Compleja capacidad espacial de modulación de la luz de una capa dual en

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8277 (2022) Citar este artículo

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El modulador de luz espacial complejo (SLM), que puede controlar simultáneamente la amplitud y la fase de las ondas de luz, es una tecnología clave para una amplia gama de tecnologías de ondas ópticas, incluidas las pantallas tridimensionales holográficas. Este artículo presenta un modulador de luz espacial complejo de panel plano que consta de paneles duales de cristal líquido de conmutación en el plano con entradas de voltaje de doble grado de libertad. La arquitectura propuesta presenta una modulación de luz compleja a nivel de un solo píxel que permite una modulación de luz compleja en todo el espacio libre, lo que contrasta más con las técnicas convencionales de modulación compleja basadas en macropíxeles. Su capacidad de modulación de luz compleja se verifica con simulación teórica y caracterización experimental, y una reconstrucción de imagen holográfica tridimensional sin ruido conjugado. Se cree que el complejo SLM de panel plano propuesto puede ser un dispositivo esencial para una amplia gama de tecnologías ópticas de ondas avanzadas.

La síntesis del campo de ondas es una tecnología fundamental. El modulador de luz espacial (SLM), un dispositivo esencial que modula directamente el frente de onda de la onda de luz, proporciona una forma de síntesis y modificación del campo de onda a nivel de diseño. La tecnología de holografía digital, como la imagen holográfica y la visualización holográfica, son el campo representativo que se beneficia de la tecnología SLM1,2,3,4,5,6. Además, los SLM se han utilizado ampliamente para ondular tecnologías ópticas como el direccionamiento del haz7, las comunicaciones ópticas8,9, la microscopía avanzada y las imágenes biomédicas10,11.

El rendimiento de modulación de los SLM establece una limitación fundamental para el rendimiento general de las tecnologías basadas en ondas ópticas. Lograr la capacidad de control de la distribución del campo óptico de onda con alta eficiencia y bajo ruido es muy deseable en común para el SLM de tipo transmisión y el SLM de tipo reflexión12,13,14,15,16,17. El desarrollo de la tecnología SLM se ha planteado en una variedad de direcciones, como panel de cristal líquido de tipo transmisión1,2,11,18,19, cristal líquido de tipo reflexión sobre silicio (LCoS)5,8,20, micro digital de tipo reflexión -dispositivo de espejo (DMD)4,10, y recientemente emergente metafotónica activa SLM21,22,23. Aunque se han introducido una serie de enfoques SLM con modulación de amplitud o solo de fase, la mayoría sufre varios tipos de problemas de ruido, como CC y ruidos conjugados12,24,25. Una serie de investigaciones han intentado superar estos problemas. Algunos enfoques implementaron sistemas adicionales para filtrar los ruidos26,27, pero la mayoría hizo que el sistema fuera menos eficiente o voluminoso. Otros enfoques bien conocidos son la codificación de un algoritmo de diseño de holograma generado por computadora (CGH) adicional a un SLM de solo fase25,28,29, pero hicieron que el sistema consumiera mucho tiempo u ofrecieran la modulación solo en un campo restringido. Se ha acordado que la solución fundamental para superar este problema es la modulación de luz genuinamente compleja, lo que significa el control simultáneo de la amplitud y la fase en un solo nivel de píxel.

En particular, el complejo SLM, que modula la amplitud y la fase de la luz incidente, es muy aplicable a numerosos campos de ingeniería con aplicaciones de visualización. El SLM complejo es crucial para las pantallas holográficas tridimensionales (3D) digitales30. Recientemente, la visión holográfica avanzada basada en realidad aumentada para metaverso o realidad mixta, y la tecnología informática óptica emergente, como todas las redes neuronales ópticas, se han convertido en los campos de aplicación prometedores de la tecnología SLM compleja21,31,32,33,34.

Sin embargo, una solución práctica al SLM complejo ha sido un problema desafiante durante varias décadas. Se debe considerar el desafío de hacer SLM LC de un solo panel con características de modulación complejas porque al menos dos grados de libertad de control independientes, como dos electrodos de voltaje controlables independientemente, son necesarios para modular la amplitud y la fase de la luz por separado. La infraestructura actual de fabricación de LCD no permite la integración de dos electrodos de voltaje independientes en una sola estructura de panel LC.

Un enfoque para lograr una modulación de luz compleja es usar estructuras de macropíxeles de un solo plano, que usan múltiples píxeles en el plano para componer un cierto valor de fase de amplitud14,16. La idea es que dos o más píxeles con diferentes valores de fase se interfieran coherentemente para lograr una modulación compleja que un solo píxel no puede lograr. Sin embargo, este método permite la modulación compleja solo dentro de cierta región de interés, pero no puede realizar la modulación compleja para todo el campo, que incluye tanto el campo cercano como el campo lejano. Además, se requieren moduladores de luz espacial con resolución ultra alta para lograr una estructura de macropíxeles, ya que necesita múltiples píxeles para una sola unidad de fase de amplitud. Por estas razones, las aplicaciones para estructuras de macropíxeles de un solo plano son limitadas.

El segundo enfoque para lograr un SLM complejo de tipo transmisivo es utilizar la arquitectura de SLM de cristal líquido (LC) de doble capa y fase de amplitud2,35. El SLM de fase está unido al SLM de amplitud para gestionar secuencialmente la amplitud o fase de la luz incidente transmisiva. Sin embargo, diseñar y fabricar SLM transmisivos de amplitud y fase perfectamente adaptados a los píxeles no es atractivo en términos de diseño, fabricación y costo. La estructura LC de doble capa de fase de amplitud es ineficiente, ya que las arquitecturas del SLM de LC de fase y el SLM de LC de amplitud no pueden ser iguales en términos de espacio de celda LC y configuración de polarización. La capa de polarización debe colocarse entre el panel LC de amplitud y el panel LC de fase, lo que genera una arquitectura gruesa y costosa.

Además, nuestra preocupación es sobre la fase de construcción SLM. Específicamente, la arquitectura en capas del panel de amplitud y el panel de fase no está disponible para los paneles LC de conmutación en el plano (IPS). La infraestructura de fabricación del IPS LCD ha sido bien desarrollada. El modo IPS LC se usa popularmente para la modulación de amplitud de la luz y el IPS LCD es un LCD predominante en el mercado mundial de pantallas comerciales para un gran ángulo de visión y una respuesta suficientemente rápida. Sin embargo, es bien sabido que el modo IPS LC tiene malas características de modulación de fase. Una teoría respalda que el rango dinámico de modulación de fase máxima del modo LC IPS único es menor que π (rad.). Esa condición de modulación de fase π máxima induce una degradación severa en las características de modulación de amplitud en el modo IPS LC. Por lo tanto, el popular modo IPS LC no se puede aplicar a la arquitectura de doble capa de fase de amplitud. Así, la opinión generalmente aceptada es que el modo IPS LC sólo es útil para modulación de amplitud y no para modulación de fase ni para modulación compleja.

En este documento, para superar esta limitación del modo IPS-LC para el SLM complejo, proponemos una nueva arquitectura SLM compleja de doble capa que presenta dos capas LC de conmutación en el plano (IPS) perfectamente idénticas. Presentamos una teoría del uso de dos paneles IPS idénticos para lograr una función de modulación de luz compleja perfecta y una demostración experimental de la modulación de luz compleja a nivel de píxel.

La Figura 1a ilustra el esquema del SLM convencional con un panel IPS LC. A medida que la luz incidente atraviesa el panel LC, la orientación del cristal líquido modula la amplitud y la fase del haz de luz de salida.

( a ) Esquemas del píxel único del IPS-LC SLM convencional de una sola capa (panel izquierdo) y su capa IPS-LC (panel derecho). (b) Las características de amplitud (panel izquierdo) y modulación de fase (panel derecho) del IPS-SLM de una sola capa.

Deje que los ángulos de polarización del polarizador y el analizador se denoten por θ1 y θ2, respectivamente, y que el ángulo de inclinación LC de cada panel IPS sea ϕ. El factor de retardo de fase de la única celda IPS LC viene dado por \(\Gamma = 2\pi \left( {n_{e} - n_{o} } \right)d/\lambda\), donde λ es el longitud de onda de la luz incidente, d es el espacio entre celdas de la capa LC, y ne y no son los índices de refracción de los ejes extraordinario y ordinario del cristal líquido utilizado en el panel IPS. La transmitancia de un solo píxel del IPS-LC SLM se puede modelar mediante una matriz de Jones simple que describe la multiplicación de matriz triple36,37,38,39,40,41,42,

donde P(θ) y L(ϕ, Γ) son las matrices de Jones del polarizador y la capa IPS-LC, respectivamente. La matriz de Jones para polarizador y analizador, P(θ), viene dada por

La matriz de Jones de una capa IPS LC con un ángulo de inclinación LC ϕ y el retardo de fase Γ se representa como

Las características de modulación de amplitud y fase del único IPS-LC SLM se calculan con el modelo de Eq. (1). La Figura 1b presenta las características de modulación de fase y amplitud calculadas del IPS-LC SLM convencional con θ1 = 110° y θ2 = 0°, en el que se obtiene el rango máximo de modulación de fase. El estudio paramétrico muestra que el rango de modulación de fase no supera los 180 grados, incluso en las mejores condiciones. Como se mencionó anteriormente, significa que el modo IPS-LC no es apropiado para la arquitectura SLM de doble capa de fase de amplitud.

La Figura 2a ilustra la estructura esquemática del IPS-LC SLM de doble capa propuesto. El dispositivo propuesto consta de dos capas IPS-LC colocadas secuencialmente entre un polarizador y un analizador. Cada capa de IPS-LC funciona como una placa de onda dinámica. En la práctica, dos paneles IPS-LC completamente idénticos se alinean finamente y se unen en paralelo. El grado de libertad necesario para la modulación de luz compleja es el ángulo de inclinación LC de cada panel IPS, ϕ1 y ϕ2.

( a ) Esquemas del píxel único del IPS-LC SLM de doble capa propuesto (panel superior) y su primera y segunda capas IPS-LC (panel inferior). (b) Rango de modulación de luz complejo simulado del IPS-LC SLM de doble capa. El círculo rojo indica la amplitud de 0,26.

El modelo de matriz de Jones de las capas IPS LC de doble capa describe la transmitancia de un solo píxel del IPS-LC SLM de doble capa mediante un modelo de multiplicación de cuatro matrices

Para una luz incidente polarizada linealmente en la dirección x, podemos establecer el ángulo del eje de polarización en θ1 = 0 sin pérdida de generalidad, lo que hace que P(θ1) = (1, 0). Después de alguna manipulación de la Ec. (4), el campo eléctrico después del analizador en la incidencia de luz polarizada en x se obtiene ya que tenemos la representación de la matriz de Jones total de la siguiente forma:

donde A1, A2 y A3 son

y Δϕ es

Tomamos el componente de polarización lineal U a lo largo del eje de polarización del analizador.

Aquí, nuestro principal hallazgo sobre U revela que, con Γ = 2π/3, las características de la luz transmitida están representadas por la forma de una modulación compleja de amplitud trifásica:

donde, por simplicidad, se omite la constante \(\exp \left( {j4\pi n_{o} d/\lambda } \right)\). Con esta fórmula trifásica, se logra una modulación particular de amplitud y fase al modular las variables reales, A1, A2 y A3. En general, el retardo de fase Γ puede ser un múltiplo de 2π/3. Un estudio paramétrico de θ1 y θ2 para encontrar la condición de modulación compleja óptima revela que el par de polarizador y analizador con θ1 = 0° y θ2 = 125° logra el rango dinámico de modulación compleja más amplio.

La figura 2b presenta el rango de modulación complejo completo asimétrico en el plano complejo. Incluye un círculo de color rojo que indica una amplitud máxima de 0,26, lo que significa que la modulación compleja completa dentro del 6,7 por ciento de eficiencia de modulación de la luz se obtiene en el IPS SLM de doble capa propuesto. La amplitud de modulación máxima se denota por ηmax tal que η ≤ ηmax. Dado un valor de modulación complejo, \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\), podemos encontrar los ángulos de inclinación de LC (ϕ1, ϕ2) resolviendo el sistema de ecuaciones no lineales de las partes real e imaginaria de la ecuación (11) bajo la restricción de η ≤ ηmax,

donde FR(ϕ1, ϕ2) y FI(ϕ1, ϕ2) están definidos por las discrepancias de las partes real e imaginaria,

Usamos la rutina fsolve de MATLAB para especificar los ángulos de inclinación de IPS-LC (ϕ1, ϕ2). Como caso específico, el negro completo se obtiene estableciendo \(F_{R} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = F_{I} \left( {\phi_{1 } ,\phi_{2} } \right) = 0\), que se representa como

Esto es equivalente a la condición de \(A_{1} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = A_{2} \left( {\phi_{1} ,\phi_{ 2} } \right) = A_{3} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right)\), lo que significa que, para el modo negro, A1, A2 y A3 no necesitan ser cero, pero pueden ser valores distintos de cero. Cabe señalar que el complejo mecanismo de modulación se prueba en un solo nivel de píxel del LC-IPS SLM de doble capa que permite una modulación de luz compleja en todo el espacio libre. Por lo tanto, hemos demostrado que la tecnología de paneles IPS industriales se puede utilizar con éxito para realizar el SLM complejo.

El retardo de fase Γ es un parámetro crítico para determinar la forma de todo el rango dinámico de modulación compleja y la máxima eficiencia de modulación. La variación en Γ puede ser inducida por varios parámetros físicos, como las desviaciones en la longitud de onda operativa, la desviación del espacio entre celdas y el ángulo de incidencia de la fuente de luz y otras geometrías del panel LC. En la información complementaria se lleva a cabo una simulación teórica adicional sobre la eficiencia de modulación compleja y las características del IPS SLM de doble capa. Para un direccionamiento rápido, los datos numéricos de (ϕ1, ϕ2) para el valor de modulación complejo muestreado discreto dado \(\eta_{m} \exp \left( {j\psi_{m} } \right)\) pueden prepararse en la tabla de búsqueda, y se usa una interpolación numérica para extraer con precisión (ϕ1, ϕ2) para un \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) basado en la tabla de búsqueda de modulación.

El panel IPS de doble capa real se fabrica para el experimento para probar la teoría de modulación compleja propuesta en la práctica. Se fabrican dos paneles IPS idénticos y luego se unen con una condición alineada con precisión. La Figura 3a muestra el dispositivo IPS de doble capa fabricado y su imagen fotográfica tomada con un microscopio óptico. La Tabla 1 muestra los parámetros básicos de la pantalla IPS desarrollada, y la Fig. 3b muestra la entrada de nivel de gris para ciertos ángulos de inclinación de LC en un rango de 0 (grados) a 35 (grados), para el panel IPS-LC utilizado en el experimento. . Para la demostración experimental, la entrada requerida para la modulación completa se encuentra en función del resultado de la simulación. Para lograr Γ = 4π/3 en lugar de 2π/3, establecemos el espacio de celda del panel LC d en 2,8 μm. El retardo Γ = 4π/3 es un múltiplo de 2π/3, y por lo tanto mantiene la fórmula trifásica y al mismo tiempo acerca el gap de celda al valor industrialmente aceptable. Los pares de ángulos de inclinación de LC requeridos para la modulación de fase de 360 grados y las entradas de voltaje de funcionamiento correspondientes se calculan resolviendo las Ecs. (13)-(14). La Figura 3c muestra ϕ1 y ϕ2 produciendo una modulación de fase de 360 grados con una amplitud constante. Por el contrario, podemos obtener la modulación de amplitud con una fase constante. A partir de estos datos, se encuentran los pares requeridos de entradas de nivel de gris para la modulación compleja completa en la Fig. 2b. Las entradas en escala de grises presentadas en la Fig. 3d se obtienen para una modulación de fase completa de 360 grados.

(a) Panel IPS de doble capa fabricado (recuadro) y su imagen de microscopio óptico. (b) Relación entre el nivel de gris de entrada y el ángulo de inclinación de IPS-LC. (c) Ángulos de inclinación de IPS-1 e IPS-2 en el panel IPS de doble capa necesarios para la modulación de fase de 360 grados y (d) entradas de escala de grises necesarias para IPS-1 e IPS-2 para la modulación de fase de 360 grados.

Los pares de entrada de escala de grises analizados en el modelo de matriz de Jones se utilizan en el experimento para validar el modelo de matriz de Jones ideado. Usamos un interferómetro Mach-Zehnder para medir las características de modulación del IPS SLM43 de doble capa diseñado. La configuración experimental se muestra en la Fig. 4a. La luz colimada de un láser de estado sólido (532 nm Lighthouse Sprout-G) se divide en brazos de señal y de referencia: el IPS SLM de doble capa se coloca en el brazo de señal del interferómetro y un par de polarizadores se colocan en el brazo de referencia para controlar con precisión la potencia de transmisión del brazo de referencia. Los dos brazos de luz de potencia óptimamente sintonizada se encuentran en el CCD generando un patrón de interferencia que nos permite observar el retraso de fase del brazo de señal. La Figura 4b muestra las imágenes en escala de grises de 2560 × 1600 de doble entrada para IPS1 e IPS2, que se componen de las partes superior e inferior. El patrón de interferencia medido tiene dos patrones distintivos en sus secciones superior e inferior. El patrón de interferencia inferior es la referencia fija y el superior se desplaza lateralmente según el retraso de fase del haz de la señal. La parte de señal ingresa en el nivel de gris de 0 a 255, y la parte de referencia ingresa negro (nivel de gris de 0), para medir el retraso de fase de la parte de señal.

( a ) Esquema (panel superior) y configuración real (panel inferior) del interferómetro Mach-Zehnder para la caracterización de modulación del panel IPS de doble capa. (b) Imagen de entrada en escala de grises de dos secciones y los patrones de interferencia observados, y el proceso de aproximación sinusoidal para el patrón de interferencia medido. (c) Características completas de modulación de fase de 360 grados del panel IPS de doble capa.

Al interpretar el desplazamiento lateral relativo, podemos determinar con precisión el retraso de fase del brazo de la señal. El procesamiento de la señal de la extracción del retardo de fase se ilustra como un proceso de tres pasos: medición del patrón de interferencia, eliminación de ruido y ajuste sinusoidal para especificar el desplazamiento lateral del patrón de interferencia. Finalmente, el retraso de fase se mide comparando la fase de cada parte con el patrón de referencia fijo. Las modulaciones independientes de la amplitud y la fase del haz de la señal se llevan a cabo utilizando los pares de valores de entrada en escala de grises encontrados por las simulaciones numéricas. En primer lugar, el resultado verifica que los 360 grados completos independientes de la amplitud. la modulación de fase es posible con el dispositivo diseñado. Esto se muestra en el gráfico de coordenadas polares en la Fig. 4c, que muestra algunos valores de modulación de fase muestreados para compararlos con el análisis de simulación. La modulación de amplitud está casi fija en un valor constante para una modulación de fase completa de 360 (grados).

La Tabla 2 muestra una comparación de algunos valores de modulación de fase muestreados obtenidos de la simulación y la modulación de fase experimental. El intervalo de modulación real difiere del de la simulación, y es probable que haya una diferencia imperceptible en los parámetros entre el parámetro de simulación y los de los dispositivos fabricados reales. Sin embargo, cada entrada muestra un retardo de fase distinto cuando alcanza la modulación de fase completa y se podría suponer que este error se origina principalmente por la fluctuación del sistema experimental y la inexactitud del proceso de eliminación de ruido.

A continuación, se prueba la modulación de amplitud independiente de la fase cambiando el valor de amplitud deseado, mientras se mantiene la fase. Para minimizar el factor de ruido inesperado y observar resultados más precisos, la variación de amplitud debe limitarse a un rango máximo. Aunque el radio máximo del círculo de modulación se establece de antemano en 0,26, la modulación de amplitud máxima en una fase particular podría exceder eso. Por lo tanto, la fase se fijó en 150 (grados), como se muestra en la imagen insertada de la Fig. 5, para que el valor de amplitud pudiera cambiar de 0 a 0,5. Para cambiar la intensidad linealmente, el valor de amplitud deseado debe aumentarse cuadráticamente. En los resultados experimentales, como se muestra en el gráfico de la Fig. 5, el valor de fase (panel derecho) permanece casi constante a medida que la intensidad (panel izquierdo) aumenta linealmente.

La intensidad de salida observada (panel izquierdo) y la variación de fase (panel derecho) del IPS-LC SLM de doble capa en la medición de la modulación de amplitud. La imagen insertada muestra la ruta de modulación en línea recta de este experimento que presenta la capacidad de modulación solo de amplitud.

A medida que se prueba experimentalmente la modulación de luz compleja completa a través del panel IPS de doble capa, se diseña y muestra un holograma generado por computadora (CGH) complejo genuino para validar aún más la capacidad de modulación de luz espacial compleja del panel IPS de doble capa. Se establecen dos tipos de experimentos CGH. El primero es una comparación experimental de la síntesis del patrón de difracción de un CGH complejo, un CGH solo de amplitud y un CGH44 solo de fase. Debido a que la eliminación de los ruidos en el patrón de difracción demuestra la capacidad de la compleja modulación espacial de la luz, diseñamos un patrón de difracción simple e investigamos si el panel IPS de doble capa genera ruidos no deseados o no. La configuración experimental se muestra en la Fig. 6a. La onda plana atraviesa el polarizador, el SLM, el analizador y una lente de Fourier, secuencialmente, y genera un patrón de difracción simple en el plano CCD. Para observar claramente el término de ruido en el patrón de difracción, agregamos un filtro de rechazo de ruido de CC entre el primer plano de Fourier y el plano CCD. La segunda configuración que se muestra en la Fig. 6b es para una síntesis de imagen CGH tridimensional de un objeto de múltiples profundidades, lo que permite examinar el efecto de acomodación.

(a) Configuración de prueba de transformada óptica de Fourier y (b) Configuración de prueba de formación de imagen holográfica 3D. Se muestran esquemas (panel superior) e implementación (panel inferior) de los sistemas experimentales.

La modulación compleja completa se ha considerado una característica de la última pantalla 3D holográfica14,45. La configuración popular es la pantalla 3D holográfica basada en un SLM de amplitud de banda lateral única o SLM de solo fase. Como se mencionó anteriormente, el ruido inherente del gemelo óptico ha obstaculizado fundamentalmente el avance de la tecnología de visualización holográfica. Aquí, se demuestra la generación de campos de imágenes holográficas complejas con el panel IPS de doble capa propuesto. En la Fig. 6b, el CCD percibe la escena óptica del SLM sin ningún filtro óptico intermedio para una demostración de una verdadera demostración de pantalla holográfica compleja. Para la observación del patrón de difracción y comparación con otros métodos de modulación se diseña un CGH con el texto 'KU'. Toda la información de luz compleja para el CGH de campo lejano diseñado se calcula numéricamente utilizando el método de espectro angular. Luego, el CGH se procesa en tres métodos de modulación: la modulación de amplitud, la modulación de fase y la modulación compleja. La amplitud máxima del CGH se normaliza a 0,2 en todos los métodos para encajar en el rango de modulación dual IPS. En el método de modulación de amplitud, solo se toma la información de amplitud del CGH calculado y contribuye al patrón de entrada. Esta imagen de entrada se coloca en un solo panel IPS, que tiene exactamente los mismos parámetros que el IPS de doble capa y con condición de polo cruzado. La Figura 7a, d muestra la distribución de campo lejano simulada y observada, respectivamente, con modulación de amplitud. En el caso del método de modulación de fase, solo se toma la información de fase para cada píxel. Dado que un solo panel IPS no puede lograr una modulación de fase de 360 grados, la fase CGH se coloca en el panel IPS dual. Se obtienen los ángulos de inclinación del IPS dual para el valor de fase correspondiente y contribuyen al patrón de entrada. Aquí, el IPS dual actúa como modo de solo fase, manteniendo la amplitud sin cambios. La Figura 7b, e muestra la distribución de campo lejano simulada y observada, respectivamente, con modulación de fase. En el sistema de modulación compleja con IPS de doble capa, por otro lado, los ángulos de inclinación de IPS de doble capa para la información compleja correspondiente se calculan para obtener un par de imágenes en escala de grises. Este par de imágenes en escala de grises se usa luego como entrada para el panel IPS de doble capa y la imagen CGH se observa en el sistema. La Figura 7c, f son los patrones de difracción simulados y observados con la modulación compleja, respectivamente.

Simulación numérica (a–c) y experimento (d–f) para la transformada óptica de Fourier de CGH: (a, d) el CGH solo de amplitud (b, e) el CGH solo de fase, y (c, f) el CGH complejo. Se usó un filtro de rechazo de ruido de CC para observar claramente la reducción de ruido conjugado.

En la observación de todos los métodos, se suprime el ruido de CC para mostrar la diferencia de manera más distintiva. Como resultado, la imagen observada muestra que se observa poco ruido conjugado en el complejo CGH. Se muestra una imagen gemela tenue en la región inferior del campo de visión, lo que probablemente se deba a un ligero error de modulación, porque el valor de entrada no es continuo sino un nivel de gris discreto. Sin embargo, el error puede despreciarse en comparación con la amplitud CGH, que muestra un ruido conjugado distinto, y puede considerarse que la capacidad de modulación se ha alcanzado a un nivel suficiente. En el caso de la fase CGH, es bien sabido que es prácticamente difícil lograr una condición de negro completo y se observa un ruido de fondo distinto. Este resultado muestra que el sistema IPS de doble capa propuesto es un método genuinamente válido para el complejo CGH.

A continuación, diseñamos un CGH que representa un objeto de capa de cuatro profundidades y observamos el efecto de acomodación. Las imágenes de cuatro capas se ubican a una distancia de 0 cm, 12 cm, 20 cm y 30 cm, respectivamente, de la lente de campo, como se muestra en la Fig. 8a. El CGH se calcula a través de la Transformada de Fresnel en cascada, que se calcula en función de la configuración mencionada en la Fig. 6b25,45. La distribución de amplitud y fase resultante del CGH calculado se presenta en la Fig. 8b, y se genera el CGH complejo de IPS dual para lograr la distribución compleja. La breve explicación para generar CGH complejo IPS dual se encuentra en Información complementaria.

( a ) Imágenes de profundidad objetivo y la distancia focal respectiva del CGH de 4 niveles. ( b ) Las distribuciones de amplitud (panel izquierdo) y fase (panel derecho) del CGH calculado.

La figura 9 muestra el efecto de acomodación de la imagen CGH diseñada. En los resultados observados (paneles de la derecha), la imagen con la profundidad correspondiente se vuelve distinta mientras que la otra imagen se desenfoca y se vuelve borrosa, como se esperaba en las simulaciones numéricas (paneles de la izquierda). No se observa ruido conjugado a ninguna profundidad y no se empleó ningún sistema de filtrado adicional para el rechazo de ruido de CC.

La imagen holográfica simulada (panel izquierdo) y observada (panel derecho) del CGH complejo diseñado en los focos de 0 cm (a, b), 12 cm (c, d), 20 cm (e, f) y 30 cm (g, h). Un video adicional presenta el funcionamiento dinámico del dispositivo (Visualización 1).

En este experimento, el componente incontrolable no difractante DC parece estar esparcido por el fondo. Se observa que la CC en el primer experimento está enfocada en un punto, mientras que en el segundo experimento, la CC se esparce sobre el fondo deteriorando la relación de contraste. Con este resultado, se confirma la disponibilidad de CGH complejos utilizando el sistema IPS de doble capa propuesto. La mayor reducción de CC y las mejoras en la eficiencia de la transmisión requieren más investigación y desarrollo en el nivel de diseño arquitectónico del panel IPS de doble capa. Como se muestra en los resultados, los CGH complejos genuinos podrían diseñarse y observarse con el modo IPS LC de doble capa y la teoría de modulación compleja trifásica. El ruido de fondo también se originó supuestamente por la diafonía que se produjo entre dos paneles IPS. En condiciones ideales, toda la salida de la apertura de la primera capa IPS ingresa a la apertura correspondiente de la segunda capa IPS; sin embargo, la difracción ocurre desde la apertura y una parte de la salida se convierte en ruido de diafonía en lugar de ingresar a la apertura correspondiente. . El panel IPS de doble capa utilizado en el experimento tiene un espacio de 1000 µm entre dos capas activas y, por lo tanto, se produce difracción para causar no solo el efecto de diafonía sino también la pérdida de eficiencia de la luz. El uso de una capa de vidrio más delgada para reducir el espacio entre las capas activas podría proporcionar un mejor rendimiento. También se podría considerar la inserción de una capa de matriz de microlentes entre dos paneles o la sustitución de la capa de vidrio por una capa de fibra óptica para disminuir el ruido de fondo y aumentar la eficiencia de la luz.

El problema de la baja eficiencia de la luz también podría mejorarse tanto experimental como teóricamente en la forma de mejorar los parámetros de la pantalla LC. La pantalla IPS-LC utilizada en el experimento muestra una transmisión de luz del 7,36 por ciento, lo que significa que el IPS de doble capa mostraría una transmisión de luz del 0,54 por ciento. Sin embargo, si se utiliza una pantalla de mayor transmitancia, la mejora en la eficiencia de la luz sería proporcional al cuadrado de la mejora en la transmitancia del panel individual. Aquí, la tecnología de fotoalineamiento punto por punto46 también podría ser clave para mejorar la eficiencia. Además, la eficiencia de la luz también podría mejorarse aumentando el rango de modulación. El ángulo de inclinación máximo de LC del dispositivo podría cambiar drásticamente el rango de modulación, que actualmente está restringido a 33,28 (grados) y la condición de modulación óptima podría recalcularse a medida que se aumenta el ángulo de inclinación máximo. Los resultados simulados de las condiciones de modulación con un ángulo de inclinación máximo aumentado se muestran en Información complementaria. El valor de Γ cambia a medida que cambia la longitud de onda λ de la luz incidente. El estudio actual se ha llevado a cabo bajo la condición de luz de 532 nm, pero es probable que haya mejores condiciones de modulación si la condición óptima se encuentra en el otro rango de longitud de onda. Además, si se logra un cierto rango de modulación común en longitudes de onda rojas, verdes y azules con un solo parámetro de dispositivo, la modulación compleja RGB a todo color sería posible en este rango. La aplicación de la técnica de difracción de luz con polímero de cristal líquido de doble torsión47 también sería considerable para lograr una modulación de luz a todo color.

La compleja modulación espacial de la luz se está convirtiendo en una tecnología fundamental para un vasto campo industrial. Especialmente, el complejo SLM del tipo de transmisión puede ser ventajoso para ciertas aplicaciones de visualización, como la tecnología AR holográfica en términos de factor de forma pequeño. Además, la modulación compleja que cubre todo el campo es una tecnología crucial no solo para la visualización, sino también para otras aplicaciones en sistemas ópticos de ondas, lo cual es difícil de lograr con el método convencional. En este documento, la capacidad de modulación de luz espacial compleja de un solo píxel del modo IPS-LC de doble capa se ha demostrado tanto teórica como experimentalmente. La modulación de luz compleja completa se logra con el sistema extremadamente compacto que simplemente consta de dispositivos IPS de doble capa, un polarizador y un analizador. El prototipo del panel IPS LC de doble capa se fabricó mediante cooperación industrial. El panel no solo se demuestra a través de la simulación, sino también experimentalmente utilizando un dispositivo fabricado, que ha demostrado ser directamente aplicable a la tecnología de visualización holográfica tridimensional. Además, dado que el rango de modulación que se muestra en este documento no es el límite fundamental de este sistema, se espera que un simple cambio en la especificación del panel LC pueda mejorar las complejas características de modulación de la luz, como se muestra en la Información complementaria. Junto con una mayor optimización de la arquitectura del panel LC y mediante una estandarización del método preciso de medición e inspección de las complejas características de la modulación espacial de la luz, mejoraremos la eficiencia de la modulación compleja. El objetivo de nuestro próximo estudio será lograr el complejo CGH RGB a todo color a través del modo IPS LC de doble capa propuesto en una arquitectura aún más reducida.

Todos los datos que respaldan los hallazgos están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por LG Display Co. y Samsung Research Funding & Incubation Center de Samsung Electronics (SRFC-TB1903-05).

Laboratorio de visualización y nanosistemas, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Corea, 145, Anam-ro, Seongbuk-gu, Seúl, 02841, República de Corea

Seong-Woo Jang, Sangwon Ham y Byeong-Kwon Ju

Departamento de Ingeniería Electrónica e Informática, Universidad de Corea, Sejong Campus, Sejong, 30019, República de Corea

Wonwoo Choi, Soobin Kim, Jonghyun Lee, Sehwan Na y Hwi Kim

LG Display, E2 Block LG Science Park, 30, Magokjungang 10th Street, Gangseo-gu, República de Corea

Parque Juseong y Hoon Kang

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HK, SJ y BJ contribuyeron a la concepción y diseño de la investigación; WC, SK, JL, SN y SH construyeron la configuración experimental y prepararon el diseño CGH; JP y HK apoyaron la preparación de muestras de dispositivos IPS duales. SJ y WC, contribuyeron a la adquisición y análisis de los datos; SJ y HK, redactaron el manuscrito; todos los autores revisaron críticamente el manuscrito, aceptan ser totalmente responsables de garantizar la integridad y precisión del trabajo, y leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Byeong-Kwon Ju o Hwi Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jang, SW., Choi, W., Kim, S. et al. Capacidad de modulación de luz espacial compleja de un panel de cristal líquido de conmutación en el plano de doble capa. Informe científico 12, 8277 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12292-4

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Recibido: 30 enero 2022

Aceptado: 09 mayo 2022

Publicado: 18 mayo 2022

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

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