RU2057352C1

RU2057352C1 - Holographic optical system for information display

Info

Publication number: RU2057352C1
Application number: RU92000936A
Authority: RU
Inventors: Ю.Е. Кузилин; А.П. Павлов; М.В. Тютчев; М.А. Ган; В.В. Новосельский; М.В. Душутин; А.В. Куликов
Priority date: 1992-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: holographic systems for information input. SUBSTANCE: holographic optical system for information display has display, unit forming screen image in operator's field of vision optically matched to display and incorporating passing hologram optical element and combiner mounted on front glass. Hologram optical element is manufactured in the form of unit of two holograms coupled with layers of immersion substance and so recorded that angle of incidence of beam on first hologram is equal to diffraction angle of beam across output of second hologram and diffraction angle of beam across output of first hologram is equal to angle of incidence of beam on second hologram. First hologram has focal power and second one does not have it. Reflecting layers of combiner are arranged in parallel to surface of its backing. EFFECT: high quality of image due to compensation of chromatic aberrations and exclusion of false images, possibility of employment of standard technologies to manufacture reflecting layers of combiner. 4 dwg

Description

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. The invention relates to optical instrumentation, and in particular to a technique for displaying information, more specifically to holographic systems for inputting information from a display into the operator’s field of view, and can be used in simulators, video games, various vehicles, in particular in automobiles.

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. There is a problem of introducing information from the display into the field of view of an operator, for example a driver of a vehicle. The display information may include instrument readings, a view of the area in infrared rays in conditions of poor visibility, a navigation map, etc. The solution to this problem allows you to see operational information without being distracted from driving. This improves the ergonomics of the board and increases the safety of the driver.

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. Known holographic optical system for displaying information in the field of view of the operator [1] including a light emitting display, optically coupled to it a reflective holographic optical element (HLE) and a spectrally selective reflective optical element mounted parallel to the reflective HEE. Both optical elements serve to form a display image in the field of view of the operator. The spectrally selective reflective optical element combines the properties of a mirror that reflects optical light in a narrow region of the radiation spectrum of the display phosphor and a window for radiation of the rest of the spectrum. This element is called the combiner in the literature, i.e. combiner of beams of transmitted and reflecting light from it.

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. Thus, the image information from the display is superimposed on the operational environment that the driver sees when driving. The use of hologram elements provides the simplicity and compactness of the optical scheme, which allows the use of similar information display systems in the cabs of various vehicles. The parallel arrangement of the first and second reflective optical elements relative to one another allows eliminating chromatic aberration of the optical system.

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. However, when using this optical system, false images arise in the field of view due to the reflection of light, at least from the front surface of the first and front surfaces of the second holographic optical elements. These false images are shifted relative to the main (true) image and are in the field of view of the operator, which complicates his work.

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.Known holographic optical information display system [2] containing a display, optically coupled to it a reflective GOE and a combiner located at an angle q to each other, and the angle of incidence of the beam A1 on the reflective GOE and the diffraction angle B1 of the beam on this GOE, as well as the angle of incidence the beam A2 to the combiner and the diffraction angle B2 of the beam on the combiner are related to the angle q by an approximate relation
cos (B1-q) / cosB1- (sinA1-sinB1) / (sinA2-sinB2) -1. (one)
Installing the GOE and the combiner non-parallel to each other (q 0) allows you to deflect false images from the true and remove them from the field of view, and the fulfillment of the approximate condition (1) reduces the chromatic aberrations that occur at 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. The patent [2] also describes a holographic optical information display system, which is the closest in technical essence to the proposed one. In this system, instead of a reflective GOE, a transmission is installed, which eliminates the front reflective surface of the reflective GOE, which is the source of false images. In the case of transmitting GOE, false images can arise only as a result of more than two successive reflections from the front and back surfaces of the GOE, therefore, the intensity of such interference is significantly lower than with a single reflection and can be neglected. Thus, the use of transmission GOE allows us to eliminate false images not only by moving them out of sight, but also by attenuating them.

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. The disadvantage of this system is the presence of visual interference in the form of colored bands in the field of view of the observer. These bands arise due to beam diffraction on an additional surface hologram structure of the combiner, which is formed simultaneously with the main volume hologram structure due to the inclination of the recorded interference field relative to the surface of the recording holographic medium at an angle C A2-B2 and the exit of the layers to this surface. The indicated slope is a consequence of the condition of the inequality of the angles A2 and B2, which follows from relation (1). In addition, since the hologram combiner has optical power, a change in its position and orientation in any direction relative to other elements of the optical scheme significantly affects the image parameters. Therefore, misalignment of the combiner, due to the presence of accelerations and vibrations of optical elements in a moving vehicle, leads to a significant deterioration in image quality and a decrease in its brightness. For the same reason, to obtain a high-quality and vivid image, increased installation accuracy of the hologram optical element and combiner is necessary.

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. The proposed information display system allows us to eliminate these disadvantages and significantly improve image quality due to the fact that the hologram optical element is made in the form of a block of two transmission holograms connected by immersion substance, and the combiner is made so that the reflective layers located on the front relative to the observer surface combiner parallel to this surface. The use of such a block of transmitting holograms makes it possible to compensate for the chromatic aberrations introduced by each hologram and to eliminate false images associated with the reflection of light both from the surfaces of the holograms and the block as a whole. The reflective layers of the combiner are parallel to the substrate, so the combiner can be made using both a holographic technology and a simpler and more well-developed technology for spraying thin layered structures. With this arrangement of layers, a surface diffraction grating does not arise, leading to the formation of colored bands in the field of view of the operator. In addition, since the combiners, in accordance with the principle of their operation, the total thickness of the reflective layers is of the order of several light wavelengths in the visible spectrum, when using layers parallel to the substrate, the beam diffracted reflected by the layered structure and the beam reflected by the surface of the layered structure spread in one direction and the observer does not differ. Thus, in the field of view of the operator there is no visual interference associated with the reflection of light from the surface of the combiner. Compared to the prototype, the combiner has no optical power, so its displacements during operation are significantly less critical to a decrease in image quality and brightness. For the same reason, the requirements for alignment accuracy when mounting an optical circuit are significantly reduced.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 и 3 схемы записи голограмм; на фиг.4 схема записи голограммного комбинера. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device; figure 2 and 3 of the recording scheme of holograms; figure 4 recording scheme of a hologram combiner.

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. The optical scheme comprises a display 1 sequentially arranged during the beam, a hologram optical element 2, which is a block of two transmitting holograms 3 and 4 connected by a layer of immersion transparent substance 5 having a refractive index equal to the refractive index of the recording media of both holograms, combiner 6, installed on the windshield 7, and a recording device 8. Figure 1 shows: α is the angle of incidence of the light beam from the display onto the hologram 3; β is the beam diffraction angle in the hologram 3; γ is the angle of incidence of the beam on the hologram 4; θ is the beam diffraction angle in the hologram 4.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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). The light beam from the display 1 falls on the hologram optical element 2, consisting of two transmitting holograms 3 and 4. After passing through the GEE, the beam is reflected from the combiner 6 and falls on the receiving device 8. The hologram optical element 2 is set so that for light with a working length wave angle of incidence of the beam on the hologram 3 is equal to the diffraction angle θ of the beam at the output of the hologram 4, and the angle of diffraction of the beam at the output of the hologram 3 is equal to the angle of incidence on the hologram 4. The hologram optical element 2 is made so that the hologram 3 has the optical power, holograms 4 has no optical power. The hologram 3 is recorded on a photographic plate using two spherical wave fronts incident on the photographic plate from the same side at angles α equal in magnitude and opposite in sign (Fig. 2). The spherical wavefront of the reference source is diverging, and the spherical wavefront of the object source is converging. Thus, the transmission hologram 3 is made with optical power. The transmitting hologram 4 was recorded using two plane wave fronts incident on the surface of the photographic plate on one side at angles α equal in magnitude and opposite in sign (Fig. 3). Hologram 4 does not have optical power. When using the hologram technology of manufacturing a combiner, it is recorded using two plane wave fronts incident on the surface of the photo layer from different sides at the same angle equal to the angle between the normal to the combiner and the direction to the receiving device 8 (Fig. 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. After the manufacture of holograms 3 and 4, they are combined with each other through a layer of immersion substance in a single block so that the beam diffracted on the hologram 3 falls on the hologram 4 at an angle equal to the angle of incidence of the reference wave front when recording hologram 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. The holograms 3 and 4 thus combined are a hologram optical element 2 having optical power and corrected chromatic aberration. As an immersion substance, for example, optical glue can be used. The combiner is usually a multilayer structure. When the layers are arranged parallel to the substrate, there is no noise surface diffraction grating. The layered structure of the combiner can be formed on a separate substrate mounted on the windshield, or directly on the windshield of the vehicle. To form the structure, both the technology of spraying multilayer coatings and the hologram technology can be used. As a display, a cathode ray tube, a matrix of LEDs, or a liquid crystal display illuminated by a monochromatic light source can be used. The recording device is directly the eye of the operator.

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. Thus, the proposed device has a higher technological and operational parameters. The fabrication of the combiner layers on the windshield and the alignment of the optical circuit is greatly simplified, as well as the reduced structural rigidity requirements for the holders of the optical elements. In addition, there is no interference in the form of colored stripes in the driver’s field of vision.

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. Was made a model of the proposed device, made according to the scheme depicted in figure 1. As a display, a cathode ray tube was used, on the screen of which both text information from a computer and halftone information from a television camera were supplied. Light with a radiation wavelength of 546 nm from the screen of the cathode ray tube was supplied to a transmission hologram optical element 2, which was made in the form of gluing (adhesive layer thickness 0.1 mm) of two transmission holograms recorded using a laser according to the recording schemes shown in figure 2 and 3, on the photosensitive layers of bichromated gelatin. The total efficiency of the hologram element 2 at an operating wavelength of 85% Then the beam was delivered to a combiner 6, which was made on a glass substrate simulating a fragment of a windshield 7. The combiner was made in two versions: using the technology of vacuum deposition of coatings and a holographic method according to the recording scheme depicted in figure 4. Diffraction efficiency of the holographic combiner 90% light transmission outside the diffraction zone 95% The overall dimensions of the optical scheme were precisely tied to the dimensions of the new automobile model being developed at AZLK.

Визуальный прием информации осуществлялся с места водителя. Visual reception of information was carried out from the driver's seat.

Исследования макета, установленного на испытательном стенде, показали высокое качество изображения в поле зрения водителя. Макет предполагается использовать заводом-изготовителем для перспективной модели автомобиля. Studies of the model installed on the test bench showed high image quality in the driver's field of vision. The model is supposed to be used by the manufacturer for a promising car model.

Claims

HOLOGRAPHIC OPTICAL INFORMATION DISPLAY SYSTEM in the operator’s field of vision, comprising a display, an optically coupled display screen imaging unit in the operator’s field of vision, consisting of a transmitting hologram optical element and a combiner mounted on the windshield, characterized in that the hologram optical element is made in in the form of a block of two holograms connected by a layer of immersion substance and recorded so that the angle of incidence of the beam on the first hologram is equal to the angle of diffraction of the beam at the exit e second hologram, and the diffraction angle of the beam at the output of the first hologram is equal to the angle of incidence on the second hologram, the first hologram has an optical power, the second has no optical power combiner reflecting layers are disposed parallel to the surface of its substrate.