L'holographie générée par ordinateur (CGH) représente une technologie de pointe qui utilise des algorithmes informatiques pour reconstruire dynamiquement des objets virtuels. Cette technologie a trouvé de nombreuses applications dans divers domaines tels que l'affichage tridimensionnel, le stockage et le traitement optiques des informations, le divertissement et le cryptage.
Malgré le large spectre d'applications du CGH, les techniques contemporaines reposent principalement sur des dispositifs de projection tels que les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) et les dispositifs à micromiroirs numériques (DMD). Ces appareils sont intrinsèquement confrontés à des limitations en termes de capacités d'affichage, ce qui entraîne souvent un champ de vision étroit et une diffraction à plusieurs niveaux dans les images projetées.
Dans les développements récents, les métasurfaces composées d’un ensemble de nanostructures sub-longueur d’onde ont démontré des capacités exceptionnelles à moduler les ondes électromagnétiques. En introduisant des changements brusques dans les propriétés fondamentales des ondes telles que l'amplitude et la phase grâce à la nanostructuration à des échelles inférieures à la longueur d'onde, les métasurfaces permettent des effets de modulation difficiles à obtenir avec les appareils traditionnels.
Les progrès de l'holographie basée sur les métasurfaces ont conduit à des réalisations significatives telles que de grands angles de vision, une imagerie achromatique, des affichages en couleur, une capacité d'information accrue et un multiplexage multidimensionnel, ce qui en fait des outils puissants pour les affichages holographiques dynamiques.
Néanmoins, l’holographie dynamique des métasurfaces est toujours confrontée à de grands défis pour réaliser les effets d’affichage dynamiques en temps réel et très fluides requis pour les affichages avancés tels que l’interaction homme-machine avancée. La clé des affichages holographiques à métasurface fluides réside dans l’obtention de fréquences d’images de calcul et d’affichage élevées. La fréquence d'images de calcul fait référence à la vitesse de calcul, de traitement et de préparation des données à l'affichage, garantissant que le système peut calculer le contenu requis en temps réel.
La plupart des solutions d'affichage holographiques actuelles dépendent fortement de l'exécution de transformations de Fourier rapides (FFT) à plusieurs reprises, nécessitant généralement des unités de calcul dédiées telles que des unités de traitement graphique (GPU) pour répondre aux demandes de taux de rafraîchissement élevés, ce qui rend la puissance de calcul et la consommation d'énergie des goulots d'étranglement critiques pour une utilisation généralisée. demande.
D’un autre côté, la fréquence d’images d’affichage, c’est-à-dire la vitesse à laquelle les appareils d’affichage actualisent et présentent du nouveau contenu, est cruciale pour la fluidité du contenu visuel. À l'heure actuelle, la plupart des stratégies d'affichage holographique dynamique basées sur des métasurfaces ont du mal à atteindre des fréquences d'images d'affichage élevées, ce qui entrave leur capacité à offrir une expérience visuelle fluide.
Pour relever ces défis, une équipe dirigée par le professeur Xiong Wei et le professeur agrégé Gao Hui du Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan à l'Université des sciences et technologies de Huazhong a introduit une technique interactive dynamique d'holographie métasurface au niveau du bit (Bit-MH) avec un cadre de calcul et d'affichage élevé. les taux. Ils ont construit le premier système d'affichage holographique métasurface interactif et pratique au monde.
Dans leur étude, publiée dans Opto-Electronic Advances , l'équipe a segmenté la fonctionnalité d'affichage des métasurfaces en régions ou canaux spatiaux distincts, chacun étant capable de projeter un motif sous-holographique reconstruit. Utilisant l'adressage optique pour le multiplexage spatial des canaux, ils ont mappé les états activés/désactivés de tous les canaux sur un ensemble de valeurs binaires, transformant ainsi le processus de mise à jour dynamique de l'holographie en manipulation de ces valeurs binaires pour contrôler les canaux correspondants.
Cette approche améliore considérablement l'efficacité des calculs en utilisant des opérations au niveau du bit mappées au lieu de s'appuyer sur des calculs FFT fréquents requis par les mises à jour traditionnelles de l'holographie dynamique, ce qui entraîne un rafraîchissement dynamique efficace.
Les chercheurs ont effectué des tests de référence de l'algorithme de base pour l'holographie dynamique au niveau du bit sur une plate-forme informatique Raspberry Pi à faible consommation, révélant que la fréquence d'images de calcul maximale de l'approche de l'holographie dynamique au niveau du bit peut atteindre jusqu'à 800 kHz. De plus, en utilisant des dispositifs d'adressage optique DMD à grande vitesse, ils ont atteint une fréquence d'images d'affichage maximale de 23 kHz.
Pour démontrer le concept, l’équipe de recherche a construit un système de jeu holographique interactif permettant de jouer à Tetris dans le spectre de la lumière visible. Les composants principaux du système comprennent un dispositif métasurface spatialement segmenté, un DMD, un contrôleur Raspberry Pi, un contrôleur de jeu et les composants optiques nécessaires.
La conception proposée pour l'holographie dynamique au niveau du bit permet une mise à jour efficace des images holographiques et une interaction en temps réel avec des périphériques d'entrée externes. Cette méthode Bit-MH efficace et programmable devrait ouvrir la voie à de futurs systèmes d'affichage holographiques métasurface fluides et efficaces.
Plus d'informations : Yuncheng Liu et al, Méta-holographie bit à bit interactive dynamique avec des fréquences d'images de calcul et d'affichage ultra élevées, Progrès opto-électroniques (2023). DOI :10.29026/oea.2024.230108
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