裸眼3D直接看！全球首个超薄全彩色交互式全息视频显示器问世，有望嵌入智能手机
在现实生活中，我们也能实现类似的摄影效果，这就涉及到了一种被称为全息摄影（holography）的摄影技术。
1947 年，英国匈牙利裔物理学家 Dennis Gabor 发明了全息摄影技术，他也因此获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。自诞生以来，全息摄影已有近 70 年的历史。
2018 年，美国相机公司 RED 推出了世界上首款全息投影智能手机；2019 年，韩国三星公司发布了一项全息投影专利，该技术可以应用于智能手机、智能音箱等设备，将天气、时间等信息通过全息投影在空中呈现，具有十足的科技感。
但是，由于传统的全息视频显示器存在光学器件视角狭窄、所需光学系统庞大以及需要强大的计算能力等问题，全息动态视频目前尚未大规模应用于商业领域。
近日，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的一项研究提出了一款超薄交互式全息显示屏，可以实现让观众从多个角度观看高分辨率的 3D 视频，该技术有望让全息视频显示屏更好地集成到移动设备中。
（来源：Nature Communications）
神奇的全息摄影
普通的照片记录的是物体反射光强度的变化，在反射光较少的地方产生暗区，在反射光较多的地方产生亮区。然而，全息摄影不仅记录光的强度，还记录其相位或组成反射光的波阵面彼此的相干程度。
全息图以 3D 立体的方式显示物体的“整体”图，通过记录并重建从被观测物反射回来的光场，从而保留物体的深度信息，并保存多个方向上反射回来的光场。
图 | 用真手拍摄的全息照片（来源: Nature Communications）
4G、5G网络的广覆盖，让人们实现了随时随处在智能手机观看视频。然而，想要使全息摄影技术“栖身”于便携的移动设备，构建一个移动式全息视频显示器（ mobile holographic video display），在技术上首先需要克服以下障碍：
有史以来最大视角的动态全息图
图 | 全息视频处理器示意图及其光学架构和关键部件：a. 光学架构由光束偏转器、相干-背光单元、几何相位透镜和空间光调制器组成；b. 光束偏转器的原理，它像棱镜一样对透射光进行光学引导：垂直和水平相位阵列引导光的角度分辨率为 0.02，在波长为 520nm 时，引导光的角度分辨率可达~15；c. 利用波导配置相干-背光单元：红光和绿光的第一波导和蓝光的第二波导叠加在一起，提高整体效率；d. 全息视频处理器在单片 FPGA 上实现。（来源：Nature Communications）
小视角的一个缺点是观看距离长，研究人员通过使用焦距为 1 m 的镜头，使观看距离减少了 25 倍。
对于实时交互式全息视频的显示，往往需要精准计算观看者眼镜的位置来更新 3D 图像，利用图层法，使用大量的二维逆快速傅里叶逆变换（2D IFFT）运算，才可为真实场景生成高质量的全息图。
在这项研究中，研究人员使用了高度并行的体系结构，并减少硬件的使用，构建了基于 IFFT 的全息视频处理器。该处理器可以同时计算左右眼的两个全息图像，最后组合成一个全息图。
该全息视频处理器采用单芯片 FPGA 构建，可以实现以每秒 30 帧（fps）的速度生成 3840*2160 像素的双目全息彩色图像。研究人员成功投射了一个可多角度观看的全屏 4K 交互式 3D 海龟游泳视频。
图 | 全彩实时全息电影截图。图a，右上角插图显示珊瑚比乌龟更清晰，图b的插图显示相机聚焦时乌龟的脸变得清晰（来源：Nature Communications）
图 | 超薄平板全息视频显示器结构（来源：Nature Communications）
在佩戴 3D 眼镜观看电影后，人们往往会出现视觉疲劳感。全息显示屏能在空间中创建 3D 图像，让观众在多维度观看真实物体的同时，眼睛不会有疲劳感。该系统在设计中同时计算了左右眼的两个全息图像，进一步降低了观看者的视频不适感。
研究人员表示，这一研究成果将有力推动移动全息视频的发展。或许在不久的将来，科幻影片里的场景或许就会出现在我们的生活中，拿出我们的智能手机，一部 3D 全息视频就可以轻松上演。