УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДОВ СО СТРУКТУРОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК, УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ СТРУКТУРЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК Российский патент 2021 года по МПК G02B27/01 G02B5/18 G02C7/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, выполненным на основе голографических оптических элементов, и к способам их изготовления и функционирования.

Описание предшествующего уровня техники

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны.

К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:

- широкое поле зрения, чтобы человеческий глаз мог охватить всю область, которую он видит, возможность накладывания виртуальных изображений на большую область;

- хорошее качество изображения, высокое разрешение, высокий контраст и т.д.;

- малый вес;

- компактность;

- низкая стоимость;

- высокое разрешение, высокий контраст и т.д.

При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Существуют разные подходы для достижения предъявляемых требований. Одни подходы могут обеспечить широкое поле зрения, но не могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Другие подходы могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, но не могут обеспечить широкое поле зрения. Необходимо отметить, что классические системы, в которых не применяется мультиплицирование выходного зрачка, имеют вводящую и выводящую решетки (голографическую (HOE) или дифракционную(DOE)). Схематически такие системы работают следующим образом. Проектор формирует изображение в бесконечности, формируя параллельные пучки, при этом в выходном зрачке проектора помещают вводную голограмму или вводной дифракционный элемент, расположенный на волноводе, за счет дифракции на таком элементе параллельные пучки, не нарушая своей параллельности, вводятся в волновод, за счет полного внутреннего отражения пучки распространяются в волноводе и попадают на выводной дифракционный элемент (HOE/DOE). В известном уровне техники используется только один порядок дифракции излучения, прошедшего дифракционную решетку, кроме того, в известных устройствах вводные и выводные решетки используются только в одной плоскости, поэтому вводное широкое поле на выводе превращается в узкую картинку, которую не вполне комфортно рассматривать, поскольку, если зрачок глаза смотрит вперед отчетливо видно только центральное поле изображения, тогда как части изображения, расположенные по краям представляют собой темную область, а если зрачок глаза сместится в вертикальном направлении, то наоборот центральная часть будет представляться темной областью. То есть в известных классических системах пользователь может видеть только узкую полоску изображения.

Увеличение поля зрения приводит к увеличению габаритов и массы системы.

В известных системах может использоваться волновод, элемент ввода изображения, размножающий элемент, элемент вывода изображения. За счет размножающего элемента увеличиваются габаритные размеры всего устройства, в том числе масса устройства, при этом размножающая голограмма, как таковая не участвует в построении изображения, но улучшает его качество и увеличивает поле движения глаз. Для решения проблемы увеличения поля зрения в известных системах используется сложная волноводная структура, содержащая 3 или более дифракционных элемента. Кроме того, для изготовления подходящих рельефно-фазовых дифракционных элементов (DOE) требуется сложный производственный процесс, который имеет высокий процент брака, и соответственно высокую себестоимость конечного продукта. Поскольку необходимо использовать несколько отдельных элементов для ввода излучения, расширения выходного зрачка и вывода излучения, устройство получается достаточно громоздким и тяжелым.

При использовании голографических дифракционных элементов (HOE) проблемой является низкая эффективность записывающих материалов, таких как фотополимер. Этим материалам не хватает значений показателя преломления (n) и изменения показателя преломления (Δn) материала HOE или DOE для обеспечения высокой эффективности, широкой угловой селективности и хорошей однородности изображения в тонком слое для обеспечения широкого поля зрения. Как известно из уровня техники - n - показатель преломления материала HOE или DOE, причем чем больше n, тем большее угловое поле может пройти через волновод, Δn - изменение показателя преломления, причем периодическое изменение показателя преломления создает дифракционную решетку. Для рельефно-фазовых дифракционных решеток изменение показателя преломления считается как разность показателя преломления материала и воздуха и составляет величину более 0.3. Для голографических дифракционных решеток (НОЕ) Δn обеспечивается массопереносом материалов с более высоким показателем преломления внутри (в толще) материала и соответственно в несколько раз ниже, чем у DOE. Величина Δn определяет максимальную дифракционную эффективность при фиксированной толщине материала, чем больше величина Δn, тем больше эффективность. Теоретически высокую дифракционную эффективность можно получить при толстом слое материала и относительно низком Δn, однако при этом ухудшается угловая селективность решетки и соответственно уменьшается поле зрения. Поэтому идеальным материалом для HOE является тонкий материал (0.5-2 мкм) с высоким показателем преломления и Δn, однако таких материалов на сегодняшний день не существует.

Итак, в известном уровне техники увеличение числа дифракционных решеток приводит к увеличению размера волновода или к увеличению количества волноводов.

Необходимо, чтобы все лучи, введенные в волновод за счет полного внутреннего отражения, не выходили за его пределы. Но поскольку показатель преломления среды ограничен, то есть существует предельный угол внутреннего отражения, который ограничивает поле зрения, поэтому важен такой показатель, как угловая селективность дифракционных элементов.

Из уровня техники, документ CN104076620 (дата публикации 01.10.2014), известно устройство и способ экспонирования объемной голограммы за один этап. Для этого луч лазерного света, излучаемый лазерным излучателем, разделяется на три луча или множество лучей с помощью светоделителей и экспонируется одновременно одним отражающим зеркалом или множеством отражающих зеркал каждой ветви светового тракта. Лазерное излучение отражается множеством отражающих зеркал, причем углы отражения множества отражающих зеркал модулируются для модуляции направлений множества световых лучей. Объемная голограмма фотоактивного вещества вводится во множестве определенных направлений, чтобы экспонировать объемную голограмму фотоактивного вещества и образовывать стереорешетку. При использовании одного процесса экспонирования сформированная решетка объемной голограммы может использоваться для достижения определенной селективности длины волны и угла дифракции падающего света. Недостатки известного решения состоят в том, что используется три луча, два и более светоделителя, а также нет контроля мощности.

Из уровня техники, документ US7618750 (дата публикации 17.11.2009), известен способ изготовления голографического оптического элемента с использованием листа. Лист для записи голограммы в соответствии с известным решением состоит из пленки и материалов, чувствительных к разным длинам волн, формирующих в них желаемый узор, или пленки и по меньшей мере двух материалов, чувствительных к записи голограммы, чувствительных к областям с разной длиной волны, ламинированных на пленке с прозрачным пластиковым разделительным слоем, расположенным между ними, что позволяет записывать необходимые длины волн дифракционного света на требуемых участках без создания ненужных интерференционных полос. Недостатки известного решения состоят в том, что HOE разделены по цветам, такие решетки не могут обеспечить расширение и умножение выходного зрачка в разных направлениях.

Из уровня техники известна система Microsoft ‘Hololens’ solution (доступно в Интернет: https://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens) очков дополненной реальности, в которой решается проблема узкого поля зрения. В первом варианте такой известной системы для каждого глаза используется своя проекционная система, в которой используется вводная дифракционная решетка, поворотная решетка (или первая размножающая решетка), которая размножает излучение, частично поворачивает в область выводной решетки, далее излучение распространяется вдоль размножающей решетки и попадает на выводную дифракционную решетку, где формируется широкое поле изображения, благодаря которому глаз воспринимает изображение не в узкой области, а имеет более комфортное широкое поле при движении и рассматривании. Однако известная система имеет сложную конструкцию, поскольку используются три дифракционные решетки. Кроме того, размножающая дифракционная решетка сложна в изготовлении, то есть система в целом сложна в изготовлении, поскольку угол поворота штрихов размножающей решетки должен составлять ровно 45° относительно вводной и выводной дифракционных решеток. Процесс изготовления известной системы является сложным и дорогим, поскольку при изготовлении таких систем наблюдается большой процент выхода бракованных изделий.

Вторая версия известной системы Microsoft ‘Hololens’ solution (доступно в Интернет по адресам https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware и https://en.wikipedia.org/wiki/HoloLens_2) отличается от первой версии тем, что применяется только один общий проектор для двух глаз, который пользователь располагает между глазами. В такой реализации известной системы поле зрения имеет ограничения по двум направлениям, поскольку штрихи вводной и выводной дифракционной решетки должны быть перпендикулярны друг другу. Поэтому при вводе излучения поле зрения ограничивается по горизонтали, а при выводе излучения поле зрения ограничивается по вертикали, то есть исходное изображение срезается как по бокам, так и сверху, и снизу.

Необходимо разработать простое в изготовлении, компактное и легкое устройство для отображения дополненной реальности с широким полем зрения и с минимальными потерями излучения

Сущность изобретения

Предлагается устройство записи структуры голографических дифракционных решеток, содержащее источник излучения; светоделитель, выполненный с возможностью разделения излучения на первый пучок излучения и второй пучок излучения; причем по ходу первого пучка излучения расположены: расширитель первого пучка излучения, первое зеркало; первый амплитудный фильтр; равнобедренная треугольная призма; причем первый амплитудный фильтр расположен таким образом, что через него проходит только одна часть первого пучка излучения, образуя первый объектный пучок, а другая часть первого пучка излучения проходит от первого зеркала к равнобедренной треугольной призме, образуя опорный пучок; причем равнобедренная треугольная призма расположена таким образом, что опорный пучок, падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, первый объектный пучок падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; причем по ходу второго пучка излучения расположены: расширитель второго пучка излучения; второе зеркало; второй амплитудный фильтр; треугольная призма; причем треугольная призма расположена таким образом, что второй пучок излучения, пройдя второй амплитудный фильтр, и образуя второй объектный пучок, падает на грань треугольной призмы и преломляется к смежной грани треугольной призмы, параллельной грани равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника; причем материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, расположен между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы. Причем структура дифракционных решеток представляет собой размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Размножающая дифракционная решетка может являться пропускающей, выводящая дифракционная решетка может являться отражающей. Источник излучения является когерентным. Причем за первым амплитудным фильтром может быть дополнительно расположен первый затвор, за вторым амплитудным фильтром может быть дополнительно расположен второй затвор. Причем затворы выполнены с возможностью асинхронного периодического открывания и закрывания первого и второго объектных пучков соответственно. Причем затворы являются вращателями поляризации. Устройство может дополнительно содержать поворотный столик, расположенный между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы, на котором размещается материал для записи структуры голографических дифракционных решеток. Причем материал для записи структуры дифракционных решеток нанесен на волновод. Причем материал для записи структуры дифракционных решеток прикатывается к грани равнобедренной треугольной призмы, проходящей через основания равнобедренных треугольников.

Также предлагается способ записи структуры голографических решеток посредством устройства записи структуры голографических дифракционных решеток упомянутого выше. Причем способ содержит этапы, на которых: генерируют излучение посредством источника излучения; делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя; обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения; разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка; направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника, при этом опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, создавая в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены вертикально, то есть поперек толщи материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру размножающей голографической дифракционной решетки; обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения; ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок; преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, где второй объектный пучок и опорный пучок создают в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены под углом к нормали плоскости материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру выводящей голографической дифракционной решетки. Причем глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров. Глубина записи каждой из дифракционных решеток может определяться подбором времени экспозиции. Причем размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей. Поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы.

Также предлагается способ работы устройства записи структуры голографических дифракционных решеток, содержащий этапы, на которых: генерируют излучение посредством источника излучения; делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя; обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения; разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка; направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника, причем опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток; обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения; ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок; преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, поворачивают поворотный столик на угол +α, записывают первую структуру дифракционных решеток в верхней и нижней толще материала для записи структуры дифракционных решеток, причем в верхний толще материал записывается первая размножающая дифракционная решетка, а в нижний толще материал записывается первая выводящая дифракционная решетка; поворачивают поворотный столик на угол -α, записывают вторую структуру дифракционных решеток, причем вторая размножающая дифракционная решетка и вторая выводящая дифракционная решетка образуются в толще материала между первой размножающей дифракционной решеткой и первой выводящей дифракционной решеткой. Причем глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров. Также глубина записи каждой из дифракционных решеток может определяться подбором времени экспозиции. Причем размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей. Причем поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы.

Также предлагается устройство отображения дополненной реальности, содержащее: проекционную систему; волновод, на котором расположены: вводящий дифракционный элемент; структура голографических дифракционных решеток, изготовленная посредством предлагаемого способа, упомянутого выше. Причем устройство может дополнительно содержать еще одну структуру голографических дифракционных решеток, изготовленную посредством предлагаемого способа, причем структуры голографических дифракционных решеток нанесены на противоположные стороны волновода, причем структуры голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы. В одном из вариантов исполнения дополнительная структура голографических дифракционных решеток, записанная в дополнительном материале для записи структуры дифракционных решеток, нанесена поверх структуры голографических дифракционных решеток, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток образуют два слоя структур голографических дифракционных решеток. Причем два слоя структур голографических дифракционных решеток могут быть нанесены на волновод.

Также предлагается способ работы предлагаемого устройства отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:

А) излучение от проекционной системы попадает на вводящий дифракционный элемент, посредством которого образуется первый («+1») порядок дифракции, который вводится в структуру голографических дифракционных решеток, и посредством волноводного режима попадает на размножающую дифракционную решетку;

Б) дифракция «+1» порядка дифракции, падающего на размножающую дифракционную решетку, образует нулевой («0») порядок дифракции и «+1» порядок дифракции;

В) «0» порядок дифракции остается в материале со структурой дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения и, переходя из размножающей дифракционной решетки в выводящую дифракционную решетку, претерпевает дифракцию и опять формирует «0» и «+1» порядки дифракции;

Г) каждый «+1» порядок дифракции выходит из размножающей дифракционной решетки и попадает в выводящую дифракционную решетку, опять формируется «0» и «+1» порядки дифракции;

Д) «+1» порядок дифракции выходит из структуры дифракционных решеток к глазу наблюдателя;

Е) каждый «0» порядок дифракции опять распространяется в материале со структурой дифракционных решеток, повторяются этапы (В)-(Д), в результате чего происходит размножение выходного зрачка устройства отображения дополненной реальности.

Также предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, причем волновод со структурой голографических дифракционных решеток расположен в каждом элементе таким образом, что структура голографических дифракционных решеток располагается напротив глаза.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 иллюстрирует схему устройства для записи размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки.

Фиг. 2 иллюстрирует систему призм для записи размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки с материалом для записи структуры дифракционных решеток между призмами.

Фиг. 3 иллюстрирует структуру дифракционных решеток, нанесенных на волновод.

Фиг. 4 иллюстрирует варианты структур дифракционных решеток.

Фиг. 5 иллюстрирует структуру дифракционных решеток, получаемую при использовании амплитудных фильтров разной эффективности.

Фиг. 6 иллюстрирует двойную структуру дифракционных решеток, записанную в одном слое материала для записи дифракционных решеток.

Фиг. 7 иллюстрирует варианты двойных структур дифракционных решеток.

Фиг. 8 иллюстрирует использование одного волновода, на который нанесены две структуры дифракционных решеток, записанные в двух разных слоях материала.

Фиг. 9 иллюстрирует использование одного волновода, на верхнюю и нижнюю поверхность которого нанесены структуры дифракционных решеток.

Фиг. 10 иллюстрирует устройство для отображения дополненной реальности.

Фиг. 11 иллюстрирует предлагаемый вариант реализации очков дополненной реальности.

Фиг. 12 иллюстрирует увеличенное поле зрения при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство записи структуры голографических дифракционных решеток, устройство дополненной реальности с широким полем зрения, в котором используется структура голографических дифракционных решеток и очки дополненной реальности, выполненные на основе предлагаемого устройства дополненной реальности. Предлагаемое изобретение позволяет избавиться от ограничения поля зрения при просмотре изображения как по вертикали, так и по горизонтали, то есть позволяет увеличить поле движения глаз, видимое поле зрения, эффективность воспроизведения изображений, кроме того устройство получается компактным и легким в изготовлении, следовательно, более дешевым.

Это достигается тем, что для размножения (расширения) и вывода излучения используется комбинация из голографических дифракционных решеток, записанных в объеме материала, а именно используются размножающая (расширяющая) дифракционная решетка и выводящая дифракционная решетка. Также предлагается устройство записи такой структуры из двух и более дифракционных решеток, причем дифракционные решетки записываются одновременно в одном слое материала. Причем размножающая дифракционная решетка может быть пропускающей, а выводящая дифракционная решетка может быть отражающей.

Предлагаемые очки дополненной реальности имеют проекционную систему, вводящий дифракционный элемент, волновод, содержащий записанные на нем пропускающую размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Очки могут иметь одну проекционную систему, один волновод со структурами дифракционных решеток и одним вводящим дифракционным элементом. Также один из вариантов воплощения включает в себя два волновода, по одному волноводу для каждого глаза, каждый из волноводов содержит свой проекционный элемент, свой вводящий дифракционный элемент, через который вводится излучения от соответствующей проекционной системы.

Следует отметить, что в качестве дифракционных решеток могут использоваться голографические дифракционные решетки.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:

Поле движения глаз (Eye motion box (EMB)) - это область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь. Поле движения глаз - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрение, т.е. лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется, т.е. там не существует лучей от какой-то части изображения. Глаз постоянно движется, вращается и при этом постоянно смещается зрачок глаза. Поле движения глаз должно быть большое и должно соответствовать полю зрения. Чем больше поле зрения, тем больше поле движения глаз.

Поле зрения оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы, формирующих изображения. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения. Поле движения глаза - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрение, т.е. лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется, т.е. там не существует лучей от какой-то части изображения.

Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют все поле изображения. Размножая выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры оптической системы, волноводная оптика за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода позволяет это делать без увеличения продольных габаритов.

Дифракционная эффективность - это свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы, дифракционная эффективность представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку. Данный термин является устоявшимся в уровне техники.

Схема предлагаемого устройства для записи структуры голографических дифракционных решеток показана на фиг. 1. Устройство для записи структуры голографических дифракционных решеток содержит источник излучения 1, светоделитель 2. Светоделитель 2 разделяет излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения.

По ходу первого пучка излучения расположены: расширитель 3 первого пучка излучения, первое зеркало 3a, первый амплитудный фильтр 3b, равнобедренная треугольная призма 3c.

Первый амплитудный фильтр 3b расположен таким образом, что на него падает только одна половина первого пучка излучения, а другая половина первого пучка излучения проходит от первого зеркала 3a сразу к равнобедренной треугольной призме 3c.

Одна половина первого пучка излучения, прошедшая первый амплитудный фильтр 3b, падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3c, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, который расположен в основании равнобедренной треугольной призмы.

Другая половина первого пучка излучения падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую другой из равных сторон этого равнобедренного треугольника.

По ходу второго пучка излучения расположены: расширитель 4 второго пучка излучения, второе зеркало 4a, второй амплитудный фильтр 4b, треугольная призма 4c.

Второй пучок излучения, пройдя второй амплитудный фильтр 4b, падает на грань треугольной призмы 4с, преломляется и проходит к смежной грани треугольной призмы 4с, которая параллельна грани равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника.

Материал для записи структуры 5 голографических дифракционных решеток, расположен между гранью равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы 4с. Материал предназначен для записи объемных голографических дифракционных решеток. Материал для записи можно нанести на поверхность волновода. Для изготовления материала для записи структуры 5 дифракционных решеток используются любые прозрачные фоточувствительные материалы. Однако современный уровень техники позволяет записывать такие структуры дифракционных решеток даже в материалах, которые раньше не считались фоточувствительными, например, в обычном стекле.

Амплитудные фильтры служат для ослабления пучка излучения. Причем первый амплитудный фильтр 3b расположен таким образом, что через него проходит только одна часть первого пучка.

Равнобедренная треугольная призма 3c, то есть призма, в основании которой лежат равнобедренные треугольники, обеспечивает запись размножающей дифракционной решетки, поскольку изменение показателя преломления размножающей решетки должно быть ориентировано в направлении изменения толщины материала.

Материал для записи структуры 5 дифракционных решеток наносится к грани равнобедренной треугольной призмы 3с, проходящей через основания равнобедренных треугольников. Материал можно наносить различными способами, например, прикатыванием материала роликом, в жидком виде с последующим растеканием, напылением и т.д.

На фиг. 2 показана система призм с материалом между ними для записи структуры 5 размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки. Между призмами может располагаться как материал для записи структуры 5 дифракционных решеток, так и волновод с нанесенным материалом для записи структуры 5 дифракционных решеток, при этом запись дифракционных решеток осуществляется именно в материале для записи структуры дифракционных решеток.

Предлагаемое устройство для записи структуры голографических дифракционных решеток работает следующим образом:

Излучение от источника 1 излучения попадает на светоделитель 2. Излучение делится светоделителем 2 на первый пучок излучения и второй пучок излучения.

Первый пучок излучения проходит расширитель 3 первого пучка излучения, который расширяет когерентное узконаправленное излучение, далее первый пучок падает на первое зеркало 3a, которое направляет первый пучок к равнобедренной треугольной призме 3b. При этом одна часть первого пучка проходит через амплитудный фильтр 3b, где ослабляется интенсивность этой части первого пучка. Другая часть первого пучка проходит к равнобедренной треугольной призме 3с без ослабления.

Часть первого пучка излучения, прошедшая первый амплитудный фильтр 3b и ослабленная, падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника.

Другая, неослабленная часть первого пучка излучения падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника.

Второй пучок излучения попадает на расширитель 4 второго пучка излучения, затем на второе зеркало 4a, далее попадает на амплитудный фильтр 4b, ослабляющий интенсивность второго пучка. Затем ослабленный второй пучок падает на грань треугольной призмы 4с и преломляется к смежной грани треугольной призмы 4с, которая параллельна грани равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника.

Как показано на фиг. 2 равнобедренная треугольная призма 3с расположена таким образом, что на одну ее боковую грань (соответствующую одной стороне равнобедренного треугольника) попадает часть A первого пучка, которая не проходит через первый амплитудный фильтр 3b, назовем эту часть первого пучка - опорный пучок A, причем опорный пучок не ослаблен амплитудным фильтром и поэтому имеет возможность проходить сквозь весь материал для записи структуры 5 дифракционных решеток. Вторая часть B первого пучка, ослабленная амплитудным фильтром, назовем эту часть первый объектный пучок B, попадает на другую боковую грань равнобедренной треугольной призмы 3с. Поскольку боковые грани равнобедренной треугольной призмы одинаковы и углы при основании равны, то опорный пучок A и первый объектный пучок B одинаково преломляются, проходят призму и попадают в материал для записи структуры дифракционных решеток под одинаковыми углами относительно нормали к поверхности основания призмы, создавая интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены вертикально, то есть поперек толщи материала для записи структуры голографических дифракционных решеток. Именно это обеспечивает вертикальную структуру размножающей дифракционной решетки. Причем, поскольку ослабленный первый объектный пучок проходит только на некоторое расстояние вглубь материала для записи структуры дифракционных решеток, а затем поглощается, то есть размножающая дифракционная решетка записывается только на одной половине материала для записи структуры дифракционных решеток, причем глубина записи достигается подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров 3a и 4b. Опорный пучок не ослабляется амплитудным фильтром для того, чтобы просветить весь материал для записи структуры дифракционных решеток за счет своей высокой мощности и создать интерференционные картины и с первым объектным пучком и со вторым объектным пучком. Ослабленные объектные пучки подсвечивают только часть светочувствительного материала для записи структуры 5 дифракционных решеток.

В качестве материала для записи структуры дифракционных решеток возможно использовать любые прозрачные фоточувствительные материалы: фотополимеры, фоторефрактивные стекла и т.д. Возможно использовать любые лазеры, подходящие для голографической записи, обладающие одночастотностью и достаточной длиной когерентности. Длины волн лазеров выбираются исходя из фоточувствительности материала, это может быть УФ, видимый или ИК диапазоны.

Материал для записи структуры дифракционных решеток является светочувствительным и имеет свойство сильного поглощения излучения, за счет чего в местах материала, куда попадает излучение, происходит химическая реакция и возникает изменение показателя преломления материала. Подбирая время засветки (время экспозиции) можно регулировать глубину изменения показателя преломления в материале.

Как показано на фиг. 1 и 2 треугольная призма 4с расположена таким образом, что на одну ее боковую грань попадает второй объектный пучок, ослабленный амплитудным фильтром. Углы треугольной призмы 4с отличны от углов равнобедренной треугольной призмы 3с, поэтому лучи, образующие интерференционную картину, получаемую опорным пучком и вторым объектным пучком, будут направлены под углом к поверхности материала для записи структуры дифракционных решеток, и в материале запишется интерференционная картина, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены под углом к нормали плоскости материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, образуя выводящую дифракционную решетку. Волновой вектор дифракционной решетки направлен перпендикулярно штрихам решетки и расположен в одной плоскости с ее рабочей поверхностью. Модуль волнового вектора дифракционной решетки равен |R|=2π/d (d - период дифракционной решетки). Вектор выводящей дифракционной решетки направлен не в плоскости материала для записи структуры дифракционных решеток, что будет обеспечивать вывод излучения из волновода при работе в устройстве. Поскольку при записи используется мощный опорный пучок и ослабленный объектный пучок, то решетка запишется на глубину материала для записи структуры дифракционных решеток, на которой нет поглощения ослабленного объектного пучка, в месте, где ослабленный объектный пучок начнет поглощаться материалом для записи структуры дифракционных решеток интерференционной картины не будет.

Поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки должны быть одинаковы, поскольку, если они будут отличаться, то возникнут двоения в изображении и часть поля зрения потеряется, за счет угловой селективности дифракционных решеток. Периоды обеспечиваются геометрией призмы и углами призмы, поэтому равнобедренная треугольная призма 3с и треугольная призма 4с должны быть подобраны таким образом, чтобы поверхностные периоды записываемых решеток были одинаковыми, это определяется расчетами для желаемого периода дифракционной решетки, а также зависит от показателя преломления призм, т.е. конкретные углы призм определяют конкретные периоды дифракционных решеток. Методики расчета известны из уровня техники и широко применяются в данной области техники.

В одном из вариантов воплощения изобретения возможен асинхронный способ записи структуры дифракционных решеток, который устраняет запись паразитных интерференционных картин, то есть паразитных дифракционных решеток. Для этого в предлагаемое устройство для записи структуры дифракционных решеток дополнительно вводятся первый и второй затворы, которые периодически открывают и закрывают объектные пучки и управляются контроллерами, причем контроллер обеспечивает поочередное открывание первого и второго объектных пучков. Таким образом, опорный пучок проходит в материал для записи структуры дифракционных решеток без перекрытия, первый затвор открывает первый объектный пучок, при этом второй объектный пучок остается закрытым, при этом записывается размножающая дифракционная решетка. Затем первый затвор закрывается, открывается затвор для второго объектного пучка, происходит запись выводящей дифракционной решетки. Такой способ записи обеспечивает отсутствие при записи сразу двух объектных пучков, то есть они не интерферируют между собой и отсутствует запись паразитных дифракционных решеток. Затворы должны работать асинхронно и с высокой частотой переключения.

На фиг. 3 показана структура 5 дифракционных решеток, представляющая собой записанные размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку, причем структура 5 нанесена на волновод 6 устройства дополненной реальности. Вектор размножающей дифракционной решетки направлен вдоль материала структуры дифракционных решеток. Вектор выводящей дифракционной решетки имеет вертикальную составляющую, которая направлена в толщу материала структуры 5 дифракционных решеток. Поверхностные периоды этих двух решеток совпадают. Размножающая дифракционная решетка является пропускающей дифракционной решеткой, выводящая дифракционная решетка является отражательной. Две решетки записаны в одном слое одного материала для записи структуры дифракционных решеток, что обеспечивает компактность, легкость изготовления и низкую стоимость. За счет записанной структуры решеток обеспечивается необходимая селективность излучения, чем меньше толщина дифракционной решетки, тем шире область угловой селективности.

Как известно из уровня техники, под угловой селективностью подразумевают диапазон излучения, падающего на дифракционную решетку под такими углами, что излучение способно испытывать дифракцию. Чем шире угловая селективность, тем шире диапазон углов, способных дифрагировать на решетке, следовательно, шире поле зрения, которое может дифрагировать на такой дифракционной решетке. На поле движения глаз селективность решеток не влияет, поле движения глаз увеличивается за счет того, что все решетки расположены в одном месте и при равных габаритах волноводов можно получить большую эффективную зону вывода излучения в глаз.

Штрихи размножающей дифракционной решетки сориентированы при изготовлении таким образом, что часть получаемых дифракционных порядков падающего излучения направляется по материалу, испытывая полное внутреннее отражение.

В размножающей дифракционной решетке излучение в результате дифракции разделяется на несколько лучей (порядков дифракции), которые распространяются под определенными углами относительно падающего. Будут формироваться как минимум два порядка дифракции. Нулевой порядок «0» дифракции, который не меняет направления распространения относительно падающего, и за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе материал - воздух будет снова возвращаться под тем же углом обратно в структуру дифракционных решеток. Направление плюс первого порядка «+1» дифракции совпадает с угловой селективностью выводящей решетки, попадает в отражающую выводящую решетку, претерпевает в ней дифракцию и опять в выводящей решетке разделится на два основных порядка, нулевой порядок, который будет за счет полного внутреннего отражения распространяться внутри структуры 5 дифракционных решеток, и «+1» порядок дифракции, который будет распространяться под таким углом, что выйдет из структуры дифракционных решеток.

Порядок расположения решеток не имеет никакого значения, т.к. они достаточно тонкие и для всех существует нулевой порядок, который распространяется без изменения направления, поэтому последовательность, с которой он попадет на размножающую или выводящую решетку не имеет значения. Излучение сперва может попасть на отражающую выводящую решетку, но так как не находится вне ее области угловой селективности, то не будет дифрагировать и пройдет без изменений. Дифракция произойдет только на размножающей дифракционной решетке, после которой образуется нулевой порядок, угол распространения которого отличен от нулевого порядка и уже попадает в область угловой селективности выводящей решетки и позволяет первому порядку дифрагировать на выводящей дифракционной решетке.

Каждый «0» порядок дифракции остается в материале со структурой дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения и, переходя из размножающей дифракционной решетки в отражающую выводящую дифракционную решетку, претерпевает дифракцию и опять формирует «0» и «+1» порядки дифракции. Каждый «+1» порядок дифракции выходит из размножающей дифракционной решетки и попадает в отражающую выводящую дифракционную решетку, опять формирует «0» и «+1», далее «+1» порядок дифракции выходит из структуры дифракционных решеток. А каждый «0» порядок опять распространяется в материале со структурой дифракционных решеток с записанными решетками, как уже было описано выше, и производит новые «0» и «+1» порядки дифракции, в результате чего происходит размножение или мультиплицирование выходного зрачка, относительно изначального излучения, попавшего в материал со структурой, состоящей из размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки, что обеспечивает широкое поле зрения. Необходимо отметить, что волновод играет роль твердой и жесткой подложки, которая обеспечивает стабильность положения дифракционных решеток в пространстве и времени, т.к. решетки обычно формируются в очень тонком слое, который не обладает достаточной жесткостью. Волновод в несколько раз толще решеток и обеспечивает увеличение пробега луча до соседней точки полного внутреннего отражения (ПВО). Принцип работы остается неизменным.

На фиг. 4A, 4B, 4C показаны варианты структур дифракционных решеток, содержащих пропускающую дифракционную решетку и отражающую дифракционную решетку. При изготовлении, регулируя мощность излучения, можно регулировать глубину записываемых дифракционных решеток. Кроме того, в зависимости от того, насколько излучение ослабляется амплитудными фильтрами, возможно записывать решетку на неполную глубину материала, как показано на Фиг. 4A, то есть между размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой остается «непрописанный» слой материала. От толщины «прописанного» слоя зависит дифракционная эффективность решеток. Разная глубина голографических решеток обеспечивает различную дифракционную эффективность. Если мы говорим о размножении (расширении) и выходе излучения, то для этих решеток характерно то, что для этих двух решеток дифракционная эффективность должна быть гораздо ниже, чем дифракционная эффективность одной дифракционной решетки, чтобы обеспечить равномерное распределение, размножение и вывод излучения для обеспечения равномерности поля зрения.

Необходимо отметить, что при высокой дифракционной эффективности, в первый порядок дифракции уйдет большое количество энергии и на дальнейшее размножение (через нулевой порядок) энергии не останется. Получится, что до дальнего края выводящей или размножающей зоны дойдет лишь малая часть световой энергии, которая будет на порядки слабее, чем в начале, что создаст изображение, неравномерное по яркости, или вышедшее излучение будет ниже порога чувствительности глаза. Поэтому, расчетная эффективность размножающей решетки и выводящей решетки должна быть порядка единиц процента.

На фиг. 4A показана структура дифракционных решеток, в которой между размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой остается «непрописанный» слой материала, в этом варианте не создаются паразитные решетки, но дифракционная эффективность решеток мала.

На фиг. 4B показана структура дифракционных решеток, в которой размножающая дифракционная решетка и выводящая дифракционная решетка прописаны «внахлест». В таком варианте воплощения достигается высокая эффективность дифракционных решеток, но могут возникать паразитные решетки, то есть дифракционные решетки, возникающие от интерференционных картин неосновных лучей, например, при переотражениях пучков от граней или френелевских отражений.

На фиг. 4C показан вариант, где весь слой материала прописан размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой. Такой вариант обладает высокой дифракционной эффективностью, но могут возникать паразитные дифракционные решетки.

В одном из вариантов воплощения, в устройстве используются амплитудные фильтры с разными коэффициентами пропускания, то есть для одного из пучков амплитудный фильтр будет сильнее, и дифракционная решетка из-за этого пропишется на большую толщину, а для другого из пучков амплитудный фильтр будет слабее, и дифракционная решетка из-за этого пропишется на меньшую толщину, как показано на фиг. 5. То есть получатся решетки с разной дифракционной эффективностью. В другом варианте воплощения один из затворов может открываться на большее время, а другой на меньшее время, чем больше время экспозиции, то есть, чем дольше открыт затвор при изготовлении, тем больше дифракционная эффективность записываемой дифракционной решетки. Кроме того, вместо затворов можно устанавливать вращатели поляризации, которые используются без механического вращения или движения, в отличие от затворов.

Графики, показанные на фиг. 5 - это циклограмма, то есть временные диаграммы работы затворов или вращателей поляризации. Из графика видно, что один затвор (нижний график) активен, то есть открыт дольше, чем другой (верхний график), следовательно, время экспозиции больше, доза облучения материала для записи структуры дифракционной решетки больше, следовательно, дифракционная эффективность такой решетки выше. То есть нижний график на фиг. 5 показывает открытие затвора на более длительное время, и нижняя выводящая дифракционная решетка обладает более высокой эффективностью, чем размножающая дифракционная решетка. График на фиг. 5 является циклограммой, то по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат нулевой или единичный сигнал, соответствующий закрытому или открытому состоянию затворов.

На Фиг. 6 показан материал, в котором записаны сразу две структуры дифракционных решеток. Материал нанесен на волновод, содержащий вводящий дифракционный элемент 8.

Причем каждая из структур содержит пропускающую размножающую дифракционную решетку и соответствующую отражающую выводящую дифракционную решетку. Причем пары соответствующих дифракционных решеток повернуты друг относительно друга на определенный угол. Такая двойная структура обеспечивает максимальное поле зрения, которое можно провести через волновод и размножить его для глаза. В данном случае за нулевой уровень принимается вектор вводящего дифракционного элемента 8 или же линия в плоскости волновода 6, вдоль которой распространяется центр поля зрения после вводящего дифракционного элемента 8. Если взять указанный нулевой уровень в материале с такой двойной структурой дифракционных решеток, то одна структура дифракционных решеток будет повернута на угол -α, а другая структура на угол +α. То есть, в толще материала располагаются две структуры, развернутые относительно друг друга на определенный угол. Общее поле проекционной системы условно делится на две составляющие части, каждая из этих частей работает со своей парой дифракционных решеток.

Как показано на фиг. 6, излучение попадает на первую пропускающую размножающую дифракционную решетку, повернутую на угол +α, на которой формируется «0» порядок дифракции и «+1» порядок дифракции, как было описано выше. Первый порядок дифракции будет соответствовать селективности второй выводящей дифракционной решетки. То есть первый порядок дифракции минует вторую размножающую решетку, а сразу попадает на выводящую решетку.

Углы падения излучения, прошедшего вводящую дифракционную решетку 8, соответствующие первой части поля зрения (поле зрения разбивается на две части по вертикали - верхнюю первую и нижнюю вторую) могут дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке первой структуры, так как соответствуют ее угловой селективности. При дифракции образуются нулевой и первый порядки, нулевой не меняет направление и распространяется дальше по волноводу со структурой дифракционных решеток, при этом как и раньше может дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке первой структуры. Первый порядок дифракции имеет угол распространения, отличный от угла распространения нулевого порядка дифракции, и этот угол соответствует селективности выводящей дифракционной решетки второй структуры, и только на ней первый порядок дифракции испытывает дифракцию с формированием нулевого порядка, который не меняет направления и продолжает распространяться внутри волновода со структурой дифракционных решеток, и первого порядка дифракции, который выходит из волновода и попадает в глаз.

Для второй части поля соответственно размножение на размножающей дифракционной решетке второй структуры и вывод на выводящей дифракционной решетке первой структуры: углы, соответствующие второй части поля могут дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке второй структуры, так как соответствуют ее угловой селективности. При дифракции образуются нулевой и первый порядки, нулевой не меняет направление и распространяется дальше по волноводу, при этом как и раньше может дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке второй структуры. Первый порядок дифракции имеет угол распространения отличный от угла распространения нулевого порядка дифракции, и этот угол соответствует селективности выводящей дифракционной решетки первой структуры, и только на ней первый порядок дифракции испытывает дифракцию с формированием нулевого порядка, который не меняет направления и продолжает распространяться внутри волновода и первого, который выходит из волновода и попадает в глаз.

Такая двойная структура позволяет увеличить поле зрения по меньшей мере в два раза, за счет поворота каждой из структур на +α и -α.

Две структуры дифракционных решеток, записанные в одном материале, создаются следующим образом.

Материал для записи структуры дифракционных решеток устанавливается на поворотной площадке (столике) и располагается между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы.

В один промежуток времени, когда поворотный столик повернут на угол +α, записывается верхняя и нижняя толща материала для записи первой структуры дифракционных решеток, содержащей первую размножающую дифракционную решетку и первую выводящую дифракционную решетку. Затем объектные пучки перекрываются затворами, поворотный столик поворачивается на угол -α, и вторая структура, содержащая вторую размножающую дифракционную решетку и вторую выводящую дифракционную решетку, прописывается уже в толще материала, поскольку в крайних слоях материала уже произошла реакция, и материал выработал себя, поэтому в этих слоях уже ничего невозможно записать. Все последующие решетки будут записываться на большей глубине.

Фиг. 7A, 7B, 7C иллюстрирует варианты записанных двойных структур дифракционных решеток в материале для записи структуры дифракционных решеток. Сплошными линиями показаны структуры, записанные при повороте на +α, пунктирными линиями показаны структуры, записанные при повороте на -α.

На фиг. 7A показаны дифракционные решетки, прописанные с зазором, в таком варианте наблюдается низкая дифракционная эффективность, но отсутствуют паразитные дифракционные решетки.

На фиг. 7B показаны дифракционные решетки, прописанные с частичным перекрытием, в таком варианте наблюдается высокая дифракционная эффективность, но могут возникать паразитные дифракционные решетки.

На фиг. 7C показаны дифракционные решетки, прописанные по всей толщине материала для записи структуры дифракционных решеток, в таком варианте наблюдается высокая дифракционная эффективность, но могут возникать паразитные дифракционные решетки. Паразитные дифракционные решетки отсутствуют, если запись производилась с использованием затворов, о которых упоминалось выше.

На Фиг. 8 показано использование одного волновода, на который нанесены две структуры дифракционных решеток, записанные в двух разных слоях материала. Показаны сечения А1-А1 и А2-А2 волновода с нанесенными на него двумя структурами дифракционных решеток, записанных в двух разных слоях материала.

Два материала с записанными на нем структурами дифракционных решеток нанесены друг на друга, образуя два слоя, соответственно в каждом из слоев расположена структура, содержащая размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Первый слой повернут на угол -α, второй слой повернут на угол +α, это получается за счет сборки с разворотом одинаковых структур. Причем периоды всех решеток будут одинаковыми. Векторы решеток K1out (вектор первой выводящей дифракционной решетки), K1exp (вектор первой размножающей дифракционной решетки), K2out (вектор второй выводящей дифракционной решетки) и K2exp (вектор второй выводящей дифракционной решетки) перпендикулярны линиям решеток в плоскости волновода.

Фиг. 9 иллюстрирует использование одного волновода, на верхней и нижней поверхности которого расположены структуры дифракционных решеток, записанные в разных слоях материала для записи структуры дифракционных решеток.

На Фиг. 10 показано устройство для отображения дополненной реальности. Устройство отображения дополненной реальности содержит проекционную систему 7, вводящий дифракционный элемент 8, волновод 6, структуру 5 дифракционных решеток, направленную к глазу.

Структура 5 дифракционных решеток может представлять собой любую из структур дифракционных решеток, описанных выше.

Устройство для отображения дополненной реальности работает следующим образом.

Пучки лучей, сформированные проекционной системой 7, попадают на вводящий дифракционный элемент 8, расположенный на волноводе 6, испытывают на нем дифракцию и +1-й дифракционный порядок лучей распространяется по волноводу 6 в направление структуры 5 дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения (ПВО). Попав на структуру 5 дифракционных решеток лучи начинают дифрагировать на размножающей дифракционной решетке одного слоя дифракционной структуры и выводиться в глаз наблюдателя за счет дифракции на выводящей дифракционной решетке другого слоя дифракционной структуры.

Используя два предлагаемых устройства для отображения дополненной реальности, соответственно, как элементы для правого и левого глаза, можно создать очки для отображения дополненной реальности, как показано на фиг. 11.

В предлагаемых очках для отображения дополненной реальности вместо линз помещены волноводы с дифракционными решетками. Очки для отображения дополненной реальности содержат для каждого глаза: волновод 6 со структурой 5 дифракционных решеток, закрепленный в оправе, проекционную систему 7 на базе микропроекторов, размещенную около височной части головы человека и закрепленную на дужке очков. Каждый волновод 6 содержит вводящий дифракционный элемент 8 для ввода излучения от проекционной системы 7 в волновод 6. Каждый волновод 6 размещен таким образом, чтобы область со структурой 5 дифракционных решеток, располагалась напротив соответствующего глаза. Структура 5 дифракционных решеток может представлять собой любую из структур дифракционных решеток, описанных выше. Проекционная система 7 располагается напротив вводящего дифракционного элемента 8.

Обработка информации и формирование изображения для проекционной системы может происходить как непосредственно в вычислителе самого устройства дополненной реальности, встроенного, например, в дужку очков, либо устройство может быть подключено к внешнему устройству, такому как: смартфон, планшет, компьютер, ноутбук, любому другому интеллектуальному (smart)-устройству и т.п. Передача сигналов между устройством и внешними устройствами может осуществляться как по проводной связи, так и по беспроводной связи. Питание устройства может осуществляться как от автономного источника питания, встроенного в устройство (аккумуляторная батарея), так и от внешних устройств и внешних источников питания.

На фиг. 12 показан эффект, который достигается при использовании предлагаемого изобретения в устройствах дополненной реальности по сравнению с известным уровнем техники. Видно, насколько увеличивается поле зрения благодаря использованию предлагаемого изобретения по сравнению с устройствами, известными из уровня техники.

Предлагаемое изобретение при применении в устройствах дополненной реальности благодаря широкому полю зрения обеспечивает захватывающий эффект присутствия - пользователь ощущает себя внутри виртуальной реальности, будь то игра, кино или тренажер.

Высокое разрешение обеспечивает реалистичное присутствие, потому что пользователь может видеть детали практически в реальном мире. Предлагаемое изобретение может использоваться в любых устройствах AR/VR (дополненной и виртуальной реальности), HUD (проекционный дисплей), HMD (нашлемный дисплей), где необходимо иметь изображение высокого разрешения и широкое поле зрения. Также предлагаемое устройство может быть широко использовано для изготовления прозрачных демонстрационных дисплеев.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

Устройство записи структуры голографических дифракционных решеток формирует первый объектный пучок и опорный пучок, который падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, а первый объектный пучок падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника. Устройство формирует второй объектный пучок, который падает на грань треугольной призмы и преломляется к смежной грани треугольной призмы, параллельной грани равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника. Материал для записи расположен между основанием равнобедренной треугольной призмы и параллельной ей гранью треугольной призмы. Устройство отображения дополненной реальности содержит проекционную систему; волновод, на котором расположены вводящий дифракционный элемент и структура голографических дифракционных решеток. Технический результат – обеспечить простое в изготовлении, компактное и легкое устройство с широким полем зрения и с минимальными потерями излучения. 7 н. и 22 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство записи структуры голографических дифракционных решеток, содержащее

источник излучения;

светоделитель, выполненный с возможностью разделения излучения на первый пучок излучения и второй пучок излучения;

причем по ходу первого пучка излучения расположены:

расширитель первого пучка излучения;

первое зеркало;

первый амплитудный фильтр;

равнобедренная треугольная призма;

причем первый амплитудный фильтр расположен таким образом, что через него проходит только одна часть первого пучка излучения, образуя первый объектный пучок, а другая часть первого пучка излучения проходит от первого зеркала к равнобедренной треугольной призме, образуя опорный пучок;

причем равнобедренная треугольная призма расположена таким образом, что

опорный пучок, падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника,

первый объектный пучок падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника;

причем по ходу второго пучка излучения расположены:

расширитель второго пучка излучения;

второе зеркало;

второй амплитудный фильтр;

треугольная призма;

причем треугольная призма расположена таким образом, что второй пучок излучения, пройдя второй амплитудный фильтр и образуя второй объектный пучок, падает на грань треугольной призмы и преломляется к смежной грани треугольной призмы, параллельной грани равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника;

причем материал для записи структуры голографических дифракционных решеток расположен между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы.

2. Устройство по п. 1, в котором структура дифракционных решеток представляет собой размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку.

3. Устройство по п. 2, в котором размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей.

4. Устройство по п. 1, в котором источник излучения является когерентным.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором за первым амплитудным фильтром дополнительно расположен первый затвор, за вторым амплитудным фильтром дополнительно расположен второй затвор.

6. Устройство по п. 5, в котором затворы выполнены с возможностью асинхронного периодического открывания и закрывания первого и второго объектных пучков соответственно.

7. Устройство по п.6, в котором затворы являются вращателями поляризации.

8. Устройство по 1, дополнительно содержащее поворотный столик, расположенный между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы, на котором размещается материал для записи структуры голографических дифракционных решеток.

9. Устройство по любому из пп. 1-4, 6, в котором материал для записи структуры дифракционных решеток нанесен на волновод.

10. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором материал для записи структуры дифракционных решеток прикатывается к грани равнобедренной треугольной призмы, проходящей через основания равнобедренных треугольников.

11. Способ записи структуры голографических решеток посредством устройства записи структуры голографических дифракционных решеток по п. 1, содержащий этапы, на которых:

генерируют излучение посредством источника излучения;

делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя;

обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения;

разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка;

направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника,

направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника;

преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника,

при этом опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, создавая в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены вертикально, то есть поперек толщи материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру размножающей голографической дифракционной решетки;

обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения;

ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок;

преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, где второй объектный пучок и опорный пучок создают в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены под углом к нормали плоскости материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру выводящей голографической дифракционной решетки.

12. Способ по п. 11, в котором глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров.

13. Способ по п. 11, в котором глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором времени экспозиции.

14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей.

15. Способ по любому из пп. 11-13, в котором поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы.

16. Способ работы устройства записи структуры голографических дифракционных решеток по п. 8, содержащий этапы, на которых:

генерируют излучение посредством источника излучения;

делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя;

обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения;

разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка;

направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника,

направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника;

преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника,

причем опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток;

обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения;

ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок;

преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток,

поворачивают поворотный столик на угол +α, записывают первую структуру дифракционных решеток в верхней и нижней толще материала для записи структуры дифракционных решеток, причем в верхней толще материала записывается первая размножающая дифракционная решетка, а в нижней толще материала записывается первая выводящая дифракционная решетка;

поворачивают поворотный столик на угол -α, записывают вторую структуру дифракционных решеток, причем вторая размножающая дифракционная решетка и вторая выводящая дифракционная решетка образуются в толще материала между первой размножающей дифракционной решеткой и первой выводящей дифракционной решеткой.

17. Способ по п.16, в котором глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров.

18. Способ по п. 16, в котором глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором времени экспозиции.

19. Способ по любому из пп. 16-18, в котором размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей.

20. Способ по любому из пп. 16-18, в котором поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы.

21. Устройство отображения дополненной реальности, содержащее:

проекционную систему;

волновод, на котором расположены:

вводящий дифракционный элемент,

структура голографических дифракционных решеток, изготовленная посредством способа по любому из пп.11-15.

22. Устройство по п. 21, дополнительно содержащее еще одну структуру голографических дифракционных решеток, изготовленную посредством способа по любому из пп.11-15, причем структуры голографических дифракционных решеток нанесены на противоположные стороны волновода, причем структуры голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы.

23. Устройство по п.21, в котором дополнительная структура голографических дифракционных решеток, записанная в дополнительном материале для записи структуры дифракционных решеток, нанесена поверх структуры голографических дифракционных решеток, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток образуют два слоя структур голографических дифракционных решеток.

24. Устройство по п. 23, в котором два слоя структур голографических дифракционных решеток нанесены на волновод.

25. Устройство отображения дополненной реальности, содержащее:

проекционную систему;

вводящий дифракционный элемент;

структуру голографических дифракционных решеток, изготовленную посредством способа по любому из пп.16-20.

26. Устройство по п. 25, в котором структура голографических дифракционных решеток нанесена на волновод.

27. Устройство по п. 25, дополнительно содержащее еще одну структуру голографических дифракционных решеток, изготовленную посредством способа по любому из пп.16-20, причем структуры голографических дифракционных решеток нанесены на противоположные стороны волновода.

28. Способ работы устройства отображения дополненной реальности по п. 21, содержащий этапы, на которых:

А) излучение от проекционной системы попадает на вводящий дифракционный элемент, посредством которого образуется первый («+1») порядок дифракции, который вводится в структуру голографических дифракционных решеток, и посредством волноводного режима попадает на размножающую дифракционную решетку;

Б) дифракция «+1» порядка дифракции, падающего на размножающую дифракционную решетку, образует нулевой («0») порядок дифракции и «+1» порядок дифракции;

В) «0» порядок дифракции остается в материале со структурой дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения и, переходя из размножающей дифракционной решетки в выводящую дифракционную решетку, претерпевает дифракцию и опять формирует «0» и «+1» порядки дифракции;

Г) каждый «+1» порядок дифракции выходит из размножающей дифракционной решетки и попадает в выводящую дифракционную решетку, опять формируется «0» и «+1» порядки дифракции;

Д) «+1» порядок дифракции выходит из структуры дифракционных решеток к глазу наблюдателя;

Е) каждый «0» порядок дифракции опять распространяется в материале со структурой дифракционных решеток, повторяются этапы (В)-(Д), в результате чего происходит размножение выходного зрачка устройства отображения дополненной реальности.

29. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по любому из пп. 21, 25,

причем волновод со структурой голографических дифракционных решеток расположен в каждом элементе таким образом, что структура голографических дифракционных решеток располагается напротив глаза.