ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ ЛИНЗА С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2021 года по МПК G02F1/29 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием, где необходима регулировка фокуса в соответствии с положением изображения виртуального объекта и/или положением объекта реального мира, а также в соответствии с вергенцией глаз. Изобретение может применяться, в частности, в системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), и более конкретно в 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 резкости в изображении виртуальной реальности; высокая острота зрения (в особенности для пользователей с отклонениями в рефракции); и относительно высокое быстродействие при минимальных размерах устройства отображения.

Для этого существует потребность в создании оптических линз с переменным фокусным расстоянием и изменяемой оптической силой, у которых оптическая сила изменялась бы в широком диапазоне (от 0 до 3 дптр), а также которые обладали бы возможностью дискретного изменения оптической силы в некоторые конкретные (дополнительные) значения (такие как, например, 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр и т.п.). При этом важным требованием к системе линз является ее малая толщина, что позволило бы применять линзы в таких устройствах, как интеллектуальные очки или очки для коррекции зрения с перестраиваемым фокусным расстоянием/оптической силой, наголовные устройства дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR).

С точки зрения пользователей к оптическим системам формирования изображений в составе систем AR/VR в настоящее время предъявляются следующие требования: создание реалистичного впечатления глубины резкости изображения виртуальных объектов, высокая резкость изображения даже для пользователей с нарушениями рефракции глаз, а также компактность и малый вес устройства.

Существует потребность в простом способе изготовления перестраиваемой оптической линзы с широким диапазоном оптической силы с использованием компонентов, имеющих малый вес.

Известные из уровня техники решения вышеуказанных задач состоят в следующем. Для создания впечатления большой глубины резкости изображения виртуальных объектов в системе AR/VR применяют, в частности, дифракционные жидкокристаллические (LC) линзы с множеством фазовых уровней.

Линзы с большим диаметром апертуры реализуются, в частности, либо с использованием линз больших размеров, либо посредством линз с большим количеством адресуемых электродов, образующих активную матрицу электродов. Однако данные решения являются дорогостоящими и/или имеют слишком большие габариты. По меньшей мере частично решить данную проблему позволяет соединение управляющих (адресуемых) электродов между собой в одной линзе, что дает фиксированную электродную структуру и обеспечивает множество возможных фокусных расстояний. Однако при большом диаметре апертуры линзы (порядка 30 мм) управляющие электроды в электродной структуре линзы с электроактивным материалом (жидкокристаллической линзы или линзы на основе полимерного геля) имеют слишком малые размеры вследствие технологических ограничений (размер менее 1 мкм), и таким образом при таком диаметре апертуры используется большое количество электродов, производство которых вследствие малых размеров (в частности, малой ширины) затруднено.

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).

У большинства существующих наголовных устройств AR/VR фокусное расстояние является фиксированным, ввиду чего они не способны корректировать рефракционные ошибки глаз пользователей, такие как вызванные пресбиопией, гиперопией и миопией. Таким пользователям для нормального пользования устройствами AR/VR необходимы дополнительные средства коррекции зрения, такие как контактные линзы или очки. Это может отрицательно сказываться на общих габаритах устройства AR/VR, поскольку в известных решениях пользователям с отклонениями в рефракции глаз предлагается лишь дополнительно использовать надлежащим образом подобранные линзы, связанные с наголовным устройством AR/VR, либо использовать их обычные очки вместе с устройством AR/VR.

Системы AR/VR требуют большого размера апертуры линзы для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости изображения виртуальных объектов. В наиболее новых решениях из уровня техники наибольший размер апертуры достигается при использовании дифракционной жидкокристаллической (LC) линзы с множеством фазовых уровней. Апертура LC линзы разделена на несколько зон Френеля, каждая из которых содержит в себе несколько управляющих электродов. Чем больше диаметр апертуры линзы, тем больше число зон Френеля, на которые необходимо разбить апертуру линзы. При этом чем больше число зон Френеля, тем меньше размер каждой зоны. Чем меньше размер каждой зоны, тем меньше ширина управляющих электродов, находящихся в каждой зоне.

Так, чтобы получить диаметр апертуры линзы более 30 мм при оптической силе линзы до 3 диоптрий (дптр), потребуются электроды размером (в частности, шириной) менее 1 мкм, что в настоящее время меньше технологического предела.

В источнике US 8885139 (Johnson & Johnson Vision Care, 11 ноября 2014 г.) раскрыта дифракционная линза с перестраиваемым фокусным расстоянием из электроактивного материала (жидкокристаллическая линза), выполненная с возможностью дискретной или непрерывной регулировки фокусного расстояния, которая может быть включена в различные оптические устройства, в том числе в очки. Изменение фокусного расстояния в известной перестраиваемой линзе осуществляется за счет шунтирования соответствующих управляющих электродов в смежных зонах Френеля. К недостаткам данного известного решения следует отнести сложность производства линзы ввиду очень малой ширины внешних электродов, а также невозможность обеспечения величин оптической силы, которые не являются кратными (например, 0,33 дптр и 0,5 дптр - ни одно из этих чисел не делится на второе).

В источнике US 10056057 (Google, Inc., 21 августа 2018 г.) раскрыта оптическая система, содержащая жидкие линзы с эластичной мембраной, линзу с фиксированной оптической силой, и панель отображения. В известной системе обеспечивается набор фокальных плоскостей за счет использования двух жидких линз с эластичной мембраной, установленных последовательно (в виде стека). Однако в данном решении достигается лишь ограниченное количество фокальных плоскостей, соответствующих значениям оптической силы в +3 дптр, +1 дптр, -1 дптр, -3 дптр. Это является недостатком, поскольку при расположении линзы вблизи глаза пользователя последний способен различать большое количество фокальных плоскостей, относящихся к виртуальному изображению, в то время как известная система реализует лишь небольшое их количество. Кроме того, шаг изменения оптической силы в данном известном решении не является равномерным, вследствие чего отсутствует возможность обеспечения некоторых значений оптической силы, которые могут быть необходимы.

В источнике US20190041558 (Magic Leap, Inc., 7 февраля 2019 г.) раскрыта оптическая система на основе линзы Альвареса, в которой перестройка фокуса осуществляется за счет бокового смещения одного дифракционного оптического элемента (DOE) между частями линзы Альвареса. К недостаткам данной известной системы можно отнести большой общий размер системы вследствие необходимости обеспечения механического перемещения ее компонентов, а также ограниченное количество обеспечиваемых фокальных плоскостей (соответствующих величинам оптической силы в 1/3 дптр, 1/2 дптр, 1 дптр, 2 дптр, 4 дптр, а также бесконечности).

В источнике WO2017216716 (Optica Amuka (A.A.) LTD, 21 декабря 2017 г.) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения зрачка глаза, при этом применяется электродная структура, состоящая из электродов одинакового размера (ширины). 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 зрачка глаза, что приводит к высокой сложности системы.

Данное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.

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 нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

С учетом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании оптической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, которая обеспечивала бы широкий диапазон оптических сил при большом размере апертуры перестраиваемой оптической линзы, устраняла бы конфликт вергенции и аккомодации и позволяла бы корректировать рефракционные ошибки глаз пользователя, при этом обеспечивая малую толщину оптической системы. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении широкого диапазона оптических сил при малой толщине оптической системы.

Для решения вышеуказанной задачи, согласно первому аспекту изобретения предложена оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием (далее - перестраиваемая оптическая линза), содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения с целью формирования фазовых профилей оптического излучения, причем структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур, причем по меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами. Соединение электродов с шинами реализовано посредством переходных отверстий (также называемых в англоязычной литературе via holes). Для формирования различных фазовых профилей оптического излучения различные шины выполнены с возможностью подачи на электроды напряжения различной величины. По меньшей мере два смежных электрода по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединены с одной и той же шиной. По меньшей мере в одном варианте выполнения электроды в структуре управляющих электродов могут быть выполнены в виде концентрических кольцевых электродов, либо в виде параллельных полос, либо в виде набора (массива) многоугольников. Каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур может иметь одинаковый максимальный радиус, ограниченный размерами апертуры перестраиваемой оптической линзы. Каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур содержит по меньшей мере одну группу электродов, соответствующую по меньшей мере одной зоне Френеля, обеспечивающей по меньшей мере одну величину достижимой оптической силы для перестраиваемой оптической линзы. Каждый электрод в структуре управляющих электродов имеет по меньшей мере два соединения по меньшей мере с двумя шинами для подачи по меньшей мере двух величин напряжения для формирования по меньшей мере двух профилей напряжения и, таким образом, по меньшей мере двух наборов зон Френеля для обеспечения по меньшей мере двух величин оптической силы.

В другом аспекте настоящего изобретения предложено устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащее по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу по первому аспекту настоящего изобретения. Устройство может дополнительно содержать источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной перестраиваемой оптической линзой и с источником изображений виртуальных объектов. Устройство может содержать по меньшей мере две перестраиваемые оптические линзы по первому аспекту настоящего изобретения, причем одна из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложена система дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по предыдущему аспекту настоящего изобретения.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что помимо вышеперечисленных объектов изобретения изобретательский замысел, лежащий в основе настоящего изобретения, может быть реализован в форме других объектов изобретения, таких как одна или более оптических систем, устройств с использованием перестраиваемой оптической линзы, способов работы перестраиваемой оптической линзы и т.п.

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 объема настоящего изобретения.

На Фиг. 1 приведены схематичные изображения, иллюстрирующие структуру перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.

На Фиг. 2 приведена схема блока формирования напряжений для перестраиваемой оптической линзы в варианте выполнения изобретения.

На Фиг. 3 схематично проиллюстрирована последовательность электрических импульсов, подаваемая на шины перестраиваемой оптической линзы для формирования профиля напряжений в варианте выполнения изобретения.

На Фиг. 4 показан график вольт-фазовой характеристики для примерного электроактивного материала, представляющего собой жидкокристаллическую смесь.

На Фиг. 5 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по одному из вариантов выполнения изобретения.

На Фиг. 6 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 5.

На Фиг. 7 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по другому варианту выполнения изобретения.

На Фиг. 8 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 7.

На Фиг. 9 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по другому варианту выполнения изобретения.

На Фиг. 10 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 9.

На Фиг. 11 приведена принципиальная схема примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.

На Фиг. 12 приведена принципиальная схема другого примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.

На Фиг. 13 приведена схема примерного варианта выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза с зависимой от поляризации структурой используется для коррекции нарушения рефракции глаза пользователя.

На Фиг. 14 приведена принципиальная схема, иллюстрирующая возможные варианты размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения для системы AR/VR.

Осуществление изобретения

В системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) часто требуется обеспечение дополнительных величин оптической силы с целью реализации дополнительных фокальных плоскостей для более реалистичного восприятия изображений виртуальных объектов, что приводит к необходимости использования дополнительной перестраиваемой линзы (например, жидкокристаллической (LC) линзы). Так, в одном из примеров из уровня техники одна из линз, задействованных в системе AR/VR, может обеспечивать диапазон оптических сил от 0,5 дптр до 3 дптр (с шагом в 0,5 дптр), а вторая из линз, задействованных в системе AR/VR, может обеспечивать оптические силы в более узком диапазоне, например от 2 дптр до 3 дптр, в частности величины оптической силы в 2,25 дптр, 2,75 дптр. В другом примерном варианте из уровня техники также используется две линзы, первая из которых обеспечивает оптическую силу в 0,33 дптр, а вторая линза обеспечивает величины оптических сил в 1,5 дптр, 3 дптр, то есть в общей сложности две линзы обеспечивают всего три фокальных плоскости. Для обеспечения большего диапазона величины оптической силы и/или большего количество фокальных плоскостей согласно уровню техники необходимо использование большего количества перестраиваемых оптических линз (в вышеприведенных примерах используется по меньшей мере две линзы).

В настоящем изобретении обеспечивается возможность создания перестраиваемой оптической линзы с большим размером апертуры (в качестве неограничивающего примера - 20 мм) с широким диапазоном оптической силы (в качестве неограничивающего примера - от -3 дптр до +3 дптр) благодаря использованию одной перестраиваемой оптической линзы, содержащей слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, реализующую по меньшей мере две различные электродные структуры, каждая из которых соединена со своим соответствующим набором шин, что позволяет каждой из по меньшей мере двух электродных структур реализовывать свой набор зон Френеля за счет приложения определенного профиля напряжений посредством соответствующего набора шин. Таким образом каждая из по меньшей мере двух электродных структур реализует определенный набор значений оптических сил и, соответственно, определенный набор фокальных плоскостей, что обеспечивает возможность более точной перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы, обеспечивает более реалистичное восприятие глубины резкости изображения реального внешнего мира и/или изображений виртуальных объектов, отображаемых в системе AR/VR, и позволяет корректировать рефракционные ошибки глаза пользователя, вызванные миопией/гиперопией/пресбиопией. При этом, в отличие от уровня техники, для реализации множества различных величин оптической силы в пределах вышеуказанного широкого диапазона оптической силы достаточно одной перестраиваемой оптической линзы, и не является обязательным применение набора (стека) из более чем одной перестраиваемой оптической линзы, как в известных решениях из уровня техники. Следует отметить, что параметры линзы (размер апертуры и диапазон оптической силы) согласно изобретению не ограничены приведенными выше примерными значениями, и размер апертуры может быть больше, а диапазон оптической силы также может быть шире в зависимости от требований пользователя и технических особенностей конкретного применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложена оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения для формирования фазовых профилей оптического излучения, причем структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур, причем по меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами. Каждая из по меньшей мере двух электродных структур, реализуемых структурой управляющих электродов заявляемой перестраиваемой оптической линзы, реализует набор фазовых профилей оптического излучения, включающий в себя по меньшей мере один фазовый профиль оптического излучения, обеспечивающий соответствую величину оптической силы.

Перестраиваемость оптической линзы согласно изобретению обеспечивается за счет приложения к структуре управляющих электродов соответствующих напряжений, подаваемых через соответствующие шины, соединенные с электродами. Приложение напряжения надлежащим образом воздействует на электроактивный материал линзы. Например, в варианте выполнения, в котором в качестве электроактивного материала используются жидкие кристаллы (жидкокристаллическая (LC) перестраиваемая линза), приложенное к каждому электроду напряжение изменяет ориентацию жидкого кристалла, вследствие чего изменяется величина показателя преломления.

Напряжение, которое необходимо приложить к электродам соответствующей электродной структуры, определяется характеристикой фазы и напряжения (вольт-фазовой характеристикой) электроактивного материала, используемого в перестраиваемой линзе, а необходимый фазовый профиль определяется величиной оптической силы, которую необходимо обеспечить, и рассчитывается по формуле:

,

где r - радиальная координата, λ - длина волны оптического излучения, f - фокусное расстояние (величина, обратная оптической силе). При этом фазовый профиль представляет собой зависимость вносимой фазовой задержки в проходящую световую волну от координаты на поверхности перестраиваемой оптической линзы. Диапазон фазовых задержек может быть разбит на конечное число уровней, называемых здесь и далее в настоящем описании уровнями квантования. Тогда напряжение, подаваемое по шине на определенный управляющий электрод, рассчитывается в зависимости от общего количества управляющих электродов и их расположения по апертуре линзы так, чтобы итоговый профиль напряжений в наибольшей степени приближал искомый фазовый профиль к фазовому профилю бесконечно тонкой оптической линзы с данной оптической силой. Поскольку количество управляющих электродов ограничено, то такое приближение будет не плавным, а квантованным, с набором квантовых уровней. Тогда напряжение на каждом управляющем электроде будет представлять собой «ступеньку», или квантовый уровень, а напряжения на всех управляющих электродах будут давать квантованный, не плавный, профиль напряжений (более подробно см., например, Piskunov, Dmitry E., et al. "Tunable lens for AR headset." Digital Optics for Immersive Displays II. Vol. 11350. International Society for Optics and Photonics, 2020).

Воздействие электродов в электродных структурах, составляющих структуру управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, на ориентацию частиц электроактивного материала (в качестве неограничивающего примера, на ориентацию директора жидкого кристалла) и их влияние на оптическую силу состоит в следующем. Приложенное к электроду напряжение изменяет ориентацию частицы электроактивного материала (в качестве неограничивающего примера, такого, как жидкие кристаллы), вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку согласно изобретению структура управляющих электродов расположена по существу по всей поверхности перестраиваемой оптической линзы, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует фазовому профилю перестраиваемой оптической 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).

Перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению состоит по существу из подложки со структурой управляющих электродов, подложки с общим электродом и расположенного между ними слоя электроактивного материала, показатель преломления которого изменяется в зависимости от напряжения, подаваемого на соответствующие электроды в структуре управляющих электродов. Для подачи напряжения на электроды последние соединены с шинами посредством переходных отверстий (via holes).

На Фиг. 1 приведены схематичные изображения структуры перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. В частности, показан вид перестраиваемой оптической линзы в разрезе, на котором проиллюстрированы подложка общего электрода, общий электрод, слой электроактивного материала, подложка структуры управляющих электродов и сама структура управляющих электродов. Также на виде в плане и на виде в перспективе проиллюстрирована реализация двух различных электродных структур посредством шин и соединений (переходных отверстий) шин с электродами в структуре управляющих электродов, состоящей из кольцевых электродов, путем подачи напряжения на соответствующие электроды посредством соответствующих шин в разные моменты времени.

Управление подачей напряжений на соответствующие электроды таким образом, что реализуется формирование «наложенных» электродных структур, может осуществляться различными средствами, хорошо известными специалистам в данной области техники. В качестве примера, это может осуществляться посредством одного или более компьютеров, процессоров, интегральных схем и т.п., под управлением одной или более программ, программных модулей, микропрограммного обеспечения и т.п. Конкретные алгоритмы управления подачей напряжений на электроды в структуре управляющих электродов посредством соответствующих шин в разные моменты времени зависят от конкретного применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению и не будут описаны здесь подробно.

В качестве неограничивающего примера, в вариантах выполнения настоящего изобретения подача напряжений на соответствующие электроды в структуре управляющих электродов посредством управляющих шин может осуществляться посредством блока формирования напряжений (БФН), схема которого приведена на Фиг. 2. БФН состоит по существу из микроконтроллера и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), содержащего множество входов и выходов. Выходы ЦАП соединены с шинами перестраиваемой оптической линзы посредством кабеля. БФН выполнен с возможностью приема команд управления от пользователя или от управляющего устройства, в качестве которого может использоваться, например, плата управления устройства, в составе которого работает перестраиваемая оптическая линза. Следует отметить, что данные источники команд управления не ограничены вышеперечисленными примерами, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты управляющих устройств и/или систем, выбор которых зависит от конкретного применения заявляемого изобретения.

Команды управления от пользователя могут представлять собой, в качестве неограничивающего примера, физическое воздействие, например, такое как нажатие клавиш или прикосновение к сенсорной панели на БФН, или воздействие на соответствующие средства ввода, соединенные с БФН, другими частями тела (в качестве неограничивающего примера, команды управления могут подаваться в зависимости от положения зрачка глаза), либо голосовые команды от пользователя. Команды управления от управляющего устройства могут представлять собой, в качестве неограничивающего примера, электрические и/или оптические импульсы. В качестве неограничивающего примера, команды управления, вводимые в БФН, несут информацию о требуемой оптической силе.

Приняв команду управления, микроконтроллер БФН вычисляет или загружает из памяти фазовый профиль, соответствующий необходимой оптической силе, и преобразует его в зависимость напряжения от номера шины. Номер шины соответствует номеру выхода ЦАП. Микроконтроллер подает на входы ЦАП цифровой сигнал с информацией о требуемом напряжении для каждой шины. ЦАП преобразует принятый цифровой сигнал в аналоговый. Таким образом, на каждую шину посредством кабеля от ЦАП подается последовательность электрических импульсов, представленная на Фиг. 3. Положительное напряжение A определяется с помощью вольт-фазовой характеристики используемого электроактивного материала. Вольт-фазовая характеристика показывает, какое напряжение нужно приложить, чтобы внести требуемую фазовую задержку, определяемую фазовым профилем для данной оптической силы.

На Фиг. 4 показан график, иллюстрирующий пример вольт-фазовой характеристики для электроактивного материала в варианте выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза представляет собой жидкокристаллическую перестраиваемую оптическую линзу. В качестве примера электроактивного материала рассмотрена жидкокристаллическая смесь марки E7 толщиной 6 мкм. Отрицательное напряжение B, время положительного импульса Ta, время отрицательного импульса Tb, и время отсутствия напряжения Tc зависят от свойств электроактивного материала и требуемых динамических характеристик перестраиваемой оптической линзы в конкретном ее применении. Типичные параметры для жидкокристаллической смеси марки E7 толщиной 6 мкм следующие: B=A, Ta=Tb=1 мкс - 100 мс, Tc=0. Форма импульсов может иметь прямоугольную форму либо форму, отличную от прямоугольной, в частности, треугольную форму для изменения динамических характеристик перестраиваемой оптической линзы.

Структура управляющих электродов согласно изобретению реализует по меньшей мере две электродные структуры, в вариантах выполнения изобретения расположенные концентрически по отношению друг к другу, причем каждая электродная структура имеет одинаковый максимальный радиус, ограниченный размерами апертуры перестраиваемой оптической линзы.

Каждая электродная структура содержит по меньшей мере одну группу электродов, соответствующую по меньшей мере одной зоне Френеля, обеспечивающей по меньшей мере одну величину достижимой оптической силы для перестраиваемой оптической линзы.

В вариантах выполнения изобретения, каждый электрод имеет по меньшей мере два соединения (переходных отверстия) по меньшей мере с двумя шинами для подачи по меньшей мере двух величин напряжения для формирования по меньшей мере двух профилей напряжения и, таким образом, по меньшей мере двух наборов зон Френеля, необходимых для обеспечения по меньшей мере двух величин оптической силы.

В вариантах выполнения изобретения радиус каждого электрода в соответствующей группе электродов для каждой электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур определяется упомянутой по меньшей мере одной электродной структурой и, если упомянутая группа электродов содержит электроды из других электродных структур, а именно ширина по меньшей мере одного электрода из по меньшей мере одной электродной структуры больше ширины по меньшей мере одного электрода из другой по меньшей мере одной электродной структуры, то на эти электроды из других электродных структур подается напряжение одинаковой величины с соответствующей шины. Таким образом из упомянутых электродов формируется по существу один электрод с большей шириной.

В вариантах выполнения общее количество электродов в структуре управляющих электродов равно сумме количества электродов в упомянутых по меньшей мере двух электродных структурах, либо общее количество электродов в структуре управляющих электродов меньше упомянутой суммы, если электроды, расстояние между которыми меньше технологического ограничения, объединены в один электрод с большей шириной, как указано выше.

Здесь и далее в качестве иллюстративного примера будет рассмотрен вариант выполнения изобретения, в котором структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды. Следует понимать, что изобретение не ограничено данным вариантом выполнения структуры управляющих электродов, и в пределах объема изобретения также возможна реализация структуры управляющих электродов, например, в виде массива многоугольников или параллельных полосовых электродов.

Радиусы электродов в структуре управляющих электродов, содержащей концентрические кольцевые электроды, рассчитываются по радиусам зон Френеля.

Следует отметить, что для перестраиваемой оптической линзы с большой апертурой диапазон оптической силы D ограничен, поскольку чем больше радиус линзы r, тем меньше достижимая оптическая сила D,

поскольку:

где N_max - максимальное число адресуемых электродов на зону Френеля для перестраиваемой линзы с оптической силой D, радиусом r, длиной волны падающего излучения λ, при этом для периода, с которым размещаются адресуемые управляющие электроды и который включает в себя размер (ширину) 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 контексте настоящего изобретения технологическое ограничение составляет около 1 мкм.

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 -3 дптр - +3 дптр), что достигается посредством перестраиваемой оптической линзы, содержащей слой электроактивного материала (например, жидких кристаллов, полимерного геля и т.п.) и структуру управляющих электродов, содержащую по меньшей мере две наложенные электродные структуры.

В неограничивающем варианте выполнения изобретения, структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, состоящие из концентрических кольцевых электродов. При этом ширина кольцевых электродов для каждой из по меньшей мере двух наложенных электродных структур рассчитывается следующим образом.

Для выбранного диапазона оптической силы (в качестве неограничивающего примера, диапазон -3 дптр - +3 дптр), который необходимо обеспечить посредством перестраиваемой оптической линзы с радиусом апертуры r (в качестве неограничивающего примера, радиус апертуры равен 20 мм) и при существующем технологическом ограничении для периода электродов (в качестве неограничивающего примера, технологическое ограничение составляет 1 мкм), выбирается минимальная дифракционная эффективность 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:

.

Для каждого электрода с номером (m_i; n_j) вычисляются следующие параметры:

где r^int - внутренний радиус, а r^ext - соответственно, внешний радиус электрода 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 перестраиваемой оптической линзы с радиусом апертуры r, обеспечивающей диоптрический шаг на длине волны излучения ; - количество электродов на одну зону Френеля для перестраиваемой оптической линзы; λ - длина волны падающего излучения, g - расстояние между электродами.

В рассматриваемом варианте выполнения оптическое излучение с длиной волны λ представляет собой оптическое излучение видимого диапазона. Однако в различных вариантах выполнения изобретения оптическое излучение может быть также инфракрасным излучением или ультрафиолетовым излучением.

Ширина кольцевых электродов для перестраиваемой оптической линзы рассчитывается согласно следующей формуле:

Адресуемые управляющие электроды, т.е. те электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, на которые подается соответствующее им напряжение, могут выбираться на основании следующего. 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.

Значение напряжений, подаваемых на электроды, определяется из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала (т.е. такого материала, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света). При выборе оптически активного материала перестраиваемой оптической линзы необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал оптического излучения от напряжения на электродах в структуре управляющих электродов. Тогда, чтобы симулировать внесение определенной оптической силы, нужно приложить напряжения на электроды таким образом, чтобы профиль задержки фазы выходящего оптического излучения 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 (опубл. 01.10.2015, Optica Amuka A.A. LTD)).

В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре каждой из перестраиваемых жидкокристаллических 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, оксид индия-цинка, IZO).

Электроды соединены с шинами посредством переходных отверстий (via holes) или других подобных средств. Шины могут быть выполнены из такого же материала, что и управляемые электроды (т.е. из прозрачного в видимом диапазоне проводящего материала, например оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Следует отметить, что в общем случае шины могут быть выполнены из любых подходящих материалов с высокой проводимостью, в том числе и из непрозрачных в видимом диапазоне (Ag, Mo, Ni и т.п.).

Материал подложек в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложек согласно изобретению находится в диапазоне 3-200 мкм. Значения толщины общего электрода и управляющих 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 подложек и электродов на основании материала электрода и подложки хорошо известны в данной области техники.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы имеют кольцеобразную форму и расположены концентрически. В некоторых вариантах выполнения первый электрод, расположенный в центре, может иметь форму круга. Настоящее изобретение описано на примере структуры управляющих электродов, в которой управляющие электроды имеют форму концентрических колец, исключительно в качестве неограничивающего примера. Однако следует понимать, что изобретение может быть реализовано и в иных вариантах выполнения, в которых возможны другие формы выполнения структуры управляющих электродов, в которой электроды имеют форму, например, но не в качестве ограничения, параллельных полос или массива многоугольников. Кроме того, возможно использование управляющих электродов любой неправильной формы.

Согласно различным вариантам выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза имеет круглую форму апертуры, однако изобретение не ограничено круглой формой апертуры линзы, и также линза может иметь прямоугольную, многоугольную или криволинейную или любую другую пригодную форму апертуры, 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 оптической линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения. Так, например, для формирования сферической перестраиваемой оптической линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, могут быть выбраны концентрические кольцевые электроды либо параллельные управляющие электроды в форме полос (для фокусировки света как с x-, так и y-направлением поляризации). Выбор конфигурации перестраиваемой оптической линзы может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды).

Согласно изобретению, в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы могут быть использованы жидкие кристаллы (например, нематические, смектические, холестерические жидкие кристаллы), однако изобретение не ограничено использованием в качестве электроактивного материала линзы жидких кристаллов. Согласно различным вариантам выполнения изобретения, в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы также могут быть использованы полимерный гель, электроактивные полимеры, жидкокристаллические полимеры, жидкие кристаллы с диспергированным полимером, стабилизированные полимерами жидкие кристаллы, самособирающиеся нелинейные супрамолекулярные структуры. Это позволяет с достижением преимущества адаптировать перестраиваемую линзу под конкретные применения по таким характеристикам, как время отклика, величина прикладываемого управляющего напряжения, способ управления ориентацией кристаллов.

Радиусы электродов для по меньшей мере двух электродных структур, реализуемых структурой управляющих электродов в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению, вычисляются, как показано выше, на основании характеристик зон Френеля, и соответствующие зоны шунтируются (соединяются) посредством одних и тех же шин (так называемый стандартный метод «шунтирования электродов»). Однако, в отличие от известных решений изобретение с достижением преимущества реализует по меньшей мере две электродные структуры в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, которые в определенном смысле можно назвать «наложенными» друг на друга. Однако следует понимать, что речь здесь не идет о физическом «наложении» одних электродов на другие, а скорее под этим следует понимать возможность реализации двух или более различных электродных структур с использованием одних и тех же электродов и/или шин за счет подачи разных величин напряжения на разные группы электродов.

Так, в качестве неограничивающего примера, для одной из электродных структур все радиусы электродов рассчитаны таким образом, что при диаметре апертуры перестраиваемой оптической линзы в 20 мм они соответствуют зонам Френеля, обеспечивающим оптическую силу в 3 дптр, что в сочетании с вышеупомянутым методом «шунтирования электродов» позволяет получить зоны Френеля, дающие оптическую силу до 0,5 дптр (в итоге могут быть получены величины оптической силы, кратные 0,5 дптр, например: 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр). Для второй электродной структуры в той же самой линзе диаметром апертуры в 20 мм все радиусы электродов вычисляются для 2,75 дптр (таким образом, что могут быть получены величины оптической силы, например, в 2,25 дптр и 2,75 дптр (т.е. кратные 0,25 дптр)).

Поскольку в вариантах выполнения изобретения применяется только одна перестраиваемая оптическая линза с размером апертуры в 20 мм и две различные электродные структуры, радиусы которых вычислены для одного и того же размера (в частности, диаметра) апертуры линзы в 20 мм, при этом в общей структуре управляющих электродов необходимо реализовать две электродные структуры (не одновременно, а по одной электродной структуре в единицу времени), то по существу необходимо концентрически «наложить» одну электродную структуру с одним набором радиусов на другую электродную структуру с другим набором радиусов (иными словами, расположить одну электродную структуру концентрически «внутри» другой), однако при максимальном диаметре обеих электродных структур в 20 мм их невозможно «наложить» друг на друга по вертикали. В качестве неограничивающего иллюстративного примера, если в варианте выполнения с концентрическими кольцевыми электродами центральный круговой электрод в первой электродной структуре имеет диаметр в 0,5 мм, а центральный круговой электрод во второй электродной структуре имеет диаметр в 0,3 мм, то после вышеописанного условного «наложения» этих электродов друг на друга будут получены два электрода: центральный электрод диаметром в 0,3 мм и кольцевой электрод шириной в 0,1 мм (т.е. (0,5 мм - 0,3 мм)/2=0,1 мм), при этом оба электрода можно расположить в разных слоях (один выше, другой ниже), чтобы минимизировать расстояние между ними (теоретически до 0 мкм).

Иными словами, в контексте настоящего изобретения под «наложением» по меньшей мере двух электродных структур следует понимать не физическое наложение друг на друга по меньшей мере двух слоев электродов, а скорее формирование на основе одной общей структуры управляющих электродов по меньшей мере двух различных электродных структур (которые также можно назвать топологиями или паттернами электродов) в различные моменты времени за счет приложения соответствующих величин напряжения на соответствующие электроды или группы электродов посредством соответствующих шин, с которыми соединены выбранные электроды.

Возвращаясь к рассматриваемому иллюстративному примеру, теперь необходимо реализовать работу обоих описанных выше электродов для обеих электродных структур. Для этого центральный круговой электрод (диаметром 0,3 мм) и кольцевой электрод шириной 0,1 мм соединены с одной и той же шиной B1, соответствующей первой электродной структуре, в которой центральный круговой электрод имеет диаметр 0,5 мм. На оба упомянутых электрода (круговой диаметром 0,3 мм и кольцевой шириной 0,1 мм) подается одинаковое напряжение, ввиду чего электроактивный материал перестраиваемой оптической линзы будет реагировать на них как на один электрод диаметром 0,5 мм. Для реализации второй электродной структуры каждый из двух упомянутых электродов соединен с двумя шинами - B2 и B3, каждая из которых подает напряжение различной величины, чтобы реализовать фазовый профиль, соответствующий второй электродной структуре. Таким образом, в рассматриваемом варианте выполнения каждый управляющий электрод в структуре управляющих электродов соединен по меньшей мере с двумя шинами - круговой электрод диаметром 0,3 мм имеет два переходных отверстия, соединяющих его с шинами B1 и B2, а кольцевой электрод шириной 0,1 мм имеет два переходных отверстия, соединяющих его с шинами B1 и B3.

Как указано выше, для электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы два электрода, соединенные с шиной B1, при подаче напряжения по шине B1 будут «выглядеть» как один круговой электрод диаметром 0,5 мм (таким образом реализуется первая электродная структура в рассматриваемом примере). Если напряжение подается на круговой электрод диаметром 0,3 мм, соединенный с шиной B2, а другое соответствующее напряжение подается на кольцевой электрод шириной 0,1 мм, соединенный с шиной B3, электроактивный материал перестраиваемой оптической линзы будет реагировать на это таким образом, что будет реализован профиль напряжений, соответствующий второй электродной структуре. Однако следует заметить, что каждая из реализуемых электродных структур может по отдельности обеспечить несколько величин оптической силы (в качестве неограничивающего примера, для одной электродной структуры - 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр, и для другой электродной структуры - 2,25 дптр и 2,75 дптр).

Следует понимать, что согласно изобретению может быть реализовано несколько электродных структур, «наложенных» друг на друга как пояснено выше, но каждая из этих электродных структур может формировать различные наборы зон Френеля, соответствующие различным величинам оптической силы. Для сравнения, используя стандартные методы размещения электродов, известные из уровня техники, невозможно в одной перестраиваемой оптической линзе получить как величины оптической силы в 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр, так и величины в 2,25 дптр и 2,75 дптр (а возможно получить либо значения оптических сил в диапазоне от 0,5 дптр до 3 дптр, либо величины в 2,25 дптр и 2,75 дптр).

Перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению обеспечивает преимущество по сравнению с уровнем техники, состоящее в возможности реализации уникального набора величин оптической силы, который невозможно получить известными методами с помощью одной перестраиваемой оптической линзы. В рассматриваемом иллюстративном примере структура управляющих электродов, содержащая по меньшей мере две электродные структуры, обеспечивает набор оптических сил в 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр, 3 дптр - в частности, возможна перестройка фокуса, например, в диапазоне оптических сил от 2 дптр до 3 дптр и оптическая инспекция интересующих объектов в деталях в рамках этого диапазона при оптических силах в 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр. Следует понимать, что вышеперечисленные значения приведены лишь в качестве иллюстрации, но не ограничения, и в зависимости от конкретных вариантов реализации и применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению могут быть реализованы другие конкретные величины оптической силы.

Еще в одном примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 5 и 6, перестраиваемая оптическая линза может реализовывать только одну оптическую силу в 0,33 дптр (тогда в данном случае «перестраиваемая линза» будет означать, что при приложенном профиле напряжений линза дает 0.33 дптр, а в выключенном состоянии она дает 0 дптр), с дифракционной эффективностью 40,5%, при этом структура управляющих электродов содержит в общей сложности 64 кольцевых электрода, которые обеспечивают 32 зоны Френеля (по 2 шины на каждую из 32 зон Френеля).

В другом примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 7 и 8, перестраиваемая оптическая линза может реализовывать две оптические силы с использованием четырех шин. При этом данная электродная структура обеспечивает оптическую силу в 1,5 дптр с дифракционной эффективностью 81,1% и оптическую силу в 3 дптр с дифракционной эффективностью 40,5%. В общей сложности структура управляющих электродов согласно данному варианту выполнения содержит 576 кольцевых электродов (144 зоны Френеля х 4).

Еще в одном примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 9 и 10, на каждый электрод в структуре перестраиваемых электродов предусмотрено по нескольку шин (каждый пассивный электрод соединен с 2 шинами), при этом используется то же самое количество подложек (две), что и в остальных вариантах выполнения настоящего изобретения. Использование такого же (не увеличенного) количества подложек уменьшает размытие изображения по сравнению с известными решениями, в которых используется более одной линзы и, соответственно, более двух подложек. При этом несколько электродных структур (в данном случае, две электродные структуры) обеспечивают дополнительные величины оптической силы (первая электродная структура - 0,33 дптр, вторая электродная структура - 1,5 дптр, 3 дптр). При этом в показанном варианте выполнения первая электродная структура реализуется посредством двух шин (дифракционная эффективность составляет 40,5%) и содержит 64 управляющих электрода. Вторая электродная структура реализуется посредством четырех шин (дифракционная эффективность 81,1% для 1,5 дптр, 40,5% для 3 дптр) и содержит 576 управляющих электродов.

Следует понимать, что приведенные выше примеры реализации настоящего изобретения предназначены для иллюстрации настоящего описания и для облегчения понимания характеристики изобретения специалистами в данной области техники, но не для ограничения объема правовой охраны изобретения конкретными подробностями.

Перестраиваемая оптическая линза может быть выполнена в зависящей или не зависящей от поляризации падающего света конфигурации. Например, зависимая от поляризации конфигурация может использоваться в перестраиваемой оптической линзе, в которой проводники выполнены в виде параллельных полос. При этом для фокусировки света с поляризацией вдоль оси X могут использоваться электроды, обеспечивающие направление директора вдоль той же самой оси X, а для фокусировки света с поляризацией вдоль оси Y - ячейка с направлением директора вдоль оси Y. Использование зависимых или независимых от поляризации оптического излучения перестраиваемых оптических линз может обеспечить дополнительные преимущества, состоящие, в частности, в возможности разделения по поляризации изображений виртуальных объектов и изображения реального мира для обеспечения независимого управления параметрами этих изображений.

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 варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света посредством сферической линзы необходимы по меньшей мере две электродные структуры: 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 перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению со структурой управляющих электродов, образованной кольцевыми электродами. При этом специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты выполнения, в частности, для случаев, когда структура управляющих электродов образована электродами в других возможных конфигурациях, например в виде массива многоугольников или в виде параллельных полосовых электродов. Все такие варианты выполнения, как описанные в явном виде, так и очевидным образом следующие из сведений, раскрытых в настоящем документе, включены в объем правовой охраны настоящего изобретения.

Далее изобретение будет рассмотрено на примерных вариантах применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. В различных вариантах выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза может использоваться в составе устройства отображения (устройства формирования изображений), используемого, в качестве неограничивающего примера, в системах дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), далее вместе называемых системами AR/VR. В таком устройстве отображения может использоваться одна или более перестраиваемых оптических линз согласно изобретению, образующих перестраиваемые оптические ячейки (далее обозначаемые как LC1, LC2 и т.п.) в составе устройства отображения (устройства формирования изображений) в системе AR/VR. Перестраиваемые оптические ячейки могут представлять собой перестраиваемые жидкокристаллические ячейки, однако следует понимать, что изобретение не ограничено использованием жидких кристаллов в качестве электроактивного материала, и возможно использование иных электроактивных материалов, неограничивающие примеры которых приведены в настоящем описании.

При применении перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR) такое устройство отображения может содержать оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению. Оптический волновод может соединять источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первую перестраиваемую оптическую линзу и вторую перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению. При этом оптический волновод находится между первой перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC1) и второй перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC2). Первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) может находиться перед источником изображений виртуальных объектов. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) может находиться перед глазом пользователя.

На Фиг. 11 проиллюстрирован вариант выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению реализована в составе устройства формирования изображения в системе дополненной реальности (AR). В таком варианте реализации перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться как пользователем с нормальным зрением, так и пользователем с нарушениями рефракции глаза. Для пользователя с нормальным зрением первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется лишь для трансляции изображения виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов с оптической силой D₀=0. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации оптической силы, индуцируемой LC1, для беспрепятственного наблюдения внешнего мира.

Для пользователя с нарушениями рефракции глаз (такими как, например, пресбиопия/миопия/гиперопия), возможен вариант, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется для трансляции изображения виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, требуемые для компенсации пресбиопии/миопии/гиперопии. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации нарушений рефракции глаз пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира.

В последнем случае также возможен вариант выполнения, проиллюстрированный на Фиг. 12, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) расположена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом, а вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) расположена за волноводом со стороны, обращенной к внешнему миру. Такая конфигурация устройства отображения для системы AR, в котором может быть реализована перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению, также позволяет компенсировать нарушения рефракции глаз пользователя (такие как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира и изображений виртуальных объектов. При этом варианты выполнения по Фиг. 8 и 9 исключают необходимость использования заявляемого изобретения как такового или как части устройства отображения в системе AR/VR вместе с очками или линзами, предназначенными именно для коррекции зрения пользователя.

На Фиг. 13 показан вариант выполнения, в котором поясняется, каким образом перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может компенсировать нарушения рефракции глаза пользователя. На Фиг. 13 представлена зависимая от поляризации перестраиваемая оптическая линза (LC2), расположенная перед глазом пользователя с миопией. Кроме того, на Фиг. 13 показаны фокальные плоскости, обеспечиваемые перестраиваемой оптической линзой при различных значениях оптической силы (от D₁=-0,25 дптр до D₁₀=-4 дптр), при этом, по сравнению с точкой фокусировки глаза пользователя с миопией (показана на Фиг. 13 как «дальняя точка»), точка фокусировки перемещается на фокальную плоскость, соответствующую D₁₀=-4 дптр. Таким образом, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению позволяет компенсировать нарушение рефракции глаза пользователя при оптической силе до 4 дптр.

На Фиг. 14 показана возможная конфигурация устройства отображения в системе AR/VR с указанием возможных положений размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. Позиции LC1, LC2 и LC3 указывают положения, в которых в устройстве отображения может быть размещена по меньшей мере одна перестраиваемая оптическая линза. По существу, использование по меньшей мере одной перестраиваемой линзы обеспечивает двухрежимное устройство отображения для системы AR/VR, в котором первый режим представляет собой режим работы для пользователя с нормальным зрением, где LC2 используется для компенсации оптической силы, индуцированной LC3, для четкого и беспрепятственного наблюдения внешнего мира через устройство отображения, а LC3 используется для трансляции изображений виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов.

Второй режим представляет собой режим работы устройства отображения в системе AR/VR с компенсацией нарушений рефракции глаза пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия). Здесь LC1 используется для трансляции изображений виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, необходимые для компенсации пресбиопии и/или миопии/гиперопии. LC2 используется для компенсации нарушений рефракции глаза пользователя (вызванных пресбиопией и/или миопией/гиперопией) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира через устройство отображения системы AR/VR.

В качестве неограничивающего примера, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) для управления глубиной резкости отображаемых изображений объектов реального мира и/или изображений виртуальных объектов, и/или для коррекции нарушений рефракции глаз пользователя.

Кроме того, в некоторых вариантах выполнения может быть реализован массив из более чем одной перестраиваемой оптической линзы, например несколько линз могут быть размещены друг за другом. Это может быть полезно в плане увеличения возможного диаметра оптической системы и максимальной оптической силы системы перестраиваемых оптических линз в тех применениях, в которых это необходимо.

Так, например, может быть использовано более одной перестраиваемой оптической линзы (количество перестраиваемых оптических линз ≥ 1), которые могут быть собраны в виде набора (стека) перестраиваемых оптических линз, и при этом каждая из перестраиваемых оптических линз, включенных в набор (стек), содержит свою структуру управляющих электродов, реализующую соответствующие «наложенные» электродные структуры в соответствии с изобретением. При этом достигается дополнительное преимущество, состоящее в обеспечении большего количества различных величин оптической силы. Так, например, в случае использования стека из двух перестраиваемых оптических линз возможно обеспечение первой перестраиваемой оптической линзой, например, посредством двух электродных структур, следующего сочетания оптических сил: первая электродная структура - 0,33 дптр, вторая электродная структура - 1 дптр, 2 дптр, 3 дптр), и второй перестраиваемой оптической линзой, например, следующих величин оптической силы: 0,5 дптр, 1,5 дптр, 2,5 дптр.

Главное преимущество использования стека из более чем одной перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению состоит в возможности одновременного обеспечения нескольких величин оптической силы, например 0,33 дптр+2,5 дптр=2,83 дптр.

С учетом вышеуказанного, предлагаемое изобретение обеспечивает следующие технические эффекты. Во-первых, «наложение» электродных структур в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность реализации набора оптических сил в одной перестраиваемой оптической линзе без необходимости использования нескольких перестраиваемых оптических линз. Это, в свою очередь, обеспечивает малую толщину оптической системы и уменьшение общих габаритов любого устройства, в котором используется перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению.

Во-вторых, наличие нескольких соединений (переходных отверстий) на каждом управляющем электроде обеспечивает возможность реализации большего количества различных электродных структур посредством того же самого количества шин. Это позволяет, во-первых, обойтись одной перестраиваемой оптической линзой, а во-вторых - уменьшает рассеяние оптического излучения, вызванное наличием подложек.

В-третьих, реализация нескольких (по меньшей мере двух) электродных структур обеспечивает широкий диапазон формируемых оптических сил, что дает реалистичное восприятие глубины резкости как наблюдаемого через линзу внешнего мира, так и наложенных на картину внешнего мира изображений виртуальных объектов, исключает конфликт вергенции и аккомодации и позволяет корректировать рефракционные ошибки глаз пользователя, как описано выше.

Перестраиваемая оптическая линза согласно настоящему изобретению может быть использована в устройствах отображения или формирования изображений для систем дополненной реальности (AR) и/или виртуальной реальности (VR). Кроме того, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может быть использована в нашлемных устройствах отображения, индикаторах на лобовом стекле транспортных средств (HUD-дисплеях), интеллектуальных очках, устройствах отображения планшетных компьютеров, смартфонов, других портативных и/или носимых вычислительных устройств. Также изобретение может быть использовано в очках для коррекции зрения с возможностью перестройки фокусного расстояния. Следует понимать, что выше перечислены лишь некоторые наиболее иллюстративные примеры области применения настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие применения настоящего изобретения, также находящиеся в рамках объема правовой охраны настоящего изобретения.

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

Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем 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 нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.

Изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием и может быть использовано в системах дополненной или виртуальной реальности (AR/VR). Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием содержит слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения для формирования фазовых профилей оптического излучения. Структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур. По меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами. Технический результат состоит в обеспечении широкого диапазона оптических сил при малой толщине оптической системы. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения для формирования фазовых профилей оптического излучения,

причем структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур, причем каждая из по меньшей мере двух электродных структур реализует свой набор зон Френеля за счет приложения определенного профиля напряжений посредством соответствующего набора шин,

причем по меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами.

2. Линза по п. 1, в которой соединение электродов с шинами реализовано посредством переходных отверстий.

3. Линза по п. 1, в которой для формирования различных фазовых профилей оптического излучения различные шины выполнены с возможностью подачи на электроды напряжения различной величины.

4. Линза по п. 1, в которой по меньшей мере два смежных электрода по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединены с одной и той же шиной.

5. Линза по п. 1, в которой электроды в структуре управляющих электродов выполнены в виде концентрических кольцевых электродов.

6. Линза по п. 1, в которой электроды в структуре управляющих электродов выполнены в виде набора многоугольников.

7. Линза по п. 1, в которой электроды в структуре управляющих электродов выполнены в виде параллельных полосовых электродов.

8. Линза по п. 1, в которой каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур имеет одинаковый максимальный радиус, ограниченный размерами апертуры оптической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием.

9. Линза по п. 1, в которой каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур содержит по меньшей мере одну группу электродов, соответствующую по меньшей мере одной зоне Френеля, обеспечивающей по меньшей мере одну величину достижимой оптической силы для оптической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием.

10. Линза по п. 1, в которой каждый электрод в структуре управляющих электродов имеет по меньшей мере два соединения по меньшей мере с двумя шинами для подачи по меньшей мере двух величин напряжения для формирования по меньшей мере двух профилей напряжения и, таким образом, по меньшей мере двух наборов зон Френеля для обеспечения по меньшей мере двух величин оптической силы.

11. Устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащее по меньшей мере одну оптическую линзу с перестраиваемым фокусным расстоянием по любому из пп. 1-10.

12. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной перестраиваемой оптической линзой и с источником изображений виртуальных объектов.

13. Устройство по п. 12, содержащее по меньшей мере две оптические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, причем одна из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.

14. Система дополненной реальности (AR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 11-13.

15. Система виртуальной реальности (VR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 11-13.