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新技术赋予全息显示与更宽的视野和更清晰的图像

全息显示器具有创造逼真的三维图像的能力,长期以来一直被誉为虚拟现实和增强现实的未来。其操作的核心是空间光调制器(slm),它动态地操纵相干光的波前以形成图像。然而,这些设备面临着一个重大的挑战:有限的光学扩展量。Étendue,一个来自光学的术语,指的是显示面积和衍射光的最大立体角的乘积。它测量显示器在不牺牲图像质量的情况下在宽视场角(FOV)上投射光线的能力。由于技术限制,现有的SLMs与小衍射角作斗争,导致显示尺寸和视场之间的权衡,这一妥协已经扼杀了全息显示的全部潜力。




在发表在《Nature》上的一项研究中,来自普林斯顿大学、Meta的现实实验室、POSTECH和KAUST的研究人员介绍了神经视域扩展器(neural étendue expanders),这是一种新型的光学元件,旨在显著提高全息显示器的视域。这种元件使用在自然图像数据集上训练的神经网络进行优化,在全息显示器的视场和图像保真度方面都实现了前所未有的改进。


神经视域扩展器的工作原理是在SLM前面放置一个具有较小像素间距的静态光学元件,这增加了最大衍射角,从而增加了可变光斑。与之前使用随机散射元素的方法不同,这些元件可以精确地调整到自然图像的特定属性,确保高保真再现。


研究人员的实验装置验证了神经视域扩展器在理论上的优势。通过将这些扩展器集成到具有1k像素SLMs的全息显示原型中,他们实现了64倍的增益。这使视场在水平和垂直方向上都扩大了一个数量级,PSNR超过29 dB,表明重建的高保真度。捕获的全息图展示了生动,高对比度的图像,没有色差,优于传统的二进制和均匀随机扩展器。


神经视域扩展器似乎对瞳孔运动表现出了稳健性,瞳孔运动是近眼显示器用户舒适度的一个关键因素。该技术的可扩展性也得到了证实,因为保真度的提高在不同分辨率下持续存在,表明其在更高分辨率SLMs中的应用潜力。


这项研究的发现为未来的研究开辟了令人兴奋的可能性。将神经视域扩展器与新兴的光学技术相结合,可以进一步推动全息显示器所能达到的极限。


Reference

Tseng, E., Kuo, G., Baek, SH. et al. Neural étendue expander for ultra-wide-angle high-fidelity holographic display. Nat Commun 15, 2907 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46915-3