Przepis na prawdziwe obrazowanie 3D

Badacze z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu w Białymstoku dzięki kooperacji z japońskimi i holenderskimi naukowcami zaproponowali nową metodę zapisu holograficznych obrazów 3D. Wyniki ich prac opublikowano na łamach „Nature Communications”.

Opracowanie prawdziwie trójwymiarowych i skalowalnych wyświetlaczy pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki. Rozwiązanie wyczekiwane od dekad przez przemysł elektroniki użytkowej musi się cechować doskonałą jakością obrazu i możliwością  w pełni naturalnego oglądania obrazów przestrzennych przez długi czas. Tak zwane telewizory 3D nie spełniały takich wymogów, co boleśnie odczuli użytkownicy — zastosowana technika stereoskopowa była w istocie próbą długotrwałego wymuszenia na mózgu widza sztucznego wrażenia przestrzenności obrazu.

Na czym więc polega problem z odtwarzaniem wysokiej jakości obrazu 3D? To przede wszystkim wymóg olbrzymiej rozdzielczość wzoru holograficznego, znacznie przekraczający standardy klasycznej telewizji, a także konieczność obliczania i aktualizowania w pamięci komputerowej ogromnej ilości informacji w czasie rzeczywistym oraz jej zapis w ośrodku modulującym światło do odtworzenia końcowych obrazów 3D.

Dzięki wynikom badań specjalistów z Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu w Białymstoku będzie możliwe pokonanie bariery rozdzielczości oraz szybkości obliczenia i wyświetlania obrazów holograficznych. Naukowcy zastosowali optomagnetyczny nośnik z efektem pamięci oraz sekwencyjne algorytmy pozbawione klasycznych obliczeń macierzowych.

Skuteczne rozwiązanie w wysokiej rozdzielczości

Wykorzystany w badaniach nośnik magnetyczny to syntetyczny stop gadolinu, żelaza i kobaltu (GdFeCo) w postaci warstwy o grubości 20 nanometrów na podłożu szklanym. To materiał bardzo łatwy i tani w produkcji. Jego niezwykłą cechą jest możliwość tworzenia dowolnych wzorów holograficznych poprzez skanowanie wiązką impulsów z lasera femtosekundowego – przypomina to kreślenie obrazu ołówkiem na kartce. Strukturą wzoru są mikroobszary magnetyczne przełączane wiązką światła w ultraszybki i powtarzalny sposób.

Metody takiego zapisu magnetycznego rozwija zespół prof. Andrzeja Stupakiewicza z Uniwersytetu w Białymstoku.

– Po raz pierwszy zaproponowaliśmy wykorzystanie ultraszybkiego zapisu magnetycznego do tworzenia wzorów holograficznych w ośrodku optomagnetycznym – mówi badacz. – Jego zaletą jest możliwość uzyskania olbrzymiej rozdzielczości i szybkości. Ultraszybki zapis magnetyczny umożliwia zapis punktu z czasem do 30 pikosekund, co przy zastosowaniu 1 GHz częstotliwości repetycji lasera pozwala na dynamiczny zapis wysokorozdzielczy nieosiągalny w obecnych technologiach.

Autorom publikacji w „Nature Communications” udało się utworzyć zapis holograficzny o gęstości około 3600 x 3600 punktów (ok. 13 mln. punktów lub 4K) na jeden cal kwadratowy, bez istotnych ograniczeń co do wielkości całego hologramu.

Co więcej, nowa metoda przy zastosowaniu nośnika magnetycznego zapamiętuje obraz holograficzny tak jak w dysku magnetycznym, natomiast sam proces zapisu, kasowania i ponownego zapisu odbywa się bezkontaktowo i wyłącznie za pomocą wiązki impulsów światła.

Oszczędność pamięci

– Zaprezentowaliśmy algorytm obliczeń holograficznych bez klasycznych i pamięciożernych obliczeń macierzowych – mówi dr hab. inż. Michał Makowski, prof. PW, kierownik zespołu z Wydziału Fizyki. – Zamiast tego zaproponowaliśmy podejście seryjne, czyli obliczanie punkt po punkcie, także w chmurze, zgodnie z repetycją zapisującej wiązki laserowej. Ponieważ zapis jest magnetycznie trwały, ośrodek przejmuje tym samym funkcję pamięci. Dzięki temu zapotrzebowanie na pamięć operacyjną komputera jest zerowe, niezależnie od rozmiaru hologramu.

We współpracy z grupą naukowców z Chiba University w Japonii udało się opracować procesor obliczający punkt hologramu w jednym cyklu zegara, czyli co 1 nanosekundę. Jak podkreśla prof. Makowski, może się to odbyć z wykorzystaniem dostępnej technologii.

Autorzy publikacji przybliżyli szacunki, zgodnie z którymi możliwość generowania i wyświetlania wielkoskalowych hologramów komputerowych 3D w podejściu macierzowym ma być możliwa dopiero około roku 2100. Dzięki badaniom zainicjonowanym przez polskich fizyków rewolucji możemy spodziewać się o wiele wcześniej.

Po więcej informacji o badaniach fizyków z Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu w Białymstoku zapraszamy do publikacji „Dynamic complex opto-magnetic holography”, dostępnej pod adresem rdcu.be/c05b7.

Wszystkie badania eksperymentalne zostały przeprowadzone w Białymstoku przy wsparciu Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu TEAM. Prace były współfinansowane z realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” (konkurs POB FOTECH-2) oraz projektu Inkubator Innowacyjności 4.0 realizowanego na Uniwersytecie w Białymstoku.

Źródło: www.fizyka.pw.edu.pl