基于SLM调制器，MIT研发高效率全息显示方案

Esther | 编辑

此前，青亭网曾报道过NVIDIA、三星、剑桥大学等对空间光调制器（SLM）全息方案的探索。空间光调制器可调节光波的空间分布，在电驱动信号控制下，可改变光在空间中传播的振幅、强度、相位、偏振态等特性，从而形成全息影像。自动驾驶汽车的LiDAR传感器也使用了空间光调制器来进行扫描，大脑扫描仪也使用它来穿透组织查看大脑，好处是成像分辨率更高，且不受活体组织动态波动噪声（血液流动）影响。

相比于现有的机械光学方案，空间光调制器对空间成像的速度约快一百万倍。

近期，MIT也公布了一项SLM全息研究，这项新研究号称可快速控制光束，速度超越以往的方案，这意味着3D显示的延迟将大大降低。

MIT科研人员表示：生成独立的3D全息图（无需背板）需要能精确、快速的控制光，而这超出了液晶、微镜等传统显示技术的能力。于是，该科研团队经过四年多时间，解决了高速调节光线的问题，并且设计了一种可编程的无线化方案，该方案可将光线聚焦在特定方向，还可以操控光的强度，从而实现全息效果。号称比商业设备要快几个数量级。

此外，科研人员还为这个全息方案创建了配套的制造工艺，可保证大规模生产的质量。

SLM全息方案原理

科研人员表示：自古以来，如何控制光是一个反复出现的研究课题，我们的SLM方案在空间和时间上都可以控制光，并且适用于多种场景，进一步推动了光学研究发展。

原理方面，由于SLM是一种通过控制光的发射特性来操纵光的装置，它的光路与高射投影仪或计算机屏幕类似，都是将通过的光束转变，使其聚焦在一个方向或将其折射到多个位置，形成全息图像。

在SLM模组内部，使用了二维光调制器，用于控制光线传播。光的波长只有几百纳米，因此需要高速、精准的控制，因此需要密集的纳米级控制器阵列。于是，MIT科研人员采用了一系列光子晶体微腔/光子晶体谐振器，它们的特点是可以在波长范围内储存、操控和发射光。

当光束进入SLM空腔时，大约会停留一纳秒，在这短暂的时间内会在内部反弹约10万次以上。虽然纳秒只有十亿分之一秒，但这个时间足以让设备精确地操纵光。通过改变空腔的反射率，研究人员可以控制光离开的路径。如果同时操控整个控制器阵列，便可以调节整个光场，这样就可以快速、准确的控制光束。

科研人员表示：这个设备的特殊之处在于，它采用了特殊设计的辐射模式，因此光线经过腔内反射后，都可以聚焦，从而提升整体光学性能。从本质上来看，这实际上是一种理想的光学天线。

为了实现这样精密的设计，科研人员还开发了一种新的算法，用于设计光子晶体器件，这个器件的作用是确保从腔体逸出的光线都能汇聚成窄光束。

使用光来控制光

据了解，这项全息方案采用了Micro LED显示屏（LED-on-CMOS）作为光源，而这个LED屏幕也能够控制LED。LED像素与硅晶片上的光子晶体对齐，因此一个点亮的LED可调节单个微腔。当激光击中激活的微腔时，微腔根据LED发出的光对激光做出不同的响应。

另一方面，使用LED控制意味着显示阵列可编程，而且可重新配置，并且无线化设计。这相当于一种完全由光控制的过程，无需金属线来传输信号，因此多个设备可以更加靠近，不用担心互相之间吸收或干扰，也就是说，可扩展性好。

在批量制造方面，科研人员希望使用现有的集成电路制造工艺（300毫米晶圆），实现对全息方案的量产。而由于该方案采用微米级空腔，需要将制造误差降低到最小，于是科研人员与美国空军研究实验室合作，开发了一种高精度的大规模制造工艺，可在12英寸的硅晶片上冲压出数十亿个空腔，然后通过后续处理步骤，来确保微腔在相同的波长下工作。

此外，还发明了一种基于机器视觉的全息修整新技术。这个修整过程，指的是研究人员将激光照射到微腔上，原理是激光将硅加热到1000摄氏度以上，形成二氧化硅或玻璃。根据这一原理，研究人员创建了一个系统，可以同时用同一束激光轰击所有空腔，并添加一层玻璃，以完美对齐共振，实现空腔振动的自然频率。

科研成果

这项技术在空间和时间上几乎可以完美控制光场，其时空带宽比现有的SLM技术要大10倍，而更大的带宽和更精确的控制可以快速的传输大量信息，将全息显示与高性能通信系统结合。

接下来，科研人员计划进一步扩大SLM全息设备的规模，并加入量子控制或超高速传感和成像模组。

据悉，这项研究受到了美国多家基金会资助，包括赫兹基金会、NDSEG 奖学金计划、施密特博士后奖、以色列 Vatat 奖学金、美国陆军研究办公室、美国空军研究实验室、英国工程和物理科学研究委员会、皇家工程学院等等。