Поделиться

Поиски различных способов демонстрации объёмного движущегося изображения «в воздухе» без необходимости применения очков и каких-либо других надеваемых приспособлений активизировались в последние годы как никогда. По сути, всё созрело для появления массовой культуры потребления стереокино вне 3D-кинотеатров: имеются мощные средства для съёмки и производства контента, достаточно производительное и экономичное «железо», талантливый софт и даже ряд соответствующих стандартов с учётом рекомендаций медиков.

Нет до сих пор лишь самого важного: простого и надёжного способа показа этой самой объёмной картинки. Разумеется, тот, кто первым захватит эту нишу с качественной и легко масштабируемой технологией, гарантированно получит весьма и весьма приличные дивиденды. Потому и внимание к этой тематике сейчас как никогда велико.

Основная сложность на пути разработчиков подобных технологий отображения объёма заключается не только в получении 3-мерного изображения с достаточно «убедительной» глубиной. Проблемой по-прежнему остаётся получение стабильного объёмного цветного изображения с такой скоростью обновления кадров, чтобы можно было уверенно говорить о создании видеоряда.

Особенно этот пункт важен для исследователей в области голографии, ибо здесь в большинстве случаев на сегодняшний день стабильность удаётся обеспечить с большим трудом, и то – с большими оговорками по масштабу картинки, битрейту и так далее. Дело в том, что в процессе сохранения голограммы применяется когерентное излучение лазера. Так вот, размер пикселей, формируемых в процессе воссоздания голографической записи с помощью дифракционной решётки, должен быть соизмерим с длиной волны излучаемого лазером света, точнее.

Именно с этим у современных дисплейных голографических технологий как раз беда: большинство из них попросту не в состоянии обеспечить воспроизведение пикселей достаточно малых размеров ввиду жёсткой привязки к характеристикам используемых модуляторов, которые на нынешнем технологическом уровне весьма недёшевы, имеют относительно низкую полосу пропускания, малый угол дифракции, слабую масштабируемость, а вдобавок ещё и добавляют шум квантования.

Артефакты современной голографии
Артефакты голографической стереограммы с ЖК или кремниевым модулятором

Однако жизнь налаживается. Очередной прорыв в области воспроизведения голограмм с видео битрейтом был сделан недавно исследователями под руководством Дэниела Смолли (Daniel Smalley) из медиа-лаборатории Массачусетского технологического (Object Based Media Group within the MIT Media Lab at the Massachusetts Institute of Technology, MIT) в Кембридже, Мэриленд. Идея заключается в использовании новых способов пространственной модуляции света, достаточных для воссоздания полноцветной голографической видеозаписи. При этом, результат достигается значительно дешевле, чем с помощью любой современной технологии для работы с монохромной видео-голограммой.

Результаты работы исследователей описаны в статье Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays, недавно опубликованной в журнале Nature (№498, 313–317, доступ к файлу платный). Предлагаемые учёными модуляторы для голографических видео дисплеев, использующие анизотропные оптические ответвители с модами утечки (anisotropic leaky-mode couplers), просты и очень дёшевы при массовом производстве. Более того, подобные модуляторы обладают уникальным свойством диапазонного мультиплексирования длины волны, что крайне необходимо для цветных дисплеев. В результате появляется возможность реализовать на практике все три ключевые функции, необходимые для создания недорогой и производительной платформы для цветного голографического дисплея, а именно: вращение плоскости поляризации, расширенную угловую дифракцию и цветовую фильтрацию диапазонов частот.

Суть метода основана на совершенно ином способе создания пространственно-световой модуляции под названием «акустически-оптическая модуляция» (Acousto-Optic Modulation, AOM). Технология предполагает использование специальным образом сформированных звуковых волн, которые затем направляются на полотно прозрачного материала.  Акустические волны сжимают и растягивают материал, и в результате периодических колебаний у материала изменяется уже его оптическое свойство – индекс преломления.  Световые узоры, созданные таким образом, взаимодействуют далее с пропускаемым через материал лучом лазера и в результате формируются те самые искомые дифракционные полосы.

Технология пространственно-световой модуляции «акустически-оптическая модуляция» (Acousto-Optic Modulation, AOM)
Структура и функции массивов модуляторов технологии AOM

Стивен Бентон (Stephen Benton), изобретатель методики AOM, в своих работах над первым прототипом использовал достаточно крупный кристалл диоксида теллура, что само по себе отнюдь не дёшево, и вдобавок не позволяет достичь приемлемого для современного телевидения разрешения картинки. Команда исследователей Смолли использовала для этих же целей кристалл ниобата лития значительно меньших размеров. В результате специальной предварительной обработки с применением оксида кремния и классической методики фотолитографии с обработкой фоторезистом и последующим травлением, на поверхности пластины из ниобата лития формируются микроскопические волноводные каналы (так называемые протон-обменные волноводы), которые служат в качестве направляющих световодов для световых волн. Металлические (алюминиевые) электроды, расположенные на концах волноводных каналов, служат для формирования акустических волн в кристаллическом материале.

Каждый световод соответствует одному ряду пикселей финального изображения, и, соответственно, пространственный модулятор света формируется из множества подобных рядов. В отличие от прототипа Бентона, где кристалл диоксида теллура должен был быть достаточно крупным, чтобы получаемые с его помощью звуковые волны для формирования голограммы действительно были разделены друг от друга, в новой разработке волноводы и соответствующие им электроды могут располагаться с какой угодно плотностью, вплоть до шага в единицы микрон.

Поляризационное вращение для снижения шумов
Поляризационное вращение для снижения шумов

В процесс работы лучи красного, зелёного или синего цвета проходят по световодам, и частота звуковой волны, проходящей сквозь кристалл, определяет, какие цвета будут переданы и какие будут блокированы. Более того: для формирования промежуточных цветов палитры – например, фиолетового, получаемого при смешении красного и синего, отнюдь не требует раздельных световодов для каждого цвета, для этого потребуется всего лишь иной звуковой «узор».

Освещение световодов для широкой угловой дифракции
Освещение световодов для широкой угловой дифракции

Обычно для оценки качества отображения объёмной голографической картинки используют такой параметр как фактор «ширины полосы пропускания по пространственным частотам» (space-bandwidth, SB). Иными словами, фактор SB – это «ёмкость» голографического видео дисплея, зависимость между числом пикселей дисплея и поддерживаемой им пространственной частотой. Чем выше показатель фактора SB, тем большее количество пикселей способен отображать дисплей при одновременном уменьшении размеров самих пикселей. У модуляторов, разработанных командой Смолли, фактор SB достигает 500, и это очень высокий показатель на сегодняшний день.

Диапазонное мультиплексирование длины волны для цветных дисплеев
Диапазонное мультиплексирование длины волны для цветных дисплеев

Исследователи подчёркивают, что основным преимуществом разработанного ими метода получения объёмного цветного голографического видео является применение световодов, производство которых для современной оптоэлектронной отрасли является обычным недорогим и массовым явлением. Таким образом, на сегодняшний день можно точно сказать, что все предпосылки для разработки массовой коммерческой версии голографического видео дисплея уже на руках, по крайней мере, ни одного белого пятна в технологиях не осталось, дело лишь за разработкой техпроцесса.

Голографические стереограммы с одним световодным модулятором
Голографические стереограммы, полученные с одноканальным анизотропным световодным модулятором, 35 х 20 мм

Чтобы не быть голословными, учёные представили в подтверждение своей теории работающий прототип цветного голографического дисплея на базе технологии AOM. Несмотря на то, что это всего лишь единичный лабораторный образец, дисплей способен воспроизводить картинку с качеством, сравнимым с обычным телевизором стандартного разрешения, со скоростью обновления кадров до 30 раз в секунду. Блок-диаграмма оптической сканирующей системы этой установки, схематическая конструкция и внешний вид установки приведены ниже.

Стереоскопический голографический видео монитор, подключенный к ПК
Стереоскопический голографический видео монитор, подключенный к ПК

В заключение хотелось бы ещё раз отметить, что стоимость производства оптического устройства, являющегося «сердцем» такого дисплея, крайне мала, а само устройство имеет достаточно простую монолитную конструкцию. Разработчикам метода, к примеру, удалось создать оптический блок прототипа, используя лишь возможности МТИ. И если вся затея, по их утверждению, обошлась им в сумму менее , можно только представить, до каких «копеек» упадёт себестоимость блока при заводском конвейерном производстве.

Тем не менее, ни о каких конкретных сроках появления цветных голографических дисплеев на прилавках магазинов речи пока не идёт: учёные всегда крайне осторожны с такими прогнозами. Будем надеяться, что разработчикам этой интересной перспективной идеи удастся найти достаточно влиятельного и состоятельного производственного партнёра для коммерциализации своей разработки.