Komplexe räumliche Lichtmodulationsfähigkeit einer Doppelschicht in

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8277 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der komplexe räumliche Lichtmodulator (SLM), der gleichzeitig die Amplitude und Phase von Lichtwellen steuern kann, ist eine Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl wellenoptischer Technologien, einschließlich holografischer dreidimensionaler Displays. In diesem Artikel wird ein komplexer räumlicher Lichtmodulator mit flachem Panel vorgestellt, der aus zwei in der Ebene schaltenden Flüssigkristallpanels mit doppelten Freiheitsgraden der Spannungseingänge besteht. Die vorgeschlagene Architektur verfügt über eine komplexe Lichtmodulation auf Einzelpixelebene, die eine komplexe Lichtmodulation im gesamten freien Raum ermöglicht, was im größten Gegensatz zu herkömmlichen, auf Makropixeln basierenden komplexen Modulationstechniken steht. Seine Fähigkeit zur komplexen Lichtmodulation wird durch theoretische Simulation und experimentelle Charakterisierung sowie eine dreidimensionale holographische Bildrekonstruktion ohne konjugiertes Rauschen verifiziert. Man geht davon aus, dass der vorgeschlagene Flachbildschirm-Komplex-SLM ein wesentliches Gerät für eine Vielzahl fortschrittlicher Wellenoptiktechnologien sein kann.

Die Synthese von Wellenfeldern ist eine grundlegende Technologie. Der räumliche Lichtmodulator (SLM), ein wesentliches Gerät, das die Wellenfront einer Lichtwelle direkt moduliert, bietet eine Möglichkeit zur Wellenfeldsynthese und -modifikation auf Designebene. Die digitale Holographie-Technologie wie holographische Bildgebung und holographische Anzeige sind die repräsentativen Bereiche, die von der SLM-Technologie profitieren1,2,3,4,5,6. Darüber hinaus wurden die SLMs in großem Umfang für Wellenoptiktechnologien wie Strahllenkung7, optische Kommunikation8,9, fortgeschrittene Mikroskopie und biomedizinische Bildgebung10,11 eingesetzt.

Die Modulationsleistung von SLMs stellt eine grundlegende Einschränkung für die Gesamtleistung wellenoptischer Technologien dar. Das Erreichen der Steuerbarkeit der wellenoptischen Feldverteilung mit hoher Effizienz und geringem Rauschen ist für den SLM vom Transmissionstyp und den SLM vom Reflexionstyp gleichermaßen äußerst wünschenswert12,13,14,15,16,17. Die Entwicklung der SLM-Technologie wurde in verschiedene Richtungen vorangetrieben, wie z. B. Flüssigkristallpanels vom Transmissionstyp1,2,11,18,19, Flüssigkristalle vom Reflexionstyp auf Silizium (LCoS)5,8,20 und digitale Mikros vom Reflexionstyp -Spiegelgerät (DMD)4,10 und kürzlich aufkommende aktive Metaphotonik SLM21,22,23. Obwohl eine Reihe von SLM-Ansätzen mit reiner Amplituden- oder Phasenmodulation eingeführt wurden, leiden die meisten unter verschiedenen Arten von Rauschproblemen, wie z. B. Gleichstrom und konjugiertem Rauschen12,24,25. Eine Reihe von Forschungsarbeiten haben versucht, diese Probleme zu lösen. Bei einigen Ansätzen wurden zusätzliche Systeme zum Filtern der Geräusche implementiert26,27, die meisten machten das System jedoch weniger effizient oder sperrig. Andere bekannte Ansätze kodieren zusätzliche computergenerierte Hologramm-Designalgorithmen (CGH) in einen Nur-Phasen-SLM25,28,29, machen das System jedoch zeitaufwändig oder bieten die Modulation nur bei einem eingeschränkten Feld an. Man ist sich einig, dass die grundlegende Lösung zur Überwindung dieses Problems eine echte komplexe Lichtmodulation ist, was die gleichzeitige Steuerung von Amplitude und Phase auf einer einzigen Pixelebene bedeutet.

Insbesondere der komplexe SLM, der die Amplitude und Phase des einfallenden Lichts moduliert, ist in zahlreichen technischen Bereichen mit Anzeigeanwendungen hervorragend anwendbar. Der komplexe SLM ist entscheidend für digitale dreidimensionale (3D) holografische Displays30. In jüngster Zeit sind die auf Augmented Reality basierende fortschrittliche holographische Vision für Metaversum oder Mixed Reality und neue optische Computertechnologien wie alle optischen neuronalen Netze zu vielversprechenden Anwendungsfeldern der komplexen SLM-Technologie geworden21,31,32,33,34.

Eine praktische Lösung für komplexes SLM ist jedoch seit mehreren Jahrzehnten ein herausforderndes Problem. Es sollte über die Herausforderung nachgedacht werden, einteilige LC-SLMs mit komplexen Modulationseigenschaften herzustellen, da mindestens zwei unabhängige Steuerungsfreiheitsgrade, beispielsweise zwei unabhängig steuerbare Spannungselektroden, erforderlich sind, um die Amplitude und Phase des Lichts separat zu modulieren. Die Integration von zwei unabhängigen Spannungselektroden in eine einzelne LC-Panel-Struktur ist in der aktuellen LCD-Herstellungsinfrastruktur nicht möglich.

Ein Ansatz zur Erzielung einer komplexen Lichtmodulation ist die Verwendung von Einzelebenen-Makropixelstrukturen, bei denen mehrere Pixel in der Ebene verwendet werden, um einen bestimmten Amplituden-Phasen-Wert zu bilden14,16. Die Idee besteht darin, dass zwei oder mehr Pixel mit unterschiedlichen Phasenwerten kohärent interferiert werden, um eine komplexe Modulation zu erreichen, die ein einzelnes Pixel nicht erreichen kann. Allerdings ermöglicht diese Methode eine komplexe Modulation nur innerhalb bestimmter Interessenbereiche, ist jedoch nicht in der Lage, die komplexe Modulation für das gesamte Feld, das sowohl Nahfeld als auch Fernfeld umfasst, zu realisieren. Darüber hinaus sind räumliche Lichtmodulatoren mit ultrahoher Auflösung erforderlich, um eine Makropixelstruktur zu erreichen, da mehrere Pixel für eine einzelne Amplituden-Phasen-Einheit erforderlich sind. Aus diesen Gründen sind die Anwendungen für Einzelebenen-Makropixelstrukturen begrenzt.

Der zweite Ansatz zur Erzielung eines transmissiven komplexen SLM besteht in der Verwendung der Architektur des Amplitudenphasen-Zweischicht-Flüssigkristalls (LC) SLM2,35. Der Phasen-SLM ist an den Amplituden-SLM angeschlossen, um die Amplitude oder Phase des durchlässigen einfallenden Lichts sequentiell zu verwalten. Das Entwerfen und Herstellen perfekt auf die Pixel abgestimmter amplituden- und phasendurchlässiger SLMs ist jedoch hinsichtlich Design, Herstellung und Kosten unattraktiv. Die Amplituden-Phasen-Zweischicht-LC-Struktur ist ineffizient, da die Architekturen des Phasen-LC-SLM und des Amplituden-LC-SLM hinsichtlich des LC-Zellenabstands und der Polarisationskonfiguration nicht identisch sein können. Die Polarisationsschicht sollte zwischen dem Amplituden-LC-Panel und dem Phasen-LC-Panel platziert werden, was zu einer dicken und teuren Architektur führt.

Darüber hinaus geht es uns um die Phasen-SLM-Konstruktion. Insbesondere ist die geschichtete Architektur des Amplituden- und Phasenpanels für die In-Plane-Switching-LC-Panels (IPS) nicht verfügbar. Die Fertigungsinfrastruktur des IPS-LCD ist gut entwickelt. Der IPS-LC-Modus wird häufig für die Amplitudenmodulation von Licht verwendet und das IPS-LCD ist aufgrund seines großen Betrachtungswinkels und einer ausreichend schnellen Reaktion ein vorherrschendes LCD auf dem weltweiten Markt für kommerzielle Displays. Es ist jedoch bekannt, dass der IPS-LC-Modus schlechte Phasenmodulationseigenschaften aufweist. Eine Theorie besagt, dass der maximale Dynamikbereich der Phasenmodulation des einzelnen IPS-LC-Modus weniger als π (rad.) beträgt. Dieser Zustand der maximalen π-Phasenmodulation führt zu einer starken Verschlechterung der Amplitudenmodulationseigenschaften im IPS-LC-Modus. Daher kann der beliebte IPS-LC-Modus nicht auf die Amplituden-Phasen-Dual-Layer-Architektur angewendet werden. Daher ist die allgemein anerkannte Meinung, dass der IPS-LC-Modus nur für die Amplitudenmodulation und weder für die Phasenmodulation noch für die komplexe Modulation geeignet ist.

Um diese Einschränkung des IPS-LC-Modus für den komplexen SLM zu überwinden, schlagen wir in diesem Artikel eine neuartige zweischichtige komplexe SLM-Architektur mit zwei vollkommen identischen In-Plane-Switching-LC-Schichten (IPS) vor. Wir präsentieren eine Theorie zur Verwendung zweier identischer IPS-Panels zur Erzielung einer perfekten komplexen Lichtmodulationsfunktion und eine experimentelle Demonstration der komplexen Lichtmodulation auf Pixelebene.

Abbildung 1a zeigt das Schema des herkömmlichen SLM mit einem IPS-LC-Panel. Während das einfallende Licht das LC-Panel passiert, moduliert die Ausrichtung des Flüssigkristalls die Amplitude und Phase des Ausgangslichtstrahls.

(a) Schematische Darstellung des einzelnen Pixels des herkömmlichen einschichtigen IPS-LC-SLM (linkes Feld) und seiner IPS-LC-Schicht (rechtes Feld). (b) Die Amplituden- (linkes Feld) und Phasenmodulationseigenschaften (rechtes Feld) des einschichtigen IPS-SLM.

Die Polarisationswinkel des Polarisators und des Analysators seien mit θ1 bzw. θ2 bezeichnet und der LC-Neigungswinkel jedes IPS-Panels sei ϕ. Der Phasenverzögerungsfaktor der einzelnen IPS-LC-Zelle ist dann gegeben durch \(\Gamma = 2\pi \left( {n_{e} - n_{o} } \right)d/\lambda\), wobei λ der ist Wellenlänge des einfallenden Lichts, d ist der Zellabstand der LC-Schicht und ne und no sind die Brechungsindizes der außerordentlichen und ordentlichen Achsen des im IPS-Panel verwendeten Flüssigkristalls. Die Einzelpixeldurchlässigkeit des IPS-LC SLM kann durch eine einfache Jones-Matrix modelliert werden, die eine Dreifachmatrixmultiplikation beschreibt36,37,38,39,40,41,42,

wobei P(θ) und L(ϕ, Γ) die Jones-Matrizen des Polarisators bzw. der IPS-LC-Schicht sind. Die Jones-Matrix für Polarisator und Analysator, P(θ), ist gegeben durch

Die Jones-Matrix einer IPS-LC-Schicht mit einem LC-Neigungswinkel ϕ und der Phasenverzögerung Γ wird dargestellt als

Die Amplituden- und Phasenmodulationseigenschaften des einzelnen IPS-LC-SLM werden mit dem Modell von Gl. berechnet. (1). Abbildung 1b zeigt die berechneten Amplituden- und Phasenmodulationseigenschaften des herkömmlichen IPS-LC-SLM mit θ1 = 110° und θ2 = 0°, bei dem der maximale Bereich der Phasenmodulation erreicht wird. Die Parameterstudie zeigt, dass der Phasenmodulationsbereich selbst unter den besten Bedingungen 180 Grad nicht überschreitet. Wie oben erwähnt bedeutet dies, dass der IPS-LC-Modus nicht für die Amplituden-Phasen-Dual-Layer-SLM-Architektur geeignet ist.

Abbildung 2a zeigt die schematische Struktur des vorgeschlagenen zweischichtigen IPS-LC-SLM. Das vorgeschlagene Gerät besteht aus zwei IPS-LC-Schichten, die nacheinander zwischen einem Polarisator und einem Analysator angeordnet sind. Jede IPS-LC-Schicht fungiert als dynamische Wellenplatte. In der Praxis werden zwei völlig identische IPS-LC-Panels feinjustiert und parallel befestigt. Der für eine komplexe Lichtmodulation erforderliche Freiheitsgrad ist der LC-Neigungswinkel jedes IPS-Panels, ϕ1 und ϕ2.

(a) Schematische Darstellung des einzelnen Pixels des vorgeschlagenen zweischichtigen IPS-LC-SLM (oberes Panel) und seiner ersten und zweiten IPS-LC-Schichten (unteres Panel). (b) Simulierter komplexer Lichtmodulationsbereich des zweischichtigen IPS-LC-SLM. Der rote Kreis zeigt die Amplitude von 0,26 an.

Die Jones-Matrix-Modellierung der Dual-Layer-IPS-LC-Schichten beschreibt die Durchlässigkeit des einzelnen Pixels des Dual-Layer-IPS-LC-SLM durch ein Vier-Matrix-Multiplikationsmodell

Für ein linear in x-Richtung polarisiertes einfallendes Licht können wir den Polarisationsachsenwinkel ohne Verlust der Allgemeinheit auf θ1 = 0 setzen, was P(θ1) = (1, 0) ergibt. Nach einiger Manipulation von Gl. (4) Das elektrische Feld nach dem Analysator bei x-polarisiertem Lichteinfall wird erhalten, da wir die gesamte Jones-Matrix-Darstellung in der folgenden Form haben:

wobei A1, A2 und A3 sind

und Δϕ ist

Wir nehmen die lineare Polarisationskomponente U entlang der Polarisationsachse des Analysators auf.

Hier zeigt unsere wichtigste Erkenntnis über U, dass mit Γ = 2π/3 die Eigenschaften des durchgelassenen Lichts durch die Form einer komplexen Dreiphasen-Amplituden-Modulation dargestellt werden:

wobei der Einfachheit halber die Konstante \(\exp \left( {j4\pi n_{o} d/\lambda } \right)\) weggelassen wird. Mit dieser Dreiphasenformel wird eine bestimmte Amplituden- und Phasenmodulation durch Modulation der realen Variablen A1, A2 und A3 erreicht. Im Allgemeinen kann die Phasenverzögerung Γ ein Vielfaches von 2π/3 betragen. Eine parametrische Studie für θ1 und θ2 zur Ermittlung der optimalen komplexen Modulationsbedingung zeigt, dass das Paar aus Polarisator und Analysator mit θ1 = 0° und θ2 = 125° den größten dynamischen Bereich der komplexen Modulation erreicht.

Abbildung 2b zeigt den asymmetrischen Vollkomplexmodulationsbereich in der komplexen Ebene. Es enthält einen rot gefärbten Kreis, der eine maximale Amplitude von 0,26 anzeigt, was bedeutet, dass die vollständige komplexe Modulation innerhalb einer Lichtmodulationseffizienz von 6,7 Prozent im vorgeschlagenen Dual-Layer-IPS-SLM erreicht wird. Die maximale Modulationsamplitude wird mit ηmax bezeichnet, sodass η ≤ ηmax gilt. Bei einem komplexen Modulationswert \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) können wir die LC-Neigungswinkel (ϕ1, ϕ2) ermitteln, indem wir das nichtlineare Gleichungssystem der Real- und Imaginärteile lösen von Gl. (11) unter der Randbedingung η ≤ ηmax,

wobei FR(ϕ1, ϕ2) und FI(ϕ1, ϕ2) durch die Abweichungen von Real- und Imaginärteil definiert sind,

Wir haben die fsolve-Routine von MATLAB verwendet, um die IPS-LC-Neigungswinkel (ϕ1, ϕ2) anzugeben. Im konkreten Fall erhält man das vollständige Schwarz, indem man \(F_{R} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = F_{I} \left( {\phi_{1 } ,\phi_{2} } \right) = 0\), was dargestellt wird als

Dies entspricht der Bedingung \(A_{1} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = A_{2} \left( {\phi_{1} ,\phi_{ 2} } \right) = A_{3} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right)\), was bedeutet, dass für den Schwarzmodus A1, A2 und A3 nicht benötigt werden Null sein, kann aber auch Werte ungleich Null sein. Es ist zu beachten, dass sich der komplexe Modulationsmechanismus auf einer einzelnen Pixelebene des zweischichtigen LC-IPS-SLM bewährt hat und eine komplexe Lichtmodulation im gesamten freien Raum ermöglicht. Damit haben wir bewiesen, dass die industrielle IPS-Panel-Technologie erfolgreich zur Realisierung des komplexen SLM eingesetzt werden kann.

Die Phasenverzögerung Γ ist ein entscheidender Parameter zur Bestimmung der Form des gesamten komplexen Modulationsdynamikbereichs und der maximalen Modulationseffizienz. Die Schwankung von Γ kann durch verschiedene physikalische Parameter hervorgerufen werden, wie z. B. Abweichungen bei der Betriebswellenlänge, Zellabstandsabweichung und Einfallswinkel der Lichtquelle sowie andere LC-Panel-Geometrien. Weitere theoretische Simulationen zur komplexen Modulationseffizienz und den Eigenschaften des Dual-Layer-IPS-SLM werden in den Zusatzinformationen durchgeführt. Für eine schnelle Adressierung können die numerischen Daten von (ϕ1, ϕ2) für den gegebenen diskret abgetasteten komplexen Modulationswert \(\eta_{m} \exp \left( {j\psi_{m} } \right)\) vorbereitet werden die Nachschlagetabelle, und eine numerische Interpolation wird verwendet, um (ϕ1, ϕ2) für ein gegebenes \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) basierend auf der Modulations-Nachschlagetabelle genau zu extrahieren.

Das eigentliche Dual-Layer-IPS-Panel wird für das Experiment hergestellt, um die vorgeschlagene komplexe Modulationstheorie in der Praxis zu beweisen. Es werden zwei identische IPS-Panels hergestellt und dann präzise ausgerichtet zusammengefügt. Abbildung 3a zeigt das hergestellte Dual-Layer-IPS-Gerät und sein mit einem optischen Mikroskop aufgenommenes Foto. Tabelle 1 zeigt die Grundparameter des entwickelten IPS-Displays und Abb. 3b zeigt die Graustufeneingabe für bestimmte LC-Neigungswinkel im Bereich von 0 (Grad) bis 35 (Grad) für das im Experiment verwendete IPS-LC-Panel . Für die experimentelle Demonstration wird anhand des Simulationsergebnisses der erforderliche Input für die Vollmodulation ermittelt. Um Γ = 4π/3 anstelle von 2π/3 zu erreichen, stellen wir den Zellabstand d des LC-Panels auf 2,8 μm ein. Die Verzögerung Γ = 4π/3 ist ein Vielfaches von 2π/3 und behält daher die Dreiphasenformel bei und stellt gleichzeitig den Zellabstand nahe an einen industriell akzeptablen Wert ein. Die erforderlichen LC-Neigungswinkelpaare für eine 360-Grad-Phasenmodulation und die entsprechenden Betriebsspannungseingänge werden durch Lösen der Gleichungen berechnet. (13)-(14). Abbildung 3c zeigt, wie ϕ1 und ϕ2 eine 360-Grad-Phasenmodulation mit konstanter Amplitude erzeugen. Umgekehrt können wir die Amplitudenmodulation mit konstanter Phase erhalten. Aus diesen Daten werden die erforderlichen Paare von Graustufeneingängen für die vollständige komplexe Modulation in Abb. 2b ermittelt. Die in Abb. 3d dargestellten Graustufeneingänge werden für eine 360-Grad-Vollphasenmodulation erhalten.

(a) Hergestelltes zweischichtiges IPS-Panel (Einschub) und sein optisches Mikroskopbild. (b) Beziehung zwischen der Eingangsgraustufe und dem IPS-LC-Neigungswinkel. (c) Neigungswinkel von IPS-1 und IPS-2 im Dual-Layer-IPS-Panel, die für eine 360-Grad-Phasenmodulation erforderlich sind, und (d) Graustufeneingänge, die für IPS-1 und IPS-2 für eine 360-Grad-Phasenmodulation erforderlich sind.

Die im Jones-Matrixmodell analysierten Graustufen-Eingabepaare werden im Experiment zur Validierung des entwickelten Jones-Matrixmodells verwendet. Wir verwenden ein Mach-Zehnder-Interferometer, um die Modulationseigenschaften des entworfenen zweischichtigen IPS SLM43 zu messen. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 4a dargestellt. Das kollimierte Licht eines Festkörperlasers (532 nm Lighthouse Sprout-G) wird in Signal- und Referenzarme aufgeteilt: Der zweischichtige IPS-SLM wird auf dem Signalarm des Interferometers platziert, und ein Paar Polarisatoren wird auf dem platziert Referenzarm zur Feinsteuerung der Übertragungsleistung des Referenzarms. Die beiden Lichtarme mit optimal abgestimmter Leistung treffen im CCD zusammen und erzeugen ein Interferenzmuster, das es uns ermöglicht, die Phasenverzögerung des Signalarms zu beobachten. Abbildung 4b zeigt die doppelt eingegebenen 2560 × 1600-Graustufenbilder für IPS1 und IPS2, die aus dem oberen und unteren Teil bestehen. Das gemessene Interferenzmuster weist im oberen und unteren Abschnitt zwei charakteristische Muster auf. Das untere Interferenzmuster ist die feste Referenz und das obere verschiebt sich seitlich entsprechend der Phasenverzögerung des Signalstrahls. Der Signalteil wird mit der Graustufe von 0 bis 255 eingegeben, und der Referenzteil gibt Schwarz (Graustufe 0) ein, um die Phasenverzögerung des Signalteils zu messen.

(a) Schematische Darstellung (oberes Feld) und tatsächlicher Aufbau (unteres Feld) des Mach-Zehnder-Interferometers zur Modulationscharakterisierung des zweischichtigen IPS-Panels. (b) Zweiteiliges Graustufen-Eingabebild und die beobachteten Interferenzmuster sowie der sinusförmige Näherungsprozess für das gemessene Interferenzmuster. (c) Vollständige 360-Grad-Phasenmodulationseigenschaften des Dual-Layer-IPS-Panels.

Durch Interpretation der relativen seitlichen Verschiebung können wir die Phasenverzögerung des Signalarms genau bestimmen. Die Signalverarbeitung der Phasenverzögerungsextraktion wird als dreistufiger Prozess dargestellt: Messung des Interferenzmusters, Rauschentfernung und Sinusanpassung, um die seitliche Verschiebung des Interferenzmusters anzugeben. Schließlich wird die Phasenverzögerung gemessen, indem die Phase jedes Teils mit dem festen Referenzmuster verglichen wird. Unabhängige Modulationen der Amplitude und Phase des Signalstrahls werden unter Verwendung der Paare von Graustufen-Eingabewerten durchgeführt, die durch die numerischen Simulationen gefunden wurden. Erstens bestätigt das Ergebnis, dass amplitudenunabhängige volle 360 Grad vorhanden sind. Phasenmodulation ist mit dem entwickelten Gerät möglich. Dies ist im Polarkoordinatendiagramm in Abb. 4c dargestellt, das einige abgetastete Phasenmodulationswerte zum Vergleich mit der Simulationsanalyse zeigt. Die Amplitudenmodulation ist für eine vollständige 360-Grad-Phasenmodulation nahezu auf einen konstanten Wert festgelegt.

Tabelle 2 zeigt einen Vergleich einiger abgetasteter Phasenmodulationswerte, die aus der Simulation und der experimentellen Phasenmodulation erhalten wurden. Das tatsächliche Modulationsintervall unterscheidet sich von dem der Simulation, und es besteht wahrscheinlich ein nicht vernachlässigbarer Unterschied in den Parametern zwischen den Simulationsparametern und denen der tatsächlich hergestellten Geräte. Dennoch zeigt jeder Eingang eine deutliche Phasenverzögerung, wenn die volle Phasenmodulation erreicht wird, und es könnte angenommen werden, dass dieser Fehler hauptsächlich auf die Fluktuation des experimentellen Systems und die Ungenauigkeit des Rauschentfernungsprozesses zurückzuführen ist.

Als nächstes wird die phasenunabhängige Amplitudenmodulation getestet, indem der gewünschte Amplitudenwert unter Beibehaltung der Phase geändert wird. Um den unerwarteten Rauschfaktor zu minimieren und genauere Ergebnisse zu erzielen, sollte die Amplitudenschwankung auf einen maximalen Bereich begrenzt werden. Obwohl der maximale Radius des Modulationskreises zuvor auf 0,26 eingestellt ist, könnte die maximale Amplitudenmodulation in einer bestimmten Phase diesen Wert überschreiten. Daher wurde die Phase auf 150 (Grad) eingestellt, wie im Nebenbild von Abb. 5 gezeigt, sodass sich der Amplitudenwert von 0 auf 0,5 ändern konnte. Um die Intensität linear zu ändern, sollte der gewünschte Amplitudenwert quadratisch erhöht werden. In den experimentellen Ergebnissen, wie im Diagramm in Abb. 5 dargestellt, bleibt der Phasenwert (rechtes Feld) nahezu konstant, während die Intensität (linkes Feld) linear ansteigt.

Die beobachtete Ausgangsintensität (linkes Feld) und Phasenvariation (rechtes Feld) des zweischichtigen IPS-LC-SLM bei der Messung der Amplitudenmodulation. Das eingefügte Bild zeigt den geradlinigen Modulationspfad dieses Experiments und stellt die reine Amplitudenmodulationsfähigkeit dar.

Da die vollständige komplexe Lichtmodulation durch ein zweischichtiges IPS-Panel experimentell nachgewiesen wurde, wird ein echtes komplexes computergeneriertes Hologramm (CGH) entworfen und angezeigt, um die komplexe räumliche Lichtmodulationsfähigkeit des zweischichtigen IPS-Panels weiter zu validieren. Es werden zwei Arten von CGH-Experimenten festgelegt. Ersteres ist ein experimenteller Vergleich der Beugungsmustersynthese eines komplexen CGH, eines reinen Amplituden-CGH und eines reinen Phasen-CGH44. Da die Eliminierung des Rauschens im Beugungsmuster die Fähigkeit der komplexen räumlichen Lichtmodulation beweist, entwerfen wir ein einfaches Beugungsmuster und untersuchen, ob das zweischichtige IPS-Panel unerwünschtes Rauschen erzeugt oder nicht. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 6a dargestellt. Die ebene Welle durchläuft nacheinander den Polarisator, den SLM, den Analysator und eine Fourier-Linse und erzeugt ein einfaches Beugungsmuster auf der CCD-Ebene. Um den Rauschterm im Beugungsmuster deutlich zu beobachten, haben wir zwischen der ersten Fourier-Ebene und der CCD-Ebene einen DC-Rauschunterdrückungsfilter hinzugefügt. Der zweite in Abb. 6b gezeigte Aufbau dient der dreidimensionalen CGH-Bildsynthese eines Objekts mit mehreren Tiefen und ermöglicht die Untersuchung des Akkommodationseffekts.

(a) Testaufbau für die optische Fourier-Transformation und (b) Testaufbau für die holographische 3D-Bilderzeugung. Gezeigt werden Schemata (oberes Feld) und Implementierung (unteres Feld) der experimentellen Systeme.

Eine vollständige komplexe Modulation wurde als Merkmal der ultimativen holografischen 3D-Anzeige angesehen14,45. Der beliebte Aufbau ist die holographische 3D-Anzeige basierend auf einem Einseitenband-Amplituden-SLM oder einem Nur-Phasen-SLM. Wie bereits erwähnt, hat das inhärente optische Zwillingsrauschen die Weiterentwicklung der holografischen Anzeigetechnologie grundlegend behindert. Hier wird die Erzeugung komplexer holographischer Bildfelder mit dem vorgeschlagenen Dual-Layer-IPS-Panel demonstriert. In Abb. 6b nimmt das CCD die optische Szene des SLM ohne zwischengeschalteten optischen Filter wahr, um eine Demonstration einer echten komplexen holografischen Anzeige zu demonstrieren. Zur Beobachtung des Beugungsmusters und zum Vergleich mit anderen Modulationsverfahren wird ein CGH mit dem Text „KU“ entworfen. Alle komplexen Lichtinformationen für das entworfene Fernfeld-CGH werden mithilfe der Winkelspektrummethode numerisch berechnet. Anschließend wird das CGH in drei Modulationsverfahren verarbeitet: der Amplitudenmodulation, der Phasenmodulation und der komplexen Modulation. Die maximale Amplitude des CGH wird bei allen Methoden auf 0,2 normiert, um in den Dual-IPS-Modulationsbereich zu passen. Bei der Amplitudenmodulationsmethode wird nur die Amplitudeninformation des berechneten CGH übernommen und trägt zum Eingabemuster bei. Dieses Eingabebild wird in ein einzelnes IPS-Panel eingefügt, das genau die gleichen Parameter wie das Dual-Layer-IPS und eine Kreuzpolbedingung aufweist. Abbildung 7a, d zeigt die simulierte bzw. beobachtete Fernfeldverteilung mit Amplitudenmodulation. Bei der Phasenmodulationsmethode werden nur die Phaseninformationen für jedes Pixel erfasst. Da ein einzelnes IPS-Panel keine 360-Grad-Phasenmodulation erreichen kann, wird die Phasen-CGH in das Dual-IPS-Panel gelegt. Die dualen IPS-Neigungswinkel für den entsprechenden Phasenwert werden erhalten und tragen zum Eingabemuster bei. Hier fungiert das Dual-IPS als Nur-Phasen-Modus, sodass die Amplitude unverändert bleibt. Abbildung 7b, e zeigt die simulierte bzw. beobachtete Fernfeldverteilung mit Phasenmodulation. Bei der komplexen Modulation mit Dual-Layer-IPS-System hingegen werden die Dual-Layer-IPS-Neigungswinkel für die entsprechenden komplexen Informationen berechnet, um ein Paar Graustufenbilder zu erhalten. Dieses Graustufenbildpaar wird dann als Eingabe für das Dual-Layer-IPS-Panel verwendet und das CGH-Bild wird am System beobachtet. Abbildung 7c, f sind die simulierten bzw. beobachteten Beugungsmuster mit der komplexen Modulation.

Numerische Simulation (a–c) und Experiment (d–f) für die optische Fourier-Transformation von CGH: (a, d) das reine Amplituden-CGH, (b, e) das reine Phasen-CGH und (c, f) das komplexes CGH. Ein DC-Rauschunterdrückungsfilter wurde verwendet, um die Reduzierung des konjugierten Rauschens deutlich zu beobachten.

Bei der Beobachtung aller Methoden wird das DC-Rauschen unterdrückt, um den Unterschied deutlicher darzustellen. Infolgedessen zeigt das beobachtete Bild, dass beim komplexen CGH nur wenig konjugiertes Rauschen beobachtet wird. Im unteren Bereich des Sichtfeldes wird ein schwaches Zwillingsbild angezeigt, was höchstwahrscheinlich auf einen leichten Modulationsfehler zurückzuführen ist, da der Eingabewert nicht kontinuierlich, sondern eine diskrete Graustufe ist. Der Fehler kann jedoch im Vergleich zum Amplituden-CGH vernachlässigt werden, der deutliches konjugiertes Rauschen aufweist, und es kann davon ausgegangen werden, dass die Modulationsfähigkeit auf einem ausreichenden Niveau erreicht wurde. Im Falle der Phasen-CGH ist es bekanntermaßen praktisch schwierig, einen vollständigen Schwarzzustand zu erreichen, und es ist ein deutliches Hintergrundrauschen zu beobachten. Dieses Ergebnis zeigt, dass das vorgeschlagene Dual-Layer-IPS-System eine wirklich gültige Methode für das komplexe CGH ist.

Als nächstes haben wir ein CGH entworfen, das ein Objekt mit vier Tiefenschichten darstellt, und den Akkommodationseffekt beobachtet. Vierschichtige Bilder befinden sich im Abstand von 0 cm, 12 cm, 20 cm bzw. 30 cm von der Feldlinse, wie in Abb. 8a dargestellt. Der CGH wird durch die kaskadierte Fresnel-Transformation berechnet, die auf der Grundlage des in Abb. 6b25,45 genannten Aufbaus berechnet wird. Die resultierende Amplituden- und Phasenverteilung des berechneten CGH ist in Abb. 8b dargestellt, und das duale IPS-Komplex-CGH wird generiert, um die komplexe Verteilung zu erreichen. Die kurze Erklärung zur Generierung von Dual-IPS-Komplex-CGH finden Sie in den Zusatzinformationen.

(a) Zieltiefenbilder und die jeweilige Brennweite des 4-stufigen CGH. (b) Die Amplituden- (linkes Feld) und die Phasenverteilungen (rechtes Feld) des berechneten CGH.

Abbildung 9 zeigt den Akkommodationseffekt des entworfenen CGH-Bildes. In den beobachteten Ergebnissen (rechte Felder) wird das Bild mit der entsprechenden Tiefe deutlich, während das andere Bild unscharf und unscharf wird, wie bei den numerischen Simulationen erwartet (linke Felder). In keiner Tiefe wird konjugiertes Rauschen beobachtet und es wurde kein zusätzliches Filtersystem zur Unterdrückung von Gleichstromrauschen eingesetzt.

Das simulierte (linke Feld) und beobachtete (rechte Feld) holographische Bild des entworfenen komplexen CGH an den Brennpunkten von 0 cm (a, b), 12 cm (c, d), 20 cm (e, f) und 30 cm (g, h). Ein zusätzliches Video stellt den dynamischen Betrieb des Geräts vor (Visualisierung 1).

In diesem Experiment scheint die nichtbeugende, unkontrollierbare Komponente DC über den Hintergrund verteilt zu sein. Es ist zu beachten, dass der DC im ersten Experiment auf einen Punkt fokussiert ist, während im zweiten Experiment der DC über den Hintergrund verteilt ist, was das Kontrastverhältnis verschlechtert. Mit diesem Ergebnis wird die Verfügbarkeit komplexer CGHs unter Verwendung des vorgeschlagenen Dual-Layer-IPS-Systems bestätigt. Die weitere Reduzierung des Gleichstroms und die Verbesserung der Übertragungseffizienz erfordern weitere Forschung und Entwicklung auf der architektonischen Designebene des Dual-Layer-IPS-Panels. Wie die Ergebnisse zeigen, konnten mit dem Dual-Layer-IPS-LC-Modus und der dreiphasigen komplexen Modulationstheorie echte komplexe CGHs entworfen und beobachtet werden. Das Hintergrundrauschen ist vermutlich auch auf das Übersprechen zwischen zwei IPS-Panels zurückzuführen. Im Idealfall gelangt die gesamte Ausgabe der Apertur der ersten IPS-Schicht in die entsprechende Apertur der zweiten IPS-Schicht, die Beugung erfolgt jedoch an der Apertur und ein Teil der Ausgabe wird zum Übersprechrauschen, anstatt in die entsprechende Apertur einzutreten . Das im Experiment verwendete zweischichtige IPS-Panel weist einen Abstand von 1000 µm zwischen zwei aktiven Schichten auf, weshalb es zu einer Beugung kommt, die nicht nur den Übersprecheffekt, sondern auch einen Verlust der Lichteffizienz verursacht. Die Verwendung einer dünneren Glasschicht zur Verringerung des Abstands zwischen den aktiven Schichten könnte zu einer besseren Leistung führen. Um das Hintergrundrauschen zu verringern und die Lichteffizienz zu erhöhen, könnte auch die Einfügung einer Mikrolinsen-Array-Schicht zwischen zwei Platten oder der Ersatz der Glasschicht durch eine Glasfaserschicht in Betracht gezogen werden.

Auch das Problem der geringen Lichtausbeute könnte sowohl experimentell als auch theoretisch durch eine Verbesserung der Parameter des LC-Displays gelöst werden. Das im Experiment verwendete IPS-LC-Display weist eine Lichtdurchlässigkeit von 7,36 Prozent auf, was bedeutet, dass das Dual-Layer-IPS eine Lichtdurchlässigkeit von 0,54 Prozent aufweisen würde. Wenn jedoch ein Display mit höherer Durchlässigkeit verwendet wird, wäre die Verbesserung der Lichteffizienz proportional zum Quadrat der Verbesserung der Durchlässigkeit einzelner Panels. Auch hier könnte die Punkt-für-Punkt-Photoalignment-Technologie46 ein Schlüssel zur Effizienzsteigerung sein. Darüber hinaus könnte auch die Lichteffizienz durch die Vergrößerung des Modulationsbereichs verbessert werden. Der maximale LC-Neigungswinkel des Geräts könnte den Modulationsbereich drastisch verändern, der derzeit auf 33,28 (Grad) beschränkt ist, und der optimale Modulationszustand könnte neu berechnet werden, wenn der maximale Neigungswinkel erhöht wird. Simulierte Ergebnisse der Modulationsbedingungen mit erhöhtem maximalen Neigungswinkel sind in den Zusatzinformationen dargestellt. Der Wert von Γ ändert sich, wenn sich die Wellenlänge λ des einfallenden Lichts ändert. Die aktuelle Studie wurde unter der Bedingung von 532-nm-Licht durchgeführt, bessere Modulationsbedingungen sind jedoch wahrscheinlich, wenn die optimalen Bedingungen im anderen Wellenlängenbereich gefunden werden. Wenn darüber hinaus mit einem einzigen Geräteparameter ein bestimmter gemeinsamer Modulationsbereich in den Wellenlängen Rot, Grün und Blau erreicht wird, wäre in diesem Bereich eine komplexe RGB-Vollfarbmodulation möglich. Die Anwendung der Lichtbeugungstechnik mit Dual-Twist-Flüssigkristallpolymer47 wäre auch für die Realisierung einer Vollfarben-Lichtmodulation von Bedeutung.

Die komplexe räumliche Lichtmodulation entwickelt sich zu einer Kerntechnologie in einem riesigen Industriebereich. Insbesondere der komplexe SLM vom Transmissionstyp kann für bestimmte Anzeigeanwendungen wie die holografische AR-Technologie im Hinblick auf den kleinen Formfaktor vorteilhaft sein. Darüber hinaus ist die komplexe Modulation, die das gesamte Feld abdeckt, eine entscheidende Technologie nicht nur für die Anzeige, sondern auch für andere Anwendungen in wellenoptischen Systemen, die mit der herkömmlichen Methode nur schwer zu erreichen ist. In diesem Artikel wurde die Fähigkeit des Dual-Layer-IPS-LC-Modus zur komplexen räumlichen Lichtmodulation mit einem Pixel sowohl theoretisch als auch experimentell demonstriert. Die vollständige komplexe Lichtmodulation wird mit dem äußerst kompakten System erreicht, das lediglich aus zweischichtigen IPS-Geräten, einem Polarisator und einem Analysator besteht. Der Prototyp des zweischichtigen IPS-LC-Panels wurde in industrieller Zusammenarbeit hergestellt. Das Panel wird nicht nur durch Simulation demonstriert, sondern auch experimentell mithilfe eines hergestellten Geräts, das sich als direkt auf die dreidimensionale holografische Anzeigetechnologie anwendbar erwiesen hat. Da der in diesem Dokument gezeigte Modulationsbereich nicht die grundsätzliche Grenze dieses Systems darstellt, wird darüber hinaus erwartet, dass eine einfache Änderung der LC-Panel-Spezifikation die komplexen Lichtmodulationseigenschaften verbessern könnte, wie in den Zusatzinformationen gezeigt. Zusammen mit einer weiteren Optimierung der LC-Panel-Architektur und durch eine Standardisierung der präzisen Mess- und Prüfmethode komplexer räumlicher Lichtmodulationseigenschaften werden wir die komplexe Modulationseffizienz verbessern. Das Erreichen eines RGB-Vollfarbkomplex-CGH durch den vorgeschlagenen Dual-Layer-IPS-LC-Modus auf einer weiter verkleinerten Architektur wird das Ziel unserer nächsten Studie sein.

Alle Daten, die die Ergebnisse stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von LG Display Co. und dem Samsung Research Funding & Incubation Center von Samsung Electronics (SRFC-TB1903-05) unterstützt.

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LG Display, E2 Block LG Science Park, 30, Magokjungang 10th Street, Gangseo-gu, Republik Korea

Juseong Park und Hoon Kang

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HK, SJ und BJ trugen zur Konzeption und Gestaltung der Forschung bei; WC, SK, JL, SN und SH bauten den Versuchsaufbau auf und bereiteten das CGH-Design vor; JP und HK unterstützten die Vorbereitung von Dual-IPS-Gerätemustern. SJ und WC trugen zur Erfassung und Analyse der Daten bei; SJ und HK verfassten das Manuskript; Alle Autoren haben das Manuskript kritisch überarbeitet, erklären sich damit einverstanden, die volle Verantwortung für die Gewährleistung der Integrität und Genauigkeit der Arbeit zu übernehmen und haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Byeong-Kwon Ju oder Hwi Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jang, SW., Choi, W., Kim, S. et al. Komplexe räumliche Lichtmodulationsfähigkeit eines zweischichtigen, in der Ebene schaltenden Flüssigkristallpanels. Sci Rep 12, 8277 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12292-4

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Eingegangen: 30. Januar 2022

Angenommen: 09. Mai 2022

Veröffentlicht: 18. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12292-4

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