超薄面板全息視頻顯示

正文

超薄面板全息視頻顯示

技術(shù)背景：

全息圖自出現(xiàn)后一直被認(rèn)為可以再現(xiàn)最逼真的三維圖像或杠，而不會產(chǎn)生視覺副作用哪怔。自1990年向抢，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一個(gè)全息視頻系統(tǒng)以來认境，全息視頻已被廣泛研究用于商業(yè)化。但是挟鸠，由于存在窄視角叉信、龐大的光學(xué)器件和大算力要求的限制，尚未推出商用全息視頻顯示器(這里的時(shí)間點(diǎn)指的是2020年)艘希。

靜態(tài)全息技術(shù)通過使用氯化銀和光敏聚合物等全息記錄材料得以迅速發(fā)展。納米光子學(xué)和超表面也被用于重建靜態(tài)全息圖覆享。然而，這些全息介質(zhì)是不可更新或具有有限的刷新頻率淹真，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)全息圖的生成受限讶迁。通過使用直接調(diào)制光波前的空間光調(diào)制器可以以視頻速率更新全息圖，但是還不適合應(yīng)用于移動(dòng)全息視頻核蘸。

要構(gòu)建移動(dòng)全息視頻顯示器巍糯，需要跨越空間帶寬積(決定了全息圖像的尺寸和視角。靜態(tài)全息圖以亞波長密度記錄全息信息客扎，可以具有大的視角祟峦，而空間光調(diào)制器的像素尺寸大、像素?cái)?shù)小徙鱼，當(dāng)前的空間光調(diào)制器的空間帶寬積比靜態(tài)全息介質(zhì)小數(shù)百倍宅楞，因而視角小)针姿、大的相干背光源(操縱光需要復(fù)雜的光學(xué)組件和大空間要求，全息視頻顯示很難如當(dāng)今的平板顯示那么薄)厌衙、實(shí)時(shí)計(jì)算全息圖所需的巨大計(jì)算資源消耗(針對視頻幀率高質(zhì)量的全息圖距淫，已有的提高計(jì)算速度的優(yōu)化算法依賴于集群處理器或者高性能的并行處理系統(tǒng))等障礙。

技術(shù)要點(diǎn)：

基于此榕暇，韓國三星電子的Jungkwuen An和Hong-Seok Lee等人提出了一種交互式超薄面板全息視頻顯示器(使用傳統(tǒng)的UHD LCD實(shí)現(xiàn)了世界上首款超薄全息全息視頻顯示器，后續(xù)將沿著降低尺寸喻杈，適合手機(jī)應(yīng)用方向研究)彤枢，解決了低SBP，龐大光學(xué)系統(tǒng)筒饰，巨大計(jì)算資源消耗的難題缴啡。所提方案適用于在辦公室和家庭環(huán)境中提供逼真的三維視頻。

(1)由一個(gè)相干背光單元和光束偏轉(zhuǎn)器組成轉(zhuǎn)向背光單元(steering-backlight unit,S-BLU)瓷们，將視角擴(kuò)大30倍盟猖；

(2)所有光學(xué)元件被設(shè)計(jì)和加工成超薄結(jié)構(gòu)(顯示部分厚度為1cm，系統(tǒng)整體厚度<10cm)换棚；

(3)由單芯片F(xiàn)PGA執(zhí)行實(shí)時(shí)4k(3840x2160)全息視頻處理(30fps)式镐。

圖1 光學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件和全息視頻處理器示意圖.(a)光學(xué)架構(gòu)包含光束偏轉(zhuǎn)器固蚤、相干背光單元娘汞、一個(gè)幾何相位透鏡和一個(gè)空間光調(diào)制器。(b)光束偏轉(zhuǎn)器原理夕玩，它以類似于棱鏡的行為將透射光轉(zhuǎn)向：在520nm波長時(shí)，垂直和水平相位陣列以角分辨率0.02°偏轉(zhuǎn)光線燎孟，最大偏轉(zhuǎn)角~15°禽作。(c)使用波導(dǎo)的相干背光單元布局：第一個(gè)波導(dǎo)用于紅光和綠光，第二個(gè)波導(dǎo)用于藍(lán)光揩页，堆疊起來增加整體效率旷偿。(d)全息視頻處理器在單芯片F(xiàn)PGA上完成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)時(shí)交互式的超薄面板全息視頻爆侣，用戶通過按鍵實(shí)時(shí)與海龜交互萍程。

附錄：

圖2 超薄面板全息視頻顯示器

三色激光二極管作為相干光源，激光穿過光束偏轉(zhuǎn)器和相干背光單元兔仰，生成的相干白光通過焦距為1m的幾何相位透鏡到達(dá)空間光調(diào)制器茫负。一個(gè)10.1英寸的UHD商用LCD在這里用作空間光調(diào)制器

使用Xilinx Kintex UltraScale (XCKU115- FLVA1517-2-E)作為全息視頻處理器乎赴。使用DISPlayPort 1.2和 Xilinx DisplayPort intellectual property(IP)忍法。使用兩個(gè)DDR4存儲器模組和Xilinx memory interface generator IP潮尝。DDR4 memory interface使用300MHz時(shí)鐘，所有其它數(shù)據(jù)處理單元使用150MHz時(shí)鐘勉失。全息視頻處理器在FPGA芯片上使用258942(39.03%)LUTs,987(45.67%)塊隨機(jī)存取存儲器和665(12.05%)數(shù)字信號處理器切片。全息視頻處理器的性能接近140Giga operations per second嗤堰。

參考文獻(xiàn)：An, J., Won, K., Kim, Y. et al. Slim-panel holographic video display. Nat Commun 11, 5568 (2020).

DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-020-19298-4

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