Большой голографический видеоэкран стал ближе к реальности

Голограммы представляют собой особый вид двухмерного изображения, которые при включении создают у зрителя иллюзию трёхмерного объекта. Пиксели, составляющие каждую голограмму, особым образом рассеивают свет, который падает на них. В результате световые волны начинают взаимодействовать друг с другом и формируют объёмное изображение.

Однако обычные фотоголограммы не так интересны, как движущиеся видеоголограммы. Чтобы получить иллюзию присутствия и перемещения трёхмерного объекта, нужно использовать дисплей с пикселями, которые не просто изгибают лучи света, но и меняются с течением времени. Также размер этих пикселей должен быть близок к длине волн света, который они перенаправляют в пространстве. Проблема в том, что в настоящее время не существует простого и бюджетного способа создания таких пикселей.

Всё может измениться, когда команда инженеров из Массачусетского технологического института и Университета Бригама Янга доведёт своё исследование до логического завершения и создаст коммерческий продукт на основе своей новой технологии. Инженеры использовали дешёвые кристаллы для создания крупных голографических дисплеев, способных демонстрировать объёмные изображения в высоком разрешении.

Статья, опубликованная в издании Review of Scientific Instruments, подробно описывает процесс управления углом искривления и цветовой композицией света с помощью поверхностных акустических волн в динамической, то есть движущейся, структуре. Звучит, сложно и запутано, но на самом деле всё не так страшно.

Основной процесс, лежащий в основе технологии, протекает на поверхности дешёвых кристаллов ниобата лития (LiNbO3), которые обладают уникальными оптическими свойствами. Ранее разработчики похожих подходов опирались на дорогостоящие кристаллы диоксида теллура, стоимость одного кристалла при этом доходила до $25 тысяч. Кристаллический ниобат лития обходится всего в $2 за штуку.

Под поверхностью кристалла LiNbO3 американские химики вытравили микроскопические каналы — "волноводы". Они используются как туннели для света. У каждого волновода учёные поместили по металлическому электроду, который генерировал поверхностные акустические волны (звуковые волны, расходящиеся по поверхности кристалла, словно круги на воде).

Кристаллы ниобата лития обладают пьезоэлектрическими свойствами, а это значит, что если им (при помощи электрода) сообщить электрический заряд, то атомы в решётке кристалла начнут колебаться.

Акустические волны с определённой периодичностью изменяют строение кристалла. Из-за этого изменяется показатель преломления материала, что, в свою очередь, влияет на любую световую волну, распространяющуюся внутри подповерхностного волновода.

Для создания голографического изображения учёные направили лазерные лучи трёх цветов (красный, зеленый и синий) внутрь каждого волновода. Частоты акустических волн, проходящих через кристалл, определяли, какие цвета пропускаются поверхностью кристалла, а какие отфильтровываются.
Световые волны, которые выходят из волноводов, затем взаимодействуют друг с другом и формируют иллюзию трёхмерного объекта — голографическое изображение. В результате разработчикам удалось получить реалистичную меняющуюся во времени объёмную картинку.

В голографическом видеоэкране множество волноводов будут расположены рядом друг с другом. Ширина каждого из них составляет всего несколько микрометров, а расстояние между двумя волноводами составит несколько десятков микрометров. Для сравнения, средняя толщина человеческого волоса составляет около 100 микрометров.

"Для изготовления нашего устройства мы можем использовать уже привычные технологии, заимствованные из полупроводниковой промышленности. Так мы сможем существенно снизить себестоимость конечного продукта. Данная методика позволяет сократить стоимость производства с нескольких десятков тысяч долларов до нескольких сотен", — поясняет ведущий автор исследования Дэниел Смолли (Daniel Smalley) из Университета Бригама Янга, который также сотрудничает с MIT.

Исследователи предполагают, что они смогут сконструировать устройство, которое будет отображать 50 миллиардов пикселей в секунду. Этого достаточно для создания трёхмерных движущихся изображений в разрешении, сравнимом со стандартной чёткостью телевидения.

В данный момент Смолли и его коллеги работают над собственным проектом по созданию крупного голографического видеодисплея. Впереди у них ещё создание достаточно мощного компьютера, который сможет собирать и обрабатывать информацию об изображениях. По словам учёных, сам дисплей будет размером с комнату.