将现有光学技术应用于新兴应用

衍射光栅在光学领域并不新鲜。它们被用在无数的地方传统光学系统，例如光谱仪、单色仪和许多其他仪器。衍射光栅具有周期性结构，根据周期和波长将光散射到一个或多个明确定义的方向上。输出光束的角度取决于入射角，光栅中相邻周期结构之间的距离，以及入射光的波长。

衍射光学与折射光学的区别在于它们引导光的方式。使用传统的屈光透镜，光线会弯曲，因为它在从透镜外部进入透镜内部，然后再返回的过程中改变了速度。光束弯曲的程度取决于透镜材料的折射率和透镜本身的形状。

衍射光学也根据其折射率和物理几何形状来弯曲光线，但这种几何形状是在微观尺度上的——与光本身波长相同的尺度。由周期性微观结构散射的光可以在特定的方向上进行建设性的干涉，有时与表面法线形成较大的角度。通过这种方式，衍射光学在转向光方面特别强大。对于屈光透镜，同样的作用可能需要大而复杂的透镜系统和/或具有复杂几何形状的透镜。

既然尺寸和重量对光学行业的限制越来越严格，为什么衍射光学还没有成为主流呢?现在我们已经稍微复习了衍射光学，我们将走过几个新兴的应用领域，我们从新的角度看待这项技术——从字面上和比喻上。

衍射光学在汽车领域的应用非常广泛

利用衍射光学的机会正在出现在整个汽车空间因为现在汽车上的摄像头比以往任何时候都多。通过混合光学解决方案和更简单的集成来减小尺寸和成本是一个有吸引力的想法。

例如，激光雷达需要激光束，这通常是单一波长。衍射光学能够用更少的笨重机械部件来操纵这种单色光。在汽车外部照明中，节省光线投射模块的空间可以更灵活地设计光线特征。衍射光学可以通过增加相反色散来补偿折射光学，从而帮助设计人员避免正面投影周围的色度色散等影响。

展望增强现实平视显示器(AR hud)，衍射元件可以设计成更小的图像投影单元，以节省仪表板下的空间，在挡风玻璃上涂覆以获得更好的耦合性能，或直接嵌入玻璃中，用于放置在挡风玻璃厚度内的hud。全息集成挡风玻璃仍然面临制造挑战，但它们可以容纳更大的视野。投影单元也可以自由放置，不像传统的镜子设计，其定位更加有限。

混合光学在消费电子领域的机遇

说到手机，相机镜头、平板显示器等，消费者关心的是成像性能;然而，人们也渴望拥有更小、更薄的手持设备。工程师们在AR眼镜和头戴式显示器(HMDs)方面面临着相关挑战。为了改善用户体验和整体采用，他们必须在保持高图像质量的同时减小尺寸和重量。

消费电子产品在混合解决方案中利用衍射光学的机会已经成熟。通过将传统透镜与衍射光学元件配对，每个组件都能很好地发挥其最大的作用。传统光学主要用于投影系统，负责图像质量和亮度。衍射光学，如波导和全息反射器，是利用更小的组件将投影系统中的图像带入人眼。当这些功能被划分时，每个功能都可以优化性能。

仍有大量的研究和开发正在进行，以找出利用衍射光学在哪里有意义，在哪里没有意义。工程师们正在逐个应用的基础上探索这些解决方案，因为现实是你可以在没有衍射光学的情况下实现更小的组件尺寸。如果尺寸是主要的限制，衍射光学并不是事实上的答案。这是自定义的光分布轮廓，使其优于其他解决方案。

尽管如此，在许多情况下，大规模制造衍射光学的成本仍然是一个障碍，这不会改变，直到我们能够利用小规模电子制造的制造技术更好地与定制透镜解决方案竞争。纳米压印技术是目前最有前途的低成本衍射光栅技术;然而，从设计到稳定制造还有很长的路要走。

有关在光学系统设计中精确模拟1D/2D光栅的更多信息，请查阅本文档动态工作流之间的Ansys Lumerical RCWA和Ansys Zemax光学工作室。