Динамічна тривимірна мета-голографія у видимому діапазоні з великим числом кадрів і високою частотою кадрів Science

↵ * Ці автори внесли однаковий внесок у цю роботу.

Переглянути всі Сховати авторів та приналежності

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Запис ORCID для Вей Сюн
Для листування: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Запис ORCID для Jinsong Xia
Для листування: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

Анотація

Голограма - ідеальний метод для відображення тривимірних зображень, видимих неозброєним оком. Метаповерхні, що складаються з підхвильових структур, демонструють великий потенціал у маніпулюванні світлим полем, що корисно для подолання недоліків загальної комп'ютерної голографії. Однак існують давно існуючі проблеми з досягненням динамічної метаголографії у видимому діапазоні, такі як низька частота кадрів і низька кількість кадрів. У цій роботі ми демонструємо дизайн метаголографії, який може досягти 2 28 різних голографічних кадрів та надзвичайно високу частоту кадрів (9523 кадри в секунду) у видимому діапазоні. Дизайн заснований на метаповерхні космічного каналу та високошвидкісному динамічному структурованому модулі модуляції лазерного променя. Космічний канал складається з нанополюсів з нітриду кремнію з високою ефективністю модуляції. Цей метод може задовольнити потреби голографічного дисплея та бути корисним в інших додатках, таких як виготовлення лазера, оптичне зберігання, оптичний зв’язок та обробка інформації.

ВСТУП

Як технологія, яка реєструє та реконструює світлові хвилі, голографія є ідеальним підходом для тривимірного (3D) відображення неозброєним оком (1), оптичного зберігання даних (2) та оптичної обробки інформації (3). Однак традиційна голограма не може створити голографічну реконструкцію віртуального об'єкта або динамічного відображення. Щоб подолати ці обмеження, в 1966 році Браун та Ломан (4) винайшли комп'ютерну голографію (CGH), яка використовує теорії фізичної оптики для обчислення фазової карти на інтерференційній картині. Крім того, використовуючи цифрові пристрої, такі як просторовий модулятор світла (SLM) або цифровий мікродзеркальний пристрій (DMD), CGH може також виконувати динамічний голографічний показ (5, 6). Однак існують давні проблеми для CGH із SLM/DMD для великих піксельних додатків, таких як мале поле зору (FOV), подвійне зображення та безліч дифракційних порядків (7, 8).

“/” Означає відсутність пов’язаних даних у посиланнях.

У цьому дослідженні ми демонструємо новий дизайн метаголографії у видимому діапазоні, заснований на метаповерхні мультиплексування космічного каналу, яка може досягти 2 28 різних голографічних кадрів і дуже високої частоти кадрів (максимальна частота кадрів, 9523 кадрів в секунду). Крім того, висока ефективність модуляції (понад 70%) для кожного космічного каналу була досягнута завдяки застосуванню наноколонних будівельних блоків з нітриду кремнію (SiNx) для побудови метаповерхні.

РЕЗУЛЬТАТИ

Проектування та реалізація динамічного SCMH

Натхненням для проектування мета-голограми космічного каналу (SCMH) є порівняння між динамічною мета-голограмою та поширеними 2D-технологіями відображення. Ідеальним засобом досягнення динамічної метаголографії є ідеальний контроль кожної наноструктури метаповерхні. Це означає, що кожним пікселем елемента потрібно керувати незалежно на високій швидкості, подібно до того, як функціонують світлодіодні екрани або рідкокристалічні дисплеї. Нещодавно опубліковані роботи демонструють метаповерхні з індивідуально керованими лінійними пікселями, що демонструють можливості динамічного рульового управління та фокусування (39, 40), які пропонують можливий шлях досягнення динамічної голографії в майбутньому. Окрім цих піксельних екранів, для досягнення динамічного 2D-відображення використовуються ще два методи. По-перше, це розділити весь графік на безліч різних підграфів і об’єднати їх у різний час, наприклад, цифровий дисплей на електронному табло або електронному лічильнику. Інший - відображати різні кадри з безперервного відео в різний час, наприклад, звичайні фільми, записані та проектовані як кінофільми. Можна зробити висновок, що обидва методи космічного каналу.

(A) Структура елементу мета-голограми космічного каналу. ( і C.) Вибірковий дизайн мета-голограми космічного каналу. Всі реконструйовані зображення накладаються один на одного, якщо всі космічні канали були відкриті одночасно (B). Динамічного мета-голографічного відображення можна досягти, відкривши космічні канали у розробленій послідовності (С). (D до G) Космічний канал мультиплексування мета-голограми дизайн. Відновлені зображення різних космічних каналів є підграфами цілого графіка (D). Різні космічні канали відкриваються в різних часових послідовностях, утворюючи різні комбінації космічних каналів (E), які реконструюють різні зображення (F) для досягнення динамічного мета-голографічного відображення (G).

Завантажте зображення високої роздільної здатності
Відкрити в новій вкладці
Завантажте Powerpoint

(A) Структура елементу мета-голограми космічного каналу. ( і C.) Вибірковий дизайн мета-голограми космічного каналу. Всі реконструйовані зображення накладаються один на одного, якщо всі космічні канали були відкриті одночасно (B). Динамічного мета-голографічного відображення можна досягти, відкривши космічні канали у розробленій послідовності (С). (D до G) Дизайн мета-голограми мультиплексування космічного каналу. Відновлені зображення різних космічних каналів є підграфами цілого графіка (D). Різні космічні канали відкриваються в різних часових послідовностях, утворюючи різні комбінації космічних каналів (E), які реконструюють різні зображення (F) для досягнення динамічного мета-голографічного відображення (G).

(A) Динамічний модуль кодування космічного променя. DMD модулює падаюче світло з високою швидкістю, наприклад, максимум 9523 Гц в нашому експерименті. Об'єктив та об'єктив мікроскопа виконують функцію 4f-системи для звуження кодованого падаючого променя для освітлення різних областей метаповерхні. () Геометрична діаграма нанопілрів SiNx та характеристика ефективності амплітудної передачі та фазової характеристики нанопілрів SiNx як функції радіуса нанопилці при довжині хвилі 633 нм. Ілюстрація являє собою геометричну діаграму нанопіллів SiNx. (C. і D) Скануюча електронна мікроскопія (SEM) зображення отриманих результатів. Шкали шкали, 1 мкм.