Datorgenererad holografi (CGH) representerar en banbrytande teknologi som använder datoralgoritmer för att dynamiskt rekonstruera virtuella objekt. Denna teknik har hittat omfattande tillämpningar inom olika områden som tredimensionell skärm, optisk informationslagring och bearbetning, underhållning och kryptering.
Trots det breda tillämpningsspektrumet för CGH, är modern teknik huvudsakligen beroende av projektionsanordningar som rumsliga ljusmodulatorer (SLM) och digitala mikrospegelanordningar (DMD). Dessa enheter har i sig begränsningar i visningsmöjligheter, vilket ofta resulterar i ett smalt synfält och diffraktion på flera nivåer i projicerade bilder.
Under den senaste utvecklingen har metasytor som består av en rad subvåglängds nanostrukturer visat exceptionella möjligheter att modulera elektromagnetiska vågor. Genom att introducera abrupta förändringar av grundläggande vågegenskaper som amplitud och fas genom nanostrukturering på subvåglängdsskalor, möjliggör metasytor moduleringseffekter som är utmanande att uppnå med traditionella enheter.
Framsteg inom metasytebaserad holografi har lett till betydande prestationer som stora betraktningsvinklar, akromatisk avbildning, fullfärgsskärmar, ökad informationskapacitet och multidimensionell multiplexering, vilket gör dem till potenta verktyg för dynamiska holografiska visningar.
Ändå står dynamisk metasurface-holografi fortfarande inför stora utmaningar när det gäller att realisera i realtid, mycket flytande dynamiska visningseffekter som krävs för avancerade skärmar som avancerad människa-dator-interaktion. Nyckeln till holografiska skärmar med flytande metasytor ligger i att uppnå höga beräknings- och bildrutehastigheter. Beräkningsbildhastighet avser hastigheten för databeräkning, bearbetning och förberedelse för visning, vilket säkerställer att systemet kan beräkna det nödvändiga innehållet i realtid.
De flesta nuvarande holografiska visningslösningar är mycket beroende av att utföra snabba Fourier-transformationer (FFT) flera gånger, vilket vanligtvis kräver dedikerade beräkningsenheter som grafikprocessorer (GPU) för att möta kraven på höga uppdateringsfrekvenser, vilket gör beräkningskraft och energiförbrukning kritiska flaskhalsar för utbredda ansökan.
Å andra sidan är bildrutehastigheten, den hastighet med vilken bildskärmsenheter uppdaterar och presenterar nytt innehåll, avgörande för smidigheten i visuellt innehåll. För närvarande kämpar de flesta dynamiska holografiska visningsstrategier baserade på metasytor för att uppnå höga bildrutehastigheter, vilket hämmar deras förmåga att leverera en flytande visuell upplevelse.
För att ta itu med dessa utmaningar har ett team ledd av professor Xiong Wei och docent Gao Hui från Wuhan National Laboratory for Optoelectronics vid Huazhong University of Science and Technology introducerat en dynamisk interaktiv bitvis metasurface holography (Bit-MH) teknik med hög beräknings- och visningsram priser. De har konstruerat världens första praktiska interaktiva holografiska visningssystem för metasytor.
I deras studie, publicerad i Opto-Electronic Advances , segmenterade teamet visningsfunktionaliteten för metasytor i distinkta rumsliga regioner eller kanaler, med var och en kapabel att projicera ett rekonstruerat subholografiskt mönster. Genom att använda optisk adressering för rumslig kanalmultiplexering, mappade de på/av-tillstånden för alla kanaler till en uppsättning bitvärden, och omvandlade på så sätt den dynamiska uppdateringsprocessen för holografi till manipulation av dessa bitvärden för att styra motsvarande kanaler.
Detta tillvägagångssätt förbättrar beräkningseffektiviteten avsevärt genom att använda mappade bitvisa operationer istället för att förlita sig på frekventa FFT-beräkningar som krävs av traditionella dynamiska holografiuppdateringar, vilket resulterar i effektiv dynamisk uppdatering.
Forskarna utförde benchmark-tester av kärnalgoritmen för bitvis dynamisk holografi på en lågeffekts Raspberry Pi-datorplattform, och avslöjade att den maximala beräkningsbildhastigheten för den bitvisa dynamiska holografimetoden kan nå upp till 800 kHz. Dessutom, genom att använda höghastighets DMD optiska adresseringsenheter, uppnådde de en maximal bildrutehastighet på 23 kHz.
För att demonstrera konceptet byggde forskargruppen ett interaktivt holografiskt spelsystem för att spela Tetris inom det synliga ljusspektrumet. Systemets kärnkomponenter inkluderar en rumsligt segmenterad metasurface-enhet, DMD, Raspberry Pi-kontroller, spelkontroller och nödvändiga optiska komponenter.
Den föreslagna designen för bitvis dynamisk holografi möjliggör effektiv uppdatering av holografiska bilder och interaktion i realtid med externa indataenheter. Denna effektiva och programmerbara Bit-MH-metod förväntas bana väg för framtida smidiga och effektiva holografiska visningssystem för metasytor.
Mer information: Yuncheng Liu et al, Dynamisk interaktiv bitvis metaholografi med ultrahöga beräknings- och bildrutehastigheter för visning, Opto-Electronic Advances (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108
Tillhandahålls av Compuscript Ltd
