Физики из Samsung разработали тонкий и компактный голографический дисплей с кадровой частотой до 30 кадров в секунду. Исследователи усовершенствовали не только оптическую схему для создания голографического видео, но и смогли ускорить обработку данных для построения изображения. Работа опубликована в Nature Communications.
Одна из главных проблем голографических дисплеев, которая мешает сделать реальным их использование дома или в офисе, — это громоздкая оптическая схема: встроить ее в смартфон или монитор может быть достаточно сложно. Кроме этого, чтобы в стандартной конфигурации сохранить качество изображения, нужно пожертвовать либо размером экрана, либо углом обзора. Например, у дисплея высокого разрешения с диагональю 10 дюймов угол обзора будет 0,25 градуса, а если увеличить этот угол до 30 градусов, то размер экрана должен быть не больше 0,1 дюйма.
Чтобы добиться больших углов обзора без изменения размера дисплея, физики из Института передовых технологий Samsung под руководством Ли Хон Сока (Hong-Seok Lee) использовали несколько модулей преобразования света. 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
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, 2020
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, 2020
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.
