全息圖是一種非常通用的光學(xué)元件，可以用來實現(xiàn)緊湊輕便的系統(tǒng)。它們被有效地應(yīng)用于各種各樣的應(yīng)用中，近年來在增強現(xiàn)實頭戴設(shè)備的設(shè)計中尤其有價值。

本文描述了全息圖的主要特征，并對 OpticStudio 中可用的全息圖模型進行了概述。

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什么是全息圖?

全息圖是記錄在高分辨率感光乳劑上的干涉圖案。全息圖具有兩個特別的步驟：構(gòu)造步驟和重建步驟，分別用于說明全息圖的構(gòu)建及其作為光學(xué)元件的使用。在構(gòu)建過程中，兩束相干光（稱為構(gòu)造光）相互干涉，它們的干涉被記錄在感光板上。全息圖就是被繪制出來的干涉圖。它帶有干擾結(jié)構(gòu)光束的特征。在重建步驟中，當(dāng)被讀出光所照射時，它像衍射光柵一樣帶有衍射構(gòu)造光的特性。

請注意，在本文和 OpticStudio 中，所有的全息圖都是通過隱式光學(xué)制造的，即通過前面描述的兩束結(jié)構(gòu)光干涉產(chǎn)生。這是為了區(qū)別于計算機生成的全息圖 (CGH)，后者的干涉圖是用數(shù)字生成的。CGH 可以在 OpticStudio 中通過允許相位輪廓定義的任意表面建模，如二進制或網(wǎng)格相位表面。

全息光線追跡方程和主要模型

OpticStudio 將全息圖視為可以改變光線相位的無限薄的表面。全息圖根據(jù)下面的方程使光線路徑偏移：

λc?和?λp? 分別是構(gòu)造和讀取波長，m 是衍射級次。m = 0表示射線無偏移，m 的其他整數(shù)值表示其他衍射級次。

目前，OpticStudio 只對偏離光線路徑的全息圖進行建模。其他性質(zhì)，如基于衍射階數(shù)、波長或入射角的衍射效率的計算，目前尚未考慮。

在 OpticStudio 中有三種主要的全息圖模型，他們是：

• 全息圖1

• 全息圖2

• 光學(xué)制造全息圖

除了光學(xué)構(gòu)造全息圖，所有的序列和非序列全息圖模型都是基于全息圖 1 和全息圖 2 的序列表面。下面幾節(jié)將介紹所有三種主要全息圖模型的主要特征。

全息圖1和全息圖2表面

全息圖 1 和全息圖 2 的表面都是基于構(gòu)造光來自于點光源并且沒有像差的假設(shè)。當(dāng)兩束構(gòu)造光束發(fā)散或收斂時使用全息圖 1，當(dāng)一束構(gòu)造光發(fā)散而另一束構(gòu)造光收斂時使用全息圖 2。兩種模型的典型設(shè)置例子如下圖所示，其中藍色光線表示發(fā)散的構(gòu)造光束，綠色光線則表示收斂的構(gòu)造光束。

全息圖 1 和全息圖 2 都可以用來建模傳輸或反射全息圖。對于傳輸全息圖，構(gòu)造光來自全息圖表面的同一側(cè)，如在上圖 (a)、(b)、(g) 和 (h) 組中所示。相反，對于反射全息圖，構(gòu)造光來自全息圖表面的相反兩側(cè)，如在上圖 (c)、(d)、(e) 和 (f) 組中所示。

請注意，要在反射中使用全息圖，其材質(zhì)必須設(shè)置為“ Mirror ”，這表明 OpticStudio 光線在到達全息圖表面后會以相反的方向傳播。

全息圖 1 和全息圖 2 的形狀是由曲率半徑和圓錐系數(shù)控制的，從而實現(xiàn)了平面、球面或圓錐面全息圖的建模。兩個表面也由一些全息圖特定參數(shù)來表征，如:

• 相對于全息表面頂點的構(gòu)造光 1 的 XYZ 位置

• 相對于全息表面頂點的構(gòu)造光 2 的 XYZ 位置

• 構(gòu)造光波長

• 衍射級次

一旦通過上述參數(shù)確定了全息圖的特性，落在全息圖表面的光線（實際上是重建步驟的讀取光）將根據(jù)前面描述的方程衍射。如果光線來自與其中一個構(gòu)造光源相同的位置，即讀出光線與其中一個構(gòu)造源光束重合，那么全息衍射光線就好像是從第二個構(gòu)造源的位置匯聚或發(fā)散的。之后將使用示例進一步闡明這一點。

想象一下下面的構(gòu)造設(shè)置，它表示兩束構(gòu)造光束都在發(fā)散的傳輸全息圖。如前所述，這是一個應(yīng)該使用全息圖 1 的場景：

在重建步驟中，如果讀出光束與構(gòu)造光 1 重合，則光線就會像來自結(jié)構(gòu)光源 2 一樣發(fā)生衍射，如下圖所示：

同樣的原理也適用于將構(gòu)造光翻轉(zhuǎn)，并用反射全息圖代替。這兩種場景的示例可以在本文附件中找到（分別是“Hologram1_transmission.zar” 和?“Hologram2_reflection.zar）。

請注意，往期文章：【如何使用 ZOS-API 分析全息圖的結(jié)構(gòu)條紋?】中描述的全息圖構(gòu)造干涉自定義分析，可以用于可視化由兩束構(gòu)造光的干涉產(chǎn)生的條紋。

例如，文件“ Hologram1_transmission ”的全息圖構(gòu)造條紋如下圖所示。

光學(xué)構(gòu)造全息面

光學(xué)制造全息圖 (OFH) 是一個序列表面，它能夠?qū)崿F(xiàn)比全息圖 1 和全息圖 2 表面更通用的全息圖建模。事實上，構(gòu)造光束可以比僅僅從一個點光源匯聚/發(fā)散的光束復(fù)雜得多：在到達全息圖表面之前，它們可能會經(jīng)過任意的光學(xué)系統(tǒng)，這些光學(xué)系統(tǒng)可能由多個透鏡、反射鏡甚至其他全息圖組成。由這種構(gòu)造光學(xué)引入的像差將被考慮并對全息圖的特性有所影響。如果需要，建設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)也可以被設(shè)置為變量然后在重建文件中直接優(yōu)化。

OFH 表面需要使用三個 ZMX 文件：

1) 重建文件，用于放置?OFH?

2) 構(gòu)造光 1 的文件，可能包含構(gòu)造光 1 的光學(xué)系統(tǒng)

3) 構(gòu)造光 2 的文件，可能包含構(gòu)造光 2?的光學(xué)系統(tǒng)

構(gòu)造文件需被放置在重建文件的相同文件夾中，它們的名稱也應(yīng)該相同，但在末尾附加“ _1 ”和“ _2 ”的后綴。然后通過在 OFH 表面的注釋中指定它們名稱的公共部分（即沒有后綴），在重建文件中調(diào)用這兩個文件。例如，如果構(gòu)造文件名為“ construction_1 ”和“ construction_2 ”，那么在重建文件中你應(yīng)該輸入 OFH 的注釋為“ construction ”，如下圖所示：

兩個構(gòu)造光相互干涉的表面是每個構(gòu)造文件中的光闌表面。只有在各自的光闌面上的光線交匯向量才能決定全息圖的性質(zhì)。

除了前面解釋的以外，構(gòu)造文件還必須滿足其他幾個要求。更多信息請參閱幫助文件部分的?設(shè)置選項卡 (Setup Tab) > 編輯器組 ( Editors Group ) > 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 ( Lens Data Editor) > 序列表面 (Sequential Surface (lens data editor)) >光學(xué)制造全息圖 (Optically Fabricated Hologram)?。

例如，使用 OFH 表面建模與文件“ Hologram1_transmission.zar ”的相同系統(tǒng)。我們需要定義 construction_1.zmx，用于重建由構(gòu)造光源 1 產(chǎn)生的光線，并落在光闌上。

同樣，construction_2.zmx 應(yīng)該重新創(chuàng)建由構(gòu)造光源 2 產(chǎn)生的光線，并落在光闌上。您可以使用一個坐標間斷表面，以便從離軸光源產(chǎn)生光線，如下圖所示：

一旦創(chuàng)建了構(gòu)造文件，就可以在重建文件中通過引用注釋參數(shù)中的構(gòu)造文件來定義 OFH 表面，正如前面解釋的那樣。OFH 還具有其他表面特定參數(shù)的特征，如：

• 基底形狀，如：

• 圓錐形

• 橢圓形，帶有附加的多項式非球面項

• 圓柱形

• 全息類型，對應(yīng)于全息圖 1 型（全息類型 = 1）或全息圖 2 型（全息類型?= 2）

• 光程差，一般為 0（自動），但如光程差沒有正確計算需手動修改

• 衍射級次

嘗試建模與文件“ Hologram1_transmission.zar ”相同的模型，我們將使用形狀 = 0（全息圖基底是一個平面），全息類型=? 1（兩個構(gòu)造光源發(fā)散）和 -1 級衍射。在重建文件中的 OFH 將產(chǎn)生如下圖所示衍射光線，這與文件“ Hologram1_transmistion .zar ”是一致的。

文章附件中提供的“ OFH.zar ”包含重建文件以及前面提到的兩個構(gòu)造文件。由于這三個文件由 OFH 表面鏈接在一起，單擊在重建文件中的文件 (File) … 創(chuàng)建存檔文件 (Create Archive)?將它們都打包在同一個 ZAR 文件中。

其他全息模型

OpticStudio 還包括其他幾種序列模式和非序列模式的全息圖模型。如前所述，它們都基于全息圖 1 和全息圖 2 表面，但它們允許更靈活的全息圖形狀。具體來說，在非序列模式下，可以通過一些參數(shù)控制物體的邊界形狀。

除了前面討論的全息圖 1、全息圖 2 和 OFH 之外，OpticStudio 中所有可用的全息圖模型將在下面簡要描述。更多關(guān)于每個表面或物體的信息可以在相關(guān)的幫助文件中找到。

• Toroidal 全息 (Toroidal Hologram)（序列模式）：圓柱形/環(huán)形全息圖。

• 全息表面 (Hologram Surface)（非序列模式）：一種基于平面、球面、圓錐或多項式非球面的全息圖表面，具有圓形或用戶自定義的物體邊界形狀。

• 全息透鏡 (Hologram Lens)（非序列模式）：前表面具有全息圖表面的透鏡，該全息圖可以是平面的、球形的或圓錐形的。透鏡可以具有圓形或矩形的邊界形狀。

• Toroidal 全息 (Toroidal Hologram)（非序列模式）：在正面有圓柱形/環(huán)形全息圖表面的透鏡，透鏡可以有一個矩形、圓形或橢圓形的邊界形狀。

OpticStudio 全息面和物體總結(jié)