2019年秋季的一個夜晚，結束了一天科研任務的高輝博士決定看看最近熱播的古裝電視劇——由 @馬伯庸 老師同名小說改編的《長安十二時辰》——放松一下心情。當主角在長安城中上下翻飛時，高博士卻被劇中的一樣道具吸引了，他忍不住內心直呼：好眼熟！原來，此道具在設計思想上竟然與他正在進行的一項前沿科學研究有著異曲同工之妙。這個道具就是“望樓”。

《長安十二時辰》劇照（來自網絡）

“望樓”是電視劇《長安十二時辰》中編劇虛構的一套“光通信”裝置。如今我們都知道，古代的狼煙或烽火算是最早的光學通信系統，但只能表達“有”或“無”這類比較簡單的信息。望樓則是由一個個獨立的格子構成，每個格子都可以獨立控制燈籠的開關。這樣一來，具有N個格子的望樓就相當于N-bit的光學通信裝置，最多可以傳遞2^N-1種不同的信息，極大提高了通信效率。

望樓示意圖（來自網絡）

高輝博士正在進行的科學研究，叫做“可見光波段超表面動態全息”。聽起來無論如何都與古裝劇八竿子打不著，為何會與“望樓”扯上關系呢？這就得從這項研究的背景說起了。

研究背景

“全息顯示”這個名字相信大家聽得很多了，它被認為是最有前景的裸眼3D顯示技術之一。“全息”的基本原理可以簡單表達為“干涉記錄，衍射復現”，物理教科書上都有講解，蝸牛君在此就不贅述了。傳統全息術需要搭建干涉光路，通過真正的拍攝過程獲得“全息底片”，因此只能用于現實中真實存在物體的顯示。“計算全息”技術的出現打破了這一限制，通過物理光學相關理論和計算機算法，就可以計算出現實中不存在的虛構物體對應的“全息底片”。將計算得到的“底片”信息（相位/振幅分布圖等）加載到動態光學調制器件（如空間光調制器，spatial light modulator, SLM）上，就可以通過衍射來復現出虛構物體的像。不斷刷新SLM加載的相位圖，我們就能看到動態的全息電影了。

“全息顯示技術”藝術效果圖（來自網絡）

這個過程設想得很美好，但實際操作中卻障礙重重，以至于如今還沒有任何嚴格意義上的動態全息顯示設備上市，生活中充斥的眾多標注為“全息顯示”的設備也都與全息沒什么關系。之所以如此困難，其中一個比較大的障礙就是，這些動態光學調制器件的單元結構實在是太大了，通常都比可見光波長大十幾甚至幾十倍。巨大的結構尺寸導致全息顯示的視場角極小，還會存在高級次像等問題。為了擴展視場角，有的研究團隊甚至不得不采用了陣列化SLM的方案，但也只是治標不治本。

SLM陣列（來自網絡）

隨著微納加工工藝的不斷進步，有一類被稱為“超表面（metasurface）”的新型光學器件逐漸興起。這是一種準二維形式的平面光學器件，由特殊排布的亞波長結構構成。所謂“亞波長”，意思就是尺寸比光波長更小。研究發現，當物質結構的尺寸小于光波長時，會呈現出與宏觀材料完全不同的光學性質。這些亞波長結構可以對光進行豐富的調制，無論是相位、振幅還是偏振，都不在話下。由這些強大的亞波長結構組成的平面光學器件就是“超表面”。無論是透鏡、分束器、偏振器等常用光學元件，還是軌道角動量、光學隱身器件等復雜光學元件，超表面都能實現，因此近年來超表面在光學研究的許多方向都大放異彩。由于強大的光學調制功能和豐富的調節自由度，基于超表面的新興光學研究領域也被譽為“工程光學2.0”。

同樣，超表面也可以應用于“計算全息”領域，被稱為“超表面全息（meta-hologram）”。由于超表面的單元結構比光波長更小，可以實現大視場角，并直接從原理上規避多級次像等問題，因此備受相關領域關注。

研究內容

目前可見光波段的超表面全息相關研究還是以靜態顯示為主，已有的少量動態顯示相關研究結果也不盡如人意。其中主要的問題是幀數和幀率。“幀數”是指一片器件能顯示幾幅不同的全息圖，“幀率”則是指每秒能切換多少幅全息圖。目前大部分動態顯示的研究結果幀數都在個位數，幀率也很低。這就導致“動態”只是概念性的實現，離真正應用還差很遠。

對于超表面動態全息顯示，目前的主流研究方向是想辦法讓組成超表面器件的每個亞波長結構都進行獨立控制。這當然是一個很正常的想法，舉個例子類比一下就很容易理解。拋開3D顯示暫且不談，就說說我們日常見到的普通2D顯示設備，比如平日里使用的LED/LCD顯示屏，只要能夠獨立控制每個像素，那整個屏幕要顯示什么內容都可以。同樣的，只要能夠對每個亞波長結構進行獨立控制，就能夠實現任意的3D顯示了。所以這也是超表面動態全息通用的解決方案，也是大家最終努力的方向，只是當前暫時還無法很好地實現。

不過，在剛才的舉例中，雖然LED/LCD是2D顯示中通用的解決方案，但通用方案未必在所有場景中都是最佳方案，所以并不是所有的2D顯示都是靠LED/LCD實現的。比如電子記分牌、時鐘、機場登機信息板等是利用類似“數碼管”的方式實現的，它們的特點就是通過大量子元素的不同組合來呈現不同的信息；還有一類諸如膠片電影，將連續動作分解為不同的連續幀，利用視覺暫留效果實現流暢的2D動態顯示。可以看出，在不同的具體應用場景中，其他技術方案可能比通用方案更有優勢，如成本、可靠性、維護難易程度等等。

常見的三種2D顯示技術

同樣地，在超表面動態全息研究中，除了對每個單元結構獨立控制，研究人員也產生了很多奇思妙想。例如通過切換入射的激光波長來切換全息圖像，或是通過改變入射角度或激光偏振方向改變顯示的全息圖像，等等。不過這些方案能夠實現的幀數都極少，幀率更是非常非常低，無法很好滿足動態顯示的需求。

為了解決幀數少、幀率低的問題，研究團隊構思了一種新的超表面動態全息的實現方法。一般情況下，超表面器件在使用時，構成這個器件的所有亞波長結構都會同時發揮作用。本研究反其道而行之，提出了“空間信道超表面器件”的概念。

空間信道超表面全息器件設計示意圖

研究人員將同一片超表面器件劃分為不同的空間區域，每個區域成為獨立的“空間信道”，每個空間信道負責顯示不同的全息圖形，而每個空間信道都可以實現獨立的開啟或關閉。如此一來，由N個空間信道構成的超表面全息器件，不就能夠實現2^N-1幅不同的全息圖了嗎？

“2^N-1”，是不是很眼熟？沒錯，這就是本文開篇我們看到的古裝劇中的“望樓”啊！甚至論文中設計的器件樣子也和方格子組成的望樓差不多（如下圖所示），只不過望樓每個格子只是用來顯示黑與白，而本研究中的每個空間信道則加載著豐富的全息信息罷了。通過增加空間信道數目，可以以指數形式極大提高總幀數。因此用這種方法，同一片超表面器件可以輕松實現數億甚至數百億幅不同的全息圖的動態顯示。

空間信道超表面全息器件

設想很美好，但要能夠實現清晰流暢的動態顯示，最關鍵的就是能夠精確獨立開關每個空間信道。不到1mm^2的器件由幾十甚至數百個空間信道構成，每個信道都比頭發絲還細，控制起來非常困難。為了解決這一問題，研究團隊設計了基于數字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）的高速高精度結構光場調制系統。

DMD局部放大圖（來自網絡）

DMD是一類由微型反射鏡（尺寸大約幾十微米）陣列構成的光學器件，每個反射鏡都可以獨立擺動，從而控制光的反射方向。只有當反射方向沿著目標路徑方向時，這個小鏡子的反射光才能夠出射，否則光會被遮擋住。因此平面激光光束通過DMD調制后，就可以變成空間復雜分布的結構光束。不過由于單個微鏡尺寸與空間信道尺寸相近，所以如果直接利用DMD調制后的結構光去控制空間信道，精度會很差。因此研究團隊利用透鏡和顯微物鏡搭建了縮束投影系統（類似于基礎版光刻機的光學系統），將DMD編碼的激光結構光束精確投影到超表面器件上，從而實現每個空間信道的獨立開啟與關閉。

之所以選擇使用DMD作為結構光束的編碼器件，還有一個重要原因就是DMD每秒萬幀的超高刷新速率，因此該動態全息顯示系統的幀率高達每秒萬幀。如此一來，就可以實現高速、高幀率的超表面動態全息顯示了。這個幀率其實已經遠遠超出了視覺暫留的需要，因此除了全息顯示，該研究還可以應用于光學信息處理、激光加工等其他領域。

該研究成果已于近期發表于國際著名學術期刊Science Advances。

結果展示

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后記

可能誰都想不到，熱播古裝劇與前沿科學領域在思想上竟然有不少相通的地方。所以蝸牛君科研之余還是應該多去看看劇，說不定對科研還有更多促進作用呢！

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本文為該研究內容的科普性介紹，具體理論及技術細節請參閱論文原文：

H. Gao, Y. Wang, X. Fan, B. Jiao, T. Li, C. Shang, C. Zeng, L. Deng, W. Xiong, J. Xia, M. Hong, Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate. Sci. Adv.6, eaba8595 (2020).

論文地址：Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate

2. 本文首發于“光電期刊”公眾號，轉載請聯系作者。

總結

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