研究背景

计算机生成全息术（CGH）是一项利用计算机技术对虚拟对象进行动态重建的先进技术。它在三维显示、光信息存储与处理、娱乐及加密等多个领域有着广泛应用。然而，尽管CGH的应用范围广泛，当前技术主要依赖于空间光调制器（SLM）和数字微镜设备（DMD）这样的投影设备。这些设备在显示性能上有固有的局限，例如，它们往往会导致投影图像的视场角过小和多级次衍射等问题。

近年来，由大量亚波长纳米结构构成的超表面器件，在电磁波调制方面展现出了卓越的能力。通过亚波长尺度的纳米结构，超表面能够在振幅、相位等电磁波的基本属性上引入突变，这使得能够实现许多传统调制设备难以实现的调制效果。基于超表面的全息术取得了大视场、无色差成像、彩色显示、信息容量扩展、多维多路复用等方面的重大进展，成为了实现动态全息显示的有力工具。

尽管如此，动态超表面全息术，在实现高级人机交互等先进显示所需要的实时、高流畅的动态显示效果方面，仍然面临着巨大的挑战。高流畅度的超表面全息显示关键在于实现高计算和显示帧率。计算帧率是指数据的计算、处理速度及其为显示准备的速率，这确保了系统能够实时地计算所需的内容。目前大多数全息显示解决方案严重依赖于一次或多次的快速傅里叶变换（FFT），它通常需要像图形处理单元（GPU）这样的专业计算单元来满足高速刷新需求，这使得计算能力和能耗成为了大规模应用的限制因素。另一方面，显示帧率，即显示设备刷新和呈现新内容的速度，对于视觉内容的流畅性至关重要。当前，大多数超表面动态全息显示方案难以实现高显示帧率，这限制了其在提供流畅视觉体验方面的能力。

研究亮点

针对上述问题，来自华中科技大学武汉光电国家研究中心的熊伟教授和高辉副教授的团队提出了一种具有高计算帧率和显示帧率的动态交互位超表面全息术(Bit-MH)技术，并搭建了全球首台实用化的可交互式超表面全息显示系统。该工作以“Dynamic interactive bitwise meta-holography with ultra-high computational and display frame rates”为题发表在Opto-Electronic Advances 2024年第1期。

在这项研究中，团队将超表面的显示功能划分为不同的空间区域（即空间信道），每个信道可以投影一个重建的子全息图案。通过光寻址空间通道复用技术，将所有信道的开关状态映射到一组比特值，进而将动态全息的更新过程映射为了操纵这组比特值来控制对应的信道的开启或关闭状态。相比于传统的动态全息的更新过程中需要频繁的利用FFT来计算全息图的复杂运算过程，该研究方案利用映射的按位运算极大的提升了计算效率，实现了高效的动态刷新。

研究人员在低功耗的树莓派计算平台对按位动态全息的核心算法执行了基准测试，结果表明，按位动态全息方案的最大计算帧率可达800kHz，同时利用高速的DMD设备光寻址设备，可以实现的最大显示帧率达到23kHz。

作为对这一技术的概念验证，研究团队在可见光波段构建了一个用于俄罗斯方块游戏的交互全息游戏系统。系统的核心组件包括空间划分的超表面器件、DMD、树莓派控制器以及游戏手柄和必要的光学组件。该研究提出的按位动态全息术的设计可以高效地动态更新全息图像，并允许与外部输入设备进行实时交互。这种高效和可编程的Bit-MH方法有望为未来实现流畅、高效的超表面全息显示系统铺平道路。

图1. 基于按位动态超表面全息术实现的交互式全息俄罗斯方块游戏的系统架构图

通讯作者简介

熊伟现为华中科技大学教授，中组部国家海外高层次青年人才，武汉光电国家研究中心激光科学与技术研究部执行主任，主要从事微纳尺度激光3D/4D打印，纳米功能材料的激光诱导合成与组装，以及超快激光成像与表征等方面研究。近年来在Science Advances、International Journal of Extreme Manufacturing、Nature Communications、Advanced Materials、Light：Science & Application、Nano Letters等国际知名期刊发表论文100多篇，授权和公开国内外发明专利五十余件。曾获得美国激光协会ICALEO国际会议最佳论文奖，并曾担任美国激光协会ICAELO国际会议激光纳米加工与制造的分会主席，POEM国际会议激光分会的共主席，目前担任中国机械工程学会极端制造分会委员会委员、《中国激光》和《光电子学前沿》（FOE）编委、《极端制造》（IJEM）青年编委，以及湖北和武汉激光学会副理事长。

高辉，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，中国科协“青年人才托举工程”入选者，中国民主促进会会员。本科就读于浙江大学，博士就读于中国科学院大学与新加坡国立大学，曾获2020年中国仪器仪表学会全国优秀博士论文奖。研究方向包括全息显示、微纳光学光场调制、激光微纳制造等，在Science Advances等国际期刊上发表论文二十余篇，研究成果入选ESI高被引论文。承担国家自然科学基金、湖北省青年基金等多项国家级及省部级项目，入选武汉市曙光计划。目前担任期刊Opto-Electronic Advances青年编委/武汉办公室主任、《中国激光》青年编委、中国光学工程学会微纳专委会委员/副秘书长、中国仪器仪表学会科普专委会委员/科普专家、Light科普坊科学家顾问等职务。

熊伟教授、高辉副教授团队合影