Hologram được chiếu qua điện thoại di động – một ý tưởng tưởng chừng chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, các nhà vật lý vừa công bố một bước tiến khổng lồ, đưa công nghệ này đến gần hiện thực hơn bao giờ hết.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học St. Andrews (Scotland) đã chế tạo thành công một thiết bị quang học nhỏ gọn, có khả năng chiếu ra hình ảnh hologram chi tiết. Điều đáng kinh ngạc là hệ thống này có thể tạo ra một hình ảnh hologram hoàn chỉnh chỉ bằng ánh sáng từ một pixel duy nhất, thay vì cần hàng nghìn pixel như màn hình thông thường. Sự thu nhỏ đáng kinh ngạc này đã khiến công nghệ hologram trở nên khả thi hơn rất nhiều để tích hợp vào các thiết bị di động và thiết bị đeo (wearables) trong tương lai.
Bí mật của Hologram từ Một Pixel
Hologram là hình ảnh có thể hiển thị độ sâu và chi tiết tinh tế của một khung cảnh, đòi hỏi sự kiểm soát cực kỳ chính xác đối với cách ánh sáng rời khỏi màn hình.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Ifor Samuel, một chuyên gia vật lý tập trung vào các thiết bị quang học sử dụng vật liệu hữu cơ. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng một nguồn sáng duy nhất có thể điều khiển để vẽ ra toàn bộ hình ảnh giúp đơn giản hóa đáng kể phần cứng của hệ thống hologram. Trong thí nghiệm này, họ sử dụng một Điốt phát sáng hữu cơ (OLED) – nguồn sáng phẳng thường được dùng trong màn hình điện thoại cao cấp. Ánh sáng từ OLED chiếu qua một con chip thủy tinh được tạo hoa văn đặc biệt, tạo ra hình ảnh hologram của một chú chó đốm.
Giải thích đơn giản về OLED:
-
OLED (Organic Light Emitting Diode) là công nghệ màn hình mỏng, tự phát sáng (không cần đèn nền). Mỗi pixel OLED là một chồng vật liệu hữu cơ siêu nhỏ phát ra ánh sáng màu khi có dòng điện chạy qua.
-
Ưu điểm: Mỏng, linh hoạt và phát sáng trên toàn bề mặt, khiến chúng trở thành đối tác lý tưởng cho các cấu trúc siêu nhỏ dùng để điều khiển ánh sáng.
Siêu bề mặt (Metasurface) – Chìa khóa Thay đổi Ánh sáng
Sự khác biệt lớn nhất nằm ở con chip thủy tinh có hoa văn phức tạp. Đây là một siêu bề mặt (metasurface) – một lớp vật liệu được phủ bằng các cấu trúc nano cực nhỏ.
Siêu bề mặt hoạt động như thế nào?
-
Mỗi cấu trúc nano trên chip hoạt động giống như một pixel tí hon, làm chậm và thay đổi pha (phase) của ánh sáng đi qua nó.
-
Bằng cách sắp xếp các cấu trúc này theo một hoa văn được tính toán kỹ lưỡng, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển chính xác cách ánh sáng rời khỏi con chip.
-
Sự giao thoa giữa các chùm tia này sẽ tạo ra một mặt sóng được thiết kế sẵn, hình thành hình ảnh hologram đích trên màn hình.
Nói cách khác, siêu bề mặt này đã biến nguồn sáng OLED vốn có độ kết hợp thấp (thường bị nhòe) thành ánh sáng có khả năng tạo ra hình ảnh hologram sắc nét, điều mà trước đây chỉ có các nguồn sáng laser có độ kết hợp cao mới làm được.
Từ Phòng Thí nghiệm đến Thiết bị Thu nhỏ
Để tạo ra hình ảnh chú chó đốm rõ nét, nhóm nghiên cứu đã phải giải quyết vấn đề về màu sắc. Ánh sáng từ OLED thường có dải màu (băng thông) rộng. Họ đã thêm một bộ lọc màu giữa OLED và siêu bề mặt để thu hẹp băng thông ánh sáng đỏ từ 63 nanomet xuống còn 10 nanomet.
Kết quả là hình ảnh hologram trở nên sắc nét hơn rõ rệt. Độ tương phản hạt nhiễu (speckle contrast) – một chỉ số về độ sạn của hologram – đã giảm mạnh xuống chỉ còn 0.23 (so với 0.81 khi không có bộ lọc). Điều này chứng minh rằng, để có hình ảnh hologram rõ ràng, ánh sáng cần phải đồng nhất và tập trung vào một phần hẹp của quang phổ.
Mở ra Tương lai của Màn hình Công nghệ
Công nghệ quang học dựa trên siêu bề mặt không phải là mới, chúng đã được ứng dụng trong việc chế tạo các ống kính siêu mỏng cho kính thực tế tăng cường (AR headsets). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của St. Andrews đã bổ sung một động cơ ánh sáng dựa trên OLED, chứng minh rằng siêu bề mặt không nhất thiết phải cần laser để tạo ra hình ảnh phức tạp.
Điều này mở ra cánh cửa cho việc tích hợp các mô-đun hologram siêu mỏng ngay phía sau màn hình điện thoại hoặc bên trong gọng kính, sử dụng các bộ điều khiển màn hình thông thường.
Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua, bao gồm tăng cường độ sáng, bổ sung đủ màu sắc và thu nhỏ hơn nữa các thành phần quang học, nhưng ý tưởng về việc một pixel đơn lẻ kết hợp với một bề mặt nano có thể vẽ nên một hình ảnh hologram đã định hình một loại màn hình hiển thị hoàn toàn mới.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications.
