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
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
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