УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ИЗОГНУТНОГО ВОЛНОВОДА, СПОСОБ РАБОТЫ УПОМЯНУТОГО УСТРОЙСТВА, ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ УПОМЯНУТОГО УСТРОЙСТВА 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.

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.

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 60^° по диагонали.

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, высокая 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 поверхностями. Однако, в таких устройствах края, где расположены проекторы 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.

При падении параллельного пучка на искривленный волновод излучение вводится внутрь волновода с помощью вводной дифракционной решетки. Пучок лучей 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 волноводный фронт при разной кривизне искривляется по-разному, поэтому изображение становится искаженным. Этот эффект необходимо учитывать и компенсировать при изготовлении очков дополненной реальности из искривленных волноводов.

Из уровня техники известен документ WO 2020232170 A1 (дата публикации 19.11.2020), в котором раскрыт световой объединитель, использующий систему изогнутого волновода. Известное устройство содержит пространственно изогнутый корпус волновода, содержащий голографические дифракционные решетки в виде слоев, расположенные на поверхности корпуса волновода, чтобы вводить свет в волновод и выводить свет из волновода для формирования оптического изображения с использованием искривленного волновода. Голографические дифракционные элементы имеют различную дифракционную эффективность. По меньшей мере один из голографических слоев выполнен с возможностью работы в качестве линзового элемента с оптической силой. Недостатком такой системы является маленькое поле движения глаз (Eye motion box (EMB)), при увеличении поля зрения будет наблюдаться раздвоение изображения.

Из уровня техники известен документ US 2019/0072767 A1 (дата публикации 07.03.2019). В этом документе раскрыто устройство отображения на основе искривленного волновода, причем часть волновода для ввода излучения является плоской, а часть волновода для вывода излучения является изогнутой. На искривленной части волновода расположена выводная дифракционная решетка с переменным периодом, причем все излучение, вошедшее в волновод от проектора, выводится посредством выводной дифракционной решетки под одним углом, то есть все лучи, которые выводятся из волновода параллельны друг другу, благодаря чему изображение не имеет искажений. Недостатком известного устройства является то, что оно может работать только при узком излучении, выходящем из проектора.

Необходимо разработать простое в изготовлении, компактное и удобное устройство с изогнутым волноводом для отображения дополненной реальности для очков дополненной реальности с широким полем зрения и большим полем движения глаз.

Сущность изобретения

Предлагается устройство дополненной реальности, содержащее: проекционную систему; вводной оптический компенсатор, расположенный на пути исходящих из проекционной системы световых лучей; изогнутый волновод, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент; причем проекционная система выполнена с возможностью проецирования неискаженного изображения в виде параллельных лучей излучения на вводной оптический компенсатор, вводной оптический компенсатор выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения, полученного от проекционной системы, причем предыскажение изображения является противоположным тому, которое вносилось бы изогнутым волноводом в неискаженное изображение, причем вводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью введения в изогнутый волновод изображения, имеющего внесенное в него предыскажение, противоположное искажению, вносимому изогнутым волноводом, выводной дифракционный оптический элемент выполнен с переменным периодом дифракционной решетки и выполняет функцию выводного оптического компенсатора, преобразующего излучение на выходе из волновода в неискаженное изображение в виде параллельных лучей, для вывода неискаженного изображения. При этом период выводного дифракционного оптического элемента может описываться следующей зависимостью:

,

где R - кривизны волновода,

n - показатель преломления волновода,

λ - длины волны излучения,

y - это расстояние от края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу, до проекции точки выводного дифракционного оптического элемента на ось Y, причем выводной дифракционный оптический элемент повторяет форму изгиба волновода;

T0 - начальный период выводного дифракционного оптического элемента.

Также, период выводного дифракционного оптического элемента может описываться следующей зависимостью:

,

где - угол падения излучения на поверхность волновода,

- угол направления продифрагировавшего излучения с горизонтальной осью,

- длина волны излучения,

R - радиус кривизны поверхности волновода,

n - показатель преломления материала волновода,

y - координата на оси Y криволинейной системы координат, направленной вдоль изогнутого волновода с началом координат в точке начала края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу.

Причем фокусное расстояние вводного оптического компенсатора равно радиусу кривизны изогнутого волновода. Вводной оптический компенсатор может представлять собой линзу. Причем вводной оптический компенсатор может представлять собой линзу со сферическими поверхностями. Также вводной оптический компенсатор может представлять собой цилиндрическую линзу. В еще одном варианте вводной оптический компенсатор может представлять собой линзу с асферическими поверхностями. Вводной оптический компенсатор может быть выполнен в виде жидкокристаллической линзы. Также вводной оптический компенсатор может быть выполнен на базе оптических элементов, искривляющих волновой фронт за счет поляризационных эффектов. В одном из вариантов вводной оптический компенсатор может быть выполнен в виде адаптивного оптического элемента. Вводной дифракционный оптический элемент может иметь постоянный период дифракционной решетки. Кроме того, вводной оптический компенсатор может быть интегрирован во вводной дифракционный оптический элемент таким образом, что вводной дифракционный оптический элемент будет иметь переменный период дифракционной решетки, обеспечивающий ему оптическую силу вводного оптического компенсатора, причем оптическая сила вводного дифракционного оптического элемента и оптическая сила, обусловленная кривизной изогнутого волновода, компенсируют друг друга. Выводной дифракционный оптический элемент может быть выполнен в виде объемных брэгговских решеток. В другом варианте выводной дифракционный оптический элемент может быть выполнен в виде жидкокристаллической дифракционной решетки или рельефной дифракционной решетки.

Также предлагается способ работы упомянутого устройства дополненной реальности, содержащий этапы, на которых: проецируют, посредством проекционной системы неискаженное изображение в виде параллельных лучей на вводной оптический компенсатор; искажают, посредством вводного оптического компенсатора, неискаженное изображение, получая предыскаженное изображение, причем параллельные лучи, пройдя вводной оптический компенсатор, преобразуются в расходящиеся лучи, причем оптическая сила вводного оптического компенсатора подобрана таким образом, чтобы кривизна изогнутого волновода компенсировала расходимость лучей; вводят, посредством вводного дифракционного оптического элемента, упомянутое предыскаженное изображение в изогнутый волновод для распространения в сторону выводного дифракционного оптического элемента, при этом внесенные предыскажения компенсируются за счет кривизны волновода; преобразуют излучение на выходе из волновода в параллельные лучи неискаженного изображения посредством выводного оптического компенсатора выводного дифракционного оптического элемента, выводя неискаженное изображение из устройства дополненной реальности.

Также предлагаются очки дополненной реальности, содержащие 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 дополненной реальности. Причем проекционная система может быть расположена в височной области пользователя.

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

Фиг. 3(a) иллюстрирует вводную часть устройства для отображения дополненной реальности, (b) показывает блок-схему работы вводной части устройства для отображения дополненной реальности.

Фиг. 4 иллюстрирует выводную часть устройства для отображения дополненной реальности,

Фиг. 5 иллюстрирует дифракцию луча при падении излучения на выводной дифракционный оптический элемент и вывод излучения из изогнутого волновода.

Фиг. 6(a) иллюстрирует устройство для отображения дополненной реальности, (b) показывает блок-схему работы устройства дополненной реальности, отображающего виртуальное изображение.

Фиг. 7 схематично иллюстрирует устройство, с помощью которого производится запись выводного дифракционного оптического элемента на волновод.

Фиг. 8 схематично иллюстрирует запись выводного дифракционного оптического элемента на плоский волновод.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство дополненной реальности для очков дополненной реальности на основе волновода. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность пользователю видеть изображение без искажений при любой ширине пучка излучения, поступающего от проекционной системы. Также предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения для пользователя и представляет собой компактное устройство. При применении предлагаемого устройства обеспечивается улучшенное качество изображения, которое сохраняется на разных дистанциях расположения глаз от волновода.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:

Поле зрения (FOV) оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы, формирующих изображение. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения.

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

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

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

Изогнутый волновод имеет существенный недостаток: кривизна волновода вносит искажения в изображение, а именно преобразует плоский волновой фронт излучения, составляющего изображение, в изогнутый. Более того, вносимые искажения зависят от кривизны волновода: чем больше кривизна, тем больше величина искажений. Однако, величину искажений можно устранить предварительным искажением (предыскажением) изображения перед вводом изображения в изогнутый волновод. Для этого в предлагаемом устройстве дополненной реальности, отображающем виртуальное изображение, используется вводной оптический компенсатор. Вводной оптический компенсатор предыскажает изображение для компенсации последующего искажения изображения волноводом. Также в предлагаемом устройстве выводной дифракционный элемент дополнительно включает в себя оптический компенсатор, функция которого заключается в компенсации искажений изображения в изогнутом волноводе при выводе излучения из волновода. Вводной оптический компенсатор и выводной оптический компенсатор могут быть нанесены непосредственно на волновод.

Комбинация вводного и выводного компенсаторов работает таким образом, что все лучи, попавшие в волновод из проекционной системы, будут выводиться из устройства параллельно друг другу. Этот эффект будет выполняться как для узкого пучка излучения, так и для широкого пучка излучения, вышедшего из проекционной системы.

На фиг. 1 схематично показан внешний вид очков дополненной реальности. Очки дополненной реальности представляют собой изогнутый прозрачный волновод 1, заключенный в оправу 2. В височной области пользователя с каждой стороны головы на оправе располагается проекционная система 3, за проекционной системой 3, то есть на пути исходящих из проекционной системы световых лучей, располагается вводной оптический компенсатор 4, далее на волноводе 1 расположен вводной дифракционный оптический элемент 5, выводной дифракционный элемент 6, имеющий переменный период решетки и представляющий собой выводной оптический компенсатор, располагается на волноводе 1 напротив глаз пользователя.

На фиг. 2 (а) схематично показаны очки дополненной реальности, надетые на пользователя, и (b) схематически изображено устройство дополненной реальности, используемое в очках дополненной реальности.

Устройство дополненной реальности, отображающее виртуальное изображение, содержит:

Проекционную систему 3, проецирующую изображение в бесконечность, то есть выходящие из нее лучи параллельны, изогнутый волновод 1, содержащий вводной дифракционный оптический элемент 5 для ввода изображения в изогнутый волновод 1 посредством дифракции, и выводной дифракционный оптический элемент 6, для вывода изображения из волновода, например, в глаз пользователя. Входные световые лучи распространяются по волноводу 1 от вводного дифракционного оптического элемента 5 к выводному дифракционному оптическому элементу 6 посредством эффекта полного внутреннего отражения (ПОВ) от поверхностей внутри волновода. Устройство также содержит вводной оптический компенсатор 4, выполненный с возможностью обеспечения предварительного предыскажения изображения, обратного искажению, вносимому за счет кривизны волновода 1. Предыскаженное изображение попадает на вводной дифракционный оптический элемент 5. Изображение распространяется по волноводу 1 от вводного дифракционного оптического элемента 5 к выводному дифракционному оптическому элементу 6 посредством эффекта полного внутреннего отражения (ПОВ) от поверхностей волновода 1. Выводной дифракционный оптический элемент 6 выполнен с переменным периодом дифракционной решетки и выполняет функцию выводного оптического компенсатора 6. Для того, чтобы изображение не имело искажений, лучи, прошедшие через волновод, должны выйти из волновода параллельными друг другу. Так как вводной оптический компенсатор 4 не может отвечать за параллельность лучей на выходе из волновода 1, то выводной оптический компенсатор 6 преобразует пучки лучей на выходе из волновода в параллельные пучки, образующие изображение и попадающие в глаз пользователя. При выводе излучения из волновода за счет дифракции на выводном дифракционном оптическом элементе за счет переменного периода все последующие лучи будут выходить из изогнутого волновода параллельно друг другу в пространстве изображения.

Таким образом, на выходе из выводного оптического компенсатора получается изображение, не имеющее аберраций и искажений в виде двоения.

Величина изменений периода дифракционной решетки выводного оптического компенсатора является функцией радиуса кривизны волновода. На фиг. 2(b) показана система координат, начало которой связано с началом выводного дифракционного оптического элемента, являющегося также выводным оптическим компенсатором. Период дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента зависит от координаты Y, то есть, в одном из вариантов, от расстояния от края выводного дифракционного оптического элемента до любой точки выводного дифракционного оптического элемента, радиуса кривизны волновода, показателя преломления волновода и длины волны излучения, проходящего по волноводу.

Фиг. 3(a) иллюстрирует вводную часть устройства дополненной реальности, отображающего виртуальное изображение, (b) иллюстрирует блок-схему работы вводной части устройства дополненной реальности. Пучок, выходящий I из проекционной системы 3, представляет собой множество параллельных лучей, этот пучок параллельных лучей попадает на вводной оптический компенсатор 4, представляющий собой линзу, проходя которую, пучок преобразуется II в расходящийся пучок, все лучи которого расходятся под разными углами относительно оптической оси. Расходящийся пучок попадает на вводной дифракционный оптический элемент 5. Оптическая сила вводного оптического компенсатора 4 подобрана таким образом, чтобы кривизна волновода 1 компенсировала расходимость пучка. Оптическая сила характеризует преломляющую способность оптического элемента, то есть степень отклонения им лучей. Вводной оптический компенсатор должен иметь такую степень отклонения лучей (то есть подбирается такой показатель преломления и фокусное расстояние вводного компенсатора), при которой параллельный пучок будет расходиться после вводного оптического компенсатора настолько, что при попадании в волновод с кривизной, пучок будет опять становиться параллельным. То есть после прохождения III вводного оптического компенсатора и дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе 5 внутри волновода все лучи распространяются таким образом, что, попадая на любую точку любой из поверхностей волновода 1, они образуют одинаковый угол падения ɣ и распространяются IV в сторону выводного дифракционного оптического элемента 6. Особенностями вводного оптического компенсатора 4 является то, что он имеет такую оптическую силу, что обеспечивает падение всех лучей внутри волновода на поверхность волновода под одним углом. Это свойство оптического компенсатора необходимо, чтобы обеспечить создание и корректную работу выводного оптического компенсатора с переменным периодом решетки.

Это возможно реализовать, если фокусное расстояние f вводного оптического компенсатора 4 равно радиусу кривизны R изогнутого волновода (фокусное расстояние входного компенсатора f’=-R). Если на выходе из волновода использовать обычную дифракционную решетку с постоянным периодом, то все лучи, выходящие из волновода 1, будут сходиться в центре кривизны изогнутой поверхности волновода. Чтобы компенсировать эффект схождения лучей, выходящих из волновода, необходимо на выходе из изогнутого волновода использовать выводной дифракционный оптический элемент 6 с переменным периодом.

Вводной оптический компенсатор 4 может представлять собой стеклянную или пластиковую линзу со сферическими или асферическими поверхностями, или цилиндрическую линзу, что зависит от формы волновода, то есть форма вводного оптического компенсатора 4 должна соответствовать кривизне волновода 1. Вводной оптический компенсатор может быть выполнен в виде жидкокристаллической линзы. Также вводной оптический компенсатор может быть выполнен на базе оптических элементов, искривляющих волновой фронт за счет поляризационных эффектов. Вводной оптический компенсатор может быть выполнен в виде адаптивного оптического элемента, формой которого можно управлять для изменения волнового фронта излучения, составляющего изображение.

В разных вариантах воплощения изобретения вводной дифракционный оптический элемент может иметь как постоянный период дифракционной решетки, так и переменный период дифракционной решетки. Если вводной оптический компенсатор не объединен с вводным дифракционным оптическим элементом (если они не интегрированы), то дифракционная решетка вводного дифракционного оптического элемента должна иметь постоянный период. В одном из вариантов воплощения изобретения вводной оптический компенсатор может быть интегрирован во вводной дифракционный оптический элемент, то есть оптический компенсатор и дифракционный оптический элемент представляют собой один элемент, выполняющий функции как оптического компенсатора, так и дифракционного оптического элемента. В этом случае вводной дифракционный оптический элемент имеет переменный период дифракционной решетки, обеспечивающий ему оптическую силу вводного оптического компенсатора. При этом оптическая сила вводного дифракционного оптического элемента и оптическая сила изогнутого волновода компенсируют друг друга. Все варианты исполнения обеспечивают снижение веса, уменьшение размеров, повышение эффективности устройства.

Фиг. 4 иллюстрирует выводную часть устройства дополненной реальности. Выводной дифракционный оптический элемент 6 помимо функции вывода излучения из волновода выполняет также функцию оптического компенсатора 6, и позволяет все прошедшие волновод пучки излучения выводить, не только обеспечивая параллельность лучей внутри каждого пучка, но и обеспечивая параллельность пучков излучения между собой. Период решетки выводного дифракционного оптического элемента зависит от радиуса кривизны волновода, от показателя преломления материала волновода и от длины волны излучения.

Аналитически выведены зависимости периода T выводного дифракционного оптического элемента от радиуса R кривизны волновода, показателя n преломления волновода, длины волны λ излучения и расстояния y от начала компенсатора по оси Y, где y - это расстояние от края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу, до проекции точки выводного дифракционного оптического элемента на ось Y, причем выводной дифракционный оптический элемент повторяет форму изгиба волновода. В одном из вариантов воплощения переменный период выводного дифракционного оптического элемента определяется следующей зависимостью:

(1)

T0 - период дифракционной решетки в начальной точке выводного дифракционного оптического элемента по оси y - ближайшей точке к вводному дифракционному оптическому элементу, определяется проектировщиком, исходя из требований к конкретному устройству и архитектуре волновода. Период T0 определяет выходное направление лучей, вышедших из волновода.

В другом варианте воплощения период выводного дифракционного оптического элемента можно определить в цилиндрической системе координат следующей зависимостью:

(2)

где - угол падения излучения на поверхность волновода, - угол направления продифрагировавшего излучения с горизонтальной осью, - длина волны излучения, R - радиус кривизны поверхности волновода, n - показатель преломления материала волновода, y - координата на оси Y криволинейной системы координат, направленной вдоль изогнутого волновода (по дуге, как видно на фиг. 5) с началом координат в точке начала края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу.

Фиг. 5 иллюстрирует распределение углов при падении излучения на выводной дифракционный оптический элемент и при выводе излучения из изогнутого волновода (изогнутый волновод показан позицией 1 на фиг. 5), где φ - угол дифракции, γ - угол между горизонтальной осью и точкой с координатой y на поверхности волновода с вершиной в центре кривизны поверхности волновода.

Поскольку вводной оптический компенсатор обеспечивает прохождение пучков излучения в волноводе под одинаковыми углами падения на поверхность волновода, то, если не использовать выводной оптический компенсатор с переменным периодом решетки, из-за кривизны волновода пучки излучения, выходящие из волновода, будут сходиться в одной точке волновода. Переменный период выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего также функцию выводного оптического компенсатора, рассчитанный по формулам (1) или (2), позволяет выводить излучение из устройства под такими углами, что в результате все выведенные лучи одного пучка оказываются параллельными друг другу. Это приводит к устранению аберраций, устранению искажений, устранению двоений изображения. Также обеспечивается широкое поле движения глаз, которое обеспечивается только размерами волновода, то есть возможность использовать волновод любой длины, на поверхности которого записан выводной дифракционный оптический элемент, также выполняющий функцию выводного оптического компенсатора, и параллельное излучение будет выводиться из любой точки выводного дифракционного оптического элемента. Дополнительное преимущество заключается в том, что глаз может находиться на достаточном удалении от поверхности волновода, причем изображение будет видно без искажений.

Фиг. 6 (a) иллюстрирует устройство дополненной реальности, (b) показывает блок-схему работы устройства дополненной реальности.

Параллельные пучки излучения, выходящие I из проекционной системы 3, попадают на вводной оптический компенсатор 4. Проходя вводной оптический компенсатор, пучки преобразуются II в расходящиеся пучки. Расходящееся излучение попадает на вводной дифракционный оптический элемент 5. После прохождения III вводного оптического компенсатора 4 и дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе 5 внутри волновода все лучи распространяются таким образом, что, попадая на любую точку поверхности волновода 1, они образуют одинаковый угол падения ɣ и распространяются IV в сторону выводного дифракционного оптического элемента 6, имеющего переменный период. За счет дифракции на выводном дифракционном оптическом элементе 6 излучение выводится V из волновода, причем выводной дифракционный оптический элемент 6 выполняет также функцию выводного оптического компенсатора таким образом, что все лучи, составляющие изображение, выводятся параллельными друг другу.

Выводной дифракционный оптический элемент 6, выполняющий также роль выводного оптического компенсатора 6, может быть выполнен на базе объемных брэгговских решеток. В другом варианте выводной дифракционный оптический элемент 6 может быть жидкокристаллической дифракционной решеткой. Выводной дифракционный оптический элемент может быть рельефно-фазовым.

На фиг. 7 схематично иллюстрирует устройство, с помощью которого производится формирование выводного дифракционного оптического элемента на изогнутом волноводе.

Формирование (запись) выводного дифракционного оптического элемента может осуществляться на последнем этапе изготовления устройства дополненной реальности.

При записи (формировании) выводного дифракционного оптического элемента на волновод 1, содержащий вводной дифракционный оптический элемент 5, излучение (a) из источника когерентного излучения 7, например лазера, попадает на светоделитель 8, который разделяет пучок от лазера 7 на два пучка - предметный пучок (b) и опорный пучок (c), опорный пучок попадает на зеркало 9, а потом (d) в первый расширитель (10), предметный пучок попадает на второй расширитель 11. Предметный пучок, пройдя (e) расширитель, который формирует нужный размер пучка, определяемый расчетами конкретного устройства и параметрами его составных элементов, попадает на выводную часть волновода в ту область, где должен располагаться выводной дифракционный оптический элемент, причем в этой области на волновод наносится светочувствительный материал 12. Опорный пучок после расширения попадает (g) на вводной оптический компенсатор 4, который вносит предыскажения в опорный пучок, опорный пучок становится расходящимся. Далее опорный пучок попадает (h) на вводной дифракционный оптический элемент 5, и, за счет дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе, попадает (i) в волновод. Опорный пучок распространяется (j) по волноводу 1 за счет полного внутреннего отражения от поверхностей волновода и попадает в область светочувствительного материала 12. Поскольку опорный пучок и предметный пучок исходят от одного когерентного источника излучения 7, то в области светочувствительного материала 12 опорный пучок и предметный пучок накладываются друг на друга, при этом в светочувствительном материале 12 создается интерференционная картина. Поскольку интерференционная картина записывается не на прямом волноводе, а на изогнутом волноводе, то полученная на светочувствительном элементе 12 интерференционная картина имеет интерференционные полосы, расположенные на разном расстоянии друг от друга, поэтому полученный выводной дифракционный оптический элемент имеет переменный период вдоль длины выводного дифракционного оптического элемента, за счет чего будет реализовываться функция выводного оптического компенсатора.

Фиг. 8 схематично иллюстрирует запись выводного дифракционного оптического элемента на плоский волновод.

Для записи выводного дифракционного оптического элемента используются опорный и предметный пучки. Параллельный предметный пучок проходит через положительный оптический элемент 13, становится сходящимся и попадает на светочувствительный материал, нанесенный на одну сторону прозрачной подложки 14, при этом опорный пучок падает на другую сторону прозрачной подложки и попадает на светочувствительный материал, и при этом является параллельным. При интерференции опорного и предметного пучка будет формироваться выводной дифракционный оптический элемент с переменным периодом. Поскольку в сходящемся пучке лучи не параллельны и распространяются под разными углами, то, когда такой фронт волны встречается с плоским, в котором лучи параллельны, формируемая интерференционная картина имеет переменный период. Варьируя фокусное расстояние положительного оптического элемента 13, можно варьировать изменение периода получаемого выводного дифракционного оптического элемента, фокусное расстояние положительного оптического элемента 13 должно быть равно радиусу изогнутого волновода, на который будет прикрепляться (наноситься) дифракционный оптический элемент. Сформированный таким образом выводной дифракционный оптический элемент прикрепляется (наносится на) к изогнутому волноводу. Различные способы формирования дифракционного оптического элемента с переменным периодом известны из уровня техники и не является предметом изобретения.

При работе устройства дополненной реальности происходит восстановление параллельности пучков лучей. Поскольку предметный пучок лучей представляет собой пучок параллельных лучей, то согласно законам записи и создания голограмм при освещении волновода параллельными пучками излучения от проекционной системы в волноводе будет распространяться пучок излучения от проектора, аналогичный опорному пучку, который будет попадать на сформированную выводную дифракционную решетку и, дифрагируя на выводной дифракционной решетке, будет формировать пучок, аналогичный предметному пучку, т.е. тоже параллельный.

Распространение излучения от проекционной системы будет аналогично распространению опорного пучка, из волновода излучение будет выходить в области выводного дифракционного оптического элемента параллельно, аналогично тому, как предметный пучок вводился в волновод при записи вводного дифракционного оптического элемента. Таким образом, записанный выводной дифракционный оптический элемент будет иметь такой переменный период решетки выводного дифракционного оптического элемента, который будет обеспечивать выход параллельного пучка излучения, составляющего изображение, из волновода, и изображение будет воспроизводиться без искажений. То есть при таком способе формировании выводного дифракционного оптического элемента степень кривизны волновода учитывается автоматически.

В качестве светочувствительного материала может использоваться прозрачный фотополимер. В слое фотополимера создается объемная брегговская решетка, которая не требует постобработки, после облучения фотополимера объемные брегговские решетки сразу готовы к использованию.

В качестве светочувствительного материала может использоваться фоторезист, после облучения такого материала требуется производить операцию травления. После травления образуется рельефная дифракционная решетка. Такие дифракционные решетки обладают более высокой эффективностью и имеют более высокое качество изображения.

В качестве светочувствительного материала может использоваться фотоориентант для создания дифракционной решетки на базе жидких кристаллов. При облучении фотоориентанта молекулы жидких кристаллов выстраиваются в соответствии с интерференционной картиной, полученной одним из вышеупомянутых способов, далее требуется дополнительная обработка поверхности, заключающаяся в том, что на фотоориентированный слой необходимо будет наносить по меньшей мере один слой жидких кристаллов, причем молекулы жидких кристаллов будут ориентироваться в соответствии с молекулами фотоориентанта и будут создавать дифракционную решетку. Рельефная выходная дифракционная решетка формируется на выпуклой поверхности изогнутого волновода и может использоваться в качестве «мастера» рельефной решетки для создания решетки на вогнутых сторонах изогнутых волноводов.

Как вариант, на выпуклой поверхности волновода может быть создана рельефная дифракционная решетка способами, известными из уровня техники, далее с помощью оттиска формируется голограмма выводного дифракционного оптического элемента.

Период выводного дифракционного оптического элемента может быть выполнен способами, известными из уровня техники. С помощью такого дифракционного оптического элемента можно приближать либо удалять изображение. Такие технологии известны из уровня техники и не относятся к предмету изобретения.

За счет применения вводного оптического компенсатора и выводного оптического компенсатора с переменным периодом выводного дифракционного оптического элемента исключается двоение получаемого изображения за счет параллельности пучков излучения, выходящего из волновода.

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

Обеспечивается реалистичное присутствие, потому что пользователь может видеть детали практически в реальном мире. Предлагаемое изобретение может использоваться в любых устройствах AR/VR (дополненной и виртуальной реальности), HUD (проекционный дисплей), HMD (нашлемный дисплей), где необходимо иметь изображение высокого разрешения и широкое поле зрения.

Хотя изобретение описано 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 включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности на основе изогнутого волновода. Устройство дополненной реальности содержит проекционную систему для проецирования неискаженного изображения; вводной оптический компенсатор, расположенный на пути исходящих из проекционной системы световых лучей; изогнутый волновод, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент. Выводной дифракционный оптический элемент с переменным периодом дифракционной решетки выполняет функцию выводного оптического компенсатора, преобразующего пучки излучения искаженного изображения на выходе из волновода в параллельные пучки излучения для вывода неискаженного изображения. Технический результат - возможность проецирования виртуального изображения без аберраций, искажений и удвоений изображения. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство дополненной реальности, содержащее:

проекционную систему;

вводной оптический компенсатор, расположенный на пути исходящих из проекционной системы световых лучей;

изогнутый волновод, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;

причем

проекционная система выполнена с возможностью проецирования неискаженного изображения в виде параллельных лучей излучения на вводной оптический компенсатор,

вводной оптический компенсатор выполнен с возможностью внесения предыскажения изображения, полученного от проекционной системы, причем предыскажение изображения является противоположным тому, которое вносилось бы изогнутым волноводом в неискаженное изображение,

вводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью введения в изогнутый волновод изображения, имеющего внесенное в него предыскажение, противоположное искажению, вносимому изогнутым волноводом,

выводной дифракционный оптический элемент выполнен с переменным периодом дифракционной решетки и выполняет функцию выводного оптического компенсатора, преобразующего излучение на выходе из волновода в неискаженное изображение в виде параллельных лучей, для вывода неискаженного изображения.

2. Устройство по п.1, в котором период выводного дифракционного оптического элемента описывается следующей зависимостью:

,

где R - радиус кривизны поверхности волновода,

n - показатель преломления волновода,

- длина волны излучения,

y - это расстояние от края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу, до проекции точки выводного дифракционного оптического элемента на ось Y, причем выводной дифракционный оптический элемент повторяет форму изгиба волновода;

T0 - начальный период выводного дифракционного оптического элемента.

3. Устройство по п.1, в котором период выводного дифракционного оптического элемента описывается следующей зависимостью:

,

где - угол падения излучения на поверхность волновода,

- угол направления продифрагировавшего излучения с горизонтальной осью,

- длина волны излучения,

R - радиус кривизны поверхности волновода,

n - показатель преломления материала волновода,

y - координата на оси Y криволинейной системы координат, направленной вдоль изогнутого волновода с началом координат в точке начала края выводного дифракционного оптического элемента, расположенного ближе к вводному дифракционному оптическому элементу.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор представляет собой линзу.

5. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором фокусное расстояние вводного оптического компенсатора равно радиусу кривизны изогнутого волновода.

6. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор представляет собой линзу со сферическими поверхностями.

7. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор представляет собой цилиндрическую линзу.

8. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор представляет собой линзу с асферическими поверхностями.

9. Устройство по любому из пп.1-3, в котором вводной оптический компенсатор выполнен в виде жидкокристаллической линзы.

10. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор выполнен на базе оптических элементов, искривляющих волновой фронт за счет поляризационных эффектов.

11. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор выполнен в виде адаптивного оптического элемента.

12. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной дифракционный оптический элемент имеет постоянный период дифракционной решетки.

13. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором вводной оптический компенсатор интегрирован во вводной дифракционный оптический элемент таким образом, что вводной дифракционный оптический элемент имеет переменный период дифракционной решетки, обеспечивающий ему оптическую силу вводного оптического компенсатора, причем оптическая сила вводного дифракционного оптического элемента и оптическая сила, обусловленная кривизной изогнутого волновода, компенсируют друг друга.

14. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором выводной дифракционный оптический элемент выполнен в виде объемных брэгговских решеток.

15. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором выводной дифракционный оптический элемент выполнен в виде жидкокристаллической дифракционной решетки или рельефной дифракционной решетки.

16. Способ работы устройства дополненной реальности по любому из пп. 1-3, содержащий этапы, на которых:

проецируют посредством проекционной системы неискаженное изображение в виде параллельных лучей на вводной оптический компенсатор;

искажают посредством вводного оптического компенсатора неискаженное изображение, получая предыскаженное изображение, причем параллельные лучи, пройдя вводной оптический компенсатор, преобразуются в расходящиеся лучи, причем оптическая сила вводного оптического компенсатора подобрана таким образом, чтобы кривизна изогнутого волновода компенсировала расходимость лучей;

вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента упомянутое предыскаженное изображение в изогнутый волновод для распространения в сторону выводного дифракционного оптического элемента, при этом внесенные предыскажения компенсируются за счет кривизны волновода;

преобразуют излучение на выходе из волновода в параллельные лучи неискаженного изображения посредством выводного оптического компенсатора выводного дифракционного оптического элемента, выводя неискаженное изображение из устройства дополненной реальности.

17. Очки дополненной реальности, содержащие 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 дополненной реальности по любому из пп.1-15.

18. Очки по п.17, в которых проекционная система расположена в височной области пользователя.