УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ИЗОГНУТНОГО ВОЛНОВОДА, СПОСОБ РАБОТЫ УПОМЯНУТОГО УСТРОЙСТВА, ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ УПОМЯНУТОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2023 года по МПК G02B27/01 G02B27/14 G03H1/02 G06T19/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а также к очкам дополненной реальности.

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. Для массового потребителя 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. 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.

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 US10983346B2 (дата публикации 20.04.2021). В этом документе раскрыто устройство отображения на основе изогнутого волновода, причем часть волновода для ввода излучения является плоской, а часть волновода для вывода излучения является изогнутой. На изогнутой части волновода расположен выводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) с переменным периодом, причем все излучение, вошедшее в волновод от проектора, выводится посредством выводного ДОЭ под одним углом, то есть все лучи, которые выводятся из волновода параллельны друг другу, благодаря чему изображение не имеет искажений. Недостатком известного устройства является низкое качество изображения, формируемое таким комбайнером, ввиду того что параллельный пучок лучей, распространяющийся без искажений внутри плоской части волновода, перейдя в изогнутую часть волновода будет неминуемо искажаться при распространении по изогнутой части волновода так как угол падения различных лучей из параллельного пучка на изогнутую поверхность волновода будет разным вследствие кривизны этой поверхности.

Из уровня техники известен документ «Field of view of limitations in see-through HMD using geometric waveguides» опубликованный в журнале «Applied Optics» в 2016 году, авторы Edward Dehoog, Jason Holmstedt, и Tin Aye. В этой статье рассмотрены ограничения поля зрения в случае использования концентрического мениска в качестве комбайнера по сравнению с плоским комбайнером. Концентрический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя сферическими поверхностями, центры кривизны которых находятся в одной точке. Кроме того, показано, что каждый луч, распространяющийся внутри концентрического мениска, будет иметь одинаковые углы падения и отражения в каждой точке падения луча на внешнюю поверхность волновода относительно нормали в каждой точке падения. Для внутренней поверхности волновода углы падения и отражения относительно нормали в каждой точке падения луча будут так же одинаковыми, но отличающимися по значению от углов для внешней поверхности.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство, раскрытое в документе WO 2022058740 A1 (дата публикации 24.03.2022). В устройстве используется комбайнер в виде изогнутого волновода. Изогнутый волновод представляет собой цилиндрический концентрический мениск. Цилиндрический концентрический мениск представляет собой оптическую деталь, поверхности которой образованы цилиндрическими поверхностями, при этом оси цилиндров поверхностей волновода совпадают. Источник излучения в предлагаемом изобретении располагается на оси цилиндрических поверхностей волновода. Вводной ДОЭ имеет постоянный период. Между источником излучения, который проецируется в глаз пользователя и вводным ДОЭ устанавливается дополнительная цилиндрическая фокусирующая линза, оси цилиндрических поверхностей которой перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей волновода. В такой схеме каждый луч, упавший от источника излучения, расположенного на оси цилиндра волновода, на вводной ДОЭ совпадет с направлением нормали к поверхности волновода в точке падения. Поэтому каждый луч от источника излучения будет введен в волновод вводным ДОЭ под одинаковым углом. Пучок таких лучей будет распространяться внутри волновода в форме концентрического цилиндрического мениска на любое расстояние с сохранением углов падения и отражения относительно нормалей в точках падения на внутреннюю и внешнюю сторону волновода, то есть без искажений. Это позволит вывести этот пучок с помощью выводного ДОЭ из волновода, сформировав, таким образом, изображение для пользователя. Предложенная схема позволяет сформировать безаберрационное изображение точек, располагающихся на оси цилиндрических поверхностей волновода в случае нулевых аберраций дополнительной цилиндрической фокусирующей линзы. Недостатком такой схемы является ее громоздкость ввиду требований к расположению источника излучения относительно волновода.

Предложенные решения позволяют создать компактное устройство дополненной реальности с изогнутым комбайнером, которое формирует качественное изображение для пользователя, которое не может наблюдать посторонний.

Сущность изобретения

Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее

- проектор, формирующий исходное изображение;

- изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического мениска, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;

причем период штрихов вводного дифракционного оптического элемента в каждой точке вводного дифракционного оптического элемента такой, что лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;

причем изогнутый волновод выполнен с возможностью распространения лучей исходного изображения от вводного дифракционного оптического элемента к выводному дифракционному оптическому элементу посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, причем при распространении лучей исходного изображения углы падения на и отражения от вогнутой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными, и углы падения на и отражения от выпуклой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными;

причем выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью формирования виртуального изображения на сетчатке глаза пользователя путем преобразования лучей, прошедших через изогнутый волновод и попадающих на выводной дифракционный оптический элемент, в параллельные пучки лучей.

Причем по меньшей мере в одной точке на каждом из дифракционных оптических элементов период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента может быть равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента. В одном из вариантов воплощения изобретения период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента в центре вводного дифракционного оптического элемента и в центре дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента,

причем центр исходного изображения лежит на нормали к поверхности волновода в центре вводного дифракционного оптического элемента, и центр изображения, формируемого выводным дифракционным оптическим элементом, лежит на нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента.

Еще в одном варианте воплощения изобретения, если проектор формирует изображение на бесконечности, для каждой точки вводного дифракционного оптического элемента с координатами и его период определяется выражением:

,

x_in - это линейная координата точки поверхности волновода на которую падает луч по оси O_inX_in в системе координат O_inX_inY_inZ_in, причем центр O_in системы координат расположен в центре вводного дифракционного оптического элемента, ось Z_in направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_in направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_in, ось X_in направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_in;

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода с началом отсчета в центре Oin вводного дифракционного оптического элемента,

R1 - радиус кривизны вогнутой поверхности изогнутого волновода,

λ - длина волны падающего излучения,

Т₀ - период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента в точке, где луч с длиной волны λ, падающий на вводной дифракционный оптический элемент по нормали к поверхности изогнутого волновода, претерпевает дифракцию в -1 порядок дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе;

причем штрихи вводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

Если выводной дифракционный оптический элемент формирует изображение на бесконечности, изменение периода выводного дифракционного оптического элемента может быть равно:

,

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода в сечении Y_outO_outZ_out с началом отсчета в центре O_out выводного дифракционного оптического элемента, где период выводного дифракционного оптического элемента равен Т₀, ось Z_out направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out, ось X_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out,

R1 - радиус кривизны вогнутой поверхности изогнутого волновода,

λ - длина волны падающего излучения;

причем штрихи выводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

Причем устройство может дополнительно содержать два плоских волновода, расположенных между проектором и вводным дифракционным оптическим элементом, причем каждый из плоских волноводов имеет дифракционную решетку плоского волновода с постоянным периодом, причем штрихи дифракционной решетки каждого плоского волновода перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

Также предлагается способ работы устройства дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:

формируют исходное изображение посредством проектора;

вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента лучи исходного изображения в изогнутый волновод,

причем лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;

лучи, введенные в изогнутый волновод, распространяются в изогнутом волноводе посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода;

преобразуют лучи, прошедшие через изогнутый волновод, в параллельные пучки лучей посредством выводного дифракционного оптического элемента, формируя виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя.

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 предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности. Причем расстояние между центрами выводных дифракционных оптических элементов может соответствовать межзрачковому расстоянию пользователя. Причем нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза может быть параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1а иллюстрирует изогнутый волновод в изометрии, фиг. 1б иллюстрирует распространение луча под углами ПВО внутри изогнутого волновода в плоскости, перпендикулярной его оси.

Фиг. 2 показана схема дифракции лучей от точечного источника излучения на вводном ДОЭ в сечении Y_inO_inZ_in.

Фиг. 3 показана схема дифракции лучей от точечного источника излучения на вводном ДОЭ в сечении X_inO_inZ_in.

Фиг. 4 показан ход лучей параллельного пучка, падающего на вводной ДОЭ 5, период которого изменяется в соответствии с равенством (1), в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

Фиг. 5 иллюстрирует изометрический вид распространения луча через концентрический цилиндрический волновод, вводной ДОЭ с выражением изменения периода согласно (1), выводной ДОЭ с выражением изменения периода согласно (2).

Фиг. 6 иллюстрирует схему дифракции луча от проектора с выходным зрачком конечных размеров, формирующего изображение на бесконечности, на вводном ДОЭ в сечении Y_outO_outZ_out.

Фиг. 7 иллюстрирует графики распределения угловых ошибок вводного ДОЭ а) с выражением изменения периода согласно выражению (1) б) с уточненным выражением изменения периода.

Фиг. 8 показана схема дифракции луча на выводном ДОЭ в сечении Y_outO_outZ_out.

Фиг. 9 иллюстрирует графики распределения угловых ошибок выводного ДОЭ а) с выражением изменения периода согласно выражению (2) б) с уточненным выражением изменения периода.

Фиг. 10 показана схема установки записи ДОЭ (ГОЭ) с переменным периодом на пленочном голографическом материале.

Фиг. 11 иллюстрирует изометрический вид распространения луча через волноводы расширения выходного зрачка проектора и концентрический цилиндрический волновод.

Фиг. 12 схематично иллюстрирует предлагаемое устройство дополненной реальности, формирующее виртуальное изображение для двух глаз.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство дополненной реальности на основе изогнутого оптического комбайнера. 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 в широком диапазоне расположения глаза пользователя относительно оптического комбайнера.

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 изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку (виртуального изображения), при этом, не препятствуя наблюдению пользователем окружающей реальной обстановки. В качестве оптического комбайнера в настоящей заявке используется изогнутый волновод в виде концентрического цилиндрического мениска, имеющий вводной ДОЭ (дифракционный оптический элемент) и выводной ДОЭ, центры которых располагаются в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода.

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. Поле движения глаз - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрения, т.е. 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.

Концентрический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя сферическими поверхностями волновода, центры кривизны которых находятся в одной точке.

Концентрический цилиндрический мениск (изогнутый волновод 1) - это оптическая деталь, образованная двумя цилиндрическими поверхностями, оси которых совпадают, как это показано на фиг. 1а. Общая ось вогнутой и выпуклой цилиндрических поверхностей изогнутого волновода обозначена позицией 2.

Рассмотрим распространение луча внутри концентрического цилиндрического мениска (изогнутого волновода) в плоскости сечения, перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей, его образующих. Ход луча в этой плоскости показан на фиг. 1а в изометрии и на фиг. 1б в плоскости такого сечения. Точка С на фиг. 1б это точка пересечения рассматриваемой плоскости сечения и общей оси 2 поверхностей волновода 1.

В этой плоскости сечения концентрический цилиндрический мениск будет представлен двумя дугами окружностей, ограничивающими внутренний объем изогнутого волновода, центры которых совпадают в точке С, как показано на фиг. 1б. Нормали к выпуклой и вогнутой поверхностям во всех точках такого сечения волновода будут лежать в этой же плоскости сечения.

Для луча, распространяющегося внутри такого волновода под углом ПВО (полного внутреннего отражения) в этой плоскости сечения, угол падения и отражения будет постоянным для вогнутой β_I=β₁=β₂=β_4k+1=β_4k+2 и противоположной (выпуклой) поверхности волновода β_II=β₃=β₄=β_4k+3=β_4k+4 при k=1,2,3,4… Это верно для волновода такой формы вследствие того, что радиусы кривизны выпуклой поверхности R₂ и вогнутой поверхности R₁ имеют один и тот же центр - точку С, а нормали к внешней и внутренней поверхностям волновода лежат в этой же плоскости сечения. Углы падения луча для вогнутой (первой поверхности) и выпуклой (второй поверхности) поверхностей связаны соотношением: β_I=-arcsin(sin(β_II)·R₂/R₁).

Лучи, не лежащие в плоскости перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей волновода, будут распространяться внутри волновода по такой траектории, что ее проекция на плоскость перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей волновода будет соответствовать фиг. 1(б). Для таких лучей так же будет сохраняться равенство углов падения и отражения луча относительно нормали к поверхности волновода в каждой точке падения для внутренней и внешней поверхностей волновода.

Такие свойства распространения луча внутри концентрического цилиндрического мениска - сохранение угла падения и отражения относительно нормали во всех точках падения для вогнутой и выпуклой поверхности - используется в настоящем изобретении для формирования виртуального изображения с помощью изогнутого комбайнера. Пучок лучей, распространяющихся внутри концентрического цилиндрического мениска в диапазоне углов ПВО, как это показано на фиг. 1б, имеющих равные углы падения и отражения относительно нормали в точке падения для вогнутой и выпуклой поверхности, может передавать яркость одного направления поля зрения от области вводного ДОЭ (дифракционного оптического элемента) к области выводного ДОЭ через изогнутый волновод. Такой пучок лучей обладает следующими особенностями:

- распространяется внутри волновода на любое расстояние в диапазоне углов ПВО с сохранением углов лучей относительно нормалей в точках падения;

- не является гомоцентрическим пучком, то есть продолжение лучей такого пучка не пересекаются в одной точке;

- является расходящимся пучком при распространении от вогнутой поверхности волновода к выпуклой поверхности;

- является сходящимся пучком при распространении от выпуклой поверхности волновода к вогнутой.

Для формирования такого пучка внутри волновода вводной ДОЭ должен соответствующим образом преобразовать пучок, падающий на него от источника излучения, составляющего изображение, которое предоставляется пользователю. Для этого каждый луч упомянутого пучка излучения, должен претерпеть дифракцию таким образом, что угол луча, претерпевшего дифракцию, внутри волновода относительно нормали к поверхности волновода должен быть равным для каждого такого луча для всех точек падения на вводной ДОЭ.

Проектор в общем случае является источником излучения с оптической системой. Оптическая система проектора строит изображение источника излучения на некотором расстоянии от проектора, как правило, на бесконечности. Источник излучения, который составляет исходное изображение можно разбить на точечные источники излучения, расположенные на некотором расстоянии от изогнутого волновода. Далее будут рассмотрены следующие варианты расположения одного точечного источника излучения: а) точечный источник излучения на конечном расстоянии от вогнутой поверхности изогнутого волновода 1; б) точечный источник излучения на оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода 1; в) точечный источник излучения на бесконечности, в практической реализации это проектор, объектив которого переносит изображение источника излучения на бесконечность, этот вариант интересен с точки зрения практического применения.

Начало отсчета системы координат расположим в точке вводного ДОЭ, где луч от точечного источника излучения упадет на вогнутую поверхность 1а волновода по нормали (точка О_in), ось Z_in по направлению нормали к поверхности волновода в точке Оin, ось Yin расположим в плоскости рассматриваемого сечения, по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Zin, а ось Xin перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения, направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке О_in и перпендикулярно оси Z_in. Введем так же линейную систему координат Lin на криволинейной поверхности волновода в рассматриваемом сечении так же с началом отсчета в точке Oin. - это линейная координата по вогнутой поверхности волновода, начало отсчета в центре вводного ДОЭ в точке O_in.

Рассмотрим общий случай (а) точечного источника 3 излучения, находящегося на конечном расстоянии Z_LGT от вогнутой поверхности 4 волновода 1, как это показано на фиг. 2.

На фиг. 2 обозначены:

3 - отображение источника излучения;

1а - вогнутая поверхность волновода;

С - центр кривизны волновода;

ϕ - угол рассматриваемого луча от источника относительно оси O_inZ_in;

Ω - угол между точкой падения луча на волновод и направлением оси O_inZ_in из центра кривизны волновода C, однозначно связанный с линейной координатой на вогнутой поверхности волновода Lin;

α - угол падения луча относительно нормали к поверхности волновода в точке падения;

y_in, z_in - координаты точки поверхности волновода на которую падает луч в системе координат O_inX_inY_inZ_in;

n_w - показатель преломления волновода.

При таком расположении источник 3 излучения сформирует расходящийся гомоцентрический пучок, который упадет на область вводного ДОЭ. Этот случай в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода, иллюстрирует фиг. 2. Пусть луч с длиной волны λ, падающий на вводной ДОЭ по нормали к поверхности волновода 1 в точке Oin, претерпевает дифракцию в -1 порядок на вводном ДОЭ под углом β₀, при этом вводной ДОЭ в этой точке имеет период Т₀.

Для того, чтобы каждый луч от рассматриваемого точечного источника подвергался дифракции на вводном ДОЭ под одним и тем же углом β₀ относительно нормали в точке падения необходимо чтобы период вводного ДОЭ в рассматриваемом сечении удовлетворял соотношению:

где R1 радиус кривизны вогнутой поверхности волновода.

Если приведенное условие не будет выполняться, то лучи введутся внутрь изогнутого волновода под разными углами, и на стороне выводного ДОЭ невозможно будет разобрать, какие лучи от какой точки изображения падают на ту или иную точку выводного ДОЭ, в этом случае невозможно будет сформировать качественное изображение.

Рассмотрим распространение лучей в плоскости X_inO_inZ_in, как показано на фиг. 3. В этой плоскости сечение изогнутого волновода представляет собой прямые линии, так как ось цилиндров волновода так же лежит в этой плоскости, как это показано на фиг. 3. Все лучи от точечного источника 3 должны в этой проекции попадать в изогнутый волновод под нулевым углом относительно нормали в точке падения для формирования пучка внутри волновода выбранной конфигурации. Для этого период вводного ДОЭ в сечении X_inO_inZ_in должен удовлетворять соотношению:

где - это линейная координата точки поверхности волновода, на которую падает луч по оси O_inX_in в системе координат O_inX_inY_inZ_in.

В общем виде, для каждой точки вводного ДОЭ с координатами и период определяется следующим образом:

Согласно этому выражению период вводного ДОЭ для каждой точки вводного ДОЭ с координатами и подбирается таким, чтобы все лучи, исходящие из одной точки исходного изображения претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения.

Частным случаем (б) предлагаемой структуры вводного ДОЭ является предложенная в документе WO 2022058740 A1 (дата публикации 24.03.2022) схема, когда , т.е. источник излучения располагается на оси цилиндрических поверхностей волновода, а между источником и вводным ДОЭ установлена цилиндрическая линза, которая имеет нулевую оптическую силу в сечении Y_inO_inZ_in и переносит на бесконечность изображение источника излучения в сечении плоскости XinOinZin. В этом случае вводной ДОЭ представляет собой дифракционную решетку постоянного периода со штрихами параллельными оси OinXin, то есть И .

Другим важным частным случаем (в) является расположение источника излучения, формирующего исходное изображение на бесконечности. С точки зрения практического применения это наиболее широко распространенный случай, так как малогабаритные проекторы, используемые в носимых устройствах дополненной реальности в качестве источника излучения, как правило, формируют изображение на бесконечности. В этом случае а пучок, падающий на вводной ДОЭ с каждого направления поля зрения, представляет собой параллельный пучок. В этом случае , а

(1),

Выражение (1) реализует выражение изменения периода вводного ДОЭ в каждой точке вводного ДОЭ, такое изменение периода обеспечивает одинаковый угол дифракции на вводном ДОЭ относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения для лучей, исходящих из одной точки исходного изображения, в случае, когда проектор формирует изображение (отображение источника излучения) на бесконечности.

Вводной ДОЭ представляет собой в этом случае дифракционную решетку, штрихи которой параллельны оси цилиндрических поверхностей волновода так как , а период решетки в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, изменяется по указанному выражению (1). Такой случай расположения вводного ДОЭ показан в изометрии на фиг. 5.

На фиг. 4 показан ход лучей параллельного пучка, падающего на вводной ДОЭ 5, период которого изменяется в соответствии с равенством (1), в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, предлагаемого комбайнера. На фиг. 4 показан комбайнер, содержащий изогнутый волновод 1, вводной ДОЭ 5 и для формирования изображения далее по ходу лучей на противоположном конце волновода 1 размещается выводной ДОЭ 6. За счет частичного вывода многократно отраженных в волноводе 1 лучей в нескольких точках на поверхности выводного ДОЭ 6 формируется протяженное в направлении распространения лучей поле 7 движения глаза, которое условно показано пунктирной линией в виде диафрагмы 7, ограничивающей поле движения глаза, как это показано на фиг. 4. При расположении глаза пользователя в пределах указанного стрелкой поля движения изображение будет формироваться на сетчатке глаза пользователя, причем центр поля изображения расположен на оси совпадающей с нормалью к поверхности изогнутого волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента.

Для формирования перед пользователем изображения, находящегося на бесконечности, как это показано на фиг. 4, выводной ДОЭ 6 так же может иметь переменный период согласно соотношению:

(2),

где L_out - это линейная координата по внутренней поверхности волновода в сечении YoutOoutZout, начало отсчета в центре O_out выводного ДОЭ 6. Причем центр O_out системы координат расположен в центре выводного ДОЭ, где период выводного ДОЭ равен Т₀, ось Z_out направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out, ось X_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out.

Период выводного ДОЭ 6 в сечении X_outO_outZ_out для формирования изображения на бесконечности должен быть бесконечным для формирования изображения на бесконечности, то есть штрихи выводного ДОЭ 6 должны быть параллельны общей оси 2 цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, как это показано на фиг. 5, это является обязательным условием для формирования изображения на бесконечности.

В случае использования рассмотренных выше выражений изменения периода вводного ДОЭ 5 (выражение (1)) и выводного ДОЭ 6 (выражение (2)) луч, упавший в центре вводного ДОЭ 5 O_in по нормали 8 к поверхности волновода 1, выйдет в центре выводного ДОЭ 6 O_out так же по нормали 9 к поверхности волновода 1 в этой точке, так как периоды вводного и выводного ДОЭ в этих точках одинаковы и равны. Необходимо подчеркнуть, что выражение (1) обеспечивает ввод параллельного пучка в изогнутый волновод, а выражение (2) обеспечивают вывод параллельного пучка без аберраций, а равенство Т₀ в центральных точках вводного ДОЭ и выводного ДОЭ обеспечивает вывод параллельного пучка, упавшего по направлению нормали в центре вводного ДОЭ, по направлению нормали в центре выводного ДОЭ. Выражения (1) и (2) выводятся из формулы дифракционной решетки и геометрии. Расположив ось проектора на нормали 8 к поверхности волновода 1 в центре вводного ДОЭ 5, параллельный пучок лучей, формируемый выводным ДОЭ 6, будет направлен по нормали 9 к поверхности волновода 4 в центре выводного ДОЭ 6, и поле движения глаз пользователя будет так же симметрично относительно нормали 9 к поверхности волновода 4 в центре выводного ДОЭ 6, как это показано на фиг. 4. Такая связь вводного и выводного ДОЭ обеспечит симметричность вогнутой поверхности волновода 1а для лучей падающих на вводной ДОЭ 5 от источника излучения и для лучей выходящих из выводного ДОЭ 6, и формирующих поле 7 движения глаз. Это обеспечит минимальные внеосевые аберрации (кома, астигматизм) и минимальные хроматические аберрации (хроматизм положения и увеличения) в изображении, формируемом таким комбайнером, так как симметричная оптическая система, как известно, обеспечивает минимальные аберрации.

Расположение вводного 5 и выводного ДОЭ 6 на изогнутом волноводе 1 и ориентация их решеток схематично представлены на фиг. 5. На фиг. 5 на вогнутой поверхности изогнутого волновода 1, в виде концентрического цилиндрического мениска, расположены вводной ДОЭ 5 и выводной ДОЭ 6. Штрихи дифракционных решеток этих ДОЭ параллельны оси 2 цилиндрических поверхностей волновода 1, что является частным случаем выполнения штрихов дифракционных решеток вводного и выводного ДОЭ. Луч, падающий в центр вводного ДОЭ 5, выражение изменения периода которого соответствует выражению (1), по направлению нормали к поверхности волновода 8 претерпевает дифракцию на вводном ДОЭ 5 и распространяется под углами ПВО внутри волновода 1. Достигнув области выводного ДОЭ 6, выражение изменения периода которого соответствует выражению (2), этот луч претерпевает дифракцию на выводном ДОЭ 6 и выводится из волновода, образуя набор параллельных лучей. Если в центре выводного ДОЭ период будет равен периоду на вводном ДОЭ в точке падения соответствующего луча, то луч, упавший в центре выводного ДОЭ 6, будет выведен из волновода 1 по направлению нормали 9 к вогнутой поверхности волновода и пересечет ось 2 цилиндрических поверхностей волновода 1.

Одним из важных преимуществ предлагаемого комбайнера на основе изогнутого волновода, выполненного в виде концентрического цилиндрического мениска является формирование качественного виртуального изображения только с вогнутой стороны такого волновода. Известно, что любой выводной ДОЭ будет выводить часть излучения в противоположном направлении от глаза пользователя. В случае плоского волновода виртуальное изображение полностью или частично может наблюдать сторонний наблюдатель, чей глаз окажется в направлении такого паразитного изображения. Однако, применительно к предлагаемому комбайнеру, такое паразитное виртуальное изображение будет расфокусировано, так как оно формируется с вогнутой поверхности волновода. При повседневном использовании пользователем устройства дополненной реальности с предлагаемым комбайнером, в том числе в публичных местах, невозможность наблюдения виртуального изображения для стороннего наблюдателя является неоспоримым преимуществом.

Предлагаемый комбайнер представит пользователю виртуальные изображения точек, пространственно протяженных по вертикальной оси объекта (параллельной оси O_inX_in), без аберраций. Однако изображения других точек пространственно протяженных по горизонтальной оси объекта (параллельной оси O_inY_in) такой комбайнер будет формировать с некоторой аберрацией.

Рассмотрим пример аберрации вводного ДОЭ 5 в предлагаемом комбайнере. Пусть проектор формирует изображение на бесконечности, а поле зрения проектора в плоскости Y_inO_inZ_in составляет ±12°, размер выходного зрачка равен 4 мм, расстояние от выходного зрачка проектора до вводного ДОЭ равно 15 мм, длина волны излучения λ=640 нм (красный цвет). Пусть толщина волновода составляет 1 мм, а внутренний радиус R1=150 мм. Пусть период вводного и выводного ДОЭ в центре составляет T₀=540 нм. Схема падения произвольного луча из выходного зрачка проектора на вводной ДОЭ 5 в плоскости Y_inO_inZ_in представлена на фиг. 6. На фиг. 6 обозначены:

вогнутая поверхность волновода 1 с вводным ДОЭ (на фиг. 6 не показан),

выходной зрачок 10 проектора,

центр кривизны поверхностей волновода точка С.

Для анализа аберраций вводного ДОЭ необходимо проанализировать ошибку ввода луча от каждой точки выходного зрачка с координатой y_pupil и для всех направлений поля зрения α_out. При известных параметрах системы можно определить для каждого такого луча координаты на вводном ДОЭ y_in, z_in, L_in и угол α_dif падения луча на вводной ДОЭ относительно нормали. Зная выражение изменения периода в каждой точке вводного ДОЭ , как функции L_in (выражение (1)) можно рассчитать угол дифракции луча и сравнить его с номинальным углом дифракции в центральной точке вводного ДОЭ. Таким образом, можно построить двумерный массив угловых ошибок вводного ДОЭ как функции от координаты на выходном зрачке проектора y_pupil и угла поля зрения α_out. Результат такого анализа для выбранных параметров системы и выражения (1) изменения периода вводного ДОЭ приведен на фиг. 7а. Как видно из фиг. 7а в области значений поля зрения α_out =0° ошибка ввода лучей нулевая, то есть лучи из центра поля зрения будут введены без аберраций для любых y_pupil. Однако для ненулевых направлений поля зрения эта ошибка не равна нулю, и максимальное значение ошибки около 4-х угловых минут соответствует лучу из верхней области выходного зрачка проектора для поля зрения 12°.

Выражение (1) можно аппроксимировать, например, полиномом 4-го порядка, для корректировки выражения изменения периода вводного ДОЭ с целью уменьшения ошибки ввода. Коэффициенты этого полинома можно подобрать такими, что максимальная ошибка ввода лучей будет в несколько раз меньше для всех сочетаний углов положения и координат на выходном зрачке проектора. Результат расчета ошибок ввода лучей такого вводного ДОЭ представлен на фиг. 7б. В этом случае максимальная ошибка составляет 0,8 угловых минуты, что более чем 5 раз меньше максимальной ошибки исходного вводного ДОЭ с изменением периода согласно аналитическому выражению (1).

Рассмотрим работу выводного ДОЭ 6, расположенного на изогнутом волноводе в форме цилиндрического концентрического мениска. Пусть лучи введены в волновод и переданы через него без искажений и падают на выводной ДОЭ в точке с координатой L_out под углом β_in. Схема вывода лучей в меридиональном сечении представлена на фиг. 8. На фиг. 8 обозначены:

вогнутая поверхность 1а волновода 1 с выводным ДОЭ (на фиг. 8 не показан),

поле 7 движения глаз, плоскость которого отнесена на 15 мм от центра выводного ДОЭ,

центр кривизны поверхностей волновода точка С.

Центр системы координат X_outO_outZ_out расположен в центре выводного ДОЭ, а L_out - это линейная координата по изогнутой поверхности волновода с началом отсчета так же в центре выводного ДОЭ точке О_out. Тогда луч, упавший из волновода на выводной ДОЭ, будет претерпевать дифракцию и выйдет из волновода под углом α_z, упадет на плоскость движения глаз в точке с высотой y_{eye_box}. Таким образом, можно проанализировать результат работы выводного ДОЭ, перебрав все возможные сочетания углов падения лучей β_in, соответствующих полю зрения, и линейных координат L_out на выводном ДОЭ и получив набор соответствующих α_z и y_{eye_box}. При этом необходимо учесть размер зрачка глаза, в несколько раз меньший, чем размер поля движения глаз. Для этого необходимо перебрать все возможные положения зрачка глаза пользователя внутри поля движения глаз и для каждого такого положения рассчитать все попадающие в такой зрачок лучи от того или иного направления поля зрения β_in. Для цилиндрического волновода с внутренним радиусом 150 мм, выводном ДОЭ с выражением изменения периода согласно (2) и при размере зрачка глаза 4 мм, поле движения глаза 12 мм зависимость угловой ошибки формируемого виртуального изображения шириной 24° представлена на фиг. 9а. Как видно из этого графика, центр поля выводится без аберраций для всех положений зрачка, а при отклонении направления в поле от центра ошибка возрастает, максимальная ошибка для выбранных параметров системы составляет около 2 угловых минут.

Выражение (2) для выводного ДОЭ можно так же скорректировать с целью уменьшения максимальной ошибки. Выражение изменения периода так же интерполируется полиномом 4-го порядка, коэффициенты которого подбираются таким образом, чтобы для всех сочетаний положения зрачка в поле движения глаз для разных направлений поля зрения угловая ошибка падающих в зрачок пользователя лучей была минимальна. Зависимость угловой ошибки такого выводного ДОЭ с корректированным выражением изменения периода представлена на фиг. 9б. В этом случае максимальную угловую ошибку удалось уменьшить до 1.5 угловых минут.

В качестве ДОЭ в предлагаемой схеме комбайнера можно использовать голографические оптические элементы, записываемые на тонком пленочном материале. На фиг. 10 представлена одна из известных схем установки для записи голографических оптических элементов с переменным периодом, которые могут использоваться в качестве вводного или выводного ДОЭ для предлагаемого комбайнера. На фиг. 10 обозначены:

лазерный источник 11 излучения,

кубический разделитель 12 пучка, разделяющий лазерный пучок по энергии на два пучка,

управляемые затворы 13,

телескопические системы 14 для увеличения поперечных размеров пучка,

моторизованные линейные трансляторы 15, на столиках которых установлены моторизованные поворотные платформы с плоскими зеркалами 16, экраны 17, ограничивающие пучок для формирования элемента заданных размеров и для исключения паразитных засветок внутри рабочей призмы 18,

цилиндрическая линза 19, обеспечивающая модуляцию периода записываемой голографической дифракционной решетки. Светочувствительный голографический материал 20, на который записывается голографическая дифракционная решетка, ламинируется на плоскую поверхность рабочей призмы 18. Оси цилиндрических поверхностей линзы 19 ориентируются перпендикулярно плоскости чертежа фиг. 10, благодаря чему записываемая на фоточувствительный голографический материал дифракционная решетка представляет собой набор параллельных штрихов (зон с равным показателем преломления), так же перпендикулярных плоскости чертежа фиг. 10. Параметры цилиндрической линзы 19, ее положение относительно рабочей призмы 18, а так же положение и ориентация зеркал на моторизованных поворотных платформах 16 выбираются таким образом, что выражение изменения периода интерференционной картины в плоскости расположения фоточувствительного голографического материала 20 соответствует выражению (1) или (2) или другим требуемым выражениям зависимостям изменения периода ДОЭ. Переменная для вводного ДОЭ и переменная для выводного ДОЭ соответствуют в этом случае линейной прямой координате на плоскости рабочей призмы 18. Фоточувствительный голографический материал 20 представляет собой тонкую прозрачную пленку, которая может быть перенесена с плоской поверхности рабочей призмы 18 на изогнутую поверхность цилиндрического концентрического волновода. Таким образом можно изготовить изогнутый комбайнер предлагаемой конфигурации.

Как показано на фиг. 4 и 5 в предлагаемой оптической системе выводной ДОЭ 6 формирует протяженную в горизонтальном направлении зону движения глаз 7 за счет многократного вывода луча при каждом его падении на выводной ДОЭ 6 по пути распространения луча внутри волновода 1. Для формирования протяженного в вертикальном направлении поля движения глаз необходимо расширить выходной зрачок проектора 21 фиг. 11а. Для этого при вводе излучения от проектора можно использовать два дополнительных плоских волновода 22 и 23, как это показано на фиг. 11б, с ДОЭ, имеющими постоянный период дифракционных решеток, и штрихи дифракционных решеток которых ориентированы горизонтально (перпендикулярны оси 2 цилиндрических поверхностей волновода 1). На фиг. 11а показан ход лучей через изогнутый комбайнер в изометрии, а на фиг. 11б показано вертикальное сечение в области проектора и вводного ДОЭ, поясняющее принцип работы таких дополнительных плоских волноводов, расширяющих выходной зрачок проектора. Два дополнительных плоских волновода 22 и 23, которые расширяют выходной зрачок проектора 21 по вертикали, устанавливаются между проектором 21 и вводным ДОЭ 5, располагающимся на вогнутой поверхности изогнутого волновода 1. Плоский волновод 22 с размножающим ДОЭ расширяет выходной зрачок проектора вниз, а плоский волновод 23 с размножающим ДОЭ расширяет выходной зрачок проектора вверх, как это показано на фиг. 11б. Преобразованный таким образом пучок лучей от проектора падает на вводной ДОЭ 5, вводится в волновод 1, распространяется внутри него, и выводится выводным ДОЭ 6. Таким образом, каждый луч, выходящий из проектора 21, будет размножен в двумерной области поля движения глаз подобно тому, как это показано на фиг. 11а для одного луча проектора.

На фиг. 12 показана схема очков дополненной реальности, содержащих элемент для левого а) и элемент для правого б) глаза пользователя. Каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности, описанное выше.

На фиг. 12 обозначены:

изогнутый волновод 1, на поверхности которого расположены вводной ДОЭ 5 и выводной ДОЭ 6,

поле движения глаз 7 пользователя,

проектор 21, формирующий виртуальное изображение в бесконечности,

плоские волноводы 22 и 23 для расширения выходного зрачка микропроектора 21 по вертикали,

глаз 24 пользователя.

Центр поля движения глаза 7, где предположительно располагается глаз 24 пользователя, расположен на оси 9, совпадающей с нормалью к поверхности волновода 1 в центре выводного ДОЭ 6, как это показано на фиг. 12. Лучи, составляющие изображение, выводимое проектором 21, направлены под углом 20°-40° по отношению к корпусу проектора 21, как это показано на фиг. 12, что может быть достигнуто путем введения в оптическую схему микропроектора призм или зеркал. Наиболее комфортным вариантом для пользователя будет такое расположение элементов для левого и правого глаза, при котором расстояние между центром выводного ДОЭ 6 элемента для правого глаза и центром выводного ДОЭ 6 элемента для левого глаза соответствует межзрачковому расстоянию пользователя, а также когда нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.

Благодаря настоящему изобретению, возможно сформировать четкое изображение дополненной реальности, свободное от искажений.

Предлагаемая компоновка устройства дополненной реальности с изогнутым комбайнером позволит сделать его компактным и внешне похожим на привычные для пользователя солнцезащитные очки или очки для коррекции зрения. Такое устройство, благодаря компактности и удобству ношения, можно будет использовать непрерывно в течении всего дня, что позволит пользователю находиться в информационной среде, сформированной персонально для него с помощью таких средств как социальные сети, средства массовой информации, программы обмена сообщениями, средства поиска информации, отрабатывающие запросы пользователя в том числе по элементам из реальной обстановки, окружающей пользователя.

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 компьютерным технологиям, а именно устройствам дополненной реальности на основе изогнутого волновода. Технический результат направлен на уменьшение искажений при формировании дополненной реальности. Устройство для отображения дополненной реальности, содержащее проектор, изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического мениска, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент; причем изогнутый волновод выполнен с возможностью распространения лучей исходного изображения от вводного дифракционного оптического элемента к выводному дифракционному оптическому элементу посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, причем при распространении лучей исходного изображения углы и выводной дифракционный оптический элемент выполнены с возможностью формирования виртуального изображения на сетчатке глаза пользователя путем преобразования лучей. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Устройство для отображения дополненной реальности, содержащее

- проектор, формирующий исходное изображение;

- изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического мениска, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;

причем период штрихов вводного дифракционного оптического элемента в каждой точке вводного дифракционного оптического элемента такой, что лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;

причем изогнутый волновод выполнен с возможностью распространения лучей исходного изображения от вводного дифракционного оптического элемента к выводному дифракционному оптическому элементу посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, причем при распространении лучей исходного изображения углы падения на и отражения от вогнутой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными, и углы падения на и отражения от выпуклой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными;

причем выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью формирования виртуального изображения на сетчатке глаза пользователя путем преобразования лучей, прошедших через изогнутый волновод и попадающих на выводной дифракционный оптический элемент, в параллельные пучки лучей.

2. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере в одной точке на каждом из дифракционных оптических элементов период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента.

3. Устройство по п. 2, в котором период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента в центре вводного дифракционного оптического элемента и в центре дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента,

причем центр исходного изображения лежит на нормали к поверхности волновода в центре вводного дифракционного оптического элемента, и центр изображения, формируемого выводным дифракционным оптическим элементом, лежит на нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента.

4. Устройство по п. 1, причем если проектор формирует изображение на бесконечности, для каждой точки вводного дифракционного оптического элемента с координатами и его период определяется выражением:

- это линейная координата точки поверхности волновода на которую падает луч по оси в системе координат причем центр системы координат расположен в центре вводного дифракционного оптического элемента, ось направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси ось направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода с началом отсчета в центре вводного дифракционного оптического элемента,

R1 - радиус кривизны вогнутой поверхности изогнутого волновода,

λ - длина волны падающего излучения,

Т₀ - период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента в точке, где луч с длиной волны λ, падающий на вводной дифракционный оптический элемент по нормали к поверхности изогнутого волновода, претерпевает дифракцию в -1 порядок дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе;

причем штрихи вводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

5. Устройство по п. 1, причем если выводной дифракционный оптический элемент формирует изображение на бесконечности, изменение периода выводного дифракционного оптического элемента равно:

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода в сечении с началом отсчета в центре выводного дифракционного оптического элемента, где период выводного дифракционного оптического элемента равен ось направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси

R1 - радиус кривизны вогнутой поверхности изогнутого волновода,

λ - длина волны падающего излучения;

причем штрихи выводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее два плоских волновода, расположенных между проектором и вводным дифракционным оптическим элементом, причем каждый из плоских волноводов имеет дифракционную решетку плоского волновода с постоянным периодом, причем штрихи дифракционной решетки каждого плоского волновода перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.

7. Способ работы устройства дополненной реальности по любому из пп. 1-6, содержащий этапы, на которых:

формируют исходное изображение посредством проектора;

вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента лучи исходного изображения в изогнутый волновод,

причем лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;

лучи, введенные в изогнутый волновод, распространяются в изогнутом волноводе посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода;

преобразуют лучи, прошедшие через изогнутый волновод, в параллельные пучки лучей посредством выводного дифракционного оптического элемента, формируя виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя.

8. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по любому из пп. 1-6.

9. Очки по п. 8, причем расстояние между центрами выводных дифракционных оптических элементов соответствует межзрачковому расстоянию пользователя.

10. Очки по п. 8, причем нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.