人工智能设计的结构化材料使用低分辨率显示器创建超分辨率图像

下一代增强/虚拟现实(AR/VR)系统正在开发的一项有前途的技术是全息图像显示器，它使用相干光照明来模拟3D光波，例如，表示场景中的物体。这些全息图像显示器可以潜在地简化可穿戴显示器的光学设置，从而实现紧凑轻便的外形。

另一方面，理想的AR/VR体验需要在大视场内形成相对高分辨率的图像，以匹配人眼的分辨率和观看角度。然而，由于现有的像投影机和空间光调制器中独立可控像素的数量有限，限制了全息像投影系统的能力。

最近发表在《科学进展》上的一项研究报告了一种深度学习设计的透射材料，可以使用低分辨率图像显示器投射超分辨率图像。在他们题为“使用衍射解码器的超分辨率图像显示”的论文中，由Aydogan Ozcan教授领导的加州大学洛杉矶分校研究人员使用深度学习在波长尺度上对透射衍射层进行空间工程，并创建了一个基于材料的物理图像解码器，当光通过其层传输时，可实现超分辨率图像投影。

想象一下，有一股高分辨率图像在云端或本地 PC 中等待发送到您的头戴式或可穿戴显示器以进行可视化。这项新技术不是将这些高分辨率图像发送到您的可穿戴显示器，而是首先通过数字神经网络（编码器）将它们压缩成低分辨率的图像，看起来像条形码，人眼看不到。

但是，这种图像压缩与其他数字图像压缩方法不同，因为它不是在计算机中解码或解压缩的。相反，基于透射材料的衍射解码器将这些低分辨率图像全部以光学方式解压缩，并在来自低分辨率显示器的光穿过衍射解码器的薄层时投射所需的高分辨率图像。因此，从低分辨率到高分辨率的图像解压缩仅使用光衍射通过被动和薄的结构材料完成，由于透明衍射解码器可以像印章一样薄，因此整个过程非常快。

除了超快之外，这种衍射图像解码方案还具有能源效率，因为图像解压缩过程遵循光通过无源材料衍射，并且除了照明光外不消耗功率。

加州大学洛杉矶分校的研究小组表明，这些通过深度学习设计的衍射解码器可以在图像的每个横向方向上实现~4的超分辨率因子，相当于投影图像中有用像素的有效数量增加了~16倍。

除了提高投影图像的分辨率外，这种衍射图像显示器还可以显着降低数据传输和存储要求，这要归功于将高分辨率图像编码为具有较少像素数的紧凑光学表示，这大大减少了需要传输到可穿戴显示器的信息量。

该研究团队已经通过实验演示了他们的衍射超分辨率图像显示，使用3d打印的衍射解码器，该解码器在电磁频谱的太赫兹部分工作，这是经常使用的，例如，机场的安全图像扫描仪。研究人员还报告说，所提出的衍射解码器的超分辨率能力可以扩展到投射红色、绿色和蓝色波长的彩色图像。

该研究的首席研究员Aydogan Ozcan教授说：“这种衍射超分辨率图像显示设计将激发具有增强分辨率的显示解决方案，可能形成下一代3D显示技术的基石，例如头戴式设备。