Вчені створили систему для проєкції 28-шарових 3D-зображень

Науковці з Інженерної школи Самуелі Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Каліфорнійського інституту наносистем під керівництвом професора Айдогана Озджана представили систему миттєвої проєкції тривимірних зображень, яка поєднує цифровий кодувальник з пасивним дифракційним оптичним декодером. Обидва компоненти спільно оптимізовані наскрізно через глибоке навчання. Гібридна архітектура проєктує кілька різних зображень на близько розташовані осьові площини за один знімок, що стало значним кроком до створення компактних об'ємних дисплейних технологій високої точності. Результати дослідження опубліковані у журналі Light: Science & Applications.

Технологія тривимірного відображення зображень має вирішальне значення для голографії нового покоління, імерсивної візуалізації та інтерфейсів доповненої і віртуальної реальності, де точні фокусні сигнали на різних глибинах критично важливі для природного сприйняття глибини та візуального комфорту. Проте щільне мультиплексування глибини в традиційних голографічних дисплеях залишається викликом. Коли осьові площини зображення наближаються одна до одної у вихідному об'ємі, дифракційні перехресні завади швидко погіршують вибірковість глибини та точність зображення.

Підхід, розроблений у Каліфорнійському університеті, вирішує цю проблему шляхом поєднання навченого цифрового кодувальника з пасивним багатошаровим дифракційним декодером, що складається зі структурно оптимізованих поверхонь. Кодувальник, побудований на основі нейронної мережі з перетворенням Фур'є, витягує багатомасштабні просторові та частотні характеристики з цільового стека зображень, включає інформацію про осьове положення та створює єдиний фазовий патерн, який одночасно представляє всі зображення для проєкції у тривимірному просторі.

Закодований хвильовий фронт потім поширюється через структурно оптимізовані дифракційні поверхні, які фізично виконують програмування поля залежно від глибини під час поширення світла, оптично спрямовуючи вміст зображення на призначену осьову глибину та водночас природно придушуючи витік між площинами.

За допомогою чисельного моделювання дослідники продемонстрували багатоплощинну миттєву проєкцію зображень з відстанню між осьовими площинами порядку однієї довжини хвилі. Вони також показали, що система масштабується до об'ємних сцен, які містять 28 осьових зрізів, закодованих в один фазовий патерн. Робота також характеризувала ключові фактори проєктування, включаючи глибину дифракційного декодера, ефективність вихідної дифракції, роздільну здатність просторового модулятора світла та щільність осьового кодування, надаючи практичні рекомендації для майбутніх дифракційних тривимірних дисплеїв.

Команда також експериментально перевірила систему, використовуючи двоплощинний оптичний прототип з одношаровим фізичним декодером, що працює у видимому спектрі. Виміряні патерни інтенсивності тісно відповідали як чисельному моделюванню, так і цільовим зображенням і явно перевершували базову лінію вільного простору без дифракційного декодера, підтверджуючи можливість гібридної цифрово-оптичної архітектури для миттєвої проєкції тривимірних зображень.

Ця робота створює компактну та масштабовану платформу для миттєвого відображення тривимірних зображень з високою осьовою роздільною здатністю. Потенційні застосування включають голографічні дисплеї та дисплеї доповненої і віртуальної реальності, багатоглибинну об'ємну мікроскопію, візуалізацію у реальному часі та об'ємні оптичні обчислення. У перспективі система може бути розширена до багатоспектральної роботи, багатоперспективної голографії та фізично виготовлених багатошарових пасивних декодерів для компактних енергоефективних систем тривимірного відображення.

Дослідження провели доктор Чагатай Ісіл, Александер Чен, Юханг Лі, Ф. Онуралп Ардич, доктор Шіці Чен, Че-Юнг Шен та професор Айдоган Озджан з відділу електротехніки та комп'ютерної інженерії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Каліфорнійського інституту наносистем. Результати їхньої роботи відкривають нові можливості для створення компактних пристроїв віртуальної та доповненої реальності, які забезпечуватимуть більш природне сприйняття глибини та покращать візуальний комфорт користувачів.