ЭКРАН ДОПОЛНЕННОЙ И СОВМЕЩЁННОЙ РЕАЛЬНОСТИ Российский патент 2021 года по МПК G02B27/01 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к дисплеям или экранам для создания изображения дополненной или совмещенной реальности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Из уровня техники известен источник информации US 2017/0299864 А1 (патентообладатель: MICROSOFT TECHNOLOGY LICENSING LLC, опубл. 19.10.2017). Источник раскрывает общий принцип построения дисплея для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. В данном решении описывается дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности, состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения; группы дифракционных компонент, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по объему элемента; проектора изображения.

[003] Также из уровня техники известна патентная заявка № US 2019/0056593 А1 (заявитель: TIPD LLC), опубл. 21.02.2019, раскрывающая дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности, состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения; группы дифракционных компонент, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всей площади элемента; проектора изображения. В указанном источнике информации используются голографические оптические элементы. Также в этом патенте выходной оптический элемент не распределяет лучи по объему элемента, а для этого используется дополнительный "Y-expander".

[004] В уровне техники потенциальные отличия от других устройств есть в схеме входного и выходного дифракционных элементов. Хотя строение этих элементов и схоже с аналогами, но в заявленном решении входной дифракционный элемент опоясывает выходной дифракционный элемент по всему периметру, что позволяет вводить лучи изображения с разных направлений. Входной дифракционный элемент также осуществляет «размножение» пятна изображения, до того, как пятно изображения достигает выходного дифракционного элемента. При этом выходной дифракционный элемент также «размножает» пятно изображения. Таким образом эффективность «размножения» удваивается и получается гибридный вариант. Входной и выходной дифракционные элементы состоят из оптических решеток, работающих в паре друг с другом в том смысле, что их периоды и взаимная ориентация согласованы таким образом, что входной дифракционный элемент также осуществляет частичное возвращение лучей изображения, убегающих к краям волновода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] Технической задачей или технической проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание изображения дополненной реальности. Более конкретно, создание устройства, осуществляющего передачу изображения, созданного проектором в глаза пользователя, при этом само устройство прозрачно и не блокирует вид на окружающую реальность.

[006] Достигаемым техническим результатом является повышение эффективности передачи изображения, а также повышение однородности виртуального изображения по цвету за счет многократного переиспользования лучей изображения, вводимых в волновод от одного или нескольких проекторов с различных направлений по периметру выходного дифракционного элемента.

[007] Также за счет структуры входного дифракционного элемента, который опоясывает выходной дифракционный элемент по периметру, осуществляется размножение пятна изображения и ввод лучей изображения в волновод по периметру волновода уже на этапе и сразу после взаимодействия лучей изображения, созданных проектором с входным дифракционным элементом. Входной дифракционный элемент также осуществляет частичный возврат лучей изображения, убегающих к краям волновода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[008] На Фиг. 1а показаны варианты структурирования поверхностей волновода для создания входного и выходного дифракционных элементов.

[009] На Фиг. 1б показаны те же варианты, что и на Фиг. 1а, но при этом на поверхность волновода нанесено функциональное оптическое покрытие и дифракционные элементы, созданные в его объеме.

[0010] На Фиг. 2 показана общая структура устройства, обозначены его элементы, 210 - группа входных дифракционных компонент, 220 - волновод, 230 - группа выходных дифракционных компонент.

[0011] На Фиг. 3 показаны варианты реализации конечного устройства, очков или экрана дополненной или совмещенной реальности, показана заложенная в дизайне гибкость расположения дифракционных компонент.

[0012] На Фиг. 4 показаны варианты реализации конечного устройства, очков или экрана дополненной или совмещенной реальности, показан волновод, встроенный в оправу очков, показана гибкость дизайна, позволяющая расположить проектор, создающий изображения в нескольких позициях.

[0013] На Фиг. 5 показан принцип работы устройства с дублирующим входным дифракционным элементом, расположенный на противоположной поверхности волновода.

[0014] На Фиг. 6 показана структура дифракционной решетки входного и выходного дифракционных элементов, обозначены варианты взаимной ориентации данных дифракционных решеток.

[0015] На Фиг. 7 показан принцип работы входного дифракционного элемента, обозначены основные направления дифракции.

[0016] На Фиг. 8 показано векторное пространство в плоскости х-у, обозначены дифракционные порядки входного и выходного дифракционного элемента для случая, когда угол поворота их дифракционных решеток относительно друг друга равен 0 градусов, обозначены волновые вектора соответствующие лучам изображения, показаны предельные допустимые значения волнового вектора.

[0017] На Фиг. 9 показано векторное пространство в плоскости х-у, обозначены дифракционные порядки входного и выходного дифракционного элемента для случая, когда угол поворота их дифракционных решеток относительно друг друга равен 45 градусам, обозначены волновые вектора соответствующие лучам изображения, показаны предельные допустимые значения волнового вектора.

На Фиг. 10 показан разброс углов лучей изображения, созданного проектором, обозначено рабочее поле изображения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании данного технического решения для понимания и ясности его работы.

[0019] Волновод - устройство в виде канала, трубы, стержня и т.п., предназначенное для распространения звуковых или электромагнитных волн.

[0020] Данное техническое решение, представляющее собой устройство, может состоять из трех элементов.

[0021] Волновод представляет собой плоское или изогнутое оптическое стекло или пластик. Изогнутый волновод используется с целью улучшения эргономики устройства, в том же виде, как и изогнутые линзы обычных очков повторяют форму профиля лица и глаз или как изогнутые стекла используются в иллюминаторах самолетов, при этом технически изогнутый волновод дополненной реальности более сложен в реализации.

[0022] Дифракционные компоненты (решетки) в некоторых вариантах реализации могут либо быть созданы непосредственно в теле стекла путем структурирования его поверхности, верхней или нижней (например, посредством нанесения маски и последующего травления), либо в объеме волновода. В случае, когда дифракционная решетка создается в объеме волновода, требуется сначала создать дифракционную решетку на поверхности одного стекла и затем соединить (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. В другом варианте реализации на поверхность стекла наносится функциональное оптическое покрытие (например, напыляется слой SiN или TiO2), дифракционная структура тогда создается в этом слое, например таким же травлением. Функциональное покрытие может быть многослойным и состоять из нескольких слоев. Дифракционная структура также может быть создана в функциональном слое, зажатом между двух стекол. Сначала слой наносится на одно из стекол, потом в слое вытравливается дифракционная структура, потом данное стекло соединяется (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. При таком соединении протравленные пустоты могут быть заполнены материалом с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления стекла таким образом, чтобы поверхность стала опять ровной и гладкой, как показано на Фиг. 1. Таким материалом в некоторых вариантах реализации может быть, например, SiO2, ZnO, или GaP. Можно поменять материалы местами, использовать SiO2, ZnO, GaP для оптического покрытия, a SiN и TiO2 для заполнения пустот. В целом могут использоваться любые произвольные комбинации перечисленных материалов и других оптических материалов, главное, чтобы показатель преломления выбранных материалов отличался друг от друга. Толщина напыляемого слоя для заполнения пустот может быть больше, чем глубина пустот, т.е. материал заполняет пустоты и еще образует дополнительный слой поверх. Это необходимо, потому что при напылении пустоты могут быть заполнены не равномерно, а если напылить более толстый слой, то в итоге он выровняет поверхность. В другом варианте реализации как функциональный слой, так и материал, заполняющий пустоты, могут быть многослойными. Каждый из слоев может иметь произвольную толщину и состоять из одного из вышеперечисленных материалов или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент. Также возможен вариант, когда в качестве функционального слоя или покрытия используется металл, например Au, Pt, Al. В данном варианте область, покрытая металлом, становится непрозрачной, но имеет большую эффективность дифракционных порядков. Данный вариант применим, например для создания входного дифракционного элемента 210 повышенной эффективности, когда его прозрачность не является необходимой в соответствии с дизайном конечного устройства. Также данным путем могут быть созданы отдельные высокоэффективные области выходного дифракционного элемента 230, при этом их размер должен оставаться минимальным, чтобы не препятствовать обзору окружающей реальности.

[0023] В варианте реализации, когда дифракционные компоненты создаются на поверхности волновода, дифракционные компоненты могут быть созданы на обоих поверхностях волновода. Пустоты могут быть заполнены оптическим материалом с отличающимся показателем преломления, как описано выше. При этом дизайн дифракционных компонент, созданных на верхней поверхности волновода, может отличаться от дизайна дифракционных компонент, созданных на нижней поверхности волновода. Таким образом достигается расширенная функциональности и гибкость реализации конечного устройства (дисплея дополненной или расширенной реальности) так как оптический отклик устройства, создаваемый дифракционными компонентами на верхней поверхности волновода, дополняется оптическим откликом, создаваемым дифракционными компонентами на нижней поверхности волновода. При создании дифракционных решеток на поверхности стекла без соединения вытравленные пустоты заполнять не обязательно, т.к. они уже заполнены воздухом. Аналогично можно не заполнять пустоты и при соединении двух стекол. Еще в одном варианте реализации дифракционные элементы могут быть созданы путем проведения голографической записи требуемого оптического отклика в голографическом покрытии, нанесенном на поверхность волновода или внедренном в объем волновода. Оптический отклик голографической дифракционной решетки достигается за счет пространственного модулирования оптических свойств голографического покрытия (или пространственное изменение диэлектрической и магнитной проницаемости материала) и эквивалентен / идентичен оптическому отклику дифракционных решеток, описанных ниже. Различные варианты реализации показаны на Фиг. 1а и Фиг. 1б.

[0024] Как упоминалось выше в общем виде экран дополненной и совмещенной реальности состоит из следующих компонент, как схематично показано на Фиг. 2, подробно раскрытых ниже:

[0025] группа дифракционных компонент 210, осуществляющая (а) ввод лучей изображения в волновод и их распределение и (б) частичное возвращение убегающих лучей изображения обратно в волновод (далее - входной дифракционный элемент);

[0026] волновод 220 для распространения лучей изображения;

[0027] группа дифракционных компонент 230, осуществляющих (а) вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и (б) распределение лучей изображения по всему объему волновода 220 (далее - выходной дифракционный элемент).

[0028] Под частичным возращением понимается ситуация, когда часть лучей убегающих к краям волновода (а значит теряемых т.к. достигнув края волновода лучи выйдут из волновода не в направлении глаз пользователя, а значит не принесут полезного действия) будет перенаправлена обратно в направлении выходной дифракционной решетки и после взаимодействия с выходной дифракционной решеткой будут направлены в глаза пользователя.

[0029] Глаза пользователя двигаются, в связи с чем устройство дополненной и совмещенной реальности может находиться под разными углами в зависимости от положения глаза пользователя. Верхний и нижний предел углов относительного расположения устройства и глаз пользователя зависит от конкретной геометрии конечного устройства (например, очков или экрана дополненной реальности). В некоторых вариантах реализации устройство может быть реализовано в виде прозрачного экрана, например, в виде стекла, устанавливаемого в окно дома, автомобиль, витрину, или используемого как прозрачный дисплей, например, на стойках регистрации. Выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение, в противном случае часть виртуальной картинки может быть утеряна.

[0030] На Фиг. 2 приведена общая схема устройства. Геометрическая форма элементов 210 и 230, расстояния между элементами 210 и 230, а также взаимная ориентация в плоскости х-у могут быть любыми, при этом выходной дифракционный элемент занимает большую часть волновода в плоскости х-у, а входной дифракционный элемент опоясывает его по периметру. Входной и выходной дифракционный элементы могут быть разделены на зоны, причем некоторые выбранные зоны могут быть не структурированы и не содержать дифракционной решетки. Данная возможность необходима для гибкости эргономики дизайна. Например, зоны, перекрывающиеся с другими структурными элементами устройства (например, с оправой, удерживающей линзу очков, являющуюся волноводом) могут быть намеренно оставлены пустыми. При этом в идеальном случае, т.е. когда осуществляется максимальное полезное действие, входная дифракционная решетка 210 опоясывает выходную дифракционную решетку 230 по всему периоду без наличия пустых зон. Пустые зоны могут быть созданы, если есть перекрытие с физическим контактом с другими элементами устройства, при этом оптический отклик устройства ухудшается. Заполненные зоны могут содержать разные типы дифракционной решетки, описанные ниже. Данная возможность необходима для достижения требуемого оптического отклика.

[0031] Проектор или несколько проекторов могут располагаться в любой позиции напротив области входного дифракционного элемента так, что пятно изображения, создаваемое проектором, падает на область входного дифракционного элемента как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3.

[0032] На Фиг. 3 приведены два конкретных примера реализации технического решения. В первом варианте входной дифракционный элемент опоясывает выходной дифракционный элемент по всему периметру. Используются два проектора, проецирующие пятно изображения по центру входного дифракционного элемента симметрично слева и справа. Во втором варианте входной и выходной дифракционный элемент разбит на зоны, некоторые зоны пусты (пустые зоны не показаны на фигуре, но должны быть понятны из сравнения схем), используется один проектор проецирующий пятно изображения в левый верхний угол. Во втором варианте оптический отклик системы хуже, однако, как описано ниже, пустые зоны могут быть необходимы для интеграции в конечное устройство, например, очки дополненной реальности.

[0033] Когда волновод 220 встроен, например, в очки, как показано на Фиг. 4, верхняя поверхность, содержащая дифракционные элементы 210 и 230 (если структурирована только верхняя поверхность) обращена либо в сторону глаз пользователя, либо в противоположную сторону. В первом случае виртуальное изображение будет создаваться дифракционными порядками в пропускании (т.е. используются лучи, которые после дифракции выйдут из волновода 220 в воздух), а во втором случае дифракционными порядками в отражении (т.е. используются лучи, которые после дифракции отражаются обратно в волновод 220 и выйдут из волновода 220, достигнув противоположной поверхности волновода 220). Например, миниатюрный проектор изображения 240 может быть вмонтирован в душку очков. Тогда проектор проецирует изображение на верхний угол входного дифракционного элемента 210 как показано в первом варианте на Фиг. 4, выходной дифракционный элемент 230 располагается напротив глаз пользователя. Если же проектор смонтирован под душкой очков, как показано во втором варианте на Фиг. 4, то пятно изображения проецируется по центру входного дифракционного элемента 210 симметрично слева и справа. Лучи пятна изображения, создаваемого проектором 240, могут проецироваться на входной дифракционный элемент 210 как в пропускании, так и в отражении в зависимости от расположения проектора и ориентации верхней (или нижней) поверхности по отношению к глазам пользователя. Детальное описание работы входного дифракционного элемента 210 приведено ниже. Выходной дифракционный элемент 230 располагается напротив глаз пользователя. Таким образом приводится конструкция входного дифракционного элемента 210, когда он опоясывает выходной дифракционный элемент по периметру и обеспечивает гибкость реализации конечного устройства, например, очков или экрана дополненной реальности. На Фиг. 4 в третьем варианте показан экран дополненной реальности, который, например, может использоваться на стойках регистрации или как персональный рабочий дисплей. В данном варианте используются несколько проекторов которые могут располагаться в любом месте по периметру волновода при этом каждое из пятен изображения, создаваемых проекторами должно падать на площадь входного дифракционного элемента 210. Использование нескольких проекторов позволяет повысить яркость изображения и повысить его однородность по цвету. Последнее достигается за счет более однородного распределения лучей изображения по площади выходного дифракционного элемента путем введения лучей в волновод 220 с нескольких направлений. Проекторы в третьем варианте на Фиг. 4 изображены схематически, в реальном устройстве проекторы могут быть вмонтированы в раму экрана с фронтальной или задней стороны. Размер входного дифракционного элемента 210 подбирается в зависимости от размера пятна изображения, создаваемого проектором или несколькими проекторами 240 и размеров, и расположения выходного дифракционного элемента 230. Размер выходного дифракционного элемента 230 определяется тремя факторами - размером поля изображения (создаваемого проектором 240, чем больше поле изображения (иными словами диапазон разброса углов лучей изображения создаваемых проектором 240), тем больше размер изображения, которое видит пользователь), расстоянием от выходного дифракционного элемента 230 до глаз пользователя и требуемым (или заложенным в дизайне) размером зоны допустимых отклонений положения глаз пользователя от заданной центральной позиции. В некоторых вариантах реализации размер выходного дифракционного элемента 230 может достигать значения, например, 4x4 см или 4x6 см или 20x20 см, 100x50 см и больше. Расстояние от глаз до стекла очков определяется дизайном конечного устройства - размером оправы, и т.д. Центр выходного дифракционного элемента 230 может располагаться напротив глаза пользователя, обычно на линии перпендикулярной к поверхности волновода 210, но в зависимости от эргономики конечного устройства, эта линия может проходить и под определенным углом. В целом выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение. В случае, когда устройство реализуется в виде экрана дополненной реальности выходной дифракционный элемент 230 занимает максимальную площадь поверхности экрана.

[0034] Входной дифракционный элемент 210 также осуществляет частичное возвращение убегающих лучей изображения обратно в волновод как более детально описано ниже. Дублирующая копия входного дифракционного элемента 210 может быть создана на противоположной поверхности волновода 220, как показано на Фиг. 5. В данном варианте убегающие лучи изображения, которые при взаимодействии с входным дифракционным элементом 210 до этого перенаправлялись в направлении к противоположной поверхности волновода и выходили из волновода, теперь перенаправляются обратно в волновод как показано жирным выделение стрелок на Фиг. 5. При этом изначально ввод лучей изображения, созданных проектором 240, осуществляется входным дифракционным элементом 210 расположенным на обеих поверхностях волновода 220.

[0035] Детальное описание отдельных компонент приведено ниже и включает описание принципов их работы.

[0036] Входной дифракционный элемент 210 и выходной дифракционный элемент 230 содержат квадратные двумерные оптические решетки, повернутые относительно друг друга на любой угол, кратный 45 градусам, как показано на Фиг. 6. Возможны четыре варианта расположения и ориентации элементов 210 и 230 относительно друг друга и относительно оси х. В первом варианте квадратные решетки элементов 210 и 230 повернуты на 0 градусов относительно оси х и на 0 градусов относительно друг друга. Во втором варианте квадратные решетки элементов 210 и 230 повернуты на 45 градусов относительно оси х и на 0 градусов относительно друг друга. В третьем варианте квадратная решетка элемента 210 повернута относительно оси х на 0 градусов, квадратная решетка элемента 230 повернута относительно оси х на 45 градусов, угол между квадратными решетками элементов 210 и 230 равен 45-ти градусам. В четвертом варианте квадратная решетка элемента 210 повернута относительно оси х на 45 градусов, квадратная решетка элемента 230 повернута относительно оси х на 0 градусов, угол между квадратными решетками элементов 210 и 230 равен 45-ти градусам.

[0037] Оптические решетки элементов 210 и 230 могут быть сформированы сплошными линиями. Возможен вариант, когда линии оптической решетки 210 или 230 разбиваются на отдельные элементы определенной формы (например, цилиндрической, кубической и т.д., однако могут быть использованы элементы разной формы и размеров), становясь прерывными, что позволяет управлять эффективностью дифракционных порядков. Разная форма позволяет управлять интенсивностью дифракционных порядков, что позволяет контролировать однородность картинки изображения по цвету. Разные формы дают разную степень контроля, при это они могут быть более просты или сложны в фабрикации. Элементы могут быть многоуровневыми или наклонными, например, пирамида со ступенями или наклонными сторонами. Ниже приведен принцип работы устройства на примерах вариантов реализации, описанных выше. В вариантах два и четыре устройство работает как в вариантах один и три при оси х повернутой на 45 градусов, различные направления распространения лучей описанные ниже поворачиваются на 45 градусов, при этом принцип работы устройства не меняется.

[0038] Оптическая решетка входного дифракционного элемента 210 перенаправляет свет от миниатюрного проектора 240 в направления определенных ее дифракционными векторами K_210A=2π•(A₂₁₀×n/B₂₁₀•(A₂₁₀×n)); K_210B=2π•(В₂₁₀×n/А₂₁₀•(В₂₁₀×n)); где А₂₁₀ и В₂₁₀ - вектора решетки Браве квадратной решетки входного дифракционного элемента 210 как показано на Фиг. 7 на примере варианта один описанного выше. Некоторые из этих направлений, например K_210A, и K_210A+K_210B соответствуют направлениям на выходной дифракционный элемент 230. Другие направления, например -K_210A и -K_210A - K_210B, приводят к убеганию лучей от выходного дифракционного элемента 230 и эффективность дифракции в этих направлениях может быть минимизирована путем выбора дифракционных элементов определенной формы, например наклоненный в направлении к выходному дифракционному элементу 230.

[0039] Оптическая решетка входного дифракционного элемента 210 также перенаправляет свет от проектора 240 вдоль периметра выходного дифракционного элемента 230, в вариантах один и три это направление задано вектором K_210B и затем в направлении выходного дифракционного элемента 230 путем повторной дифракции в направлении K_210A+K_210B как показано на Фиг. 7. Таким образом осуществляется ввод лучей изображения в волновод и их распределение по площади волновода уже на этапе первичного ввода лучей изображения в волновод 220.

[0040] На Фиг. 8 использованы следующие обозначения. Внешний круговой контур обозначает максимальную разрешенную величину волнового вектора дифрагированных лучей в плоскости х-у, причем эта величина в свою очередь равна K=K₀*n2, где K₀ - волновой вектор лучей изображения, созданных проектором, n2 - показатель преломления волновода. Внутренний круговой контур обозначает минимальную величину волнового вектора дифрагированных лучей в плоскости х-у, при достижении которой нарушается условие полного внутреннего отражения лучей в волноводе 220. Периодические узлы отображают дифракционные порядки квадратной оптической решетки входного и выходного дифракционных элементов 210 и 230. Квадратная рамка показывает значения волнового вектора лучей изображения в плоскости х-у, созданного проектором до дифракции (в центре внутреннего кругового контура) и после дифракции (рамки, центрированные на узлах дифракционных порядков квадратной решетки элементов 210 и 230).

[0041] Таким образом, входной дифракционный элемент 210 вводит лучи изображения, созданные проектором 240 в волновод 220, и направляет лучи изображения в направлениях, заданных дифракционными узлами, изображенными на Фиг. 8 и описанными выше. Видно, что все узлы заключенные между внешним и внутренним контурами соответствуют разрешенным дифракционным порядкам, при которых лучи изображения вводятся в волновод и распространяются под углом большим угла полного внутреннего отражения волновода 220, причем угол отсчитывается от нормали к поверхности волновода.

[0042] При взаимодействии с выходным дифракционным элементом 230 к волновому вектору лучей изображения добавляется или вычитается волновой вектор K_230A=2π•(А₂₃₀×n/В₂₃₀•(А₂₃₀×n)); K_230B=2π•(В₂₃₀×n/А₂₃₀•(В₂₁₀×n)); или вектор K_230A+K_230B, где А₂₃₀ и В₂₃₀ - вектора решетки Браве квадратной решетки выходного дифракционного элемента 230. В варианте один и три оптические решетки элементов 210 и 230 одинаковые и выше описанные вектора идентичны векторам K_210A, K_210B, и K_210A+K_210B. Таком образом после взаимодействия с выходным дифракционным элементов 230 результирующий волновой вектор имеет компоненту в плоскости х-у соответствующую одному из узлов изображенных на Фиг. 8. Лучи изображения, соответствующие всем узлам, кроме центрального, продолжают распространяться в волноводе в соответствующих направлениях. Лучи изображения, соответствующие центральному узлу, выводятся в направлении глаз пользователя.

[0043] В вариантах два и четыре оптическая решетка выходного дифракционного элемента 230 имеет период в 2^1/2 два раза больше, чем оптическая решетка входного дифракционного элемента 210. Как описано выше, оптические решетки элементов 210 и 230 повернуты на 45 градусов относительно друг друга. Оптическая решетка выходного дифракционного элемента 230 обладает узлами дифракционными узлами, обозначенными крестообразными узлами на Фиг. 9.

[0044] Таком образом после взаимодействия с выходным дифракционным элементом 230 результирующий волновой вектор имеет компоненту в плоскости х-у соответствующую одному из узлов изображенных на Фиг. 9. Видно, что переходы разрешены только между изображенными узлами, причем одни из переходов приводят в кругообразные узлы в другие переходы приводят в крестообразные узлы. Лучи изображения, соответствующие всем узлам кроме центрального, продолжают распространяться в волноводе в соответствующих направлениях. Лучи изображения, соответствующие центральному узлу, выводятся в направлении глаз пользователя.

[0045] Как видно из Фиг. 8 и Фиг. 9 некоторые из лучей изображения после взаимодействия с выходным дифракционным элементом 230 убегают в направлениях к краям волновода и достигнув краев дифрагируют на оптической решетке входного дифракционного элемента 210. В результате часть лучей перенаправляется обратно в направлении выходного дифракционного элемента 230. Направления возвращения лучей определяются результирующей компонентой волнового вектора лучей изображения в плоскости х-у которая соответствует одному из переходов между узлами, изображенными на Фиг. 8. и Фиг 9. Таким образом, частично предотвращается потеря лучей изображения из волновода. Для повышения эффективности работы входного дифракционного элемента 210 для ввода лучей изображения от проектора 240 в волновод 210, так и для повышения эффективности возвращения убегающих лучей изображения, оптическая решетка элемента 210 может быть покрыта функциональным покрытием, например Au, Pt, Al, TiO2, SiO2.

[0046] Дублирующая копия входного дифракционного элемента 210 может быть создана на противоположной поверхности волновода 220 как показано на Фиг. 5. В данном варианте лучи изображения, которые при взаимодействии с входным дифракционным элементом 210 до этого перенаправлялись в направлении к противоположной поверхности волновода (данное направление соответствует центральному дифракционному узлу на Фиг. 8 и Фиг. 9.) и выходили из волновода теперь перенаправляются обратно в волновод как показано жирным выделение стрелок на Фиг. 5. При этом, изначально ввод лучей изображения, созданных проектором 240, может осуществляться входным дифракционным элементом 210 расположенным на обеих поверхностях волновода 220 если использовано прозрачное функциональное покрытие. Если же используется металлическое покрытие Au, Pt, Al, в комбинации с дублирующей копией входного дифракционного элемента 210, то области, на которые падают пятна изображения, созданные проекторами 240, должны быть покрыты прозрачным функциональным покрытием, или должны не использовать покрытия хотя бы на одной из поверхностей. В противном случае лучи изображения будут блокированы и не будут введены в волновод 220.

Размножение «пятна изображения» (изначально созданного проектором 240) осуществляется по стандартной схеме работы подобных устройств и известна из уровня техники (в том смысле, что пятно должно быть размножено по объему волновода 220, технически это может быть реализовано по-разному). Конкретный луч изображения, созданный проектором 240 «расщепляется» на N лучей при каждом из взаимодействий с дифракционной решеткой. Таким образом, если рассмотреть всю совокупность лучей изображения в «пятне изображения», получается, что создаются копии «пятна изображения», убегающие в стороны от направления распространения основного «пятна изображения», направления разбегания определяются векторами дифракции входного и выходного дифракционных элементов 210 и 230 как описано выше. Размножение «пятна изображения» (источника изображения) по объему волновода 220 необходимо, чтобы пользователь видел виртуальную картинку независимо от того, в каком положении по отношению к волноводу 220, а значит линзе очков или экрану, находятся его глаза. Т.е. это нужно, чтобы в поле зрения всегда находилось хотя бы одно «пятно изображения» являющееся источником одного из углов изображения.

[0047] Для достижения полноцветной картинки может потребоваться создать три дифракционных волновода 220, причем каждый для одного из цветов RGB. Тогда все три волновода 220 соединяются в «стек», т.е. собираются в стопку один над другим. Тогда нужна гибкость, где и на какой поверхности располагается входная решетка и используется ли металлическое, или прозрачное функциональное покрытие.

[0048] Элемент 210 может работать как в режиме отражения (лучи изображения сначала проходят через волновод 220 под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения до взаимодействия с элементом 210), так и в режиме пропускания (лучи изображения взаимодействуют с элементом 210 в момент проникновением в волновод 220). В варианте, когда создана дублирующая копия входного дифракционного элемента 210 на противоположной поверхности волновода 220, элемент 210 может одновременно работать и в режиме отражения, и в режиме пропускания как показано на Фиг. 5.

[0049] Волновод 220 может быть сделан из стекла, пластика, или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент. В зависимости от применения это может быть, например, стекло или пластик. Важным показателем таких материалов являются показатель преломления (влияет на размер рабочего поля виртуального изображения или другими словами размер картинки) и пропускание во всем диапазоне видимых волн (поглощение света в видимом диапазоне должно быть минимальным), а также насколько волновод 220 ровный - вариации толщины, шероховатость поверхности и т.д. Чем меньше величины характеризующие «не-идеальность» волновода, тем лучше. Масса других механических показателей, например, таких как твердость и т.д., не имеют значения для оптического функционирования, но могут иметь значение для конечного устройства.

[0050] Свет распространяется внутри волновода 220 путем отражения под углом, большим угла полного внутреннего отражения материала, из которого сделан волновод 220. Например, для волновода 220, сделанного из стекла с показателем преломления 1.5, диапазон углов падения на поверхность волновода 220 будет 42 - 90 градусов, причем угол отсчитывается от нормали к поверхности волновода 220.

[0051] Поверхности волновода могут быть плоскими и параллельными друг другу или изогнуты, оставаясь параллельными, что нужно для гибкости эргономики конечного устройства. Технически проще реализовать плоский волновод 220. На поверхности 410 и 420 может быть нанесено функциональное покрытие, например антиотражающее или покрытие, меняющее угол полного внутреннего отражения поверхности, для улучшения производительности и технических показателей устройства. Ниже рассматриваются два примера такого покрытия - антиотражающее покрытие и покрытие, изменяющее показатель преломления. Показатель преломления определяет рабочее поле виртуального изображения (размер картинки). Например, показатель преломления стекла имеет значение 1.5, тогда поле обзора 30 градусов по диагонали, показатель преломления 1.8 - поле обзора 50 градусов по диагонали. Соотношение сторон (формат изображения), например, принимает значение 16:9 в обоих случаях. Антиотражающее покрытие предотвращает блики (например, от солнца или фонарей). Еще пример - специальное покрытие, препятствующее выходу картинки изображения в направлении "от глаз пользователя". По умолчанию, выходной дифракционный элемент 230 выводит картинку в двух направлениях, а именно в направлениях к верхней и нижней поверхностям волновода 220. При этом изображение, выводимое в направлении "от глаз пользователя" видно окружающим, что является нежелательным. Для борьбы с этим эффектом может быть использовано специальное покрытие, которое создаст антисимметрию эффективности дифракции в указанных двух направлениях. Картинка, выводимая "от глаз пользователя" не будет потеряна, а будет перенаправлена в глаза пользователя. Указанные функциональные покрытия могут быть нанесены как сверху уже созданной дифракционной структуры, так и под ней, или же нанесены на ту поверхность стекла, на которой дифракционная структура не создается. Проектор 240 может состоять из источника света, например светодиодов (LED) или лазерных диодов (SLED) или может быть лазерным, пиксельной матрицы LCOS или DMD формирующей изображение, оптических элементов, улучшающих и выводящих изображение. Таким образом коллемированные лучи, созданные проектором 240, падают на поверхность входной решетки под набором углов Δх1 и Δу1 отсчитанных от оси z1, которые определяют рабочее поле виртуального изображения (размер изображения). В качестве примера реализации для формата 16:9 и диагонали 30 градусов: Δх1=±13, Δу1=±7. Пучок этих лучей вводится в волновод, и распространяется в волноводе под новым набором углов Δх2 и Δу2, однако теперь отсчитанных от оси z2 проходящей под углом Z0 к оси z1. Угол Z0 определяется по формуле как d*(sinO2 - sinZ0)=L/n2 где d=2π/K₀, K₀ - величина волнового вектора лучей изображения, созданных проектором, sinO2*n2=sinO1*n1, n2 - показатель преломления волновода, n1 - показатель преломления окружающей среды (воздуха), L - рабочая длина волны волновода 220, O1 - угол оси z1 по отношению к нормали поверхности волновода 220, как показано на Фиг. 10.

[0052] Пучок лучей взаимодействует с выходной дифракционной решеткой 230. Так как лучи изображения падают на выходную решетку под набором Δх2 и Δу2, отсчитанных от оси z2, важно, чтобы интенсивность дифрагированных углов имела минимальную зависимость от углов падения Δх2 и Δу2. Этим обеспечивается максимальная равномерность изображения по цвету. Как описано выше, виртуальное изображение состоит из лучей, созданных проектором 240 и имеющих определенный разброс углов. При попадании в волновод 220 этот набор углов преобразуется, как описано выше. Далее все эти лучи взаимодействуют с выходной дифракционной решеткой 230. Зададим функцию эффективности этого взаимодействия как F (Δх2, Δу2). Далее F (Δх2, Δу2)=С, где С - фиксированная величина, не зависящая от Δх2, Δу2. В этом случае цветовой баланс изображения не искажается. В конкретном примере реализации С не является константой, но ее зависимость от Δх2, Δу2 минимизирована за счет многократного переиспользования лучей изображения, распространяемых под разными углами, как описано выше. Иными словами зависимость С от уΔх2, Δу2 размывается за счет того, что все лучи взаимодействуют с выходной дифракционной решеткой 230 многократно и с разных направлений.

[0053] Элементы 210 и 230 могут быть разбиты на неограниченное количество зон произвольной формы и размера.

Элемент 230 может быть создан на одной или обеих поверхностях волновода 220 или в его объеме как описано выше.

[0054]Как будет понятно специалисту в данной области техники, аспекты настоящего технического решения могут быть выполнены в виде устройства. Соответственно, различные аспекты настоящего технического решения могут быть реализованы исключительно как аппаратное обеспечение, а некоторые как программное обеспечение (включая прикладное программное обеспечение и так далее) или как вариант осуществления, сочетающий в себе программные и аппаратные аспекты, которые в общем случае могут упоминаться как «модуль», «система» или «архитектура». Кроме того, аспекты настоящего технического решения могут принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного на одном или нескольких машиночитаемых носителях, имеющих машиночитаемый программный код, который на них реализован.

Изобретение относится к дисплеям или экранам для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. Экран дополненной и совмещенной реальности содержит корпус, в котором расположены: группа входных дифракционных компонент, состоящая из квадратной оптической решетки, выполненная с возможностью ввода лучей изображения в волновод и их распределения в по меньшей мере одном направлении; волновод, выполненный с возможностью распространения лучей изображения; группа выходных дифракционных компонент, состоящая из квадратной оптической решетки, выполненная с возможностью вывода лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределения лучей изображения по всему объему волновода по меньшей мере в трех направлениях; группа входных дифракционных компонент, которая опоясывает или частично опоясывает группу выходных дифракционных компонент для возвращения или частичного возвращения лучей изображения, убегающих из волновода, обратно в волновод. Экран обеспечивает повышение эффективности передачи изображения, повышение однородности виртуального изображения по цвету. 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Экран дополненной и совмещенной реальности, содержащий корпус, в котором расположены:

группа входных дифракционных компонент, состоящая из квадратной оптической решетки, выполненная с возможностью ввода лучей изображения в волновод и их распределения в по меньшей мере одном направлении;

волновод, выполненный с возможностью распространения лучей изображения;

группа выходных дифракционных компонент, состоящая из квадратной оптической решетки, выполненная с возможностью вывода лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределения лучей изображения по всему объему волновода по меньшей мере в трех направлениях;

группа входных дифракционных компонент, которая опоясывает или частично опоясывает группу выходных дифракционных компонент для возвращения или частичного возвращения лучей изображения, убегающих из волновода, обратно в волновод.

2. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что при возвращении убегающих лучей часть лучей, убегающих к краям волновода, перенаправляется обратно в направлении выходной дифракционной решетки и после взаимодействия с выходной дифракционной решеткой направляются в глаза пользователя.

3. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что дифракционный элемент для вывода лучей изображения перекрывает область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение.

4. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что выходной дифракционный элемент занимает большую часть волновода, а входной дифракционный элемент опоясывает его по периметру.

5. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что входной и выходной дифракционный элементы разделены на зоны.

6. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что входная дифракционная решетка опоясывает выходную дифракционную решетку по всему периоду без наличия пустых зон или с пустыми зонами.

7. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что когда волновод встроен в очки, верхняя поверхность, содержащая входной и выходной дифракционные элементы, обращена или в сторону глаз пользователя, или в противоположную сторону.

8. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что выходной дифракционный элемент располагается напротив глаз пользователя.

9. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что используется на стойках регистрации или как персональный рабочий дисплей.

10. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что размер входного дифракционного элемента подбирается в зависимости от размера пятна изображения, создаваемого проектором или несколькими проекторами и размеров, и расположения выходного дифракционного элемента.

11. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что дублирующая копия входного дифракционного элемента создана на противоположной поверхности волновода.

12. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что ввод лучей изображения, созданных проектором, осуществляется входным дифракционным элементом, расположенным на обеих поверхностях волновода.

13. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что входной дифракционный элемент и выходной дифракционный элемент содержат квадратные двумерные оптические решетки, повернутые относительно друг друга на угол, кратный 45 градусам.

14. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что оптические решетки входного дифракционного элемента и выходного дифракционного элемента сформированы сплошными линиями.

15. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что линии оптической решетки входного дифракционного элемента и выходного дифракционного элемента разбиваются на отдельные элементы определенной формы.

16. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что оптическая решетка входного и выходного дифракционного элемента перенаправляет свет от миниатюрного проектора в направлениях, определенных ее дифракционными векторами.

17. Экран дополненной и совмещенной реальности по п. 1, характеризующийся тем, что выходной дифракционный элемент создан на обеих поверхностях волновода.