Hologram 3D bị “bóng ma” vì ánh sáng rò sang lớp khác: Nhóm nghiên cứu biến phần ánh sáng đó thành một phần của hình ảnh
Hologram nhiều lớp thường phải giữ các mặt phẳng ảnh đủ xa nhau để ánh sáng từ lớp này không làm nhiễu lớp khác. Một phương pháp mới trên Nature Photonics đảo cách xử lý: ánh sáng đi ra khỏi một lớp được tối ưu để trở thành ánh sáng tạo ảnh cho lớp kế tiếp, giúp tạo trường sáng 3D liên tục hơn.
Trong hologram 3D nhiều lớp, một điểm ảnh không biến mất sau khi được tạo đúng ở độ sâu của nó. Ánh sáng tiếp tục truyền đi, mất nét và có thể lọt sang những mặt phẳng ảnh khác. Kết quả là crosstalk: các lớp bắt đầu “nhìn thấy” phần ánh sáng vốn dành cho lớp bên cạnh, tạo nền nhiễu, speckle hoặc những vệt giống bóng ma.
Phần lớn kỹ thuật trước đây xem lượng ánh sáng này là thứ cần triệt tiêu. Một nhóm nghiên cứu tại Jiangnan University, Nankai University và Shenzhen University lại chọn hướng ngược lại: thay vì để ánh sáng sau một mặt phẳng trở thành nhiễu, họ thiết kế trường sáng sao cho chính phần ánh sáng đó tiếp tục tham gia tạo hình ở mặt phẳng kế tiếp.
Công trình được công bố ngày 23/9 trên Nature Photonics dưới tên Volumetrically continuous 3D dynamic holography via cascaded light-field propagation. Nhóm gọi cơ chế này là cascaded light-field propagation — truyền trường sáng theo chuỗi. Mục tiêu không chỉ là làm một vài lớp ảnh sắc hơn, mà là giải quyết một hạn chế sâu hơn của hologram 3D: khoảng trống giữa các lớp.
Vì sao hologram 3D thường phải “xếp lát” không gian?
Một cách phổ biến để tạo hologram 3D bằng máy tính là chia vật thể thành nhiều ảnh 2D ở các độ sâu khác nhau. Hologram sau đó được tính sao cho ánh sáng tái tạo từng lát tại đúng vị trí theo trục z.
Vấn đề là mỗi mặt phẳng có một vùng độ sâu mà hình ảnh vẫn chưa mất nét hoàn toàn. Nếu hai mặt phẳng đặt quá gần nhau, các vùng này chồng lấn và crosstalk tăng mạnh. Nếu đặt xa nhau để giảm nhiễu, vật thể 3D lại trở thành một chồng các lát rời rạc thay vì một trường sáng liên tục.
Các phương pháp như random-vector computer-generated holography (RV-CGH) giảm tương quan giữa các mặt phẳng bằng cách đưa pha ngẫu nhiên vào trường sáng. Điều đó giúp biến phần ánh sáng ngoài tiêu điểm thành nền speckle ít có cấu trúc hơn, nhưng không làm ánh sáng biến mất. Năng lượng quang học vẫn bị tản vào nền, làm giảm độ tương phản và hiệu suất tạo ảnh.
Tài liệu bổ sung của nghiên cứu mô tả đây là một giới hạn của chính mô hình thiết kế “mỗi lớp độc lập”: sau khi ánh sáng hoàn thành nhiệm vụ ở một lớp, phần tiếp tục truyền đi thường trở thành gánh nặng đối với những lớp khác.
Thay vì vứt ánh sáng rò, dùng nó để vẽ lớp tiếp theo
Ý tưởng của nhóm Jiaan Gan, Yong Yang và các cộng sự là bỏ giả định rằng mỗi mặt phẳng phải được thiết kế độc lập. Trong kiến trúc mới, trường sáng ở một lớp được tối ưu đồng thời với các lớp phía sau. Ánh sáng đi ra khỏi lớp A vì thế không còn mặc định là nhiễu đối với lớp B; pha và biên độ của nó được tính sao cho nó trở thành một phần của trường tới cần thiết để hình thành B.
Có thể hình dung sự khác biệt bằng một chuỗi máy chiếu. Cách cũ cố làm cho ánh sáng thừa sau mỗi ảnh trở nên vô hại. Cách mới hỏi một câu khác: nếu ánh sáng dù sao cũng phải tiếp tục truyền, liệu có thể buộc nó mang thông tin hữu ích cho ảnh kế tiếp hay không?
Trong mô phỏng hai mặt phẳng ở tài liệu bổ sung, RV-CGH đạt SNR 15,7 dB và 16,2 dB tại hai độ sâu được kiểm tra, trong khi phương pháp mới đạt lần lượt 21,2 dB và 21,0 dB dưới cùng công suất đầu vào. Với ba mặt phẳng cách nhau 50 mm, phần năng lượng hữu ích trong mô phỏng cũng tăng từ 48%, 60% và 39,8% ở RV-CGH lên 83,7%, 88,2% và 78% với thiết kế truyền nối tầng.
Những con số này là kết quả mô phỏng dùng để phân tích cơ chế, không phải thông số hiệu suất của một màn hình thương mại. Ý nghĩa quan trọng hơn là ánh sáng sau mỗi lớp không còn bị coi là năng lượng phải tán xạ đi.
Holo-Prior-Net tính hologram mà không cần pretraining
Biến ý tưởng trên thành một hologram thực tế tạo ra bài toán tối ưu khá lớn: trường sáng ở nhiều độ sâu phải thỏa mãn các ràng buộc cùng lúc, trong khi tất cả đều bắt nguồn từ một mẫu pha duy nhất trên spatial light modulator (SLM).
Nhóm xây dựng một framework có tên Holo-Prior-Net. Đây là một mạng neural nhúng mô hình vật lý của quá trình nhiễu xạ, nhưng khác với nhiều hệ deep learning dùng cho holography, nó không cần được huấn luyện trước trên một tập dữ liệu lớn gồm các cặp ảnh và hologram.
Thay vào đó, cấu trúc của mạng đóng vai trò như một prior cho bài toán tối ưu. Mô hình truyền ánh sáng giữa các lớp được đưa trực tiếp vào kiến trúc, và mạng tìm pha hologram phù hợp cho cảnh đang cần tạo. Vì vậy, gọi đây đơn giản là một hệ thống “AI tạo hologram” sẽ bỏ qua phần quan trọng nhất: cơ chế vật lý của ánh sáng mới là ràng buộc trung tâm, còn mạng neural là công cụ tính toán để hiện thực hóa thiết kế đó.
Từ chữ A–B tới xoắn kép DNA và một quả cầu rỗng
Nhóm không dừng ở mô phỏng. Họ dùng một SLM thương mại để tái tạo trường sáng trong không gian tự do và kiểm tra tính liên tục theo cả chiều sâu lẫn phương ngang.
Một thí nghiệm tạo cấu trúc xoắn kép DNA kéo dài trên khoảng 80 mm theo trục truyền ánh sáng. Cấu trúc này chỉ rộng khoảng 0,6 mm theo phương ngang, với bề rộng đường sáng khoảng 50 µm. Nhóm cũng tái tạo một hình trụ rỗng dài 40 mm, đường kính 5 mm và thành dày khoảng 100 µm, cùng một quả cầu ánh sáng rỗng có kích thước ngang khoảng 1 mm và kéo dài 40 mm theo chiều sâu.
Để kiểm tra rằng hình 3D không chỉ là vài lát được đặt khéo léo, các nhà nghiên cứu quét trường sáng qua những vị trí trung gian không nằm trong các mặt phẳng dùng lúc thiết kế. Với cấu trúc xoắn kép, bàn dịch chuyển quét 140 mm theo bước 0,2 mm, tạo 700 khung hình thô. Các lát trung gian vẫn cho thấy cấu trúc thay đổi liên tục, thay vì biến mất rồi xuất hiện lại tại những độ sâu được đặt trước.
Một thí nghiệm khác đặt chữ A và B cách nhau 30 mm, sau đó quét 50 mm theo bước 0,1 mm. Ở phương pháp thiết kế từng lớp độc lập, ánh sáng rời mặt phẳng mục tiêu nhanh chóng trở thành vùng mất nét và crosstalk. Trong thiết kế nối tầng, trường sáng từ lớp trước tiếp tục được dùng có chủ đích cho lớp sau.
“Liên tục” không có nghĩa là không còn giới hạn độ phân giải
Công trình giải quyết cách tổ chức trường sáng giữa các lớp, nhưng không loại bỏ những giới hạn vật lý của phần cứng hologram. Số pixel, kích thước pixel, numerical aperture và độ phức tạp của cảnh vẫn quyết định lượng thông tin mà SLM có thể mã hóa.
Nhóm cho thấy khi giảm khoảng cách ngang giữa các cấu trúc xuống 300 µm và 200 µm, chất lượng vẫn tương đối tốt trong cấu hình thử nghiệm. Nhưng ở 100 µm và 50 µm, crosstalk tăng trở lại. Tác giả quy điều này cho sự đánh đổi giữa độ phức tạp của hình ảnh và số pixel hologram có sẵn.
Đây là một giới hạn quan trọng: phương pháp mới không biến một SLM hữu hạn thành màn hình có độ phân giải vô hạn. Muốn tái tạo cảnh lớn hơn, nhiều chi tiết hơn hoặc có dải xám phức tạp hơn, hệ thống vẫn cần nhiều pixel hơn, pixel nhỏ hơn hoặc kiến trúc quang học có bandwidth lớn hơn.
Dynamic holography hiện vẫn chưa ở tốc độ video
Từ “dynamic” trong tên paper cũng cần đặt đúng bối cảnh. Nhóm đã tạo một chuỗi 14 trường sáng thay đổi theo thời gian, trong đó các hologram được tính mới rồi nạp lên SLM thay vì chỉ phát lại một bộ hologram tính sẵn.
Trên GeForce RTX 3090 với vùng SLM 256 × 256 pixel, toàn bộ chuỗi 14 trạng thái mất dưới 7 giây; trung bình khoảng 0,43 giây cho mỗi lần tạo pha, lưu và nạp lên SLM. Đây là bằng chứng rằng thiết kế có thể thay đổi theo cảnh, nhưng vẫn cách khá xa tốc độ của một màn hình video thông thường, đặc biệt nếu tăng độ phân giải và độ phức tạp của vật thể.
Nhóm cũng trình diễn một xoắn kép 3D quay trong môi trường khói tán xạ bằng cách lần lượt nạp 20 hologram tương ứng với các hướng khác nhau. Một thí nghiệm khác cho thấy trường sáng thể tích có thể được quan sát trực tiếp từ nhiều góc mà không cần ghép ảnh hậu kỳ.
Điểm mới nằm ở cách định nghĩa “nhiễu”
Nhiều nghiên cứu holography trước đây đã tìm cách giảm crosstalk bằng tăng khoảng cách lớp, random hóa pha, dùng vật liệu tán xạ hoặc tối ưu từng mặt phẳng. Công trình mới không chứng minh rằng crosstalk đã biến mất trong mọi trường hợp. Thực tế, dữ liệu bổ sung cho thấy nó vẫn tăng khi các cấu trúc bị ép quá sát nhau.
Điều thay đổi là cách xử lý phần ánh sáng vốn tạo ra crosstalk. Nếu trường sáng sau một lớp được thiết kế đồng thời với những lớp tiếp theo, ranh giới giữa “ánh sáng hữu ích” và “ánh sáng rò” không còn cố định. Một phần mà thiết kế cũ phải làm cho ngẫu nhiên có thể được tái sử dụng có chủ đích.
Đó là lý do nghiên cứu đáng chú ý hơn một phép cải thiện độ nét đơn thuần. Thay vì hỏi làm sao để mỗi lớp hologram không ảnh hưởng tới lớp khác, nhóm đặt lại bài toán: làm sao để ảnh hưởng đó trở thành chính cơ chế nối các lớp thành một trường sáng 3D liên tục.
Bước tiếp theo sẽ không chỉ là tạo thêm một mô hình 3D đẹp trong phòng lab. Hệ thống cần chứng minh khả năng mở rộng lên SLM độ phân giải cao, tăng tốc tính toán tới video-rate, duy trì độ tương phản trên thể tích lớn hơn và hoạt động ổn định trong cấu hình hiển thị thực tế. Cho tới khi những vấn đề đó được giải quyết, đây vẫn là một nền tảng nghiên cứu về cách thiết kế trường sáng — chưa phải màn hình hologram 3D sẵn sàng thay thế kính VR.
