东莞做外贸网站公司,做投票网站教程,net源码的网站建设步骤,手机app开发上市公司2019年秋季的一个夜晚#xff0c;结束了一天科研任务的高辉博士决定看看最近热播的古装电视剧——由 马伯庸 老师同名小说改编的《长安十二时辰》——放松一下心情。当主角在长安城中上下翻飞时#xff0c;高博士却被剧中的一样道具吸引了#xff0c;他忍不住内心直呼#…2019年秋季的一个夜晚结束了一天科研任务的高辉博士决定看看最近热播的古装电视剧——由 马伯庸 老师同名小说改编的《长安十二时辰》——放松一下心情。当主角在长安城中上下翻飞时高博士却被剧中的一样道具吸引了他忍不住内心直呼好眼熟原来此道具在设计思想上竟然与他正在进行的一项前沿科学研究有着异曲同工之妙。这个道具就是“望楼”。《长安十二时辰》剧照来自网络“望楼”是电视剧《长安十二时辰》中编剧虚构的一套“光通信”装置。如今我们都知道古代的狼烟或烽火算是最早的光学通信系统但只能表达“有”或“无”这类比较简单的信息。望楼则是由一个个独立的格子构成每个格子都可以独立控制灯笼的开关。这样一来具有N个格子的望楼就相当于N-bit的光学通信装置最多可以传递2^N-1种不同的信息极大提高了通信效率。望楼示意图来自网络高辉博士正在进行的科学研究叫做“可见光波段超表面动态全息”。听起来无论如何都与古装剧八竿子打不着为何会与“望楼”扯上关系呢这就得从这项研究的背景说起了。研究背景“全息显示”这个名字相信大家听得很多了它被认为是最有前景的裸眼3D显示技术之一。“全息”的基本原理可以简单表达为“干涉记录衍射复现”物理教科书上都有讲解蜗牛君在此就不赘述了。传统全息术需要搭建干涉光路通过真正的拍摄过程获得“全息底片”因此只能用于现实中真实存在物体的显示。“计算全息”技术的出现打破了这一限制通过物理光学相关理论和计算机算法就可以计算出现实中不存在的虚构物体对应的“全息底片”。将计算得到的“底片”信息相位/振幅分布图等加载到动态光学调制器件如空间光调制器spatial light modulator, SLM上就可以通过衍射来复现出虚构物体的像。不断刷新SLM加载的相位图我们就能看到动态的全息电影了。“全息显示技术”艺术效果图来自网络这个过程设想得很美好但实际操作中却障碍重重以至于如今还没有任何严格意义上的动态全息显示设备上市生活中充斥的众多标注为“全息显示”的设备也都与全息没什么关系。之所以如此困难其中一个比较大的障碍就是这些动态光学调制器件的单元结构实在是太大了通常都比可见光波长大十几甚至几十倍。巨大的结构尺寸导致全息显示的视场角极小还会存在高级次像等问题。为了扩展视场角有的研究团队甚至不得不采用了阵列化SLM的方案但也只是治标不治本。SLM阵列来自网络随着微纳加工工艺的不断进步有一类被称为“超表面metasurface”的新型光学器件逐渐兴起。这是一种准二维形式的平面光学器件由特殊排布的亚波长结构构成。所谓“亚波长”意思就是尺寸比光波长更小。研究发现当物质结构的尺寸小于光波长时会呈现出与宏观材料完全不同的光学性质。这些亚波长结构可以对光进行丰富的调制无论是相位、振幅还是偏振都不在话下。由这些强大的亚波长结构组成的平面光学器件就是“超表面”。无论是透镜、分束器、偏振器等常用光学元件还是轨道角动量、光学隐身器件等复杂光学元件超表面都能实现因此近年来超表面在光学研究的许多方向都大放异彩。由于强大的光学调制功能和丰富的调节自由度基于超表面的新兴光学研究领域也被誉为“工程光学2.0”。同样超表面也可以应用于“计算全息”领域被称为“超表面全息meta-hologram”。由于超表面的单元结构比光波长更小可以实现大视场角并直接从原理上规避多级次像等问题因此备受相关领域关注。研究内容目前可见光波段的超表面全息相关研究还是以静态显示为主已有的少量动态显示相关研究结果也不尽如人意。其中主要的问题是帧数和帧率。“帧数”是指一片器件能显示几幅不同的全息图“帧率”则是指每秒能切换多少幅全息图。目前大部分动态显示的研究结果帧数都在个位数帧率也很低。这就导致“动态”只是概念性的实现离真正应用还差很远。对于超表面动态全息显示目前的主流研究方向是想办法让组成超表面器件的每个亚波长结构都进行独立控制。这当然是一个很正常的想法举个例子类比一下就很容易理解。抛开3D显示暂且不谈就说说我们日常见到的普通2D显示设备比如平日里使用的LED/LCD显示屏只要能够独立控制每个像素那整个屏幕要显示什么内容都可以。同样的只要能够对每个亚波长结构进行独立控制就能够实现任意的3D显示了。所以这也是超表面动态全息通用的解决方案也是大家最终努力的方向只是当前暂时还无法很好地实现。不过在刚才的举例中虽然LED/LCD是2D显示中通用的解决方案但通用方案未必在所有场景中都是最佳方案所以并不是所有的2D显示都是靠LED/LCD实现的。比如电子记分牌、时钟、机场登机信息板等是利用类似“数码管”的方式实现的它们的特点就是通过大量子元素的不同组合来呈现不同的信息还有一类诸如胶片电影将连续动作分解为不同的连续帧利用视觉暂留效果实现流畅的2D动态显示。可以看出在不同的具体应用场景中其他技术方案可能比通用方案更有优势如成本、可靠性、维护难易程度等等。常见的三种2D显示技术同样地在超表面动态全息研究中除了对每个单元结构独立控制研究人员也产生了很多奇思妙想。例如通过切换入射的激光波长来切换全息图像或是通过改变入射角度或激光偏振方向改变显示的全息图像等等。不过这些方案能够实现的帧数都极少帧率更是非常非常低无法很好满足动态显示的需求。为了解决帧数少、帧率低的问题研究团队构思了一种新的超表面动态全息的实现方法。一般情况下超表面器件在使用时构成这个器件的所有亚波长结构都会同时发挥作用。本研究反其道而行之提出了“空间信道超表面器件”的概念。空间信道超表面全息器件设计示意图研究人员将同一片超表面器件划分为不同的空间区域每个区域成为独立的“空间信道”每个空间信道负责显示不同的全息图形而每个空间信道都可以实现独立的开启或关闭。如此一来由N个空间信道构成的超表面全息器件不就能够实现2^N-1幅不同的全息图了吗“2^N-1”是不是很眼熟没错这就是本文开篇我们看到的古装剧中的“望楼”啊甚至论文中设计的器件样子也和方格子组成的望楼差不多如下图所示只不过望楼每个格子只是用来显示黑与白而本研究中的每个空间信道则加载着丰富的全息信息罢了。通过增加空间信道数目可以以指数形式极大提高总帧数。因此用这种方法同一片超表面器件可以轻松实现数亿甚至数百亿幅不同的全息图的动态显示。空间信道超表面全息器件设想很美好但要能够实现清晰流畅的动态显示最关键的就是能够精确独立开关每个空间信道。不到1mm^2的器件由几十甚至数百个空间信道构成每个信道都比头发丝还细控制起来非常困难。为了解决这一问题研究团队设计了基于数字微镜器件Digital Micro-mirror Device, DMD的高速高精度结构光场调制系统。DMD局部放大图来自网络DMD是一类由微型反射镜尺寸大约几十微米阵列构成的光学器件每个反射镜都可以独立摆动从而控制光的反射方向。只有当反射方向沿着目标路径方向时这个小镜子的反射光才能够出射否则光会被遮挡住。因此平面激光光束通过DMD调制后就可以变成空间复杂分布的结构光束。不过由于单个微镜尺寸与空间信道尺寸相近所以如果直接利用DMD调制后的结构光去控制空间信道精度会很差。因此研究团队利用透镜和显微物镜搭建了缩束投影系统类似于基础版光刻机的光学系统将DMD编码的激光结构光束精确投影到超表面器件上从而实现每个空间信道的独立开启与关闭。之所以选择使用DMD作为结构光束的编码器件还有一个重要原因就是DMD每秒万帧的超高刷新速率因此该动态全息显示系统的帧率高达每秒万帧。如此一来就可以实现高速、高帧率的超表面动态全息显示了。这个帧率其实已经远远超出了视觉暂留的需要因此除了全息显示该研究还可以应用于光学信息处理、激光加工等其他领域。该研究成果已于近期发表于国际著名学术期刊Science Advances。结果展示知乎视频www.zhihu.com知乎视频www.zhihu.com后记可能谁都想不到热播古装剧与前沿科学领域在思想上竟然有不少相通的地方。所以蜗牛君科研之余还是应该多去看看剧说不定对科研还有更多促进作用呢本文为该研究内容的科普性介绍具体理论及技术细节请参阅论文原文H. Gao, Y. Wang, X. Fan, B. Jiao, T. Li, C. Shang, C. Zeng, L. Deng, W. Xiong, J. Xia, M. Hong, Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate. Sci. Adv.6, eaba8595 (2020).论文地址Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate2. 本文首发于“光电期刊”公众号转载请联系作者。
