Харитонов Данила Юрьевич – инженер
Казань, 420075
sc 57338964100
Danila Yu. Kharitonov – Engineer
Kazan, 420075
sc 57338964100
Ахметов Дамир Маратович – инженер-конструктор
Казань, 420075
sc 57339030100
Damir M. Akhmetov – Design Engineer
Kazan, 420075
sc 57339030100
Муслимов Эдуард Ринатович – доктор технических наук, профессор; инженер-оптик; ассоциированный исследователь
Казань, 420075;
Двингело, 7991 PD, Нидерланды;
Марсель, 13388, Франция
sc 55785536800
Eduard R. Muslimov – D. Sc., Professor; Optical Engineer; AssociatedResearcher
Kazan, 420111;
Dwingeloo, 7991 PD, Netherlands;
Marseille, 13388, France
sc 55785536800
Гильфанов Айдар Рустемович – инженер-технолог
Казань, 420075
Aydar R. Gilfanov – Engineer-Technologist
Kazan, 420075
Павлычева Надежда Константиновна – доктор технических наук, профессор, профессор
Казань, 420075
Nadezhda K. Pavlycheva – D. Sc., Full Professor
Kazan, 420111
sc 6701787491
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.
Optical designs of waveguide-type augmented reality displays are investigated. Displays based on volume phase holograms are notable for their small size, large exit pupil and high transmittance both in the projected image channel and in the direct vision channel. However, with an increase of the aperture, field of view and working spectral range, the spread of the values of the beam angle of incidence and the wavelength increases when solving the diffraction problem at different points on the hologram surface which imposes restrictions on spatial resolution and diffraction efficiency. To overcome this phenomenon, it is proposed to use a composite hologram which represents a volume phase grating divided into zones with independently varying parameters of the fringes tilt, their shape, the holographic layer thickness and the refraction index modulation depth. We propose an algorithm that allows ray tracing through a hologram recorded by two coherent point sources using an auxiliary aspherical mirror. The initial ray tracing in the hologram recording scheme is performed using the error function minimization by the orthogonal descent and golden section methods. Based on the results obtained, the directional vectors of the diffracted beam are calculated using the Welford equation. Using the tracing results, the hologram diffraction efficiency is computed with the Kogelnik’s coupled wave theory. The proposed algorithms are implemented in the Zemax Optics Studio software. The application of the proposed composite hologram element and the tools for operation modeling are shown on an example of display operating in the range of 510–530 nm with the field of view of 7°36ʹ × 5°48ʹ and the exit pupil diameter of 8 mm. It is shown that the proposed solutions make it possible to increase the diffraction efficiency by 3.45 times. At the same time, the spatial resolution increases by 12.7 % varying across the field of view in the range of 0ʹ44ʺ–1ʹ6ʺ. The use of composite holograms allows one to create displays with higher spatial resolution and brightness of the projected image as well as uniformity of the characteristics across the field of view.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.