В ИТМО разработали новый способ создания оптических модулей для устройств дополненной реальности

Ученые использовали объемную голографию — метод записи трехмерного изображения в объемном материале. Новый подход позволяет сделать модули легкими, прочными, безбликовыми и полноцветными. Такие модули могут быть применены в очках дополненной реальности для разных целей, а также в качестве приборной панели на лобовом стекле автомобилей или самолетов.

Что такое дополненная реальность

Дополненная реальность — это технология, которая позволяет наложить виртуальное изображение на реальное окружение. Например, с помощью специальных очков можно увидеть на столе трехмерную модель здания или посмотреть на экране смартфона, как будет выглядеть новая мебель в комнате. Дополненная реальность может быть полезна в разных сферах: образовании, медицине, развлечениях, рекламе и т. д.



Для создания дополненной реальности нужны два основных компонента: проектор и оптический модуль. Проектор генерирует виртуальное изображение и направляет его на оптический модуль. Оптический модуль — это устройство, которое объединяет свет от проектора и свет от окружающего мира и выводит их на глаз пользователя.

Как работает оптический модуль

Оптический модуль состоит из специальной пластины с дифракционными решетками. Дифракционные решетки — это периодические структуры, которые изменяют направление световых лучей в зависимости от их длины волны. Дифракционные решетки выполняют две функции: они перенаправляют свет от проектора к глазу пользователя (ввод) и пропускают свет от окружающего мира к глазу пользователя (вывод).

Существующие оптические модули обычно создаются на основе волноводов с дифракционными решетками на поверхности. Это означает, что свет от проектора распространяется по тонкой пластине и выходит через специальные структуры на ее краях. Такие модули имеют несколько недостатков: они тяжелые, сложные в изготовлении и создают блики.

Что нового в подходе ИТМО

Ученые ИТМО предложили альтернативный способ: использовать объемную голографию для записи дифракционных решеток внутри стекла. Объемная голография — это метод записи трехмерного изображения в объемном материале с помощью двух лазерных лучей.

Благодаря этому новый оптический модуль имеет ряд преимуществ перед волноводными аналогами:

• состоит из одной пластины толщиной 1 мм, поэтому он легкий и компактный.
  
• выдерживает температуры до 200°C и устойчив к механическим и химическим воздействиям.
  
• не создает бликов и обеспечивает высокое качество изображения.
  
• может работать с разными длинами волн света без потери эффективности.
  
• может передавать полноцветное изображение (RGB) с помощью одной пластины.
  

Как проводился эксперимент

Для создания оптического модуля ученые ИТМО использовали стеклянную пластину с добавлением оксидов серебра и церия. Эти элементы делают стекло чувствительным к лазерному излучению. С помощью двух лазерных лучей ученые записали дифракционную решетку в объеме стекла. Затем они активировали решетку тепловой обработкой при 500°C.

Для проверки работы оптического модуля ученые подключили его к проектору и наблюдали за тем, как он выводит изображение на экран. Они также измеряли эффективность перенаправления света при разных углах падения и длинах волн.

Результаты эксперимента показали, что оптический модуль работает стабильно при температуре до 200°C и не теряет своих свойств при механическом изгибе или химическом воздействии. Кроме того, он обладает высокой эффективностью перенаправления света (более 80%) для всех видимых длин волн.

Где можно применить

Новый оптический модуль может быть использован в разных устройствах дополненной реальности. Например, он может быть интегрирован в очки дополненной реальности для разных целей: обучения, контроля, навигации и т. д. Такие очки могут быть более удобными, надежными и безопасными для работы в разных средах: на складах, на производстве, на стройке и т. д.

Также новый оптический модуль может быть использован в качестве приборной панели на лобовом стекле автомобилей или самолетов. На такую панель можно выводить разную информацию: скорость, направление, карту местности и т. д. Это может улучшить видимость и безопасность вождения или полета.

Ученые ИТМО планируют продолжить развитие нового подхода к созданию оптических модулей для дополненной реальности. Они хотят увеличить поле зрения модуля, чтобы передавать большее изображение, а также сделать его более адаптивным к разным проекторам.


— 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.