عنصر بصري هولوغرافي

تختلف العناصر البصرية الهولوغرافية (HOEs) عن الأجهزة البصرية الأخرى لأنها لا تُغيّر انحناء الضوء أو شكله. بدلاً من ذلك، تستخدم مبادئ الحيود (توزيع الضوء أثناء مروره عبر فتحة) لحيود الموجات الضوئية عن طريق إعادة بناء جبهة موجية جديدة باستخدام خصائص مادية مُلائمة، مما يجعل العناصر البصرية الهولوغرافية نوعًا من عناصر الحيود البصرية (DOE). ^{[ 1 ]} يوجد نوعان شائعان من العناصر البصرية الهولوغرافية: العناصر الحجمية والعناصر الرقيقة. يتميز العنصر الرقيق (الذي يحتوي على طبقة رقيقة من محزز هولوغرافي ) بكفاءة حيود منخفضة، مما يؤدي إلى حيود حزم الضوء في اتجاهات مختلفة. في المقابل، تتميز العناصر الحجمية (التي تحتوي على طبقات متعددة من المحززات الهولوغرافية) بكفاءة أعلى نظرًا لإمكانية التحكم بشكل أفضل في اتجاه الضوء بفضل كفاءة الحيود العالية. تُجرى معظم الحسابات اللازمة لإنشاء العناصر البصرية الهولوغرافية عادةً على العناصر الحجمية. ^{[ 5 ]}

إضافةً إلى كونها عناصر بصرية هوموغرافية رقيقة أو حجمية، تتأثر هذه العناصر أيضًا بموقعها، الذي يحدد ما إذا كانت من نوع الإرسال أو الانعكاس. ويُحدد هذا النوع من العناصر بموقع شعاع الجسم وشعاع المرجع بالنسبة لمادة التسجيل الخاصة بهذين الشعاعين: فوجودهما على نفس الجانب يدل على عنصر إرسال، وإلا فهو عنصر انعكاس. ومن أكثر المواد شيوعًا في تصنيع هذه العناصر مستحلب هاليد الفضة وجيلاتين ثنائي الكرومات. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أجرت وكالة ناسا اختبارًا يُعرف باسم تجربة جهاز الليدار الدوار المحمول جوًا الهولوغرافي (HARLIE)، والذي استخدم عنصرًا بصريًا هولوغرافيًا حجميًا قائمًا على جيلاتين ثنائي الكرومات محصورًا بين طبقتين من الزجاج المصقول . كان الهدف من الاختبار هو إيجاد طريقة جديدة لقياس معايير السطح والغلاف الجوي، بحيث تُقلل من حجم وكتلة وعزم الدوران الزاوي لأنظمة الليدار الفضائية. ^{[ 6 ] [ 8 ]} إن إمكانية تصنيع العنصر البصري الهولوغرافي بشكل منحني أو قابل للثني تسمح باستخدامه في بناء شاشات العرض الرأسية (HUD) أو شاشات العرض المثبتة على الرأس (HMD). بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الشفافية بفضل انتقائية الشبكة الحجمية المستخدمة في حيود الضوء عند زاوية سقوط أو طول موجي محدد. ^{[ 9 ]} وهذا يسمح بتطوير شاشات عرض رأسية شفافة تنقل المعلومات إلى طياري الطائرات وتوفر مساحة في قمرة القيادة. ويجري الجيش الأمريكي حاليًا اختبارات على هذه الشاشات الجديدة للطائرات. ^{[ 10 ]}

يُستخدم عنصر بصري هولوغرافي في عدسات التجميع الرقيقة لشاشات العرض البصرية المثبتة على الرأس . ^{[ 11 ]} يُستخدم الهولوغرام الحجمي العاكس لاستخلاص صورة متوازية تدريجيًا ، تم توجيهها عبر الانعكاس الداخلي الكلي في دليل موجي بصري . إن الانتقائية الطيفية والزاوية لبراغ للهولوغرام الحجمي العاكس تجعله مناسبًا بشكل خاص للمجمعات التي تستخدم مصادر ضوئية مثل مصابيح LED ثلاثية الألوان (RGB) ، مما يوفر جودة رؤية جيدة وجودة عالية للصورة المعروضة. وقد تم تطبيق هذا الاستخدام في النظارات الذكية من قبل شركتي كونيكا مينولتا وسوني . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يتمثل أحد أهداف تصميم عنصر بصري ثلاثي الأبعاد (HOE) في محاولة إنشاء تصور ثلاثي الأبعاد، وأقرب ما يكون إلى ذلك هو الواقع المعزز. تأتي أكثر أنواع الواقع المعزز شيوعًا من شاشات العرض المثبتة على الرأس أو النظارات، والتي يمكن اعتبارها النوع الأول من شاشات العرض ثلاثية الأبعاد. من أمثلة هذا النوع من الشاشات: HoloLens I وII من مايكروسوفت، وGoogle Glass، وMagic Leap. غالبًا ما تكون هذه العناصر باهظة الثمن نظرًا لارتفاع تكلفة المواد المستخدمة في إنتاج عناصر HOE. ^{[ 1 ] [ 14 ]} يوجد أيضًا نوع ثانٍ من طرق التصور ثلاثي الأبعاد، يسعى إلى محاكاة الأجسام ثلاثية الأبعاد من خلال إنشاء حقول ضوئية. هذا النوع من التصور أقرب إلى ما نراه في أفلام الخيال العلمي أو ألعاب الفيديو. وقد طُرحت طرق نظرية لاستخدام عناصر HOE لتحقيق النوع الثاني. يقترح أحد المقترحات من منتسبي جامعة بيهانغ وجامعة سيتشوان في عام 2019 استخدام عنصر HOE مزود بمصفوفة عدسات دقيقة (MLA) مع لوحة عرض لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. تعتمد التقنية المقترحة على قيام عنصر بصري هولوغرافي من نوع MLA بتشكيل موجة كروية من المصفوفات. ثم يتم توزيع الضوء عبر هذه المصفوفة الكروية لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد. في وضعها الحالي، يتمثل عيب الشاشة في جودة دقتها المنخفضة. ^{[ 15 ]}

تُعدّ نظرية الموجات المقترنة جزءًا أساسيًا من تصميم العناصر البصرية الهولوغرافية الحجمية. وقد كتب عنها هيرفيج كوجلنيك لأول مرة عام 1969، وتتضمن نماذج رياضية تُحدد الطول الموجي والانتقائية الزاوية (وهي عوامل تُحدد مدى كفاءة مادة ما في ضبط ونقل الضوء عند زاوية أو طول موجي معين) لبعض المواد. ^{[ 16 ]} وتُقدم النظرية عدة فرضيات: فهي صالحة لكفاءات حيود عالية (تقيس مقدار الطاقة الضوئية التي تُحيد عند نقطة معينة)، ويتم اشتقاقها على أساس أن الضوء أحادي اللون الساقط يكون قريبًا من زاوية براغ (زاوية صغيرة بين شعاع ضوئي ومستوى بلوري) وعموديًا على مستوى السقوط (مستوى يحتوي على كل من شعاع ضوئي وسطح يعمل عادةً كمرآة عند نقطة معينة). وبما أن العنصر البصري الهولوغرافي يعمل عن طريق حيود الضوء من خلال بناء موجات جديدة، فإن محاولة جعل مادة العنصر البصري الهولوغرافي السميكة تحيد الضوء بالقرب من زاوية براغ ستؤدي إلى بناء جبهة موجية أكثر كفاءة. ^{[ 17 ]} تُستخدم هذه المعادلات لضبط حجم محزز الهولوغرام وزيادة كفاءة حيود عنصر الهولوغرام البصري أثناء الإنتاج، ويمكن تطبيقها على كلٍ من عناصر الهولوغرام البصرية من نوع الإرسال وعناصر الهولوغرام البصرية من نوع الانعكاس. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تأخذ معادلة المحزز الكلاسيكية في الاعتبار زاوية السقوط${\displaystyle \alpha }$زاوية الحيود${\displaystyle \beta }$شبكة سطحية${\displaystyle v}$الطول الموجي في الفضاء الحر${\displaystyle \lambda }$، ورتبة الانعراج الصحيحة${\displaystyle m}$:

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

معادلة براغ لانتقال الحركة المستوية تأخذ في الاعتبار${\displaystyle 1/v}$مثل${\displaystyle \Lambda }$ومعامل الانكسار كـ${\displaystyle n_{1}}$:

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

يُراعي تقريب عرض النطاق الطيفي عرض النطاق الطيفي${\displaystyle \Delta \lambda _{f}}$وسُمك الشبكة${\displaystyle d}$:

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

يُراعي تقريب عرض النطاق الزاوي${\displaystyle \alpha _{f}}$كعرض النطاق الزاوي عند نصف القيمة القصوى ( FWHM ):

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

معادلة كفاءة الحيود تأخذ في الاعتبار${\displaystyle \Delta n_{1}}$بحسب شدة تعديل الشبكة،${\displaystyle \eta _{t}}$باعتبارها كفاءة حيود نمط TM (الاستقطاب الموازي لمستوى السقوط)، و${\displaystyle \cos(2\alpha _{1})}$باعتباره ثابت الاقتران الفعال المخفض:

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

يُفسر انتشار الموجات في المحزز، كما هو موضح في معادلة الموجة العددية، ما يلي:${\displaystyle E(x,z)}$باعتبارها السعة المركبة في المكون y و${\displaystyle k(x,z)}$باعتباره ثابت الانتشار الذي يتم تعديله مكانيًا:

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

حسابات تغير شكل العدسات الصغيرة ^{[ 1 ]} (العدسات الصغيرة جدًا التي تقيس بالميكرومترات) والتي قد تساعد في تحديد المسافة والطول الموجي وفتحة القناع الأوسط التي تحدد خرج HOE للأجهزة التي تعمل كعدسة.

حساب الاتجاه الأفقي:${\displaystyle \delta _{x}}$هو الموضع الأفقي للبقعة ،${\displaystyle h}$هي معلمات فتحة القناع الوسطى (القناع الموضوع بالقرب من فتحة العدسة) عمودية على الموضع الأفقي للبقعة (الارتفاع)،${\displaystyle \lambda }$هو الطول الموجي، و${\displaystyle f}$هي مسافة البؤرة العاملة،

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

حساب الاتجاه الرأسي:${\displaystyle \delta _{y}}$هو الموضع الرأسي للبقعة ،${\displaystyle w}$هي معلمات فتحة القناع الوسطى (القناع الموضوع بالقرب من فتحة العدسة) عمودية على الموضع الرأسي للبقعة (العرض)،${\displaystyle \lambda }$هو الطول الموجي، و${\displaystyle f}$هي مسافة البؤرة العاملة،

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