УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК G02B27/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к области техники формирования изображений и, в частности, к устройствам формирования изображений, способным формировать изображения высокого качества.

Настоящее изобретение может быть применено в тех случаях, когда необходимо обеспечить погружение пользователя в виртуальную реальность для выполнения разных задач, таких как 3D-моделирование, игровая деятельность, навигация, проектирование и т.д. Настоящее изобретение может быть также реализовано в виде разных, устанавливаемых на головах устройствах, таких как очки или шлемы виртуальной реальности (VR), которые в настоящее время популярны в игровой и образовательной индустриях. Другая возможная реализация подразумевает использование настоящего изобретения в разных оптических системах, таких как проекторы, коллиматоры, телескопы, бинокли, дальномеры, 3D-сканеры и т.д.

Уровень техники

Этот раздел не предназначен для предоставления ключевых идей настоящего изобретения, а также какого-либо его ограничения. Единственное предназначение этого раздела состоит в том, чтобы предоставить читателю краткое описание решений из уровня техники, принадлежащих той же области техники, что и настоящее изобретение, и недостатков таких решений из уровня техники, чтобы читатель смог сформировать четкое представление о том, почему настоящее изобретение имеет важное значение.

Устройства формирования изображений высокого разрешения в настоящий момент используются все чаще и чаще для множества целей, в частности, VR-приложений. Разработка и дальнейшее усовершенствование VR-устройств открыли новые возможности для пользователей в разных сферах деятельности. Например, находясь в действительности, скажем, дома, пользователь, носящий VR-шлем или VR-очки, может погрузить себя легко и быстро в требуемую VR-среду для моделирования множества ситуаций. Хотя использование таких VR-сред в индустрии видеоигр является широко известным фактом, эти среды весьма применимы во всех других видах индустрии. В частности, VR-устройства часто используются:

- в военном деле для моделирования поля сражений или боевых действий или в обучении медицине;

- в образовательной индустрии для целей дистанционного обучения;

- в здравоохранении для диагностики в режиме виртуальной реальности и технологии виртуальной роботизированной хирургии;

- в сфере бизнеса для виртуальных туров, целей обучения;

- в сфере телекоммуникаций для видеоконференций и телемедицине.

Желательным или даже существенным для вышеперечисленных примеров применения является то, что VR-устройства устанавливаются на головах, чтобы руки носящего их человека были свободны и могли без труда осуществлять перемещения для взятия необходимых объектов, например оружия при моделировании поля сражений или боевых действий. Кроме того, вес и размеры самих VR-устройств влияют на мобильность носящего их человека. Ранее были предприняты разные попытки для решения этих проблем, некоторые из которых заключались в уменьшении толщины оптических элементов, входящих в состав VR-устройств, за счет замены традиционных оптических зеркал жидкокристаллическими пленками, тонкопленочными поляризаторами и т.д. и снижения количества таких оптических элементов. Последнее действие следует выполнять с осторожностью, поскольку чем меньше количество оптических элементов, тем меньше оптический путь во всей системе, что может привести к снижению качества изображения.

US 5853240 раскрывает небольшой жидкокристаллический световой проектор, объединенный с устанавливаемым на голову устройством (HMD) для проецирования изображения или 3D-изображения из HMD на обычный экран. HMD имеет в его корпусе оптическое устройство для увеличения изображения жидкокристаллической панели, освещаемой посредством системы подсветки. Оптическое устройство содержит преломляющий элемент с полупрозрачным покрытием и холестерическим жидкокристаллическим элементом, действующим как полупрозрачное зеркало для выделения циркулярно-поляризованного света. Это решение из уровня техники все еще использует полупрозрачное зеркало, тем самым не обеспечивая значительное снижение общих размеров и веса всей системы.

US 6094242 раскрывает оптическое HMD-устройство, включающее в себя рефрактор, состоящий из преломляющего элемента с полупрозрачным покрытием и полупрозрачного зеркала для выделения циркулярно-поляризованного света, причем все эти элементы расположены в порядке от стороны, на которую падает свет. Полупрозрачное зеркало для выделения циркулярно-поляризованного света состоит из четвертьволновой пластинки (фазовой пластинки), полупрозрачного зеркала и поляризатора или холестерического жидкого кристалла, которые расположены в порядке от стороны падения света. Тонкая оптическая система с большим увеличением получается за счет использования полупрозрачного зеркала для выделения циркулярно-поляризованного света, которое сначала отражает падающий свет циркулярно-поляризованным по часовой стрелке образом и позволяет затем циркулярно-поляризованному против часовой стрелки свету, совершившему 1,5 полных обхода, пройти сквозь себя без отражений. Тем не менее, это решение из уровня техники не может быть использовано для пучков света как с линейной, так и циркулярной поляризацией, тем самым снижая возможные области его применения.

US 6866194 описывает дисплейное устройство, включающее в себя холестерический жидкий кристалл для отображения плоского изображения, волоконную пластину для преобразования отображенного плоского изображения в сферическое изображение и окулярную оптическую систему, обладающую первой и второй сферическими полупрозрачными отражающими поверхностями и проецирующую сферическое изображение. Однако это решение из уровня техники не обеспечивает возможность одновременного использования пучков света с линейной и циркулярной поляризацией. Кроме того, получающееся в результате изображение всегда является сферическим.

Таким образом, существует потребность в устройстве формирования изображений, способном формировать изображения высокого качества, а также имеющем малый вес и малые размеры и позволяющем одновременно работать с пучками света с двумя разными состояниями поляризации. Желательно, чтобы такое устройство формирования изображений можно было устанавливать на голову, тем самым делая возможным его применение в VR-приложениях.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в устранении или смягчении вышеупомянутых недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство формирования изображений. Устройство содержит дисплей, первый поляризатор, первую фазовую пластинку, первый оптический элемент, вторую фазовую пластинку и второй оптический элемент. Дисплей выполнен с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение. Первый поляризатор расположен перед дисплеем и выполнен с возможностью делать свет поляризованным с первым состоянием линейной поляризации. Первая фазовая пластинка расположена после первого поляризатора и выполнена с возможностью изменения первого состояния линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации. Первый оптический элемент имеет нанесенный на него или внедренный в него слой холестерических жидких кристаллов. Молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы таким образом, чтобы пропускать свет с первым состоянием циркулярной поляризации, который падает на слой холестерических жидких кристаллов после прохождения сквозь первую фазовую пластинку.

Вторая фазовая пластинка расположена после первого оптического элемента и выполнена с возможностью изменения первого состояния циркулярной поляризации света на второе состояние линейной поляризации. На втором оптическом элементе сформирован второй поляризатор, причем второй поляризатор представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки (WGP), выполненный с возможностью отражения света, падающего на него со вторым состоянием линейной поляризации, в направлении первого оптического элемента через вторую фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние линейной поляризации света на второе состояние циркулярной поляризации. Ориентация молекул холестерических жидких кристаллов такова, что свет со вторым состоянием циркулярной поляризации отражается обратно ко второму оптическому элементу через вторую фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние циркулярной поляризации на первое состояние линейной поляризации. Поляризатор на основе проволочной сетки выполнен с возможностью пропускания света с первым состоянием линейной поляризации в направлении глаза пользователя.

В одном варианте осуществления дисплей представляет собой жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на основе светодиодов (LED), дисплей на основе органических LED (OLED) или дисплей на основе лазерных диодов.

В одном варианте осуществления первое состояние линейной поляризации является состоянием p-поляризации, а второе состояние линейной поляризации является состоянием s-поляризации, или наоборот. Первое состояние циркулярной поляризации является состоянием правой циркулярной поляризации, а второе состояние циркулярной поляризации является состоянием левой циркулярной поляризации, или наоборот.

В одном варианте осуществления каждый из первого оптического элемента и второго оптического элемента выполнен в виде линзы или оптической пленки. В этой реализации слой холестерических жидких кристаллов нанесен на любую одну из поверхностей линзы или оптической пленки или внедрен в линзу или оптическую пленку. Линза или оптическая пленка могут быть выполнены из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических кристаллов, оптических стекол и полимеров. Кроме того, линза может быть выполнена в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, выпукло-вогнутой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, плосковыпуклой, плосковогнутой, сферической линзы или асферической линзы.

В одном варианте осуществления каждая из первой фазовой пластинки и второй фазовой пластинки представляет собой четвертьволновую фазовую пластинку.

В одном варианте осуществления дисплей является прозрачным дисплеем и первая фазовая пластинка является переключаемой четвертьволновой фазовой пластинкой, состоящей из слоя жидких кристаллов, расположенного между двумя слоями электрических контактов, при этом устройство выполнено с возможностью функционирования в первом режиме и во втором режиме. В первом режиме прозрачный дисплей включен и выполнен с возможностью излучения света и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы изменять первое состояние линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации. Во втором режиме прозрачный дисплей выключен и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы пропускать свет окружающей среды, проходящий через прозрачный дисплей, в направлении глаза пользователя без какого-либо отражения. Слои электрических контактов могут быть выполнены из ITO (оксид индия-олова). Кроме того, устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения выполнено с возможностью переключения на первый режим в ответ на заданное напряжение, приложенное между слоями электрических контактов, и переключения на второй режим, когда между слоями электрических контактов не приложено никакое напряжение. Устройство может быть выполнено с возможностью переключения между первым и вторым режимами с частотой переключения, равной или превышающей 120 Гц.

В одном варианте осуществления поляризатор на основе проволочной сетки выполнен в виде слоя параллельных металлических проволок, которые сформированы на поверхности второго оптического элемента.

В одном варианте осуществления первый поляризатор является тонкопленочным поляризатором.

Устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения может быть интегрировано в устройства виртуальной реальности или устройства дополненной реальности, или оптические системы.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено другое устройство формирования изображений. Устройство содержит дисплей, первый поляризатор, первый оптический элемент, фазовую пластинку и второй оптический элемент. Дисплей выполнен с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение. Первый поляризатор расположен перед дисплеем и выполнен с возможностью делать свет поляризованным с первым состоянием линейной поляризации. На первом оптическом элементе сформирован второй поляризатор. Второй поляризатор представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки, выполненный с возможностью пропускания света, падающего на него с первым состоянием линейной поляризации. Фазовая пластинка расположена после первого оптического элемента и выполнена с возможностью изменения первого состояния линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации. Второй оптический элемент имеет нанесенный на него или внедренный в него слой холестерических жидких кристаллов. Молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы так, чтобы отражать свет с первым состоянием циркулярной поляризации, который падает на слой холестерических жидких кристаллов в направлении первого оптического элемента через фазовую пластинку, тем самым изменяя первое состояние циркулярной поляризации света на второе состояние линейной поляризации.

Поляризатор на основе проволочной сетки выполнен с возможностью отражения света со вторым состоянием линейной поляризации обратно ко второму оптическому элементу через фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние линейной поляризации света на второе состояние циркулярной поляризации. Ориентация молекул холестерических жидких кристаллов дополнительно такова, что свет со вторым состоянием циркулярной поляризации пропускается в направлении глаза пользователя.

Варианты осуществления устройства формирования изображений согласно второму аспекту настоящего изобретения аналогичны вариантам осуществления устройства формирования изображений согласно первому аспекту настоящего изобретения.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего далее описания и просмотра сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует устройство формирования изображений согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует разные реализации оптических элементов, входящих в состав устройства с Фиг. 1;

Фиг. 3а-b иллюстрируют конфигурацию переключения для устройства с Фиг. 1;

Фиг. 4 иллюстрирует устройство формирования изображений согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, указанных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, перечисленных в приложенной формуле изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.

Термин «холестерический жидкий кристалл» используется в данном документе в его обычном значении и относится к жидкому кристаллу со спиралевидной структурой, который, поэтому, является хиральным. Холестерические жидкие кристаллы также известны как хиральные нематические жидкие кристаллы. Эти кристаллы отличаются своей компоновкой в слои без позиционного порядка в пределах слоев. Вследствие своей периодической структуры (т.е. спиралевидной молекулярной ориентации) холестерические жидкие кристаллы избирательно отражают световую составляющую на заданной длине волны. Существенным для настоящего изобретения является то, что в нем используются холестерические жидкие кристаллы, обеспечивающие максимальное пропускание пучков света с первой циркулярной поляризацией и максимальное отражение пучков света со второй циркулярной поляризацией.

Термин «поляризатор» используется в данном документе в его обычном значении и относится к оптическому фильтру, способному пропускать пучки света с одним состоянием поляризации и блокировать пучки света с другим состоянием поляризации. Поляризаторы обычно разделяются на линейные поляризаторы и циркулярные поляризаторы. Поляризатор на основе проволочной сетки, описанный в данном документе, является одним из простейших линейных поляризаторов, который состоит из множества тонких параллельных металлических проволок, расположенных в требуемой плоскости. Если говорить коротко, то эта конфигурация поляризатора на основе проволочной сетки обеспечивает линейную поляризацию пропускаемого света.

Термин «фазовая пластинка» используется в данном документе в его обычном значении и относится к оптическому устройству, способному изменять состояние поляризации света, проходящего сквозь него. Одним типом фазовой пластинки, который используется в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, является четвертьволновая фазовая пластинка. Четвертьволновая фазовая пластинка выполнена с возможностью преобразования линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный света, и наоборот.

Фиг. 1 иллюстрирует устройство 100 формирования изображений в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, устройство формирования изображений содержит дисплей 102, первый поляризатор 104, первую фазовую пластинку 106, первый оптический элемент 108, вторую фазовую пластинку 110 и второй оптический элемент 112. Каждый из конструктивных элементов устройства 100 описан подробнее ниже.

Дисплей 102 выполнен с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение. Дисплей 102 может быть любым типом коммерчески выпускаемых дисплеев, используемых в обычных электронных устройствах, таких, например, как жидкокристаллические дисплеи (LCD), дисплеи на основе светодиодов (LED), дисплеи на основе органических LED (OLED), дисплеи на основе лазерных диодов и т.д. Как должно быть очевидно специалистам в данной области техники, выбор каждого типа дисплея зависит от конкретного применения.

Первый поляризатор 104 расположен перед дисплеем 102 и выполнен с возможностью делать свет от дисплея 102 поляризованным с первым состоянием линейном поляризации, т.е. p-поляризацией (p-состояние для краткости). Первое состояние линейной поляризации схематически показано на Фиг. 1 в виде двусторонней стрелки, наклоненной влево. В предпочтительном варианте осуществления первый поляризатор 104 выполнен в виде тонкопленочного поляризатора для снижения размеров всего устройства 100. Типы тонкопленочных поляризаторов хорошо известны из уровня техники и, поэтому, не будут обсуждаться в данном документе.

Первая фазовая пластинка 106 расположена после первого поляризатора 104 и выполнена с возможностью изменения p-состояния света на первое состояние циркулярной поляризации. Первое состояние циркулярной поляризации схематически показано на Фиг. 1 в виде состояния правой циркулярной поляризации (RHCP) (или, другими словами, в виде состояния поляризации по часовой стрелке). В предпочтительном варианте осуществления первая фазовая пластинка 106 является четвертьволновой фазовой пластинкой, которая хороша известна из уровня техники.

Первый оптический элемент 108 расположен после первой фазовой пластинки 106 и в него внедрен слой 114 холестерических жидких кристаллов. Молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы так, чтобы пропускать свет с RHCP-состоянием, который падает на слой 114 холестерических жидких кристаллов после прохождения сквозь первую фазовую пластинку 106. В некоторых других вариантах осуществления слой 114 холестерических жидких кристаллов может быть нанесен на одну из поверхностей первого оптического элемента 108, как показано на Фиг. 2. Следует отметить, что на Фиг. 2 также проиллюстрированы разные реализации первого оптического элемента 108, т.е. в виде конфигурации линзы и пленки. В частности, каждый из первого оптического элемента 108 и второго оптического элемента 112 может быть выполнен в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, выпукло-вогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, плосковыпуклой, плосковогнутой, сферической линзы или асферической линзы, в зависимости от конкретного применения. Кроме того, вышеперечисленные линзы или пленки могут быть выполнены из оптически прозрачных материалов, включающих в себя оптические стекла, оптические кристаллы и полимеры.

Вторая фазовая пластинка 110 расположена после первого оптического элемента 108 и выполнена с возможностью изменения RHCP-состояния света на второе состояние линейной поляризации, т.е. s-поляризации (s-состояние для краткости). Второе состояние линейной поляризации схематически показано на Фиг. 1 в виде двусторонней стрелки, наклоненной вправо. В предпочтительном варианте осуществления вторая фазовая пластинка 112 является четвертьволновой фазовой пластинкой, аналогично первой фазовой пластинке 106.

Второй оптический элемент 112 расположен после второй фазовой пластинки 110 и на нем сформирован поляризатор 116 на основе проволочной сетки (в одном другом варианте осуществления поляризатор 116 на основе проволочной сетки может быть внедрен во второй оптический элемент 112, аналогично слою 114 холестерических жидких кристаллов). Поляризатор 116 на основе проволочной сетки выполнен с возможностью отражения света, падающего на него с s-состоянием, в направлении первого оптического элемента 108 (т.е. слоя 114 холестерических жидких кристаллов) через вторую фазовую пластинку 110, тем самым изменяя s-состояние света на второе состояние циркулярной поляризации. Второе состояние циркулярной поляризации схематически показано на Фиг. 1 в виде состояния левой циркулярной поляризации (LHCP) (или, другими словами, в виде состояния поляризации против часовой стрелки). Вышеупомянутая ориентация молекул холестерических жидких кристаллов такова, что свет с LHCP-состоянием отражается обратно ко второму оптическому элементу 112 через вторую фазовую пластинку 110, тем самым изменяя LHCP-состояние на p-состояние. Поляризатор 116 на основе проволочной сетки выполнен с возможностью пропускания света с p-состоянием в направлении глаза пользователя.

Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что состояния поляризации света, проходящего сквозь все устройство 100, не ограничены описанными выше и показанными на Фиг. 1. В одном другом варианте осуществления, например, LHCP-состояние может появляться после того, как свет прошел сквозь первую фазовую пластинку 106, а RHCP-состояние может появляться после того, как свет прошел через вторую фазовую пластинку 110. Другими словами, первая и вторая фазовые пластинки 106 и 110 могут использоваться взаимозаменяемо. То же самое справедливо и в отношении p- и s-состояний, т.е., например, поляризатор 104 может быть выполнен с возможностью делать свет от дисплея 102 поляризованным с s-состоянием (вместо p-состояния, как показано на Фиг. 1), в то время как вторая фазовая пластинка 116 может быть выполнена с возможностью изменения циркулярной поляризации (т.е. RHCP- или LHCP-состояния) света, падающего на него, на p-состояние (вместо s-состояния, как показано на Фиг. 1)).

Что касается технологий изготовления слоя 114 холестерических жидких кристаллов и поляризатора 116 на основе проволочной сетки, то они хорошо известны в данной области техники и включают в себя, например: процесс заполнения жидкими кристаллами заготовки, открытой с одной или двух сторон, используя вакуумный метод или капиллярный эффект для формирования слоя холестерических жидких кристаллов; и процесс нанопечатной литографии, литографии на основе лазерной интерференции или мягкой литографии для формирования поляризатора на основе проволочной сетки.

Фиг. 3a-b иллюстрируют один другой возможный вариант осуществления, в котором дисплей 102 реализован в виде прозрачного дисплея (не показан) и первая фазовая пластинка 106 реализована в виде переключаемой четвертьволновой фазовой пластинки, состоящей из слоя 302 жидких кристаллов, расположенного между двумя слоями 304 электрических контактов (которые, в свою очередь, нанесены на подложки 306). В такой конфигурации устройство 100 выполнено с возможностью функционирования в первом режиме и во втором режиме. В первом режиме прозрачный дисплей включен и выполнен с возможностью излучения света и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы изменять состояние линейной поляризации (т.е. p- или s-состояние) света на состояние циркулярной поляризации (т.е. LHCP- или RHCP-состояние). Во втором режиме прозрачный дисплей выключен и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы пропускать свет окружающей среды, проходящий сквозь прозрачный дисплей, в направлении глаза пользователя без какого-либо отражения. Слои 304 электрических контактов могут быть выполнены из ITO (оксид индия-олова). Кроме того, устройство 100 может быть выполнено с возможностью переключения на первый режим в ответ на заданное напряжение V_g, приложенное между слоями 304 электрических контактов (Фиг. 3b), и переключения на второй режим, когда между слоями 304 электрических контактов не приложено никакое напряжение (Фиг. 3а). Устройство 100 может быть выполнено с возможностью переключения между первым и вторым режимами с частотой переключения, равной или превышающей 120 Гц. Эта конфигурация переключения позволяет видеть окружающую картину и изображение, отображаемое на дисплее 102, поочередно с вышеуказанной частотой переключения.

Фиг. 4 иллюстрирует один другой вариант осуществления устройства 400 формирования изображений. Конструкция устройства 400 отличается от той, что показана на Фиг. 1, (уменьшенным) количеством конструктивных элементов и их расположением. В частности, устройство 400 содержит дисплей 402, первый поляризатор 404, первый оптический элемент 406, фазовую пластинку 408 и второй оптический элемент 410. Дисплей 402 выполнен с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение. Первый поляризатор 404 расположен перед дисплеем 402 и выполнен с возможностью делать свет поляризованным с первым состоянием линейной поляризации (т.е. p-состоянием). На первом оптическом элементе 406 сформирован второй поляризатор 412. Второй поляризатор 412 представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки, выполненный с возможностью пропускания света, падающего на него с p-состоянием. Фазовая пластинка 408 расположена после первого оптического элемента 406 и выполнена с возможностью изменения p-состояния света на первое состояние циркулярной поляризации (т.е. RHCP-состояние). Во второй оптический элемент 410 внедрен слой 414 холестерических жидких кристаллов (если требуется, слой 414 может быть также нанесен на одну из поверхностей второго оптического элемента 410). Молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы так, чтобы отражать свет с RHCP-состоянием, который падает на слой 414 холестерических жидких кристаллов, в направлении первого оптического элемента 406 через фазовую пластинку 408, тем самым изменения RHCP-состояние света на второе состояние линейной поляризации (т.е. s-состояние). Поляризатор 412 на основе проволочной сетки выполнен с дополнительной возможностью отражения света с s-состоянием обратно ко второму оптическому элементу 410 через фазовую пластинку 408, тем самым изменяя s-состояние света на второе состояние циркулярной поляризации (т.е. LHCP-состояние). Ориентация молекул холестерических жидких кристаллов дополнительно такова, что свет с LHCP-состоянием пропускается в направлении глаза пользователя.

Дополнительные аспекты изобретения станут очевидными после рассмотрения чертежей и представленного описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения и что некоторые элементы настоящего изобретения могут быть изменены в ряде аспектов, не отступая от идеи изобретения. Таким образом, чертежи и описание должны рассматриваться в качестве иллюстрации, а не ограничения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.

Настоящее изобретение относится к области техники формирования изображения. Устройство содержит дисплей, первый поляризатор, первую фазовую пластинку, первый оптический элемент, вторую фазовую пластинку и второй оптический элемент. Первая фазовая пластинка расположена после первого поляризатора и выполнена с возможностью изменения первого состояния линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации. Первый оптический элемент имеет слой холестерических жидких кристаллов, молекулы которых ориентированы так, чтобы пропускать свет с первым состоянием циркулярной поляризации. Вторая фазовая пластинка расположена после первого оптического элемента и выполнена с возможностью изменения первого состояния циркулярной поляризации света на второе состояние линейной поляризации. На втором оптическом элементе сформирован второй поляризатор на основе проволочной сетки, выполненный с возможностью отражения света, падающего на него со вторым состоянием линейной поляризации, в направлении первого оптического элемента через вторую фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние линейной поляризации света на второе состояние циркулярной поляризации. Ориентация молекул холестерических жидких кристаллов такова, что свет со вторым состоянием циркулярной поляризации отражается обратно ко второму оптическому элементу через вторую фазовую пластинку, изменяя второе состояние циркулярной поляризации на первое состояние линейной поляризации. Поляризатор на основе проволочной сетки обеспечивает пропускание света с первым состоянием линейной поляризации в направлении глаза пользователя. Изобретение обеспечивает повышение качества изображения, уменьшение веса и размеров. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство формирования изображений, содержащее:

дисплей, выполненный с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение;

первый поляризатор, расположенный перед дисплеем и выполненный с возможностью делать свет поляризованным с первым состоянием линейной поляризации;

первую фазовую пластинку, расположенную после первого поляризатора и выполненную с возможностью изменения первого состояния линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации;

первый оптический элемент, на который нанесен или в который внедрен слой холестерических жидких кристаллов, причем молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы таким образом, чтобы пропускать свет с первым состоянием циркулярной поляризации, который падает на слой холестерических жидких кристаллов после прохождения сквозь первую фазовую пластинку;

вторую фазовую пластинку, расположенную после первого оптического элемента и выполненную с возможностью изменения первого состояния циркулярной поляризации света на второе состояние линейной поляризации;

второй оптический элемент, на котором сформирован второй поляризатор, причем второй поляризатор представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки, выполненный с возможностью отражения света, падающего на него со вторым состоянием линейной поляризации, в направлении первого оптического элемента через вторую фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние линейной поляризации света на второе состояние циркулярной поляризации;

при этом ориентация молекул холестерических жидких кристаллов дополнительно такова, что свет со вторым состоянием циркулярной поляризации отражается обратно ко второму оптическому элементу через вторую фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние циркулярной поляризации на первое состояние линейной поляризации; и

при этом поляризатор на основе проволочной сетки выполнен с дополнительной возможностью пропускания света с первым состоянием линейной поляризации в направлении глаза пользователя.

2. Устройство по п. 1, в котором дисплей представляет собой жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на основе светодиодов (LED), дисплей на основе органических LED (OLED) или дисплей на основе лазерных диодов.

3. Устройство по п. 1, в котором первое состояние линейной поляризации является состоянием p-поляризации, а второе состояние линейной поляризации является состоянием s-поляризации, или наоборот.

4. Устройство по п. 1, в котором первое состояние циркулярной поляризации является состоянием правой циркулярной поляризации, а второе состояние циркулярной поляризации является состоянием левой циркулярной поляризации, или наоборот.

5. Устройство по п. 1, в котором каждый из первого оптического элемента и второго оптического элемента выполнен в виде линзы или оптической пленки.

6. Устройство по п. 5, в котором слой холестерических жидких кристаллов нанесен на любую одну из поверхностей линзы или оптической пленки или внедрен в линзу или оптическую пленку.

7. Устройство по п. 5, в котором линза или оптическая пленка выполнена из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических стекол, оптических кристаллов и полимеров.

8. Устройство по п. 5, в котором линза выполнена в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, выпукло-вогнутой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, плосковыпуклой, плосковогнутой, сферической линзы или асферической линзы.

9. Устройство по п. 1, в котором каждая из первой фазовой пластинки и второй фазовой пластинки представляет собой четвертьволновую фазовую пластинку.

10. Устройство по п. 1, в котором дисплей является прозрачным дисплеем, и первая фазовая пластинка является переключаемой четвертьволновой фазовой пластинкой, состоящей из слоя жидких кристаллов, расположенного между двумя слоями электрических контактов, при этом устройство выполнено с возможностью функционирования в первом режиме и во втором режиме;

при этом в первом режиме прозрачный дисплей включен и выполнен с возможностью излучения света и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы изменять первое состояние линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации; и

при этом во втором режиме прозрачный дисплей выключен и молекулы жидких кристаллов в переключаемой четвертьволновой фазовой пластинке ориентированы так, чтобы пропускать свет окружающей среды, проходящий через прозрачный дисплей, в направлении глаза пользователя без какого-либо отражения.

11. Устройство по п. 10, в котором слои электрических контактов выполнены из оксида индия-олова (ITO).

12. Устройство по п. 10, при этом устройство выполнено с возможностью переключения на первый режим в ответ на заданное напряжение, приложенное между слоями электрических контактов, и переключения на второй режим, когда между слоями электрических контактов не приложено никакое напряжение.

13. Устройство по п. 10, при этом устройство выполнено с возможностью переключения между первым и вторым режимами с частотой переключения, равной или превышающей 120 Гц.

14. Устройство по п. 1, в котором поляризатор на основе проволочной сетки выполнен в виде слоя параллельных металлических проволок, которые сформированы на поверхности второго оптического элемента.

15. Устройство по п. 1, в котором первый поляризатор является тонкопленочным поляризатором.

16. Устройство по п. 1, выполненное с возможностью интеграции в устройства виртуальной реальности или устройства дополненной реальности, или оптические системы.

17. Устройство формирования изображений, содержащее:

дисплей, выполненный с возможностью излучения света, характеризующего заданное изображение;

первый поляризатор, расположенный перед дисплеем и выполненный с возможностью делать свет поляризованным с первым состоянием линейной поляризации;

первый оптический элемент, на котором сформирован второй поляризатор, причем второй поляризатор представляет собой поляризатор на основе проволочной сетки, выполненный с возможностью пропускания света, падающего на него с первым состоянием линейной поляризации;

фазовую пластинку, расположенную после первого оптического элемента и выполненную с возможностью изменения первого состояния линейной поляризации света на первое состояние циркулярной поляризации;

второй оптический элемент, на который нанесен или в который внедрен слой холестерических жидких кристаллов, причем молекулы холестерических жидких кристаллов ориентированы так, чтобы отражать свет с первым состоянием циркулярной поляризации, который падает на слой холестерических жидких кристаллов, в направлении первого оптического элемента через фазовую пластинку, тем самым изменяя первое состояние циркулярной поляризации света на второе состояние линейной поляризации;

при этом поляризатор на основе проволочной сетки выполнен с дополнительной возможностью отражения света со вторым состоянием линейной поляризации обратно ко второму оптическому элементу через фазовую пластинку, тем самым изменяя второе состояние линейной поляризации света на второе состояние циркулярной поляризации; и

при этом ориентация молекул холестерических жидких кристаллов дополнительно такова, что свет со вторым состоянием циркулярной поляризации пропускается в направлении глаза пользователя.

18. Устройство по п. 17, в котором дисплей представляет собой жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на основе светодиодов (LED), дисплей на основе органических LED (OLED) или дисплей на основе лазерных диодов.

19. Устройство по п. 17, в котором первое состояние линейной поляризации является состоянием p-поляризации, а второе состояние линейной поляризации является состоянием s-поляризации, или наоборот.

20. Устройство по п. 17, в котором первое состояние циркулярной поляризации является состоянием правой циркулярной поляризации, а второе состояние циркулярной поляризации является состоянием левой циркулярной поляризации, или наоборот.

21. Устройство по п. 17, в котором каждый из первого оптического элемента и второго оптического элемента выполнен в виде линзы или оптической пленки.

22. Устройство по п. 21, в котором слой холестерических жидких кристаллов нанесен на любую одну из поверхностей линзы или оптической пленки или внедрен в линзу или оптическую пленку.

23. Устройство по п. 21, в котором линза или оптическая пленка выполнена из оптически прозрачного материала, выбранного из одного из оптических стекол, оптических кристаллов и полимеров.

24. Устройство по п. 21, в котором линза выполнена в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, выпукло-вогнутой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, плосковыпуклой, плосковогнутой, сферической линзы или асферической линзы.

25. Устройство по п. 17, в котором фазовая пластинка представляет собой четвертьволновую фазовую пластинку.

26. Устройство по п. 17, в котором поляризатор на основе проволочной сетки выполнен в виде слоя параллельных металлических проволок, которые сформированы на поверхности первого оптического элемента.

27. Устройство по п. 17, в котором первый поляризатор является тонкопленочным поляризатором.

28. Устройство по п. 17, выполненное с возможностью интеграции в устройства виртуальной реальности или устройства дополненной реальности, или оптические системы.