Ologrammi Finalmente per Tutti? La Magia della Luce Incoerente Svela il Futuro!

Avete presente quelle scene pazzesche nei film di fantascienza, con personaggi che interagiscono con proiezioni tridimensionali fluttuanti nell’aria, stabili e visibili da ogni angolazione? Ecco, per anni quel sogno è rimasto, appunto, fantascienza. L’olografia tradizionale, pur essendo una tecnologia affascinante, ha sempre avuto dei limiti un po’ frustranti, soprattutto per quanto riguarda l’esperienza visiva. Ma se vi dicessi che forse abbiamo trovato un modo per rendere gli ologrammi molto più simili a quelli dei nostri sogni, usando un ingrediente apparentemente controintuitivo: la luce incoerente?

Sì, avete letto bene. Per decenni ci hanno insegnato che per ologrammi di qualità serve luce coerente, come quella di un laser, bella ordinata e con le onde tutte in fase. Questo perché la coerenza permette di registrare e ricostruire con precisione la fase dei campi d’onda, che è l’ingrediente segreto per le immagini 3D. Recentemente, grazie ai progressi nell’ottica computazionale, siamo riusciti ad acquisire dati olografici usando luce incoerente, ma la ricostruzione ottica, quella che ci fa vedere l’immagine, richiedeva ancora sorgenti parzialmente coerenti. Fino ad ora.

Una Svolta Inattesa: Sfruttare l’Incoerenza

Nel nostro lavoro, abbiamo dimostrato un concetto che potrebbe sembrare un paradosso: un ologramma che non solo utilizza luce incoerente per la ricostruzione, ma che richiede l’incoerenza per funzionare al meglio! Abbiamo chiamato questo approccio CRIS, che sta per “Coherently-Reconstructed Incoherent Sum”, ovvero una somma incoerente di luci ricostruite coerentemente. Un nome un po’ tecnico, lo so, ma l’idea di base è geniale nella sua semplicità.

Immaginate di prendere la luce “disordinata” (incoerente) e, invece di vederla come un problema, usarla a nostro vantaggio. Scomponiamo idealmente questa luce incoerente in un’infinità di sorgenti luminose infinitesimali, ognuna delle quali è coerente con se stessa. Poi calcoliamo come ognuna di queste “mini-luci” coerenti si propaga e contribuisce all’immagine finale. La somma di tutte queste contribuzioni, ottimizzata al computer, ci permette di ricostruire una scena 3D desiderata. La cosa strabiliante è che ogni singola componente coerente, da sola, ricostruirebbe un’immagine completamente diversa e incomprensibile. È solo la loro somma incoerente che dà vita alla magia!

L’incoerenza spaziale, che prima era un ostacolo, diventa così la chiave per ottenere due vantaggi enormi: alta qualità dell’immagine (addio a quel fastidioso rumore “speckle” tipico dei laser!) e un “eyebox” incredibilmente ampio. L’eyebox, per chi non lo sapesse, è quella zona nello spazio da cui si può osservare l’immagine olografica. Se è piccolo, basta un minimo movimento della testa per perdere l’immagine. Con il nostro metodo CRIS, invece, l’intensità ricostruita rimane invariante anche se l’osservatore sposta la pupilla. Questo significa che potete muovervi e continuare a vedere l’ologramma chiaramente!

La Magia dell’Invarianza allo Spostamento e l’Eyebox Gigante

Uno dei problemi più sentiti con gli ologrammi tradizionali è proprio l’eyebox ristretto. Se si illumina un modulatore spaziale di luce (SLM, il “cervello” che crea l’ologramma) con luce coerente, l’angolo di diffusione è limitato dal passo dei pixel del SLM. Di conseguenza, l’immagine è visibile solo in una piccola area. Basta un piccolo movimento della testa e… puff, l’immagine scompare.

Con la luce incoerente, come quella di un LED ad ampia area, abbiamo una vasta gamma di angoli di incidenza sull’SLM. Questo fa sì che la luce modulata si diffonda in molte direzioni, permettendo un ampio angolo di visione, un po’ come nei display convenzionali. Però, finora, questi display non potevano ricostruire scene 3D arbitrarie a causa, appunto, dell’incoerenza della sorgente.

Noi abbiamo trovato il modo di “domare” questa incoerenza. Sfruttiamo la coerenza spaziale associata a ogni singola sorgente puntiforme che compone la luce incoerente. Posizionando l’SLM nel piano di Fourier della sorgente luminosa, la luce proveniente da un punto della sorgente forma un’onda piana con un angolo di incidenza specifico sull’SLM. Considerando solo la luce con quell’angolo specifico, abbiamo coerenza spaziale, e la luce modulata dall’SLM può ricostruire un campo d’onda 3D. Dopo che ogni onda piana modulata passa attraverso un’altra lente, la luce modulata subisce una trasformata di Fourier sul piano della pupilla dell’osservatore. Anche se ogni onda piana è modulata dallo stesso pattern sull’SLM, la luce che passa attraverso la pupilla è diversa a causa dell’effetto di filtraggio della pupilla stessa. Ogni onda piana modulata avrà quindi intensità diverse sulla retina, e l’intensità totale è la somma incoerente delle singole intensità di queste onde filtrate.

La vera magia? Abbiamo dimostrato teoricamente che CRIS rimane invariante allo spostamento (shift-invariant) quando la pupilla si muove. Questo significa che l’immagine resta lì, stabile e chiara, anche se muovete la testa! Addio a quell’effetto “vedo-non vedo” che affliggeva gli ologrammi tradizionali. Teoricamente, questa invarianza allo spostamento permette un’espansione dell’eyebox di ben 1000 volte! Nel nostro esperimento preliminare, abbiamo già raggiunto un notevole aumento di 32 volte, limitato solo dall’apertura numerica del nostro setup attuale.

CRISNet: Ologrammi in Tempo Reale

C’era un “piccolo” dettaglio: calcolare e ottimizzare questa somma incoerente richiedeva una potenza di calcolo mostruosa, milioni di volte superiore a quella per gli ologrammi convenzionali. Impraticabile per applicazioni in tempo reale come i display olografici. E qui entra in gioco l’intelligenza artificiale. Abbiamo addestrato una rete neurale, che abbiamo battezzato CRISNet, composta da blocchi residui con strati convoluzionali. Questa rete prende in input un’immagine RGB-D (colore più profondità) e restituisce in un lampo la modulazione necessaria per il nostro sistema CRIS.

Grazie a CRISNet, siamo riusciti a ridurre drasticamente i costi computazionali, permettendo la sintesi di ologrammi CRIS in tempo reale. Pensate: siamo passati da calcoli che richiedevano ore a risultati quasi istantanei, con una frequenza di aggiornamento di 57 Hz su una comune GPU da gaming! Questo apre la strada all’adozione diffusa dei display olografici, risolvendo sfide chiave come l’alta qualità dell’immagine, la sintesi in tempo reale e, appunto, un eyebox ampio, il tutto senza bisogno di apparecchiature aggiuntive complesse.

Qualità Visiva e Conferme Sperimentali

Abbiamo messo alla prova il nostro sistema CRIS sia con simulazioni numeriche che con ricostruzioni ottiche sperimentali. I risultati sono stati entusiasmanti. Nelle simulazioni, abbiamo ricostruito scene 3D, ad esempio con una luna fluttuante davanti a una Terra sullo sfondo. Mettendo a fuoco il piano anteriore, la luna appariva nitida e la Terra sfocata, e viceversa, confermando la capacità di ricostruzione 3D. La qualità delle immagini, misurata con metriche standard come il PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio), si è rivelata elevata, attestandosi intorno ai 29 dB al centro dell’eyebox e scendendo solo leggermente (26.3 dB) ai bordi dell’eyebox espanso.

Anche gli esperimenti ottici hanno confermato le nostre previsioni. Abbiamo usato laser rossi, verdi e blu accoppiati a una fibra monomodale e un diffusore rotante per sopprimere la coerenza spaziale, creando la sorgente luminosa ideale. Un SLM a sola ampiezza ha modulato la luce, e una fotocamera con un’apertura (a simulare la pupilla) ha catturato le immagini. Le scene 3D sono state ricostruite con successo, con oggetti fluttuanti che apparivano nitidi al giusto piano di fuoco. E, cosa più importante, abbiamo confermato sperimentalmente l’invarianza allo spostamento: muovendo l’apertura lungo gli assi x, y e persino z, la qualità dell’immagine e il campo visivo rimanevano costanti, a differenza degli ologrammi convenzionali. L’assenza di coerenza spaziale ha anche eliminato il rumore speckle, uno dei principali responsabili della bassa qualità d’immagine negli ologrammi laser.

Limiti e Prospettive Future

Certo, come ogni nuova tecnologia, anche CRIS ha dei margini di miglioramento. Ad esempio, al momento non c’è parallasse di movimento: la scena 3D appare uguale indipendentemente dalla posizione della pupilla (entro l’eyebox). Questo potrebbe essere un problema per i display olografici piatti, ma non lo è per i display near-eye (quelli da indossare, tipo occhiali), dove la parallasse è indotta dal movimento della testa. Considerando il grande interesse recente per i display olografici near-eye per applicazioni di realtà aumentata, virtuale e mista, CRIS offre una soluzione promettente, soprattutto per supportare l’effetto di accomodazione dell’occhio (la messa a fuoco a diverse profondità).

Un’altra questione è la sfocatura da defocus (defocus blur), che può apparire innaturale per oggetti a piani diversi da quello dell’SLM. Esistono già vari metodi per affrontare questo problema, e la loro integrazione potrebbe alleviare ulteriormente questo aspetto.

Nonostante queste piccole sfide, siamo convinti che CRIS rappresenti un passo avanti significativo. Risolve problemi annosi dei display olografici come l’eyebox limitato, la qualità dell’immagine e la sintesi in tempo reale. Crediamo che questo approccio non solo ispirerà nuove direzioni di ricerca nell’uso della luce incoerente in fotonica, ma potrà anche accelerare la diffusione su larga scala dei display olografici, offrendo finalmente quelle esperienze 3D immersive e fotorealistiche che abbiamo sempre sognato, paragonabili per praticità ai display 2D a cui siamo abituati.

Insomma, la prossima volta che vedrete un ologramma in un film, pensate che quel futuro potrebbe essere molto più vicino di quanto immaginiate, grazie a un pizzico di… incoerenza!

Fonte: Springer