11 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) ホログラフィーは、光を使用して 3 次元画像を再構成する技術であり、長い間科学者と一般の人々の想像力を同様に魅了してきました。ホログラムは、物体から反射された光の完全な波形を記録し、後で再作成することで、見る人の位置に基づいて視点をシフトおよび変更する画像を表示し、説得力のある奥行きの錯覚を作り出すことができます。この機能を活用してダイナミックなフルカラーのホログラフィック ディスプレイを作成するという夢は、何十年にもわたって研究が進められてきましたが、依然として頑固に手の届かないところにあります。課題は、ホログラムを作成するには、光自体の波長よりも小さいスケールで光波を正確に制御する必要があるという事実にあります。従来のホログラフィーは、感光性材料のフィルムを使用して干渉パターンを記録することに依存しており、これにより光の波面が再現され、ホログラフィック画像が作成されます。ただし、このアプローチでは、簡単に変更できない静的なホログラムが作成されます。最近では、科学者らは、棒状分子が自己整列して秩序構造を形成する材料である液晶を動的ホログラフィック媒体として使用する実験を行っている。電場を加えると液晶分子の向きが変化し、光との相互作用が変化し、ホログラフィック画像を調整できる可能性があります。しかしこれまで、液晶ベースのホログラフィーには限界がありました。ほとんどのアプローチは、静的なパターンの表面上に液晶を積層するか、 メタサーフェス 特定の方法で光波の位相を変化させるように設計されています。これらのハイブリッド液晶メタ表面システムはある程度の調整可能性を提供しますが、製造が複雑であり、液晶層は通常、事前に定義された位相パターンに均一な変化しか与えることができません。これにより、画像の生成が制限され、完全に任意のホログラフィック画像の投影が妨げられます。多用途かつダイナミックなホログラフィーが可能な液晶システムを作成することは、依然として満たされていないニーズです。それは、中国とシンガポールの3つの大学にまたがる研究チームによる画期的な新しい研究が発表されるまでのことだ。雑誌で報告されているように eライト (「ベクトル液晶ホログラフィー」)、科学者らは、可視色スペクトル全体を網羅する完全に任意の動的ホログラフィック画像を生成できる最初の単層液晶デバイスを開発しました。彼らが「ベクトルホログラフィー」と呼ぶ新しいアプローチは、最終的に実用的なホログラフィックディスプレイを可能にする可能性を秘めています。
スカラーおよびベクトル LC ホログラフィーの概略図。 a スカラー LC ホログラフィー。 LCP 光で照射すると、ホログラフィック画像 (猫) がランダムな位相分布で再構築されます。 b ベクトル LC ホログラフィー。 LCP と RCP の LC ホログラムを単一の LC 層に空間多重化し、青と赤の LC ダイレクターで示されます。 直線偏光で照射すると、空間的に異なる振幅と位相差を持つ 2 つの独立したホログラフィック画像 (尻尾のない猫と頭のない猫) が生成されます。 これら 2 つの画像は部分的に重なっています。 ベクトルパターンは位相差分布と振幅比の両方によって決まります。 eLight、(CC BY 4.0) チームのイノベーションの鍵は、単一層内のピクセルごとに液晶分子を完全に制御する方法を開発することでした。 彼らは、デジタル マイクロミラー デバイスをダイナミック フォトマスクとして使用することでこれを実現し、約 1 マイクロメートルの解像度で液晶層の 100 万以上の点で分子の配向を正確に定義できるようにしました。 配向角と、電圧が印加されたときに各ピクセルに与えられる位相シフトを同時に制御することで、研究者らは、各点での波面の振幅と偏光の両方を完全に制御しながら、ホログラフィックにターゲットのライトフィールドを定義することができました。
このアプローチを使用して、科学者たちは、左円偏光用と右円偏光用の 2 つの完全に独立したホログラフィック画像を生成することができました。 次に、新しく開発されたホログラム計算アルゴリズムを使用して、これら 2 つの画像を 1 つの液晶パターンに巧妙に組み合わせました。 いずれかの偏光の光で照射されると、この組み合わせホログラムは、片側にその利き手のターゲット画像を生成しますが、2 つの間に等しい逆の位相シフトが生じます。 したがって、光の偏光は、出射波面のあらゆる点で定義された方法で変換されます。
両方の円偏光が等しく混合された入力光を使用することで、研究者らは 2 つのホログラフィック画像を干渉させ、あらゆる点で得られる偏光をピクセルレベルで効果的に制御できるようになりました。これには、任意の角度で直線偏光の点を作成する機能も含まれます。 。 2 つの円偏光間の振幅と位相の関係により、ホログラムを横切るときのすべての可能な偏光のグラフィック表現であるポアンカレ球上の経路を描く偏光状態が定義されます。
この偏光制御を追加の自由度として使用して、チームはいくつかの注目すべき機能を実証しました。 彼らは、時針と分針が反対の円偏光で投影され、数字がさまざまな角度で特定の直線偏光としてエンコードされた時計のホログラフィック イメージを作成し、偏光分析によってのみ明らかにされる方法でフルタイムを暗号化しました。 さらに驚くべきことに、空間的に変化する振幅と偏光の両方が完全に任意の方法で同時に制御された月のホログラフィック画像が生成されました。
電場を適用することにより、液晶分子の動的応答のおかげで、科学者はこれらのホログラフィック投影をリアルタイムで調整し、切り替えることができました。 彼らは、サッカー選手がフリーキックを蹴るホログラフィックビデオさえ作成しました。このビデオでは、異なる時間フレームが直線偏光チャネルで多重化されており、偏光アナライザを回転させることで順番に見ることができます。 システム全体が非常に効率的であることが証明され、入力光の 60% 以上が可視スペクトル全体にわたって目的のホログラフィック波面に変換されました。これは、メタサーフェスベースのアプローチの狭帯域の性質を超える重要な進歩です。
この画期的な研究により、研究者らは液晶ホログラフィーのまったく新しいパラダイムを切り開きました。 彼らの偏光多重化アプローチは、ホログラムの情報容量を飛躍的に拡大し、再構成されたライトフィールドの完全な制御を可能にします。 単層設計のシンプルさと、液晶の高速応答および広帯域機能を組み合わせたプラットフォームは、動的なホログラフィック ディスプレイの作成に独自に適しています。 リアルタイムのフルカラー ホログラフィック ビデオが手の届くところにあります。
研究者らは将来を見据えて、ベクトルホログラフィー技術の幅広い応用を構想している。 暗号化されたホログラフィック画像は、セキュリティと偽造防止のための多用途の新しいプラットフォームとして使用できる可能性があります。 ホログラフィック投影により、新しい拡張現実表示や仮想現実表示が可能になる可能性があります。 光の振幅と偏光の両方を任意に制御することで、生物学研究やナノアセンブリのための新しいタイプの光トラップや操作が可能になる可能性があります。 チームが製造プロセスを改良し、液晶ホログラムのサイズを拡大するにつれて、これらおよびさらに多くの可能性が現実になる準備が整っています。
ホログラフィックライトフィールドを完全に動的に制御できる初の単層液晶デバイスの開発は、疑いなく画期的な成果である。 研究者らは、液晶の液体の性質を最大限に活用し、振幅と偏光制御を統一フレームワークで組み合わせることで、液晶ホログラフィーでは以前は不可能だと考えられていたことを達成した。
スカラーおよびベクトル LC ホログラフィーの概略図。 a スカラー LC ホログラフィー。 LCP 光で照射すると、ホログラフィック画像 (猫) がランダムな位相分布で再構築されます。 b ベクトル LC ホログラフィー。 LCP と RCP の LC ホログラムを単一の LC 層に空間多重化し、青と赤の LC ダイレクターで示されます。 直線偏光で照射すると、空間的に異なる振幅と位相差を持つ 2 つの独立したホログラフィック画像 (尻尾のない猫と頭のない猫) が生成されます。 これら 2 つの画像は部分的に重なっています。 ベクトルパターンは位相差分布と振幅比の両方によって決まります。 eLight、(CC BY 4.0) チームのイノベーションの鍵は、単一層内のピクセルごとに液晶分子を完全に制御する方法を開発することでした。 彼らは、デジタル マイクロミラー デバイスをダイナミック フォトマスクとして使用することでこれを実現し、約 1 マイクロメートルの解像度で液晶層の 100 万以上の点で分子の配向を正確に定義できるようにしました。 配向角と、電圧が印加されたときに各ピクセルに与えられる位相シフトを同時に制御することで、研究者らは、各点での波面の振幅と偏光の両方を完全に制御しながら、ホログラフィックにターゲットのライトフィールドを定義することができました。
このアプローチを使用して、科学者たちは、左円偏光用と右円偏光用の 2 つの完全に独立したホログラフィック画像を生成することができました。 次に、新しく開発されたホログラム計算アルゴリズムを使用して、これら 2 つの画像を 1 つの液晶パターンに巧妙に組み合わせました。 いずれかの偏光の光で照射されると、この組み合わせホログラムは、片側にその利き手のターゲット画像を生成しますが、2 つの間に等しい逆の位相シフトが生じます。 したがって、光の偏光は、出射波面のあらゆる点で定義された方法で変換されます。
両方の円偏光が等しく混合された入力光を使用することで、研究者らは 2 つのホログラフィック画像を干渉させ、あらゆる点で得られる偏光をピクセルレベルで効果的に制御できるようになりました。これには、任意の角度で直線偏光の点を作成する機能も含まれます。 。 2 つの円偏光間の振幅と位相の関係により、ホログラムを横切るときのすべての可能な偏光のグラフィック表現であるポアンカレ球上の経路を描く偏光状態が定義されます。
この偏光制御を追加の自由度として使用して、チームはいくつかの注目すべき機能を実証しました。 彼らは、時針と分針が反対の円偏光で投影され、数字がさまざまな角度で特定の直線偏光としてエンコードされた時計のホログラフィック イメージを作成し、偏光分析によってのみ明らかにされる方法でフルタイムを暗号化しました。 さらに驚くべきことに、空間的に変化する振幅と偏光の両方が完全に任意の方法で同時に制御された月のホログラフィック画像が生成されました。
電場を適用することにより、液晶分子の動的応答のおかげで、科学者はこれらのホログラフィック投影をリアルタイムで調整し、切り替えることができました。 彼らは、サッカー選手がフリーキックを蹴るホログラフィックビデオさえ作成しました。このビデオでは、異なる時間フレームが直線偏光チャネルで多重化されており、偏光アナライザを回転させることで順番に見ることができます。 システム全体が非常に効率的であることが証明され、入力光の 60% 以上が可視スペクトル全体にわたって目的のホログラフィック波面に変換されました。これは、メタサーフェスベースのアプローチの狭帯域の性質を超える重要な進歩です。
この画期的な研究により、研究者らは液晶ホログラフィーのまったく新しいパラダイムを切り開きました。 彼らの偏光多重化アプローチは、ホログラムの情報容量を飛躍的に拡大し、再構成されたライトフィールドの完全な制御を可能にします。 単層設計のシンプルさと、液晶の高速応答および広帯域機能を組み合わせたプラットフォームは、動的なホログラフィック ディスプレイの作成に独自に適しています。 リアルタイムのフルカラー ホログラフィック ビデオが手の届くところにあります。
研究者らは将来を見据えて、ベクトルホログラフィー技術の幅広い応用を構想している。 暗号化されたホログラフィック画像は、セキュリティと偽造防止のための多用途の新しいプラットフォームとして使用できる可能性があります。 ホログラフィック投影により、新しい拡張現実表示や仮想現実表示が可能になる可能性があります。 光の振幅と偏光の両方を任意に制御することで、生物学研究やナノアセンブリのための新しいタイプの光トラップや操作が可能になる可能性があります。 チームが製造プロセスを改良し、液晶ホログラムのサイズを拡大するにつれて、これらおよびさらに多くの可能性が現実になる準備が整っています。
ホログラフィックライトフィールドを完全に動的に制御できる初の単層液晶デバイスの開発は、疑いなく画期的な成果である。 研究者らは、液晶の液体の性質を最大限に活用し、振幅と偏光制御を統一フレームワークで組み合わせることで、液晶ホログラフィーでは以前は不可能だと考えられていたことを達成した。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
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- 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
