La holografía generada por computadora (CGH) representa una tecnología de vanguardia que emplea algoritmos informáticos para reconstruir dinámicamente objetos virtuales. Esta tecnología ha encontrado amplias aplicaciones en diversos campos, como la visualización tridimensional, el almacenamiento y procesamiento óptico de información, el entretenimiento y el cifrado.
A pesar del amplio espectro de aplicaciones de CGH, las técnicas contemporáneas se basan predominantemente en dispositivos de proyección como moduladores de luz espacial (SLM) y dispositivos de microespejos digitales (DMD). Estos dispositivos enfrentan inherentemente limitaciones en las capacidades de visualización, lo que a menudo resulta en un campo de visión estrecho y difracción multinivel en las imágenes proyectadas.
En desarrollos recientes, las metasuperficies compuestas por una serie de nanoestructuras por debajo de la longitud de onda han demostrado capacidades excepcionales para modular ondas electromagnéticas. Al introducir cambios abruptos en las propiedades fundamentales de las ondas, como la amplitud y la fase, mediante nanoestructuración en escalas inferiores a la longitud de onda, las metasuperficies permiten efectos de modulación que son difíciles de lograr con los dispositivos tradicionales.
Los avances en la holografía basada en metasuperficies han dado lugar a logros importantes, como grandes ángulos de visión, imágenes acromáticas, pantallas a todo color, mayor capacidad de información y multiplexación multidimensional, lo que las convierte en potentes herramientas para pantallas holográficas dinámicas.
No obstante, la holografía dinámica de metasuperficies todavía enfrenta grandes desafíos para lograr efectos de visualización dinámicos altamente fluidos en tiempo real necesarios para pantallas avanzadas, como la interacción avanzada entre humanos y computadoras. La clave para las pantallas holográficas fluidas de metasuperficie radica en lograr altas velocidades de cuadros computacionales y de visualización. La velocidad de fotogramas computacional se refiere a la velocidad de cálculo, procesamiento y preparación de los datos para su visualización, lo que garantiza que el sistema pueda calcular el contenido requerido en tiempo real.
La mayoría de las soluciones de visualización holográfica actuales dependen en gran medida de la realización de transformadas rápidas de Fourier (FFT) varias veces, lo que generalmente requiere unidades computacionales dedicadas, como unidades de procesamiento de gráficos (GPU), para satisfacer las demandas de altas tasas de actualización, lo que hace que la potencia computacional y el consumo de energía sean cuellos de botella críticos para aplicaciones generalizadas. aplicación.
Por otro lado, la velocidad de fotogramas de la pantalla, la velocidad a la que los dispositivos de visualización se actualizan y presentan contenido nuevo, es crucial para la fluidez del contenido visual. En la actualidad, la mayoría de las estrategias de visualización holográfica dinámica basadas en metasuperficies luchan por lograr altas velocidades de cuadro de visualización, lo que obstaculiza su capacidad de ofrecer una experiencia visual fluida.
Para abordar estos desafíos, un equipo dirigido por el profesor Xiong Wei y el profesor asociado Gao Hui del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong ha introducido una técnica dinámica interactiva de holografía de metasuperficie bit a bit (Bit-MH) con un alto marco computacional y de visualización. tarifas. Han construido el primer sistema de visualización holográfica de metasuperficie interactivo práctico del mundo.
En su estudio, publicado en Opto-Electronic Advances , el equipo segmentó la funcionalidad de visualización de las metasuperficies en distintas regiones o canales espaciales, cada uno de los cuales es capaz de proyectar un patrón subholográfico reconstruido. Utilizando direccionamiento óptico para la multiplexación de canales espaciales, asignaron los estados de encendido/apagado de todos los canales a un conjunto de valores de bits, transformando así el proceso de actualización dinámica de la holografía en la manipulación de estos valores de bits para controlar los canales correspondientes.
Este enfoque mejora significativamente la eficiencia computacional mediante el uso de operaciones bit a bit mapeadas en lugar de depender de los frecuentes cálculos FFT requeridos por las actualizaciones tradicionales de holografía dinámica, lo que resulta en una actualización dinámica eficiente.
Los investigadores realizaron pruebas comparativas del algoritmo central para la holografía dinámica bit a bit en una plataforma informática Raspberry Pi de bajo consumo, revelando que la velocidad máxima de cuadros computacionales del enfoque de holografía dinámica bit a bit puede alcanzar hasta 800 kHz. Además, al emplear dispositivos de direccionamiento óptico DMD de alta velocidad, lograron una velocidad de cuadro de visualización máxima de 23 kHz.
Para demostrar el concepto, el equipo de investigación construyó un sistema de juego holográfico interactivo para jugar al Tetris dentro del espectro de luz visible. Los componentes principales del sistema incluyen un dispositivo de metasuperficie segmentado espacialmente, DMD, un controlador Raspberry Pi, un controlador de juegos y los componentes ópticos necesarios.
El diseño propuesto para la holografía dinámica bit a bit permite la actualización eficiente de imágenes holográficas y la interacción en tiempo real con dispositivos de entrada externos. Se espera que este método Bit-MH eficiente y programable allane el camino para futuros sistemas de visualización holográfica de metasuperficie fluidos y eficientes.
Más información: Yuncheng Liu et al, Metaholografía dinámica bit a bit interactiva con velocidades de cuadro de visualización y computación ultraaltas, Avances optoelectrónicos (2023). DOI:10.29026/oea.2024.230108
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