Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов компьютерного синтеза и лазерной технологии получения голографических экранов для нового поколения миниатюрных дисплеев и индикаторов, формирующих цветные изображения и знако-символьную информацию

Докладчик: Злоказов Евгений Юрьевич

Должность: старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

Цель проекта:
Одним из наиболее перспективных практических применений современной «плоской» оптики является разработка голограммных и дифракционных оптических элементов с бинарным и многоуровневым поверхностным рельефом, а также создание на их базе приборов и устройств. Использование голографических экранов, формируемых на основе световодных пластин и голограммных оптических элементов, в нашлемных системах отображения информации вывело их на качественно новый этап развития, позволив существенно (в 2-3 раза) снизить массогабаритные параметры таких систем. При разработке подобных систем на данный момент остро стоит проблема повышения дифракционной эффективности, т.к. большинство голограммных оптических элементов и соответственно ГЭК представляют собой фазовые оптические элементы, выполненные в виде поверхностного рельефа. Их дифракционная эффективность не превышает 30%, что явно недостаточно для их практического применения. Также на данный момент не решена задача получения многоцветного изображения с помощью голографического экрана, т.е. создания голограммных оптических элементов с регулируемой спектрально-угловой селективностью. Для решения этих проблем в ходе выполнения проекта были поставлены следующие основные задачи: 1) разработать новый тип голографического экрана (ГЭК) с повышенной дифракционной эффективностью и регулируемой спектрально-угловой селективностью; 2) разработать математическую модель и методы расчета параметров ГЭК; 3) разработать метод компьютерного синтеза ГЭК; 4) разработать технологию получения ГЭК; 5) разработать оптическую схему миниатюрного индикатора на основе ГЭК; 6) получить экспериментальные образцы ГЭК и исследовать их основные геометрические и энергетические параметры. Целью данного проекта является разработка технологии получения и создание экспериментального образца голографического экрана с повышенной дифракционной эффективностью для миниатюрных 2D/3D-дисплеев цветных изображений и индикаторов знако-символьной многоцветной информации.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты и основные характеристики планируемых результатов проекта:
1) Разработка и создание голографических экранов (ГЭК) с уменьшенными массо-габаритными параметрами на основе зональных микроголограмм с многоуровневым фазовым рельефом, комбинированных в единой структуре с цветными микроголограммами на фоточувствительном материале или с плазмонными решетками как спектральными фильтрами;
2) Голографические экраны должны иметь параметры:
- дифракционная эффективность до 80 % (аналог – менее 30%);
- формирование цветных изображений (аналог – только монохромное изображение);
- угловое поле не менее 35x25 град.;
- выходной зрачок не менее 30 мм;
- коэффициент пропускания индикатора не менее 0,8.
3) Разработка метода компьютерного синтеза голографических экранов для различных типов миниатюрных дисплеев и индикаторов на основе зональных микроголограмм с многоуровневым фазовым рельефом (с повышенной дифракционной эффективностью).
4) Разрабатываемая технология позволит создать ГЭК для нового поколения миниатюрных дисплеев и индикаторов цветных изображений, а именно:
- голографические экраны на основе тонких гибких пленок в виде многоуровневых рельефно-фазовых зональных микроголограмм для дисплеев и индикаторов без предъявлений повышенных требований к климатическим воздействиям;
- голографические экраны на стеклянных подложках в виде бинарных рельефно-фазовых зональных микроголограмм, обладающих повышенной стойкостью к климатическим воздействиям и другими улучшенными эксплуатационными свойствами;

Научная новизна предлагаемых решений заключается в следующем:
1) разработана модернизированная оптическая схема голографического дисплея и индикатора многоцветной знако-символьной информации на основе ГЭК;
2) новый тип ГЭК на основе зональных микроголограмм, формируемых в слоях фоторезиста в виде многоуровневого поверхностного микрорельефа, позволяет получить ГЭК с дифракционной эффективностью до 80% и регулируемой спектрально-угловой селективностью;
2) разработана технология получения ГЭК, состоящих из зональных микроголограмм, формируемых методами лазерной литографии в слое фоторезиста и спектрально-углового фильтра на основе плазмонной дифракционной решетки;
3) получены экспериментальные образцы ГЭК непосредственно на стеклянных подложках с формированием бинарного и многоуровневого рельефа в стекле для работы в экстремальных климатических условиях;
4) получены экспериментальные образцы ГЭК на основе тонких гибких пленок с помощью технологии тиражирования.

На сегодня основными разработчиками голографических экранов для дисплеев и индикаторов знако-символьной информации являются компании: BAE Systems (Великобритания), Lumus (Израиль), Thales (Франция), SBG Labs Inc. (США), Vuzix (США). Основными аналогами индикатора с ГЭК являются нашлемные монохромные дисплеи компании BAE System (Великобритания) Q-sight 100 и Q-sight 150,
К недостаткам таких дисплеев и индикаторов следует отнести:
- исключительно монохромное представление знако-символьной информации;
- небольшое угловое поле, менее 30*20 градусов;
- невысокая дифракционная эффективность ГОЭ, входящих в состав ГЭК (около 30-40%);
- невозможность тиражирования ГЭК;
- работу в лабораторных климатических условиях при температурах от 0 до +40 градусов С.

Для достижения поставленных результатов проекта необходимо рассмотреть:
1) ГЭК с поверхностным рельефом, полученные аналоговым или цифровым способом в слоях фоторезиста с формированием многоуровневого поверхностного рельефа, который обеспечивает требуемые параметры и для которых хорошо отработана технология тиражирования на гибких пленках;
2) ГЭК, полученные методом ионного плазмохимического травления, которые позволяют решить задачу создания оптических элементов, работающих в экстремальных климатических условиях, чего на данный момент не достигнуто в иностранных прототипах.
3) ГЭК, комбинированные с плазмонными решетками как спектральными фильтрами, что позволяет выполнять различные функции сразу в одном едином оптическом компоненте, выполняющим функции формирования изображений и спектрально-угловой селекции падающих немонохроматических световых пучков. Это значительно упрощает и минимизирует элементную базу.

Таким образом, применение ГЭК на основе зональных микроголограмм, формируемых в слоях фоторезиста в виде многоуровневого поверхностного микрорельефа, комбинированных либо с цветными голограммами на RGB-фоточувствительных материалах, либо с плазмонными решетками, в новом поколении миниатюрных дисплеев и индикаторов в отличие от представленных аналогов позволяет создавать цветные (многоцветные) изображения, упрощает элементную базу, повышает дифракционную эффективность и снижает массо-габаритные параметры оптических устройств.

К возможным рискам можно отнести сложность технологии получения данного типа ГЭК, а соответственно – достижения необходимых геометрических и энергетических параметров его комбинированной структуры. Эти риски минимальны, т.к. в распоряжении МГТУ им. Н.Э. Баумана имеется своя собственная современная технологическая база, а также налажено сотрудничество с рядом предприятий, занимающихся получением подобного рода элементов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанная модифицированная оптическая схема голографического дисплея и индикатора многоцветной знако-символьной информации на основе голографического экрана с повышенной дифракционной эффективностью и регулируемой спектрально-угловой селективностью может использоваться в таких областях как:
1) нашлемные системы отображения информации для пилотов вертолетов и экипировки солдат подразделений специального назначения, в которых обеспечивается наблюдение прицельной и пилотажно-навигационной информации, введенной в поле зрения оператора, на фоне окружающего пространства;
2) стационарные потолочные коллиматорные авиационные индикаторы для отображения необходимых летных данных, углов крена и т.п. для задач гражданской авиации;
3) системы отображения навигационной информации для автомобилей.
4) 2D/3D дисплеи цветных объемных изображений индивидуального пользования, например, для мобильных телефонов, смартфонов и др. электронной техники отображения информации;
5) очки дополненной реальности типа Google glass и др.
Использование данных систем значительно снижает информационную нагрузку на оператора в условии выполнения различных оперативных действий, что свидетельствует об актуальности и перспективности разработки такого типа компактных оптических систем. Кроме того, получение ГЭК методом горячего эмбоссирования (тиснения) поверхностного микрорельефа в многослойных гибких пленках позволит в несколько раз уменьшить стоимость как ГЭК, так и самих индикаторов, за счет последующего тиражирования ГЭК
Полученные результаты работы планируется в дальнейшем использовать в части методик по построению подобных оптических систем, а также методик расчета основных параметров и технологии получения ГЭК для индикаторов.
Разработанная в ходе выполнения проекта малогабаритная оптическая система многоцветного индикатора знако-символьной информации на основе ГЭК позволит в перспективе создать собственную систему отображения информации нового поколения, что значительно повысит конкурентоспособность и укрепит позиции российских производителей в области разработки систем отображения информации и визуализации.
К таким производственным компаниям можно отнести:
а) ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» (г. Красногорск, МО);
б) ОАО «НПО «Геофизика-НВ» (г. Москва);
в) ОАО «ЦНИИ «Циклон» (г. Москва);
г) ОАО «Раменское конструкторское приборостроительное бюро» (г. Раменское, МО);
д) ОАО «Новосибирский приборостроительный завод» (г. Новосибирск).

Текущие результаты проекта:
1. Разработана оптимальная комбинированная структура голографического экрана (ГЭК) на основе тонких зональных микроголограмм с многоуровневым фазовым рельефом, комбинированных в единой структуре с плазмонными решетками как спектральными фильтрами
2. Разработаны математическая модель и метод расчета параметров ГЭК
3. Разработан метод компьютерного синтеза ГЭК на основе тонких зональных микроголограмм, выполненных на стеклянных подложках и гибких пленках с многоуровневым фазовым рельефом
4. Разработана оптическая схема для лазерной записи зональных голограмм составного голографического экрана для мини-дисплеев цветных изображений и нашлемных индикаторов знако-символьной информации.