Zwei Hologramme in einer Oberfläche

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Eine Forschergruppe am California Institute of Technology (Caltech) hat eine Möglichkeit gefunden, ohne Verlust an Auflösung mehr als ein holografisches Bild in einer einzigen Oberfläche zu kodieren. Die Arbeit widerlegt eine lange gehegte Annahme, dass eine Oberfläche nur ein einziges Bild projizieren könne, unabhängig vom Winkel des Lichteinfalls.

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Eine Forschergruppe am California Institute of Technology (Caltech) hat eine Möglichkeit gefunden, ohne Verlust an Auflösung mehr als ein holografisches Bild in einer einzigen Oberfläche zu kodieren. Die Arbeit widerlegt eine lange gehegte Annahme, dass eine Oberfläche nur ein einziges Bild projizieren könne, unabhängig vom Winkel des Lichteinfalls.

Das Verfahren gründet auf der Fähigkeit einer sorgfältig konstruierten Oberfläche, Licht abhängig vom Einfallswinkel unterschiedlich zu reflektieren. Hologramme sind dreidimensionale Bilder, in zweidimensionalen Oberflächen kodiert. Wenn die Oberfläche mit einem Laser belichtet wird, scheint das Bild herauszutreten und wird sichtbar. In herkömmlichen Anordnungen ist der Winkel, in dem das Licht auf die Fläche trifft, unwichtig, dasselbe Bild bleibt sichtbar. Gleichgültig, wie die Oberfläche angestrahlt wird, lässt sich nur ein Hologramm erzeugen.

Unter der Leitung von Andrei Faraon, Assistant Professor für angewandte Physik und Materialwissenschaften an der Division of Engineering and Applied Science, hat die Gruppe Siliziumoxid und Aluminium-Oberflächen mit Millionen winziger Siliziumstäbchen, jedes nur einige hundert Nanometer groß (ein menschliches Haar misst 100‘000 Nanometer). Jedes der Nanostäbchen reflektiert das Licht bedingt durch Variationen in Form und Größe und abhängig vom Winkel des eintreffenden Lichts unterschiedlich.

Die letztgenannte Eigenschaft ermöglicht es jedem Stäbchen als Pixel in mehr als einem Bild zu fungieren: zum Beispiel als schwarzes Pixel, wenn das Licht im Winkel von 0 Grad auftrifft oder als weißes bei einem Winkel von 30 Grad. Jedes der Pixel könne eine doppelte Aufgabe erfüllen, so Faraon. Somit lasse sich bei gleichbleibender Auflösung mehr als ein Bild in der Oberfläche kodieren, Senior Author des Papers, das in Physical Review X am 7. Dezember erschienen ist. Frühere Versuche, zwei Bilder in einer Oberfläche zu kodieren, liefen darauf hinaus, die Pixel für das eine Bild neben jene für das andere anzuordnen. Diesmal seien jedoch alle Pixel für jedes Bild verfügbar.

Um das Verfahren zu demonstrieren, haben Faraon und Graduate-Student Seyedeh Mahsa Kamali, eine Oberfläche entwickelt, die, wenn mit einem Laser beleuchtet im Winkel von 0 Grad ein Hologramm des Caltech-Logos erzeugt, bei einem Winkel von 30 Grad ein Hologramm des Department of Energy-funded Light-Material Interactions in Energy Conversion Energy Frontier Research Center, an dem Faraon als wissenschaftlicher Projektleiter agiert.

Der Prozess erwies sich als arbeitsintensiv. Kamali erklärt: „Wir erstellten eine Bibliothek mit Nanostäbchen mit den Informationen darüber, wie jede Form das Licht aus verschiedenen Winkeln reflektiert. Darauf basierend haben wir die beiden Bilder simultan Pixel für Pixel zusammengesetzt.“

VR-Headset als mögliche Anwendung

Theoretisch wäre es sogar möglich, drei oder mehr Bilder in einer einzigen Oberfläche zu kodieren, aber ab einem gewissen Punkt sind fundamentale und praktische Grenzen erreicht. Die möglichen Einsatzgebiete des Verfahrens sehen die Entwickler in Verbesserungen für Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Headsets. Faraon spricht jedoch von einem langen Weg bis zur Markteinführung. Immerhin sei es eine wichtige Demonstration dessen, was möglich sei.

Paper: „Angle-Multiplexed Metasurfaces: Encoding Independent Wavefronts in a Single Metasurface under Different Illumination Angles.“ Die Co-Autoren neben Faraon und Kamali sind:  Ehsan Arbabi, Yu Horie, Mohammad Sadegh Faraji-Dana; und Amir Arbabi von der University of Massachusetts Amherst. Die Arbeit wurde unterstützt vom Department of Energy, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und Samsung Electronics.

Bild: Rendering: Um das Verfahren zu demonstrieren, haben Faraon und Graduate-Student Seyedeh Mahsa Kamali, eine Oberfläche entwickelt, die, wenn mit einem Laser beleuchtet im Winkel von 0 Grad ein Hologramm des Caltech-Logos erzeugt, bei einem Winkel von 30 Grad ein Hologramm des Department of Energy-funded Light-Material Interactions in Energy Conversion Energy Frontier Research Center, an dem Faraon als wissenschaftlicher Projektleiter agiert. Credit Andrei Faraon/Caltech

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