11 مارس 2024 (أضواء Nanowerkالهولوغرافيا، تقنية استخدام الضوء لإعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد، استحوذت منذ فترة طويلة على خيال العلماء والجمهور على حد سواء. من خلال تسجيل الشكل الموجي الكامل للضوء المنعكس عن جسم ما وإعادة إنشائه لاحقًا، يمكن للصور المجسمة عرض صور تتغير وتغير المنظور استنادًا إلى موضع المشاهد، مما يخلق وهمًا مقنعًا بالعمق. لقد أدى حلم الاستفادة من هذه القدرة لإنشاء عروض ثلاثية الأبعاد ديناميكية كاملة الألوان إلى عقود من البحث ولكنه ظل بعيد المنال بعناد. ويكمن التحدي في حقيقة أنه لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد، يجب التحكم بدقة في موجات الضوء بمقاييس أصغر من الطول الموجي للضوء نفسه. تعتمد تقنية التصوير المجسم التقليدي على استخدام أفلام من مواد حساسة للضوء لتسجيل أنماط التداخل، والتي بدورها يمكنها إعادة إنتاج واجهة موجة الضوء وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، فإن هذا الأسلوب ينتج صورًا ثلاثية الأبعاد ثابتة لا يمكن تغييرها بسهولة. في الآونة الأخيرة، جرب العلماء استخدام البلورات السائلة، وهي مواد تصطف فيها الجزيئات ذات الشكل القضيبي ذاتيًا في هياكل منظمة، كوسيلة ديناميكية ثلاثية الأبعاد. يمكن أن يؤدي تطبيق المجالات الكهربائية إلى تغيير اتجاه جزيئات البلورات السائلة، مما يغير كيفية تفاعلها مع الضوء وربما يسمح بضبط الصورة الثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، حتى الآن، واجهت التصوير المجسم المعتمد على البلورات السائلة قيودًا. تقوم معظم الأساليب بطبقة بلورات سائلة فوق الأسطح المنقوشة الثابتة أو الأسطح مصممة لتغيير مرحلة موجات الضوء بطرق محددة. في حين أن أنظمة الأسطح البلورية السائلة الهجينة هذه توفر بعض القابلية للضبط، إلا أنها معقدة في التصنيع، ولا يمكن لطبقة البلورات السائلة عادةً سوى نقل تغييرات موحدة إلى نمط الطور المحدد مسبقًا. وهذا يحد من توليد الصور ويمنع عرض صور ثلاثية الأبعاد عشوائية تمامًا. ظل إنشاء نظام بلوري سائل قادر على التصوير المجسم متعدد الاستخدامات والديناميكي حاجة غير ملباة. وذلك حتى صدور دراسة جديدة رائدة أجراها فريق بحث يضم ثلاث جامعات في الصين وسنغافورة. كما ورد في المجلة إي لايت ("صورة ثلاثية الأبعاد من الكريستال السائل المتجه")، قام العلماء بتطوير أول جهاز بلوري سائل أحادي الطبقة قادر على إنشاء صور ثلاثية الأبعاد ديناميكية عشوائية تمامًا تشمل طيف الألوان المرئي الكامل. إن نهجهم الجديد، الذي يطلقون عليه اسم "التصوير المجسم المتجه"، لديه القدرة على تمكين العروض الثلاثية الأبعاد العملية في النهاية.
الرسوم التوضيحية التخطيطية للتصوير المجسم LC العددي والمتجهي. a العددية LC- التصوير المجسم. يتم إعادة بناء الصورة الثلاثية الأبعاد (قطة) بتوزيع طور عشوائي عند إضاءتها بواسطة ضوء LCP. b التصوير المجسم LC الموجه. نحن نقوم بمضاعفة إرسال الصور المجسمة LC لـ LCP وRCP في طبقة LC واحدة، والتي يشار إليها بواسطة مديري LC باللونين الأزرق والأحمر. يتم إنشاء صورتين ثلاثيتي الأبعاد مستقلتين (قطة بدون ذيل وقطة بدون رأس) بسعات مختلفة مكانيًا واختلافات في الطور عند إضاءتها بواسطة الضوء المستقطب خطيًا. هاتان الصورتان متداخلتان جزئيًا. يتم تحديد النمط المتجهي من خلال توزيع فرق الطور ونسبة السعة. eLight، (CC BY 4.0) كان مفتاح ابتكار الفريق هو تطوير طريقة للتحكم الكامل في جزيئات الكريستال السائل على أساس كل بكسل على حدة داخل طبقة واحدة. لقد حققوا ذلك باستخدام جهاز مرآة رقمية صغيرة كقناع ضوئي ديناميكي، مما يسمح لهم بتحديد الاتجاه الجزيئي بدقة في أكثر من مليون نقطة عبر الطبقة البلورية السائلة بدقة تبلغ حوالي ميكرومتر واحد. من خلال التحكم في زاوية الاتجاه وتحول الطور الناتج عند كل بكسل عند تطبيق الجهد في الوقت نفسه، يمكن للباحثين تحديد مجال الضوء المستهدف بشكل ثلاثي الأبعاد مع التحكم الكامل في كل من سعة واستقطاب واجهة الموجة عند كل نقطة.
باستخدام هذا النهج، تمكن العلماء من إنشاء صورتين ثلاثيتي الأبعاد مستقلتين تمامًا، واحدة للضوء المستقطب دائريًا الأيسر والأخرى للضوء المستقطب دائريًا الأيمن. ثم قاموا بدمج هاتين الصورتين ببراعة في نمط بلوري سائل واحد باستخدام خوارزمية حساب الهولوغرام المطورة حديثًا. عند إضاءتها بضوء أحد الاستقطابين، تنتج هذه الصورة الثلاثية الأبعاد المدمجة الصورة المستهدفة لتلك اليد على جانب واحد، ولكن مع تحول طور متساوٍ ومعاكس بين الجانبين. وهكذا، فإن استقطاب الضوء يتحول بطريقة محددة عند كل نقطة في جبهة الموجة الصادرة.
باستخدام ضوء الإدخال الذي يحتوي على مزيج متساوٍ من كلا الاستقطابين الدائريين، تمكن الباحثون من جعل الصورتين المجسمتين تتداخلان، مما يمنحهما بشكل فعال التحكم على مستوى البكسل في الاستقطاب الناتج في كل نقطة - بما في ذلك القدرة على إنشاء نقاط استقطاب خطي في أي زاوية. . تحدد علاقة السعة والطور بين الاستقطابين الدائريين حالة الاستقطاب التي ترسم مسارًا على كرة بوانكاريه، وهو تمثيل رسومي لجميع الاستقطابات المحتملة، أثناء اجتياز الصورة ثلاثية الأبعاد.
وباستخدام التحكم في الاستقطاب كدرجة إضافية من الحرية، أظهر الفريق العديد من القدرات الرائعة. لقد قاموا بإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد لساعة تم فيها عرض عقربي الساعات والدقائق باستقطابات دائرية معاكسة بينما تم تشفير الأرقام كاستقطابات خطية محددة بزوايا مختلفة، مما أدى إلى تشفير الوقت الكامل بطريقة لا يتم الكشف عنها إلا من خلال تحليل الاستقطاب. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنهم أنشأوا صورًا ثلاثية الأبعاد للقمر، حيث تم التحكم في كل من السعة والاستقطاب المتغيرين مكانيًا في وقت واحد بطريقة تعسفية تمامًا.
ومن خلال تطبيق مجال كهربائي، تمكن العلماء من ضبط وتبديل هذه الإسقاطات الثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي، وذلك بفضل الاستجابة الديناميكية لجزيئات الكريستال السائل. حتى أنهم أنشأوا مقطع فيديو ثلاثي الأبعاد للاعب كرة قدم يسدد ركلة حرة، حيث تم مضاعفة إطارات زمنية مختلفة في قنوات الاستقطاب الخطي ويمكن مشاهدتها بالتسلسل عن طريق تدوير محلل الاستقطاب. أثبت النظام بأكمله كفاءته العالية، حيث تم تحويل أكثر من 60% من ضوء الإدخال إلى واجهة الموجة الثلاثية الأبعاد المرغوبة عبر الطيف المرئي بأكمله - وهو تقدم رئيسي على طبيعة النطاق الضيق للنهج القائم على الأسطح الخارقة.
ومن خلال هذا العمل الرائد، فتح الباحثون نموذجًا جديدًا تمامًا للتصوير المجسم للبلورات السائلة. يعمل نهج تعدد الإرسال الاستقطابي الخاص بهم على توسيع سعة المعلومات للصور المجسمة بشكل كبير ويسمح بالتحكم الكامل في مجالات الضوء المعاد بناؤها. إن بساطة تصميمها أحادي الطبقة جنبًا إلى جنب مع الاستجابة السريعة وقدرة النطاق العريض للبلورات السائلة تجعل منصتها مناسبة بشكل فريد لإنشاء عروض ثلاثية الأبعاد ديناميكية. أصبح الآن الفيديو المجسم بالألوان الكاملة في الوقت الفعلي في متناول اليد.
وبالنظر إلى المستقبل، يتصور الباحثون مجموعة واسعة من التطبيقات لتكنولوجيا التصوير المجسم الاتجاهي الخاصة بهم. يمكن استخدام الصور المجسمة المشفرة كمنصة جديدة متعددة الاستخدامات للأمان ومكافحة التزييف. يمكن أن تتيح الإسقاطات الثلاثية الأبعاد عروض الواقع المعزز والافتراضي الجديدة. قد يؤدي التحكم التعسفي في سعة الضوء واستقطابه إلى تمكين أنواع جديدة من المصائد البصرية والتلاعب بالأبحاث البيولوجية وتجميع النانو. وبينما يقوم الفريق بتحسين عملية التصنيع وزيادة حجم الصور المجسمة البلورية السائلة، فإن هذه الاحتمالات والعديد من الاحتمالات الأخرى على وشك أن تصبح حقيقة.
إن تطوير أول جهاز بلوري سائل أحادي الطبقة قادر على التحكم الديناميكي الكامل في مجالات الضوء الثلاثية الأبعاد يعد بلا شك إنجازًا تاريخيًا. من خلال الاستفادة الكاملة من الطبيعة السائلة للبلورات السائلة والجمع بين التحكم في السعة والاستقطاب في إطار موحد، حقق الباحثون ما كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل باستخدام التصوير المجسم للبلورات السائلة.
الرسوم التوضيحية التخطيطية للتصوير المجسم LC العددي والمتجهي. a العددية LC- التصوير المجسم. يتم إعادة بناء الصورة الثلاثية الأبعاد (قطة) بتوزيع طور عشوائي عند إضاءتها بواسطة ضوء LCP. b التصوير المجسم LC الموجه. نحن نقوم بمضاعفة إرسال الصور المجسمة LC لـ LCP وRCP في طبقة LC واحدة، والتي يشار إليها بواسطة مديري LC باللونين الأزرق والأحمر. يتم إنشاء صورتين ثلاثيتي الأبعاد مستقلتين (قطة بدون ذيل وقطة بدون رأس) بسعات مختلفة مكانيًا واختلافات في الطور عند إضاءتها بواسطة الضوء المستقطب خطيًا. هاتان الصورتان متداخلتان جزئيًا. يتم تحديد النمط المتجهي من خلال توزيع فرق الطور ونسبة السعة. eLight، (CC BY 4.0) كان مفتاح ابتكار الفريق هو تطوير طريقة للتحكم الكامل في جزيئات الكريستال السائل على أساس كل بكسل على حدة داخل طبقة واحدة. لقد حققوا ذلك باستخدام جهاز مرآة رقمية صغيرة كقناع ضوئي ديناميكي، مما يسمح لهم بتحديد الاتجاه الجزيئي بدقة في أكثر من مليون نقطة عبر الطبقة البلورية السائلة بدقة تبلغ حوالي ميكرومتر واحد. من خلال التحكم في زاوية الاتجاه وتحول الطور الناتج عند كل بكسل عند تطبيق الجهد في الوقت نفسه، يمكن للباحثين تحديد مجال الضوء المستهدف بشكل ثلاثي الأبعاد مع التحكم الكامل في كل من سعة واستقطاب واجهة الموجة عند كل نقطة.
باستخدام هذا النهج، تمكن العلماء من إنشاء صورتين ثلاثيتي الأبعاد مستقلتين تمامًا، واحدة للضوء المستقطب دائريًا الأيسر والأخرى للضوء المستقطب دائريًا الأيمن. ثم قاموا بدمج هاتين الصورتين ببراعة في نمط بلوري سائل واحد باستخدام خوارزمية حساب الهولوغرام المطورة حديثًا. عند إضاءتها بضوء أحد الاستقطابين، تنتج هذه الصورة الثلاثية الأبعاد المدمجة الصورة المستهدفة لتلك اليد على جانب واحد، ولكن مع تحول طور متساوٍ ومعاكس بين الجانبين. وهكذا، فإن استقطاب الضوء يتحول بطريقة محددة عند كل نقطة في جبهة الموجة الصادرة.
باستخدام ضوء الإدخال الذي يحتوي على مزيج متساوٍ من كلا الاستقطابين الدائريين، تمكن الباحثون من جعل الصورتين المجسمتين تتداخلان، مما يمنحهما بشكل فعال التحكم على مستوى البكسل في الاستقطاب الناتج في كل نقطة - بما في ذلك القدرة على إنشاء نقاط استقطاب خطي في أي زاوية. . تحدد علاقة السعة والطور بين الاستقطابين الدائريين حالة الاستقطاب التي ترسم مسارًا على كرة بوانكاريه، وهو تمثيل رسومي لجميع الاستقطابات المحتملة، أثناء اجتياز الصورة ثلاثية الأبعاد.
وباستخدام التحكم في الاستقطاب كدرجة إضافية من الحرية، أظهر الفريق العديد من القدرات الرائعة. لقد قاموا بإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد لساعة تم فيها عرض عقربي الساعات والدقائق باستقطابات دائرية معاكسة بينما تم تشفير الأرقام كاستقطابات خطية محددة بزوايا مختلفة، مما أدى إلى تشفير الوقت الكامل بطريقة لا يتم الكشف عنها إلا من خلال تحليل الاستقطاب. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنهم أنشأوا صورًا ثلاثية الأبعاد للقمر، حيث تم التحكم في كل من السعة والاستقطاب المتغيرين مكانيًا في وقت واحد بطريقة تعسفية تمامًا.
ومن خلال تطبيق مجال كهربائي، تمكن العلماء من ضبط وتبديل هذه الإسقاطات الثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي، وذلك بفضل الاستجابة الديناميكية لجزيئات الكريستال السائل. حتى أنهم أنشأوا مقطع فيديو ثلاثي الأبعاد للاعب كرة قدم يسدد ركلة حرة، حيث تم مضاعفة إطارات زمنية مختلفة في قنوات الاستقطاب الخطي ويمكن مشاهدتها بالتسلسل عن طريق تدوير محلل الاستقطاب. أثبت النظام بأكمله كفاءته العالية، حيث تم تحويل أكثر من 60% من ضوء الإدخال إلى واجهة الموجة الثلاثية الأبعاد المرغوبة عبر الطيف المرئي بأكمله - وهو تقدم رئيسي على طبيعة النطاق الضيق للنهج القائم على الأسطح الخارقة.
ومن خلال هذا العمل الرائد، فتح الباحثون نموذجًا جديدًا تمامًا للتصوير المجسم للبلورات السائلة. يعمل نهج تعدد الإرسال الاستقطابي الخاص بهم على توسيع سعة المعلومات للصور المجسمة بشكل كبير ويسمح بالتحكم الكامل في مجالات الضوء المعاد بناؤها. إن بساطة تصميمها أحادي الطبقة جنبًا إلى جنب مع الاستجابة السريعة وقدرة النطاق العريض للبلورات السائلة تجعل منصتها مناسبة بشكل فريد لإنشاء عروض ثلاثية الأبعاد ديناميكية. أصبح الآن الفيديو المجسم بالألوان الكاملة في الوقت الفعلي في متناول اليد.
وبالنظر إلى المستقبل، يتصور الباحثون مجموعة واسعة من التطبيقات لتكنولوجيا التصوير المجسم الاتجاهي الخاصة بهم. يمكن استخدام الصور المجسمة المشفرة كمنصة جديدة متعددة الاستخدامات للأمان ومكافحة التزييف. يمكن أن تتيح الإسقاطات الثلاثية الأبعاد عروض الواقع المعزز والافتراضي الجديدة. قد يؤدي التحكم التعسفي في سعة الضوء واستقطابه إلى تمكين أنواع جديدة من المصائد البصرية والتلاعب بالأبحاث البيولوجية وتجميع النانو. وبينما يقوم الفريق بتحسين عملية التصنيع وزيادة حجم الصور المجسمة البلورية السائلة، فإن هذه الاحتمالات والعديد من الاحتمالات الأخرى على وشك أن تصبح حقيقة.
إن تطوير أول جهاز بلوري سائل أحادي الطبقة قادر على التحكم الديناميكي الكامل في مجالات الضوء الثلاثية الأبعاد يعد بلا شك إنجازًا تاريخيًا. من خلال الاستفادة الكاملة من الطبيعة السائلة للبلورات السائلة والجمع بين التحكم في السعة والاستقطاب في إطار موحد، حقق الباحثون ما كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل باستخدام التصوير المجسم للبلورات السائلة.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
