Голографический оптический элемент

Голографический оптический элемент (ГОЭ) — оптический компонент (зеркало, линза, направленный рассеиватель и т. д.), создающий голографические изображения с использованием принципов дифракции . HOE чаще всего используется в прозрачных дисплеях, 3D-изображениях и некоторых технологиях сканирования. Форма и структура HOE зависят от аппаратного обеспечения, для которого он необходим, а теория связанных волн является распространенным инструментом, используемым для расчета дифракционной эффективности или объема решетки, который помогает при проектировании HOE. Ранние концепции голографического оптического элемента восходят к середине 1900-х годов, что близко совпало с началом голографии, придуманным 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) такими компаниями, как Google с Google Glass, или в исследовательских университетах, которые стремятся использовать HOE для создания 3D-изображений без использования очков или головных уборов. Кроме того, способность HOE обеспечивать прозрачные дисплеи привлекла внимание военных США при разработке более совершенных 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 многое, чтобы попытаться создать голограммы. Примерно в 1960-х годах Юрий Николаевич Денисюк , аспирант 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, воспроизводя волну. передний. По сути, это описывает голографическое зеркало (одно из первых созданных HOE) и устраняет проблему перекрытия изображений. Однако практической пользы в предложении Денсиюка было мало, и его коллеги отвергли его результаты. Лишь примерно в середине 1960-х годов предложения Денсиюка вновь всплыли на поверхность после некоторого развития со стороны Эммета Лейта и Юриса Упатниекса. Эти два сотрудника закодировали и реконструировали изображения с помощью двухэтапного процесса голограммы на фотографической прозрачности. Дополнительные эксперименты с голографическими инструментами, такими как голографическая стереограмма, разработанная Ллойдом Кроссом в 1970-х годах, использовали процесс формирования изображений, разработанный Лейтом и Уптаниексом, и располагали их в вертикальные полосы, изогнутые в цилиндр. Эти полоски действуют как апертура, через которую проходит свет, поэтому, когда зритель смотрит через них, можно увидеть трехмерное изображение. Это демонстрирует очень простую версию концепций дифракции, которые до сих пор используются в производстве HOE, и прототип 3D-очков. ^[4]

Классификации

Объемные и тонкие HOE

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

ГОЭ отражательного и пропускающего типа

Помимо того, что HOE является тонким или объемным, на HOE также может влиять позиционирование, которое определяет, является ли он типом передачи или типом отражения. Эти типы HOE определяются положением объектного луча и опорного луча относительно записывающего материала этих лучей: нахождение на одной стороне указывает на пропускание HOE, а в противном случае на отражение HOE. Некоторые материалы, которые чаще всего используются в 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 воздушным вращающимся лидаром» (HARLIE), в котором использовался объемный HOE на основе дихроматного желатина, зажатый между флоат-стеклом. Целью испытаний было найти новый метод измерения параметров поверхности и атмосферы, который позволил бы уменьшить размер, массу и угловой момент космических лидарных систем. ^[6]^[8] Возможность изготовления HOE изогнутым или гибким позволяет использовать его в конструкции проекционных дисплеев (HUD) или дисплеев с креплением на голову (HMD). Кроме того, прозрачность может быть достигнута за счет селективности объемной решетки, которая используется для дифракции света под определенным углом падения или длиной волны. ^[9] Это позволяет разработать прозрачные проекционные дисплеи, которые передают информацию пилотам самолетов и экономят пространство в кабине. В настоящее время американские военные проводят испытания этих новых авиационных дисплеев. ^[10]

Дополненная реальность нового уровня

Одно из применений голографического оптического элемента — создание тонкопрофильных объединительных линз для оптических наголовных дисплеев . ^[11] используется Отражающая объемная голограмма для постепенного извлечения коллимированного изображения, направленного посредством полного внутреннего отражения в оптический волновод . Спектральная и угловая селективность по Брэггу отражающей объемной голограммы делает ее особенно подходящей для объединителя, использующего такие источники света, как RGB светодиоды , обеспечивая как хорошее качество прозрачности, так и хорошее качество проецируемого изображения. Такое использование было реализовано в умных очках Konica Minolta и Sony . ^[12]^[13]

Одна из целей проектирования HOE — попытаться создать 3D-визуализацию, и ближе всего к этому — дополненная реальность. Наиболее распространенными типами дополненной реальности являются дисплеи, крепящиеся на голову, или дисплеи типа очков, которые можно считать первым типом 3D-дисплеев. Некоторые примеры дисплеев этого типа включают HoloLens I, II от Microsoft, Google Glass и Magic Leap. Подобные изделия зачастую очень дороги из-за высокой стоимости материалов, используемых для производства HOE. ^[1]^[14] Существует также второй тип метода 3D-визуализации, который направлен на воспроизведение 3D-объектов посредством создания световых полей. Этот тип визуализации ближе к тем, которые можно увидеть в научно-фантастических фильмах или видеоиграх. Были предложены теоретические способы использования HOE для реализации второго типа. Одно из предложений, поступивших от филиалов Университета Бэйхан и Университета Сычуань в 2019 году, предполагает использование матрицы микролинз (MLA) HOE вместе с панелью дисплея для создания трехмерного изображения. Предлагаемая технология работает за счет того, что HOE типа MLA образует сферическую волну массивов. Затем свет распределяется по этому сферическому массиву, формируя трехмерное изображение. В нынешнем состоянии недостатком дисплея является низкое качество разрешения. ^[15]

Математические теории, имеющие отношение к строительству HOE

Теория связанных волн

Теория связанных волн является важной частью проектирования объемных ГОЭ. Впервые о нем написал Хервиг Кольгеник 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 эффективностей дифракции (измеряет, какая оптическая мощность дифрагируется в данном пятне), и ее вывод делается на основе того, что падающий монохроматический свет находится вблизи угла Брэгга (малый угол между световым лучом и плоскостью кристаллов) и перпендикулярно плоскости падения (плоскость, содержащая как луч света, так и поверхность, которая в определенной точке обычно действует как зеркало). Поскольку HOE работает путем преломления света путем создания новых волн, попытка заставить толстый материал HOE преломлять свет вблизи угла Брэгга приведет к более эффективному построению волнового фронта. ^[17] Эти уравнения используются для регулировки объема голограммной решетки и увеличения дифракционной эффективности HOE во время производства и могут применяться как к HOE пропускающего типа, так и к HOE отражательного типа. ^[16]^[17]

Классическое уравнение решетки учитывает угол падения. $\alpha$ , угол дифракции $\beta$ , поверхностная решетка $v$ , длина волны в свободном пространстве $\lambda$ , а целый порядок дифракции $m$ :

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

Уравнение Брэгга для плоской передачи учитывает $1/v$ как $\Lambda$ и показатель преломления как $n_{1}$ :

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

Приближение спектральной полосы пропускания учитывает спектральную полосу пропускания. $\Delta \lambda _{f}$ и толщина решетки $d$ :

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

Приближение угловой ширины полосы учитывает $\alpha _{f}$ как угловая ширина полосы на полувысоте (полная ширина на половине максимальной):

\Delta \alpha _{f}\approx \Lambda /d.

Уравнение дифракционной эффективности учитывает $\Delta n_{1}$ как интенсивность модуляции решетки, $\eta _{t}$ как эффективность дифракции для ТМ-моды (поляризация, параллельная плоскости падения), и $\cos(2\alpha _{1})$ как приведенная эффективная константа связи:

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

Распространение волн в решетке, описываемое скалярным волновым уравнением, объясняет $E(x,z)$ как комплексная амплитуда в компоненте y и $k(x,z)$ как константа распространения, пространственно модулированная:

\nabla ^{2}E+k^{2}E=0.

Расчеты линзлетов

Ленслет ^[1] (очень маленькие линзы, измеряемые в микрометрах) расчеты изменения формы, которые могут помочь определить расстояние, длину волны и апертуру средней маски, которые определяют выходную мощность HOE для HOE, действующих как линза.

Расчет горизонтального направления: $\delta _{x}$ — горизонтальное положение спекла , $h$ - параметры апертуры средней маски (маски, расположенной рядом с апертурой линзы), перпендикулярной горизонтальному положению спекла (высоте), $\lambda$ длина волны, а $f$ — рабочее фокусное расстояние,

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

Расчет вертикального направления: $\delta _{y}$ вертикальное положение спекла , $w$ – параметры апертуры средней маски (маски, расположенной вблизи апертуры линзы), перпендикулярной вертикальному положению спекла (ширине), $\lambda$ длина волны, а $f$ — рабочее фокусное расстояние,

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

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . 5 августа 2008 г. Проверено 24 октября 2020 г.
^ Чжоу, ПэнЧэн; Ли, Ян; Лю, Шусинь; Су, Икай (2018). «Компактная конструкция для прозрачных голографических оптических элементов» (PDF) . Оптическое общество . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Мизоками, Кайл (29 марта 2018 г.). «Войска США испытают дополненную реальность к 2019 году» . Популярная механика . Проверено 10 ноября 2020 г.
^ «Что случилось с голографией?» . Американский учёный . 06 февраля 2017 г. Проверено 07.11.2020 .
^ Индутный, Иван З.; Стронский, Александр В.; Костюкевич Сергей Александрович; Романенко Петр Ф.; Шепеляви, Питер Э.; Робур, Игорь Иосифович (1995). «Изготовление голографических оптических элементов с использованием халькогенидных слоев» . Оптическая инженерия . 34 (4): 1030–1039. Бибкод : 1995OptEn..34.1030I . дои : 10.1117/12.197144 . ISSN 0091-3286 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Веб-страница ХАРЛИ» . 15 февраля 2013 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2013 г. Проверено 07.11.2020 .
^ «Голографические оптические элементы, записанные в желатиновых эмульсиях, сенсибилизированных галоидом серебра. Часть 2. Отражающие голографические оптические элементы | Запросить PDF» . Исследовательские ворота . Проверено 07.11.2020 .
^ «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . Июнь 2002 года . Проверено 11 ноября 2020 г.
^ Банг, Кисын; Чан, Чханвон; Ли, Бёнхо (2 января 2019 г.). «Изогнутые голографические оптические элементы и приложения для изогнутых прозрачных дисплеев» . Журнал отображения информации . 20 (1): 9–23. дои : 10.1080/15980316.2019.1570978 . ISSN 1598-0316 .
^ Мизоками, Кайл (29 марта 2018 г.). «Войска США испытают дополненную реальность к 2019 году» . Популярная механика . Проверено 10 ноября 2020 г.
^ Кресс, Бернард (2013), «Дифракционная и голографическая оптика как сумматоры в дисплеях, устанавливаемых на голову». (PDF) , 17-й Международный симпозиум по портативным компьютерам , Цюрих , стр. 37–49 , получено 25 января 2015 г. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Кресс, Бернард; Мэймей Шин (2013), «Дифракционная и голографическая оптика как оптические сумматоры в дисплеях, устанавливаемых на голову» (PDF) , дополнительная публикация конференции ACM 2013 года по повсеместным вычислениям , Цюрих: Ассоциация вычислительной техники , стр. 1479–1482, ISBN 978-1-4503-2215-7 , получено 24 января 2015 г.
^ Кресс, Бернард; Старнер, Тад (29 апреля 2013 г.), «Обзор технологий и приложений головных дисплеев (HMD) для бытовой электроники» (PDF) , Каземи, Алекс; Кресс, Бернард; Тибо, Саймон (ред.), Proceedings of SPIE , vol. 8720, Фотонные приложения для аэрокосмической, коммерческой и суровой среды IV, Балтимор : SPIE (опубликовано 31 мая 2013 г.), doi : 10.1117/12.2015654 , ISBN 978-0-8194-9511-2 , ISSN 0277-786X , S2CID 120332122 , 87200A , получено 24 января 2015 г.
^ Чон, Джинсу; Ли, Джухён; Ю, Чанхён; Мун, Сокил; Ли, Бёнхё; Ли, Бёнхо (2019). «Голографически настроенный оптический объединитель для расширенного окологлазного дисплея» . Оптика Экспресс . 27 (26): 38006–38018. дои : 10.1364/OE.382190 . PMID 31878572 . S2CID 209491080 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ван, Цюн-Хуа; Он, Мин-Ян; Чжан, Хань-Ле; Дэн, Хуан (01 марта 2019 г.). «Система 3D отображения дополненной реальности на основе голографического оптического элемента» . В Ване, Цюн-Хуа; Юн, Тэ Хун; Ли, Джюн-Хо (ред.). Достижения в области технологий отображения IX . Том. 10942. Международное общество оптики и фотоники. п. 1094203. Бибкод : 2019SPIE10942E..03W . дои : 10.1117/12.2508136 . ISBN 9781510625266 . S2CID 86577230 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бланш, Пьер-Александр; Гайли, Патрик; Хабракен, Серж Л.М.; Лемэр, Филипп К.; Жамар, Клод AJ (2004). «Объемно-фазовые голографические решетки: большие размеры и высокая дифракционная эффективность» . Оптическая инженерия . 43 (11): 2603–2612. Бибкод : 2004OptEn..43.2603B . дои : 10.1117/1.1803557 . ISSN 0091-3286 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Когельник, Х. (1969). «Теория связанных волн для толстых голограммных решеток» . Технический журнал Bell System . 48 (9): 2909–2947. дои : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x . ISSN 0005-8580 .

Внешние ссылки

[:03-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . 5 августа 2008 г. Проверено 24 октября 2020 г.

[2] Чжоу, ПэнЧэн; Ли, Ян; Лю, Шусинь; Су, Икай (2018). «Компактная конструкция для прозрачных голографических оптических элементов» (PDF) . Оптическое общество . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:2-3] Мизоками, Кайл (29 марта 2018 г.). «Войска США испытают дополненную реальность к 2019 году» . Популярная механика . Проверено 10 ноября 2020 г.

[4] «Что случилось с голографией?» . Американский учёный . 06 февраля 2017 г. Проверено 07.11.2020 .

[5] Индутный, Иван З.; Стронский, Александр В.; Костюкевич Сергей Александрович; Романенко Петр Ф.; Шепеляви, Питер Э.; Робур, Игорь Иосифович (1995). «Изготовление голографических оптических элементов с использованием халькогенидных слоев» . Оптическая инженерия . 34 (4): 1030–1039. Бибкод : 1995OptEn..34.1030I . дои : 10.1117/12.197144 . ISSN 0091-3286 .

[:1-6] Перейти обратно: ^а ^б «Веб-страница ХАРЛИ» . 15 февраля 2013 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2013 г. Проверено 07.11.2020 .

[7] «Голографические оптические элементы, записанные в желатиновых эмульсиях, сенсибилизированных галоидом серебра. Часть 2. Отражающие голографические оптические элементы | Запросить PDF» . Исследовательские ворота . Проверено 07.11.2020 .

[8] «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . Июнь 2002 года . Проверено 11 ноября 2020 г.

[9] Банг, Кисын; Чан, Чханвон; Ли, Бёнхо (2 января 2019 г.). «Изогнутые голографические оптические элементы и приложения для изогнутых прозрачных дисплеев» . Журнал отображения информации . 20 (1): 9–23. дои : 10.1080/15980316.2019.1570978 . ISSN 1598-0316 .

[:22-10] Мизоками, Кайл (29 марта 2018 г.). «Войска США испытают дополненную реальность к 2019 году» . Популярная механика . Проверено 10 ноября 2020 г.

[ISWC2013-11] Кресс, Бернард (2013), «Дифракционная и голографическая оптика как сумматоры в дисплеях, устанавливаемых на голову». (PDF) , 17-й Международный симпозиум по портативным компьютерам , Цюрих , стр. 37–49 , получено 25 января 2015 г. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[ACM-UQ-2013-12] Кресс, Бернард; Мэймей Шин (2013), «Дифракционная и голографическая оптика как оптические сумматоры в дисплеях, устанавливаемых на голову» (PDF) , дополнительная публикация конференции ACM 2013 года по повсеместным вычислениям , Цюрих: Ассоциация вычислительной техники , стр. 1479–1482, ISBN 978-1-4503-2215-7 , получено 24 января 2015 г.

[SPIE8720-13] Кресс, Бернард; Старнер, Тад (29 апреля 2013 г.), «Обзор технологий и приложений головных дисплеев (HMD) для бытовой электроники» (PDF) , Каземи, Алекс; Кресс, Бернард; Тибо, Саймон (ред.), Proceedings of SPIE , vol. 8720, Фотонные приложения для аэрокосмической, коммерческой и суровой среды IV, Балтимор : SPIE (опубликовано 31 мая 2013 г.), doi : 10.1117/12.2015654 , ISBN 978-0-8194-9511-2 , ISSN 0277-786X , S2CID 120332122 , 87200A , получено 24 января 2015 г.

[14] Чон, Джинсу; Ли, Джухён; Ю, Чанхён; Мун, Сокил; Ли, Бёнхё; Ли, Бёнхо (2019). «Голографически настроенный оптический объединитель для расширенного окологлазного дисплея» . Оптика Экспресс . 27 (26): 38006–38018. дои : 10.1364/OE.382190 . PMID 31878572 . S2CID 209491080 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[15] Ван, Цюн-Хуа; Он, Мин-Ян; Чжан, Хань-Ле; Дэн, Хуан (01 марта 2019 г.). «Система 3D отображения дополненной реальности на основе голографического оптического элемента» . В Ване, Цюн-Хуа; Юн, Тэ Хун; Ли, Джюн-Хо (ред.). Достижения в области технологий отображения IX . Том. 10942. Международное общество оптики и фотоники. п. 1094203. Бибкод : 2019SPIE10942E..03W . дои : 10.1117/12.2508136 . ISBN 9781510625266 . S2CID 86577230 .

[:3-16] Перейти обратно: ^а ^б Бланш, Пьер-Александр; Гайли, Патрик; Хабракен, Серж Л.М.; Лемэр, Филипп К.; Жамар, Клод AJ (2004). «Объемно-фазовые голографические решетки: большие размеры и высокая дифракционная эффективность» . Оптическая инженерия . 43 (11): 2603–2612. Бибкод : 2004OptEn..43.2603B . дои : 10.1117/1.1803557 . ISSN 0091-3286 .

[:4-17] Перейти обратно: ^а ^б Когельник, Х. (1969). «Теория связанных волн для толстых голограммных решеток» . Технический журнал Bell System . 48 (9): 2909–2947. дои : 10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x . ISSN 0005-8580 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]