Метаповерхность нового поколения улучшит AR, VR и LiDAR

Современные технологии дополненной (AR) и виртуальной реальности (VR), а также системы LiDAR (Light Detection and Ranging — лазерная система дистанционного зондирования), стремительно развиваются. Однако их дальнейший прогресс во многом зависит от способности точно и быстро управлять светом. Именно свет формирует изображение в гарнитурах виртуальной реальности и позволяет лазерным системам создавать трехмерные карты окружающего пространства. Ключевым элементом таких устройств являются пространственные модуляторы света (SLM — Spatial Light Modulators).

SLM представляют собой устройства, способные динамически изменять параметры световой волны: её фазу, амплитуду и направление распространения по множеству пикселей. Это позволяет формировать сложные световые картины, включая голографические изображения. В большинстве существующих систем используются жидкие кристаллы — вещества, находящиеся в промежуточном состоянии между твердым телом и жидкостью. Несмотря на широкое применение, такие решения имеют серьезные ограничения. Они уступают в скорости обновления изображения и плотности пикселей, что особенно критично при создании качественных трёхмерных голограмм.

Группа исследователей из Huazhong University of Science and Technology разработала принципиально новую метаповерхность — ультратонкую наноструктурированную поверхность, способную управлять светом на субмикрометровом уровне. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology. Созданная метаповерхность легла в основу нового пространственного модулятора света, который способен значительно повысить производительность AR, VR и LiDAR-систем.

В своей работе учёные подчёркивают, что растущие требования к голографическим дисплеям и системам дистанционного зондирования требуют SLM с высокой плотностью пикселей и сверхбыстрой частотой обновления. Однако существующие жидкокристаллические и даже ранние метаповерхностные решения по ключевым параметрам — таким как пространственно-временная плотность, угол обзора и скорость обновления — пока существенно отстают от практических требований.

Новая разработка представляет собой оптически управляемый SLM, состоящий из независимых настраиваемых «метаатомов», объединённых в суперячейки с шагом всего 756 нанометров. В отличие от традиционных устройств, где управление осуществляется электрическими сигналами, в данном случае настройка производится с помощью света. Это позволило уменьшить размер пикселя до субмикрометрового масштаба и достичь пространственно-временной плотности 2,3 × 10¹² пикселей·с⁻¹·см⁻² — значения, которое соответствует порогу, необходимому для реализации «настоящей» голографии в реальном времени.

В ходе экспериментов исследователи продемонстрировали возможность создания голографии с управлением как фазой, так и амплитудой световой волны, трёхмерной фокусировки и отклонения светового луча в пределах угла обзора ±20,6° в видимом диапазоне спектра. При тестировании устройство показало существенное превосходство над традиционными SLM, формируя более чёткие и реалистичные 3D-изображения, несмотря на меньшие размеры.

Потенциальные области применения разработки весьма широки. В сегменте AR и VR новая технология может привести к появлению более компактных и энергоэффективных дисплеев с высоким разрешением, обеспечивающих глубокое погружение пользователя в цифровую среду. Это особенно важно для создания «настоящих» голографических гарнитур, где изображение воспринимается максимально естественно.

Не менее перспективно применение в LiDAR-системах. Такие системы используют короткие лазерные импульсы для измерения расстояний до объектов и построения детализированных трёхмерных карт. Повышение скорости и точности управления светом позволит улучшить разрешающую способность сенсоров, что имеет значение для автономного транспорта, робототехники и систем дистанционного мониторинга.

Исследователи отмечают, что достигнутые результаты могут стать отправной точкой для дальнейшего развития нанофотоники. Новая архитектура метаповерхностей способна вдохновить инженеров на создание ещё более быстрых и точных устройств управления светом. В перспективе это может существенно изменить подход к созданию дисплеев, сенсоров и оптических систем следующего поколения.