全息具有記錄和重建波前的能力，是裸眼3D顯示、光數據存儲(chu) 和光信息處理的理想手段。但是，傳(chuan) 統全息圖不具備對虛物全息重建和動態顯示的能力。為(wei) 了克服這個(ge) 困難，在1966年的時候，Brown和Lohman發明了計算機生成全息(computer-generated holography, CGH)，這種技術使用物理光學理論來計算幹涉圖案上的相位圖。隨著技術的發展，通過使用如空間光調製器(SLM)或數字微鏡設備(DMD)這樣的數字設備，CGH也能展示出動態全息顯示的能力。然而，使用SLM或DMD的CGH長期存在著小視場、孿生像、多級衍射的問題。
大幀數高幀率可見光動態三維meta-holography
技術背景：
全息具有記錄和重建波前的能力，是裸眼3D顯示、光數據存儲(chu) 和光信息處理的理想手段。但是，傳(chuan) 統全息圖不具備對虛物全息重建和動態顯示的能力。為(wei) 了克服這個(ge) 困難，在1966年的時候，Brown和Lohman發明了計算機生成全息(computer-generated holography, CGH)，這種技術使用物理光學理論來計算幹涉圖案上的相位圖。隨著技術的發展，通過使用如空間光調製器(SLM)或數字微鏡設備(DMD)這樣的數字設備，CGH也能展示出動態全息顯示的能力。然而，使用SLM或DMD的CGH長期存在著小視場、孿生像、多級衍射的問題。
隨著納米加工技術的巨大發展，超材料和超表麵引領全息圖研究以及其它研究領域進入了工程光學2.0時代。超材料由亞(ya) 波長級的人造結構(artificial structure)組成，它具有新穎的功能，超出了bulk material的局限性。三維超材料的加工非常困難，因此，超表麵作為(wei) 光學器件在可見光區扮演著重要的角色。超表麵是一種二維超材料，由亞(ya) 波長納米結構組成，具有調製光的幅度、相位和偏振的能力。超表麵的研究可以歸為(wei) 兩(liang) 類：靜態超表麵和動態超表麵。動態或主動超表麵的設計基於(yu) 使用不同的超材料和機製，如相位變化材料(phase-change material)、液晶、光誘導(light-induced)、機械應變(mechanical strain)、電荷注入(charge injection)、熱光效應、化學和結構方法等。如今，超表麵已被用於(yu) 製造許多不同類型的功能器件，如超透鏡(metalens)、分束器、懸鏈線光學元件(catenary optical elements)和軌道角動量器件等。
超表麵全息術具有大視場、高分辨率、高階衍射消除等優(you) 勢。超全息(meta-holography)基於(yu) 物理機製的不同可以歸為(wei) 三類：相位型超全息圖(phase-only meta-holograms)、振幅型超全息圖(amplitude-only holograms)、複振幅型全息圖(complex-amplitude holograms)。大多數的可見光區的超全息研究局限於(yu) 靜態器件設計，隻能使用一片超表麵顯示單個(ge) 幀。然而，動態設計是理想超全息平滑顯示基本的需求。要達到這個(ge) 目標，有兩(liang) 個(ge) 重要的考量需要注意：第1個(ge) 是幀數，關(guan) 係到單個(ge) 超全息圖元件可以顯示的不同幀的數量；第二個(ge) 是幀率。zui終目標是，重建的離散全息幀，可以借助人眼視覺暫留(eye persistence)的效應，以平滑視頻的方式被人感知到。通常認為(wei) 幀率高於(yu) 24fps就可以被人眼認為(wei) 是連續的，更高的幀率對應更精細和更平滑的視頻顯示。但是，目前仍然缺少在可見光區有出色顯示質量，並以高幀率和高幀數呈現平滑全息視頻的高效動態超全息。
基於(yu) 此，華中科技大學的Yuxi Wang(一作)和Jinsong Xia(通訊)等人利用DMD和超表麵，提出了一種可見光區基於(yu) 空間通道多路複用超表麵的超全息技術，可以實現2^28個(ge) 不同全息幀，以及可達9523fps的高幀率。由於(yu) 使用氮化矽納米柱構建塊來構建超表麵，使得每個(ge) 空間通道的調製效率大於(yu) 70%。
1)動態空間通道超全息圖(dynamic space channel meta-hologram,DSCMH)設計和實現。將超表麵劃分為(wei) N個(ge) 不同的空間通道，每個(ge) 通道包含數千或數百萬(wan) 個(ge) 納米柱(見圖1A)。SCMH的設計有兩(liang) 類。第1種是空間通道選擇超全息圖，在這種設計中，如果不同的空間通道同時打開，所有不同空間通道的重建像會(hui) 相互重疊(見圖1B)。通過控製結構化的激光束以設計的順序依次打開不同的空間通道，則全息視頻的連續幀將按照設計好的時間顯示(見圖1C)。第二種設計是空間通道複用超全息圖，不同空間通道的重建目標像是整個(ge) 全息圖的子圖(見圖1D)。不同的空間通道根據預定的順序在不同的時間打開，因而對於(yu) N-bit的空間通道可以同時有2^N種組合(見圖1E)。不同的空間通道組合重建出不同的全息圖，通過高速變化結構光，以在不同的時間打開不同的空間通道組合，就能以平滑和精細的方式實現動態超全息顯示(見圖1G)。
圖1、動態空間通道超全息圖原理
2)動態SCMH的實現。用於(yu) 編碼入射結構激光束的動態光束調製使用包含DMD、透鏡和顯微物鏡的投影係統實現。入射光可以被DMD以高達9523Hz的速度調製。透鏡和顯微物鏡組成4f係統以縮小入射光束來打開超表麵的不同空間通道(見圖2A)。氮化矽材料的吸收係數足夠小，因此它在可見光範圍接近透明，其折射率接近2，這遠大於(yu) 普通玻璃材料。因此氮化矽材料適合用於(yu) 設計高效超表麵。氮化矽納米柱的高度全為(wei) 700nm，矩形晶格周期為(wei) 500nm，半徑在90到188nm之間。納米柱的仿真使用有限差分時域(FDTD)法。選擇了6個(ge) 合適的半徑加工，氮化矽納米矽的透射係數和相位響應與(yu) 在633nm時納米柱半徑的關(guan) 係見圖2B。圖2C和D是加工結果的掃描電鏡圖像。
圖2、動態 SCMH 的實現。刻度條,1um
視頻2、動態空間通道選擇超全息圖顯示結果
視頻3、動態三維空間通帶選擇超全息圖顯示結果
附錄：
光路，DMD為(wei) DLP6500FYE
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