Моделирование композитного волноводного голографического дисплея

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.

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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 highlytransparent 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

5. 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

6. Муслимов Э.Р., Павлычева Н.К., Гуськов И.А. Концепция компо- зитных голограммных оптических элементов // Фотоника. 2020. Т. 14. № 7. С. 586–599. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.586.599

7. 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

8. 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

9. Гребенникова И.В. Методы оптимизации: учебное пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2017. 148 с.

10. Гасников А.В. Современные численные методы оптимизации. Метод универсального градиентного спуска: учебное пособие. М.: МФТИ, 2018. 181 с.

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. Романова Г.Э., Корешев С.Н., Сидоренко В.С. Расчет и моделирование световодной системы дополненной реальности на базе голографических элементов // HOLOEXPO 2019. XVI международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: тезисы докладов, 2019. С. 164–167.

16. 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. XIV международная конференция HOLOEXPO 2017: тезисы докладов. 2017. С. 133–137.

17. 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

18. 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

19. 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.

20. 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

21. 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

22. 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