相比于AR/VR显示技术，全息光学的视场角受到更大限制。通常，全息技术通过干涉和衍射原理来记录、重建完整的波前信息，实现3D全息显示。现有的全息技术，常常将3D图像投影到一个看似立体的平面上，而很多全息显示方案使用衍射图形来修改光波阵面，来创建3D图像。比较常见的方案使用了空间光线调制器（SLM）、激光器或LED光源，并将图像投影到LCoS显示表面上。

传统3D全息显示技术基于光折变聚合物等光学材质，难以实现动态刷新。因此，SLM在全息3D显示领域得到广泛应用。不过，对于动态全息3D显示技术，人们追求大尺寸、宽视场角。但目前SLM空间光调制器受到像素间距和尺寸限制，很难满足要求。常见的基于单SLM的全息系统，视场角小于9°，显示区域宽度不到2cm。如果通过增加SLM像素数来提升显示区域和视场角，那么像素解析量过大，效率低下。

假设想要重建一个300mmx300mmx300mm的全视差3D全息图，并实现30°视场角，那么SLM的像素数量将至少达到10^12，而即使用目前最先进的光刻技术，也很难制造出拥有该数量级的SLM模组。而如果在3D全息系统中仅使用单个SLM，那么即使在SLM分辨率达到3840x2160，像素间距达3.74μm，激光波长达532nm的情况下，视场角也通常小于9°，显示宽度低于20mm，这很难实现良好的观看效果。

为了解决上述问题，一些SLM利用时间复用、空间复用方式，来提高全息图的FOV和尺寸，然而时间复用方案对于SLM的刷新率要求很高，而空间复用方案结构复杂、成本高。此外，也有人采用超表面结构，来实现亚波长调制。尽管超表面结构、全息光学元件可以有效扩大视场角、放大显示尺寸，但这两种方案在制造工艺上存在困难和挑战。

因此，北京航空航天大学仪器与光电工程学院的科研人员提出了一种基于可调液晶光栅的大尺寸全息3D显示系统，相比于传统单个SLM系统，该系统的优势是视场角扩大7倍，达57.4°，图像尺寸放大了4.2倍。据悉，该实验由李移隆主导，他和科研团队实施了两种不同的全息成像方案，一种基于周期可调的可调液晶光栅，可扩大视场角，而另一种则是通过重建图像的二次衍射来扩大全息图尺寸。

据了解，液晶光栅是一种基于几何相位原理的光栅器件，它作用于圆偏振光，具有电光和偏振可调性，可调节入射光振幅和相位，其一级衍射的效率理论上可达到100%。由于液晶材料具备流动性和双折射特性，它可以实现对光强度、偏振等性质的调控。此外，液晶材料在可见光和红外波长范围呈透明状态，透光度较好。

科研人员表示：近年来，随着液晶技术发展，它的相位可调特性为全息显示提供了新的机遇。通过液晶透镜、液晶光阀等元件，可提高全息3D显示的质量。可调液晶光栅通过电压来驱动光束调节，可用于光波导、光束偏转、光互联、AR显示、3D显示等多种场景。通过电压调节液晶光栅，还可以实现2D图像和3D图像之间的切换。

为了实现宽视场角，科研人员将液晶光栅通电，电压会导致液晶分子呈现衍射光栅的周期性顺序，接着光栅又会形成二次衍射图像。因此，可以通过改变电压和调整光栅的周期，来调整二次衍射图像的数量。此外，再通过调整偏振光阀，来确保只有正向一级衍射光可以通过该系统。

简单来讲，就是利用可调液晶光栅对SLM产生的衍射图进行二次调节。第一次衍射：衍射光经过SLM和分束器后通过透镜1，然后通过滤光片，消除高阶衍射光。可调液晶光栅位于透镜1的后焦平面与透镜2的前焦平面上，向液晶光栅施加电压后，会导致第二次衍射，从而扩大3D全息图的视场角和尺寸。为了扩大3D全息图像的尺寸，第二种成像方案生成两个大小相等的子全息图，在光栅通电之前，第一个子全息图已经加载到SLM上，通电后，便将第二个子全息图也加载到SLM上。

当响应速度足够快时，两个子全息图可以无缝拼接，利用人眼视觉暂留效果，将3D全息图像尺寸扩大到4.2倍。科研人员表示：由于光栅的响应时间约29.2ms，几乎可以满足同步控制子全息图的效果。

细节方面，科研人员设计的可调液晶光栅主要由上基板、上电极、液晶层、下电极和下基板组成。在初始状态下，可调液晶光栅不通电，而通电并施加电压时，液晶分子呈周期模式排列，这时可调液晶光栅对全息图像进行二次调制，并通过光栅的周期将原始全息图变成7个连续的大全息图，从而将视场角扩大为原来的7倍。另外，通过不同的通电模式（仅上电极通电，或上下电极同时通电），可形成不同的液晶分子排布（小周期或大周期），从而实现液晶光栅的周期切换。通过施加电流，可调液晶光栅的间距也可以改变。

实验中使用的3D全息系统由激光器、扩束器、分束器、SLM、4f光学系统（包括两个透镜）、滤波器和可调液晶光栅、偏振光阀、信号控制器组成。其中激光器和扩束器可产生准直入射光，准直入射光通过分束器后，会照射SLM。而SLM加载了3D全息图。

而偏振光阀则用于控制不同衍射级的光通过，从而调节光的强度。信号控制器用于生成全息图，并同步控制施加在可调液晶光栅上的电压、全息图的加载顺序，以及偏振光阀的状态。二次衍射图像通过透镜2后，可通过相机来捕捉重建的3D全息图像。

科研人员指出，全息技术可用于多种领域，比如3D可视化、数据储存、光学加密、医学成像、数字显微镜等等。而其研发的SLM+液晶光栅系统结构简单、易于操作，未来可以用于医疗、教育、娱乐、广告等领域。未来，还将继续优化该方案的色彩，推动其在全息显示领域的应用。除了全息显示外，科研人员还希望将该技术用于AR显示领域。参考：DisplayDaily，Nature