Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
![](/pic/nikiforov.jpg)
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1037-1047
УДК 681.78
Моделирование композитного волноводного голографического дисплея
Читать статью полностью
![](/images/pdf.png)
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Харитонов Д.Ю., Ахметов Д.М., Муслимов Э.Р., Гильфанов А.Р., Павлычева Н.К. Моделирование композитного волноводного голографического дисплея // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 6. С. 1037–1047. doi:10.17586/2226-1494-2022-22-6-1037-1047
Аннотация
Предмет исследования. Исследованы оптические схемы дисплеев дополненной реальности волноводного типа. Дисплеи, построенные на основе объемных фазовых голограмм, отличаются малыми размерами, большим выходным зрачком и высоким коэффициентом пропускания в каналах проецируемого изображения и прямого зрения. Однако с увеличением апертуры, поля зрения и рабочего спектрального диапазона увеличивается разброс значений угла падения луча и длины волны излучения при решении задачи дифракции в разных точках поверхности голограммы. Это накладывает ограничения на пространственное разрешение и дифракционную эффективность. Для преодоления данного явления предложено использовать композитную голограмму, в виде объемной фазовой решетки, разделенной на зоны с независимо изменяющимися параметрами наклона полос, формой и толщиной голографического слоя, а также глубиной модуляции. Метод. Предложен алгоритм, который позволяет проводить трассировку луча через голограмму, записанную двумя точечными когерентными источниками при помощи вспомогательного асферического зеркала. Первоначальная трассировка луча в схеме записи голограммы выполнена с использованием минимизации функции ошибок методами покоординатного спуска и золотого сечения. На основе полученных результатов с помощью уравнения Уэлфорда вычислены направляющие векторы дифрагированного луча. С использованием результатов трассировки на базе теории связанных волн Когельника определена дифракционная эффективность голограммы. Предложенные алгоритмы реализованы в среде Zemax Optics Studio. Основные результаты. Применение представленного композитного голограммного элемента и средств моделирования его работы показаны на примере дисплея, работающего в диапазоне 510–530 нм с полем зрения 7°36ʹ × 5°48ʹ и диаметром выходного зрачка 8 мм. Предложенные решения позволили повысить дифракционную эффективность в 3,45 раза, а пространственное разрешение на 12,7 %, которое варьируется по полю зрения в пределах 0ʹ44ʺ–1ʹ6ʺ. Практическая значимость. Применение композитных голограмм позволит создавать дисплеи, отличающиеся более высоким пространственным разрешением и яркостью проецируемого изображения, а также равномерностью характеристик по полю зрения.
Ключевые слова: дифракционная эффективность, объемно-фазовая голограмма, волноводный голографический дисплей,
дополненная реальность
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-79-00082. Особую благодарность за проделанную работу хотим высказать Илье Андреевичу Гуськову.
Список литературы
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-79-00082. Особую благодарность за проделанную работу хотим высказать Илье Андреевичу Гуськову.
Список литературы
-
Cakmakci O., Rolland J.P. Head-worn displays: A review // Journal of Display Technology. 2016. V. 2. N 3. P. 199–217. https://doi.org/10.1109/JDT.2006.879846
-
Kress B.C. Optical waveguide combiners for AR headsets: features and limitations // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11062. P. 110620J. https://doi.org/10.1117/12.2527680
-
Amitai Y., Friesem A.A., Weiss V. Holographic elements with high efficiency and low aberrations for helmet displays // Applied Optics. 1989. V. 28. N 16. P. 3405–3416. https://doi.org/10.1364/AO.28.003405
-
Yoshida T., Tokuyama K., Takai Y., Tsukuda D., Kaneko T., Suzuki N., Anzai T., Yoshikaie A., Akutsu K., Machida A. A plastic holographic waveguide combiner for light-weight and highly‐transparent augmented reality glasses // Journal of the Society for Information Display. 2018. V. 26. N 5. P. 280–286. https://doi.org/10.1002/jsid.659
-
Mukawa H., Akutsu K., Matsumura I., Nakano S., Yoshida T., Kuwahara M., Aiki K. A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms // Journal of the Society for Information Display. 2009. V. 17. N 3. P. 185–193. https://doi.org/10.1889/JSID17.3.185
-
Муслимов Э.Р., Павлычева Н.К., Гуськов И.А. Концепция композитных голограммных оптических элементов // Фотоника. 2020. Т. 14. № 7. С. 586–599. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.586.599
-
Muslimov E., Pavlycheva N., Guskov I., Akhmetov D., Kharitonov D.Yu. Spectrograph with a composite holographic dispersive element // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11871. P. 187198. https://doi.org/10.1117/12.2596922
-
Welford W. A vector raytracing equation for hologram lenses of arbitrary shape // Optics Communications. 1975. V. 14. N 3. P. 322–323. https://doi.org/10.1016/0030-4018(75)90327-2
-
Гребенникова И.В. Методы оптимизации: учебное пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2017. 148 с.
-
Гасников А.В. Современные численные методы оптимизации. Метод универсального градиентного спуска: учебное пособие. М.: МФТИ, 2018. 181 с.
-
Kogelnik H. Coupled wave analysis for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. 1969. V. 48. N 9. P. 2909–2947. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
-
Moharam M.G., Grann E.B., Pommet D.A., Gaylord T.K. Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings // Journal of the Optical Society of America A: Optics and Image Science, and Vision. 1995. V. 12. N 5. P. 1068–1076. https://doi.org/10.1364/JOSAA.12.001068
-
Романова Г.Э., Нгуен Н.Ш. Анализ аберраций клина как компенсационного и функционального элемента в системах дополненной и виртуальной реальности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 6. С. 808–816. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-6-808-816
-
Иванюк А.А. Проектирование оптического модуля очков дополненной реальности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 5. С. 642–648. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2020-20-5-642-648
-
Романова Г.Э., Корешев С.Н., Сидоренко В.С. Расчет и моделирование световодной системы дополненной реальности на базе голографических элементов // HOLOEXPO2019. XVIмеждународная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: тезисы докладов, 2019. С. 164–167.
-
Град Я.А., Николаев В.В., Одиноков С.Б., Соломенко А.Б. Индикатор дополненной реальности на основе световодной пластины с пропускающим ДОЭ // Голография: наука и практика. XIVмеждународная конференция HOLOEXPO2017: тезисы докладов. 2017. С. 133–137.
-
Peixoto C., Valentim P.T., Sousa P.C., Dias D., Araújo C., Pereira D., Machado C.F., Pontes A.J., Santos H., Cruz S. Injection molding of high-precision optical lenses: A review // Precision Engineering. 2022. V. 76. P. 29–51. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2022.02.002
-
Waldern J.D., Grant A.J., Popovich M.M. DigiLens switchable Bragg grating waveguide optics for augmented reality applications // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10676. P. 106760G. https://doi.org/10.1117/12.2315719
-
Ангервакс А.Е., Муравьев Н.В., Борисов В.Н., Окунь Р.А., Востриков Г.Н., Попов М.В. Волновод с сегментированными дифракционными оптическими элементами и окологлазный дисплей. Патент RU2752556C1. Бюл. 2021. № 22.
-
Lalanne P., Hugonin J.-P. High-order effective-medium theory of subwavelength gratings in classical mounting: application to volume holograms // Journal of the Optical Society of America A: Optics and Image Science, and Vision. 1998. V. 15. N 7. P. 1843–1851. https://doi.org/10.1364/JOSAA.15.001843
-
Gerritsen H.J., Thornton D.K., Bolton S.R. Application of Kogelnik’s two-wave theory to deep, slanted, highly efficient, relief transmission gratings // Applied Optics. 1991. V. 30. N 7. P. 807–814. https://doi.org/10.1364/AO.30.000807
-
Moharam M.G., Young L. Criterion for Bragg and Raman-Nath diffraction regimes // Applied Optics. 1978. V. 17. N 11. P. 1757–1759. https://doi.org/10.1364/AO.17.001757