RU2801055C1

RU2801055C1 - Augmented reality device based on curved waveguide, method of operation of mentioned device, augmented reality glasses based on mentioned device

Info

Publication number: RU2801055C1
Application number: RU2022133304A
Authority: RU
Inventors: Гаврил Николаевич Востриков; Николай Викторович Муравьев; Александр Евгеньевич Ангервакс; Роман Александрович ОКУНЬ; Анастасия Сергеевна ПЕРЕВОЗНИКОВА
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-08-01

Abstract

FIELD: computer technology.

SUBSTANCE: invention relates to augmented reality devices based on a curved waveguide. A device for displaying augmented reality, comprising a projector, a curved waveguide having the shape of a concentric cylindrical meniscus, containing an input diffractive optical element and an output diffractive optical element; moreover, the curved waveguide is configured to propagate the rays of the original image from the input diffractive optical element to the output diffractive optical element by means of total internal reflection from the surfaces of the curved waveguide, and when the rays of the original image propagate, the corners and the output diffractive optical element are configured to form a virtual image on the retina of the user eye by transforming rays.

EFFECT: reducing distortions in the formation of augmented reality.

10 cl, 17 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а также к очкам дополненной реальности. The present invention relates to augmented reality devices, as well as augmented reality glasses.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое пользователь может использовать в качестве источника видеоинформации (изображения), проецируемой непосредственно в глаз пользователя в виде виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку. Для массового потребителя необходимо разработать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV - угловая характеристика, показывающая в каком диапазоне углов можно наблюдать виртуальные изображения, дополняющие окружающую пользователя реальную обстановку), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением. Такие носимые устройства могут заменить пользователю любые источники видеоинформации, такие как телевизоры, смартфоны и т.д. Wearable augmented reality (AR) glasses are a personal device that the user can use as a source of video information (image) projected directly into the user's eye in the form of a virtual image that complements the user's real environment. For the mass consumer, it is necessary to develop devices for augmented reality glasses with a wide field of view (FOV - angular characteristic, showing in what range of angles it is possible to observe virtual images that complement the real environment around the user), low weight and cost, compactness and high resolution. Such wearable devices can replace any source of video information for the user, such as TVs, smartphones, etc.

К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования: The following requirements are imposed on augmented reality glasses systems:

- широкое поле зрения, чтобы обеспечить возможность наложения виртуального изображения на большую область пространства, которую видит человеческий глаз;- a wide field of view to enable the virtual image to be superimposed over a large area of space that the human eye can see;

- хорошее качество изображения, т.е. высокое разрешение, высокий контраст и т.д.;- good image quality, i.e. high resolution, high contrast, etc.;

- малый вес;- low weight;

- компактность;- compactness;

- низкая стоимость.- low cost.

Оптическим устройством, осуществляющим совмещение виртуального изображения с реальной обстановкой, окружающей пользователя, является оптический комбайнер (optical combiner). В качестве комбайнера в настоящее время наибольшее распространение получили планарные (плоские) волноводы, на поверхности которых располагаются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) для ввода, преобразования и вывода оптического излучения. Планарный волновод представляет собой прозрачную пластину из оптического материала с двумя плоскопараллельными поверхностями. Пучок параллельных лучей внутри такого волновода может распространяться без искажений на любое расстояние. Устройства дополненной реальности с такими комбайнерами обладают малым весом, малыми размерами, низкой стоимостью, могут обеспечить широкое поле зрения, имеют высокую пропускаемость, то есть высокое пропускание реального изображения.An optical device that combines a virtual image with the real environment surrounding the user is an optical combiner. Planar (flat) waveguides, on the surface of which there are diffractive optical elements (DOE) for input, conversion and output of optical radiation, are currently the most widely used as a combiner. A planar waveguide is a transparent plate of optical material with two plane-parallel surfaces. A beam of parallel rays inside such a waveguide can propagate without distortion to any distance. Augmented reality devices with such combiners are lightweight, small in size, low in cost, can provide a wide field of view, and have high transmission, that is, high transmission of a real image.

Однако, в таких устройствах края, где расположены проекторы изображения, располагаются далеко от височной части головы пользователя, поэтому такие очки при использовании занимают большое пространство. Кроме того, такие комбайнеры формируют виртуальное изображение не только со стороны, где располагается глаз пользователя, но и с противоположенной от пользователя стороны. Это может приводить к тому, что внешний наблюдатель при определенном расположении, сможет так же, как и пользователь, частично или полностью увидеть виртуальное изображение, формируемое для пользователя, что может быть нежелательно. However, in such devices, the edges where the image projectors are located are located far from the temporal part of the user's head, so such glasses take up a large space during use. In addition, such combiners form a virtual image not only from the side where the user's eye is located, but also from the side opposite from the user. This may lead to the fact that an external observer, at a certain location, will be able, just like the user, to partially or completely see the virtual image generated for the user, which may be undesirable.

В качестве оптического комбайнера возможно использовать изогнутые волноводы, расположенные на голове пользователя таким образом, что они огибают овал головы пользователя, очки с таким комбайнером будут более компактными и удобными, будут иметь меньшие габариты, устройство с таким комбайнером будет более эргономичным и эстетичным. Однако использование изогнутого волновода в качестве комбайнера сопряжено со значительными сложностями при преобразовании и передаче оптического излучения через него.As an optical combiner, it is possible to use curved waveguides located on the user's head in such a way that they go around the oval of the user's head, glasses with such a combiner will be more compact and convenient, they will have smaller dimensions, a device with such a combiner will be more ergonomic and aesthetic. However, the use of a curved waveguide as a combiner is associated with significant difficulties in converting and transmitting optical radiation through it.

Например, рассмотрим случай падения параллельного пучка лучей на изогнутый волновод. Пусть этот пучок вводится внутрь волновода с помощью вводной дифракционной решетки с постоянным периодом. Пучок падающих на волновод параллельных лучей превратится внутри волновода в непараллельный пучок, лучи которого будут распространяться внутри волновода под разными углами. Этот эффект необходимо учитывать и компенсировать при проектировании очков дополненной реальности с изогнутым комбайнером.For example, consider the case of a parallel beam of rays falling on a curved waveguide. Let this beam be introduced into the waveguide using an introductory diffraction grating with a constant period. A beam of parallel rays incident on the waveguide will turn inside the waveguide into a non-parallel beam, the rays of which will propagate inside the waveguide at different angles. This effect must be taken into account and compensated for when designing augmented reality glasses with a curved combiner.

Из уровня техники известен документ US10983346B2 (дата публикации 20.04.2021). В этом документе раскрыто устройство отображения на основе изогнутого волновода, причем часть волновода для ввода излучения является плоской, а часть волновода для вывода излучения является изогнутой. На изогнутой части волновода расположен выводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) с переменным периодом, причем все излучение, вошедшее в волновод от проектора, выводится посредством выводного ДОЭ под одним углом, то есть все лучи, которые выводятся из волновода параллельны друг другу, благодаря чему изображение не имеет искажений. Недостатком известного устройства является низкое качество изображения, формируемое таким комбайнером, ввиду того что параллельный пучок лучей, распространяющийся без искажений внутри плоской части волновода, перейдя в изогнутую часть волновода будет неминуемо искажаться при распространении по изогнутой части волновода так как угол падения различных лучей из параллельного пучка на изогнутую поверхность волновода будет разным вследствие кривизны этой поверхности.Document US10983346B2 is known from the prior art (publication date 04/20/2021). This document discloses a display device based on a curved waveguide, wherein the radiation input portion of the waveguide is flat and the radiation output portion of the waveguide is curved. An output diffractive optical element (DOE) with a variable period is located on the curved part of the waveguide, and all the radiation that enters the waveguide from the projector is output through the output DOE at one angle, that is, all the rays that are output from the waveguide are parallel to each other, due to which the image has no distortion. A disadvantage of the known device is the low image quality generated by such a combiner, due to the fact that a parallel beam of rays propagating without distortion inside the flat part of the waveguide, passing into the curved part of the waveguide, will inevitably be distorted when propagating along the curved part of the waveguide, since the angle of incidence of various rays from the parallel beam on the curved surface of the waveguide will be different due to the curvature of this surface.

Из уровня техники известен документ «Field of view of limitations in see-through HMD using geometric waveguides» опубликованный в журнале «Applied Optics» в 2016 году, авторы Edward Dehoog, Jason Holmstedt, и Tin Aye. В этой статье рассмотрены ограничения поля зрения в случае использования концентрического мениска в качестве комбайнера по сравнению с плоским комбайнером. Концентрический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя сферическими поверхностями, центры кривизны которых находятся в одной точке. Кроме того, показано, что каждый луч, распространяющийся внутри концентрического мениска, будет иметь одинаковые углы падения и отражения в каждой точке падения луча на внешнюю поверхность волновода относительно нормали в каждой точке падения. Для внутренней поверхности волновода углы падения и отражения относительно нормали в каждой точке падения луча будут так же одинаковыми, но отличающимися по значению от углов для внешней поверхности.The document "Field of view of limitations in see-through HMD using geometric waveguides" published in the journal Applied Optics in 2016 by Edward Dehoog, Jason Holmstedt, and Tin Aye is known from the prior art. This article discusses the limitations of the field of view in the case of using a concentric meniscus as a combiner compared to a flat combiner. A concentric meniscus is an optical detail formed by two spherical surfaces whose centers of curvature are at the same point. In addition, it is shown that each beam propagating inside the concentric meniscus will have the same angles of incidence and reflection at each point of incidence of the beam on the outer surface of the waveguide relative to the normal at each point of incidence. For the inner surface of the waveguide, the angles of incidence and reflection relative to the normal at each point of incidence of the beam will also be the same, but differ in value from the angles for the outer surface.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство, раскрытое в документе WO 2022058740 A1 (дата публикации 24.03.2022). В устройстве используется комбайнер в виде изогнутого волновода. Изогнутый волновод представляет собой цилиндрический концентрический мениск. Цилиндрический концентрический мениск представляет собой оптическую деталь, поверхности которой образованы цилиндрическими поверхностями, при этом оси цилиндров поверхностей волновода совпадают. Источник излучения в предлагаемом изобретении располагается на оси цилиндрических поверхностей волновода. Вводной ДОЭ имеет постоянный период. Между источником излучения, который проецируется в глаз пользователя и вводным ДОЭ устанавливается дополнительная цилиндрическая фокусирующая линза, оси цилиндрических поверхностей которой перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей волновода. В такой схеме каждый луч, упавший от источника излучения, расположенного на оси цилиндра волновода, на вводной ДОЭ совпадет с направлением нормали к поверхности волновода в точке падения. Поэтому каждый луч от источника излучения будет введен в волновод вводным ДОЭ под одинаковым углом. Пучок таких лучей будет распространяться внутри волновода в форме концентрического цилиндрического мениска на любое расстояние с сохранением углов падения и отражения относительно нормалей в точках падения на внутреннюю и внешнюю сторону волновода, то есть без искажений. Это позволит вывести этот пучок с помощью выводного ДОЭ из волновода, сформировав, таким образом, изображение для пользователя. Предложенная схема позволяет сформировать безаберрационное изображение точек, располагающихся на оси цилиндрических поверхностей волновода в случае нулевых аберраций дополнительной цилиндрической фокусирующей линзы. Недостатком такой схемы является ее громоздкость ввиду требований к расположению источника излучения относительно волновода. The closest analogue of the present invention is the device disclosed in the document WO 2022058740 A1 (publication date 03/24/2022). The device uses a combiner in the form of a curved waveguide. The curved waveguide is a cylindrical concentric meniscus. A cylindrical concentric meniscus is an optical part whose surfaces are formed by cylindrical surfaces, while the axes of the cylinder surfaces of the waveguide coincide. The radiation source in the present invention is located on the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide. The introductory DOE has a constant period. Between the radiation source, which is projected into the user's eye and the input DOE, an additional cylindrical focusing lens is installed, the axes of the cylindrical surfaces of which are perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide. In such a scheme, each beam incident from a radiation source located on the axis of the waveguide cylinder coincides on the input DOE with the direction of the normal to the waveguide surface at the point of incidence. Therefore, each beam from the radiation source will be introduced into the waveguide by the input DOE at the same angle. A beam of such rays will propagate inside the waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus to any distance while maintaining the angles of incidence and reflection relative to the normals at the points of incidence on the inner and outer sides of the waveguide, that is, without distortion. This will allow this beam to be extracted using the output DOE from the waveguide, thus forming an image for the user. The proposed scheme makes it possible to form an aberration-free image of points located on the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide in the case of zero aberrations of an additional cylindrical focusing lens. The disadvantage of this scheme is its bulkiness due to the requirements for the location of the radiation source relative to the waveguide.

Предложенные решения позволяют создать компактное устройство дополненной реальности с изогнутым комбайнером, которое формирует качественное изображение для пользователя, которое не может наблюдать посторонний. The proposed solutions make it possible to create a compact augmented reality device with a curved combiner that generates a high-quality image for the user that cannot be observed by an outsider.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащееA device for displaying augmented reality is proposed, containing

- проектор, формирующий исходное изображение;- a projector that forms the original image;

- изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического мениска, содержащий вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент;- a curved waveguide having the shape of a concentric cylindrical meniscus, containing an input diffractive optical element and an output diffractive optical element;

причем период штрихов вводного дифракционного оптического элемента в каждой точке вводного дифракционного оптического элемента такой, что лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;moreover, the stroke period of the input diffractive optical element at each point of the input diffractive optical element is such that the rays emanating from one point of the original image undergo diffraction on the input diffractive optical element at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence;

причем изогнутый волновод выполнен с возможностью распространения лучей исходного изображения от вводного дифракционного оптического элемента к выводному дифракционному оптическому элементу посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, причем при распространении лучей исходного изображения углы падения на и отражения от вогнутой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными, и углы падения на и отражения от выпуклой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными; moreover, the curved waveguide is configured to propagate the rays of the original image from the input diffractive optical element to the output diffractive optical element by means of total internal reflection from the surfaces of the curved waveguide, and when the rays of the original image propagate, the angles of incidence on and reflection from the concave surface of the curved waveguide inside the curved waveguide are equal to each other and constant, and the angles of incidence on and reflection from the convex surface of the curved waveguide inside the curved waveguide are equal to each other and constant;

причем выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью формирования виртуального изображения на сетчатке глаза пользователя путем преобразования лучей, прошедших через изогнутый волновод и попадающих на выводной дифракционный оптический элемент, в параллельные пучки лучей.moreover, the output diffractive optical element is configured to form a virtual image on the retina of the user's eye by converting the rays passed through the curved waveguide and falling on the output diffractive optical element into parallel beams of rays.

Причем по меньшей мере в одной точке на каждом из дифракционных оптических элементов период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента может быть равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента. В одном из вариантов воплощения изобретения период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента в центре вводного дифракционного оптического элемента и в центре дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента, Moreover, at least at one point on each of the diffractive optical elements, the period of the diffraction grating of the input diffractive optical element can be equal to the period of the diffraction grating of the output diffractive optical element. In one of the embodiments of the invention, the period of the diffraction grating of the input diffractive optical element is equal to the period of the diffraction grating of the output diffractive optical element at the center of the input diffractive optical element and at the center of the diffraction grating of the output diffractive optical element,

причем центр исходного изображения лежит на нормали к поверхности волновода в центре вводного дифракционного оптического элемента, и центр изображения, формируемого выводным дифракционным оптическим элементом, лежит на нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента.moreover, the center of the original image lies on the normal to the waveguide surface in the center of the input diffractive optical element, and the center of the image formed by the output diffractive optical element lies on the normal to the waveguide surface in the center of the output diffractive optical element.

Еще в одном варианте воплощения изобретения, если проектор формирует изображение на бесконечности, для каждой точки вводного дифракционного оптического элемента с координатами и его период определяется выражением:In yet another embodiment of the invention, if the projector forms an image at infinity, for each point of the input diffractive optical element with coordinates And its period is given by:

, ,

x_in - это линейная координата точки поверхности волновода на которую падает луч по оси O_inX_in в системе координат O_inX_inY_inZ_in, причем центр O_in системы координат расположен в центре вводного дифракционного оптического элемента, ось Z_in направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_in направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_in, ось X_in направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_in;x _in is the linear coordinate of the point on the surface of the waveguide on which the beam falls along the axis O _in X _in in the coordinate system O _in X _in Y _in Z _in , and the center O _{in of} the coordinate system is located at the center of the input diffractive optical element, the Z _in axis is directed along normal to the surface of the bent waveguide, the Y _in axis is directed tangentially to the surface of the bent waveguide at the point O _in along the length of the bent waveguide and perpendicular to the Z _in axis, the X _in axis is directed along the generatrix of the cylindrical surface of the bent waveguide at the point O _in along the width of the bent waveguide and perpendicular to axes Z _in ;

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода с началом отсчета в центре Oin вводного дифракционного оптического элемента, - linear coordinate along the concave surface of the curved waveguide with the origin at the center Oin of the input diffractive optical element,

R1 - радиус кривизны вогнутой поверхности изогнутого волновода,R1 - radius of curvature of the concave surface of the curved waveguide,

λ - длина волны падающего излучения,λ is the wavelength of the incident radiation,

Т₀ - период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента в точке, где луч с длиной волны λ, падающий на вводной дифракционный оптический элемент по нормали к поверхности изогнутого волновода, претерпевает дифракцию в -1 порядок дифракции на вводном дифракционном оптическом элементе;T ₀ - the period of the diffraction grating of the input diffractive optical element at the point where the beam with a wavelength λ incident on the input diffractive optical element along the normal to the surface of the curved waveguide undergoes diffraction in -1 order of diffraction on the input diffractive optical element;

причем штрихи вводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода. moreover, the strokes of the input diffractive optical element are parallel to the common axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

Если выводной дифракционный оптический элемент формирует изображение на бесконечности, изменение периода выводного дифракционного оптического элемента может быть равно:If the output diffractive optical element forms an image at infinity, the change in the period of the output diffractive optical element can be equal to:

, ,

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода в сечении Y_outO_outZ_out с началом отсчета в центре O_out выводного дифракционного оптического элемента, где период выводного дифракционного оптического элемента равен Т₀, ось Z_out направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out, ось X_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out, - linear coordinate along the concave surface of the curved waveguide in the section Y _out O _out Z _out with the origin at the center O _out of the output diffractive optical element, where the period of the output diffractive optical element is T ₀ , the Z _out axis is directed normal to the surface of the curved waveguide, the axis Y _out is directed tangentially to the surface of the curved waveguide at the point O _out along the length of the curved waveguide and perpendicular to the Z _out axis, the X _{out axis} is directed tangentially to the surface of the curved waveguide at the point O _out along the width of the curved waveguide and perpendicular to the axis Z _out ,

λ - длина волны падающего излучения;λ is the wavelength of the incident radiation;

причем штрихи выводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода. moreover, the strokes of the output diffractive optical element are parallel to the common axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

Причем устройство может дополнительно содержать два плоских волновода, расположенных между проектором и вводным дифракционным оптическим элементом, причем каждый из плоских волноводов имеет дифракционную решетку плоского волновода с постоянным периодом, причем штрихи дифракционной решетки каждого плоского волновода перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.Moreover, the device may additionally contain two flat waveguides located between the projector and the input diffractive optical element, each of the flat waveguides has a diffraction grating of a flat waveguide with a constant period, and the strokes of the diffraction grating of each flat waveguide are perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

Также предлагается способ работы устройства дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:A method for operating an augmented reality device is also proposed, comprising the steps of:

формируют исходное изображение посредством проектора;forming the original image by means of the projector;

вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента лучи исходного изображения в изогнутый волновод,the rays of the original image are introduced into the curved waveguide by means of an introductory diffractive optical element,

причем лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения; moreover, the rays emanating from one point of the original image undergo diffraction on the input diffractive optical element at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence;

лучи, введенные в изогнутый волновод, распространяются в изогнутом волноводе посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода;the rays introduced into the curved waveguide propagate in the curved waveguide by total internal reflection from the surfaces of the curved waveguide;

преобразуют лучи, прошедшие через изогнутый волновод, в параллельные пучки лучей посредством выводного дифракционного оптического элемента, формируя виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя. converting the rays passed through the curved waveguide into parallel beams of rays by means of an output diffractive optical element, forming a virtual image on the retina of the user's eye.

Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности. Причем расстояние между центрами выводных дифракционных оптических элементов может соответствовать межзрачковому расстоянию пользователя. Причем нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза может быть параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.Augmented reality glasses are provided, comprising a left eye element and a right eye element, each of the left and right eye elements being the proposed augmented reality display device. Moreover, the distance between the centers of the output diffractive optical elements can correspond to the interpupillary distance of the user. Moreover, the normal to the waveguide surface in the center of the output diffractive optical element for the right eye can be parallel to the normal to the waveguide surface in the center of the output diffractive optical element for the left eye.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее: The above and other features and advantages of the present invention are explained in the following description, illustrated by drawings, in which the following is presented:

Фиг. 1а иллюстрирует изогнутый волновод в изометрии, фиг. 1б иллюстрирует распространение луча под углами ПВО внутри изогнутого волновода в плоскости, перпендикулярной его оси.Fig. 1a illustrates a curved waveguide in isometric view, FIG. 1b illustrates beam propagation at TIR angles inside a curved waveguide in a plane perpendicular to its axis.

Фиг. 2 показана схема дифракции лучей от точечного источника излучения на вводном ДОЭ в сечении Y_inO_inZ_in.Fig. Figure 2 shows a diagram of the diffraction of rays from a point source of radiation on the input DOE in the cross section Y _in O _in Z _in .

Фиг. 3 показана схема дифракции лучей от точечного источника излучения на вводном ДОЭ в сечении X_inO_inZ_in.Fig. Figure 3 shows a diagram of the diffraction of rays from a point source of radiation on the input DOE in the cross section X _in O _in Z _in .

Фиг. 4 показан ход лучей параллельного пучка, падающего на вводной ДОЭ 5, период которого изменяется в соответствии с равенством (1), в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода. Fig. 4 shows the path of rays of a parallel beam incident on the input DOE 5, the period of which varies in accordance with equality (1), in a plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

Фиг. 5 иллюстрирует изометрический вид распространения луча через концентрический цилиндрический волновод, вводной ДОЭ с выражением изменения периода согласно (1), выводной ДОЭ с выражением изменения периода согласно (2).Fig. 5 illustrates an isometric view of beam propagation through a concentric cylindrical waveguide, an input DOE with a period change expression according to (1), an output DOE with a period change expression according to (2).

Фиг. 6 иллюстрирует схему дифракции луча от проектора с выходным зрачком конечных размеров, формирующего изображение на бесконечности, на вводном ДОЭ в сечении Y_outO_outZ_out.Fig. 6 illustrates the scheme of diffraction of a beam from a projector with an exit pupil of finite dimensions, which forms an image at infinity, on the input DOE in the section Y _out O _out Z _out .

Фиг. 7 иллюстрирует графики распределения угловых ошибок вводного ДОЭ а) с выражением изменения периода согласно выражению (1) б) с уточненным выражением изменения периода.Fig. 7 illustrates the angular error distribution graphs of the introductory DOE a) with the period change expression according to expression (1) b) with the refined period change expression.

Фиг. 8 показана схема дифракции луча на выводном ДОЭ в сечении Y_outO_outZ_out. Fig. 8 shows the scheme of beam diffraction on the output DOE in the section Y _out O _out Z _out .

Фиг. 9 иллюстрирует графики распределения угловых ошибок выводного ДОЭ а) с выражением изменения периода согласно выражению (2) б) с уточненным выражением изменения периода.Fig. 9 illustrates the angular error distribution graphs of the output DOE a) with the period change expression according to expression (2) b) with the refined period change expression.

Фиг. 10 показана схема установки записи ДОЭ (ГОЭ) с переменным периодом на пленочном голографическом материале.Fig. 10 shows a diagram of a setup for recording a DOE (GOE) with a variable period on a film holographic material.

Фиг. 11 иллюстрирует изометрический вид распространения луча через волноводы расширения выходного зрачка проектора и концентрический цилиндрический волновод.Fig. 11 illustrates an isometric view of beam propagation through the projector's eye dilation waveguides and a concentric cylindrical waveguide.

Фиг. 12 схематично иллюстрирует предлагаемое устройство дополненной реальности, формирующее виртуальное изображение для двух глаз.Fig. 12 schematically illustrates the proposed augmented reality device that generates a virtual image for two eyes.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Предлагается устройство дополненной реальности на основе изогнутого оптического комбайнера. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность пользователю видеть изображение без искажений при любой ширине пучка излучения, поступающего от проекционной системы. Также предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения для пользователя и представляет собой компактное устройство. При применении предлагаемого устройства обеспечивается улучшенное качество изображения, которое сохраняется в широком диапазоне расположения глаза пользователя относительно оптического комбайнера.An augmented reality device based on a curved optical combiner is proposed. The present invention enables the user to see the image without distortion at any width of the radiation beam coming from the projection system. Also, the present invention provides a wide field of view for the user and is a compact device. When using the proposed device, improved image quality is provided, which is maintained in a wide range of the user's eye position relative to the optical combiner.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:The following terms are used in describing the present invention:

Виртуальное изображение - это мнимое изображение, полученное продолжением лучей, которые не сходятся в пространстве предметов. Суть виртуального изображения для использования в устройствах дополненной реальности состоит в том, что такое изображение должно быть мнимым, иначе пользователь его не увидит. Реальное изображение является действительным изображением физически существующих объектов.A virtual image is an imaginary image obtained by the continuation of rays that do not converge in the space of objects. The essence of a virtual image for use in augmented reality devices is that such an image must be imaginary, otherwise the user will not see it. A real image is a real image of physically existing objects.

Оптический комбайнер (optical combiner) - это оптическое устройство, обеспечивающее формирование перед пользователем изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку (виртуального изображения), при этом, не препятствуя наблюдению пользователем окружающей реальной обстановки. В качестве оптического комбайнера в настоящей заявке используется изогнутый волновод в виде концентрического цилиндрического мениска, имеющий вводной ДОЭ (дифракционный оптический элемент) и выводной ДОЭ, центры которых располагаются в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода.An optical combiner is an optical device that provides the formation of an image in front of the user that complements the real environment surrounding the user (virtual image), while not interfering with the user's observation of the real environment. As an optical combiner in this application, a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus is used, having an input DOE (diffractive optical element) and an output DOE, the centers of which are located in the same plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide.

Поле зрения (FOV) оптической системы (угловое поле) - это угловой диапазон, в пределах которого пользователь может наблюдать изображение, формируемое оптической системой. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения. The field of view (FOV) of an optical system (angular field) is the angular range within which the user can observe the image generated by the optical system. The center of the field of view corresponds to the center of the image, and the edge of the field of view corresponds to the edge of the maximum possible image size.

Поле движения глаз (Eye motion box (EMB)) - это область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все поле зрения, формируемое устройством дополненной реальности без потерь и с заданным качеством. Поле движения глаз - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрения, т.е. лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется частично или полностью, т.е. вне этой области во входной зрачок глаза не попадают лучи от всего либо от какой-то части виртуального изображения. Глаз постоянно движется, вращается и при этом постоянно смещается зрачок глаза. Поле движения глаз оптического комбайнера устройства дополненной реальности должно соответствовать диапазону возможного движения глаза пользователя. Eye motion box (EMB) is an area within which the eye, moving, can see the entire field of view formed by the augmented reality device without loss and with a given quality. The field of eye movement is a linear region in space, inside which the entire field of view enters the pupil of the eye, i.e. rays from anywhere in the image. Outside this area, part of the field of view is lost partially or completely, i.e. outside this area, the rays from all or from some part of the virtual image do not enter the entrance pupil of the eye. The eye is constantly moving, rotating and at the same time the pupil of the eye is constantly shifting. The eye movement field of the optical combiner of the augmented reality device must correspond to the range of possible eye movement of the user.

Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют лучи, формирующие все поле зрения. В волноводной оптике известны технические решения для размножения выходного зрачка, то есть увеличения его размеров, без увеличения размеров оптической системы в направлении оптической оси. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом значительно увеличиваются размеры оптической системы, волноводная оптика, за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода, позволяет это делать без увеличения габаритов в направлении оптической оси оптической системы.The exit pupil (or the pupil of the optical system) is a paraxial image of the aperture stop in image space, formed by the next part of the optical system in the forward path of the rays. This term is well-established in optics. The main property of the exit pupil is that at any point there are rays that form the entire field of view. In waveguide optics, technical solutions are known for multiplying the exit pupil, that is, increasing its size, without increasing the size of the optical system in the direction of the optical axis. Classical optics allows you to increase the size of the exit pupil, but at the same time, the size of the optical system increases significantly, waveguide optics, due to the multiple reflection of beams of rays inside the waveguide, allows you to do this without increasing the dimensions in the direction of the optical axis of the optical system.

Концентрический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя сферическими поверхностями волновода, центры кривизны которых находятся в одной точке. A concentric meniscus is an optical detail formed by two spherical waveguide surfaces, the centers of curvature of which are at the same point.

Концентрический цилиндрический мениск (изогнутый волновод 1) - это оптическая деталь, образованная двумя цилиндрическими поверхностями, оси которых совпадают, как это показано на фиг. 1а. Общая ось вогнутой и выпуклой цилиндрических поверхностей изогнутого волновода обозначена позицией 2.A concentric cylindrical meniscus (curved waveguide 1) is an optical detail formed by two cylindrical surfaces whose axes coincide, as shown in FIG. 1a. The common axis of the concave and convex cylindrical surfaces of the curved waveguide is indicated by position 2.

Рассмотрим распространение луча внутри концентрического цилиндрического мениска (изогнутого волновода) в плоскости сечения, перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей, его образующих. Ход луча в этой плоскости показан на фиг. 1а в изометрии и на фиг. 1б в плоскости такого сечения. Точка С на фиг. 1б это точка пересечения рассматриваемой плоскости сечения и общей оси 2 поверхностей волновода 1. Let us consider the propagation of a beam inside a concentric cylindrical meniscus (curved waveguide) in the section plane perpendicular to the axis 2 of the cylindrical surfaces forming it. The path of the beam in this plane is shown in Fig. 1a in isometric view and in Fig. 1b in the plane of such a section. Point C in Fig. 1b is the point of intersection of the sectional plane under consideration and the common axis 2 of the surfaces of the waveguide 1.

В этой плоскости сечения концентрический цилиндрический мениск будет представлен двумя дугами окружностей, ограничивающими внутренний объем изогнутого волновода, центры которых совпадают в точке С, как показано на фиг. 1б. Нормали к выпуклой и вогнутой поверхностям во всех точках такого сечения волновода будут лежать в этой же плоскости сечения.In this sectional plane, the concentric cylindrical meniscus will be represented by two arcs of circles bounding the internal volume of the bent waveguide, the centers of which coincide at point C, as shown in FIG. 1b. The normals to the convex and concave surfaces at all points of such a section of the waveguide will lie in the same section plane.

Для луча, распространяющегося внутри такого волновода под углом ПВО (полного внутреннего отражения) в этой плоскости сечения, угол падения и отражения будет постоянным для вогнутой β_I=β₁=β₂=β_4k+1=β_4k+2и противоположной (выпуклой) поверхности волновода β_II=β₃=β₄=β_4k+3=β_4k+4 при k=1,2,3,4… Это верно для волновода такой формы вследствие того, что радиусы кривизны выпуклой поверхности R₂ и вогнутой поверхности R₁ имеют один и тот же центр - точку С, а нормали к внешней и внутренней поверхностям волновода лежат в этой же плоскости сечения. Углы падения луча для вогнутой (первой поверхности) и выпуклой (второй поверхности) поверхностей связаны соотношением: β_I=-arcsin(sin(β_II)·R₂/R₁). For a beam propagating inside such a waveguide at an angle of TIR (total internal reflection) in this sectional plane, the angle of incidence and reflection will be constant for a concave β _I =β ₁ =β ₂ =β _4k+1 =β _4k+2 and the opposite (convex ) waveguide surface β _II =β ₃ =β ₄ =β _4k+3 =β _4k+4 at k=1,2,3,4… This is true for a waveguide of this shape due to the fact that the radii of curvature of the convex surface R ₂ and surfaces R ₁ have the same center - point C, and the normals to the outer and inner surfaces of the waveguide lie in the same sectional plane. The angles of incidence of the beam for the concave (first surface) and convex (second surface) surfaces are related by the relation: β _I =-arcsin(sin(β _II )·R ₂ /R ₁ ).

Лучи, не лежащие в плоскости перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей волновода, будут распространяться внутри волновода по такой траектории, что ее проекция на плоскость перпендикулярной оси 2 цилиндрических поверхностей волновода будет соответствовать фиг. 1(б). Для таких лучей так же будет сохраняться равенство углов падения и отражения луча относительно нормали к поверхности волновода в каждой точке падения для внутренней и внешней поверхностей волновода.Rays that do not lie in the plane perpendicular to the axis 2 of the cylindrical surfaces of the waveguide will propagate inside the waveguide along such a trajectory that its projection onto the plane perpendicular to the axis 2 of the cylindrical surfaces of the waveguide will correspond to Fig. 1(b). For such rays, the equality of the angles of incidence and reflection of the beam relative to the normal to the surface of the waveguide at each point of incidence for the inner and outer surfaces of the waveguide will also be preserved.

Такие свойства распространения луча внутри концентрического цилиндрического мениска - сохранение угла падения и отражения относительно нормали во всех точках падения для вогнутой и выпуклой поверхности - используется в настоящем изобретении для формирования виртуального изображения с помощью изогнутого комбайнера. Пучок лучей, распространяющихся внутри концентрического цилиндрического мениска в диапазоне углов ПВО, как это показано на фиг. 1б, имеющих равные углы падения и отражения относительно нормали в точке падения для вогнутой и выпуклой поверхности, может передавать яркость одного направления поля зрения от области вводного ДОЭ (дифракционного оптического элемента) к области выводного ДОЭ через изогнутый волновод. Такой пучок лучей обладает следующими особенностями:Such properties of beam propagation inside a concentric cylindrical meniscus - maintaining the angle of incidence and reflection relative to the normal at all points of incidence for a concave and convex surface - is used in the present invention to form a virtual image using a curved combiner. A beam of rays propagating inside a concentric cylindrical meniscus in the range of TIR angles, as shown in Fig. 1b, having equal angles of incidence and reflection relative to the normal at the point of incidence for a concave and convex surface, can transmit the brightness of one direction of the field of view from the region of the input DOE (diffractive optical element) to the region of the output DOE through a curved waveguide. Such a beam of rays has the following features:

- распространяется внутри волновода на любое расстояние в диапазоне углов ПВО с сохранением углов лучей относительно нормалей в точках падения; - propagates inside the waveguide to any distance in the range of TIR angles while maintaining the angles of the rays relative to the normals at the points of incidence;

- не является гомоцентрическим пучком, то есть продолжение лучей такого пучка не пересекаются в одной точке;- is not a homocentric beam, that is, the continuation of the rays of such a beam do not intersect at one point;

- является расходящимся пучком при распространении от вогнутой поверхности волновода к выпуклой поверхности;- is a divergent beam when propagating from the concave surface of the waveguide to the convex surface;

- является сходящимся пучком при распространении от выпуклой поверхности волновода к вогнутой.- is a converging beam when propagating from the convex surface of the waveguide to the concave one.

Для формирования такого пучка внутри волновода вводной ДОЭ должен соответствующим образом преобразовать пучок, падающий на него от источника излучения, составляющего изображение, которое предоставляется пользователю. Для этого каждый луч упомянутого пучка излучения, должен претерпеть дифракцию таким образом, что угол луча, претерпевшего дифракцию, внутри волновода относительно нормали к поверхности волновода должен быть равным для каждого такого луча для всех точек падения на вводной ДОЭ.To form such a beam inside the waveguide, the introductory DOE must appropriately transform the beam incident on it from the radiation source that constitutes the image that is presented to the user. To do this, each beam of the mentioned radiation beam must undergo diffraction in such a way that the angle of the diffracted beam inside the waveguide relative to the normal to the waveguide surface must be equal for each such beam for all points of incidence on the input DOE.

Проектор в общем случае является источником излучения с оптической системой. Оптическая система проектора строит изображение источника излучения на некотором расстоянии от проектора, как правило, на бесконечности. Источник излучения, который составляет исходное изображение можно разбить на точечные источники излучения, расположенные на некотором расстоянии от изогнутого волновода. Далее будут рассмотрены следующие варианты расположения одного точечного источника излучения: а) точечный источник излучения на конечном расстоянии от вогнутой поверхности изогнутого волновода 1; б) точечный источник излучения на оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода 1; в) точечный источник излучения на бесконечности, в практической реализации это проектор, объектив которого переносит изображение источника излучения на бесконечность, этот вариант интересен с точки зрения практического применения.The projector is generally a radiation source with an optical system. The optical system of the projector builds an image of the radiation source at a certain distance from the projector, usually at infinity. The source of radiation that makes up the original image can be divided into point sources of radiation located at some distance from the curved waveguide. Next, the following options for the location of one point source of radiation will be considered: a) a point source of radiation at a finite distance from the concave surface of the curved waveguide 1; b) a point source of radiation on the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide 1; c) a point source of radiation at infinity, in practical implementation it is a projector, the lens of which transfers the image of the radiation source to infinity, this option is interesting from the point of view of practical application.

Начало отсчета системы координат расположим в точке вводного ДОЭ, где луч от точечного источника излучения упадет на вогнутую поверхность 1а волновода по нормали (точка О_in), ось Z_in по направлению нормали к поверхности волновода в точке Оin, ось Yin расположим в плоскости рассматриваемого сечения, по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_in вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Zin, а ось Xin перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения, направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке О_in и перпендикулярно оси Z_in. Введем так же линейную систему координат Lin на криволинейной поверхности волновода в рассматриваемом сечении так же с началом отсчета в точке Oin. - это линейная координата по вогнутой поверхности волновода, начало отсчета в центре вводного ДОЭ в точке O_in.The origin of the coordinate system is located at the point of the input DOE, where the beam from the point source of radiation falls on the concave surface 1a of the waveguide along the normal (point O _in ), the Z _axis in the direction of the normal to the waveguide surface at the point Oin, the Yin axis is located in the plane of the section under consideration , tangential to the surface of the bent waveguide at the point O _in along the length of the bent waveguide and perpendicular to the Zin axis, and the Xin axis is perpendicular to the plane of the section under consideration, directed along the generatrix of the cylindrical surface of the bent waveguide at the point O _in and perpendicular to the _Zin axis. We also introduce a linear coordinate system Lin on the curved surface of the waveguide in the section under consideration, also with the origin at the point Oin. is a linear coordinate along the concave surface of the waveguide, the reference point is at the center of the input DOE at the point O _in .

Рассмотрим общий случай (а) точечного источника 3 излучения, находящегося на конечном расстоянии Z_LGT от вогнутой поверхности 4 волновода 1, как это показано на фиг. 2.Consider the general case (a) of a point source 3 of radiation located at a finite distance Z _LGT from the concave surface 4 of the waveguide 1, as shown in FIG. 2.

На фиг. 2 обозначены: In FIG. 2 marked:

3 - отображение источника излучения; 3 - display of the radiation source;

1а - вогнутая поверхность волновода;1a - concave surface of the waveguide;

С - центр кривизны волновода; C is the center of curvature of the waveguide;

ϕ - угол рассматриваемого луча от источника относительно оси O_inZ_in; ϕ - the angle of the considered beam from the source relative to the axis O _in Z _in ;

Ω - угол между точкой падения луча на волновод и направлением оси O_inZ_in из центра кривизны волновода C, однозначно связанный с линейной координатой на вогнутой поверхности волновода Lin; Ω is the angle between the point of incidence of the beam on the waveguide and the direction of the axis O _in Z _in from the center of curvature of the waveguide C, uniquely related to the linear coordinate on the concave surface of the waveguide Lin;

α - угол падения луча относительно нормали к поверхности волновода в точке падения;α - angle of incidence of the beam relative to the normal to the surface of the waveguide at the point of incidence;

y_in, z_in - координаты точки поверхности волновода на которую падает луч в системе координат O_inX_inY_inZ_in;y _in , z _in - coordinates of the point of the waveguide surface on which the beam falls in the coordinate system O _in X _in Y _in Z _in ;

n_w - показатель преломления волновода. n _w is the refractive index of the waveguide.

При таком расположении источник 3 излучения сформирует расходящийся гомоцентрический пучок, который упадет на область вводного ДОЭ. Этот случай в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода, иллюстрирует фиг. 2. Пусть луч с длиной волны λ, падающий на вводной ДОЭ по нормали к поверхности волновода 1 в точке Oin, претерпевает дифракцию в -1 порядок на вводном ДОЭ под углом β₀, при этом вводной ДОЭ в этой точке имеет период Т₀. With this arrangement, the radiation source 3 will form a diverging homocentric beam that will fall on the region of the introductory DOE. This case in a plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide is illustrated in Fig. 2. Let a beam with a wavelength λ, incident on the input DOE along the normal to the waveguide surface 1 at point Oin, undergo diffraction in -1 order on the input DOE at an angle β ₀ , while the input DOE at this point has a period T ₀ .

Для того, чтобы каждый луч от рассматриваемого точечного источника подвергался дифракции на вводном ДОЭ под одним и тем же углом β₀относительно нормали в точке падения необходимо чтобы период вводного ДОЭ в рассматриваемом сечении удовлетворял соотношению:In order for each beam from the considered point source to be diffracted by the input DOE at the same angle β ₀ relative to the normal at the point of incidence, it is necessary that the period of the input DOE in the considered section satisfy the relation:

где R1 радиус кривизны вогнутой поверхности волновода.where R1 is the radius of curvature of the concave surface of the waveguide.

Если приведенное условие не будет выполняться, то лучи введутся внутрь изогнутого волновода под разными углами, и на стороне выводного ДОЭ невозможно будет разобрать, какие лучи от какой точки изображения падают на ту или иную точку выводного ДОЭ, в этом случае невозможно будет сформировать качественное изображение. If the above condition is not met, then the rays will be introduced into the curved waveguide at different angles, and on the side of the output DOE it will be impossible to make out which rays from which point of the image fall on one or another point of the output DOE, in this case it will be impossible to form a high-quality image.

Рассмотрим распространение лучей в плоскости X_inO_inZ_in, как показано на фиг. 3. В этой плоскости сечение изогнутого волновода представляет собой прямые линии, так как ось цилиндров волновода так же лежит в этой плоскости, как это показано на фиг. 3. Все лучи от точечного источника 3 должны в этой проекции попадать в изогнутый волновод под нулевым углом относительно нормали в точке падения для формирования пучка внутри волновода выбранной конфигурации. Для этого период вводного ДОЭ в сечении X_inO_inZ_in должен удовлетворять соотношению:Consider the propagation of rays in the plane X _in O _in Z _in as shown in FIG. 3. In this plane, the section of the bent waveguide is straight lines, since the axis of the waveguide cylinders also lies in this plane, as shown in FIG. 3. All rays from point source 3 in this projection must enter the curved waveguide at a zero angle relative to the normal at the point of incidence in order to form a beam inside the waveguide of the selected configuration. For this, the period of the introductory DOE in the section X _in O _in Z _in must satisfy the relation:

где - это линейная координата точки поверхности волновода, на которую падает луч по оси O_inX_in в системе координат O_inX_inY_inZ_in.Where is the linear coordinate of the waveguide surface point on which the beam is incident along the O _in X _in axis in the coordinate system O _in X _in Y _in Z _in .

В общем виде, для каждой точки вводного ДОЭ с координатами и период определяется следующим образом:In general, for each point of the input DOE with coordinates And period is defined as follows:

Согласно этому выражению период вводного ДОЭ для каждой точки вводного ДОЭ с координатами и подбирается таким, чтобы все лучи, исходящие из одной точки исходного изображения претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения.According to this expression, the period of the introductory DOE for each point of the introductory DOE with coordinates And is selected so that all rays emanating from one point of the original image undergo diffraction on the input diffractive optical element at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence.

Частным случаем (б) предлагаемой структуры вводного ДОЭ является предложенная в документе WO 2022058740 A1 (дата публикации 24.03.2022) схема, когда , т.е. источник излучения располагается на оси цилиндрических поверхностей волновода, а между источником и вводным ДОЭ установлена цилиндрическая линза, которая имеет нулевую оптическую силу в сечении Y_inO_inZ_in и переносит на бесконечность изображение источника излучения в сечении плоскости XinOinZin. В этом случае вводной ДОЭ представляет собой дифракционную решетку постоянного периода со штрихами параллельными оси OinXin, то есть И . A special case (b) of the proposed structure of the introductory DOE is the scheme proposed in the document WO 2022058740 A1 (publication date 03/24/2022), when , i.e. The radiation source is located on the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, and a cylindrical lens is installed between the source and the input DOE, which has zero optical power in the Y _in O _in Z _in section and transfers the image of the radiation source in the XinOinZin plane section to infinity. In this case, the introductory DOE is a constant period diffraction grating with strokes parallel to the OinXin axis, i.e. AND .

Другим важным частным случаем (в) является расположение источника излучения, формирующего исходное изображение на бесконечности. С точки зрения практического применения это наиболее широко распространенный случай, так как малогабаритные проекторы, используемые в носимых устройствах дополненной реальности в качестве источника излучения, как правило, формируют изображение на бесконечности. В этом случае а пучок, падающий на вводной ДОЭ с каждого направления поля зрения, представляет собой параллельный пучок. В этом случае , а Another important special case (c) is the location of the radiation source that forms the original image at infinity. In terms of practical application, this is the most common case, since small-sized projectors used in wearable augmented reality devices as a radiation source, as a rule, form an image at infinity. In this case and the beam incident on the input DOE from each direction of the field of view is a parallel beam. In this case , A

(1), (1),

Выражение (1) реализует выражение изменения периода вводного ДОЭ в каждой точке вводного ДОЭ, такое изменение периода обеспечивает одинаковый угол дифракции на вводном ДОЭ относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения для лучей, исходящих из одной точки исходного изображения, в случае, когда проектор формирует изображение (отображение источника излучения) на бесконечности. Expression (1) implements the expression for changing the period of the input DOE at each point of the input DOE, such a change in the period provides the same diffraction angle at the input DOE relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence for rays emanating from one point of the original image, in the case when the projector forms an image (display of the radiation source) at infinity.

Вводной ДОЭ представляет собой в этом случае дифракционную решетку, штрихи которой параллельны оси цилиндрических поверхностей волновода так как , а период решетки в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, изменяется по указанному выражению (1). Такой случай расположения вводного ДОЭ показан в изометрии на фиг. 5.The introductory DOE in this case is a diffraction grating, the grooves of which are parallel to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, since , and the period of the grating in the plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide varies according to the specified expression (1). Such an arrangement of the inlet DOE is shown in isometry in Fig. 5.

На фиг. 4 показан ход лучей параллельного пучка, падающего на вводной ДОЭ 5, период которого изменяется в соответствии с равенством (1), в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, предлагаемого комбайнера. На фиг. 4 показан комбайнер, содержащий изогнутый волновод 1, вводной ДОЭ 5 и для формирования изображения далее по ходу лучей на противоположном конце волновода 1 размещается выводной ДОЭ 6. За счет частичного вывода многократно отраженных в волноводе 1 лучей в нескольких точках на поверхности выводного ДОЭ 6 формируется протяженное в направлении распространения лучей поле 7 движения глаза, которое условно показано пунктирной линией в виде диафрагмы 7, ограничивающей поле движения глаза, как это показано на фиг. 4. При расположении глаза пользователя в пределах указанного стрелкой поля движения изображение будет формироваться на сетчатке глаза пользователя, причем центр поля изображения расположен на оси совпадающей с нормалью к поверхности изогнутого волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента.In FIG. 4 shows the path of rays of a parallel beam incident on the input DOE 5, the period of which varies in accordance with equality (1), in a plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide, the proposed combiner. In FIG. Figure 4 shows a combiner containing a curved waveguide 1, an input DOE 5, and to form an image further along the path of the rays, an output DOE 6 is placed at the opposite end of the waveguide 1. Due to the partial output of the beams repeatedly reflected in the waveguide 1, at several points on the surface of the output DOE 6, an extended in the direction of propagation of the rays, the field 7 of eye movement, which is conditionally shown by a dotted line in the form of a diaphragm 7, which limits the field of eye movement, as shown in Fig. 4. When the user's eye is located within the field of motion indicated by the arrow, the image will be formed on the retina of the user's eye, and the center of the image field is located on an axis coinciding with the normal to the surface of the curved waveguide in the center of the output diffractive optical element.

Для формирования перед пользователем изображения, находящегося на бесконечности, как это показано на фиг. 4, выводной ДОЭ 6 так же может иметь переменный период согласно соотношению:To form an image in front of the user at infinity, as shown in FIG. 4, output DOE 6 can also have a variable period according to the relationship:

(2), (2)

где L_out - это линейная координата по внутренней поверхности волновода в сечении YoutOoutZout, начало отсчета в центре O_out выводного ДОЭ 6. Причем центр O_out системы координат расположен в центре выводного ДОЭ, где период выводного ДОЭ равен Т₀, ось Z_out направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось Y_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out, ось X_out направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке О_out вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси Z_out. where L _out is a linear coordinate along the inner surface of the waveguide in the section YoutOoutZout, the origin is at the center O _out of the output DOE 6. Moreover, the center O _{out of} the coordinate system is located at the center of the output DOE, where the period of the output DOE is T ₀ , the Z _out axis is directed along normal to the surface of the curved waveguide, the axis Y _out is directed tangentially to the surface of the curved waveguide at point O _out along the length of the curved waveguide and perpendicular to the axis Z _out , the axis X _out is directed tangentially to the surface of the curved waveguide at point O _out along the width of the curved waveguide and perpendicular to Z-axis _out.

Период выводного ДОЭ 6 в сечении X_outO_outZ_out для формирования изображения на бесконечности должен быть бесконечным для формирования изображения на бесконечности, то есть штрихи выводного ДОЭ 6 должны быть параллельны общей оси 2 цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, как это показано на фиг. 5, это является обязательным условием для формирования изображения на бесконечности.The period of the output DOE 6 in the section X _out O _out Z _out for imaging at infinity must be infinite for imaging at infinity, that is, the strokes of the output DOE 6 must be parallel to the common axis 2 of the cylindrical surfaces of the curved waveguide, as shown in Fig. 5, this is a prerequisite for imaging at infinity.

В случае использования рассмотренных выше выражений изменения периода вводного ДОЭ 5 (выражение (1)) и выводного ДОЭ 6 (выражение (2)) луч, упавший в центре вводного ДОЭ 5 O_in по нормали 8 к поверхности волновода 1, выйдет в центре выводного ДОЭ 6 O_out так же по нормали 9 к поверхности волновода 1 в этой точке, так как периоды вводного и выводного ДОЭ в этих точках одинаковы и равны. Необходимо подчеркнуть, что выражение (1) обеспечивает ввод параллельного пучка в изогнутый волновод, а выражение (2) обеспечивают вывод параллельного пучка без аберраций, а равенство Т₀ в центральных точках вводного ДОЭ и выводного ДОЭ обеспечивает вывод параллельного пучка, упавшего по направлению нормали в центре вводного ДОЭ, по направлению нормали в центре выводного ДОЭ. Выражения (1) и (2) выводятся из формулы дифракционной решетки и геометрии. Расположив ось проектора на нормали 8 к поверхности волновода 1 в центре вводного ДОЭ 5, параллельный пучок лучей, формируемый выводным ДОЭ 6, будет направлен по нормали 9 к поверхности волновода 4 в центре выводного ДОЭ 6, и поле движения глаз пользователя будет так же симметрично относительно нормали 9 к поверхности волновода 4 в центре выводного ДОЭ 6, как это показано на фиг. 4. Такая связь вводного и выводного ДОЭ обеспечит симметричность вогнутой поверхности волновода 1а для лучей падающих на вводной ДОЭ 5 от источника излучения и для лучей выходящих из выводного ДОЭ 6, и формирующих поле 7 движения глаз. Это обеспечит минимальные внеосевые аберрации (кома, астигматизм) и минимальные хроматические аберрации (хроматизм положения и увеличения) в изображении, формируемом таким комбайнером, так как симметричная оптическая система, как известно, обеспечивает минимальные аберрации. In the case of using the above expressions for changing the period of the input DOE 5 (expression (1)) and output DOE 6 (expression (2)) the beam that fell at the center of the input DOE 5 O _in along the normal 8 to the waveguide surface 1 will emerge at the center of the output DOE 6 O _out also along the normal 9 to the waveguide surface 1 at this point, since the periods of the input and output DOEs at these points are the same and equal to . It should be emphasized that expression (1) ensures the input of a parallel beam into a curved waveguide, and expression (2) ensures the output of a parallel beam without aberrations, and the equality T ₀ at the central points of the input DOE and output DOE ensures the output of a parallel beam incident along the normal in center of the input DOE, in the direction of the normal in the center of the output DOE. Expressions (1) and (2) are derived from the diffraction grating formula and geometry. Having positioned the projector axis on the normal 8 to the surface of the waveguide 1 in the center of the input DOE 5, the parallel beam of rays formed by the output DOE 6 will be directed along the normal 9 to the surface of the waveguide 4 in the center of the output DOE 6, and the user's eye movement field will also be symmetrical with respect to normal 9 to the surface of the waveguide 4 at the center of the output DOE 6, as shown in Fig. 4. Such a connection between the input and output DOE will ensure the symmetry of the concave surface of the waveguide 1a for the rays incident on the input DOE 5 from the radiation source and for the rays emerging from the output DOE 6 and forming the eye movement field 7. This will ensure minimal off-axis aberrations (coma, astigmatism) and minimal chromatic aberrations (position and magnification chromatism) in the image generated by such a combiner, since a symmetrical optical system is known to provide minimal aberrations.

Расположение вводного 5 и выводного ДОЭ 6 на изогнутом волноводе 1 и ориентация их решеток схематично представлены на фиг. 5. На фиг. 5 на вогнутой поверхности изогнутого волновода 1, в виде концентрического цилиндрического мениска, расположены вводной ДОЭ 5 и выводной ДОЭ 6. Штрихи дифракционных решеток этих ДОЭ параллельны оси 2 цилиндрических поверхностей волновода 1, что является частным случаем выполнения штрихов дифракционных решеток вводного и выводного ДОЭ. Луч, падающий в центр вводного ДОЭ 5, выражение изменения периода которого соответствует выражению (1), по направлению нормали к поверхности волновода 8 претерпевает дифракцию на вводном ДОЭ 5 и распространяется под углами ПВО внутри волновода 1. Достигнув области выводного ДОЭ 6, выражение изменения периода которого соответствует выражению (2), этот луч претерпевает дифракцию на выводном ДОЭ 6 и выводится из волновода, образуя набор параллельных лучей. Если в центре выводного ДОЭ период будет равен периоду на вводном ДОЭ в точке падения соответствующего луча, то луч, упавший в центре выводного ДОЭ 6, будет выведен из волновода 1 по направлению нормали 9 к вогнутой поверхности волновода и пересечет ось 2 цилиндрических поверхностей волновода 1. The location of the input 5 and output DOE 6 on the curved waveguide 1 and the orientation of their gratings are schematically shown in Fig. 5. In FIG. 5, on the concave surface of the curved waveguide 1, in the form of a concentric cylindrical meniscus, the input DOE 5 and the output DOE 6 are located. The beam incident on the center of the input DOE 5, the expression of the change in the period of which corresponds to expression (1), in the direction of the normal to the surface of the waveguide 8 undergoes diffraction on the input DOE 5 and propagates at TIR angles inside the waveguide 1. Having reached the region of the output DOE 6, the expression for the change in the period which corresponds to expression (2), this beam undergoes diffraction at the output DOE 6 and is output from the waveguide, forming a set of parallel beams. If the period at the center of the output DOE is equal to the period on the input DOE at the point of incidence of the corresponding beam, then the beam incident at the center of the output DOE 6 will be output from the waveguide 1 in the direction of the normal 9 to the concave surface of the waveguide and will cross the axis 2 of the cylindrical surfaces of the waveguide 1.

Одним из важных преимуществ предлагаемого комбайнера на основе изогнутого волновода, выполненного в виде концентрического цилиндрического мениска является формирование качественного виртуального изображения только с вогнутой стороны такого волновода. Известно, что любой выводной ДОЭ будет выводить часть излучения в противоположном направлении от глаза пользователя. В случае плоского волновода виртуальное изображение полностью или частично может наблюдать сторонний наблюдатель, чей глаз окажется в направлении такого паразитного изображения. Однако, применительно к предлагаемому комбайнеру, такое паразитное виртуальное изображение будет расфокусировано, так как оно формируется с вогнутой поверхности волновода. При повседневном использовании пользователем устройства дополненной реальности с предлагаемым комбайнером, в том числе в публичных местах, невозможность наблюдения виртуального изображения для стороннего наблюдателя является неоспоримым преимуществом. One of the important advantages of the proposed combiner based on a curved waveguide made in the form of a concentric cylindrical meniscus is the formation of a high-quality virtual image only from the concave side of such a waveguide. It is known that any output DOE will output some of the radiation in the opposite direction from the user's eye. In the case of a planar waveguide, the virtual image can be fully or partially observed by an outside observer whose eye is in the direction of such a spurious image. However, in relation to the proposed combiner, such a parasitic virtual image will be defocused, since it is formed from the concave surface of the waveguide. In everyday use by a user of an augmented reality device with the proposed combiner, including in public places, the impossibility of observing a virtual image for an outside observer is an undeniable advantage.

Предлагаемый комбайнер представит пользователю виртуальные изображения точек, пространственно протяженных по вертикальной оси объекта (параллельной оси O_inX_in), без аберраций. Однако изображения других точек пространственно протяженных по горизонтальной оси объекта (параллельной оси O_inY_in) такой комбайнер будет формировать с некоторой аберрацией. The proposed combiner will present the user with virtual images of points spatially extended along the vertical axis of the object (parallel to the O _in X _in axis), without aberrations. However, images of other points spatially extended along the horizontal axis of the object (parallel to the axis O _in Y _in ) such a combiner will form with some aberration.

Рассмотрим пример аберрации вводного ДОЭ 5 в предлагаемом комбайнере. Пусть проектор формирует изображение на бесконечности, а поле зрения проектора в плоскости Y_inO_inZ_in составляет ±12°, размер выходного зрачка равен 4 мм, расстояние от выходного зрачка проектора до вводного ДОЭ равно 15 мм, длина волны излучения λ=640 нм (красный цвет). Пусть толщина волновода составляет 1 мм, а внутренний радиус R1=150 мм. Пусть период вводного и выводного ДОЭ в центре составляет T₀=540 нм. Схема падения произвольного луча из выходного зрачка проектора на вводной ДОЭ 5 в плоскости Y_inO_inZ_inпредставлена на фиг. 6. На фиг. 6 обозначены: Consider an example of the aberration of the introductory DOE 5 in the proposed combiner. Let the projector form an image at infinity, and the field of view of the projector in the Y _in O _in Z _in plane is ±12°, the size of the exit pupil is 4 mm, the distance from the exit pupil of the projector to the input DOE is 15 mm, the radiation wavelength λ=640 nm (Red color). Let the waveguide thickness be 1 mm and the inner radius R1=150 mm. Let the period of the input and output DOE in the center is T ₀ =540 nm. The diagram of the incidence of an arbitrary beam from the exit pupil of the projector on the input DOE 5 in the plane Y _in O _in Z _in is shown in Fig. 6. In FIG. 6 are marked:

вогнутая поверхность волновода 1 с вводным ДОЭ (на фиг. 6 не показан), the concave surface of the waveguide 1 with an introductory DOE (not shown in Fig. 6),

выходной зрачок 10 проектора, exit pupil 10 of the projector,

центр кривизны поверхностей волновода точка С.the center of curvature of the waveguide surfaces point C.

Для анализа аберраций вводного ДОЭ необходимо проанализировать ошибку ввода луча от каждой точки выходного зрачка с координатой y_pupil и для всех направлений поля зрения α_out. При известных параметрах системы можно определить для каждого такого луча координаты на вводном ДОЭ y_in, z_in, L_in и угол α_dif падения луча на вводной ДОЭ относительно нормали. Зная выражение изменения периода в каждой точке вводного ДОЭ , как функции L_in(выражение (1)) можно рассчитать угол дифракции луча и сравнить его с номинальным углом дифракции в центральной точке вводного ДОЭ. Таким образом, можно построить двумерный массив угловых ошибок вводного ДОЭ как функции от координаты на выходном зрачке проектора y_pupil и угла поля зрения α_out. Результат такого анализа для выбранных параметров системы и выражения (1) изменения периода вводного ДОЭ приведен на фиг. 7а. Как видно из фиг. 7а в области значений поля зрения α_out =0° ошибка ввода лучей нулевая, то есть лучи из центра поля зрения будут введены без аберраций для любых y_pupil. Однако для ненулевых направлений поля зрения эта ошибка не равна нулю, и максимальное значение ошибки около 4-х угловых минут соответствует лучу из верхней области выходного зрачка проектора для поля зрения 12°. To analyze the aberrations of the input DOE, it is necessary to analyze the beam input error from each point of the exit pupil with the coordinate y _pupil and for all directions of the field of view α _out . With known parameters of the system, it is possible to determine for each such ray the coordinates on the input DOE y _in , z _in , L _in and the angle α _dif of the beam incidence on the input DOE relative to the normal. Knowing the expression for the period change at each point of the introductory DOE , as a function of L _in (expression (1)) it is possible to calculate the beam diffraction angle and compare it with the nominal diffraction angle at the central point of the input DOE. Thus, it is possible to build a two-dimensional array of angular errors of the input DOE as a function of the coordinate at the exit pupil of the projector y _pupil and the field of view angle α _out . The result of such an analysis for the selected system parameters and expression (1) for changing the period of the introductory DOE is shown in Fig. 7a. As can be seen from FIG. 7a in the range of the field of view α _out =0°, the input error of the rays is zero, that is, the rays from the center of the field of view will be entered without aberrations for any y _pupil . However, for non-zero directions of the field of view, this error is not equal to zero, and the maximum error value of about 4 arc minutes corresponds to the beam from the upper region of the exit pupil of the projector for a field of view of 12°.

Выражение (1) можно аппроксимировать, например, полиномом 4-го порядка, для корректировки выражения изменения периода вводного ДОЭ с целью уменьшения ошибки ввода. Коэффициенты этого полинома можно подобрать такими, что максимальная ошибка ввода лучей будет в несколько раз меньше для всех сочетаний углов положения и координат на выходном зрачке проектора. Результат расчета ошибок ввода лучей такого вводного ДОЭ представлен на фиг. 7б. В этом случае максимальная ошибка составляет 0,8 угловых минуты, что более чем 5 раз меньше максимальной ошибки исходного вводного ДОЭ с изменением периода согласно аналитическому выражению (1).Expression (1) can be approximated, for example, by a 4th order polynomial, to correct the expression for changing the period of the introductory DOE in order to reduce the input error. The coefficients of this polynomial can be chosen such that the maximum input error of rays will be several times smaller for all combinations of position angles and coordinates at the exit pupil of the projector. The result of calculating the input errors of rays of such an input DOE is shown in Fig. 7b. In this case, the maximum error is 0.8 arc minutes, which is more than 5 times less than the maximum error of the original input DOE with a period change according to the analytical expression (1).

Рассмотрим работу выводного ДОЭ 6, расположенного на изогнутом волноводе в форме цилиндрического концентрического мениска. Пусть лучи введены в волновод и переданы через него без искажений и падают на выводной ДОЭ в точке с координатой L_out под углом β_in. Схема вывода лучей в меридиональном сечении представлена на фиг. 8. На фиг. 8 обозначены:Let us consider the operation of an output DOE 6 located on a curved waveguide in the form of a cylindrical concentric meniscus. Let the rays be introduced into the waveguide and transmitted through it without distortion and fall on the output DOE at the point with the coordinate L _out at an angle β _in . The diagram of beam output in the meridional section is shown in Fig. 8. In FIG. 8 are marked:

вогнутая поверхность 1а волновода 1 с выводным ДОЭ (на фиг. 8 не показан), the concave surface 1a of the waveguide 1 with the output DOE (not shown in Fig. 8),

поле 7 движения глаз, плоскость которого отнесена на 15 мм от центра выводного ДОЭ, field 7 of eye movement, the plane of which is 15 mm from the center of the output DOE,

центр кривизны поверхностей волновода точка С. the center of curvature of the waveguide surfaces point C.

Центр системы координат X_outO_outZ_out расположен в центре выводного ДОЭ, а L_out - это линейная координата по изогнутой поверхности волновода с началом отсчета так же в центре выводного ДОЭ точке О_out. Тогда луч, упавший из волновода на выводной ДОЭ, будет претерпевать дифракцию и выйдет из волновода под углом α_z, упадет на плоскость движения глаз в точке с высотой y_{eye_box}. Таким образом, можно проанализировать результат работы выводного ДОЭ, перебрав все возможные сочетания углов падения лучей β_in, соответствующих полю зрения, и линейных координат L_out на выводном ДОЭ и получив набор соответствующих α_z и y_{eye_box}. При этом необходимо учесть размер зрачка глаза, в несколько раз меньший, чем размер поля движения глаз. Для этого необходимо перебрать все возможные положения зрачка глаза пользователя внутри поля движения глаз и для каждого такого положения рассчитать все попадающие в такой зрачок лучи от того или иного направления поля зрения β_in. Для цилиндрического волновода с внутренним радиусом 150 мм, выводном ДОЭ с выражением изменения периода согласно (2) и при размере зрачка глаза 4 мм, поле движения глаза 12 мм зависимость угловой ошибки формируемого виртуального изображения шириной 24° представлена на фиг. 9а. Как видно из этого графика, центр поля выводится без аберраций для всех положений зрачка, а при отклонении направления в поле от центра ошибка возрастает, максимальная ошибка для выбранных параметров системы составляет около 2 угловых минут.The center of the coordinate system X _out O _out Z _out is located at the center of the output DOE, and L _out is a linear coordinate along the curved surface of the waveguide with the origin also at the center of the output DOE point O _out . Then the beam that fell from the waveguide to the output DOE will undergo diffraction and leave the waveguide at an angle α _z , fall on the eye movement plane at a point with a height y _{eye_box} . Thus, it is possible to analyze the output DOE operation result by sorting through all possible combinations of angles of incidence of rays β _in corresponding to the field of view and linear coordinates L _out on the output DOE and obtaining a set of corresponding α _z and y _{eye_box} . In this case, it is necessary to take into account the size of the pupil of the eye, which is several times smaller than the size of the field of eye movement. To do this, it is necessary to enumerate all possible positions of the pupil of the user's eye within the field of eye movement and for each such position to calculate all the rays falling into such a pupil from one or another direction of the field of view β _in . For a cylindrical waveguide with an inner radius of 150 mm, an output DOE with the expression for changing the period according to (2), and with an eye pupil size of 4 mm, an eye movement field of 12 mm, the dependence of the angular error of the generated virtual image with a width of 24° is shown in Fig. 9a. As can be seen from this graph, the center of the field is displayed without aberrations for all pupil positions, and when the direction in the field deviates from the center, the error increases, the maximum error for the selected system parameters is about 2 arc minutes.

Выражение (2) для выводного ДОЭ можно так же скорректировать с целью уменьшения максимальной ошибки. Выражение изменения периода так же интерполируется полиномом 4-го порядка, коэффициенты которого подбираются таким образом, чтобы для всех сочетаний положения зрачка в поле движения глаз для разных направлений поля зрения угловая ошибка падающих в зрачок пользователя лучей была минимальна. Зависимость угловой ошибки такого выводного ДОЭ с корректированным выражением изменения периода представлена на фиг. 9б. В этом случае максимальную угловую ошибку удалось уменьшить до 1.5 угловых минут.Expression (2) for the output DOE can also be corrected in order to reduce the maximum error. The expression for the change in the period is also interpolated by a 4th order polynomial, the coefficients of which are selected in such a way that for all combinations of the position of the pupil in the field of eye movement for different directions of the field of view, the angular error of the rays incident on the pupil of the user is minimal. The dependence of the angular error of such an output DOE with the corrected expression for the change in the period is shown in Fig. 9b. In this case, the maximum angular error was reduced to 1.5 arc minutes.

В качестве ДОЭ в предлагаемой схеме комбайнера можно использовать голографические оптические элементы, записываемые на тонком пленочном материале. На фиг. 10 представлена одна из известных схем установки для записи голографических оптических элементов с переменным периодом, которые могут использоваться в качестве вводного или выводного ДОЭ для предлагаемого комбайнера. На фиг. 10 обозначены: As a DOE in the proposed combiner scheme, holographic optical elements recorded on a thin film material can be used. In FIG. 10 shows one of the known installation schemes for recording holographic optical elements with a variable period, which can be used as an input or output DOE for the proposed combiner. In FIG. 10 are marked:

лазерный источник 11 излучения, laser source 11 of radiation,

кубический разделитель 12 пучка, разделяющий лазерный пучок по энергии на два пучка, cubic beam separator 12, dividing the laser beam into two beams by energy,

управляемые затворы 13, controlled shutters 13,

телескопические системы 14 для увеличения поперечных размеров пучка, telescopic systems 14 for increasing the transverse dimensions of the beam,

моторизованные линейные трансляторы 15, на столиках которых установлены моторизованные поворотные платформы с плоскими зеркалами 16, экраны 17, ограничивающие пучок для формирования элемента заданных размеров и для исключения паразитных засветок внутри рабочей призмы 18, motorized linear translators 15, on the tables of which motorized turntables with flat mirrors 16, screens 17 are installed, limiting the beam to form an element of given dimensions and to exclude parasitic illumination inside the working prism 18,

цилиндрическая линза 19, обеспечивающая модуляцию периода записываемой голографической дифракционной решетки. Светочувствительный голографический материал 20, на который записывается голографическая дифракционная решетка, ламинируется на плоскую поверхность рабочей призмы 18. Оси цилиндрических поверхностей линзы 19 ориентируются перпендикулярно плоскости чертежа фиг. 10, благодаря чему записываемая на фоточувствительный голографический материал дифракционная решетка представляет собой набор параллельных штрихов (зон с равным показателем преломления), так же перпендикулярных плоскости чертежа фиг. 10. Параметры цилиндрической линзы 19, ее положение относительно рабочей призмы 18, а так же положение и ориентация зеркал на моторизованных поворотных платформах 16 выбираются таким образом, что выражение изменения периода интерференционной картины в плоскости расположения фоточувствительного голографического материала 20 соответствует выражению (1) или (2) или другим требуемым выражениям зависимостям изменения периода ДОЭ. Переменная для вводного ДОЭ и переменная для выводного ДОЭ соответствуют в этом случае линейной прямой координате на плоскости рабочей призмы 18. Фоточувствительный голографический материал 20 представляет собой тонкую прозрачную пленку, которая может быть перенесена с плоской поверхности рабочей призмы 18 на изогнутую поверхность цилиндрического концентрического волновода. Таким образом можно изготовить изогнутый комбайнер предлагаемой конфигурации.cylindrical lens 19, which modulates the period of the recorded holographic diffraction grating. The light-sensitive holographic material 20, on which the holographic diffraction grating is recorded, is laminated onto the flat surface of the working prism 18. The axes of the cylindrical surfaces of the lens 19 are oriented perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 10, due to which the diffraction grating recorded on the photosensitive holographic material is a set of parallel strokes (zones with equal refractive index), also perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 10. The parameters of the cylindrical lens 19, its position relative to the working prism 18, as well as the position and orientation of the mirrors on the motorized turntables 16 are selected in such a way that the expression for the change in the period of the interference pattern in the plane of location of the photosensitive holographic material 20 corresponds to expression (1) or ( 2) or other required expressions depending on the change in the DOE period. Variable for the introductory DOE and the variable for the output DOE, in this case, they correspond to a linear direct coordinate on the plane of the working prism 18. The photosensitive holographic material 20 is a thin transparent film that can be transferred from the flat surface of the working prism 18 to the curved surface of a cylindrical concentric waveguide. Thus, it is possible to manufacture a curved combiner of the proposed configuration.

Как показано на фиг. 4 и 5 в предлагаемой оптической системе выводной ДОЭ 6 формирует протяженную в горизонтальном направлении зону движения глаз 7 за счет многократного вывода луча при каждом его падении на выводной ДОЭ 6 по пути распространения луча внутри волновода 1. Для формирования протяженного в вертикальном направлении поля движения глаз необходимо расширить выходной зрачок проектора 21 фиг. 11а. Для этого при вводе излучения от проектора можно использовать два дополнительных плоских волновода 22 и 23, как это показано на фиг. 11б, с ДОЭ, имеющими постоянный период дифракционных решеток, и штрихи дифракционных решеток которых ориентированы горизонтально (перпендикулярны оси 2 цилиндрических поверхностей волновода 1). На фиг. 11а показан ход лучей через изогнутый комбайнер в изометрии, а на фиг. 11б показано вертикальное сечение в области проектора и вводного ДОЭ, поясняющее принцип работы таких дополнительных плоских волноводов, расширяющих выходной зрачок проектора. Два дополнительных плоских волновода 22 и 23, которые расширяют выходной зрачок проектора 21 по вертикали, устанавливаются между проектором 21 и вводным ДОЭ 5, располагающимся на вогнутой поверхности изогнутого волновода 1. Плоский волновод 22 с размножающим ДОЭ расширяет выходной зрачок проектора вниз, а плоский волновод 23 с размножающим ДОЭ расширяет выходной зрачок проектора вверх, как это показано на фиг. 11б. Преобразованный таким образом пучок лучей от проектора падает на вводной ДОЭ 5, вводится в волновод 1, распространяется внутри него, и выводится выводным ДОЭ 6. Таким образом, каждый луч, выходящий из проектора 21, будет размножен в двумерной области поля движения глаз подобно тому, как это показано на фиг. 11а для одного луча проектора.As shown in FIG. 4 and 5 in the proposed optical system, the output DOE 6 forms a horizontally extended eye movement zone 7 due to the multiple output of the beam each time it falls on the output DOE 6 along the beam propagation path inside the waveguide 1. To form a vertically extended field of eye movement, it is necessary expand the exit pupil of the projector 21 of FIG. 11a. To do this, when introducing radiation from the projector, two additional planar waveguides 22 and 23 can be used, as shown in Fig. 11b, with DOEs having a constant period of diffraction gratings, and the grooves of the diffraction gratings of which are oriented horizontally (perpendicular to the axis 2 of the cylindrical surfaces of the waveguide 1). In FIG. 11a shows the path of the rays through the curved combiner in isometry, and in Fig. 11b shows a vertical section in the area of the projector and the introductory DOE, which explains the principle of operation of such additional flat waveguides that expand the exit pupil of the projector. Two additional flat waveguides 22 and 23, which expand the exit pupil of the projector 21 vertically, are installed between the projector 21 and the introductory DOE 5, located on the concave surface of the curved waveguide 1. The flat waveguide 22 with a multiplying DOE expands the exit pupil of the projector down, and the flat waveguide 23 with a multiplying DOE expands the exit pupil of the projector upwards, as shown in Fig. 11b. The thus transformed beam of rays from the projector falls on the input DOE 5, is introduced into the waveguide 1, propagates inside it, and is output by the output DOE 6. Thus, each beam leaving the projector 21 will be multiplied in a two-dimensional region of the eye movement field, similar to the one as shown in FIG. 11a for one projector beam.

На фиг. 12 показана схема очков дополненной реальности, содержащих элемент для левого а) и элемент для правого б) глаза пользователя. Каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности, описанное выше. In FIG. 12 shows a diagram of augmented reality glasses containing an element for the left a) and an element for the right b) eyes of the user. Each of the left and right eye elements is the augmented reality display device described above.

На фиг. 12 обозначены: In FIG. 12 are marked:

изогнутый волновод 1, на поверхности которого расположены вводной ДОЭ 5 и выводной ДОЭ 6, curved waveguide 1, on the surface of which there are input DOE 5 and output DOE 6,

поле движения глаз 7 пользователя, eye movement field 7 user,

проектор 21, формирующий виртуальное изображение в бесконечности, projector 21 forming a virtual image at infinity,

плоские волноводы 22 и 23 для расширения выходного зрачка микропроектора 21 по вертикали, flat waveguides 22 and 23 for expanding the exit pupil of the microprojector 21 vertically,

глаз 24 пользователя. eye 24 user.

Центр поля движения глаза 7, где предположительно располагается глаз 24 пользователя, расположен на оси 9, совпадающей с нормалью к поверхности волновода 1 в центре выводного ДОЭ 6, как это показано на фиг. 12. Лучи, составляющие изображение, выводимое проектором 21, направлены под углом 20°-40° по отношению к корпусу проектора 21, как это показано на фиг. 12, что может быть достигнуто путем введения в оптическую схему микропроектора призм или зеркал. Наиболее комфортным вариантом для пользователя будет такое расположение элементов для левого и правого глаза, при котором расстояние между центром выводного ДОЭ 6 элемента для правого глаза и центром выводного ДОЭ 6 элемента для левого глаза соответствует межзрачковому расстоянию пользователя, а также когда нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.The center of the eye movement field 7, where the user's eye 24 is supposedly located, is located on the axis 9 coinciding with the normal to the surface of the waveguide 1 at the center of the output DOE 6, as shown in FIG. 12. The rays constituting the image output by the projector 21 are directed at an angle of 20°-40° with respect to the projector body 21, as shown in FIG. 12, which can be achieved by introducing prisms or mirrors into the optical scheme of the microprojector. The most comfortable option for the user will be such an arrangement of elements for the left and right eyes, in which the distance between the center of the output DOE 6 element for the right eye and the center of the output DOE 6 element for the left eye corresponds to the interpupillary distance of the user, and also when the normal to the surface of the waveguide in the center output diffractive optical element for the right eye is parallel to the normal to the surface of the waveguide in the center of the output diffractive optical element for the left eye.

Благодаря настоящему изобретению, возможно сформировать четкое изображение дополненной реальности, свободное от искажений.Thanks to the present invention, it is possible to form a clear image of augmented reality, free from distortion.

Предлагаемая компоновка устройства дополненной реальности с изогнутым комбайнером позволит сделать его компактным и внешне похожим на привычные для пользователя солнцезащитные очки или очки для коррекции зрения. Такое устройство, благодаря компактности и удобству ношения, можно будет использовать непрерывно в течении всего дня, что позволит пользователю находиться в информационной среде, сформированной персонально для него с помощью таких средств как социальные сети, средства массовой информации, программы обмена сообщениями, средства поиска информации, отрабатывающие запросы пользователя в том числе по элементам из реальной обстановки, окружающей пользователя. The proposed layout of the augmented reality device with a curved combiner will make it compact and outwardly similar to the user's usual sunglasses or glasses for vision correction. Such a device, due to its compactness and ease of wearing, can be used continuously throughout the day, which will allow the user to be in an information environment formed personally for him using such means as social networks, the media, messaging programs, information search tools, fulfilling user requests, including elements from the real environment surrounding the user.

Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.Although the invention has been described with some illustrative embodiments, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, the summary is intended to include all alternatives, corrections, and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.In addition, the invention includes all equivalents of the claimed invention, even if the claims are changed in the course of consideration.

Claims

1. Устройство для отображения дополненной реальности, содержащее1. A device for displaying augmented reality, containing

причем изогнутый волновод выполнен с возможностью распространения лучей исходного изображения от вводного дифракционного оптического элемента к выводному дифракционному оптическому элементу посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, причем при распространении лучей исходного изображения углы падения на и отражения от вогнутой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными, и углы падения на и отражения от выпуклой поверхности изогнутого волновода внутри изогнутого волновода являются равными друг другу и постоянными;moreover, the curved waveguide is configured to propagate the rays of the original image from the input diffractive optical element to the output diffractive optical element by means of total internal reflection from the surfaces of the curved waveguide, and when the rays of the original image propagate, the angles of incidence on and reflection from the concave surface of the curved waveguide inside the curved waveguide are equal to each other and constant, and the angles of incidence on and reflection from the convex surface of the curved waveguide inside the curved waveguide are equal to each other and constant;

2. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере в одной точке на каждом из дифракционных оптических элементов период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента.2. The device according to claim. 1, in which at least one point on each of the diffractive optical elements, the period of the diffraction grating of the input diffractive optical element is equal to the period of the diffraction grating of the output diffractive optical element.

3. Устройство по п. 2, в котором период дифракционной решетки вводного дифракционного оптического элемента равен периоду дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента в центре вводного дифракционного оптического элемента и в центре дифракционной решетки выводного дифракционного оптического элемента,3. The device according to claim 2, in which the period of the diffraction grating of the input diffractive optical element is equal to the period of the diffraction grating of the output diffractive optical element at the center of the input diffractive optical element and at the center of the diffraction grating of the output diffractive optical element,

4. Устройство по п. 1, причем если проектор формирует изображение на бесконечности, для каждой точки вводного дифракционного оптического элемента с координатами и его период определяется выражением:4. The device according to claim 1, and if the projector forms an image at infinity, for each point of the input diffractive optical element with coordinates And its period is given by:

- это линейная координата точки поверхности волновода на которую падает луч по оси в системе координат причем центр системы координат расположен в центре вводного дифракционного оптического элемента, ось направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси ось направлена по образующей цилиндрической поверхности изогнутого волновода в точке вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси is the linear coordinate of the point on the surface of the waveguide on which the beam falls along the axis in coordinate system with the center coordinate system is located in the center of the input diffractive optical element, the axis directed along the normal to the surface of the curved waveguide, the axis directed tangentially to the surface of the curved waveguide at the point along the length of the curved waveguide and perpendicular to the axis axis directed along the generatrix of the cylindrical surface of the curved waveguide at the point along the width of the curved waveguide and perpendicular to the axis

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода с началом отсчета в центре вводного дифракционного оптического элемента, - linear coordinate along the concave surface of the curved waveguide with the origin in the center introductory diffractive optical element,

причем штрихи вводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.moreover, the strokes of the input diffractive optical element are parallel to the common axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

5. Устройство по п. 1, причем если выводной дифракционный оптический элемент формирует изображение на бесконечности, изменение периода выводного дифракционного оптического элемента равно:5. The device according to claim. 1, and if the output diffractive optical element forms an image at infinity, the change in the period of the output diffractive optical element is equal to:

- линейная координата по вогнутой поверхности изогнутого волновода в сечении с началом отсчета в центре выводного дифракционного оптического элемента, где период выводного дифракционного оптического элемента равен ось направлена по нормали к поверхности изогнутого волновода, ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль длины изогнутого волновода и перпендикулярно оси ось направлена по касательной к поверхности изогнутого волновода в точке вдоль ширины изогнутого волновода и перпендикулярно оси - linear coordinate along the concave surface of the curved waveguide in the section with origin in the center output diffractive optical element, where the period of the output diffractive optical element is equal to axis directed along the normal to the surface of the curved waveguide, the axis directed tangentially to the surface of the curved waveguide at the point along the length of the curved waveguide and perpendicular to the axis axis directed tangentially to the surface of the curved waveguide at the point along the width of the curved waveguide and perpendicular to the axis

причем штрихи выводного дифракционного оптического элемента параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.moreover, the strokes of the output diffractive optical element are parallel to the common axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее два плоских волновода, расположенных между проектором и вводным дифракционным оптическим элементом, причем каждый из плоских волноводов имеет дифракционную решетку плоского волновода с постоянным периодом, причем штрихи дифракционной решетки каждого плоского волновода перпендикулярны оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода.6. The device according to claim 1, additionally containing two flat waveguides located between the projector and the input diffractive optical element, each of the flat waveguides has a diffraction grating of a flat waveguide with a constant period, and the strokes of the diffraction grating of each flat waveguide are perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide .

7. Способ работы устройства дополненной реальности по любому из пп. 1-6, содержащий этапы, на которых:7. The method of operation of the augmented reality device according to any one of paragraphs. 1-6, containing the steps in which:

причем лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на вводном дифракционном оптическом элементе под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения;moreover, the rays emanating from one point of the original image undergo diffraction on the input diffractive optical element at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence;

преобразуют лучи, прошедшие через изогнутый волновод, в параллельные пучки лучей посредством выводного дифракционного оптического элемента, формируя виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя.converting the rays passed through the curved waveguide into parallel beams of rays by means of an output diffractive optical element, forming a virtual image on the retina of the user's eye.

8. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по любому из пп. 1-6.8. Augmented reality glasses containing an element for the left eye and an element for the right eye, and each of the elements for the left and right eyes is an augmented reality display device according to any one of paragraphs. 1-6.

9. Очки по п. 8, причем расстояние между центрами выводных дифракционных оптических элементов соответствует межзрачковому расстоянию пользователя.9. Glasses according to claim 8, wherein the distance between the centers of the output diffractive optical elements corresponds to the interpupillary distance of the user.

10. Очки по п. 8, причем нормаль к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для правого глаза параллельна нормали к поверхности волновода в центре выводного дифракционного оптического элемента для левого глаза.10. Glasses according to claim 8, wherein the normal to the waveguide surface at the center of the output diffractive optical element for the right eye is parallel to the normal to the waveguide surface at the center of the output diffractive optical element for the left eye.