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

为下一代增强/虚拟现实(AR/VR)系统开发的一项有前途的技术是全息图像显示，它使用相干光照明来模拟3D光波，例如代表场景中的对象。这些全息图像显示器有可能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体验需要在大视野内形成相对高分辨率的图像，以匹配人眼的分辨率和视角。然而，全息图像投影系统的能力受到限制，主要是由于现有图像投影仪和空间光调制器中可独立控制的像素数量有限。

最近发表在《科学进展》(ScienceAdvances)上的一项研究报告了一种深度学习设计的透射材料，该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AydoganOzcan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，并创建了一种基于材料的物理图像解码器，实现了当光穿过其层时，超分辨率图像投影。

想象一下，在云端或您的本地PC中有一串高分辨率图像等待发送到您的头戴式或可穿戴显示器以供您可视化。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)运行它们，将它们压缩成看起来像条形码的低分辨率图像，对人眼没有意义。

然而，这种图像压缩不同于其他数字图像压缩方法，因为它不在计算机中解码或解压缩。相反，基于透射材料的衍射解码器以光学方式解压缩这些低分辨率图像，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通过被动和薄结构材料的光衍射来完成，使得整个过程非常快，因为透明衍射解码器可以像邮票一样薄。

除了超快之外，这种衍射图像解码方案还非常节能，因为图像解压缩过程遵循通过无源材料的光衍射，并且除了照明光之外不消耗功率。

加州大学洛杉矶分校的研究团队表明，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实现约4的超分辨率因子，对应于投影图像中有用像素的有效数量增加约16倍.

除了提高投影图像的分辨率外，这种衍射图像显示还显着降低了由于将高分辨率图像编码为具有较少像素的紧凑光学表示，这种衍射图像显示器还显着降低了数据传输和存储要求，从而显着减少了数量需要传输到可穿戴显示器的信息。

该研究团队使用3D打印的衍射解码器实验性地展示了他们的衍射超分辨率图像显示器，该解码器在电磁频谱的太赫兹部分运行，例如经常用于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影具有红色、绿色和蓝色波长的彩色图像。

该研究的首席研究员AydoganOzcan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，有可能形成下一代3D显示技术的基石，例如头戴式设备。”

这项工作的其他合著者包括加州大学洛杉矶分校诺斯罗普·格鲁曼公司电气和计算机工程教授MonaJarrahi以及加州大学洛杉矶分校的研究生CagatayIsil、DenizMengu、YifanZhao、AnikaTabassum、JingxiLi和YiLuo。