WO2022010375A1 - Устройство дополненной и совмещенной реальности - Google Patents

Устройство дополненной и совмещенной реальности Download PDF

Info

Publication number
WO2022010375A1
WO2022010375A1 PCT/RU2020/000377 RU2020000377W WO2022010375A1 WO 2022010375 A1 WO2022010375 A1 WO 2022010375A1 RU 2020000377 W RU2020000377 W RU 2020000377W WO 2022010375 A1 WO2022010375 A1 WO 2022010375A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
image
components
diffractive
output
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/000377
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Дмитрий Сергеевич МОСКАЛЕВ
Original Assignee
Дмитрий Сергеевич МОСКАЛЕВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Сергеевич МОСКАЛЕВ filed Critical Дмитрий Сергеевич МОСКАЛЕВ
Publication of WO2022010375A1 publication Critical patent/WO2022010375A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features

Definitions

  • the present technical solution generally relates to the field of computing, and in particular to displays for creating images of augmented or combined reality.
  • the source of information US 2017/0299864 A1 (patent holder: MICROSOFT TECHNOLOGY LICENSING LLC, publ. 10/19/2017) is known from the prior art.
  • the source reveals the general principle of building a display to create an image of augmented or combined reality.
  • This solution describes a display for creating an image of augmented or combined reality, consisting of: a group of diffractive components that input image rays into the waveguide and distribute them; a waveguide for propagating image beams; groups of diffractive components that output image rays in the direction of the user's eyes and distribute image rays over the volume of the element; image projector.
  • the input diffractive element also "multiplies" the image spot before the image spot reaches the output. diffractive element.
  • the output diffractive element also "multiplies” the image spot.
  • the technical problem or technical problem solved in this technical solution is the creation of an image of augmented reality. More specifically, the creation of a device that transmits the image created by a miniature projector to the eyes of the user, while the device itself is transparent and does not block the view of the surrounding reality.
  • the achieved technical result is to improve the quality of obtaining a virtual image uniform in color by using the symmetry of the output diffractive element.
  • the image spot is multiplied already at the stage and immediately after the interaction of the image rays created by the projector with the input diffractive element.
  • FIG. 1 shows the use case when the device is integrated into glasses.
  • the location of the diffractive components on the plane of the transparent waveguide 220 is shown (in another embodiment, the diffractive components can be integrated into the volume of the waveguide), in this case, acting as, or combined with, the glasses lens. Shown are two options for the location of the input grating 210. [0010] In FIG.
  • FIG. 2 shows the elements of the device and the principle of its operation, a group of diffractive components 210 that inputs image rays into the waveguide 220 and distributes them; a waveguide 220 for propagating image beams; a group of diffractive components 230 that output the image beams in the direction of the user's eyes and distribute the image beams over the entire volume of the waveguide 220.
  • FIG. 3 shows the individual components (diffraction gratings) included in the group of diffractive components 210 and together make up the input diffractive element.
  • the wave vectors of each of the diffraction gratings and the ratio of the wave vectors are shown, which determine the principle of operation of this element.
  • FIG. 4 shows waveguide 220 in side view. Schematically shows the propagation of image rays within the waveguide 220.
  • FIG. 5 shows two variants of the structure of the diffractive component entering and constituting the diffractive component group 230 (output diffractive element).
  • This diffraction component is a two-dimensional diffraction grating, two variants of the grating are shown.
  • FIG. 6 shows the deformation of both versions of the two-dimensional diffraction grating entering and constituting a group of diffractive components 230 (output diffractive element), allowing you to control the angles and efficiency of its diffractive orders.
  • FIG. 7-8 show various implementations of the diffractive components (gratings) described below, where the same implementations are shown on the right side, but with a second glass on top.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which gratings 310 and 320 are aligned and crossed.
  • FIG. 10 shows the working field of a virtual image created by a miniature projector
  • the projector 240 creates a beam of rays images that have a set of angles with respect to the projector's own axis z1 in the x and y directions.
  • Waveguide - a device in the form of a channel, pipe, rod, etc., designed to propagate sound or electromagnetic waves.
  • This technical solution which is a device, may consist of three elements.
  • the waveguide is flat or curved optical glass or plastic. Curved glass is used to improve the ergonomics of the device, in the same way as the curved lenses of ordinary glasses follow the shape of the profile of the face and eyes, or as curved glasses are used in aircraft windows, while technically the curved augmented reality waveguide is more difficult to implement.
  • Diffractive components in some implementations can either be created directly in the glass body by structuring its surface, top or bottom (for example, by applying a mask and subsequent etching), or in the bulk of the waveguide.
  • a diffraction grating is created in the bulk of the waveguide, it is necessary to first create a diffraction grating on the surface of one glass and then connect (for example, by gluing or welding) to the second glass.
  • a functional optical coating is applied to the glass surface (for example, a layer of SiN or TiO2 is deposited), a diffractive structure is then created in this coating, for example, by the same etching.
  • the functional coating can be multi-layered and consist of several layers.
  • the diffractive structure can also be created in functional layer sandwiched between two glasses. First, a layer is applied to one of the glasses, then a diffractive structure is etched in the layer, then this glass is connected (for example, by gluing or welding) with the second glass. With this bonding, the etched voids can be filled with a material with a refractive index different from that of glass, so that the surface is once again flat and smooth, as shown in FIG. 7 and FIG. 8.
  • Such material in some implementations may be, for example, Si02, ZnO, or GaP. You can swap materials, use Si02, ZnO, GaP for optical coating, and SiN and TiO2 for filling voids.
  • any arbitrary combination of the listed materials can be used, as long as the refractive index of the selected materials differs from each other.
  • Metals such as AI, Pt, Au can also be used, either in combination with the above materials or on their own.
  • the thickness of the sprayed layer to fill the voids may be greater than the depth of the voids, i.e. the material fills the voids and still forms an additional layer on top. This is necessary because when spraying, voids may not be filled evenly, and if you spray a thicker layer, then in the end it will level the surface.
  • both the functional layer and the void-filling material may be multi-layered. Each of the layers can have an arbitrary thickness and consist of one of the above materials or any other material suitable for creating optical components.
  • the diffractive components may be generated on both surfaces of the waveguide.
  • the design of the diffractive components created on the upper surface of the waveguide may differ from the design of the diffractive components created on the lower surface of the waveguide.
  • extended functionality and flexibility in the implementation of the end device is achieved, since the optical response device, created by the diffractive components on the upper surface of the waveguide, is complemented by the optical response generated by the diffractive components on the lower surface of the waveguide.
  • the diffractive elements can be created by performing a holographic recording of the desired optical response in a holographic coating deposited on the waveguide surface or embedded in the volume of the waveguide.
  • the optical response of the holographic diffraction grating is achieved by spatially modulating the optical properties of the holographic coating (or spatially changing the dielectric and magnetic permeability of the material) and is equivalent/identical to the optical response of the diffraction gratings described below.
  • the augmented and combined reality device consists of the following components, as shown schematically in FIG. 2 detailed below:
  • a group of diffractive components 210 that inputs image rays into the waveguide and their distribution (hereinafter referred to as the input diffractive element);
  • a group of diffractive components 230 that (a) output image beams in the direction of the user's eyes and (b) distribute image beams over the entire volume of the waveguide (2) (hereinafter referred to as the output diffractive element).
  • the augmented and combined reality device will be at different angles depending on the position of the user's eye, the upper and lower limit of the angles of the relative position of the device and the user's eyes depends on the specific geometry of the end device (for example, glasses or augmented reality screen).
  • the device can be implemented as a transparent screen, for example, in the form of glass installed in the window of a house, car, shop window, or used as a transparent display, for example, at check-in counters.
  • the output diffractive element 230 must overlap the area of the user's field of view in which the virtual image is created, otherwise part of the virtual image may be lost.
  • FIG. 2 shows the general scheme of the device.
  • Geometric shape, relative orientation and distance between the elements 210 and 230 in the x-y plane can be any, i. the angle between the axis of the element 210 and the axis of the element 230 may be arbitrary, which may take, for example, a value of 0 degrees or 30 degrees.
  • the ability to change the angle between groups of diffractive components 210 and 230 is necessary to provide flexibility in design ergonomics.
  • top view a top view and a side view, i.e., a view of the upper surface of the waveguide 220 and the side), as shown in FIG. 2.
  • the top surface faces either the user's eyes or the opposite direction.
  • the virtual image will be created by diffraction orders in transmission (i.e., rays are used that, after diffraction, will exit the waveguide 220 into the air), and in the second case, diffraction orders in reflection (i.e., rays are used, which, after diffraction, are reflected back into waveguide 220 and out of waveguide 220 reaching the opposite surface of waveguide 220).
  • a miniature image projector 240 may be integrated into the eyeglasses.
  • the entrance diffractive element 210 will then be positioned as shown in the second embodiment in FIG. 1, the output diffractive element 230 is positioned in front of the user's eyes.
  • this option is more difficult to implement, but such an opportunity is necessary to provide design flexibility and implement such displays that will then be convenient. use in end devices.
  • the size of the components of the input diffractive element 210 is selected depending on the size of the image spot produced by the miniature projector 240 and the size and location of the input diffractive element 210. The location and size of the components 310 and 320 (if component 320 is present), as shown in FIG.
  • the input diffractive element 210 is chosen so that the image spot incident from the projector 240 overlaps the area of these components (in this case, the projector 240 can be located at an angle to the waveguide 220, i.e. the image spot does not necessarily fall on the waveguide 220 perpendicularly, the direction of incidence is given by two angles - zenith and azimuth (in a spherical coordinate system, and the values can take, for example, 15 and 10 degrees.)
  • the size of the output diffractive element 230 is determined by three factors - the size of the image field (created by the projector 240, the larger the image field (other In other words, the range of spread of the angles of the image beams created by the projector 240), the larger the size of the image that the user sees), the distance from the output diffractive element 230 to the user's eyes and the required (or inherent in the design) size of the zone of allowable deviations of the position of the user's eyes from a given central position.
  • the size of the output diffractive element 230 may reach, for example, 4x4cm or 4x6cm or 20x20cm or more.
  • the eye-to-glass distance is determined by the design of the final device—frame size, etc.
  • the center of the output diffractive element 230 may be opposite the user's eye, typically on a line perpendicular to the surface of the waveguide 210, but depending on the ergonomics of the final device, this line may pass at a certain angle.
  • the output diffractive element 230 should overlap the area of the user's field of view in which the virtual image is created.
  • the output diffractive element 230 occupies the maximum surface area of the screen.
  • FIG. 3 An array of diffractive components 210 that inputs and distributes image rays into waveguide 220 is shown in FIG. 3.
  • Reference numerals 310, 320, 330, 340 show one-dimensional gratings on the surface of waveguide 220 or embedded in waveguide 220.
  • Grating 310 redirects light from miniature projector 240 towards gratings 340 and 330 by diffraction of image rays into the first or second , or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220.
  • the projector 240 projects an image spot onto that region of the surface of the waveguide 220 in which (or under which, in case the components of the input diffraction grating 210 are created on the opposite surface or in volume of the waveguide 220) components of the input diffraction grating 210 are created.
  • the image spot is projected onto the components 310 and 320 (if the component 320 is present), the size and geometric shape of the components 310 and 320 can match the size and geometric shape of the image spot.
  • the described diffraction gratings can only have a period in a certain range of values.
  • component 320 redirects light in the direction of the axis of element 210 by diffracting image rays into first or second or higher diffractive orders at an angle greater than the angle of total reflection of waveguide 220. In one embodiment, as shown in FIG.
  • gratings 310 and 320 are aligned and crossed, element 350 simultaneously redirects light from miniature projector 240 towards gratings 340 and 330, as well as towards the axis of element 210.
  • This effect is achieved due to the two-dimensional nature of the grating.
  • it has diffraction orders both in the directions toward elements 340 and 330 (diffraction wave vector kia and -ki a ) and in the direction of the axis of element 210 (wavelength diffraction vector kie).
  • a square diffraction grating has such orders.
  • Diffraction gratings 330 and 340 redirect light in the direction of the axis of element 210 by re-diffraction of the image rays into the first or second or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220.
  • Diffraction grating 320 redirects light in the axial direction of element 210 by diffracting image rays into first or second or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total reflection of waveguide 220.
  • the direction of the vectors ki 6 and the beam coincide with the direction of the axis of the element 210.
  • This relationship determines the period and orientation of the diffraction gratings that make up the input diffractive element. If this requirement is not met, the device will not work. For example, if the refractive index of the waveguide is 1.5.
  • the selected working wavelength is 620nm (red).
  • the type of diffraction grating for all components is linear.
  • the period of the components 310, 320 - 500 nm (in another embodiment, the square grating 320 has a period of 500 nm in both directions).
  • the technical solution can also be implemented by using diffraction gratings 310, 320 and only grating 330, no grating 340. In some implementations, the technical solution can also be implemented by using diffraction gratings 310, 320 and grating 340 only, no grating 330.
  • the diffraction grating 320 is an optional component in both implementations.
  • An implementation is also possible in which element 210 contains only a diffraction grating 320.
  • Variants with a reduced number of components are provided for implementation flexibility, since the desired effect is achieved with a smaller number of components.
  • the opportunity is provided for the flexibility of positioning the projector 240, which can be located either against the top surface of the waveguide 220 or against the bottom surface. This is necessary to ensure the design flexibility of the end device.
  • Element 210 can operate both in reflection mode (image rays first pass through waveguide 220 at an angle less than the angle of total internal reflection before interacting with element 210), and in transmission mode (image rays interact with element 210 at the moment of penetration into waveguide 220).
  • FIG. 4 shows an example implementation 220 of a waveguide for propagating image rays.
  • the waveguide 220 may be made of glass, plastic, or any other material suitable for making optical components. Depending on the application, this can be, for example, glass or plastic.
  • An important indicator of such materials is the refractive index (affects the size of the working field of the virtual image or, in other words, the size of the picture) and transmission over the entire range of visible waves (the absorption of light in the visible range should be minimal), and as well as how even the waveguide 220 is - thickness variations, surface roughness, etc. The smaller the values characterizing the "non-ideality" of the waveguide, the better.
  • a host of other mechanical properties, such as hardness, etc. are not important for optical performance, but may be important for the final device.
  • Waveguide 220 Light propagates within waveguide 220 by reflecting at an angle greater than the angle of total internal reflection of the material from which waveguide 220 is made.
  • the range of angles of incidence on the surface of waveguide 220 would be 42 - 90 degrees, and the angle is measured from the normal to the surface of the waveguide 220.
  • Waveguide surfaces 410 and 420 shown in FIG. 4 may be flat and parallel to each other, or bent while remaining parallel, as required for flexibility in the ergonomics of the final device. Planar waveguide 220 is technically easier to implement. Surfaces 410 and 420 can be coated with a functional coating, such as an antireflection coating or a coating that changes the angle of total internal reflection of the surface, to improve the performance and performance of the device. Two examples of such a coating are discussed below, an antireflection coating and a refractive index changing coating. The refractive index determines the working field of the virtual image (image size).
  • the refractive index of glass is 1.5, then the field of view is 30 degrees diagonally, the refractive index is 1.8 - the field of view is 50 degrees diagonally.
  • the aspect ratio is 16:9 in both cases.
  • Anti-reflective coating prevents glare (for example, from the sun or lanterns).
  • Another example is a special coating that prevents the output of the image image in the direction “from the user's eyes”.
  • the output diffractive element 230 outputs an image in two directions, namely in the directions towards the top and bottom surfaces of the waveguide 220. In this case, the image output in the direction “from the eyes of the user” visible to others, which is undesirable.
  • FIG. 5 shows a group of diffractive components 230 that output image beams in the direction of the user's eyes and distribute the image beams over the entire volume of the waveguide 220.
  • Element 230 consists of an optical lattice 510 rhombic parquet or artificial graphene 520 (in the sense that this optical lattice repeats the structure of the graphene crystal lattice and consists of hexagonal cells, as shown in Fig. 5).
  • the hexagonal shape of both gratings affects the optical response of the grating, namely the direction and intensity of the rays after diffraction from the grating.
  • the proposed gratings have a more uniform response compared to other gratings, i.e. the intensity of the diffracted beams has a weaker dependence on the angles of incidence on the grating.
  • projector 240 creates a beam of image rays having a set of angles with respect to the projector's own axis z1 (a line through the center of projector 240, typically perpendicular to the surface of waveguide 220) in the x and y directions (as shown in FIG. 10).
  • the projector 240 may be from a light source such as light emitting diodes (LED) or laser diodes (SLED) or may be a laser, LCOS or DMD pixel array forming an image, optical elements that enhance and output an image.
  • LED light emitting diodes
  • SLED laser diodes
  • the tinted rays created by the projector 240 fall on the surface of the input grating at a set of angles Dc1 and Ay1 counted from the z1 axis, which determine the working field of the virtual image (image size).
  • Dc1 ⁇ 13
  • ⁇ réelle1 ⁇ 7.
  • the beam of rays interacts with the output grating 230. Since the image rays fall on the output grating under the set of Dc2 and Ay2 counted from the z2 axis, it is important that the intensity of the diffracted angles has a minimal dependence on the angles of incidence Dc2 and Ay2. This ensures maximum image uniformity in color.
  • the virtual image consists of beams created by the projector 240 and having a certain spread of angles. Upon entering waveguide 220, this set of angles is converted as described above. Further, all these beams interact with the output diffraction grating 230. Let us set the efficiency function of this interaction as F (Dc2, Ay2).
  • the image beam ( ⁇ ) experiences diffraction in direction of the user's eye at an angle less than the angle of total internal reflection of the waveguide 220, thus the image output from the waveguide 220 (and) experiences diffraction in other directions determined by the vectors KA and HF at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220, thus propagating through the volume waveguide 220.
  • the optical grating 510 or 520 may be solid lines. It is possible that the lines of the optical grating 510 or 520 are broken into separate elements of a certain shape (for example, cylindrical, cubic, etc., however, elements of different shapes and sizes can be used), becoming discontinuous, which allows you to control the effectiveness of the diffraction orders.
  • a different shape allows you to control the intensity of diffraction orders, which allows you to control the uniformity of the image image in color. Different shapes give different degrees of control, and they can be simpler or more difficult to fabricate. Items can be layered or sloping, such as a pyramid with steps or sloping sides.
  • the optical lattice 520 is formed by elements located in the lattice nodes of artificial graphene, completely repeating the crystal structure of graphene.
  • Element 230 can be divided into an unlimited number of zones of arbitrary shape and size. In this case, each of the zones contains one of the gratings 510/520.
  • Element 230 may be provided on one or both surfaces of waveguide 220 or within its volume as described above.
  • FIG. 6 shows a group of diffractive components 230 that output image beams in the direction of the user's eyes and distribute image beams throughout waveguide 220.
  • Optical grating 510/520 can be deformed in the manner described below to control the direction and efficiency of diffractive orders. During deformation, the above parameters must be maintained.
  • Angle a can be changed within [60°;300°] at a fixed angle b. In this case, the nodes X1 and X2 are displaced symmetrically with respect to the line depicted by the red dotted line in opposite directions by changing the length L.
  • the angle b defining the depicted cell of the periodic structure 510 / 520 can be changed within [0°, 90°].
  • the angle a changes in accordance with the deformation of the unit cell. Combined deformation is also possible. After changing the angle b to a new value bq and correspondingly changing the angle a, the angle a can be further changed within the new limits [bq, 360° - bq].
  • aspects of the present technical solution can be implemented in the form of a device. Accordingly, various aspects of the present technical solution may be implemented solely as hardware, and some as software (including application software and so on) or alternatively. implementation that combines software and hardware aspects, which may be generally referred to as a "module”, “system”, or “architecture”. In addition, aspects of the present technical solution may take the form of a computer program product implemented on one or more computer-readable media having computer-readable program code embodied thereon.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

Настоящее техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к дисплеям для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. Технический результат - повышение качества получения однородного по цвету виртуального изображения за счет использования симметрии выходного дифракционного элемента. Устройство дополненной и совмещенной реальности, содержащее корпус, в котором расположены набор входных дифракционных компонент, выполненный с возможностью ввода лучей изображения в волновод и их распределение; по меньшей мере один волновод, выполненный с возможностью распространения лучей изображения; набор выходных дифракционных компонент, выполненный с возможностью вывода лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределения лучей изображения по всему объему волновода.

Description

УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ И СОВМЕЩЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к дисплеям для создания изображения дополненной или совмещенной реальности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Из уровня техники известен источник информации US 2017/0299864 А1 (патентообладатель: MICROSOFT TECHNOLOGY LICENSING LLC, опубл. 19.10.2017). Источник раскрывает общий принцип построения дисплея для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. В данном решении описывается дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения; группы дифракционных компонент, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по объему элемента; проектора изображения.
[003] Также из уровня техники известна патентная заявка Ns US 2019/0056593 А1 (заявитель: TIPD LLC), опубл. 21.02.2019, раскрывающая дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности, состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения.
[004] В уровне техники, потенциальные отличия от других устройств есть в схеме входного дифракционного элемента. В заявляемом решении, хотя строение этого элемента и схоже с аналогами, однако он состоит из специализированного набора компонент, обеспечивающих гибкость его реализации. В частности, в нескольких вариантах, описанных ниже, входной дифракционный элемент также осуществляет «размножение» пятна изображения, до того, как пятно изображения достигает выходного дифракционного элемента. При этом выходной дифракционный элемент так же «размножает» пятно изображения. Таким образом эффективность «размножения» удваивается и получается гибридный вариант.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Технической задачей или технической проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание изображения дополненной реальности. Более конкретно, создание устройства, осуществляющего передачу изображения, созданного миниатюрным проектором в глаза пользователя, при этом само устройство прозрачно и не блокирует вид на окружающую реальность.
[006] Достигаемым техническим результатом является повышение качества получения однородного по цвету виртуального изображения за счет использования симметрии выходного дифракционного элемента.
[007] Также за счет структуры входного дифракционного элемента, который состоит из набора подкомпонент, осуществляется размножение пятна изображения уже на этапе и сразу после взаимодействия лучей изображения, созданных проектором с входным дифракционным элементом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[008] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
[009] На Фиг. 1 показан вариант использования, когда устройство интегрировано в очки. Показано расположение дифракционных компонент на плоскости прозрачного волновода 220 (в другом варианте дифракционные компоненты могут быть интегрированы в объем волновода), в данном случае, выполняющего роль, или совмещенного, с линзой очков. Показаны два варианта расположения входной дифракционной решетки 210. [0010] На Фиг. 2 показаны элементы устройства и принцип его работы, группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод 220 и их распределение; волновод 220 для распространения лучей изображения; группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220.
[0011] На Фиг. 3 показаны отдельные компоненты (дифракционные решетки) входящие в группу дифракционных компонент 210 и вместе составляющих входной дифракционный элемент. Показаны волновые векторы каждой из дифракционных решеток и соотношение волновых векторов, определяющие принцип работы данного элемента.
[0012] На Фиг. 4 показан волновод 220, вид сбоку. Схематически показано распространение лучей изображения внутри волновода 220.
[0013] На Фиг. 5 показаны два варианта структуры дифракционной компоненты, входящей и составляющей группу дифракционных компонент 230 (выходной дифракционный элемент). Данная дифракционная компонента представляет из себя двумерную дифракционную решетку, показаны два варианта решетки.
[0014] На Фиг. 6 показана деформация обоих вариантов двумерной дифракционной, решетки входящей и составляющей группу дифракционных компонент 230 (выходной дифракционный элемент), позволяющая управлять углами и эффективностью ее дифракционных порядков.
[0015] На Фиг. 7-8 показаны различные варианты реализации дифракционных компонент (решеток) описанные ниже, где в правой части показаны те же варианты реализации, но со вторым стеклом сверху.
[0016] На Фиг. 9 показан вариант реализации, в котором решетки 310 и 320 совмещены и скрещены.
[0017] На Фиг. 10 показано рабочее поле виртуального изображения, создаваемая миниатюрным проектором, проектор 240 создает пучок лучей изображения, имеющих набор углов по отношению к собственной оси проектора z1 в направлениях х и у.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании данного технического решения для понимания и ясности его работы.
[0019] Волновод - устройство в виде канала, трубы, стержня и т.п., предназначенное для распространения звуковых или электромагнитных волн.
[0020] Данное техническое решение, представляющее собой устройство, может состоять из трех элементов.
[0021] Волновод представляет из себя плоское или изогнутое оптическое стекло или пластик. Изогнутое стекло используется с целью улучшения эргономики устройства, в том же виде, как и изогнутые линзы обычных очков повторяют форму профиля лица и глаз или как изогнутые стекла используются в иллюминаторах самолётов, при этом технически изогнутый волновод дополненной реальности более сложен в реализации.
[0022] Дифракционные компоненты (решетки) в некоторых вариантах реализации могут либо быть созданы непосредственно в теле стекла путем структурирования его поверхности, верхней или нижней (например, посредством нанесения маски и последующего травления), либо в объеме волновода. В случае, когда дифракционная решетка создается в объеме волновода, требуется сначала создать дифракционную решетку на поверхности одного стекла и затем соединить (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. В другом варианте реализации на поверхность стекла наносится функциональное оптическое покрытие (например, напыляется слой SiN или ТЮ2), дифракционная структура тогда создается в этом покрытии, например таким же травлением. Функциональное покрытие может быть многослойным и состоять из нескольких слоев. Дифракционная структура также может быть создана в функциональном слое, зажатом между двух стекол. Сначала слой наносится на одно из стекол, потом в слое вытравливается дифракционная структура, потом данное стекло соединяется (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. При таком соединении протравленные пустоты могут быть заполнены материалом с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления стекла таким образом, чтобы поверхность стала опять ровной и гладкой, как показано на Фиг. 7 и Фиг. 8. Таким материалом в некоторых вариантах реализации может быть, например, Si02, ZnO, или GaP. Можно поменять материалы местами, использовать Si02, ZnO, GaP для оптического покрытия, a SiN и ТЮ2 для заполнения пустот. В целом могут использоваться любые произвольные комбинации перечисленных материалов, главное, чтобы показатель преломления выбранных материалов отличался друг от друга. Так же могут использоваться металлы, например AI, Pt, Au, как в комбинации с вышеперечисленными материалами, так и сами по себе. Толщина напыляемого слоя для заполнения пустот может быть больше, чем глубина пустот, т.е. материал заполняет пустоты и еще образует дополнительный слой поверх. Это необходимо, потому что при напылении пустоты могут быть заполнены не равномерно, а если напылить более толстый слой, то в итоге он выровняет поверхность. В другом варианте реализации как функциональный слой, так и материал, заполняющий пустоты, могут быть многослойными. Каждый из слоев может иметь произвольную толщину и состоять из одного из вышеперечисленных материалов или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент.
[0023] В варианте реализации, когда дифракционные компоненты создаются на поверхности волновода, дифракционные компоненты могут быть созданы на обоих поверхностях волновода. При этом дизайн дифракционных компонент, созданных на верхней поверхности волновода, может отличаться от дизайна дифракционных компонент, созданных на нижней поверхности волновода. Таким образом достигается расширенная функциональность и гибкость реализации конечного устройства (дисплея дополненной или расширенной реальности), так как оптический отклик устройства, создаваемый дифракционными компонентами на верхней поверхности волновода, дополняется оптическим откликом, создаваемым дифракционными компонентами на нижней поверхности волновода. При создании дифракционных решеток на поверхности стекла без соединения вытравленные пустоты заполнять не обязательно, т.к. они уже заполнены воздухом. Аналогично можно не заполнять пустоты и при соединении двух стекол. Еще в одном варианте реализации дифракционные элементы могут быть созданы путем проведения голографической записи требуемого оптического отклика в голографическом покрытии, нанесенном на поверхность волновода или внедренном в объем волновода. Оптический отклик голографической дифракционной решетки достигается за счет пространственного модулирования оптических свойств голографического покрытия (или пространственное изменение диэлектрической и магнитной проницаемости материала) и эквивалентен / идентичен оптическому отклику дифракционных решёток, описанных ниже.
[0024] Как упоминалось выше в общем виде устройство дополненной и совмещенной реальности состоит из следующих компонент, как схематично показано на Фиг. 2, подробно раскрытых ниже:
[0025] группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод и их распределение (далее - входной дифракционный элемент);
[0026] волновод 220 для распространения лучей изображения;
[0027] группа дифракционных компонент 230, осуществляющих (а) вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и (б) распределение лучей изображения по всему объему волновода (2) (далее - выходной дифракционный элемент).
[0028] Глаза пользователя двигаются, в связи с чем устройство дополненной и совмещенной реальности будет находиться под разными углами в зависимости от положения глаза пользователя, верхний и нижний предел углов относительного расположения устройства и глаз пользователя зависит от конкретной геометрии конечного устройства (например, очков или экрана дополненной реальности). В некоторых вариантах реализации устройство может быть реализовано в виде прозрачного экрана, например, в виде стекла, устанавливаемого в окно дома, автомобиль, витрину, или используемого как прозрачный дисплей, например, на стойках регистрации. Выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение, в противном случае часть виртуальной картинки может будет утеряна.
[0029] На Фиг. 2 приведена общая схема устройства. Геометрическая форма, относительная ориентация и расстояние между элементами 210 и 230 в плоскости х-у может быть любой, т.е. угол между осью элемента 210 и осью элемента 230 может быть произвольным, который может принимать, например, значение в 0 градусов или 30 градусов. Возможность изменять угол между группами дифракционных компонент 210 и 230 необходима для обеспечения гибкости эргономики дизайна.
[0030] Ниже приведены два примера реализации технического решения (вид сверху и вид сбоку, т. е. вид на верхнюю поверхность волновода 220 и сбоку), как показано на Фиг. 2.
[0031] Когда волновод 220 встроен, например, в очки, как показано на Фиг. 1 , верхняя поверхность обращена либо в сторону глаз пользователя, либо в противоположную сторону. В первом случае виртуальное изображение будет создаваться дифракционными порядками в пропускании (т.е. используются лучи, которые после дифракции выйдут из волновода 220 в воздух), а во втором случае дифракционными порядками в отражении (т.е. используются лучи, которые после дифракции отражаются обратно в волновод 220 и выйдет из волновода 220, достигнув противоположной поверхности волновода 220). Например, миниатюрный проектор изображения 240 может быть вмонтирован в душку очков. Тогда входной дифракционный элемент 210 будет расположен как показано во втором варианте на Фиг. 1 , выходной дифракционный элемент 230 располагается напротив глаз пользователя. Технически этот вариант более сложен для реализации, но такая возможность необходима для обеспечения гибкости дизайна и реализации таких дисплеев, которые потом будут удобно использовать в конечных устройствах. Размер компонент входного дифракционного элемента 210 подбирается в зависимости от размера пятна изображения, создаваемого миниатюрным проектором 240 и размеров, и расположения входного дифракционного элемента 210. Расположение и размер компонент 310 и 320 (если компонент 320 присутствует), как показано на Фиг. 3, входного дифракционного элемента 210 выбирается таким образом, чтобы падающее от проектора 240 пятно изображения перекрывало площадь этих компонент (при этом проектор 240 может располагаться под углом к волноводу 220, т. е. пятно изображения не обязательно падает на волновод 220 перпендикулярно, направление падения задается двумя углами - зенитным и азимутальным (в сферической системе координат, причем значения может принимать, например, 15 и 10 градусов.). Размер выходного дифракционного элемента 230 определяется тремя факторами — размером поля изображения (создаваемого проектором 240, чем больше поле изображения (иными словами диапазон разброса углов лучей изображения создаваемых проектором 240), тем больше размер изображения, которое видит пользователь), расстоянием от выходного дифракционного элемента 230 до глаз пользователя и требуемым (или заложенным в дизайне) размером зоны допустимых отклонений положения глаз пользователя от заданной центральной позиции. В некоторых вариантах реализации размер выходного дифракционного элемента 230 может достигать значения, например, 4x4см или 4x6см или 20x20см и больше. Расстояние от глаз до стекла очков определяется дизайном конечного устройства — размером оправы, и т. д. Центр выходного дифракционного элемента 230 может располагаться напротив глаза пользователя, обычно на линии перпендикулярной к поверхности волновода 210, но в зависимости от эргономики конечного устройства, эта линия может проходить и под определенным углом. В целом выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение. В случае, когда устройство реализуется в виде экрана дополненной реальности выходной дифракционный элемент 230 занимает максимальную площадь поверхности экрана. [0032] Детальное описание отдельных компонент приведено ниже и включает описание принципов их работы.
[0033] Группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод 220 и их распределение, показана на Фиг. 3.
[0034] Позиции 310, 320, 330, 340 показывают одномерные дифракционные решетки на поверхности волновода 220 или встроенные в волновод 220. Дифракционная решетка 310 перенаправляет свет от миниатюрного проектора 240 в направлении дифракционных решёток 340 и 330 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220. Проектор 240 проецирует пятно изображения на ту область поверхности волновода 220, в которой (или под которой, в случае если компоненты входной дифракционной решетки 210 созданы на противоположной поверхности или в объеме волновода 220) созданы компоненты входной дифракционной решетки 210. Пятно изображения проецируется на компоненты 310 и 320 (если компонент 320 присутствует), размер и геометрическая форма компоненты 310 и 320 может совпадать с размером и геометрической формой пятна изображения. Для получения описанного эффекта для волновода с фиксированным показателем преломления (который может принимать значения, например, 1.5 или 1.8), описанные дифракционные решетки могут иметь период только в определенном диапазоне величин. В одном варианте реализации компонент 320 перенаправляет свет в направлении оси элемента 210 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220. В одном варианте, как показано на Фиг. 9., решетки 310 и 320 совмещены и скрещены, элемент 350 одновременно перенаправляет свет от миниатюрного проектора 240 в направлении дифракционных решёток 340 и 330, а также в направлении оси элемента 210. Данный эффект достигается за счет двумерной природы решетки. В примерном варианте реализации она обладает дифракционными порядками как в направлениях к элементам 340 и 330 (волновой вектор дифракции kia и -kia), так и в направлении оси элемента 210 (волновой вектор дифракции kie). Например, такими порядками обладает квадратная дифракционная решетка.
[0035] Дифракционные решетки 330 и 340 перенаправляют свет в направлении оси элемента 210 путем повторной дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220.
[0036] Дифракционная решетка 320 перенаправляет свет в направлении оси элемента 210 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220.
[0037] Волновые вектора дифракционных решеток соотнесены следующим соотношением: -kia+ k-ir = +kia+ kiB= к1б=клуча, где клуча - результирующий волновой вектор луча изображения в плоскости х-у. Направление векторов ki6 и клуча совпадают с направлением оси элемента 210. Данное соотношение определяет период и ориентацию дифракционных решеток, составляющих входной дифракционный элемент. Если это требование не соблюдено, устройство работать не будет. Например, если показатель преломления волновода имеет значение 1.5. Выбранная рабочая длинна волны — 620нм (красный цвет). Тип дифракционной решетки для всех компонент — линейная. Период компонент 310, 320 — 500 нм (в другом варианте реализации квадратная решетка 320 имеет период 500 нм в обоих направлениях). Период 330 и 340 — 500нм * (2)л(-1/2)=353.5 нм, располагаются по углом 45 градусов к 310.
[0038] В некоторых вариантах реализации техническое решение может быть также реализовано посредством использования дифракционных решеток 310, 320 и только решетку 330, решетка 340 отсутствует. В некоторых вариантах реализации техническое решение может быть также реализовано посредством использования дифракционных решеток 310, 320 и только решетку 340, решетка 330 отсутствует. Дифракционная решетка 320 является опциональной компонентой в обоих вариантах реализации. Также возможна реализация, при которой элемент 210 содержит только дифракционную решетку 320. Также может быть вариант реализации с использованием только решетки 310. Функционально варианты реализации одинаковы, а отличаются только геометрией. Использование того или иного варианта реализации влияет на размножение лучей «пятна» изображения. Варианты с уменьшенным количеством компонент заложены для гибкости реализации, так как необходимый эффект достигается и меньшем количеством компонент. В зависимости от геометрии конечного устройства может возникнуть необходимость обойтись определенным набором компонент в ущерб функциональных показателей. С функциональной точки зрения разницы нет. Возможность заложена для гибкости расположения проектора 240, который может находиться как напротив верхней поверхности волновода 220, так и напротив нижней поверхности. Это нужно для обеспечения гибкости дизайна конечного устройства. Также, для достижения полноцветной картинки может потребоваться создать три дифракционных волновода 220, причем каждый для одного из цветов RGB. Тогда все три волновода 220 соединяются в «стек», т.е. собираются в стопку один над другим. Тогда нужна гибкость, где и на какой поверхности располагается входная решетка.
[0039] Элемент 210 может работать как в режиме отражения (лучи изображения сначала проходят через волновод 220 под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения до взаимодействия с элементом 210), так и в режиме пропускания (лучи изображения взаимодействуют с элементом 210 в момент проникновением в волновод 220).
[0040] На Фиг. 4 показан пример реализации 220 волновода для распространения лучей изображения.
[0041] Волновод 220 может быть сделан из стекла, пластика, или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент. В зависимости от применения, это может быть, например, стекло или пластик. Важным показателем таких материалов являются показатель преломления (влияет на размер рабочего поля виртуального изображения или, другими словами, размер картинки) и пропускание во всем диапазоне видимых волн (поглощение света в видимом диапазоне должно быть минимальным), а также насколько волновод 220 ровный — вариации толщины, шероховатость поверхности и т. д. Чем меньше величины характеризующие «не-идеальность» волновода, тем лучше. Масса других механических показателей, например, таких как твердость и т. д., не имеют значения для оптического функционирования, но могут иметь значение для конечного устройства.
[0042] Свет распространяется внутри волновода 220 путем отражения под углом, большим угла полного внутреннего отражения материала, из которого сделан волновод 220. Например, для волновода 220, сделанного из стекла с показателем преломления 1.5, диапазон углов падения на поверхность волновода 220 будет 42 — 90 градусов, причем угол отсчитывается от нормали к поверхности волновода 220.
[0043] Поверхности волновода 410 и 420, показанные на Фиг. 4, могут быть плоскими и параллельными друг другу или изогнуты оставаясь параллельными, что нужно для гибкости эргономики конечного устройства. Технически проще реализовать плоский волновод 220. На поверхности 410 и 420 может быть нанесено функциональное покрытие, например антиотражающее или покрытие, меняющее угол полного внутреннего отражения поверхности, для улучшения производительности и технических показателей устройства. Ниже рассматриваются два примера такого покрытия — антиотражающее покрытие и покрытие, изменяющее показатель преломления. Показатель преломления определяет рабочее поле виртуального изображения (размер картинки). Например, показатель преломления стекла имеет значение 1.5, тогда поле обзора 30 градусов по диагонали, показатель преломления 1.8 - поле обзора 50 градусов по диагонали. Соотношение сторон (формат изображения), например, принимает значение 16:9 в обоих случаях. Антиотражающее покрытие предотвращает блики (например, от солнца или фонарей). Еще пример — специальное покрытие, препятствующее выходу картинки изображения в направлении “от глаз пользователя”. По умолчанию, выходной дифракционный элемент 230 выводит картинку в двух направлениях, а именно в направлениях к верхней и нижней поверхностям волновода 220. При этом изображение, выводимое в направлении “от глаз пользователя” видно окружающим, что является нежелательным. Картинка, выводимая “от глаз пользователя” не будет потеряна, а будет перенаправлена в глаза пользователя. Указанные функциональные покрытия могут быть нанесены как сверху уже созданной дифракционной структуры, так и под ней, или же нанесены на ту поверхность стекла, на которой дифракционная структура не создаётся.
[0044] На Фиг. 5 показана группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220.
[0045] Элемент 230 состоит из оптической решетки 510 ромбического паркета или 520 искусственного графена (в том смысле, что данная оптическая решетка повторяет структуру кристаллической решетки графена и состоит из шестиугольных ячеек, как изображено на Фиг. 5). Шестиугольный вид обеих решёток влияет на оптический отклик решетки, а именно направление и интенсивность лучей после дифракции от решетки. Предложенные решетки имеют более равномерный отклик по сравнению с другими решетками, т.е. интенсивность дифрагированных лучей имеет более слабую зависимость от углов падения на решетку.
[0046] Дифракционные порядки оптической решетки 510 / 520 определяются ее волновыми векторами по формулам: КА=2ТТ«(АХП/В»(АХП)); Кв=2тт»(Вхп/А»(Вхп));, где А и В - вектора решетки Браве ромбического паркета 510 / искусственного графена 520 а п - единичный вектор перпендикулярный к плоскости дифракционной решетки.
[0047] Уникальная симметрия данных оптических решеток позволяет получить схожую эффективность дифракционных порядков для лучей изображения, падающих на оптическую решетку 510 / 520 под отличающимися углами. Для создания изображения проектор 240 создает пучок лучей изображения, имеющих набор углов по отношению к собственной оси проектора z1 (линия, проходящая через центр проектора 240, обычно перпендикулярна к поверхности волновода 220) в направлениях х и у (как показано на Фиг. 10). Проектор 240 может состоять из источника света, например светодиодов (LED) или лазерных диодов (SLED) или может быть лазерным, пиксельной матрицы LCOS или DMD формирующей изображение, оптических элементов, улучшающих и выводящих изображение. Таким образом колерованные лучи, созданные проектором 240, падают на поверхность входной решетки под набором углов Dc1 и Ау1 отсчитанных от оси z1 , которые определяют рабочее поле виртуального изображения (размер изображения). В качестве примера реализации для формата 16:9 и диагонали 30 градусов: Dc1= ±13, Ау1=±7. Пучок этих лучей вводится в волновод, и распространяется в волноводе под новым набором углов Dc2 и Ау2, однако теперь отсчитанных от оси z2 проходящей под углом Z0 к оси z1. Угол Z0 определяется по формуле как d*(sin02 - sinZ0)= L/n2 где с1=2тт/клуча, sin02*n2=sin01*n1 , n2 - показатель преломления стекла, п1 - показатель преломления окружающей среды (воздуха), L - рабочая длина волны волновода 220, 01 - угол оси z1 по отношению к нормали поверхности волновода 220, как показано на Фиг. 10.
[0048] Пучок лучей взаимодействует с выходной дифракционной решеткой 230. Так как лучи изображения падают на выходную решетку под набором Dc2 и Ау2, отсчитанных от оси z2, важно, чтобы интенсивность дифрагированных углов имела минимальную зависимость от углов падения Dc2 и Ау2. Этим обеспечивается максимальная равномерность изображения по цвету. Как описано выше, виртуальное изображение состоит из лучей, созданных проектором 240 и имеющих определенный разброс углов. При попадании в волновод 220 этот набор углов преобразуется как описано выше. Далее все эти лучи взаимодействуют с выходной дифракционной решеткой 230. Зададим функцию эффективности этого взаимодействия как F (Dc2, Ау2). Далее F (Dc2, Ay 2) = С, где С - фиксированная величина, не зависящая от Dc2, Лу2. В этом случае цветовой баланс изображения не искажается. В конкретном примере реализации С не является константой, но ее зависимость от Dc2, Лу2 минимизирована.
[0049] Векторы А и В, а также оптическая ось элемента 230 заданы таким образом, что: КА+КВ= -kiB = -клуча. При взаимодействии с оптической решеткой 510 или 520 луч изображения: (ί) испытывает дифракцию в направлении глаза пользователя под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения волновода 220, таким образом осуществляется вывод изображения из волновода 220 (и) испытывает дифракцию в других направлениях определяемых векторами КА И КВ углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220, таким образом распространяясь по объему волновода 220.
[0050] Это необходимо для осуществления размножения «пятна изображения» (изначально созданного проектором 240). Это стандартная схема работы подобных устройств, известная из уровня техники (в том смысле, что пятно должно быть размножено по объему волновода 220, технически это может быть реализовано по-разному). Конкретный луч изображения, созданный проектором 240 «расщепляется» на N лучей при каждом из взаимодействий с дифракционной решеткой. Таким образом, если рассмотреть всю совокупность лучей изображения в «пятне изображения», получается, что создаются копии «пятна изображения», убегающие в стороны от направления распространения основного «пятна изображения», направления разбегания определяются векторами КА И КВ. Размножение «пятна изображения» (источника изображения) по объему волновода 220 необходимо, чтобы пользователь видел виртуальную картинку независимо от того, в каком положении по отношению к волноводу 220, а значит линзе очков или экрану, находятся его глаза. Т.е. это нужно, чтобы в поле зрения всегда находилось хотя бы одно «пятно изображения» являющееся источником одного из углов изображения в диапазоне Лх1 , Ау1.
[0051] Оптическая решетка 510 или 520 может быть сплошными линиями. Возможен вариант, когда линии оптической решетки 510 или 520 разбиваются на отдельные элементы определенной формы (например, цилиндрической, кубической и т.д., однако могут быть использованы элементы разной формы и размеров), становясь прерывными, что позволяет управлять эффективностью дифракционных порядков. Разная форма позволяет управлять интенсивностью дифракционных порядков, что позволяет контролировать однородность картинки изображения по цвету. Разные формы дают разную степень контроля, при это они могут быть более просты или сложны в фабрикации. Элементы могут быть многоуровневыми или наклонными, например, пирамида со ступенями или наклонными сторонами. В частности, возможен вариант, когда оптическая решетка 520 сформирована элементами, находящимися в узлах решетки искусственного графена, полностью повторяя кристаллическую структуру графена.
[0052] Элемент 230 может быть разбит на неограниченное количество зон произвольной формы и размера. При этом каждая из зон содержит одну из решеток 510/ 520.
[0053] Элемент 230 может быть создан на одной или обоих поверхностях волновода 220 или в его объеме как описано выше.
[0054] На Фиг. 6 показана группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220. Оптическая решетка 510 / 520 может быть деформирована нижеописанными способами, что позволяет управлять направлениями и эффективностью дифракционных порядков. При деформации должны сохраняться указанные выше параметры. Угол а может быть изменен в пределах [60°;300°] при фиксированном угле b. При этом узлы Х1 и Х2 смещаются симметрично по отношению к линии, изображенной красным пунктиром в противоположных направлениях изменяя длину L. Угол b определяющий изображенную ячейку периодической структуры 510 / 520 может быть изменен в пределах [0°, 90°]. При этом угол а изменяется в соответствии с деформацией единичной ячейки. Также возможна комбинированная деформация. После изменения угла b на новое значение bq и соответствующем изменении угла а, угол а может быть дополнительно изменен в новых пределах [bq, 360° - bq].
[0055] Как будет понятно специалисту в данной области техники, аспекты настоящего технического решения могут быть выполнены в виде устройства. Соответственно, различные аспекты настоящего технического решения могут быть реализованы исключительно как аппаратное обеспечение, а некоторые как программное обеспечение (включая прикладное программное обеспечение и так далее) или как вариант осуществления, сочетающий в себе программные и аппаратные аспекты, которые в общем случае могут упоминаться как «модуль», «система» или «архитектура». Кроме того, аспекты настоящего технического решения могут принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного на одном или нескольких машиночитаемых носителях, имеющих машиночитаемый программный код, который на них реализован.

Claims

ФОРМУЛА
1. Устройство дополненной и совмещенной реальности, содержащее корпус, в котором расположены:
• набор входных дифракционных компонент, выполненный с возможностью ввода лучей изображения в волновод и их распределение;
• по меньшей мере один волновод, выполненный с возможностью распространения лучей изображения;
• набор выходных дифракционных компонент, выполненный с возможностью вывода лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределения лучей изображения по всему объему волновода.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что волновод представляет из себя плоское или изогнутое оптическое стекло или пластик.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что волновод выполнен из стекла или пластика.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что дифракционные компоненты созданы в теле волновода путем структурирования его верхней или нижней поверхности, обеих поверхностей, или в объеме волновода.
5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что дифракционные компоненты созданы путем проведения голографической записи требуемого оптического отклика в голографическом покрытии, нанесенном на поверхность волновода или внедренном в объем волновода.
6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что реализовано в виде очков, или маски, или шлема, или прозрачного экрана, устанавливаемого в раму.
7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что размер компонент входного дифракционного элемента подбирается в зависимости от размера пятна изображения, создаваемого миниатюрным проектором и размеров, расположения и выбранной конфигурации входного дифракционного элемента.
8. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что размер выходного дифракционного элемента определяется размером поля изображения, создаваемого проектором, расстоянием от выходного дифракционного элемента до глаз пользователя и требуемым размером зоны допустимых отклонений положения глаз пользователя от заданной центральной позиции.
9. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что центр выходного дифракционного компонента расположен в области формирования центральной части виртуального изображения.
10. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что выходной дифракционный компонент перекрывает область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение.
11. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что, если устройство реализуется в виде экрана дополненной реальности, выходной дифракционный элемент занимает максимальную площадь поверхности экрана.
12. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что входные дифракционные компоненты содержат одномерные дифракционные решетки на поверхности волновода или встроенные в волновод.
13. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что входные дифракционные компоненты содержат одномерные дифракционные решетки, которые совмещены и скрещены.
14. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что входные дифракционные компоненты работают в режиме отражения, когда лучи изображения сначала проходят через волновод под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения до взаимодействия с элементом, или в режиме пропускания, когда лучи изображения взаимодействуют с входными дифракционными компонентами в момент проникновением в волновод.
15. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что свет распространяется внутри волновода путем отражения под углом, большим угла полного внутреннего отражения материала, из которого сделан волновод.
16. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что поверхности волновода параллельны друг другу или изогнуты.
17. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что на поверхности волновода нанесено антиотражающее покрытие или покрытие, меняющее угол полного внутреннего отражения поверхности.
18. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что выходные дифракционные компоненты состоят из оптической решетки ромбического паркета или искусственного графена.
19. Устройство по п. 18, характеризующееся тем, что оптическая решетка сформирована сплошными линиями.
20. Устройство по п. 18, характеризующееся тем, что линии оптической решетки разбиваются на отдельные элементы определенной формы, становясь прерывными.
21.Устройство по п. 18, характеризующееся тем, что оптическая решетка деформирована.
PCT/RU2020/000377 2020-07-09 2020-07-23 Устройство дополненной и совмещенной реальности WO2022010375A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122777A RU2747680C1 (ru) 2020-07-09 2020-07-09 Устройство дополненной и совмещенной реальности
RU2020122777 2020-07-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022010375A1 true WO2022010375A1 (ru) 2022-01-13

Family

ID=75919874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/000377 WO2022010375A1 (ru) 2020-07-09 2020-07-23 Устройство дополненной и совмещенной реальности

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2747680C1 (ru)
WO (1) WO2022010375A1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100321781A1 (en) * 2006-12-28 2010-12-23 Nokia Corporation Device for expanding an exit pupil in two dimensions
US20140140653A1 (en) * 2012-11-16 2014-05-22 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display
US20170034435A1 (en) * 2015-07-30 2017-02-02 Tuomas Vallius Diffractive optical element using crossed grating for pupil expansion
CN106680910A (zh) * 2016-12-20 2017-05-17 哈尔滨工程大学 一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器
RU2719568C1 (ru) * 2019-07-12 2020-04-21 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Устройство дополненной реальности и способ его функционирования

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100321781A1 (en) * 2006-12-28 2010-12-23 Nokia Corporation Device for expanding an exit pupil in two dimensions
US20140140653A1 (en) * 2012-11-16 2014-05-22 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display
US20170034435A1 (en) * 2015-07-30 2017-02-02 Tuomas Vallius Diffractive optical element using crossed grating for pupil expansion
CN106680910A (zh) * 2016-12-20 2017-05-17 哈尔滨工程大学 一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器
RU2719568C1 (ru) * 2019-07-12 2020-04-21 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Устройство дополненной реальности и способ его функционирования

Also Published As

Publication number Publication date
RU2747680C1 (ru) 2021-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7092136B2 (ja) 拡張現実または仮想現実ディスプレイ用の導波路
US11460694B2 (en) Waveguide structure
CN112088141B (zh) 用于光束重定向的衍射光栅
KR102266550B1 (ko) 공기에서 이미징을 위한 시스템
US10386642B2 (en) Holographic see-through optical device, stereoscopic imaging system, and multimedia head mounted system
TWI737204B (zh) 用於擴增或虛擬實境之改良角均勻性波導
CN107430240B (zh) 采用角度选择性反射层的基于单向光栅的背光
CA3044192C (en) Multiview displays having a reflective support structure
JP2021507320A (ja) マルチビーム素子ベースのニアアイディスプレイ、システム、および方法
JP2019520594A (ja) シフトマルチビーム素子を使用した角度サブピクセルレンダリングマルチビューディスプレイ
US20230341597A1 (en) Eyepieces for augmented reality display system
CN109839738A (zh) 波导显示装置
WO2021169383A1 (zh) 用于呈现增强现实图像的装置和包含该装置的***
CN110764265A (zh) 一种近眼导光组件、显示装置
CA2910498C (en) Field inversion waveguide using micro-prism array
WO2022010375A1 (ru) Устройство дополненной и совмещенной реальности
JP2022540131A (ja) 導光体内にマルチビーム要素を有するマルチビューバックライト、ディスプレイ、及び方法
RU2763122C1 (ru) Экран дополненной и совмещённой реальности
TW202219571A (zh) 波導總成
CN116547575A (zh) 用于增强现实显示***的目镜
WO2018201301A1 (zh) 全息波导显示***

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20944489

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20944489

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20944489

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 23.06.2023)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20944489

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1