計(jì)算機(jī)生成全息術(shù)(CGH)代表了一種利用計(jì)算機(jī)算法動(dòng)態(tài)重建虛擬對(duì)象的尖端技術(shù)。該技術(shù)在三維顯示、光信息存儲(chǔ)與處理、娛樂、加密等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。盡管 CGH 的應(yīng)用范圍很廣，但當(dāng)代技術(shù)主要依賴于空間光調(diào)制器 (SLM) 和數(shù)字微鏡器件 (DMD) 等投影設(shè)備。這些設(shè)備本質(zhì)上面臨顯示能力的限制，通常會(huì)導(dǎo)致投影圖像中的視場狹窄和多級(jí)衍射。

在最近的發(fā)展中，由亞波長納米結(jié)構(gòu)陣列組成的超表面在調(diào)制電磁波方面表現(xiàn)出了卓越的能力。通過亞波長尺度的納米結(jié)構(gòu)引入振幅和相位等基波特性的突然變化，超表面實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的調(diào)制效果。基于超表面的全息術(shù)的進(jìn)步帶來了重大成就，例如大視角、消色差成像、全彩顯示、增加的信息容量和多維復(fù)用，使其成為動(dòng)態(tài)全息顯示的有力工具。

盡管如此，動(dòng)態(tài)超表面全息技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高級(jí)人機(jī)交互等先進(jìn)顯示所需的實(shí)時(shí)、高度流暢的動(dòng)態(tài)顯示效果方面仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。流體超表面全息顯示器的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高計(jì)算和顯示幀速率。計(jì)算幀率是指數(shù)據(jù)計(jì)算、處理和準(zhǔn)備顯示的速度，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算所需的內(nèi)容。當(dāng)前大多數(shù)全息顯示解決方案在很大程度上依賴于多次執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，通常需要圖形處理單元(GPU)等專用計(jì)算單元來滿足高刷新率的需求，這使得計(jì)算能力和能耗成為廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。應(yīng)用。另一方面，顯示幀率，即顯示設(shè)備刷新和呈現(xiàn)新內(nèi)容的速度，對(duì)于視覺內(nèi)容的流暢度至關(guān)重要。目前，大多數(shù)基于超表面的動(dòng)態(tài)全息顯示策略都難以實(shí)現(xiàn)高顯示幀速率，這限制了它們提供流暢視覺體驗(yàn)的能力。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，華中科技大學(xué)武漢光電子國家實(shí)驗(yàn)室熊偉教授和高輝副教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)推出了一種具有高計(jì)算和顯示能力的動(dòng)態(tài)交互式位元表面全息技術(shù)(Bit-MH)幀速率。他們構(gòu)建了世界上第一個(gè)實(shí)用的交互式超表面全息顯示系統(tǒng)。

在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)將超表面的顯示功能分割成不同的空間區(qū)域或通道，每個(gè)區(qū)域或通道都能夠投影重建的亞全息圖案。他們利用光學(xué)尋址進(jìn)行空間通道復(fù)用，將所有通道的開/關(guān)狀態(tài)映射到一組比特值，從而將全息的動(dòng)態(tài)更新過程轉(zhuǎn)化為操縱這些比特值來控制相應(yīng)的通道。該方法通過使用映射按位運(yùn)算而不是依賴于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)全息更新所需的頻繁 FFT 計(jì)算，顯著提高了計(jì)算效率，從而實(shí)現(xiàn)高效的動(dòng)態(tài)刷新。

研究人員在低功耗Raspberry Pi計(jì)算平臺(tái)上對(duì)按位動(dòng)態(tài)全息核心算法進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，結(jié)果表明按位動(dòng)態(tài)全息方法的最大計(jì)算幀率可達(dá)800 kHz。此外，通過采用高速 DMD 光學(xué)尋址設(shè)備，他們實(shí)現(xiàn)了 23 kHz 的最大顯示幀速率。

為了演示這一概念，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)交互式全息游戲系統(tǒng)，用于在可見光譜內(nèi)玩俄羅斯方塊。該系統(tǒng)的核心組件包括空間分段超表面器件、DMD、Raspberry Pi 控制器、游戲控制器和必要的光學(xué)組件。所提出的按位動(dòng)態(tài)全息設(shè)計(jì)允許全息圖像的高效更新以及與外部輸入設(shè)備的實(shí)時(shí)交互。這種高效且可編程的 Bit-MH 方法有望為未來平滑高效的超表面全息顯示系統(tǒng)鋪平道路。