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

Номер контракта: 14.574.21.0066

Руководитель: Злоказов Евгений Юрьевич

Должность: старший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
голография, оптика, голограммный оптический элемент, индикатор, система отображения информации, дисплей, лазер, голографический экран

Цель проекта:
1. Применение голографических экранов на основе световодных пластин и голограммных оптических элементов позволяет снизить массогабаритные параметры систем при увеличении их выходного зрачка. При разработке голографических экранов на данный момент остро стоят две задачи: повышение дифракционной эффективности и получение многоцветного изображения, т.е. создания голограммных оптических элементов с регулируемой спектрально-угловой селективностью. 2. Целью 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:
1. Основные планируемые результаты проекта: 1) должен быть разработан голографический экран (ГЭК) для дисплеев и индикаторов знако-символьной информации с улучшенными массо-габаритными и оптическими характеристиками; 2) метод компьютерного синтеза голографических экранов для различных типов миниатюрных дисплеев и индикаторов; 3) оригинальная оптическая схема многоцветного индикатора знако-символьной информации на основе разработанного ГЭК; 4) должна быть разработана технология получения ГЭК; 5) должны быть получены экспериментальные образцы ГЭК для индикатора знако-символьной информации с улучшенными массо-габаритными и оптическими характеристиками.

2. Экспериментальные образцы ГЭК должны иметь следующие основные параметры и характеристики:
1) дифракционную эффективность не менее 80 %;
2) глубина микрорельефа функциональной части ГЭК – в диапазоне от 100 до 1000 нм с дискретностью ступенек не менее 20 нм;
3) период структуры микрорельефа функциональной части ГЭК – в диапазоне от 0,5 мкм до 10 мкм;
4) глубина нанорельефа плазмонного спектрального фильтра (ПДР) - в диапазоне от 20 до 50 нм с дискретностью ступенек не менее 10 нм;
5) период структуры плазмонного спектрального фильтра – от 100 нм до 400 нм;
6) толщина фоточувствительного материала для цветных микроголограмм - от 5 мкм до 25 мкм.
7) масса не более 100 г.
Экспериментальные образцы ГЭК в составе макета стенда, имитирующего работу дисплея-индикатора для отображения и визуализации цветных изображений и многоцветной знако-символьной информации должны обеспечивать следующие параметры:
1) формирование цветных изображений;
2) угловое поле не менее 35 х 25 град.;
3) выходной зрачок не менее 30 мм;
4) коэффициент пропускания не менее 0,8;
5) Разрешающая способность не менее 10 лин/мм.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В ходе выполнения проекта будет разработана оптическая схема миниатюрного дисплея-индикатора в виде монокулярного нашлемного устройства на основе ГЭК, представляющего собой световодную пластину с полученными на ее поверхности тонкими зональными голограммами для вывода излучения и плазмонными дифракционными решетками, выполняющими функции спектральных фильтров. Использование оригинальной структуры ГЭК с описанными выше параметрами позволит улучшить массогабаритные и оптические характеристики (например, размер выходного зрачка и коэффициент пропускания) системы дисплея-индикатора, а разработанные метод компьютерного синтеза ГЭК и лазерная технология его получения могут быть применены в части разработки методик расчета и получения ГЭК для различных типов систем отображения информации и визуализации.

2. Научная новизна решений заключается в следующем:
1) разработка оригинальной структуры ГЭК с улучшенными оптическими и массогабаритными характеристиками, ее математической модели и метода компьютерного синтеза голографических экранов;
2) разработка лазерной технологии получения ГЭК, состоящих из зональных микроголограмм, формируемых методами лазерной литографии в слое фоторезиста, и комбинированного с ним спектрально-углового фильтра на основе ПДР;
3) разработка оригинальной оптической схемы дисплея цветных изображений и индикатора многоцветной знако-символьной информации в виде нашлемного устройства на основе ГЭК.

3. На сегодня основными разработчиками голографических экранов для дисплеев и индикаторов знако-символьной информации являются компании: BAE Systems (Великобритания), Holoeye (США), Vuzix (США).
Основными недостатками существующих голографических экранов являются:
- экраны формируют только монохромные изображения, отсутствуют экранов с многоцветными изображениями;
- использование в качестве подложки материалов из стекла, отсутствие экранов на гибких подложках;
- низкая дифракционная эффективность (менее 20 %) и низкая равномерность освещенности от центра экрана к его краю (неоднородность в пределах 15-20%).
Проведенный анализ дифракционной эффективности и спектрально-угловой селективности комбинированной структуры ГЭК в отличие от представленных аналогов позволит в дальнейшем создавать цветные (многоцветные) изображения, упрощает элементную базу, повышает дифракционную эффективность и снижает массогабаритные параметры оптических устройств вывода информации.

4. Для достижения заявленных результатов проекта будут применяться, в первую очередь, аналитические методы расчета на основе решения задач электромагнитной теории дифракции для определения оптимальных параметров поверхностного микрорельефа (период, глубина и геометрическая форма рельефа) элементов комбинированной структуры ГЭК для улучшения ее оптических параметров, а во-вторых, экспериментальные методы (лазерная технология получения, аналоговая голография, электронно-лучевая литография) для получения экспериментальных образцов ГЭК и отработки метода компьютерного синтеза и этапов технологии получения.
Основным риском является недостижение рассчитанных технических параметров экспериментальных образцов. Здесь необходимо отметить, что выбор фоточувствительного материала, разработка технологии получения и технологии тиражирования экспериментальных образцов ГЭК осуществляется, исходя из рассчитанных параметров и предъявленных к образцам требований, поэтому данный риск сведен к минимуму.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Комбинированная структура голографического экрана и разработанная на ее базе оптическая система многоцветного индикатора знако-символьной информации может быть использована в таких областях, как:
1) в области нашлемных систем отображения информации для пилотов вертолетов и экипировки солдат подразделений специального назначения;
2) стационарные потолочные коллиматорные авиационные индикаторы для гражданской авиации;
3) системы отображения информации для автомобилей.
4) 2D/3D дисплеи цветных объемных изображений индивидуального пользования;
5) в области систем дополненной реальности.

2. Полученные результаты работы планируется внедрить в методики расчета основных параметров ГЭК для индикаторов знако-символьной информации различного назначения. Разработанная в ходе выполнения проекта комбинированная структура ГЭК с улучшенными массогабаритными и оптическими характеристиками и созданная на ее базе малогабаритная оптическая система многоцветного индикатора знако-символьной информации может быть внедрена в область оптико-электронной техники, техники ночного видения для боевых и гражданских вертолетов, самолетов и др. техники, разрабатываемой компанией ОАО "НПО "Геофизика-НВ" (индустриальный партнер). Использование результатов работы позволит обеспечить авиацию современными голографическими дисплеями, индикаторами знако-символьной информации, что облегчит анализ окружающей обстановки пилота.
В перспективе результаты проекта планируется использовать в системах отображения информации для автомобилей, 2D/3D дисплеях цветных объемных изображений индивидуального пользования и системах дополненной реальности.

3. Разработанная в ходе выполнения проекта оптическая схема дисплея-индикатора многоцветной информации на основе ГЭК с пониженными массогабаритными и улучшенными оптическими (дифракционная эффективность, спектрально-угловая селективность, пропускание и т.д.), а также метод компьютерного синтеза и лазерная технология получения ГЭК, значительно повысит конкурентоспособность и укрепит позиции российских производителей в мире в области разработки систем отображения информации и визуализации. Применение комбинированной структуры ГЭК позволит получать многоцветные голографические индикаторы, а также даст возможность тиражирования их структуры на тонких пленках, снизив стоимость изготовления, что обеспечит дальнейшее развитие выбранного направления.

4. Совокупность разработанных методов расчета и оригинальной комбинированной структуры голографического экрана можно охарактеризовать как принципиально новое научное направление, которое может быть направлено на решение проблем построения и производства компактных и малогабаритных многоцветных систем отображения информации для дисплеев и индикаторов различного назначения, что позволит вывести вопросы разработки систем отображения информации и визуализации на новый уровень, повысить интерес к данной тематике, а также повлечет за собой развитие системы демонстраций и популяризации этого направления среди специалистов научно-технической, производственной и коммерческой сферы.

Текущие результаты проекта:
Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта:
1) Разработано специализированное программное обеспечение для синтеза спектральных фильтров на основе ПДР;
2) Разработана оригинальная схема записи цветных голограмм для ГЭК, а также проведен анализ методов мультиплицирования микроголограмм;
3) проведен анализ дифракционной эффективности и спектрально-угловой селективности комбинированной структуры ГЭК, а также проведен анализ влияния технологических погрешностей изготовления элементов, входящих в состав ГЭК, на их дифракционную эффективность и спектрально-угловую селективность;
4) Определены оптимальные параметры комбинированной структуры ГЭК: период дифракционной решетки для вывода излучения решетки 0,48 мкм (4 уровня квантования), глубина микрорельефа – около 300 нм, дифракционная эффективность – не менее 0,65; коэффициент пропускания спектрального фильтра на основе ПДР не менее 0,6; ширина спектра пропускания фильтра для каждого направления падения излучения – от 20 нм до 40 нм, период ПДР – 0,45 мкм, толщины слоев резиста и металла – 40 нм.
5) Определен тип и параметры фоточувствительного материала для получения ГЭК, а также последующего тиражирования копий на основе гибких пленок и стеклянных подложках;
6) Разработана оригинальная оптическая схема дисплея-индикатора в виде нашлемного устройства на основе ГЭК для отображения и визуализации цветных изображений и многоцветной знако-символьной информации;
7) Разработаны методики измерения геометрических параметров и формы профиля, а также спектральной характеристики пропускания плазмонной решетки в тонком металлизированном слое фоторезистивной среды; разработана методика измерения дифракционной эффективности ГЭК на основе тонких зональных микроголограмм с многоуровневым поверхностным рельефом;
8) Разработана эскизная конструкторская документация на оптические детали и узлы технологической лазерной установки для записи зональных голограмм ГЭК.

Выполнение индикаторов и показателей за 2015 год:
- внебюджетное финансирование – 2,5 млн. руб.;
- число публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) - 3 шт.;
- число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 1 шт;
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта - 80 %;
- средний возраст участников проекта - 37 лет;
- Количество мероприятий по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки, в которых приняла участие и представила результаты проекта организация - исполнитель проекта - 5 шт.