相比於AR/VR顯示技術，全息光學的視場角受到更大限制。通常，全息技術通過干涉和衍射原理來記錄、重建完整的波前信息，實現3D全息顯示。現有的全息技術，常常將3D圖像投影到一個看似立體的平面上，而很多全息顯示方案使用衍射圖形來修改光波陣面，來創建3D圖像。比較常見的方案使用了空間光線調製器（SLM）、雷射器或LED光源，並將圖像投影到LCoS顯示表面上。
傳統3D全息顯示技術基於光折變聚合物等光學材質，難以實現動態刷新。因此，SLM在全息3D顯示領域得到廣泛應用。不過，對於動態全息3D顯示技術，人們追求大尺寸、寬視場角。但目前SLM空間光調製器受到像素間距和尺寸限制，很難滿足要求。常見的基於單SLM的全息系統，視場角小於9°，顯示區域寬度不到2cm。如果通過增加SLM像素數來提升顯示區域和視場角，那麼像素解析量過大，效率低下。
假設想要重建一個300mmx300mmx300mm的全視差3D全息圖，並實現30°視場角，那麼SLM的像素數量將至少達到10^12，而即使用目前最先進的光刻技術，也很難製造出擁有該數量級的SLM模組。而如果在3D全息系統中僅使用單個SLM，那麼即使在SLM解析度達到3840x2160，像素間距達3.74μm，雷射波長達532nm的情況下，視場角也通常小於9°，顯示寬度低於20mm，這很難實現良好的觀看效果。
為了解決上述問題，一些SLM利用時間復用、空間復用方式，來提高全息圖的FOV和尺寸，然而時間復用方案對於SLM的刷新率要求很高，而空間復用方案結構複雜、成本高。此外，也有人採用超表面結構，來實現亞波長調製。儘管超表面結構、全息光學元件可以有效擴大視場角、放大顯示尺寸，但這兩種方案在製造工藝上存在困難和挑戰。
因此，北京航空航天大學儀器與光電工程學院的科研人員提出了一種基於可調液晶光柵的大尺寸全息3D顯示系統，相比於傳統單個SLM系統，該系統的優勢是視場角擴大7倍，達57.4°，圖像尺寸放大了4.2倍。據悉，該實驗由李移隆主導，他和科研團隊實施了兩種不同的全息成像方案，一種基於周期可調的可調液晶光柵，可擴大視場角，而另一種則是通過重建圖像的二次衍射來擴大全息圖尺寸。
據了解，液晶光柵是一種基於幾何相位原理的光柵器件，它作用於圓偏振光，具有電光和偏振可調性，可調節入射光振幅和相位，其一級衍射的效率理論上可達到100%。由於液晶材料具備流動性和雙折射特性，它可以實現對光強度、偏振等性質的調控。此外，液晶材料在可見光和紅外波長範圍呈透明狀態，透光度較好。
科研人員表示：近年來，隨著液晶技術發展，它的相位可調特性為全息顯示提供了新的機遇。通過液晶透鏡、液晶光閥等元件，可提高全息3D顯示的質量。可調液晶光柵通過電壓來驅動光束調節，可用於光波導、光束偏轉、光互聯、AR顯示、3D顯示等多種場景。通過電壓調節液晶光柵，還可以實現2D圖像和3D圖像之間的切換。
為了實現寬視場角，科研人員將液晶光柵通電，電壓會導致液晶分子呈現衍射光柵的周期性順序，接著光柵又會形成二次衍射圖像。因此，可以通過改變電壓和調整光柵的周期，來調整二次衍射圖像的數量。此外，再通過調整偏振光閥，來確保只有正向一級衍射光可以通過該系統。
簡單來講，就是利用可調液晶光柵對SLM產生的衍射圖進行二次調節。第一次衍射：衍射光經過SLM和分束器後通過透鏡1，然後通過濾光片，消除高階衍射光。可調液晶光柵位於透鏡1的後焦平面與透鏡2的前焦平面上，向液晶光柵施加電壓後，會導致第二次衍射，從而擴大3D全息圖的視場角和尺寸。為了擴大3D全息圖像的尺寸，第二種成像方案生成兩個大小相等的子全息圖，在光柵通電之前，第一個子全息圖已經加載到SLM上，通電後，便將第二個子全息圖也加載到SLM上。
當響應速度足夠快時，兩個子全息圖可以無縫拼接，利用人眼視覺暫留效果，將3D全息圖像尺寸擴大到4.2倍。科研人員表示：由於光柵的響應時間約29.2ms，幾乎可以滿足同步控制子全息圖的效果。
細節方面，科研人員設計的可調液晶光柵主要由上基板、上電極、液晶層、下電極和下基板組成。在初始狀態下，可調液晶光柵不通電，而通電並施加電壓時，液晶分子呈周期模式排列，這時可調液晶光柵對全息圖像進行二次調製，並通過光柵的周期將原始全息圖變成7個連續的大全息圖，從而將視場角擴大為原來的7倍。另外，通過不同的通電模式（僅上電極通電，或上下電極同時通電），可形成不同的液晶分子排布（小周期或大周期），從而實現液晶光柵的周期切換。通過施加電流，可調液晶光柵的間距也可以改變。
實驗中使用的3D全息系統由雷射器、擴束器、分束器、SLM、4f光學系統（包括兩個透鏡）、濾波器和可調液晶光柵、偏振光閥、信號控制器組成。其中雷射器和擴束器可產生準直入射光，準直入射光通過分束器後，會照射SLM。而SLM加載了3D全息圖。
而偏振光閥則用於控制不同衍射級的光通過，從而調節光的強度。信號控制器用於生成全息圖，並同步控制施加在可調液晶光柵上的電壓、全息圖的加載順序，以及偏振光閥的狀態。二次衍射圖像通過透鏡2後，可通過相機來捕捉重建的3D全息圖像。
科研人員指出，全息技術可用於多種領域，比如3D可視化、數據儲存、光學加密、醫學成像、數字顯微鏡等等。而其研發的SLM+液晶光柵系統結構簡單、易於操作，未來可以用於醫療、教育、娛樂、廣告等領域。未來，還將繼續優化該方案的色彩，推動其在全息顯示領域的應用。除了全息顯示外，科研人員還希望將該技術用於AR顯示領域。參考：DisplayDaily，Nature