二重層の複雑な空間光変調機能

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8277 (2022) この記事を引用

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光波の振幅と位相を同時に制御できる複雑な空間光変調器 (SLM) は、ホログラフィック 3 次元ディスプレイを含む幅広い波動光学技術の重要な技術です。この論文では、電圧入力の 2 倍の自由度を持つデュアル面内スイッチング液晶パネルで構成されるフラットパネル複合空間光変調器を紹介します。提案されたアーキテクチャは、自由空間全体で複雑な光変調を可能にするシングルピクセルレベルの複雑な光変調を特徴とし、従来のマクロピクセルベースの複雑な変調技術とは最も対照的です。その複雑な光変調能力は、理論的シミュレーションと実験的特性評価、および共役ノイズのない 3 次元ホログラフィック画像再構成によって検証されています。提案されたフラットパネル複合 SLM は、幅広い高度な波動光学技術にとって不可欠なデバイスとなり得ると考えられています。

波動場の合成は基盤技術です。空間光変調器 (SLM) は、光波の波面を直接変調する重要なデバイスであり、設計レベルで波面の合成と変更を行う方法を提供します。ホログラフィックイメージングやホログラフィックディスプレイなどのデジタルホログラフィ技術は、SLM 技術の恩恵を受ける代表的な分野です 1、2、3、4、5、6。さらに、SLM は、ビームステアリング 7、光通信 8,9、高度な顕微鏡検査、生物医学イメージング 10,11 などの波動光学技術に広く使用されています。

SLM の変調性能は、波動光学ベースの技術の全体的な性能に根本的な制限を設けます。透過型 SLM と反射型 SLM12,13,14,15,16,17 に共通して、高効率かつ低ノイズで波動光学場分布の制御性を実現することが強く望まれています。 SLM技術の開発は、透過型液晶パネル1,2,11,18,19、反射型液晶オンシリコン（LCoS）5,8,20、反射型デジタルマイクロなど、様々な方向で進められている。 -ミラーデバイス（DMD）4、10、および最近登場したアクティブメタフォトニクスSLM21、22、23。振幅または位相のみの変調を使用する多くの SLM アプローチが導入されていますが、そのほとんどは、DC ノイズや共役ノイズなど、いくつかのタイプのノイズ問題に悩まされています 12、24、25。これらの問題を克服するために多くの研究が試みられてきました。いくつかのアプローチでは、ノイズをフィルタリングする追加システムが実装されていましたが 26,27 、そのほとんどはシステムの効率を低下させたり、システムを大きくしたりしていました。他のよく知られたアプローチは、追加の計算機生成ホログラム (CGH) 設計アルゴリズムを位相限定 SLM にエンコードする 25、28、29 ですが、システムに時間がかかるか、限られたフィールドでのみ変調を提供するものでした。この問題を克服するための根本的な解決策は、真の複雑な光変調であることが合意されています。これは、単一のピクセルレベルで振幅と位相の両方を同時に制御することを意味します。

特に、入射光の振幅と位相を変調する複雑な SLM は、ディスプレイ用途を含む多くの工学分野に非常に応用可能です。複雑な SLM は、デジタル 3 次元 (3D) ホログラフィックディスプレイに不可欠です30。最近、メタバースまたは複合現実のための拡張現実ベースの高度なホログラフィックビジョン、および全光ニューラルネットワークなどの新興の光コンピューティング技術が、複雑な SLM 技術の有望な応用分野となっています 21,31,32,33,34。

ただし、複雑な SLM に対する実際的な解決策は、数十年にわたって困難な問題でした。光の振幅と位相を個別に変調するには、独立して制御可能な電圧電極など、少なくとも 2 つの独立した制御自由度が必要であるため、複雑な変調特性を備えた単一パネル LC SLM を作成するという課題を考慮する必要があります。 2 つの独立した電圧電極を単一の LC パネル構造に統合することは、現在の LCD 製造インフラストラクチャでは許可されていません。

複雑な光変調を実現する 1 つのアプローチは、単一平面のマクロピクセル構造を使用することです。これは、面内の複数のピクセルを使用して特定の振幅位相値を構成するものです 14、16。このアイデアは、異なる位相値を持つ 2 つ以上のピクセルをコヒーレントに干渉させて、単一のピクセルでは達成できない複雑な変調を実現するというものです。しかし、この方法では、特定の関心領域内でのみ複雑な変調が可能ですが、近距離場と遠距離場の両方を含むフィールド全体での複雑な変調を実現することはできません。さらに、超高解像度の空間光変調器は、単一の振幅位相ユニットに対して複数のピクセルを必要とするため、マクロピクセル構造を実現する必要があります。これらの理由により、単一平面マクロピクセル構造の用途は限られています。

透過型複合 SLM を実現する 2 番目のアプローチは、振幅位相二層液晶 (LC) SLM2、35 のアーキテクチャを使用することです。位相SLMは振幅SLMに取り付けられ、透過入射光の振幅または位相を逐次管理します。しかし、完全にピクセルが一致した振幅と位相の透過型 SLM を設計および製造することは、設計、製造、およびコストの点で魅力的ではありません。振幅位相二層ＬＣ構造は、位相ＬＣＳＬＭと振幅ＬＣＳＬＭのアーキテクチャが、ＬＣセルギャップおよび偏光構成の点で同じであることができないという点で非効率である。偏光層は振幅 LC パネルと位相 LC パネルの間に配置する必要があり、構造が厚く高価になります。

さらに、私たちが懸念しているのは、フェーズ SLM の構築です。具体的には、振幅パネルと位相パネルの層状アーキテクチャは、面内スイッチング (IPS) LC パネルでは利用できません。 IPS 液晶ディスプレイの製造インフラは十分に発達しています。 IPS LC モードは光の振幅変調に広く使用されており、IPS LCD は視野角が広く、応答が十分に速いため、世界の商用ディスプレイ市場で普及している LCD です。しかし、IPS LC モードは位相変調特性が劣ることはよく知られています。理論によれば、単一 IPS LC モードの最大位相変調ダイナミックレンジは π (rad.) 未満です。この最大π位相変調条件は、IPS LC モードの振幅変調特性に重大な劣化を引き起こします。したがって、一般的な IPS LC モードは振幅位相デュアルレイヤーアーキテクチャに適用できません。したがって、一般に受け入れられている意見は、IPS LC モードは振幅変調にのみ有用であり、位相変調や複素変調には役に立たないということです。

この論文では、複合 SLM の IPS-LC モードのこの制限を克服するために、2 つの完全に同一の面内スイッチング (IPS) LC 層を特徴とする新しい二重層複合 SLM アーキテクチャを提案します。 2 つの同一の IPS パネルを使用して完全な複雑な光変調機能を実現する理論と、ピクセルレベルの複雑な光変調の実験的デモンストレーションを紹介します。

図 1a は、IPS LC パネルを備えた従来の SLM の概略図を示しています。入射光が LC パネルを通過すると、液晶の配向によって出力光ビームの振幅と位相が変調されます。

(a) 従来の単層 IPS-LC SLM の単一ピクセル (左パネル) とその IPS-LC 層 (右パネル) の概略図。 (b) 単層 IPS-SLM の振幅 (左のパネル) と位相変調 (右のパネル) 特性。

偏光子と検光子の偏光角をそれぞれθ1、θ2、各IPSパネルのLCチルト角をφとする。単一 IPS LC セルの位相遅延係数は \(\Gamma = 2\pi \left( {n_{e} - n_{o} } \right)d/\lambda\) で求められます。ここで、λ は入射光の波長、d は LC 層のセルギャップ、ne と no は IPS パネルで使用される液晶の異常軸と常光軸の屈折率です。 IPS-LC SLM の単一ピクセル透過率は、三重行列の乗算を記述する単純なジョーンズ行列によってモデル化できます36、37、38、39、40、41、42、

ここで、P(θ) と L(ϕ, Γ) は、それぞれ偏光子と IPS-LC 層のジョーンズ行列です。偏光子と検光子のジョーンズ行列 P(θ) は次のように与えられます。

LC 傾斜角 ϕ と位相遅延 Γ をもつ IPS LC 層のジョーンズ行列は、次のように表されます。

単一 IPS-LC SLM の振幅および位相変調特性は、式 1 のモデルを使用して計算されます。 (1)。図1bは、θ1 = 110°およびθ2 = 0°での従来のIPS-LC SLMの計算された振幅および位相変調特性を示しており、位相変調の最大範囲が得られます。パラメトリック研究により、位相変調範囲は最良の状態でも 180 度を超えないことが示されています。前述したように、これは、IPS-LC モードが振幅位相デュアルレイヤ SLM アーキテクチャには適していないことを意味します。

図 2a は、提案されている二層 IPS-LC SLM の概略構造を示しています。提案されたデバイスは、偏光子と検光子の間に連続的に配置された 2 つの IPS-LC 層で構成されます。各 IPS-LC 層はダイナミック波長板として動作します。実際には、2 つの完全に同一の IPS-LC パネルが細かく位置合わせされ、平行に取り付けられます。複雑な光変調に必要な自由度は、各 IPS パネルの LC チルト角 ϕ1 と ϕ2 です。

(a) 提案された二層 IPS-LC SLM の単一ピクセル (上のパネル) とその最初と 2 番目の IPS-LC 層 (下のパネル) の概略図。 (b) 二層 IPS-LC SLM のシミュレーションされた複雑な光変調範囲。赤い丸は振幅 0.26 を示します。

二層 IPS LC 層のジョーンズマトリックスモデリングは、4 マトリックス乗算モデルによって二層 IPS-LC SLM の単一ピクセルの透過率を記述します。

x 方向に直線偏光した入射光の場合、一般性を失うことなく偏光軸角度を θ1 = 0 に設定でき、P(θ1) = (1, 0) となります。式をいくらか操作した後、 (4) では、x 偏光入射時の検光子の後の電場が得られます。これは、次の形式の合計ジョーンズ行列表現が得られます。

ここで、A1、A2、および A3 は

そしてΔϕは

検光子の偏光軸に沿って直線偏光成分 U を取得します。

ここで、U に関する主な発見は、Γ = 2π/3 の場合、透過光の特性が三相振幅複素変調の形式で表されることを明らかにしています。

ここで、簡単にするために、定数 \(\exp \left( {j4\pi n_{o} d/\lambda } \right)\) は省略されています。この 3 相式では、実数変数 A1、A2、および A3 を変調することによって、特定の振幅と位相の変調が実現されます。一般に、位相遅延 Γ は 2π/3 の倍数になります。最適な複素変調条件を見つけるための θ1 と θ2 のパラメトリック研究により、θ1 = 0° および θ2 = 125° の偏光子と検光子のペアが最も広い複素変調ダイナミックレンジを達成することが明らかになりました。

図 2b は、複素平面における非対称の完全な複素変調範囲を示しています。これには、最大振幅 0.26 を示す赤色の円が含まれています。これは、提案されている 2 層 IPS SLM で光変調効率 6.7 パーセント以内の完全な複素変調が得られることを意味します。最大変調振幅は、η ≤ ηmax となるように ηmax で表されます。複素変調値 \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) が与えられた場合、実数部と虚数部の非線形方程式系を解くことで LC チルト角 (ϕ1, ϕ2) を求めることができます。式の (11) η ≤ ηmax の制約の下では、

ここで、FR(ϕ1, ϕ2) と FI(ϕ1, ϕ2) は実数部と虚数部の不一致によって定義されます。

MATLAB の fsolve ルーチンを使用して、IPS-LC の傾斜角 (ϕ1、ϕ2) を指定しました。特定のケースとして、完全な黒は \(F_{R} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = F_{I} \left( {\phi_{1 } ,\phi_{2} } \right) = 0\)、これは次のように表されます。

これは、 \(A_{1} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right) = A_{2} \left( {\phi_{1} ,\phi_{ 2} } \right) = A_{3} \left( {\phi_{1} ,\phi_{2} } \right)\)、つまり、ブラックモードの場合、A1、A2、および A3 は必要ありません。ゼロにする必要がありますが、ゼロ以外の値にすることもできます。複雑な変調メカニズムは、自由空間全体で複雑な光変調を可能にする二層 LC-IPS SLM の単一ピクセルレベルで証明されていることに注意してください。したがって、産業用 IPS パネル技術をうまく活用して複雑な SLM を実現できることを証明しました。

位相遅延 Γ は、複素変調ダイナミックレンジ全体の形状と最大変調効率を決定するための重要なパラメータです。 Γ の変動は、動作波長の偏差、セルギャップの偏差、光源や他の LC パネルの形状の入射角など、いくつかの物理パラメータによって引き起こされる可能性があります。複層 IPS SLM の複雑な変調効率と特性に関するさらなる理論的シミュレーションは、補足情報で実行されます。高速アドレッシングの場合、特定の離散サンプリング複素変調値 \(\eta_{m} \exp \left( {j\psi_{m} } \right)\) に対する (ϕ1, ϕ2) の数値データを次のように準備できます。ルックアップテーブルを使用し、変調ルックアップテーブルに基づいて数値補間を使用して、特定の \(\eta \exp \left( {j\psi } \right)\) の (ϕ1, ϕ2) を正確に抽出します。

実際の二層 IPS パネルは、提案された複素変調理論を実際に証明するための実験用に製造されました。 2枚の同一のIPSパネルを作製し、正確に位置合わせした状態で貼り合わせます。図3aは、作製した二層IPSデバイスと光学顕微鏡で撮影した写真画像を示しています。表1は、開発されたIPSディスプレイの基本パラメータを示し、図3bは、実験で使用されたIPS-LCパネルの、0（度）から35（度）の範囲の特定のLCチルト角に対するグレーレベル入力を示しています。。実験的なデモンストレーションでは、完全な変調に必要な入力がシミュレーション結果に基づいて求められます。 2π/3 ではなく Γ = 4π/3 を達成するために、LC パネルのセルギャップ d を 2.8 μm に設定します。リターデーション Γ = 4π/3 は 2π/3 の倍数であるため、三相式が維持され、同時にセルギャップが工業的に許容される値に近く設定されます。 360 度の位相変調に必要な LC チルト角のペアと、対応する動作電圧入力は、式 (1)、(2)、(3) を解くことによって計算されます。 (13)～(14)。図 3c は、一定の振幅で 360 度の位相変調を生成する φ1 と φ2 を示しています。逆に、一定の位相で振幅変調を得ることができます。このデータから、図 2b の完全複素変調に必要なグレーレベル入力のペアが見つかります。図 3d に示されているグレースケール入力は、360 度の全位相変調に対して取得されます。

(a) 作製した二層 IPS パネル (挿入図) とその光学顕微鏡画像。 (b) 入力階調と IPS-LC のチルト角の関係。 (c) 360 度位相変調に必要な二層 IPS パネルの IPS-1 および IPS-2 のチルト角、および (d) 360 度位相変調に必要な IPS-1 および IPS-2 のグレースケール入力。

ジョーンズ行列モデルで分析されたグレースケール入力ペアは、考案されたジョーンズ行列モデルを検証するための実験で使用されます。マッハツェンダー干渉計を使用して、設計されたデュアルレイヤー IPS SLM43 の変調特性を測定します。実験装置を図4aに示します。固体レーザー (532 nm Lighthouse Sprout-G) からの平行光は、信号アームと参照アームに分割されます。二層 IPS SLM は干渉計の信号アームに配置され、一対の偏光子は干渉計のアームに配置されます。リファレンスアームの送信パワーを細かく制御します。パワーが最適に調整された 2 つのライトアームが CCD で合流し、干渉パターンを生成して信号アームの位相遅延を観察できるようになります。図 4b は、上部と下部で構成される IPS1 と IPS2 の二重入力 2560 × 1600 グレースケール画像を示しています。測定された干渉パターンは、上部と下部に 2 つの特徴的なパターンがあります。下の干渉パターンは固定基準であり、上の干渉パターンは信号ビームの位相遅延に応じて横方向にシフトします。信号部は0～255の階調で入力し、基準部は黒（階調0）を入力し、信号部の位相遅れを測定します。

（a）二層IPSパネルの変調特性評価のためのマッハツェンダー干渉計の概略図（上のパネル）と実際のセットアップ（下のパネル）。 (b) 2 セクションのグレースケール入力画像と観察された干渉パターン、および測定された干渉パターンの正弦波近似プロセス。 (c) 二層 IPS パネルの完全な 360 度位相変調特性。

相対的な横方向のシフトを解釈することにより、信号アームの位相遅延を正確に決定できます。位相遅延抽出の信号処理は、干渉パターンの測定、ノイズ除去、干渉パターンの横方向のシフトを特定するための正弦波フィッティングの 3 段階のプロセスとして示されています。最後に、各部品の位相を固定の基準パターンと比較することで位相遅れを測定します。信号ビームの振幅と位相の独立した変調は、数値シミュレーションによって見つかったグレースケール入力値のペアを使用して実行されます。まず、結果は振幅に依存しない完全な 360 度の信号を検証します。設計されたデバイスでは位相変調が可能です。これは図 4c の極座標プロットに示されており、シミュレーション解析と比較するためにサンプリングされたいくつかの位相変調値が示されています。振幅変調は、完全な 360 (度) 位相変調の場合、ほぼ一定値に固定されます。

表 2 は、シミュレーションから得られたいくつかのサンプリングされた位相変調値と実験的な位相変調の比較を示しています。実際の変調間隔はシミュレーションの間隔とは異なり、シミュレーションのパラメータと実際に製造されたデバイスのパラメータとの間には無視できない差が存在する可能性があります。それにもかかわらず、完全な位相変調に達すると各入力は明確な位相遅延を示し、この誤差は主に実験システムの変動とノイズ除去プロセスの不正確さに起因すると考えられます。

次に、位相を維持しながら目的の振幅値を変更することにより、位相独立振幅変調がテストされます。予期せぬノイズ要因を最小限に抑え、より正確な結果を観察するには、振幅変動を最大範囲に制限する必要があります。変調円の最大半径はあらかじめ 0.26 に設定されていますが、特定の位相での最大振幅変調がそれを超える可能性があります。したがって、図 5 の挿入図に示すように、位相を 150 (度) に設定し、振幅値が 0 から 0.5 まで変化できるようにしました。強度を線形に変化させるには、所望の振幅値を二次関数的に増加させる必要があります。実験結果では、図 5 のプロットに示すように、強度 (左パネル) が直線的に増加しても、位相値 (右パネル) はほぼ一定のままです。

振幅変調の測定時に観察された二層 IPS-LC SLM の出力強度 (左パネル) と位相変化 (右パネル)。挿入画像は、振幅のみの変調機能を示すこの実験の直線の変調パスを示しています。

二層 IPS パネルによる完全な複雑な光変調が実験的に証明されているため、二層 IPS パネルの複雑な空間光変調機能をさらに検証するために、本物の複雑な計算機生成ホログラム (CGH) が設計および表示されます。 CGH実験は2種類セットになっています。前者は、複素 CGH、振幅のみの CGH、および位相のみの CGH44 の回折パターン合成の実験的比較です。回折パターンのノイズが除去されていれば、複雑な空間光変調が可能であることが証明されるため、単純な回折パターンを設計し、2層IPSパネルが不要なノイズを発生するかどうかを調査します。実験装置を図6aに示します。平面波は、偏光子、SLM、検光子、フーリエレンズを順番に通過し、CCD 面上に単純な回折パターンを生成します。回折パターンのノイズ項を明確に観察するために、最初のフーリエ面と CCD 面の間に DC ノイズ除去フィルターを追加しました。図6bに示す2番目のセットアップは、深さの異なるオブジェクトの3次元CGH画像合成用であり、調節効果の検査を可能にします。

(a) 光学フーリエ変換テストのセットアップ、および (b) 3D ホログラフィック画像形成テストのセットアップ。実験システムの概略図 (上のパネル) と実装 (下のパネル) を示します。

完全な複雑な変調は、究極のホログラフィック 3D ディスプレイの機能と考えられています 14,45。一般的なセットアップは、単側波帯振幅 SLM または位相限定 SLM に基づくホログラフィック 3D ディスプレイです。前述したように、固有の光学ツインノイズは、ホログラフィックディスプレイ技術の進歩を根本的に妨げてきました。ここでは、提案された二層 IPS パネルを使用して、複雑なホログラフィックイメージフィールドの生成を実証します。図6bでは、CCDは、真の複雑なホログラフィック表示のデモンストレーションのために、中間光学フィルタなしでSLMからの光学シーンを認識します。回折パターンの観察と他の変調方式との比較のために、「KU」の文字が付いた CGH が設計されています。設計されたファーフィールド CGH の複雑な光情報はすべて、角スペクトル法を使用して数値計算されます。次に、CGH は、振幅変調、位相変調、複素変調という 3 つの変調方式で処理されます。 CGH の最大振幅は、デュアル IPS 変調範囲に収まるように、すべての方式で 0.2 に正規化されます。振幅変調方式では、計算された CGH の振幅情報のみが取得され、入力パターンに寄与します。この入力画像は、デュアルレイヤー IPS とまったく同じパラメータを持ち、クロスポール条件を備えた単一の IPS パネルに入力されます。図 7a と図 7d は、それぞれ振幅変調を使用したシミュレーションと観察された遠距離場分布を示しています。位相変調方式の場合、各ピクセルの位相情報のみが取得されます。シングル IPS パネルでは 360 度の位相変調を実現できないため、位相 CGH がデュアル IPS パネルに組み込まれます。対応する位相値のデュアル IPS チルト角が取得され、入力パターンに寄与します。ここで、デュアル IPS は位相限定モードとして機能し、振幅を変化させません。図 7b と図 7e は、それぞれ位相変調を伴うシミュレーションと観察された遠距離場分布を示しています。一方、二層 IPS システムによる複素変調では、対応する複素情報の二層 IPS チルト角が計算されて、一対のグレースケール画像が得られます。このグレースケール画像ペアは二層 IPS パネルへの入力として使用され、CGH 画像がシステムで観察されます。図 7c、f はそれぞれ、複素変調を伴うシミュレーションと観察された回折パターンです。

CGH の光学フーリエ変換の数値シミュレーション (a ～ c) および実験 (d ～ f): (a、d) 振幅のみの CGH (b、e) 位相のみの CGH、および (c、f)複雑な CGH。 DC ノイズ除去フィルターを使用して、共役ノイズの低減を明確に観察しました。

いずれの方法でも直流ノイズを抑えて観察しているため、違いがより顕著に現れます。その結果、観察された画像では、複素 CGH では共役ノイズがほとんど観察されないことがわかりました。視野の下部領域にかすかな双子の画像が表示されますが、入力値が連続的ではなく離散的なグレーレベルであるため、わずかな変調誤差が原因である可能性が高くなります。ただし、共役雑音が顕著な振幅 CGH に比べれば誤差は無視でき、十分な変調能力が得られていると考えられる。位相 CGH の場合、完全な黒状態を達成するのは実際には困難であり、明確なバックグラウンドノイズが観察されることがよく知られています。この結果は、提案された二層 IPS システムが複雑な CGH に対して真に有効な方法であることを示しています。

次に、4 つの深さのレイヤーオブジェクトを表す CGH を設計し、調節効果を観察しました。図8aに示すように、4層画像はそれぞれフィールドレンズから0cm、12cm、20cm、30cmの距離に位置しています。 CGH は、図 6b25、45 で説明した設定に基づいて計算されるカスケードフレネル変換を通じて計算されます。計算された CGH の結果として生じる振幅と位相の分布が図 8b に示されており、デュアル IPS 複素 CGH が生成されて複素分布が実現されます。デュアル IPS 複合 CGH の生成に関する簡単な説明は補足情報にあります。

(a) ターゲット深度画像と 4 レベル CGH のそれぞれの焦点距離。 (b) 計算された CGH の振幅 (左パネル) と位相 (右パネル) の分布。

図 9 は、設計された CGH 画像の調節効果を示しています。観察結果 (右のパネル) では、数値シミュレーション (左のパネル) で予想されたように、対応する深度を持つ画像が鮮明になりますが、他の画像は焦点が合っていなくぼやけています。どの深さでも共役ノイズは観察されず、DC ノイズ除去のための追加のフィルターシステムは使用されませんでした。

0 cm (a、b)、12 cm (c、d)、20 cm (e、f)、および 30 cm の焦点における設計された複合 CGH のシミュレーション (左パネル) および観察 (右パネル) のホログラフィック画像(g、h)。追加のビデオでは、デバイスの動的な動作が示されています (視覚化 1)。

この実験では、非回折性の制御不可能な成分 DC が背景全体に広がっているように見えます。最初の実験では DC が点に焦点を合わせていますが、2 番目の実験では DC が背景全体に広がり、コントラスト比が低下していることに注意してください。この結果により、提案された二層 IPS システムを使用した複雑な CGH の利用可能性が確認されます。 DCのさらなる低減と伝送効率の向上には、二層IPSパネルのアーキテクチャ設計レベルでのさらなる研究開発が必要です。結果に示されているように、二層 IPS LC モードと三相複素変調理論を使用して、本物の複素 CGH を設計および観察することができました。バックグラウンドノイズも、2 つの IPS パネル間で発生するクロストークに起因すると考えられます。理想的な状態では、最初の IPS 層の開口部からの出力はすべて 2 番目の IPS 層の対応する開口部に入りますが、開口部から回折が発生し、出力の一部が対応する開口部に入らずにクロストークノイズになります。。実験に使用した2層IPSパネルは、2つの活性層間のギャップが1000μmであるため、回折が発生し、クロストーク効果が発生するだけでなく、光効率も低下します。より薄いガラス層を使用して活性層間のギャップを減らすと、より良いパフォーマンスが得られる可能性があります。 2枚のパネルの間にマイクロレンズアレイ層を挿入するか、ガラス層を光ファイバー層に置き換えることも、バックグラウンドノイズを低減し、光効率を高めるために考慮される可能性がある。

光効率が低いという問題は、LC ディスプレイのパラメータを改善することで実験的にも理論的にも改善できる可能性があります。実験で使用された IPS-LC ディスプレイの光透過率は 7.36 パーセントで、これは 2 層 IPS の光透過率が 0.54 パーセントであることを意味します。ただし、より高い透過率のディスプレイを使用すると、光効率の向上は個々のパネルの透過率の向上の 2 乗に比例します。ここで、ポイントごとの光配向技術 46 も効率を向上させる鍵となる可能性があります。さらに、変調範囲を広げることで光効率も向上する可能性があります。デバイスの最大 LC チルト角は、現在 33.28 (度) に制限されている変調範囲を大幅に変更する可能性があり、最大チルト角が増加するにつれて最適な変調条件を再計算できます。最大傾斜角を増加させた変調条件のシミュレーション結果を補足情報に示します。入射光の波長 λ が変化すると、Γ の値が変化します。今回の研究は 532 nm の光の条件下で実施されましたが、他の波長範囲でも最適な条件が見出されれば、より良い変調条件が得られる可能性があります。さらに、単一のデバイスパラメータで赤、緑、青の波長で特定の共通の変調範囲が達成されれば、この範囲でRGBフルカラー複合変調が可能になります。デュアルツイスト液晶ポリマー47を用いた光回折技術の応用も、フルカラー光変調の実現に有効と考えられる。

複雑な空間光変調は、広大な産業分野の中核技術となりつつあります。特に、透過型複合ＳＬＭは、小型フォームファクタの観点から、ホログラフィックＡＲ技術などの特定のディスプレイ用途に有利である可能性がある。さらに、フィールド全体をカバーする複雑な変調は、ディスプレイだけでなく波動光学システムの他のアプリケーションにとっても重要な技術であり、従来の方法では実現が困難です。この論文では、二層 IPS-LC モードの単一ピクセル複合空間光変調機能が理論的および実験的に実証されました。完全に複雑な光変調は、二層 IPS デバイス、偏光子、検光子のみで構成される非常にコンパクトなシステムで実現されます。二層 IPS 液晶パネルのプロトタイプは産業界の協力によって製造されました。このパネルはシミュレーションを通じて実証されるだけでなく、製造されたデバイスを使用して実験的にも実証され、3次元ホログラフィックディスプレイ技術に直接適用できることが証明されました。さらに、本稿で示した変調範囲はこのシステムの基本的な制限ではないため、補足情報に示すように、LC パネルの仕様を変更するだけで複雑な光変調特性を向上できることが期待されます。液晶パネル構造のさらなる最適化と併せて、複雑な空間光変調特性の精密な測定・検査方法の標準化により、複雑な変調効率を向上させます。さらに縮小されたアーキテクチャ上で提案された二層 IPS LC モードを通じて RGB フルカラー複合 CGH を達成することが、私たちの次の研究の目標となります。

調査結果を裏付けるすべてのデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、LG Display Co. と Samsung Electronics の Samsung Research Funding & Incubation Center (SRFC-TB1903-05) の支援を受けました。

高麗大学校電気工学部ディスプレイ・ナノシステム研究室、145、Anam-ro、Seongbuk-gu、Seoul、02841、Republic of Korea

チャン・ソンウ、ハム・サンウォン、チュ・ビョングォン

高麗大学校電子情報工学部、世宗キャンパス、世宗、30019、大韓民国

チェ・ウォヌ、キム・スビン、イ・ジョンヒョン、ナ・セファン、キム・フィ

大韓民国江西区馬谷中央10番街30 LGサイエンスパークE2ブロックLGディスプレイ

ジュソン・パク＆フン・ガン

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HK、SJ、BJ は研究の構想と設計に貢献しました。 WC、SK、JL、SN、SH は実験セットアップを構築し、CGH 設計を準備しました。 JP と HK は、デュアル IPS デバイスのサンプルの準備をサポートしました。 SJ と WC はデータの取得と分析に貢献しました。 SJ と HK が原稿を作成しました。すべての著者は原稿を批判的に修正し、作品の完全性と正確性を確保することに完全な責任を負うことに同意し、最終原稿を読んで承認しました。

ビョングォン・ジュまたはフィ・キムへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Jang, SW.、Choi, W.、Kim, S. 他二層面内スイッチング液晶パネルの複雑な空間光変調機能。 Sci Rep 12、8277 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12292-4

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受信日: 2022 年 1 月 30 日

受理日: 2022 年 5 月 9 日

公開日: 2022 年 5 月 18 日

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

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