Учёные создали компактный голографический дисплей с высоким разрешением по глубине
Исследователи из Школы инженерии Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Калифорнийского наносистемного института разработали новую систему трёхмерной проекции, которая решает одну из давних проблем голографических технологий. Работа, опубликованная в журнале Light Science and Applications, описывает компактную систему моментальной 3D-проекции, способную отображать изображения с разрешением по глубине.
В отличие от стереоскопического 3D, знакомого зрителям по кинотеатрам, новая разработка приближается к концепции голографической палубы из научно-фантастических фильмов, проецируя сложные объёмные сцены в реальном времени. Однако до сих пор создание убедительных трёхмерных проекций сдерживалось рядом фундаментальных препятствий, главным из которых является межплоскостное перекрёстное влияние.
При проецировании 3D-объектов изображение разбивается на слои, которые выводятся на различных глубинах, и элементы одного слоя могут просачиваться на соседний, разрушая иллюзию цельного объёмного объекта. Предложенная система решает эту проблему с помощью комбинации цифрового кодировщика, пассивного оптического декодера и сквозного алгоритма глубокого обучения.
Изображение сначала поступает в кодировщик, который на основе нейросети Фурье разделяет пространственные и частотные характеристики на стопку отдельных кадров. Затем система анализирует позиции, на которые будут проецироваться изображения, и одновременно генерирует трёхмерную визуальную сцену. После этого изображения декодируются и проецируются на структурно оптимизированные поверхности, где по мере распространения света происходит полевое программирование с учётом глубины.
Разработанный алгоритм, опирающийся на последние достижения в области машинного обучения и 3D-проекции, оптически направляет каждый слой изображения на правильную глубину, одновременно корректируя внутриплоскостные искажения. В результате система создаёт компактный высококачественный дисплей, который за один такт формирует иллюзию трёхмерного объекта из спроецированного света, обеспечивая более естественное восприятие глубины и повышенный визуальный комфорт для наблюдателя.
Продвижение технологий трёхмерной визуализации имеет решающее значение для множества прикладных областей, включая дополненную и виртуальную реальность, голографию и иммерсивную визуализацию. Быстрая деградация качества изображения из-за светового перекрёстного влияния долгое время оставалась одним из главных препятствий на этом пути.
На данный момент исследователи продемонстрировали работу своей системы на модели объёмной сцены, состоящей из 28 аксиальных слоёв, а также создали более простой двухплоскостной прототип для валидации модели. Эксперименты с прототипом подтвердили расчётные данные: качество изображения соответствовало смоделированным показателям и значительно превосходило результаты проекции без использования дифракционного декодера.
Как показали испытания, разработка является масштабируемой, но при этом компактной и обеспечивает высокое аксиальное разрешение 3D-дисплея. В текущем виде исследователи видят основные сценарии применения в дисплеях ближнего поля, микроскопии и объёмных оптических вычислениях, однако дальнейшее развитие может открыть возможности для многоперспективной голографии и энергоэффективных трёхмерных систем.
Исследование в журнале Light Science and Applications.