Искажения виртуального изображения в схемах дисплеев дополненной реальности на волноводных голограммах: возникновение тангенциальной дисторсии и хроматизма увеличения

Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Бородин Ю.П.

Ссылка для цитирования:

Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Бородин Ю.П. 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., Kopenkin S.S., Borodin Yu.P. Distortions of the virtual image in augmented reality displays based on waveguide holograms: the arising of tangential distortion and magnification chromatism [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 3. P. 79–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-79-94

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Волноводные голографические перископы и искажения виртуального изображения, возникающие в схемах дисплеев дополненной реальности. Цель работы. Определение основных источников возникновения искажений виртуального изображения, формируемого при помощи волноводного голографического перископа. Исследование выявленных специфических типов искажений. Метод. На первом этапе осуществлялось математическое моделирование различных вариантов погрешностей при изготовлении волноводных голографических перископов. Моделирование проводилось в приближении геометрической оптики с использованием векторных диаграмм, на основе чего в MATLAB реализована программа для симуляции виртуального изображения в схемах наголовных систем дополненной реальности на основе волноводных голограмм. Также использовалась специализированная программа для трассировки лучей, созданная авторами. На втором этапе были изготовлены и экспериментально исследованы образцы волноводных голографических перископов с заданными параметрами. Основные результаты. Установлено, что непостоянство периода волноводных голограмм и клиновидность волноводов приводят к возникновению искажений схожего характера, которые не могут быть вполне скомпенсированы проекционной системой. Погрешности в ориентации волноводных голограмм относительно друг друга, так же как и погрешности в их периодах, приводят к появлению тангенциальной дисторсии и хроматизма увеличения. Кроме того, сильно изменяется средний угол вывода излучения из волновода. Практическая значимость. Выявлены погрешности изготовления, которые приводят к появлению характерных искажений виртуального изображения, на основе чего получены оценочные требования к некоторым типам погрешностей изготовления волноводных голографических перископов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых схем дисплеев дополненной реальности.

Ключевые слова:

волноводные голограммы, волноводные голографические перископы, искажения виртуального изображения, дисплеи дополненной реальности

Благодарность:

коллектив авторов выражает благодарность Исследовательскому центру Самсунг в Москве за многолетнее и плодотворное сотрудничество

Коды OCIS: 090.2820, 090.2890

Список источников:

1. Xiong J., Hsiang, E.L., He Z., et al. Augmented reality and virtual reality displays: Emerging technologies and future perspectives // Light: Sci. & Appl. 2021. V. 10. № 1. P. 216. https://doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8

2. 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

3. Chang C., Bang K., Wetzstein G., et al. Toward the next-generation VR/AR optics: A review of holographic near-eye displays from a human-centric perspective // Optica. 2020. V. 7. № 11. P. 1563–1578. https://doi.org/10.1364/OPTICA.406004

4. Li Z., Lin P., Huang Y.W., et al. Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality // Sci. Advances. 2021. V. 7. № 5. P. eabe4458. https://doi.org/10.1126/sciadv.abe4458

5. Xiong J., Wu S.T. Planar liquid crystal polarization optics for augmented reality and virtual reality: From fundamentals to applications // ELight. 2021. V. 1. № 1. P. 3. https://doi.org/10.1186/s43593-021-00003-x

6. Kress B.C., Pace M. Holographic optics in planar optical systems for next generation small form factor mixed reality headsets // Light: Advanced Manufacturing. 2022. V. 3. № 4. P. 771–801. https://doi.org/10.37188/lam.2022.042

7. 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

8. Путилин А.Н., Морозов А.В., Копенкин С.С. и др. Голографические волноводные перископы в дисплеях дополненной реальности // Опт. и спектроск. 2020. Т. 128. № 11. С. 1694–1702. https://doi.org/10.21883/OS.2020.11.50172.93-20

Putilin A.N., Morozov A.V., Kopenkin S.S., et al. Holographic waveguide periscopes in augmented reality displays // Opt. and Spectrosc. 2020. V. 128. № 11. P. 1828–1836. https://doi.org/10.1134/s0030400x2011020x

9. Maimone A., Georgiou A., Kollin J.S. Holographic near-eye displays for virtual and augmented reality //ACM Transactions on Graphics (TOG). 2017. V. 36. № 4. P. 1–16. http://dx.doi.org/10.1145/3072959.3073624

10. Jang C., Bang K., Li G., et al. Holographic near-eye display with expanded eye-box // ACM Trans. on Graphics (TOG). 2018. V. 37. № 6. P. 1–14. https://doi.org/10.1145/3272127.3275069

11. 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

12. Путилин Н.А., Дубынин С.Е., Путилин А.Н. и др. 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., et al. Recording and reconstruction distortion of off-axis hologram focusing mirror in augmented reality displays // J. Opt. Technol. 2023. V. 90. № 8.

13. 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

14. 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

15. 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

16. Solomashenko A., Kuznetsov A., Nikolaev V., et al. Development of a holographic waveguide with thermal compensation for augmented reality devices // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 21. P. 11281. http://doi.org/10.3390/app122111281

17. 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 // App. Sci. 2023. V. 13. № 4. P. 2400. https://doi.org/10.3390/app13042400

18. Grant A.J. DigiLens: Design and fabrication considerations for holographic waveguide AR displays // SPIE AVR21 Industry Talks II. 2021. V. 11764. P. 117640M. https://doi.org/10.1117/12.2597450

19. Kress B.C., Cummings W.J. Towards the ultimate mixed reality experience: HoloLens display architecture choices // SID Symp. Digest of Technical Papers. 2017. V. 48. P. 127–131. https://doi.org/10.1002/sdtp.11586

20. 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 // Opt. Exp. 2015. V. 23. № 3. P. 3534–3549. https://doi.org/10.1364/OE.23.003534

21. Можаров Г.А. Геометрическая оптика: уч. пособ. 2-е изд. СПб.: изд. «Лань», 2019. 708 с.

Mozharov G.A. Geometric optics: Studies for universities [in Russian]. 2-nd ed. St. Petersburg: Publishing House "Lan", 2019. 708 p.

22. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: учеб. для вузов. М.: Логос, 2000. 584 с.

Zapryagaeva L.A., Sveshnikova I.S. Calculation and design of optical systems: Studies for universities [in Russian]. Moscow: “Logos” Publ., 2000. 584 p.

23. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение, 1986. 223 с.

Bobrov S.T., Greysukh G.I., Turkevich Yu.G. Optics of diffraction elements and systems [in Russian]. Leningrad: “Mashinostroenie” Publ., 1986. 223 p.

24. Introduction to integrated optics / Ed. by Barnoski M. N.Y.: Plenum Press, 1974. 515 p.