全息術涉及通過光在全息材料上的干涉和衍射記錄物體的三維信息，然后重建三維視覺。本文討論了全息光學元件、應用和最新研究。

什么是全息光學元件？

全息術出現(xiàn)于1947年，當時丹尼斯·加博爾（Dennis Gabor）在致力于改進電子顯微鏡時，提出了一個兩步過程的概念：在照相板上記錄干涉圖案并用可見光重建波前。1948 年，Gabor 使用帶有綠色濾光片的水銀弧光燈創(chuàng)建了第一張全息圖。

全息光學元件 （HOE） 是利用全息原理為特定應用操縱光波的光學設備。光束分為參考光束和物光束；物體光束與被記錄的物體相互作用，在包含形狀和特征信息的全息記錄介質(zhì)上創(chuàng)建干涉圖案。當被參考光束照射時，記錄的全息圖重建了原始物體的波前。

全息光學元件的應用

增強現(xiàn)實 （AR） 是 HHOE 在成像中的一個有價值的應用，它通過重新創(chuàng)建 3D 圖像并增強深度感知和整體視覺保真度來提供身臨其境的逼真體驗。AR 在游戲、教育甚至醫(yī)學等行業(yè)引入了一種新方法，外科醫(yī)生可以在手術過程中使用全息疊加。

同樣，通過將速度、導航和警告等重要信息直接投射到駕駛員的視線中，HOE 有助于實現(xiàn)更安全、更便捷的駕駛體驗。顯示屏的全息特性確保了最小的干擾，并允許駕駛員專注于道路，同時實時訪問關鍵信息。

全息光學元件通過提供各種功能在光學處理中發(fā)揮著重要作用，使其成為操縱光的寶貴工具。例如，它們可以精確地分離和組合光束，從而可以對其路徑進行復雜的控制，并促進有用的應用（例如復雜的通信網(wǎng)絡和復雜的激光系統(tǒng)）。

HOE 是空間光調(diào)制器的基礎，可實現(xiàn)光束控制、光開關和重要通信系統(tǒng)開發(fā)等關鍵功能。

最新創(chuàng)新

基于HOE的AR HUD在導航中的應用

在 2021 年的一項研究中，研究人員提出并設計了一種 AR 平視顯示器 （HUD） 系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過利用全息光學元件克服了傳統(tǒng) HUD 的局限性。該系統(tǒng)具有多平面、大面積、高衍射效率等特點，并采用單個圖像生成單元（PGU）。

研究人員使用具有波長選擇性的體積HOE，允許顯示不同深度的圖像。實驗結(jié)果表明，紅色、綠色和藍色 HEE 的衍射效率分別為 75.2 %、73.1 % 和 67.5 %，系統(tǒng)視場 （FOV） 和眼框 （EB） 分別為 12 ° × 10 ° 和 9.5 cm × 11.2 cm。該系統(tǒng)的透光率達到60%，展示了其在車輛和航空AR導航顯示器中的潛在應用。

使用防水溶膠增強 HOE

在 2022 年的一項研究中，研究人員使用快速固化、防水的光敏溶膠-凝膠增強了全息光學元件。這種材料以其對環(huán)境的堅固性而聞名，特別是防水和防刮擦。盡管如此，溶膠凝膠仍面臨著折射率調(diào)制有限的挑戰(zhàn)。該研究解決了這一局限性，以優(yōu)化薄層中記錄的全息圖的衍射效率。

研究人員在折射率調(diào)制方面實現(xiàn)了兩倍以上的改進，從1.4×10^-3至 3.3 × 10^-3，通過探索不同波長的記錄特性，并采用化學變化和熱后處理技術。這些進步對于光學顯示器、照明管理和太陽能光收集等應用至關重要，在這些應用中，高效、輕便的衍射光學元件正越來越多地取代傳統(tǒng)光學元件。

在 HOE 中使用光柵矢量場優(yōu)化成像

在 2020 年的一項研究中，研究人員推進了全息光學元件的設計和制造，重點是提高成像性能并實現(xiàn)新應用。該研究介紹了一種用于設計、優(yōu)化和制造復雜的定制 HOE 的管道，強調(diào)光柵矢量場。

該研究探索了兩種不同的制造方法：一種利用自由曲面折射元件實現(xiàn)高光學質(zhì)量和精度，另一種采用帶有兩個波前調(diào)制臂的全息打印機進行快速原型制作。

該研究通過制造專門的HOE展示了這些方法的多功能性，包括非球面透鏡、平視顯示透鏡、透鏡陣列，尤其是全彩色苛性堿投影元件。這一發(fā)展標志著在擴展 HOE 功能方面邁出了一大步，特別是在虛擬和 AR 顯示器等應用中。

使用近紅外HOE增強眼動追蹤

在另一項研究中，研究人員探索了體全息光學元件在AR眼鏡中的應用，重點是近紅外（NIR）傳感操作。

該研究集成了點源優(yōu)化和像差分析，以設計有效的全息波導耦合器，該耦合器與可見光波長光一起工作，并在近紅外光譜中重建。這種方法有助于實現(xiàn)適用于眼動傳感應用的基板模式體積全息透鏡。

該研究還研究了用于波導耦合的輸出HOE的設計，旨在增加眼動追蹤應用的角度帶寬。研究結(jié)果證明了所設計的波導組件的可行性，在0.6 mm厚的玻璃基板上實現(xiàn)了大約3線對/毫米（lp/mm）的圖像分辨率。

結(jié)論

全息光學元件正在重塑成像和光學處理。最近的研究（包括使用光柵矢量場優(yōu)化成像、設計 AR HUD 系統(tǒng)以及引入復合 HE 等創(chuàng)新概念）展示了該技術的進步。這些進步不僅推動了光電子領域的發(fā)展，而且有望在AR導航顯示器、光譜儀設計和輕質(zhì)衍射光學元件等領域?qū)崿F(xiàn)變革性應用，對各個行業(yè)產(chǎn)生深遠影響。

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