A holografia gerada por computador (CGH) representa uma tecnologia de ponta que emprega algoritmos de computador para reconstruir dinamicamente objetos virtuais. Essa tecnologia encontrou amplas aplicações em diversos campos, como exibição tridimensional, armazenamento e processamento óptico de informações, entretenimento e criptografia.



Apesar do amplo espectro de aplicação do CGH, as técnicas contemporâneas dependem predominantemente de dispositivos de projeção como moduladores de luz espacial (SLMs) e dispositivos de microespelhos digitais (DMDs). Esses dispositivos enfrentam inerentemente limitações nas capacidades de exibição, muitas vezes resultando em campo de visão estreito e difração multinível nas imagens projetadas.

Em desenvolvimentos recentes, metassuperfícies compostas por uma série de nanoestruturas de subcomprimentos de onda demonstraram capacidades excepcionais na modulação de ondas eletromagnéticas. Ao introduzir mudanças abruptas nas propriedades fundamentais das ondas, como amplitude e fase, por meio da nanoestruturação em escalas de subcomprimentos de onda, as metasuperfícies permitem efeitos de modulação que são difíceis de alcançar com dispositivos tradicionais.

Os avanços na holografia baseada em metassuperfícies levaram a conquistas significativas, como grandes ângulos de visão, imagens acromáticas, telas coloridas, maior capacidade de informação e multiplexação multidimensional, tornando-as ferramentas potentes para exibições holográficas dinâmicas.

No entanto, a holografia dinâmica de metassuperfícies ainda enfrenta grandes desafios na realização de efeitos de exibição dinâmicos altamente fluidos e em tempo real, necessários para exibições avançadas, como a interação humana-computador avançada. A chave para exibições holográficas de metassuperfícies fluidas reside em alcançar altas taxas de quadros computacionais e de exibição. A taxa de quadros computacional refere-se à velocidade de cálculo, processamento e preparação dos dados para exibição, garantindo que o sistema possa calcular o conteúdo necessário em tempo real.

A maioria das soluções atuais de exibição holográfica depende fortemente da realização de transformadas rápidas de Fourier (FFTs) múltiplas vezes, geralmente exigindo unidades computacionais dedicadas, como unidades de processamento gráfico (GPUs), para atender às demandas por altas taxas de atualização, tornando o poder computacional e o consumo de energia gargalos críticos para uso generalizado. aplicativo.

Por outro lado, a taxa de quadros de exibição, a velocidade com que os dispositivos de exibição são atualizados e apresentam novos conteúdos, é crucial para a suavidade do conteúdo visual. Atualmente, a maioria das estratégias dinâmicas de exibição holográfica baseadas em metassuperfícies lutam para atingir altas taxas de quadros de exibição, o que dificulta sua capacidade de fornecer uma experiência visual fluida.

Enfrentando esses desafios, uma equipe liderada pelo Professor Xiong Wei e pelo Professor Associado Gao Hui do Laboratório Nacional de Optoeletrônica de Wuhan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong introduziu uma técnica de holografia de metassuperfície bit a bit interativa dinâmica (Bit-MH) com alta capacidade computacional e quadro de exibição. cotações. Eles construíram o primeiro sistema prático de exibição holográfica de metasuperfície interativa do mundo.

Em seu estudo, publicado em Opto-Electronic Advances , a equipe segmentou a funcionalidade de exibição de metassuperfícies em regiões ou canais espaciais distintos, cada um capaz de projetar um padrão subholográfico reconstruído. Utilizando endereçamento óptico para multiplexação espacial de canais, eles mapearam os estados ligado/desligado de todos os canais para um conjunto de valores de bits, transformando assim o processo de atualização dinâmica da holografia na manipulação desses valores de bits para controlar os canais correspondentes.

Essa abordagem aumenta significativamente a eficiência computacional usando operações bit a bit mapeadas em vez de depender de cálculos FFT frequentes exigidos pelas atualizações holográficas dinâmicas tradicionais, resultando em uma atualização dinâmica eficiente.

Os pesquisadores realizaram testes de benchmark do algoritmo central para holografia dinâmica bit a bit em uma plataforma de computação Raspberry Pi de baixo consumo de energia, revelando que a taxa de quadros computacional máxima da abordagem de holografia dinâmica bit a bit pode atingir até 800 kHz. Além disso, ao empregar dispositivos de endereçamento óptico DMD de alta velocidade, eles alcançaram uma taxa máxima de quadros de exibição de 23 kHz.

Para demonstrar o conceito, a equipe de pesquisa construiu um sistema de jogo holográfico interativo para jogar Tetris dentro do espectro de luz visível. Os componentes principais do sistema incluem um dispositivo de metassuperfície segmentado espacialmente, DMD, controlador Raspberry Pi, controlador de jogos e componentes ópticos necessários.

O design proposto para holografia dinâmica bit a bit permite a atualização eficiente de imagens holográficas e interação em tempo real com dispositivos de entrada externos. Espera-se que este método Bit-MH eficiente e programável abra caminho para futuros sistemas de exibição holográfica de metassuperfície suaves e eficientes.

Mais informações: Yuncheng Liu et al, Meta-holografia bit a bit interativa dinâmica com taxas de quadros computacionais e de exibição ultra-altas, Opto-Electronic Advances (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108
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