ОПТИЧЕСКИЙ КОМБАЙНЕР НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДА ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ, СПОСОБ РАБОТЫ УПОМЯНУТОГО ОПТИЧЕСКОГО КОМБАЙНЕРА, ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ УПОМЯНУТОГО ОПТИЧЕСКОГО КОМБАЙНЕРА Российский патент 2024 года по МПК G02B27/01 G02B6/28 

Область техники

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

Описание предшествующего уровня техники

Носимые очки дополненной реальности (AR, augmented reality) 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. Такие носимые устройства могут заменить пользователю любые источники видеоинформации, такие как телевизоры, смартфоны и т.д. Важной характеристикой подобных устройств является поле зрения (FOV, field of view) - угловое пространство, в котором наблюдаются виртуальные изображения, дополняющие окружающую пользователя реальную обстановку. Поле зрения может отличаться в горизонтальном и вертикальном направлении.

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 светопропускаемость, 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 противоположной 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, представляющий собой концентрический цилиндрический мениск. Пусть этот пучок вводится внутрь волновода с помощью вводного дифракционного элемента 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.

Кроме того, при использовании как плоского, так и изогнутого волноводов пользователь имеет ограниченное поле зрения в вертикальной плоскости. Увеличение вертикального поля зрения в устройствах, известных из уровня техники, обеспечивается за счет использования дополнительных дифракционных оптических элементов, за счет увеличения размера источника изображения или за счет использования нескольких источников изображения. Использование дополнительных или увеличенных в размерах источников изображения увеличивает габариты устройства.

Из уровня техники известен документ WO 2020/232170 A1 (дата публикации 19.11.2020). В этом документе раскрыт оптический формирователь изображения, который включает в себя изогнутый корпус волновода, дополненный голографическими слоями, расположенными на поверхности корпуса волновода для передачи света в тело волновода, при необходимости перенаправляя его. По меньшей мере один из голографических слоев выполнен с возможностью работы в качестве линзового элемента с ненулевой оптической силой. Недостатком известного устройства является малое поле зрения оптической системы и низкое качество изображения.

Из уровня техники известен документ WO 2023138990 A1 (дата публикации 27.07.2023). В документе раскрыта линза для очков дополненной реальности с волноводом и способ изготовления такой линзы. Линза содержит: первую часть линзы и вторую часть линзы с цилиндрическим волноводом между ними и цилиндрический волновод, имеющий цилиндрические концентрические противоположные поверхности, определяющие первый цилиндрический интерфейс с первой частью линзы и второй цилиндрический интерфейс со второй частью линзы. Недостатками известного устройства является ограниченное поле зрения в вертикальной плоскости.

Из уровня техники известен документ US 20230213765 A1 (дата публикации 06.07.2023). В документе раскрыта система, включающая в себя изогнутый оптический комбайнер изображений. Оптический комбайнер представляет собой световод (волновод), имеющий изогнутую поверхность. Система включает в себя выходной соединительный элемент, соединенный со световодом на выходной части световода. Система дополнительно включает в себя отражающий слой, расположенный на выходной части световода. Выходной элемент выполнен с возможностью выводить первый луч, распространяющийся внутри световода, из световода, а также множество лучей, распространяющихся в непараллельных направлениях по направлению к отражающему слою. Недостатками известной системы являются сложность конструкции, при просмотре возникновение ореолов и дублирования изображения, формирование изображения в бесконечности, ограниченное поле зрения в вертикальной плоскости.

Из уровня техники известен документ WO 2022081797 A1 (дата публикации 21.04.2022). В документе раскрыто устройство очков дополненной реальности, содержащее изогнутый световод. Световод содержит передающую среду, имеющую первую изогнутую поверхность и вторую изогнутую поверхность в одном поперечном сечении световода. Первая изогнутая поверхность и вторая изогнутая поверхность являются концентрическими. Передающая среда имеет градиентный показатель преломления, который уменьшается в зависимости от увеличения расстояния от точки, при этом градиентный показатель проходит от первой изогнутой поверхности ко второй изогнутой поверхности. Световыводящий элемент предназначен для выведения света из передающей среды. Недостатками известной системы являются ограниченное поле зрения в вертикальной плоскости, формирование изображения в бесконечности.

Из уровня техники известен документ US 11714284 B2 (дата публикации 01.08.2023). В документе раскрыто устройство очков дополненной реальности, включающее в себя отражающий голографический объединитель, который направляет свет в глаз пользователя. Комбайнер выполнен с возможностью проецирования световых полей с различными полями зрения и разрешением, чтобы соответствовать остроте зрения глаза. Комбайнер представляет собой серию точечных голограмм. Недостатками известного устройства является необходимость использования нескольких плоских волноводов и нескольких источников изображения.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является документ US 8721092 B2 (дата публикации 13.05.2014). В документе раскрыт комбайнер на основе планарного волновода, выполненный в виде набора ДОЭ (дифракционных оптических элементов) для увеличения поля зрения и увеличения поля движения глаз (Eye motion box, EMB). Известное устройство содержит подложку для передачи света, множество выходных соединителей и множество световых клапанов с электрическим управлением, расположенных между подложкой и множеством выходных соединителей. Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, большие размеры, низкое качество изображения.

Таким образом, существующие устройства и способы не могут одновременно предложить достижение требуемых характеристик устройства дополненной реальности: изогнутая конфигурация комбайнера, высокое разрешение и широкое поле зрения.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является необходимость преодоления недостатков, присущих вышеприведенным устройствам и способам, за счет создания компактного устройства дополненной реальности с плоским или изогнутым комбайнером, которое формирует качественное виртуальное изображение для пользователя с достаточным полем зрения.

Сущность изобретения

Предлагается оптический комбайнер для отображения дополненной реальности, содержащий:

- проектор, формирующий исходное изображение;

- волновод, содержащий, по ходу лучей от проектора, вводной дифракционный оптический элемент, расширяющий дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;

причем расширяющий дифракционный оптический элемент расположен на стороне волновода, противоположной стороне, на которой располагаются вводной и выводной дифракционные оптические элементы,

причем расширяющий дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты, причем количество упомянутых сегментов N является нечетным N=2i+1, i ≥ 1,

причем упомянутые сегменты представляют собой центральный сегмент и периферийные сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента, симметричные относительно центрального сегмента,

причем каждый упомянутый сегмент имеет период, отличный от периода остальных сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем период каждого сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента выбирается таким, что:

- каждый сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента выполнен с возможностью взаимодействия только с лучами, падающими на него под углами, принадлежащими заранее определенному диапазону углов падения, причем лучи, углы падения которых не соответствуют упомянутому диапазону углов падения, отражаются от стенки сегмента и проходят дальше по волноводу посредством полного внутреннего отражения (ПВО) к следующему сегменту, причем центральный сегмент выполнен с возможностью взаимодействия только с осевым пучком лучей, составляющим центральную часть исходного изображения, сформированного проектором и параллельным оптической оси проектора при выходе из проектора,

- лучи, взаимодействующие с соответствующим сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента, претерпевают дифракцию на нем под одинаковым углом относительно нормали к поверхности упомянутого сегмента в точке падения, причем упомянутый угол не больше максимального угла ПВО и не меньше минимального угла ПВО;

причем выводной дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты, причем количество сегментов выводного дифракционного оптического элемента равно количеству сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем каждый сегмент выводного дифракционного оптического элемента имеет период, отличный от периода остальных сегментов выводного дифракционного оптического элемента,

причем каждый сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с соответствующим сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента таким образом, что центральный сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с центральным сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента, а каждый периферийный сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с соответствующим ему периферийным сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента;

причем выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью формирования виртуального изображения, соответствующего исходному изображению.

Причем поверхность волновода может иметь форму концентрического цилиндрического мениска или может быть плоской, или сферической или параболической, или иметь форму овала Декарта. Сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента могут иметь одинаковый либо разный угловой размер. Каждый сегмент может представлять собой брэгговскую дифракционную решетку. Причем расширяющий дифракционный оптический элемент может представлять собой чирпированную брэгговскую дифракционную решетку. Оптический комбайнер может дополнительно содержать отражающую голографическую линзу, расположенную на внешней стороне волновода за расширяющим дифракционным оптическим элементом. Оптический комбайнер может дополнительно содержать пропускающую голографическую линзу, расположенную на внутренней стороне волновода за выводным дифракционным оптическим элементом, перед глазом пользователя. Причем расширяющий дифракционный оптический элемент может представлять собой объемную отражательную решетку, выводной дифракционный оптический элемент может представлять собой объемную пропускающую дифракционную решетку. Причем расширяющий дифракционный оптический элемент может представлять собой отражательную решетку, выводной дифракционный оптический элемент может представлять собой пропускающую дифракционную решетку. Расширяющий дифракционный оптический элемент может представлять собой пропускающую решетку, выводной дифракционный оптический элемент представляет собой отражающую дифракционную решетку. Причем периоды сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента меньше периодов вводного и выводного дифракционных оптических элементов.

Предлагается способ работы оптического комбайнера, содержащий этапы, на которых:

а) формируют исходное изображение посредством проектора;

б) вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента лучи, составляющие исходное изображение, в волновод,

в) упомянутые лучи достигают расширяющего дифракционного оптического элемента, распространяясь в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода;

г) лучи, падающие на сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента под углом, принадлежащим диапазону углов, соответствующих упомянутому сегменту, претерпевают дифракцию на упомянутом сегменте, причем на центральном сегменте расширяющего дифракционного оптического элемента претерпевают дифракцию лучи осевого пучка;

д) лучи, падающие на упомянутый сегмент под углом, не принадлежащим диапазону углов, соответствующих упомянутому сегменту, проходят к следующему сегменту расширяющего дифракционного оптического элемента, распространяясь в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода,

этапы (г) - (д) осуществляются до тех пор, пока все лучи, составляющие исходное изображение, не подвергнутся дифракции на соответствующих сегментах расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем лучи претерпевают дифракцию под такими углами, что все лучи, выходящие из расширяющего дифракционного оптического элемента, становятся коллимированными;

е) коллимированные лучи, попадают на соответствующий оптически сопряженный сегмент выводного дифракционного оптического элемента и претерпевают дифракцию на нем, причем осевой пучок лучей претерпевает дифракцию на центральном сегменте выводного дифракционного элемента;

ж) дифрагированные лучи, имеющие ненулевые порядки дифракции, выводятся упомянутыми сегментами выводного дифракционного оптического элемента под такими углами, что формируют виртуальное изображение, соответствующее исходному изображению;

з) дифрагированные лучи, имеющие нулевой порядок дифракции, не выводятся выводным дифракционным оптическим элементом, остаются коллимированными и распространяются в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода под углом, равным углу, под которым они распространялись по волноводу после дифракции на расширяющем дифракционном оптическом элементе, поэтому снова попадают на тот же сегмент, на котором претерпели дифракцию;

этапы (е)-(з) осуществляются до тех пор, пока не будет достигнут край выводного дифракционного оптического элемента.

Причем способ может дополнительно содержать этап, на котором проецируют виртуальное изображение на поверхность, предназначенную для проецирования. Причем способ может дополнительно содержать этап, на котором виртуальное изображение попадает в глаз 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 предлагаемый оптический комбайнер.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 иллюстрирует оптический комбайнер для каждого глаза очков дополненной реальности.

Фиг. 2 иллюстрирует сечение А-А оптического комбайнера, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3 иллюстрирует (а) расположение вертикального и горизонтального поля зрения, (b) разбиение изображения на сегменты при использовании предлагаемого расширяющего дифракционного элемента с угловой селективностью.

Фиг. 4 схематически проиллюстрирована работа расширяющего дифракционного элемента.

Фиг. 5 иллюстрирует (а) работу сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента, (b) работу сегментов выводного дифракционного оптического элемента.

Фиг. 6 иллюстрирует ход лучей в волноводе с предлагаемым расширяющим дифракционным элементом.

Фиг. 7 показана для сравнения работа a) обычного расширяющего дифракционного элемента, не имеющего угловой селективности и b) предлагаемого расширяющего дифракционного элемента, имеющего функцию угловой селективности.

Фиг. 8 схематично показаны очки дополненной реальности, расположенные напротив глаз пользователя.

Фиг. 9 показана возможность увеличения горизонтального поля зрения.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство дополненной реальности на основе волновода. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность пользователю видеть виртуальное изображение без искажений при любой ширине пучка излучения, поступающего от проекционной системы, кроме того предлагаемое устройство является универсальным для использования людьми с разным расстоянием между глазами. Также предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения для пользователя, причем обеспечивается увеличенное поля зрения по горизонтали и по вертикали. Предлагаемое устройство имеет компактные размеры. При применении предлагаемого устройства обеспечивается улучшенное качество виртуального изображения, которое сохраняется в широком диапазоне расположения глаза пользователя относительно оптического комбайнера, а также обеспечивается высокая яркость виртуального изображения.

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 виртуальное изображение, формируемое оптической системой. Центр поля зрения соответствует центру виртуального изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера виртуального 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 зрение, т.е. лучи из любой точки виртуального 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. 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.

Коллимированный свет (или коллимированный пучок) определяется как свет, лучи которого параллельны или имеют незначительную расходимость.

Предлагаемый оптический комбайнер для каждого глаза пользователя представляет собой волновод 1 (см. для наглядности фиг. 1 и 5). Волновод может быть выполнен прямым или изогнутым, например, может иметь форму концентрического цилиндрического мениска. Волновод 1 имеет внутреннюю сторону, которая прилегает к глазу пользователя и внешнюю сторону, которая противоположна глазу пользователя. Излучение от проектора 2 попадает на вводной дифракционный оптический элемент 3, проходит расширяющий дифракционный оптический элемент 4 и выводится выводным дифракционным оптическим элементом 5.

Вводной дифракционный оптический элемент 3 представляет собой традиционную дифракционную решетку с постоянным периодом и высокой дифракционной эффективностью (ДЭ) для ввода света из проектора 2 в волновод 1 без потерь.

Расширяющий дифракционный оптический элемент 4 расположен на стороне волновода, противоположной стороне, на которой располагаются вводной и выводной дифракционные оптические элементы 3 и 5. Расширяющий дифракционный оптический элемент 4 может быть расположен на внешней стороне изогнутого волновода 1, противоположной стороне, прилегающей к глазу пользователя. Расширяющий дифракционный оптический элемент 4 разделен на сегменты, причем каждый сегмент расширяющего дифракционного элемента 4 имеет период, отличный от периода остальных сегментов.

Введенные через вводной дифракционный оптический элемент 3 лучи распространяются в волноводе 1, испытывая ПВО.

На фиг. 1 условно показано распространение (переотражение) в волноводе трех пучков лучей в предлагаемом оптическом комбайнере. Для наглядности показано только три пучка лучей (в реальности из проектора выходят множество пучков лучей, каждый из которых отвечает за свою часть вертикального поля зрения), выходящих из проектора 2 и заведенных в волновод посредством вводного дифракционного оптического элемента 3:

- из проектора выходят три пучка лучей: один определяет верхнюю часть вертикального поля зрения, второй определяет среднюю часть вертикального поля зрения, третий определяет нижнюю часть вертикального поля зрения, далее лучи распространяются в волноводе посредством ПВО;

- верхние лучи (a), распространяющиеся в верхней части волновода 1, определяют верхнюю часть вертикального поля зрения, и принадлежат периферийному пучку лучей;

- средние лучи (b), распространяющиеся в средней части волновода, принадлежать осевому пучку лучей, то есть центральному пучок лучей, выходящих из проектора, параллельно оптической оси проектора, то есть осевой пучок лучей соответствует центральной части вертикального поля зрения;

- нижние лучи (с), распространяющиеся в нижней части волновода, соответствуют нижней части вертикального поля зрения, и принадлежат периферийному пучку лучей;

Овалами («ноликами») условно показаны зрачки глаза, в каждом из которых формируется целостное виртуальное изображение, соответствующее исходному изображению из проектора, после вывода упомянутых лучей с помощью выводного дифракционного оптического элемента 5.

На фиг. 2 проиллюстрировано сечение А-А волновода 1, показанного на фиг. 1. Каждый луч попадает на сегменты (на фиг. 2 для примера показано только три сегмента 4a, 4b, 4c) расширяющего дифракционного оптического элемента 4, работающего в качестве расширителя пучков лучей. Расширение пучков на отдельном сегменте происходит по известному из уровня техники классическому принципу, по которому происходит расширение пучков лучей в известных расширяющих дифракционных решетках, за счет сочетания переотражения лучей в процессе распространения света в волноводе и дифракции на расширяющей дифракционной решетке. Кроме того, как будет более подробно описано ниже, в отличие от известных расширяющих дифракционных решеток, сегменты предлагаемого расширяющего дифракционного оптического элемента коллимируют между собой все попадающие на них лучи, тем самым обеспечивая ПВО сколлимированных лучей под равными или близкими углами, величины которых находятся в диапазоне между углами arcsin(1/n) (минимальный угол ПВО) и 90° (максимальный угол ПВО), где n - показатель преломления волновода. Таким образом обеспечивается прохождение через волновод всех лучей, попавших на сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента. В известных решениях существует ограничение поля зрения, которое можно провести через волновод, поскольку многие лучи выходят из расширяющей дифракционной решетки под углами, не находящимися в диапазоне углов от arcsin(1/n) до 90°.

Количество упомянутых сегментов, из которых состоит расширяющий дифракционный оптический элемент 4, должно быть нечетным (N=2i+1), их должно быть не менее трех: центральный сегмент и периферийные сегменты, симметричные друг другу относительно центрального сегмента. Центральный сегмент (для примера 4b на фиг. 2) предназначен для взаимодействия с осевым пучком лучей, выходящим из проектора, то есть лучей, параллельных оптической оси проектора. Симметричные друг другу периферийные сегменты (для примера 4a и 4c на фиг. 2) предназначены для взаимодействия с внеосевыми пучками лучей, выходящими из проектора. На фиг. 2 две вертикальные черные полоски обозначают зрачок (апертуру глаза).

Фиг. 3 (a) иллюстрирует расположение вертикального (V) и горизонтального (H) полей зрения FoV при рассматривании виртуального изображения глазом.

Фиг. 3 (b) иллюстрирует разбиение вертикального поля V зрения рассматриваемого виртуального изображения на сегменты. Каждому сегменту виртуального изображения соответствуют лучи, формирующие этот сегмент и выходящие из проектора в своем диапазоне углов, соответствующих расположению сегмента. На фиг. 3(b) верхняя часть виртуального изображения (верхняя часть вертикального поля зрения) соответствует пучку лучей, выходящих из проектора в диапазоне углов Δ1 (рассматривается диапазон углов, под которыми лучи выходят из проектора), ниже - часть виртуального изображения (часть вертикального поля зрения), соответствующая пучку лучей, выходящих из проектора в диапазоне углов Δ2, ниже Δ3 и так далее до самой нижней части виртуального изображения, соответствующей пучку лучей, выходящих из проектора в диапазоне углов Δp(где p - номер диапазона углов, соответствующий номеру p сегмента, p ≥ 1). Как показано на фиг. 4, расширяющий дифракционный оптический элемент состоит из сегментов. Каждый периферийный сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента 4 имеет такую дифракционную структуру, что в нем лучи претерпевают дифракцию в один из порядков дифракции «+1» или в «-1» (что зависит от свойств дифракционной структуры данного конкретного сегмента). Центральный сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента 4 имеет такую дифракционную структуру, что лучи либо претерпевают дифракцию в «+1» или в «-1» порядок дифракции, либо не претерпевают дифракцию, что соответствует «0» порядку дифракции.

Пучки лучей, распространяющиеся из проектора под углами, не принадлежащими диапазону углов, с лучами из которых данный сегмент взаимодействует, претерпевают ПВО от наружной стенки сегмента и проходят посредством ПВО к следующему сегменту (на фиг. 4 - сегмент 2) расширяющего дифракционного оптического элемента 4, и так каждый сегмент p осуществляет дифракцию только тех пучков лучей, которые распространяются из проектора в определенном соответствующем сегменту p диапазоне углов Δp. Таким образом, каждый сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента 4 отвечает за свой сегмент поля виртуального изображения (фиг. 3b). На фиг. 4 для примера показано, что сегмент 1 взаимодействует только с лучами, углы падения которых на сегмент принадлежат диапазону углов Δ1, сегмент 2 взаимодействует только с лучами, углы падения которых на сегмент принадлежат диапазону углов Δ2, и так далее, то есть сегмент под номером p взаимодействует только с лучами, углы падения которых на сегмент принадлежат диапазону углов Δp.

Для повышения дифракционной эффективности расширяющего и выводного дифракционных оптических элементов их дифракционные структуры должны обладать более высокой дифракционной эффективностью в одном из порядков дифракции (в любом), чем в других порядках дифракции.

В качестве сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента 1 можно использовать объемные брэгговские дифракционные решетки. Для осуществления угловой селективности в сегментах возможно использовать перестройку независимых оптических параметров каждого сегмента, таких как оптическая плотность (характеризующаяся абсолютным показателем преломления) либо период. Например, возможно менять оптическую плотность материала сегмента, то есть в каждом сегменте необходимо использовать свою оптическую плотность, отличную от оптической плотности всех остальных сегментов.

В случае использования вариации периода сегментов для перестройки угловой селективности, период сегмента под номером p должен быть таким, чтобы на сегменте под номером p могла происходить дифракция только пучка лучей, распространяющихся от проектора в диапазоне углов Δp. Период каждого сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента рассчитывается при проектировании предлагаемого устройства. Таким образом, предлагаемый расширяющий дифракционный оптический элемент 4 обладает угловой селективностью.

Известно, что если свет падает на поверхностную отражательную дифракционную решетку под углом, то:

d·(sin(Ω_m)-sin(Ω_i))=m⋅λ, (1),

если свет падает на поверхностную пропускающую дифракционную решетку под углом, то:

d·(sin(Ω_m)+sin(Ω_i))=m⋅λ, (2),

где

d - период решетки;

Ω_i - угол между падающим на дифракционную решетку лучом и нормалью, восстановленной к поверхности решетки в точке касания луча;

Ω_m - угол между дифрагированным лучом и нормалью, восстановленной к поверхности решетки в точке касания луча;

m - порядок дифракции (0; ±1; ±2;… ±m); λ - длина волны.

На фиг. 5 (а) проиллюстрирован пример работы расширяющего дифракционного оптического элемента 4, имеющего 3 сегмента. В приведенном примере каждый из трех сегментов представляет собой объемный отражательный дифракционный оптический элемент.

Для расширяющего дифракционного оптического элемента 4 верна система уравнений, каждое из которых соответствует одному из сегментов:

(3)

где:

(4)

Ω_{i_p} - угол, под которым луч падает на p сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента (p- номер сегмента, p ≥1);

Ω_m - угол между дифрагированным в сегменте лучом и нормалью, восстановленной к поверхности решетки в точке касания луча.

d₁, d₂, d₃…d_p - период каждого из сегментов;

ξ₁, ξ₂, ξ₃…ξ_p - углы наклона объемной дифракционной решетки каждого сегмента по отношению к нормали к поверхности сегмента объемной дифракционной решетки.

d_{1_y}, d_{2_y}, d_{3_y},… d_{p_y} - проекция периода сегмента объемной дифракционной решетки d_p на ось y (фиг. 5).

Подставляя (4) в (3) получаем выражение в общем виде для объемной отражательной решетки (расширяющий дифракционный оптический элемент):

Ω_m=arcsin(A/d_p)+ξ_p (5)

где A=m·λ/2=const

С помощью формулы (5) можно спроектировать расширяющий дифракционный оптический элемент и найти значение d_p сегментов (p≥ 1) для заданного Ω_m, постоянной A и угла наклона отражательной дифракционной решетки: ξ_p=(180°+Ω_m-Ω_{i_p})/2.

На фиг. 5 (b) проиллюстрирован пример работы трех сегментов выводного дифракционного оптического элемента 4. В приведенном примере каждый из трех сегментов представляет собой объемный пропускающий дифракционный оптический элемент.

Для выводного дифракционного оптического элемента 4 верна система уравнений, каждое из которых соответствует одному из сегментов:

(5)

где:

(6)

В выражениях (3) - (6):

θ_{i_p} - угол, под которым лучи выводятся из выводного дифракционного оптического элемента в глаз наблюдателя относительно нормали к поверхности выводного дифракционного оптического элемента (p - номер сегмента выводного дифракционного оптического элемента, равный номеру сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента, p ≥1);

Ω_m - угол падения лучей на сегменты выводного дифракционного оптического элемента из волновода после полного внутреннего отражения в волноводе, этот угол одинаков для всех сегментов расширяющего и выводного дифракционных элементов.

k_p - период сегмента под номером p объемной решетки выводного дифракционного оптического элемента.

k_{p_y} - проекция периода сегмента объемной дифракционной решетки k_p на ось y (фиг. 5).

m - порядок дифракции.

μ_p - угол наклона решетки сегмента по отношению к нормали к поверхности сегмента объемной дифракционной решетки.

Подставляя (6) в (5), получаем выражение в общем виде для объемной пропускающей решетки:

Ω_m=arcsin(A/k_p)+ μ_p

Для объемной пропускающей решетки (выводной дифракционный оптический элемент):

Ω_m=arcsin(A/k_p)- μ_p, (7)

где A=m·λ/2=const.

С помощью формулы (7) можно спроектировать расширяющий и выводной дифракционные оптические элементы и найти значения k_p и μp сегментов для заданного Ω_m, постоянной A и угла наклона пропускающей дифракционной решетки: μ_p=(θ_{i_p}+Ω_m)/2 или отражательной дифракционной решетки: μ_p=(180°+Ω_m-θ_{i_p})/2.

Необходимо заметить, что сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента могут иметь как одинаковый угловой размер, так и отличаться друг от друга по угловому размеру. Например, вертикальное поле зрения V обычно подразделяется на центральную и периферическую области, при этом центральная область расширяющего дифракционного оптического элемента, отвечающая за осевой пучок лучей, может состоять из большего количества мелких сегментов для получения более четкого изображения в центральной части виртуального изображения.

Как было упомянуто выше, согласно закону преломления Снеллиуса максимальное поле зрения, которое можно распространить через волновод, ограничено следующим диапазоном углов, под которыми лучи распространяются в волноводе: с одной стороны - минимальным углом arcsin(1/n), при котором наступает полное внутреннее отражение (ПВО), между нормалью к поверхности в точке, куда падает луч, и преломленным лучом, а с другой стороны, максимальным углом ПВО, близким к 90°, при котором световой луч уже не отражается от поверхности, а распространяется вдоль границы раздела двух сред (воздух - волновод). На фиг. 6 показан ход лучей в волноводе 1 с расширяющим дифракционным оптическим элементом 4. Лучи, составляющие изображение, от проектора 2 попадают через вводной дифракционный оптический элемент 3 в волновод 1 под разными углами. Если не использовать предлагаемый расширяющий дифракционный оптический элемент 4, то, согласно закону Снеллиуса, не все лучи от проектора попадут в глаз пользователя, поскольку при углах преломления от стенок волновода, близких к 90 градусам, лучи света распространяются вдоль границы раздела волновод - воздух и не выводятся из волновода, то есть часть лучей, составляющих изображение, пользователь не увидит.

Чтобы обеспечить для пользователя широкое поле зрения, необходимо, чтобы большая часть лучей, обеспечивающих это поле зрения, преломлялась от стенок волновода, при распространении внутри волновода, под углами, величины которых находятся в упомянутом диапазоне между минимальным углом ПВО и максимальным углом ПВО. Поэтому сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента 4 выполнены таким образом, то есть имеют такой период, что после их прохождения осевые пучки лучей и внеосевые пучки лучей становятся коллимированными между собой (параллельными друг другу), то есть распространяются в волноводе под одним и тем же углом, принадлежащим упомянутому диапазону. Таким образом обеспечивается прохождение всего поля зрения проектора 2 через волновод 1.

Выводной дифракционный оптический элемент 5 также разделен на сегменты, параллельные сегментам расширяющего дифракционного оптического элемента, таким образом, что каждый p сегмент (p - номер сегмента) расширяющего дифракционного оптического элемента 4 оптически сопряжен с p сегментом выводного дифракционного оптического элемента 5, то есть лучи, дифрагированные на p-сегменте расширяющего дифракционного оптического элемента 4, попадают именно в p-сегмент выводного дифракционного оптического элемента 5.

Угловые размеры расширяющего дифракционного оптического элемента 4 и выводного дифракционного оптического элемента 5 равны, а также угловые размеры сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента 4 и оптически сопряженных с ними сегментов выводного дифракционного оптического элемента 5 тоже равны. Выводной дифракционный оптический элемент 5 и расширяющий дифракционный оптический элемент 4 параллельны друг другу.

Лучи, дифрагированные на расширяющем дифракционном оптическом элементе, попавшие на p сегмент выводного дифракционного оптического элемента, который оптически сопряжен с p сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента, претерпевают дифракцию на выводном дифракционном оптическом элементе. Дифрагированные лучи, имеющие ненулевые порядки дифракции, то есть +1 или -1 порядки (в зависимости от параметров дифракционной структуры сегмента, задаваемых при проектировании), выводятся сегментами выводного дифракционного оптического элемента таким образом, что в глаз пользователя попадают неколлимированные между собой осевой и внеосевые пучки лучей, составляющие виртуальное изображение, соответствующее изображению, выдаваемому проектором 2. Другими словами, лучи, имеющие +1 или -1 порядки дифракции выходят из выводного дифракционного оптического элемента под углами, равными углам, под которыми те же лучи, но еще не прошедшие волновод и не дифрагированные на дифракционных оптических элементах, выводятся из проектора.

Лучи, имеющие нулевой порядок дифракции, не выводятся выводным дифракционным оптическим элементом 5, а остаются коллимированными (параллельными) друг другу и распространяются далее по волноводу посредством ПВО, не меняя угла, под которым они распространялись. То есть, например, лучи осевого пучка лучей, всегда после прохождения по волноводу посредством ПВО будут попадать на свой центральный сегмент выводного дифракционного оптического элемента, из которого вышли, а лучи, принадлежащие периферийным пучкам лучей, всегда после прохождения по волноводу будут попадать на свой соответствующий периферийный сегмент, из которого вышли. Итак, после прохождения по волноводу посредством ПВО лучи попадают обратно на соответствующий сегмент выводного дифракционного оптического элемента, на котором опять претерпевают дифракцию и опять разделяются на нулевой и ненулевой порядки дифракции, ненулевые порядки выводятся выводным дифракционным оптическим элементом, нулевые порядки дифракции опять распространяются по волноводу, и так осуществляется далее до самого края выводного дифракционного оптического элемента. То есть, как видно из фиг. 1, лучи, имеющие ненулевые порядки дифракции, выводятся из волновода каждый из своего сегмента, отвечающего за определенную часть поля зрения, (на фиг. 1 показаны стрелки, выходящие из сегментов (a), (b), (c) и встречающиеся в овале, то есть в зрачке глаза) и формируют (например, на сетчатке глаза или на проекционной поверхности) ту часть вертикального поля зрения, за которую отвечает сегмент, из которого они вышли. То есть, не все лучи сразу выводятся только из одной области волновода, а лучи, имеющие нулевые порядки дифракции и отвечающие за свою часть изображения, распространяются по волноводу далее и попадают на свой сегмент в другой области волновода (претерпевают дифракцию, раскладываются на порядки дифракции и выводится только ненулевой порядок дифракции), откуда частично выводятся точно также, как и на предыдущей области, и так происходит до самого края выводного дифракционного оптического элемента. Таким образом формируется полное изображение, соответствующее изображению, вышедшему из проектора, без ограничения поля зрения по вертикали. При движении зрачка глаза пользователь будет видеть изображение в каждой области, из которой выводятся лучи, имеющие ненулевые порядки дифракции. Таким образом обеспечивается широкое поле зрения виртуального изображения для пользователя.

Эффектом использования предлагаемых расширяющего 4 и выводного 5 дифракционных оптических элементов, состоящих, как минимум, из трех оптически сопряженных между собой соответствующих сегментов, является:

увеличение поля зрения оптической системы за счет того, что при разделении вертикального поля зрения по меньшей мере на 3 части (в соответствии с количеством сегментов) можно сформировать по меньшей мере 3 независимых друг от друга волноводных системы (части (a), (b), (c) на фиг. 1) с малыми углами поля зрения каждая в одном волноводе, в которых лучи, распространяясь в среде волновода параллельно друг другу, после вывода из волновода формируют целостное поле зрения, соответствующее полному изображению, выдаваемому проектором. Причем центральные осевые сегменты формируют центральную часть поля зрения; симметричные периферийные сегменты формируют верхние и нижние части поля зрения.

На фиг. 7 показана для сравнения работа (a) обычного расширяющего дифракционного элемента 6 c постоянным периодом, который не формирует коллимированные пучки лучей внутри волновода, и (b) предлагаемого расширяющего дифракционного элемента 4, который формирует коллимированные пучки лучей внутри волновода.

Из закона Снеллиуса можно определить два крайних условия, при которых свет будет переотражаться в волноводе с показателем преломления n (для примера: n=1.59):

n₁·sin(ϕ₁)=n₂·sin(ϕ₂), (8)

где

n₁ - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

n₂ - показатель преломления среды, в которую падает свет;

ϕ₁ - угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;

ϕ₂ - угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Для случая нахождения волновода в воздухе (n₁=1) и используя выражение (8), углы, под которыми распространяются лучи света в волноводе находятся в диапазоне: от минимального угла, равного arcsin(1/n) (для n=1.59 минимальный угол равен 39°), до максимального, равного 90°.

Среднее значение угла распространения света в волноводе вычисляется по формуле, выведенной из закона Снеллиуса (8):

ϕ_ср= arcsin{0.5·[(sin(90°) + 1/n]}=arcsin{0.5·[1+1/n]} (9)

При n=1.59 имеем ϕ_ср.=54.5°.

В таком случае период расширяющего дифракционного оптического элемента в оптической среде волновода из выражения (1) и с учетом (8) для λ=0.64 мкм и m=+1 (свет в волноводе распространяется с λ_сред.= λ/n. При n=1.59 λ_сред.=0.64/1.59=0.403 мкм):

d=λ_сред./sin(ϕ_ср)

При n=1.59 d =0.495 мкм.

Для углового поля зрения в решениях известных из уровня техники:

- в воздухе: 2ϕ_i=20° (2ϕ_i - величина вертикального поля зрения виртуального изображения (угловое значение), формируемого проектором),

- в волноводе: 2ϕ _{i_волновод} =2·arcsin[sin(ϕi)/n] (для n=1.59 и ϕ_i=10°, имеем 2ϕ_{i_ волновод} =12.5°), где 2ϕ_{i_ волновод} - величина вертикального поля зрения виртуального изображения внутри волновода после выхода из выводного ДОЭ,

Для традиционного (известного из уровня техники) расширяющего ДОЭ с постоянным периодом d, используя формулы (1) и (8), то есть после прохождения излучения через такой расширяющий ДОЭ, получаем угол между двумя крайними лучами внутри волновода, равный:

ϕ_{1-2_волновод}=ϕ_{m1_волновод} - ϕ_{m2_волновод} (10)

где

ϕ_{1-2_волновод} - угол между дифрагированными на расширяющем ДОЭ 6 фиг. 7 (a) или 4 фиг. 7 (b) крайними лучами, ограничивающими верхнюю и нижнюю часть поля зрения проектора 2.

ϕ_{m1_волновод} - угол между дифрагированными на расширяющем ДОЭ крайним лучом, ограничивающим верхнюю часть поля зрения проектора, и нормалью к поверхности волновода, опущенной в точку касания луча к расширяющему ДОЭ 6 на фиг. 7 (a) или к предлагаемому расширяющему ДОЭ 4 на фиг. 7 (b)),

ϕ_{m2_волновод} - угол между дифрагированными на расширяющем ДОЭ крайним лучом, ограничивающим нижнюю часть поля зрения проектора и нормалью к поверхности волновода, опущенной в точку касания луча к поверхности волновода (расширяющему ДОЭ 6 фиг. 7 (a) или 4 фиг. 7 (b)).

ϕ_{m1_волновод}= arcsin[λ_сред./d+sin(ϕ_{i_волновод})];

ϕ_{m2_волновод}= arcsin[λ_сред./d+sin(-ϕ_{i_волновод})].

В волноводе с n=1.59, d=0.495 мкм, λ_сред.=0.403 мкм, ϕ_{i_волновод}=10°, получаем ϕ_{1-2_волновод}=22.6°.

На фиг. 7 (a) показаны лучи, идущие от вводного дифракционного оптического элемента 3 через обычный расширяющий дифракционный оптический элемент 6. Лучи переотражаются в волноводе 1 под разными углами и затем попадают на обычный выводной дифракционный оптический элемент 7 и выводятся в глаз наблюдателя.

В случае использования предлагаемого расширяющего дифракционного оптического элемента 4, преобразующего осевые и внеосевые пучки лучей в коллимированные (фиг. 7 (b)):

ϕ_{1-2_волновод}=0.

Тогда, для случая использования предлагаемого расширяющего дифракционного оптического элемента 4 и увеличенного (для примера) в 2 раза поля зрения 2ϕ_i=40°, λ_сред.=0.403 мкм, n=1.59, периода центрального сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента d=0.495 мкм и используя выражения (1), (8) - (10), а также учитывая d_сегм.=λ_сред./[sin(ϕ_ср)-sin(2ϕ_{i_волновод})], получаем:

- 2ϕ_{i_волновод}=24.8°;

- d_{верх.сегм.}=0.672 мкм, d_{ср.сегм.}= 0.495 мкм, d_{нижн.сегм.}= 0.391 мкм.

В качестве примера на фиг. 7 (a) и (b) показаны только 3 луча для разных частей поля зрения в одном сечении, которые попадут в зрачок глаза наблюдателя при одних и тех же условиях наблюдения, то есть при одном и том же положении зрачка глаза, расстоянии от волновода и диаметре зрачка глаза.

В качестве варианта воплощения предлагаемого изобретения угловая селективность расширяющего дифракционного оптического элемента 4 может быть реализована путем дискретного или непрерывного изменения параметров расширяющего дифракционного оптического элемента (чирпированная брэгговская дифракционная решетка), т.е. расширяющий дифракционный оптический элемент может состоять не только из набора дискретных сегментов дифракционных решеток, но и из решеток, параметры которых (период, высота профиля, наклон и т.п.) меняются по длине вдоль волновода в соответствии с математической функцией (например, полиномом).

Параметры (период, высота профиля, наклон и т.п.) сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента должны быть скорректированы в соответствии с параметрами соответствующих сегментов выводного дифракционного оптического элемента, так чтобы все упомянутые оптические элементы работали согласованно и были оптически сопряжены.

На фиг. 8 схематично показаны очки дополненной реальности, расположенные напротив глаз пользователя.

В каждом оптическом элементе 1 проектор 2 располагается возле дужки очков дополненной реальности, в височной части головы напротив вводного дифракционного оптического элемента 3. Глазная база B определяется расстоянием между центрами зрачков глаз пользователя, поэтому очевидно, что для наилучшего просмотра виртуального изображения необходимо, чтобы глазная база была меньше, чем расстояние между крайними точками выводных дифракционных решеток 5, расположенными ближе к височной области (расстояние АС). Поскольку расширяющий дифракционный оптический элемент 4 расположен на стороне волновода 1, противоположной глазу пользователя, то на стороне волновода 1, прилегающей к глазу пользователя, возможно использовать свободную зону волновода, то есть расстояния DA и EC, для увеличения площади выводной дифракционной решетки 5 на каждом оптическом комбайнере (волноводе) 1, что позволит пользователю, имеющему широкую глазную базу, видеть изображение полностью, поскольку выводной дифракционный оптический элемент 5 будет полностью перекрывать соответствующий глаз пользователя с любой глазной базой при любом положении глаз. Благодаря увеличению размеров выводного дифракционного оптического элемента 5 также увеличивается и ширина поля зрения оптического элемента очков дополненной реальности, то есть горизонтальный размер H поля зрения (см. фиг. 3(а)).

На фиг. 8 показана возможность увеличения горизонтального поля зрения (ширины поля зрения): с одной стороны, на угол θ_min, с другой стороны, на угол θ_max. Таким образом, горизонтальное поле зрения можно увеличить и справа, и слева.

На фиг. 9 показано:

L₁ - ширина, на которую можно увеличить расширяющий дифракционный элемент с одной стороны (на фиг. 8 справа) при заданном угле θ_min;

θ_min - угол между крайним лучом, вышедшим из проектора (на фиг.8 справа) и преломленным оптической средой волновода, и нормалью к поверхности волновода в области прилегания вводного дифракционного элемента, где происходит преломление данного правого крайнего луча, то есть θ_min - минимальный угол преломления лучей, прошедших из проектора 2 в волновод 1, который определяет горизонтальное поле зрения проектора с правой стороны на Фиг.8.

L₂ - ширина, на которую можно увеличить расширяющий дифракционный оптический элемент 4 с противоположной стороны (на фиг. 8 слева) при заданном угле θ_max;

θ_max - угол между крайним лучом, вышедшим из проектора (на фиг. 8 слева) и преломленным оптической средой волновода, и нормалью к поверхности волновода в области прилегания вводного дифракционного элемента, где происходит преломление данного левого крайнего луча, то есть θ_max - максимальный угол преломления лучей из проектора, который определяет горизонтальное поле зрения проектора с левой стороны на Фиг.9;

L - ширина, на которую можно увеличить выводной дифракционный оптический элемент.

Поскольку в волноводе между расширяющим и выводным дифракционными оптическими элементами распространяются коллимированные лучи, то в таком случае горизонтальное поле зависит от линейных размеров указанных дифракционных оптических элементов, размер которых, в свою очередь, зависит от ширины поля зрения проектора.

Таким образом, увеличение расширяющего дифракционного оптического элемента 4 на (L₁+L₂) и выводного дифракционного оптического элемента 5 элемента на длину L обеспечивает увеличение горизонтального поля зрения, а также появляется возможность использования очков людьми с большой глазной базой.

При этом возникает относительное перекрытие рабочих областей расширяющего дифракционного элемента, части вводного и части выводного дифракционных элементов на величины L₁ и L₂, тем самым повышается эффективность использования оптических поверхностей волновода.

Предлагаемое устройство можно дополнить голографической линзой. Голографическая линза может быть отражающей, если она расположена на внешней стороне волновода за расширяющим дифракционным оптическим элементом 4 или пропускающей, если она расположена за выводным дифракционным оптическим элементом 5 и напротив глаза (прямо перед глазом пользователя). Поскольку голографическая линза обладает оптической силой, то с помощью нее можно корректировать диапазон углов распространения света в волноводе в соответствии с кривизной и материалом волновода, поскольку эти параметры влияют на полное внутреннее отражение.

Кроме того, голографическая линза может компенсировать хроматические аберрации, возникшие в вводных, расширяющих и выводных дифракционных оптических элементах.

В предлагаемом изобретении в качестве проектора возможно использовать следующие виды проекторов: DMD-проектор, LCoS-проектор, лазерный проектор, LED проектор, LCD проектор, DLP проектор, а также любой другой подходящий проектор.

В качестве волновода можно использовать любой подходящий материал, в частности, например, стекло, пластик, полимер, алмаз, и т.п.

Форма поверхности расширяющего дифракционного оптического элемента может быть плоской, цилиндрической, сферической, параболической, формой овала Декарта, а также поверхность может иметь любую подходящую форму.

В качестве расширяющего дифракционного оптического элемента может быть использована объемная брэгговская решетка, дифракционные решетки с различным профилем, а также любые подходящие дифракционные решетки.

Вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент могут быть пропускающими. Вводной дифракционный оптический элемент может быть отражающим, а выводной дифракционный оптический элемент при этом может быть пропускающим. Вводной дифракционный оптический элемент может быть пропускающим, а выводной дифракционный оптический элемент при этом может быть отражающим. Вводной и выводной дифракционные оптические элементы могут быть отражающими.

Покрытие оптического комбайнера (волновода) может быть антибликовым, или обладать высокой отражательной способностью, или быть поляризационным, или иметь спектральную фильтрацию, а также может быть УФ-защитным, а также любым подходящим.

Периоды дифракционных оптических элементов, обеспечивающих ввод излучения в волновод, расширение (сжатие) и вывод излучения из волновода должны подбираться таким образом, чтобы обеспечивать физическое соответствие вводимых участков полей зрения для конкретных сегментов дифракционных решеток полям зрения на выходе из волновода (попадающим в глаз наблюдателя).

В случае реализации дифракционных оптических элементов в виде сегментированных дифракционных решеток для распространяющихся в волноводе наклонных лучей, обеспечивающих поле зрения, должно выполняться условие, связывающее периоды сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента и периоды вводного и выводного дифракционных оптических элементов:

dрасш=dввод/вывод·sin(β), (11)

где

dрасш - период расширяющей дифракционной решетки;

dввод/вывод - период вводной (выводной) решетки;

β - угол, под которым центральный луч из наклонного пучка лучей попадает на расширяющую дифракционную решетку.

Периоды сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента должны быть меньше периодов вводного и выводного дифракционных оптических элементов.

Суммируя вышесказанное, предлагаемое изобретение может быть реализовано, например, следующим образом.

Оптическая система, содержащая:

- проектор,

- плоский или изогнутый волновод с вводным, расширяющим и выводным дифракционными оптическими элементами на поверхности волновода, причем вводной дифракционный оптический элемент имеет постоянный период и способен преломлять и заводить свет от проектора в расширяющий дифракционный оптический элемент,

- расширяющий дифракционный оптический элемент, расположенный между вводным и выводным дифракционными оптическими элементами,

- выводной дифракционный оптический элемент с периодом, согласованным с периодом расширяющего дифракционного элемента, для создания виртуального изображения для пользователя.

Периоды всех дифракционных оптических элементов должны быть согласованы для совместной работы, чтобы эффективно распространять световую волну с заданными параметрами.

Предлагаемое изобретение позволяет использовать в выводимом изображении эффект перспективы (возможность рассматривать виртуальные объекты с разных ракурсов), поскольку при переносе и формировании изображения от проектора через волновод происходит не просто размножение вертикальных полей зрения (как в известных решениях), а вывод участков полей зрения.

Предлагаемое изобретение может быть применено для вывода виртуального изображения в глаз пользователя в очках дополненной реальности, а также для проецирования виртуального изображения на какую-либо поверхность, например, на лобовое стекло или панель автомобиля.

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

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

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности на основе волновода. Предлагается оптический комбайнер на основе волновода для отображения дополненной реальности, способ работы упомянутого устройства, очки дополненной реальности на основе упомянутого устройства. Оптический комбайнер содержит проектор, волновод, вводной дифракционный оптический элемент, расширяющий дифракционный оптический элемент, выводной дифракционный оптический элемент. Причем расширяющий дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты, причем количество упомянутых сегментов является нечетным. Упомянутые сегменты представляют собой центральный сегмент и периферийные сегменты, симметричные относительно центрального сегмента. Выводной дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты, причем количество сегментов выводного дифракционного оптического элемента равно количеству сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента. Сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента и выводного дифракционного оптического элемента оптически согласованы. Технический результат - создание компактного устройства дополненной реальности с плоским или изогнутым комбайнером, формирующее качественное виртуальное изображение для пользователя с высоким разрешением и широким полем зрения. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Оптический комбайнер для отображения дополненной реальности, содержащий:

- проектор, формирующий исходное изображение;

- волновод, содержащий, по ходу лучей от проектора, вводной дифракционный оптический элемент, расширяющий дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;

причем расширяющий дифракционный оптический элемент расположен на стороне волновода, противоположной стороне, на которой располагаются вводной и выводной дифракционные оптические элементы,

причем расширяющий дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента, причем количество упомянутых сегментов N является нечетным N=2i+1, i ≥1,

причем упомянутые сегменты представляют собой центральный сегмент и периферийные сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента, симметричные относительно центрального сегмента,

причем каждый упомянутый сегмент имеет период, отличный от периода остальных сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем период каждого сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента выбирается таким, что:

- каждый сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента выполнен с возможностью взаимодействия только с лучами, падающими на него под углами, принадлежащими заранее определенному диапазону углов падения, причем лучи, углы падения которых не соответствуют упомянутому диапазону углов падения, отражаются от стенки сегмента расширяющего дифракционного оптического элемента и проходят дальше по волноводу посредством ПВО к следующему сегменту расширяющего дифракционного оптического элемента, причем центральный сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента выполнен с возможностью взаимодействия только с осевым пучком лучей, составляющим центральную часть исходного изображения, сформированного проектором, и параллельным оптической оси проектора при выходе из проектора,

- лучи, взаимодействующие с соответствующим сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента, претерпевают дифракцию на нем под одинаковым углом относительно нормали к поверхности упомянутого сегмента в точке падения, причем упомянутый угол не больше максимального угла полного внутреннего отражения (ПВО) и не меньше минимального угла ПВО;

причем выводной дифракционный оптический элемент включает в себя сегменты выводного дифракционного оптического элемента, причем количество сегментов выводного дифракционного оптического элемента равно количеству сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем каждый сегмент выводного дифракционного оптического элемента имеет период, отличный от периода остальных сегментов выводного дифракционного оптического элемента,

причем каждый сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с соответствующим сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента таким образом, что центральный сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с центральным сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента, а каждый периферийный сегмент выводного дифракционного оптического элемента оптически сопряжен с соответствующим ему периферийным сегментом расширяющего дифракционного оптического элемента;

причем выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью формирования виртуального изображения, соответствующего исходному изображению.

2. Оптический комбайнер по п. 1, в котором поверхность волновода может иметь форму концентрического цилиндрического мениска или может быть плоской, или сферической, или параболической, или иметь форму овала Декарта.

3. Оптический комбайнер по любому из пп. 1, 2, в котором сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента имеют одинаковый угловой размер.

4. Оптический комбайнер по любому из пп. 1, 2, в котором сегменты расширяющего дифракционного оптического элемента имеют разный угловой размер.

5. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-4, причем каждый сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента представляет собой брэгговскую дифракционную решетку.

6. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-5, причем расширяющий дифракционный оптический элемент представляет собой чирпированную брэгговскую дифракционную решетку.

7. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащий отражающую голографическую линзу, расположенную на внешней стороне волновода за расширяющим дифракционным оптическим элементом.

8. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащий пропускающую голографическую линзу, расположенную на внутренней стороне волновода за выводным дифракционным оптическим элементом, перед глазом пользователя.

9. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-8, в котором расширяющий дифракционный оптический элемент представляет собой объемную отражательную решетку, выводной дифракционный оптический элемент представляет собой объемную пропускающую дифракционную решетку.

10. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-8, в котором расширяющий дифракционный оптический элемент представляет собой отражательную дифракционную решетку, выводной дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающую дифракционную решетку.

11. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-8, в котором расширяющий дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающую дифракционную решетку, выводной дифракционный оптический элемент представляет собой отражающую дифракционную решетку.

12. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-11, в котором периоды сегментов расширяющего дифракционного оптического элемента меньше периодов вводного и выводного дифракционных оптических элементов.

13. Способ работы оптического комбайнера по п. 1, содержащий этапы, на которых:

а) формируют исходное изображение посредством проектора;

б) вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента лучи, составляющие исходное изображение, в волновод;

в) упомянутые лучи достигают расширяющего дифракционного оптического элемента, распространяясь в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода;

г) лучи, падающие на сегмент расширяющего дифракционного оптического элемента под углом, принадлежащим диапазону углов, соответствующих упомянутому сегменту, претерпевают дифракцию на упомянутом сегменте, причем на центральном сегменте расширяющего дифракционного оптического элемента претерпевают дифракцию лучи осевого пучка лучей;

д) лучи, падающие на упомянутый сегмент под углом, не принадлежащим диапазону углов, соответствующих упомянутому сегменту, проходят к следующему сегменту расширяющего дифракционного оптического элемента, распространяясь в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода,

этапы (г)-(д) осуществляются до тех пор, пока все лучи, составляющие исходное изображение, не подвергнутся дифракции на соответствующих сегментах расширяющего дифракционного оптического элемента,

причем лучи претерпевают дифракцию под такими углами, что все лучи, выходящие из расширяющего дифракционного оптического элемента, становятся коллимированными;

е) коллимированные лучи попадают на соответствующий оптически сопряженный сегмент выводного дифракционного оптического элемента и претерпевают дифракцию на нем, причем осевой пучок лучей претерпевает дифракцию на центральном сегменте выводного дифракционного элемента;

ж) дифрагированные лучи, имеющие ненулевые порядки дифракции, выводятся упомянутыми сегментами выводного дифракционного оптического элемента из волновода под такими углами, что формируют виртуальное изображение, соответствующее исходному изображению;

з) дифрагированные лучи, имеющие нулевой порядок дифракции, не выводятся выводным дифракционным оптическим элементом, остаются коллимированными и распространяются в волноводе посредством ПВО от поверхностей волновода под углом, равным углу, под которым они распространялись по волноводу после дифракции на расширяющем дифракционном оптическом элементе, поэтому снова попадают на тот же сегмент выводного дифракционного оптического элемента, на котором претерпели дифракцию;

этапы (е)-(з) осуществляются до тех пор, пока не будет достигнут край выводного дифракционного оптического элемента.

14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этап, на котором проецируют виртуальное изображение на поверхность, предназначенную для проецирования.

15. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этап, на котором виртуальное изображение попадает в глаз пользователя.

16. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой оптический комбайнер по любому из пп. 1-12.