Computer-gegenereerde holografie (CGH) vertegenwoordigt een geavanceerde technologie die computeralgoritmen gebruikt om virtuele objecten dynamisch te reconstrueren. Deze technologie heeft uitgebreide toepassingen gevonden op diverse terreinen, zoals driedimensionale weergave, optische informatieopslag en -verwerking, entertainment en encryptie.

Ondanks het brede toepassingsspectrum van CGH zijn hedendaagse technieken voornamelijk afhankelijk van projectieapparatuur zoals ruimtelijke lichtmodulatoren (SLM's) en digitale microspiegelapparaten (DMD's). Deze apparaten hebben inherent te maken met beperkingen in de weergavemogelijkheden, wat vaak resulteert in een smal gezichtsveld en diffractie op meerdere niveaus in geprojecteerde beelden.

In recente ontwikkelingen hebben metasurfaces bestaande uit een reeks nanostructuren met een subgolflengte uitzonderlijke capaciteiten getoond bij het moduleren van elektromagnetische golven. Door abrupte veranderingen in fundamentele golfeigenschappen zoals amplitude en fase te introduceren via nanostructurering op subgolflengteschalen, maken metasurfaces modulatie-effecten mogelijk die met traditionele apparaten moeilijk te bereiken zijn.

Vooruitgang op het gebied van op metasurface gebaseerde holografie heeft geleid tot belangrijke prestaties zoals grote kijkhoeken, achromatische beeldvorming, kleurenschermen, grotere informatiecapaciteit en multidimensionale multiplexing, waardoor ze krachtige hulpmiddelen zijn voor dynamische holografische weergaven.

Desalniettemin staat dynamische metasurface-holografie nog steeds voor grote uitdagingen bij het realiseren van real-time, zeer vloeiende dynamische weergave-effecten die nodig zijn voor geavanceerde beeldschermen zoals geavanceerde mens-computerinteractie. De sleutel tot vloeiende holografische weergaven met metasurface ligt in het bereiken van hoge reken- en weergaveframesnelheden. Computationele framesnelheid verwijst naar de snelheid van gegevensberekening, -verwerking en -voorbereiding voor weergave, waardoor het systeem de vereiste inhoud in realtime kan berekenen.

De meeste huidige holografische weergaveoplossingen zijn sterk afhankelijk van het meerdere keren uitvoeren van snelle Fourier-transformaties (FFT's), waarbij meestal speciale rekeneenheden zoals grafische verwerkingseenheden (GPU's) nodig zijn om te voldoen aan de vraag naar hoge verversingssnelheden, waardoor rekenkracht en energieverbruik kritische knelpunten worden voor wijdverbreide toepassing.

Aan de andere kant is de framesnelheid van het beeldscherm, de snelheid waarmee weergaveapparaten vernieuwen en nieuwe inhoud presenteren, cruciaal voor de vloeiendheid van visuele inhoud. Momenteel hebben de meeste dynamische holografische weergavestrategieën op basis van metasurfaces moeite om hoge framesnelheden te bereiken, wat hun vermogen om een ​​vloeiende visuele ervaring te leveren belemmert.

Om deze uitdagingen aan te pakken, heeft een team onder leiding van professor Xiong Wei en universitair hoofddocent Gao Hui van het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics aan de Huazhong University of Science and Technology een dynamische interactieve bitsgewijze metasurface-holografie (Bit-MH) techniek geïntroduceerd met een hoog reken- en weergaveframe tarieven. Ze hebben 's werelds eerste praktische interactieve holografische weergavesysteem met metasurface gebouwd.

In hun onderzoek, gepubliceerd in Opto-Electronic Advances segmenteerde het team de weergavefunctionaliteit van metasurfaces in verschillende ruimtelijke regio's of kanalen, waarbij elk in staat was een gereconstrueerd subholografisch patroon te projecteren. Met behulp van optische adressering voor ruimtelijke kanaalmultiplexing brachten ze de aan/uit-statussen van alle kanalen in kaart in een reeks bitwaarden, waardoor het dynamische updateproces van holografie werd getransformeerd in de manipulatie van deze bitwaarden om de overeenkomstige kanalen te besturen.

Deze aanpak verbetert de rekenefficiëntie aanzienlijk door gebruik te maken van toegewezen bitsgewijze bewerkingen in plaats van te vertrouwen op frequente FFT-berekeningen die vereist zijn voor traditionele dynamische holografie-updates, wat resulteert in efficiënte dynamische vernieuwing.

De onderzoekers voerden benchmarktests uit van het kernalgoritme voor bitsgewijze dynamische holografie op een energiezuinig Raspberry Pi-computerplatform, waaruit bleek dat de maximale computationele framesnelheid van de bitsgewijze dynamische holografie-aanpak tot 800 kHz kan oplopen. Door gebruik te maken van snelle optische DMD-adresseringsapparaten bereikten ze bovendien een maximale weergaveframesnelheid van 23 kHz.

Om het concept te demonstreren, bouwde het onderzoeksteam een ​​interactief holografisch spelsysteem voor het spelen van Tetris binnen het zichtbare lichtspectrum. De kerncomponenten van het systeem omvatten een ruimtelijk gesegmenteerd metasurface-apparaat, DMD, Raspberry Pi-controller, gamecontroller en noodzakelijke optische componenten.

Het voorgestelde ontwerp voor bitsgewijze dynamische holografie maakt het efficiënt bijwerken van holografische beelden en realtime interactie met externe invoerapparaten mogelijk. Deze efficiënte en programmeerbare Bit-MH-methode zal naar verwachting de weg vrijmaken voor toekomstige soepele en efficiënte holografische weergavesystemen met metasurface.

Meer informatie: Yuncheng Liu et al., Dynamische interactieve bitsgewijze metaholografie met ultrahoge reken- en weergaveframesnelheden, Opto-elektronische vooruitgang (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108

Aangeboden door Compuscript Ltd