СПОСОБ И СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОЙ ЗАПИСИ НАЛОЖЕННЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ РЕШЕТОК ДЛЯ УСТРОЙСТВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND SYSTEM FOR SIMULTANEOUS RECORDING OF SUPERIMPOSED HOLOGRAPHIC ARRAYS FOR AUGMENTED REALITY DEVICES (VARIANTS)

Область техники
Изобретение относится способам и системам записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности (так называемых AR-устройств, в частности на основе волноводной техники с использованием дифракционных и голографических оптических элементов (далее как DOE/HOE элементов), например очков дополненной реальности, HUD-устройств и виртуальных дисплеев, дисплеев на основе плоских волноводов с дифракционными и голографическими структурами, т.е. в проекционных оптических средствах, использующих технологию дополненной реальности, например для образовательных целей, в компьютерных играх, в медицине, спорте, 3D-моделировании, дизайне, для целей навигации и т.д.
Описание предшествующего уровня техники
Устройства дополненной реальности все шире используются в современной технике.
Известные устройства дополненной реальности (AR-устройства), основанные на волноводной технологии с использованием дифракционных и голографических структур, например очки дополненной реальности и виртуальные дисплеи, способны переносить виртуальное изображение в глаз наблюдателя.
AR-устройства, предназначенные для массового использования, должны обеспечивать получение виртуальных изображений с широким полем зрения (FOV), с высокой яркостью, контрастом и высоким разрешением при сохранении приемлемой стоимости. При этом для обеспечения качественного виртуального изображения в AR-устройствах на основе волноводных голографических структур необходимо особое внимание уделять качеству записываемых голограмм.
Для получения виртуального изображения с большим полем зрения в таких AR-устройствах достаточно широко используется технология записи так называемых наложенных голограмм. Наложенные голограммы записываются таким образом, что обладают одинаковым поверхностным периодом, но различным пространственным периодом, т.е. у них имеется разный наклон голографических плоскостей в объеме голографического материала. Увеличенное поле зрения, соответственно, повышает потребительские свойства AR-устройств. Однако при последовательной записи наложенных голограмм возникает серьезная проблема. При переходе от записи одной голограммы к записи другой голограммы возникает небольшая расстройка схемы записи что, в свою очередь, приводит к рассогласованиям между поверхностными периодами записываемых наложенных голограмм и/или поворотам голографических плоскостей записываемых голограмм друг относительно друга. Указанные эффекты малы по абсолютным значениям, но достаточно сильные по сравнению с длиной волны записывающего голограммы излучения. Это приводит к возникновению так называемого муара - паразитной интерференции между наложенными голограммами, что, в свою очередь, приводит к снижению качества виртуального изображения - уменьшению его резкости и появлению неоднородности яркости изображения в плоскости выходного зрачка и по полю зрения.
Заявленное изобретение направлено на разработку способа записи наложенных голограмм, с обеспечением исключения последовательной записи наложенных голограмм и относится к системе обеспечения указанной записи наложенных голограмм, с обеспечением получения высококачественного выходного виртуального изображения при одновременном упрощении процесса записи наложенных голограмм в AR-устройствах.
Основные проблемы, возникающие при последовательной записи наложенных голограмм в AR-устройствах.
1)Необходима переюстировка записывающей системы между последовательными записями наложенных голограмм вследствие различия их пространственных периодов, что приводит в процессе последовательной записи к рассогласованию между поверхностными периодами записываемых наложенных голограмм и/или небольшим поворотам их голографических плоскостей, что ведет к возникновению муара и ухудшению качества виртуального изображения (его четкости и яркости по полю зрения и в плоскости выходного зрачка).
2) Последовательная запись наложенных голограмм представляет собой трудоемкий процесс, требующий привлечения существенного человеческого ресурса, поскольку необходимо подобрать режимы записи для каждой последующей записываемой голограммы, т.е. время экспозиции, мощность записывающего излучения. Для этого необходимо провести экспериментальные исследования для подбора режимов записи, чтобы получить одинаковые характеристики записываемых голограмм, поскольку каждая записанная голограмма в силу химических и физических свойств голографического материала, в котором она записывается, влияет на последующую записываемую голограмму, что, в частности, может привести к деградации записанных голограмм. Любая неточность в подборе параметров записи для каждой записываемой голограммы влечет за собой ухудшению качества получаемого виртуального изображения.
3) Процесс последовательной записи голограмм требует использования достаточно сложной оптической схемы, включающей прецизионные элементы, в том числе поворотные и наклонные столики и линейные трансляторы, что требует существенных финансовых и эксплуатационных затрат. Таким образом, последовательная запись наложенных голограмм является сложным, трудоемким процессом и трудно воспроизводима для массового производства в силу сложности схемы записи и необходимости ее настроек, а также существенных трудозатрат, что приводит к удорожанию процесса записи.
В уровне техники известно множество решений, обеспечивающих изготовление и реплицирование голографических элементов.
В международной публикации WO2019/217409A1, опубл.14.11. 2019, IPC G03H 1/0248 раскрыт способ репликации (копирования) объемных голографических оптических элементов (HOE-элементов) с использованием мастер-голограммы в оптическом контакте с призмой.
Данная мастер-голограмма освещается считывающим излучением, происходит дифракция излучения на мастер-голограмме и дифрагированные на мастер-голограмме лучи (сигнальный и опорный) далее распространяются по призме и затем выходят из нее. При этом мастер-голограмма рассчитывается таким образом, что на некотором расстоянии от призмы дифрагированные на мастер-голограмме лучи интерферируют между собой. В этом месте располагается голографический материал, в котором, таким образом, записывается копия мастер-голограммы. Следует отметить, что прошедшие через призму лучи, не дифрагировавшие на мастер-голограмме, испытывают полное внутреннее отражение в призме, поэтому выходят через другую ее грань и не создают, таким образом, паразитную фоновую засветку места записи копии. Поэтому копия мастер-голограммы обладает высоким контрастом даже при достаточно слабой эффективности мастер-голограммы.
Данная оптическая структура является достаточно громоздкой, при этом возможны нестабильности оптической схемы записи копии, ввиду наличия зазора между призмой и слоем голографического материала. Кроме того, представленная в данном техническом решении оптическая конструкция предусматривает только возможность последовательного копирования мастер-голограммы в виде записанных голографических решеток-копий, что сопровождается некоторыми недостатками, свойственными записи наложенных голограмм, записанных последовательным образом, которые были детально раскрыты в настоящем описании.
US 8,064,116В2, опубл.22.11.2011, IPC G03H 1/268 раскрывает способ и устройство для записи голограмм, в частности объемных голограмм. Система голографической записи (1) содержит источник оптического излучения (7), прозрачный или частично прозрачный голографический материал (6) и оптическую систему (10). Голографический материал (6) имеет первую сторону (25), вторую сторону (26) и объем записи (36), причем вторая сторона (26) находится напротив указанной первой стороны (25) и объем записи (36) находится между указанными сторонами (25, 26). Голографический материал (6) расположен между источником (7) оптического излучения и оптической системой (10) так, чтобы первая сторона (25) была обращена к источнику (7) оптического излучения, а вторая сторона (26) - в сторону оптической системы(10). Источник (7) выполнен с возможностью проецирования падающего оптического излучения (20) на первую сторону (25) и через объем записи (36) в направлении оптической системы (10). Оптическая система (10) выполнена с возможностью перенаправления (32) оптического излучения обратно на указанную вторую сторону (26) и в объем записи (36), так что указанное падающее (20) и перенаправленное (32) оптическое излучение пересекаются внутри объема записи (36) под тупым углом (34) для создания интерференционной картины (38), с которой может быть сделана запись голограммы. Указанный способ и устройство позволяют записывать голограммы в разных участках объема записи, или рядом с друг другом, возможно также выполнять последовательную запись наложенных голограмм, но данное решение не позволяет выполнять одновременную запись наложенных голограмм.
US 10,359,736B2, опубл.23.07.2019г. IPC G03H 1/0244, описывает способ изготовления голограмм с использованием двух мастер-голограмм. Первая мастер-голограмма представляет собой стек уложенных друг на друга голограмм, освещаемых считывающим излучением, при этом считывающий луч дифрагирует на каждой голограмме с небольшой дифракционной эффективностью, но в совокупности указанный стек голограмм обеспечивает достаточную дифракционную эффективность. При интерференции дифрагированного и прошедшего через каждую голограмму стека излучения, записывается вторая промежуточная мастер-голограмма, используемая для записи финальной голограммы-копии. Указанный способ позволяет варьировать параметры второй промежуточной мастер-голограммы посредством изменения угла падения считывающего луча на первую мастер-голограмму, что позволяет записывать голограммы-копии с различными параметрами. Указанная схема записи является достаточно сложной (наличие стека голограмм, финальная голограмма-копия записывается через промежуточную мастер-голограмму, что создает дополнительные сложности при записи). Кроме того, процесс записи голограмм-копий выполняется последовательно и данное решение не позволяет выполнять одновременную запись наложенных голограмм.
US 6,266,167B1, опубл. 24.07.2001г., IPC G02B 5/32, раскрывает способ и аппаратуру для копирования голограмм с использованием настраиваемого по углу направления копирующего луча. Аппаратура содержит узел, позволяющий располагать голограмму (мастер) в непосредственной близости от голографического материала, в котором осуществляется запись копии, а также блок управления направлением копирующего луча, выполненный с возможностью независимо управлять направлением луча на участки голограммы для копирования голограммы в объем голографического материала. При этом возможность варьирования направлением падения луча на мастер-голограмму позволяет получать копии с различными характеристиками. Однако данная схема позволяет выполнять только последовательную запись голограмм в объеме голографического материала, и данное решение не позволяет выполнять одновременную запись наложенных голограмм.
Патентная заявка US 2019/0339558A1, опубл.07.11.2019г., IPC G03H 1/0248, которая является ближайшим аналогом заявленного изобретения, относится к способу и устройству для создания нескольких голограмм-копий с помощью одной общей мастер-голограммы. Согласно схеме устройства, исходный пучок 102 попадает на предварительно рассчитанный оптический элемент 103, который рассчитан так, что он модифицирует исходное падающее излучение и, соответственно, волновой фронт вторичного излучения (116, 117) искажен по сравнению с исходным волновым фронтом падающего излучения. Такой искаженный вторичный волновой фронт падает на мастер-голограмму, при этом указанный искаженный волновой фронт состоит из набора составляющих, каждая из которых имеет свое направление распространение и свою фазу. В каждой части мастер-голограммы происходит дифракция составляющих искаженного волнового фронта, и дифрагированные пучки интерферируют с пучками, прошедшими мастер-голограмму. Таким образом, в каждой точке голографического материала, приведенного в контакт с мастер-голограммой, происходит интерференция между дифрагированными пучками и прошедшими мастер-голограмму пучками, при этом в каждой точке голографического материала происходит запись голограмм-копий с отличными друг от друга характеристиками решеток, например периодами решеток и наклонами голографических плоскостей. В данной схеме используется один источник излучения, одна общая мастер-голограмма, за один этап записи записывается одновременно несколько копий одной общей мастер-голограммы, но записанные мастер-голограммы расположены в разных местах объема голографического материала. Указанная схема не позволяет обеспечивать одновременную запись наложенных голограмм с разными параметрами в одном месте голографического материала, что достигается в заявленном изобретении.
Авторы изобретения в своем решении устранили все недостатки ближайшего аналога, раскрытого в US 2019/0339558A1, и представили способ и систему одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности, которые обеспечивают получение высококачественного выходного виртуального изображения при одновременном упрощении процесса записи наложенных голограмм в AR-устройствах.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ одновременной записи наложенных голографических решеток для устройства дополненной реальности, содержащий следующие этапы:
-формируют исходный пучок излучения посредством одного источника излучения,
-направляют исходный пучок излучения в блок устранения интерференции под предварительно заданным углом,
-обеспечивают формирование, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения блоком устранения интерференции, при этом:
-разделяют исходный пучок излучения, по меньшей мере, на два записывающих пучка излучения,
-формируют, по меньшей мере, два канала записи в блоке устранения интерференции для прохождения, по меньшей мере, двух записывающих пучков, и их вывода из блока устранения интерференции,
t
-при этом углы вывода каждого из сформированных, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения отличаются друг от друга, при этом сформированные, по меньшей мере, два записывающих пучка не интерферируют друг с другом при выходе из блока устранения интерференции, что обеспечивается в соответствии с, по меньшей мере, одним из параметров: временем вывода () каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, пространственным положением каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, состоянию поляризации каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, спектральным составом каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков;
-освещают слой регистрирующего материала и один мастер-дифракционный оптический элемент/мастер-голографический оптический элемент (мастер-DOE/HOE), содержащий, по меньшей мере, одну предварительно сформированную дифракционную/голографическую решетку, указанными, по меньшей мере, двумя не интерферирующими между собой записывающими пучками излучения,
- обеспечивают одновременное формирование, по меньшей мере, двух наложенных голографических решеток от указанной одной мастер-DOE/HOE на/в слое регистрирующего материала, при этом сформированные наложенные голографические решетки имеют одинаковый поверхностный период, но отличающийся пространственный период.
При этом, исходный пучок излучения представляет собой один из: непрерывного когерентного пучка излучения, непрерывного частично-когерентного пучка излучения, импульсного когерентного пучка излучения, импульсного частично-когерентного пучка излучения.
В способе, этап формирования, по меньшей мере, двух наложенных голографических решеток от указанной одной мастер-DOE/HOE на/в слое регистрирующего материала включает дифракцию записывающих пучков на, по меньшей мере, одной дифракционной/голографической решетке, предварительно сформированной на/в мастер-DOE/HOE, и последующую интерференцию дифрагированных и записывающих пучков друг с другом на/в слое регистрирующего материала с обеспечением записи, по меньшей мере, двух наложенных голографических решеток.
Согласно способу, обеспечивают регулирование параметров, записываемых наложенных голографических решеток посредством поворота или линейного смещения слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE относительно, по меньшей мере, двух записывающих пучков, падающих на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, между циклами записи.
При этом обеспечивают поворот или смещение слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE друг относительно друга между циклами записи для обеспечения регулирования параметров, записываемых наложенных голографических решеток.
X
Y
Кроме того, в способе при выполнении записи голографической решетки, как одно целое, обеспечивают варьирование дифракционной эффективности по оси  или по оси  поля записываемой голографической решетки, а при выполнении посегментной записи голографической решетки на/в слое регистрирующего материала обеспечивают варьирование дифракционной эффективности в сегментах, составляющих посегментно-записываемую голографическую решетку.
X
Y
При этом, варьирование дифракционной эффективности в сегментах выполняют по оси  или по оси  поля соответствующего сегмента посегментно-записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала, и сегменты, составляющие посегментно-записываемую голографическую решетку, прилегают друг к другу или отстоят друг от друга на заданное расстояние.
Кроме того, варьирование дифракционной эффективности записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала осуществляют посредством изменения энергетических характеристик записывающих пучков.
θ
i
В способе согласно изобретению, угол  падения записывающего пучка на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE определяется по формуле:
,
i
n
λ
d
d
i
spat
i
где  - номер записывающего пучка;  - показатель преломления слоя регистрирующего материала; —  длина волны исходного пучка излучения от источника излучения;- поверхностный период каждой записываемой решетки, - пространственный период записываемой -ой решетки.
Согласно второму аспекту изобретения представлена система одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности, содержащая:
источник излучения, выполненный с возможностью формирования исходного пучка излучения,
блок устранения интерференции, выполненный с возможностью формирования и вывода по меньшей мере двух записывающих пучков излучения,
t
при этом блок устранения интерференции выполнен таким образом, что углы вывода каждого из сформированных, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения отличаются друг от друга, и сформированные, по меньшей мере, два записывающих пучка не интерферируют друг с другом при выходе из блока устранения интерференции, что обеспечивается в соответствии с, по меньшей мере, одним из параметров: временем вывода () каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, пространственным положением каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, состоянию поляризации каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков, спектральным составом каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков;
слой регистрирующего материала, выполненный с возможностью формирования на/в нем, по меньшей мере, двух наложенных голографических решеток, при этом сформированные наложенные голографические решетки имеют одинаковый поверхностный период, но отличающийся пространственный период,
мастер-дифракционный оптический элемент/мастер-голографический оптический элемент (мастер-DOE/HOE), содержащий, по меньшей мере, одну предварительно сформированную дифракционную/голографическую решетку, расположенный в непосредственном контакте со слоем регистрирующего материала или расположенный на заданном расстоянии от слоя регистрирующего материала с возможностью обеспечения взаимодействия записывающих пучков с мастер-DOE/HOE и слоем регистрирующего материала,
блок управления, соединенный с источником излучения, блоком устранения интерференции и с мастер-DOE/HOE и слоем регистрирующего материала, и выполненный с возможностью управления указанными блоками по сигналу от блока управления.
При этом источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного непрерывного когерентного электромагнитного излучения с длиной волны оптического диапазона или импульсного исходного излучения, при этом источник излучения представляет собой импульсный лазер.
В системе согласно изобретению, источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного пучка излучения, представляющего собой один из: непрерывного когерентного пучка излучения, непрерывного частично-когерентного пучка излучения, импульсного когерентного пучка излучения, импульсного частично-когерентного пучка излучения.
При этом в системе согласно изобретению, источник излучения выполнен с возможностью направления исходных пучков излучения под заданным углом в блок устранения интерференции;
блок устранения интерференции содержит оптический формирующий блок, выполненный с возможностью формирования, по меньшей мере, двух каналов записи; оптический формирующий блок выполнен с возможностью формирования, по меньшей мере, двух каналов записи для прохождения в каждом соответствующего записывающего пучка излучения, или оптический формирующий блок содержит оптически-сопряженные делитель пучка излучения, по меньшей мере, один зеркальный элемент, и, по меньшей мере, два светооптических затвора.
Кроме того, делитель пучка излучения представляет собой светоделительный куб, который выполнен с возможностью геометрического и энергетического разделения исходного пучка излучения, по меньшей мере, на два записывающих пучка излучения.
В системе согласно одному варианту реализации, по меньшей мере, два светооптических затвора обеспечивают поочередный или одновременный вывод записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции по сигналу от блока управления.
Согласно одному варианту реализации оптический формирующий блок содержит оптически сопряженные делитель пучка излучения в виде светоделительного куба, зеркальный элемент и поляризационный элемент, при этом поляризационный элемент выполнен с возможностью обеспечения поочередного или одновременного вывода, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции в зависимости от направления вектора поляризации каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков при прохождении через поляризационный элемент, при этом направления вектора поляризации представляет собой одно из: S-поляризацию, P-поляризацию, правостороннюю циркулярную поляризацию (RHCP), левостороннюю циркулярную поляризацию (LHCP), кроме того, поляризационный элемент выполнен с возможностью обеспечения ортогональности векторов поляризации, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения, при этом записывающие пучки выходят из блока устранения интерференции одновременно.
Кроме того, поочередный или одновременный вывод, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции выполняется по сигналу от блока управления.
Согласно одному варианту реализации, оптический формирующий блок содержит, по меньшей мере, одну микроэлектромеханическую систему (MEMS-систему), обеспечивающую поочередный вывод записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции по сигналу от блока управления.
Согласно одному варианту реализации, оптический формирующий блок содержит оптически сопряженные делитель пучка излучения в виде светоделительного куба, и, по меньшей мере, одну оптическую линию задержки, и, по меньшей мере, одна оптическая линия задержки выполнена с возможностью задержки записывающего пучка в, по меньшей мере, одном канале записи из, по меньшей мере, двух каналов записи для обеспечения поочередного вывода записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции.
При этом, по меньшей мере, одна оптическая линия задержки выполнена с возможностью задержки записывающего пучка в, по меньшей мере, одном канале записи из, по меньшей мере, двух каналов записи для обеспечения разности хода записывающих пучков в каналах записи, превышающей длину когерентности источника исходного излучения, при этом обеспечивается одновременный вывод, по меньшей мере, двух записывающих пучков из блока устранения интерференции.
n
При этом оптическая линия задержки представляет собой оптическое волокно или блок из совокупности зеркальных элементов, выполненных с возможностью регулирования пути прохождения, по меньшей мере, одного записывающего пучка в блоке устранения интерференции, или оптическая линия задержки представляет собой протяженную оптическую среду с показателем преломления  > 1.5, обеспечивающую задержку записывающего пучка в, по меньшей мере, одном канале записи из, по меньшей мере, двух каналов записи, при этом протяженная оптическая среда представляет собой параллелепипед, выполненный из оптического материала.
Согласно варианту реализации изобретения, оптический формирующий блок содержит оптически сопряженные светооптический затвор, установленный на пути исходного пучка, делитель пучка излучения в виде светоделительного куба и зеркальный элемент, или оптический формирующий блок содержит оптически сопряженные делитель пучка излучения в виде светоделительного куба и зеркальный элемент, и, по меньшей мере, два спектральных фильтра, установленных в каждом канале записи.
При этом, мастер-DOE/HOE установлен в фиксированном положении относительно слоя регистрирующего материала с возможностью поворота или линейного смещения слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE относительно, по меньшей мере, двух записывающих пучков, падающих на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, между циклами записи по сигналу от блока управления для обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток, или слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE установлены с возможностью поворота или смещения друг относительно друга между циклами записи для обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала по сигналу от блока управления.
X
Y
При этом, блок управления выполнен с возможностью обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала посредством поворота или линейного смещения слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE относительно, по меньшей мере, двух записывающих пучков, падающих на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, между циклами записи по сигналу от блока управления, и блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает варьирование дифракционной эффективности по оси  или по оси  поля записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала при выполнении записи голографической решетки как одно целое.
Кроме того, блок управления выполнен таким образом, что при выполнении посегментной записи голографической решетки на/в слое регистрирующего материала обеспечивает варьирование дифракционной эффективности в сегментах, составляющих посегментно-записываемую голографическую решетку.
X
Y
При этом блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает варьирование дифракционной эффективности в сегментах по оси  или по оси  поля соответствующего сегмента посегментно-записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала, и сегменты, составляющие посегментно-записываемую голографическую решетку, прилегают друг к другу или отстоят друг от друга на заданное расстояние.
Кроме того, в системе согласно второму аспекту изобретения варьирование дифракционной эффективности записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала осуществляют посредством изменения энергетических характеристик записывающих пучков, формируемых блоком устранения интерференции, и регулирование параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала включает по меньшей мере одно из: периода голографической решетки, дифракционной эффективности голографической решетки, размера голографической решетки.
Кроме того, система согласно второму аспекту изобретения содержит маску, выполненную с возможностью формирования формы сегментов, составляющих записываемые наложенные голографические решетки на/в слое регистрирующего материала, и, по меньшей мере, один поворотный столик и, по меньшей мере, один линейный транслятор для обеспечения поворота и линейного смещения мастер-DOE/HOE и слоя регистрирующего материала.
θ
i
При этом, в системе угол падения записывающего пучка на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, определяется по формуле:
,
i
n
λ
d
d
i
spat
i
где  - номер записывающего пучка; - показатель преломления слоя регистрирующего материала;   —  длина волны исходного пучка излучения от источника излучения;- поверхностный период каждой записываемой решетки,- пространственный период записываемой -ой решетки.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается система одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности, содержащая:
источник когерентного излучения, выполненный с возможностью формирования непрерывного исходного пучка когерентного излучения,
блок устранения интерференции, выполненный с возможностью формирования и вывода, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения,
при этом блок устранения интерференции выполнен таким образом, что углы вывода каждого из сформированных, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения отличаются друг от друга, и сформированные, по меньшей мере, два записывающих пучка не интерферируют друг с другом при выходе из блока устранения интерференции,
при этом блок устранения интерференции содержит оптический формирующий блок, выполненный с возможностью формирования, по меньшей мере, двух каналов записи для прохождения в каждом соответствующего записывающего пучка излучения,
t
причем указанный оптический формирующий блок содержит оптически сопряженные делитель пучка излучения, по меньшей мере, один зеркальный элемент и, по меньшей мере, два светооптических затвора, с возможностью поочередного вывода записывающих пучков излучения из блока устранения интерференции в соответствии с временем вывода() каждого из, по меньшей мере, двух записывающих пучков,
слой регистрирующего материала, выполненный с возможностью формирования на/в нем, по меньшей мере, двух наложенных голографических решеток, при этом сформированные наложенные голографические решетки имеют одинаковый поверхностный период, но отличающийся пространственный период,
мастер-дифракционный оптический элемент/мастер-голографический оптический элемент (мастер-DOE/HOE), содержащий, по меньшей мере, одну предварительно сформированную дифракционную/голографическую решетку, расположенный в непосредственном контакте со слоем регистрирующего материала или расположенный на заданном расстоянии от слоя регистрирующего материала с возможностью обеспечения взаимодействия записывающих пучков с мастер-DOE/HOE и слоем регистрирующего материала,
блок управления, соединенный с источником излучения, блоком устранения интерференции и с мастер-DOE/HOE и слоем регистрирующего материала, и выполненный с возможностью управления указанными блоками по сигналу от блока управления.
θ
i
При этом, угол падения записывающего пучка на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE в системе определяется по формуле:
,
i
n
λ
d
d
i
spat
i
где  - номер записывающего пучка;- показатель преломления слоя регистрирующего материала; — длина волны исходного пучка излучения от источника излучения;- поверхностный период каждой записываемой решетки, - пространственный период записываемой -ой решетки.
При этом слой регистрирующего материала представляет собой слой голографического материала, источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного непрерывного когерентного электромагнитного излучения с длиной волны оптического диапазона и с возможностью направления исходного пучка излучения под заданным углом в блок устранения интерференции.
В системе согласно изобретению, делитель пучка излучения представляет собой светоделительный куб, который выполнен с возможностью геометрического и энергетического разделения исходного пучка излучения, по меньшей мере, на два записывающих пучка излучения.
В системе согласно изобретению, мастер-DOE/HOE установлен в фиксированном положении относительно слоя регистрирующего материала с возможностью поворота или линейного смещения слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE относительно по меньшей мере двух записывающих пучков, падающих на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, между циклами записи для обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток, или слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE установлены с возможностью поворота или смещения друг относительно друга между циклами записи для обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала по сигналу от блока управления.
X
Y
В системе согласно изобретению, блок управления выполнен с возможностью обеспечения регулирования параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала посредством поворота или линейного смещения слоя регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE относительно, по меньшей мере, двух записывающих пучков, падающих на слой регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE, между циклами записи по сигналу от блока управления и блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает варьирование дифракционной эффективности по оси  или по оси  поля записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала при выполнении записи голографической решетки, как одно целое.
Кроме того, блок управления выполнен таким образом, что при выполнении посегментной записи голографической решетки на/в слое регистрирующего материала обеспечивает варьирование дифракционной эффективности в сегментах, составляющих посегментно-записываемую голографическую решетку или
X
Y
блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает варьирование дифракционной эффективности в сегментах по оси  или по оси  поля соответствующего сегмента посегментно-записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала.
При этом сегменты, составляющие посегментно-записываемую голографическую решетку, прилегают друг к другу или отстоят друг от друга на заданное расстояние.
В системе согласно изобретению, варьирование дифракционной эффективности записываемой голографической решетки на/в слое регистрирующего материала осуществляют посредством изменения энергетических характеристик записывающих пучков, формируемых блоком устранения интерференции, и регулирование параметров записываемых наложенных голографических решеток на/в слое регистрирующего материала включает, по меньшей мере, одно из: периода голографической решетки, дифракционной эффективности голографической решетки, размера голографической решетки.
Система согласно изобретению, дополнительно содержит маску, выполненную с возможностью формирования формы сегментов, составляющих записываемые наложенные голографические решетки и
поворотный столик и/или линейный транслятор для обеспечения поворота и линейного смещения мастер-DOE/HOE и слоя регистрирующего материала.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток согласно изобретению.
Фиг. 2а - представлена схема формирования первой наложенной голографической решетки согласно изобретению.
Фиг. 2b - представлена схема формирования второй наложенной голографической решетки согласно изобретению.
Фиг. 3а - представлено изображение формируемого виртуального изображения, полученного традиционными способами последовательной записи наложенных голографических решеток.
Фиг. 3b - представлено изображение формируемого виртуального изображения, полученного согласно способу одновременной записи наложенных голографических решеток согласно изобретению.
Фиг. 4а - представлен схематический вид системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.
В1
В2
На фиг. 4b - представлены циклограммы, иллюстрирующие работу двух светооптических затворов 7, 7для двух записывающих пучков В1 и В2,соответственно.
На фиг. 4с - представлена схема прохождения пучков излучения в системе одновременной записи наложенных голографических решеток согласно фиг. 4а.
Фиг. 5а - иллюстрирует условное изображение голографической решетки(HOE), состоящей из одного сегмента.
Фиг. 5b - иллюстрирует условное изображение голографической решетки(HOE) при осуществлении ее посегментной записи.
Фиг. 5с - иллюстрирует условное изображение сегментов голографической решетки(HOE) при осуществлении ее посегментной записи.
X
Фиг. 6а - график, иллюстрирующий вариант распределения дифракционной эффективности (ДЭ) по оси  поля записываемой голографической решетки, состоящей из одного сегмента.
X
Фиг. 6b - график, иллюстрирующий вариант распределения дифракционной эффективности (ДЭ) сегментов голографической решетки (HOE) при осуществлении ее посегментной записи по оси  поля записываемой голографической решетки.
X
Фиг. 6c - график, иллюстрирующий вариант распределения дифракционной эффективности (ДЭ) внутри одного сегмента голографической решетки (HOE) при осуществлении ее посегментной записи по оси  поля записываемой голографической решетки.
Фиг. 7a - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток G1+G2+G3 при выходе записывающих пучков из блока устранения интерференции согласно изобретению.
Фиг. 7b - представлена схема формирования первой, второй и третьей наложенных голографических решеток G1+G2+G3 с одинаковым поверхностным периодом согласно изобретению.
Фиг. 8а - схематично представлен вид мастер-HOE с записанной голографической решеткой.
Фиг. 8b - схематично представлен вид мастер-DOE с записанной поверхностно-рельефной решеткой.
Фиг. 9а - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при выполнения поворота стека из слоя 2 регистрирующего (голографического) материала и мастер-DOE/HOE 3 относительно записывающих пучков согласно изобретению.
Фиг. 9b - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при выполнения линейного смещения стека из слоя 2 регистрирующего (голографического) материала и мастер-DOE/HOE 3 относительно записывающих пучков согласно изобретению.
Фиг. 9с - схематично представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при линейном смещении или повороте слоя 2 регистрирующего (голографического) материала относительно мастер-DOE/HOE 3 или наоборот согласно изобретению.
Фиг. 10а - представлен схематический вид системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно второму варианту реализации изобретения.
Фиг. 10b - представлен схематический вид системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно третьему варианту реализации изобретения.
Фиг. 10c - представлен схематический вид системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно четвертому варианту реализации изобретения.
Фиг. 11а - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при линейном смещении слоя 2 регистрирующего (голографического) материала относительно мастер-DOE/HOE 3 между циклами записи.
Фиг. 11b - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при линейном смещении слоя 2 регистрирующего (голографического) материала относительно мастер-DOE/HOE 3 между циклами записи, в случае наличия на мастер-DOE/HOE 3 двух или более записанных исходных дифракционных/голографических решеток.
Фиг. 11с - представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при угловом смещении слоя 2 регистрирующего (голографического) материала относительно мастер-DOE/HOE между циклами записи.
Фиг. 12 - представлен вид копии голографической решетки, полученной способом посегментной записи на экспериментальной установке согласно варианту реализации изобретения.
Фиг. 13а - представлен вид экспериментальной установки для системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно варианту реализации изобретения.
Фиг. 13b - представлен вид части экспериментальной установки согласно фиг. 13а, на которой представлен стек из слоя 2 голографического материала и мастер-HOE 3, установленные на столике 10 для линейного позиционирования, обеспечивающего по сигналу от блока 8 управления перемещения стека из слоя 2 голографического материала и мастер-HOE 3 по осям XY.
Фиг. 13с - представлена схема контактного способа записи согласно варианту реализации изобретения.
Фиг. 13d - представлена схема бесконтактного способа записи согласно варианту реализации изобретения.
В1
В2
В3
Фиг. 14 - представлены циклограммы, иллюстрирующие работу трех светооптических затворов 7, 7, 7 для трех записывающих пучков В1, В2 и В3,соответственно.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Все документы, упомянутые в этой заявке, являются неотъемлемой частью описания заявки, т.е. их раскрытия являются полностью включенными в настоящее описание заявки путем ссылки.
Ссылки на элементы в единственном числе следует понимать включающими элементы во множественном числе и наоборот, если иное явно не оговорено или ясно не следует из контекста.
В этой заявке изложение пределов значений не предполагается ограничивающим, а предполагается относящимся индивидуально к любому и всем значениям, попадающим в пределы, если в этой заявке не указано иное, а каждое отдельное значение в таких пределах включается в описание изобретения, как если бы оно было индивидуально приведено в этой заявке.
Использование конкретных составов композиций материалов, используемых при изготовлении конструктивных элементов, являющихся составной частью заявленного изобретения, не ограничивается представленными примерами, а допускает использование любых других композиций с аналогичными свойствами известными для специалистов в данной области техники.
Слова «около», «приблизительно» или подобные при численном значении специалисту в данной области техники следует понимать, как показывающие отклонение, при котором обеспечивается удовлетворительная работа в предполагаемой области применения. Аналогично этому, слова, относящиеся к приближенному значению, такие как «приблизительно» или «по существу», при использовании относительно физических характеристик специалисту в данной области техники следует понимать, как выражающие пределы отклонения, при которых обеспечивается удовлетворительная работа в случае соответствующего использования, функционирования, целевого назначения или чего-либо подобного.
Пределы значений и/или числовых значений приводятся в этой заявке только для примера и не накладывают ограничений на объем описанных вариантов осуществления. Когда пределы значений приводятся, они предполагаются включающими каждое значение в пределах, как если бы оно было представлено индивидуально, однако если иное особо не оговорено. Использование любого или всех примеров, или вводного слова перед примером («например», «такой как» или подобного), приводимого в этой заявке, предназначено только для лучшего освещения вариантов осуществления и не является ограничением объема вариантов осуществления. Никакую формулировку в описании не следует толковать как показывающую какой-либо незаявленный элемент существенным при практическом применении вариантов осуществления.
В рамках настоящего описания термины «голограмма», «голографическая решетка» используются как равнозначные синонимы.
В рамках настоящего изобретения понятие «дополненная реальность (AR)» рассматривается, как технология, с помощью которой виртуальные объекты могут быть наложены на реальную сцену, а виртуальная информация может быть применена к реальному миру, так что реальная сцена и виртуальные объекты накладываются в одно изображение или пространство в реальном времени, и могут быть просмотрены наблюдателем, тем самым обеспечивая иммерсивный опыт дополненной реальности.
Понятие «выходной зрачок» (eyebox) - это объем пространства, в котором наблюдается виртуальное изображение.
Понятие «апертура записывающего пучка» - это поперечный размер светового пучка, определяемый его диаметром.
Голограмма-копия - голограмма, полученная в результате копирования, то есть воспроизведения голограммной структуры голограммы-оригинала или мастер-DOE в регистрирующей среде (регистрирующем материале, голографическом материале) голограммы-копии.
Регистрирующий материал - вещество, используемое для записи голографического поля. В рамках настоящего описания термины «регистрирующий материал», «голографический материал» используются как равнозначные синонимы.
Мастер-DOE-это дифракционный оптический элемент, предназначенный для получения голограммы-копии.
Мастер-HOE - это голографический оптический элемент, предназначенный для получения голограммы-копии.
При этом мастер-HOE может быть один из случаев реализации мастер-DOE.
Следует отметить, что как дифракционный оптический элемент (DOE), так и голографический оптический элемент (HOE) основаны по существу на одном и том же физическом принципе, то есть, оба вида этих оптических элементов по существу можно отнести к дифракционным оптическим элементам. Различие между ними состоит в том, что дифракционными оптическими элементами называют оптические элементы, в которых дифракция происходит на поверхностном рельефе, а голографическими оптическими элементами называют решетки, в которых дифракция происходит в материале за счет локального изменения его оптических свойств.
В рамках настоящего изобретения понятие «копирование голограммы» рассматривается как одна из технологий записи голограммы, поскольку результатом обоих действий является формирование голограммной структуры в регистрирующей среде.
Цикл записи - совокупность действий системы записи голографической решетки, при которой каждый канал записи функционирует не более чем по одному разу.
Запись голографической решетки как целое (одним сегментом) - запись решетки, при которой размер решетки будет равен апертуре записывающего пучка или размеру маски, ограничивающей апертуру записывающего пучка.
Посегментная запись голографической решетки (запись несколькими сегментами) - запись решетки, при которой ее размер будет равен сумме размеров отдельных сегментов, составляющих ее.
Далее будет представлено описание предпочтительных вариантов реализации изобретения.
Как уже указывалось выше, авторы изобретения в своем решении устранили все недостатки ближайшего аналога, раскрытого в US 2019/0339558A1, и представили способ и систему одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности, которые обеспечивают получение высококачественного выходного виртуального изображения при одновременном упрощении процесса записи наложенных голограмм в AR-устройствах.
В заявленном изобретении, как и в ближайшем аналоге, используется один источник излучения, один мастер-DOE/HOE, и одновременно выполняется запись нескольких голограмм-копий с разными параметрами, но в US 2019/0339558A1, сформированные голограммы-копии, не являются наложенными друг на друга, а записываются в различных отдельных частях голографического материала.
Таким образом, в ближайшем аналоге запись голограмм-копий с различными характеристиками производятся не в одном месте, а голограммы распределены по пространству голографического материала, т.е. записывается некая общая голограмма-копия с плавно меняющимися характеристиками вдоль одной координаты.
Авторы изобретения в своем решении устранили недостатки прототипа, а именно упростили систему записи голограмм, и добились получения более высококачественного виртуального изображения, отказавшись от традиционной двухлучевой последовательной записи наложенных голограмм в объеме голографического материала.
В результате проведения экспериментальных исследований, были созданы способ и система записи, основными ключевыми положениями, которых являются:
-создание блока устранении интерференции записывающих пучков, который обеспечивает формирование, по меньшей мере, двух не интерферирующих записывающих пучков излучения, которые обеспечивают запись наложенных голографических решеток с одного мастер-DOE/HOE посредством одного источника когерентного излучения,
- одновременная запись наложенных голографических решеток от одного мастер-DOE/HOE от одного источника когерентного излучения.
При этом повышается качество получаемого виртуального изображения, с обеспечением равнояркости изображения по полю зрения и четкости изображения, что наглядно продемонстрировано на фиг. 3b, по сравнению с виртуальным изображением, полученным согласно последовательной системе записи, представленным на фиг. 3а.
На фиг. 1 схематично показан общий принцип одновременной записи наложенных голограмм согласно изобретению.
Источник когерентного излучения 1 формирует непрерывное когерентное излучение, в виде пучка излучения, которое поступает в блок 4 устранения интерференции записывающих пучков (далее, как блок 4 устранения интерференции), который обеспечивает формирование, по меньшей мере, двух не интерферирующих записывающих пучков (cм. А-А фиг. 1) излучения (на фиг. 1 условно представлены два луча B1, B2), далее на выходе обеспечивается поочередный выход указанных сформированных, по меньшей мере, двух записывающих лучей в сторону слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, указанные пучки освещают слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, расположенный в непосредственном контакте со слоем 2 голографического материала или расположенный на заданном расстоянии от него.
Следует отметить, что источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного пучка излучения, который может представлять собой один из: непрерывного когерентного пучка излучения, непрерывного частично-когерентного пучка излучения, импульсного когерентного пучка излучения, импульсного частично-когерентного пучка излучения.
При этом источник излучения, формирующий частично-когерентный пучок излучения или импульсный частично-когерентный пучок излучения, обеспечивает формирование непрерывного излучения или импульсного излучения, которое можно рассматривать как совокупность когерентного и некогерентного излучения. Таковым, например, является квазимонохроматический источник света, излучающий совокупность длин волн в некотором спектральном диапазоне, например светодиод.
Источник излучения представляет собой одно из: непрерывный твердотельный лазер с диодной накачкой, полупроводниковый лазер, лазерный диод, светодиод, матрица светодиодов (СИД) и т.д.
Далее, на фиг. 2а, 2b схематично показаны процессы одновременной записи голографических решеток для пучков B1 (фиг. 2а) и B2(фиг. 2b), соответственно.
rec
rec
diff
diff
diff
diff
rec,
rec
При этом записывающие пучки В1 и В2 (обозначены, как B1иB2на фиг.2b) освещают слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, и часть пучков дифрагирует (B1, B2) на мастер-DOE/HOE 3, при этом дифрагированные (B1, B2) и записывающие пучки (B1B2) интерферируют соответственно, друг с другом, т.е. в каждой точке слоя 2 регистрирующего (голографического) материала, приведенного в контакт с мастер-DOE/HOE 3, происходит интерференция между дифрагированными пучками и записывающими пучками, при этом обеспечивается одновременная запись наложенных голографических решеток G1 и G2 в слое 2 голографического материала, которые обозначены как G1 на фиг. 2a и G2 на фиг. 2b.
На Фиг. 4а представлен схематический вид системы одновременной записи наложенных голографических решеток в объеме одного голографического материала согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, а на фиг. 4с представлена схема прохождения пучков излучения в системе одновременной записи наложенных голографических решеток согласно фиг. 4а.
Источник 1 когерентного излучения в виде лазера формирует непрерывное когерентное излучение (исходный пучок излучения), которое поступает в блок 4 устранения интерференции, обеспечивающий формирование, по меньшей мере, двух записывающих пучков излучения.
B1
B2
Блок 4 устранения интерференции содержит оптический формирующий блок (не обозначен), состоящий из оптически сопряженных делителя 5 пучка излучения, например, в виде светоделительного куба, зеркального элемента 6 и, по меньшей мере, двух светооптических затворов 7, 7.
δ
Исходный пучок, непрерывно формируемый источником 1 когерентного излучения, входит в блок 4 устранения интерференции и попадает на светоделительный куб 5, при этом угол падения первичного пучка () может лежать в диапазоне от минус 90 градусов (исключая это значение) до плюс 90 градусов (исключая это значение) к нормали относительно входной грани светоделительного куба 5. В светоделительном кубе 5 первичный пучок делится на два вторичных пучка, которые далее будут выполнять функцию записывающих пучков. Деление (геометрическое и энергетическое) первичного пучка на два записывающих пучка В1 и B2, и, соответственно, формирование двух каналов записи, (см. фиг. 4а, 4с) происходит согласно законам отражения и преломления, при этом соотношение энергий записывающих пучков может иметь, например, значения 10:90, 40:60, 50:50.
d
λ
n
d
d
d
d
d
d
d
Ω
i
Ω
Ω
θ
θ
d
n
λ
d
spat1
spat2
spat1
spat2
spat1
spat2
i
(
1
2
1
1
spat1
Дальнейшая геометрия распространения записывающих пучков В1 и B2 в блоке 4 устранения интерференции и направление их выхода из указанного блока 4 в сторону стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3 определяется значением поверхностного периода мастер-DOE/HOE 3, длиной волны исходного излучения (), показателем преломления  слоя 2 регистрирующего материала (голографической среды), в которой будут записаны две наложенные голографические решетки с тем же поверхностным периодом , но с двумя не равными пространственными периодами (, ), т.е.- пространственный период первой решетки G1,- пространственный период второй решетки G2, при этом, например, < . При этом записывающие пучки выходят из блока 4 устранения интерференции под углами вывода где - номер записывающего пучка, см. фиг. 4с). При этом углы выводаи для каждого записывающего пучка B1 и B2 излучения отличаются друг от друга. Один из записывающих пучков, а точнее записывающий пучок B1, непосредственно со светоделительного куба 5 направляется под углом падения  на стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, при этом угол падения  рассчитывается согласно формуле (1) по заданным значениям , , и .
Формула (1):
,
i
где - номер записывающего пучка.
θ
Ω
i
i
При этом угол падения записывающего пучка на стек из слоя 2 регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE 3 связан с углом его вывода  из блока 4 устранения интерференции по формуле (2).
Формула (2):
,
i
γ
γ
где – номер записывающего пучка,  – угол между блоком 4 устранения интерференции и стеком из слоя 2 регистрирующего материала и мастер-DOE/HOE 3. При этом угол  может принимать значения от минус 90 градусов (исключая это значение) до плюс 90 градусов (исключая это значение).
θ
d
n
λ
d
θ
θ
θ
d=
n=
λ =
d
d
2
spat2
2
1
2
spat1
spat2
Угол падения  второго записывающего пучка B2 определяется аналогично по формуле (1) значениями , , и . Полученное значение угла падения  определяет пространственное и угловое положение зеркального элемента 6, установленного в блоке 4 устранения интерференции и формирующего второй канал записи, при этом необходимым условием при его ориентации является пересечение обоих записывающих пучков В1, В2 в одной точке стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3. Авторы проводили ряд экспериментальных исследований системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно схемам, представленным на фиг.4а и 4с, где углы падения записывающих пучков , , определялись при следующих параметрах: поверхностный период первой и второй решеток G1, G2 - 445 нм; показатель преломления слоя 2 голографического материала-1.5; длина волны первичного излучения от источника 1 излучения- 515 нм; пространственный период первой решетки G1 - =184 нм; пространственный период второй решетки G2 - =226 нм.
В1
В2
При этом исходный пучок излучения, испускаемый источником 1 непрерывного когерентного излучения, попадает на светоделительный куб 5, который разделяет первичный пучок излучения на, по меньшей мере, на два записывающих пучка излучения (B1, B2), таким образом, формируя, по меньшей мере, два канала, один для первого записывающего пучка B1, а второй B2 - для второго записывающего пучка излучения (количество записывающих пучков не ограничивается двумя, а представлено в качестве неограничивающего примера). При этом, по меньшей мере, два светооптических затвора 7, 7 обеспечивают поочередный вывод записывающих пучков излучения с частотой приблизительно 100 Гц по сигналу от блока управления 8, который также управляет источником 1 непрерывного излучения.
В1
В2
В1
В2
В1
В2
В1
В1
В2
t
t
t
t
На фиг. 4b представлены циклограммы, иллюстрирующие работу двух светооптических затворов 7, 7 для двух записывающих пучков В1 и В2, соответственно. Согласно циклограмме, в каждый момент времени работает только один светооптический затвор, и на выходе блока 4 устранения интерференции обеспечивается поочередный вывод указанных считывающих пучков излучения, например, В1 или В2 на стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, на последнем из которых предварительно записана по меньшей мере одна дифракционная/голографическая структура (решетка). Указанные пучки B1 или B2 поочередно освещают слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, расположенный в непосредственном контакте со слоем 2 голографического материала или на заданном фиксированном расстоянии от него, на которых выполняются все процессы формирования и записи голографических решеток, представленных и описанных со ссылками на фиг. 2а, 2b для пучков B1 (фиг. 2а) и B2(фиг. 2b), соответственно. При этом согласно фиг. 4b, где представлена циклограмма работы светооптических затворов для пучков В1 и В2, можно видеть поочередное закрытие и открытие светооптических затворов, т.е. в некоторый момент времени 1 затвор 7 открыт, и выпускается записывающий пучок В1 на выходе блока 4 устранения интерференции, в этот же момент времени 1 затвор 7закрыт, и прохождение пучка В2 блокировано, и в момент 2, когда 7 закрыт, затвор 7открыт и выпускает пучок В2 на слой 2 голографического материала и мастер-DOE 3, и посредством указанного поочередного освещения пучками В1 или В2 обеспечивается процесс формирования наложенных голографических решеток, при этом каждая голографическая решетка записывается небольшими порциями (экспозициями), например во время 1 записывающим пучком В1 записывается небольшая часть голографический решетки G1, и за несколько десятков-сотен циклов работы затвора 7, составляющих, например, 50-150 циклов, обеспечивается формирование голографический решетки G1; аналогичный процесс происходит и для записывающего пучка В2, посредством которого формируется голографическая решетка G2. При этом длительность циклов может составлять, например 8, 9, 10 мсек при частоте работы светооптических затворов 7, 7 около 100 Гц. Соответственно, моменты открытия затворов разнесены во времени, поэтому, по сути, голографические решетки G1 и G2 записываются последовательно в пределах одного цикла записи, но поскольку скорость работы затворов велика (100 Гц), и количество циклов велико, то в масштабе времени получения полной экспозиции наложенных голограмм G1, G2 их запись происходит одновременно.
При этом следует отметить, что непрерывно исходящий из источника 1 излучения исходный пучок когерентного излучения интерферирует с каждым отдельным выходящим из блока 4 устранения интерференции записывающим пучком, однако записывающие пучки, вышедшие из блока 4 устранения интерференции, не интерферируют между собой. Такой эффект обеспечивается структурой оптической схемы блока устранения интерференции и подбором параметров его работы, регулируемой блоком управления.
Таким образом, представленные на фиг. 4а система записи согласно предпочтительному варианту реализации, и на фиг. 4с схема прохождения пучков излучения в указанной системе, в отличие от известных в уровне техники решений, обеспечивает следующие эффекты:
-блок 4 устранения интерференции обеспечивает генерирование множества записывающих пучков излучения (по меньшей мере, два пучка), формируемых от одного источника 1 излучения,
-выходящие из блока 4 устранения интерференции, по меньшей мере, два записывающих пучка, не интерферируют друг с другом,
-множество записывающих пучков излучения, выходящих из блока 4 устранения интерференции, используются для записи множества наложенных голограмм от общего мастер-DOE/HOE 3,
-при этом указанные пучки испускается от одного источника излучения.
Далее будут раскрыты возможные варианты реализации системы одновременной записи наложенных голографических решеток согласно изобретению.
t
На фиг. 10а представлен вариант реализации системы одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно второму варианту реализации, в котором источник 1 излучения представляет собой импульсный источник излучения; длительность импульса - 5-10 нс; частота следования импульсов - 10 Гц-100 кГц; на выходе источника 1 излучения и на входе в блок 4 устранения интерференции первичный пучок представляет собой последовательность импульсов. В блоке 4 устранения интерференции выполнение оптического формирующего блока отличается от варианта реализации, представленного на фиг. 4а, 4с, и содержит светоделительный куб 5, зеркальный элемент 6 и оптическую линию задержки (ODL-optical delay line). Однако, как и в примере согласно фиг. 4а, 4с, после делителя 5 пучка, например, в виде светоделительного куба, формируются, по меньшей мере, два канала записи, и, соответственно, формируются, по меньшей мере, два записывающих пучка В1, В2. В одном или более каналах записи импульсный записывающий пучок, например, В2, распространяется по оптической линии задержки (ODL), например, в виде оптического волокна, при этом длина волокна в разных каналах записи различна. Таким образом, варьируя длину оптического волокна в каналах записи, можно обеспечить задержку светового импульса в каналах записи на определенную величину относительно незадержанного импульса, в данном случае, записывающего пучка В1, распространяющегося по воздуху или в вакууме, а также задержку импульсов в разных каналах с разной длиной волокна относительно друг друга. Например, может использоваться оптическое волокно с показателем преломления 1.490; и отрезок 250 м такого волокна обеспечивают задержку светового импульса относительно импульса, распространяющегося в вакууме, на величину примерно 1,2 мкс. Таким образом, на выходе блока 4 устранения интерференции будет формироваться, по меньшей мере, два импульсных записывающих пучка, например В1, В2, сдвинутых относительно друг друга на время Δ по моменту выхода из блока 4 устранения интерференции. В силу этого, считывающие пучки B1, B2, B3, …, Bn не будут интерферировать между собой при записи наложенных голографических решеток. Эти пучки, как и в предпочтительном решении, далее освещают стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3 и используются для записи наложенных голограмм-копий. Запись каждой голограммы-копии идет малыми экспозициями (порциями), при этом в данном случае каждая такая порция - это отдельный импульс когерентного импульсного источника.
n
n
Следует отметить, что в другом варианте реализации оптический формирующий блок содержит светоделительный куб, зеркальный элемент и оптическую линию задержки, выполненную в виде блока из совокупности зеркал. Как и в примере, согласно фиг. 10а, используется импульсный источник 1 когерентного излучения; в блоке 4 устранения интерференции происходит деление первичного пучка на ряд каналов записи; но в каналах записи установлены оптические линии задержки, реализованные в виде блока из совокупности зеркал, увеличивающего оптический путь импульсного записывающего пучка B2 и, соответственно, сдвигающего момент его выхода из блока 4 устранения интерференции (относительно другого незадержанного или задержанного на другое время записывающего пучка B1). Или оптическая линия задержки может быть выполнена в виде протяженной оптической среды с высоким показателем преломления (> 1.5), и записывающие пучки B1, B2 могут проходить через протяженную оптическую среду с высоким показателем преломления (> 1.5), выполненную в виде, отличном от волокна, например, в виде параллелепипеда из оптического материала.
На фиг. 10b представлен вариант реализации системы одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно третьему варианту реализации изобретения, в котором источник 1 излучения представляет собой непрерывный когерентный источник излучения или импульсный источник излучения (длительность импульса - 5-10 нс; частота следования импульсов - 10 Гц-100 кГц); на выходе источника 1 излучения и на входе в блок 4 устранения интерференции первичный пучок представляет собой непрерывный пучок или последовательность импульсов. В блоке 4 устранения интерференции выполнение оптического формирующего блока отличается от варианта реализации, представленного на фиг. 4а, 4с и 10а, и содержит светоделительный куб 5, зеркальный элемент 6 и поляризационный элемент (Р). В блоке 4 устранения интерференции также происходит деление первичного пучка на ряд каналов записи; при этом в блоке 4 устранения интерференции в одном или нескольких каналах записи обеспечивается вращение (поворот) плоскостей поляризации записывающих пучков B1, B2 таким образом, что они (плоскости поляризации) становятся ортогональными друг другу. Реализация поворота плоскости поляризации записывающего пучка в канале записи может быть обеспечена, например, путем установки в канале записи элемента из кристаллического двулучепреломляющего материала (например, полуволновых или четвертьволновых пластинок, изготовленных из кварца, сапфира или фторида магния), или прохождением записывающего излучения через оптически активную среду в другом агрегатном состоянии (например, камфору, винную кислоту), или посредством приложения магнитного поля (эффект Фарадея). Таким образом, выходящие из блока 4 устранения интерференции записывающие пучки В1, В2 не будут интерферировать, поскольку будут иметь ортогональные плоскости поляризации.
На фиг. 10с представлен вариант реализации системы одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно четвертому варианту реализации изобретения, в котором, как и в предпочтительном варианте реализации согласно фиг. 4а, 4с, источник 1 непрерывного когерентного излучения в виде лазера формирует когерентное излучение (исходный пучок излучения), которое поступает в блок 4 устранения интерференции, обеспечивающий формирование по меньшей мере двух записывающих пучков излучения В1, В2.
Блок 4 устранения интерференции содержит оптический формирующий блок (не обозначен), выполненный в виде, по меньшей мере, одной микроэлектромеханической системы (MEMS-сканера), содержащей миниатюрное зеркало, соединенное с электронным блоком 8 управления (не показан на фиг.10с). Первичное излучение попадает на зеркало MEMS-сканера, а затем по команде с блока 8 управления перенаправляется в тот или иной канал записи путем поворота зеркала; при этом момент перенаправления первичного излучения в тот или иной канал записи тоже задается блоком управления таким образом, чтобы исключить появления на выходе блока 4 устранения интерференции одновременно более одного записывающего пучка В1, В2. Тем самым исключается интерференция записывающих пучков.
Следует отметить, что в другом варианте реализации (не показан) блок 4 устранения интерференции отличается от варианта реализации, представленного на фиг. 4а и 4с, и содержит оптический формирующий блок, включающий один светооптический затвор, установленный на пути исходного пучка, светоделительный куб 5, зеркальный элемент 6. Записывающие пучки, вышедшие из блока 4, не пересекаются на слое регистрирующего материала (слое голографического материала), а попадают в разные его части. В отдельном цикле записи каждый записывающий пучок формирует голографическую решетку в своей точке падения. Между циклами записи голографический материал и мастер-DOE/HOE смещаются таким образом, что точки падения записывающих пучков меняются. Например, в первом цикле записи записывающий пучок 1 падает на голографический материал в условной точке 1, пучок 2 - в условной точке 2. Тогда во втором цикле записи пучок 1 попадает на голографический материал в точке 2, а пучок 2 - в точку 1. Тем самым исключается интерференция записывающих пучков между собой. Таким образом, в ходе выполнения требуемого количества циклов записи каждый записывающий пучок должен сформировать голографическую решетку по всей ее площади.
В еще одном варианте реализации (не показан) блок 4 устранения интерференции отличается от варианта реализации, представленного на фиг. 4а и 4с, и содержит оптический формирующий блок, включающий светоделительный куб 5, зеркальный элемент 6 и два спектральных фильтра в двух каналах записи. Записывающие пучки, вышедшие из блока 4, имеют разные длины волн. Тем самым исключается интерференция записывающих пучков между собой.
xyz
При осуществлении процесса записи (копирования) голографической решетки предусмотрена возможность изменения энергетических характеристик записывающих пучков, таких как мощность, распределение мощности по апертуре записывающих пучков, длительность одного цикла записи и количество этих циклов для создания заданного распределения дифракционной эффективности (ДЭ) в записываемой голографической решетке по одной или нескольким пространственным координатам (), например, по сигналу от блока 8 управления.
Дифракционная эффективность является одним из важнейших параметров голограмм и определяется как отношение энергии, дифрагированной в заданном порядке, к энергии падающего на дифракционный оптический элемент излучения, в данном случае излучения, падающего на по меньшей мере одну голографическую/дифракционную решетку, записанную в мастер-DOE/HOE 3.
Далее на фиг. 5а, 5b, 5с показаны условные изображения голографической решетки (HOE), состоящей из одного сегмента, голографической решетки (HOE) при осуществлении ее посегментной записи, сегментов голографической решетки (HOE) при осуществлении ее посегментной записи, соответственно.
Далее на примере фиг. 6а, 6b, 6с показаны неограничивающие примеры возможного варьирования дифракционной эффективности (ДЭ) получаемых голограмм-копий.
X
Фиг. 6а иллюстрирует распределение дифракционной эффективности, например, по оси  поля записываемой голографической решетки (HOE), записываемой как одно целое и показанной на фиг. 5а.
X
Фиг. 6b иллюстрирует распределение дифракционной эффективности сегментов голографической решетки (HOE), т.е. от сегменту к сегменту (сегменты HOE), например, по оси , при осуществлении ее посегментной записи, как показано на фиг. 5b, при этом сегменты могут прилегать друг к другу, как указано на левой схеме фиг. 5b, или отстоять друг от друга, как указано на правой схеме фиг. 5b, на расстояние 1 нм-100 см.
X
Фиг. 6с иллюстрирует распределение дифракционной эффективности (ДЭ) внутри одного сегмента голографической решетки (HOE) при осуществлении ее посегментной записи, как показано на фиг. 5b, например, по оси  поля записываемой голографической решетки.
Задавая определенное распределение дифракционной эффективности (ДЭ) записываемой голографической решетки, можно регулировать яркость по полю зрения и улучшить качество получаемого виртуального изображения.
Одновременная запись наложенных голографических решеток от мастер-DOE/HOE посредством одного источника когерентного излучения, реализуемая согласно способу и системе записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению, основана на следующих основных ключевых этапах, которые будут описаны со ссылкой на фиг. 7а, 7b. На Фиг. 7a представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток G1+G2+G3 при выходе из блока устранения интерференции согласно изобретению, на фиг. 7b представлена схема формирования первой, второй и третьей наложенных голографических решеток G1+G2+G3 с одинаковым поверхностным периодом согласно изобретению.
Множество записывающих пучков, например В1, В2, В3 (количество записывающих пучков не ограничивается тремя, а представлено в качестве неограничивающего примера), см.фиг. 7а, выходящих из блока 4 устранения интереференции (см.фиг. 1), одновременно освещают под множеством заданных углов падения слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3. При этом углы падения каждого из пучков В1, B2, B3 будут отличаться друг от друга.
1) Указанные записывающие пучки В1, B2, B3 дифрагируют на голографической/дифракционной решетке, записанной в мастер-DOE/HOE 3.
2) Записывающие и дифрагированные пучки интерферируют друг с другом, и при этом выполняется одновременная запись наложенных голографических решеток в слое 2 голографического материала.
При этом достигаются следующие эффекты:
-множество записывающих пучков записывают наложенные голографические решетки от одного источника когерентного излучения, см.фиг. 1;
-записанные наложенные голографические решетки имеют одинаковый поверхностный период, но отличный пространственный период записанных голографических решеток, см. фиг. 2а, 2b (а также фиг. 7a, 7b), где в голографических решетках G1, G2, G3 поверхностный период одинаковый, а пространственный период отличается;
-множество записывающих пучков не записывают паразитные голографические решетки в силу устранения интерференции записывающих пучков, обеспечиваемой блоком 4 устранения интерференции.
Таким образом, благодаря вышеуказанным основным принципам заявленного изобретения обеспечиваются следующие новые существенные этапы способа, которые отличают заявленное изобретения от известных технических решений:
-множество наложенных голографических решеток записываются одновременно (параллельно) в одном объеме голографической среды от одной мастер-DOE/HOE посредством одного источника когерентного излучения,
-каждый записывающий пучок из пучков В1, В2, В3, см.фиг. 7а, выполняет запись соответствующей голографической решетки в слое 2 голографического материала независимо от других записывающих пучков,
-множество записывающих пучков из пучков В1, В2, В3 не записывают паразитные голографические решетки.
При этом согласно способу и системе записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению, достигаются следующие эффекты:
-Обеспечиваются идентичные поверхностные периоды записанных наложенных голографических решеток (G1+G2+G3), см. фиг. 7b, что обеспечивает повышение качества виртуального изображения и предотвращает возникновение муара.
-Процесс записи наложенных голографических решеток проводится параллельно, что является преимуществом для массового производства копий голограмм.
-Установка для записи не является сложной, а процесс записи очень быстрый (по сравнению с традиционной последовательной двухлучевой записью), что является преимуществом для массового производства копий голограмм.
-Для осуществления процесса записи не требуется больших трудозатрат, а также дорогостоящих и/или высокоточных элементов в установке, что снижает затраты на производство копий голограмм и снижает стоимость самой системы записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности.
Далее представлены примеры реализации, обеспечивающие варьирование параметров голограмм-копий в процессе одновременной записи, посредством изменения взаимного положения слоя голографического материала и мастер-DOE/HOE.
Мастер-HOE представляет собой голографическую решетку (см. фиг. 8а), а мастер-DOE (фиг. 8b) представляет собой поверхностно-рельефную решетку. В рамках настоящего раскрытия выбор конкретной реализации мастер-DOE/HOE обусловлен различными условиями, например, выбор мастер-DOE/HOE зависит от требуемых параметров записанных голограмм-копий и выбранных параметров источников излучения и оптики. Поскольку концепция записи голограмм при выборе мастер-DOE или мастер-HOE не имеет принципиальных различий, в тексте описания используется термин мастер-DOE/HOE.
Следует отметить, что мастер-DOE/HOE может содержать две или более записанных в нем исходных (первичных) дифракционных решеток/голографических решеток, что позволяет одновременно производить запись нескольких наложенных голографических решеток в слое 2 регистрирующего материала (далее, как слой 2 голографического материала).
С помощью заявленного способа в голографической среде одновременно записывается две или более наложенных решеток с помощью одного записывающего пучка от одного мастер-DOE/HOE, содержащего две или более дифракционных/голографических решеток. Иллюстрация записанных наложенных решеток представлена на фиг. 7b.
α
На фиг. 9а представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при повороте стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE согласно изобретению При этом записывающие пучки B1, B2, B3 направляются на слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE, при этом по сигналу от блока 8 управления после окончания одного цикла записи осуществляется поворот стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE на угол± для проведения следующего цикла записи этими же записывающими пучками. Для выполнения поворота стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE может быть помещен на поворотный столик 10 (см. фиг. 9а). При этом слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE находятся в фиксированном положении друг относительно друга, например, слой 2 голографического материала может быть непосредственно приклеен на мастер-DOE/HOE или закреплен по отношению к мастер-DOE/HOE на заданном расстоянии, обеспечивающем процессы записи на указанных элементах.
Таким образом, выполняется запись большего количества наложенных голограмм с различными характеристиками голографических решеток (периодами решеток, наклонами голографических плоскостей, векторами решеток и т.д.) с использованием одной мастер-DOE/HOE, чем в случае, когда стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE зафиксирован по угловому положению относительно записывающих пучков. При этом следует отметить, что при такой записи поверхностные периоды всех записанных наложенных голографических решеток совпадают, но пространственные периоды записанных голографических решеток могут отличаться друг от друга.
XY
На фиг. 9b представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при линейном смещении стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE с помощью, по меньшей мере, одного линейного транслятора согласно изобретению. При этом записывающие пучки B1, B2, B3 направляются на слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE, а поскольку апертура записывающих пучков бывает недостаточной для записи голограммы-копии большого размера, то авторы изобретения предлагают осуществлять линейное перемещение стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE относительно записывающих пучков, что повышает размер записываемых копий голограмм. Таким образом, по сигналу от блока управления осуществляется линейное перемещение по осям  стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE между циклами записи относительно записывающих пучков B1, B2, B3, попадающих на стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3. Такое смещение увеличивает размер записанных голографических решеток посредством посегментной записи.
При этом слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE находятся в фиксированном положении друг относительно друга, например, слой 2 голографического материала может быть непосредственно приклеен на мастер-DOE/HOE или закреплен по отношению к мастер-DOE/HOE на заданном расстоянии, обеспечивающем процессы записи на указанных элементах.
На фиг. 5b, 5с представлены виды отдельных сегментов записанной голографической решетки, они могут быть расположены рядом друг с другом (cм. фиг. 5b) или находится на расстоянии друг от друга (см. фиг. 5c), при этом общий размер посегментно-записанной голографической решетки ограничивается размерами мастер-DOE/HOE.
Далее со ссылкой на фиг. 9с и 11а, 11b, 11c будут рассмотрены варианты способа и системы одновременной записи голографических решеток при смещении или повороте слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3 относительно друг друга.
На фиг. 9с схематично представлена схема одновременной записи наложенных голографических решеток при линейном смещении или повороте слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE 3 или наоборот согласно изобретению, а на фиг. 11а, 11b, 11c представлены различные варианты возможных смещений слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3.
На фиг. 11а представлена схема записи при линейном смещении слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE 3 между циклами записи (экспозиции). Такой способ записи обеспечивает получение голограммы-копии, площадь которой превышает площадь исходных голографических или дифракционных решеток, записанных на мастер-DOE/HOE 3.
Х
Y
На фиг. 11b представлена схема записи при линейном смещении слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE в случае наличия в мастер-DOE/HOE нескольких записанных исходных голографических решеток. При этом если есть необходимость реализовать другую последовательность записи или другое расположение решеток в голограмме-копии, то в этом случае, выполняя смещение слоя 2 голографического материала по осям  или , обеспечивается изменение последовательности записи или расположения голограмм-копий с помощью записывающих пучков по сравнению с исходными голографическими или дифракционными решетками G1, G2, G3, записанными на мастер-DOE/HOE 3.
γ
На фиг.11с представлена схема записи при угловом смещении, например на угол±, слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE 3 между циклами записи. При изменении угла наклона слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE 3 возможно сформировать в процессе записи большее многообразие голограмм-копий, поскольку изменения угла наклона позволяет получить голограммы-копии с многообразными значениями вектора решетки, как показано на фиг. 11с справа.
Таким образом, варьирование взаимного расположения, углов наклона и поворотов слоя 2 голографического материала относительно мастер-DOE/HOE 3 и наоборот позволяет получить большое количество голограмм-копий с различными периодами, направлениями вектора решетки, размерами, порядком записи и взаимным расположением в слое голографического материала.
Авторы изобретения провели ряд исследований параметров подобных способов и систем последовательной записи, известных из уровня техники, по сравнению с заявленным способом системы одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению. При этом в качестве неограничивающего примера был рассмотрен способ записи, раскрытый в заявке US 2019/0339558A1, патентообладателем, которого является фирма DIGILENS INC.
Исследования были проведены по следующим критериям: 1) скорость записи для трех наложенных голограмм, 2) количество наложенных голограмм, полученное за один цикл записи, 3) качество виртуального изображения, 4) стоимость продукции.
В результате сопоставительного анализа, были получены следующие результаты.
1) скорость записи для записи трех наложенных голограмм:
Способ согласно изобретению - 5 сек.
Способ DIGILENS INC.-25 сек.
2) количество наложенных голограмм, полученное за один цикл записи:
Способ согласно изобретению - 2 и более.
Способ DIGILENS INC.-1.
3) качество виртуального изображения ( MTF(частотно-контрастная характеристика изображения при частоте 10 лин/мм):
Способ согласно изобретению - 0,2.
Способ DIGILENS INC.-0,05.
4) стоимость продукции:
Способ согласно изобретению - умеренная
Способ DIGILENS INC.-высокая
При этом на фиг. 3а и 3b представлены виртуальные изображения, получаемые при традиционном способе последовательной записи (фиг. 3а) и при заявленном способе одновременной записи (3b), где наглядно видно более высокое качество получаемого виртуального изображения с обеспечением равнояркости изображения по полю зрения и четкости изображения, что наглядно продемонстрировано на фиг. 3b, по сравнению с виртуальным изображением, полученным согласно последовательной системе записи, представленным на фиг. 3а.
Таким образом из представленного сопоставительного анализа наглядно видно, что заявленный способ обеспечивает более высокое качество виртуального изображения, упрощение схемы записи наложенных голограмм и самого процесса записи, в заявленном способе и системе наложенной записи снижены требования к параметрам системы записи, например, в отличие от традиционных систем последовательной записи не предъявляются жесткие требования к виброизоляции, поскольку слой голографического материала и мастер-DOE/HOE контактируют друг с другом, не требуется дорогостоящих или высокоточных элементов в установке, что снижает затраты на производство наложенных голограмм-копий, снижает стоимость самой системы записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности и позволяет использовать ее в массовом производстве, и снижается стоимость конечного продукта, в котором используются изготовленные заявленным способом наложенные голограммы-копии.
B1
B2
В3
Авторы провели экспериментальные исследования по осуществлению одновременной записи наложенных голографических решеток с помощью экспериментальной установки (системы), представленной на фиг. 13а, где использована трехканальная система посегментной записи. Источник 1 излучения (лазер) испускает когерентное излучение, в данной установке использовался источник излучения, который представляет собой непрерывный твердотельный лазер с диодной накачкой, длина волны излучения 532 нм, мощность излучения 50-150 мВт. Пучок когерентного излучения поступает через блок 4 устранения интерференции (не показан), в данном случае представленный в виде оптически сопряженных системы светоделителей 5, зеркал 6 и трех оптических затворов (7, 7, 7). Светоделители 5 установлены в первых двух каналах по ходу пучка излучения от лазера 1, после первого зеркала 6; в третий канал пучок вводится вторым зеркалом 6. Записывающие лучи В1, В2, и В3 из трех каналов блока 4 поступают в одну точку стека из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, при этом апертура записывающих пучков ограничивается маской 9, расположенной в непосредственной близости от стека (2,3). Маска 9 предназначена для формирования формы сегментов, составляющих записываемые голограммы-копии, и представляет собой диафрагму или отверстие определенной формы, ограничивающие апертуру записывающих пучков.
t
t
t
t
B1
B2
В3
Посредством блока 8 управления (фиг. 13а) осуществляется поочередное открытие и закрытие указанных затворов. В момент времени  все затворы закрыты, при этом для записи одного сегмента голограммы затворы 7, 7, 7 поочередно открываются на короткий промежутки времени 1, 2, 3, соответственно, при этом каждый из указанных временных промежутков составляет 5-100 мсек. Эта последовательность открытия и закрытия соответствующих затворов повторяется десятки-сотни раз, чтобы получить желаемую экспозицию и сформировать требуемый сегмент голограммы.
XY
B1
B2
В3
На фиг. 13b представлен стек из слоя 2 регистрирующего материала (слоя голографического материала) и мастер-HOE 3, установленные на столике 10 для линейного позиционирования, обеспечивающего по сигналу от блока 8 управления перемещения стека из слоя 2 голографического материала и мастер-HOE 3 по осям . Таким образом, после записи одного сегмента голографической решетки, затворы 7, 7, 7 находятся в закрытом положении, и далее по сигналу от блока 8 управления столик 10 для линейного позиционирования перемещает указанный стек (2,3) в следующую предварительно заданную позицию для записи следующего сегмента. Далее цикл записи сегментов голографической решетки повторяется требуемое количество раз в зависимости от количества записываемых сегментов голограммы-копии.
В заявленном изобретении при осуществлении процесса записи осуществляются контактный и бесконтактный способы записи (копирования) голограмм.
Варианты структуры стека из слоя 2 голографического материала и мастер-HOE 3, использованные в экспериментах, представлены на Фиг. 13с и 13d. В случае, показанном на Фиг. 13c (контактный способ записи), слой 2 голографического материала зафиксирован на мастер-DOE/HOE 3, который, в свою очередь, зафиксирован на одной из сторон тонкой плоскопараллельной стеклянной пластины 11 (например, планарном волноводе). На противоположной стороне пластины зафиксирован слой 12 светопоглощающего материала (например, в виде пленки-поглотителя) для предотвращения переотражения света в стеке (2, 3), приводящего к записи нежелательных (паразитных) голограмм, а также фоновой засветки голографического материала. В случае, показанном на Фиг. 13d(бесконтактный способ записи), слой 2 голографического материала зафиксирован на одной из сторон тонкой стеклянной пластины 11 (например, планарном волноводе). На противоположной стороне пластины 11 зафиксирован мастер-DOE/HOE 3, на котором, в свою очередь, зафиксирован слой 12 светопоглощающего материала для предотвращения переотражения света в стеке (2, 3), приводящего к записи нежелательных (паразитных) голограмм, а также фоновой засветке голографического материала.
На фиг. 12 представлена копия голографической решетки, полученная способом посегментной записи на экспериментальной установке согласно фиг. 13а и 13b. Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали получение высокоточных копий мастер-HOE, реализованное экспериментальной установкой, выполненной согласно способу и системе записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению.
В заявленной системе одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению, которая была описана со ссылками на фиг. 13а-13c, представлена экспериментальная установка, где была использована трехканальная система посегментной записи. При этом процесс наложенной записи голографических решеток осуществляется на принципах копирования голограмм.
При этом схема записи голограмм, используемая в заявленном изобретении, существенно отличается от традиционной двухлучевой системы записи, в которой на слой голографического материала падают когерентные опорный и предметный пучки излучения. Эти пучки интерферируют друг с другом, при этом голографический материал располагается в области их интерференции и засвечивается сформированным интерференционным полем. В результате физико-химических реакций в слое голографического материала формируется (записывается) голографическая решетка с периодом интерференционного поля.
1diff.,
2diff.
1diff.,
2diff.
1rec.
2rec.
Схема записи согласно изобретению детально описана со ссылками на фиг. 2а, 2b, где записывающие пучки В1, B2, сформированные одним источником излучения, освещают слой 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3, и часть пучков дифрагирует (BB) на мастер-DOE/HOE 3, при этом дифрагированные (BB) и записывающие пучки (B, B) интерферируют соответственно, друг с другом, т.е. в каждой точке слоя 2 голографического материала, приведенного в контакт с мастер-DOE/HOE 3, происходит интерференция между дифрагированными пучками и записывающими пучками, при этом обеспечивается одновременная запись наложенных голографических решеток G1 и G2 в слое 2 голографического материала, которые обозначены как G1 на фиг.2a, и G2 на фиг.2b.
В1
В2
В3
На фиг. 14 представлена циклограмма, иллюстрирующая работу блока 4 устранения интерференции при трехканальной схеме записи, сформированной тремя светооптическими затворами 7, 7, и 7 (см. фиг. 13а) согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.
Запись нескольких наложенных друг на друга голографических решеток ведется параллельно. Для этого стек из слоя 2 голографического материала и мастер-DOE/HOE 3 освещается несколькими записывающими (копирующими) пучками (например, тремя). Следует отметить, что наличие трех каналов в блоке 4 устранения интерференции не является ограничивающим, а представлено в качестве примера. Дифракция от собственной решетки мастер-DOE/HOE 3, т.е. по меньшей мере одной голографической или дифракционной решетки, предварительно записанной в мастер-DOE/HOE 3, формируется от каждого записывающего пучка В1, В2, В3, и в слое 2 голографического материала формируются голограммы-копии собственной решетки мастер-DOE/HOE 3. Более детально процессы записи (копирования) голограмм для устройств дополненной реальности описаны, например, в публикациях F. Bruder et al., Proc. SPIE, Vol. 10127, P. 101270A (2017); M. Okui et al., Appl. Opt., Vol. 57, P. 4117 (2018), которые представлены в данном раскрытии в качестве ссылок.
В1
В2
В3

Для исключения возникновения интерференции каналов записи в этой схеме светооптические затворы 7, 7, и 7 в каналах открываются по-очереди. Как показано на фиг. 14, сначала открывается канал для записывающего пучка В1 на время t ~ 100 мс, что примерно в 20-200 раз меньше, чем типичная экспозиция для полимера Bayfol, использованного в экспериментальной установке, и начинается частичная запись первой решетки в слое 2 голографического материала; затем открывается канал для записывающего пучка В2, и частично записывается вторая решетка в течение t ~ 100 мс, затем открывается канал для записывающего пучка В3 на время t ~ 100 мс, и начинается частичная запись третьей решетки. Такие три этапа частичной записи трех решеток образуют один цикл записи. Этот процесс повторяется примерно 50-150 раз, чтобы получить полную желаемую экспозицию для всех трех решеток. При этом можно изменять как длительность открытия конкретного канала записи, так и количество циклов записи для него, что позволяет изменять дифракционную эффективность записываемых наложенных голограмм и делать ее равной или неравной, что позволяет обеспечить равнояркость виртуального изображения по полю зрения. В результате записываются три наложенные голографические решетки от одного мастер-DOE/HOE 3.
Таким образом, поскольку моменты открытия затворов разнесены во времени, поэтому, по сути, отдельные наложенные голографические решетки формируются последовательно в течение одного цикла записи, но так как скорость работы затворов и количество циклов записи велики, то в масштабе времени получения полной экспозиции всех наложенных голограмм их запись происходит одновременно.
Таким образом, основными отличительными особенностями способа и системы одновременной записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности согласно изобретению, являются:
-каждая голографическая решетка записывается последовательно маленькими экспозициями (~ 100 мс);
-две или более записываемые наложенные голограммы, т.е. все голограммы, формируются параллельно;
-для полной записи наложенных голограмм требуется 50 или более циклов записи;
-все записанные наложенные голограммы и мастер-DOE/HOE имеют одинаковый поверхностный период голографических решеток;
-все записанные наложенные голограммы имеют разный пространственный период голографических решеток;
-обеспечивается одинаковая или разная дифракционная эффективность для всех записанных голограмм.
Промышленная применимость
Способ и система записи наложенных голографических решеток для устройств дополненной реальности выполнено с возможностью использования в очках дополненной реальности, HUD-устройствах и виртуальных дисплеях, дисплеях на основе плоских волноводов с дифракционными и голографическими структурами, т.е. в проекционных оптических средствах, использующих технологию дополненной реальности, например для образовательных целей, в компьютерных играх, в медицине, спорте, 3D-моделировании, дизайне, для целей навигации.