传统全息技术通过相干波场干涉记录和重建物体波场，但该技术必须依赖相干光源才能实现准确重建；且视窗狭小，轻微眼球移动就会导致图像消失，还易产生散斑噪声。
先进计算光学方法通过将“光学干涉记录”的部分工作转移到“计算处理”环节，能够实现非相干光获取全息数据，还能够减少散斑噪声和样本损伤，但存在出瞳小、计算成本高、图像质量低等问题，且光学重建仍依赖于部分相干光。
针对这一挑战，韩国研究团队创新性地提出一种全新的全息技术——相干重建非相干叠加（CRIS：Coherently-Reconstructed Incoherent Sum），首次实现了基于非相干光的全息图光学重建，打破了传统全息技术对相干光的依赖；该技术通过将非相干光分解为无限小相干光，分别计算各分量的传播过程，并优化其非相干叠加结果，使叠加后的强度精准匹配目标3D场景，实现清晰重建。此外，团队还通过训练CRISNet神经网络，大幅降低计算成本，实现了非相干全息图实时合成，为全息显示的实际应用开辟了新道路。
该工作以“Spatial incoherence-driven optical reconstruction of holograms with observer shift-invariance”为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上。韩国梨花女子大学的 Yeo Ju Sohn 为论文的第一作者，韩国嘉泉大学的 Daeho Yang 为论文的通信作者。
创新研究
研究人员首先展示了CRIS的工作原理与关键特性（如图1），完整诠释了CRIS技术从光学原理到计算优化的核心逻辑，为理解技术如何利用非相干光实现3D重建与宽视窗提供直观支撑。
CRIS技术需将空间光调制器（SLM）置于光源傅里叶平面、瞳孔靠近SLM傅里叶平面；点光源在SLM处形成特定的平面波，经调制后在瞳孔平面被瞳孔孔径滤波，不同入射角度的光对应不同滤波后的波场，最终通过非相干叠加进行重建（如图1b）；并通过图1e展示了用于实时合成全息图的CRISNet 神经网络结构（输入RGB-D图像、输出调制信号）。
研究人员通过数值重建和光学重建，从多个维度验证了CRIS技术的3D重建可行性与移位不变性。
首先以“地球-月球”场景为例，通过数值重建，验证了CRIS的3D重建功能：对焦前景（月球）时地球模糊（图2a），对焦背景（地球）时月球模糊（图2b）。通过不同瞳孔位置的重建图像、PSNR随瞳孔位置的分布曲线（平均PSNR在瞳孔中心达29dB、位移至半视窗长度~2Lₑ时仍有26.3dB），验证了瞳孔移位下的强度不变性，且PSNR的半高全宽与理论推导的~2Lₑ一致，支撑了视窗扩展的理论依据。
从光学重建结果图来看（如图3），其3D场景实验重建、2D悬浮图像的光学重建及不同瞳孔位置的重建效果与图2结果相对应，进一步实证了CRIS的3D重建可行性与移位不变性。同时该技术因抑制了空间相干性，避免了传统激光全息的散斑噪声，体现出高画质优势，且实验中观察到了32倍视窗扩展（主要受光学系统数值孔径限制），为理论上的1000倍扩展提供了实验支撑。
图2. CRIS技术的数值重建
图3. CRIS技术的光学重建
此外，团队还展示了CRIS技术移位不变性的理论推导示意图（如图4），通过标注瞳孔位置向量及对应的光学传播路径，直观呈现菲涅尔近似下瞳孔沿x、y轴位移时，特定入射角的光经瞳孔过滤后，其波场与瞳孔在中心时的波场通过非相干叠加可抵消差异，最终使视网膜处重建强度保持不变，为移位不变性公式推导提供可视化支撑。
图4. 瞳孔移位不变性计算示意图
在实用性方面，团队通过图5a展示了基于DIV2K验证数据集的平均PSNR随相对瞳孔面积变化的曲线（红色虚线为相对于最大PSNR的-3dB线），明确瞳孔面积变化对重建画质的影响程度；并通过图5b呈现了不同相对瞳孔面积下的CRIS数值重建结果，未观察到类散斑图案，可见画质稳定性较强。
并且相较于传统迭代法（ITER）、未优化CRIS合成法（Raw）与优化CRIS合成法（OPT）的计算时间，CRISNet 将计算时间缩短至传统方法的1/40000，为CRIS技术的实际应用提供数据支撑。
总结与展望
研究团队开发了一种全新的CRIS全息技术，首次实现了基于完全非相干光的全息图光学重建；从理论推导与实验验证两方面，证实该技术可同时实现高画质、宽视窗特性；还设计了CRISNet神经网络，将计算时间缩短至传统方法的1/40000，实现了全息图的实时合成，为全息显示在近眼显示、生物3D成像等领域的实用化提供了新方案。
CRIS全息技术仍存在无运动视差、非SLM平面物体离焦模糊不自然及现有光学系统数值孔径（0.3）不足等局限；未来，可通过优化深度表征（运动视差、离焦模糊）、提升光学系统数值孔径以实现理论出瞳扩展。
论文信息
Sohn, Y.J., Yang, D. Spatial incoherence-driven optical reconstruction of holograms with observer shift-invariance. Light Sci Appl 14, 191 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01823-z
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