养人才的作用，广泛团结光学工程及交叉学科领域的青年科学家，促进青年科技人才的成长，为国家科技创新助力。

研究论文：成像专题 | 全变差正则化傅里叶叠层稀疏孔径成像（OLEN）

原文地址：https://www.csoe.org.cn/cn/detail/1449.html

研究论文：元宇宙中的动态全息三维显示：发展与挑战

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/dX-q4nIaJK5uH0Myrn8QEw