Голографический оптический элемент

Голографический оптический элемент (ГОЭ) - это оптический компонент (зеркала, линзы, направленные диффузоры и т. Д.), Который создает голографические изображения с использованием принципов дифракции.. HOE чаще всего используется в прозрачных дисплеях, 3D-изображениях и некоторых технологиях сканирования. Форма и структура ГОЭ зависят от аппаратного обеспечения, для которого он необходим, и теория связанных волн является обычным инструментом, используемым для расчета дифракционной эффективности или объема решетки, который помогает при проектировании ГОЭ. Ранние концепции голографического оптического элемента можно проследить до середины 1900-х годов, что близко к началу голографии, придуманной Деннисом Габором. Применение 3D-визуализации и дисплеев в конечном итоге является конечной целью HOE; однако стоимость и сложность устройства препятствовали быстрому развитию полной 3D-визуализации. HOE также используется при разработке дополненной реальности (AR).компаниями, такими как Google с Google Glass, или исследовательскими университетами, которые стремятся использовать HOE для создания трехмерных изображений без использования очков или головных уборов. Кроме того, способность HOE обеспечивать прозрачные дисплеи привлекла внимание военных США при разработке улучшенных проекционных дисплеев (HUD), которые используются для отображения важной информации для пилотов самолетов. ^{[1] [2] [3]}

Раннее развитие HOE

Голографический оптический элемент тесно связан с голографией (наукой о создании голограмм), термином, предложенным Деннисом Габором в 1948 году. С тех пор, как возникла идея голографии, в течение следующих нескольких десятилетий было сделано много, чтобы попытаться создать голограммы. Примерно в 1960-е годы Юрий Николаевич Денисюкаспирант из Ленинграда осознал, что, возможно, волновой фронт света можно записать как стоячую волну в фотоэмульсии (световом кристалле), используя монохроматический свет, который затем может отражать свет обратно для воспроизведения волнового фронта. По сути, это описывает голографическое зеркало (один из первых созданных HOE) и устраняет проблему перекрытия изображений. Однако в предложении Денсиюка было мало практического смысла, и его коллеги отвергли его результаты. Лишь в середине 1960-х годов предложения Денсиюка всплыли на поверхность после некоторой разработки Эммета Лейта и Юриса Упатниекса. Эти два сотрудника кодировали и реконструировали изображения с помощью двухэтапного процесса голограммы на фотографической прозрачности.В других экспериментах с голографическими инструментами, такими как голографическая стереограмма, разработанная Ллойдом Кроссом в 1970-х годах, использовался процесс визуализации, разработанный Лейтом и Уптаниексом, и они располагались в виде вертикальных полос, изогнутых в цилиндр. Эти полосы действуют как отверстие, через которое проходит свет, поэтому, когда зритель смотрит через них, можно увидеть трехмерное изображение. Это демонстрирует очень простую версию концепций дифракции, которые до сих пор используются при производстве ГОЭ, и прототипа для 3D-очков.Это демонстрирует очень простую версию концепций дифракции, которые до сих пор используются при производстве ГОЭ, и прототипа для 3D-очков.Это демонстрирует очень простую версию концепций дифракции, которые до сих пор используются при производстве ГОЭ, и прототипа для 3D-очков.^[4]

Классификации

Объемные и тонкие ТС

ГОЭ отличаются от других оптических устройств, поскольку они не искажают свет кривизны и формы. Вместо этого они используют принципы дифракции (распределение света при его прохождении через апертуру) для дифракции световых волн путем восстановления нового волнового фронта с использованием соответствующего профиля материала, что делает ГОЭ типом дифракционного оптического элемента (ДОЭ). ^[1]Существуют два распространенных типа HOE: объемные HOE и зависимые тонкие HOE. Тонкий ГОЭ (содержащий тонкий слой голографической решетки) имеет низкую дифракционную эффективность, в результате чего световые лучи дифрагируют в различных направлениях. И наоборот, объемные типы ГОЭ (содержащие несколько слоев голографических решеток) более эффективны, поскольку есть больший контроль над направлением света из-за высокой дифракционной эффективности. Большинство вычислений, выполняемых для создания ГОЭ, обычно относятся к объемным ГОЭ. ^[5]

Тип отражения и тип передачи HOE

Помимо того, что он является тонким или объемным, на него также может влиять позиционирование, которое определяет, является ли он типом передачи или типом отражения. Эти типы HOE определяются положением объектного луча и опорного луча по отношению к регистрирующему материалу этих лучей: нахождение на одной стороне указывает на пропускание HOE, а в противном случае - на отражение HOE. Некоторые материалы, которые чаще всего используются при производстве ГОЭ, включают эмульсию галогенида серебра и дихроматный желатин. ^{[6] [7]}

Приложения

Аэрокосмическая промышленность

В начале 2000-х годов НАСА провело испытание, известное как эксперимент с голографическим вращающимся лидаром (HARLIE), в котором использовался объем HOE на основе дихромата желатина, зажатый между флоат-стеклом. Целью испытания было найти новый метод измерения параметров поверхности и атмосферы, который мог бы уменьшить размер, массу и угловой момент космических лидарных систем. ^{[6] [8]} Возможность изгиба или изгиба HOE позволяет использовать его в конструкции головных дисплеев (HUD) или дисплеев, устанавливаемых на голову (HMD). Кроме того, прозрачность может быть достигнута за счет избирательности объемной решетки, которая используется для дифракции света при определенном угле падения или длине волны. ^[9]Это позволяет разрабатывать прозрачные проекционные дисплеи, которые передают информацию пилотам самолетов и экономят пространство в кабине. Военные США в настоящее время проводят испытания этих новых авиационных дисплеев. ^[10]

Дополненная реальность следующего уровня

Одно из применений голографического оптического элемента - это тонкопрофильные объединительные линзы для оптических дисплеев, закрепленных на головке . ^[11] отражательные объемная голограмма используются для извлечения постепенно в коллимированное изображении , которое было направлено через полное внутреннее отражение в оптическом волноводе . Спектральная и угловая брэгговская селективность отражающей объемной голограммы делает ее особенно подходящей для комбайнера, использующего такие источники света, как светодиоды RGB , обеспечивая как хорошее качество прозрачности, так и хорошее качество проецируемого изображения. Это использование было реализовано в смарт - очки поKonica Minolta и Sony . ^{[12] [13]}

Одна из целей при проектировании HOE - попытаться создать 3D-визуализацию, и самое близкое к этому - дополненная реальность. Наиболее распространенные типы дополненной реальности - это дисплеи с креплением на голову или дисплеи в очках, которые можно считать первым типом 3D-дисплеев. Некоторые примеры этого типа дисплея включают Microsoft HoloLens I, II, Google Glass и Magic Leap. Такие предметы часто очень дороги из-за высокой стоимости материалов, используемых для производства ТЯ. ^{[1] [14]}Существует также второй тип метода трехмерной визуализации, который пытается воспроизвести трехмерные объекты путем создания световых полей. Этот тип визуализации ближе к тем, что можно увидеть в фантастических фильмах или видеоиграх. Были предложены теоретические пути использования ГОЭ для реализации второго типа. Одно предложение от филиалов Университета Бейхан и Сычуаньского университета в 2019 году предполагает использование массива микролинз (MLA) HOE вместе с панелью дисплея для создания трехмерного изображения. Предлагаемая технология работает за счет того, что ГОЭ типа MLA формирует сферическую волну из решеток. Затем свет распределяется по этому сферическому массиву, образуя трехмерное изображение. В настоящее время недостатком дисплея является его низкое разрешение. ^[15]

Математические теории, актуальные для построения ТВС

Теория связанных волн

Теория связанных волн является важной частью проектирования объемных HOE. Впервые он был написан Хервигом Колгеником в 1969 году и содержит математические модели, которые определяют длину волны и угловую селективность (эти факторы определяют, насколько эффективно что-то может регулировать и передавать свет под определенным углом или длиной волны) определенных материалов. ^[16]Теория дает несколько предпосылок: она справедлива для больших дифракционных эффективностей (измеряет, сколько оптической силы дифрагирует в данном пятне), и ее вывод делается на основе того, что монохроматический свет падает близко к углу Брэгга (малый угол между световым лучом и плоскостью кристаллов) и перпендикулярно плоскости падения (плоскость, которая содержит как луч света, так и поверхность, которая обычно действует как зеркало в определенной точке). Поскольку HOE работает, рассеивая свет, создавая новые волны, попытка заставить толстый материал HOE преломлять свет около угла Брэгга будет способствовать более эффективному построению волнового фронта. ^[17] Эти уравнения используются для регулировки объема решетки голограммы и увеличения дифракционной эффективности.HOE во время производства и может применяться как к HOE типа передачи, так и к HOE типа отражения. ^{[16] [17]}

Классическое уравнение решетки: учитывает угол падения , угол дифракции , поверхностную решетку , длину волны в свободном пространстве и целочисленный порядок дифракции ,${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle m}$

${\ displaystyle mv \ lambda = sin \ alpha _ {0} + sin \ beta _ {0}}$

Уравнение Брэгга для плоского пропускания: учитывает as и показатель преломления as ,${\displaystyle 1/v}$${\displaystyle \Lambda }$${\displaystyle n_{1}}$

${\displaystyle m\lambda =\Lambda 2n_{1}sin\alpha _{1}}$

Приближение спектральной ширины полосы пропускания: учитывает спектральную ширину полосы пропускания и толщину решетки.${\displaystyle \Delta \lambda _{f}}$${\displaystyle d}$

${\displaystyle \Delta \lambda _{f}/\lambda \approx (\Lambda /d)cot\alpha _{1}}$

Приближение угловой ширины полосы: учитывается как угловая ширина полосы на FWHM (полная ширина на половине максимума),${\displaystyle \alpha _{f}}$

${\displaystyle \Delta \alpha _{f}\approx \Lambda /d}$

Уравнение дифракционной эффективности: учитывается как интенсивность модуляции решетки, как дифракционная эффективность для TM-режима (поляризация, параллельная плоскости падения), и как уменьшенная эффективная константа связи,${\displaystyle \Delta n_{1}}$${\displaystyle \eta _{t}}$${\displaystyle cos(2\alpha _{1})}$

${\displaystyle \eta _{t}=sin^{2}[\pi \Delta n_{1}dcos(2\alpha _{1})/(\lambda cos\alpha _{1})]}$

Распространение волны в решетке, как описано скалярным волновым уравнением: учитывается как комплексная амплитуда в компоненте y и как пространственно модулированная постоянная распространения,${\displaystyle E(x,z)}$${\displaystyle k(x,z)}$

${\displaystyle \bigtriangledown ^{2}E+k^{2}E=0}$

Расчеты линз ^[1]

Расчеты изменения формы линзы (очень маленькие линзы, измеряемые в микрометрах), которые могут помочь определить расстояние, длину волны и апертуру средней маски, которые определяют выходной сигнал HOE для HOE, действующего как линза.

Расчет горизонтального направления: это горизонтальное положение спекла , это параметры апертуры средней маски (маска, помещенная рядом с апертурой линзы), перпендикулярная горизонтальному положению спекла (высота), это длина волны и это рабочее фокусное расстояние,${\displaystyle \delta _{x}}$${\displaystyle h}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle f}$

${\displaystyle \delta _{x}=2\lambda f/h}$

Расчет вертикального направления: это вертикальное положение спекла , это параметры апертуры средней маски (маска, помещенная рядом с апертурой линзы), перпендикулярная вертикальному положению спекла (ширина), это длина волны и это рабочее фокусное расстояние,${\displaystyle \delta _{y}}$${\displaystyle w}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle f}$

${\displaystyle \delta _{y}=2\lambda f/w}$

использованная литература

внешние ссылки

• Учебник HOE
• Голографический оптический элемент для эффективного освещения
• Голографическая флуоресцентная визуализация
• Дополнительные объяснения того, как работает голограмма
• Голографический оптический метод спектроскопии экзопланет (НАСА)