en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-08-29-43
УДК: 535.42; 778.38
Искажения записи и воспроизведения внеосевых голограммных фокусирующих зеркал в схемах дисплеев дополненной реальности
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Бородин Ю.П. Искажения записи и воспроизведения внеосевых голограммных фокусирующих зеркал в схемах дисплеев дополненной реальности // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 29–43. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-29-43
Putilin N.A., Dubynin S.E., Putilin A.N., Kopenkin S.S., Borodin Yu.P. Recording and reconstruction distortion of off-axis hologram focusing mirror in augmented reality displays [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 8. P. 29–43. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-29-43
Предмет исследования. Внеосевое широкоапертурное голограммное фокусирующее зеркало и искажения, возникающие при его записи и воспроизведении в схемах дисплеев дополненной реальности. Цель работы. Экспериментальное определение адекватности приближения геометрической оптики при моделировании работы внеосевого голограммного фокусирующего зеркала, определение источников искажений и их характера. Метод. На первом этапе использовалось моделирование в специально созданных программах на базе MATLAB, а также в Zemax. Проводилось сравнение распределений локальных периодов при записи голограммного фокусирующего зеркала на подложках конечной толщины и на тонкой подложке. На втором этапе осуществлялось экспериментальное исследование свойств записанных в ходе работы голограммных фокусирующих зеркал. Рассматривалось две схемы воспроизведения — «из точки в точку» (в схеме, аналогичной схеме записи) и схема с переходом к восстановлению виртуального изображения. С помощью фотоприёмной матрицы исследовалась форма и структура перетяжек, формируемых голограммным фокусирующим зеркалом, которые проецировались непосредственно на КМОП-матрицу. Основные результаты. Установлено, что при записи голограммного фокусирующего зеркала на подложках конечной толщины с помощью гомоцентрических пучков на стадии воспроизведения возникают неустранимые искажения, если воспроизведение осуществляется также с помощью гомоцентрических пучков. Кроме того, возникают сильные искажения при переходе к схеме воспроизведения виртуального изображения. Приближение геометрической оптики даёт достаточно неплохие результаты для описания работы внеосевых голограммных фокусирующих зеркал в схемах дисплеев дополненной реальности, однако требуется учёт конечных толщин подложек, а также усадки регистрирующей среды. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть полезны при разработке компактных широкоапертурных дисплеев дополненной реальности. Качественная проверка адекватности используемых приближений позволяет подтвердить допустимость их использования при разработке проекционных оптических систем для дисплеев дополненной реальности. Учёт конечных толщин подложек поможет улучшить качество формируемого виртуального изображения.
голограммные оптические элементы, голографические аберрации, дисплеи дополненной реальности
Благодарность:коллектив авторов выражает благодарность исследовательскому центру «Самсунг» за многолетнее и плодотворное сотрудничество
Коды OCIS: 090.2820, 090.2890.
Список источников:1. Kress B.C., Peroz C. Optical architectures for displays and sensing in augmented, virtual, and mixed reality (AR, VR, MR) // Proc. SPIE. 2020. V. 11310. P. 1131001. http://doi.org/10.1117/3.2559304
2. Rolland J., Cakmakci O. Head-worn displays: the future through new eyes // Optics and Photonics News. 2009. V. 20. № 4. P. 20–27. http://doi.org/10.1109/JDT.2006.879846
3. Cheng D., Wang Q., Liu Y. et al. Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook // Light: Advanced Manufacturing. 2021. V. 2. № 3. P. 350–369. https://doi.org/10.37188/lam.2021.024
4. Xiong J., Yin K., Li K. et al. Holographic optical elements for augmented reality: principles, present status, and future perspectives // Advanced Photonics Research. 2021. V. 2. № 1. P. 2000049. http://doi.org/10.1002/adpr.202000049
5. Shin B., Kim S., Druzhin V. et al. Eye-box expansion using waveguide and holographic optical element for augmented reality head-mounted display // Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR). SPIE. 2020. V. 11310. P. 142–147. http://doi.org/10.1117/12.254477
6. Li G., Lee D., Jeong Y. et al. Holographic display for see-through augmented reality using mirror-lens holographic optical element // Optics Letters. 2016. V. 41. № 11. P. 2486–2489. http://doi.org/10.1364/OL.41.002486
7. Han J., Liu J., Yao X. et al. Portable waveguide display system with a large field of view by integrating freeform elements and volume holograms // Optics express. 2015. V. 23. № 3. P. 3534–3549. http://doi.org/10.1364/OE.23.003534
8. Putilin A.N., Morozov A.V., Kopenkin S.S. et al. Holographic waveguide periscopes in augmented reality displays // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. № 11. P. 1828–1836. https://doi.org/10.1134/s0030400x2011020x
9. Kress B.C. Optical waveguide combiners for AR headsets: features and limitations // Proc. SPIE 11062. Digital Optical Technologies. 2019. P. 110620J (16 July 2019). http://doi.org/10.1117/12.2527680
10. Bowley C.C., Fontecchio A.K., Crawford G.P. et al. Multiple gratings simultaneously formed in holographic polymer-dispersed liquid-crystal displays // Applied Physics Letters. 2000. V. 76.5. P. 523–525. http://doi.org/10.1063/1.125836
11. Kress B.C., Chatterjee I. Waveguide combiners for mixed reality headsets: a nanophotonics design perspective // Nanophotonics. 2020. V. 10. № 1. P. 41–74. http://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0410
12. Solomashenko A., Kuznetsov A., Nikolaev V. et al. Development of a holographic waveguide with thermal compensation for augmented reality devices // Applied Sciences. 2022. V. 12. № 21. P. 11281. http://doi.org/10.3390/app122111281
13. Vostrikov G.N., Muravyev N.V., Angervaks A.E. et al. Method for compensating aberrations of a virtual image formed by an augmented reality display based on a cylindrical diffractive waveguide // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 4. P. 2400. https://doi.org/10.3390/app13042400
14. Shin B., Kim S., Druzhin V. et al. Compact augmented-reality glasses using holographic optical element combiner // Practical Holography XXXIII: Displays, Materials, and Applications. 2019. V. 10944. P. 93–99. http://doi.org/10.1117/12.2507339
15. Caulfield H.J. Handbook of optical holography. N.Y.: Academic press, 1979. 637 p.
16. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973. 686 с.
17. Юу Ф.Т. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию / Под ред. Соколова В.К. М.: Советское радио, 1979. 304 с.
18. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение, 1986. 223 с.
19. Borisov V.N., Okun R.A., Angervaks A.E. et al. Wide field of view HOE-based waveguides system for AR display / Digital Optics for Immersive Displays II. 2020. V. 11350. № 3. P. 113500E. http://doi.org/10.1117/12.2565548
20. Yeom H.J., Kim H.J., Kim S.B. et al. 3D holographic head mounted display using holographic optical elements with astigmatism aberration compensation // Optics express. 2015. V. 23. № 25. P. 32025–32034. http://doi.org/10.1364/OE.23.032025
21. Милер М. Голография: теория, эксперимент, применение. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. 207 с.
22. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: Учеб. для вузов. М.: Логос, 2000. 584 с.
23. Colburn W.S., Chang B.J. Holographic combiners for head-up displays // Radar and Optics Division. Environmental research INST of Michigan. Ann Arbor, MI 48107. 1977. https://archive.org/details/DTIC_ADA047998
24. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Казин С.В. и др. Моделирование и расчёт голограммного комбинера виртуального дисплея // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 2. С. 188–193. http://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-2-188-193
25. Wang J., Zhou Q., Chen J. et al. Design of a see-through off-axis head-mounted-display optical system with an ellipsoidal surface // Current Optics and Photonics. 2018. V. 2. № 3. P. 280–285. http://doi.org/10.3807/COPP.2018.2.3.280
26. Liegeois C., Twardowski P. Geometrical and chromatic aberrations of an off-axis holographic mirror // Journal of Physics D: Applied Physics. 1988. V. 21. № 10S. P. S96.
27. Корешев С.Н. Голограммные оптические элементы и устройства. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 143 с.