Моделирование и оптимизация оптических схем с композитными голограммными элементами

Ахметов Д.М., Муслимов Э.Р., Харитонов Д.Ю., Павлычева Н.К., Гуськов И.А., Гильфанов А.Р.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ахметов Д.М., Муслимов Э.Р., Харитонов Д.Ю., Павлычева Н.К., Гуськов И.А., Гильфанов А.Р. Моделирование и оптимизация оптических схем с композитными голограммными элементами // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 106–117. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-106-117

Akhmetov D.M., Muslimov E.R., Kharitonov D.Yu., Pavlycheva N.K., Guskov I.A., Gilfanov A.R. Modeling and optimization of optical designs with composite holographic elements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 10. P. 106–117. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-106-117

Ссылка на англоязычную версию:

D. M. Akhmetov, E. R. Muslimov, D. Yu. Kharitonov, N. K. Pavlycheva, I. A. Guskov, and A. R. Gilfanov, "Modeling and optimization of optical designs with composite holographic elements," Journal of Optical Technology. 89(10), 633-641 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000633

Аннотация:

Предмет исследования. В данной работе исследуются оптические схемы на основе композитных голограммных элементов, состоящих из нескольких зон с независимо оптимизируемыми параметрами. Цель работы. Рассматриваются обобщённые методики проектирования и моделирования схем для определения параметров композитной голограммы и определения достигаемых с её помощью характеристик оптической схемы. Метод. Методики базируются на применении уравнения Велфорда и теории Когельника для одновременного вычисления аберраций и дифракционной эффективности в нескольких зонах. Основные результаты. В качестве контрольного примера приводится оптическая схема голограммного дисплея дополненной реальности волноводного типа, работающего в диапазоне 480–620 нм с полем зрения 8°×6° и выходным зрачком 8 мм. Показано, что за счёт использования предложенных методик при разбиении голограммного элемента на 4 зоны минимальное значение дифракционной эффективности по полю зрения увеличивается на 13,8%, а угловой размер точечной диаграммы уменьшается на 0,4′. Также продемонстрирован визуальный эффект использования такого элемента в схеме дисплея. Практическая значимость. Полученные результаты позволят проектировать новые оптические системы, отличающиеся повышенной и более равномерной яркостью и пространственным разрешением формируемого изображения при увеличенном поле зрения и расширенном рабочем спектральном диапазоне.

Ключевые слова:

композитная голограмма, дополненная реальность, объёмно-фазовая голограмма, дифракционная эффективность, компьютерное моделирование

Благодарность:

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-79-00082.

Коды OCIS: 050.2065, 230.1950, 090.2820

Список источников:

1. Palmer C, Loewen E. Diffraction gratings handbook. Rochester: Newport Corporation, 2014. 271 p.
2. Caulfield H.J. Handbook of optical holography. NY: Academic Press, 1979. 654 p.
3. Гуськов И.А., Муслимов Э.Р., Мельников А.Н., Гильфанов А.Р. Методика расчета голограммного дисплея с учетом дифракционной эффективности объемно-фазовой голограммы // Оптический журнал. 2020. Т. 87 (11). С. 21–30. https://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2020-87-11-21-30
4. Muslimov E.R., Pavlycheva N.K., Guskov I.A. Concept of composite holographic optical elements // Photonics Russia. 2020. V. 7. P. 586–599. http://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.586.599
5. Muslimov E., Akhmetov D., Kharitonov D., Guskov I., Pavlycheva N.K. Composite waveguide holographic display // International Society for Optics and Photonics. SPIE. 2022. V. 12138. P. 121380S1–121380S11.
6. Welford W. A vector raytracing equation for hologram lenses of arbitrary shape // Optics communications. 1975. V. 14. P. 322–323. https://doi.org/10.1016/0030-4018(75)90327-2
7. Kogelnik H. Coupled wave analysis for thick hologram gratings // Bell Syst. Tech. J. 1969. V. 48. P. 2909–2947. http://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x
8. Lalanne P. High-order effective-medium theory of subwavelength gratings in classical mounting: application to volume holograms // J. Opt. Soc. Am. A. 1998. V. 15. P. 1843–1851. http://doi.org/10.1364/JOSAA.15.001843
9. Loukina T. Volume diffraction gratings for optical telecommunications applications: design study for a spectral equalizer // Opt. Eng. 2004. V. 43. № 11. P. 2658. http://doi.org/10.1117/1.1803848
10. Lakshminarayanan V. Zernike polynomials: A guide // Journal of Modern Optics. 2011. V. 58. № 7. P. 1678–1678. http://doi.org/10.1080/09500340.2011.633763

11. Rolland J.P., Thompson K.P., Bauer A. et al. See-Through Head-Worn. Display (HWD) architectures // Handbook of Visual Display Technology / Ed. by Chen J., Cranton W., Fihn M. Cham: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79567-4_134
12. Yu C., Peng Y., Zhao Q. et al. Highly efficient waveguide display with space-variant volume holographic gratings // Appl. Opt. 2017. V. 56. P. 9390–9397. https://doi.org/10.1364/AO.56.009390
13. Perriere V.B. Understanding waveguide-based architecture and ways to robust monolithic optical combiner for smart glasses // Proc. SPIE. 2018. V. 10676. P. 106761D. https://doi.org/10.1117/12.2315681
14. 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 (12–14 сентября 2017 г., Звенигород, Россия): Тезисы докладов / МГТУ им. Н. Э. Баумана, ООО «МНГС». Москва : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017, С. 133–137.