УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДА С ПЕРЕМЕННОЙ КРИВИЗНОЙ, СПОСОБ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ, ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ, ОПТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР Российский патент 2022 года по МПК G02B27/01 G02B5/18 G02B6/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к очкам дополненной реальности и к способам их функционирования.

Описание предшествующего уровня техники

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV - угловая характеристика, показывающая в каком диапазоне углов можно наблюдать виртуальные изображения), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны. На данном этапе развития данной области техники максимальная ширина поля зрения составляет 60⁰ по диагонали.

К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:

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

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

- малый вес;

- компактность;

- низкая стоимость;

- высокое разрешение, высокий контраст и т. д.

Необходимо отметить, что очки дополненной реальности требуют унификации в массовом производстве, поскольку антропометрические данные каждого человека индивидуальны, поэтому эстетика и эргономика очков дополненной реальности требует индивидуальных параметров волновода, в частности радиуса кривизны. Разная кривизна волновода по-разному влияет на гомоцентричность лучей в волноводе и на выходе из него. При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь.

В настоящее время применяется технология изготовления устройств дополненной реальности на основе планарных волноводов с дифракционными оптическими элементами. Такие устройства обладают малым весом, малыми размерами, низкой стоимостью, могут обеспечить широкое поле зрения, широкое поле движения глаз, высокую пропускаемость, то есть высокое пропускание реального изображения.

Широко используются очки дополненной реальности на основе планарных волноводов, то есть волноводов, представляющих собой пластину с двумя плоскопараллельными плоскостями. Однако, в таких устройствах края, где расположены проекторы виртуального изображения располагаются далеко от височной части головы пользователя, поэтому такие очки при использовании занимают большое пространство.

Также используются искривленные волноводы, которые огибают окружность головы пользователя, такие очки являются более компактными и удобными, имеют меньший вес, меньшие габариты, устройство являются более эргономичным и эстетичным. Однако, искривленный волновод добавляет искажение в изображение дополненной реальности.

При падении параллельного пучка на искривленный волновод, излучение вводится внутрь волновода с помощью вводной дифракционной решетки. Пучок из пучка с плоским волновым фронтом, в котором лучи распространяются параллельно друг другу превращается в пучок со сферическим волновым фронтом, где лучи сходятся в определенной точке, при этом при разной кривизне по-разному искривляется волноводный фронт. Этот эффект необходимо учитывать и компенсировать при изготовлении очков дополненной реальности из искривленных волноводов.

Из уровня техники известен документ US9733475 B1 (дата публикации 15.08.2017), в котором раскрыта система дополненной реальности, содержащая цилиндрический волновод с проекционной системой, в которую встроена система для искажения изображения, которая компенсирует искажения, вносимые цилиндрическим волноводом. Однако в такой системе дополненной реальности ввод изображения производится сверху, кроме того, такая система является стационарной и не может адаптироваться под какое-либо изменение кривизны волновода, а рассчитана и спроектирована под конкретную кривизну волновода.

Из уровня техники известен документ US 10809537 B1 (дата публикации 20.10.2020), который выбран в качестве прототипа. В документе раскрыт волноводный дисплей. Волноводный дисплей включает в себя источник света, проекционный узел, вводной волновод источника и выводной волновод. Вводной волновод имеет регулируемую кривизну для перефокусировки изображения. В первый волновод подается узкий коллимированный пучок от лазера, за счет искривления волновода осуществляется сканирование по полю и размножение излучения, за счет чего строится изображение и перемещается построенное изображение по одной оси. Второй волновод перпендикулярен первому волноводу и содержит дифракционную решетку, штрихи которой перпендикулярны штрихам дифракционной решетки первого волновода. Второй волновод работает также, как и первый волновод, причем синхронно с первым волноводом, но за счет того, что волноводы перпендикулярны друг другу, изображение может перемещаться по двум осям. В отличие от классической системы, где изображение строится в бесконечности, в данном случае, за счет изменения кривизны волновода изображение может перемещаться по двум осям. Недостатками известного решения является сложность конструкции (использование двух волноводов), сложность формирования изображения с помощью лазерного пучка, и перефокусировка виртуального положения, что вносит дополнительные искажения в изображение.

Необходимо разработать простое в изготовлении, компактное и удобное устройство для отображения дополненной реальности для очков дополненной реальности с широким полем зрения. Очки дополненной реальности должны иметь возможность регулироваться пользователем, подстраиваясь под форму головы и лица каждого конкретного пользователя.

Сущность изобретения

Предлагается устройство для отображения синхродополненной реальности, содержащее: проекционную систему, оптический компенсатор, расположенный за проекционной системой; гибкий волновод, содержащий вводную дифракционную решетку и выводную дифракционную решетку, выполненный с возможностью изменения радиуса кривизны; причем проекционная система выполнена с возможностью проецирования неискаженного изображения на оптический компенсатор, оптический компенсатор выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения и оптического увеличения, то есть изменения углового размера изображения, полученного от проекционной системы, причем предыскажение изображения и оптическое увеличение изображения являются противоположными тем, которые вносились бы гибким волноводом в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода; вводная дифракционная решетка гибкого волновода выполнена с возможностью введения изображения, имеющего предыскажение изображения и оптическое увеличение изображения, в гибкий волновод, гибкий волновод выполнен с возможностью компенсировать предыскажение изображения и оптическое увеличение, полученные от оптического компенсатора, выводная дифракционная решетка гибкого волновода выполнена с возможностью выводить неискаженное изображение. Причем устройство дополнительно содержит гибкую оправу, в которой закреплены проекционная система, оптический компенсатор, гибкий волновод.

Также предлагается способ работы предлагаемого устройства для отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых: изгибают гибкий волновод, изменяя радиус кривизны гибкого волновода; проецируют неискаженное изображение, посредством проекционной системы, причем неискаженное изображение попадает на оптический компенсатор; искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, получая предыскаженное изображение и оптическое увеличение изображения, посредством настройки оптического компенсатора, таким образом, что искажение предыскаженного изображения и оптическое увеличение изображения становятся противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода; вводят предыскаженное изображение с оптическим увеличением изображения в гибкий волновод посредством вводной дифракционной решетки; компенсируют искажение предыскаженного изображения и оптическое увеличение изображения, посредством гибкого волновода, получая неискаженное изображение; выводят неискаженное изображение посредством выводной дифракционной решетки в глаз пользователя. Причем этап, на котором изгибают гибкий волновод, осуществляет пользователь. Причем этап, на котором искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, осуществляется пользователем посредством регулировки оптического компенсатора вручную. Причем этап, на котором искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, осуществляется автоматически в зависимости от значения радиуса кривизны гибкого волновода.

Также предлагаются очки дополненной реальности, содержащие гибкую оправу, в которой закреплены элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, причем гибкий волновод каждого из элемента для правого глаза и элемента для левого глаза расположен таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя. Причем проекционная система расположена в височной области пользователя. Причем очки дополнительно содержат регулятор оптического компенсатора, выполненный с возможностью регулирования пользователем оптического компенсатора для внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем пользователь производит регулировку оптического компенсатора до тех пор, пока не увидит неискаженное изображение. Причем очки могут дополнительно содержать интерфейс управления; систему управления; исполнительный механизм; датчики кривизны; причем интерфейс управления выполнен с возможностью: получать значение радиуса кривизны волновода от пользователя, подавать сигнал системе управления на изменение радиуса кривизны волновода; датчики кривизны выполнены с возможностью определять текущий радиус кривизны волновода и отравлять значение текущего радиуса кривизны в систему управления; система управления выполнена с возможностью: управления исполнительным механизмом на основании сигнала от интерфейса управления, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью изменения радиуса кривизны гибкого волновода посредством изменения кривизны гибкой оправы, вычисления и генерации сигналов управления оптическим компенсатором, которые вынуждают оптический компенсатор вносить предыскажения изображения и оптическое увеличение изображения, противоположные искажениям, вносимым гибким волноводом, в соответствии с радиусом кривизны гибкого волновода.

Также предлагаются очки дополненной реальности, содержащие гибкую оправу, в которой закреплен один элемент как для левого глаза, так и для правого глаза, причем элемент представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, причем гибкий волновод, расположен в гибкой оправе таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя. Причем очки содержат дополнительную проекционную систему и дополнительный оптический компенсатор, расположенный за дополнительной проекционной системой, причем проекционная система и дополнительная проекционная система расположены в височной области пользователя с каждой стороны головы пользователя. Причем очки дополнительно содержат регулятор оптического компенсатора, выполненный с возможностью регулирования пользователем оптического компенсатора для внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем пользователь производит регулировку оптического компенсатора самостоятельно до тех пор, пока не увидит неискаженное изображение. Очки могут дополнительно содержать: интерфейс управления; систему управления; исполнительный механизм; датчики кривизны; причем интерфейс управления выполнен с возможностью: получать значение радиуса кривизны волновода от пользователя, подавать сигнал системе управления на изменение радиуса кривизны волновода; датчики кривизны выполнены с возможностью определять текущий радиус кривизны волновода и отравлять значение текущего радиуса кривизны в систему управления; система управления выполнена с возможностью: управления исполнительным механизмом на основании сигнала от интерфейса управления, при этом исполнительный механизм выполнен с возможностью изменения радиуса кривизны гибкого волновода посредством изменения кривизны гибкой оправы, вычисления и генерации сигналов управления оптическим компенсатором, которые вынуждают оптический компенсатор вносить предыскажения изображения и оптическое увеличение изображения, противоположные искажениям, вносимым гибким волноводом, в соответствии с радиусом кривизны гибкого волновода.

Предлагается оптический компенсатор для устройства дополненной реальности, содержащий: часть оптического увеличения изображения, выполненную с возможностью изменения углового размера изображения α на угол α’=kα, где k представляет собой коэффициент увеличения, причем оптическое увеличение является противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом устройства дополненной реальности в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода устройства дополненной реальности; часть предыскажения изображения, выполненную с возможностью изменения кривизны волнового фронта излучения, составляющего изображение, полученного от проекционной системы, причем изменение кривизны волнового фронта является противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом устройства дополненной реальности в излучение, составляющее неискаженное изображение, в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода устройства дополненной реальности.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 схематично иллюстрирует внешний вид оптической части предлагаемых очков дополненной реальности.

Фиг. 2 (а), (b) иллюстрирует эффект корректировки изображения с использованием оптического компенсатора.

Фиг. 3 (a) иллюстрирует внешний вид очков дополненной реальности, надетых на пользователя, и (b) иллюстрирует устройство для отображения дополненной реальности.

Фиг. 4 иллюстрирует алгоритм работы очков дополненной реальности при ручном режиме управления.

Фиг. 5 иллюстрирует алгоритм работы очков дополненной реальности при автоматическом режиме управления.

Фиг. 6 иллюстрирует ухудшение качества изображения в зависимости от изменения радиуса кривизны волновода.

Фиг. 7 иллюстрирует возможность изменения радиуса кривизны волновода при воздействии силы, (a) сжимающее усилие, (b) растягивающее усилие.

Фиг. 8 (а) иллюстрирует очки дополненной реальности из одного цельного волновода, 8(b) иллюстрирует очки дополненной реальности из двух отдельных волноводов.

Фиг. 9 иллюстрирует результат действия оптического компенсатора с увеличением и предыскажением двух параллельных пучков.

Фиг. 10 проиллюстрирована компенсация изображения оптическим компенсатором в зависимости от радиуса кривизны волновода.

Фиг. 11 проиллюстрирован вариант исполнения оптического компенсатора.

Фиг. 12 иллюстрирует качество изображения после применения оптического компенсатора.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство дополненной реальности для очков дополненной реальности, внешний вид которых показан на фиг. 1. В предлагаемых очках дополненной реальности радиус кривизны волновода 4 может индивидуально изменяться пользователем под параметры головы каждого конкретного пользователя.

Изогнутый волновод имеет существенный недостаток: кривизна волновода вносит искажения в изображение, а именно преобразует плоский волновой фронт в изогнутый и масштабирует (увеличивает/уменьшает, изменяет размер, оптическое увеличение) изображение, меняет угол между главными лучами на выходе из изогнутого волновода, относительно угла, который был на входе изогнутого волновода. Более того, искажения и масштабирование (оптическое увеличение изображения) зависят от кривизны волновода, чем больше кривизна, тем больше искажений и тем сильнее оптическое увеличение изображения. Однако это можно исправить предварительным искажением (предыскажением) изображения и предварительным оптическим увеличением изображения перед вводом изображения в гибкий волновод.

Для этого в предлагаемом устройстве для отображения дополненной реальности используется оптический компенсатор, перестраиваемый по величине искажения, которое вносилось бы при прохождении через гибкий волновод. Такой оптический компенсатор предыскажает изображения для компенсации искажения, получаемого при изменении радиуса кривизны волновода. Оптический компенсатор может быть отрегулирован пользователем не только для внесения предыскажений в изображение и в оптическое увеличение изображения, но и для компенсации недостатков зрения пользователя.

На фиг. 1 схематично показан внешний вид очков дополненной реальности. Очки дополненной реальности представляют собой гибкий волновод 4, заключенный в гибкую оправу. Радиус кривизны гибкого волновода 4 (R1 и R2 на фиг. 1) пользователь может изменять по собственному усмотрению таким образом, чтобы очки дополненной реальности удобно располагались на голове. В височной области пользователя с каждой стороны головы на оправе располагается по проекционной системе 1, вводные дифракционные решетки 2 располагаются на гибком волноводе 4, выводные дифракционные решетки 3 располагаются на гибком волноводе 4 напротив каждого глаза пользователя. Оптический компенсатор 5 расположен сразу за проекционной системой 1.

Эффект от использования оптического компенсатора показан на фиг. 2, на фигуре (а) показано искажение изображения, получаемое при использовании искривленного (изогнутого) волновода, на фигуре (b) показано изображение при использовании оптического компенсатора.

На фиг. 3 (а) схематично показаны очки дополненной реальности, надетые на пользователя, и (b) схематическое изображено устройство для отображения очков дополненной реальности, используемое в очках дополненной реальности.

Устройство для отображения дополненной реальности содержит: Проектор изображения 1, проецирующий изображение в бесконечность. Гибкий волновод 4, выполненный с возможностью изменения его кривизны пользователем. Причем гибкий волновод 4 содержит вводную дифракционную решетку 2 для ввода изображения в гибкий волновод 4 посредством дифракции, и выводную дифракционную решетку 3, для вывода изображения из волновода в глаз пользователя. Изображение распространяется по волноводу 4 от вводной дифракционной решетки 2 к выводной дифракционной решетке 3 посредством эффекта полного внутреннего отражения (ПОВ) от поверхностей волновода. Устройство также содержит оптический компенсатор 5, выполненный с возможностью обеспечения переменного предварительного предыскажения изображения от проектора, обратного искажению, вносимому за счет кривизны волновода, и с возможностью создания переменного оптического увеличения изображения, обратного изменению оптического увеличения, вносимому гибким волноводом, в соответствии с радиусом его кривизны. Под оптическим увеличением понимается изменение углового размера изображения.

Проектор 1 изображения проецирует изображение в бесконечность. Оптический компенсатор 5 настраивается (вручную пользователем или автоматически) на текущий радиус кривизны гибкого волновода 4. Изображение от проекционной системы 1, проходя через оптический компенсатор 5, предварительно предыскажается, так что предыскажение изображения и оптическое увеличение становятся противоположными тем, которые вносятся текущим радиусом кривизны гибкого волновода 4. Когда радиус кривизны гибкого волновода 4 изменяется (например, с радиуса R1 на радиус R2), тогда искажения, вносимые в траекторию лучей и увеличение изображения, изменяются в гибком волноводе 4, и оптический компенсатор 5 настраивается пользователем на текущий радиус кривизны гибкого волновода 4 вручную или автоматически.

Таким образом оптический компенсатор 5 выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы

Предлагаемые очки дополненной реальности содержат гибкую оправу, в которой закреплены элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности. Необходимо отметить, что элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, опционально, могут работать синхронно. Гибкий волновод 4 располагается в каждом из элемента для правого глаза и элемента для левого глаза таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя.

В еще одном воплощении предлагаемого изобретения очки дополненной реальности содержат гибкую оправу, в которой закреплен только один элемент для левого глаза и правого глаза, причем элемент представляет собой одно предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности. В этом варианте воплощения гибкий волновод 4, расположен перед глазами пользователя таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя.

Как упоминалось выше оптический компенсатор 5 может регулироваться пользователем вручную.

В этом случае алгоритм работы очков дополненной реальности заключается в следующем, как показано на фиг. 4.

Пользователь надевает очки дополненной реальности и посредством изгибания оправы изменяет радиус кривизны гибкого волновода 4. При этом пользователь видит искаженное изображение с оптическим увеличением изображения. Пользователь с помощью регулятора оптического компенсатора настраивает оптический компенсатор таким образом, чтобы изображение было видно четко и без оптического увеличения. Более конкретно:

1) Пользователь изменяет радиус кривизны гибкого волновода;

2) Изображение искажается в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода;

3) Пользователь регулирует оптический компенсатор до устранения искажений,

4) Если изображение остается искаженным, пользователь регулирует оптический компенсатор до тех пор, пока пользователь не увидит неискаженное изображение;

5) Изображение имеет оптическое увеличение;

6) Пользователь регулирует оптический компенсатор до устранения оптического увеличения изображения;

7) Пользователь видит неискаженное изображение без оптического увеличения изображения.

Оптический компенсатор состоит из подвижных компонентов, которые обеспечивают плавное изменение искажения волнового фронта с возможностью ручного перемещения компонентов пользователем с помощью регулятора. Такие устройство известны из уровня техники, одним из примеров реализации таких систем может быть объектив переменного увеличения, который используется в объективах камер.

Пользователь надевает очки дополненной реальности, изменяет кривизну волновода по своему усмотрению и регулирует оптический компенсатор с помощью регулятора по своему усмотрению, чтобы просмотр в очках был наиболее комфортен, регулировка осуществляется любым из известных способов применимых для зум-систем или систем с перестраиваемыми линзами.

При настройке изображения пользователем вручную с помощью регулятора, пользователь может смотреть на тестовое виртуальное изображение, которое пользователь должен четко видеть после регулировки. Тестовые изображения известны из уровня техники, одним из примеров являются телевизионные миры, которые переносятся в область дополненной и виртуальной реальности для оценки качества виртуального изображения. Другими словами, с помощью регулировки оптического компенсатора 5 изображение, полученное от проекционной системы 1, искажается и получается предыскаженное изображение, причем оптическое увеличение изображения становится противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом 4 в изображение без оптического увеличения в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода 4. Далее предыскаженное изображение попадает в гибкий волновод 4, где искажения, вносимые гибким волноводом 4 компенсируют предыскажения, внесенные оптическим компенсатором 5. Предыскаженное изображение попадает в гибкий волновод посредством вводной дифракционной решетки 2, распространяется в гибком волноводе 4 посредством ПОВ, при этом внесенные оптическим компенсатором 5 искажения компенсируются искажениями, вносимыми гибким волноводом 4, изображение становится неискаженным. Неискаженное изображение выводится из гибкого волновода 4 посредством выводной дифракционной решетки 3 и попадает в глаза пользователя.

Использование очков дополненной реальности возможно после регулировки, когда качество изображения устраивает пользователя.

На фиг. 5 показан алгоритм работы очков дополненной реальности при автоматическом режиме управления. При автоматическом режиме управления очки дополненной реальности дополнительно содержат интерфейс управления, систему управления, исполнительный механизм,

датчики кривизны. Пользователь очков дополненной реальности с автоматическим управлением выставляет необходимый комфортный радиус кривизны волновода в интерфейсе управления. Интерфейс управления расположен на оправе и может быть, как реальным, то есть исполнен в виде регулятора, так и виртуальным, и может управляться жестами, взглядом, голосом и т.п. Интерфейс управления получает значение радиуса кривизны волновода от пользователя, подает сигнал системе управления на изменение радиуса кривизны волновода. Датчики кривизны выполнены с возможностью определять текущий радиус кривизны волновода и отравлять значение текущего радиуса кривизны в систему управления. Система управления управляет исполнительным механизмом на основании сигнала от интерфейса управления. Исполнительный механизм выполнен с возможностью изменения радиуса кривизны гибкого волновода посредством изменения кривизны гибкой оправы. Система управления вычисляет и генерирует сигналы управления оптическим компенсатором, которые вынуждают оптический компенсатор вносить предыскажения изображения и оптическое увеличение изображения, противоположные искажениям, вносимым гибким волноводом, в соответствии с радиусом кривизны гибкого волновода, выбранным пользователем.

Если в систему управления заранее внести поправки на дефекты зрения конкретного пользователя, то дефекты зрения конкретного пользователя можно компенсировать автоматически.

Как отмечалось выше, радиус кривизны волновода может изменяться в зависимости от параметров головы пользователя. Для изменения радиуса кривизны возможно использование тонкого пластикового прозрачного волновода, прозрачный пластиковый материал хорошо изменяет свою кривизну, удерживая при этом форму при каждом радиусе кривизны. Материал для изготовления волновода должен быть пластичным и прозрачным, такой материал должен иметь возможность изменять свою форму без поломки и повреждений. Предлагаемые очки дополненной реальности могут быть использованы любым пользователем и могут передаваться от одного пользователя к другому, что удобно, например, для применения в общественных местах. Необходимо отметить легкость изготовления очков дополненной реальности на основе такого волновода. При изготовлении может использоваться плоский волновод из материала, который может изгибаться, на него наносят вводную дифракционную решетку и выводную дифракционную решетку. Различные архитектуры очков дополненной реальности, взаимное расположение элементов хорошо известны из уровня техники. Гибкая оправа позволяет фиксировать кривизну волновода и выполнена из материалов, обладающих пластической деформацией.

Предлагаемые очки очень удобны в использованы, легки, компактны и эргономичны.

На фиг. 6 показано как ухудшается качество изображения в зависимости от изменения радиуса кривизны волновода, здесь R1 - самый маленький радиус кривизны волновода, R2 - средний радиус кривизны волновода и R3 - самый большой радиус кривизны волновода. На фиг. 6 видно, что чем больше радиус кривизны волновода, тем больше искажается изображение, проходя через гибкий волновод без применения оптического компенсатора.

В одном из вариантов исполнения для того, чтобы изменить радиус кривизны волновода, достаточно приложить усилие к его краям, как показано на фиг. 7 (а) и (b). Если усилие направлено к центру волновода (сжимающее усилие), то радиус кривизны волновода увеличивается. Если усилие направлено от центра волновода (растягивающее усилие), то радиус кривизны волновода уменьшается. Для того, чтобы зафиксировать измененный радиус кривизны используется гибкая оправа, охватывающая волновод по одному из краев или по всем краям. Такая оправа может быть выполнена из материалов с пластической деформацией, то есть с возможностью фиксации формы. При приложении усилия такой материал меняет форму, при этом после снятия усилия материал сохраняет форму. То есть при использовании такой оправы из материала с пластической деформацией гибкий волновод, закрепленный в такой оправе будет сохранять форму за счет сохранения формы оправы.

Волновод для очков дополненной реальности может иметь сферическую форму, цилиндрическую форму, асферическую форму, волновод может быть плоским, то есть волновод может иметь любую произвольную форму.

Как показано на фиг. 8 (a) очки дополненной реальности могут быть выполнены из цельного волновода, заключенного в оправу. При таком исполнении можно использовать только один проектор и один оптический компенсатор, поскольку можно использовать только одно изображение для обоих глаз. Также, как показано на фиг. 8(b), можно использовать и два отдельных проектора и оптических компенсатора, для подачи изображений отдельно для правого глаза и для левого глаза.

Очки могут иметь традиционные дужки, которые крепятся за уши, а могут иметь ободок для крепления вокруг головы пользователя.

Оптический компенсатор 5 для изменения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения показан на фиг. 9. Оптический компенсатор 5 вносит предыскажение изображения и оптическое увеличение, полученные от проекционной системы 1, причем предыскажение изображения и оптическое увеличение изображения являются противоположными тем, которые вносились бы гибким волноводом 4 в неискаженное изображение в соответствии с выбранным пользователем радиусом кривизны гибкого волновода 4.

Таким образом, все изменения волнового фронта соответствуют обратным искажениям, которые будет вносить гибкий волновод 4 с радиусом кривизны, выбранным пользователем. То есть, если, например, гибкий волновод 4 вводит искажение в виде уменьшения изображения, то оптический компенсатор 5 должен вводить искажение в виде увеличения изображения. Или если, например, из-за искажения внутри гибкого волновода 4 пучок становится сходящимся, то есть лучи собираются в точке, то оптический компенсатор 5 вносит предыскажения, делая волновой фронт расходящимся на такую же величину, на которую волновой фронт в гибком волноводе 4 сходится, тогда расходящийся пучок, попадая в гибкий волновод 4 будет компенсироваться им и становиться плоским внутри гибкого волновода 4. То есть все предыскажения, вносимые оптическим компенсатором 5 должны быть обратны тем искажениям, которые вносит гибкий волновод 4.

За счет использования оптического компенсатора, изображение, которое видит пользователь, свободно от искажений, таких как дисторсии, двоения и т.д.

Например, как показано на фиг.9, на оптический компенсатор 5 падает два пучка, между которыми угол α, причем эти два пучка имеют плоский волновой фронт. После прохождения оптического компенсатора 5 пучки станут расходящимися на угол α’=kα, коэффициент k показывает величину искажения оптического компенсатора, волновой фронт пучков станет искривленным. Такое предыскаженное излучение попав на гибкий волновод 4 будет полностью скомпенсировано искажением гибкого волновода 4, поэтому на выходе из гибкого волновода 4 получится два плоских пучка, между которыми угол α, как показано на фиг. 10. То есть предыскажения, вносимые оптическим компенсатором 5 полностью зависят от выбранного пользователем радиуса кривизны волновода. Благодаря оптическому компенсатору 5, и в случае искажения с радиусом R1 и в случае искажения с радиусом R2 в глаз пользователя попадет изображение без искажений.

На фиг. 11 проиллюстрирован вариант исполнения оптического компенсатора. Оптическая система компенсатора состоит из двух частей. Первая часть обеспечивает оптическое увеличение, вторая часть обеспечивает искажение волнового фронта. На первую часть падает два плоских волновых фронта, угол между которыми α, на выходе из этой части угол изменяется на угол α’=kα, где k представляет собой коэффициент увеличения. Увеличение может производится разными известными способами, например, за счет расстояния между линзами или за счет переменной кривизны самих линз. Вторая часть оптического компенсатора преобразует плоский волновой фронт в искривленный волновой фронт.

Часть, в которой происходит оптическое увеличение может состоять из сферических, асферических, цилиндрических линз или любых других подходящих классических линз, между которыми меняется расстояние. Часть, в которой происходит предыскажение изображения может состоять из жидких линз, линз на жидких кристаллах, линз на поляризационных эффектах, после прохождения таких линз излучение меняет радиус кривизны волнового фронта. Также можно использовать адаптивные оптические элементы, например, микрозеркальные элементы. Для создания оптического компенсатора возможно комбинировать любые виды оптических элементов.

Одним из вариантов реализации предлагаемого изобретения является, например, использование цилиндрического волновода и анаморфной перестраиваемой оптической системы для оптического компенсатора. Анаморфные системы имеют разное увеличение и разную оптическую силу по взаимно перпендикулярным осям. Простейшая анаморфная система - это цилиндрическая перестраиваемая линза. Анаморфные системы используются совместно с цилиндрическими волноводами. Так анаморфная оптическая система имеет разное угловое увеличение по разным осям, анаморфная перестраиваемая оптическая система по-разному изгибает волновой фронт в разных плоскостях.

На фиг. 12 проиллюстрировано качество изображения после применения оптического компенсатора для разных радиусов кривизны гибкого волновода R1 и R2. Видно, что изображение звезды, генерируемое проекционной системой, имеет один размер, когда изображение проходит через гибкий волновод без применения оптического компенсатора, размер звезды становится меньше и ее форма изменяется и изображение становится размытым. При использовании оптического компенсатора оптическое увеличение и форма изображения звезды, которое попадает в глаз пользователя остается таким же, каким было сгенерировано проекционной системой, причем оптический компенсатор работает таким образом, что радиус кривизны гибкого волновода не влияет на качество изображения, которое видит пользователь.

Для каждого радиуса кривизны гибкого волновода необходимо использовать соответствующую оптическую компенсацию искажений, поэтому оптический компенсатор выполнен таким образом, что может иметь переменное масштабирование изображения и переменную компенсацию искажений, соответствующие любому радиусу кривизны волновода, выбранному пользователем.

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

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

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к очкам дополненной реальности, и к способам их функционирования. Устройство для отображения дополненной реальности содержит проекционную систему, оптический компенсатор, расположенный за проекционной системой, гибкий волновод. Гибкий волновод может изменять свою кривизну и содержит вводную дифракционную решетку, выводную дифракционную решетку. Оптический компенсатор выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем предыскажение изображения и оптическое увеличение изображения являются противоположными тем, которые вносились бы гибким волноводом в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода. Гибкая дифракционная решетка искажает предыскаженное изображение. Неискаженное изображение выводится с помощью выводной дифракционной решетки в глаза пользователя. Изобретение обеспечивает повышение качества изображения и возможность регулировки устройства пользователем. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для отображения дополненной реальности, содержащее:

проекционную систему,

оптический компенсатор, расположенный за проекционной системой;

гибкий волновод, выполненный с возможностью изменения радиуса кривизны, содержащий вводную дифракционную решетку и выводную дифракционную решетку;

причем

проекционная система выполнена с возможностью проецирования неискаженного изображения на оптический компенсатор,

оптический компенсатор выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем предыскажение изображения и оптическое увеличение изображения являются противоположными тем, которые вносились бы гибким волноводом в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода;

вводная дифракционная решетка гибкого волновода выполнена с возможностью введения изображения, имеющего предыскажение изображения и оптическое увеличение, в гибкий волновод,

гибкий волновод выполнен с возможностью компенсировать предыскажение изображения и оптическое увеличение, полученные от оптического компенсатора,

выводная дифракционная решетка гибкого волновода выполнена с возможностью выводить изображение.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее гибкую оправу, в которой закреплены проекционная система, оптический компенсатор, гибкий волновод.

3. Способ работы устройства для отображения дополненной реальности по п. 1, содержащий этапы, на которых:

изгибают гибкий волновод, изменяя радиус кривизны гибкого волновода;

проецируют неискаженное изображение, посредством проекционной системы, причем неискаженное изображение попадает на оптический компенсатор;

искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, получая предыскаженное изображение и оптическое увеличение изображения, посредством настройки оптического компенсатора, таким образом, что искажение предыскаженного изображения и оптическое увеличение изображения становятся противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода;

вводят предыскаженное изображение с оптическим увеличением в гибкий волновод посредством вводной дифракционной решетки;

компенсируют искажение предыскаженного изображения и оптическое увеличение изображения, посредством гибкого волновода, получая неискаженное изображение;

выводят неискаженное изображение посредством выводной дифракционной решетки в глаз пользователя.

4. Способ по п. 3, в котором этап, на котором изгибают гибкий волновод, осуществляет пользователь.

5. Способ по п. 4, причем этап, на котором искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, осуществляется пользователем посредством регулировки оптического компенсатора вручную.

6. Способ по п. 4, причем этап, на котором искажают неискаженное изображение, посредством оптического компенсатора, осуществляется автоматически в зависимости от значения радиуса кривизны гибкого волновода.

7. Очки дополненной реальности, содержащие гибкую оправу, в которой закреплены элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по п. 1,

причем гибкий волновод каждого из элемента для правого глаза и элемента для левого глаза расположен таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя.

8. Очки по п.7, в которых проекционная система расположена в височной области пользователя.

9. Очки по любому из пп. 7, 8, дополнительно содержащие регулятор оптического компенсатора, выполненный с возможностью регулирования пользователем оптического компенсатора для внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем пользователь производит регулировку оптического компенсатора до тех пор, пока не увидит неискаженное изображение.

10. Очки по любому из пп. 7, 8, дополнительно содержащие

интерфейс управления;

систему управления;

исполнительный механизм;

датчики кривизны; причем

интерфейс управления выполнен с возможностью:

получать значение радиуса кривизны волновода от пользователя,

подавать сигнал системе управления на изменение радиуса кривизны волновода;

датчики кривизны выполнены с возможностью определять текущий радиус кривизны волновода и отравлять значение текущего радиуса кривизны в систему управления;

система управления выполнена с возможностью:

управления исполнительным механизмом на основании сигнала от интерфейса управления, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью изменения радиуса кривизны гибкого волновода посредством изменения кривизны гибкой оправы,

вычисления и генерации сигналов управления оптическим компенсатором, которые вынуждают оптический компенсатор вносить предыскажения изображения и оптическое увеличение изображения, противоположные искажениям, вносимым гибким волноводом, в соответствии с радиусом кривизны гибкого волновода.

11. Очки дополненной реальности, содержащие гибкую оправу, в которой закреплен один элемент как для левого глаза, так и для правого глаза, причем элемент представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по п. 1,

причем гибкий волновод расположен таким образом, что вывод неискаженного изображения осуществляется в глаза пользователя.

12. Очки по п. 11, содержащие дополнительную проекционную систему и дополнительный оптический компенсатор, расположенный за дополнительной проекционной системой,

причем проекционная система и дополнительная проекционная система расположены в височной области пользователя с каждой стороны головы пользователя.

13. Очки по любому из пп. 11, 12, дополнительно содержащие регулятор оптического компенсатора, выполненный с возможностью регулирования пользователем оптического компенсатора для внесения предыскажения изображения и оптического увеличения изображения, полученного от проекционной системы, причем пользователь производит регулировку оптического компенсатора самостоятельно до тех пор, пока не увидит неискаженное изображение.

14. Очки по любому из пп. 11, 12, дополнительно содержащие:

интерфейс управления;

систему управления;

исполнительный механизм;

датчики кривизны; причем

интерфейс управления выполнен с возможностью:

получать значение радиуса кривизны волновода от пользователя,

подавать сигнал системе управления на изменение радиуса кривизны волновода;

датчики кривизны выполнены с возможностью определять текущий радиус кривизны волновода и отравлять значение текущего радиуса кривизны в систему управления;

система управления выполнена с возможностью:

a) управления исполнительным механизмом на основании сигнала от интерфейса управления, при этом исполнительный механизм выполнен с возможностью изменения радиуса кривизны гибкого волновода посредством изменения кривизны гибкой оправы,

б) вычисления и генерации сигналов управления оптическим компенсатором, которые вынуждают оптический компенсатор вносить предыскажения изображения и оптические увеличения изображения, противоположные искажениям, вносимым гибким волноводом, в соответствии с радиусом кривизны гибкого волновода.

15. Оптический компенсатор для устройства дополненной реальности, содержащий:

часть оптического увеличения изображения, выполненную с возможностью изменения углового размера изображения на ’=k, где k представляет собой коэффициент увеличения, причем оптическое увеличение изображения является противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом устройства дополненной реальности в неискаженное изображение в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода устройства дополненной реальности;

часть предыскажения изображения, выполненную с возможностью изменения кривизны волнового фронта излучения, составляющего изображение, полученного от проекционной системы, причем изменение кривизны волнового фронта является противоположным тому, которое вносилось бы гибким волноводом устройства дополненной реальности в излучение, составляющее неискаженное изображение, в соответствии с выбранным радиусом кривизны гибкого волновода устройства дополненной реальности.