Holographic optical element
હોલોગ્રાફિક ઓપ્ટિકલ એલિમેન્ટ (HOE) એ ઓપ્ટિકલ ઘટક (અરીસો, લેન્સ, દિશાત્મક વિસારક, વગેરે) છે. જે વિવર્તનના સિદ્ધાંતોનો ઉપયોગ કરીને હોલોગ્રાફિક છબીઓ ઉત્પન્ન કરે છે. HOE નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પારદર્શક ડિસ્પ્લે, 3D ઇમેજિંગ અને ચોક્કસ સ્કેનીંગ તકનીકોમાં થાય છે. HOE નો આકાર અને માળખું તે માટે જરૂરી હાર્ડવેરના ભાગ પર આધારિત છે, અને કપલ્ડ વેવ થિયરી એ એક સામાન્ય સાધન છે જેનો ઉપયોગ વિવર્તન કાર્યક્ષમતા અથવા ગ્રેટિંગ વોલ્યુમની ગણતરી કરવા માટે થાય છે જે HOE ની ડિઝાઇનમાં મદદ કરે છે. હોલોગ્રાફિક ઓપ્ટિકલ તત્વની પ્રારંભિક વિભાવનાઓ 1900ના દાયકાના મધ્યમાં શોધી શકાય છે, જે ડેનિસ ગેબર દ્વારા રચાયેલી હોલોગ્રાફીની શરૂઆત સાથે નજીકથી સુસંગત છે. 3D વિઝ્યુલાઇઝેશન અને ડિસ્પ્લેનો ઉપયોગ આખરે HOE નું અંતિમ લક્ષ્ય છે; જો કે, ઉપકરણની કિંમત અને જટિલતાએ સંપૂર્ણ 3D વિઝ્યુલાઇઝેશન તરફના ઝડપી વિકાસમાં અવરોધ ઊભો કર્યો છે. HOE નો ઉપયોગ ગૂગલ ગ્લાસ સાથેની ગૂગલ જેવી કંપનીઓ દ્વારા અથવા સંશોધન યુનિવર્સિટીઓમાં સંવર્ધિત વાસ્તવિકતા (એ. આર.) ના વિકાસમાં પણ થાય છે જે HOE નો ઉપયોગ આંખના વસ્ત્રો અથવા માથાના વસ્ત્રોના ઉપયોગ વિના 3D ઇમેજિંગ બનાવવા માટે કરે છે. વધુમાં, પારદર્શક પ્રદર્શનને મંજૂરી આપવાની HOE ની ક્ષમતાએ તેના વધુ સારા હેડ-અપ ડિસ્પ્લે (HUD) ના વિકાસમાં અમેરિકી સૈન્યનું ધ્યાન ખેંચ્યું છે, જેનો ઉપયોગ વિમાનના પાયલોટ માટે નિર્ણાયક માહિતી પ્રદર્શિત કરવા માટે થાય છે. HOE નો પ્રારંભિક વિકાસ હોલોગ્રાફિક ઓપ્ટિકલ તત્વ હોલોગ્રાફી (હોલોગ્રામ બનાવવાનું વિજ્ઞાન) સાથે નજીકથી જોડાયેલું છે, જે શબ્દ ડેનિસ ગેબર દ્વારા 1948માં પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યો હતો. હોલોગ્રાફીનો વિચાર આવ્યો ત્યારથી આગામી કેટલાક દાયકાઓમાં હોલોગ્રામ બનાવવાનો પ્રયાસ કરવા માટે ઘણું બધું કરવામાં આવ્યું છે. 1960ના દાયકાની આસપાસ, લેનિનગ્રાડના સ્નાતક વિદ્યાર્થી યુરી નિકોલેવિચ ડેનિસિયુકે સ્વીકાર્યું હતું કે કદાચ પ્રકાશના તરંગ આગળના ભાગને એકવર્ણી પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને ફોટોગ્રાફિક પ્રવાહી મિશ્રણ (પ્રકાશ સ્ફટિક) માં સ્થાયી તરંગ તરીકે રેકોર્ડ કરી શકાય છે, જે પછી તરંગ આગળના ભાગને પુનઃઉત્પાદિત કરવા માટે પ્રકાશને પાછું પ્રતિબિંબિત કરી શકે છે. આ અનિવાર્યપણે હોલોગ્રાફિક અરીસાનું વર્ણન કરે છે (બનાવેલા પ્રથમ HOE માંથી એક) અને ઓવરલેપિંગ છબીઓની સમસ્યાને ઠીક કરે છે. જો કે, ડેન્સિયુકની દરખાસ્તનો બહુ ઓછો વ્યવહારુ ઉપયોગ થયો હતો અને તેના સાથીઓએ તેના પરિણામોને નકારી કાઢ્યા હતા. એમ્મેટ લેઇથ અને જ્યુરિસ ઉપાત્નિક્સના કેટલાક વિકાસ પછી ડેન્સીયુકની દરખાસ્તો 1960ના દાયકાના મધ્ય ભાગ સુધી ફરી સામે આવી ન હતી. આ બે સહયોગીઓએ ફોટોગ્રાફિક પારદર્શિતા પર બે પગલાંની હોલોગ્રામ પ્રક્રિયા સાથે છબીઓને એન્કોડ અને પુનઃનિર્માણ કરી. 1970ના દાયકામાં લોયડ ક્રોસ દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલા હોલોગ્રાફિક સ્ટીરિયોગ્રામ જેવા હોલોગ્રાફિક સાધનો માટેના વધુ પ્રયોગોએ લીથ અને અપ્ટેનિક્સ દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી ઇમેજિંગ પ્રક્રિયાને હાથ ધરી હતી અને તેમને ઊભી પટ્ટીઓમાં ગોઠવી હતી જે નળાકારમાં વક્ર હતી. આ પટ્ટાઓ એક છિદ્ર તરીકે કામ કરે છે જેમાંથી પ્રકાશ પસાર થાય છે, તેથી જ્યારે દર્શક તેમાંથી જુએ છે, ત્યારે 3D છબી જોઈ શકાય છે. આ વિવર્તન વિભાવનાઓનું ખૂબ જ સરળ સંસ્કરણ દર્શાવે છે જેનો ઉપયોગ હજુ પણ HOE ના ઉત્પાદનમાં થાય છે અને 3D ચશ્મા માટે પ્રોટોટાઇપ છે. વર્ગીકરણ વોલ્યુમ અને પાતળા HOEs HOEs અન્ય ઓપ્ટિકલ ઉપકરણોથી અલગ છે કારણ કે તેઓ વક્રતા અને આકાર સાથે પ્રકાશને વાળતા નથી. તેના બદલે, તેઓ અનુરૂપ મટિરિયલ પ્રોફાઇલનો ઉપયોગ કરીને નવા વેવફ્રન્ટનું પુનઃનિર્માણ કરીને પ્રકાશ તરંગોને વિક્ષેપિત કરવા માટે વિવર્તન સિદ્ધાંતો (છિદ્રમાંથી પસાર થતાં પ્રકાશનું વિતરણ) નો ઉપયોગ કરે છે, જે HOE ને એક પ્રકારનું વિવર્તન ઓપ્ટિકલ એલિમેન્ટ (DoE) બનાવે છે. બે સામાન્ય પ્રકારના HOE જે અસ્તિત્વમાં છે તે વોલ્યુમ HOE અને પાતળા HOE છે જે આશ્રિત છે. પાતળા HOE (જેમાં હોલોગ્રાફિક ગ્રેટિંગનું પાતળું સ્તર હોય છે) ની વિવર્તન કાર્યક્ષમતા ઓછી હોય છે, જેના કારણે પ્રકાશના કિરણો વિવિધ દિશામાં વિક્ષેપિત થાય છે. તેનાથી વિપરીત, વોલ્યુમ HOE પ્રકારો (જેમાં હોલોગ્રાફિક ગ્રેટિંગ્સના બહુવિધ સ્તરો હોય છે) વધુ કાર્યક્ષમ છે કારણ કે ઉચ્ચ વિવર્તનશીલ કાર્યક્ષમતાને કારણે પ્રકાશની દિશા પર વધુ નિયંત્રણ હોય છે. HOE બનાવવા માટે કરવામાં આવતી મોટાભાગની ગણતરીઓ સામાન્ય રીતે વોલ્યુમ પ્રકાર HOE હોય છે. રિફ્લેક્શન-પ્રકાર અને ટ્રાન્સમિશન-પ્રકાર HOE પાતળા અથવા વોલ્યુમ HOE હોવા ઉપરાંત, HOE સ્થિતિ દ્વારા પણ પ્રભાવિત થઈ શકે છે, જે નક્કી કરે છે કે તે ટ્રાન્સમિશન પ્રકાર છે કે પ્રતિબિંબ પ્રકાર. આ પ્રકારના HOE ઓબ્જેક્ટ બીમ અને સંદર્ભ બીમની સ્થિતિ દ્વારા તે બીમની રેકોર્ડિંગ સામગ્રીના સંબંધમાં નક્કી કરવામાં આવે છેઃ એક જ બાજુ હોવું એ પ્રસારણ HOE અને અન્યથા પ્રતિબિંબ HOE સૂચવે છે. HOE ના ઉત્પાદનમાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી કેટલીક સામગ્રીઓમાં સિલ્વર હેલાઇડ ઇમલ્શન અને ડાયક્રોમેટ જિલેટીનનો સમાવેશ થાય છે. એપ્લિકેશન્સ એરોસ્પેસ ઉદ્યોગ 2000ના દાયકાની શરૂઆતમાં નાસાએ હોલોગ્રાફિક એરબોર્ન રોટેટિંગ લિડાર ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ એક્સપેરિમેન્ટ (HARLIE) તરીકે ઓળખાતું પરીક્ષણ હાથ ધર્યું હતું, જેમાં ફ્લોટ ગ્લાસ વચ્ચે સેન્ડવિચ કરેલા ડાયક્રોમેટ જિલેટીન-આધારિત વોલ્યુમ HOEનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરીક્ષણનો ઉદ્દેશ સપાટી અને વાતાવરણીય પરિમાણોને માપવાની નવી પદ્ધતિ શોધવાનો હતો જે અવકાશમાં ફેલાયેલી લિડાર પ્રણાલીઓના કદ, દળ અને કોણીય વેગને ઘટાડી શકે. HOE ની વક્ર અથવા વળાંકવાળા તરીકે બનાવવાની ક્ષમતા તેને હેડ અપ ડિસ્પ્લે (HUD) અથવા હેડ માઉન્ટ ડિસ્પ્લે (HMD) ના નિર્માણમાં ઉપયોગમાં લેવાની મંજૂરી આપે છે. વધુમાં, વોલ્યુમ ગ્રેટિંગની પસંદગીને કારણે પારદર્શિતા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે જેનો ઉપયોગ ચોક્કસ ઘટના ખૂણા અથવા તરંગલંબાઇ પર પ્રકાશને વિક્ષેપિત કરવા માટે થાય છે. આ પારદર્શક હેડ-અપ ડિસ્પ્લેના વિકાસ માટે પરવાનગી આપે છે જે એરક્રાફ્ટ પાઇલોટ્સને માહિતી પહોંચાડે છે અને કોકપીટની જગ્યા સાચવે છે. યુએસ સૈન્ય હાલમાં આ નવા વિમાન પ્રદર્શન પર પરીક્ષણો ચલાવી રહ્યું છે. નેક્સ્ટ લેવલ ઓગમેન્ટેડ રિયાલિટી હોલોગ્રાફિક ઓપ્ટિકલ એલિમેન્ટનો એક ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ હેડ-માઉન્ટેડ ડિસ્પ્લે માટે પાતળા-પ્રોફાઇલ કોમ્બિનર લેન્સમાં થાય છે. પ્રતિબિંબીત વોલ્યુમ હોલોગ્રામનો ઉપયોગ ક્રમિક રીતે સંમિશ્રિત છબીને બહાર કાઢવા માટે થાય છે જે ઓપ્ટિકલ વેવગાઇડમાં કુલ આંતરિક પ્રતિબિંબ દ્વારા નિર્દેશિત કરવામાં આવી હતી. પ્રતિબિંબીત વોલ્યુમ હોલોગ્રામની વર્ણપટ અને કોણીય બ્રેગ પસંદગી તેને આર. જી. બી. એલ. ઈ. ડી. જેવા પ્રકાશ સ્રોતોનો ઉપયોગ કરીને સંયોજન માટે ખાસ કરીને સારી રીતે અનુકૂળ બનાવે છે, જે સારી દૃશ્ય ગુણવત્તા અને અંદાજિત છબીની સારી ગુણવત્તા બંને પ્રદાન કરે છે. આ ઉપયોગ કોનિકા મિનોલ્ટા અને સોની દ્વારા સ્માર્ટ ગ્લાસમાં લાગુ કરવામાં આવ્યો છે. HOE ની ડિઝાઇનમાં એક ધ્યેય એ છે કે 3D વિઝ્યુલાઇઝેશનનો પ્રયાસ કરવો અને બનાવવું અને તેની સૌથી નજીકની વસ્તુ સંવર્ધિત વાસ્તવિકતા છે. સંવર્ધિત વાસ્તવિકતાના સૌથી સામાન્ય પ્રકારો હેડ માઉન્ટ ડિસ્પ્લે અથવા ચશ્મા પ્રકારનાં ડિસ્પ્લેમાંથી આવે છે, જેને પ્રથમ પ્રકારનાં 3D ડિસ્પ્લે ગણી શકાય. આ પ્રકારના પ્રદર્શનના કેટલાક ઉદાહરણોમાં માઇક્રોસોફ્ટની હોલોલેન્સ I, II, ગૂગલ ગ્લાસ અને મેજિક લીપનો સમાવેશ થાય છે. HOEs બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી સામગ્રીની ઊંચી કિંમતને કારણે આ પ્રકારની વસ્તુઓ ઘણીવાર ખૂબ મોંઘી હોય છે. બીજી પ્રકારની 3D વિઝ્યુલાઇઝેશન પદ્ધતિ પણ છે જે પ્રકાશ ક્ષેત્રોની રચના દ્વારા 3D પદાર્થોની પ્રતિકૃતિ બનાવે છે. આ પ્રકારનું વિઝ્યુલાઇઝેશન વિજ્ઞાન સાહિત્ય ફિલ્મો અથવા વિડિયો ગેમ્સમાં જોવા મળતા વિઝ્યુલાઇઝેશનની નજીક છે. બીજા પ્રકારને સફળ બનાવવા માટે HOE નો ઉપયોગ કરી શકાય તેવી સૈદ્ધાંતિક રીતો પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી છે. 2019 માં બેઇહાંગ યુનિવર્સિટી અને સિચુઆન યુનિવર્સિટીના આનુષંગિકોની એક દરખાસ્ત સૂચવે છે કે ડિસ્પ્લે પેનલ સાથે માઇક્રો લેન્સ એરે (એમ. એલ. એ.) HOE નો ઉપયોગ 3D છબી બનાવી શકે છે. પ્રસ્તાવિત તકનીક એમ. એલ. એ. પ્રકારનાં એચ. ઓ. ઈ. ને એરેની ગોળાકાર તરંગ બનાવીને કામ કરે છે. પ્રકાશ પછી 3D છબી બનાવવા માટે આ ગોળાકાર એરેમાં વહેંચવામાં આવે છે. તેની હાલની સ્થિતિમાં, પ્રદર્શનની ખામી તેની ઓછી રીઝોલ્યુશન ગુણવત્તા છે. HOE કન્સ્ટ્રક્શન કપલ્ડ-વેવ થિયરી માટે સંબંધિત ગાણિતિક સિદ્ધાંતો કપલ્ડ-વેવ થિયરી એ વોલ્યુમ HOE ની રચનાનો નિર્ણાયક ભાગ છે. તે વિશે સૌપ્રથમ 1969 માં હર્વિગ કોલ્જેનિક દ્વારા લખવામાં આવ્યું હતું અને તેમાં ગાણિતિક નમૂનાઓ છે જે ચોક્કસ સામગ્રીની તરંગલંબાઇ અને કોણીય પસંદગી (આ પરિબળો નક્કી કરે છે કે કોઈ વસ્તુ ચોક્કસ ખૂણા અથવા તરંગલંબાઇ પર પ્રકાશને કેટલી અસરકારક રીતે સમાયોજિત અને પ્રસારિત કરી શકે છે) નક્કી કરે છે. આ સિદ્ધાંત દ્વારા કેટલાક આધારો આપવામાં આવ્યા છેઃ તે મોટી વિવર્તન ક્ષમતાઓ માટે માન્ય છે (આપેલ સ્થળે કેટલી ઓપ્ટિકલ શક્તિ વિક્ષેપિત થાય છે તે માપે છે) અને તેની વ્યુત્પત્તિ એ આધારે કરવામાં આવે છે કે મોનોક્રોમેટિક પ્રકાશ ઘટના બ્રેગ કોણ (પ્રકાશ બીમ અને સ્ફટિકોના સમતલ વચ્ચેનો એક નાનો કોણ) ની નજીક હોય છે અને ઘટનાના સમતલને લંબરૂપ હોય છે (એક સમતલ જેમાં પ્રકાશના કિરણ અને સપાટી બંને હોય છે જે સામાન્ય રીતે ચોક્કસ બિંદુ પર અરીસા તરીકે કાર્ય કરે છે). HOE નવા તરંગોનું નિર્માણ કરીને પ્રકાશને વિક્ષેપિત કરીને કામ કરે છે, તેથી જાડા HOE સામગ્રીને બ્રેગ એંગલની નજીક પ્રકાશને વિક્ષેપિત કરવાનો પ્રયાસ વધુ કાર્યક્ષમ વેવફ્રન્ટ બાંધકામ માટે કરશે. આ સમીકરણોનો ઉપયોગ હોલોગ્રામ ગ્રેટિંગ વોલ્યુમને સમાયોજિત કરવા અને ઉત્પાદન દરમિયાન HOE ની વિવર્તન કાર્યક્ષમતામાં વધારો કરવા માટે થાય છે અને તે ટ્રાન્સમિશન પ્રકાર HOE અથવા પ્રતિબિંબ પ્રકાર HOE બંને પર લાગુ કરી શકાય છે. ક્લાસિકલ ગ્રેટિંગ સમીકરણ ઘટના કોણ, વિવર્તન કોણ, સપાટીની ગ્રેટિંગ, મુક્ત જગ્યામાં તરંગલંબાઇ અને વિવર્તનના પૂર્ણાંક ક્રમ માટે જવાબદાર છેઃ સમતલ પ્રસારણ માટે બ્રેગ સમીકરણ તરીકે અને રીફ્રેક્શનના સૂચકાંક માટે જવાબદાર છેઃ સ્પેક્ટ્રલ બેન્ડવિડ્થ અંદાજ વર્ણપટની બેન્ડવિડ્થ અને ગ્રેટિંગ જાડાઈ માટે જવાબદાર છેઃ કોણીય બેન્ડવિડ્થ અંદાજ એફ. ડબલ્યુ. એચ. એમ. પર કોણીય બેન્ડવિડ્થ તરીકે જવાબદાર છે (મહત્તમ અડધા પર સંપૂર્ણ પહોળાઈ): વિવર્તન કાર્યક્ષમતા સમીકરણ ગ્રેટિંગ મોડ્યુલેશનની તીવ્રતા તરીકે જવાબદાર છે, કારણ કે ટી. એમ. મોડ માટે વિવર્તન કાર્યક્ષમતા (ઘટનાના સમતલની સમાંતર ધ્રુવીકરણ), અને ઘટાડેલા અસરકારક જોડાણ સતત તરીકેઃ તરંગ પ્રસાર આડું દિશાની ગણતરીઃ શું સ્પેકલની આડી સ્થિતિ છે, તે મધ્ય માસ્ક છિદ્ર (લેન્સ છિદ્રની નજીક મૂકવામાં આવેલ માસ્ક) ના પરિમાણો છે, જે સ્પેકલ (ઊંચાઈ) ની આડી સ્થિતિને લંબરૂપ છે, તે તરંગલંબાઇ છે, અને તે કાર્યરત કેન્દ્રીય અંતર છે, ઊભી દિશાની ગણતરીઃ તે સ્પેકલની ઊભી સ્થિતિ છે, તે મધ્ય માસ્ક છિદ્ર (લેન્સ છિદ્રની નજીક મૂકવામાં આવેલ માસ્ક) ના પરિમાણો છે જે સ્પેકલ (પહોળાઈ) ની ઊભી સ્થિતિને લંબરૂપ છે, તે તરંગલંબાઇ છે, અને કાર્યરત કેન્દ્રીય અંતર છે, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમ પ્રકાશ માટે સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ HOE ટ્યુટોરિયલ હોલોગ્રાફિક ઓપ્ટિકલ તત્વ હોલોગ્રાફિક ફ્લોરોસન્સ ઇમેજિંગ હોલોગ્રામ કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તેના પર વધુ સ્પષ્ટતા