Ngày 11 tháng 2024 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Hình ba chiều, kỹ thuật sử dụng ánh sáng để tái tạo hình ảnh ba chiều, từ lâu đã thu hút trí tưởng tượng của các nhà khoa học cũng như công chúng. Bằng cách ghi lại và sau đó tái tạo dạng sóng hoàn chỉnh của ánh sáng phản chiếu từ một vật thể, ảnh ba chiều có thể hiển thị hình ảnh thay đổi và thay đổi phối cảnh dựa trên vị trí của người xem, tạo ra ảo ảnh hấp dẫn về chiều sâu. Ước mơ tận dụng khả năng này để tạo ra màn hình ba chiều sống động, đầy màu sắc đã thúc đẩy nhiều thập kỷ nghiên cứu nhưng vẫn nằm ngoài tầm với. Thách thức nằm ở chỗ, để tạo ra ảnh ba chiều, sóng ánh sáng phải được điều khiển chính xác ở quy mô nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng. Kỹ thuật chụp ảnh ba chiều truyền thống dựa vào việc sử dụng các màng vật liệu nhạy sáng để ghi lại các mẫu giao thoa, từ đó có thể tái tạo mặt sóng ánh sáng và tạo ra hình ảnh ba chiều. Tuy nhiên, cách tiếp cận này tạo ra các ảnh ba chiều tĩnh không thể dễ dàng thay đổi. Gần đây hơn, các nhà khoa học đã thử nghiệm sử dụng tinh thể lỏng, vật liệu trong đó các phân tử hình que tự sắp xếp thành các cấu trúc có trật tự, làm môi trường ảnh ba chiều động. Việc áp dụng điện trường có thể thay đổi hướng của các phân tử tinh thể lỏng, thay đổi cách chúng tương tác với ánh sáng và có khả năng cho phép điều chỉnh hình ảnh ba chiều. Tuy nhiên, cho đến nay, kỹ thuật chụp ảnh ba chiều dựa trên tinh thể lỏng vẫn gặp phải những hạn chế. Hầu hết các phương pháp tiếp cận đều xếp lớp tinh thể lỏng lên trên các bề mặt có hoa văn tĩnh hoặc siêu bề mặt được thiết kế để thay đổi pha của sóng ánh sáng theo những cách cụ thể. Mặc dù các hệ thống siêu bề mặt tinh thể lỏng lai này cung cấp một số khả năng điều chỉnh, nhưng chúng rất phức tạp để chế tạo và lớp tinh thể lỏng thường chỉ có thể tạo ra những thay đổi đồng nhất cho mẫu pha được xác định trước. Điều này hạn chế việc tạo hình ảnh và ngăn việc chiếu hình ảnh ba chiều hoàn toàn tùy ý. Việc tạo ra một hệ tinh thể lỏng có khả năng chụp ảnh ba chiều linh hoạt và năng động vẫn là một nhu cầu chưa được đáp ứng. Đó là cho đến khi có một nghiên cứu mới mang tính đột phá từ một nhóm nghiên cứu trải rộng trên ba trường đại học ở Trung Quốc và Singapore. Như đã đưa tin trên tạp chí điện tử (“Ảnh ba chiều tinh thể lỏng dạng vector”), các nhà khoa học đã phát triển thiết bị tinh thể lỏng một lớp đầu tiên có khả năng tạo ra các hình ảnh ba chiều động hoàn toàn tùy ý bao gồm toàn bộ phổ màu nhìn thấy được. Phương pháp tiếp cận mới của họ, mà họ gọi là “chụp ảnh ba chiều véc tơ”, cuối cùng có tiềm năng cho phép hiển thị ảnh ba chiều thực tế.
Sơ đồ minh họa của hình ba chiều LC vô hướng và véc tơ. a Hình ba chiều LC vô hướng. Hình ảnh ba chiều (một con mèo) được tái tạo với sự phân bố pha ngẫu nhiên khi được chiếu sáng bằng ánh sáng LCP. b Hình ba chiều LC dạng véc tơ. Chúng tôi ghép không gian các hình ba chiều LC cho LCP và RCP thành một lớp LC duy nhất, được biểu thị bằng các giám đốc LC màu xanh lam và đỏ. Hai hình ảnh ba chiều độc lập (một con mèo không có đuôi và một con mèo không có đầu) được tạo ra với biên độ và độ lệch pha thay đổi theo không gian khi được chiếu sáng bằng ánh sáng phân cực tuyến tính. Hai hình ảnh này bị chồng chéo một phần. Mẫu vectơ được xác định bởi cả tỷ lệ phân bố lệch pha và biên độ. eLight, (CC BY 4.0) Chìa khóa cho sự đổi mới của nhóm là phát triển cách kiểm soát hoàn toàn các phân tử tinh thể lỏng trên cơ sở từng pixel trong một lớp duy nhất. Họ đạt được điều này bằng cách sử dụng thiết bị micromirror kỹ thuật số làm mặt nạ quang động, cho phép họ xác định chính xác hướng phân tử tại hơn một triệu điểm trên lớp tinh thể lỏng với độ phân giải xấp xỉ một micromet. Bằng cách điều khiển đồng thời góc định hướng và sự dịch pha tổng hợp được truyền vào mỗi pixel khi đặt điện áp vào, các nhà nghiên cứu có thể xác định một cách ba chiều trường ánh sáng mục tiêu với khả năng kiểm soát hoàn toàn cả biên độ và độ phân cực của mặt sóng tại mọi điểm.
Sử dụng phương pháp này, các nhà khoa học có thể tạo ra hai hình ảnh ba chiều hoàn toàn độc lập, một cho ánh sáng phân cực tròn bên trái và một cho ánh sáng phân cực tròn bên phải. Sau đó, họ khéo léo kết hợp hai hình ảnh này thành một mẫu tinh thể lỏng duy nhất bằng thuật toán tính toán ảnh ba chiều mới được phát triển. Khi được chiếu sáng bằng ánh sáng có một trong hai phân cực, ảnh ba chiều kết hợp này tạo ra hình ảnh mục tiêu cho sự thuận tay đó ở một bên, nhưng có sự dịch pha bằng nhau và ngược pha giữa hai bên. Do đó, sự phân cực của ánh sáng được biến đổi theo một cách xác định tại mọi điểm trên mặt sóng phát ra.
Bằng cách sử dụng ánh sáng đầu vào có chứa sự kết hợp bằng nhau của cả hai phân cực tròn, các nhà nghiên cứu có thể làm cho hai hình ảnh ba chiều giao nhau, mang lại cho chúng khả năng kiểm soát hiệu quả ở mức pixel đối với phân cực thu được ở mọi điểm – bao gồm khả năng tạo các điểm phân cực tuyến tính ở mọi góc độ . Mối quan hệ biên độ và pha giữa hai phân cực tròn xác định một trạng thái phân cực vạch ra một đường đi trên quả cầu Poincaré, một biểu diễn đồ họa của tất cả các phân cực có thể có khi hình ba chiều đi qua.
Sử dụng khả năng điều khiển phân cực này như một mức độ tự do bổ sung, đội nghiên cứu đã chứng tỏ được một số khả năng vượt trội. Họ đã tạo ra hình ảnh ba chiều của một chiếc đồng hồ trong đó kim giờ và kim phút được chiếu với các phân cực tròn đối diện trong khi các con số được mã hóa thành các phân cực tuyến tính cụ thể ở các góc khác nhau, mã hóa toàn bộ thời gian theo cách chỉ được tiết lộ thông qua phân tích phân cực. Đáng chú ý hơn nữa, họ đã tạo ra những hình ảnh ba chiều của mặt trăng trong đó cả biên độ và sự phân cực thay đổi theo không gian đều được điều khiển đồng thời theo một cách hoàn toàn tùy ý.
Bằng cách áp dụng một điện trường, các nhà khoa học có thể điều chỉnh và chuyển đổi các hình chiếu ba chiều này trong thời gian thực nhờ phản ứng động của các phân tử tinh thể lỏng. Họ thậm chí còn tạo ra một video ba chiều về một cầu thủ bóng đá đang thực hiện một quả đá phạt, trong đó các khung thời gian khác nhau được ghép kênh trong các kênh phân cực tuyến tính và có thể được xem theo trình tự bằng cách xoay một máy phân tích phân cực. Toàn bộ hệ thống tỏ ra hiệu quả cao, với hơn 60% ánh sáng đầu vào được chuyển đổi thành mặt sóng ba chiều mong muốn trên toàn bộ phổ khả kiến – một bước tiến quan trọng so với tính chất dải hẹp của các phương pháp tiếp cận dựa trên siêu bề mặt.
Với công trình mang tính đột phá này, các nhà nghiên cứu đã mở ra một mô hình hoàn toàn mới cho kỹ thuật chụp ảnh ba chiều tinh thể lỏng. Phương pháp ghép kênh phân cực của họ mở rộng theo cấp số nhân dung lượng thông tin của ảnh ba chiều và cho phép kiểm soát hoàn toàn các trường ánh sáng được tái tạo. Sự đơn giản trong thiết kế một lớp của chúng kết hợp với khả năng đáp ứng nhanh và băng thông rộng của tinh thể lỏng khiến nền tảng của chúng trở nên phù hợp độc đáo để tạo ra các màn hình ba chiều động. Video ba chiều đầy màu sắc, thời gian thực hiện nằm trong tầm tay.
Nhìn về phía trước, các nhà nghiên cứu hình dung ra một loạt ứng dụng cho công nghệ chụp ảnh ba chiều véc tơ của họ. Hình ảnh ba chiều được mã hóa có thể được sử dụng như một nền tảng mới linh hoạt để bảo mật và chống hàng giả. Các phép chiếu ba chiều có thể cho phép hiển thị thực tế ảo và tăng cường mới. Việc kiểm soát tùy ý cả biên độ và độ phân cực của ánh sáng có thể cho phép tạo ra các loại bẫy quang học và thao tác mới cho nghiên cứu sinh học và lắp ráp nano. Khi nhóm cải tiến quy trình chế tạo và tăng kích thước của ảnh ba chiều tinh thể lỏng, những khả năng này và nhiều khả năng khác đã sẵn sàng trở thành hiện thực.
Sự phát triển của thiết bị tinh thể lỏng một lớp đầu tiên có khả năng điều khiển động hoàn toàn trên các trường ánh sáng ba chiều chắc chắn là một thành tựu mang tính bước ngoặt. Bằng cách tận dụng hoàn toàn bản chất lỏng của tinh thể lỏng và kết hợp kiểm soát biên độ và phân cực trong một khuôn khổ thống nhất, các nhà nghiên cứu đã đạt được điều mà trước đây được cho là không thể với kỹ thuật chụp ảnh ba chiều tinh thể lỏng.
Sơ đồ minh họa của hình ba chiều LC vô hướng và véc tơ. a Hình ba chiều LC vô hướng. Hình ảnh ba chiều (một con mèo) được tái tạo với sự phân bố pha ngẫu nhiên khi được chiếu sáng bằng ánh sáng LCP. b Hình ba chiều LC dạng véc tơ. Chúng tôi ghép không gian các hình ba chiều LC cho LCP và RCP thành một lớp LC duy nhất, được biểu thị bằng các giám đốc LC màu xanh lam và đỏ. Hai hình ảnh ba chiều độc lập (một con mèo không có đuôi và một con mèo không có đầu) được tạo ra với biên độ và độ lệch pha thay đổi theo không gian khi được chiếu sáng bằng ánh sáng phân cực tuyến tính. Hai hình ảnh này bị chồng chéo một phần. Mẫu vectơ được xác định bởi cả tỷ lệ phân bố lệch pha và biên độ. eLight, (CC BY 4.0) Chìa khóa cho sự đổi mới của nhóm là phát triển cách kiểm soát hoàn toàn các phân tử tinh thể lỏng trên cơ sở từng pixel trong một lớp duy nhất. Họ đạt được điều này bằng cách sử dụng thiết bị micromirror kỹ thuật số làm mặt nạ quang động, cho phép họ xác định chính xác hướng phân tử tại hơn một triệu điểm trên lớp tinh thể lỏng với độ phân giải xấp xỉ một micromet. Bằng cách điều khiển đồng thời góc định hướng và sự dịch pha tổng hợp được truyền vào mỗi pixel khi đặt điện áp vào, các nhà nghiên cứu có thể xác định một cách ba chiều trường ánh sáng mục tiêu với khả năng kiểm soát hoàn toàn cả biên độ và độ phân cực của mặt sóng tại mọi điểm.
Sử dụng phương pháp này, các nhà khoa học có thể tạo ra hai hình ảnh ba chiều hoàn toàn độc lập, một cho ánh sáng phân cực tròn bên trái và một cho ánh sáng phân cực tròn bên phải. Sau đó, họ khéo léo kết hợp hai hình ảnh này thành một mẫu tinh thể lỏng duy nhất bằng thuật toán tính toán ảnh ba chiều mới được phát triển. Khi được chiếu sáng bằng ánh sáng có một trong hai phân cực, ảnh ba chiều kết hợp này tạo ra hình ảnh mục tiêu cho sự thuận tay đó ở một bên, nhưng có sự dịch pha bằng nhau và ngược pha giữa hai bên. Do đó, sự phân cực của ánh sáng được biến đổi theo một cách xác định tại mọi điểm trên mặt sóng phát ra.
Bằng cách sử dụng ánh sáng đầu vào có chứa sự kết hợp bằng nhau của cả hai phân cực tròn, các nhà nghiên cứu có thể làm cho hai hình ảnh ba chiều giao nhau, mang lại cho chúng khả năng kiểm soát hiệu quả ở mức pixel đối với phân cực thu được ở mọi điểm – bao gồm khả năng tạo các điểm phân cực tuyến tính ở mọi góc độ . Mối quan hệ biên độ và pha giữa hai phân cực tròn xác định một trạng thái phân cực vạch ra một đường đi trên quả cầu Poincaré, một biểu diễn đồ họa của tất cả các phân cực có thể có khi hình ba chiều đi qua.
Sử dụng khả năng điều khiển phân cực này như một mức độ tự do bổ sung, đội nghiên cứu đã chứng tỏ được một số khả năng vượt trội. Họ đã tạo ra hình ảnh ba chiều của một chiếc đồng hồ trong đó kim giờ và kim phút được chiếu với các phân cực tròn đối diện trong khi các con số được mã hóa thành các phân cực tuyến tính cụ thể ở các góc khác nhau, mã hóa toàn bộ thời gian theo cách chỉ được tiết lộ thông qua phân tích phân cực. Đáng chú ý hơn nữa, họ đã tạo ra những hình ảnh ba chiều của mặt trăng trong đó cả biên độ và sự phân cực thay đổi theo không gian đều được điều khiển đồng thời theo một cách hoàn toàn tùy ý.
Bằng cách áp dụng một điện trường, các nhà khoa học có thể điều chỉnh và chuyển đổi các hình chiếu ba chiều này trong thời gian thực nhờ phản ứng động của các phân tử tinh thể lỏng. Họ thậm chí còn tạo ra một video ba chiều về một cầu thủ bóng đá đang thực hiện một quả đá phạt, trong đó các khung thời gian khác nhau được ghép kênh trong các kênh phân cực tuyến tính và có thể được xem theo trình tự bằng cách xoay một máy phân tích phân cực. Toàn bộ hệ thống tỏ ra hiệu quả cao, với hơn 60% ánh sáng đầu vào được chuyển đổi thành mặt sóng ba chiều mong muốn trên toàn bộ phổ khả kiến – một bước tiến quan trọng so với tính chất dải hẹp của các phương pháp tiếp cận dựa trên siêu bề mặt.
Với công trình mang tính đột phá này, các nhà nghiên cứu đã mở ra một mô hình hoàn toàn mới cho kỹ thuật chụp ảnh ba chiều tinh thể lỏng. Phương pháp ghép kênh phân cực của họ mở rộng theo cấp số nhân dung lượng thông tin của ảnh ba chiều và cho phép kiểm soát hoàn toàn các trường ánh sáng được tái tạo. Sự đơn giản trong thiết kế một lớp của chúng kết hợp với khả năng đáp ứng nhanh và băng thông rộng của tinh thể lỏng khiến nền tảng của chúng trở nên phù hợp độc đáo để tạo ra các màn hình ba chiều động. Video ba chiều đầy màu sắc, thời gian thực hiện nằm trong tầm tay.
Nhìn về phía trước, các nhà nghiên cứu hình dung ra một loạt ứng dụng cho công nghệ chụp ảnh ba chiều véc tơ của họ. Hình ảnh ba chiều được mã hóa có thể được sử dụng như một nền tảng mới linh hoạt để bảo mật và chống hàng giả. Các phép chiếu ba chiều có thể cho phép hiển thị thực tế ảo và tăng cường mới. Việc kiểm soát tùy ý cả biên độ và độ phân cực của ánh sáng có thể cho phép tạo ra các loại bẫy quang học và thao tác mới cho nghiên cứu sinh học và lắp ráp nano. Khi nhóm cải tiến quy trình chế tạo và tăng kích thước của ảnh ba chiều tinh thể lỏng, những khả năng này và nhiều khả năng khác đã sẵn sàng trở thành hiện thực.
Sự phát triển của thiết bị tinh thể lỏng một lớp đầu tiên có khả năng điều khiển động hoàn toàn trên các trường ánh sáng ba chiều chắc chắn là một thành tựu mang tính bước ngoặt. Bằng cách tận dụng hoàn toàn bản chất lỏng của tinh thể lỏng và kết hợp kiểm soát biên độ và phân cực trong một khuôn khổ thống nhất, các nhà nghiên cứu đã đạt được điều mà trước đây được cho là không thể với kỹ thuật chụp ảnh ba chiều tinh thể lỏng.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64826.php
