Система визуализации виртуального изображения Российский патент 2023 года по МПК G02B27/01 

Изобретение относится к оптическим системам визуализации и может быть использовано для создания виртуального изображения объектов в поле зрения при формирования дополненной или расширенной реальности (AR/XR).

Из уровня техники известна система визуализации виртуального изображения для формирования дополненной реальности (AR), содержащая прозрачный дисплей, расположенный перед головой пользователя (HUD - используются в основном в автомобильной промышленности) или надеваемый непосредственно на голову (HMD - используются в основном в шлемах и очках дополненной реальности, в компьютерных играх) и размещенный близко к глазу. В таких системах дифракционный оптический элемент выполнен в виде прозрачного голографического экрана и перенаправляет в глаз пользователя излучение от проекционного устройства (см. публикацию US2015362734A1, кл. G02B27/01; G02B5/32; G02C7/04; G03H1/02; G03H1/04; G03H1/18, опубл. 17.12.2015). Основным недостатком известного решения является его привязка к габаритному оборудованию - большому голографическому дисплею и относительно массивной проекционной системе, кроме того, такие системы в основном предназначены только для предоставления визуальной информации, а взаимодействие с ней осложнено необходимостью использовать дополнительные устройства (смартфон, ноутбук, компьютер и т.д.). Кроме того, такого рода системы предъявляют высокие требования к источнику лазерного излучения: это должен быть монохромный, когерентный источник со стабильной мощностью.

Из уровня техники известна система визуализации для предоставления пользователю информации, выполненная в виде проекционного устройства, формирующего в глазу пользователя виртуальное изображение (см. публикацию JP2006098820A, кл. G02B27/02; H04N5/64; опубл. 13.04.2006). Основными недостатками известного решения являются необходимость использования громоздкой проекционной оптической системы, помещаемой непосредственно перед глазным яблоком, или необходимость использования оптической системы для сбора света, которая прикреплена к голове пользователя (например, в виде очков).

Из уровня техники известна система визуализации виртуального изображения, которая содержит размещаемое непосредственно на роговице глаза пользователя устройство отображения, выполненное с возможностью кольцевого сканирования сетчатки путем сопоставления количества светодиодов и плотности ячеек колбочек на сетчатке (см. публикацию CN110955063A, кл. G02C7/04; G02F1/133; G02F1/1335; G02F1/1343, опубл. 03.04.2020). Такая система позволяет значительно уменьшить общее количество пикселей и добиться так называемого изображения с углублениями (Foveated Imaging), что не только сокращает время задержки при обработке изображений с высоким разрешением, но и снижает энергопотребление устройства. Основным недостатком известного решения является трудоемкость изготовления жидкокристаллической решетки с множеством электродов, которые управляют светом, направляемым на сетчатку глаза пользователя.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является система визуализации виртуального изображения, содержащая носимое оптическое устройство в виде контактной линзы с прозрачным в видимой области спектра дифракционным оптическим элементом и связанное с ним проекционное устройство с излучателем, совместно обеспечивающие возможность направления видимого изображения, формируемого указанным излучателем, в глаз пользователя (см. публикацию CA2280022A1, кл. G02B 27/01, G02C 7/04, опубл. 28.01.2001). В известной системе используется дифракционный оптический элемент с единственной голограммой в контактной линзе, которая направляет видимое изображение от излучателя, расположенного, например, на кепке/бейсболке или очках (т. е. под постоянным углом к глазу пользователя в его базовом положении). Основными недостатками известного решения являются пропадание изображения при движении глаз, а также невозможность интерактивного взаимодействия с проекционным устройством (отсутствие подсистемы обратной связи).

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание системы визуализации виртуального изображения, обеспечивающей возможность взаимодействия с объектами виртуальной реальности без потери возможности взаимодействия с реальной сценой.

Технический результат заключается в расширении возможностей взаимосвязи с виртуальным изображением (реализация подсистемы обратной связи для интерактивного взаимодействия с изображением), обеспечении возможности наблюдать виртуальное изображение при повороте глаз, расширении поля зрения с сохранением виртуального изображения, а также упрощении и облегчении проекционной системы.

Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в системе визуализации виртуального изображения, содержащей носимое оптическое устройство с прозрачным в видимой области спектра дифракционным оптическим элементом и связанное с ним проекционное устройство с, по меньшей мере, одним излучателем, совместно обеспечивающие возможность направления видимого изображения, формируемого указанным излучателем, в глаз пользователя, проекционное устройство снабжено процессором и элементами обратной связи, управляемыми пользователем вручную, а дифракционный оптический элемент снабжён, по меньшей мере, двумя различными голограммами, обеспечивающими возможность направления в глаз пользователя изображения от излучателя, расположенного под углами θ+Δθ_i и θ-Δθ_i к указанному дифракционному оптическому элементу, где θ - угол, соответствующий базовому положению проекционного устройства в руках пользователя; Δθ_i - угол отклонения от базового положения, причём Δθ_i≥0, i - порядковый номер i=1…n, причём n≥2. Проекционное устройство может быть выполнено в виде джойстика, клавиатуры, смартфона или планшета, а элементы обратной связи - в виде манипуляторов, кнопок и/или сенсорных панелей. Проекционное устройство может быть снабжено излучателями лазерного монохроматического излучения в красной, зелёной и синей областях спектра, а каждая из указанных голограмм - соответственно красной, зелёной и синей компонентами. Проекционное устройство может быть снабжено блоком проводной и/или беспроводной связи, а также видеокартой, оперативной памятью, устройством хранения информации и источником питания. Носимое оптическое устройство может быть выполнено в виде контактной линзы, а голограммы - в виде голографических пленок, для которых Δθ_i составляет от 3° до 30°. Указанная контактная линза может быть снабжена элементом позиционирования на глазу пользователя или дифракционный оптический элемент указанной контактной линзы может быть снабжён голограммами, записанными для различной угловой ориентации линзы относительно оптической оси глаза пользователя. В одном варианте излучатель может быть установлен с возможностью изменения его направления излучения относительно проекционного устройства, а само проекционное устройство снабжено блоком слежения за положением глаз пользователя, выполненным с возможностью управления направлением излучения излучателя для сохранения угла (компенсации углового сдвига в реальном времени) между ним и дифракционным оптическим элементом во время использования системы визуализации. При этом излучатель может быть установлен на направляющей с возможностью изменения его пространственного расположения относительно проекционного устройства. В другом варианте проекционное устройство может быть снабжено множеством излучателей с различными направлениями излучения относительно указанного проекционного устройства и блоком слежения за положением глаз пользователя, выполненным с возможностью попеременного включения одного из указанных излучателей для сохранения угла между ним и дифракционным оптическим элементом во время использования системы визуализации. Блок слежения за положением глаз пользователя при этом может быть выполнен с возможностью переключения проекционного устройства в режим ожидания в случае выхода положения глаз пользователя за пределы заданного диапазона. Проекционное устройство при этом может быть снабжено блоком распознавания изображения, а блок слежения за положением глаз пользователя снабжён камерой, подключенной к указанному блоку распознавания изображения. Проекционное устройство может быть снабжено контейнером для хранения, очистки и/или подзарядки, по меньшей мере, одной указанной контактной линзы. Излучатель может быть выполнен с возможностью варьирования положения фокальной плоскости проецируемого изображения, а само проекционное устройство снабжено блоком определения расстояния до носимого оптического устройства. Носимое оптическое устройство снабжено идентификационной меткой, а проекционное устройство - блоком распознавания идентификационной метки. В одном варианте указанная идентификационная метка может быть выполнена в виде маркировки, например, штрих-код, bar-код или QR-код, а блок распознавания идентификационной метки при этом выполнен в виде модуля блока распознавания изображения, подключенного к камере. В другом варианте указанная идентификационная метка моет быть выполнена в виде NFC-метки или RFID-метки, а блок распознавания идентификационной метки при этом выполнен в виде соответствующего ридера. Идентификационная метка (12) и/или голограммы (10i) могут быть размешены внутри прозрачной в видимом диапазоне биосовместимой капсулы (13).

На фиг.1 представлена общая схема предлагаемой системы с проекционным устройством в виде джойстика;

на фиг.2 - то же с проекционным устройством в виде клавиатуры;

на фиг.3 - график угловой селективности одной голограммы;

на фиг.4 - схема взаимодействия пользователя с предлагаемой системой визуализации в базовом положении, общий вид;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сверху;

на фиг.6 - то же, что на фиг.5, вид сбоку;

на фиг.7 - схема взаимодействия пользователя с предлагаемой системой визуализации в положении, отклонённом от базового в вертикальной плоскости на Δθ, когда Δθ₁=0, вид сбоку;

на фиг.8 - схема взаимодействия пользователя с предлагаемой системой визуализации в положении, отклонённом от базового в горизонтальной плоскости на Δθ, когда Δθ₁≠0, вид сверху;

на фиг.9 - вариант выполнения носимого устройства в виде контактной линзы с тремя плоскими голографическими плёнками;

на фиг.10 - вариант выполнения носимого устройства в виде контактной линзы с множеством плоских голографических плёнок;

на фиг.11 - вариант выполнения носимого устройства в виде контактной линзы с тремя голографическими плёнками сферической формы;

на фиг.12 - вариант выполнения носимого устройства в виде контактной линзы с множеством голографических плёнок сферической формы;

на фиг.13 - вариант выполнения проекционного устройства в виде джойстика с подвижным излучателем на направляющей;

на фиг.14 - вариант выполнения проекционного устройства в виде клавиатуры с множеством излучателей с различными направлениями излучения;

на фиг.15 представлено носимое оптическое устройство в виде контактной линзы с элементом позиционирования и идентификационной меткой;

на фиг.16 - сценарий использования предлагаемой системы визуализации виртуального изображения в вагоне метро;

на фиг.17 - сценарий использования предлагаемой системы визуализации виртуального изображения на станции;

на фиг.18 - сценарий использования предлагаемой системы визуализации виртуального изображения в кафе.

Предлагаемая система визуализации виртуального изображения (фиг.1-2) состоит из пассивного носимого оптического устройства (1) и активного проекционного устройства (2), которые совместно обеспечивают возможность направления видимого виртуального изображения в глаз (3) пользователя. Носимое оптическое устройство (1) может быть выполнено в виде контактных линз или очков с дифракционным оптическим элементом (10) на основе голограмм (например, объёмные фазовые внеосевые пропускающие голограммы или голограммы Лейта-Упатниекса). Проекционное устройство (2) выполняют, например, в виде джойстика, клавиатуры, смартфона, планшета, электронной книги или ноутбука. На чертежах исключительно для упрощения визуализации представлены примеры только с носимым оптическим устройством (1) в виде контактной линзы и проекционным устройством (2) в виде джойстика или клавиатуры, не ограничивающие однако существо предлагаемого решения.

В ходе использования проекционное устройство (2) размещается в руках пользователя и формирует виртуальное видимое изображение с помощью, по меньшей мере, одного излучателя (20). Излучатель (2) представляет собой, например лазерный диодный проектор, DLP, SLM-проектор и т.д.

В одном варианте проекционное устройство (2) может быть выполнено в виде самостоятельного независимого гаджета, снабженного собственной видеокартой, оперативной памятью, устройством хранения информации и источником питания (батарейкой, аккумулятором и т.д.) для автономной работы, а также блоком проводной и/или беспроводной связи для выхода в Интернет. В другом варианте для снижения массогабаритных параметров проекционное устройство (2) может представлять собой только приёмо-передающий узел, а вся обработка информации может происходить на дополнительном устройстве-компаньоне (например, смартфоне или компьютере) или на удалённом сервере, обмен данными с которым происходит с помощью блока проводной и/или беспроводной связи.

В случае использования в предлагаемой системе визуализации носимого оптического устройства (1) в виде контактной линзы, проекционное устройство (2) снабжают контейнером (24) для её хранения, очистки и/или электрической подзарядки.

Для обеспечения интерактивной обратной связи с пользователем проекционное устройство (2) снабжают процессором и элементами (21) обратной связи, управляемыми пользователем вручную, например, манипуляторами, кнопками и/или сенсорными панелями. Такое выполнение позволяет пользователю напрямую взаимодействовать с виртуальным изображением: пользоваться элементами виртуального меню, перемещать виртуальные объекты по полю зрения, набирать текст и т.д. Однако, в реальных условиях удержание проекционного устройства (2) в руках неизбежно приводит к его постоянному пространственному смещению (угловому или линейному перемещению, качанию, дрожанию и т.д.), что ведёт к потере виртуального изображения ввиду небольшой угловой селективности (FWHM- full width at half maximum - ширина на полувысоте) - голограммы (порядка 1-4°, фиг.3).

Для компенсации этого эффекта и расширения диапазона рабочих углов взаимного положения носимого оптического устройства (1) и проекционного устройства (2) прозрачный в видимой области спектра дифракционный оптический элемент (10) снабжают двумя или более различными голограммами (10i). Эти голограммы (10i) обеспечивают возможность направления в глаз (3) пользователя изображения от излучателя (20), расположенного под углами θ+Δθ_i и θ-Δθ_i к указанному дифракционному оптическому элементу (10). Здесь θ - угол, соответствующий базовому положению проекционного устройства (2) в руках пользователя, т.е. угол между базовой линией (направлением взгляда) и направлением излучения от проекционного устройства (2), а угол отклонения от базового положения Δθ_i≥0 (i - порядковый номер i=1…n). Угол θ может быть одинаковым (средним) для обоих глаз (3) или носимое оптическое устройство (1) может иметь независимые правый и левый элементы со своим θ для обеспечения возможность проекционного устройства (2) в 3D режиме. Технический результат достигается уже при наличие двух таких голограмм (10i), когда для n=1, а Δθ_i≠ 0. Однако для повышения комфортности использования предлагаемой системы визуализации целесообразно использовать большее число голограмм, например, n=11.

Поскольку в силу физиологической конвергенции в горизонтальной плоскости глаза (3) более подвижны, чем в вертикальной, в первую очередь целесообразно сформировать голограммы (10i) для углов с Δθ_i в горизонтальной плоскости, т.е. при повороте проекционного устройства в руках пользователя влево-вправо относительно его центральной оси по окружности радиуса R (фиг.8). Для упрощения дальнейшего описания ниже подразумевается именно этот вариант выполнения, что тем не менее не ограничивает возможность использования предлагаемого решения для случая вертикального перемещения проекционного устройства (2) в руках пользователя (фиг. 7), а также для случая одновременного перемещения во всех направлениях.

В одном из вариантов выполнения дифракционный оптический элемент (10) может быть сформирован следующим образом.

В первую очередь записывают центральную (базовую) голограмму (101), соответствующую углу падения θ (Δθ₁ = 0) излучения с длиной волны λ_G от проекционного устройства (2), расположенного в базовом положении в согнутых руках пользователя. Голограмму (101) записывают в фоторефрактивном материале при аналогичной геометрии. В процессе использования дифрагированного на голограмме (101) излучение от излучателя (2) заворачивается и направляется вдоль оптической оси глаза (3) пользователя, формируя на сетчатке чёткое изображение. Чёткость изображения сохраняется и при небольшом смещении излучателя (20) на несколько градусов. Более существенное смещение приводить к падению дифракционной эффективности (снижению яркости виртуального дисплея) в соответствии с угловой селективностью голограммы (фиг.3). Например, монохромная голограмма (101), записанная в фоторефрактивном полимерном (фотополимеры Covestro Bayfall HX120/HX200, Beijing Hope Rainbow Technologies Gj-01/Gj-03) слое толщиной 10-20 мкм (преимущественно 15 мкм), будет иметь угловую селективность 1.5-4° (преимущественно 2.5°). Это означает, что смещение излучателя (20) на Δθ_i = 0.75-2° (преимущественно 1.25°) будет приводить к уменьшению дифракционной эффективности (яркости виртуального дисплея) на 50%, что значительно усложняет дальнейшее взаимодействие с проекционным устройством (2).

Для компенсации смещения проекционного устройства (2), например, на Δθ₂=3° на дифракционном оптическом элементе (10) записывают ещё пару голограмм (102 и 102’) (фиг.9, 11). Эти голограммы (102 и 102’) записывают с помощью схем записи с углами θ+Δθ₂ и θ-Δθ₂ соответственно. За счёт этого при смещении проекционного устройства (2) в положение θ+Δθ₂ поворот изображения от излучателя (2) будет обеспечиваться уже голограммой (102), и изображение от голограммы (101) пропадёт из поля зрения.

Аналогично записывают голограммы для Δθ_i = 6°, 9°, 12°, 15°, 18°, 21°, 24°, 27° и 30°. Для упрощения процедуры, каждая из голограмм (10i) может быть записана на собственной фотополимерной плёнке, а дифракционный оптический элемент (1) впоследствии сформирован в виде сэндвич-структуры (фиг.10, 12).

Таким образом, наличие нескольких голограмм (10i), записанных для различных углов θ+Δθ_i и θ-Δθ_i падения излучения, обеспечивает возможность пользования проекционным устройством (2) при удержании его в руках и его пространственным смещением при постоянном интерактивном взаимодействии с виртуальным изображением.

Для формирования цветного виртуального изображения проекционное устройство (2) снабжают излучателями (20) лазерного монохроматического излучения в красной (201), зелёной (202) и синей (203) областях спектра с длинами волн λ_R, λ_G и λ_B соответственно (например, с λ_R = 633 нм, λ_G = 532 нм, λ_B = 405 нм). Поскольку для разных длин волн излучения в схеме записи с одним и тем же углом θ должны использоваться соответственно разные источники излучения, каждую из указанных голограмм (10i) снабжают соответственно красной (10i1), зелёной (10i2) и синей (10i3) компонентами с собственным периодом дифракционной решётки. Указанные компоненты могут также представлять собой различные плёнки (альтернативно - тонкие стекла, например, фото-термо-рефрактивные стекла) или быть записаны на одной плёнке с использованием полихромной схемы записи.

Поскольку при записи голограммы (10i) пространственное положение дифракционного оптического элемента (10) имеет принципиальное значение, при выполнении носимого оптического устройства (1) в виде контактной линзы необходимо решить проблему его возможного поворота на глазу (3) пользователя. Для этого указанная контактная линза может быть снабжена элементом (11) позиционирования на глазу (3) пользователя (фиг.15). В альтернативном варианте дифракционный оптический элемент (10) может быть снабжён голограммами, записанными для различной угловой ориентации линзы относительно оптической оси глаза пользователя.

В процессе использования предлагаемой системы визуализации, например, для компьютерных игр за счёт сильного смещения головы и/или глаз (3) пользователя, а значит и голограмм (10i), передаваемое излучателем (20) изображение может геометрически перестать попадать на сетчатку пользователя. В этом случае для ещё большего расширения диапазона допустимого взаимного положения носимого оптического устройства (1) и проекционного устройства (2) дополнительно может быть использованы следующие принципы подстройки проецируемого изображения (особенно актуальны для систем с контактными линзами).

При одном варианте изменение пространственной конфигурации устройств (1), (2) предлагаемой системы визуализации компенсируется путём изменения угла наклона передаваемого изображения ( - условный угол наклона оптической оси излучателя (20) к главной плоскости проекционного устройства (2), по существу является вектором). Для этого излучатель (20) устанавливают с возможностью изменения его направления излучения (оптической оси) относительно проекционного устройства (2), т.е. по сути монтируют на приводном шарнире. Этот шарнир управляется процессором проекционного устройства (2), благодаря чему у системы появляется возможность управления направлением излучения излучателя (20) для сохранения угла между ним и дифракционным оптическим элементом (10) во время использования системы визуализации.

Перерасчёт требуемого угла может быть проведён при наличии информации о положении самого проекционного устройства (2) - что может быть выполнено на основе обычных гироскопических систем, - и относительного положения устройств (1) и (2) - для чего необходимо разработать дополнительные узлы оборудования. Для определения относительного положения проекционное устройство (2) можно снабдить блоком (22) слежения за положением глаз (3) пользователя (eye-tracking) с камерой (220), подключенной к блоку (23) распознавания изображения.

Ещё большей вариативности геометрии такой системы визуализации можно достичь, если установить излучатель (20) на направляющей (23). В такой конструкции дополнительно можно изменять пространственное расположение излучателя (20) относительно проекционного устройства (2) и ещё более эффективно сохранять исходный угол θ для голограмм (10i) в процессе использования системы. Для обеспечения безопасности использования проекционное устройство (2) может быть снабжено элементами автоматического прерывания перемещения излучателя (20) или излучатель (20) и направляющие (23) могут быть расположены внутри корпуса проекционного устройства (2) .

В другом варианте проекционное устройство (2) может быть снабжено множеством излучателей (20) с различными направлениями излучения. В этом случае проекционное устройство (2) выполняют с возможностью попеременного включения посредством процессора одного из указанных излучателей (20) для сохранения исходного угла θ между ним и дифракционным оптическим элементом (10) во время использования системы визуализации. Указанный вариант также используется совместно с блоком (22) слежения за положением глаз (3) пользователя.

Для компенсации продольного перемещения устройств (1), (2) вдоль соединяющей их прямой - т.е. при сохранении исходного угла θ, но изменении расстояния L (что также важно при записи голограммы), - излучатель (20) выполняют с возможностью варьирования положения фокальной плоскости проецируемого изображения. При этом само проекционное устройство (2) должно быть снабжено блоком определения расстояния L до носимого оптического устройства (1).

Тем не менее, какие бы системы компенсации ни были использованы, существует такое взаимное положение устройств (1) и (2), при котором попадание изображения от излучателя (20) в глаз (3) пользователя физически невозможно. В этом случае систему визуализации целесообразно снабдить возможностью автоматического перехода проекционного устройства (2) в режим ожидания по соответствующему сигналу от блока (22) слежения (в случае выхода положения глаз (3) пользователя за пределы заданного углового или пространственного диапазона).

Замыкание носимого оптического устройства (1) и проекционного устройства (2) в закрытую систему может быть обеспечено путём формирования между ними зашифрованного канала обмена данными. Для этого носимое оптическое устройство (1) снабжают особой идентификационной меткой (12), а проекционное устройство (2) - блоком (25) распознавания этой идентификационной метки (12). Таким образом может быть сформирована однозначная связь между устройствами (1), (2) одного конкретного набора, формирующего систему визуализации, и/или внутри семейства устройств (1), (2) одного производителя.

В одном варианте идентификационная метка (12) может быть выполнена в виде маркировки: штрих-кода, bar-кода или QR-кода, которые напечатаны или выгравированы на поверхности носимого оптического устройства. В этом случае блок (25) распознавания идентификационной метки целесообразно выполнять в виде специального модуля блока (23) распознавания изображения, подключенного к той же камере (220).

В другом варианте указанная идентификационная метка (12) может быть выполнена в виде NFC-метки или RFID-метки. Тогда блок (23) распознавания идентификационной метки выполняют в виде соответствующего ридера, ассортимент которых широко представлен на рынке.

Для обеспечения биологической безопасности голограммы (10i) и/или метка (12) могут быть размешены внутри прозрачной в видимом диапазоне биосовместимой капсулы (13).

Предлагаемое изобретение позволяет значительно расширить возможности взаимодействия с виртуальным изображением и может быть использована в качестве системы визуализации для компьютерных игр, чтения информации (в т.ч. электронной почты), изучения технической документации, просмотр фильмов, виртуальных музеев, выставок и т.д.

Пример 1.

Носимое оптическое устройство изготовили в виде контактной линзы с дифракционным оптическим элементом из трёх голограмм с угловой селективностью 2° (FWHM). Голограммы были записаны в полимерном фоторефрактивном слое толщиной 15 мкм под разные углы восстановления: 42°, 44° и 46° соответственно (т.е. θ = 44°, Δθ₁ =0, Δθ₂ = 2°). Каждая голограмма выполнена цветной и состоит из трёх согласованных монохромных компонент (дифракционных решёток) со своим периодом, рассчитанным под длину волны 407 нм (B), 532 нм (G) и 633 нм (R) соответственно. В ходе использования излучатель проекционного устройства визуализирует чёткое цветное виртуальное изображение при углах наклона излучателя к глазу пользователя в диапазоне θ = 41-47°.

Пример 2.

Носимое оптическое устройство изготовили в виде контактной линзы с дифракционным оптическим элементом из четырёх голограмм с угловой селективностью 3° (FWHM). Голограммы были записаны в полимерном фоторефрактивном слое толщиной 10 мкм под разные углы восстановления: две под 32° и две под 38° соответственно (т.е. θ = 35°, Δθ₁ = 3°). В паре голограмм одним и тем же углом восстановления, одна записана под дистанцию от излучателя до глаза пользователя: расстояние L = 450 мм, а другая - под L = 500 мм. Каждая голограмма выполнена монохромной под длину волны 532 нм (G). В ходе использования излучатель проекционного устройства визуализирует чёткое монохромное виртуальное изображение при углах наклона излучателя к глазу пользователя в диапазоне θ = 30-40° и L = 425-525 мм.

Пример 3.

Носимое оптическое устройство изготовили в виде контактной линзы с дифракционным оптическим элементом из четырёх голограмм с угловой селективностью 1.5° (FWHM). Голограммы были записаны в полимерном фоторефрактивном слое толщиной 20 мкм под разные углы восстановления: две под 40° и две под 43° соответственно (т.е. θ = 41.5°, Δθ₁ = 1.5°). В паре голограмм одним и тем же углом восстановления, одна записана под дистанцию от излучателя до глаза пользователя: расстояние L = 400 мм, а другая - под L = 420 мм. Каждая голограмма выполнена цветной и состоит из трёх согласованных монохромных комнпонет (дифракционных решёток) со своим периодом, рассчитанным под длину волны 407 нм (B), 532 нм (G) и 633 нм (R) соответственно. В ходе использования излучатель проекционного устройства визуализирует чёткое цветное виртуальное изображение при углах наклона излучателя к глазу пользователя в диапазоне θ = 39.25-43.75° и L = 390-430 мм.

Изобретение относится к области оптики и касается системы визуализации виртуального изображения. Система содержит носимое оптическое устройство с дифракционным оптическим элементом и проекционное устройство с излучателем, направляющим видимое изображения в глаз пользователя. Проекционное устройство снабжено процессором и элементами обратной связи, управляемыми пользователем вручную. Дифракционный оптический элемент снабжён по меньшей мере двумя различными голограммами, обеспечивающими возможность направления в глаз пользователя изображения от излучателя, расположенного под углами θ+∆θ_i и θ-∆θ_i к дифракционному оптическому элементу, где θ - угол, соответствующий базовому положению проекционного устройства в руках пользователя; ∆θ_i - угол отклонения от центрального положения, причём ∆θ_i≥0, i - порядковый номер i=1…n. Технический результат заключается в расширении возможности взаимосвязи с виртуальным изображением, обеспечении возможности наблюдения виртуального изображения при повороте глаз, расширении поля зрения с сохранением виртуального изображения, а также в упрощении и облегчении проекционной системы. 20 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Система визуализации виртуального изображения, содержащая

носимое оптическое устройство (1) с прозрачным в видимой области спектра дифракционным оптическим элементом (10) и

связанное с ним проекционное устройство (2) с по меньшей мере одним излучателем (20),

совместно обеспечивающие возможность направления видимого изображения, формируемого указанным излучателем (20), в глаз (3) пользователя,

отличающаяся тем, что

проекционное устройство (2) снабжено процессором и элементами (21) обратной связи, управляемыми пользователем вручную,

а дифракционный оптический элемент (10) снабжён по меньшей мере двумя различными голограммами (10i), обеспечивающими возможность направления в глаз (3) пользователя изображения от излучателя, расположенного под углами θ+Δθ_i и θ-Δθ_i к указанному дифракционному оптическому элементу,

где θ – угол, соответствующий базовому положению проекционного устройства (2) в руках пользователя;

Δθ_i – угол отклонения от центрального положения, причём Δθ_i≥0,

i - порядковый номер i=1...n.

2. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) выполнено в виде джойстика, клавиатуры, смартфона, планшета, электронной книги или ноутбука, а элементы (21) обратной связи выполнены в виде манипуляторов, кнопок и/или сенсорных панелей.

3. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено излучателями (20) лазерного монохроматического излучения в красной (201), зелёной (202) и синей (203) областях спектра, а каждая из указанных голограмм (10i) снабжена соответственно красной (10i1), зелёной (10i2) и синей (10i3) компонентами.

4. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено блоком проводной и/или беспроводной связи.

5. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено видеокартой, оперативной памятью, устройством хранения информации и источником питания.

6. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что носимое оптическое устройство (1) выполнено в виде контактной линзы, а голограммы (10i) – в виде голографических пленок, для которых Δθ_i составляет от 3 до 30°.

7. Система визуализации по п.6, отличающаяся тем, что указанная контактная линза снабжена элементом (11) позиционирования на глазу (3) пользователя.

8. Система визуализации по п.6, отличающаяся тем, что дифракционный оптический элемент (10) указанной контактной линзы снабжён голограммами, записанными для различной угловой ориентации линзы относительно оптической оси глаза (3) пользователя.

9. Система визуализации по п.6, отличающаяся тем, что излучатель (20) установлен с возможностью изменения его направления излучения относительно проекционного устройства (2), а само проекционное устройство (2) снабжено блоком (22) слежения за положением глаз (3) пользователя, выполненным с возможностью управления направлением излучения излучателя (20) для сохранения угла между ним и дифракционным оптическим элементом (10) во время использования системы визуализации.

10. Система визуализации по п.9, отличающаяся тем, что излучатель (20) установлен на направляющей (23) с возможностью изменения его пространственного расположения относительно проекционного устройства (2).

11. Система визуализации по п.6, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено множеством излучателей (20) с различными направлениями излучения относительно указанного проекционного устройства (2) и блоком (22) слежения за положением глаз (3) пользователя, выполненным с возможностью попеременного включения одного из указанных излучателей (20) для сохранения угла между ним и дифракционным оптическим элементом (10) во время использования системы визуализации.

12. Система визуализации по любому из пп.9-11, отличающаяся тем, что блок (22) слежения за положением глаз (3) пользователя выполнен с возможностью переключения проекционного устройства (2) в режим ожидания в случае выхода положения глаз (3) пользователя за пределы заданного диапазона.

13. Система визуализации по любому из пп.9-11, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено блоком (23) распознавания изображения, а блок (22) слежения за положением глаз (3) пользователя снабжён камерой (220), подключенной к указанному блоку (23) распознавания изображения.

14. Система визуализации по п.6, отличающаяся тем, что проекционное устройство (2) снабжено контейнером (24) для хранения, очистки и/или подзарядки по меньшей мере одной указанной контактной линзы.

15. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что излучатель (20) выполнен с возможностью варьирования положения фокальной плоскости проецируемого изображения, а само проекционное устройство (2) снабжено блоком определения расстояния до носимого оптического устройства (1).

16. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что носимое оптическое устройство (1) снабжено идентификационной меткой (12), а проекционное устройство (2) снабжено блоком (25) распознавания идентификационной метки (12).

17. Система визуализации по п.16, отличающаяся тем, что указанная идентификационная метка (12) выполнена в виде маркировки, а блок (25) распознавания идентификационной метки выполнен в виде модуля блока (23) распознавания изображения, подключенного к камере (220).

18. Система визуализации по п.17, отличающаяся тем, что указанная маркировка представляет собой штрих-код, bar-код или QR-код.

19. Система визуализации по п.16, отличающаяся тем, что указанная идентификационная метка (12) выполнена в виде NFC-метки или RFID-метки, а блок (23) распознавания идентификационной метки выполнен в виде соответствующего ридера.

20. Система визуализации по п.16, отличающаяся тем, что идентификационная метка (12) размещена внутри прозрачной в видимом диапазоне биосовместимой капсулы (13).

21. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что голограммы (10i) размещены внутри прозрачной в видимом диапазоне биосовместимой капсулы (13).