显示专题 | "迈克尔逊全息"实现高质量近眼显示（OSA Optica）

迈克尔逊全息实现近眼显示图像优化 Optimizing image quality for holographic near-eye displays with Michelson Holography

本期导读

全息术（Holography）是一种利用光的衍射特性从而达到记录光场全部信息的方法。其特指一种技术，可以让从物体发射的衍射光能够被重现，使人眼感知到强度信息，利用干涉图样记录能够提供立体图像所需的深度信息，被视为最能提供真实三维场景的显示技术之一。随着计算机科学的发展，基于计算机技术和傅里叶光学的计算全息（CGH）显示技术得到了学术界和产业界的广泛关注。计算全息通常使用空间光调制器（SLM）显示全息图，通过对波前进行振幅相位上的调制，实现动态三维图像的光场重建。 全息近眼显示系统由于空间调制器（SLM）固有在技术上的局限和光学结构本身不必要的衍射和相干等问题，在成像质量上难以达到应用所期望的理想结果，图像质量很大程度受限于相位型全息空间光调制器这一光学元件。仅相位调制的（Phase-only）空间光调制器会产生衍射光，从而形成可见3D图像所需的干涉图案。然而，通常用于全息术的相位型空间光调制器表现出较低的衍射效率，大大影响图像质量，尤其是图像对比度，而不必要的干涉和衍射在最终生成的图像上会带来伪影和散斑噪声。 大幅度提升相位型空间光调制器的衍射效率十分困难，鉴于此，斯坦福大学计算成像实验室和英伟达研究院提出了一个全新的光学结构来创建全息生成图像。迈克尔逊全息不像大多数设置那样使用单个相位型空间光调制器，而是使用两个相位型空间光调制器的方法来对光学系统中的干涉进行抵消，并采用基于机器学习的相机闭环结构（Camera-in-the-Loop）对生成的相位全息图进行优化，从而呈现出高对比度，显著减少散斑噪声的高质量计算全息重建。该工作以论文形式发表于美国光学学会（OSA）核心期刊《Optica》上。

技术路线

迈克尔逊全息术（Michelson Holography）的基本原理为利用传感器捕获目标平面上的场强，使用基于随机梯度下降（SGD）优化算法反向传播捕获的图像和目标图像之间的误差，以更新两个相位型空间光调制器的相位，如图1所示。该研究首先基于所提出的迈克尔逊干涉全息图结构采用角谱法进行了光场建模，而后对目标平面生成的相位进行损失收敛，从而得到最终的两个相位型空间光调制器上的相位加载图像。

图1. 迈克尔逊全息结构原理图

将这种新的硬件配置与相机闭环（CITL）优化结合在一起，并针对光学设置对其进行了修改。相机闭环优化是一种能够用于直接对全息图进行优化或训练基于神经网络的计算机模型的算机方法（具体技术详见文末提供的链接以了解相关技术解读）。它允许研究人员用相机捕获一系列显示图像，使校正微小光学系统装配误差而不使用任何精密测量设备成为可能。尤其地，来自相位型空间光调制器的未衍射光会自然产生干涉条纹图案，而相机闭环优化可迭代地改善观察到的图像，如图2所示。
图2. 对初始的迈克尔逊相位全息图进行不同次数的迭代后得到的相位型全息图实际显示效果另外，一旦计算机模型被训练完成，它能够精准描绘出被捕获图像的外貌而无需实际拍摄。这个特点意味着整个光学设置可以在云端被仿真，使用并行计算实时推断计算繁重的问题。例如，这将对运算计算全息图实现完全三维场景有所帮助。与其他所有传统方法（如Naïve SGD）相比，迈克尔逊全息术在图像质量，对比度和散斑减少方面显示出显着改善，如图3所示。

图3. 传统方法和迈克尔逊全息实现的全息显示效果对比

该研究工作同时测试了初步的多平面三维全息显示效果，如图4所示。结果表明与单次SLM方法相比，具有CITL校准的双SLM全息显示比现有的计算机生成的全息图方法可提供更好的图像质量。图4 采用迈克尔逊全息术实现的多平面显示在不同焦点处的重构图像 Top: 不同对焦(远/近)位置的实拍显示效果; Bottom: 对应两个SLM上显示的相位全息图

需要注意的是，要使新系统可行，还需要将光学平台样机转换为体积足够小，可整合进可穿戴的增强现实或虚拟现实系统中。虽然就目前而言，这还是一个很大的工程挑战，该研究工作提出的设计硬件和软件的方法提供了一个很好的思路，传统光学理论和人工智能算法结合的很好应用示例，可用于改进计算显示和计算成像的其他应用。

论文信息：

S. Choi, J. Kim, Y. Peng, G. Wetzstein, Optimizing image quality for holographic near-eye displays with Michelson Holography, OSA Optica, 2021.

技术细节详见：

https://www.computationalimaging.org/publications/michelsonholography/

欢迎查阅我们公众号之前关于新型计算全息显示的相关报道，可点击以下链接查阅。

* 主要文字由论文作者成员撰写，所有图片素材均来源于作者原始论文及网络公开资料，该技术分享不做任何商业用途。

回顾与预告

上期回顾：显示专题 | 复用编码全息彩色视网膜投影显示（OSA OE）欢迎点击查阅

下期预告：不定期推荐学术领域具有代表性的计算显示和计算成像研究工作，穿插新型光学设计和VR/AR光机实现科普等的资讯分享，欢迎订阅关注。
Contact: [e-mail]

由于近期微信公众号改版因素，部分用户反映更新通知不及时问题，根据网络资料，可以通过在设置里把我们地公众号加星关注实现对我们的支持，也可以通过点击右下角“点赞”和“在看”标识，以便及时收到更新通知，再次感谢大家的理解和支持！

INTELLIGENTOPTICSSHARING (I.O.S.) 运营以该领域的研究学者为主，非盈利非广告，希望能够结交共同兴趣方向的读者们，建立光学和计算机交叉学科领域内一个资讯分享交流的平台，还望大家多多支持，欢迎来稿，欢迎拍砖。

END