ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ФОКУСОМ Российский патент 2020 года по МПК G02F1/29 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области систем дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), и более конкретно к регулировке фокуса изображения в средствах отображения упомянутых систем AR/VR в соответствии с положением виртуального изображения, вергенцией глаз и положением объектов.

Уровень техники

В разрабатываемых в настоящее время системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) важное значение имеет разработка средств отображения для пользователя виртуального изображения, в частности изображения дополненной реальности, наложенного на изображение реального мира. С точки зрения пользователя, к отображению изображений в системах AR/VR на современном уровне предъявляются следующие требования: реалистичное ощущение глубины в изображении виртуальной реальности; высокая острота зрения (в особенности для пользователей с отклонениями в рефракции); и относительно высокое быстродействие при минимальных размерах устройства отображения. С точки зрения разработчика систем AR/VR в настоящее время к средствам отображения предъявляются следующие требования: большой диапазон регулирования оптической силы (по меньшей мере -4 дптр..+4 дптр); малый диоптрический шаг перестройки (например, 0,25 дптр); миниатюрный форм-фактор системы (например, гарнитура или наголовное устройство, интеллектуальные очки).

Одной из проблем, существующих в уровне техники, является конфликт вергенции и аккомодации, приводящий к утомлению глаз пользователя. Большинство существующих гарнитур AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние и не могут перенести виртуальное изображение за пределы этого фокусного расстояния, вследствие чего вергенция глаз и расстояние, на котором происходит фокусировка глаз пользователя при аккомодации, не находятся в одной плоскости. Это вызывает утомление глаз пользователя, а также может привести к возникновению головной боли и тошноты. При одновременном наблюдении через устройство AR реальных объектов, расположенных на различных расстояниях, а также виртуальных объектов на фиксированном фокусном расстоянии, возникает так называемый конфликт вергенции и аккомодации (VAC). При этом в фокусе могут находиться либо виртуальные объекты, либо наблюдаемые объекты реального внешнего мира при фокусировке глаз на соответствующие объекты, но не те и другие объекты одновременно. В случае VR конфликт VAC возникает при несоответствии плоскости фокусировки (аккомодации глаз на дисплей) относительным размерам объекта (вергенции осей глаз на объект).

Для решения этой проблемы в уровне техники предлагается, в частности, жидкокристаллическая (LC) линза с множеством фазовых уровней. Системы AR/VR требуют большой апертуры линзы для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости виртуального изображения. В решениях из уровня техники для достижения наибольшего возможного размера апертуры применяются либо дифракционные жидкокристаллические (LC) линзы с множеством фазовых уровней, либо линзы Альвареса. Однако линза Альвареса увеличивает общие габариты системы. Дифракционная жидкокристаллическая линза с большой апертурой имеет ограничения на максимальный достижимый диапазон оптической силы.

Решение такого вида известно из источника US20190041558 (опубликовано 7 февраля 2019 г., Magic Leap, Inc.). В известном решении регулировка фокуса определяется боковым смещением одного дифракционного оптического элемента (DOE) между частями линзы Альвареса. К недостаткам данного известного решения можно отнести большой размер системы, обусловленный наличием механических движущихся частей, а также обеспечение небольшого числа фокальных плоскостей с неравномерным диоптрическим шагом (1/3 дптр, 1/2 дптр, 1 дптр, 2 дптр, 4 дптр, бесконечность).

Другая проблема, присущая уровню техники, состоит в том, что необходимость большой апертуры линзы приводит либо к большому размеру, либо к необходимости использования множества адресуемых электродов, то есть применения в системе активной матрицы, что, в конечном итоге, усложняет производство системы и повышает её стоимость. Эта проблема в уровне техники решается, в частности, путём соединения электродов соответствующих номеров по зонам Френеля в одной линзе, что создаёт фиксированную структуру электродов, за счёт перегруппировки которой обеспечивается множество различных фокусных расстояний в системе.

Кроме того, уровню техники присуща проблема того, что в известных системах достигается небольшое количество фокальных плоскостей, а шаг изменения оптической силы не является равномерным, вследствие чего отсутствует возможность обеспечения некоторых значений оптической силы. Так, например, в источнике US10056057 (опубликован 21 августа 2018 г., Google LLC) раскрыта система, содержащая жидкие линзы с эластичной мембраной, линзу с фиксированной оптической силой, и панель отображения. В известной системе обеспечивается набор фокальных плоскостей за счёт использования двух жидких линз с эластичной мембраной, установленных последовательно (в виде стека). Однако в данном решении достигается лишь небольшое количество фокальных плоскостей, соответствующих значениям оптической силы в +3 дптр, +1 дптр, -1 дптр, -3 дптр.

Другое решение известно из US2018284464 (опубликовано 4 октября 2018 г., Facebook Technologies LLC). В данном известном решении каждая фокальная плоскость связана с соответствующим значением длины оптического пути световых лучей, которые распространяются от электронного дисплея к зрачку глаза. На пути от электронного дисплея к зрачку в известном решении расположен набор оптических элементов, таких как поляризаторы, четвертьволновые пластины, линзы и отражающие элементы. Увеличение количества отражений световых лучей, вызываемое этими элементами, удлиняет оптический путь, и, таким образом, формирует фокальную плоскость, которая находится дальше от пользователя. Однако недостатком данного известного решения также является лишь небольшое количество возможных фокальных плоскостей.

В источнике WO2017216716 (опубликовано 21 декабря 2017 г., Optica Amuka (A.A.) LTD) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения глаза, при этом применяется структура электродов, состоящая из электродов одинаковой ширины, и обеспечивается непрерывное изменение оптической силы. К недостаткам данной системы можно отнести необходимость использования большого количества адресуемых электродов (по меньшей мере 100-400 электродов в плоском гибком кабеле (FFC)), малый размер активной зоны, и необходимость отслеживания положения глаза, что приводит к высокой сложности системы. Такой подход может быть принят в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.

Существует потребность в быстрой регулировке фокусного расстояния перестраиваемой линзы с заданным диоптрическим шагом с применением компонентов, имеющих малый вес. Предпочтительно также расширение диапазона оптической силы перестраиваемой линзы и регулирование фокусного расстояния с меньшим шагом.

Раскрытие изобретения

Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведённое подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объём заявляемого изобретения. Объём правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

С учётом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании устройства отображения для системы дополненной или виртуальной реальности (AR/VR), в котором обеспечена возможность быстрой регулировки фокусного расстояния перестраиваемой линзы с заданным диоптрическим шагом в пределах широкого диапазона оптической силы линзы. При этом также достигается уменьшение веса и габаритов устройства отображения.

Для решения упомянутой задачи, в соответствии с одним аспектом изобретение относится к устройству отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), содержащему: по меньшей мере один источник изображений виртуальных объектов, по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки; причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ. В неограничивающем примерном варианте выполнения, упомянутый диоптрический шаг Δ составляет 0,25 дптр.

В варианте выполнения по меньшей мере одна перестраиваемая линза может содержать по меньшей мере два набора перестраиваемых оптических ячеек. Устройство может дополнительно содержать оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, и по меньшей мере одну перестраиваемую линзу. Оптический волновод может соединять источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первый набор перестраиваемых оптических ячеек и второй набор перестраиваемых оптических ячеек, при этом оптический волновод находится между первым набором перестраиваемых оптических ячеек и вторым набором перестраиваемых оптических ячеек. Первый набор перестраиваемых оптических ячеек может находиться перед источником изображений виртуальных объектов. Первый набор перестраиваемых оптических ячеек может находиться перед глазом пользователя. В варианте выполнения электродная структура может содержать концентрические кольцевые электроды, при этом центральный электрод выполнен в виде круга. В других вариантах выполнения электродная структура может содержать электроды, выполненные в виде параллельных полос, расположенных горизонтально или вертикально, либо электроды, выполненные в виде массива многоугольников. По меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки расположены смежно без зазора между ними. По меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки могут образовывать зависимую от поляризации структуру или независимую от поляризации структуру. В вариантах выполнения перестраиваемая линза может иметь круглую форму или прямоугольную форму.

В других аспектах изобретение также относится к системе дополненной реальности или системе виртуальной реальности, содержащей устройство отображения по первому аспекту изобретения.

Краткое описание чертежей

Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объёма настоящего изобретения.

На Фиг. 1 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению;

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению;

На Фиг. 3 схематично проиллюстрирована электродная структура перестраиваемой оптической ячейки согласно варианту выполнения изобретения;

На Фиг. 4 приведён схематичный вид в разрезе двух перестраиваемых оптических ячеек согласно варианту выполнения изобретения;

На Фиг. 5 показана принципиальная схема устройства отображения согласно варианту выполнения изобретения.

На Фиг. 6 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 1.

На Фиг. 7 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 1.

На Фиг. 8 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 2.

На Фиг. 9 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 2.

Осуществление изобретения

Апертура линз и диапазон оптической силы относятся к основным параметрам средств отображения в системах дополненной реальности/виртуальной реальности (AR/VR), которые определяют конфигурацию разрабатываемых в настоящее время систем AR/VR. Системы AR/VR должны обладать большой апертурой линз для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости изображения виртуальных объектов. В недавних известных решениях, в которых был достигнут наибольший размер апертуры, применяется либо дифракционная жидкокристаллическая (LC) линза с множеством фазовых уровней, либо линза Альвареса. Однако линза Альвареса увеличивает общие габариты системы. Что касается дифракционной LC линзы с большой апертурой, то диапазон её оптической силы D ограничен, поскольку чем больше радиус линзы r, тем меньше достижимая оптическая сила D, поскольку:

уравнение (1)

где N_max – максимальное число адресуемых электродов на зону Френеля для перестраиваемой линзы с оптической силой D, радиусом r, длиной волны λ, при этом для периода, с которым размещаются адресуемые электроды и который включает в себя размер электрода и расстояние между электродами, существует технологическое ограничение ΔR, равное сумме минимальной технологически возможной ширины электрода и минимального технологически возможного расстояния между электродами, при этом сумма ширины последнего электрода и расстояния от него до предыдущего электрода должно быть не меньше технологического ограничения.

В соответствии с изобретением устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ.

В предлагаемом изобретении обеспечивается большой размер апертуры линзы (по меньшей мере 20 мм) в сочетании с широким диапазоном оптической силы (в качестве неограничивающего примера, диапазон -4 дптр - +4 дптр), что достигается при помощи сочетания нескольких перестраиваемых оптических ячеек с взаимосвязанными значениями количества электродов в каждой из них.

Для этого в соответствии с изобретением выбирается диапазон оптической силы ( ), который необходимо обеспечить для устройства отображения в системе AR/VR с равным диоптрическим шагом () с использованием линзы с радиусом r и существующим технологическим ограничением для периода электродов . Минимальная дифракционная эффективность выбирается в соответствии с практическими требованиями для оптической системы. На основе выбранной дифракционной эффективности рассчитывается количество фазовых уровней L на одну зону Френеля для данной дифракционной линзы по формуле:

уравнение (2)

Равный диоптрический шаг в соответствии с изобретением обеспечивается следующим образом. Выбирают первую перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой , решают систему неравенств , и находят максимальное значение k₁, с помощью которого рассчитывается максимальная оптическая сила для первой перестраиваемой оптической ячейки , где k₁ – перепад оптических сил, указывающий, во сколько раз максимальная оптическая сила больше минимальной оптической силы для данной линзы. L – количество фазовых уровней на одну зону Френеля для данной линзы. A – постоянная величина, вычисляемая по следующей формуле:

Уравнение (3)

С помощью полученного значения k₁ находят минимальное количество электродов для первой перестраиваемой оптической ячейки. Таким образом, представленный расчет минимальной и максимальной оптических сил для первой перестраиваемой оптической ячейки и минимального количества электродов, необходимого для обеспечения этих оптических сил, полностью определяет первую перестраиваемую оптическую ячейку.

Далее выбирают вторую перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой , решают систему неравенств , и находят максимальное значение для , с помощью которого рассчитывают максимальную оптическую силу для второй перестраиваемой ячейки . Для полученного значения находят минимальное количество электродов на одну зону Френеля , при этом () полностью определяется значениями .

Если вышеупомянутая система неравенств для выбора второй перестраиваемой оптической ячейки не может быть решена, это означает, что требуется большее количество оптических ячеек. Тогда в дополнение к вышеупомянутым двум перестраиваемым оптическим ячейкам выбирают третью перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой , решают систему неравенств , и находят сначала максимальное значение для , а с помощью него и максимальную оптическую силу для второй ячейки , затем максимальное значение для и, соответственно, максимальную оптическую силу для третьей ячейки . С помощью полученных значений и находят минимальное количество электродов на одну зону Френеля для второй перестраиваемой оптической ячейки, а затем минимальное количество электродов на одну зону Френеля для третьей перестраиваемой оптической ячейки.

Согласно изобретению, число перестраиваемых линз, каждая из которых состоит из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может быть выбрано в зависимости от конкретного варианта реализации устройства отображения согласно изобретению в системе дополненной реальности (AR) либо в системе виртуальной реальности (VR). При этом, в качестве неограничивающего примера, для реализации в системе AR/VR может потребоваться по меньшей мере одна перестраиваемая линза. При этом согласно изобретению количество перестраиваемых линз в устройстве отображения не обязательно зависит от необходимости/отсутствия необходимости коррекции зрения, поскольку оптическую силу линзы, перемещающей виртуальное изображение, можно изменить на величину рефракционной ошибки пользователя. Таким образом, согласно изобретению с достижением преимущества исключается необходимость дополнительной линзы, предназначенной именно для коррекции зрения. Тем не менее, в некоторых вариантах выполнения изобретения может быть использована перестраиваемая линза, предназначенная специально для коррекции зрения пользователя, однако следует понимать, что объём изобретения не ограничен такими вариантами выполнения, и в общем случае нет необходимости использования отдельной перестраиваемой линзы именно для этой цели. Ниже будут рассмотрены несколько вариантов выполнения изобретения с одной или двумя перестраиваемыми линзами в применении в системе AR или VR.

В общем случае устройство отображения согласно изобретению содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу. Каждая перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, конфигурация которых определяется в соответствии с принципами, рассмотренными выше. В конкретных вариантах выполнения изобретения число перестраиваемых оптических ячеек в каждой из по меньшей мере одной перестраиваемой линзы и количество электродов в упомянутых перестраиваемых оптических ячейках определяется следующими факторами:

- диапазоном требуемой оптической силы,

- требуемым диоптрическим шагом,

- требуемой дифракционной эффективностью;

- ограничено минимальным технологически возможным периодом электродов.

Как указано выше, число перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению в конкретных вариантах его реализации определяется двумя условиями: 1) применяется ли устройство отображения в системе AR или в системе VR; 2) у пользователя нормальное зрение или нужна его коррекция.

В вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе VR в общем случае необходима по меньшей мере одна перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки. Данная перестраиваемая линза предназначена для переноса изображения виртуальных объектов в требуемом диапазоне оптической силы и с требуемым диоптрическим шагом (т.е. решение проблемы VAC).

В случае, если необходима коррекция зрения пользователя (т.е. зрение пользователя отклоняется от нормального), в вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе AR необходимы по меньшей мере две перестраиваемых линзы, каждая из которых содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки.

В случае, если необходима коррекция зрения пользователя (т.е. зрение пользователя отклоняется от нормального), в вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе VR также необходима по меньшей мере одна перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки. Упомянутая перестраиваемая линза также служит для переноса изображения виртуальных объектов в требуемом диапазоне оптической силы и с требуемым диоптрическим шагом, т.е. для решения проблемы VAC. Однако, в отличие от случая с нормальным зрением пользователя, значение оптической силы используемой по меньшей мере одной перестраиваемой линзы корректируется на величину рефракционной ошибки пользователя.

На Фиг. 1 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения согласно изобретению. Устройство отображения, применяемое в данном примерном варианте выполнения в системе дополненной реальности (AR), содержит по меньшей мере две перестраиваемых линзы для каждого из глаз пользователя. В показанном варианте выполнения устройство отображения содержит первую перестраиваемую линзу и вторую перестраиваемую линзу, обозначенные на Фиг. 1 «LC 1» и «LC 2», соответственно. Источник изображения виртуальных объектов находится на одном конце волновода, другой конец которого соединён с первой и второй перестраиваемыми оптическими ячейками. Оптическое излучение, формирующее изображение виртуальных объектов, передаётся по волноводу от источника изображения виртуальных объектов к первой и второй перестраиваемым линзам. При этом, как видно на Фиг. 1, оптическое излучение выводится из волновода и передаётся через первую перестраиваемую линзу в глаз пользователя. При этом первая перестраиваемая линза по существу может использоваться только для перемещения изображения виртуальных объектов вдоль оптической оси и для устранения конфликта вергенции и аккомодации глаз. Вторая перестраиваемая линза используется для компенсации оптической силы, создаваемой первой перестраиваемой линзой, для обеспечения пользователю возможности наблюдения объектов внешнего (реального) мира без помех и искажений, так же, как если бы пользователь смотрел на внешний мир «невооружённым» глазом, без системы AR.

По меньшей мере одна перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может быть соединена с источником изображений виртуальных объектов посредством волновода. При этом один конец волновода может быть соединён с источником изображений виртуальных объектов, который выдаёт изображения виртуальных объектов с оптической силой D₀=0 (параллельный пучок лучей), а другой конец волновода может быть расположен между первой и второй перестраиваемыми линзами, каждая из которых состоит из по меньшей мере двух оптических ячеек, в результате чего оптическое излучение, формирующее изображение виртуальных объектов, передаваемое посредством волновода, отражается от внутренней поверхности волновода вследствие явления полного внутреннего отражения и проходит через первую линзу, состоящую по меньшей мере из двух перестраиваемых оптических ячеек, в глаз пользователя (см. Фиг. 1).

Модификация варианта выполнения с перестраиваемыми линзами, соединёнными волноводом с источником изображений виртуальных объектов, проиллюстрирована на Фиг. 6. В данном варианте выполнения устройства отображения согласно изобретению в системе AR используются по меньшей мере две перестраиваемых линзы, одна из которых служит для переноса изображения виртуальных объектов на ту же фокальную плоскость, где находится реальный объект внешнего мира (решение проблемы VAC), а вторая перестраиваемая линза служит для корректировки изображения реальных объектов, получаемого из внешнего мира, для обеспечения пользователю возможности наблюдения внешнего мира через систему AR с той же чёткостью и резкостью, что и без системы AR. В данном случае перестраиваемые линзы выбираются и конфигурируются таким образом, чтобы оптическая сила второй перестраиваемой линзы всегда была в точности равна оптической силе первой перестраиваемой линзы, но с обратным знаком. При этом обе из по меньшей мере двух перестраиваемых линз в реализации изобретения в системе AR состоят из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек и, соответственно, сами также являются перестраиваемыми в требуемом диапазоне и при заданных ограничениях. При этом согласно варианту выполнения, проиллюстрированному на Фиг. 6, линза LC1 и линза LC2 имеют оптические силы, равные по модулю, но обратные по знаку, (–D_virt+D_virt=0) Изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее оптической силе линзы LC1. Изображение от внешнего мира воспринимается глазом так, как будто наголовного устройства нет. В данном варианте выполнения не предусматривается коррекция рефракционной ошибки глаз пользователя.

На Фиг. 7 показана модификация данного варианта выполнения, в которой предусматривается коррекция рефракционной ошибки глаз пользователя, то есть по существу коррекция зрения пользователя для обеспечения пользователю возможности наблюдения резких и четких изображений виртуальных объектов и объектов реального мира. В данном варианте выполнения линза LC1 имеет оптическую силу, складывающуюся их двух компонент: одна компонента соответствует оптической силе, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние; вторая компонента соответствует оптической силе, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя. Линза LC2 имеет оптическую силу, равную, но обратную по знаку компоненте оптической силы линзы LC1, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов (-D_virt+D_virt). В результате изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее суммарной оптической силе, состоящей из вышеописанных двух компонент для LC1, причем пользователь видит его четко, поскольку оптическая сила скорректирована с учетом рефракционной ошибки его глаза (-D_virt+D_virt+D_{err_eye}). Изображение от внешнего мира пользователь видит четко, поскольку оптическая сила, соответствующая фокусному расстоянию для изображения от внешнего мира, состоит только из компоненты (D_{err_eye}), необходимой для коррекции рефракционной ошибки пользователя.

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению, в котором устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) также содержит по меньшей мере две перестраиваемых линзы для каждого из глаз пользователя. В показанном варианте выполнения устройство отображения содержит первую и вторую перестраиваемые линзы, обозначенные на Фиг. 2 «LC 1» и «LC 2», соответственно. Источник изображения виртуальных объектов в данном варианте выполнения расположен непосредственно перед первой перестраиваемой линзой, и оптическое излучение, проходящее через первую перестраиваемую линзу, передаётся по волноводу, отражаясь вследствие явления полного внутреннего отражения от внутренней структуры самого волновода, в глаз пользователя.

На Фиг. 8 показана модификация данного варианта выполнения изобретения, в которой Линза LC1 имеет оптическую силу, необходимую для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние. Линзу LC2 можно убрать (или выключить, тогда её оптическая сила равна 0). Поэтому в данном примерном варианте выполнения для применения изобретения в системе AR в случае нормального зрения пользователя требуется по меньшей мере одна перестраиваемая линза, поскольку использование волновода позволяет поместить линзу LC1 не непосредственно перед глазом (что индуцирует дополнительную оптическую силу не только для изображения виртуальных объектов, но и для изображения объектов внешнего мира, и это требует корректировки), а позволяет вынести линзу LC1 за пределы зоны видимости глаза пользователя - перед источником изображений виртуальных объектов, как это изображено на Фиг 2. В результате в данном варианте выполнения изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее оптической силе линзы LC1, а изображение от внешнего мира воспринимается глазом так, как будто наголовного устройства нет (поскольку линза LC2 или отсутствует, или выключена, т.е. оптическая сила линзы LC2 равна 0).

На Фиг. 9 показана модификация варианта выполнения изобретения по Фиг. 2 для случая, когда выполняется коррекция рефракционной ошибки глаза пользователя. В этом варианте выполнения линза LC1 имеет оптическую силу, складывающуюся из двух компонент: одна компонента (D_virt) соответствует оптической силе, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние; вторая компонента (D_{err_eye}) соответствует оптической силе, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя. Линза LC2 имеет оптическую силу, необходимую для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя (D_{err_eye}). В результате изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее суммарной оптической силе, состоящей из вышеописанных двух компонент, причем пользователь видит его четко, поскольку оптическая сила скорректирована с учетом рефракционной ошибки его глаза. Изображение от внешнего мира пользователь также видит четко, поскольку оптическая сила, соответствующая фокусному расстоянию для изображения от внешнего мира, состоит только из компоненты, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя.

Следует отметить, что изобретение имеет преимущество по сравнению с известными решениями из уровня техники, состоящее, в частности, в том, что согласно изобретению исключается необходимость перемещения активной зоны по всей апертуре («сканирования апертуры») какой-либо из линз, в отличие, например, от ближайшего аналога по WO2017216716.

Согласно изобретению, в устройстве отображения для системы AR/VR обеспечивается равный шаг изменения оптической силы ∆ (диоптрический шаг). Δ и L определяют количество электродов N₁ для первой оптической ячейки. N₁ определяет структуру электродов (например, их радиус и ширину).

Структура электродов второй ячейки (их радиус и ширина) определяется значением , которое равно минимальному количеству электродов, необходимых для обеспечения максимального при данных ограничениях перепада оптических сил второй ячейки. При этом значение рассчитывается из значения N₁ для первой ячейки. Это означает, что структура второй ячейки полностью определяется структурой первой ячейки при данных ограничениях и требованиях к оптической системе.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения электроды в каждой перестраиваемой оптической ячейке имеют кольцеобразную форму и расположены концентрически, при этом первый электрод, расположенный в центре, имеет форму круга. Однако возможны и другие формы выполнения электродной структуры, образуемой электродами, например, но не в качестве ограничения, в виде параллельных полос или в виде массива многоугольников. Кроме того, возможно использование электродной структуры любой неправильной формы. Линза с перестраиваемым фокусом, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может иметь прямоугольную, круглую или любую другую пригодную форму апертуры, в зависимости от выбранной формы выполнения электродной структуры. Следует отметить, что форма апертуры линзы не ограничена круглой и прямоугольной, и может также быть, в частности, прямоугольной, многоугольной или криволинейной, т.е. согласно изобретению апертура линзы может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.

Выбор формы электродов связан, в частности, с типом перестраиваемой линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения. Так, например, для формирования сферической перестраиваемой линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, выбирают четыре перестраиваемых оптических ячейки с параллельными электродами в форме полос (для фокусировки света как с x-, так и y-направлением поляризации). Кроме того, для фокусировки света как с x-, так и y-поляризацией также можно выбрать две перестраиваемых оптических ячейки с концентрическими кольцевыми электродами с достижением того же результата, что и в вышеуказанном случае с четырьмя перестраиваемыми оптическими ячейками с электродами в форме полос. В зависимости от различных факторов может быть предпочтителен тот или иной вариант выполнения перестраиваемых оптических ячеек в пределах объёма правовой охраны настоящего изобретения. Так, например, выбор конфигурации перестраиваемых оптических ячеек может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды).

Вариант выполнения изобретения с электродной структурой, содержащей концентрически расположенные кольцевые электроды, будет рассматриваться ниже лишь в качестве неограничивающего примера, при этом специалисту в данной области техники будет понятно, что электродная структура может быть реализована и в других конфигурациях, как перечисленных в настоящем документе в явном виде, так и в прочих, которые не перечислены в явном виде, но также могут быть использованы для реализации принципов настоящего изобретения.

В одном примере электродная структура, состоящая из кольцевых электродов, может быть выполнена в перестраиваемой оптической ячейке, имеющей диаметр апертуры 20 мм. В такой электродной структуре электроды могут образовывать, в качестве неограничивающего примера, 24 зоны Френеля, характеризуемые шириной самого электрода и промежутком (расстоянием, обозначаемым далее в материалах настоящей заявки g) между электродами, в первой из двух перестраиваемых оптических ячеек, и 96 зон Френеля для второй из двух перестраиваемых оптических ячеек.

При этом конфигурация каждой из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек может быть такой, что первая перестраиваемая оптическая ячейка обеспечивает оптическую силу в диапазоне от 0,25 дптр до 1 дптр (для перестраиваемой оптической ячейки с 24 зонами Френеля), а вторая перестраиваемая оптическая ячейка обеспечивает оптическую силу в диапазоне от 1 дптр до 3 дптр (для перестраиваемой оптической ячейки с 96 зонами Френеля), при этом диапазон оптической силы двух оптических ячеек в сумме составляет 4 дптр. Использование двух перестраиваемых оптических ячеек обеспечивает преимущество, состоящее в том, что вместе они обеспечивают равный диоптрический шаг в пределах всего обеспечиваемого ими диапазона оптических сил, показанного выше.

Первая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух таких перестраиваемых оптических ячеек может использоваться для передачи изображений виртуальных объектов в область обзора системы AR/VR, при необходимости сохраняя возможность наблюдения пользователем реального мира (в случае системы AR), а вторая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух таких перестраиваемых оптических ячеек, может использоваться коррекции положения изображения, получаемого от внешнего/реального мира (в случае системы AR), в результате чего пользователь видит «в фокусе» резкое изображение как реального мира, так и изображение объектов виртуального мира, передаваемое в поле зрения пользователя (см. Фиг. 1, 6, 7).

В другом варианте выполнения первая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, находится со стороны источника изображения и перед волноводом. Лучи распространяются от источника изображения через первую перестраиваемую линзу и проходят через волновод в глаз пользователя. Вторая перестраиваемая линза при этом находится с противоположной стороны от волновода в области видимости глаза пользователя (см. Фиг. 2, 8, 9).

Тем не менее, использование волновода для передачи оптического излучения, формирующего изображение виртуальных объектов, от источника изображений виртуальных объектов к первой перестраиваемой линзе, состоящей из по меньшей мере двух оптических ячеек, или между первой перестраиваемой линзой и второй перестраиваемой линзой не является обязательным для всех вариантов выполнения, и предлагаемое изобретение может быть реализовано и без использования такого волновода. Например, может использоваться светоделитель для разделения световых лучей от внешнего мира и от источника виртуальных изображений. В другом варианте выполнения источник изображений виртуальных объектов может быть расположен непосредственно перед первой перестраиваемой линзой.

В любом варианте выполнения между перестраиваемыми оптическими ячейками, составляющими каждую перестраиваемую линзу, отсутствует какой-либо воздушный зазор. Кроме того, следует отметить, что количество используемых перестраиваемых оптических в перестраиваемой линзе согласно изобретению не обязательно ограничено двумя. Две перестраиваемых оптических ячейки составляют минимальное количество ячеек согласно данному изобретению. В других вариантах выполнения для решения конкретных задач (например, расширения диапазона оптической силы, увеличения числа ступеней коррекции оптической силы и т.п.) может быть использовано и большее количество перестраиваемых оптических ячеек. Используемые перестраиваемые оптические ячейки могут быть объединены в наборы (стеки), образующие линзы, при этом сформированные линзы расположены так, как показано выше для двух вариантов выполнения с использованием оптического волновода.

Одна или более перестраиваемых оптических ячеек по меньшей мере в одном наборе перестраиваемых оптических ячеек может быть выполнена в зависящей или не зависящей от поляризации падающего света конфигурации. Например, зависящая от поляризации конфигурация может использоваться в перестраиваемой оптической ячейке, в которой проводники выполнены в виде параллельных полос. Например, первая перестраиваемая оптическая ячейка в стеке может иметь вертикальное расположение электродов, а вторая перестраиваемая оптическая ячейка в стеке может иметь горизонтальное расположение электродов, при этом для фокусировки света с поляризацией вдоль оси X может использоваться ячейка с направлением директора вдоль той же самой оси X, а для фокусировки света с поляризацией вдоль оси Y – ячейка с направлением директора вдоль оси Y.

Специалистам в данной области техники будут очевидны различные средства и методы фокусировки поляризованного или неполяризованного света. В качестве примера, схема для фокусировки света раскрыта в источнике Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. – International Society for Optics and Photonics, 2003. – Т. 4987. – С. 209-220.).

В общем случае свет может фокусироваться в линию (например, посредством цилиндрической линзы) или в точку (например, посредством сферической линзы). В контексте настоящего изобретения, в качестве неограничивающего примера, для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y может использоваться цилиндрическая линза.

При этом в варианте выполнения, в котором электродная структура образована полосовыми электродами, для фокусировки такого света нужно использовать одну перестраиваемую оптическую ячейку с параллельными полосовыми электродами, в которой направление электродов соответствует направлению линии фокусировки, причем направление директора в ячейке параллельно оси, вдоль которой поляризован падающий свет (например, оси Y).

В случае с неполяризованным светом при использовании цилиндрической линзы в варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована полосовыми электродами, для фокусировки света необходимо использовать две перестраиваемых оптических ячейки с параллельными друг другу полосовыми электродами, при этом направление электродов на одной перестраиваемой оптической ячейке должно быть параллельно направлению электродов на второй перестраиваемой оптической ячейке, и это направление должно совпадать с направлением линии, вдоль которой нужно фокусировать свет. При этом направление директора в одной перестраиваемой оптической ячейке параллельно оси X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), а направление директора второй перестраиваемой оптической ячейки параллельно оси Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).

При использовании сферической линзы для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y, в варианте выполнения изобретения, в котором используется электродная структура, образованная полосовыми электродами, необходимо использовать для фокусировки света две перестраиваемых оптических ячейки, обе с параллельными полосовыми электродами, но направление электродов в одной перестраиваемой оптической ячейке должно быть перпендикулярно направлению электродов во второй перестраиваемой оптической ячейке (чтобы фокусировать свет по обеим осям, т.е. в точку). Направление электродов должно быть параллельно линии, в которую фокусирует падающий свет каждая отдельно взятая перестраиваемая оптическая ячейка с полосовыми электродами. При этом каждая перестраиваемая оптическая ячейка имеет направление директора, соответствующее направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).

В варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y с использованием сферической линзы необходима одна перестраиваемая оптическая ячейка, при этом направление директора этой ячейки должно быть параллельно направлению поляризации падающего света (ось Y).

Для фокусировки неполяризованного света посредством сферической линзы в варианте выполнения изобретения, в котором используется электродная структура с полосовыми электродами, необходимы четыре перестраиваемых оптических ячейки, при этом в каждых двух перестраиваемых оптических ячейках из упомянутых четырёх полосовые электроды должны быть параллельны, но направление электродов в одной перестраиваемой оптической ячейке из каждых двух должно быть перпендикулярно направлению электродов во второй перестраиваемой оптической ячейке. Направление электродов должно быть параллельно линии, в которую фокусирует падающий свет каждая отдельно взятая перестраиваемая оптическая ячейка с полосовыми электродами, при этом из четырёх перестраиваемых оптических ячеек две должны иметь направление директора, соответствующее направлению X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), и две должны иметь направление директора, соответствующее направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).

В варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света посредством сферической линзы необходимы две перестраиваемых оптических ячейки: одна с направлением директора, параллельным направлению X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), а вторая с направлением директора, параллельным направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).

Следует отметить, что выше рассмотрены лишь некоторые варианты реализации фокусировки света в устройстве отображения согласно изобретению с использованием оптических ячеек с электродной структурой, образованной полосовыми электродами, и электродной структурой, образованной кольцевыми электродами. При этом специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты выполнения, в частности, для случаев, когда электродная структура образована электродами в других возможных конфигурациях. Все такие варианты выполнения, как описанные в явном виде, так и очевидным образом следующие из сведений, раскрытых в настоящем документе, включены в объём правовой охраны настоящего изобретения.

Воздействие электродов в электродных структурах перестраиваемых оптических ячеек на ориентацию жидких кристаллов (поляризацию) и их влияние на оптическую силу перестраиваемой линзы, содержащей по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, состоит в следующем. Приложенное к электроду напряжение изменяет ориентацию жидкого кристалла, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку вдоль всей поверхности перестраиваемой оптической ячейки согласно изобретению расположены электроды, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует фазовому профилю линзы с требуемой оптической силой. Переход от профиля напряжений к профилю фазы производится с использованием зависимости фазы от напряжения, наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. – John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. – Elsevier, 2011).

Согласно изобретению, предложено устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), которое содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу для каждого из глаз пользователя. Упомянутая перестраиваемая линза образована по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками. В случае, если количество используемых перестраиваемых оптических ячеек больше 2, могут использоваться наборы (стеки) перестраиваемых оптических ячеек. Между по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками отсутствует какой-либо воздушный зазор. В частности, в одном неограничивающем примерном варианте выполнения число перестраиваемых оптических ячеек составляет 6, что является максимальным пригодным количеством перестраиваемых оптических ячеек в применении в системе дополненной реальности AR с линзой толщиной 1,5 мм. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения перестраиваемая линза является тонкой, при этом количество перестраиваемых оптических ячеек также зависит от толщины используемой подложки для электродной структуры в перестраиваемых оптических ячейках.

Следует отметить, что оптическая сила, обеспечиваемая такой перестраиваемой линзой, прямо пропорциональна количеству используемых перестраиваемых оптических ячеек, однако увеличение количества используемых перестраиваемых оптических ячеек отрицательно сказывается на других параметрах предлагаемого устройства, увеличивая его вес, габариты и стоимость.

Ниже изобретение будет более подробно пояснено на примерном варианте выполнения, в котором в каждой из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек используются концентрически расположенные кольцевые электроды. В рассматриваемом примерном варианте выполнения изобретения диаметр линзы с перестраиваемым фокусом, образуемой по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками, равен 20 мм, однако данное значение диаметра не следует рассматривать как предпочтительное либо как ограничивающее объём изобретения.

Как указано выше, линза с перестраиваемым фокусом, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, согласно изобретению обеспечивает максимальную оптическую силу D^max=4 дптр (4 диоптрии) с шагом Δ=0,25 дптр. Данное значение максимальной оптической силы также не следует рассматривать как предпочтительное либо как ограничивающее объём изобретения. В рассматриваемом примерном варианте выполнения реализуется дифракционная эффективность линзы η(L)=81,1% при количестве фазовых уровней на зону Френеля L=4. Радиус линзы с перестраиваемым фокусом r=10 мм. Для периода электродов в электродной структуре каждого из по меньшей мере двух наборов (стеков) перестраиваемых оптических ячеек установлено технологическое ограничение, в соответствии с которым период ΔR, равный размеру электрода + расстоянию между электродами (ниже указываемому в математических выражениях символом g), составляет 4 мкм, при этом расстояние между электродами равно 1 мкм. Тогда для вышеуказанных параметров линзы, с учётом упомянутой дифракционной эффективности линзы η(L), (см. Уравнение 3).

В данном варианте выполнения для каждой из двух перестраиваемых оптических ячеек количество электродов в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки рассчитывается по следующему принципу. Для первой перестраиваемой оптической ячейки количество электродов N₁ на одну зону Френеля и перепад оптических сил можно получить из следующей системы неравенств:

Уравнение (4)

В данную систему неравенств подставляют известные значения L, , рассчитывают значение константы A и решают систему путем нахождения максимально возможного (для создания оптимальной перестраиваемой оптической ячейки необходимо обеспечить максимально возможный при данных ограничениях перепад оптических сил). Для этого значения находят минимальное значение (для создания оптимальной перестраиваемой оптической ячейки необходимо найти минимальное количество электродов, которые обеспечивали бы данный перепад оптических сил). Далее значение необходимо для нахождения параметров и второй ячейки, а значение необходимо для расчета радиусов и ширины кольцевых электродов первой перестраиваемой оптической ячейки.

Для второй перестраиваемой оптической ячейки количество электродов N₂ в электродной структуре можно получить из следующей системы неравенств:

Уравнение (5)

В систему неравенств для второй ячейки подставляют найденное значение и заданное значение , и решают эту систему путем нахождения максимально возможного (максимального при данных ограничениях для второй перестраиваемой оптической ячейки). Для этого значения находят минимальное значение (равное минимальному количеству электродов, необходимых для обеспечения данного перепада оптических сил). Значение необходимо для расчета радиусов и ширины кольцевых электродов второй перестраиваемой оптической ячейки.

Далее, радиусы кольцевых электродов рассчитываются для первой и второй перестраиваемых оптических ячеек в данном варианте выполнения изобретения следующим образом. Общий подход к расчету радиусов концентрических электродов раскрыт, например, в источнике Li G. et al. Switchable electro-optic diffractive lens with high efficiency for ophthalmic applications //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2006. – Т. 103. – №. 16. – С. 6100-6104.

Для каждого электрода с номером (m_i; n_j) вычисляется следующее. В первом наборе перестраиваемых оптических ячеек:

,

Уравнение (6)

Уравнение (7)

где r^int – внутренний радиус, а r^ext – соответственно, внешний радиус проводника с номером (m_i; n_j), m_i – номер зоны Френеля, n_j - номер электрода в одной зоне Френеля (в каждой зоне Френеля своя нумерация электродов, т.е. в первой зоне Френеля электроды 1, 2, 3,…, во второй зоне Френеля электроды 1, 2, 3 … и т.п.); - максимальное количество зон Френеля для ячейки с радиусом r, обеспечивающей диоптрический шаг на длине волны излучения ; - количество электродов на одну зону Френеля для первой перестраиваемой оптической ячейки; λ – длина волны падающего излучения, g – расстояние между проводниками.

Ширина кольцевых электродов для первой перестраиваемой оптической ячейки рассчитывается согласно следующей формуле:

Уравнение (8)

Для второй перестраиваемой оптической ячейки те же параметры рассчитываются в соответствии со следующими формулами.

Уравнение (9)

Уравнение (10)

Уравнение (11)

В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре каждой из перестраиваемых оптических ячеек могут быть выполнены из оксида индия-олова (ITO). В других вариантах выполнения электроды могут быть выполнены из других прозрачных проводящих материалов, широко известных специалистам в данной области техники (например, оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка).

Согласно изобретению, в качестве оптически активного материала в перестраиваемых оптических ячейках могут использоваться жидкие кристаллы (в таком случае перестраиваемые оптические ячейки можно называть перестраиваемыми жидкокристаллическими ячейками) или полимерные гели. Конкретные примеры оптически активных материалов, пригодных для применения в соответствии с изобретением, будут очевидны специалистам в данной области техники на основании сведений, приведённых в настоящем описании. Изобретение описано на примере жидкокристаллических перестраиваемых оптических ячеек, однако его принципы в равной степени применимы и к оптическим перестраиваемым ячейкам на основе полимерных гелей и других оптически активных материалов.

В жидкокристаллических перестраиваемых оптических ячейках согласно изобретению упомянутая «перестройка» фокуса осуществляется при помощи электродов, составляющих электродную структуру в каждой перестраиваемой оптической ячейке. Механизм «перестройки» электродов основан на двух принципах.

В соответствии с первым принципом, реализован автоматический выбор адресуемых электродов, т.е. тех электродов в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки, на которые подается соответствующее им напряжение. Автоматический выбор адресуемых электродов связан с выбором требуемой оптической силы. Оптическая сила зависит от числа зон Френеля, т.е. адресуемые электроды выбираются в зависимости от количества и расположения активируемых ими зон Френеля.

В соответствии со вторым принципом, значение напряжений, подаваемых на электроды, определяется из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала (т.е. такого, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света). При выборе оптически активного материала перестраиваемой оптической ячейки необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал света от напряжения на электродах электродной структуры. Тогда, чтобы симулировать внесение определенной оптической силы, нужно приложить напряжения на электроды таким образом, чтобы профиль задержки фазы выходящего света соответствовал тому же от идеальной тонкой линзы с такой же оптической силой. Весь этот процесс можно автоматизировать стандартными алгоритмами, хорошо известными в данной области техники (более подробно см., например, в источнике US20150277151 (опубликован 01.10.2015, Optica Amuka (A.A.) LTD)).

Количество зон Френеля в примерном варианте выполнения изобретения составляет 24 кольцевых зоны для первой перестраиваемой оптической ячейки (m_d1= 24) и 96 для второй перестраиваемой оптической ячейки (m_d2= 96). Количество фазовых зон для обеих перестраиваемых оптических ячеек составляет L=4. Максимальная оптическая сила для первой перестраиваемой оптической ячейки составляет 1 диоптрию, максимальная оптическая сила для второй перестраиваемой оптической ячейки составляет 3 диоптрии, что обеспечивает суммарную максимальную оптическую силу для линзы в 4 диоптрии.

В первой перестраиваемой оптической ячейке каждая зона Френеля включает в себя 24 кольцевых электрода (N₁=24), а во второй перестраиваемой оптической ячейке каждая зона Френеля включает в себя 12 кольцевых электродов (N₂=12). Таким образом, в рассматриваемом примерном варианте выполнения изобретения в электродной структуре первой перестраиваемой оптической ячейки имеется 576 электродов, а в электродной структуре второй перестраиваемой оптической ячейки имеется 1152 электрода. Следует отметить, что вышеуказанные параметры получены для конкретного примерного варианта выполнения изобретения и не должны рассматриваться как предпочтительные или как ограничивающие объём настоящего изобретения.

Кроме того, как показано на Фиг. 4, перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, содержит подложку, относящуюся к первой перестраиваемой оптической ячейке, общую подложку для первой и второй перестраиваемых оптических ячеек, расположенную между упомянутыми перестраиваемыми оптическими ячейками, причём по обе стороны к этой общей подложке примыкают сплошные электроды каждой из первой и второй перестраиваемых оптических ячеек, которые представляют собой простое покрытие из прозрачного в видимом диапазоне проводника, (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.), и подложку, относящуюся ко второй перестраиваемой оптической ячейке. Как видно из вышеуказанных расчётов, в отношении верхней подложки для каждого смежного с ней электрода с номером m_i;n_j параметры рассчитываются следующим образом. Для каждого электрода с номером зоны Френеля m_j=1, ..., m_d1, где , и порядковым номером в пределах одной зоны Френеля n_j=1, …, N₁, внутренний и внешний радиусы рассчитываются в соответствии со следующей формулой:

Уравнение (12)

При этом в рассматриваемом варианте выполнения первый электрод имеет форму круга с внешним радиусом .

Для кольцевых электродов, относящихся к подложке первой перестраиваемой оптической ячейки (с номером, отличным от 1, применяется следующее выражение:

Уравнение (13)

Что касается подложки, относящейся ко второй оптической ячейке, то для каждого смежного с ней электрода с номером (m_i; n_j) параметры рассчитываются следующим образом. Для первого электрода с номером m_j=1, …, m_d2, , и n_j=1, …, N₂, где N₂ определяется из уравнения (5), внутренний и внешний радиусы рассчитываются в соответствии со следующей формулой:

Уравнение (14)

Для кольцевых электродов, относящихся к подложке второй перестраиваемой оптической ячейки, применяется уравнение (11), указанное выше.

Материал подложки в перестраиваемых оптических ячейках согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложки согласно изобретению находится в диапазоне 3-200 мкм. Значения толщины электродов, наносимых на подложку, находятся в диапазоне 30-200 нм в зависимости от выбранного материала электрода (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Принципы выбора толщины подложки и электродов на основании материала электрода и подложки в конкретных вариантах реализации изобретения хорошо известны в данной области техники.

Электроды в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки согласно изобретению могут располагаться по слоям (в качестве примера, но не ограничения, в 2-3 слоя, чтобы обеспечить малое расстояние между электродами (1-3 мкм)). Толщина подложки имеет значение лишь при использовании большого количества перестраиваемых оптических ячеек, поскольку общая толщина перестраиваемой линзы в целом зависит только от толщины подложки (по сравнению с толщиной электродов).

Как показано на Фиг. 5, устройство отображения для системы AR/VR содержит по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, который может блокировать для пользователя обзор внешнего мира (в применении в системе виртуальной реальности, VR) или обеспечивать пользователю наблюдение внешнего мира, т.е. быть по существу прозрачным (в применении в системе дополненной реальности, AR). В последнем случае устройство отображения обеспечивает пользователю возможность наблюдения внешнего мира и изображений виртуальных объектов, «наложенных» на картину внешнего мира, при этом достигается одинаковая резкость изображений, и видимое «положение» изображений виртуальных объектов для пользователя совпадает с положением соответствующих объектов внешнего, реального мира. В вариантах выполнения, в которых устройство отображения согласно изобретению реализовано в системе дополненной реальности (AR), дисплей может быть выполнен из материалов, прозрачных в видимом диапазоне, таких как стекло, пластик, кварц. Упомянутые материалы приведены лишь в качестве неограничивающего примера, и специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие материалы и технологии, с использованием которых может быть реализован дисплей в устройстве отображения согласно изобретению при его применении в системе AR.

В вариантах выполнения, в которых устройство отображения согласно изобретению реализовано в системе виртуальной реальности (VR), дисплей для отображения изображения виртуальных объектов может быть выбран из группы, содержащей оптический дисплей (LCD), органический светодиод (OLED), неорганический светодиод (ILED), активную матрицу на органических светодиодах (AMOLED), прозрачный органический светодиод (TOLED), дисплеи на квантовых точках (QOLED, QLED) и т.п. Упомянутые варианты реализации дисплея приведены лишь в качестве неограничивающего примера, и специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие варианты реализации дисплея в устройстве отображения согласно изобретению при его применении в системе VR.

Следует отметить, что как в вариантах выполнения изобретения для использования в системе AR, так и в вариантах выполнения для использования в системе VR может использоваться один дисплей или несколько дисплеев (например, по одному дисплею для каждого глаза пользователя).

При этом использование перестраиваемой линзы, содержащей по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, как описано выше, позволяет не только отображать объекты виртуального мира (при необходимости вместе с внешним миром) с необходимой глубиной резкости в поле зрения пользователя, но и при необходимости также корректировать зрение пользователя (например, в случае близорукости/дальнозоркости, пресбиопии и т.п.). По существу, по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки играют роль, схожую с ролью хрусталика и роговицы глаза, при этом к возможности «динамической перестройки» аналога хрусталика (в процессе аккомодации) глаза добавляется возможность «динамической перестройки» аналога роговицы (что отсутствует у человеческого глаза, однако предусмотрено, например, в структуре глаза ряда хищных птиц, таких как, например, краснохвостый ястреб, у которых может изменяться форма роговицы). По существу, первая перестраиваемая оптическая ячейка (или первый набор перестраиваемых оптических ячеек, в зависимости от варианта выполнения) обеспечивает «грубую подстройку» аккомодации глаза в пределах одной диоптрии, а вторая перестраиваемая оптическая ячейка (или второй набор перестраиваемых оптических ячеек, в зависимости от варианта выполнения) обеспечивает «тонкую подстройку» в пределах трёх диоптрий, что в сумме даёт оптическую силу в , то есть покрывает весь диапазон оптической силы, обеспечиваемый перестраиваемой линзой согласно изобретению. При этом устраняется конфликт вергенции и аккомодации глаз пользователя и обеспечивается возможность наблюдения пользователем изображения виртуальных объектов, при необходимости вместе с изображением внешнего мира, без дискомфорта для пользователя.

Выше описан примерный вариант выполнения устройства отображения согласно изобретению. Устройство отображения может входить в состав систем AR/VR различного назначения, которые могут быть реализованы, например, в виде шлема виртуальной или дополненной реальности, интеллектуальных очков, гарнитуры или наголовного устройства. В различных вариантах реализации устройство отображения согласно изобретению может содержать перестраиваемую линзу для одного глаза пользователя или по одной перестраиваемой линзе для каждого из глаз пользователя, в зависимости от конкретной конфигурации системы AR/VR, в которой применяется устройство отображения согласно изобретению.

Следует отметить, что перестройка фокуса перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению может осуществляться под управлением различных программных и/или аппаратных средств через регулировку напряжений, подаваемых на адресуемые электроды в электродной структуре соответствующих перестраиваемых оптических ячеек, образующих перестраиваемые линзы. В качестве примера, для управления перестройкой фокуса перестраиваемых линз могут применяться один или более процессоров, интегральных схем и т.п., предусмотренных специально для этой цели или входящих в систему AR/VR, в которой применяется устройство отображения, и реализующих данную функцию наряду с другими функциями в рамках работы системы AR/VR. Один или более процессоров могут управлять перестройкой фокуса перестраиваемых линз под управлением программного обеспечения, сохранённого на машиночитаемом носителе и/или распространяемого посредством известных технологий проводной и/или беспроводной передачи данных. Программное обеспечение может быть реализовано на любом подходящем языке программирования и/или в виде исполняемого машинного кода, и может сохраняться в памяти системы AR/VR или на внешнем носителе, в том числе удалённом от системы AR/VR, который может быть соединён с системой AR/VR посредством известных сетей передачи данных. Все известные варианты реализации одного или более процессоров, компьютерной программы и машиночитаемого носителя, пригодные для осуществления управления перестройкой фокуса перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению, подразумеваются включёнными в объём правовой охраны настоящего изобретения.

Управление фокусом перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению может осуществляться на основании различных входных данных, среди которых, как очевидно специалистам в данной области техники, могут быть, в частности, данные изображений виртуальных объектов, демонстрируемых пользователю системы AR/VR и выдаваемых источником изображений виртуальных объектов под управлением одного или более процессоров, данные пользовательского ввода, данные, относящиеся к характеристикам зрения пользователя, а также данные одного или более датчиков, входящих в систему AR/VR, и/или данные из внешних источников, передаваемые в систему AR/VR посредством любых известных проводных и/или беспроводных сетей передачи данных.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приёмов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведённое выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объёма правовой охраны настоящего изобретения.

Другие варианты выполнения, которые могут входить в объём настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведённого описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объём настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведённые и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путём ссылки, насколько это применимо.

При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нём могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объёма настоящего изобретения, который определяется только нижеприведённой формулой изобретения и её эквивалентами.

Изобретение относится к области систем дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), а именно к регулировке фокуса изображения в средствах отображения. Устройство отображения для системы AR/VR содержит по меньшей мере один источник изображений виртуальных объектов, по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую линзу. Последняя содержит по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки, каждая из которых содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ. Технический результат состоит в возможности быстрой регулировки фокусного расстояния перестраиваемой линзы с заданным диоптрическим шагом в пределах широкого диапазона оптической силы линзы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), содержащее:

по меньшей мере один источник изображений виртуальных объектов,

по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов,

по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки;

причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ.

2. Устройство по п. 1, в котором упомянутый диоптрический шаг Δ составляет 0,25 дптр.

3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере два набора перестраиваемых оптических ячеек.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую линзу.

5. Устройство по п. 3, дополнительно содержащее оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первый набор перестраиваемых оптических ячеек и второй набор перестраиваемых оптических ячеек, при этом оптический волновод находится между первым набором перестраиваемых оптических ячеек и вторым набором перестраиваемых оптических ячеек.

6. Устройство по п. 5, в котором первый набор перестраиваемых оптических ячеек находится перед источником изображений виртуальных объектов.

7. Устройство по п. 5, в котором первый набор перестраиваемых оптических ячеек находится перед глазом пользователя.

8. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит концентрические кольцевые электроды, причем центральный электрод выполнен в форме круга.

9. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит электроды, выполненные в виде параллельных полос, расположенных горизонтально или вертикально.

10. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит электроды, выполненные в виде массива многоугольников.

11. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки расположены смежно без зазора между ними.

12. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки образуют зависимую от поляризации структуру.

13. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки образуют независимую от поляризации структуру.

14. Устройство по п. 1, в котором перестраиваемая линза имеет круглую форму.

15. Устройство по п. 1, в котором перестраиваемая линза имеет прямоугольную форму.

16. Система дополненной реальности (AR), содержащая устройство отображения по любому из пп. 1-15.

17. Система виртуальной реальности (VR), содержащая устройство отображения по любому из пп. 1-15.