Что такое оптический комбинер и как он работает

Популярные сейчас устройства дополненной реальности — например, очки смешанной реальности Microsoft HoloLens — работают на основе оптического модуля-комбинера. Это устройство, которое объединяет наблюдаемое пользователем реальное окружение с виртуальным, выводимым проектором. В случае HoloLens комбинер представляет собой волновод с дифракционными решетками ввода-вывода.

Обычно оптические комбинеры разрабатывают в виде гибридных устройств на основе отдельной волноводной пластины и нанесенных на ее поверхность дифракционных решеток. Для передачи цветного изображения используют несколько волноводных пластин и дифракционных решеток, настроенных под разные длины волн. Такие решетки создают методами фотолитографии или голографии с использованием фоторезиста (материала для фотолитографии) или фотополимера. Но у этих способов есть несколько недостатков.

Фотополимеры, которые используют сегодня в голографии, представляют собой пленки толщиной 4–8 микрон. Такие пленки очень чувствительны к влаге и повышенным температурам ― а потому легко набухают, из-за чего период штрихов начинает изменяться. Это может приводить к тому, что изображение выведется не полностью или в неправильном направлении. Поэтому устройства на основе таких материалов нельзя использовать при повышенной влажности и при высоких температурах (например, фотополимер BayFol не рекомендуется использовать уже при 60°C). Помимо этого, они нуждаются в защитных покрытиях.

Свои сложности есть и у рельефных дифракционных решеток на основе фоторезиста.  Такие решетки нужно защищать от пыли, грязи, а также механического и химического воздействия, поэтому на них тоже необходимо наносить специальные защитные покрытия. Кроме того, рельефные решетки могут бликовать (то есть вводить посторонний свет в волновод и выводить его прямо в глаз) и обладают низкой дифракционной эффективностью (у большинства систем она составляет около 1%), из-за чего изображение в очках получается неярким. Также решетки нельзя оптимизировать под три цвета, а потому приходится использовать несколько волноводов вместо одного. Такие многослойные устройства изготавливать сложнее, так как пластины нужно позиционировать с высокой точностью.

Что придумали в ИТМО

Чтобы решить эти проблемы, ученые в ИТМО разработали собственный подход к созданию оптического модуля-комбинера для устройств дополненной реальности. Для этого они использовали среду для объемной голографии, за счет чего удалось решить ряд проблем: снизить вес устройства ― это делается за счет использования одного волновода вместо трех, убрать блики и сделать изображение более ярким благодаря высокой дифракционной эффективности системы.

В качестве основы для комбинера ученые использовали специальный фоточувствительный материал — фототерморефрактивное стекло для записи высокоэффективных объемных брэгговских решеток. Из этого стекла специалисты сделали полноволновую пластину, в объеме которой можно записывать брэгговские решетки для ввода и вывода изображения.

Комбинер прочный и при этом не искажает изображение, потому что ученые задействовали в разработке монолитную пластину. Такая пластина сочетает в себе и волновод, и элементы ввода и вывода излучения в виде голограммы, а также не нуждается в дополнительных покрытиях. Поскольку голограмма получается не на поверхности, как в фотолитографии, а внутри стекла, ей не страшны внешние воздействия и она может работать даже при частичных повреждениях пластины — например, это актуально для очков дополненной реальности в условиях Крайнего Севера. А за счет особых свойств объемных голограмм на фототерморефрактивном стекле в такой системе нет бликов от внешних источников. Дифракционная эффективность системы составила 15%.

По словам разработчиков, стекло, которое использовалось при создании разработки, твердое, устойчиво к влаге, абразивам, высоким и низким температурам (его можно нагревать до 200–500°C и использовать при –30°C) и, наконец, не боится загрязнений. Благодаря этому устройство может переносить внешние воздействия и подходит для использования не только в закрытых помещениях, но и на улице ― в том числе во время дождя.

Другое преимущество подхода в том, что для вывода полноцветного изображения (RGB) требуется только один волновод. Хотя обычно при фотолитографии приходится использовать несколько волноводов одновременно, потому что решетки на поверхности пластины не позволяют работать в трех цветах. Такие ограничения приводят к увеличению веса устройства. Чтобы его снизить, пластины делают тоньше, но тогда они становятся хрупкими. Благодаря тому, что разработанный в ИТМО волновод состоит из одной пластины, устройство обладает небольшим весом, а еще его проще изготавливать.

Волновод совместим с любым проектором за счет того, что систему голограмм, выводящую изображение из проектора в пластину и обратно, можно адаптировать под параметры конкретной проекционной системы. Это значит, что устройство можно использовать как в одноцветных системах с малыми полями зрения на единицы градусов (например, к ним относятся различные индикаторы), так и в полноцветных системах на 30 градусов (для рекламы, развлечений и в других сферах).

Что дальше

Разработанный оптический комбинер можно использовать в очках дополненной реальности ― например, на складах и в производственных помещениях, чтобы автоматизировать и контролировать процессы. Подобные очки уже применяют для обучения сотрудников ― даже если у специалиста нет определенных знаний, он может выполнять работу, получая подсказки через очки.

Также волновод можно интегрировать в приборную панель на лобовом стекле автомобиля или самолета. На панель можно выводить направление, скорость движения и ветра, карту местности, заход на глиссаду и другие характеристики.

«В следующем году мы планируем добиться полноцветного изображения за счет увеличения количества голограмм и сделать более широкое поле зрения волновода. Благодаря этому волновод сможет передавать изображение большего размера. Мы предполагаем, что в будущем система может стать не просто ассистентом и указателем, но и, например, полноценной AR-средой проектирования для 3D-объектов. Совместно со схемотехниками и программистами мы планируем сделать дисплей, "железо" и другие компоненты для оптического модуля», — рассказал ведущий исполнитель проекта, инженер научно-исследовательского центра световодной фотоники Сергей Иванов. 

Проект реализован в научно-исследовательском центре оптического материаловедения ИТМО под руководством профессора, директора научно-исследовательского центра оптического материаловедения Николая Никонорова. Работа поддержана программой «Приоритет-2030». Также на базе научно-исследовательского центра оптического материаловедения готовят магистров по программе «Прикладная фотоника» (специализация «Материалы фотоники»).