L'olografia generata dal computer (CGH) rappresenta una tecnologia all'avanguardia che utilizza algoritmi informatici per ricostruire dinamicamente oggetti virtuali. Questa tecnologia ha trovato ampie applicazioni in diversi campi come la visualizzazione tridimensionale, l'archiviazione e l'elaborazione ottica delle informazioni, l'intrattenimento e la crittografia.
Nonostante l’ampio spettro di applicazioni del CGH, le tecniche contemporanee si basano prevalentemente su dispositivi di proiezione come modulatori spaziali di luce (SLM) e dispositivi a microspecchi digitali (DMD). Questi dispositivi sono intrinsecamente soggetti a limitazioni nelle capacità di visualizzazione, che spesso determinano un campo visivo ristretto e una diffrazione multilivello nelle immagini proiettate.
Negli sviluppi recenti, le metasuperfici composte da una serie di nanostrutture sub-lunghezza d’onda hanno dimostrato capacità eccezionali nel modulare le onde elettromagnetiche. Introducendo cambiamenti improvvisi alle proprietà fondamentali delle onde come l'ampiezza e la fase attraverso la nanostrutturazione su scale sub-lunghezza d'onda, le metasuperfici consentono effetti di modulazione difficili da ottenere con i dispositivi tradizionali.
I progressi nell'olografia basata sulla metasuperficie hanno portato a risultati significativi come ampi angoli di visione, immagini acromatiche, display a colori, maggiore capacità di informazione e multiplexing multidimensionale, rendendoli potenti strumenti per display olografici dinamici.
Ciononostante, l'olografia dinamica della metasuperficie deve ancora affrontare grandi sfide nella realizzazione degli effetti di visualizzazione dinamici altamente fluidi e in tempo reale richiesti per display avanzati come l'interazione avanzata uomo-computer. La chiave per i display olografici a metasuperficie fluida risiede nel raggiungimento di elevati frame rate di calcolo e di visualizzazione. Il frame rate computazionale si riferisce alla velocità di calcolo, elaborazione e preparazione dei dati per la visualizzazione, garantendo che il sistema possa elaborare il contenuto richiesto in tempo reale.
La maggior parte delle attuali soluzioni di visualizzazione olografica dipendono fortemente dall'esecuzione ripetuta di trasformate rapide di Fourier (FFT), che di solito richiedono unità computazionali dedicate come unità di elaborazione grafica (GPU) per soddisfare le richieste di frequenze di aggiornamento elevate, rendendo la potenza di calcolo e il consumo energetico dei colli di bottiglia critici per una diffusione diffusa. applicazione.
D'altra parte, il frame rate del display, la velocità con cui i dispositivi di visualizzazione si aggiornano e presentano nuovi contenuti, è fondamentale per la fluidità del contenuto visivo. Al momento, la maggior parte delle strategie di visualizzazione olografica dinamica basate sulle metasuperfici faticano a raggiungere frame rate di visualizzazione elevati, il che ostacola la loro capacità di offrire un'esperienza visiva fluida.
Affrontando queste sfide, un team guidato dal professor Xiong Wei e dal professore associato Gao Hui del Laboratorio nazionale di optoelettronica di Wuhan presso l'Università di scienza e tecnologia di Huazhong ha introdotto una tecnica di olografia bit a bit interattiva dinamica della metasuperficie (Bit-MH) con un elevato frame di visualizzazione e calcolo. aliquote. Hanno costruito il primo pratico sistema di visualizzazione olografica interattiva sulla metasuperficie al mondo.
Nel loro studio, pubblicato su Opto-Electronic Advances , il team ha segmentato la funzionalità di visualizzazione delle metasuperfici in regioni o canali spaziali distinti, ciascuno dei quali in grado di proiettare un modello sub-olografico ricostruito. Utilizzando l'indirizzamento ottico per il multiplexing spaziale dei canali, hanno mappato gli stati on/off di tutti i canali su un insieme di valori di bit, trasformando così il processo di aggiornamento dinamico dell'olografia nella manipolazione di questi valori di bit per controllare i canali corrispondenti.
Questo approccio migliora significativamente l'efficienza computazionale utilizzando operazioni bit per bit mappate invece di fare affidamento sui frequenti calcoli FFT richiesti dai tradizionali aggiornamenti dell'olografia dinamica, con conseguente aggiornamento dinamico efficiente.
I ricercatori hanno eseguito test di riferimento dell’algoritmo principale per l’olografia dinamica bit a bit su una piattaforma informatica Raspberry Pi a basso consumo, rivelando che il frame rate computazionale massimo dell’approccio dell’olografia dinamica bit a bit può raggiungere fino a 800 kHz. Inoltre, utilizzando dispositivi di indirizzamento ottico DMD ad alta velocità, hanno raggiunto una frequenza fotogrammi di visualizzazione massima di 23 kHz.
Per dimostrare il concetto, il gruppo di ricerca ha costruito un sistema di gioco olografico interattivo per giocare a Tetris nello spettro della luce visibile. I componenti principali del sistema includono un dispositivo di metasuperficie segmentato spazialmente, DMD, controller Raspberry Pi, controller di gioco e i componenti ottici necessari.
Il progetto proposto per l'olografia dinamica bit a bit consente un aggiornamento efficiente delle immagini olografiche e l'interazione in tempo reale con dispositivi di input esterni. Si prevede che questo metodo Bit-MH efficiente e programmabile aprirà la strada a futuri sistemi di visualizzazione olografica sulla metasuperficie fluidi ed efficienti.
Ulteriori informazioni: Yuncheng Liu et al, Meta-olografia bit a bit interattiva dinamica con frame rate computazionali e di visualizzazione ultra elevati, Progressi optoelettronici (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108
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