新型光片全息技术克服了三维全息图中的深度感知挑战

       全息影像技术是一种利用光投射来显示真实物体或场景的三维成像技术。通过这种方法，人们可以将物体的全息影像投射到透明介质上，产生3D立体观影感，提升立体视觉效果。虽然目前的全息技术离科幻电影中出现的逼真的全息图还有差距，但哈弗大学、应用科学学院（SEAS）、圣保罗大学、巴西坎皮纳斯州立大学的联合研究团队的成果使得人们朝着这个目标迈出了重要的一步。他们提出了一种新型全息图生成方法——用光线分层构建包含严格控制光阵列的二维薄片来创建全息图。这些薄片可以紧密地层叠在一起，进而描绘出三维物体图像。该成果以“Light sheets for continuous-depth holography and three-dimensional volumetric displays”为题发表在Nature Photonics上（ DOI: 10.1038/s41566-023-01188-y ）。

图 研究人员通过将严格控制的光线叠加在2D薄片上，就可以描绘出3D全息物体

       SEAS电子工程高级研究员Federico Capasso表示，他们使用了目前商业上较为成熟的空间光调制器技术，以一种创新方式在光传播时对其进行整形，从而生成一种全新的全息图。可以预见的是，该技术有望对虚拟现实、增强现实、生物成像、体积显示以及人机交互等领域产生重大影响。

       传统的全息照相原理是将光线排列成远离观看者眼睛的平面，可以把它看成一系列连续的多米诺骨牌。其不足之处在于最远的层很难观察到，进而破坏观察者的深度感知，最终导致物体的3D成像细节减少。基于此，研究人员，以垂直于光学显示器的方式传播光切片，以便观察者可以看清整个长度范围内的切片。

       文章第一作者、Federico Capasso团队研究助理Ahmed Dorrah指出，通过他们的方法，可以有效解决传统全息成像的深度感知问题。与此同时还可以实现均匀间隔的光片，并保持光片之间的低串扰和3D成像的高分辨率。研究人员相信，在未来，这种新型全息成像技术可以用来描绘任何3D全息图，可以从任何角度连续深度观看，就好像它是物理上实际存在的一样。实现该目标的核心是一种称之为贝塞尔光束的特殊光束。与常用的激光束不同的是，贝塞尔光束在远离光源时能够保持其强度，可以随着距离增加直径而保持光环的宽度，在短距离内几乎没有衍射，在通过障碍物后可以自己复原。激光束则会发生衍射现象，强度有所减弱。

       该工作主要研究者之一、巴西坎皮纳斯州立大学电气工程系教授Michel Zamboni-Rached表示，将多束贝塞尔光束叠加结合起来，可以通过干涉对任何给定点的光强进行精确控制。人们可以选择性地照亮这些光片的所需部分，而不会失去对清晰描绘图像和物体至关重要的景深。通过将这些光束叠加在一起形成光片，就有可能产生一个由精确结构光构成的“3D打印”投影。

       “我们可以对光的强度进行选择性控制，并与显微镜相结合，从而更好地控制光进入生物样品的位置，” Ahmed Dorrah说道，“这一点很重要，因为显微镜中使用的激光束有可能会具有‘光毒性’而破坏活细胞，只能允许有限的光照射到生物样本上进行成像，使得成像质量降低。

       Dorrah还热衷于将这种方法应用于光遗传学研究。研究中，大脑回路经过基因工程改造，以便组织活动可以响应光而被触发或关闭，从而使科学家能够研究某些细胞如何影响行为。他表示，利用光片全息术，人们可以以非常高的准确性和特异性激活光遗传电路中的目标细胞或细胞网络。

        Capasso团队在偶然的一次机会中发现了这种新的全息摄影方法。Dorrah和他来自巴西的合作者一直在开发利用贝塞尔光束将粒子捕获在焦点的技术，这样就可以更好地研究空间和时间中特定点的原子。就在那时，该团队开始考虑将这些光束堆叠成片状是否可以用于构建全息图。

       但研究团队对该技术测试并观察到实验现象后，感到非常惊讶。圣保罗大学电气工程教授Leonardo Ambrosio感慨道，通常人们提出一个新理论之后需要用实验来进行验证，但实验效果总会与理论存在差距，然后就需要再次进行改进。但这次实验结果远远超出了他们的预期，其成像效果令人非常满意。