Dynamisk interaktiv bitvis metaholografi med ultra-høje beregnings- og skærmbilleder

Computergenereret holografi (CGH) repræsenterer en banebrydende teknologi, der anvender computeralgoritmer til dynamisk at rekonstruere virtuelle objekter. Denne teknologi har fundet omfattende applikationer på tværs af forskellige områder såsom tredimensionel visning, optisk informationslagring og -behandling, underholdning og kryptering.

På trods af det brede anvendelsesspektrum af CGH, er moderne teknikker overvejende afhængige af projektionsenheder som rumlige lysmodulatorer (SLM'er) og digitale mikrospejlenheder (DMD'er). Disse enheder står i sagens natur over for begrænsninger i visningsmuligheder, hvilket ofte resulterer i et smalt synsfelt og diffraktion på flere niveauer i projicerede billeder.

I den seneste udvikling har metasurfaces sammensat af en række af subbølgelængde nanostrukturer demonstreret exceptionelle evner til at modulere elektromagnetiske bølger. Ved at introducere pludselige ændringer i fundamentale bølgeegenskaber som amplitude og fase gennem nanostrukturering ved subbølgelængdeskalaer muliggør metasurfaces moduleringseffekter, som er udfordrende at opnå med traditionelle enheder.

Fremskridt inden for metasurface-baseret holografi har ført til betydelige resultater såsom store betragtningsvinkler, akromatisk billeddannelse, fuldfarveskærme, øget informationskapacitet og multidimensionel multipleksing, hvilket gør dem til potente værktøjer til dynamiske holografiske visninger.

Ikke desto mindre står dynamisk metasurface-holografi stadig over for store udfordringer med at realisere realtids, meget flydende dynamiske skærmeffekter, der kræves til avancerede skærme, såsom avanceret menneske-computer-interaktion. Nøglen til flydende metasurface holografiske skærme ligger i at opnå høje beregnings- og skærmbilleder. Beregningsrammehastighed refererer til hastigheden af ​​databeregning, -behandling og -forberedelse til visning, hvilket sikrer, at systemet kan beregne det nødvendige indhold i realtid.

De fleste nuværende holografiske skærmløsninger er stærkt afhængige af at udføre hurtige Fourier-transformationer (FFT'er) flere gange, hvilket normalt kræver dedikerede beregningsenheder som grafikprocessorenheder (GPU'er) for at opfylde kravene til høje opdateringshastigheder, hvilket gør beregningskraft og energiforbrug til kritiske flaskehalse for udbredt ansøgning.

På den anden side er displayets billedhastighed, den hastighed, hvormed displayenheder opdaterer og præsenterer nyt indhold, afgørende for glatheden af ​​visuelt indhold. På nuværende tidspunkt kæmper de fleste dynamiske holografiske visningsstrategier baseret på metasurfaces for at opnå høje skærmbilleder, hvilket hæmmer deres evne til at levere en flydende visuel oplevelse.

For at løse disse udfordringer har et team ledet af professor Xiong Wei og lektor Gao Hui fra Wuhan National Laboratory for Optoelectronics ved Huazhong University of Science and Technology introduceret en dynamisk interaktiv bitwise metasurface holography (Bit-MH) teknik med høj beregnings- og displayramme satser. De har konstrueret verdens første praktiske interaktive holografiske metasurface-displaysystem.

I deres undersøgelse, offentliggjort i Opto-Electronic Advances , holdet segmenterede visningsfunktionaliteten af ​​metasurfaces i distinkte rumlige regioner eller kanaler, med hver i stand til at projicere et rekonstrueret subholografisk mønster. Ved at bruge optisk adressering til rumlig kanalmultipleksing kortlagde de alle kanalers tænd/sluk-tilstande til et sæt bitværdier, og transformerede dermed holografiens dynamiske opdateringsproces til manipulation af disse bitværdier for at kontrollere de tilsvarende kanaler.

Denne tilgang forbedrer beregningseffektiviteten markant ved at bruge kortlagte bitvise operationer i stedet for at stole på hyppige FFT-beregninger, der kræves af traditionelle dynamiske holografiopdateringer, hvilket resulterer i effektiv dynamisk genopfriskning.

Forskerne udførte benchmark-tests af kernealgoritmen for bitvis dynamisk holografi på en Raspberry Pi-computerplatform med lav effekt, hvilket afslørede, at den maksimale beregningsmæssige frame-rate for den bitvise dynamiske holografi-tilgang kan nå op til 800 kHz. Derudover opnåede de en maksimal billedhastighed på 23 kHz ved at anvende optiske DMD-adresseringsenheder med høj hastighed.

For at demonstrere konceptet byggede forskerholdet et interaktivt holografisk spilsystem til at spille Tetris inden for det synlige lysspektrum. Systemets kernekomponenter omfatter en rumligt segmenteret metasurface-enhed, DMD, Raspberry Pi-controller, gaming-controller og nødvendige optiske komponenter.

Det foreslåede design til bitvis dynamisk holografi giver mulighed for effektiv opdatering af holografiske billeder og interaktion i realtid med eksterne inputenheder. Denne effektive og programmerbare Bit-MH-metode forventes at bane vejen for fremtidige glatte og effektive holografiske systemer til metasurface.

Flere oplysninger: Yuncheng Liu et al., Dynamisk interaktiv bitvis metaholografi med ultrahøje beregnings- og skærmbilleder, Opto-Electronic Advances (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108

Leveret af Compuscript Ltd