Işık programlı sistem, tek çekimde 28 katmanlı 3D görüntüleri yansıtır

Profesör Aydoğan Özcan liderliğindeki UCLA Samueli Mühendislik Okulu ve CNSI’deki (Kaliforniya NanoSistem Enstitüsü) araştırmacılar, dijital kodlayıcıyı pasif kırınımlı optik kod çözücüyle birleştiren, derin öğrenme yoluyla uçtan uca ortaklaşa optimize edilmiş bir anlık 3 boyutlu görüntü projeksiyon sistemini tanıttı. Hibrit mimari, çok sayıda farklı görüntüyü tek bir çekimde yakın aralıklı eksenel düzlemlere yansıtarak kompakt, yüksek doğruluklu hacimsel görüntüleme teknolojilerine doğru önemli bir adım atıyor. Araştırma dergide yayınlandı Işık: Bilim ve Uygulamalar.

3D görüntü görüntüleme teknolojisi, yeni nesil holografi, sürükleyici görselleştirme ve artırılmış ve sanal gerçeklik (AR/VR) arayüzleri için gereklidir; burada derinlik boyunca doğru odak ipuçları, doğal derinlik algısı ve görsel konfor için kritik öneme sahiptir. Bununla birlikte, geleneksel holografik ekranlarda yoğun derinlik çoğullaması hala bir zorluk olmaya devam ediyor: Çıkış hacminde eksenel görüntü düzlemleri birbirine yaklaştıkça, kırınıma bağlı çapraz karışma, derinlik seçiciliğini ve görüntü doğruluğunu hızla bozar.

Sistem nasıl çalışır?

UCLA’da geliştirilen yaklaşım, öğrenilmiş bir dijital kodlayıcıyı yapısal olarak optimize edilmiş yüzeylerden oluşan pasif çok katmanlı kırınımlı kod çözücüyle eşleştirerek bu zorluğun üstesinden gelir. Fourier tabanlı bir sinir ağı etrafında oluşturulan kodlayıcı, hedef görüntü yığınından çok ölçekli uzamsal ve frekans alanı özelliklerini çıkarır, eksenel konum bilgisini birleştirir ve 3 boyutlu olarak yansıtılacak tüm görüntüleri aynı anda temsil eden tek fazlı bir model üretir.

Kodlanmış dalga cephesi daha sonra yapısal olarak optimize edilmiş kırınımlı yüzeyler boyunca yayılır; bu yüzeyler, ışık yayılımı sırasında fiziksel olarak derinliğe bağlı alan programlamayı gerçekleştirir, görüntü içeriğini optik olarak belirlenmiş eksenel derinliğine yönlendirirken düzlemler arası sızıntıyı da özünde bastırır.

Simülasyon ve deneysel sonuçlar

Sayısal simülasyonlar aracılığıyla araştırmacılar, tek bir dalga boyu düzeyinde eksenel düzlem ayrımlarına sahip çok düzlemli anlık görüntü projeksiyonunu gösterdi ve sistemin, tek fazlı bir desen halinde kodlanmış 28 eksenel dilim içeren hacimsel sahnelere ölçeklendiğini gösterdi. Çalışma aynı zamanda kırınımlı kod çözücünün derinliği, çıkış kırınım verimliliği, uzamsal ışık modülatör çözünürlüğü ve eksenel kodlama yoğunluğu dahil olmak üzere temel tasarım faktörlerini de karakterize ederek gelecekteki kırınımlı 3D ekranlar için pratik tasarım yönergeleri sağladı.

Ekip ayrıca, görünür spektrumda çalışan tek katmanlı bir fiziksel kod çözücüye sahip iki düzlemli bir optik prototip kullanarak çerçeveyi deneysel olarak doğruladı. Ölçülen yoğunluk modelleri, hem sayısal simülasyonlarla hem de hedef görüntülerle yakından eşleşti ve kırınımlı kod çözücü olmadan boş alan taban çizgisinden açıkça daha iyi performans gösterdi; bu, hibrit dijital optik mimarinin anlık görüntü 3D görüntü projeksiyonu için fizibilitesini doğruladı.

Potansiyel uygulamalar ve görünüm

Bu çalışma, holografik ve göze yakın AR/VR ekranlar, çok derinlikli hacimsel mikroskopi, gerçek zamanlı 3 boyutlu görselleştirme ve hacimsel optik hesaplama gibi potansiyel uygulamalarla yüksek eksenel çözünürlüklü anlık 3 boyutlu görüntü gösterimi için kompakt ve ölçeklenebilir bir platform oluşturuyor. İleriye bakıldığında çerçeve, kompakt, enerji tasarruflu 3D görüntüleme sistemleri için çok bantlı operasyona, çok perspektifli holografiye ve fiziksel olarak üretilmiş çok katmanlı pasif kod çözücülere kadar genişletilebilir.

Çalışma, UCLA Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü ve UCLA Kaliforniya NanoSistem Enstitüsü’nden (CNSI) Dr. Çağatay Işıl, Alexander Chen, Yuhang Li, F. Onuralp Ardic, Dr. Shiqi Chen, Che-Yung Shen ve Prof. Aydoğan Özcan tarafından yürütüldü.