14.574.21.0066

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.

Дисплеи и индикаторы на основе голографических экранов (ГЭК) активно применяются в системах отображения информации, где наблюдаемое изображение накладывается на изображение реальной сцены. Преимуществом данных систем отображения является то, что выходной зрачок оптической системы увеличивается до необходимых размеров за счет наличия ГЭК, что позволяет существенно снизить массогабаритные параметры индикатора. Вместе с тем, разработанные на данный момент индикаторы являются преимущественно монохромными. Реализация многоцветных индикаторов затруднена из-за того, что сводится, в основном, к использованию нескольких склеенных световодов с ДОЭ, работающих раздельно на определенных длинах волн, а применение цветных OLED-дисплеев ограничивает яркость формируемого изображения и приводит к дифракционному хроматизму. Для решения этих проблем был разработан новый оригинальный тип голографического экрана (ГЭК), представляющий собой комбинированную структуру, объединяющую несколько различных ДОЭ и обладающую рядом преимуществ по сравнению с однокомпонентными ДОЭ. Комбинированные ДОЭ одновременно формируют несколько волновых фронтов и могут обеспечить спектральную селекцию излучения. Применение таких ДОЭ в составе индикаторов знако-символьной информации позволяет получить многоцветное изображение и повысить разрешающую способность монохромных индикаторов. Однако теоретические основы построения комбинированных ДОЭ, методы их расчета и технология получения не разработаны, что препятствует развитию индикаторов знако-символьной информации с новыми характеристиками. В связи с этим тема ПНИ является актуальной.

Общая схема исследования включает в себя аналитическую и экспериментальную компоненты. Первая компонента была необходима для расчета основных параметров разработанной в ходе выполнения проекта комбинированной структуры голографического экрана (ГЭК), необходимой для обеспечения возможности получения многоцветных изображений и знако-символьной информации в малогабаритных дисплеях и индикаторах. Комбинированная структура ГЭК состояла из нескольких типов ДОЭ, а именно: тонкой зональной микроголограммы и плазмонной решетки. Такое решение позволило осуществлять одновременный ввод и вывод излучения из подложки ГЭК, а также его спектральную селекцию, т.е. получать многоцветные изображения. Геометрические параметры этих компонентов непосредственно влияют на рабочие параметры и характеристики самого ГЭК, такие как дифракционная эффективность, спектральная характеристика пропускания и т.п. Таким образом, аналитические исследования устанавливали взаимосвязи между требуемыми эксплуатационными параметрами и характеристиками ГЭК как составных частей оптических дисплеев. Взаимосвязь между качеством изображения, дифракционной эффективностью, спектральной характеристикой и параметрами структуры ГЭК устанавливается аналитическими методами на основе существующих методов расчета оптических систем, а также решения задачи электромагнитной (векторной) теории дифракции. Для решении поставленных задач используются аберрационные методы расчета оптических систем для обеспечения необходимых параметров изображающей системы дисплея, метод фурье-мод для определения основных параметров дифракционных структур при решении задачи дифракции плоской волны на компонентах структуры ГЭК, а также методы математического моделирования. В ходе применения данных методов были определены оптимальные параметры структуры ГЭК для ее последующего использования в составе многоцветных индикаторов знако-символьной информации.

Экспе­риментальные исследования устанавливали требуемые для достижения расчетных пара­метров структуры ГЭК ре­жимы выполнения основных технологических операций на установках, представляющих собой усовершенство­ванное в лабораторных условиях, а также типовое технологическое оборудование для получения необходимых структур ГЭК и световодных подложек. Таким образом, были выбраны ключевые операции и разработан технологический маршрут получения комбинированной структуры ГЭК. Также в ходе проведения экспериментальных исследований были проведены соответствующие измерения основных энергетических и геометрических параметров компонентов структуры ГЭК, а также проведены его испытания в составе макета стенда, имитирующего работу дисплея-индикатора. Данные испытания подтвердили возможность использования разработанной структуры ГЭК в системах отображения информации. Кроме того, для получения экспериментальных образцов компонентов структуры ГЭК использовались методы аналоговой голографии, лазерной и электронно-лучевой литографии.

В результате проведения ПНИ получены следующие результаты:

1) разработана оригинальная комбинированная структура ГЭК, в состав которой входит четырехуровневая дифракционная решетка и плазмонная решетка. Структура имеет следующие оптимальные параметры: период дифракционной решетки для вывода излучения решетки 0,48 мкм (4 уровня квантования), глубина микрорельефа – около 300 нм, коэффициент пропускания спектрального фильтра на основе ПДР не менее 0,6; ширина спектра пропускания фильтра для каждого направления падения излучения – от 30 нм до 50 нм, период ПДР – 0,45 мкм, толщины слоев резиста и металла – 40 нм.

При этом впервые определены и обоснованы требования к основным параметрам и характеристикам комбинированной структуры ГЭК, а также проведен анализ влияния технологических погрешностей изготовления элементов, входящих в состав ГЭК, на их дифракционную эффективность и спектрально-угловую селективность.

2) разработана оптическая схема дисплея-индикатора, которая имеет следующие параметры: угловое поле 35×25 градусов; выходной зрачок 30 мм, коэффициент пропускания 0,8, разрешающая способность не менее 40 лин/мм.

3) осуществлен выбор ключевых операций технологического процесса и выбор оборудования для изготовления экспериментальных образцов ГЭК и разработан технологический маршрут получения экспериментальных образцов ГЭК;

4) разработана ЭКД на экспериментальные образцы ГЭК;

5) изготовлены экспериментальные образцы ГЭК, проведены измерения их основных параметров и характеристик (геометрические параметры, форма профиля, дифракционная эффективность, спектральная характеристика пропускания и т.п.), а также испытания в составе макета стенда, имитирующего работу дисплея-индикатора, подтвердившие возможность получения описанных выше параметров (размер выходного зрачка, рабочее угловое поле и т.п.) и возможность получения многоцветных изображений.

На сегодня основными разработчиками голографических экранов для дисплеев и индикаторов знако-символьной информации являются компании: BAE Systems (Великобритания), Holoeye (США), Vuzix (США), Epson (Япония). Технические параметры и характеристики дисплеев аналогичны разработанному ГЭК, но данные зарубежные экраны монохромные, в отличие от двухкомпонентной разработанной структуры ГЭК, позволяющей получать многоцветные изображения, что существенно расширяет сферы использования индикаторов. Стоит отметить, что разработанная структура ГЭК позволяет получать многоцветные изображения даже с использованием монохромного источника с широким спектром, т.е. выводить в определенных областях ГЭК информацию другого цвета или оттенка, выделенного из спектра источника излучения. Применение же монохромных светодиодных источников, например, OLED-дисплеев, позволит снизить массогабаритные параметры самих дисплеев и индикаторов, а также повысит яркость формируемой многоцветной информации. Кроме того, применение комбинированной структуры ГЭК позволит снизить «спектральное размытие», в отличие от зарубежных аналогов, и повысить разрешающую способность дисплея или индикатора, в состав которого она входит.

Практическая ценность результатов ПНИ заключается в том, что разработаны новые типы комбинированных ДОЭ, а на их основе оптические схемы многоцветных индикаторов знако-символьной информации, оригинальность которых подтверждена патентами на полезные модели (№16200 и №164949). Данные индикаторы могут быть использованы в таких сферах как логистика, связь, авиация, обслуживание складских помещений, медицина, компьютерные игры, производство, ремонт и техническое обслуживание, системы «дополненной реальности» и т.п.
Совокупность разработанных в ходе выполнения проекта методов расчета и технологии изготовления комбинированных ДОЭ можно охарактеризовать как новое научное направление, которое может быть направлено на решение проблем построения и производства нового поколения компактных и малогабаритных многоцветных систем отображения информации, что укрепит позиции и повысит конкурентноспособность российских производителей в этой сфере. Рынок подобных устройств имеет высокий потенциал, и для него будет характерен рост с высокими темпами в перспективе ближайших 5–10 лет. Это связано, в первую очередь, с тем, что постоянно растет количество мобильных устройств и приложений, готовых для использования технологии дополненной реальности.