基于SLM调制器,MIT研发高效率全息显示方案

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此前,青亭网曾报道过NVIDIA、三星、剑桥大学等对空间光调制器(SLM)全息方案的探索。空间光调制器可调节光波的空间分布,在电驱动信号控制下,可改变光在空间中传播的振幅、强度、相位、偏振态等特性,从而形成全息影像。自动驾驶汽车的LiDAR传感器也使用了空间光调制器来进行扫描,大脑扫描仪也使用它来穿透组织查看大脑,好处是成像分辨率更高,且不受活体组织动态波动噪声(血液流动)影响。

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相比于现有的机械光学方案,空间光调制器对空间成像的速度约快一百万倍。

近期,MIT也公布了一项SLM全息研究,这项新研究号称可快速控制光束,速度超越以往的方案,这意味着3D显示的延迟将大大降低。

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MIT科研人员表示: 生成独立的3D全息图(无需背板)需要能精确、快速的控制光,而这超出了液晶、微镜等传统显示技术的能力。于是,该科研团队经过四年多时间,解决了高速调节光线的问题,并且设计了一种可编程的无线化方案,该方案可将光线聚焦在特定方向,还可以操控光的强度,从而实现全息效果。号称比商业设备要快几个数量级。

此外,科研人员还为这个全息方案创建了配套的制造工艺,可保证大规模生产的质量。

SLM全息方案原理

科研人员表示:自古以来,如何控制光是一个反复出现的研究课题,我们的SLM方案在空间和时间上都可以控制光,并且适用于多种场景,进一步推动了光学研究发展。

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原理方面,由于SLM是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置,它的光路与高射投影仪或计算机屏幕类似,都是将通过的光束转变,使其聚焦在一个方向或将其折射到多个位置,形成全息图像。

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在SLM模组内部,使用了二维光调制器,用于控制光线传播。光的波长只有几百纳米,因此需要高速、精准的控制,因此需要密集的纳米级控制器阵列。于是,MIT科研人员采用了一系列光子晶体微腔/光子晶体谐振器,它们的特点是可以在波长范围内储存、操控和发射光。

当光束进入SLM空腔时,大约会停留一纳秒,在这短暂的时间内会在内部反弹约10万次以上。虽然纳秒只有十亿分之一秒,但这个时间足以让设备精确地操纵光。通过改变空腔的反射率,研究人员可以控制光离开的路径。如果同时操控整个控制器阵列,便可以调节整个光场,这样就可以快速、准确的控制光束。

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科研人员表示:这个设备的特殊之处在于,它采用了特殊设计的辐射模式,因此光线经过腔内反射后,都可以聚焦,从而提升整体光学性能。从本质上来看,这实际上是一种理想的光学天线。

为了实现这样精密的设计,科研人员还开发了一种新的算法,用于设计光子晶体器件,这个器件的作用是确保从腔体逸出的光线都能汇聚成窄光束。

使用光来控制光

据了解,这项全息方案采用了Micro LED显示屏(LED-on-CMOS)作为光源,而这个LED屏幕也能够控制LED。LED像素与硅晶片上的光子晶体对齐,因此一个点亮的LED可调节单个 微腔。当激光击中激活的微腔时,微腔根据LED发出的光对激光做出不同的响应。

另一方面,使用LED控制意味着显示阵列可编程,而且可重新配置,并且无线化设计。这相当于一种完全由光控制的过程,无需金属线来传输信号,因此多个设备可以更加靠近,不用担心互相之间吸收或干扰,也就是说,可扩展性好。

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在批量制造方面,科研人员希望使用现有的集成电路制造工艺(300毫米晶圆),实现对全息方案的量产。而由于该方案采用微米级空腔,需要将制造误差降低到最小,于是科研人员与美国空军研究实验室合作,开发了一种高精度的大规模制造工艺,可在12英寸的硅晶片上冲压出数十亿个空腔,然后通过后续处理步骤,来确保微腔在相同的波长下工作。

此外,还发明了一种基于机器视觉的全息修整新技术。这个修整过程,指的是研究人员将激光照射到微腔上,原理是激光将硅加热到1000摄氏度以上,形成二氧化硅或玻璃。根据这一原理,研究人员创建了一个系统,可以同时用同一束激光轰击所有空腔,并添加一层玻璃,以完美对齐共振,实现空腔振动的自然频率。

科研成果

这项技术在空间和时间上几乎可以完美控制光场,其时空带宽比现有的SLM技术要大10倍,而更大的带宽和更精确的控制可以快速的传输大量信息,将全息显示与高性能通信系统结合。

接下来,科研人员计划进一步扩大SLM全息设备的规模,并加入量子控制或超高速传感和成像模组。

据悉,这项研究受到了美国多家基金会资助,包括赫兹基金会、NDSEG 奖学金计划、施密特博士后奖、以色列 Vatat 奖学金、美国陆军研究办公室、美国空军研究实验室、英国工程和物理科学研究委员会、皇家工程学院等等。参考:MIT

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