Разработка большеразмерных дисплеев дополненной реальности на основе волноводных голографических перископов

Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Бородин Ю.П., Морозов А.В., Афанасьев М.С.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Бородин Ю.П., Морозов А.В., Афанасьев М.С. Разработка большеразмерных дисплеев дополненной реальности на основе волноводных голографических перископов // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 73–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-73-86

Putilin A.N., Kopenkin S.S., Putilin N.A., Dubynin S.E., Borodin Yu. P., Morozov A.V., Afanasiev M.S. Development of large-size augmented reality displays based on waveguide holographic periscopes [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 7. P. 73–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-73-86

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Волноводные голографические перископы для большеразмерных дисплеев дополненной реальности, их параметры, схемы записи. Цель работы. Моделирование, разработка и изготовление тестовых образцов волноводных голографических перископов для большеразмерных систем дополненной реальности. Метод. Основные методы — компьютерное моделирование работы волноводных дифракционных решеток и голографическая запись большеразмерных рельефно-фазовых дифракционных решеток. Сначала проведены исследования и сравнение нескольких типов волноводных дифракционных перископов для дисплеев дополненной реальности, предложены оригинальная компоновка и схема построения, наиболее отвечающая функциональности разрабатываемого макета индикатора на лобовом стекле. Затем проведены исследования по записи и копированию большеразмерных волноводных дифракционных решеток — основы волноводных голографических перископов, выполняющих функции мультиплексоров выходного зрачка. Основные результаты. Разработано оригинальное программное обеспечение для моделирования волноводных голографических перископов, проведено исследование известных схем, предложена оригинальная более оптимальная конфигурация. Разработаны схемы записи большеразмерных (до 300ґ250 мм) волноводных голографических перископов и их копирования. Разработан и изготовлен уникальный макет индикатора на лобовом стекле на основе большеразмерных волноводных голографических перископов, обладающий значительно меньшими габаритами и массой по сравнению с известными образцами классических систем (масса макета составляет менее 5 кг). Разработанный макет обеспечивает получение высоких оптических характеристик: вынос зрачка до 900 мм, большой выходной зрачок — до 250ґ300 мм, угловое поле до 25° по диагонали. Рассчитан на работу со стандартной некогерентной проекционной системой в спектральном диапазоне 510–540 нм. Практическая значимость. Макет компактного индикатора на лобовом стекле является рабочим прототипом нового типа дисплея дополненной реальности для транспортных средств, отличающегося значительно меньшими габаритами и массой при высоких оптических характеристиках. Показана возможность массового производства рассматриваемого типа компонентов.

Ключевые слова:

волноводные дифракционные решетки, голографические оптические элементы, дисплеи дополненной реальности, индикаторы на лобовом стекле

Благодарность:

работа поддержана в рамках программы «Приоритет 2030», грант № 075-15-2024-225

Коды OCIS: 090.2820, 090.2890

Список источников:

1. Kress B.C. Optical waveguide combiners for AR headsets: Features and limitations / Digital Opt. Technol. 2019. SPIE, 2019. V. 11062. P. 75–100. https://doi.org/10.1117/12.2527680
2. Upatnieks J. Edge-illuminated holograms // Appl. Opt. 1992. V. 31. № 8. P. 1048–1052. https://doi.org/10.1364/AO.31.001048
3. Putilin A.N., Morozov V.N., Huang Q., et al. Waveguide holograms with white light illumination // Opt. Eng. 1991. V. 30. № 10. P. 1615–1620. https://doi.org/10.1117/12.55969
4. Ding Y., Yang Q., Li Y., et al. Waveguide-based augmented reality displays: Perspectives and challenges // eLight. 2023. V. 3. № 1. P. 24–58. https://doi.org/10.1186/s43593-023-00057-z
5. Homan M. The use of optical waveguides in head up display (HUD) applications / Display Technol. and Applicat. for Defense, Security, and Avionics VII. SPIE, 2013. V. 8736. P. 86–99. https://doi.org/10.1117/12.2014513
6. Никифоров О.В., Пименов Ю.Д., Сокольский М.Н. и др. Оптическая система широкоугольного коллиматорного авиационного индикатора // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 37–41.
Nikiforov O.V., Pimenov Yu.D., Sokol’skiĭ M.N. The optical system of a wide-angle collimator-type aviation display // J. Opt. Technol. 2009. V. 76. № 10. P. 620–623. https://opg.optica.org/jot/abstract.cfm?URI=jot-76-10-620
7. Meng D.Y., Yang X., Song Q., et al. Large-scale volume holographic optical waveguide for automotive augmented reality head-up display [in Chinese] // Acta Optica Sinica. 2023. V. 43. № 10. P. 1011002 https://doi.org/10.3788/AOS222103
8. Wei R., Yang C., Wang C., et al. Large-size PVG-based waveguide simulation and uniformity optimization for AR-HUD // Opt. Exp. 2024. V. 32. № 14. P. 25362–25374. https://doi.org/10.1364/OE.529034
9. Grey D.J., Valera M.S. Waveguide for an augmented reality or virtual reality display // US Patent 0 110 261 A1. 2001. Publ. Apr. 9, 2020.
10. Crosby D., Phelan C. Methods for designing diffraction grating for augmented reality or virtual reality display and diffraction grating for augmented reality or virtual reality display // US Patent 0 019 698 A1. 2024. Publ. Jan. 18, 2024.
11. Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Путилин А.Н. и др. Искажения виртуального изображения в схемах дисплеев дополненной реальности на волноводных голограммах: возникновение тангенциальной дисторсии и хроматизма увеличения // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 79–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-79-94
Putilin N.A., Dubynin S.E., Putilin A.N., et al. Distortions of the virtual image in augmented reality displays based on waveguide holograms: The arising of tangential distortion and magnification chromatism // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 3. P. 181–190. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000181
12. Steiner S., Jotz M., Bachhuber F., et al. Enabling mass manufacturing of industry-standard optical waveguide combiners // J. Opt. Microsystems. 2023. V. 3. № 3. P. 033502–033502.