革命性OLED-超表面技术旨在重新定义3D视觉

革命性OLED-超表面技术旨在重新定义3D视觉

一项新的研究在全息图像投影领域取得了突破性进展，其潜在应用涵盖娱乐、游戏、通信和智能设备。

全息技术长期以来一直是科幻小说的标志性元素，如《星球大战》和《银翼杀手2049》利用全息图展现了先进技术和未来主义元素。

这种用于创建交互式3D视觉的技术长期以来吸引着工程师和科学家的兴趣，但将其变为现实并非易事。

全息技术允许记录和重建波前，提供了一种无需使用镜头即可创建独特摄影3D图像的方法。

然而，传统全息投影仪需要庞大的光学设置和外部相干光源，这限制了其使用范围。因此，圣安德鲁斯大学的研究人员在纳米光子学与显示技术的交叉点上推出了一种革命性方法，将OLED直接与超表面集成。

“全息超表面是控制光线的最通用的材料平台之一。通过这项工作，我们消除了阻碍超材料在日常应用中采用的技术障碍之一。这一突破将为全息显示的架构带来革命性变化，例如在虚拟现实和增强现实等新兴应用中。”

——安德里亚·迪·法尔科（Andrea Di Falco），物理与天文学学院纳米光子学教授

这项技术详细描述的研究论文题为“OLED照明的超表面用于全息图像投影”，发表在《Light: Science & Applications》上。

有机发光二极管（OLED）是一种薄膜光电器件，具有广泛的可调性、重量轻和制造简单等特点，这使其在当今的手机和电视显示屏中得到广泛应用。

全球OLED市场规模预计将从2024年到2030年以19.4%的复合年增长率增长，达到1528.3亿美元。

作为一种表面光源，OLED还被用于传感、生物光子学和无线通信，其与其他技术的集成能力使其成为小型化光子平台的理想选择。

对于显示器和新兴应用，控制OLED远场发射非常重要，但最新研究指出，当前研究的重点主要集中在调整电致发光（EL）光谱和发射方向性上。

问题在于，精细调整远场发射特别具有挑战性，并且受限于OLED的低空间相干性。

但最新研究表明，通过将单一OLED与全息超表面结合，实际上可以投影高分辨率图像。这种超表面-OLED投影仪使研究人员能够直接操控远场发射，从而在屏幕上显示全息图像。

这一新平台为全息显示提供了无与伦比的控制，扩展了光学工程和视觉体验的极限。研究人员相信，他们的演示为实现高度集成和小型化的超表面显示提供了一种途径。

OLED用于全息图像投影

半导体是电子设备的重要组成部分，推动了从通信、医疗、运输到计算、清洁能源、军事系统等众多领域的进步。

通过精确控制电流，半导体使现代电子设备的功能得以实现。

半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。通过掺杂工艺可以控制半导体的属性。

半导体根据其材料组成、结构和导电方式可分为不同类型。

首先，内在半导体是没有任何显著杂质的纯半导体，如硅（Si）和锗（Ge），而外在半导体通过掺杂杂质来控制导电性。N型半导体掺杂了增加额外电子的元素，而P型半导体掺杂了产生“空穴”或正电荷载体的元素。

根据结构，半导体有非晶半导体（原子排列无序）、多晶半导体（由多个小晶体组成）和单晶半导体（具有完美的晶体结构）。

根据材料组成，半导体可以是无机的，通常是如砷化镓（GaAs）和磷化铟等晶体固体，或是有机的，由碳基分子或聚合物制成。混合半导体结合了有机和无机材料以提升性能，如用于下一代太阳能电池和光电探测器的钙钛矿。

有机半导体的卓越光电特性使其非常适合用于显示器、光伏和激光应用。它们在OLED显示器中的应用是最成熟的。

OLED以其灵活的形状和卓越的图像质量而闻名。然而，与激光相比，OLED的输出功率密度较低，导致全息图像亮度较低。

然而，灵活性、简单制造以及在同一基板上并排创建大量不同颜色像素的能力，使OLED适合于先进的全息显示应用。

OLED是一种非相干光源，具有发散的发射轮廓。操控这种发射以生成详细图像不仅具有挑战性，而且在很大程度上尚未被探索。

一种方法是使用全息超表面（HM），这是一种超薄膜结构，称为元原子，能够以精确的方式操控光的行为。虽然在图像传感、数据存储、增强现实（AR）、防伪和安全加密等应用中广泛使用，但大多数报道的全息超表面是为相干光源（激光）设计的，不适合与非相干光源（OLED）一起使用。

迄今为止，仅有少数使用非相干光源的超表面被报道，即使如此，大多数仍涉及复杂的设置，限制了其在日常应用中的部署。

因此，最新研究中的研究人员开发了一种新型光电器件，结合了OLED和超表面的优点。

“我们很高兴展示OLED的新方向。通过将OLED与超表面结合，我们还开启了一种生成全息图和塑造光的新方式。”

——物理与天文学学院伊福尔·塞缪尔（Ifor Samuel）教授

新开发的紧凑系统由OLED、带通滤波器和专为相干光源设计的全息超表面（HM）组成。

通过仔细塑造每个元原子以修改通过HM的光束属性，可以在屏幕的另一侧创建预设计的图像。这可能使全息显示更具成本效益、节能且与灵活基板兼容。

OLED-超表面显示如何工作（以及为何重要）

英国圣安德鲁斯大学物理与天文学学院SUPA的研究人员开发了一种创新方法，将OLED和超表面无缝融合成单片结构。

这种融合使OLED本身既作为照明源又作为全息波前整形调制器。这消除了对外部激光或空间光调制器等设备的需求，后者控制光的强度。

这项新技术的核心在于超表面，这是一种平面纳米结构阵列，设计用于以选择的方式塑造电磁波，通常通过控制偏振、幅度或相位，具有非凡的空间分辨率。

虽然之前使用外部激光来照射超表面，但将它们与OLED融合创造了一个在微米尺度上图案化的内在光源，提供了一个电驱动平台，稳定且可跨不同波长扩展，能够以高清晰度投影全息图像。

这标志着与传统庞大系统的重大飞跃。

虽然OLED层的非相干、宽带发射长期以来一直是全息技术的挑战，但研究人员设计了超表面以匹配OLED的发射光谱及其空间相干性属性。

团队定制了纳米结构，利用并调整部分相干光以形成高分辨率全息图像，而无需依赖激光。

为了获得功能超表面所需的精确纳米架构，团队使用了先进的 lithographic 方法。

使用特殊的电子束光刻（EBL）系统，他们在OLED表面上图案化了金属和介电纳米结构，确保有效的相位调制，同时保持OLED的性能和寿命。

这种成功的集成强调了纳米制造技术与有机电子器件的兼容性，为多功能光子平台打开了大门。

在测试设备时，团队展示了清晰的全息投影，展示了简单以及几何形状的复杂深度提示。团队能够在仅3厘米的距离上获得高质量的全息图像。

重建的图像显示出通常在非相干照明下无法实现的亮度水平和角度鲁棒性。

系统通过控制与OLED发射同步的像素化超表面区域动态调制波前的能力，表明了实时全息视频的可能性。

“OLED显示器通常需要数千个像素来创建简单图像。这种新方法允许从单个OLED像素投影完整图像！”

——物理与天文学学院格雷厄姆·特恩布尔（Graham Turnbull）教授

研究指出，OLED照明的全息投影仪可用于人机交互、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）头显等应用。

OLED-超表面平台的一大优势是其多功能性和可扩展性。

由于OLED制造已在商业显示制造中广泛使用，超表面可以集成到现有生产线上，这可以加速其在可穿戴全息图和消费电子产品中的发展。

此外，该技术的紧凑性、灵活性和低功耗使其适用于下一代沉浸式显示器。

该平台还可用于自适应照明系统、生物医学成像和安全光学加密。

通过这一概念验证，团队使用了带通光学滤波器来收窄OLED的发射光谱——提高了超表面重建清晰全息图所需的空间相干性。但研究人员指出，也可以使用极化子或薄膜滤波器与OLED或超表面一起构建更紧凑的系统。

关于超表面，团队指出，他们的系统还可以与其他类型的超表面一起工作，有助于这些设备的大规模生产，从而促进其在图像投影中的部署。

虽然该设备的商业使用在减少损耗、最大化亮度和优化超表面调制效率方面面临挑战，但团队展示了一种技术进步，采取了一种创造性的方法来设计整体光子系统。

与传统设计不同，传统设计中调制器和发射器是独立考虑的，团队采用了集成方法，同时优化OLED的发射属性和超表面的相位和幅度响应。

因此，通过结合有机光电学和纳米光子学的优势，团队为全息显示创建了新标准。它设想了一个未来，高分辨率全彩全息显示将直接嵌入透明窗户、织物可穿戴设备或车辆和建筑元素的曲面中。

投资全息OLED

现在，如果我们看看一家推动这一领域的公司，康宁公司（Corning Incorporated，GLW +3.56%）因其在先进显示技术和OLED面板及灵活屏幕所需材料方面的深入参与而脱颖而出，为全息集成提供了基础设施。

其运营涵盖几个关键领域，包括：

- 光通信

- 显示技术

- 特种材料

- 环境技术

- 生命科学

作为一家主要从事材料科学的公司，康宁专注于光纤，这是一种传输光的玻璃，在现代电信网络中发挥着重要作用，也用于数据中心。

康宁还生产各种其他玻璃和陶瓷产品。值得注意的是，该公司制造了大猩猩玻璃（Gorilla Glass），用于iPhone屏幕和其他电子产品。

今年早些时候，三星电子宣布其Galaxy S25 Edge将采用康宁的新型玻璃陶瓷产品，称为Gorilla Glass Ceramic 2，这种产品在极薄的设备形态下提供先进的保护。最新产品在玻璃基质中植入了晶体，以增强显示屏盖板的强度。

“Galaxy S25 Edge将为工艺和性能设定新标准，作为我们迄今为止最薄的Galaxy S系列设备，”三星电子MX机械研发团队执行副总裁兼负责人Kwangjin Bae表示。“为了支持这一突破性设计，开发一种既极薄又可靠坚固的显示材料至关重要——这一挑战将康宁和三星联合起来，共同致力于以用户为中心的创新和有目的的工程。这一愿景体现在Galaxy S25 Edge的每一个细节中。”

结论

OLED和全息技术的进步正在重塑我们与视觉内容的交互方式。

OLED以其轻量、可调性和制造简单性长期以来一直是现代显示器的关键，但由于其非相干光发射，与全息成像结合时面临挑战。但最新的突破性研究克服了这一问题，通过将OLED与超表面融合在紧凑、高效和可扩展的设计中，实现了全息投影。

这种集成为沉浸式娱乐、通信设备、医疗保健和安全光学系统提供了激动人心的前景。它还可以为一个高分辨率、适应性强、节能的全息技术成为我们日常生活一部分的未来铺平道路。