OLED照明的超表面全息图像投影技术：实现紧凑型自发光全息显示的新路径

为解决有机发光二极管(OLED)远场发射调控难题，研究人员开发了一种结合OLED与全息超表面的紧凑投影系统。通过增强OLED空间相干性并利用ZrO2超表面直接调制非相干光，成功实现了高质量全息图像投影。该技术为微型化全息显示和增强现实(AR)设备提供了新范式。

　　

在当今显示技术飞速发展的时代，有机发光二极管(OLED)因其轻薄柔韧、宽色域和自发光特性，已成为移动设备和电视显示屏的主流技术。然而，尽管OLED在显示领域取得巨大成功，其远场发射控制仍面临重大挑战——特别是低空间相干性和宽光谱特性限制了其在精密光学应用中的潜力。传统全息技术通常需要高度相干的激光光源，这与OLED的非相干发光特性存在根本性矛盾，使得直接利用OLED进行全息投影几乎不可能实现。

这项发表于《Light-Science & Applications》的研究突破性地开发了一种OLED照明超表面全息投影系统，通过巧妙结合有机光电子学与纳米光子学技术，首次实现了基于单个OLED的高分辨率全息图像投影。研究人员来自英国圣安德鲁斯大学，由Junyi Gong、Mohammad Biabanifard、Kou Yoshida等组成的研究团队成功解决了非相干光源与全息超表面匹配的关键科学问题。

研究团队采用了几项核心技术方法：首先设计了高性能顶发射OLED器件，使用DCJTB掺杂Alq₃共主体发光层，实现了峰值664nm、半高宽63nm的电致发光光谱；其次开发了基于二氧化锆(ZrO₂)圆柱形截断波导的超表面元原子，通过电子束光刻和原子层沉积技术制备了相位调制超表面；最后通过双缝干涉实验量化了OLED的空间相干性，并采用定制化Gerchberg-Saxton算法计算全息相位分布。实验中使用硅基OLED样品（活性面积5×10^-4 cm²）和宽带激光器(SuperK)进行系统表征。

空间相干性调控实现全息匹配

通过Young双缝实验量化发现，OLED在距离双缝3cm时空间相干长度约为130μm，距离增至6cm时提升至170μm。这种距离依赖的空间相干性增强使非相干OLED光源能够满足超表面全息的基本要求。

超表面设计与表征

研究团队设计了传输型相位全息超表面，包含1667×1667个尺寸300×300nm的元原子。ZrO₂支柱嵌入PMMA基质中，通过调节波导直径控制有效折射率和相位调制。衍射效率在30度角达到27%，在532nm激光照明下成功投影出斑点狗图像。

OLED照明下的全息演示

在OLED距超表面5cm时，首次观察到全息图像投影。未加滤光片时图像模糊且右侧特征缺失，加入带通滤光片将光谱半高宽从63nm压缩至10nm后，图像质量显著提升，最小线特征达300μm。测得散斑对比噪声仅0.23，远低于激光全息的0.81。

光谱带宽对图像质量的影响

使用可调谐超连续激光模拟OLED光谱特性发现，当光谱范围从60nm(630-690nm)收窄至10nm时，峰值信噪比(PSNR)、结构相似性(SSIM)和均方误差(MSE)等指标显著改善，证实窄光谱是获得高质量全息图像的关键因素。

空间相干距离优化

在3-6cm范围内，OLED与超表面距离越大，图像轮廓越清晰。即使在空间相干长度(170μm)远小于超表面边长(500μm)的情况下，仍能获得高质量全息图像，证明了系统的鲁棒性。

研究结论表明，通过合理调控OLED的空间相干性和光谱特性，结合定制化全息超表面，能够实现高质量的全息图像投影。该技术摆脱了对传统激光光源的依赖，为开发完全集成的自发光全息显示系统奠定了基础。讨论部分指出，虽然OLED的功率密度低于激光导致图像亮度较低，但其制造简单、可柔性和多像素集成优势使其在未来全息显示应用中具有巨大潜力。

这项研究的重大意义在于首次实现了OLED照明的超表面全息投影，创建了有机光电子与纳米光子技术融合的新范式。通过带通滤波片或未来集成薄膜滤波器、极化激元滤波器等方式，可进一步优化系统紧凑性。该技术有望应用于增强现实/虚拟现实(AR/VR)头显、人机交互设备和便携式全息显示等领域，为下一代显示技术的发展指明了新方向。全聚合物超表面等新材料的引入，还将为大规模生产提供可能，推动该技术走向实际应用。