Разработка метаголограмм: ученые создают голограммы с расширенными возможностями
Опубликовано на 31 мая, 2024
В мире стремительно развивающихся технологий голографические изображения, как и любое другое визуальное восприятие, приобретают все более важное значение. С помощью метаголограмм — тонких слоев материала с микроскопической структурой — можно создавать реалистичные 3D-изображения, превосходящие по качеству и детальности традиционные голограммы.
Метаголограмма
Автор: Designer
Однако существующие многоканальные метаголограммы, способные демонстрировать несколько изображений, сталкиваются с ряд сложностей. Основная из них — ограниченное количество каналов и неизбежное перекрытие изображений, или «кросс-ток».
Ученые из Хуачжунского университета науки и технологии, Университета Мичигана и других институтов предлагают новое решение: метаголограмма, интегрированная в плоский стеклянный волновод. Эта технология позволяет одновременно проецировать шесть независимых изображений без какого-либо взаимного влияния.
Схема шестиканальной голографической проекции изображений без перекрестных помех в широком видимом диапазоне с помощью метаголограммы на основе волновода со спиновым и угловым мультиплексированием. Каждое из шести независимых изображений (например, заглавные буквы с разными цветами, показанные на схеме) может быть выборочно спроецировано в дальнее поле, когда метаголограмма освещается направленным падающим светом с определенным спиновым состоянием и азимутальным углом
Автор: Liu, Z., Gao, H., Ma, T. et al. Broadband spin and angle co-multiplexed waveguide-based metasurface for six-channel crosstalk-free holographic projection. eLight 4, 7 (2024). https://doi.org/10.1186/s43593-024-00063-9 CC-BY 4.0Источник: elight.springeropen.com
Как это работает?
Ключевая идея заключается в использовании двух ключевых характеристик света — его поляризации и угла падения. Благодаря специально разработанной структуре метаголограммы, каждая из шести целевых картинок «прячется» в определенной зоне «пространства частот» (k-пространства).
Схемы проецирования голографического изображения метаголограммой при нормальном падающем освещении (а) и косом падающем освещении (б). Проецируемое изображение дальнего поля (т.е. картина пространственного распределения частот) содержит шестнадцать равноотстоящих друг от друга заглавных букв. Шаг составляющих мета-атомов выбран равным. Следовательно, центрально-периодическая область картины пространственного распределения частот находится в диапазоне от — 1,5 до 1,5 вдоль двух перпендикулярных координат и в нормированной системе координат k-пространства. Светлая область и теневая область на плоскости изображения обозначают область распространяющихся волн и область эволюционирующих волн, соответственно. Черная пунктирная окружность, определяемая обозначает границу между двумя вышеуказанными областями. Направление распространения косого падающего света в (b) находится в плоскости x-z и направлено к положительной оси x, составляя угол α0 по отношению к направлению нормали метаголограммы. Например, в случае α0 = 60° косой падающий свет создает градиент фазы в плоскости вдоль оси x и приводит к трансляции на расстояние 0,5 для картины распределения пространственных частот в нормализованном k-пространстве. После такой трансляции изображения заглавных букв «E» и «I» перемещаются в область распространения волн, а изображения заглавных букв «G» и «K» частично перемещаются из области распространения волн. Кроме того, изображения заглавных букв «D», «H», «L» и «P» перемещаются из центрально-периодической области
Автор:
Liu, Z., Gao, H., Ma, T. et al. Broadband spin and angle co-multiplexed
waveguide-based metasurface for six-channel crosstalk-free holographic
projection. eLight 4, 7 (2024).
https://doi.org/10.1186/s43593-024-00063-9 CC-BY 4.0Источник: elight.springeropen.com
Чтобы отобразить выбранное изображение, ученые применяют к-пространственный перевод — с помощью управления углом и поляризацией света, проходящего через волновод, можно «вытащить» нужную картинку из зоны k-пространства, сделав ее видимой.
Механизм работы шестиканальной метаголограммы. a-f Центрально-периодические картины пространственного распределения частоты (левая панель на каждом рисунке) и соответствующие схемы голографических проекций (правая панель на каждом рисунке) для метаголограммы при освещении направленным светом (α = 55,3°) с различным азимутальным углом β и спиновым состоянием. Для направленного света, имеющего различные спиновые состояния (RCP и LCP) и распространяющегося вдоль различных расчетных направлений V1 (α = 55,3°, β = 0°), V2 (α = 55,3°, β = 60°) и V3 (α = 55,3°, β = 120°), различные изображения цели могут быть выборочно переведены в центр области распространения волн и спроецированы в дальнее поле; в то время как все остальные пять букв переводятся соответствующим образом, но остаются в области распространения волн. Здесь α обозначает угол МДП направленного света, а β — азимутальный угол направленного света по отношению к положительной оси x
Автор:
Liu, Z., Gao, H., Ma, T. et al. Broadband spin and angle co-multiplexed
waveguide-based metasurface for six-channel crosstalk-free holographic
projection. eLight 4, 7 (2024).
https://doi.org/10.1186/s43593-024-00063-9 CC-BY 4.0Источник: elight.springeropen.com
По сути, метаголограмма превращается в своего рода «переключатель», который позволяет выбрать одно из шести изображений.
Численная проверка шестиканальной метаголограммы. a Схема составного метаатома, состоящего из поли-Si наностолбика высотой H = 280 нм, прямоугольного сечения (длины сторон D1 = 120 нм и D2 = 50 нм) и угла поворота θ, расположенного на подложке SiO2 и образующего квадратную решетку с шагом подволновой решетки P = 177 нм. Геометрическая фазовая модуляция накладывается на преобразованный кросс-кругополяризованный свет посредством изменения θ в зависимости от положения нанопиллара в устройстве. b Смоделированная эффективность преобразования кросс-поляризации между двумя противоположными спиновыми состояниями мета-атомом при нормальном освещении. Метаатом демонстрирует приемлемую широкополосную способность к конверсии поляризации в исследуемой видимой области спектра (450-650 нм). c Результаты моделирования голографического изображения шестиканальной метаголограммы. Шесть голографических изображений без перекрестных помех (заглавные буквы «A» — «F») могут быть выборочно спроецированы в зависимости от азимутального угла β (0°, 60° или 120°) и спинового состояния (RCP или LCP) направленного падающего света (= 637 нм) внутри стеклянной плиты. В моделировании метаголограмма состоит из 200200 мета-атомов и занимает квадратную область с длиной стороны 35,2. Плоскость изображения расположена на 1 см выше устройства метаголограммы
Автор:
Liu, Z., Gao, H., Ma, T. et al. Broadband spin and angle co-multiplexed
waveguide-based metasurface for six-channel crosstalk-free holographic
projection. eLight 4, 7 (2024).
https://doi.org/10.1186/s43593-024-00063-9 CC-BY 4.0Источник: elight.springeropen.com
Что дальше?
Ученые предлагают несколько вариантов дальнейшего развития технологии:
Увеличение количества каналов: простое увеличение площади k-пространства позволит увеличить количество проектируемых изображений.
Сочетание с другими технологиями: метаголограммы можно сочетать с другими методами мультиплексирования, например, с использованием спиральных волновых фронтов (OAM). Это позволит значительно увеличить количество каналов.
Применение в различных сферах: новые метаголограммы могут быть использованы в различных сферах, от AR/VR дисплеев до систем шифрования и хранения информации.
Двухканальная полноцветная метаголограмма. a Левая панель: два оригинальных цветных изображения цветов «сирень» и «роза». Правая панель: центрально-периодический шаблон пространственного распределения частот, закодированный на двухканальной полноцветной метаголограмме для нормального освещения при преобразовании поляризации из RCP в LCP. b Схема специально разработанной системы визуализации для записи проецируемых голографических изображений с помощью цветной метаголограммы. Лазерные пучки RGB одновременно подключаются к стеклянному волноводу с трех соседних боковых граней и распространяются вдоль трех азимутальных направлений (V1, V2 и V3, соответствующих β = 0°, 60° и 120°, соответственно). c Экспериментальные результаты проецирования голографического изображения на полноцветную метаголограмму. При одновременном освещении метаголограммы RGB-направленным падающим светом, имеющим спиновое состояние RCP или LCP, селективно проецируются два цветных изображения без наводок. RGB-компоненты этих цветных изображений также снимаются при освещении метаголограммы соответствующим одноцветным падающим светом.
Автор:
Liu, Z., Gao, H., Ma, T. et al. Broadband spin and angle co-multiplexed
waveguide-based metasurface for six-channel crosstalk-free holographic
projection. eLight 4, 7 (2024).
https://doi.org/10.1186/s43593-024-00063-9 CC-BY 4.0Источник: elight.springeropen.com
Переворот в головографической визуализации
Разработка ученых представляет собой революцию в мире головографических изображений. Она открывает новые возможности для создания более сложных, динамичных и информационно емких систем отображения.
Благодаря своей компактности и возможности проецировать несколько изображений одновременно, метаголограммы станут неотъемлемой частью современных технологий и будут применяться в различных областях человеческой деятельности.
Какова главная преграда на пути внедрения этой технологии в реальные устройства?
Главная преграда — это технологическая сложность производства метаголограмм с высокой точностью. Для получения высококачественных изображений нужны очень мелкие структуры с точностью до нанометра. Кроме того, для работы метаголограммы требуется специальный источник света с контролируемой поляризацией и углом падения.
Как можно применить метаголограммы в будущем?
AR/VR-дисплеи: возможность проецировать реалистичные 3D-изображения с маленького и компактного устройства откроет новые горизонты для AR/VR.
Шифрование: метаголограммы можно использовать для шифрования информации с помощью «скрытых» изображений, доступных только при использовании специального ключа.
Хранение информации: метаголограммы могут стать новой платформой для хранения больших объемов информации.
