Meta-holografie 3D dinamică în interval vizibil cu număr mare de cadre și știință cu rată mare de cadre

↵ * Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare.

Vedeți toți Ascundeți autorii și afilierile

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Înregistrare ORCID pentru Wei Xiong
Pentru corespondență: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Înregistrare ORCID pentru Jinsong Xia
Pentru corespondență: weixiong @ hust.edu.cnjsxia @ hust.edu.cn

Abstract

Holograma este o metodă ideală pentru afișarea imaginilor tridimensionale vizibile cu ochiul liber. Metasuprafețele formate din structuri de lungime de undă prezintă un mare potențial în manipularea câmpului luminos, care este util pentru depășirea dezavantajelor holografiei comune generate de computer. Cu toate acestea, există provocări de lungă durată pentru realizarea meta-holografiei dinamice în intervalul vizibil, cum ar fi rata redusă de cadre și numărul redus de cadre. În această lucrare, demonstrăm un design de meta-holografie care poate atinge 2 28 de cadre holografice diferite și o rată de cadre extrem de mare (9523 cadre pe secundă) în intervalul vizibil. Proiectarea se bazează pe o metasuprafață a canalului spațial și un modul de modulare cu raze laser structurate dinamic de mare viteză. Canalul spațial este format din nanopiloți de nitrură de siliciu cu o eficiență ridicată a modulației. Această metodă poate satisface nevoile unui afișaj holografic și poate fi utilă în alte aplicații, cum ar fi fabricarea cu laser, stocarea optică, comunicațiile optice și prelucrarea informațiilor.

INTRODUCERE

Ca tehnologie care înregistrează și reconstruiește fronturile de undă ale luminii, holografia este o abordare ideală pentru afișarea tridimensională cu ochiul liber (3D) (1), stocarea datelor optice (2) și prelucrarea informațiilor optice (3). Cu toate acestea, holograma tradițională nu poate crea o reconstrucție holografică a unui obiect virtual sau a unui afișaj dinamic. Pentru a depăși aceste limitări, în 1966, Brown și Lohman (4) au inventat holografia generată de computer (CGH), care utilizează teorii de optică fizică pentru a calcula harta fazelor pe modelul de interferență. În plus, prin utilizarea dispozitivelor digitale, cum ar fi un modulator de lumină spațială (SLM) sau un dispozitiv digital cu oglindă digitală (DMD), CGH poate efectua, de asemenea, un afișaj holografic dinamic (5, 6). Cu toate acestea, există provocări de lungă durată pentru CGH cu SLM/DMD pentru aplicații cu dimensiuni mari de pixeli, cum ar fi câmpul vizual mic (FOV), imagini duble și mai multe ordine de difracție (7, 8).

„/” Nu înseamnă date referitoare la referințe.

În acest studiu, am demonstrat un nou design de meta-holografie în intervalul vizibil bazat pe o metasuprafață multiplexantă a canalului spațial care poate atinge 2 28 de cadre holografice diferite și o rată a cadrelor foarte mare (rata maximă de cadre, 9523 fps). Mai mult, o eficiență ridicată a modulației (mai mare de 70%) pentru fiecare canal spațial a fost atinsă prin aplicarea blocurilor de construcție nanopilară din nitrură de siliciu (SiNx) pentru construcția metasuprafeței.

REZULTATE

Proiectarea și realizarea SCMH dinamic

Inspirația pentru proiectarea meta-hologramei canalului spațial (SCMH) vine din comparația dintre meta-holograma dinamică și tehnologiile comune de afișare 2D. Mijloacele ideale pentru realizarea meta-holografiei dinamice este controlul perfect al fiecărei nanostructuri a metasuprafeței. Aceasta înseamnă că fiecare pixel al elementului trebuie controlat independent la viteză mare, la fel cum funcționează ecranele cu diode emițătoare de lumină sau cu cristale lichide. Lucrările publicate recent demonstrează metasuprafețe cu pixeli liniari controlați individual, care prezintă direcție dinamică a fasciculului și capacități de focalizare (39, 40), care sugerează o cale fezabilă pentru realizarea holografiei dinamice în viitor. Pe lângă aceste ecrane de afișare a pixelilor, există alte două metode utilizate pentru a realiza afișarea 2D dinamică. Unul este să împărțiți întregul grafic în mai multe subgrafe diferite și să le combinați în momente diferite, de exemplu, afișajul tubului digital pe un tablou de bord electronic sau un contor electronic. Cealaltă este afișarea diferitelor cadre dintr-un videoclip continuu la momente diferite, de exemplu, filme convenționale înregistrate și proiectate ca filme cinematografice. Se poate concluziona că ambele sunt metode de canal spațial.

(A) Structura elementului meta-hologramă a canalului spațial. ( și C) Proiectare selectivă meta-hologramă a canalului spațial. Toate imaginile reconstituite se suprapun reciproc dacă toate canalele spațiale au fost deschise în același timp (B). Afișarea meta-holografică dinamică poate fi realizată prin deschiderea canalelor spațiale în secvența proiectată (C). (D la G) Proiectare meta-hologramă multiplexare canal spațial. Imaginile reconstituite ale diferitelor canale spațiale sunt subgrafe ale unui grafic întreg (D). Diferite canale spațiale sunt deschise în secvențe de timp diferite pentru a forma diferite combinații de canale spațiale (E), care reconstruiesc diferite imagini (F) pentru a obține afișare meta-holografică dinamică (G).

Descărcați imagini de înaltă rezoluție
Deschideți într-o filă nouă
Descărcați Powerpoint

(A) Structura elementului meta-hologramă a canalului spațial. ( și C) Proiectare selectivă meta-hologramă a canalului spațial. Toate imaginile reconstituite se suprapun reciproc dacă toate canalele spațiale au fost deschise în același timp (B). Afișajul meta-holografic dinamic poate fi realizat prin deschiderea canalelor spațiale în secvența proiectată (C). (D la G) Proiectare meta-hologramă multiplexare canal spațial. Imaginile reconstituite ale diferitelor canale spațiale sunt subgrafe ale unui întreg grafic (D). Diferite canale spațiale sunt deschise în secvențe de timp diferite pentru a forma diferite combinații de canale spațiale (E), care reconstruiesc diferite imagini (F) pentru a obține afișare meta-holografică dinamică (G).

(A) Modulul de codificare a fasciculului spațial dinamic. DMD modulează lumina incidentă la o viteză mare, de exemplu, maxim 9523 Hz în experimentul nostru. Obiectivul obiectivului și microscopului funcționează ca un sistem 4f pentru a restrânge fasciculul incident codat pentru a ilumina diferitele regiuni ale metasuprafeței. () Diagrama geometrică a nanopilarilor SiNx și caracterizarea eficienței transmiterii amplitudinii și răspunsul de fază al nanopilarilor SiNx ca funcții ale razei nanopilarelor la o lungime de undă de 633 nm. Ilustrația este o diagramă geometrică a nanopilarilor SiNx. (C și D) Imagini cu microscopie electronică de scanare (SEM) ale rezultatelor fabricate. Bare de scară, 1 μm.