Устройство дополненной реальности и способ его функционирования - RU2719568C1
Код документа: RU2719568C1
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, выполненным на основе дифракционных и голографических оптических элементов, и к способам их функционирования.
Описание предшествующего уровня техники
Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны.
К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:
- широкое поле зрения, чтобы человеческий глаз мог охватить всю область, которую он видит, возможность накладывания виртуальных изображений на большую область;
- малый вес;
- низкая стоимость;
- высокое разрешение, высокий контраст и т.д.
При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Существуют разные подходы для достижения предъявляемых требований. Одни подходы могут обеспечить широкое поле зрения, но не могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Другие подходы могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, но не могут обеспечить широкое поле зрения.
Необходимо отметить, что классические системы, в которых не применяется мультиплицирование выходного зрачка, имеют вводящую и выводящую решетки (голографическую (HOE) или дифракционную(DOE)). Схематически такие системы работают следующим образом. Проектор формирует изображение в бесконечности, формируя параллельные пучки, при этом в выходном зрачке проектора помещают вводную голограмму или вводной дифракционный элемент, расположенный на волноводе, за счет дифракции на таком элементе параллельные пучки, не нарушая своей параллельности, вводятся в волновод, за счет полного внутреннего отражения пучки распространяются в волноводе и попадают на выводной дифракционный элемент (HOE/DOE). В известном уровне техники используется только один порядок дифракции излучения, прошедшего дифракционную решетку, кроме того, в известных устройствах вводные и выводные решетки используются только в одной плоскости, поэтому вводное широкое поле на выводе превращается в узкую картинку, которую не вполне комфортно рассматривать, поскольку, если зрачок глаза смотрит вперед отчетливо видно только центральное поле изображения, тогда как части изображения, расположенные по краям представляют собой темную область, а если зрачок глаза сместится в вертикальном направлении, то наоборот центральная часть будет представляться темной областью. То есть в известных классических системах пользователь может видеть только узкую полоску изображения.
Из уровня техники известна система Microsoft 'Hololens' solution (доступно в Интернет: https://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens) очков дополненной реальности, в которой решается проблема узкого поля зрения. В первом варианте такой известной системы для каждого глаза используется своя проекционная система, в которой используется вводная дифракционная решетка, поворотная решетка (или первая размножающая решетка), которая размножает излучение, частично поворачивает в область выводной решетки, далее излучение распространяется вдоль размножающей решетки и попадает на выводную дифракционную решетку, где формируется широкое поле изображения, благодаря которому глаз воспринимает изображение не в узкой области, а имеет более комфортное широкое поле при движении и рассматривании. Однако известная система имеет сложную конструкцию, поскольку используется три дифракционные решетки. Кроме того, размножающая дифракционная решетка сложна в изготовлении, то есть система в целом сложна в изготовлении, поскольку угол наклона штрихов размножающей решетки должен составлять ровно 45°относительно вводной и выводной дифракционных решеток. Процесс изготовления известной системы является сложным и дорогим, поскольку при изготовлении таких систем наблюдается большой процент выхода бракованных изделий.
Вторая версия известной системы Microsoft 'Hololens' solution (доступно в Интернет по адресам https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware и https://en.wikipedia.org/wiki/HoloLens_2) отличается от первой версии тем, что применяется только один общий проектор для двух глаз, который пользователь располагает между глазами. В такой реализации известной системы поле зрения имеет ограничения по двум направлениям, поскольку штрихи вводной и выводной дифракционной решетки должны быть перпендикулярны друг другу. Поэтому при вводе излучения поле зрения ограничивается по горизонтали, а при выводе излучения поле зрения ограничивается по вертикали, то есть исходное изображение срезается как по бокам, так и сверху, и снизу.
Из уровня техники известна система для расширения выходного зрачка, описанная в документе US 7764413 B2 (NOKIA CORPORATION), опубликованном 27.07.2010. Известная система содержит: вводную дифракционную решетку, имеющую штрихи, расположенные вертикально; две размножающие поворотные дифракционные решетки для левого и правого глаза, штрихи которой наклонены под углом 600; две выводных дифракционных решетки, имеющих штрихи, расположенные вертикально. Такие дифракционные решетки с разными наклонами штрихов сложно совместить друг с другом. Известная система имеет большие габаритные размеры, поскольку область ввода и область размножения излучения являются незадействованными для глаз, то есть эти области должны занимать место вне глаз.
Из уровня техники известна система для расширения выходного зрачка, описанная в документе US 8160411 B2 (NOKIA CORPORATION), опубликованном 17.04.2017. В документе описана модификация предыдущей системы, в которой предлагается использовать другое расположение дифракционных решеток, принцип работы остается прежним. Из недостатков этой известной системы можно также отметить дороговизну, сложность в изготовлении, ввод и вывод изображения имеют разные направления, в результате чего устройство имеет большие габариты.
Из уровня техники известно оптическое волноводное устройство, расширяющее выходной зрачок, описанное в документе US 20190004321 A1 (WAVE OPTICS LTD), опубликованном 03.01.2019. В известном устройстве на разных сторонах волновода размещены три дифракционные решетки. Одна дифракционная решетка является вводной дифракционной решеткой, две другие дифракционные решетки расположены на противоположных частях волновода и их штрихи скрещены относительно друг друга. Излучение, попавшее на первую дифракционную решетку частично дифрагирует под углом к этой решетке, частично проходит дальше. Попав на вторую решетку, излучение дифрагирует в другом направлении и частично распространяется вдоль волновода. То есть, дифракционные решетки, расположенные на противоположных сторонах волновода, размножают излучение в разных направлениях. Такая система также сложна в изготовлении, поскольку имеется две дифракционные решетки, штрихи которых наклонены под углом друг к другу.
В известном уровне техники дифракционные/голографические решетки расположены в одной плоскости, либо в параллельных плоскостях. Для того, чтобы обеспечить и размножение (расширение) излучения, а также ввод и вывод излучения, в известном уровне техники обычно поворачивают вводную решетку относительно выводной решетки на 90°, кроме того размножающая решетка всегда находится между вводной и выводной решеткой, что усложняет технику производства таких устройств.
Сущность изобретения
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, которое содержит проекционную систему; расширяющий первый волновод, на первую поверхность которого падают лучи от проекционной системы, причем расширяющий первый волновод содержит расширяющую первую дифракционную решетку; второй волновод, содержащий вторую дифракционную решетку. Причем расширяющая первая дифракционная решетка и вторая дифракционная решетка расположены в разных плоскостях относительно друг друга таким образом, что нулевой порядок дифракции, выходящий из расширяющего первого волновода, попадает на второй волновод. Угол, под которым лучи от проекционной системы падают на расширяющий первый волновод и попадают на расширяющую первую дифракционную решетку, находится в диапазоне от 0° до 90° по отношению к нормали к поверхности расширяющего первого волновода. Штрихи расширяющей первой дифракционной решетки должны быть расположены вдоль проекции на расширяющую первую дифракционную решетку лучей от проекционной системы. Острый угол между проекцией главного луча проекционной системы на плоскость первого волновода и линией штрихов находится в диапазоне ±30°. Расширяющая первая дифракционная решетка может быть расположена на второй поверхности расширяющего первого волновода, противоположной первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы. Причем расширяющая первая дифракционная решетка может быть отражательной. Расширяющая первая дифракционная решетка может быть расположена на первой поверхности расширяющего первого волновода. Расширяющая первая дифракционная решетка может быть пропускающей. Вторая поверхность расширяющего первого волновода, противоположная первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы, может иметь зеркальное покрытие. Расширяющая первая дифракционная решетка может быть расположена на второй поверхности расширяющего первого волновода, при этом вторая поверхность расширяющего первого волновода может представлять собой отражательную поверхность. Второй волновод может включать в себя область ввода излучения, промежуточную область, из которой выходящее излучение не попадает в зрачок глаза, область полезного вывода излучения, из которой излучение может попадать в зрачок глаза при перемещении зрачка глаза во время просмотра. В промежуточной области второго волновода может не происходить дифракция. Во втором волноводе область ввода излучения может быть выполнена с высокой дифракционной эффективностью, промежуточная область может быть выполнена с низкой дифракционной эффективностью, область полезного вывода излучения может быть выполнена с низкой дифракционной эффективностью. Во втором волноводе область ввода излучения может быть выполнена с высокой дифракционной эффективностью, промежуточная область может быть выполнена со средней дифракционной эффективностью, область полезного вывода излучения может быть выполнена со средней дифракционной эффективностью. Причем во втором волноводе область ввода излучения может быть выполнена с высокой дифракционной эффективностью, промежуточная область и область полезного вывода может быть выполнена с градиентной дифракционной эффективностью, то есть, низкая дифракционная эффективность постепенно возрастает. Во втором волноводе область ввода излучения может быть выполнена с высокой дифракционной эффективностью, промежуточная область может быть выполнена с низкой дифракционной эффективностью, область полезного вывода может быть выполнена с градиентной дифракционной эффективностью, то есть, низкая дифракционная эффективность постепенно возрастает. Расширяющий первый волновод и второй волновод могут быть вместе выполнены в виде монолитного изогнутого волновода. Расширяющая первая дифракционная решетка и вторая дифракционные решетки могут представлять собой дифракционные оптические элементы. Расширяющая первая дифракционная решетка может представлять собой дифракционный оптический элемент, вторая дифракционная решетка может представлять собой голографический элемент. Расширяющая первая дифракционная решетка может представлять собой голографический элемент, вторая дифракционная решетка может представлять собой дифракционный оптический элемент. Первая и вторая дифракционные решетки могут представлять собой голографические элементы. Граница области расширяющего первого волновода, в пределах которой расположена расширяющая первая дифракционная решетка, может быть выполнена в виде геометрической фигуры, представляющей собой одно из прямоугольника, многоугольника, или любую геометрическую фигуру с непрямыми дугообразными сторонами и может быть симметричной или несимметричной.
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 устройство для отображения дополненной реальности. Причем элемент для левого глаза расположен отдельно от элемента для правого глаза, второй волновод элемента для левого глаза расположен на отдельной левой рамке очков, располагающейся над левым глазом, а второй волновод элемента для правого глаза расположен на отдельной правой рамке очков, располагающейся над правым глазом. Причем элемент для левого глаза может быть объединен с элементом для правого глаза, причем второй волновод элемента для левого глаза является вторым волноводом и для элемента для правого глаза и расположен на общей рамке очков, располагающейся над левым глазом и над правым глазом. Причем расширяющий первый волновод каждого из элементов для левого и правого глаза может быть расположен сбоку от левого и правого глаза соответственно. Причем проекционная система и расширяющий первый волновод элемента для левого глаза являются проекционной системой и расширяющим первым волноводом для элемента для правого глаза, причем упомянутые проекционная система и расширяющий первый волновод могут быть расположены сбоку от левого или правого глаза.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее проекционную систему; волновод, содержащий дифракционную решетку, причем волновод включает в себя область ввода излучения, промежуточную область, из которой выходящее излучение не попадает в зрачок глаза, область полезного вывода излучения, из которой излучение может попадать в зрачок глаза при перемещении зрачка глаза во время просмотра.
Предлагается способ работы предлагаемого устройства для отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:
А) излучение от проекционной системы попадает на расширяющую первую дифракционную решетку;
Б) дифракция каждого из лучей, падающих на расширяющей первой дифракционной решетке, образует минус первый порядок дифракции, нулевой порядок дифракции и первый порядок дифракции;
В) нулевой порядок дифракции выходит из расширяющего первого волновода и попадает на второй волновод;
Г) минус первый порядок дифракции и первый порядок дифракции распространяются в расширяющем первом волноводе за счет полного внутреннего отражения,
возвращаются на расширяющую первую дифракционную решетку, попадая на нее в различных несовпадающих друг с другом точках,
снова претерпевают дифракцию, каждый образуя новый минус первый порядок дифракции, новый нулевой порядок дифракции, новый первый порядок дифракции,
Д) для каждого нового минус первого порядка дифракции, нового нулевого порядка дифракции, нового первого порядка дифракции повторяются этапы (В)-(Г);
Е) каждый нулевой порядок дифракции, попавший на второй волновод, проходит по второму волноводу ко второй дифракционной решетке, причем дифракция каждого из лучей, попавших на вторую дифракционную решетку, образует минус первый порядок дифракции, нулевой порядок дифракции и первый порядок дифракции, причем первый порядок дифракции испытывает полное внутреннее отражение от стенки второго волновода, противоположной стенке второго волновода, обращенной к глазу, повторно попадает на вторую дифракционную решетку, образует новый минус первый порядок дифракции, новый нулевой порядок дифракции и новый первый порядок дифракции, причем этот упомянутый новый нулевой порядок дифракции выходит из волновода в направлении к глазу.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 изображает вариант устройства для отображения дополненной реальности, в котором расширяющая первая дифракционная решетка нанесена на вторую поверхность расширяющего первого волновода, противоположную первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы.
Фиг. 2 изображает варианты устройства для отображения дополненной реальности.
Фиг. 3 изображает второй волновод со второй дифракционной решеткой, условно разбитой на области, показано распределение дифракционной эффективности по областям.
Фиг. 4 изображает один из вариантов устройства для отображения дополненной реальности, в котором второй волновод имеет область, на которой не происходит дифракция.
Фиг. 5 изображает вариант исполнения изобретения в виде одного изогнутого монолитного волновода.
Фиг. 6 изображает вариант исполнения изобретения в виде параллельных расширяющего первого волновода и второго волновода.
Фиг. 7 (a, b, c) иллюстрирует варианты реализации очков дополненной реальности.
Фиг. 8а, 8b иллюстрируют работу расширяющего первого волновода с расширяющей первой дифракционной решеткой.
Фиг. 9 иллюстрирует расположение конуса лучей от проекционной системы относительно штрихов и нормали к расширяющей первой дифракционной решетке и расширяющему первому волноводу.
Фиг. 10a иллюстрирует устройство дополненной реальности, известное из уровня техники.
Фиг. 10b иллюстрирует устройство дополненной реальности, предлагаемое в настоящем изобретении.
Подробное описание изобретения
В настоящей заявке описаны: устройство дополненной реальности с широким полем зрения и очки дополненной реальности, выполненные на основе предлагаемого устройства. Предлагаемое изобретение позволяет избавиться от ограничения поля зрения при просмотре изображения как по вертикали, так и по горизонтали, то есть позволяет увеличить видимое поле зрения, поле движения глаз, эффективность воспроизведения, кроме того система очков получается компактной и легкой в изготовлении, следовательно, более дешевой. Это достигается тем, что вводная и выводная дифракционная решетки объединены в одну дифракционную решетку, а плоскости дифракционной решетки для размножения (расширения) излучения от проекционной системы и дифракционной решетки для ввода/вывода в волновод пространственно разнесены.
Следует отметить, что в качестве дифракционных решеток могут использоваться голографические дифракционные решетки.
Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения.
Поле движения глаз (Eye motion box (EMB)) - это область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь.
Расширяющий первый волновод, содержащий расширяющую первую дифракционную решетку - система, которая осуществляет мультиплицирование выходного зрачка, то есть на выводе из расширяющего первого волновода образуется не один выходной зрачок, а несколько, которые расположены друг относительно друга либо вплотную, либо на расстоянии. Такое формирование мультиплицированных зрачков обеспечивает широкое поле движения глаз, позволяющее видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь. Под расширением или размножением пучка излучения подразумевается увеличение ширины (поперечных размеров пучка) без внесения искажений (аберраций).
Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют все поле изображения. Размножая выходной зрачок тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры оптической системы, волноводная оптика за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода позволяет это делать без увеличения продольных габаритов. Расширяющий первый волновод, по сути, является обычным волноводом, и расширяющая первая дифракционная решетка, по сути, является обычной дифракционной решеткой, расширяющие свойства проявляются при расположении обычного волновода и штрихов обычной дифракционной решетки под определенными углами к падающему излучению, что будет обсуждено ниже.
Дифракционная эффективность - это свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы, дифракционная эффективность представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку. Данный термин является устоявшимся в уровне техники.
В предлагаемом изобретении проекционная система наклонена под углом относительно расширяющего первого волновода с расширяющей первой дифракционной решеткой. Причем штрихи расширяющей первой дифракционной решетки при нанесении на расширяющий первый волновод ориентируются таким образом, что часть получаемых дифракционных порядков падающего излучения направляется по волноводу, испытывая полное внутреннее отражение. То есть излучение, попав на такую расширяющую дифракционную решетку, распространяется в 3-х направлениях, при этом формируются «0», «-1» и «+1» дифракционные порядки. Методов создания дифракционных решеток достаточно много и все они хорошо известны из уровня техники, например, в случае рельефных дифракционных решеток они могут наноситься травлением через маски или наноимпринтингом, в случае голографических дифракционных решеток могут записываться интерференционной картиной.
Как пример, теоретический диапазон углов между волноводами (между расширяющим первым волноводом и вторым волноводом) и соответственно дифракционными решетками (между расширяющей первой дифракционной решеткой и второй решеткой) составляет ±90° относительно нормали ко второму волноводу. Диапазон поверхностных периодов расширяющей первой дифракционной решетки составляет 1200-400 нм для видимого цвета. Диапазон поверхностных периодов второй дифракционной решетки составляет 700-200 нм. Для изготовления предлагаемого устройства можно использовать любые подходящие материалы, такие, например, как стекла, полимеры, кристаллы. Необходимо отметить, что для предлагаемого изобретения материалы и параметры не ограничиваются перечисленными, что очевидно для любого специалиста в данном уровне техники, причем перечисление всех вариантов не является целью изобретения, поскольку все варианты очевидны для специалиста в данном уровне техники.
В одном из примеров осуществления предлагаемого изобретения предлагается устройство для отображения дополненной реальности, предназначенное для одного глаза, схематически изображенное на фигуре 1. Предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности можно использовать как самостоятельное устройство для одного глаза (монокуляр). При объединении двух таких устройств, для правого и левого глаза, формируется система, позволяющая пользователю видеть стереоизображение. Такую систему можно использовать, например, в очках дополненной реальности, в шлемах дополненной реальности и т.п.
Предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности содержит (см. фигуру 1):
проекционную систему 1;
расширяющий первый волновод 2, на первую поверхность которого попадает излучение от проекционной системы 1, формируемое множеством лучей,
причем расширяющий первый волновод 2 содержит расширяющую первую дифракционную решетку 2а;
второй волновод 3, содержащий вторую дифракционную решетку 3а, причем расширяющая первая дифракционная решетка 2а и вторая дифракционная решетка 3а, а значит расширяющий первый волновод и второй волновод, расположены в разных плоскостях относительно друг друга, под углом от 0° до 180° относительно друг друга, нулевой порядок дифракции выходит из расширяющего первого волновода под таким же углом, под которым лучи попали в расширяющий первый волновод 2.
Необходимо отметить, что в общем случае первый и второй волноводы являются прозрачными для пользователя.
Для каждого глаза можно использовать одно и тоже изображение, если используется проекционная система одна на оба глаза. В другом случае каждая проекционная система может проецировать свое изображение для каждого глаза, если используются отдельные проекционные системы и отдельные волноводы для каждого глаза.
Проекционную систему можно располагать как со стороны первой поверхности расширяющего первого волновода, так и со стороны второй поверхности расширяющего первого волновода, которая противоположна первой поверхности расширяющего первого волновода.
Используя два предлагаемых устройства для отображения дополненной реальности, соответственно для правого и левого глаза, можно создать очки для отображения дополненной реальности.
Также в одном из вариантов предлагается устройство для отображения дополненной реальности, которое содержит элемент для правого глаза и элемент для левого глаза, причем каждый из упомянутых элементов содержит: проекционную систему, волновод, содержащий дифракционную решетку, причем волновод включает в себя область ввода излучения, промежуточную область, из которой выходящее излучение не попадает в глаз, область полезного вывода излучения, из которой излучение может попадать в зрачок глаза при перемещении зрачка глаза во время просмотра изображения.
В одном из вариантов изобретения расширяющая первая дифракционная решетка 2а может быть расположена на второй поверхности расширяющего первого волновода, противоположной первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы, при этом расширяющая первая дифракционная решетка размещается на отражательной поверхности, нанесенной на вторую поверхность расширяющего первого волновода.
Расширяющая первая дифракционная решетка 2a может быть расположена на первой поверхности расширяющего первого волновода 2, на которую падает излучение от проекционной системы 1, как показано на фигуре 2, при этом расширяющая первая дифракционная решетка 2а является пропускающей. При этом вторая поверхность расширяющего первого волновода, противоположная первой поверхности расширяющего первого волновода, может иметь зеркальное (отражающее) покрытие 4. Зеркальное покрытие 4 позволяет повысить эффективность расширяющего первого волновода 2 и всего устройства в целом. Такой вариант исполнения расширяющего первого волновода позволяет избежать потери излучения, которые возникают, когда дифракционная решетка расположена на второй поверхности расширяющего первого волновода, противоположной первой поверхности расширяющего первого волновода.
Расширяющую первую дифракционную решетку 2а можно расположить в расширяющем первом волноводе (или на поверхности расширяющего первого волновода в зависимости от метода формирования дифракционной структуры) так, что граница области расширяющего первого волновода 2, в пределах которой расположена расширяющая первая дифракционная решетка 2а, может образовывать различные геометрические фигуры, представляющие собой, например, прямоугольник, многоугольник, или любую геометрическую фигуру с непрямыми (дугообразными) сторонами, и может быть симметричной или несимметричной. Разные профили границы влияют на эффективность воспроизведения изображения и на равномерность изображения для глаза. Профиль границ можно выбирать в зависимости от поставленных задач, например, получение заданной картины распределения интенсивности изображения в разных местах или компенсирование неравномерности яркости изображения от проекционной системы по полю зрения.
Вторая дифракционная решетка 3а может иметь различную эффективность в различных областях. В комбинации со всеми элементами устройства для отображения дополненной реальности различные конфигурации дифракционной эффективности позволяют компенсировать неравномерность яркости по полю зрения и повысить равномерность изображения, которое видит глаз.
Как показано на фигуре 3, всю область второго волновода, на котором расположена одна вводная/выводная вторая дифракционная решетка 3а, можно условно разбить на несколько областей: область ввода излучения (I); промежуточная область (II), из которой выходящее излучение не попадает в глаз; область полезного вывода излучения (III), из которой излучение может попадать в зрачок глаза при перемещении зрачка глаза во время просмотра в поле движения глаза. В каждом из вариантов исполнения предлагаемого изобретения, отображенном на фигуре 3, упомянутые области второй дифракционной решетки выполняются с различной дифракционной эффективностью.
Распределение дифракционной эффективности каждой области второго волновода схематично показано на графиках (см. фигура 3).
Вариант (а) соответствует:
в области I - максимальной дифракционной эффективности (для того типа дифракционной решетки, которая используется) в области ввода излучения во вторую дифракционную решетку, благодаря чему излучение, вышедшее из расширяющего первого волновода, вводится во второй волновод с помощью второй дифракционной решетки с наименьшими потерями (максимальная дифракционная эффективность обеспечивает высокую яркость изображения и соответственно широкий диапазон настроек по яркости для пользователя),
в области II - минимальной дифракционной эффективности (в идеальном случае - нулевой) в промежуточной области,
в области III - низкой дифракционной эффективности в области полезного вывода излучения, что обеспечивает равномерный вывод изображения (то есть обеспечивается равномерная яркость изображения).
Вариант (b) соответствует:
в области I - максимальной дифракционной эффективности в области ввода излучения во вторую дифракционную решетку, благодаря чему излучение, вышедшее из расширяющего первого волновода, вводится во вторую дифракционную решетку с наименьшими потерями (максимальная дифракционная эффективность обеспечивает высокую яркость изображения и соответственно широкий диапазон настроек по яркости для пользователя),
в областях II и III - средней дифракционной эффективности (средней относительно максимума для типа решетки, которая будет применяться, под средним подразумевается промежуточное значение между максимальным и минимальным) в промежуточной области и в области полезного вывода излучения.
Вариант (с) соответствует:
в области I - максимальной дифракционной эффективности в области ввода излучения во вторую дифракционную решетку, благодаря чему излучение, вышедшее из расширяющего первого волновода, вводится во вторую дифракционную решетку с наименьшими потерями (максимальная дифракционная эффективность обеспечивает высокую яркость изображения и соответственно широкий диапазон настроек по яркости для пользователя),
и в промежуточной области и области полезного вывода (в областях II и III)- обеспечивается градиентная дифракционная эффективность, то есть, низкая дифракционная эффективность в области II постепенно возрастает в области III, такое распределение дифракционной эффективности увеличивает общую эффективность устройства, по сравнению с вариантом (а).
Вариант (d) соответствует:
в области I - максимальной дифракционной эффективности в области ввода излучения во вторую дифракционную решетку, благодаря чему излучение, вышедшее из расширяющего первого волновода, вводится во второй волновод с помощью второй дифракционной решетки с наименьшими потерями (максимальная дифракционная эффективность обеспечивает высокую яркость изображения и соответственно широкий диапазон настроек по яркости для пользователя),
в области II - минимальной дифракционной эффективности в промежуточной области,
в области III - в области полезного вывода обеспечивается градиентная дифракционная эффективность, то есть низкая дифракционная эффективность постепенно возрастает.
Экспериментально обнаружено, что самым эффективным является выполнение второго волновода согласно варианту (d), а самым простым в изготовлении является вариант (b).
На фигуре 4 изображен один из вариантов исполнения предлагаемого изобретения, в котором на промежуточной области II второго волновода 3 не происходит дифракция, то есть на промежуточной области II второго волновода вторая дифракционная решетка отсутствует или имеет нулевую эффективность. Эта часть не несет никакой функциональной нагрузки для вывода излучения, другими словами излучение в этой части второго волновода вообще не выходит из волновода, а посредством полного внутреннего отражения проходит дальше по волноводу. За счет этого уменьшаются потери излучения, и соответственно повышается эффективность устройства, по сравнению с примерами, показанными на фигурах 1 и 2, поскольку все равно излучение, исходящее из этой области второго волновода в вариантах, показанных на фигурах 1 и 2, не попадает в глаз пользователя.
На фигуре 5 изображен вариант исполнения изобретения в виде одного изогнутого волновода, то есть расширяющий первый волновод 2 с расширяющей первой дифракционной решеткой 2a представляет собой часть волновода, изогнутую в одну сторону, и второй волновод 3 со второй дифракционной решеткой 3a, является частью того же волновода, которая изогнута в другую сторону. Такой вариант очень удобен при изготовлении очков на основе устройства для отображения дополненной реальности. Принцип работы этого варианта исполнения точно такой же, как описано выше.
На фигуре 6 изображен вариант исполнения изобретения в виде параллельных расширяющего первого волновода 2 с расширяющей первой дифракционной решеткой 2а и зеркальным покрытием 4, и второго волновода 3 со второй дифракционной решеткой 3а. Такой вариант расположения волноводов может быть удобен при выполнении нашлемных систем дополненной реальности.
Предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности может быть использовано для реализации очков дополненной реальности, как показано на фигуре 7 (a, b, c).
В одной из конфигураций очков дополненной реальности (Фиг.7 a) система формирования и передачи изобретения для левого глаза (первый элемент) расположен отдельно от системы формирования и передачи изобретения для правого глаза (второй элемент), причем каждый из элементов содержит свою проекционную систему 1 и свой расширяющий первый волновод 2 с расширяющей первой дифракционной решеткой, причем второй волновод 3 и вторая дифракционная решетка 3а первого элемента (для левого глаза) расположены на отдельной левой рамке очков, располагающейся над левым глазом, а второй волновод 3 и вторая дифракционная решетка 3а второго элемента (для правого глаза) расположены на отдельной правой рамке очков, располагающейся над правым глазом. В таком варианте исполнения возможно обеспечить стереоизображение.
В одной из конфигураций очков дополненной реальности (Фиг.7 b) первый элемент (для левого глаза) объединен со вторым элементом (для правого глаза). Второй волновод 3 первого элемента (для левого глаза) является вторым волноводом и для второго элемента (для правого глаза), то есть является общим вторым волноводом 3. Общий второй волновод 3 с общей для левого и правого глаза вводной/выводной второй дифракционный решеткой 3а расположены на общей рамке очков, располагающейся над левым глазом и над правым глазом и объединяющей поля зрения для левого и правого глаза. В варианте (Фиг.7 b) каждый из первого элемента (для левого глаза) и второго элемента (для правого глаза) содержит свою проекционную систему 1 и расширяющий первый волновод 2 с расширяющей первой дифракционной решеткой, расположенные сбоку от левого и правого глаза соответственно. Необходимо отметить, что в таком варианте исполнения две проекционные системы 1 имеют один общий драйвер, для синхронизации их работы, но в таком варианте исполнения невозможно обеспечить стереоизображение.
В одной из конфигураций очков дополненной реальности (Фиг.7 с) первый элемент (для левого глаза) также объединен со вторым элементом (для правого глаза). Второй волновод 3 первого элемента (для левого глаза) является также вторым волноводом и для второго элемента (для правого глаза), то есть является общим вторым волноводом 3. Общий второй волновод 3 с вводной/выводной второй дифракционный решеткой 3a расположены на общей рамке очков, располагающейся над левым глазом и над правым глазом. В варианте (Фиг.7 с) первый элемент (для левого глаза) и второй элемент (для правого глаза) содержат одну проекционную систему 1 и один расширяющий первый волновод 2 с расширяющей первой дифракционной решеткой, расположенные соответственно сбоку (со стороны височной части) от левого или правого глаза соответственно.
Поскольку в предлагаемом изобретении используются все значимые дифракционные порядки - минус первый и первый порядок для расширения, то не происходят потери излучения. И за счет того, что первая и вторая дифракционные решетки расположены в разных плоскостях, а излучение выводится под тем же углом, под которым вводится, изображение, которое видит глаз, не ограничено ни по одной из осей координат, кроме того, изображение получается ярким и поле движение глаза является более широким и комфортным для пользователя.
В качестве проекционной системы может быть выбран любой компактный проектор, например, такой как проекторы DMD, проекторы LCoS, проекторы SLM, проекторы на основе лазерных сканеров и т.п.
На фигурах 8 a, b показано как именно происходит расширение (размножение) излучения в расширяющем первом волноводе с расширяющей первой дифракционной решеткой в варианте, когда расширяющая первая дифракционная решетка выполнена на первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы. Расширяющий первый волновод 2, содержащий расширяющую первую дифракционную решетку 2a, как показано на фигуре 8а и 8b, располагают в области выходного зрачка проекционной системы 1. Расширяющий первый волновод 2 состоит из прозрачного волновода, который может быть выполнен из любого подходящего материала (например, стекло, пластик, кристаллический материал и т.п.) по традиционным методикам, и расширяющей первой дифракционной решетки на первой плоской поверхности волновода, на которую падает излучение от проекционной системы.
Необходимо отметить, что важно, как штрихи расширяющей первой дифракционной решетки располагаются относительно падающего излучения. На фигуре 9 показано необходимое взаимное расположение штрихов расширяющей первой дифракционной решетки и падающего излучения, в случае такого расположения все порядки дифракции будут полезными. То есть необходимым условием возникновения расширения (размножения) излучения, падающего от проекционной системы, является расположение штрихов расширяющей второй дифракционной решетки именно вдоль направления распространения центра поля проекционной системы (не поперек). Необходимо разъяснить, что специалисту в данной области техники известны такие понятия как угловое поле и линейное поле, в настоящей заявке речь идет об угловых полях, так же специалисту в данной области техники понятны термины центр поля и край поля. Другими словами, штрихи расширяющей первой дифракционной решетки должны быть расположены вдоль проекции падающего излучения на дифракционную решетку. То есть острый угол между проекцией главного луча проекционной системы на плоскость первого волновода и линией штрихов должен находится в диапазоне ±30°.
Вернемся к фигурам 8а и 8b, попадая от проекционной системы 1 на расширяющую первую дифракционную решетку 2a луч, в результате дифракции, разделяется на несколько лучей (порядков дифракции), которые распространяются под определенными углами относительно падающего. Из этих нескольких лучей выделяют нулевой порядок «0» дифракции, который не меняет направления распространения относительно падающего, а также минус первый порядок дифракции «-1» и первый порядок дифракции «+1». Минус первый порядок дифракции «-1» и первый порядок дифракции «+1» распространяются симметрично под углами относительно падающего луча. Нулевой порядок 6 дифракции проходит через волновод и выходит из расширяющего первого волновода 2, не изменяя направления относительно падающего луча, и попадает на вторую дифракционную решетку 3a второго волновода 3. Минус первый порядок дифракции «-1» и первый порядок дифракции «+1» остаются в расширяющем первом волноводе, распространяясь в расширяющем первом волноводе, попадают на его противоположную поверхность (на поверхность, противоположную расширяющей первой дифракционной решетки), испытывают полное внутреннее отражение (ПВО) и снова попадают на расширяющую первую дифракционную решетку 2а расширяющего первого волновода 2. Далее минус первый порядок дифракции «-1» и первый порядок дифракции «+1», каждый испытывают дифракцию, в результате которой у каждого опять формируются свой «0» и «-1» и «+1» порядки дифракции. Каждый «0» порядок дифракции выходит из расширяющего первого волновода и попадает на вторую дифракционную решетку 3а второго волновода 3, а каждый из «-1» и «+1» распространяются в расширяющем первом волноводе 2, как уже было описано выше, и производят новые «0», «-1» и «+1» порядки дифракции, в результате чего происходит размножение или мультиплицирование зрачка 5 (фигура 8а), относительно излучения, попавшего в расширяющий первый волновод 2.
После падения лучей нулевых порядков дифракции из расширяющего первого волновода 2 на второй волновод 3, лучи нулевых порядков дифракции попадают на вторую дифракционную решетку 3a, выполненную во втором волноводе 3, которая обращена к глазу, при этом формируются порядки дифракции, нулевой «0», минус первый «-1» и первый «+1». Минус первый «-1» порядок дифракции распространяется в направлении от глаза и становится бесполезным. Нулевой «0» порядок дифракции проходит насквозь второго волновода и выходит из второго волновода в том же направлении, что и исходный луч, падающий из проекционной системы. И только «+1» порядок дифракции, распространяясь под углом к нулевому порядку дифракции, испытывает полное внутреннее отражение от стенки второго волновода, противоположной стенке второго волновода, обращенной к глазу, остается во втором волноводе, повторно попадает на вторую дифракционную решетку изнутри второго волновода, так же разделяется на «0», «+1», «-1» порядки дифракции, и уже этот новый «0» нулевой порядок дифракции выходит из второго волновода 3 по направлению к глазу и попадает в глаз. А новые плюс первые порядки «+1» дифракции распространяются дальше по волноводу, потом все повторяется: ПВО, дифракция и т.д., и каждый нулевой порядок дифракции попадет в глаз, как описано выше. Так как, благодаря расширению излучения, описанному выше, точек 5 выхода излучения много, и они разнесены в пространстве, образуется поле, в котором глаз может смещаться, то есть поле движения глаза, в котором изображение не пропадет из поля зрения глаза. Таким образом, формируется широкое поле движения глаза. За счет такой системы расширения излучения и использования всех порядков дифракции, в предлагаемом устройстве минимизируются потери излучения от проекционной системы по всем направлениям.
Если расширяющая первая дифракционная решетка расположена на первой поверхности волновода, на которую падает излучение от проекционной системы, излучение от проекционной системы попадает на расширяющую первую дифракционную решетку, дифрагирует на первый, нулевой и минус первый порядки дифракции и если расширяющая первая дифракционная решетка расположена на первой стороне расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы, то нулевой порядок дифракции выходит со второй стороны расширяющего первого волновода и попадает на вторую дифракционную решетку. Причем, если вторая поверхность расширяющего первого волновода, противоположная первой поверхности расширяющего первого волновода, на которую падает излучение от проекционной системы, имеет зеркальное покрытие, а расширяющая первая дифракционная решетка расположена на первой поверхности расширяющего первого волновода, то нулевой порядок вместе с первым и минус первым порядком дифракции попадает на зеркальную поверхность, отражается и выходит из первой поверхности расширяющего первого волновода.
Если расширяющая первая дифракционная решетка расположена на второй поверхности волновода, противоположной первой поверхности, на которую падает излучение от проекционной системы, излучение от проекционной системы попадает в волновод, проходит к расширяющей первой дифракционной решетке, дифрагирует на первый, нулевой и минус первый порядки дифракции, нулевой порядок дифракции выходит со второй стороны расширяющего первого волновода и попадает на вторую дифракционную решетку.
Как отмечалось выше, что для эффективного расширения излучения проекционная система должна быть расположена так, чтобы угол, под которым излучение от проекционной системы падает на расширяющий первый волновод и попадает на расширяющую первую дифракционную решетку, должен находиться в диапазоне от 0° до 90°по отношению к нормали к поверхности расширяющего первого волновода (см. фиг. 9), причем все излучение должно падать на расширяющий первый волновод относительно нормали к поверхности расширяющего первого волновода со стороны противоположной второму волноводу, другими словами, конус входящих лучей не должен выходить за упомянутую нормаль, чтобы все падающее излучение расширялось симметрично. При этом, как упоминалось выше острый угол между проекцией главного луча проекционной системы на плоскость первого волновода и линией штрихов должен находиться в диапазоне ±30°.
Как уже упоминалось выше, одна из особенностей предлагаемого изобретения заключается в том, что вторая дифракционная решетка, нанесенная на второй волновод, используется как для ввода излучения, падающего от расширяющего первого волновода, так и для вывода излучения в область глаза. То есть одинаковое направление штрихов дифракционной решетки используется как для ввода излучения во второй волновод, так и для вывода излучения из второго волновода в область глаза, благодаря расположению расширяющего первого волновода с расширяющей первой дифракционной решеткой и второго волновода со второй дифракционной решеткой в разных плоскостях.
Для наглядности преимущества предлагаемого изобретения, по сравнению с известным уровнем техники схематически показаны на фигурах 10а и 10b. На фигуре 10a показан элемент устройства дополненной реальности, типичный для известного уровня техники, а на фигуре 10b показано предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности. Как видно из фигуры 10a от проекционной системы в волновод попадает только узкая область излучения (a). После прохождения входной дифракционной решетки только один порядок дифракции попадает в волновод, и пересечения различных областей поля зрения нет в области вывода излучения в глаз. Крайняя часть поля зрения распространяется по волноводу под углом вниз (b) и в зрачок глаза не попадает, если глаз смотрит на центральную или верхнюю части поля зрения, в зрачок попадает только узкая область выходных пучков (c) излучения только от центральной части поля зрения, если глаз смотрит на центральную часть поля зрения, как следствие, глазу видна только узкая полоска изображения. Напротив, как показано на фигуре 10b, при использовании предлагаемого изобретения, область излучения (a) расширена в расширяющем первом волноводе 2, расширенное излучение попадает на второй волновод 3 и все расширенное излучение (b) и (с), пересекаясь, попадает в зрачок глаза, обеспечивая широкое поле движения глаза с сохранением нижней части изображения и боковых частей изображения.
В решениях, известных из уровня техники, когда есть ограничения по ширине поля зрения, то края изображения получаются четкими, поскольку нарушается полное внутреннее отражение и излучение, отвечающее за края изображения, не выходит в поле движения глаза. В предлагаемом устройстве пользователю видно все изображение, причем по краям изображения яркость спадает.
Благодаря предлагаемому изобретению большое поле зрения, обеспечивающее для пользователя широкое поле движения глаза, дает захватывающее ощущение присутствия, например, в игре или в фильме. Высокое разрешение обеспечивает реалистичное присутствие, пользователь может видеть все детали практически как в реальном мире. Просматривая фильм в очках, в которых используется предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, пользователь будет полностью погружен в виртуальный мир.
Предлагаемое изобретение может использоваться в любых устройствах AR/VR, HUD, HMD, где необходимо иметь изображение высокого разрешения и широкое поле зрения.
При ярком окружающем освещении, в том числе при солнечном свете, в очках дополненной реальности, использующих предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, будет обеспечиваться яркое и четкое изображение.
Хотя изобретение описано в связи 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 сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.
Реферат
Изобретение относится к способам отображения и устройствам дополненной реальности, выполненным на основе дифракционных и голографических оптических элементов, и позволяет увеличить видимое поле зрения, компактность, эффективность воспроизведения. Способ отображения содержит этапы: А) излучение от проекционной системы попадает на расширяющую первую дифракционную решетку; Б) дифракция каждого из лучей, падающих на первой решетке, образует минус первый порядок дифракции, нулевой порядок дифракции и первый порядок дифракции; В) нулевой порядок дифракции выходит из расширяющего первого волновода и попадает на второй волновод; Г) минус первый порядок дифракции и первый порядок дифракции распространяются в первом волноводе за счет полного внутреннего отражения (ПВО), возвращаются на первую решетку, попадая на нее в различных несовпадающих друг с другом точках, снова претерпевают дифракцию, каждый образуя новый минус первый порядок дифракции, новый нулевой порядок дифракции, новый первый порядок дифракции; Д) для каждого нового минус первого порядка дифракции, нового нулевого порядка дифракции, нового первого порядка дифракции повторяются этапы (В)-(Г); Е) каждый нулевой порядок дифракции, попавший на второй волновод, проходит по второму волноводу ко второй дифракционной решетке, причем дифракция каждого из лучей, попавших на вторую решетку, образует минус первый порядок дифракции, нулевой порядок дифракции и первый порядок дифракции, причем первый порядок дифракции испытывает ПВО от стенки второго волновода, противоположной стенке второго волновода, обращенной к глазу, повторно попадает на вторую решетку, образует новый минус первый порядок дифракции, новый нулевой порядок дифракции и новый первый порядок дифракции, причем упомянутый новый нулевой порядок дифракции выходит из волновода в направлении к глазу. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.
