用于成像和光学处理的全息光学元件

全息术涉及通过光在全息材料上的干涉和衍射记录物体的三维信息，然后重建三维视觉。本文讨论了全息光学元件、应用和最新研究。

什么是全息光学元件？

全息术出现于1947年，当时丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）在致力于改进电子显微镜时，提出了一个两步过程的概念：在照相板上记录干涉图案并用可见光重建波前。1948 年，Gabor 使用带有绿色滤光片的水银弧光灯创建了第一张全息图。

全息光学元件 （HOE） 是利用全息原理为特定应用操纵光波的光学设备。光束分为参考光束和物光束；物体光束与被记录的物体相互作用，在包含形状和特征信息的全息记录介质上创建干涉图案。当被参考光束照射时，记录的全息图重建了原始物体的波前。

全息光学元件的应用

增强现实 （AR） 是 HHOE 在成像中的一个有价值的应用，它通过重新创建 3D 图像并增强深度感知和整体视觉保真度来提供身临其境的逼真体验。AR 在游戏、教育甚至医学等行业引入了一种新方法，外科医生可以在手术过程中使用全息叠加。

同样，通过将速度、导航和警告等重要信息直接投射到驾驶员的视线中，HOE 有助于实现更安全、更便捷的驾驶体验。显示屏的全息特性确保了最小的干扰，并允许驾驶员专注于道路，同时实时访问关键信息。

全息光学元件通过提供各种功能在光学处理中发挥着重要作用，使其成为操纵光的宝贵工具。例如，它们可以精确地分离和组合光束，从而可以对其路径进行复杂的控制，并促进有用的应用（例如复杂的通信网络和复杂的激光系统）。

HOE 是空间光调制器的基础，可实现光束控制、光开关和重要通信系统开发等关键功能。

最新创新

基于HOE的AR HUD在导航中的应用

在 2021 年的一项研究中，研究人员提出并设计了一种 AR 平视显示器 （HUD） 系统，该系统通过利用全息光学元件克服了传统 HUD 的局限性。该系统具有多平面、大面积、高衍射效率等特点，并采用单个图像生成单元（PGU）。

研究人员使用具有波长选择性的体积HOE，允许显示不同深度的图像。实验结果表明，红色、绿色和蓝色 HEE 的衍射效率分别为 75.2 %、73.1 % 和 67.5 %，系统视场 （FOV） 和眼框 （EB） 分别为 12 ° × 10 ° 和 9.5 cm × 11.2 cm。该系统的透光率达到60%，展示了其在车辆和航空AR导航显示器中的潜在应用。

使用防水溶胶增强 HOE

在 2022 年的一项研究中，研究人员使用快速固化、防水的光敏溶胶-凝胶增强了全息光学元件。这种材料以其对环境的坚固性而闻名，特别是防水和防刮擦。尽管如此，溶胶凝胶仍面临着折射率调制有限的挑战。该研究解决了这一局限性，以优化薄层中记录的全息图的衍射效率。

研究人员在折射率调制方面实现了两倍以上的改进，从1.4×10^-3至 3.3 × 10^-3，通过探索不同波长的记录特性，并采用化学变化和热后处理技术。这些进步对于光学显示器、照明管理和太阳能光收集等应用至关重要，在这些应用中，高效、轻便的衍射光学元件正越来越多地取代传统光学元件。

在 HOE 中使用光栅矢量场优化成像

在 2020 年的一项研究中，研究人员推进了全息光学元件的设计和制造，重点是提高成像性能并实现新应用。该研究介绍了一种用于设计、优化和制造复杂的定制 HOE 的管道，强调光栅矢量场。

该研究探索了两种不同的制造方法：一种利用自由曲面折射元件实现高光学质量和精度，另一种采用带有两个波前调制臂的全息打印机进行快速原型制作。

该研究通过制造专门的HOE展示了这些方法的多功能性，包括非球面透镜、平视显示透镜、透镜阵列，尤其是全彩色苛性碱投影元件。这一发展标志着在扩展 HOE 功能方面迈出了一大步，特别是在虚拟和 AR 显示器等应用中。

使用近红外HOE增强眼动追踪

在另一项研究中，研究人员探索了体全息光学元件在AR眼镜中的应用，重点是近红外（NIR）传感操作。

该研究集成了点源优化和像差分析，以设计有效的全息波导耦合器，该耦合器与可见光波长光一起工作，并在近红外光谱中重建。这种方法有助于实现适用于眼动传感应用的基板模式体积全息透镜。

该研究还研究了用于波导耦合的输出HOE的设计，旨在增加眼动追踪应用的角度带宽。研究结果证明了所设计的波导组件的可行性，在0.6 mm厚的玻璃基板上实现了大约3线对/毫米（lp/mm）的图像分辨率。

结论

全息光学元件正在重塑成像和光学处理。最近的研究（包括使用光栅矢量场优化成像、设计 AR HUD 系统以及引入复合 HE 等创新概念）展示了该技术的进步。这些进步不仅推动了光电子领域的发展，而且有望在AR导航显示器、光谱仪设计和轻质衍射光学元件等领域实现变革性应用，对各个行业产生深远影响。

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