ОПТИЧЕСКИЙ КОМБАЙНЕР ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ С КОРРЕКЦИЕЙ НАРУШЕНИЯ ЗРЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ, СПОСОБ РАБОТЫ УПОМЯНУТОГО ОПТИЧЕСКОГО КОМБАЙНЕРА, ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ С КОРРЕКЦИЕЙ НАРУШЕНИЯ ЗРЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G02B27/10 G02B27/01 A61F9/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а также к очкам дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя.

Описание предшествующего уровня техники

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое пользователь может использовать в качестве источника видеоинформации (изображения), проецируемой непосредственно в глаз пользователя в виде виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку. При конструировании очков дополненной реальности необходимо учитывать потребителей с нарушениями зрения, то есть имеющих дальнозоркость, близорукость, астигматизм и прочие отклонения зрения. Необходимо разработать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV - угловая характеристика, показывающая в каком диапазоне углов можно наблюдать виртуальные изображения, дополняющие окружающую пользователя реальную обстановку), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, а также с оптической силой для пользователей с отклонениями зрения. Такие носимые устройства могут заменить пользователю любые источники видеоинформации, такие как телевизоры, смартфоны и т.д.

К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:

- широкое поле зрения, чтобы обеспечить возможность наложения виртуального изображения на большую область пространства, которую видит человеческий глаз;

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

- малый вес;

- компактность;

- низкая стоимость.

Пользователь, который вынужден носить медицинские очки, при использовании очков дополненной реальности вынужден надевать их поверх своих медицинских очков, чтобы видеть и виртуальное изображение, и окружающий реальный мир четко и не размыто. Это является некомфортным, особенно при ношении в течение длительного времени.

Оптическим устройством, осуществляющим совмещение виртуального изображения с реальной обстановкой, окружающей пользователя, является оптический комбайнер (optical combiner). В качестве комбайнера в настоящее время наибольшее распространение получили планарные (плоские) волноводы, на поверхности которых располагаются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) для ввода, преобразования и вывода оптического излучения. Планарный волновод представляет собой прозрачную пластину из оптического материала с двумя плоскопараллельными поверхностями. Пучок параллельных лучей внутри такого волновода может распространяться без искажений на любое расстояние. Устройства дополненной реальности с такими комбайнерами обладают малым весом, малыми размерами, низкой стоимостью, могут обеспечить широкое поле зрения, имеют высокую пропускаемость, то есть высокое пропускание реального изображения.

Однако, в таких устройствах края, где расположены проекторы изображения, располагаются далеко от височной части головы пользователя, поэтому такие очки при использовании занимают большое пространство. Кроме того, такие комбайнеры формируют виртуальное изображение не только со стороны, где располагается глаз пользователя, но и с противоположенной от пользователя стороны. Это может приводить к тому, что внешний наблюдатель при определенном расположении, сможет, так же, как и пользователь, частично или полностью увидеть виртуальное изображение, формируемое для пользователя, что может быть нежелательно.

В качестве оптического комбайнера возможно использовать изогнутые волноводы, расположенные на голове пользователя таким образом, что они огибают овал головы пользователя, очки с таким комбайнером будут более компактными и удобными, будут иметь меньшие габариты, устройство с таким комбайнером будет более эргономичным и эстетичным. Однако, использование изогнутого волновода в качестве комбайнера сопряжено со значительными сложностями при преобразовании и передаче оптического излучения через него.

Например, рассмотрим случай падения параллельного пучка лучей на изогнутый волновод. Пусть этот пучок вводится внутрь волновода с помощью вводной дифракционной решетки с постоянным периодом. Пучок падающих на волновод параллельных лучей превратится внутри волновода в непараллельный пучок, лучи которого будут распространяться внутри волновода под разными углами. Этот эффект необходимо учитывать и компенсировать при проектировании очков дополненной реальности с изогнутым комбайнером.

Из уровня техники известен документ US 10,466,477 B2 (дата публикации 05.11.2019), в котором раскрыта система дополненной реальности, содержащая набор планарных волноводов, имеющих оптическую силу. Изображение подается от проектора через волноводы в глаз пользователя. Виртуальное изображение, пройдя через волноводы, испытывает преобразование в соответствии со зрением пользователя. То есть известная система корректирует виртуальное изображение под зрение пользователя. Недостатками известного устройства являются большое количество волноводов, каждый из которых имеет свою оптическую силу, а также использование большого количества деформированных оптических элементов, что усложняет изготовление системы. Известная система является громоздкой и не может использоваться для ежедневного ношения очков дополненной реальности. В известной системе не осуществляется коррекция реальной сцены под зрение пользователя.

Из уровня техники известен документ US 9,632,312 B1(дата публикации 25.04.2017), в котором раскрыто оптическое устройство, включающее в себя оптический элемент, имеющий поверхность, обращенную к глазам, и поверхность, обращенную к внешнему пространству. Оптическое устройство также включает в себя дифракционный оптический элемент, повторяющий кривизну обращенной в глаз поверхности. Кривизна обращенной в глаз поверхности первого оптического элемента сконфигурирована для коллимации света изображения в области размером с ширину поля зрения. Известное устройство корректирует только виртуальное изображение образ, то есть не осуществляется коррекция реального изображения.

Из уровня техники известен документ US 9,389,422 B1 (дата публикации 12.07.2016). Устройство носимого на голове дисплея включает в себя световодный компонент сложной формы, для направления света, принимаемого в периферийном месте дисплея, смещенном от области просмотра, и излучения света в области просмотра. Свет вводится в световодный компонент таким образом, что внутри светового компонента свет распространяется посредством полного внутреннего отражения. Благодаря форме призмы свет, распространяющийся внутри, меняет свой угол отражения, и таким образом, через несколько переотражений, некоторая часть света перестает испытывать полное внутреннее отражение и выходят из световодного компонента. Для выравнивания яркости выводимого изображения в области глаз пользователя нанесены частично отражающие покрытия, что является недостатком решения, поскольку частичное отражающее покрытие уменьшает яркость света от реальной сцены. То есть в известном решении не корректируется изображение реальной сцены.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является решение, раскрытое в документе US 2021/0389592 A1 (дата публикации 16.12.2021). В известном решении используется волновод свободной формы, через который передается виртуальное изображение. К волноводу с помощью вязкой или жидкой субстанции приклеен дополнительный оптический элемент. Устройство корректирует изображение как виртуальной сцены, так и реальной сцены в зависимости от проблем со зрением пользователя. Основными недостатками известного решения является то, что волновод и дополнительный оптический элемент склеены друг с другом, что накладывает ограничения на условия полного внутреннего отражения внутри волновода, поскольку именно контраст показателя преломления волновода и окружающей среды является ключевым фактором для расширения диапазона углов, под которым передается изображение виртуальной реальности, то есть поля зрения. В случае известного решения часть лучей будет распространяться в субстанции, с помощью которой дополнительный оптический элемент приклеен к волноводу, значит, поле зрения ограничивается и качество отображения виртуальной реальности ухудшается.

Таким образом, необходимо создать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения, малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, а также с оптической силой для пользователей с отклонениями зрения.

Сущность изобретения

Предлагается оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий:

компенсатор;

волновод;

проектор виртуального изображения;

причем компенсатор выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды через свою первую сторону, располагающуюся напротив внешней среды, и свою вторую сторону, противоположную первой стороне,

причем волновод имеет первую сторону, располагающуюся со стороны пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне, на одной из упомянутых сторон расположены вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ, первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза пользователя;

причем между второй стороной компенсатора и второй стороной волновода предусмотрен зазор, выполненный с возможностью пропускать изображение внешней среды, прошедшее компенсатор, в волновод;

причем волновод выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды, и выводить его посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя;

причем компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью коррекции нарушения зрения пользователя при рассматривании пользователем изображения внешней среды;

причем проектор виртуального изображения расположен с возможностью ввода лучей, формирующих виртуальное изображение посредством вводного ДОЭ в волновод;

причем волновод выполнен с возможностью распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода, и вывода виртуального изображения посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя,

причем волновод имеет градиент толщины вдоль первой и второй стороны волновода такой, что по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;

причем выводной ДОЭ расположен напротив глаза пользователя, и выполнен с возможностью вывода лучей, формирующих виртуальное изображение, падающих на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, из волновода в глаз пользователя.

Зазор может иметь одинаковую толщину вдоль всей своей длины. Зазор может иметь градиент толщины вдоль компенсатора и волновода. Зазор может иметь градиент толщины в направлении от компенсатора к волноводу. Зазор может иметь градиент толщины в направлении от волновода к компенсатору. Компенсатор может иметь такую форму, что зазор является изогнутым. Волновод может иметь такую форму, что зазор является изогнутым. Компенсатор и волновод могут иметь такую форму, что зазор является прямым. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию рассеивающей линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию собирающей линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию цилиндрической линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию торической линзы. Компенсатор и волновод могут быть закреплены в оправе таким образом, что разделяются зазором. Зазор может быть воздушным. Зазор может быть заполнен жидкостью. Жидкость может быть фотохромной жидкостью. Зазор может представлять собой слой жидких кристаллов. Выводной ДОЭ может быть образован слоем жидких кристаллов. Выводной ДОЭ может быть записан в виде голографической дифракционной решетки. Выводной ДОЭ может быть рельефно-фазовой селективной дифракционной решеткой. Выводной ДОЭ может быть записан в виде мультиплексной голограммы. Выводной ДОЭ может быть объемной Брэгговской дифракционной решеткой с селективной по углу дифракцией. Выводной ДОЭ может располагаться на первой поверхности волновода. Выводной ДОЭ может располагаться на второй поверхности волновода. Дифракционная эффективность выводного ДОЭ может составлять более 90%.

Предлагается способ работы упомянутого оптического комбайнера для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий этапы, на которых:

А) выводят виртуальное изображение в глаз пользователя следующим образом:

формируют виртуальное изображение посредством проектора виртуального изображения;

вводят посредством вводного ДОЭ лучи, формирующие виртуальное изображение, в волновод,

причем лучи, формирующие виртуальное изображение, распространяются от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ в волноводном режиме посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода,

причем по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;

выводят лучи, формирующие виртуальное изображение, в глаз пользователя, посредством выводного ДОЭ, таким образом, что выводятся только лучи, падающие на выводной ДОЭ по углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ,

при этом остальные лучи распространяются далее вдоль волновода, увеличивая свой угол падения на стенки волновода, и выводятся в том месте выводного ДОЭ, где их угол падения на выводной ДОЭ становится равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ;

Б) выводят изображение внешней среды в глаз пользователя следующим образом:

пропускают изображение внешней среды через компенсатор, зазор, волновод, содержащий вводной ДОЭ и выводной ДОЭ, корректируя изображение внешней среды в соответствии с нарушением зрения пользователя, при этом ДОЭ не влияет на проходящее излучение от внешней среды и только пропускает его;

этапы (А) и (Б) осуществляются одновременно, формируя на сетчатке глаза пользователя изображение внешней среды, скорректированное для компенсации нарушения зрения пользователя, дополненное виртуальным изображением.

Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемый оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 иллюстрирует оптический комбайнер согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 2 иллюстрирует работу вводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), а также работу выводного ДОЭ.

Фиг. 3 иллюстрирует две формы зазоров.

Фиг. 4 иллюстрирует формы оптического комбайнера, а) при близорукости, б) при дальнозоркости, в) при астигматизме.

Фиг. 5 иллюстрирует расположение выводного ДОЭ, а) на ближайшей к глазу пользователя поверхности волновода, б) на противоположной поверхности волновода, примыкающей к зазору.

Подробное описание изобретения

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность пользователю с проблемами зрения использовать очки дополненной реальности и видеть без искажений как виртуальное изображение, так и реальное изображение внешней среды без использования дополнительных медицинских очков. Предлагаемое устройство также позволяет увеличить поле зрения, имеет малый вес и стоимость, компактность и высокое разрешение.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:

Виртуальное изображение - это мнимое изображение, полученное продолжением лучей, которые не сходятся в пространстве предметов. Суть виртуального изображения для использования в устройствах дополненной реальности состоит в том, что такое изображение должно быть мнимым, иначе пользователь его не увидит. Реальное изображение является действительным изображением физически существующих объектов.

Оптический комбайнер (optical combiner) - это оптическое устройство, обеспечивающее формирование перед пользователем виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку, при этом не препятствуя наблюдению пользователем окружающей реальной обстановки. В качестве оптического комбайнера в настоящей заявке используется волновод с градиентом толщины, имеющий вводной ДОЭ (дифракционный оптический элемент) и выводной ДОЭ, центры которых располагаются в одной плоскости с нормалями к поверхности волновода в этих точках.

Поле зрения (FOV) оптической системы (угловое поле) - это угловой диапазон, в пределах которого пользователь может наблюдать изображение, формируемое оптической системой. 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 поле зрения, формируемое устройством дополненной реальности без потерь и с заданным качеством, то есть в зрачок глаза попадает все поле зрение, а именно, лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется частично или полностью, т.е. вне этой области во входной зрачок глаза не попадают лучи от всего либо от какой-то части виртуального изображения. Глаз постоянно движется, вращается и при этом постоянно смещается зрачок глаза. Поле движения глаз оптического комбайнера устройства дополненной реальности должно соответствовать диапазону возможного движения глаза пользователя.

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 лучи, формирующие все поле зрения. В волноводной оптике известны технические решения для размножения выходного зрачка, то есть увеличения его размеров, без увеличения размеров оптической системы в направлении оптической оси. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом значительно увеличиваются размеры оптической системы, волноводная оптика, за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода, позволяет это делать без увеличения габаритов в направлении оптической оси оптической системы.

На Фиг. 1 показан оптический комбайнер. Согласно предлагаемому изобретению оптический комбайнер изготавливается для конкретного пользователя, имеющего проблемы со зрением.

Оптический комбайнер состоит из двух частей, на фиг. 1 показаны первая часть 1 оптического комбайнера и вторая часть 2 оптического комбайнера. Первая часть 1 оптического комбайнера представляет собой волновод 1, предназначенный для подачи виртуального изображения в глаз пользователя. Волновод 1 имеет первую сторону, располагающуюся со стороны лица пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне. На одной из первой или второй сторон располагаются вводной 3 ДОЭ и выводной 4 ДОЭ. Причем выводной 4 ДОЭ располагается напротив глаза 5 пользователя и выводит виртуальное изображение в глаз пользователя частями, как будет описано ниже. Первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза 5 пользователя, а также волновод 1 имеет градиент толщины вдоль первой и второй сторон волновода. Кривизна волновода необходима, чтобы вышедшие из волновода с помощью выводного 4 ДОЭ лучи распространялись под разными углами и тем самым формировали изображение на выходе из волновода, соответствующее изображению, подаваемому на вводной 3 ДОЭ. То есть лучи, выходящие из волновода в части выводного 4 ДОЭ, располагающейся ближе к виску пользователя, и соответствующие одному краю изображения, будут иметь максимальный угол падения на глаз. Лучи, выходящие из волновода в части выводного 4 ДОЭ, располагающейся ближе к переносице пользователя, и соответствующие второму, противоположному, краю изображения, будут иметь минимальный угол падения на глаз. При этом из центра выводного 4 ДОЭ будут выходить лучи, соответствующие центру изображения.

Проектор 6 виртуального изображения расположен с возможностью подачи виртуального изображения через вводной 3 ДОЭ в волновод 1.

Вторая часть оптического комбайнера - компенсатор 2. Компенсатор 2 совместно с волноводом 1 используются для компенсации зрения пользователя, имеющего проблемы со зрением. Компенсатор 2 пропускает реальное изображение внешней среды в до волновода, прозрачный для изображения внешней среды, далее скомпенсированное с учетом зрения пользователя изображение внешней среды попадает в глаз пользователя. Компенсатор 2 имеет первую сторону и вторую сторону, противоположную первой стороне. Первая сторона компенсатора 2 располагается напротив внешней среды. Вторая сторона компенсатора 2 располагается напротив второй стороны волновода 1. Длина второй стороны волновода 1 равна длине второй стороны компенсатора 2. Между второй стороной компенсатора 2 и второй стороной волновода 1 предусмотрен зазор 7.

Необходимо заметить, что излучение, составляющее виртуальное изображение, не выходит из волновода в направлении зазора, а распространяется в волноводе посредством полного внутреннего отражения от стенок волновода. Свет от внешней среды проходит через компенсатор, зазор, волновод и попадает в глаз. Компенсатор 2, зазор 7 и волновод 1 образуют обычную коррекционную очковую линзу, корректирующую нарушения зрения пользователя. Компенсация зрения пользователя осуществляется как в обычных корректирующих очках (см., например, https://studfile.net/preview/10641980/page:2/). Зазор, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки, не вносит никаких искажений в проходящее излучение, составляющее реальное изображение. Например, когда необходимо скорректировать близорукость, конструкция, состоящая из волновода, зазора и компенсатора выполняется такой, что имеет свойства линзы с отрицательной оптической силой, а когда необходимо скорректировать дальнозоркость, то конструкция, состоящая из волновода, зазора и компенсатора выполняется такой, что имеет свойства положительной линзы.

Зазор 7 может иметь одинаковую толщину вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора. Также зазор 7 может иметь разную толщину вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора, то есть зазор может иметь градиент толщины вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора.

Компенсатор 2 может иметь градиент толщины вдоль первой и второй сторон компенсатора, а также может не иметь градиента толщины.

Оптический комбайнер может иметь любую форму, подходящую для пользователя, например, такую же, как форма очковой линзы.

Излучение от внешней среды не попадает в волноводный режим в волноводе 1, а проходит волновод 1 насквозь испытывая в волноводе только преломление. Излучение, формирующее виртуальное изображение, распространяется по волноводу 1 в волноводном режиме, то есть испытывая ПВО (полное внутреннее отражение) от стенок волновода. Компенсатор 2 и волновод 1 закрепляются, например, в оправе, таким образом, что между ними образуется зазор.

Фиг. 2 иллюстрирует волновод 1 и расположение, а также работу вводного 3 ДОЭ и выводного 4 ДОЭ. Как было описано выше вводной 3 ДОЭ и выводной 4 ДОЭ располагаются либо на первой стороне волновода 1, либо на второй стороне волновода 1. Выводной 4 ДОЭ располагается напротив глаза 5 пользователя и выводит виртуальное изображение в глаз 5 пользователя.

На фиг. 2 показано виртуальное изображение паровозика, которое из проектора попадает в волновод через вводной 3 ДОЭ. Как известно, проектор переводит линейное изображение в угловое, то есть виртуальное изображение, спроецированное проектором, состоит из лучей, углы падения которых на вводной ДОЭ последовательно уменьшаются от одного края изображения к противоположному краю изображения. То есть, угол ввода лучей, составляющих виртуальное изображение увеличивается вдоль длины изображения, если рассматривать изображение, например, слева направо, то луч, составляющий изображение, находящийся правее предыдущего луча, вводится под углом меньшим угла ввода этого предыдущего луча. Например, на фиг. 2, изображение в виде паровозика, спроецированное проектором, состоит из лучей, углы падения которых на вводной ДОЭ уменьшаются от самого левого вагона к самому правому. Другими словами, углы падения на вводной ДОЭ лучей, составляющих изображение самого левого вагона больше, чем углы падения на вводной ДОЭ лучей, составляющих изображение самого правого вагона. При распространении внутри волновода углы падения/отражения (далее будет упоминаться только термин «угол падения», поскольку угол падения равен углу отражения) лучей, составляющих изображение, на/от стенки волновода линейно увеличиваются по мере передвижения луча внутри волновода, поскольку толщина волновода увеличивается по направлению от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ (градиент толщины волновода). В пунктирной прямоугольной рамке показано изменение угла падения луча на стенки внутри волновода между двумя соседними падениями одного и того же луча, на одну и ту же стенку волновода по мере продвижения лучей внутри волновода (для наглядности показано изображение паровозика, которое состоит из лучей, продвигающихся внутри волновода). Наглядно видно, что угол падения каждого луча, составляющего изображение, увеличивается по мере прохождения через волновод на определенную величину (величина δ на графике в рамке).

В настоящем изобретении используется селективный по углу дифракции вывод виртуального изображения в глаз пользователя. Из каждой области выводного 4 ДОЭ, например, на фиг. 2 показаны области (а), (b), (c), выводится за счет дифракции только часть излучения, падающего на выводной 4 ДОЭ под диапазоном углов, определенном при изготовлении, называемом диапазоном угловой селективности выводного ДОЭ, для вывода лучей, составляющих виртуальное изображение. Для этого выводной 4 ДОЭ выполняется селективным по углу падения излучения на него, то есть имеет разную дифракционную эффективность для разных углов падения излучения на выводной ДОЭ. Как показано на фиг. 2 в круглой рамке, угол падения луча на выводной ДОЭ - это угол между лучом и нормалью к выводному ДОЭ в точке падения. Для определенного диапазона величин углов падения лучей, который является диапазоном селективности выводного ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ должна быть высокой, тогда луч, падающий на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, будет выводиться из волновода в глаз пользователя. Для всех остальных углов падения, меньших по величине, чем величины углов, входящих в упомянутый диапазон угловой селективности выводного ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ должна быть низкой, чтобы такое излучение не выходило из волновода, а проходило далее по волноводу. Диапазон селективности выводного ДОЭ выбирается и рассчитывается на стадии изготовления и зависит от изначальных требований к виртуальному изображению, таких как размер, контраст, разрешение, равномерность и т.д. Диапазон селективности ограничивает выведение из волновода лучей, падающих на выводной ДОЭ по углом меньшим угла, заданного при изготовлении выводного ДОЭ, при этом все лучи, падающие на выводной ДОЭ под углом большим угла, заданного при изготовлении выводного ДОЭ, выводятся в глаз пользователя.

В качестве селективного выводного ДОЭ может использоваться, например, голографическая дифракционная решетка, рельефно-фазовая селективная решетка, объемная решетка Брэгга с селективной по углу дифракцией. Могут использоваться, например, известные из уровня техники дифракционные решетки с шириной контура угловой селективности на полувысоте меньше 10°, условие зависит от конкретной реализации и требований к оптической системе.

Предпочтительно, чтобы дифракционная эффективность выводного 4 ДОЭ составляла более 90%. Для реализации такого выводного ДОЭ возможно использование ДОЭ с постоянным периодом вдоль распространения излучения по волноводу. Благодаря тому, что волновод 1 имеет градиент толщины от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ, при прохождении излучения вдоль волновода посредством ПВО угол падения излучения на стенки внутри волновода изменяется, а именно - увеличивается. Излучение, составляющее виртуальное изображение, распространяющееся в волноводе, представляет собой набор пучков лучей с различными углами падения. Причем каждый пучок лучей, при выводе в глаз пользователя, формирует одну из частей (в виде точки) виртуального изображения. По ходу распространения излучения в волноводе в начале выводного ДОЭ (зона (a) на фиг. 2) выводятся лучи, углы падения которых соответствуют диапазону селективности выводного ДОЭ, заданному при изготовлении, как было описано выше, то есть лучи с самыми большими углами падения на выводной ДОЭ, которые соответствуют краю виртуального изображения, то есть, на фиг. 2, левому вагону. Излучение, падающее на выводной ДОЭ с меньшими по величине углами, чем величины углов падения из упомянутого диапазона, распространяются далее по волноводу. После переотражения в волноводе, угол падения лучей, не вышедших из волновода в зоне (а), увеличится, благодаря градиенту толщины волновода. Те лучи, величины углов падения которых на выводной ДОЭ станут соответствовать диапазону селективности выводного ДОЭ, будут выведены из волновода в глаз пользователя (зона (б) на фиг. 2). Излучение, падающее на выводной ДОЭ с меньшими по величине углами, чем величины углов падения из упомянутого диапазона, опять будут распространяются далее по волноводу. Далее после переотражения в волноводе угол падения лучей, не вышедших из волновода в зоне (б), увеличится, благодаря градиенту толщины волновода. И опять, те лучи, величины углов падения которых на выводной ДОЭ станут соответствовать диапазону селективности выводного ДОЭ, будут выведены из волновода в глаз пользователя (зона (с) на фиг. 2). И так будет происходить до тех пор, пока все излучение, составляющее виртуальное изображение не будет выведено в глаз пользователя. Деление на зоны (а), (б), (с) на фиг. 2 является условным и приведено для наглядности. Таким образом лучи, составляющие виртуальное изображение, выводятся из волновода, по мере того, как величина угла падения луча на выводной ДОЭ становится соответствующей диапазону селективности выводного ДОЭ.

Например, как видно из фиг. 2 луч, составляющий одну из точек виртуального изображения, показанный сплошной линией внутри волновода 1, в точках (а), (b), (c) выводного ДОЭ имеет разный, увеличивающийся угол падения на выводной ДОЭ. Из-за селективности выводного ДОЭ показанный луч, попав на выводной ДОЭ в точке (a) не выводится из волновода, поскольку его угол падения меньше углов падения, входящих в диапазон селективности выводного ДОЭ, поэтому луч дифрагирует в нулевой порядок дифракции, и проходит далее по волноводу посредством ПВО. Как только угол падения рассматриваемого луча будет удовлетворять условиям селективности выводного ДОЭ, то наступит дифракция, в которой будет преобладать первый порядок дифракции, и излучение выйдет из волновода, в данном примере из точки (с). То есть для углов падения, меньших, чем углы падения, входящие в диапазон селективности выводного ДОЭ, эффективность дифракции низкая и излучение дифрагирует в нулевой порядок дифракции и не выводится из волновода. Для углов падения, входящих в диапазон селективности выводного ДОЭ дифракционная эффективность достигает значений близких к 100%, то есть излучение дифрагирует в первый порядок дифракции и будет выведено из волновода.

Изображение внешней среды, скорректированное в соответствии с нарушением зрения пользователя, с помощью компенсатора, зазора и волновода, попадает на сетчатку глаза пользователя одновременно с виртуальным изображением, таким образом пользователь, имеющий нарушения зрения, четко видит изображение внешней среды, которое дополнено виртуальным изображением.

Предлагаемые очки дополненной реальности представляют собой элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, описанный выше. Использование плоских волноводов для очков дополненной реальности является неэнергономичным, кроме того при использовании плоских волноводов происходит потеря излучения, поскольку не все излучение попадает непосредственно в глаз пользователя. При использовании изогнутых волноводов также происходит потеря излучения, и виртуальное изображение получается нечетким, имеющим аберрации. Поэтому форма волновода должна быть такой, чтобы виртуальное изображение, выводилось под такими же углами, под которыми входило в волновод. В этом случае селективный выводной ДОЭ выводит части поля зрения, которые заведомо попадают в поле движения глаза. Совмещение формы волновода, толщина которого увеличивается от начала вводного ДОЭ до конца выводного ДОЭ, и высокоселективного выводного ДОЭ компенсирует аберрации, за счет сокращения площади через которую выходит излучение, то есть за счет виньетирования, при этом пользователь видит четкое изображение, сфокусированное в его глазу.

Форма зазора может быть, как постоянной, так и изменяющейся слева направо и/или сверху вниз таким образом, что форма зазора обеспечивает увеличение толщины волновода от вводного ДОЭ, до конца выводного ДОЭ, то есть зазор может иметь градиент толщины вдоль своей длины или в направлении от компенсатора к волноводу или от волновода к компенсатору. Это необходимо в случае использования системы для пользователей с таким дефектом зрения, как косоглазие.

На фиг. 3 показаны примеры форм зазоров - изогнутый зазор(а) и прямой зазор (б). Если компенсатор и/или волновод имеют изогнутую форму второй поверхности, то зазор получится изогнутым. Оптический комбайнер с изогнутым зазором сложнее изготовить, но такая форма зазора дает дополнительный коррекционный параметр.

На фиг. 4 показаны формы оптического комбайнера, который возможно использовать:

а) при близорукости оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию вогнутой линзы (рассеивающей линзы);

б) при дальнозоркости оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию выпуклой линзы (собирающей линзы);

в) при астигматизме оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию цилиндрической либо торической линзы.

Необходимо заметить, что для коррекции различных дефектов зрения различаются только формы компенсатора, а формы волновода могут оставаться одинаковыми во всех случаях.

Предлагаемые очки дополненной реальности, корректирующие зрение пользователя, изготавливают, как и обычные медицинские очки индивидуально после измерения зрения пользователя, параметров глаз и головы, то есть по параметрам каждого конкретного пользователя. По индивидуальным параметрам пользователя изготавливают оптические комбайнеры для правого и левого глаза, выбирая форму компенсатора, например, одну из показанных на фиг. 4, и осуществляя расчет системы оптического комбайнера (компенсатор-зазор-волновод) в зависимости от индивидуальных параметров зрения пользователя. Элементы для правого и левого глаза, представляющие собой изготовленные оптические комбайнеры, заключаются в оправу, выбранную пользователем, причем расстояние между центрами выводных ДОЭ соответствует межзрачковому расстоянию пользователя.

Зазор может быть заполнен жидкостью, в частности, фотохромной жидкостью, которая затемняется при увеличении солнечного света.

Зазор может быть заполнен слоем жидких кристаллов. Такой слой может выполнять роль дифракционного оптического элемента, для того, чтобы часть системы сделать непрозрачной, при этом перед ЖК слоем располагают поляризатор, часть молекул ЖК можно ориентировать в периодическую структуру, на которой часть излучения от реального изображения будет дифрагировать за пределы апертуры глаза и тем самым станет невидимой для глаза. Виртуальное изображение будет распространяться в волноводе, как и прежде, но будет выглядеть для пользователя более контрастным в области затемнения.

Выводной ДОЭ может быть выполнен из слоя жидких кристаллов, такой выводной ДОЭ может включаться, то есть выводить виртуальное изображение и выключаться, то есть не выводить виртуальное изображение, под воздействием электрического поля, такие ДОЭ известны из уровня техники. Также выводной ДОЭ может быть выполнен в виде голографической дифракционной решетки или рельефнофазовой дифракционной решетки. Такие решетки можно сделать селективными за счет толщины и формы рельефа, что известно из уровня техники.

Период выводного ДОЭ может быть как постоянным, так и переменными вдоль длины дифракционной решетки. В этом случае выводной ДОЭ будет работать как дифракционная линза, имеющая оптическую силу, направляя излучение в глаз пользователя под такими углами, что пользователь будет видеть виртуальное изображение скорректированным под его зрение, однако, такой вариант не является предметом предлагаемого изобретения. Из уровня техники известны дифракционные линзы, у которых меняется периодичность структуры, и при этом они обладают оптической силой. Аналогично и выводной ДОЭ с переменным периодом может иметь оптическую силу.

Фиг. 5 иллюстрирует расположение выводного ДОЭ а) на ближайшей к глазу пользователя поверхности волновода (на первой поверхности волновода), б) на противоположной поверхности волновода, примыкающей к зазору, напротив глаза пользователя (на второй поверхности волновода). В случае а) в глаз пользователя попадает нескорректированное виртуальное изображение, если период выводного ДОЭ является постоянным. В случае б) волновод является корректирующей линзой для виртуального изображения. Параметры волновода при близорукости, дальнозоркости, астигматизме необходимо рассчитывать для каждого конкретного случая, подобные расчеты известны из уровня техники.

Выводной ДОЭ может представлять собой мультиплексную голограмму, представляющую собой более сложную дифракционную структуру, включающую в себя несколько элементарных дифракционных элементов.

Например, выводной ДОЭ может быть образован несколькими мультиплексными голограммами со следующими параметрами:

- дифракционная эффективность, например, 33%-50%-100%); 25%-

33%-50%-100% (для 4-х голограмм) и т.д.

- угловая селективность <10° для каждой голограммы;

- неравные периоды голограмм.

Это приводит к увеличению поля движения глаза и позволяет пользователю наблюдать изображение при разных положениях глаза.

Использование мультиплексных голограмм с неравными периодами позволяет корректировать хроматизм и/или выравнивать интенсивность цвета для виртуального RGB-изображения.

Возможно использование нескольких выводных ДОЭ, каждая из которых работает со своей частью изображения. Первый выводной ДОЭ, который должен выводить левую часть изображения, обладает наименьшей дифракционной эффективностью, то есть при дифракции на первом выводном ДОЭ образуется нулевой порядок дифракции, который не выводится из волновода. При этом нулевой порядок дифракции позволяет левой части изображения дальше распространяться по волноводу с увеличением угла падения. Второй ДОЭ имеет селективность в другом диапазоне углов падения, соседнем с первым, и на втором ДОЭ выводится та часть излучения, которая дифрагировала в нулевой порядок дифракции на первом ДОЭ и не была выведена из волновода, эта часть излучения выводится и распространяется в сторону глаза под тем же углом, что и с первого ДОЭ и так далее. Эффективность третьего ДОЭ выводит только правую часть изображения с максимальной эффективностью, поскольку работает с самыми большими углами падения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получать высококачественные виртуальные и реальные изображения без использования дополнительных рецептурных очков для пользователей с проблемами остроты зрения, и снижает утомляемость глаз пользователя. Изобретение отличается удобным дизайном и эргономикой для использования в очках дополненной реальности. Также изобретение позволяет реализовать в очках дополненной реальности дополнительные функции, такие как защита от солнца, использовать окклюзионные, варифокальные линзы для изготовления волновода, чтобы получалась перестройка виртуального изображения по дистанции.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в любых устройствах AR, HUD, HMD, где необходимо иметь компактный дизайн и высокое качество изображения для пользователей с разной остротой 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. Оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя содержит компенсатор, волновод, имеющий вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ, проектор виртуального изображения. Волновод имеет такой градиент толщины вдоль первой и второй стороны волновода, что по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается. Выводной ДОЭ расположен напротив глаза пользователя и выполнен с возможностью вывода лучей, формирующих виртуальное изображение, падающих на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, из волновода в глаз пользователя. Изобретение обеспечивает возможность пользователю с проблемами зрения использовать очки дополненной реальности и видеть без искажений как виртуальное изображение, так и реальное изображение внешней среды без использования дополнительных медицинских очков. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий:

компенсатор;

волновод;

проектор виртуального изображения;

причем компенсатор выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды через свою первую сторону, располагающуюся напротив внешней среды, и свою вторую сторону, противоположную первой стороне,

причем волновод имеет первую сторону, располагающуюся со стороны пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне, на одной из упомянутых сторон расположены вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ;

причем между второй стороной компенсатора и второй стороной волновода предусмотрен зазор, выполненный с возможностью пропускать изображение внешней среды, прошедшее компенсатор, в волновод;

причем волновод выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды;

причем компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью коррекции нарушения зрения пользователя при рассматривании пользователем изображения внешней среды;

причем проектор виртуального изображения расположен с возможностью ввода лучей, формирующих виртуальное изображение посредством вводного ДОЭ в волновод;

причем волновод выполнен с возможностью распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода, и вывода виртуального изображения посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя,

причем волновод имеет градиент толщины вдоль первой и второй стороны волновода такой, что по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается, первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза пользователя;

причем выводной ДОЭ расположен напротив глаза пользователя и выполнен с возможностью вывода лучей, формирующих виртуальное изображение, падающих на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, из волновода в глаз пользователя.

2. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет одинаковую толщину вдоль всей своей длины.

3. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины вдоль компенсатора и волновода.

4. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины в направлении от компенсатора к волноводу.

5. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины в направлении от волновода к компенсатору.

6. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор имеет такую форму, что зазор является изогнутым.

7. Оптический комбайнер по п.1, в котором волновод имеет такую форму, что зазор является изогнутым.

8. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор и волновод имеют такую форму, что зазор является прямым.

9. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию рассеивающей линзы.

10. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию собирающей линзы.

11. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию цилиндрической линзы.

12. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию торической линзы.

13. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-12, в котором компенсатор и волновод закрепляются в оправе таким образом, что разделяются зазором.

14. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор является воздушным.

15. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор заполнен жидкостью.

16. Оптический комбайнер по п. 15, в котором жидкость является фотохромной жидкостью.

17. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор образован слоем жидких кристаллов.

18. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ выполнен из слоя жидких кристаллов.

19. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ записан в виде голографической дифракционной решетки.

20. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ является рельефно-фазовой селективной дифракционной решеткой.

21. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ записан в виде мультиплексной голограммы.

22. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ является объемной Брэгговской дифракционной решеткой с селективной по углу дифракцией.

23. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-22, в котором выводной ДОЭ расположен на первой поверхности волновода.

24. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-22, в котором выводной ДОЭ расположен на второй поверхности волновода.

25. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-24, в котором дифракционная эффективность выводного ДОЭ составляет более 90%.

26. Способ работы оптического комбайнера для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя по любому из пп. 1-25, содержащий этапы, на которых:

А) выводят виртуальное изображение в глаз пользователя следующим образом:

формируют виртуальное изображение посредством проектора виртуального изображения;

вводят посредством вводного ДОЭ лучи, формирующие виртуальное изображение, в волновод,

причем лучи, формирующие виртуальное изображение, распространяются от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ в волноводном режиме посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода,

причем по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;

выводят лучи, формирующие виртуальное изображение, в глаз пользователя, посредством выводного ДОЭ, таким образом, что выводятся только лучи, падающие на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ,

при этом остальные лучи распространяются далее вдоль волновода, увеличивая свой угол падения на стенки волновода, и выводятся в том месте выводного ДОЭ, где их угол падения на выводной ДОЭ становится равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ;

Б) выводят изображение внешней среды в глаз пользователя следующим образом:

пропускают изображение внешней среды через компенсатор, зазор и волновод, корректируя изображение внешней среды в соответствии с нарушением зрения пользователя,

этапы (А) и (Б) осуществляются одновременно, формируя на сетчатке глаза пользователя изображение внешней среды, скорректированное для компенсации нарушения зрения пользователя, дополненное виртуальным изображением.

27. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя по любому из пп. 1-25.