RU2719341C1 - Liquid crystal lens with tunable focus - Google Patents

Abstract

FIELD: augmented or virtual reality systems.SUBSTANCE: invention relates to augmented reality or virtual reality (AR/VR) systems, specifically to adjusting the focus of an image in display means. Display device for the AR/VR system comprises at least one source of images of virtual objects, at least one display for displaying images of virtual objects and at least one tunable lens. Latter comprises at least two tunable optical cells, each having an electrode structure configured to adjust the focal length of the tunable lens such that the optical power of the tunable lens changes with an equal dioptric pitch Δ.EFFECT: technical result consists in the possibility of fast adjustment of the focal length of the tunable lens with a given dioptric pitch within a wide range of the optical power of the lens.17 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к области систем дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), и более конкретно к регулировке фокуса изображения в средствах отображения упомянутых систем AR/VR в соответствии с положением виртуального изображения, вергенцией глаз и положением объектов.The present invention relates to the field of augmented reality or virtual reality (AR / VR) systems, and more particularly, to adjusting the image focus in the display means of said AR / VR systems in accordance with the position of the virtual image, the eye regeneration and the position of the objects.

Уровень техникиState of the art

В разрабатываемых в настоящее время системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) важное значение имеет разработка средств отображения для пользователя виртуального изображения, в частности изображения дополненной реальности, наложенного на изображение реального мира. С точки зрения пользователя, к отображению изображений в системах AR/VR на современном уровне предъявляются следующие требования: реалистичное ощущение глубины в изображении виртуальной реальности; высокая острота зрения (в особенности для пользователей с отклонениями в рефракции); и относительно высокое быстродействие при минимальных размерах устройства отображения. С точки зрения разработчика систем AR/VR в настоящее время к средствам отображения предъявляются следующие требования: большой диапазон регулирования оптической силы (по меньшей мере -4 дптр..+4 дптр); малый диоптрический шаг перестройки (например, 0,25 дптр); миниатюрный форм-фактор системы (например, гарнитура или наголовное устройство, интеллектуальные очки).In the systems of augmented reality or virtual reality (AR / VR) currently being developed, it is important to develop means of displaying a virtual image for a user, in particular an augmented reality image superimposed on a real-world image. From the user's point of view, the following requirements are imposed on the display of images in AR / VR systems at a modern level: a realistic sense of depth in the image of virtual reality; high visual acuity (especially for users with deviations in refraction); and relatively high performance with the minimum size of the display device. From the point of view of the developer of AR / VR systems, the following requirements are currently imposed on display devices: a large range of optical power regulation (at least -4 diopters .. + 4 diopters); small diopter adjustment step (for example, 0.25 diopters); miniature form factor of the system (for example, a headset or a headset, smart glasses).

Одной из проблем, существующих в уровне техники, является конфликт вергенции и аккомодации, приводящий к утомлению глаз пользователя. Большинство существующих гарнитур AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние и не могут перенести виртуальное изображение за пределы этого фокусного расстояния, вследствие чего вергенция глаз и расстояние, на котором происходит фокусировка глаз пользователя при аккомодации, не находятся в одной плоскости. Это вызывает утомление глаз пользователя, а также может привести к возникновению головной боли и тошноты. При одновременном наблюдении через устройство AR реальных объектов, расположенных на различных расстояниях, а также виртуальных объектов на фиксированном фокусном расстоянии, возникает так называемый конфликт вергенции и аккомодации (VAC). При этом в фокусе могут находиться либо виртуальные объекты, либо наблюдаемые объекты реального внешнего мира при фокусировке глаз на соответствующие объекты, но не те и другие объекты одновременно. В случае VR конфликт VAC возникает при несоответствии плоскости фокусировки (аккомодации глаз на дисплей) относительным размерам объекта (вергенции осей глаз на объект).One of the problems existing in the prior art is the conflict of vergence and accommodation, leading to fatigue of the user's eyes. Most existing AR / VR headsets have a fixed focal length and cannot transfer the virtual image beyond this focal length, as a result of which the eye vergence and the distance at which the user's eye focuses during accommodation are not in the same plane. This causes fatigue of the user's eyes, and can also lead to headaches and nausea. When real objects located at different distances, as well as virtual objects at a fixed focal length, are observed through an AR device, the so-called conflict of vergence and accommodation (VAC) occurs. In this case, either virtual objects or observable objects of the real external world can be in focus when the eyes are focused on the corresponding objects, but not both objects at the same time. In the case of VR, the VAC conflict arises when the focusing plane (accommodation of the eyes on the display) does not match the relative sizes of the object (the vergence of the axis of the eyes on the object).

Для решения этой проблемы в уровне техники предлагается, в частности, жидкокристаллическая (LC) линза с множеством фазовых уровней. Системы AR/VR требуют большой апертуры линзы для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости виртуального изображения. В решениях из уровня техники для достижения наибольшего возможного размера апертуры применяются либо дифракционные жидкокристаллические (LC) линзы с множеством фазовых уровней, либо линзы Альвареса. Однако линза Альвареса увеличивает общие габариты системы. Дифракционная жидкокристаллическая линза с большой апертурой имеет ограничения на максимальный достижимый диапазон оптической силы.To solve this problem, the prior art proposes, in particular, a liquid crystal (LC) lens with many phase levels. AR / VR systems require a large lens aperture to provide a realistic perception of the depth of field of a virtual image. In prior art solutions, either diffractive liquid crystal (LC) lenses with a plurality of phase levels or Alvarez lenses are used to achieve the largest possible aperture size. However, the Alvarez lens increases the overall dimensions of the system. A large aperture diffractive liquid crystal lens has limitations on the maximum attainable optical power range.

Решение такого вида известно из источника US20190041558 (опубликовано 7 февраля 2019 г., Magic Leap, Inc.). В известном решении регулировка фокуса определяется боковым смещением одного дифракционного оптического элемента (DOE) между частями линзы Альвареса. К недостаткам данного известного решения можно отнести большой размер системы, обусловленный наличием механических движущихся частей, а также обеспечение небольшого числа фокальных плоскостей с неравномерным диоптрическим шагом (1/3 дптр, 1/2 дптр, 1 дптр, 2 дптр, 4 дптр, бесконечность).This type of solution is known from US20190041558 (published February 7, 2019, Magic Leap, Inc.). In a known solution, the focus adjustment is determined by the lateral displacement of one diffractive optical element (DOE) between the parts of the Alvarez lens. The disadvantages of this known solution include the large size of the system due to the presence of mechanical moving parts, as well as providing a small number of focal planes with uneven diopter pitch (1/3 diopters, 1/2 diopters, 1 diopters, 2 diopters, 4 diopters, infinity) .

Другая проблема, присущая уровню техники, состоит в том, что необходимость большой апертуры линзы приводит либо к большому размеру, либо к необходимости использования множества адресуемых электродов, то есть применения в системе активной матрицы, что, в конечном итоге, усложняет производство системы и повышает её стоимость. Эта проблема в уровне техники решается, в частности, путём соединения электродов соответствующих номеров по зонам Френеля в одной линзе, что создаёт фиксированную структуру электродов, за счёт перегруппировки которой обеспечивается множество различных фокусных расстояний в системе.Another problem inherent in the prior art is that the need for a large aperture of the lens leads either to a large size or to the need to use many addressable electrodes, that is, the use of an active matrix in the system, which ultimately complicates the production of the system and increases it cost. This problem in the prior art is solved, in particular, by connecting the electrodes of the corresponding numbers in the Fresnel zones in one lens, which creates a fixed structure of the electrodes, due to the rearrangement of which provides many different focal lengths in the system.

Кроме того, уровню техники присуща проблема того, что в известных системах достигается небольшое количество фокальных плоскостей, а шаг изменения оптической силы не является равномерным, вследствие чего отсутствует возможность обеспечения некоторых значений оптической силы. Так, например, в источнике US10056057 (опубликован 21 августа 2018 г., Google LLC) раскрыта система, содержащая жидкие линзы с эластичной мембраной, линзу с фиксированной оптической силой, и панель отображения. В известной системе обеспечивается набор фокальных плоскостей за счёт использования двух жидких линз с эластичной мембраной, установленных последовательно (в виде стека). Однако в данном решении достигается лишь небольшое количество фокальных плоскостей, соответствующих значениям оптической силы в +3 дптр, +1 дптр, -1 дптр, -3 дптр.In addition, the prior art has the problem that in known systems a small number of focal planes is achieved, and the step of changing the optical power is not uniform, so that it is not possible to provide some values of the optical power. For example, in the source US10056057 (published on August 21, 2018, Google LLC) a system is disclosed comprising liquid lenses with an elastic membrane, a lens with a fixed optical power, and a display panel. The known system provides a set of focal planes through the use of two liquid lenses with an elastic membrane installed in series (in the form of a stack). However, in this solution, only a small number of focal planes are achieved, corresponding to optical power values of +3 diopters, +1 diopters, -1 diopters, -3 diopters.

Другое решение известно из US2018284464 (опубликовано 4 октября 2018 г., Facebook Technologies LLC). В данном известном решении каждая фокальная плоскость связана с соответствующим значением длины оптического пути световых лучей, которые распространяются от электронного дисплея к зрачку глаза. На пути от электронного дисплея к зрачку в известном решении расположен набор оптических элементов, таких как поляризаторы, четвертьволновые пластины, линзы и отражающие элементы. Увеличение количества отражений световых лучей, вызываемое этими элементами, удлиняет оптический путь, и, таким образом, формирует фокальную плоскость, которая находится дальше от пользователя. Однако недостатком данного известного решения также является лишь небольшое количество возможных фокальных плоскостей.Another solution is known from US2018284464 (published October 4, 2018, Facebook Technologies LLC). In this known solution, each focal plane is associated with a corresponding optical path length of the light rays that propagate from the electronic display to the pupil of the eye. On the way from the electronic display to the pupil in a known solution is a set of optical elements, such as polarizers, quarter-wave plates, lenses and reflective elements. The increase in the number of reflections of light rays caused by these elements lengthens the optical path, and thus forms a focal plane that is further from the user. However, the disadvantage of this known solution is also only a small number of possible focal planes.

В источнике WO2017216716 (опубликовано 21 декабря 2017 г., Optica Amuka (A.A.) LTD) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения глаза, при этом применяется структура электродов, состоящая из электродов одинаковой ширины, и обеспечивается непрерывное изменение оптической силы. К недостаткам данной системы можно отнести необходимость использования большого количества адресуемых электродов (по меньшей мере 100-400 электродов в плоском гибком кабеле (FFC)), малый размер активной зоны, и необходимость отслеживания положения глаза, что приводит к высокой сложности системы. Такой подход может быть принят в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.WO2017216716 (published December 21, 2017, Optica Amuka (AA) LTD) discloses a system in which the core is displaced throughout the lens aperture using eye tracking, using an electrode structure consisting of electrodes of the same width, and provides a continuous change in optical power. The disadvantages of this system include the need to use a large number of addressable electrodes (at least 100-400 electrodes in a flat flexible cable (FFC)), the small size of the active zone, and the need to track the position of the eye, which leads to high complexity of the system. This approach can be taken as the closest analogue of the claimed invention.

Существует потребность в быстрой регулировке фокусного расстояния перестраиваемой линзы с заданным диоптрическим шагом с применением компонентов, имеющих малый вес. Предпочтительно также расширение диапазона оптической силы перестраиваемой линзы и регулирование фокусного расстояния с меньшим шагом.There is a need for quick adjustment of the focal length of a tunable lens with a given diopter pitch using lightweight components. It is also preferable to expand the range of the optical power of the tunable lens and adjust the focal length with a smaller step.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведённое подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объём заявляемого изобретения. Объём правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.This section, which discloses various aspects and embodiments of the claimed invention, is intended to present a brief description of the claimed objects of the invention and variants of its implementation. A detailed description of technical means and methods that implement combinations of features of the claimed inventions is given below. Neither this disclosure of the invention nor the following detailed description and the accompanying drawings should be construed as defining the scope of the claimed invention. The scope of legal protection of the claimed invention is determined solely by the attached claims.

С учётом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании устройства отображения для системы дополненной или виртуальной реальности (AR/VR), в котором обеспечена возможность быстрой регулировки фокусного расстояния перестраиваемой линзы с заданным диоптрическим шагом в пределах широкого диапазона оптической силы линзы. При этом также достигается уменьшение веса и габаритов устройства отображения.In view of the aforementioned drawbacks of the prior art, an object of the present invention is to provide a display device for an augmented or virtual reality (AR / VR) system, in which it is possible to quickly adjust the focal length of a tunable lens with a given diopter pitch within a wide range of lens optical power. This also reduces the weight and size of the display device.

Для решения упомянутой задачи, в соответствии с одним аспектом изобретение относится к устройству отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), содержащему: по меньшей мере один источник изображений виртуальных объектов, по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки; причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ. В неограничивающем примерном варианте выполнения, упомянутый диоптрический шаг Δ составляет 0,25 дптр.To solve the aforementioned problem, in accordance with one aspect, the invention relates to a display device for an augmented reality or virtual reality (AR / VR) system, comprising: at least one image source of virtual objects, at least one display for displaying images of virtual objects, at least one tunable lens, wherein at least one tunable lens comprises at least two tunable optical cells; moreover, each of at least two tunable optical cells contains an electrode structure configured to adjust the focal length of the tunable lens in such a way that the optical power of the tunable lens changes with an equal diopter step Δ. In a non-limiting exemplary embodiment, said diopter step Δ is 0.25 diopters.

В варианте выполнения по меньшей мере одна перестраиваемая линза может содержать по меньшей мере два набора перестраиваемых оптических ячеек. Устройство может дополнительно содержать оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, и по меньшей мере одну перестраиваемую линзу. Оптический волновод может соединять источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первый набор перестраиваемых оптических ячеек и второй набор перестраиваемых оптических ячеек, при этом оптический волновод находится между первым набором перестраиваемых оптических ячеек и вторым набором перестраиваемых оптических ячеек. Первый набор перестраиваемых оптических ячеек может находиться перед источником изображений виртуальных объектов. Первый набор перестраиваемых оптических ячеек может находиться перед глазом пользователя. В варианте выполнения электродная структура может содержать концентрические кольцевые электроды, при этом центральный электрод выполнен в виде круга. В других вариантах выполнения электродная структура может содержать электроды, выполненные в виде параллельных полос, расположенных горизонтально или вертикально, либо электроды, выполненные в виде массива многоугольников. По меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки расположены смежно без зазора между ними. По меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки могут образовывать зависимую от поляризации структуру или независимую от поляризации структуру. В вариантах выполнения перестраиваемая линза может иметь круглую форму или прямоугольную форму.In an embodiment, the at least one tunable lens may comprise at least two sets of tunable optical cells. The device may further comprise an optical waveguide connecting a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, and at least one tunable lens. An optical waveguide can connect a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, a first set of tunable optical cells and a second set of tunable optical cells, while the optical waveguide is between the first set of tunable optical cells and the second set of tunable optical cells. The first set of tunable optical cells may be in front of the image source of virtual objects. The first set of tunable optical cells may be in front of the user's eye. In an embodiment, the electrode structure may comprise concentric ring electrodes, wherein the central electrode is in the form of a circle. In other embodiments, the electrode structure may include electrodes made in the form of parallel strips arranged horizontally or vertically, or electrodes made in the form of an array of polygons. At least two tunable optical cells are adjacent without a gap between them. At least two tunable optical cells may form a polarization dependent structure or a polarization independent structure. In embodiments, the tunable lens may have a circular shape or a rectangular shape.

В других аспектах изобретение также относится к системе дополненной реальности или системе виртуальной реальности, содержащей устройство отображения по первому аспекту изобретения.In other aspects, the invention also relates to an augmented reality system or virtual reality system comprising a display device according to a first aspect of the invention.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объёма настоящего изобретения.The drawings are provided herein to facilitate understanding of the essence of the present invention. The drawings are schematic and not drawn to scale. The drawings serve solely as an illustration and are not intended to determine the scope of the present invention.

На Фиг. 1 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению;In FIG. 1 schematically illustrates an embodiment of a display device for an AR / VR system according to the invention;

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению;In FIG. 2 schematically illustrates another embodiment of a display device for an AR / VR system according to the invention;

На Фиг. 3 схематично проиллюстрирована электродная структура перестраиваемой оптической ячейки согласно варианту выполнения изобретения;In FIG. 3 schematically illustrates the electrode structure of a tunable optical cell according to an embodiment of the invention;

На Фиг. 4 приведён схематичный вид в разрезе двух перестраиваемых оптических ячеек согласно варианту выполнения изобретения;In FIG. 4 is a schematic sectional view of two tunable optical cells according to an embodiment of the invention;

На Фиг. 5 показана принципиальная схема устройства отображения согласно варианту выполнения изобретения.In FIG. 5 is a schematic diagram of a display device according to an embodiment of the invention.

На Фиг. 6 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 1.In FIG. 6 schematically illustrates an embodiment of the display device of FIG. 1.

На Фиг. 7 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 1.In FIG. 7 schematically illustrates another embodiment of the display device of FIG. 1.

На Фиг. 8 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 2.In FIG. 8 schematically illustrates an embodiment of the display device of FIG. 2.

На Фиг. 9 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения по Фиг. 2.In FIG. 9 schematically illustrates another embodiment of the display device of FIG. 2.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Апертура линз и диапазон оптической силы относятся к основным параметрам средств отображения в системах дополненной реальности/виртуальной реальности (AR/VR), которые определяют конфигурацию разрабатываемых в настоящее время систем AR/VR. Системы AR/VR должны обладать большой апертурой линз для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости изображения виртуальных объектов. В недавних известных решениях, в которых был достигнут наибольший размер апертуры, применяется либо дифракционная жидкокристаллическая (LC) линза с множеством фазовых уровней, либо линза Альвареса. Однако линза Альвареса увеличивает общие габариты системы. Что касается дифракционной LC линзы с большой апертурой, то диапазон её оптической силы D ограничен, поскольку чем больше радиус линзы r, тем меньше достижимая оптическая сила D, поскольку:The lens aperture and the optical power range are among the main parameters of the display means in augmented reality / virtual reality (AR / VR) systems, which determine the configuration of the currently developed AR / VR systems. AR / VR systems must have a large aperture of lenses to provide a realistic perception of the depth of field of the image of virtual objects. Recent known solutions that have achieved the largest aperture size use either a diffractive liquid crystal (LC) lens with many phase levels or an Alvarez lens. However, the Alvarez lens increases the overall dimensions of the system. As for the diffractive LC lens with a large aperture, the range of its optical power D is limited, since the larger the radius of the lens r, the smaller the achievable optical power D, because:

уравнение (1)equation (1)

где N_max – максимальное число адресуемых электродов на зону Френеля для перестраиваемой линзы с оптической силой D, радиусом r, длиной волны λ, при этом для периода, с которым размещаются адресуемые электроды и который включает в себя размер электрода и расстояние между электродами, существует технологическое ограничение ΔR, равное сумме минимальной технологически возможной ширины электрода и минимального технологически возможного расстояния между электродами, при этом сумма ширины последнего электрода и расстояния от него до предыдущего электрода должно быть не меньше технологического ограничения.where N _max is the maximum number of addressable electrodes per Fresnel zone for a tunable lens with optical power D, radius r, wavelength λ, and for the period with which the addressable electrodes are placed and which includes the size of the electrode and the distance between the electrodes, there is a technological limitation ΔR equal to the sum of the minimum technologically possible width of the electrode and the minimum technologically possible distance between the electrodes, while the sum of the width of the last electrode and the distance from it to the previous of the electrode should be not less than technological limitations.

В соответствии с изобретением устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ.In accordance with the invention, a display device for an augmented reality or virtual reality (AR / VR) system comprises at least one tunable lens, wherein at least one tunable lens contains at least two tunable optical cells, each of at least two tunable optical cells contains an electrode structure configured to tune the focal length of the tunable lens so that the optical power of the tunable lens is is taken with equal diopter step Δ.

В предлагаемом изобретении обеспечивается большой размер апертуры линзы (по меньшей мере 20 мм) в сочетании с широким диапазоном оптической силы (в качестве неограничивающего примера, диапазон -4 дптр - +4 дптр), что достигается при помощи сочетания нескольких перестраиваемых оптических ячеек с взаимосвязанными значениями количества электродов в каждой из них.The present invention provides a large lens aperture size (at least 20 mm) in combination with a wide range of optical power (as a non-limiting example, the range of -4 diopters - +4 diopters), which is achieved by combining several tunable optical cells with interrelated values the number of electrodes in each of them.

Для этого в соответствии с изобретением выбирается диапазон оптической силы (

), который необходимо обеспечить для устройства отображения в системе AR/VR с равным диоптрическим шагом (

) с использованием линзы с радиусом r и существующим технологическим ограничением для периода электродов

. Минимальная дифракционная эффективность

выбирается в соответствии с практическими требованиями для оптической системы. На основе выбранной дифракционной эффективности рассчитывается количество фазовых уровней L на одну зону Френеля для данной дифракционной линзы по формуле:For this, in accordance with the invention, a range of optical power (

), which must be provided for the display device in the AR / VR system with equal diopter pitch (

) using a lens with a radius r and the existing technological limitation for the period of the electrodes

. Minimum diffraction efficiency

Selected in accordance with the practical requirements for the optical system. Based on the selected diffraction efficiency, the number of phase levels L per one Fresnel zone for a given diffraction lens is calculated by the formula:

уравнение (2)

equation (2)

Равный диоптрический шаг в соответствии с изобретением обеспечивается следующим образом. Выбирают первую перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой

, решают систему неравенств

, и находят максимальное значение k₁, с помощью которого рассчитывается максимальная оптическая сила для первой перестраиваемой оптической ячейки

, где k₁ – перепад оптических сил, указывающий, во сколько раз максимальная оптическая сила больше минимальной оптической силы для данной линзы. L – количество фазовых уровней на одну зону Френеля для данной линзы. A – постоянная величина, вычисляемая по следующей формуле:An equal diopter step in accordance with the invention is provided as follows.Choose the first tunable optical cell with minimal optical power

solve the system of inequalities

, and find the maximum value of k₁by which the maximum optical power for the first tunable optical cell is calculated

where k₁ - the difference in optical power, indicating how many times the maximum optical power is greater than the minimum optical power for a given lens. L is the number of phase levels per one Fresnel zone for a given lens. A is a constant calculated by the following formula:

Уравнение (3)

Equation (3)

С помощью полученного значения k₁ находят минимальное количество электродов

для первой перестраиваемой оптической ячейки. Таким образом, представленный расчет минимальной и максимальной оптических сил для первой перестраиваемой оптической ячейки и минимального количества электродов, необходимого для обеспечения этих оптических сил, полностью определяет первую перестраиваемую оптическую ячейку.Using the obtained value of k ₁ find the minimum number of electrodes

for the first tunable optical cell. Thus, the presented calculation of the minimum and maximum optical forces for the first tunable optical cell and the minimum number of electrodes necessary to provide these optical forces completely determines the first tunable optical cell.

Далее выбирают вторую перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой

, решают систему неравенств

, и находят максимальное значение для

, с помощью которого рассчитывают максимальную оптическую силу для второй перестраиваемой ячейки

. Для полученного значения

находят минимальное количество электродов на одну зону Френеля

, при этом

(

) полностью определяется значениями

.Next, choose the second tunable optical cell with minimal optical power

solve the system of inequalities

, and find the maximum value for

by which the maximum optical power for the second tunable cell is calculated

. For the resulting value

find the minimum number of electrodes per Fresnel zone

, wherein

(

) is completely determined by the values

.

Если вышеупомянутая система неравенств для выбора второй перестраиваемой оптической ячейки не может быть решена, это означает, что требуется большее количество оптических ячеек. Тогда в дополнение к вышеупомянутым двум перестраиваемым оптическим ячейкам выбирают третью перестраиваемую оптическую ячейку с минимальной оптической силой

, решают систему неравенств

, и находят сначала максимальное значение для

, а с помощью него и максимальную оптическую силу для второй ячейки

, затем максимальное значение для

и, соответственно, максимальную оптическую силу для третьей ячейки

. С помощью полученных значений

и

находят минимальное количество электродов на одну зону Френеля

для второй перестраиваемой оптической ячейки, а затем минимальное количество электродов на одну зону Френеля

для третьей перестраиваемой оптической ячейки.If the aforementioned system of inequalities for the choice of a second tunable optical cell cannot be solved, this means that more optical cells are required. Then, in addition to the aforementioned two tunable optical cells, a third tunable optical cell with a minimum optical power is selected

solve the system of inequalities

, and first find the maximum value for

, and with it the maximum optical power for the second cell

, then the maximum value for

and, accordingly, the maximum optical power for the third cell

. Using the obtained values

and

find the minimum number of electrodes per Fresnel zone

for the second tunable optical cell, and then the minimum number of electrodes per one Fresnel zone

for the third tunable optical cell.

Согласно изобретению, число перестраиваемых линз, каждая из которых состоит из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может быть выбрано в зависимости от конкретного варианта реализации устройства отображения согласно изобретению в системе дополненной реальности (AR) либо в системе виртуальной реальности (VR). При этом, в качестве неограничивающего примера, для реализации в системе AR/VR может потребоваться по меньшей мере одна перестраиваемая линза. При этом согласно изобретению количество перестраиваемых линз в устройстве отображения не обязательно зависит от необходимости/отсутствия необходимости коррекции зрения, поскольку оптическую силу линзы, перемещающей виртуальное изображение, можно изменить на величину рефракционной ошибки пользователя. Таким образом, согласно изобретению с достижением преимущества исключается необходимость дополнительной линзы, предназначенной именно для коррекции зрения. Тем не менее, в некоторых вариантах выполнения изобретения может быть использована перестраиваемая линза, предназначенная специально для коррекции зрения пользователя, однако следует понимать, что объём изобретения не ограничен такими вариантами выполнения, и в общем случае нет необходимости использования отдельной перестраиваемой линзы именно для этой цели. Ниже будут рассмотрены несколько вариантов выполнения изобретения с одной или двумя перестраиваемыми линзами в применении в системе AR или VR.According to the invention, the number of tunable lenses, each of which consists of at least two tunable optical cells, can be selected depending on the particular embodiment of the display device according to the invention in an augmented reality (AR) system or in a virtual reality system (VR). In this case, as a non-limiting example, for implementation in the AR / VR system may require at least one tunable lens. Moreover, according to the invention, the number of tunable lenses in the display device does not necessarily depend on the need / absence of the need for vision correction, since the optical power of the lens moving the virtual image can be changed by the amount of refractive error of the user. Thus, according to the invention, with the achievement of the advantage, the need for an additional lens designed specifically for vision correction is eliminated. Nevertheless, in some embodiments of the invention, a tunable lens can be used that is designed specifically to correct the user's vision, however, it should be understood that the scope of the invention is not limited to such embodiments, and in general there is no need to use a separate tunable lens for this purpose. Below will be considered several embodiments of the invention with one or two tunable lenses in use in an AR or VR system.

В общем случае устройство отображения согласно изобретению содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу. Каждая перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, конфигурация которых определяется в соответствии с принципами, рассмотренными выше. В конкретных вариантах выполнения изобретения число перестраиваемых оптических ячеек в каждой из по меньшей мере одной перестраиваемой линзы и количество электродов в упомянутых перестраиваемых оптических ячейках определяется следующими факторами:In the General case, the display device according to the invention contains at least one tunable lens. Each tunable lens contains at least two tunable optical cells, the configuration of which is determined in accordance with the principles discussed above. In specific embodiments, the number of tunable optical cells in each of the at least one tunable lens and the number of electrodes in said tunable optical cells are determined by the following factors:

- диапазоном требуемой оптической силы,- the range of required optical power,

- требуемым диоптрическим шагом,- the required diopter step,

- требуемой дифракционной эффективностью;- required diffraction efficiency;

- ограничено минимальным технологически возможным периодом электродов.- limited by the minimum technologically feasible period of the electrodes.

Как указано выше, число перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению в конкретных вариантах его реализации определяется двумя условиями: 1) применяется ли устройство отображения в системе AR или в системе VR; 2) у пользователя нормальное зрение или нужна его коррекция.As indicated above, the number of tunable lenses in the display device according to the invention in specific embodiments is determined by two conditions: 1) whether the display device is used in the AR system or in the VR system; 2) the user has normal vision or needs correction.

В вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе VR в общем случае необходима по меньшей мере одна перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки. Данная перестраиваемая линза предназначена для переноса изображения виртуальных объектов в требуемом диапазоне оптической силы и с требуемым диоптрическим шагом (т.е. решение проблемы VAC).In embodiments of a display device according to the invention in a VR system, in general, at least one tunable lens comprising at least two tunable optical cells is needed. This tunable lens is designed to transfer images of virtual objects in the required range of optical power and with the required dioptric pitch (i.e., solving the VAC problem).

В случае, если необходима коррекция зрения пользователя (т.е. зрение пользователя отклоняется от нормального), в вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе AR необходимы по меньшей мере две перестраиваемых линзы, каждая из которых содержит по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки.In case a user vision correction is necessary (i.e., the user's vision deviates from normal), in embodiments of the display device according to the invention in the AR system, at least two tunable lenses are required, each of which contains at least two tunable optical cells.

В случае, если необходима коррекция зрения пользователя (т.е. зрение пользователя отклоняется от нормального), в вариантах реализации устройства отображения согласно изобретению в системе VR также необходима по меньшей мере одна перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки. Упомянутая перестраиваемая линза также служит для переноса изображения виртуальных объектов в требуемом диапазоне оптической силы и с требуемым диоптрическим шагом, т.е. для решения проблемы VAC. Однако, в отличие от случая с нормальным зрением пользователя, значение оптической силы используемой по меньшей мере одной перестраиваемой линзы корректируется на величину рефракционной ошибки пользователя.In the event that user vision correction is required (i.e., the user's vision deviates from normal), in embodiments of the display device according to the invention in the VR system, at least one tunable lens comprising at least two tunable optical cells is also required. The said tunable lens also serves to transfer the image of virtual objects in the required range of optical power and with the required diopter step, i.e. to solve the VAC problem. However, unlike the case with normal vision of the user, the value of the optical power of the at least one tunable lens used is adjusted by the amount of refractive error of the user.

На Фиг. 1 схематично проиллюстрирован вариант выполнения устройства отображения согласно изобретению. Устройство отображения, применяемое в данном примерном варианте выполнения в системе дополненной реальности (AR), содержит по меньшей мере две перестраиваемых линзы для каждого из глаз пользователя. В показанном варианте выполнения устройство отображения содержит первую перестраиваемую линзу и вторую перестраиваемую линзу, обозначенные на Фиг. 1 «LC 1» и «LC 2», соответственно. Источник изображения виртуальных объектов находится на одном конце волновода, другой конец которого соединён с первой и второй перестраиваемыми оптическими ячейками. Оптическое излучение, формирующее изображение виртуальных объектов, передаётся по волноводу от источника изображения виртуальных объектов к первой и второй перестраиваемым линзам. При этом, как видно на Фиг. 1, оптическое излучение выводится из волновода и передаётся через первую перестраиваемую линзу в глаз пользователя. При этом первая перестраиваемая линза по существу может использоваться только для перемещения изображения виртуальных объектов вдоль оптической оси и для устранения конфликта вергенции и аккомодации глаз. Вторая перестраиваемая линза используется для компенсации оптической силы, создаваемой первой перестраиваемой линзой, для обеспечения пользователю возможности наблюдения объектов внешнего (реального) мира без помех и искажений, так же, как если бы пользователь смотрел на внешний мир «невооружённым» глазом, без системы AR.In FIG. 1 schematically illustrates an embodiment of a display device according to the invention. The display device used in this exemplary embodiment in an augmented reality (AR) system comprises at least two tunable lenses for each of the user's eyes. In the shown embodiment, the display device comprises a first tunable lens and a second tunable lens, indicated in FIG. 1 “LC 1” and “LC 2”, respectively. The image source of virtual objects is located at one end of the waveguide, the other end of which is connected to the first and second tunable optical cells. The optical radiation forming the image of virtual objects is transmitted along the waveguide from the image source of virtual objects to the first and second tunable lenses. Moreover, as can be seen in FIG. 1, optical radiation is output from the waveguide and transmitted through the first tunable lens to the user's eye. Moreover, the first tunable lens can essentially be used only to move the image of virtual objects along the optical axis and to eliminate the conflict of vergence and accommodation of the eyes. The second tunable lens is used to compensate for the optical power created by the first tunable lens, to enable the user to observe objects of the external (real) world without interference and distortion, just as if the user was looking at the outside world with the “naked eye”, without the AR system.

По меньшей мере одна перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может быть соединена с источником изображений виртуальных объектов посредством волновода. При этом один конец волновода может быть соединён с источником изображений виртуальных объектов, который выдаёт изображения виртуальных объектов с оптической силой D₀=0 (параллельный пучок лучей), а другой конец волновода может быть расположен между первой и второй перестраиваемыми линзами, каждая из которых состоит из по меньшей мере двух оптических ячеек, в результате чего оптическое излучение, формирующее изображение виртуальных объектов, передаваемое посредством волновода, отражается от внутренней поверхности волновода вследствие явления полного внутреннего отражения и проходит через первую линзу, состоящую по меньшей мере из двух перестраиваемых оптических ячеек, в глаз пользователя (см. Фиг. 1).At least one tunable lens, consisting of at least two tunable optical cells, can be connected to a source of images of virtual objects through a waveguide. In this case, one end of the waveguide can be connected to a source of images of virtual objects, which produces images of virtual objects with optical power D ₀ = 0 (parallel beam of rays), and the other end of the waveguide can be located between the first and second tunable lenses, each of which consists of at least two optical cells, as a result of which the optical radiation forming the image of virtual objects transmitted by the waveguide is reflected from the inner surface of the waveguide due to the phenomenon of total internal reflection, and passes through a first lens, consisting of at least two tunable optical cells in the user's eye (see. FIG. 1).

Модификация варианта выполнения с перестраиваемыми линзами, соединёнными волноводом с источником изображений виртуальных объектов, проиллюстрирована на Фиг. 6. В данном варианте выполнения устройства отображения согласно изобретению в системе AR используются по меньшей мере две перестраиваемых линзы, одна из которых служит для переноса изображения виртуальных объектов на ту же фокальную плоскость, где находится реальный объект внешнего мира (решение проблемы VAC), а вторая перестраиваемая линза служит для корректировки изображения реальных объектов, получаемого из внешнего мира, для обеспечения пользователю возможности наблюдения внешнего мира через систему AR с той же чёткостью и резкостью, что и без системы AR. В данном случае перестраиваемые линзы выбираются и конфигурируются таким образом, чтобы оптическая сила второй перестраиваемой линзы всегда была в точности равна оптической силе первой перестраиваемой линзы, но с обратным знаком. При этом обе из по меньшей мере двух перестраиваемых линз в реализации изобретения в системе AR состоят из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек и, соответственно, сами также являются перестраиваемыми в требуемом диапазоне и при заданных ограничениях. При этом согласно варианту выполнения, проиллюстрированному на Фиг. 6, линза LC1 и линза LC2 имеют оптические силы, равные по модулю, но обратные по знаку, (–D _virt +D _virt =0) Изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее оптической силе линзы LC1. Изображение от внешнего мира воспринимается глазом так, как будто наголовного устройства нет. В данном варианте выполнения не предусматривается коррекция рефракционной ошибки глаз пользователя.A modification of an embodiment with tunable lenses connected by a waveguide to a source of images of virtual objects is illustrated in FIG. 6. In this embodiment, the display device according to the invention in the AR system uses at least two tunable lenses, one of which is used to transfer the image of virtual objects to the same focal plane where the real object of the outside world is located (solving the VAC problem), and the second the tunable lens serves to adjust the image of real objects received from the outside world, to provide the user with the opportunity to observe the outside world through the AR system with the same sharpness and sharpness, even without AR system. In this case, tunable lenses are selected and configured so that the optical power of the second tunable lens is always exactly equal to the optical power of the first tunable lens, but with the opposite sign. In this case, both of the at least two tunable lenses in the implementation of the invention in the AR system consist of at least two tunable optical cells and, accordingly, are themselves tunable in the required range and under specified restrictions. Moreover, according to the embodiment illustrated in FIG. 6, the LC1 lens and the LC2 lens have optical powers equal in magnitude but opposite in sign, ( –D _virt + D _virt = 0 ) The image of virtual objects moves at the focal length corresponding to the optical power of the LC1 lens. The image from the outside world is perceived by the eye as if there was no head unit. In this embodiment, correction of the refractive error of the user's eyes is not provided.

На Фиг. 7 показана модификация данного варианта выполнения, в которой предусматривается коррекция рефракционной ошибки глаз пользователя, то есть по существу коррекция зрения пользователя для обеспечения пользователю возможности наблюдения резких и четких изображений виртуальных объектов и объектов реального мира. В данном варианте выполнения линза LC1 имеет оптическую силу, складывающуюся их двух компонент: одна компонента соответствует оптической силе, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние; вторая компонента соответствует оптической силе, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя. Линза LC2 имеет оптическую силу, равную, но обратную по знаку компоненте оптической силы линзы LC1, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов (-D _virt +D _virt ). В результате изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее суммарной оптической силе, состоящей из вышеописанных двух компонент для LC1, причем пользователь видит его четко, поскольку оптическая сила скорректирована с учетом рефракционной ошибки его глаза (-D _virt +D _virt +D _{err_eye} ). Изображение от внешнего мира пользователь видит четко, поскольку оптическая сила, соответствующая фокусному расстоянию для изображения от внешнего мира, состоит только из компоненты (D _{err_eye} ), необходимой для коррекции рефракционной ошибки пользователя.In FIG. 7 shows a modification of this embodiment in which correction of the refractive error of the user's eyes is provided, that is, essentially correction of the user's vision to enable the user to observe sharp and clear images of virtual objects and real-world objects. In this embodiment, the LC1 lens has an optical power that consists of two components: one component corresponds to the optical power necessary to transfer the image of virtual objects to the required focal length; the second component corresponds to the optical power necessary to correct the refractive error of the user's eye. Lens LC2 has an optical power equal to but opposite in sign to the optical power component of the LC1 lens, which is necessary for transferring images of virtual objects (-D _virt + D _virt ) . As a result, the image of virtual objects moves to the focal length corresponding to the total optical power consisting of the above two components for LC1, and the user sees it clearly, since the optical power is adjusted for the refractive error of his eye ( -D _virt + D _virt + D _{err_eye} ) . Image by external user sees the world clearly, since the optical power corresponding to the focal length of the image from the outside world consists only of components (D _{err_eye),} necessary for the correction of refractive user error.

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован другой вариант выполнения устройства отображения для системы AR/VR согласно изобретению, в котором устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) также содержит по меньшей мере две перестраиваемых линзы для каждого из глаз пользователя. В показанном варианте выполнения устройство отображения содержит первую и вторую перестраиваемые линзы, обозначенные на Фиг. 2 «LC 1» и «LC 2», соответственно. Источник изображения виртуальных объектов в данном варианте выполнения расположен непосредственно перед первой перестраиваемой линзой, и оптическое излучение, проходящее через первую перестраиваемую линзу, передаётся по волноводу, отражаясь вследствие явления полного внутреннего отражения от внутренней структуры самого волновода, в глаз пользователя.In FIG. 2 schematically illustrates another embodiment of a display device for an AR / VR system according to the invention, in which a display device for an augmented reality (AR) system also comprises at least two tunable lenses for each of the user's eyes. In the shown embodiment, the display device comprises first and second tunable lenses, indicated in FIG. 2 “LC 1” and “LC 2”, respectively. The image source of virtual objects in this embodiment is located directly in front of the first tunable lens, and the optical radiation passing through the first tunable lens is transmitted through the waveguide, reflected due to the phenomenon of total internal reflection from the internal structure of the waveguide itself, into the user's eye.

На Фиг. 8 показана модификация данного варианта выполнения изобретения, в которой Линза LC1 имеет оптическую силу, необходимую для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние. Линзу LC2 можно убрать (или выключить, тогда её оптическая сила равна 0). Поэтому в данном примерном варианте выполнения для применения изобретения в системе AR в случае нормального зрения пользователя требуется по меньшей мере одна перестраиваемая линза, поскольку использование волновода позволяет поместить линзу LC1 не непосредственно перед глазом (что индуцирует дополнительную оптическую силу не только для изображения виртуальных объектов, но и для изображения объектов внешнего мира, и это требует корректировки), а позволяет вынести линзу LC1 за пределы зоны видимости глаза пользователя - перед источником изображений виртуальных объектов, как это изображено на Фиг 2. В результате в данном варианте выполнения изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее оптической силе линзы LC1, а изображение от внешнего мира воспринимается глазом так, как будто наголовного устройства нет (поскольку линза LC2 или отсутствует, или выключена, т.е. оптическая сила линзы LC2 равна 0).In FIG. Figure 8 shows a modification of this embodiment of the invention in which the LC1 Lens has the optical power necessary to transfer the image of virtual objects to the required focal length. The LC2 lens can be removed (or turned off, then its optical power is 0). Therefore, in this exemplary embodiment, for the application of the invention in the AR system in the case of normal user vision, at least one tunable lens is required, since the use of a waveguide allows the LC1 lens to be placed not directly in front of the eye (which induces additional optical power not only for imaging virtual objects, but and for the image of objects of the outside world, and this requires adjustment), but it allows you to take the LC1 lens out of the reach of the user's eye - in front of the source and images of virtual objects, as shown in Fig 2. As a result, in this embodiment, the image of virtual objects moves to the focal length corresponding to the optical power of the LC1 lens, and the image from the outside world is perceived by the eye as if there was no head-mounted device (since the LC2 lens or absent, or off, i.e. the optical power of the LC2 lens is 0).

На Фиг. 9 показана модификация варианта выполнения изобретения по Фиг. 2 для случая, когда выполняется коррекция рефракционной ошибки глаза пользователя. В этом варианте выполнения линза LC1 имеет оптическую силу, складывающуюся из двух компонент: одна компонента (D _virt ) соответствует оптической силе, необходимой для переноса изображения виртуальных объектов на необходимое фокусное расстояние; вторая компонента (D _{err_eye} ) соответствует оптической силе, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя. Линза LC2 имеет оптическую силу, необходимую для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя (D _{err_eye} ). В результате изображение виртуальных объектов перемещается на фокусное расстояние, соответствующее суммарной оптической силе, состоящей из вышеописанных двух компонент, причем пользователь видит его четко, поскольку оптическая сила скорректирована с учетом рефракционной ошибки его глаза. Изображение от внешнего мира пользователь также видит четко, поскольку оптическая сила, соответствующая фокусному расстоянию для изображения от внешнего мира, состоит только из компоненты, необходимой для коррекции рефракционной ошибки глаза пользователя.In FIG. 9 shows a modification of the embodiment of FIG. 2 for a case where a correction of a refractive error of a user's eye is performed. In this embodiment, the LC1 lens has an optical power of two components: one component ( D _virt ) corresponds to the optical power necessary to transfer the image of virtual objects to the required focal length; the second component (D _{err_eye)} corresponds to the optical power required for correcting refractive error by user's eyes. LC2 lens has optical power required for correcting refractive error by user eyes (D _{err_eye).} As a result, the image of virtual objects moves to the focal length corresponding to the total optical power consisting of the above two components, and the user sees it clearly, since the optical power is adjusted taking into account the refractive error of his eye. The user also sees the image from the outside world clearly, since the optical power corresponding to the focal length for the image from the outside world consists only of the component necessary to correct the refractive error of the user's eye.

Следует отметить, что изобретение имеет преимущество по сравнению с известными решениями из уровня техники, состоящее, в частности, в том, что согласно изобретению исключается необходимость перемещения активной зоны по всей апертуре («сканирования апертуры») какой-либо из линз, в отличие, например, от ближайшего аналога по WO2017216716.It should be noted that the invention has an advantage over known solutions from the prior art, consisting, in particular, in that according to the invention eliminates the need to move the core across the aperture ("scan aperture") of any of the lenses, in contrast, for example, from the closest analogue of WO2017216716.

Согласно изобретению, в устройстве отображения для системы AR/VR обеспечивается равный шаг изменения оптической силы ∆ (диоптрический шаг). Δ и L определяют количество электродов N₁ для первой оптической ячейки. N₁ определяет структуру электродов (например, их радиус и ширину).According to the invention, in the display device for the AR / VR system, an equal step of changing the optical power Δ (dioptric step) is provided. Δ and L determine the number of electrodes N ₁ for the first optical cell. N ₁ determines the structure of the electrodes (for example, their radius and width).

Структура электродов второй ячейки (их радиус и ширина) определяется значением

, которое равно минимальному количеству электродов, необходимых для обеспечения максимального при данных ограничениях перепада оптических сил

второй ячейки. При этом значение

рассчитывается из значения N₁ для первой ячейки. Это означает, что структура второй ячейки полностью определяется структурой первой ячейки при данных ограничениях и требованиях к оптической системе.The structure of the electrodes of the second cell (their radius and width) is determined by the value

, which is equal to the minimum number of electrodes necessary to ensure the maximum under the given limitations of the optical power difference

second cell. In this case, the value

calculated from the value of N ₁ for the first cell. This means that the structure of the second cell is completely determined by the structure of the first cell under the given restrictions and requirements for the optical system.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения электроды в каждой перестраиваемой оптической ячейке имеют кольцеобразную форму и расположены концентрически, при этом первый электрод, расположенный в центре, имеет форму круга. Однако возможны и другие формы выполнения электродной структуры, образуемой электродами, например, но не в качестве ограничения, в виде параллельных полос или в виде массива многоугольников. Кроме того, возможно использование электродной структуры любой неправильной формы. Линза с перестраиваемым фокусом, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, может иметь прямоугольную, круглую или любую другую пригодную форму апертуры, в зависимости от выбранной формы выполнения электродной структуры. Следует отметить, что форма апертуры линзы не ограничена круглой и прямоугольной, и может также быть, в частности, прямоугольной, многоугольной или криволинейной, т.е. согласно изобретению апертура линзы может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.In a preferred embodiment, the electrodes in each tunable optical cell are ring-shaped and arranged concentrically, with the first electrode located in the center having the shape of a circle. However, other forms of execution of the electrode structure formed by the electrodes are possible, for example, but not as a limitation, in the form of parallel stripes or in the form of an array of polygons. In addition, it is possible to use the electrode structure of any irregular shape. A tunable focus lens, consisting of at least two tunable optical cells, may have a rectangular, round, or any other suitable aperture shape, depending on the selected electrode embodiment. It should be noted that the shape of the lens aperture is not limited to round and rectangular, and can also be, in particular, rectangular, polygonal or curved, i.e. according to the invention, the lens aperture may have an arbitrary shape determined by the practical requirements for the optical system, size restrictions, requirements for the shape and size of the electrodes, etc.

Выбор формы электродов связан, в частности, с типом перестраиваемой линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения. Так, например, для формирования сферической перестраиваемой линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, выбирают четыре перестраиваемых оптических ячейки с параллельными электродами в форме полос (для фокусировки света как с x-, так и y-направлением поляризации). Кроме того, для фокусировки света как с x-, так и y-поляризацией также можно выбрать две перестраиваемых оптических ячейки с концентрическими кольцевыми электродами с достижением того же результата, что и в вышеуказанном случае с четырьмя перестраиваемыми оптическими ячейками с электродами в форме полос. В зависимости от различных факторов может быть предпочтителен тот или иной вариант выполнения перестраиваемых оптических ячеек в пределах объёма правовой охраны настоящего изобретения. Так, например, выбор конфигурации перестраиваемых оптических ячеек может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды).The choice of the shape of the electrodes is associated, in particular, with the type of tunable lens that needs to be formed for this embodiment of the invention. So, for example, to form a spherical tunable lens, the transmission of which does not depend on the polarization of the incident light, choose four tunable optical cells with parallel electrodes in the form of stripes (for focusing light with both x- and y-direction of polarization). In addition, for focusing light with both x- and y-polarization, it is also possible to select two tunable optical cells with concentric ring electrodes with the same result as in the above case with four tunable optical cells with strip-shaped electrodes. Depending on various factors, one or another embodiment of tunable optical cells may be preferred within the scope of legal protection of the present invention. So, for example, the configuration choice of tunable optical cells may be due to the need to reduce the thickness of the optical system (then choose ring electrodes) or the simplicity of the production of electrodes (then choose strip electrodes).

Вариант выполнения изобретения с электродной структурой, содержащей концентрически расположенные кольцевые электроды, будет рассматриваться ниже лишь в качестве неограничивающего примера, при этом специалисту в данной области техники будет понятно, что электродная структура может быть реализована и в других конфигурациях, как перечисленных в настоящем документе в явном виде, так и в прочих, которые не перечислены в явном виде, но также могут быть использованы для реализации принципов настоящего изобретения.An embodiment of the invention with an electrode structure containing concentrically arranged ring electrodes will be considered below only as a non-limiting example, and it will be clear to a person skilled in the art that the electrode structure can be implemented in other configurations as listed explicitly in this document form, and in others that are not explicitly listed, but can also be used to implement the principles of the present invention.

В одном примере электродная структура, состоящая из кольцевых электродов, может быть выполнена в перестраиваемой оптической ячейке, имеющей диаметр апертуры 20 мм. В такой электродной структуре электроды могут образовывать, в качестве неограничивающего примера, 24 зоны Френеля, характеризуемые шириной самого электрода и промежутком (расстоянием, обозначаемым далее в материалах настоящей заявки g) между электродами, в первой из двух перестраиваемых оптических ячеек, и 96 зон Френеля для второй из двух перестраиваемых оптических ячеек.In one example, an electrode structure consisting of ring electrodes can be made in a tunable optical cell having an aperture diameter of 20 mm. In such an electrode structure, the electrodes can form, as a non-limiting example, 24 Fresnel zones, characterized by the width of the electrode itself and the gap (distance designated further in the materials of this application g ) between the electrodes, in the first of two tunable optical cells, and 96 Fresnel zones for the second of two tunable optical cells.

При этом конфигурация каждой из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек может быть такой, что первая перестраиваемая оптическая ячейка обеспечивает оптическую силу в диапазоне от 0,25 дптр до 1 дптр (для перестраиваемой оптической ячейки с 24 зонами Френеля), а вторая перестраиваемая оптическая ячейка обеспечивает оптическую силу в диапазоне от 1 дптр до 3 дптр (для перестраиваемой оптической ячейки с 96 зонами Френеля), при этом диапазон оптической силы двух оптических ячеек в сумме составляет 4 дптр. Использование двух перестраиваемых оптических ячеек обеспечивает преимущество, состоящее в том, что вместе они обеспечивают равный диоптрический шаг в пределах всего обеспечиваемого ими диапазона оптических сил, показанного выше.In this case, the configuration of each of at least two tunable optical cells can be such that the first tunable optical cell provides optical power in the range from 0.25 diopters to 1 diopters (for a tunable optical cell with 24 Fresnel zones), and the second tunable optical cell provides optical power in the range from 1 diopter to 3 diopter (for a tunable optical cell with 96 Fresnel zones), while the optical power range of two optical cells in total is 4 diopters. The use of two tunable optical cells provides the advantage that, together, they provide an equal dioptric pitch within the entire range of optical powers provided by them, as shown above.

Первая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух таких перестраиваемых оптических ячеек может использоваться для передачи изображений виртуальных объектов в область обзора системы AR/VR, при необходимости сохраняя возможность наблюдения пользователем реального мира (в случае системы AR), а вторая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух таких перестраиваемых оптических ячеек, может использоваться коррекции положения изображения, получаемого от внешнего/реального мира (в случае системы AR), в результате чего пользователь видит «в фокусе» резкое изображение как реального мира, так и изображение объектов виртуального мира, передаваемое в поле зрения пользователя (см. Фиг. 1, 6, 7).The first tunable lens, consisting of at least two such tunable optical cells, can be used to transfer images of virtual objects to the field of view of the AR / VR system, while maintaining the possibility of the user observing the real world (in the case of the AR system), and the second tunable lens, consisting of of at least two such tunable optical cells, positional correction of the image received from the external / real world (in the case of the AR system) can be used, as a result of which the user sees “in focus” a sharp image of both the real world and the image of objects of the virtual world transmitted in the user's field of vision (see Fig. 1, 6, 7).

В другом варианте выполнения первая перестраиваемая линза, состоящая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек, находится со стороны источника изображения и перед волноводом. Лучи распространяются от источника изображения через первую перестраиваемую линзу и проходят через волновод в глаз пользователя. Вторая перестраиваемая линза при этом находится с противоположной стороны от волновода в области видимости глаза пользователя (см. Фиг. 2, 8, 9).In another embodiment, the first tunable lens, consisting of at least two tunable optical cells, is located on the side of the image source and in front of the waveguide. Rays propagate from the image source through the first tunable lens and pass through the waveguide into the user's eye. The second tunable lens is located on the opposite side of the waveguide in the field of view of the user's eye (see Fig. 2, 8, 9).

Тем не менее, использование волновода для передачи оптического излучения, формирующего изображение виртуальных объектов, от источника изображений виртуальных объектов к первой перестраиваемой линзе, состоящей из по меньшей мере двух оптических ячеек, или между первой перестраиваемой линзой и второй перестраиваемой линзой не является обязательным для всех вариантов выполнения, и предлагаемое изобретение может быть реализовано и без использования такого волновода. Например, может использоваться светоделитель для разделения световых лучей от внешнего мира и от источника виртуальных изображений. В другом варианте выполнения источник изображений виртуальных объектов может быть расположен непосредственно перед первой перестраиваемой линзой.However, the use of a waveguide for transmitting optical radiation imaging virtual objects from an image source of virtual objects to a first tunable lens consisting of at least two optical cells, or between the first tunable lens and the second tunable lens, is not necessary for all options execution, and the present invention can be implemented without the use of such a waveguide. For example, a beam splitter can be used to separate light rays from the outside world and from a source of virtual images. In another embodiment, the image source of virtual objects may be located immediately in front of the first tunable lens.

В любом варианте выполнения между перестраиваемыми оптическими ячейками, составляющими каждую перестраиваемую линзу, отсутствует какой-либо воздушный зазор. Кроме того, следует отметить, что количество используемых перестраиваемых оптических в перестраиваемой линзе согласно изобретению не обязательно ограничено двумя. Две перестраиваемых оптических ячейки составляют минимальное количество ячеек согласно данному изобретению. В других вариантах выполнения для решения конкретных задач (например, расширения диапазона оптической силы, увеличения числа ступеней коррекции оптической силы и т.п.) может быть использовано и большее количество перестраиваемых оптических ячеек. Используемые перестраиваемые оптические ячейки могут быть объединены в наборы (стеки), образующие линзы, при этом сформированные линзы расположены так, как показано выше для двух вариантов выполнения с использованием оптического волновода.In any embodiment, there is no air gap between the tunable optical cells constituting each tunable lens. In addition, it should be noted that the number of tunable optical devices used in the tunable lens according to the invention is not necessarily limited to two. Two tunable optical cells make up the minimum number of cells according to this invention. In other embodiments, to solve specific problems (for example, expanding the range of optical power, increasing the number of stages of correction of optical power, etc.), a larger number of tunable optical cells can be used. The tunable optical cells used can be combined into sets (stacks) forming lenses, while the formed lenses are arranged as shown above for two embodiments using an optical waveguide.

Одна или более перестраиваемых оптических ячеек по меньшей мере в одном наборе перестраиваемых оптических ячеек может быть выполнена в зависящей или не зависящей от поляризации падающего света конфигурации. Например, зависящая от поляризации конфигурация может использоваться в перестраиваемой оптической ячейке, в которой проводники выполнены в виде параллельных полос. Например, первая перестраиваемая оптическая ячейка в стеке может иметь вертикальное расположение электродов, а вторая перестраиваемая оптическая ячейка в стеке может иметь горизонтальное расположение электродов, при этом для фокусировки света с поляризацией вдоль оси X может использоваться ячейка с направлением директора вдоль той же самой оси X, а для фокусировки света с поляризацией вдоль оси Y – ячейка с направлением директора вдоль оси Y.One or more tunable optical cells in at least one set of tunable optical cells may be configured in a configuration that is dependent on or independent of the polarization of the incident light. For example, a polarization-dependent configuration can be used in a tunable optical cell in which the conductors are made in the form of parallel stripes. For example, the first tunable optical cell in the stack can have a vertical arrangement of electrodes, and the second tunable optical cell in the stack can have a horizontal arrangement of electrodes, while a cell with the director direction along the same X axis can be used to focus light with polarization along the X axis, and for focusing light with polarization along the Y axis, a cell with the direction of the director along the Y axis.

Специалистам в данной области техники будут очевидны различные средства и методы фокусировки поляризованного или неполяризованного света. В качестве примера, схема для фокусировки света раскрыта в источнике Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. – International Society for Optics and Photonics, 2003. – Т. 4987. – С. 209-220.).Various means and methods of focusing polarized or non-polarized light will be apparent to those skilled in the art. By way of example, a scheme for focusing light is disclosed in the source Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application // Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. - International Society for Optics and Photonics, 2003. - T. 4987. - S. 209-220.).

В общем случае свет может фокусироваться в линию (например, посредством цилиндрической линзы) или в точку (например, посредством сферической линзы). В контексте настоящего изобретения, в качестве неограничивающего примера, для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y может использоваться цилиндрическая линза.In general, light can be focused into a line (for example, through a cylindrical lens) or to a point (for example, through a spherical lens). In the context of the present invention, as a non-limiting example, a cylindrical lens can be used to focus light polarized, for example, along the Y axis.

При этом в варианте выполнения, в котором электродная структура образована полосовыми электродами, для фокусировки такого света нужно использовать одну перестраиваемую оптическую ячейку с параллельными полосовыми электродами, в которой направление электродов соответствует направлению линии фокусировки, причем направление директора в ячейке параллельно оси, вдоль которой поляризован падающий свет (например, оси Y).Moreover, in the embodiment in which the electrode structure is formed by strip electrodes, to focus such light, one tunable optical cell with parallel strip electrodes must be used, in which the direction of the electrodes corresponds to the direction of the focus line, and the direction of the director in the cell is parallel to the axis along which the incident light (for example, the Y axis).

В случае с неполяризованным светом при использовании цилиндрической линзы в варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована полосовыми электродами, для фокусировки света необходимо использовать две перестраиваемых оптических ячейки с параллельными друг другу полосовыми электродами, при этом направление электродов на одной перестраиваемой оптической ячейке должно быть параллельно направлению электродов на второй перестраиваемой оптической ячейке, и это направление должно совпадать с направлением линии, вдоль которой нужно фокусировать свет. При этом направление директора в одной перестраиваемой оптической ячейке параллельно оси X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), а направление директора второй перестраиваемой оптической ячейки параллельно оси Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).In the case of unpolarized light when using a cylindrical lens in an embodiment of the invention in which the electrode structure is formed by strip electrodes, two tunable optical cells with parallel strip electrodes must be used to focus the light, while the direction of the electrodes on one tunable optical cell must be parallel the direction of the electrodes on the second tunable optical cell, and this direction should coincide with the direction of the line Along which you want to focus the light. The direction of the director in one tunable optical cell is parallel to the X axis (for focusing the light polarized along the X axis), and the direction of the director of the second tunable optical cell is parallel to the Y axis (for focusing the light polarized along the Y axis).

При использовании сферической линзы для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y, в варианте выполнения изобретения, в котором используется электродная структура, образованная полосовыми электродами, необходимо использовать для фокусировки света две перестраиваемых оптических ячейки, обе с параллельными полосовыми электродами, но направление электродов в одной перестраиваемой оптической ячейке должно быть перпендикулярно направлению электродов во второй перестраиваемой оптической ячейке (чтобы фокусировать свет по обеим осям, т.е. в точку). Направление электродов должно быть параллельно линии, в которую фокусирует падающий свет каждая отдельно взятая перестраиваемая оптическая ячейка с полосовыми электродами. При этом каждая перестраиваемая оптическая ячейка имеет направление директора, соответствующее направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).When using a spherical lens to focus light polarized, for example, along the Y axis, in an embodiment of the invention that uses an electrode structure formed by strip electrodes, it is necessary to use two tunable optical cells to focus the light, both with parallel strip electrodes, but the direction of the electrodes in one tunable optical cell should be perpendicular to the direction of the electrodes in the second tunable optical cell (in order to focus the light about both axes, i.e. to a point). The direction of the electrodes should be parallel to the line into which the incident light focuses each individual tunable optical cell with strip electrodes. In addition, each tunable optical cell has a director direction corresponding to the Y direction (for focusing light polarized along the Y axis).

В варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света, поляризованного, например, вдоль оси Y с использованием сферической линзы необходима одна перестраиваемая оптическая ячейка, при этом направление директора этой ячейки должно быть параллельно направлению поляризации падающего света (ось Y).In an embodiment of the invention, in which the electrode structure is formed by ring electrodes, one tunable optical cell is needed to focus the light polarized, for example, along the Y axis using a spherical lens, the director direction of this cell must be parallel to the direction of polarization of the incident light (Y axis )

Для фокусировки неполяризованного света посредством сферической линзы в варианте выполнения изобретения, в котором используется электродная структура с полосовыми электродами, необходимы четыре перестраиваемых оптических ячейки, при этом в каждых двух перестраиваемых оптических ячейках из упомянутых четырёх полосовые электроды должны быть параллельны, но направление электродов в одной перестраиваемой оптической ячейке из каждых двух должно быть перпендикулярно направлению электродов во второй перестраиваемой оптической ячейке. Направление электродов должно быть параллельно линии, в которую фокусирует падающий свет каждая отдельно взятая перестраиваемая оптическая ячейка с полосовыми электродами, при этом из четырёх перестраиваемых оптических ячеек две должны иметь направление директора, соответствующее направлению X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), и две должны иметь направление директора, соответствующее направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).In order to focus unpolarized light by means of a spherical lens in an embodiment of the invention that uses an electrode structure with strip electrodes, four tunable optical cells are required, and in each two tunable optical cells of the four said strip electrodes must be parallel, but the direction of the electrodes in one tunable an optical cell out of every two should be perpendicular to the direction of the electrodes in the second tunable optical cell. The direction of the electrodes should be parallel to the line into which each individual tunable optical cell with strip electrodes focuses the incident light, while two of the four tunable optical cells, two must have a director direction corresponding to the X direction (for focusing light polarized along the X axis), and two should have a director direction corresponding to the Y direction (for focusing light polarized along the Y axis).

В варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света посредством сферической линзы необходимы две перестраиваемых оптических ячейки: одна с направлением директора, параллельным направлению X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), а вторая с направлением директора, параллельным направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).In an embodiment of the invention in which the electrode structure is formed by ring electrodes, two tunable optical cells are needed to focus the light through a spherical lens: one with a director direction parallel to the X direction (for focusing light polarized along the X axis), and the second with the director direction, parallel to the Y direction (to focus light polarized along the Y axis).

Следует отметить, что выше рассмотрены лишь некоторые варианты реализации фокусировки света в устройстве отображения согласно изобретению с использованием оптических ячеек с электродной структурой, образованной полосовыми электродами, и электродной структурой, образованной кольцевыми электродами. При этом специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты выполнения, в частности, для случаев, когда электродная структура образована электродами в других возможных конфигурациях. Все такие варианты выполнения, как описанные в явном виде, так и очевидным образом следующие из сведений, раскрытых в настоящем документе, включены в объём правовой охраны настоящего изобретения.It should be noted that the above are only a few options for implementing the focusing of light in a display device according to the invention using optical cells with an electrode structure formed by strip electrodes and an electrode structure formed by ring electrodes. Moreover, other embodiments will be apparent to those skilled in the art, in particular for cases where the electrode structure is formed by electrodes in other possible configurations. All such embodiments, both described explicitly and in the obvious way following from the information disclosed herein, are included in the scope of legal protection of the present invention.

Воздействие электродов в электродных структурах перестраиваемых оптических ячеек на ориентацию жидких кристаллов (поляризацию) и их влияние на оптическую силу перестраиваемой линзы, содержащей по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, состоит в следующем. Приложенное к электроду напряжение изменяет ориентацию жидкого кристалла, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку вдоль всей поверхности перестраиваемой оптической ячейки согласно изобретению расположены электроды, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует фазовому профилю линзы с требуемой оптической силой. Переход от профиля напряжений к профилю фазы производится с использованием зависимости фазы от напряжения, наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. – John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. – Elsevier, 2011).The effect of electrodes in the electrode structures of tunable optical cells on the orientation of liquid crystals (polarization) and their effect on the optical power of a tunable lens containing at least two tunable optical cells is as follows. The voltage applied to the electrode changes the orientation of the liquid crystal, as a result of which the value of the refractive index changes. Since electrodes are arranged along the entire surface of the tunable optical cell according to the invention, and a certain voltage is applied to each electrode, a voltage profile is formed in this way, which corresponds to the phase profile of the lens with the required optical power. The transition from the stress profile to the phase profile is carried out using the dependence of the phase on the voltage, the presence of which is characteristic of each optically active material (for more details see, for example, Chen RH Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, or Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011).

Согласно изобретению, предложено устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), которое содержит по меньшей мере одну перестраиваемую линзу для каждого из глаз пользователя. Упомянутая перестраиваемая линза образована по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками. В случае, если количество используемых перестраиваемых оптических ячеек больше 2, могут использоваться наборы (стеки) перестраиваемых оптических ячеек. Между по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками отсутствует какой-либо воздушный зазор. В частности, в одном неограничивающем примерном варианте выполнения число перестраиваемых оптических ячеек составляет 6, что является максимальным пригодным количеством перестраиваемых оптических ячеек в применении в системе дополненной реальности AR с линзой толщиной 1,5 мм. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения перестраиваемая линза является тонкой, при этом количество перестраиваемых оптических ячеек также зависит от толщины используемой подложки для электродной структуры в перестраиваемых оптических ячейках.According to the invention, there is provided a display device for an augmented reality or virtual reality (AR / VR) system, which comprises at least one tunable lens for each of the user's eyes. Said tunable lens is formed by at least two tunable optical cells. If the number of tunable optical cells used is more than 2, sets (stacks) of tunable optical cells can be used. There is no air gap between at least two tunable optical cells. In particular, in one non-limiting exemplary embodiment, the number of tunable optical cells is 6, which is the maximum suitable number of tunable optical cells when used in an AR augmented reality system with a lens thickness of 1.5 mm. In preferred embodiments, the tunable lens is thin, and the number of tunable optical cells also depends on the thickness of the substrate used for the electrode structure in tunable optical cells.

Следует отметить, что оптическая сила, обеспечиваемая такой перестраиваемой линзой, прямо пропорциональна количеству используемых перестраиваемых оптических ячеек, однако увеличение количества используемых перестраиваемых оптических ячеек отрицательно сказывается на других параметрах предлагаемого устройства, увеличивая его вес, габариты и стоимость.It should be noted that the optical power provided by such a tunable lens is directly proportional to the number of tunable optical cells used, however, an increase in the number of tunable optical cells used negatively affects other parameters of the proposed device, increasing its weight, dimensions and cost.

Ниже изобретение будет более подробно пояснено на примерном варианте выполнения, в котором в каждой из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек используются концентрически расположенные кольцевые электроды. В рассматриваемом примерном варианте выполнения изобретения диаметр линзы с перестраиваемым фокусом, образуемой по меньшей мере двумя перестраиваемыми оптическими ячейками, равен 20 мм, однако данное значение диаметра не следует рассматривать как предпочтительное либо как ограничивающее объём изобретения.The invention will be explained in more detail below in an exemplary embodiment in which concentric spaced ring electrodes are used in each of the at least two tunable optical cells. In this exemplary embodiment of the invention, the diameter of the lens with a tunable focus formed by at least two tunable optical cells is 20 mm, however, this diameter should not be considered as preferred or as limiting the scope of the invention.

Как указано выше, линза с перестраиваемым фокусом, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, согласно изобретению обеспечивает максимальную оптическую силу D^max=4 дптр (4 диоптрии) с шагом Δ=0,25 дптр. Данное значение максимальной оптической силы также не следует рассматривать как предпочтительное либо как ограничивающее объём изобретения. В рассматриваемом примерном варианте выполнения реализуется дифракционная эффективность линзы η(L)=81,1% при количестве фазовых уровней на зону Френеля L=4. Радиус линзы с перестраиваемым фокусом r=10 мм. Для периода электродов в электродной структуре каждого из по меньшей мере двух наборов (стеков) перестраиваемых оптических ячеек установлено технологическое ограничение, в соответствии с которым период ΔR, равный размеру электрода + расстоянию между электродами (ниже указываемому в математических выражениях символом g), составляет 4 мкм, при этом расстояние между электродами равно 1 мкм. Тогда для вышеуказанных параметров линзы, с учётом упомянутой дифракционной эффективности линзы η(L),

(см. Уравнение 3).As indicated above, a zoom focus lens comprising at least two tunable optical cells according to the invention provides a maximum optical power of D ^max = 4 diopters (4 diopters) in increments of Δ = 0.25 diopters. This value of the maximum optical power should also not be considered as preferred or as limiting the scope of the invention. In the considered exemplary embodiment, the diffraction efficiency of the lens η (L) = 81.1% is realized with the number of phase levels per Fresnel zone L = 4. The radius of the lens with a tunable focus r = 10 mm. For the period of the electrodes in the electrode structure of each of at least two sets (stacks) of tunable optical cells, a technological limitation is established, according to which the period ΔR equal to the size of the electrode + the distance between the electrodes (indicated below by the symbol g in mathematical expressions) is 4 μm while the distance between the electrodes is 1 μm. Then, for the above lens parameters, taking into account the aforementioned diffraction efficiency of the lens η (L),

(see Equation 3).

В данном варианте выполнения для каждой из двух перестраиваемых оптических ячеек количество электродов в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки рассчитывается по следующему принципу. Для первой перестраиваемой оптической ячейки количество электродов N₁ на одну зону Френеля и перепад оптических сил

можно получить из следующей системы неравенств:In this embodiment, for each of the two tunable optical cells, the number of electrodes in the electrode structure of the tunable optical cell is calculated according to the following principle. For the first tunable optical cell, the number of electrodes N ₁ per one Fresnel zone and the difference in optical forces

can be obtained from the following system of inequalities:

Уравнение (4)Equation (4)

В данную систему неравенств подставляют известные значения L,

, рассчитывают значение константы A и решают систему путем нахождения максимально возможного

(для создания оптимальной перестраиваемой оптической ячейки необходимо обеспечить максимально возможный при данных ограничениях перепад оптических сил). Для этого значения

находят минимальное значение

(для создания оптимальной перестраиваемой оптической ячейки необходимо найти минимальное количество электродов, которые обеспечивали бы данный перепад оптических сил). Далее значение

необходимо для нахождения параметров

и

второй ячейки, а значение

необходимо для расчета радиусов и ширины кольцевых электродов первой перестраиваемой оптической ячейки.The known values of L are substituted into this system of inequalities,

, calculate the value of the constant A and solve the system by finding the maximum possible

(in order to create an optimal tunable optical cell, it is necessary to ensure the maximum possible optical power drop under the given restrictions). For this value

find the minimum value

(to create the optimal tunable optical cell, it is necessary to find the minimum number of electrodes that would provide this difference in optical forces). Further value

necessary to find the parameters

and

second cell, and the value

necessary for calculating the radii and widths of the ring electrodes of the first tunable optical cell.

Для второй перестраиваемой оптической ячейки количество электродов N₂ в электродной структуре можно получить из следующей системы неравенств:For the second tunable optical cell, the number of electrodes N ₂ in the electrode structure can be obtained from the following system of inequalities:

Уравнение (5)Equation (5)

В систему неравенств для второй ячейки подставляют найденное значение

и заданное значение

, и решают эту систему путем нахождения максимально возможного

(максимального при данных ограничениях для второй перестраиваемой оптической ячейки). Для этого значения

находят минимальное значение

(равное минимальному количеству электродов, необходимых для обеспечения данного перепада оптических сил). Значение

необходимо для расчета радиусов и ширины кольцевых электродов второй перестраиваемой оптической ячейки. The found value is substituted into the system of inequalities for the second cell

and setpoint

, and solve this system by finding the maximum possible

(maximum under these restrictions for the second tunable optical cell). For this value

find the minimum value

(equal to the minimum number of electrodes necessary to provide this difference in optical power). Value

necessary for calculating the radii and widths of the ring electrodes of the second tunable optical cell.

Далее, радиусы кольцевых электродов рассчитываются для первой и второй перестраиваемых оптических ячеек в данном варианте выполнения изобретения следующим образом. Общий подход к расчету радиусов концентрических электродов раскрыт, например, в источнике Li G. et al. Switchable electro-optic diffractive lens with high efficiency for ophthalmic applications //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2006. – Т. 103. – №. 16. – С. 6100-6104.Further, the radii of the ring electrodes are calculated for the first and second tunable optical cells in this embodiment of the invention as follows. A general approach to calculating the radii of concentric electrodes is disclosed, for example, in the source Li G. et al. Switchable electro-optic diffractive lens with high efficiency for ophthalmic applications // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2006. - T. 103. - No. 16. - S. 6100-6104.

Для каждого электрода с номером (m _i ; n _j ) вычисляется следующее. В первом наборе перестраиваемых оптических ячеек:For each electrode with the number ( m _i ; n _j ), the following is calculated. In the first set of tunable optical cells:

,

,

Уравнение (6)

Equation (6)

Уравнение (7)

Equation (7)

где r^int – внутренний радиус, а r^ext – соответственно, внешний радиус проводника с номером (m _i ; n _j ), m _i – номер зоны Френеля, n_j - номер электрода в одной зоне Френеля (в каждой зоне Френеля своя нумерация электродов, т.е. в первой зоне Френеля электроды 1, 2, 3,…, во второй зоне Френеля электроды 1, 2, 3 … и т.п.);

- максимальное количество зон Френеля для ячейки с радиусом r, обеспечивающей диоптрический шаг

на длине волны излучения

;

- количество электродов на одну зону Френеля для первой перестраиваемой оптической ячейки; λ – длина волны падающего излучения, g – расстояние между проводниками.where r ^int is the inner radius and r ^ext is the outer radius of the conductor with the number ( m _i ; n _j ), m _i is the number of the Fresnel zone, n _j is the number of the electrode in one Fresnel zone (each Fresnel zone has its own numbering of electrodes , i.e., in the first Fresnel zone, electrodes 1, 2, 3, ..., in the second Fresnel zone, electrodes 1, 2, 3 ... etc.);

- the maximum number of Fresnel zones for a cell with a radius r, providing a diopter step

at a wavelength of radiation

;

- the number of electrodes per one Fresnel zone for the first tunable optical cell; λ is the wavelength of the incident radiation, g is the distance between the conductors.

Ширина кольцевых электродов для первой перестраиваемой оптической ячейки рассчитывается согласно следующей формуле:The width of the ring electrodes for the first tunable optical cell is calculated according to the following formula:

Уравнение (8)Equation (8)

Для второй перестраиваемой оптической ячейки те же параметры рассчитываются в соответствии со следующими формулами.For the second tunable optical cell, the same parameters are calculated in accordance with the following formulas.

Уравнение (9)        Equation (9)

Уравнение (10)        Equation (10)

Уравнение (11)

Equation (11)

В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре каждой из перестраиваемых оптических ячеек могут быть выполнены из оксида индия-олова (ITO). В других вариантах выполнения электроды могут быть выполнены из других прозрачных проводящих материалов, широко известных специалистам в данной области техники (например, оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка).By way of example, but not limitation, the electrodes in the electrode structure of each of the tunable optical cells may be made of indium tin oxide (ITO). In other embodiments, the electrodes may be made of other transparent conductive materials widely known to those skilled in the art (e.g., indium oxide, tin oxide, indium zinc oxide (IZO), zinc oxide).

Согласно изобретению, в качестве оптически активного материала в перестраиваемых оптических ячейках могут использоваться жидкие кристаллы (в таком случае перестраиваемые оптические ячейки можно называть перестраиваемыми жидкокристаллическими ячейками) или полимерные гели. Конкретные примеры оптически активных материалов, пригодных для применения в соответствии с изобретением, будут очевидны специалистам в данной области техники на основании сведений, приведённых в настоящем описании. Изобретение описано на примере жидкокристаллических перестраиваемых оптических ячеек, однако его принципы в равной степени применимы и к оптическим перестраиваемым ячейкам на основе полимерных гелей и других оптически активных материалов.According to the invention, liquid crystals can be used as the optically active material in tunable optical cells (in this case, tunable optical cells can be called tunable liquid crystal cells) or polymer gels. Specific examples of optically active materials suitable for use in accordance with the invention will be apparent to those skilled in the art based on the information provided herein. The invention is described by the example of liquid crystal tunable optical cells, however, its principles are equally applicable to optical tunable cells based on polymer gels and other optically active materials.

В жидкокристаллических перестраиваемых оптических ячейках согласно изобретению упомянутая «перестройка» фокуса осуществляется при помощи электродов, составляющих электродную структуру в каждой перестраиваемой оптической ячейке. Механизм «перестройки» электродов основан на двух принципах.In the liquid crystal tunable optical cells according to the invention, said “rearrangement” of the focus is carried out by means of electrodes constituting the electrode structure in each tunable optical cell. The mechanism of "adjustment" of the electrodes is based on two principles.

В соответствии с первым принципом, реализован автоматический выбор адресуемых электродов, т.е. тех электродов в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки, на которые подается соответствующее им напряжение. Автоматический выбор адресуемых электродов связан с выбором требуемой оптической силы. Оптическая сила зависит от числа зон Френеля, т.е. адресуемые электроды выбираются в зависимости от количества и расположения активируемых ими зон Френеля.In accordance with the first principle, automatic selection of addressable electrodes, i.e. those electrodes in the electrode structure of a tunable optical cell to which a voltage corresponding to them is supplied. Automatic selection of addressable electrodes is associated with the choice of the required optical power. The optical power depends on the number of Fresnel zones, i.e. addressable electrodes are selected depending on the number and location of the Fresnel zones they activate.

В соответствии со вторым принципом, значение напряжений, подаваемых на электроды, определяется из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала (т.е. такого, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света). При выборе оптически активного материала перестраиваемой оптической ячейки необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал света от напряжения на электродах электродной структуры. Тогда, чтобы симулировать внесение определенной оптической силы, нужно приложить напряжения на электроды таким образом, чтобы профиль задержки фазы выходящего света соответствовал тому же от идеальной тонкой линзы с такой же оптической силой. Весь этот процесс можно автоматизировать стандартными алгоритмами, хорошо известными в данной области техники (более подробно см., например, в источнике US20150277151 (опубликован 01.10.2015, Optica Amuka (A.A.) LTD)).In accordance with the second principle, the value of the voltages supplied to the electrodes is determined from the dependence of the voltage on the phase characteristic of any optically active material (i.e., one that is capable of introducing a phase delay when the applied voltage changes when light propagates through it). When choosing an optically active material of a tunable optical cell, it is necessary to know the dependence of the phase delay of the light passing through the material on the voltage at the electrodes of the electrode structure. Then, in order to simulate the introduction of a certain optical power, it is necessary to apply voltages to the electrodes so that the phase delay profile of the output light matches the same from an ideal thin lens with the same optical power. The whole process can be automated by standard algorithms well known in the art (for more details, see, for example, the source US20150277151 (published October 1, 2015, Optica Amuka (A.A.) LTD)).

Количество зон Френеля в примерном варианте выполнения изобретения составляет 24 кольцевых зоны для первой перестраиваемой оптической ячейки (m _{d 1}= 24) и 96 для второй перестраиваемой оптической ячейки (m _{d 2}= 96). Количество фазовых зон для обеих перестраиваемых оптических ячеек составляет L=4. Максимальная оптическая сила для первой перестраиваемой оптической ячейки составляет 1 диоптрию, максимальная оптическая сила для второй перестраиваемой оптической ячейки составляет 3 диоптрии, что обеспечивает суммарную максимальную оптическую силу для линзы в 4 диоптрии.The number of Fresnel zones in an exemplary embodiment of the invention is 24 ring zones for the first tunable optical cell ( m _{d 1} = 24) and 96 for the second tunable optical cell ( m _{d 2} = 96). The number of phase zones for both tunable optical cells is L = 4. The maximum optical power for the first tunable optical cell is 1 diopter, the maximum optical power for the second tunable optical cell is 3 diopters, which provides a total maximum optical power for the lens of 4 diopters.

В первой перестраиваемой оптической ячейке каждая зона Френеля включает в себя 24 кольцевых электрода (N ₁=24), а во второй перестраиваемой оптической ячейке каждая зона Френеля включает в себя 12 кольцевых электродов (N ₂=12). Таким образом, в рассматриваемом примерном варианте выполнения изобретения в электродной структуре первой перестраиваемой оптической ячейки имеется 576 электродов, а в электродной структуре второй перестраиваемой оптической ячейки имеется 1152 электрода. Следует отметить, что вышеуказанные параметры получены для конкретного примерного варианта выполнения изобретения и не должны рассматриваться как предпочтительные или как ограничивающие объём настоящего изобретения.In the first tunable optical cell, each Fresnel zone includes 24 ring electrodes ( N ₁ = 24), and in the second tunable optical cell, each Fresnel zone includes 12 ring electrodes ( N ₂ = 12). Thus, in the considered exemplary embodiment of the invention, there are 576 electrodes in the electrode structure of the first tunable optical cell, and 1152 electrodes in the electrode structure of the second tunable optical cell. It should be noted that the above parameters are obtained for a specific exemplary embodiment of the invention and should not be construed as preferred or as limiting the scope of the present invention.

Кроме того, как показано на Фиг. 4, перестраиваемая линза, содержащая по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, содержит подложку, относящуюся к первой перестраиваемой оптической ячейке, общую подложку для первой и второй перестраиваемых оптических ячеек, расположенную между упомянутыми перестраиваемыми оптическими ячейками, причём по обе стороны к этой общей подложке примыкают сплошные электроды каждой из первой и второй перестраиваемых оптических ячеек, которые представляют собой простое покрытие из прозрачного в видимом диапазоне проводника, (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.), и подложку, относящуюся ко второй перестраиваемой оптической ячейке. Как видно из вышеуказанных расчётов, в отношении верхней подложки для каждого смежного с ней электрода с номером m _i ;n _j параметры рассчитываются следующим образом. Для каждого электрода с номером зоны Френеля m _j =1, ..., m _{d 1}, где

, и порядковым номером в пределах одной зоны Френеля n _j =1, …, N ₁, внутренний и внешний радиусы рассчитываются в соответствии со следующей формулой:Furthermore, as shown in FIG. 4, a tunable lens comprising at least two tunable optical cells comprises a substrate related to the first tunable optical cell, a common substrate for the first and second tunable optical cells located between said tunable optical cells, and adjacent to this common substrate on both sides continuous electrodes of each of the first and second tunable optical cells, which are a simple coating of a conductor that is transparent in the visible range, (for example ep, indium tin oxide (ITO), indium oxide, tin oxide, indium oxide-zinc (IZO), zinc oxide and the like) and the substrate related to the second tunable optical cell. As can be seen from the above calculations, with respect to the upper substrate, for each electrode adjacent to it with the number m _i ; n _{j, the} parameters are calculated as follows. For each electrode with the number of the Fresnel zone m _j = 1, ..., m _{d 1} , where

, and serial number within the same Fresnel zone n _j = 1, ..., N ₁ , the inner and outer radii are calculated in accordance with the following formula:

Уравнение (12)

Equation (12)

При этом в рассматриваемом варианте выполнения первый электрод имеет форму круга с внешним радиусом

.Moreover, in the considered embodiment, the first electrode has the shape of a circle with an external radius

.

Для кольцевых электродов, относящихся к подложке первой перестраиваемой оптической ячейки (с номером, отличным от 1, применяется следующее выражение:For ring electrodes related to the substrate of the first tunable optical cell (with a number other than 1, the following expression is used:

Уравнение (13)         Equation (13)

Что касается подложки, относящейся ко второй оптической ячейке, то для каждого смежного с ней электрода с номером (m _i ; n _j ) параметры рассчитываются следующим образом. Для первого электрода с номером m _j =1, …, m _{d 2},

, и n _j =1, …, N ₂, где N ₂ определяется из уравнения (5), внутренний и внешний радиусы рассчитываются в соответствии со следующей формулой:As for the substrate related to the second optical cell, for each electrode adjacent to it with the number (m _i ;n _j ) parameters are calculated as follows. For the first electrode with numberm _j = 1, ...,m _{d 2},

, andn _j = 1, ...,N ₂whereN ₂ determined by from equation (5), the inner and outer radii are calculated in accordance with the following formula:

Уравнение (14)

Equation (14)

Для кольцевых электродов, относящихся к подложке второй перестраиваемой оптической ячейки, применяется уравнение (11), указанное выше.For ring electrodes related to the substrate of the second tunable optical cell, equation (11) above is applied.

Материал подложки в перестраиваемых оптических ячейках согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложки согласно изобретению находится в диапазоне 3-200 мкм. Значения толщины электродов, наносимых на подложку, находятся в диапазоне 30-200 нм в зависимости от выбранного материала электрода (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Принципы выбора толщины подложки и электродов на основании материала электрода и подложки в конкретных вариантах реализации изобретения хорошо известны в данной области техники.The substrate material in tunable optical cells according to the invention is selected from materials that are transparent in the visible range, such as, but not limited to, glass, plastic, quartz. The thickness of the substrate according to the invention is in the range of 3-200 μm. The thicknesses of the electrodes deposited on the substrate are in the range of 30-200 nm depending on the selected electrode material (e.g., indium tin oxide (ITO), indium oxide, tin oxide, indium zinc oxide (IZO), zinc oxide, and t .P.). The principles for selecting the thickness of the substrate and electrodes based on the material of the electrode and the substrate in specific embodiments of the invention are well known in the art.

Электроды в электродной структуре перестраиваемой оптической ячейки согласно изобретению могут располагаться по слоям (в качестве примера, но не ограничения, в 2-3 слоя, чтобы обеспечить малое расстояние между электродами (1-3 мкм)). Толщина подложки имеет значение лишь при использовании большого количества перестраиваемых оптических ячеек, поскольку общая толщина перестраиваемой линзы в целом зависит только от толщины подложки (по сравнению с толщиной электродов).The electrodes in the electrode structure of the tunable optical cell according to the invention can be arranged in layers (as an example, but not limited to 2-3 layers to provide a small distance between the electrodes (1-3 microns)). The thickness of the substrate is important only when using a large number of tunable optical cells, since the total thickness of the tunable lens as a whole depends only on the thickness of the substrate (compared to the thickness of the electrodes).

Как показано на Фиг. 5, устройство отображения для системы AR/VR содержит по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, который может блокировать для пользователя обзор внешнего мира (в применении в системе виртуальной реальности, VR) или обеспечивать пользователю наблюдение внешнего мира, т.е. быть по существу прозрачным (в применении в системе дополненной реальности, AR). В последнем случае устройство отображения обеспечивает пользователю возможность наблюдения внешнего мира и изображений виртуальных объектов, «наложенных» на картину внешнего мира, при этом достигается одинаковая резкость изображений, и видимое «положение» изображений виртуальных объектов для пользователя совпадает с положением соответствующих объектов внешнего, реального мира. В вариантах выполнения, в которых устройство отображения согласно изобретению реализовано в системе дополненной реальности (AR), дисплей может быть выполнен из материалов, прозрачных в видимом диапазоне, таких как стекло, пластик, кварц. Упомянутые материалы приведены лишь в качестве неограничивающего примера, и специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие материалы и технологии, с использованием которых может быть реализован дисплей в устройстве отображения согласно изобретению при его применении в системе AR.As shown in FIG. 5, the display device for the AR / VR system contains at least one display for displaying images of virtual objects, which can block the user from viewing the outside world (as used in a virtual reality system, VR) or provide the user with observation of the outside world, i.e. be essentially transparent (as applied in augmented reality system, AR). In the latter case, the display device provides the user with the ability to observe the external world and images of virtual objects “superimposed” on the picture of the external world, while achieving the same sharpness of images, and the visible “position” of images of virtual objects for the user coincides with the position of the corresponding objects of the external, real world . In embodiments in which the display device according to the invention is implemented in an augmented reality (AR) system, the display can be made of materials that are transparent in the visible range, such as glass, plastic, quartz. Mentioned materials are given only as a non-limiting example, and other materials and technologies may be apparent to those skilled in the art using which a display can be implemented in a display device according to the invention when used in an AR system.

В вариантах выполнения, в которых устройство отображения согласно изобретению реализовано в системе виртуальной реальности (VR), дисплей для отображения изображения виртуальных объектов может быть выбран из группы, содержащей оптический дисплей (LCD), органический светодиод (OLED), неорганический светодиод (ILED), активную матрицу на органических светодиодах (AMOLED), прозрачный органический светодиод (TOLED), дисплеи на квантовых точках (QOLED, QLED) и т.п. Упомянутые варианты реализации дисплея приведены лишь в качестве неограничивающего примера, и специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие варианты реализации дисплея в устройстве отображения согласно изобретению при его применении в системе VR.In embodiments in which the display device according to the invention is implemented in a virtual reality system (VR), a display for displaying images of virtual objects can be selected from the group consisting of an optical display (LCD), an organic LED (OLED), an inorganic LED (ILED), active matrix with organic light-emitting diodes (AMOLED), transparent organic light-emitting diode (TOLED), displays on quantum dots (QOLED, QLED), etc. Said embodiments of the display are given only as a non-limiting example, and other embodiments of the display in the display device according to the invention when used in a VR system may be apparent to those skilled in the art.

Следует отметить, что как в вариантах выполнения изобретения для использования в системе AR, так и в вариантах выполнения для использования в системе VR может использоваться один дисплей или несколько дисплеев (например, по одному дисплею для каждого глаза пользователя).It should be noted that both in the embodiments of the invention for use in the AR system, and in the embodiments for use in the VR system, one display or several displays can be used (for example, one display for each eye of the user).

При этом использование перестраиваемой линзы, содержащей по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки, как описано выше, позволяет не только отображать объекты виртуального мира (при необходимости вместе с внешним миром) с необходимой глубиной резкости в поле зрения пользователя, но и при необходимости также корректировать зрение пользователя (например, в случае близорукости/дальнозоркости, пресбиопии и т.п.). По существу, по меньшей мере две перестраиваемых оптических ячейки играют роль, схожую с ролью хрусталика и роговицы глаза, при этом к возможности «динамической перестройки» аналога хрусталика (в процессе аккомодации) глаза добавляется возможность «динамической перестройки» аналога роговицы (что отсутствует у человеческого глаза, однако предусмотрено, например, в структуре глаза ряда хищных птиц, таких как, например, краснохвостый ястреб, у которых может изменяться форма роговицы). По существу, первая перестраиваемая оптическая ячейка (или первый набор перестраиваемых оптических ячеек, в зависимости от варианта выполнения) обеспечивает «грубую подстройку» аккомодации глаза в пределах одной диоптрии, а вторая перестраиваемая оптическая ячейка (или второй набор перестраиваемых оптических ячеек, в зависимости от варианта выполнения) обеспечивает «тонкую подстройку» в пределах трёх диоптрий, что в сумме даёт оптическую силу в

, то есть покрывает весь диапазон оптической силы, обеспечиваемый перестраиваемой линзой согласно изобретению. При этом устраняется конфликт вергенции и аккомодации глаз пользователя и обеспечивается возможность наблюдения пользователем изображения виртуальных объектов, при необходимости вместе с изображением внешнего мира, без дискомфорта для пользователя.In this case, the use of a tunable lens containing at least two tunable optical cells, as described above, allows not only to display objects of the virtual world (if necessary together with the outside world) with the necessary depth of field in the user's field of vision, but also to correct vision if necessary the user (for example, in the case of myopia / farsightedness, presbyopia, etc.). Essentially, at least two tunable optical cells play a role similar to the role of the lens and cornea of the eye, while the possibility of “dynamic reconstruction” of the corneal analogue (which is absent in the human body) is added to the possibility of “dynamic reconstruction” of the lens analog (during accommodation) eyes, however, is provided, for example, in the structure of the eyes of a number of birds of prey, such as, for example, the red-tailed hawk, in which the shape of the cornea can change). Essentially, the first tunable optical cell (or the first set of tunable optical cells, depending on the embodiment) provides a “rough adjustment” of the accommodation of the eye within the same diopter, and the second tunable optical cell (or the second set of tunable optical cells, depending on the variant execution) provides "fine tuning" within three diopters, which in total gives optical power in

that is, it covers the entire range of optical power provided by the tunable lens according to the invention. This eliminates the conflict of vergence and accommodation of the user's eyes and provides the ability for the user to observe images of virtual objects, if necessary, together with the image of the outside world, without discomfort for the user.

Выше описан примерный вариант выполнения устройства отображения согласно изобретению. Устройство отображения может входить в состав систем AR/VR различного назначения, которые могут быть реализованы, например, в виде шлема виртуальной или дополненной реальности, интеллектуальных очков, гарнитуры или наголовного устройства. В различных вариантах реализации устройство отображения согласно изобретению может содержать перестраиваемую линзу для одного глаза пользователя или по одной перестраиваемой линзе для каждого из глаз пользователя, в зависимости от конкретной конфигурации системы AR/VR, в которой применяется устройство отображения согласно изобретению.An exemplary embodiment of a display device according to the invention is described above. The display device can be part of AR / VR systems for various purposes, which can be implemented, for example, in the form of a virtual or augmented reality helmet, smart glasses, headset or head-mounted device. In various embodiments, the display device according to the invention may comprise a tunable lens for one user's eye or one tunable lens for each of the user's eyes, depending on the particular configuration of the AR / VR system to which the display device according to the invention is applied.

Следует отметить, что перестройка фокуса перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению может осуществляться под управлением различных программных и/или аппаратных средств через регулировку напряжений, подаваемых на адресуемые электроды в электродной структуре соответствующих перестраиваемых оптических ячеек, образующих перестраиваемые линзы. В качестве примера, для управления перестройкой фокуса перестраиваемых линз могут применяться один или более процессоров, интегральных схем и т.п., предусмотренных специально для этой цели или входящих в систему AR/VR, в которой применяется устройство отображения, и реализующих данную функцию наряду с другими функциями в рамках работы системы AR/VR. Один или более процессоров могут управлять перестройкой фокуса перестраиваемых линз под управлением программного обеспечения, сохранённого на машиночитаемом носителе и/или распространяемого посредством известных технологий проводной и/или беспроводной передачи данных. Программное обеспечение может быть реализовано на любом подходящем языке программирования и/или в виде исполняемого машинного кода, и может сохраняться в памяти системы AR/VR или на внешнем носителе, в том числе удалённом от системы AR/VR, который может быть соединён с системой AR/VR посредством известных сетей передачи данных. Все известные варианты реализации одного или более процессоров, компьютерной программы и машиночитаемого носителя, пригодные для осуществления управления перестройкой фокуса перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению, подразумеваются включёнными в объём правовой охраны настоящего изобретения.It should be noted that the focus adjustment of the tunable lenses in the display device according to the invention can be controlled by various software and / or hardware by adjusting the voltages supplied to the addressable electrodes in the electrode structure of the corresponding tunable optical cells forming tunable lenses. As an example, one or more processors, integrated circuits, etc., specially designed for this purpose or included in the AR / VR system in which the display device is used and which implement this function along with other functions within the framework of the AR / VR system. One or more processors can control the focus adjustment of the tunable lenses under the control of software stored on a computer-readable medium and / or distributed by known wired and / or wireless data transmission technologies. The software can be implemented in any suitable programming language and / or in the form of executable machine code, and can be stored in the memory of the AR / VR system or on an external medium, including remote from the AR / VR system, which can be connected to the AR system / VR through well-known data networks. All known embodiments of one or more processors, a computer program, and a computer-readable medium suitable for controlling focus adjustment of tunable lenses in a display device according to the invention are intended to be included in the scope of legal protection of the present invention.

Управление фокусом перестраиваемых линз в устройстве отображения согласно изобретению может осуществляться на основании различных входных данных, среди которых, как очевидно специалистам в данной области техники, могут быть, в частности, данные изображений виртуальных объектов, демонстрируемых пользователю системы AR/VR и выдаваемых источником изображений виртуальных объектов под управлением одного или более процессоров, данные пользовательского ввода, данные, относящиеся к характеристикам зрения пользователя, а также данные одного или более датчиков, входящих в систему AR/VR, и/или данные из внешних источников, передаваемые в систему AR/VR посредством любых известных проводных и/или беспроводных сетей передачи данных.The focus control of the tunable lenses in the display device according to the invention can be carried out on the basis of various input data, among which, as obvious to those skilled in the art, can be, in particular, image data of virtual objects displayed to a user of the AR / VR system and displayed by a virtual image source objects under the control of one or more processors, user input data, data related to the user's vision characteristics, as well as data of one if more sensors included in the AR / VR system, and / or data from external sources transmitted in AR / VR system via any known wired and / or wireless data networks.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приёмов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведённое выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объёма правовой охраны настоящего изобретения.Specialists in the art will understand that the above are described and shown in the drawings only some of the possible examples of techniques and material and technical means by which embodiments of the present invention can be implemented. The above detailed description of embodiments of the invention is not intended to limit or determine the scope of legal protection of the present invention.

Другие варианты выполнения, которые могут входить в объём настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведённого описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объём настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведённые и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путём ссылки, насколько это применимо.Other embodiments that may fall within the scope of the present invention may be contemplated by those skilled in the art after carefully reading the above description with reference to the accompanying drawings, and all such obvious modifications, changes and / or equivalent replacements are considered to be within the scope of the present invention. All sources of the prior art, cited and discussed herein, are hereby incorporated into this description by reference, as far as applicable.

При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нём могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объёма настоящего изобретения, который определяется только нижеприведённой формулой изобретения и её эквивалентами.While the present invention has been described and illustrated with reference to various embodiments, those skilled in the art will understand that various changes in its form and specific details can be made therein without departing from the scope of the present invention, which is defined only the following claims and their equivalents.

Claims (21)

1. Устройство отображения для системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), содержащее:1. A display device for an augmented reality system or virtual reality (AR / VR), comprising: по меньшей мере один источник изображений виртуальных объектов,at least one source of images of virtual objects, по меньшей мере один дисплей для отображения изображений виртуальных объектов,at least one display for displaying images of virtual objects, по меньшей мере одну перестраиваемую линзу, при этом по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки;at least one tunable lens, wherein at least one tunable lens comprises at least two tunable optical cells; причём каждая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических ячеек содержит электродную структуру, выполненную с возможностью перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы таким образом, что оптическая сила перестраиваемой линзы изменяется с равным диоптрическим шагом Δ.moreover, each of at least two tunable optical cells contains an electrode structure configured to adjust the focal length of the tunable lens in such a way that the optical power of the tunable lens changes with an equal diopter step Δ. 2. Устройство по п. 1, в котором упомянутый диоптрический шаг Δ составляет 0,25 дптр.2. The device according to claim 1, in which said diopter step Δ is 0.25 diopters. 3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одна перестраиваемая линза содержит по меньшей мере два набора перестраиваемых оптических ячеек.3. The device according to claim 1, in which at least one tunable lens contains at least two sets of tunable optical cells. 4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую линзу.4. The device according to claim 1, further comprising an optical waveguide connecting a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, and at least one tunable lens. 5. Устройство по п. 3, дополнительно содержащее оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первый набор перестраиваемых оптических ячеек и второй набор перестраиваемых оптических ячеек, при этом оптический волновод находится между первым набором перестраиваемых оптических ячеек и вторым набором перестраиваемых оптических ячеек.5. The device according to claim 3, further comprising an optical waveguide connecting a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, a first set of tunable optical cells and a second set of tunable optical cells, wherein the optical waveguide is between the first set of tunable optical cells and a second set of tunable optical cells. 6. Устройство по п. 5, в котором первый набор перестраиваемых оптических ячеек находится перед источником изображений виртуальных объектов.6. The device according to claim 5, in which the first set of tunable optical cells is located in front of the image source of virtual objects. 7. Устройство по п. 5, в котором первый набор перестраиваемых оптических ячеек находится перед глазом пользователя.7. The device according to claim 5, in which the first set of tunable optical cells is in front of the user's eye. 8. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит концентрические кольцевые электроды, причем центральный электрод выполнен в форме круга.8. The device according to claim 1, in which the electrode structure comprises concentric ring electrodes, the central electrode being in the form of a circle. 9. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит электроды, выполненные в виде параллельных полос, расположенных горизонтально или вертикально.9. The device according to claim 1, in which the electrode structure comprises electrodes made in the form of parallel strips arranged horizontally or vertically. 10. Устройство по п. 1, в котором электродная структура содержит электроды, выполненные в виде массива многоугольников.10. The device according to claim 1, in which the electrode structure contains electrodes made in the form of an array of polygons. 11. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки расположены смежно без зазора между ними.11. The device according to claim 1, in which at least two tunable optical cells are adjacent without a gap between them. 12. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки образуют зависимую от поляризации структуру.12. The device according to claim 1, in which at least two tunable optical cells form a polarization-dependent structure. 13. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере две перестраиваемые оптические ячейки образуют независимую от поляризации структуру.13. The device according to claim 1, in which at least two tunable optical cells form a structure independent of polarization. 14. Устройство по п. 1, в котором перестраиваемая линза имеет круглую форму.14. The device according to claim 1, in which the tunable lens has a circular shape. 15. Устройство по п. 1, в котором перестраиваемая линза имеет прямоугольную форму.15. The device according to claim 1, in which the tunable lens has a rectangular shape. 16. Система дополненной реальности (AR), содержащая устройство отображения по любому из пп. 1-15.16. The augmented reality system (AR), comprising a display device according to any one of paragraphs. 1-15. 17. Система виртуальной реальности (VR), содержащая устройство отображения по любому из пп. 1-15.17. A virtual reality system (VR) comprising a display device according to any one of paragraphs. 1-15.

Images