RU2658151C1 - Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений - Google Patents

Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений Download PDF

Info

Publication number
RU2658151C1
RU2658151C1 RU2017133993A RU2017133993A RU2658151C1 RU 2658151 C1 RU2658151 C1 RU 2658151C1 RU 2017133993 A RU2017133993 A RU 2017133993A RU 2017133993 A RU2017133993 A RU 2017133993A RU 2658151 C1 RU2658151 C1 RU 2658151C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
prisms
light rays
optical
display
optical shutter
Prior art date
Application number
RU2017133993A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Викторович Муравьев
Дмитрий Евгеньевич Пискунов
Чжэел РЮ
Александр Викторович Морозов
Михаил Вячеславович Попов
Станислав Владимирович Полонский
Андрей Николаевич Путилин
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2017133993A priority Critical patent/RU2658151C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2658151C1 publication Critical patent/RU2658151C1/ru
Priority to KR1020180104779A priority patent/KR102671796B1/ko
Priority to US16/631,634 priority patent/US20200174250A1/en
Priority to EP18860996.0A priority patent/EP3629072B1/en
Priority to PCT/KR2018/011361 priority patent/WO2019066453A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • G02B26/0883—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements the refracting element being a prism
    • G02B26/0891—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements the refracting element being a prism forming an optical wedge
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/04—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light by periodically varying the intensity of light, e.g. using choppers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1066—Beam splitting or combining systems for enhancing image performance, like resolution, pixel numbers, dual magnifications or dynamic range, by tiling, slicing or overlapping fields of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G02B5/045—Prism arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3033—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state in the form of a thin sheet or foil, e.g. Polaroid
    • G02B5/3041—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state in the form of a thin sheet or foil, e.g. Polaroid comprising multiple thin layers, e.g. multilayer stacks
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformations in the plane of the image
    • G06T3/40—Scaling of whole images or parts thereof, e.g. expanding or contracting
    • G06T3/4053—Scaling of whole images or parts thereof, e.g. expanding or contracting based on super-resolution, i.e. the output image resolution being higher than the sensor resolution
    • G06T3/4069—Scaling of whole images or parts thereof, e.g. expanding or contracting based on super-resolution, i.e. the output image resolution being higher than the sensor resolution by subpixel displacements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/014—Head-up displays characterised by optical features comprising information/image processing systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0147—Head-up displays characterised by optical features comprising a device modifying the resolution of the displayed image
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

Изобретение относится к оптическому переключателю и системе формирования изображений, позволяющим формировать изображения высокого разрешения, на которых отсутствует «эффект решетки». Переключатель содержит электрически управляемый оптический затвор, выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света, и массив призм, расположенный на стороне оптического затвора, противоположной стороне, на которую падают лучи света. Призмы в массиве призм отделены друг от друга зазором и выполнены с возможностью отклонения лучей света, проходящих через оптический затвор, на заданный угол отклонения. При этом оптический затвор выполнен с возможностью функционирования в первом режиме работы и во втором режиме работы. В первом затвор выполнен с возможностью пропускания лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирования лучей света, падающих в направлении самих призм. Во втором затвор выполнен с возможностью блокирования лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускания лучей света, падающих в направлении самих призм. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к области техники формирования изображений, в частности к оптическому переключателю и системе формирования изображений, позволяющим формировать изображения высокого разрешения, и устранять «эффект решетки».
Настоящее изобретение может быть применено в тех случаях, когда необходимо обеспечить погружение пользователя в виртуальную реальность для выполнения разных задач, таких как 3D-моделирование, навигация, проектирование и т.д. Настоящее изобретение может быть также реализовано в различных, устанавливаемых на головах устройствах, таких как очки или шлемы виртуальной реальности (VR), которые в настоящее время популярны в игровой и образовательной индустриях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Этот раздел не предназначен для предоставления ключевых идей настоящего изобретения, а также какого-либо его ограничения. Единственное предназначение этого раздела состоит в том, чтобы предоставить читателю краткое описание решений из уровня техники, принадлежащих той же области техники, что и настоящее изобретение, и недостатков таких решений из уровня техники, чтобы читатель смог сформировать четкое представление о том, почему настоящее изобретение имеет важное значение.
Как известно, разрешение глаза человека ограничено значением 60 пикселей на градус, что является достаточным для того, чтобы позволить наблюдателю просматривать с комфортом визуальный контент на традиционных дисплеях смартфонов, мониторов, телевизоров. Это вызвано тем, что визуальный контент, отображаемый на этих дисплеях, просматривается глазом человека в пределах малого поля обзора (FOV).
Одна проблема возникает тогда, когда наблюдатель желает использовать устройства VR, такие как очки или шлемы VR, поскольку дисплеи устройств VR имеют оптические системы, обеспечивающие бóльшее FOV, чем традиционные оптические системы. В случае устройств VR разрешение всей системы VR не больше чем 15 пикселей на градус, что является недостаточным для глаза человека. Таким образом, изображения, формируемые устройствами VR, обычно имеют низкое разрешение.
Другая проблема состоит в том, что изображения, отображаемые устройствами VR, зачастую имеют визуальный артефакт, характеризуемый присутствием видимых четких линий, разделяющих пиксели на каждом изображении. Этот артефакт принято называть «эффектом решетки», поскольку наблюдатель чувствует себя так, как будто он/она смотрит на изображение через сетчатый экран, сформированный упомянутыми четкими линиями. «Эффект решетки» возникает, когда изображение масштабируется так сильно, что наблюдатель может видеть пространство между светодиодами (LED), формирующими пиксельную структуру дисплея. Таким образом, на изображениях, формируемых устройствами VR, также присутствует «эффект решетки».
В уровне техники существуют разные решения, предназначенные для устранения вышеуказанных проблем. Одно из них описано в документе US 20140049661 A1, который посвящен технологии формирования неподвижного кадра высокого разрешения. Согласно этой технологии, видеокамера может принимать первую конфигурацию, в которой она захватывает кадры с первым значением смещения пикселей. Затем происходит смена конфигурации видеокамеры на вторую конфигурацию, в которой видеокамера захватывает кадры со вторым значением смещения пикселей. Однако предложенная технология применима только к камере (ее не получится использовать в отношении зрительной системы). Кроме того, в указанном документе не раскрыт механизм смещения пикселей.
Другое решение, описанное в документе US 6587180 B2, относится к системе управления пучком света с использованием электропривода. Эта система имеет два варианта осуществления. Согласно первому варианту осуществления, система содержит дифракционную решетку и жидкокристаллический материал. Когда жидкий кристалл не находится в возбужденном состоянии, показатель преломления жидкого кристалла отличается от показателя преломления материала дифракционной решетки, что вызывает дифракцию света на дифракционной решетке в заданном направлении. Когда жидкий кристалл переводят в состояние, при котором его показатель преломления совпадает с показателем преломления дифракционной решетки, свет не дифрагирует на дифракционной решетке и, следовательно, будет распространяться в другом направлении, отличном от того, которое обеспечивается в невозбужденном состоянии жидкого кристалла. Согласно второму варианту осуществления, система образована электрически формируемыми решетками с использованием жидкокристаллического материала. Однако предложенная в указанном документе система является дорогостоящей и сложной в производстве.
Таким образом, существует потребность в системе формирования изображений, способной формировать изображения высокого разрешения, на которых отсутствует «эффект решетки». Желательно, чтобы такая система была проста, удобна и дешева в производстве и чтобы ее можно было устанавливать на голову, тем самым делая возможным ее применение в приложениях VR.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в устранении или смягчении вышеупомянутых недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники, которые заключаются в низком разрешении формируемых изображений и в наличии «эффекта решетки» на этих изображениях.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен оптический переключатель, содержащий электрически управляемый оптический затвор, выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света, и массив призм, расположенный на стороне оптического затвора, которая является стороной падения лучей света или стороной, противоположной стороне падения лучей света. Призмы в массиве призм отделены друг от друга зазором и выполнены с возможностью отклонения лучей света, проходящих через оптический затвор, на заданный угол отклонения. При этом оптический затвор выполнен с возможностью функционирования в первом режиме работы и во втором режиме работы следующим образом:
- в первом режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью пропускания лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирования лучей света, падающих в направлении самих призм; и
- во втором режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью блокирования лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускания лучей света, падающих в направлении самих призм.
В одном варианте осуществления первый режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор не подан никакой электрический сигнал, а второй режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор подан электрический сигнал. В другом варианте осуществления реализована обратная ситуация: первый режим работы соответствует поданному электрическому сигналу, а второй режим работы - отсутствию поданного электрического сигнала.
В одном варианте осуществления оптический затвор представляет собой оптико-механический затвор, электрооптический затвор или магнитооптический затвор.
В другом варианте осуществления оптический затвор выполнен в виде жидкокристаллической ячейки, состоящей из двух прозрачных подложек, слоя жидких кристаллов, расположенного между двумя прозрачными подложками, и по меньшей мере двух поляризаторов для управления светопропусканием жидких кристаллов в слое жидких кристаллов. Причем по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов расположен перед одной из двух прозрачных подложек, а по меньшей мере один другой из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов - после другой из двух прозрачных подложек. Массив призм при этом расположен на наружной поверхности одной из двух прозрачных подложек параллельно слою жидких кристаллов. Согласно данному варианту осуществления, в первом режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются непрозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются прозрачными для лучей света. Во втором режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются прозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются непрозрачными для лучей света.
В одном варианте осуществления прозрачные подложки выполнены из оптического стекла, полимера или кристалла.
В одном варианте осуществления призмы из массива призм расположены в одной из следующих компоновок: линейной, круговой, шахматной или произвольной. Призмы могут иметь клиновидную форму или могут иметь переменную толщину или показатель преломления для получения заданного угла отклонения лучей света.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложена система формирования изображений, содержащая дисплей, оптический переключатель согласно первому аспекту настоящего изобретения, по меньшей мере одну линзу и средство синхронизации. Дисплей имеет пиксельную структуру и выполнен с возможностью излучения лучей света, характеризующих заданное изображение. Оптический переключатель согласно первому аспекту настоящего изобретения предназначен для пропускания и отклонения лучей света от дисплея. Упомянутая по меньшей мере одна линза расположена между дисплеем и оптическим переключателем для перенаправления лучей света от дисплея к массиву призм. Средство синхронизации выполнено с возможностью управления работой дисплея и оптического переключателя посредством попеременного формирования и отправки на них:
- первых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие заданное изображение, и одновременно обеспечивают функционирование оптического затвора в первом режиме работы; и
- вторых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие смещенное изображение, которое должно быть смещено относительно заданного изображения на заданную величину, и одновременно обеспечивают переход оптического затвора во второй режим работы.
В одном варианте осуществления первые и вторые электрические сигналы представляют собой синхроимпульсы.
В одном варианте осуществления средство синхронизации реализовано в виде по меньшей мере одного контроллера, предназначенного для управления работой дисплея и оптического переключателя.
В одном варианте осуществления средство синхронизации реализовано в виде комбинации двух контроллеров, один из которых предназначен для управления работой дисплея, а другой - для управления работой оптического переключателя.
В одном варианте осуществления дисплей представляет собой дисплей смартфона, мобильного телефона, планшетного компьютера или цифрового медиа-плеера.
В одном варианте осуществления заданная величина, на которую смещенное изображение смещено относительно заданного изображения, выбрана таким образом, чтобы пиксели смещенного изображения находились между пикселями заданного изображения.
В одном варианте осуществления частота переключения между первыми и вторыми электрическими сигналами составляет 120 Гц и более.
Система согласно второму аспекту настоящего изобретения может быть использована в очках или шлеме виртуальной реальности.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего далее описания и просмотра сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает блок-схему системы формирования изображений в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2а-2г иллюстрируют примерные компоновки призм на поверхности оптического затвора;
Фиг. 3 показывает предпочтительный вариант осуществления оптического затвора в виде жидкокристаллической ячейки;
Фиг. 4а и 4б поясняют режимы работы оптического затвора;
Фиг. 5 поясняет принцип действия системы формирования изображений с Фиг. 1;
Фиг. 6-8 поясняют выбор параметров используемых призм.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство или система, раскрытая в данном документе, может быть реализована на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, указанных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, перечисленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
На Фиг. 1 схематически проиллюстрирована система 1 формирования изображений в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 1 формирования изображений является примером реализации раздельного управления работой дисплея и оптического переключателя (но не ограничена им). Система 1 формирования изображений содержит дисплей 2, оптический переключатель 3, линзу 4 и средство 5 синхронизации, реализованное в виде одного или комбинации из двух процессоров или контроллеров 6 и 7. В случае реализации с одним процессором или контроллером (не показано) процессор одновременно управляет работой дисплея 2 и переключателя 3, и этот вариант является предпочтительным. В реализации с комбинацией из двух процессоров или контроллеров 6 и 7 один из процессоров или контроллеров предназначен для управления работой дисплея 2, а другой - для управления работой оптического переключателя 3. Далее будет подробно описан каждый из конструктивных элементов системы 1 формирования изображений.
Дисплей 2 имеет пиксельную структуру и выполнен с возможностью излучения лучей света, характеризующих заданное изображение, в направлении глаз пользователя (на Фиг. 1 для простоты показан только один глаз), т.е. вдоль оси 8. Дисплей 2 может представлять собой дисплей смартфона, мобильного телефона, планшетного компьютера или цифрового медиаплеера. Кроме того, дисплей 2 может реализован в виде LED-дисплея (дисплей на основе светодиодов), OLED-дисплея (дисплей на основе органических светодиодов) или LCD-дисплея (жидкокристаллический дисплей) в зависимости от конкретного применения.
Линза 4 используется для обеспечения надлежащего перенаправления лучей света от дисплея 2 к оптическому переключателю 3. Для этого она расположена между дисплеем 2 и оптическим переключателем 3. Линза 4 может быть любого типа, подходящего для коллимации лучей света, излучаемых дисплеем 2. Типы таких линз хорошо известны специалистам в данной области техники, и по этой причине их подробное описание не будет приведено в настоящем документе.
Оптический переключатель 3 предназначен для пропускания и отклонения лучей света от дисплея 2 в течение определенного промежутка времени (в частности, пока не будет отключен дисплей 2). Характерной особенностью используемого в системе 1 оптического переключателя 3 является то, что он содержит электрически управляемый оптический затвор (не показан на Фиг. 1), выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света (от дисплея 2), и массив призм (не показан на Фиг. 1) для отклонения лучей света, прошедших через оптический затвор, на заданный угол отклонения (вычисление угла отклонения будет обсуждаться позднее). Призмы могут быть расположены на стороне оптического затвора, противоположной той стороне, на которую падают лучи света, или на самой стороне падения лучей света. Кроме того, призмы должны быть отделены друг от друга постоянным или переменным зазором. Варианты компоновки призм на поверхности оптического затвора показаны на Фиг. 2. Как видно, призмы из массива призм могут быть расположены в одной из следующих компоновок: линейной (см. Фиг. 2а), круговой (см. Фиг. 2б), шахматной (см. Фиг. 2в) или произвольной (см. Фиг. 2г). Кроме того, призмы могут иметь клиновидную форму или могут иметь переменную толщину или показатель преломления для получения заданного угла отклонения лучей света.
В одном варианте осуществления оптический затвор может быть реализован в виде оптико-механического затвора, электрооптического затвора или магнитооптического затвора. Все эти типы оптических затворов хорошо известны специалистам в данной области техники. В частности, принцип работы оптико-механических затворов основан на перекрывании лучей света посредством механического перемещения шторок, зеркал, призм и т.п. Действие электрооптического затвора основано на использовании линейного (эффекта Поккельса) или квадратичного (эффекта Керра) электрооптического эффекта, т.е. зависимости двулучепреломления среды от напряженности приложенного к ней электрического поля. Такой электрооптический затвор, как правило, состоит из электрооптической ячейки, помещенной между двумя параллельными (или скрещенными) поляризаторами. Управление электрооптическим затвором осуществляется за счет подачи на электрооптическую ячейку соответствующего напряжения. Что касается магнитооптического затвора, то принцип его работы основан на линейном магнитооптическом эффекте (эффекте Фарадея), т.е. зависимости угла поворота плоскости поляризации света, распространяющегося в среде, от напряженности магнитного поля, приложенного к ней. Магнитооптический затвор содержит ячейку Фарадея (оптическая среда, находящаяся в магнитном поле соленоида), которая установлена между двумя скрещенными поляризаторами. Управление затвором осуществляется изменением тока соленоида. Таким образом, в настоящем изобретении может использоваться любой из вышеуказанных оптических затворов.
В то же время, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, оптический затвор выполнен в виде жидкокристаллической ячейки 9, как схематически показано на Фиг. 3. В частности, жидкокристаллическая ячейка 9 состоит из двух прозрачных подложек 10 и 11, слоя 12 жидких кристаллов, расположенного между двумя прозрачными подложками 10 и 11, и двух поляризаторов 13 и 14 для управления светопропусканием жидких кристаллов в слое жидких кристаллов. При этом один из упомянутых поляризаторов расположен до слоя жидких кристаллов, а другой - после слоя жидких кристаллов. Как должно быть очевидно специалисту в данной области техники, число поляризаторов может быть и больше двух, в зависимости от конкретного применения и конкретных требований, предъявляемых к системе формирования изображений. Прозрачные подложки 10 и 11 могут быть выполнены из оптического стекла, полимера или кристалла. В показанном предпочтительном варианте осуществления массив 15 призм расположен на наружной поверхности одной из двух прозрачных подложек (в данном случае - на поверхности подложки 10) параллельно слою 12 жидких кристаллов. Жидкокристаллическая ячейка 9 дополнительно содержит группы прозрачных электродов 16 и 17 для приложения электрического поля к слою 12 жидких кристаллов. Группы прозрачных электродов могут быть выполнены, например, из материала ITO (оксид индия-олова) или из сплава IZO (оксид индия-цинк).
Согласно настоящему изобретению, оптический затвор, используемый в системе 1 формирования изображений, должен быть выполнен с возможностью функционирования в двух режимах работы. В первом режиме работы оптический затвор пропускает лучи света, падающие в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирует лучи света, падающие в направлении самих призм. Во втором режиме работы наблюдается обратная ситуация: оптический затвор блокирует лучи света, падающие в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускает лучи света, падающие в направлении самих призм. Применительно к варианту осуществления оптического затвора, показанному на Фиг. 3, вышесказанное означает, что в первом режиме работы участки слоя 12 жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются непрозрачными для лучей света, а участки слоя 12 жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются прозрачными для лучей света (см. Фиг. 4а); во втором режиме работы участки слоя 12 жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются прозрачными для лучей света, а участки слоя 12 жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются непрозрачными для лучей света (см. Фиг. 4б). При этом первый режим работы может соответствовать случаю, когда на оптический затвор не подан никакой электрический сигнал от средства 5 синхронизации (т.е. контроллера 6), а второй режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор подан электрический сигнал от средства 5 синхронизации (т.е. контроллера 7), или наоборот.
Возвращаясь вновь к Фиг. 1 и дополнительно рассматривая Фиг. 5, средство 5 синхронизации предназначено для управления работой дисплея 2 и оптического переключателя 3 посредством попеременного формирования и отправки на них первых электрических сигналов и вторых электрических сигналов в форме, например, синхроимпульсов. Первые электрические сигналы могут давать дисплею команду излучать лучи света, характеризующие заданное изображение (с низким разрешением), и одновременно обеспечивать функционирование оптического затвора в упомянутом первом режиме работы (например, не подавая никакого электрического сигнала на оптический затвор). Вторые электрические сигналы могут давать дисплею команду излучать лучи света, характеризующие смещенное изображение, которое должно быть смещено относительно заданного изображения на заданную величину, и одновременно обеспечивать переход оптического затвора во второй режим работы. В одном варианте осуществления средство 5 синхронизации может быть выполнено с возможностью переключения между первыми и вторыми электрическими сигналами с частотой 120 Гц и более. Таким образом, глаза пользователя будут видеть поочередно то заданное изображение, то смещенное изображение, которые в совокупности будут давать результирующее изображение с увеличенным разрешением (повышенным количеством пикселей - на фиг. 5 пиксели показаны маленькими черными квадратиками).
Что касается упомянутой заданной величины, на которую смещенное изображение должно быть смещено относительно заданного изображения, то она выбирается в зависимости от того, во сколько раз необходимо увеличить разрешение результирующего изображения, причем смещение может происходить в разных направлениях (по диагонали, по горизонтали и по вертикали) на одну величину (полпикселя, треть пикселя и т.д.). Например, если разрешение результирующего изображения необходимо увеличить в два раза, то необходимо смещать на полпикселя; если в три раза, то вначале необходимо смещать на 1/3 пикселя, потом на 2/3; если в 4 раза, то последовательно на 1/4, 1/2, 3/4. При увеличении разрешения в 3, 4 и т.д. раз необходимо добавить соответственно 2-й, 3-й и т.д. тип призм, отличающихся углом наклона или ориентации наклонной грани призмы, при этом угол наклона определяет величину смещения 1/4,1/2, 3/4 пикселя, а положение наклонной грани - направление смещения. Далее со ссылкой на Фиг. 6-8 будет пояснен способ выбора размеров и форм призм, необходимых для реализации настоящего изобретения. Размер призмы, обозначенный «a» на Фиг. 6, должен быть в несколько раз меньше размера зрачка глаза, чтобы одновременно можно было наблюдать смещенное и несмещенное (заданное) изображение. Размер зрачка изменяется примерно в диапазоне 3-8 мм. Поэтому размер призмы должен составлять 0,2-1,0 мм.
Обозначим угол отклонения лучей света буквой «σ». Он связан с преломляющим углом призмы θ соотношением (в случае малых углов падения, которое имеет место быть в рассматриваемом случае):
Figure 00000001
,
где n - показатель преломления материала призмы.
Из данной формулы можно определить угол θ, зная требуемый угол отклонения σ, который, в свою очередь, определяется по формуле:
σ=tg(s/f'),
где s - расстояние, равное половине расстояния между пикселями, f' - фокусное расстояние линзы 4 (см. Фиг. 7 и 8; на Фиг. 8 ① - это исходное положение пикселей, ② - смещенное на полпикселя положение пикселя, s - расстояние между исходным и смещенным положениями пикселя).
Описанным выше способом можно определить все необходимые параметры призм, используемых в настоящем изобретении.
Таким образом, была предложена система формирования изображений, позволяющая увеличить разрешение изображений и тем самым снизить или даже устранить «эффект решетки». Для этого в системе применяется оптический переключатель, содержащий электрически управляемый оптический затвор, описанный со ссылками на Фиг. 1, 3-5, и массив пространственно разнесенных призм, расположенный на стороне оптического затвора, противоположной стороне падения лучей света, и описанный со ссылками на Фиг. 2, 6-8. Предложенная система может быть использована в устройствах VR, AR, таких как очки и шлемы VR и AR.
Дополнительные аспекты изобретения станут очевидными после рассмотрения чертежей и представленного описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения и что некоторые элементы настоящего изобретения могут быть изменены в ряде аспектов, не отступая от идеи изобретения. Таким образом, чертежи и описание должны рассматриваться в качестве иллюстрации, а не ограничения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.

Claims (38)

1. Оптический переключатель, содержащий:
электрически управляемый оптический затвор, выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света; и
массив призм, расположенный на стороне оптического затвора, которая является стороной падения лучей света или стороной, противоположной стороне падения лучей света, причем призмы в массиве призм отделены друг от друга зазором и выполнены с возможностью отклонения лучей света, проходящих через оптический затвор, на заданный угол отклонения;
при этом оптический затвор выполнен с возможностью функционирования в первом режиме работы и во втором режиме работы следующим образом:
- в первом режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью пропускания лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирования лучей света, падающих в направлении самих призм; и
- во втором режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью блокирования лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускания лучей света, падающих в направлении самих призм.
2. Оптический переключатель по п. 1, в котором первый режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор не подан никакой электрический сигнал, а второй режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор подан электрический сигнал, или наоборот.
3. Оптический переключатель по п. 1 или 2, в котором оптический затвор представляет собой оптико-механический затвор, электрооптический затвор или магнитооптический затвор.
4. Оптический переключатель по п. 1 или 2, в котором оптический затвор выполнен в виде жидкокристаллической ячейки, состоящей из:
двух прозрачных подложек;
двух групп прозрачных электродов, расположенных между двумя прозрачными подложками;
слоя жидких кристаллов, расположенного между двумя прозрачными электродами;
по меньшей мере двух поляризаторов для управления светопропусканием жидких кристаллов в слое жидких кристаллов, причем по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов расположен перед одной из двух прозрачных подложек, а по меньшей мере один другой из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов - после другой из двух прозрачных подложек;
причем массив призм расположен на наружной поверхности одной из двух прозрачных подложек параллельно слою жидких кристаллов; и
при этом
- в первом режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются непрозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются прозрачными для лучей света; и
- во втором режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются прозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются непрозрачными для лучей света.
5. Оптический переключатель по п. 4, в котором прозрачные подложки и призмы выполнены из оптического стекла, полимера или кристалла.
6. Оптический переключатель по п. 4, в котором прозрачные электроды выполнены из сплава ITO.
7.Оптический переключатель по п. 4, в котором прозрачные электроды выполнены из сплава IZO.
8. Оптический переключатель по п. 1, в котором призмы из массива призм расположены в одной из следующих компоновок: линейной, круговой, шахматной или произвольной.
9. Оптический переключатель по п. 1, в котором призмы имеют клиновидную форму.
10. Оптический переключатель по п. 1, в котором призмы имеют переменную толщину или показатель преломления для получения заданного угла отклонения лучей света.
11. Система формирования изображений, содержащая:
дисплей, имеющий пиксельную структуру и выполненный с возможностью излучения лучей света, характеризующих заданное изображение;
оптический переключатель по одному из пп. 1-8, предназначенный для пропускания и отклонения лучей света от дисплея;
по меньшей мере одну линзу, расположенную между дисплеем и оптическим переключателем для перенаправления лучей света от дисплея к массиву призм и формирования изображения; и
средство синхронизации, выполненное с возможностью управления работой дисплея и оптического переключателя посредством попеременного формирования и отправки на них:
- первых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие заданное изображение, и одновременно обеспечивают функционирование оптического затвора в первом режиме работы; и
- вторых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие смещенное изображение, которое смещено относительно заданного изображения на заданную величину, и одновременно обеспечивают переход оптического затвора во второй режим работы.
12. Система по п. 11, в которой первые и вторые электрические сигналы представляют собой синхроимпульсы.
13. Система по п. 11, в которой средство синхронизации реализовано в виде по меньшей мере одного контроллера, предназначеного для управления работой дисплея и оптического переключателя.
14. Система по п. 11, в которой средство синхронизации реализовано в виде комбинации двух контроллеров, один из которых предназначен для управления работой дисплея, а другой - для управления работой оптического переключателя.
15. Система по п. 11, в которой дисплей представляет собой дисплей смартфона, мобильного телефона, планшетного компьютера или цифрового медиаплеера.
16. Система по п. 11, в которой заданная величина, на которую смещенное изображение смещено относительно заданного изображения, выбрана таким образом, чтобы пиксели смещенного изображения находились между пикселями заданного изображения.
17. Система по п. 11, в которой частота переключения между первыми и вторыми электрическими сигналами составляет 120 Гц и более.
18. Система по п. 11, выполненная с возможностью использования в очках или шлеме виртуальной реальности.
19. Система по п. 11, выполненная с возможностью использования в очках или шлеме дополненной реальности.
RU2017133993A 2017-09-29 2017-09-29 Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений RU2658151C1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017133993A RU2658151C1 (ru) 2017-09-29 2017-09-29 Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений
KR1020180104779A KR102671796B1 (ko) 2017-09-29 2018-09-03 광 스위치 및 이를 이용한 이미지 시스템
US16/631,634 US20200174250A1 (en) 2017-09-29 2018-09-27 Optical switch and image system using same
EP18860996.0A EP3629072B1 (en) 2017-09-29 2018-09-27 Optical switch and image system using same
PCT/KR2018/011361 WO2019066453A1 (ko) 2017-09-29 2018-09-27 광 스위치 및 이를 이용한 이미지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017133993A RU2658151C1 (ru) 2017-09-29 2017-09-29 Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658151C1 true RU2658151C1 (ru) 2018-06-19

Family

ID=62620374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017133993A RU2658151C1 (ru) 2017-09-29 2017-09-29 Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20200174250A1 (ru)
EP (1) EP3629072B1 (ru)
KR (1) KR102671796B1 (ru)
RU (1) RU2658151C1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2616306B (en) * 2022-03-04 2024-07-31 Envisics Ltd System and device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020181067A1 (en) * 1997-10-29 2002-12-05 Romanovsky Alexander B. Electro-optic switching assembly and method
JP4368074B2 (ja) * 2001-07-18 2009-11-18 富士通株式会社 光スイッチ装置
US8619354B2 (en) * 2008-12-24 2013-12-31 Samsung Electronics Co., Ltd. High speed optical shutter, method of operating the same and apparatus including the same

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100444981B1 (ko) * 2000-12-15 2004-08-21 삼성전자주식회사 착용형 디스플레이 시스템
US7097311B2 (en) * 2003-04-19 2006-08-29 University Of Kentucky Research Foundation Super-resolution overlay in multi-projector displays
KR100728204B1 (ko) * 2003-06-02 2007-06-13 삼성에스디아이 주식회사 2차원 영상과 3차원 영상 겸용 디스플레이 장치
RU2431876C2 (ru) * 2008-12-24 2011-10-20 Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." Камера трехмерного изображения с фотомодулятором
US8941751B2 (en) * 2011-05-06 2015-01-27 Empire Technology Development Llc Higher resolution still image generation from lower resolution video camera frames
JP6196934B2 (ja) * 2014-05-09 2017-09-13 オリンパス株式会社 表示方法及び表示装置
US20160178907A1 (en) * 2014-12-17 2016-06-23 Htc Corporation Head-mounted electronic device and display thereof
RU2642350C1 (ru) * 2016-12-29 2018-01-24 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Система формирования изображений (варианты осуществления)

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020181067A1 (en) * 1997-10-29 2002-12-05 Romanovsky Alexander B. Electro-optic switching assembly and method
JP4368074B2 (ja) * 2001-07-18 2009-11-18 富士通株式会社 光スイッチ装置
US8619354B2 (en) * 2008-12-24 2013-12-31 Samsung Electronics Co., Ltd. High speed optical shutter, method of operating the same and apparatus including the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP3629072B1 (en) 2021-09-15
EP3629072A1 (en) 2020-04-01
US20200174250A1 (en) 2020-06-04
EP3629072A4 (en) 2020-09-23
KR102671796B1 (ko) 2024-06-04
KR20190038315A (ko) 2019-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11287666B2 (en) Wearable data display
CN105009583B (zh) 透明自动立体显示器
US7630131B2 (en) Image display apparatus and optical member therefor
US10782554B2 (en) Display apparatus, display system having the same, and image display method thereof
KR101128519B1 (ko) 고해상도 오토스테레오스코픽 디스플레이
JP5852124B2 (ja) 立体ディスプレイシステムと、そのシステムに使用されるメガネおよびそのディスプレイ方法
RU2544254C2 (ru) Устройство отображения со многими ракурсами просмотра
US9772500B2 (en) Double-layered liquid crystal lens and 3D display apparatus
CN105652490B (zh) 一种显示眼镜及其驱动方法
GB2431728A (en) Multi-depth displays
US9500874B2 (en) Liquid crystal optical element and image display apparatus including the same
US20160353097A1 (en) Display switchable between 2d and 3d modes and control method thereof
US10859850B2 (en) Reflective 3D display device and display method
CN112596311A (zh) 一种显示面板及显示装置
RU2658151C1 (ru) Оптический переключатель и использующая его система формирования изображений
RU2727853C1 (ru) Динамический дисплей полностью объемного изображения
CN102226858B (zh) 立体显示设备
JP5121434B2 (ja) 電気光学装置
US20110279454A1 (en) Three-dimensional display and three-dimensional display system
JP5318014B2 (ja) 立体表示装置
JP2007334107A (ja) 表示素子
CN115728941A (zh) 一种显示装置及其显示方法
WO2019066453A1 (ko) 광 스위치 및 이를 이용한 이미지 시스템
JP2017102339A (ja) 画像表示装置及び画像表示方法
CN115685584A (zh) 一种显示面板、显示装置和显示方法