Capacité complexe de modulation spatiale de la lumière d'une double couche dans

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8277 (2022) Citer cet article

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Le modulateur de lumière spatial complexe (SLM), qui peut contrôler simultanément l'amplitude et la phase des ondes lumineuses, est une technologie clé pour une large gamme de technologies ondulatoires, y compris les affichages tridimensionnels holographiques. Cet article présente un modulateur de lumière spatial complexe à écran plat qui se compose de deux panneaux à cristaux liquides à commutation dans le plan avec des entrées de tension à double degré de liberté. L'architecture proposée présente une modulation de lumière complexe au niveau d'un seul pixel permettant une modulation de lumière complexe dans tout l'espace libre, ce qui contraste le plus avec les techniques de modulation complexe à base de macro-pixel conventionnelles. Sa capacité complexe de modulation de la lumière est vérifiée avec une simulation théorique et une caractérisation expérimentale, et une reconstruction d'image holographique tridimensionnelle sans bruit conjugué. On pense que le SLM complexe à écran plat proposé peut être un dispositif essentiel pour une large gamme de technologies avancées d'optique ondulatoire.

La synthèse de champ d'ondes est une technologie fondamentale. Le modulateur spatial de lumière (SLM), un dispositif essentiel qui module directement le front d'onde de l'onde lumineuse, fournit un moyen de synthèse et de modification du champ d'onde au niveau de la conception. La technologie d'holographie numérique telle que l'imagerie holographique et l'affichage holographique est le domaine représentatif qui bénéficie de la technologie SLM1,2,3,4,5,6. De plus, les SLM ont été largement utilisés pour ondes des technologies optiques telles que la direction de faisceau7, les communications optiques8,9, la microscopie avancée et l'imagerie biomédicale10,11.

Les performances de modulation des SLM constituent une limite fondamentale aux performances globales des technologies basées sur l'optique ondulatoire. Atteindre la contrôlabilité de la distribution de champ optique d'onde avec une efficacité élevée et un faible bruit est hautement souhaitable en commun pour le SLM de type transmission et le SLM de type réflexion12, 13, 14, 15, 16, 17. Le développement de la technologie SLM a été soulevé dans diverses directions telles que le panneau à cristaux liquides de type transmission1,2,11,18,19, les cristaux liquides de type réflexion sur silicium (LCoS)5,8,20, le dispositif de micro-miroir numérique de type réflexion (DMD)4,10 et la métaphotonique active récemment émergente SLM21,22,23. Bien qu'un certain nombre d'approches SLM avec modulation d'amplitude ou de phase uniquement aient été introduites, la plupart souffrent de plusieurs types de problèmes de bruit, tels que les bruits continus et conjugués12,24,25. Un certain nombre de recherches ont tenté de surmonter ces problèmes. Certaines approches ont mis en œuvre des systèmes supplémentaires pour filtrer les bruits26,27, mais la plupart ont rendu le système moins efficace ou encombrant. D'autres approches bien connues encodent un algorithme de conception d'hologramme généré par ordinateur (CGH) supplémentaire dans un SLM à phase seule25,28,29, mais elles ont rendu le système chronophage ou n'offrent la modulation qu'à un champ restreint. Il a été convenu que la solution fondamentale pour surmonter ce problème est une véritable modulation complexe de la lumière, ce qui signifie un contrôle simultané de l'amplitude et de la phase dans un seul niveau de pixel.

En particulier, le SLM complexe, qui module l'amplitude et la phase de la lumière incidente, est hautement applicable à de nombreux domaines d'ingénierie avec des applications d'affichage. Le SLM complexe est crucial pour les affichages holographiques numériques en trois dimensions (3D)30. Récemment, la vision holographique avancée basée sur la réalité augmentée pour le métaverse ou la réalité mixte, et les technologies informatiques optiques émergentes telles que tous les réseaux de neurones optiques sont devenues les domaines d'application prometteurs de la technologie SLM complexe21,31,32,33,34.

Cependant, une solution pratique au SLM complexe a été un problème difficile pendant plusieurs décennies. Il convient de considérer le défi de créer des SLM LC à panneau unique avec des caractéristiques de modulation complexes, car au moins deux degrés de liberté de contrôle indépendants, tels que deux électrodes de tension contrôlables indépendamment, sont nécessaires pour moduler séparément l'amplitude et la phase de la lumière. L'intégration de deux électrodes de tension indépendantes dans une seule structure de panneau LC n'est pas autorisée par l'infrastructure de fabrication LCD actuelle.

Une approche pour obtenir une modulation de lumière complexe consiste à utiliser des structures de macro-pixels à plan unique, qui utilisent plusieurs pixels dans le plan pour composer une certaine valeur d'amplitude-phase14,16. L'idée est que deux pixels ou plus avec des valeurs de phase différentes sont interférés de manière cohérente pour obtenir une modulation complexe qu'un seul pixel est incapable d'obtenir. Cependant, cette méthode permet une modulation complexe dans seulement certaines régions d'intérêt mais incapable de réaliser la modulation complexe pour le champ entier, qui comprend à la fois le champ proche et le champ lointain. De plus, les modulateurs spatiaux de lumière à ultra-haute résolution sont nécessaires pour obtenir une structure macro-pixel, car il faut plusieurs pixels pour une seule unité amplitude-phase. Pour ces raisons, les applications pour les structures de macropixels à plan unique sont limitées.

La deuxième approche pour obtenir un SLM complexe de type transmissif utilise l'architecture du cristal liquide à double couche (LC) à phase d'amplitude SLM2,35. Le SLM de phase est attaché au SLM d'amplitude de manière à gérer séquentiellement l'amplitude ou la phase de la lumière incidente transmissive. Cependant, la conception et la fabrication de SLM à transmission d'amplitude et de phase parfaitement adaptés aux pixels ne sont pas attrayantes en termes de conception, de fabrication et de coût. La structure LC à double couche d'amplitude et de phase est inefficace, car les architectures du SLM de phase-LC et du SLM d'amplitude-LC ne peuvent pas être les mêmes en termes d'espacement de cellule LC et de configuration de polarisation. La couche de polarisation doit être placée entre le panneau amplitude-LC et le panneau phase-LC, ce qui conduit à une architecture épaisse et coûteuse.

De plus, notre préoccupation porte sur la phase de construction SLM. Plus précisément, l'architecture en couches du panneau d'amplitude et du panneau de phase n'est pas disponible pour les panneaux LC à commutation dans le plan (IPS). L'infrastructure de fabrication de l'écran LCD IPS a été bien développée. Le mode IPS LC est couramment utilisé pour la modulation d'amplitude de la lumière et l'écran LCD IPS est un écran LCD prédominant sur le marché mondial des écrans commerciaux pour un grand angle de vision et une réponse suffisamment rapide. Cependant, il est bien connu que le mode IPS LC a de mauvaises caractéristiques de modulation de phase. Une théorie soutient que la plage dynamique de modulation de phase maximale du mode LC IPS unique est inférieure à π (rad.). Cette condition de modulation de phase π maximale induit une forte dégradation des caractéristiques de modulation d'amplitude en mode IPS LC. Par conséquent, le mode IPS LC populaire ne peut pas être appliqué à l'architecture double couche amplitude-phase. Ainsi, l'opinion généralement admise est que le mode IPS LC n'est utile que pour la modulation d'amplitude et ni pour la modulation de phase ni pour la modulation complexe.

Dans cet article, pour surmonter cette limitation du mode IPS-LC pour le SLM complexe, nous proposons une nouvelle architecture SLM complexe à double couche comportant deux couches LC de commutation dans le plan (IPS) parfaitement identiques. Nous présentons une théorie d'utilisation de deux panneaux IPS identiques pour obtenir une fonction de modulation de lumière complexe parfaite et une démonstration expérimentale de la modulation de lumière complexe au niveau des pixels.

La figure 1a illustre le schéma du SLM conventionnel avec un panneau IPS LC. Lorsque la lumière incidente traverse le panneau LC, l'orientation du cristal liquide module l'amplitude et la phase du faisceau lumineux de sortie.

( a ) Schémas du pixel unique du SLM IPS-LC monocouche conventionnel (panneau de gauche) et de sa couche IPS-LC (panneau de droite). ( b ) Les caractéristiques d'amplitude (panneau de gauche) et de modulation de phase (panneau de droite) de l'IPS-SLM monocouche.

Soit les angles de polarisation du polariseur et de l'analyseur désignés par θ1 et θ2, respectivement, et l'angle d'inclinaison LC de chaque panneau IPS soit ϕ. Le facteur de retard de phase de la cellule LC IPS unique est alors donné par \(\Gamma = 2\pi \left({n_{e} - n_{o} } \right)d/\lambda\), où λ est la longueur d'onde de la lumière incidente, d est l'espace entre les cellules de la couche LC, et ne et no sont les indices de réfraction des axes extraordinaire et ordinaire du cristal liquide utilisé dans le panneau IPS. La transmittance d'un seul pixel de l'IPS-LC SLM peut être modélisée par une simple matrice de Jones décrivant la triple multiplication matricielle36,37,38,39,40,41,42,

où P(θ) et L(ϕ, Γ) sont les matrices de Jones du polariseur et de la couche IPS-LC, respectivement. La matrice de Jones pour le polariseur et l'analyseur, P(θ), est donnée par

La matrice de Jones d'une couche IPS LC avec un angle d'inclinaison LC ϕ et le retard de phase Γ est représentée par

Les caractéristiques de modulation d'amplitude et de phase du SLM IPS-LC unique sont calculées avec le modèle de l'Eq. (1). La figure 1b présente les caractéristiques de modulation d'amplitude et de phase calculées du SLM IPS-LC conventionnel avec θ1 = 110° et θ2 = 0°, dans lequel la plage maximale de modulation de phase est obtenue. L'étude paramétrique montre que la plage de modulation de phase ne dépasse pas 180 degrés même dans les meilleures conditions. Comme mentionné ci-dessus, cela signifie que le mode IPS-LC n'est pas approprié pour l'architecture SLM double couche à phase d'amplitude.

La figure 2a illustre la structure schématique du SLM IPS-LC à double couche proposé. Le dispositif proposé est constitué de deux couches IPS-LC placées séquentiellement entre un polariseur et un analyseur. Chaque couche IPS-LC fonctionne comme une plaque d'onde dynamique. En pratique, deux panneaux IPS-LC complètement identiques sont finement alignés et fixés en parallèle. Le degré de liberté nécessaire pour une modulation complexe de la lumière est l'angle d'inclinaison LC de chaque panneau IPS, ϕ1 et ϕ2.

(a) Schémas du pixel unique du SLM IPS-LC à double couche proposé (panneau supérieur) et de ses première et deuxième couches IPS-LC (panneau inférieur). (b) Plage de modulation de lumière complexe simulée du SLM IPS-LC double couche. Le cercle rouge indique l'amplitude de 0,26.

La modélisation matricielle de Jones des couches IPS LC à double couche décrit la transmittance du pixel unique du SLM IPS-LC à double couche par un modèle de multiplication à quatre matrices

Pour une lumière incidente polarisée dans la direction x linéaire, nous pouvons régler l'angle de l'axe de polarisation sur θ1 = 0 sans perte de généralité, ce qui fait que P(θ1) = (1, 0). Après quelques manipulations de l'Eq. (4), le champ électrique après l'analyseur à l'incidence de la lumière polarisée x est obtenu car nous avons la représentation totale de la matrice de Jones sous la forme suivante :

où A1, A2 et A3 sont

et Δϕ est

On prend la composante de polarisation linéaire U le long de l'axe de polarisation de l'analyseur.

Ici, notre découverte principale sur U révèle que, avec Γ = 2π/3, les caractéristiques de la lumière transmise sont représentées par la forme d'une modulation complexe triphasée-amplitude :

où, pour simplifier, la constante \(\exp \left( {j4\pi n_{o} d/\lambda } \right)\) est omise. Avec cette formule triphasée, une modulation d'amplitude et de phase particulière est obtenue en modulant les variables réelles A1, A2 et A3. En général, le retard de phase Γ peut être un multiple de 2π/3. Une étude paramétrique pour θ1 et θ2 pour trouver la condition de modulation complexe optimale révèle que la paire du polariseur et de l'analyseur avec θ1 = 0° et θ2 = 125° atteint la plage dynamique de modulation complexe la plus large.

La figure 2b présente la plage de modulation complexe complète asymétrique dans le plan complexe. Il comprend un cercle de couleur rouge indiquant une amplitude maximale de 0,26, ce qui signifie que la modulation complexe complète avec une efficacité de modulation de la lumière de 6,7 % est obtenue dans le SLM IPS double couche proposé. L'amplitude maximale de modulation est notée ηmax tel que η ≤ ηmax. Étant donné une valeur de modulation complexe, \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\), nous pouvons trouver les angles d'inclinaison LC (ϕ1, ϕ2) en résolvant le système d'équations non linéaires des parties réelles et imaginaires de Eq. (11) sous la contrainte η ≤ ηmax,

où FR(ϕ1, ϕ2) et FI(ϕ1, ϕ2) sont définis par les écarts des parties réelle et imaginaire,

Nous avons utilisé la routine fsolve de MATLAB pour spécifier les angles d'inclinaison IPS-LC (ϕ1, ϕ2). Comme cas particulier, le noir complet est obtenu en posant \(F_{R} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = F_{I} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = 0\), qui est représenté par

Cela équivaut à la condition \(A_{1} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = A_{2} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = A_{3} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right)\), ce qui signifie que, pour le mode noir, A1, A2 et A3 n'ont pas besoin d'être zéro, mais peuvent être des valeurs non nulles. Il convient de noter que le mécanisme de modulation complexe est prouvé dans un seul niveau de pixel du SLM LC-IPS double couche permettant une modulation complexe de la lumière dans tout l'espace libre. Par conséquent, nous avons prouvé que la technologie industrielle des panneaux IPS peut être utilisée avec succès pour réaliser le SLM complexe.

Le retard de phase Γ est un paramètre critique pour déterminer la forme de toute la gamme dynamique de modulation complexe et l'efficacité de modulation maximale. La variation de Γ peut être induite par plusieurs paramètres physiques tels que les déviations de la longueur d'onde de fonctionnement, la déviation de l'espacement des cellules et l'angle d'incidence de la source lumineuse et d'autres géométries de panneau LC. Une simulation théorique supplémentaire sur l'efficacité de modulation complexe et les caractéristiques de l'IPS SLM à double couche est effectuée dans les informations supplémentaires. Pour un adressage rapide, les données numériques de (ϕ1, ϕ2) pour la valeur de modulation complexe échantillonnée discrète donnée \(\eta_{m} \exp \left( {j\psi_{m} } \right)\) peuvent être préparées dans la table de consultation, et une interpolation numérique est utilisée pour extraire avec précision (ϕ1, ϕ2) pour une \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) basée sur la table de consultation de modulation.

Le panneau IPS double couche réel est fabriqué pour l'expérience afin de prouver la théorie de modulation complexe proposée dans la pratique. Deux panneaux IPS identiques sont fabriqués, puis attachés avec un alignement précis. La figure 3a montre le dispositif IPS double couche fabriqué et son image photo prise au microscope optique. Le tableau 1 montre les paramètres de base de l'écran IPS développé, et la figure 3b montre l'entrée de niveau de gris pour certains angles d'inclinaison LC allant de 0 (deg.) à 35 (deg.), Pour le panneau IPS-LC utilisé dans l'expérience. Pour la démonstration expérimentale, l'entrée requise pour la modulation complète est trouvée sur la base du résultat de la simulation. Pour obtenir Γ = 4π/3 au lieu de 2π/3, nous avons défini l'écart de cellule du panneau LC d à 2,8 μm. Le retard Γ = 4π/3 est un multiple de 2π/3, et donc il maintient la formule triphasée et fixe simultanément l'espacement de cellule proche de la valeur industriellement acceptable. Les paires d'angle d'inclinaison LC requises pour la modulation de phase à 360 degrés et les entrées de tension de fonctionnement correspondantes sont calculées en résolvant les équations. (13)-(14). La figure 3c montre ϕ1 et ϕ2 produisant une modulation de phase à 360 degrés avec une amplitude constante. A l'inverse, on peut obtenir la modulation d'amplitude avec une phase constante. À partir de ces données, les paires requises d'entrées de niveau de gris pour une modulation complexe complète sur la figure 2b sont trouvées. Les entrées en niveaux de gris présentées sur la figure 3d sont obtenues pour une modulation en phase complète à 360 degrés.

(a) Panneau IPS double couche fabriqué (en médaillon) et son image au microscope optique. (b) Relation entre le niveau de gris d'entrée et l'angle d'inclinaison IPS-LC. (c) Angles d'inclinaison de IPS-1 et IPS-2 dans le panneau IPS double couche requis pour la modulation de phase à 360 degrés et (d) entrées en niveaux de gris requises pour IPS-1 et IPS-2 pour la modulation de phase à 360 degrés.

Les paires d'entrées d'échelle de gris analysées dans le modèle de matrice de Jones sont utilisées dans l'expérience pour valider le modèle de matrice de Jones conçu. Nous utilisons un interféromètre Mach – Zehnder pour mesurer les caractéristiques de modulation de l'IPS SLM43 à double couche conçu. La configuration expérimentale est illustrée à la Fig. 4a. La lumière collimatée d'un laser à semi-conducteurs (532 nm Lighthouse Sprout-G) est divisée en bras de signal et de référence : l'IPS SLM double couche est placé sur le bras de signal de l'interféromètre, et une paire de polariseurs est placée sur le bras de référence pour contrôler finement la puissance de transmission du bras de référence. Les deux bras de lumière de puissance réglée de manière optimale se rencontrent au niveau du CCD, élevant un motif d'interférence qui nous permet d'observer le retard de phase du bras de signal. La figure 4b montre les images en niveaux de gris à double entrée 2560 × 1600 pour IPS1 et IPS2, qui sont composées des parties supérieure et inférieure. Le motif d'interférence mesuré a deux motifs distincts dans ses sections supérieure et inférieure. Le motif d'interférence inférieur est la référence fixe et le supérieur se décale latéralement en fonction du retard de phase du faisceau de signal. La partie de signal entre au niveau de gris de 0 à 255, et la partie de référence entre en noir (niveau de gris de 0), pour mesurer le retard de phase de la partie de signal.

( a ) Schéma (panneau supérieur) et configuration réelle (panneau inférieur) de l'interféromètre Mach – Zehnder pour la caractérisation de la modulation du panneau IPS double couche. ( b ) Image d'entrée en niveaux de gris à deux sections et les modèles d'interférence observés, et le processus d'approximation sinusoïdale pour le modèle d'interférence mesuré. (c) Caractéristiques de modulation de phase complète à 360 degrés du panneau IPS double couche.

En interprétant le décalage latéral relatif, nous pouvons déterminer avec précision le retard de phase du bras de signal. Le traitement du signal de l'extraction du retard de phase est illustré comme un processus en trois étapes : mesure du motif d'interférence, suppression du bruit et ajustement sinusoïdal pour spécifier le décalage latéral du motif d'interférence. Enfin, le retard de phase est mesuré en comparant la phase de chaque partie avec le motif de référence fixe. Des modulations indépendantes de l'amplitude et de la phase du faisceau signal sont effectuées à l'aide des paires de valeurs d'entrée en niveaux de gris trouvées par les simulations numériques. Tout d'abord, le résultat vérifie que le plein 360 degrés indépendant de l'amplitude. la modulation de phase est possible avec l'appareil conçu. Ceci est illustré sur le tracé des coordonnées polaires de la figure 4c, qui montre certaines valeurs de modulation de phase échantillonnées à des fins de comparaison avec l'analyse de simulation. La modulation d'amplitude est presque fixée à une valeur constante pour une modulation de phase complète à 360 (degrés).

Le tableau 2 montre une comparaison de certaines valeurs de modulation de phase échantillonnées obtenues à partir de la simulation et de la modulation de phase expérimentale. L'intervalle de modulation réel diffère de celui de la simulation, et il existe probablement une différence négligeable dans les paramètres entre le paramètre de simulation et ceux des dispositifs fabriqués réels. Néanmoins, chaque entrée montre un retard de phase distinct lorsqu'elle atteint la modulation de phase complète et on pourrait supposer que cette erreur provient principalement de la fluctuation du système expérimental et de l'imprécision du processus de suppression du bruit.

Ensuite, la modulation d'amplitude indépendante de la phase est testée en modifiant la valeur d'amplitude souhaitée, tout en maintenant la phase. Pour minimiser le facteur de bruit inattendu et observer des résultats plus précis, la variation d'amplitude doit être limitée à une plage maximale. Bien que le rayon maximal du cercle de modulation soit défini à 0,26 au préalable, la modulation d'amplitude maximale à une phase particulière pourrait dépasser cela. Par conséquent, la phase a été réglée sur 150 (degrés), comme le montre l'image en médaillon de la Fig. 5, de sorte que la valeur d'amplitude puisse passer de 0 à 0,5. Afin de changer l'intensité de manière linéaire, la valeur d'amplitude souhaitée doit être augmentée de manière quadratique. Dans les résultats expérimentaux, comme le montre le graphique de la Fig. 5, la valeur de phase (panneau de droite) reste presque constante lorsque l'intensité (panneau de gauche) augmente de manière linéaire.

L'intensité de sortie observée (panneau de gauche) et la variation de phase (panneau de droite) du SLM IPS-LC double couche lors de la mesure de la modulation d'amplitude. L'image en médaillon montre le chemin de modulation en ligne droite de cette expérience présentant la capacité de modulation d'amplitude uniquement.

Alors que la modulation complète de la lumière complexe à travers le panneau IPS double couche est expérimentalement prouvée, un véritable hologramme complexe généré par ordinateur (CGH) est conçu et affiché pour valider davantage la capacité de modulation spatiale complexe de la lumière du panneau IPS double couche. Deux types d'expériences CGH sont définis. Le premier est une comparaison expérimentale de la synthèse du motif de diffraction d'un CGH complexe, d'un CGH d'amplitude uniquement et d'un CGH44 de phase uniquement. Étant donné que l'élimination des bruits dans le motif de diffraction prouve la capacité de la modulation spatiale complexe de la lumière, nous concevons un motif de diffraction simple et examinons si le panneau IPS double couche génère ou non des bruits indésirables. La configuration expérimentale est illustrée à la Fig. 6a. L'onde plane traverse le polariseur, le SLM, l'analyseur et une lentille de Fourier, séquentiellement, et génère un schéma de diffraction simple sur le plan CCD. Afin d'observer distinctement le terme de bruit dans le diagramme de diffraction, nous avons ajouté un filtre de rejet de bruit DC entre le premier plan de Fourier et le plan CCD. La deuxième configuration illustrée sur la figure 6b est destinée à une synthèse d'image CGH tridimensionnelle d'un objet à plusieurs profondeurs, permettant l'examen de l'effet d'accommodation.

(a) Configuration de test de transformée de Fourier optique et (b) Configuration de test de formation d'images holographiques 3D. Les schémas (panneau supérieur) et la mise en œuvre (panneau inférieur) des systèmes expérimentaux sont présentés.

La modulation complexe complète a été considérée comme une caractéristique de l'affichage 3D holographique ultime14,45. La configuration populaire est l'affichage 3D holographique basé sur un SLM d'amplitude à bande latérale unique ou un SLM de phase uniquement. Comme mentionné ci-dessus, le bruit de jumeau optique inhérent a fondamentalement entravé l'avancement de la technologie d'affichage holographique. Ici, la génération de champ d'image holographique complexe est démontrée avec le panneau IPS à double couche proposé. Sur la figure 6b, le CCD perçoit la scène optique du SLM sans aucun filtre optique intermédiaire pour une démonstration d'une véritable démonstration d'affichage holographique complexe. Pour l'observation du diagramme de diffraction et la comparaison avec d'autres méthodes de modulation, un CGH avec le texte « KU » est conçu. Toutes les informations lumineuses complexes pour le CGH à champ lointain conçu sont calculées numériquement à l'aide de la méthode du spectre angulaire. Ensuite, le CGH est traité selon trois méthodes de modulation : la modulation d'amplitude, la modulation de phase et la modulation complexe. L'amplitude maximale du CGH est normalisée à 0,2 dans toutes les méthodes pour s'adapter à la plage de modulation double IPS. Dans le procédé de modulation d'amplitude, seules les informations d'amplitude du CGH calculé sont prises et contribuent au modèle d'entrée. Cette image d'entrée est placée dans un seul panneau IPS, qui a exactement les mêmes paramètres que l'IPS double couche, et avec une condition de pôle croisé. La figure 7a, d montre la distribution de champ lointain simulée et observée, respectivement, avec modulation d'amplitude. En cas de méthode de modulation de phase, seules les informations de phase pour chaque pixel sont prises. Puisqu'un seul panneau IPS est incapable d'obtenir une modulation de phase à 360 degrés, la phase CGH est placée dans le panneau IPS double. Les angles d'inclinaison double IPS pour la valeur de phase correspondante sont obtenus et contribuent au modèle d'entrée. Ici, le double IPS agit en mode phase uniquement, en gardant l'amplitude inchangée. La figure 7b, e montre la distribution de champ lointain simulée et observée, respectivement, avec modulation de phase. Dans la modulation complexe avec système IPS double couche, d'autre part, les angles d'inclinaison IPS double couche pour les informations complexes correspondantes sont calculés pour obtenir une paire d'images en niveaux de gris. Cette paire d'images en niveaux de gris est ensuite utilisée comme entrée pour le panneau IPS double couche et l'image CGH est observée sur le système. Les figures 7c, f sont les diagrammes de diffraction simulés et observés avec la modulation complexe, respectivement.

Simulation numérique (a – c) et expérience (d – f) pour la transformée de Fourier optique de CGH : (a, d) le CGH d'amplitude uniquement (b, e) le CGH de phase uniquement et (c, f) le complexe CGH. Un filtre de rejet de bruit CC a été utilisé pour observer distinctement la réduction de bruit conjugué.

Dans l'observation de toutes les méthodes, le bruit CC est supprimé pour montrer la différence de manière plus distincte. En conséquence, l'image observée montre que peu de bruit conjugué est observé au complexe CGH. Une faible image jumelle est affichée dans la région inférieure du champ de vision, qui est très probablement causée par une légère erreur de modulation, car la valeur d'entrée n'est pas continue mais un niveau de gris discret. Cependant, l'erreur peut être négligée par rapport à l'amplitude CGH, qui présente un bruit conjugué distinct, et on peut considérer que la capacité de modulation a été atteinte à un niveau suffisant. Dans le cas de la phase CGH, il est bien connu qu'il est pratiquement difficile d'obtenir un état de noir complet et le bruit de fond distinct est observé. Ce résultat montre que le système IPS double couche proposé est une méthode véritablement valable pour le CGH complexe.

Ensuite, nous avons conçu un CGH représentant un objet de couche à quatre profondeurs et observé l'effet d'accommodation. Les images à quatre couches sont situées à une distance de 0 cm, 12 cm, 20 cm et 30 cm, respectivement, de la lentille de champ, comme illustré à la Fig. 8a. Le CGH est calculé à l'aide de la transformée de Fresnel en cascade, qui est calculée sur la base de la configuration mentionnée sur la figure 6b25,45. La distribution d'amplitude et de phase résultante du CGH calculé est présentée sur la figure 8b, et le CGH complexe double IPS est généré pour obtenir la distribution complexe. La brève explication de la génération du complexe CGH double IPS se trouve dans les informations supplémentaires.

(a) Images de profondeur cible et la distance focale respective du CGH à 4 niveaux. ( b ) Les distributions d'amplitude (panneau de gauche) et de phase (panneau de droite) du CGH calculé.

La figure 9 montre l'effet d'accommodation de l'image CGH conçue. Dans les résultats observés (panneaux de droite), l'image avec la profondeur correspondante devient distincte tandis que l'autre image devient floue et floue, comme prévu lors des simulations numériques (panneaux de gauche). Aucun bruit conjugué n'est observé à aucune profondeur, et aucun système de filtrage supplémentaire n'a été utilisé pour le rejet du bruit CC.

L'image holographique simulée (panneau de gauche) et observée (panneau de droite) du CGH complexe conçu aux foyers de 0 cm (a, b), 12 cm (c, d), 20 cm (e, f) et 30 cm (g, h). Une vidéo supplémentaire présente le fonctionnement dynamique de l'appareil (Visualisation 1).

Dans cette expérience, la composante incontrôlable non diffractive DC semble être répartie sur le fond. On note que la DC dans la première expérience est focalisée sur un point, tandis que dans la deuxième expérience, la DC est répartie sur le fond détériorant le rapport de contraste. Avec ce résultat, la disponibilité de CGH complexes utilisant le système IPS double couche proposé est confirmée. Les améliorations supplémentaires de la réduction du courant continu et de l'efficacité de la transmission nécessitent davantage de recherche et de développement au niveau de la conception architecturale du panneau IPS à double couche. Comme le montrent les résultats, de véritables CGH complexes pourraient être conçus et observés avec le mode LC IPS double couche et la théorie de la modulation complexe triphasée. Le bruit de fond est également supposé provenir de la diaphonie survenue entre deux dalles IPS. Dans des conditions idéales, toute la sortie de l'ouverture de la première couche IPS entre dans l'ouverture correspondante de la deuxième couche IPS, cependant, la diffraction se produit à partir de l'ouverture et une partie de la sortie devient le bruit de diaphonie au lieu d'entrer dans l'ouverture correspondante. Le panneau IPS à double couche utilisé dans l'expérience a un écart de 1000 µm entre deux couches actives, et donc une diffraction se produit pour provoquer non seulement l'effet de diaphonie, mais également une perte d'efficacité lumineuse. L'utilisation d'une couche de verre plus fine pour réduire l'espace entre les couches actives pourrait offrir de meilleures performances. L'insertion d'une couche de réseau de microlentilles entre deux panneaux ou le remplacement de la couche de verre par une couche de fibre optique pourrait également être envisagé pour réduire le bruit de fond et augmenter l'efficacité lumineuse.

Le problème de la faible efficacité lumineuse pourrait également être potentiellement amélioré à la fois expérimentalement et théoriquement en améliorant les paramètres de l'affichage LC. L'écran IPS-LC utilisé dans l'expérience montre une transmission de la lumière de 7,36 %, ce qui signifie que l'IPS double couche afficherait une transmission de la lumière de 0,54 %. Cependant, si un affichage de transmission plus élevée est utilisé, l'amélioration de l'efficacité lumineuse serait proportionnelle au carré de l'amélioration de la transmission individuelle du panneau. Ici, la technologie de photoalignement point par point46 pourrait également être une clé pour améliorer l'efficacité. De plus, l'efficacité lumineuse pourrait également être améliorée en augmentant la plage de modulation. L'angle d'inclinaison LC maximal de l'appareil pourrait modifier radicalement la plage de modulation, qui est actuellement limitée à 33,28 (deg.) et la condition de modulation optimale pourrait être recalculée à mesure que l'angle d'inclinaison maximal est augmenté. Les résultats simulés des conditions de modulation avec un angle d'inclinaison maximal accru sont présentés dans les informations supplémentaires. La valeur de Γ change lorsque la longueur d'onde λ de la lumière incidente change. L'étude actuelle a été réalisée dans des conditions de lumière de 532 nm, mais de meilleures conditions de modulation sont probables si la condition optimale se trouve dans l'autre gamme de longueurs d'onde. De plus, si une certaine plage de modulation commune est obtenue dans les longueurs d'onde rouge, verte et bleue avec un seul paramètre de dispositif, la modulation complexe polychrome RVB deviendrait possible dans cette plage. L'application de la technique de diffraction de la lumière avec un polymère à cristaux liquides à double torsion47 serait également considérable pour réaliser une modulation de la lumière en couleur.

La modulation spatiale complexe de la lumière devient une technologie de base dans un vaste domaine industriel. En particulier, le SLM complexe de type transmission peut être avantageux pour certaines applications d'affichage telles que la technologie AR holographique en termes de petit facteur de forme. De plus, la modulation complexe qui couvre l'ensemble du champ est une technologie cruciale non seulement pour l'affichage mais aussi pour d'autres applications dans les systèmes optiques ondulatoires, ce qui est difficile à réaliser avec la méthode conventionnelle. Dans cet article, la capacité de modulation de la lumière spatiale complexe à un seul pixel du mode IPS-LC à double couche a été démontrée à la fois théoriquement et expérimentalement. Une modulation complète de la lumière complexe est obtenue avec le système extrêmement compact composé simplement d'un dispositif IPS à double couche, d'un polariseur et d'un analyseur. Le prototype du panneau IPS LC à double couche a été fabriqué grâce à une coopération industrielle. Le panneau est non seulement démontré par simulation, mais également expérimentalement à l'aide d'un dispositif fabriqué, qui s'est avéré directement applicable à la technologie d'affichage holographique tridimensionnelle. De plus, étant donné que la plage de modulation indiquée dans cet article n'est pas la limite fondamentale de ce système, on s'attend à ce qu'un simple changement de spécification du panneau LC puisse améliorer les caractéristiques complexes de modulation de la lumière, comme indiqué dans les informations supplémentaires. Parallèlement à une optimisation supplémentaire de l'architecture du panneau LC et grâce à une normalisation de la méthode de mesure et d'inspection précise des caractéristiques spatiales complexes de modulation de la lumière, nous améliorerons l'efficacité de la modulation complexe. La réalisation du CGH complexe polychrome RVB via le mode LC IPS double couche proposé sur une architecture plus réduite sera l'objectif de notre prochaine étude.

Toutes les données à l'appui des résultats sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Mok, F., Diep, J., Liu, HK et Psaltis, D. Hologramme généré par ordinateur en temps réel au moyen d'un modulateur spatial de lumière de télévision à cristaux liquides. Opter. Lett. 11, 748-750 (1986).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Neto, LG, Roberge, D. & Sheng, YL Modulation complète, continue et complexe par l'utilisation de deux téléviseurs à cristaux liquides en mode couplé. Appl. Opter. 35, 4567-4576 (1996).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Grilli, S. et al. Reconstruction complète de champs d'ondes optiques par holographie numérique. Opter. Express 9, 294–302 (2001).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Takaki, Y. & Okada, N. Génération d'hologrammes par balayage horizontal d'un modulateur spatial de lumière à grande vitesse. Appl. Opter. 48, 3255–3260 (2009).

Article ADS PubMed Google Scholar

Sasaki, H. et al. Vidéo tridimensionnelle de grande taille par holographie électronique utilisant plusieurs modulateurs spatiaux de lumière. Sci. Rep. Royaume-Uni 4, 66 (2014).

Google Scholar

Hahn, J., Kim, H., Lim, Y., Park, G. & Lee, B. Stéréogramme holographique dynamique à grand angle de vision avec un réseau incurvé de modulateurs de lumière spatiale. Opter. Express 16, 12372–12386 (2008).

Article ADS PubMed Google Scholar

Kim, Y. et al. Déflecteur de faisceau de type transmission accordable électriquement utilisant des cristaux liquides à haute résolution angulaire. Appl. Opter. 57, 5090–5094 (2018).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Johnson, KM, Mcknight, DJ & Underwood, I. Modulateurs de lumière spatiaux intelligents utilisant des cristaux liquides sur silicium. IEEE J. Quantum Electr. 29, 699-714 (1993).

Article ADS CAS Google Scholar

Ahderom, S., Raisi, M., Lo, K., Alameh, K. et Mavaddat, R. Applications des modulateurs de lumière spatiale à cristaux liquides dans les communications optiques (2002).

Conkey, DB, Caravaca-Aguirre, AM & Piestun, R. Caractérisation du milieu de diffusion à grande vitesse avec application à la focalisation de la lumière à travers des milieux troubles. Opter. Express 20, 1733–1740 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Nguyen, TH & Popescu, G. Microscopie d'interférence lumineuse spatiale (mince) utilisant une modulation à cristaux liquides à nématique torsadé. Biomédical. Opter. Express 4, 1571-1583 (2013).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, JP, Hsieh, WY, Poon, TC & Tsang, P. Affichage complexe d'hologrammes de Fresnel à l'aide d'un seul slm. Appl. Opter. 50, H128–H135 (2011).

Article PubMed Google Scholar

Reichelt, S. et al. Modulateur de lumière spatial complexe à gamme complète pour l'holographie en temps réel. Opter. Lett. 37, 1955–1957 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Kim, H. et al. Transformation optique anamorphique d'un modulateur spatial de lumière d'amplitude en un modulateur spatial de lumière complexe à pixels carrés [invité]. Appl. Opter. 53, G139–G146 (2014).

Article PubMed Google Scholar

Qi, YJ, Chang, CL & Xia, J. Affichage holographique sans tache par modulation complexe basée sur la méthode à double phase. Opter. Express 24, 30368–30378 (2016).

Article ADS PubMed Google Scholar

Arrizon, V. Modulation complexe avec un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides nématiques torsadés : approche à double pixel. Opt Lett 28, 1359–1361 (2003).

Article ADS PubMed Google Scholar

Li, X., Liu, J., Jia, J., Pan, YJ & Wang, YT Affichage holographique dynamique 3D en modulant expérimentalement l'amplitude complexe. Opter. Express 21, 20577-20587 (2013).

Article ADS PubMed Google Scholar

Gregory, DA, Kirsch, JC & Tam, EC Modulation complexe complète à l'aide de téléviseurs à cristaux liquides. Appl. Opter. 31, 163–165 (1992).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Davis, JA, McNamara, DE, Cottrell, DM et Sonehara, T. Codage de polarisation bidimensionnelle avec un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides à phase seule. Appl. Opter. 39, 1549-1554 (2000).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wilkinson, TD, Henderson, CD, Leyva, DG & Crossland, WA Modulation de phase avec la prochaine génération de cristaux liquides sur technologie silicium. J. Mater. Chim. 16, 3359–3365 (2006).

Article CAS Google Scholar

Li, SQ et al. Modulateur de lumière spatiale à transmission de phase uniquement basé sur une métasurface diélectrique accordable. Sciences 364, 1087 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Peng, C., Hamerly, R., Soltani, M. & Englund, DR Conception de modulateurs de lumière spatiaux à phase seule à grande vitesse avec des réseaux de microcavités accordables bidimensionnels. Opter. Express 27, 30669 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Park, J. et al. Modulateur spatial de lumière à semi-conducteurs avec contrôle indépendant de la phase et de l'amplitude pour les applications lidar tridimensionnelles. Nat. Nanotechnologie. 16, 66 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Song, H. et al. Synthèse optimale d'hologrammes générés par ordinateur à double phase à l'aide d'un modulateur de lumière spatial à phase seule avec filtre à réseau. Opter. Express 20, 29844–29853 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Cho, J., Kim, S., Park, S., Lee, B. & Kim, H. Affichage holographique sur l'axe sans Dc utilisant un modulateur de lumière spatial à phase seule. Opter. Lett. 43, 3397–3400 (2018).

Article ADS PubMed Google Scholar

Moreno, I., Davis, JA, Hernandez, TM, Cottrell, DM & Sand, D. Contrôle complet de la polarisation de la lumière provenant d'un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides. Opter. Express 20, 364–376 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Ulusoy, E., Onural, L. & Ozaktas, HM Modulation d'amplitude complexe complète avec modulateurs de lumière spatiaux binaires. J. Opt. Soc. Suis. A 28, 2310-2321 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Wu, L., Cheng, SB & Tao, SH Mise en forme simultanée de l'amplitude et de la phase de la lumière dans tout le plan de sortie avec un hologramme à phase seule. Sci. Rep. Royaume-Uni 5, 66 (2015).

Google Scholar

Fuentes, JLM & Moreno, I. Technique aléatoire pour coder des hologrammes à valeurs complexes avec reconstruction sur l'axe sur des affichages à phase seule. Opter. Express 26, 5875–5893 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Hong, J. et al. Technologies d'affichage tridimensionnel d'intérêt récent : principes, statut et problèmes [invité]. Appl. Opter. 50, H87–H115 (2011).

Article PubMed Google Scholar

Kagalwala, KH, Di Giuseppe, G., Abouraddy, AF & Saleh, BEA Logique quantique à trois qubits à photon unique utilisant des modulateurs spatiaux de lumière. Nat. Commun. 8, 66 (2017).

Article CAS Google Scholar

Itoh, Y., Hamasaki, T. & Sugimoto, M. Compensation de fuite d'occlusion pour les affichages optiques transparents à l'aide d'un modulateur de lumière spatial transmissif à une seule couche. IEEE Trans. Vis. Calcul. Graphique. 23, 2463-2473 (2017).

Article PubMed Google Scholar

Su, YF et al. Affichage tridimensionnel holographique dynamique binoculaire pour la réalité augmentée optique transparente utilisant deux modulateurs spatiaux de lumière. Optik 217, 66 (2020).

Article Google Scholar

Zuo, Y., Zhao, YJ, Chen, YCA, Du, SW & Liu, JW Évolutivité des réseaux de neurones tout optique basés sur des modulateurs spatiaux de lumière. Phys. Rév. Appl. 15, 66 (2021).

Article Google Scholar

Park, S. et al. Caractéristiques de la modulation de lumière complexe à travers un modulateur spatial de lumière à double couche amplitude-phase. Opter. Express 25, 3469–3480 (2017).

Article ADS PubMed Google Scholar

Jones, RC Un nouveau calcul pour le traitement des systèmes optiques I. Description et discussion du calcul. J. Opt. Soc. Suis. 31, 488–493 (1941).

Article ANNONCES MATH Google Scholar

Lien, A. Une dérivation détaillée de la représentation étendue de la matrice de Jones pour les écrans à cristaux liquides nématiques torsadés. Liquide. Crist. 22, 171-175 (1997).

Article CAS Google Scholar

Moreno, I., Davis, JA, D'Nelly, KG & Allison, DB Mesure de la transmission et de la phase des vecteurs propres de polarisation dans les modulateurs spatiaux de lumière à cristaux liquides nématiques torsadés. Opter. Ing. 37, 3048-3052 (1998).

Annonces d'article Google Scholar

Cho, HJ, Kim, DH & Lee, YH Un modèle de distribution simple de l'angle de torsion dans un affichage à cristaux liquides à commutation dans le plan. J. Opt. Une application pure. Opter. 11, 66 (2009).

Google Scholar

Park, J., Yu, H., Park, JH & Park, Y. Caractérisation du panneau LCD en mesurant la matrice de jones complète de pixels individuels à l'aide de la microscopie holographique numérique sensible à la polarisation. Opter. Express 22, 24304–24311 (2014).

Article ADS PubMed Google Scholar

Soni, NK, Somkuwar, AS et Singh, RK Jones Matrix Imaging for Transparent and Anisotropic Sample (SPIE, 2015).

Ito, R., Honma, M. & Nose, T. Dispositif de contrôle de phase à cristaux liquides à liaison hydrogène électriquement accordable. Appl. Sci. Bâle 8, 66 (2018).

Google Scholar

Wang, HY et al. Caractérisation d'un modulateur spatial de lumière basé sur la phase dans le domaine de Fourier de l'hologramme et ses applications en imagerie cohérente. Appl. Sci. Bâle 8, 66 (2018).

Annonces Google Scholar

Kim, H., Choi, K. & Lee, B. Synthèse optique diffractive et analyse des champs lumineux et applications récentes. Jpn. J. Appl. Phys. 1(45), 6555–6575 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Roh, J. et al. Système d'affichage par projection holographique en couleur doté d'un filtre de Fourier achromatique. Opter. Express 25, 14774–14782 (2017).

Article ADS PubMed Google Scholar

Chen, P., Wei, BY, Hu, W. & Lu, YQ Phase géométrique à médiation par cristaux liquides : de l'optique planaire transmissive à l'optique planaire réfléchissante à large bande. Adv. Mater. 32, 66 (2020).

Google Scholar

Cao, H., Yuan, R., Xu, CT, Zhang, YH & Hu, W. Détection de spin découplé à large bande et de moment angulaire orbital via la programmation de mésogènes réactifs à double torsion. Opter. Lett. 46, 5751–5754 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

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Ce travail a été soutenu par LG Display Co. et Samsung Research Funding & Incubation Center de Samsung Electronics (SRFC-TB1903-05).

Display and Nanosystem Laboratory, Department of Electrical of Engineering, Korea University, 145, Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul, 02841, République de Corée

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

Département d'électronique et d'ingénierie de l'information, Université de Corée, Sejong Campus, Sejong, 30019, République de Corée

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

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

Parc Juseong et Hoon Kang

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HK, SJ et BJ ont contribué à la conception et à la conception de la recherche ; WC, SK, JL, SN et SH ont construit la configuration expérimentale et préparé la conception CGH ; JP et HK ont soutenu la préparation d'échantillons de dispositifs à double IPS. SJ et WC, ont contribué à l'acquisition et à l'analyse des données ; SJ et HK, ont rédigé le manuscrit ; tous les auteurs ont révisé le manuscrit de manière critique, acceptent d'être pleinement responsables de l'intégrité et de l'exactitude du travail, et ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance avec Byeong-Kwon Ju ou Hwi Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Jang, SW., Choi, W., Kim, S. et al. Capacité complexe de modulation spatiale de la lumière d'un panneau à cristaux liquides à commutation dans le plan à double couche. Sci Rep 12, 8277 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12292-4

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Reçu : 30 janvier 2022

Accepté : 09 mai 2022

Publié: 18 mai 2022

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

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