Flerfarvet holografiteknologi kunne muliggøre ekstremt kompakte 3D-skærme

Forskere har udviklet en ny tilgang til flerfarvet holografi, der kunne bruges til at lave 3-D farveskærme til augmented reality-briller, smartphones eller heads-up-skærme uden nogen omfangsrige optiske komponenter.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskere fra Duke University, USA beskriver, hvordan de kodede et flerfarvet billede på et 300 x 300 mikron hologram i en 2-D bølgelederstruktur, en meget tynd struktur, der leder lyset. Det computergenererede hologram producerer komplekse flerfarvede holografiske billeder, når gitterkoblingen er oplyst med rødt, grønt og blåt lys.

"Hologrammet kunne præges direkte på linserne på augmented reality-briller for at projicere et billede direkte ind i øjets pupil uden at kræve nogen omfangsrige linser, stråledelere eller prismer, " sagde Daniel L. Marks, et medlem af forskergruppen. "Det kan også bruges til at projicere et 3-D-billede fra en smartphone på en væg eller nærliggende overflade."

Den nye fremstillingsmetode koder hologrammer i et materiale, der er kompatibelt med integreret fotonikteknologi. Det betyder, at de holografiske enheder er nemme at massefremstille med de samme fremstillingsmetoder, der bruges til at fremstille computerchips. De hologramproducerende elementer kunne inkorporeres i bittesmå chip-baserede enheder, der også huser de lyskilder, der kræves for at skabe 3-D-billederne.

Fra én farve til tre

Den nye flerfarvede holografiteknik er baseret på computergenererede hologrammer. I modsætning til traditionel holografi, som kræver et fysisk objekt og laserstråler for at skabe det interferensmønster, der er nødvendigt for at danne et holografisk billede, computergenereret holografi genererer interferensmønstre digitalt.

Computergenererede hologrammer giver 3D-billeder i høj opløsning, men det har vist sig svært at skabe dem i mere end én farve. Duke-teamet overvandt denne udfordring ved at fremstille et gitter - en række frynser - og et binært hologram i en bølgeleder lavet af et lysfølsomt materiale kendt som fotoresist. De udviklede en måde at integrere interferensmønstrene for rød, grøn og blå til et enkelt binært hologrammønster.

"En af de svære dele af at lave en flerfarvet skærm er at kombinere farverne og derefter præcist adskille dem for at generere et fuldfarvebillede, " sagde Zhiqin Huang, avisens første forfatter. "Med vores tilgang er det hele gjort i ét trin på en enkelt overflade uden nogen stråledelere eller prismer. Dette gør det ekstremt egnet til integration i bærbare enheder."

En anden vigtig præstation var at skabe den holografiske enhed i en bølgelederstruktur. "Andre, der har forsøgt at skabe multifarve computergenererede hologrammer, brugte ikke en bølgeleder, hvilket gør det til en udfordring at integrere strukturen i en enhed, " sagde David R. Smith, leder af forskergruppen. "Vores design tilbyder nemmere og mere fleksibel integration med en formfaktor, der er lille nok til augmented reality og andre skærme."

Enkelttrins farvebilleder

Forskerne brugte deres nye holografimetode til at kode interferensmønstre til statiske flerfarvehologrammer af et æble, en blomst og en fugl. De resulterende holografiske billeder matchede alle godt med teoretiske forudsigelser. Selvom de fremstillede meget små hologrammer til demonstrationen, forskerne siger, at teknikken let kunne skaleres op for at skabe større skærme. De mener også, at deres tilgang kunne inkorporeres med eksisterende teknologier - såsom dem, der bruges til at lave flydende krystalskærme - for at skabe dynamiske billeder.

Forskerne arbejder nu på at optimere teknologien ved at reducere det lys, der går tabt af de strukturer, der koder hologrammerne. De påpeger også, at det ville være nødvendigt at inkorporere strukturerne i en enkelt integreret enhed med lasere for at gøre teknikken praktisk.