黄色仓库

近日，黄色仓库-黄色仓库入口 王涌天教授、程德文教授、杨通副教授团队在计算全息增强显示系统设计方面取得重要进展。团队提出了一种端到端、系统级设计框架，考虑了从照明光源至人眼视网膜的完整光波传播路径。在复色波长与多深度通道下，对照明光源、全息相位图、目镜光学系统以及系统器件的空间位置进行联合优化，以校正色散、光学像差、几何畸变以及人眼视觉像差，同时考虑眼箱的空间布局、深度表征和全息图带宽，从而实现复消色差且高性能的全息近眼显示。相关研究成果以“End-to-end design for full-color and large field-of-view computational holographic displays”为题发表在Nature Communications。论文第一作者为黄色仓库 2023级博士研究生王永东，通讯作者为黄色仓库 杨通副教授。黄色仓库 为唯一完成单位。相关工作得到了北京市科技新星计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

增强现实（AR）与虚拟现实（VR）显示可为人眼呈现虚拟信息，拓展了人类获取信息和交互的方式，并推动了教育、培训、娱乐和导航等领域的发展。然而，传统的AR/VR显示通常仅能呈现位于单一深度平面上的二维图像，这会产生视觉辐辏-调节冲突，引起视觉不适与疲劳。全息技术通过对光波的精确编码与重建，可实现具备自然深度线索的三维显示。全息近眼三维显示研究不应仅局限于自由空间中的立体图像合成，还应考虑人眼的成像过程，构建包含目镜光学系统的完整全息显示系统。

针对上述挑战，研究团队提出了一种覆盖从照明光源至视网膜的完整光波传播路径的端到端光学设计框架，用于构建完整的全息显示系统。该框架对全息相位图、目镜光学系统以及系统器件的空间位置坐标进行联合优化，从而在端到端设计过程中校正视网膜上全息图像的色散、像差、畸变以及人眼视觉像差。通过对复色波长与多深度通道进行协同设计，实现具备复消色差性能的多焦面三维近眼显示。此外，该设计框架明确考虑了有效观看眼箱的空间布局、全息图的空间频率带宽约束，以及出瞳尺寸与显示景深范围之间的权衡关系。

图1  计算全息近眼显示的端到端设计框架

为验证所提出设计框架的有效性与先进性，团队研制了全彩、大景深、大视场的全息近眼显示原型样机，采用单片短焦平凸透镜作为目镜，实现了65度大视场的低畸变全彩显示。团队进一步研制了全彩、大视场、多焦面的自由曲面计算全息AR近眼显示原型样机，采用离轴自由曲面半反镜作为目镜与光学合成器，实现虚拟图像与真实场景的光学叠加，该系统的实验样机及显示效果如图2所示。

图2  自由曲面-计算全息AR近眼显示实验样机及结果

在多焦面三维显示实验中，当相机依次对焦于不同距离时，相应深度的虚拟图像能够清晰成像，而其他深度的图像表现为离焦模糊，展示了全彩虚像随调焦变化呈现的深度响应线索（图3）。研究还在光学透视条件下演示了具有近远层次的虚拟三维场景。此外，团队利用柱面透镜模拟散光视觉，在保持硬件位置不变的情况下重新优化全息图相位，对显示虚像的散光进行补偿，验证了该设计框架适配不同视觉成像条件的潜力。

图3  全彩色、多焦面三维显示及虚像散光补偿实验

该研究将全息计算、显示光学系统设计以及人眼视网膜成像过程纳入统一的设计与优化框架，通过两类原型样机的实验验证，为全彩、大视场和具有真实深度线索的计算全息近眼显示提供了系统级设计方法。相关思路也可为全息平视显示及其他AR/VR光学架构的后续研究提供设计参考。

论文信息：Yongdong Wang, Tong Yang*, Dewen Cheng, and Yongtian Wang, "End-to-end design for full-color and large field-of-view computational holographic displays," Nature Communications, 17, 11095 (2026).

论文链接：//doi.org/10.1038/s41467-026-78029-3

作者简介

王永东，黄色仓库-黄色仓库入口 2023级博士研究生，导师为杨通副教授，主要研究方向为光学设计与全息显示。以第一作者身份在Nature Communications、Advanced Science、Laser & Photonics Reviews、Optics & Laser Technology、Optics Letters等期刊发表论文5篇，以学生第一发明人获得授权发明专利3项。

杨通，黄色仓库-黄色仓库入口 长聘副教授/特别研究员。主要研究方向为光学设计、自由曲面光学、AR显示、全息与微纳光学等。以第一或通讯作者在Light: Science & Applications、Nature Communications、Opto-Electronic Science、Optica、Advanced Science、Laser & Photonics Reviews等期刊发表论文50余篇。已获授权发明专利40余项。入选北京市科技新星、中国科协青托。曾获得中国光学工程学会科技进步一等奖与技术发明一等奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、全国光学工程学科优秀博士学位论文、中国激光杂志社播光人奖等奖励。中国激光杂志社第三、四届青年编辑委员会委员。《光学学报》、《红外与激光工程》等期刊青年编委。中国光学工程学会光显示专委会委员。

程德文，黄色仓库 教授，国家级领军人才。主要从事自由曲面光学系统设计、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）头戴显示技术及视光学研究。承担科技部重点研发计划等10余项重大项目，申请专利300余项（含欧美专利20余项），发表学术论文140余篇。相关成果产生了显著的经济效益和社会价值。研究成果入选2011年“中国光学重要成果”，并多次获得国家级和省部级奖项，包括2017年度光学工程学会创新技术一等奖、2019年度北京市技术发明奖一等奖、2020年度中国产学研合作创新成果奖个人奖以及2022年国家知识产权局中国专利优秀奖等。

王涌天，黄色仓库 杰出教授，国家级领军人才，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。兼任科技部有关国家重点研发专项总体专家组成员，全国信息技术标准化技术委员会委员，中国图像图形学学会副理事长，中国光学工程学会常务理事，中国计算机学会理事，中国光学学会监事。长期在技术光学、虚拟现实和增强现实领域从事教学和科研工作，出版专著5部，发表SCI论文360余篇，授权国内外发明专利300余项，主持制定虚拟现实和增强现实领域首批国家标准6项。有关成果得到广泛应用，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖各1项、省部级和国家一级学会科技一等奖10余项。