Компьютерная голография (CGH) представляет собой передовую технологию, использующую компьютерные алгоритмы для динамической реконструкции виртуальных объектов. Эта технология нашла широкое применение в различных областях, таких как трехмерное отображение, оптическое хранение и обработка информации, развлечения и шифрование.
Несмотря на широкий спектр применения CGH, современные методы преимущественно полагаются на проекционные устройства, такие как пространственные модуляторы света (SLM) и цифровые микрозеркальные устройства (DMD). Эти устройства по своей сути сталкиваются с ограничениями в возможностях отображения, что часто приводит к узкому полю обзора и многоуровневой дифракции проецируемых изображений.
В недавних разработках метаповерхности, состоящие из массива субволновых наноструктур, продемонстрировали исключительные возможности модуляции электромагнитных волн. Внося резкие изменения в фундаментальные свойства волн, такие как амплитуда и фаза, посредством наноструктурирования в субволновых масштабах, метаповерхности обеспечивают эффекты модуляции, которых сложно достичь с помощью традиционных устройств.
Достижения в области голографии на основе метаповерхностей привели к таким значительным достижениям, как большие углы обзора, ахроматическое изображение, полноцветные дисплеи, увеличенная информационная емкость и многомерное мультиплексирование, что делает их мощными инструментами для динамических голографических дисплеев.
Тем не менее, динамическая метаповерхностная голография по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами в реализации в реальном времени очень плавных динамических эффектов отображения, необходимых для продвинутых дисплеев, таких как расширенное взаимодействие человека и компьютера. Ключом к созданию голографических дисплеев с жидкой метаповерхностью является достижение высокой частоты вычислений и отображения кадров. Частота кадров вычислений означает скорость расчета, обработки и подготовки данных к отображению, гарантируя, что система сможет вычислить необходимый контент в режиме реального времени.
Большинство современных решений голографического отображения в значительной степени зависят от многократного выполнения быстрых преобразований Фурье (БПФ), обычно требующих выделенных вычислительных блоков, таких как графические процессоры (GPU), для удовлетворения требований к высокой частоте обновления, что делает вычислительную мощность и энергопотребление критическими узкими местами для широко распространенных приложение.
С другой стороны, частота кадров дисплея, скорость, с которой устройства отображения обновляют и представляют новый контент, имеет решающее значение для плавности визуального контента. В настоящее время большинство стратегий динамического голографического отображения, основанных на метаповерхностях, с трудом достигают высокой частоты кадров, что ограничивает их способность обеспечивать плавное визуальное восприятие.
Решая эти проблемы, команда под руководством профессора Сюн Вэя и доцента Гао Хуэя из Уханьской национальной лаборатории оптоэлектроники Хуачжунского университета науки и технологий представила метод динамической интерактивной побитовой метаповерхностной голографии (Bit-MH) с высокими вычислительными возможностями и кадром отображения. ставки. Они создали первую в мире практическую интерактивную систему голографического отображения на метаповерхности.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Opto-Electronic Advances, команда разделила функциональные возможности отображения метаповерхностей на отдельные пространственные области или каналы, каждый из которых способен проецировать реконструированный субголографический рисунок. Используя оптическую адресацию для пространственного мультиплексирования каналов, они сопоставили состояния включения/выключения всех каналов с набором битовых значений, тем самым превратив процесс динамического обновления голографии в манипулирование этими битовыми значениями для управления соответствующими каналами.
Этот подход значительно повышает эффективность вычислений за счет использования отображаемых побитовых операций вместо частых вычислений БПФ, необходимых для традиционных обновлений динамической голографии, что приводит к эффективному динамическому обновлению.
Исследователи провели тесты производительности основного алгоритма побитовой динамической голографии на маломощной вычислительной платформе Raspberry Pi и обнаружили, что максимальная частота кадров при использовании побитовой динамической голографии может достигать 800 кГц. Кроме того, за счет использования высокоскоростных устройств оптической адресации DMD они достигли максимальной частоты кадров дисплея 23 кГц.
Чтобы продемонстрировать эту концепцию, исследовательская группа создала интерактивную голографическую игровую систему для игры в тетрис в видимом спектре света. Основные компоненты системы включают пространственно сегментированное метаповерхностное устройство, DMD, контроллер Raspberry Pi, игровой контроллер и необходимые оптические компоненты.
Предложенная конструкция побитовой динамической голографии позволяет эффективно обновлять голографические изображения и взаимодействовать в реальном времени с внешними устройствами ввода. Ожидается, что этот эффективный и программируемый метод Bit-MH проложит путь к будущим плавным и эффективным метаповерхностным голографическим системам отображения.
