ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1996 года по МПК G02B5/32 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к технике отображения информации, более конкретно к голографическим системам ввода информации от дисплея в поле зрения оператора, и может применяться в тренажерах, видеоиграх, различных транспортных средствах, в частности в автомобилях.

Существует проблема введения информации с дисплея в поле зрения оператора, например водителя транспортного средства. В качестве дисплейной информации могут быть показания приборов, вид местности в инфракрасных лучах в условиях плохой видимости, навигационная карта и т.п. Решение этой проблемы позволяет видеть оперативную информацию, не отвлекаясь от управления транспортным средством. Это улучшает эргономику правления и повышает безопасность работы водителя.

Известна голографическая оптическая система отображения информации в поле зрения оператора [1] включающая излучающий свет дисплей, оптически связанные с ним отражательный голографический оптический элемент (ГОЭ) и спектрально-селективный отражательный оптический элемент, установленный параллельно отражательному ГОЭ. Оба оптических элемента служат для формирования изображения дисплея в поле зрения оператора. Спектрально-селективный отражательный оптический элемент совмещает в себе свойства зеркала, отражающего оптический свет в узкой области спектра излучения люминофора дисплея, и окна для излучения остальной области спектра. Этот элемент получил в литературе название комбинер, т.е. совместитель пучков прошедшего и отражающего от него света.

Таким образом, изображение информации с дисплея оказывается наложенным на оперативную обстановку, которую водитель видит при управлении автомобилем. Использованием голограммных элементов обеспечивает простоту и компактность оптической схемы, что позволяет использовать подобные системы отображения информации в кабинах различных транспортных средств. Параллельное один относительно другого расположение первого и второго отражательных оптических элементов позволяет устранить хроматическую аберрацию оптической системы.

Однако при использовании этой оптической системы в поле зрения возникают помехи ложные изображения, обусловленные отражением света, по крайней мере, от передней поверхности первого и передней поверхности второго голографических оптических элементов. Эти ложные изображения смещены относительно основного (истинного) изображения и находятся в поле зрения оператора, что затрудняет его работу.

Известна голографическая оптическая система отображения информации [2] содержащая дисплей, оптически сопряженные с ним отражательный ГОЭ и комбинер, расположенные под углом q друг к другу, причем угол падения луча А1 на отражательный ГОЭ и угол дифракции В1 луча на этом ГОЭ, а также угол падения луча А2 на комбинер и угол дифракции В2 луча на комбинере связаны с углом q приближенным соотношением
cos(B1-q)/cosB1-(sinA1-sinB1)/(sinA2-sinB2) -1. (1)
Установка ГОЭ и комбинера непараллельно друг другу (q 0) позволяет отклонить ложные изображения от истинного и убрать их из поля зрения, а выполнение приближенного условия (1) обеспечивает уменьшение хроматических аберраций, возникающих при q 0.

В патенте [2] описана также голографическая оптическая система отображения информации, которая является наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой. В этой системе вместо отражательного ГОЭ установлен пропускающий, что позволяет устранить переднюю отражающую поверхность отражательного ГОЭ, которая является источником ложных изображений. В случае пропускающего ГОЭ ложные изображения могут возникать лишь в результате более чем двух последовательных отражений от передней и задней поверхностей ГОЭ, поэтому интенсивность таких помех существенно меньше, чем при однократном отражении и ими можно пренебречь. Таким образом, применение пропускающего ГОЭ позволяет исключить ложные изображения не только путем увода их из поля зрения, но и с помощью их ослабления.

Недостатком этой системы является наличие зрительных помех в виде окрашенных полос в поле зрения наблюдателя. Эти полосы возникают из-за дифракции пучка на дополнительной поверхностной голограммной структуре комбинера, которая формируется одновременно с основной объемной голограммной структурой вследствие наклона под углом С А2-В2 слоев записываемого интерференционного поля относительно поверхности регистрирующей голографической среды и выхода слоев на эту поверхность. Указанный наклон является следствием условия неравенства углов А2 и В2, вытекающего из соотношения (1). Кроме того, поскольку голограммный комбинер обладает оптической силой, то изменение его положения и ориентации в любом направлении относительно других элементов оптической схемы значительно влияет на параметры изображения. Поэтому разъюстировка комбинера, обусловленная наличием ускорений и вибраций оптических элементов в движущемся транспортном средстве, приводит к значительному ухудшению качества изображения и уменьшению его яркости. По этой же причине для получения качественного и яркого изображения необходима повышенная точность установки голограммного оптического элемента и комбинера.

Предлагаемая система отображения информации позволяет устранить эти недостатки и значительно повысить качество изображения за счет того, что голограммный оптический элемент выполнен в виде блока из двух пропускающих голограмм, соединенных иммерсионным веществом, а комбинер выполнен так, что отражательные слои, расположенные на передней по отношению к наблюдателю поверхности комбинера, параллельны этой поверхности. Использование такого блока пропускающих голограмм позволяет компенсировать хроматические аберрации, вносимые каждой голограммой и устранить ложные изображения, связанные с переотражением света как от поверхностей голограмм, так и блока в целом. Отражательные слои комбинера расположены параллельно подложке, поэтому комбинер может быть выполнен с помощью как голографической технологии, так и более простой и хорошо разработанной технологии напыления тонких слоистых структур. При таком расположении слоев не возникает поверхностной дифракционной решетки, приводящей к образованию окрашенных полос в поле зрения оператора. Кроме того, поскольку у комбинеров в соответствии с принципом их работы общая толщина отражательных слоев имеет величину порядка нескольких длин волн света видимого диапазона спектра, то при использовании слоев, параллельных подложке, луч, дифракционно отраженный слоистой структурой, и луч, отраженный поверхностью слоистой структуры, распространяются в одном направлении и наблюдателем не различаются. Таким образом, в поле зрения оператора отсутствуют зрительные помехи, связанные с отражением света от поверхности комбинера. По сравнению с прототипом комбинер не имеет оптической силы, поэтому его смещения в процессе эксплуатации существенно менее критичны к падению качества и яркости изображения. По этой же причине существенно уменьшаются требования к точности юстировки при монтаже оптической схемы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 и 3 схемы записи голограмм; на фиг.4 схема записи голограммного комбинера.

Оптическая схема содержит последовательно расположенные в ходе луча дисплей 1, голограммный оптический элемент 2, представляющий собой блок из двух пропускающих голограмм 3 и 4, соединенных слоем иммерсионного прозрачного вещества 5, имеющего показатель преломления, равный показателю преломления регистрирующих сред обеих голограмм, комбинер 6, установленный на лобовом стекле 7, и регистрирующее устройство 8. На фиг.1 обозначены: α- угол падения луча света от дисплея на голограмму 3; β- угол дифракции луча на голограмме 3; γ- угол падения луча на голограмму 4; θ- угол дифракции луча на голограмме 4.

Устройство работает следующим образом.

Луч света от дисплея 1 падает на голограммный оптический элемент 2, состоящий из двух пропускающих голограмм 3 и 4. Пройдя через ГОЭ, луч отражается от комбинера 6 и попадает на приемное устройство 8. Голограммный оптический элемент 2 установлен так, что для света с рабочей длиной волны угол падения луча на голограмму 3 равен углу дифракции θ луча на выходе голограммы 4, а угол дифракции луча на выходе голограммы 3 равен углу падения на голограмму 4. Голограммный оптический элемент 2 изготовлен так, что голограмма 3 имеет оптическую силу, голограмма 4 не имеет оптической силы. Голограмма 3 записана на фотопластинке с помощью двух сферических волновых фронтов, падающих на фотопластинку с одной и той же стороны под равными по модулю и противоположными по знаку углами α (фиг.2). Сферический волновой фронт опорного источника является расходящимся, а сферический волновой фронт объектного источника является сходящимся. Таким образом, пропускающая голограмма 3 выполнена с оптической силой. Пропускающая голограмма 4 записана с помощью двух плоских волновых фронтов, падающих на поверхность фотопластинки с одной стороны под равными по модулю и противоположными по знаку углами α (фиг.3). Голограмма 4 не обладает оптической силой. При использовании голограммной технологии изготовления комбинера его записывают с помощью двух плоских волновых фронтов, падающих на поверхность фотослоя с разных сторон под одинаковым углом, равным углу между нормалью к комбинеру и направлением на приемное устройство 8 (фиг.4).

После изготовления голограмм 3 и 4 они совмещаются друг с другом через прослойку иммерсионного вещества в единый блок так, что луч, дифрагировавший на голограмме 3, падает на голограмму 4 под углом, равным углу падения опорного волнового фронта при записи голограммы 4.

Совмещенные таким образом голограммы 3 и 4 представляют собой голограммный оптический элемент 2, имеющий оптическую силу и исправленную хроматическую аберрацию. В качестве иммерционного вещества может быть использован, например, оптический клей. Комбинер представляет собой, как правило, многослойную структуру. При расположении слоев параллельно подложке отсутствует шумовая поверхностная дифракционная решетка. Слоистая структура комбинера может быть сформирована на отдельной подложке, устанавливаемой на лобовом стекле, либо непосредственно на лобовом стекле транспортного средства. Для формирования структуры может быть использована как технология напыления многослойных покрытий, так и голограммная технология. В качестве дисплея может быть использована электронно-лучевая трубка, матрица светодиодов или жидкокристаллический дисплей, подсвечиваемый монохроматическим источником света. Регистрирующим устройством является непосредственно глаз оператора.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высокими технологическими и эксплуатационными параметрами. Существенно упрощается изготовление слоев комбинера на лобовом стекле и юстировка оптической схемы, а также снижаются требования к жесткости конструкции держателей оптических элементов. Кроме того, в поле зрения водителя отсутствуют помехи в виде окрашенных полос.

Был изготовлен макет предлагаемого устройства, выполненный согласно схеме, изображенной на фиг.1. В качестве дисплея использовалась электронно-лучевая трубка, на экран которой подавалась как текстовая информация от компьютера, так и полутоновая информация с телевизионной камеры. Свет с длиной волны излучения 546 нм с экрана электронно-лучевой трубки поступал на пропускающий голограммный оптический элемент 2, который был выполнен в виде склейки (толщина слоя клея 0,1 мм) двух пропускающих голограмм, записанных с помощью лазера по схемам записи, изображенным на фиг.2 и 3, на фоточувствительных слоях бихромированной желатины. Суммарная эффективность голограммного элемента 2 на рабочей длине волны 85% Далее пучок поступал на комбинер 6, который был выполнен на стеклянной подложке, имитирующей фрагмент лобового стекла 7. Комбинер был выполнен в двух вариантах: с помощью технологии вакуумного напыления покрытий и голографическим способом по схеме записи, изображенной на фиг.4. Дифракционная эффективность голографического комбинера 90% светопропускание вне зоны дифракции 95% Габаритные размеры оптической схемы были точно привязаны к габаритам новой модели автомобиля, разрабатываемой на АЗЛК.

Визуальный прием информации осуществлялся с места водителя.

Исследования макета, установленного на испытательном стенде, показали высокое качество изображения в поле зрения водителя. Макет предполагается использовать заводом-изготовителем для перспективной модели автомобиля.

Использование: голографические системы ввода информации от дисплея в поле зрения оператора в тренажерах, видеоиграх, различных транспортных средствах. Сущность изобретения: в голографической оптической системе отображения информации, содержащей дисплей, оптически сопряженный с ним узел формирования изображения экрана дисплея в поле зрения оператора, состоящий из пропускающего голограммного оптического элемента и комбинера, установленного на лобовом стекле, голограммный оптический элемент выполнен в виде блока двух голограмм, соединенных слоем иммерсионного вещества и записанных так, что угол падения луча на первую голограмму равен углу дифракции луча на выходе второй голограммы, а угол дифракции луча на выходе первой голограммы равен углу падения луча на вторую голограмму, причем первая голограмма имеет оптическую силу, вторая не имеет оптической силы, отражающие слои комбинера расположены параллельно поверхности его подложки. Технический эффект: высокое качество изображения вследствие компенсации хроматических аберраций и устранения ложных изображений, возможность использования стандартных технологий для получения отражательных слоев комбинера. 4 ил.

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ в поле зрения оператора, содержащая дисплей, оптически сопряженный с ним узел формирования изображения экрана дисплея в поле зрения оператора, состоящий из пропускающего голограммного оптического элемента и комбинера, установленного на лобовом стекле, отличающаяся тем, что голограммный оптический элемент выполнен в виде блока двух голограмм, соединенный слоем иммерсионного вещества и записанных так, что угол падения луча на первую голограмму равен углу дифракции луча на выходе второй голограммы, а угол дифракции луча на выходе первой голограммы равен углу падения луча на вторую голограмму, причем первая голограмма имеет оптическую силу, вторая не имеет оптической силы, отражающие слои комбинера расположены параллельно поверхности его подложки.