Специалисты из нового Института передовых технологий Samsung под руководством Ли Хон Сока (Hong-Seok Lee) разработали новый инновационный голографический дисплей, обладающий высокой плотностью пикселей и способный воспроизводить изображения с частотой до 30 кадров в секунду. В ходе исследования была предпринята существенная работа по совершенствованию оптической схемы для генерации голографического видео. Кроме того, ученые оптимизировали алгоритмы обработки данных, что позволило ускорить процесс построения изображения. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications. Одним из ключевых препятствий на пути к широкому внедрению голографических дисплеев является громоздкость оптической системы. Интеграция такой системы в мобильные устройства, такие как смартфоны или мониторы, представляет собой сложную инженерную задачу.
Источник: Jungkwuen An et al. / Nature Communications
Другой проблемой является компромисс между размером экрана и углом обзора. В стандартной конфигурации для сохранения качества изображения приходится жертвовать либо одним, либо другим параметром. К примеру, дисплей с высоким разрешением и диагональю 10 дюймов будет обладать углом обзора всего 0,25 градуса.
Для расширения угла обзора без уменьшения размера экрана исследователи применили несколько модулей преобразования света. Данный подход позволил преодолеть ограничения традиционных голографических дисплеев и открыть новые возможности для их использования в различных сферах.
Сначала пучки света от трех лазеров (красного зеленого и синего), необходимых для формирования цветного изображения, попадают на отклоняющий модуль — жидкокристаллический экран, который может изменять направления пучков для создания объемной картинки.
Оптическая система для получения голографического изображения(a) и три ее основных компонента: (b) отклонение пучка, (c) волновод для его расширения , (d) модуль управления и обработки данных. Jungkwuen An et al. / Nature Communications
С модулем тоже возникает проблема выбора оптимального параметра: чтобы отклонять пучки на большие углы порядка 30 градусов, размер пучков должен быть очень мал, а в противном случае итоговая система окажется недостаточно компактной.
Ученые нашли выход из этой ситуации и после отклоняющего модуля использовали волноводы для увеличения размера пучка с 14 на 140 миллиметров до 140 на 230 миллиметров. Изображение, которое в итоге будет наблюдать зритель, формирует пространственный модулятор света. Он превращает равномерный в поперечном сечении пучок света в любую заданную картинку.
Кадры из интерактивного видео при разных фокусировках. На рисунке (a) четко видно кораллы, а на (b) становится отчетливее видно черепаху, потому что камера начинает фокусироваться на ней. Jungkwuen An et al. / Nature Communications
Схожесть работы голографического дисплея с настоящим объемным изображением хорошо демонстрирует видео с черепахой, которая движется среди кораллов. Поскольку глубина объектов разная, то их резкость меняется при изменениях фокуса камеры. Поэтому в зависимости от положения черепахи четко видно либо ее, либо коралл.
Прототип голографического дисплея. Jungkwuen An et al. / Nature Communications
Оптическая схема — не единственная сложность в создании компактных дисплеев. Создание картинки, которую необходимо передать пространственному модулятору света, требует сложных и длительных вычислений. Нужно понимать, какое изображение должно быть на сетчатке глаза наблюдателя, следить за положением глаза относительно экрана и на основе полученного распределения оптического поля управлять системой. Обработку проводили послойно с применением двумерного обратного быстрого преобразования Фурье.
От того, насколько быстро и эффективно происходит обработка, зависит то, с какой частотой будут обновляться кадры. Авторам удалось ускорить этот процесс за счет параллельных вычислений нужных картинок для левого и правого глаза. Кроме того, они подключили видеопроцессор к управляющему устройству с помощью системной шины, которая широко используется в процессорах приложений для смартфонов, что позволит легко встроить разработанные видеопроцессор практически в любой смартфон.
Параметр, которым удобно характеризовать голографический дисплей, равен произведению размера дисплея на угол обзора. Использование разработанной схемы позволило увеличить его значение в 30 раз. При этом толщина всей системы оказалась меньше 10 сантиметров. Ученые планируют продолжать уменьшать схему и в дальнейшем использовать ее в мобильных устройствах.
Исследование голограмм выходит далеко за пределы разработки голографических дисплеев. Так, голограмма для очков смешанной реальности HoloLens заменила переводчика на презентации, а американский инженер сумел записать голограмму на поверхности шоколада.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
