具有超高计算和显示帧率的动态交互式位元全息
发布时间：2023-12-22 04:00:11 阅读数： 46
采用位动态超表面全息技术实现的交互式全息俄罗斯方块游戏系统架构图。来源:Compuscript Ltd
计算机生成全息术(CGH)是一项利用计算机算法动态重建虚拟物体的前沿技术。该技术在三维显示、光信息存储与处理、娱乐、加密等领域有着广泛的应用。
尽管CGH的应用范围很广，但当代技术主要依赖于投影设备，如空间光调制器(slm)和数字微镜设备(dmd)。这些设备固有地面临显示能力的限制，经常导致投影图像的视野狭窄和多级衍射。
在最近的发展中，由亚波长纳米结构阵列组成的超表面在调制电磁波方面表现出了非凡的能力。通过在亚波长尺度上通过纳米结构引入振幅和相位等基本波特性的突变，超表面实现了传统器件难以实现的调制效果。基于超表面的全息技术在大视角、消色差成像、全彩色显示、增加的信息容量和多维复用等方面取得了重大进展，使其成为动态全息显示的有力工具。
然而，动态超表面全息技术在实现高级人机交互等高级显示所需的实时、高流体动态显示效果方面仍然面临着巨大的挑战。流体超表面全息显示的关键在于实现高的计算速率和显示帧率。计算帧率是指数据计算、处理和准备显示的速度，保证系统能够实时计算所需的内容。
目前大多数全息显示解决方案严重依赖于多次执行快速傅里叶变换(fft)，通常需要专用的计算单元，如图形处理单元(gpu)来满足高刷新率的要求，这使得计算能力和能耗成为广泛应用的关键瓶颈。
另一方面，显示帧率，即显示设备刷新和呈现新内容的速度，对于视觉内容的流畅性至关重要。目前，大多数基于超表面的动态全息显示策略都难以实现高显示帧率，这阻碍了它们提供流畅视觉体验的能力。
为了应对这些挑战，华中科技大学武汉光电子学国家实验室的熊伟教授和高辉副教授领导的团队推出了一种具有高计算和显示帧率的动态交互式位元表面全息(Bit-MH)技术。他们构建了世界上第一个实用的交互式超表面全息显示系统。
在他们发表在《光电进展》杂志上的研究中，研究小组将超表面的显示功能划分为不同的空间区域或通道，每个区域或通道都能够投射重建的亚全息图案。他们利用光寻址进行空间信道复用，将所有信道的开/关状态映射到一组位值，从而将全息的动态更新过程转化为对这些位值的操纵来控制相应的信道。
该方法通过使用映射的位运算，而不是依赖传统动态全息更新所需的频繁FFT计算，显著提高了计算效率，从而实现高效的动态刷新。
研究人员在低功耗树莓派计算平台上对位动态全息核心算法进行了基准测试，结果表明，位动态全息方法的最大计算帧率可达800 kHz。此外，通过采用高速DMD光寻址设备，他们实现了23 kHz的最大显示帧率。
为了证明这一概念，研究小组建立了一个交互式全息游戏系统，用于在可见光范围内玩俄罗斯方块。该系统的核心组件包括一个空间分割的超表面器件、DMD、树莓派控制器、游戏控制器和必要的光学组件。
所提出的位动态全息设计允许全息图像的有效更新和与外部输入设备的实时交互。这种高效可编程的Bit-MH方法有望为未来光滑高效的超表面全息显示系统铺平道路。
