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适用于高级基于像素的设备的新型基于石墨烯的超薄透镜

空间占用率在包含带有操纵系统的复杂镜头的常规可调镜头中提出了设计限制,最终限制了这些镜头在下一代基于像素的设备(例如, flat panel displays.

(a)在显示器中应用ETF-USSL的示意图。 USSL可以实现多聚焦,从而可以实现无玻璃3D和多视图显示,并且ETF特性可以实现可变的视角。 (b)光点强度取决于峰1和2的焦点之间沿Z轴的距离和横向距离。在固定焦距位置,焦点的最大强度随焦点的减小而减小。由于驱动电压,USSL的长度变得更长。 (c)当在面内方向上向石墨烯施加直流电压偏压时的可调焦距示意图。在由石墨烯制成的带中,中心区域(C)吸收光,并且由于DC偏置,载流子集中在左侧(L)和右侧(R)中。因此,费米能级离狄拉克点很远,并且光不会被吸收和透射。因此,经由外部电场的纳米带宽度的改变有效地调制了FZP拓扑,从而改变了透镜的焦距。图片来源:Sehong Park,Gilho Lee,Byeongho Park,Youngho Seo,Chae bin Park,Young Tea Chun,Chulmin Joo,Junsuk Rho,Jong Min Kim,James Hone和Seong Chan Jun。

由于可以对石墨烯进行构图,因此由石墨烯制成的FZP透镜可以提供远场和近场的完美结合。这是因为石墨烯具有可通过调节几何形状或通过改变费米能级来调节的光导率。

早先,由于其高像差,低分辨率,低透射率和厚度,在多视图自动立体显示器中使用的视差屏障和双凸透镜被认为是不切实际的。因此,对具有有益的物理特性和高光学性能的原始设备的需求不断。

由韩国延世大学的Seong Chan Jun教授带领的一组研究人员,与POSTECH,英国剑桥大学和美国哥伦比亚大学的同行科学家共同创造了基于石墨烯的超薄亚像素方形透镜通过调节费米能级内载流子的分布并相应地改变吸光度特性来发挥作用。

该研究发表在 光:科学& 应用领域 2020年6月的期刊。

基于费米能级位置,基于石墨烯的菲涅耳透镜可基于吸收特性的变化实现电可调聚焦。当设计电弧带状图案时,通过基于电场位置的载流子分布的变化来管理存在于电弧带中的有效间隔。

因此,以这样的方式实现了狭缝的衍射特性的差异,使得可以在可见范围内改变焦距而不改变设计。

也可以根据显示设备中每个子像素的波长来定制镜头,而无需使用任何额外的设备或光源。因此,可以实现使用具有高分辨率和高透射率的超薄方形亚像素透镜的多功能显示器。

像这样的石墨烯超薄镜片是专门为用户开发的’多视图自动立体显示器中的视场(FOV)。电聚焦可调超薄器件由五层石墨烯层组成,具有82%的透射率和超过60%的聚焦效率。该设备还展现了19.42%的焦距偏移,可根据观察者的FOV实现多重聚焦特性。

因此,这种超薄聚焦装置无需使用任何额外的校准系统即可帮助实现多视图自动立体显示。研究人员总结了超薄聚焦装置的工作原理如下:

由于直流偏置而垂直于平面的电场将载流子密度集中在电弧带的边缘。弧形带吸收中心区域(C)中的光,但是由于载流子的增加,左侧(L)和右侧(R)的费米能级偏离狄拉克点。这导致更长的焦距,因为减小电弧带的尺寸会增加电弧带衍射的线性.”

可以根据每个RGB子像素的波长来独特地设计该子像素透镜。因此,可以消除常规双凸透镜设备中经常发生的色差,并且可以将每个单独的光波长聚焦到单个焦点上。 .

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员

装置’可以将亚像素级的结构优势嵌入到无玻璃3D显示器,隐私显示器和用于显示应用的多视图显示器的每个像素中。此外,正如研究人员所期望的那样,可以针对3D全息图显示,声学应用以及包含超表面的光学设备进行定制设计,”研究人员总结说。

期刊参考:

Park,S., 。 (2020)用于高分辨率方形亚像素的可电动调焦的超薄镜头。 光:科学& 应用领域. doi.org/10.1038/s41377-020-0329-5.

资源: http://english.ciomp.cas.cn/

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