RU2848686C1 - Device (variations) for displaying augmented reality, method (variations) of operation of aforementioned device, augmented reality glasses (variations) based on aforementioned device - Google Patents
Device (variations) for displaying augmented reality, method (variations) of operation of aforementioned device, augmented reality glasses (variations) based on aforementioned deviceInfo
- Publication number
- RU2848686C1 RU2848686C1 RU2025109925A RU2025109925A RU2848686C1 RU 2848686 C1 RU2848686 C1 RU 2848686C1 RU 2025109925 A RU2025109925 A RU 2025109925A RU 2025109925 A RU2025109925 A RU 2025109925A RU 2848686 C1 RU2848686 C1 RU 2848686C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- doe
- output
- curved waveguide
- waveguide
- diffraction
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, в том числе к очкам дополненной реальности и шлемам дополненной реальности. The present invention relates to augmented reality devices, including augmented reality glasses and augmented reality helmets.
Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art
В настоящее время все больше возрастает интерес к устройствам дополненной реальности (AR, augmented reality) типа HMD (Head Mounted Display - головной дисплей) или HUD (head-up display - дисплей, предназначенный для просмотра без наклона головы) с конструкцией, соответствующей условиям применения и с высоким качеством изображения. В качестве комбайнера 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 светопропускаемость, то есть высокое пропускание реального изображения. Однако, такие комбайнеры формируют виртуальное изображение не только со стороны, где располагается глаз пользователя, но и с противоположной 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. Кроме того, не во всех случаях возможно использование плоского оптического комбайнера, поскольку, например, лобовое стекло автомобиля, стекло мотоциклетного шлема, линзы спортивных очков или очковых линз имеют цилиндрическую или сферическую форму.Interest is growing in augmented reality (AR) devices such as HMDs (head-mounted displays) or HUDs (head-up displays) designed for specific applications and offering high image quality. Planar (flat) waveguides, which have diffractive optical elements (DOEs) on their surface for input, conversion, and output of optical radiation, are the most widely used combiners. A planar waveguide is a transparent plate made of optical material with two plane-parallel surfaces. A beam of parallel rays within such a waveguide can propagate without distortion over any distance. Augmented reality devices with such combiners are lightweight, small in size, and inexpensive, can provide a wide field of view, and have high light transmittance (i.e., high transmission of the real image). However, such combiners generate a virtual image not only from the side where the user's eye is located but also from the side opposite the user. This may result in an external observer, from a certain position, being able to see partially or completely the virtual image being generated for the user, just like the user, which may be undesirable. Furthermore, the use of a flat optical combiner is not always feasible, as, for example, car windshields, motorcycle helmet lenses, sports glasses, or eyeglass lenses are cylindrical or spherical.
Для решения описанных проблем в качестве оптического комбайнера возможно использовать изогнутый волновод. Например, в мотоциклетном шлеме или в очках дополненной реальности такой комбайнер будет огибать овал головы пользователя, будет более компактными и удобными. Устройство с таким комбайнером будет более эргономичным и эстетичным, при этом виртуальное изображение будет четко и различимо видно только пользователю, для стороннего наблюдателя лучи будут расфокусированы и изображение будет искаженным и неразличимым. To solve these problems, a curved waveguide can be used as an optical combiner. For example, in a motorcycle helmet or augmented reality glasses, such a combiner would curve around the user's head, making it more compact and comfortable. A device with such a combiner would be more ergonomic and aesthetically pleasing, while the virtual image would be clearly and distinctly visible only to the user; for an outside observer, the beams would be out of focus, resulting in a distorted and indistinguishable image.
Важной характеристикой подобных устройств является поле зрения (FOV, field of view) - угловое пространство, в котором наблюдаются виртуальные изображения, дополняющие окружающую пользователя реальную обстановку. Поле зрения может отличаться в горизонтальном и вертикальном направлении. Двумерное расширение зрачка оптической системы (по горизонтали и вертикали) обеспечивает большое поле зрения (FOV) и большое поле движения глаз (EMB) в двух направлениях. Решения для двумерного расширения зрачка для планарных волноводов хорошо известны из уровня техники.An important characteristic of such devices is the field of view (FOV)—the angular space in which virtual images are observed, complementing the user's real environment. The field of view can vary horizontally and vertically. Two-dimensional pupil dilation of the optical system (horizontally and vertically) provides a large field of view (FOV) and a large eye movement field (EMB) in both directions. Solutions for two-dimensional pupil dilation for planar waveguides are well known in the art.
Использование изогнутого волновода в качестве комбайнера сопряжено со значительными сложностями при преобразовании и передаче оптического излучения через него.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, представляющий собой концентрический цилиндрический мениск. Пусть этот пучок вводится внутрь волновода с помощью вводного дифракционного элемента 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 при проектировании очков дополненной реальности с изогнутым комбайнером.For example, consider the case of a parallel beam of rays incident on a curved waveguide, which is a concentric cylindrical meniscus. Let's say this beam is introduced into the waveguide using an input diffractive element with a constant period. The beam of parallel rays incident on the waveguide will transform inside the waveguide into a non-parallel beam, whose rays will propagate within the waveguide at different angles. This effect must be taken into account when designing augmented reality glasses with a curved combiner.
При использовании как плоского, так и изогнутого волноводов с одним вводным и одним выводным ДОЭ пользователь имеет ограниченное поле зрения в направлении, перпендикулярном направлению передачи поля зрения. Увеличение поля зрения в двух направлениях в устройствах, известных из уровня техники, обеспечивается за счет использования дополнительных дифракционных оптических элементов, называемых размножающими, или за счет увеличения размера зрачка проектора или за счет использования нескольких проекторов. Использование дополнительных или увеличенных в размерах проекторов увеличивает габариты устройства.When using either flat or curved waveguides with one input and one output DOE, the user has a limited field of view in the direction perpendicular to the transmission direction. Increasing the field of view in two directions in prior art devices is achieved by using additional diffractive optical elements, called multipliers, or by increasing the projector pupil size, or by using multiple projectors. Using additional or larger projectors increases the device's dimensions.
Из уровня техники известен документ WO 2020/232170 A1 (дата публикации 19.11.2020). В этом документе раскрыт оптический формирователь изображения, который включает в себя изогнутый корпус волновода, дополненный голографическими слоями, расположенными на поверхности корпуса волновода для передачи света в тело волновода и его перенаправления при необходимости. По меньшей мере один из голографических слоев выполнен с возможностью работы в качестве линзового элемента с ненулевой оптической силой. Недостатком известного устройства является малое поле зрения оптической системы и низкое качество изображения.Document WO 2020/232170 A1 (published November 19, 2020) is known in the prior art. This document discloses an optical imager that includes a curved waveguide body supplemented with holographic layers positioned on the surface of the waveguide body to transmit light into the waveguide body and redirect it as needed. At least one of the holographic layers is configured to function as a lens element with a non-zero optical power. A disadvantage of this known device is the small field of view of the optical system and poor image quality.
Из уровня техники известен документ US 11385465 B2 (дата публикации 16.07.2020), в котором раскрыт изогнутый волновод, который может использоваться в качестве оптического блока формирования изображения или как часть оптического блока формирования изображения для HMD. Волновод располагается по меньшей мере перед одним глазом и имеет вогнутую форму, если смотреть со стороны глаза. Волновод содержит: заднюю поверхность, обращенную к глазу; переднюю поверхность, обращенную от глаза. Причем свет направляется через волновод с отражением на одной или обеих из передней поверхности и задней поверхности. При этом волновод включает в себя расходящуюся структуру, абсолютное значение фокусного расстояния которой меньше или равно радиусу кривизны волновода. Недостатком известного устройства является невозможность двумерного расширения зрачка оптической системы.Prior art includes document US 11385465 B2 (published July 16, 2020), which discloses a curved waveguide that can be used as an optical imaging unit or as part of an optical imaging unit for a HMD. The waveguide is positioned in front of at least one eye and has a concave shape when viewed from the eye. The waveguide comprises: a rear surface facing the eye; and a front surface facing away from the eye. Light is directed through the waveguide, reflecting on one or both of the front surface and the rear surface. The waveguide includes a diverging structure whose absolute focal length is less than or equal to the radius of curvature of the waveguide. A disadvantage of this prior art device is the inability to two-dimensionally dilate the pupil of the optical system.
Из уровня техники известен документ US 9733475 B1 (дата публикации 15.08.2017), в котором раскрыт HMD-дисплей, HUD-дисплей. Дисплей включает в себя цилиндрический, эллиптический или изогнутый оптический комбайнер, который может использоваться с проектором, обеспечивающим предварительно аберрированный свет. Недостатком известного устройства является невозможность двумерного расширения зрачка оптической системы. Document US 9733475 B1 (published August 15, 2017) discloses a head-up display (HUD) or head-up display (HMD). The display includes a cylindrical, elliptical, or curved optical combiner that can be used with a projector providing pre-aberrated light. A drawback of this known device is the inability to perform two-dimensional pupil dilation of the optical system.
Из уровня техники известен документ GB 2608908 A дата публикации 18.01.2023), в котором раскрыта оптическая система, которая включает в себя волновод, входную оптику и источник изображения. Волновод может быть цилиндрическим, а первая и вторая противолежащие поверхности волновода могут быть концентрическими противолежащими поверхностями, определяющими общую ось цилиндра. Недостатком известного устройства также является невозможность двумерного расширения зрачка оптической системы.Document GB 2608908 A (published January 18, 2023) is known in the prior art, and discloses an optical system that includes a waveguide, input optics, and an image source. The waveguide can be cylindrical, and the first and second opposing surfaces of the waveguide can be concentric opposing surfaces defining a common axis of the cylinder. Another drawback of this known device is the inability to two-dimensionally dilate the pupil of the optical system.
Из уровня техники также известно устройство очков дополненной реальности «Орион» («The evolution of display materials and processes for full augmented reality», Nihar Mohanty, Conference Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VI, опубликовано 27.01.2025 https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/PC13414/PC1341409/The-evolution-of-display-materials-and-processes-for-full-augmented/10.1117/12.3041338.short), в котором в качестве оптических комбайнеров для левого и правого глаза использованы плоские волноводы, которые формируют виртуальное изображение с диагональным размером поля зрения порядка 70°. Большое поле зрения достигается за счет высокого показателя преломления материала волновода, который представляет собой карбид кремния SiC, имеющий показатель преломления n=2,6 и является очень дорогим материалом, однако паразитное виртуальное изображение все же формируется на внешней стороне оптического комбайнера и может наблюдаться посторонним лицом. Кроме того, высокая цена изделия и сложность изготовления волноводов из такого материала задерживает его выход на рынок.The prior art also includes the Orion augmented reality glasses device (“The evolution of display materials and processes for full augmented reality”, Nihar Mohanty, Conference Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VI, published 01/27/2025 https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/PC13414/PC1341409/The-evolution-of-display-materials-and-processes-for-full-augmented/10.1117/12.3041338.short), in which flat waveguides are used as optical combiners for the left and right eyes, which form a virtual image with a diagonal field of view of about 70°. A large field of view is achieved thanks to the high refractive index of the waveguide material, which is silicon carbide (SiC), with a refractive index of n=2.6 and is very expensive. However, a parasitic virtual image still forms on the outside of the optical combiner and can be observed by an unauthorized person. Furthermore, the high cost of the product and the difficulty of manufacturing waveguides from this material have delayed its market entry.
Таким образом, существующие устройства и способы не могут одновременно предложить достижение требуемых характеристик устройства дополненной реальности: изогнутая конфигурация комбайнера и двумерное расширение зрачка оптической системы.Thus, existing devices and methods cannot simultaneously offer the achievement of the required characteristics of an augmented reality device: the curved configuration of the combiner and the two-dimensional pupil dilation of the optical system.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является необходимость преодоления недостатков, присущих вышеприведенным устройствам, за счет создания устройства дополненной реальности с изогнутым комбайнером, которое формирует качественное виртуальное изображение с зрачком оптической системы, расширенным в двух направлениях. The technical problem solved by the present invention is the need to overcome the disadvantages inherent in the above devices by creating an augmented reality device with a curved combiner that forms a high-quality virtual image with the pupil of the optical system dilated in two directions.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее:A device for displaying augmented reality is proposed, containing:
- проектор, формирующий исходное изображение;- a projector that forms the original image;
- оптический комбайнер, представляющий собой изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического или концентрического сферического мениска, содержащий скрещенный дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ;- an optical combiner, which is a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical or concentric spherical meniscus, containing a crossed diffractive optical element (DOE) and an output DOE;
причем скрещенный ДОЭ состоит из первой дифракционной подрешетки и второй дифракционной подрешетки, наложенных друг на друга так, что они представляют собой единую дифракционную структуру,wherein the crossed DOE consists of a first diffraction subgrating and a second diffraction subgrating superimposed on each other so that they represent a single diffraction structure,
причем период первой дифракционной подрешетки равен периоду второй дифракционной подрешетки, where the period of the first diffraction subgrating is equal to the period of the second diffraction subgrating,
причем проектор выполнен с возможностью проецировать на скрещенный ДОЭ лучи, формирующие исходное изображение, таким образом, что лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, падают под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точках падения,wherein the projector is designed with the ability to project rays forming the original image onto the crossed DOE in such a way that the rays emanating from one point of the original image fall at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the points of incidence,
причем вектор первой дифракционной подрешетки и вектор второй дифракционной подрешетки в системе координат, связанной с нормалью к поверхности изогнутого волновода в каждой точке ДОЭ, имеют равную длину и повернуты друг относительно друга на угол 120°, wherein the vector of the first diffraction subgrating and the vector of the second diffraction subgrating in the coordinate system associated with the normal to the surface of the curved waveguide at each point of the DOE have equal length and are rotated relative to each other by an angle of 120°,
причем скрещенный ДОЭ выполнен с возможностью:wherein the crossed DOE is designed with the possibility of:
- ввода излучения от проектора в изогнутый волновод,- input of radiation from the projector into a curved waveguide,
- размножения излучения внутри изогнутого волновода,- radiation propagation inside a curved waveguide,
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, wherein 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,
причем выводной ДОЭ имеет переменный период, за счет которого формируется виртуальное изображение со стороны вогнутой поверхности изогнутого волновода.Moreover, the output DOE has a variable period, due to which a virtual image is formed from the side of the concave surface of the curved waveguide.
Также предлагается способ работы устройства для отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:A method for operating a device for displaying augmented reality is also proposed, comprising the steps of:
формируют исходное изображение посредством проектора;form the original image using a projector;
вводят посредством одной из первой или второй дифракционной подрешетки скрещенного дифракционного оптического элемента (ДОЭ) лучи исходного изображения в изогнутый волновод;the rays of the original image are introduced into the curved waveguide by means of one of the first or second diffraction subgratings of the crossed diffractive optical element (DOE);
введенные лучи:injected rays:
распространяются внутри изогнутого волновода под углами полного внутреннего отражения,propagate inside a curved waveguide at angles of total internal reflection,
повторно падают на скрещенный ДОЭ,fall again onto the crossed DOE,
претерпевают дифракцию на одной из второй или первой дифракционной подрешетке,undergo diffraction on one of the second or first diffraction subgratings,
распространяются внутри изогнутого волновода под углами полного внутреннего отражения, не взаимодействуя со скрещенным ДОЭ, падают на выводной ДОЭ, и, претерпевая дифракцию, выводятся из волновода, формируя виртуальное изображение.propagate inside the curved waveguide at angles of total internal reflection, without interacting with the crossed DOE, fall on the output DOE, and, undergoing diffraction, are removed from the waveguide, forming a virtual image.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащееA device for displaying augmented reality is also proposed, containing
- проектор, формирующий исходное изображение; - a projector that forms the original image;
- оптический комбайнер, представляющий собой изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического или концентрического сферического мениска, содержащий вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ), скрещенный ДОЭ и выводной ДОЭ;- an optical combiner, which is a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical or concentric spherical meniscus, containing an input diffractive optical element (DOE), a crossed DOE and an output DOE;
причем вводной ДОЭ выполнен с возможностью ввода излучения от проектора в волновод и имеет постоянный период; wherein the input DOE is designed with the possibility of introducing radiation from the projector into the waveguide and has a constant period;
причем вектор вводного ДОЭ в системе координат, связанной с нормалью к поверхности изогнутого волновода, в каждой точке вводного ДОЭ одинаковый;where the vector of the input DOE in the coordinate system associated with the normal to the surface of the curved waveguide is the same at each point of the input DOE;
причем скрещенный ДОЭ состоит из первой дифракционной подрешетки и второй дифракционной подрешетки, наложенных друг на друга так, что они представляют собой единую дифракционную структуру,wherein the crossed DOE consists of a first diffraction subgrating and a second diffraction subgrating superimposed on each other so that they represent a single diffraction structure,
причем штрихи первой дифракционной подрешетки и второй дифракционной подрешетки располагаются симметрично относительно направления передачи поля зрения по изогнутому волноводу, wherein the strokes of the first diffraction subgrating and the second diffraction subgrating are located symmetrically relative to the direction of transmission of the field of view along the curved waveguide,
причем период первой дифракционной подрешетки равен периоду второй дифракционной подрешетки; where the period of the first diffraction subgrating is equal to the period of the second diffraction subgrating;
причем скрещенный ДОЭ выполнен с возможностью размножения излучения внутри изогнутого волновода;wherein the crossed DOE is designed with the possibility of multiplying radiation inside the curved waveguide;
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; wherein 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;
причем выводной ДОЭ имеет переменный период, за счет которого формируется виртуальное изображение со стороны вогнутой поверхности изогнутого волновода.Moreover, the output DOE has a variable period, due to which a virtual image is formed from the side of the concave surface of the curved waveguide.
Также предлагается способ работы устройства для отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:A method for operating a device for displaying augmented reality is also proposed, comprising the steps of:
формируют исходное изображение посредством проектора;form the original image using a projector;
вводят посредством вводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ) лучи исходного изображения в изогнутый волновод,the rays of the original image are introduced into a curved waveguide by means of an input diffractive optical element (DOE),
введенные лучи:injected rays:
попадают на скрещенный ДОЭ, претерпевают дифракцию на одной из первой или второй дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ, распространяются далее под углами полного внутреннего отражения внутри изогнутого волновода, повторно претерпевают дифракцию на одной из второй или первой дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ;hit the crossed DOE, undergo diffraction on one of the first or second diffraction subgratings of the crossed DOE, propagate further at angles of total internal reflection inside the curved waveguide, and undergo diffraction again on one of the second or first diffraction subgratings of the crossed DOE;
распространяются внутри изогнутого волновода под углами полного внутреннего отражения, не взаимодействуя со скрещенным ДОЭ, падают на выводной ДОЭ, и, претерпевая дифракцию, выводятся из волновода, формируя виртуальное изображение.propagate inside the curved waveguide at angles of total internal reflection, without interacting with the crossed DOE, fall on the output DOE, and, undergoing diffraction, are removed from the waveguide, forming a virtual image.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащееA device for displaying augmented reality is also proposed, containing
- проектор, формирующий исходное изображение;- a projector that forms the original image;
- оптический комбайнер, представляющий собой изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического или концентрического сферического мениска, содержащий скрещенный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), первый размножающий ДОЭ, второй размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ;- an optical combiner, which is a curved waveguide having the shape of a concentric cylindrical or concentric spherical meniscus, containing a crossed diffractive optical element (DOE), a first multiplying DOE, a second multiplying DOE and an output DOE;
причем скрещенный ДОЭ состоит из первой дифракционной подрешетки и второй дифракционной подрешетки, наложенных друг на друга так, что они представляют собой единую дифракционную структуру,wherein the crossed DOE consists of a first diffraction subgrating and a second diffraction subgrating superimposed on each other so that they represent a single diffraction structure,
причем период первой дифракционной подрешетки равен периоду второй дифракционной подрешетки, where the period of the first diffraction subgrating is equal to the period of the second diffraction subgrating,
причем проектор выполнен с возможностью проецировать на скрещенный ДОЭ лучи, формирующие исходное изображение, таким образом, что лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, падают под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точках падения,wherein the projector is designed with the ability to project rays forming the original image onto the crossed DOE in such a way that the rays emanating from one point of the original image fall at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the points of incidence,
причем вектор первой дифракционной подрешетки и вектор второй дифракционной подрешетки в системе координат, связанной с нормалью к поверхности изогнутого волновода в каждой точке ДОЭ, имеют равную длину и повернуты друг относительно друга на угол 120°,wherein the vector of the first diffraction subgrating and the vector of the second diffraction subgrating in the coordinate system associated with the normal to the surface of the curved waveguide at each point of the DOE have equal length and are rotated relative to each other by an angle of 120°,
причем скрещенный ДОЭ выполнен с возможностью ввода излучения от проектора в изогнутый волновод;wherein the crossed DOE is designed with the possibility of introducing radiation from the projector into the curved waveguide;
причем первый размножающий ДОЭ имеет такую же структуру, как первая дифракционная подрешетка;wherein the first multiplying DOE has the same structure as the first diffraction subgrating;
причем второй размножающий ДОЭ имеет такую же структуру, как вторая дифракционная подрешетка;wherein the second multiplying DOE has the same structure as the second diffraction subgrating;
причем первый и второй размножающие ДОЭ расположены друг над другом относительно направления передачи поля зрения вплотную друг к другу, причем штрихи первого размножающего ДОЭ и второго размножающего ДОЭ имеют одинаковый период, равный периоду дифракционных подрешеток скрещенного ДОЭ, симметричны относительно плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода, и имеют наклон к этой плоскости равный 30°;wherein the first and second multiplying DOEs are located one above the other relative to the direction of transmission of the field of view, close to each other, wherein the strokes of the first multiplying DOE and the second multiplying DOE have the same period, equal to the period of the diffraction subgratings of the crossed DOE, are symmetrical relative to the plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, and have an inclination to this plane equal to 30°;
причем скрещенный ДОЭ расположен в области выходного зрачка проектора на стыке первого размножающего ДОЭ и второго размножающего ДОЭ напротив проектора;wherein the crossed DOE is located in the area of the exit pupil of the projector at the junction of the first multiplying DOE and the second multiplying DOE opposite the projector;
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 выводной ДОЭ имеет переменный период, за счет которого формируется виртуальное изображение со стороны вогнутой поверхности изогнутого волновода.wherein the curved waveguide is designed with the possibility of propagating 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, wherein the output DOE has a variable period, due to which a virtual image is formed from the side of the concave surface of the curved waveguide.
Также предлагается способ работы устройства для отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых:A method for operating a device for displaying augmented reality is also proposed, comprising the steps of:
формируют исходное изображение посредством проектора;form the original image using a projector;
вводят посредством скрещенного дифракционного оптического элемента (ДОЭ) лучи исходного изображения в изогнутый волновод,the rays of the original image are introduced into a curved waveguide by means of a crossed diffractive optical element (DOE),
введенные на одной из первой или второй дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ лучи:beams introduced into one of the first or second diffraction subgratings of the crossed DOE:
распространяются внутри изогнутого волновода под углами полного внутреннего отражения;propagate inside a curved waveguide at angles of total internal reflection;
претерпевают дифракцию на каждом из первого размножающего ДОЭ и второго размножающего ДОЭ,undergo diffraction at each of the first multiplying DOE and the second multiplying DOE,
распространяются внутри изогнутого волновода под углами полного внутреннего отражения в сторону выводного ДОЭ;propagate inside the curved waveguide at angles of total internal reflection towards the output DOE;
падают на выводной ДОЭ и, претерпевая дифракцию, выводятся из волновода, формируя виртуальное изображение.fall on the output DOE and, undergoing diffraction, are removed from the waveguide, forming a virtual image.
Причем для каждого варианта исполнения устройства:Moreover, for each version of the device:
Переменный период выводного ДОЭ может быть выполнен таким, что лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в параллельные пучки лучей. ДОЭ могут быть расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска. ДОЭ могут быть расположены на изогнутом волноводе друг за другом вдоль оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска. Переменный период выводного ДОЭ может быть выполнен таким, что лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в расходящиеся пучки лучей. ДОЭ могут быть расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска. ДОЭ могут быть расположены на изогнутом волноводе друг за другом вдоль оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска. Причем период выводного ДОЭ в точке, соответствующей центру поля движения глаз может быть равен периоду подрешеток скрещенного ДОЭ. Все ДОЭ могут располагаться симметрично оси, в направлении которой происходит перенос поля зрения. Выводной ДОЭ может быть выполнен таким образом, что в области, расположенной ближе к скрещенному ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ ниже, чем в области, расположенной дальше от скрещенного ДОЭ. The variable period of the output DOE can be designed such that rays emanating from a single point of the original image, passing through a curved waveguide and incident on the output DOE are transformed into parallel beams of rays. The DOEs can be arranged on the curved waveguide one after another transversely to the axis of the concentric cylindrical meniscus surfaces. The DOEs can be arranged on the curved waveguide one after another along the axis of the concentric cylindrical meniscus surfaces. The variable period of the output DOE can be designed such that rays emanating from a single point of the original image, passing through a curved waveguide and incident on the output DOE are transformed into diverging beams of rays. The DOEs can be arranged on the curved waveguide one after another transversely to the axis of the concentric cylindrical meniscus surfaces. The DOEs can be arranged on the curved waveguide one after another along the axis of the concentric cylindrical meniscus surfaces. Moreover, the period of the output DOE at the point corresponding to the center of the eye movement field can be equal to the period of the subgratings of the crossed DOE. All DOEs can be positioned symmetrically to the axis in the direction of the visual field translation. The output DOE can be designed such that the diffraction efficiency of the output DOE in the region located closer to the crossed DOE is lower than in the region located further from the crossed DOE.
Если изогнутый волновод имеет форму концентрического цилиндрического мениска, ДОЭ расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска, лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в параллельные пучки лучей, период выводного ДОЭ в каждой точке с координатами равен:If the curved waveguide has the shape of a concentric cylindrical meniscus, the DOEs are located on the curved waveguide one after the other across the axis of the surfaces of the concentric cylindrical meniscus, the rays emerging from one point of the original image, passing through the curved waveguide and falling on the output DOE, are transformed into parallel beams of rays, the period output DOE at each point with coordinates equals:
гдеWhere
- смещение и угол поворота для перехода в повернутую систему координат, - offset and rotation angle to transition to a rotated coordinate system,
- составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system,
- составляющая вектора решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - the component of the grid vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system,
- длина волны луча исходного изображения, - wavelength of the original image beam,
- угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - the angle between the center of the input and output DOEs,
- период вводного ДОЭ. - period of introductory DOE.
Если изогнутый волновод имеет форму концентрического сферического мениска, ДОЭ расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска, лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в параллельные пучки лучей, период выводного ДОЭ в каждой точке с координатами равен:If the curved waveguide has the shape of a concentric spherical meniscus, the DOEs are located on the curved waveguide one after the other across the axis of the surfaces of the concentric cylindrical meniscus, the rays emerging from one point of the original image, passing through the curved waveguide and falling on the output DOE, are transformed into parallel beams of rays, the period output DOE at each point with coordinates equals:
где Where
где Where
углы поворота для перехода в повернутую систему координат, rotation angles for transition to a rotated coordinate system,
- составляющая вектора решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - the component of the grid vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system,
- составляющая вектора решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - the component of the grid vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system,
- длина волны исходного изображения, - wavelength of the original image,
- угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - the angle between the center of the input and output DOEs,
- период подрешеток скрещенного ДОЭ. - the period of the sublattices of the crossed DOE.
Если изогнутый волновод имеет форму концентрического цилиндрического мениска, ДОЭ расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска, лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в расходящиеся пучки лучей, период выводного ДОЭ в каждой точке с координатами равен:If the curved waveguide has the shape of a concentric cylindrical meniscus, the DOEs are located on the curved waveguide one after the other across the axis of the surfaces of the concentric cylindrical meniscus, the rays emerging from one point of the original image, passing through the curved waveguide and falling on the output DOE, are transformed into diverging beams of rays, the period output DOE at each point with coordinates equals:
гдеWhere
где Where
- смещение и угол поворота для перехода в повернутую систему координат, - offset and rotation angle to transition to a rotated coordinate system,
- составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - составляющая вектора решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system, - the component of the grid vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system,
- это расстояние от центра кривизны поверхностей волновода до плоскости виртуального изображения, - is the distance from the center of curvature of the waveguide surfaces to the plane of the virtual image,
- нормирующий коэффициент вектора луча на выходе из выводного ДОЭ, - длина волны излучения, - normalizing coefficient of the beam vector at the output of the output DOE, - wavelength of radiation,
- угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - the angle between the center of the input and output DOEs,
- радиус кривизны вогнутой поверхности волновода, - radius of curvature of the concave surface of the waveguide,
- период вводного ДОЭ. - period of introductory DOE.
Если изогнутый волновод имеет форму концентрического сферического мениска, ДОЭ расположены на изогнутом волноводе друг за другом поперек оси поверхностей концентрического цилиндрического мениска, лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, прошедшие через изогнутый волновод и попадающие на выводной ДОЭ, преобразуются в расходящиеся пучки лучей, период выводного ДОЭ в каждой точке с координатами равен:If the curved waveguide has the shape of a concentric spherical meniscus, the DOEs are located on the curved waveguide one after the other across the axis of the surfaces of the concentric cylindrical meniscus, the rays emerging from one point of the original image, passing through the curved waveguide and falling on the output DOE, are transformed into diverging beams of rays, the period output DOE at each point with coordinates equals:
где Where
где - углы поворота для перехода в повернутую систему координат,Where - rotation angles for transition to a rotated coordinate system,
- составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - это расстояние от центра кривизны поверхностей волновода до плоскости виртуального изображения, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system, - is the distance from the center of curvature of the waveguide surfaces to the plane of the virtual image,
- нормирующий коэффициент вектора луча на выходе из выводного ДОЭ, - normalizing coefficient of the beam vector at the output of the output DOE,
- длина волны излучения, - wavelength of radiation,
- угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - the angle between the center of the input and output DOEs,
- радиус кривизны вогнутой поверхности волновода, - radius of curvature of the concave surface of the waveguide,
- период вводного ДОЭ. - period of introductory DOE.
Если изогнутый волновод имеет форму концентрического сферического мениска, может дополнительно использоваться вводный оптический компенсатор, расположенный между проектором и изогнутым волноводом, для коррекции излучения от проектора, имеющего оптическую систему, формирующую изображение на бесконечности, причем компенсатор представляет собой сферическую отрицательную линзу с фокусным расстоянием, равным радиусу кривизны внутренней поверхности изогнутого волновода. Если изогнутый волновод имеет форму концентрического цилиндрического мениска, может дополнительно использоваться вводный оптический компенсатор, расположенный между проектором и изогнутым волноводом, для коррекции излучения от проектора, имеющего оптическую систему, формирующую изображение на бесконечности, причем компенсатор представляет собой цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием, равным радиусу кривизны внутренней поверхности изогнутого волновода. Причем изогнутый волновод может иметь одинаковую толщину и одинаковую кривизну по меньшей мере в рабочей области.If the curved waveguide has the shape of a concentric spherical meniscus, an additional optical compensator may be used, located between the projector and the curved waveguide, to correct the radiation from the projector having an optical system that forms an image at infinity, wherein the compensator is a spherical negative lens with a focal length equal to the radius of curvature of the inner surface of the curved waveguide. If the curved waveguide has the shape of a concentric cylindrical meniscus, an additional optical compensator may be used, located between the projector and the curved waveguide, to correct the radiation from the projector having an optical system that forms an image at infinity, wherein the compensator is a cylindrical lens with a focal length equal to the radius of curvature of the inner surface of the curved waveguide. Moreover, the curved waveguide may have the same thickness and the same curvature, at least in the working region.
Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности по любому из вариантов воплощения. Причем изогнутый волновод, содержащийся в элементе для левого глаза и изогнутый волновод, содержащийся в элементе для правого глаза, имеют одинаковый радиус кривизны. Причем в случае, когда изогнутый волновод каждого элемента имеет форму концентрического цилиндрического мениска, оба изогнутых волновода имеют одну общую ось. Причем в случае, когда изогнутый волновод каждого элемента имеет форму концентрического сферического мениска, оба изогнутых волновода имеют один общий центр кривизны. Augmented reality glasses are provided, comprising a left-eye element and a right-eye element, wherein each left-eye and right-eye element comprises an augmented reality display device according to any embodiment. Moreover, the curved waveguide contained in the left-eye element and the curved waveguide contained in the right-eye element have the same radius of curvature. Moreover, when the curved waveguide of each element is shaped like a concentric cylindrical meniscus, both curved waveguides share a common axis. Moreover, when the curved waveguide of each element is shaped like a concentric spherical meniscus, both curved waveguides share a common center of curvature.
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 will become clearer in the following description taken in conjunction with the drawings, which show the following:
Фиг. 1A иллюстрирует распространение луча внутри планарного волновода в плоскости распространения луча, фиг. 1B иллюстрирует распространение луча внутри концентрического сферического мениска в плоскости распространения луча, фиг. 1C иллюстрирует изометрический вид траектории луча внутри концентрического сферического мениска.Fig. 1A illustrates the propagation of a beam inside a planar waveguide in the plane of beam propagation, Fig. 1B illustrates the propagation of a beam inside a concentric spherical meniscus in the plane of beam propagation, Fig. 1C illustrates an isometric view of the ray path inside a concentric spherical meniscus.
Фиг. 2 иллюстрирует систему задания координат точек на поверхности волновода в форме концентрического сферического мениска.Fig. 2 illustrates a system for specifying coordinates of points on the surface of a waveguide in the form of a concentric spherical meniscus.
Фиг. 3 иллюстрирует траекторию произвольного луча внутри концентрического цилиндрического мениска и его проекции на плоскости в цилиндрической системе координат.Fig. 3 illustrates the trajectory of an arbitrary ray inside a concentric cylindrical meniscus and its projections onto planes in a cylindrical coordinate system.
Фиг. 4 иллюстрирует систему задания координат точек на поверхности волновода в форме концентрического цилиндрического мениска.Fig. 4 illustrates a system for specifying coordinates of points on the surface of a waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus.
Фиг. 5 иллюстрирует симметричное расположение поля движения глаза относительно выводного ДОЭ.Fig. 5 illustrates the symmetrical arrangement of the eye movement field relative to the output DOE.
Фиг. 6 иллюстрирует ход лучей внутри оптического комбайнера в виде изогнутого волновода, представляющего собой концентрический сферический мениск, в котором скрещенный ДОЭ выполняет функцию вводного и размножающего ДОЭ.Fig. 6 illustrates the path of rays inside an optical combiner in the form of a curved waveguide, which is a concentric spherical meniscus, in which a crossed DOE performs the function of an input and multiplying DOE.
Фиг. 7 иллюстрирует ход лучей внутри оптического комбайнера в виде изогнутого волновода, представляющего собой концентрический цилиндрический мениск, в котором скрещенный ДОЭ выполняет функцию вводного и размножающего ДОЭ.Fig. 7 illustrates the path of rays inside an optical combiner in the form of a curved waveguide, which is a concentric cylindrical meniscus, in which a crossed DOE performs the function of an input and multiplying DOE.
Фиг. 8 иллюстрирует ход лучей внутри оптического комбайнера в виде изогнутого волновода, представляющего собой концентрический цилиндрический мениск, в котором скрещенный ДОЭ выполняет функцию только размножающего ДОЭ.Fig. 8 illustrates the path of rays inside an optical combiner in the form of a curved waveguide, which is a concentric cylindrical meniscus, in which the crossed DOE performs the function of only a multiplying DOE.
Фиг. 9 иллюстрирует конструкцию оптического комбайнера в виде изогнутого волновода для варианта воплощения, в котором скрещенный ДОЭ выполняет функцию вводного ДОЭ, в качестве размножающего ДОЭ выступают первый размножающий ДОЭ и второй размножающий ДОЭ, при этом поверхность изогнутого волновода развернута в плоскость рисунка.Fig. 9 illustrates the design of an optical combiner in the form of a curved waveguide for an embodiment in which the crossed DOE performs the function of an input DOE, the first multiplying DOE and the second multiplying DOE act as the multiplying DOE, and the surface of the curved waveguide is turned into the plane of the drawing.
Фиг. 10A иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ и выводной ДОЭ; 10B иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска для варианта воплощения, содержащего вводной ДОЭ, скрещенный ДОЭ, выводной ДОЭ; 10C иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ, первый размножающий ДОЭ, второй размножающий ДОЭ, выводной ДОЭ.Fig. 10A illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE and a lead-out DOE; 10B illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus for an embodiment comprising an input DOE, a crossed DOE, and a lead-out DOE; 10C illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE, a first multiplying DOE, a second multiplying DOE, and a lead-out DOE.
Фиг. 11A иллюстрирует расположение ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ, выводной ДОЭ; 11B иллюстрирует расположение ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего вводной ДОЭ, скрещенный ДОЭ, выводной ДОЭ; 11C иллюстрирует расположение ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ, первый размножающий ДОЭ, второй размножающий ДОЭ, выводной ДОЭ; 11D иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ, выводной ДОЭ; 11E иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего вводной ДОЭ, скрещенный ДОЭ, выводной ДОЭ; 11F иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ, первый размножающий ДОЭ, второй размножающий ДОЭ, выводной ДОЭ. Fig. 11A illustrates the arrangement of the DOE across the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE, a lead-out DOE; 11B illustrates the arrangement of the DOE across the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising an inlet DOE, a crossed DOE, a lead-out DOE; 11C illustrates the arrangement of the DOE across the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE, a first multiplying DOE, a second multiplying DOE, a lead-out DOE; 11D illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE, a lead-out DOE; 11E illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising an inlet DOE, a crossed DOE, a lead-out DOE; 11F illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE, a first multiplying DOE, a second multiplying DOE, and a lead DOE.
Фиг. 12 иллюстрирует конструкцию очков дополненной реальности.Fig. 12 illustrates the design of augmented reality glasses.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Предлагается оптический комбайнер на основе изогнутого волновода для отображения дополненной реальности, а также очки дополненной реальности на основе упомянутого оптического комбайнера. Предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения для пользователя, причем обеспечивается увеличенное поле зрения как по горизонтали, так и по вертикали. При применении предлагаемого изобретения обеспечивается улучшенное качество виртуального изображения, которое сохраняется в широком диапазоне расположения глаза пользователя относительно оптического комбайнера, а также обеспечивается высокая яркость виртуального изображения и равномерное распределение яркости по всему виртуальному изображению.A curved waveguide-based optical combiner for displaying augmented reality, as well as augmented reality glasses based on said optical combiner, are proposed. The proposed invention provides a wide field of view for the user, with an increased field of view both horizontally and vertically. The proposed invention provides improved virtual image quality, which is maintained over a wide range of the user's eye position relative to the optical combiner, as well as high virtual image brightness and uniform brightness distribution throughout the virtual image.
Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:The following terms are used in describing the proposed invention:
Виртуальное изображение - это мнимое изображение, полученное продолжением лучей, которые не сходятся в пространстве изображений (со стороны глаза пользователя). Суть виртуального изображения для использования в устройствах дополненной реальности состоит в том, что такое изображение должно быть мнимым, иначе пользователь его не увидит. A virtual image is a virtual image obtained by extending rays that do not converge in image space (from the user's perspective). The key to using a virtual image in augmented reality devices is that it must be virtual, otherwise the user will not see it.
Оптический комбайнер (optical combiner) - это оптическое устройство, обеспечивающее формирование перед пользователем виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку, при этом не препятствуя наблюдению пользователем окружающей реальной обстановки. An optical combiner is an optical device that creates a virtual image in front of the user that complements the user's real environment without interfering with the user's ability to observe the surrounding real environment.
Поле зрения (FOV) оптической системы (угловое поле) - это угловой диапазон, в пределах которого пользователь может наблюдать виртуальное изображение, формируемое оптическим комбайнером. Центр поля зрения соответствует центру виртуального изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера виртуального изображения. The field of view (FOV) of an optical system (angular field) is the angular range within which the user can observe the virtual image formed by the optical combiner. The center of the FOV corresponds to the center of the virtual image, and the edge of the FOV corresponds to the edge of the maximum possible size of the virtual image.
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 глазом наблюдается все поле зрения, т.е. лучи из любой точки виртуального изображения попадают в зрачок глаза. За пределами этой области часть поле 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 пользователя постоянно движется, вращается, устройство дополненной реальности на голове пользователя может так же незначительно смещаться, и при этом постоянно зрачок глаза будет менять свое положение относительно устройства дополненной реальности. Поле движения глаз оптического комбайнера устройства дополненной реальности должно соответствовать диапазону возможного движения глаза пользователя. The eye motion box (EMB) is the area within which the eye, while moving, can view the entire field of view generated by an augmented reality device without loss and with a given quality. The eye motion box is a linear region in space within which the eye observes the entire field of view, meaning rays from any point in the virtual image enter the pupil of the eye. Outside this region, part of the field of view is partially or completely lost; i.e., outside this region, rays from all or some part of the virtual image do not enter the entrance pupil of the eye. The user's eye constantly moves and rotates, and the augmented reality device on the user's head may also shift slightly, and the pupil of the eye will constantly change its position relative to the augmented reality device. The eye motion box of the augmented reality device's optical combiner 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. 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 pupil of an optical system) is the paraxial image of the aperture diaphragm in image space, formed by the subsequent part of the optical system along the forward ray path. The fundamental property of the exit pupil is that at any point within it, rays exist that form the entire field of view. Waveguide optics offers technical solutions for multiplying the exit pupil, that is, increasing its size without increasing the optical system's dimensions in the direction of the optical axis. Classic optics allow for increasing the exit pupil size, but this significantly increases the optical system's dimensions. Waveguide optics, through multiple reflections of ray beams within the waveguide, allows this to be achieved without increasing the optical system's dimensions in the direction of the optical axis.
Коллимированный свет (или коллимированный пучок) определяется как свет, лучи которого параллельны или имеют незначительную расходимость. Collimated light (or collimated beam) is defined as light whose rays are parallel or have a slight divergence.
Концентрический сферический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя сферическими поверхностями, центры кривизны которых находятся в одной точке. A concentric spherical meniscus is an optical component formed by two spherical surfaces whose centers of curvature are located at the same point.
Концентрический цилиндрический мениск - это оптическая деталь, образованная двумя цилиндрическими поверхностями, оси которых совпадают. То есть изогнутый волновод имеет внутреннюю (вогнутую) поверхность, которая обращена к глазу пользователя и внешнюю (выпуклую) поверхность, которая противоположна глазу пользователя и обращена к внешнему реальному миру. A concentric cylindrical meniscus is an optical component formed by two cylindrical surfaces whose axes coincide. This curved waveguide has an inner (concave) surface facing the user's eye and an outer (convex) surface facing away from the user's eye and toward the external world.
Оптическая ось - ось (линия) на которой лежат центры кривизны оптических компонентов оптической системы. Optical axis is the axis (line) on which the centers of curvature of the optical components of an optical system lie.
Вектор дифракционной решетки - это вектор в выбранной точке поверхности дифракционной решетки, по модулю равный , где - это период дифракционной решетки, и лежащий в плоскости, перпендикулярной к нормали поверхности в выбранной точке, и перпендикулярный направлению штрихов дифракционной решетки в выбранной точке. Diffraction grating vector - is a vector at a selected point on the surface of the diffraction grating, equal in magnitude to , Where - is the period of the diffraction grating, and lies in the plane perpendicular to the surface normal at the selected point, and perpendicular to the direction of the diffraction grating lines at the selected point.
Рассмотрим распространение луча внутри планарного волновода 1, поверхности которого параллельны (фиг. 1A). Траектория любого луча, распространяющегося под углами полного внутреннего отражения, внутри планарного волновода 1 будет лежать в одной плоскости. Это следует из того, что нормали в любой точке поверхностей планарного волновода 1 для обеих сторон будут параллельны друг другу и из закона отражения (равенство углов падения и отражения, и луч падающий, луч отраженный, и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости). Углы падения любого луча, распространяющегося внутри планарного волновода под углами полного внутреннего отражения, относительно нормали в точке падения на обе поверхности волновода будут равны, т.е. β1=β2=β3=β4=β5=β6= β7=β8 Let us consider the propagation of a ray inside a planar waveguide 1, the surfaces of which are parallel (Fig. 1A). The trajectory of any ray propagating at angles of total internal reflection inside the planar waveguide 1 will lie in the same plane. This follows from the fact that the normals at any point on the surfaces of the planar waveguide 1 for both sides will be parallel to each other and from the law of reflection (the equality of the angles of incidence and reflection, and the incident ray, the reflected ray, and the normal at the point of incidence lie in the same plane). The angles of incidence of any ray propagating inside the planar waveguide at angles of total internal reflection relative to the normal at the point of incidence on both surfaces of the waveguide will be equal, i.e. β1=β2=β3=β4=β5=β6=β7=β8
Рассмотрим распространение луча внутри волновода в форме концентрического сферического мениска 2 с внутренним радиусом кривизны R1 и внешним радиусом кривизны R2. Фиг. 1B иллюстрирует траекторию луча внутри концентрического сферического мениска 2 (изогнутого волновода) в плоскости его распространения, для наглядности на фиг. 1C изображен изометрический вид траектории луча внутри изогнутого волновода в форме концентрического сферического мениска 2. Траектория любого луча, распространяющегося под углами ПВО внутри такого волновода, будет так же, как и в случае, изображенном на фиг. 1A, лежать в одной плоскости. Это следует из того, что нормали в любой точке поверхности волновода в форме концентрического сферического мениска 2 для обеих его поверхностей пересекаются в одной точке (в центре кривизны поверхностей изогнутого волновода) и из закона отражения. Углы падения любого луча относительно нормали в точке падения на выпуклую (внешнюю) поверхности изогнутого волновода 2 будут равны и будут повторяться при каждом переотражении, и на вогнутой (внутренней) поверхности изогнутого волновода так же будут равны и повторяться при каждом переотражении, т.е. β1=β2=β5=β6 … и β3=β4=β7=β8 ….Let us consider the propagation of a ray inside a waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2 with an inner radius of curvature R1 and an outer radius of curvature R2. Fig. 1B illustrates the ray trajectory inside the concentric spherical meniscus 2 (a curved waveguide) in the plane of its propagation; for clarity, Fig. 1C shows an isometric view of the ray trajectory inside a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2. The trajectory of any ray propagating at TIR angles inside such a waveguide will, as in the case shown in Fig. 1A, lie in the same plane. This follows from the fact that the normals at any point on the surface of the waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2 for both of its surfaces intersect at one point (at the center of curvature of the surfaces of the curved waveguide) and from the law of reflection. The angles of incidence of any ray relative to the normal at the point of incidence on the convex (external) surface of the curved waveguide 2 will be equal and will be repeated with each reflection, and on the concave (internal) surface of the curved waveguide they will also be equal and will be repeated with each reflection, i.e. β1=β2=β5=β6 … and β3=β4=β7=β8 ….
Примем следующую систему задания координат точек на поверхности изогнутого волновода в форме концентрического сферического мениска 2, показанную для наглядности на фиг. 2. Выберем в качестве начальной точки точку С на внутренней поверхности концентрического сферического мениска 2, как это показано на фигуре 2. Примем исходную прямоугольную систему координат XcYcZcO1, такую что начало координат О1 лежит в центре сферических поверхностей концентрического сферического мениска 2, ось Zc проходит через точку С, ось Yc отложена в вертикальной плоскости, а ось Xc дополняет систему координат XcYcZcO1 до правой.Let us adopt the following system of specifying coordinates of points on the surface of a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2, shown for clarity in Fig. 2. Let us select as the starting point a point C on the inner surface of the concentric spherical meniscus 2, as shown in Fig. 2. Let us adopt the initial rectangular coordinate system XcYcZcO1, such that the origin of coordinates O1 lies in the center of the spherical surfaces of the concentric spherical meniscus 2, the Zc axis passes through point C, the Yc axis is plotted in the vertical plane, and the Xc axis complements the XcYcZcO1 coordinate system to the right.
Зададим координаты произвольной точки D через два поворота, первый поворот вокруг оси Xc, второй поворот вокруг оси Yс. Полученная из системы координат XcYcZcO1 через повороты система координат XDYDZDO1 будет такой, что начало отсчета точка О1 совпадает с центром кривизны сферических поверхностей концентрического сферического мениска 2, а ось ZD проходит через точку D.Let us define the coordinates of an arbitrary point D through two rotations, the first rotation around the Xc axis, the second rotation around the Yc axis. Obtained from the XcYcZcO1 coordinate system through rotations the coordinate system XDYDZDO1 will be such that the origin point O1 coincides with the center of curvature of the spherical surfaces of the concentric spherical meniscus 2, and the ZD axis passes through point D.
Для того, чтобы передать через волновод в форме концентрического сферического мениска пучки лучей, формирующих виртуальное изображение без искажений, необходимо чтобы лучи, падающие в точке C и в точке D, и формирующие один и тот же элемент виртуального изображения, имели координаты волнового вектора луча, падающего в точке C в системе координат XcYcZcО1, равные координатам волнового вектора луча, падающего в точке D в системе координат XDYDZDO1.In order to transmit beams of rays that form a virtual image without distortion through a waveguide in the form of a concentric spherical meniscus, it is necessary that the rays incident at point C and at point D, and forming the same element of the virtual image, have coordinates of the wave vector of the ray incident at point C in the XcYcZcО1 coordinate system equal to the coordinates of the wave vector of the ray incident at point D in the XDYDZDO1 coordinate system.
Рассмотрим распространение произвольного луча внутри концентрического цилиндрического мениска 3 (изогнутого волновода) с внутренним радиусом кривизны R1 и внешним радиусом кривизны R2, изогнутый волновод показан в изометрии на фиг. 3, также показан ход произвольного луча в цилиндрическом концентрическом мениске 3, и его проекции на плоскости в цилиндрической системе координат.Let us consider the propagation of an arbitrary ray inside a concentric cylindrical meniscus 3 (a curved waveguide) with an internal radius of curvature R1 and an external radius of curvature R2. The curved waveguide is shown in isometry in Fig. 3. The path of an arbitrary ray in the cylindrical concentric meniscus 3 and its projections onto planes in a cylindrical coordinate system are also shown.
В общем случае, как показано на фиг. 3, траектория луча, распространяющегося под углами полного внутреннего отражения, внутри цилиндрического концентрического мениска 3 будет лежать во множестве непараллельных плоскостей О2A1А3, О3A2A4, О4A3A5, О5A4A6 и т.д., в которых лежат падающий и отраженный лучи и нормаль в соответствующей точке падения (например, падающий луч А1А2, отраженный луч А2А3 и нормаль А2О2 для точки падения А2 лежат в плоскости О2А1А3 и т.д.) как это показано на фиг. 3, кроме двух исключений. In the general case, as shown in Fig. 3, the trajectory of a ray propagating at angles of total internal reflection inside the cylindrical concentric meniscus 3 will lie in a set of non-parallel planes O2A1A3, O3A2A4, O4A3A5, O5A4A6, etc., in which the incident and reflected rays and the normal at the corresponding point of incidence lie (for example, the incident ray A1A2, the reflected ray A2A3 and the normal A2O2 for the point of incidence A2 lie in the plane O2A1A3, etc.), as shown in Fig. 3, except for two exceptions.
Первое исключение, когда в плоскости, образованной падающим лучом и нормалью в точке падения луча, лежит ось цилиндрических поверхностей волновода. В этом случае траектория луча, как в случае с планарным волноводом (фиг. 1A), будет лежать в одной плоскости и углы падения луча при каждом переотражении для выпуклой и вогнутой поверхностей изогнутого волновода будут одинаковыми. The first exception is when the plane formed by the incident ray and the normal at the point of incidence lies along the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide. In this case, the ray path, as in the case of a planar waveguide (Fig. 1A), will lie in the same plane, and the angles of incidence for each re-reflection will be the same for the convex and concave surfaces of the curved waveguide.
Второе исключение, когда плоскость, образованная падающим лучом и нормалью в точке падения луча, перпендикулярна оси цилиндрических поверхностей волновода. В этом случае траектория луча, как и в случае с волноводом в форме сферического концентрического мениска (фиг. 1B), будет лежать в одной плоскости и углы падения луча при переотражении от внешней (выпуклой) поверхности волновода будут равны друг другу и при переотражении от внутренней (вогнутой) поверхностей волновода будут равны друг другу. The second exception is when the plane formed by the incident ray and the normal at the point of incidence is perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide. In this case, the ray path, as in the case of a waveguide in the form of a spherical concentric meniscus (Fig. 1B), will lie in the same plane, and the angles of incidence of the ray upon re-reflection from the outer (convex) surface of the waveguide will be equal to each other, and upon re-reflection from the inner (concave) surface of the waveguide, they will be equal to each other.
Как показано на фиг. 3 в проекции вдоль оси цилиндрических поверхностей концентрического цилиндрического мениска, то есть при проекции траектории луча на плоскость, перпендикулярную оси цилиндрических поверхностей волновода - А1’’А2’’, А2’’А3’’, А3’’А4’’, А4’’А5’’, А5’’А6’’, траектория луча аналогична траектории луча для концентрического сферического мениска (фиг. 1B, 1C). Можно показать, что для концентрического цилиндрического мениска 3, как и в случае концентрического сферического мениска 2, углы падения любого луча относительно нормали в точке падения на выпуклой поверхности волновода будут равны и при каждом переотражении будут повторяться, и на вогнутой поверхности волновода так же будут равны и при каждом переотражении повторяться, т.е. (см. фиг. 3) β1=β2=β5=β6 … и β3=β4=β7=β8 ….As shown in Fig. 3 in projection along the axis of the cylindrical surfaces of the concentric cylindrical meniscus, that is, when projecting the ray trajectory onto a plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide - A1''A2'', A2''A3'', A3''A4'', A4''A5'', A5''A6'', the ray trajectory is similar to the ray trajectory for a concentric spherical meniscus (Fig. 1B, 1C). It can be shown that for the concentric cylindrical meniscus 3, as in the case of the concentric spherical meniscus 2, the angles of incidence of any ray relative to the normal at the point of incidence on the convex surface of the waveguide will be equal and will be repeated with each re-reflection, and on the concave surface of the waveguide they will also be equal and will be repeated with each re-reflection, i.e. (see Fig. 3) β1=β2=β5=β6 … and β3=β4=β7=β8….
Примем следующую систему задания координат точек на поверхности волновода в форме цилиндрического концентрического мениска 3, показанную для наглядности на фиг. 4. Выберем в качестве начальной точки точку С на внутренней поверхности цилиндрического концентрического мениска 3, как это показано на фигуре 4. Примем исходную прямоугольную систему координат XcYcZсО1, такую что начало координат О1 лежит на оси цилиндрических поверхностей цилиндрического концентрического мениска 3, ось Zc проходит через точку С и совпадает с нормалью к поверхности волновода в точке C, ось Yc отложена по оси цилиндрических поверхностей волновода, а ось Xc дополняет систему координат XcYcZcО1 до правой.Let us adopt the following system of specifying coordinates of points on the surface of a waveguide in the form of a cylindrical concentric meniscus 3, shown for clarity in Fig. 4. Let us select as the starting point a point C on the inner surface of the cylindrical concentric meniscus 3, as shown in Fig. 4. Let us adopt the initial rectangular coordinate system XcYcZсО1, such that the origin of coordinates О1 lies on the axis of the cylindrical surfaces of the cylindrical concentric meniscus 3, the Zc axis passes through point C and coincides with the normal to the surface of the waveguide at point C, the Yc axis is plotted along the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, and the Xc axis complements the coordinate system XcYcZcО1 to the right.
Зададим координаты произвольной точки D через поворот вокруг оси Yc и смещение y вдоль оси Yc. Полученная из системы координат XcYcZcO1 через смещение и поворот система координат XDYDZDO2 будет такой, что начало отсчета точка О2 лежит на оси цилиндрических поверхностей цилиндрического концентрического мениска 3, а ось ZD проходит через точку D и совпадает с нормалью к поверхности цилиндрического концентрического мениска 3 в точке D.Let us define the coordinates of an arbitrary point D through rotation around the Yc-axis and the y-shift along the Yc-axis. Obtained from the XcYcZcO1 coordinate system through the shift and rotation the coordinate system XDYDZDO2 will be such that the origin point O2 lies on the axis of the cylindrical surfaces of the cylindrical concentric meniscus 3, and the axis ZD passes through point D and coincides with the normal to the surface of the cylindrical concentric meniscus 3 at point D.
Для того чтобы передать через волновод в форме концентрического цилиндрического мениска 3 (концентрического сферического мениска 2), пучки лучей, формирующих виртуальное изображение без искажений, необходимо, чтобы лучи, формирующие один и тот же элемент виртуального изображения, распространяясь внутри волновода и, падая в точке C и в точке D, имели координаты волнового вектора луча, падающего в точке C в системе координат XcYcZcО1, равные координатам волнового вектора луча, падающего в точке D в системе координат XDYDZDО2 (XDYDZDО1).In order to transmit through a waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus 3 (concentric spherical meniscus 2), beams of rays that form a virtual image without distortion, it is necessary that the rays that form the same element of the virtual image, propagating inside the waveguide and falling at point C and at point D, have coordinates of the wave vector of the ray falling at point C in the coordinate system XcYcZcО1, equal to the coordinates of the wave vector of the ray falling at point D in the coordinate system XDYDZDО2 (XDYDZDО1).
Оптические комбайнеры цилиндрической или сферической формы, согласно предлагаемому изобретению, создаются с учетом описанных выше свойств лучей, распространяющихся внутри изогнутого волновода в виде концентрического сферического мениска 2 или концентрического цилиндрического мениска 3, при этом при расчетах параметров ДОЭ должны учитываться и выполняться следующие условия: Optical combiners of cylindrical or spherical shape, according to the proposed invention, are created taking into account the above-described properties of rays propagating inside a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2 or a concentric cylindrical meniscus 3, while when calculating the parameters of the DOE, the following conditions must be taken into account and met:
1) лучи, испускаемые из одной точки проецируемого изображения, должны входить в волновод под одинаковыми углами относительно нормали в каждой точке падения, в этом случае достигается однозначное соответствие лучей, распространяющихся внутри волновода, точкам виртуального изображения.1) rays emitted from one point of the projected image must enter the waveguide at the same angles relative to the normal at each point of incidence; in this case, a one-to-one correspondence between the rays propagating inside the waveguide and the points of the virtual image is achieved.
2) лучи, формирующие все поле зрения, должны быть перераспределены внутри волновода, таким образом, чтобы обеспечивать равномерную яркость всех элементов виртуального изображения во всех точках полях движения глаз,2) the rays that form the entire field of view must be redistributed within the waveguide in such a way as to ensure uniform brightness of all elements of the virtual image at all points in the eye movement fields,
3) лучи, выходящие из волновода, соответствующие каждой точке проецируемого изображения, должны выходить как параллельные либо расходящиеся пучки, формируя виртуальное изображение на бесконечности (если параллельные), либо на конечном расстоянии (если расходящиеся).3) the rays emerging from the waveguide, corresponding to each point of the projected image, must emerge as parallel or diverging beams, forming a virtual image at infinity (if parallel) or at a finite distance (if diverging).
Для этого предлагается оптический комбайнер, который представляет собой изогнутый волновод, имеющий форму концентрического цилиндрического мениска 2 или форму концентрического сферического мениска 3, на котором располагаются дифракционные оптические элементы (ДОЭ). Возможно использовать объемные фазовые голографические оптические элементы (holographic optical element HOE) или поверхностные рельефные ДОЭ. ДОЭ могут быть нанесены на волновод любым известным подходящим способом. Наиболее широко распространены следующие технологии изготовления ДОЭ на волноводах:For this purpose, an optical combiner is proposed. This combiner is a curved waveguide shaped like a concentric cylindrical meniscus 2 or a concentric spherical meniscus 3, on which diffractive optical elements (DOEs) are positioned. It is possible to use volumetric phase holographic optical elements (HOEs) or surface relief DOEs. DOEs can be deposited on the waveguide using any suitable method. The following technologies for producing DOEs on waveguides are the most widely used:
- запись объемных фазовых голографических элементов HOE на пленке типа Bayfol Covectro и ламинация этой пленки на волновод;- recording of volumetric phase holographic elements HOE on a film of the Bayfol Covectro type and lamination of this film onto a waveguide;
- фотонанопечатная литография (photo nanoimprint lithography) поверхностных рельефных ДОЭ, когда на волновод наносится слой УФ отверждаемого фотополимера, к волноводу прижимается матрица с оттиском ДОЭ с желаемым профилем, полимер отверждается путем его засветки УФ излучением;- photo nanoimprint lithography of surface relief DOEs, when a layer of UV-curable photopolymer is applied to the waveguide, a matrix with an imprint of the DOE with the desired profile is pressed against the waveguide, and the polymer is cured by exposing it to UV radiation;
- формирование рельефа ДОЭ непосредственно на поверхности материала волновода, например, с помощью ионно-плазменного травления или термопластического формования для пластмасс.- formation of the DOE relief directly on the surface of the waveguide material, for example, using ion-plasma etching or thermoplastic molding for plastics.
Изогнутый волновод может быть выполнен из любого подходящего материала, например, стекла или пластика, например, такого как полиметилметакрилат (ПММА), который имеет показатель преломления n=1,5 и обеспечивает поле зрения (FOV), составляющее 30°, или из любых других подходящих материалов. The curved waveguide may be made of any suitable material, such as glass or plastic, such as polymethyl methacrylate (PMMA), which has a refractive index of n=1.5 and provides a field of view (FOV) of 30°, or any other suitable materials.
ДОЭ, расположенные на изогнутом волноводе, представляют собой:DOEs located on a curved waveguide are:
А) Скрещенный ДОЭ, выполняющий роль вводного и размножающего дифракционных элементов, представляющий собой единую дифракционную структуру, состоящую из двух наложенных друг на друга дифракционных подрешеток, первой подрешетки и второй подрешетки. Периоды подрешеток одинаковые и равны Т0. Период Т0 выбирается таким образом, чтобы падающие от проектора на ДОЭ лучи в угловом диапазоне, соответствующем полю зрения проектора, дифрагировали в изогнутый волновод в соответствии с диапазоном углов полного внутреннего отражения лучей внутри изогнутого волновода. То есть, параметры скрещенного ДОЭ выбираются в соответствии с геометрией изогнутого волновода такими, чтобы выполнялось первое вышеупомянутое условие. В этом случае скрещенный ДОЭ работает как вводной ДОЭ, обеспечивая преобразование лучей от проектора в лучи, распространяющиеся внутри изогнутого волновода и сохраняя при этом однозначное соответствие этих лучей друг другу.A) A crossed DOE, which functions as an input and multiplying diffractive element, is a single diffractive structure consisting of two superimposed diffraction subgratings: the first subgrating and the second subgrating. The periods of the subgratings are identical and equal to T0. The period T0 is selected such that rays incident from the projector on the DOE, within an angular range corresponding to the projector's field of view, are diffracted into the curved waveguide within the range of angles of total internal reflection of the rays within the curved waveguide. That is, the parameters of the crossed DOE are selected in accordance with the geometry of the curved waveguide such that the first condition mentioned above is met. In this case, the crossed DOE functions as an input DOE, transforming rays from the projector into rays propagating within the curved waveguide while maintaining a one-to-one correspondence between these rays.
Штрихи подрешеток располагаются симметрично относительно направления передачи поля зрения, а угол между направлением передачи поля зрения и штрихами первой и второй подрешетки составляет 300.The lines of the subgratings are arranged symmetrically relative to the direction of transmission of the field of view, and the angle between the direction of transmission of the field of view and the lines of the first and second subgratings is 30 0 .
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 (проектор), который формирует исходное изображение, можно разбить на точечные источники излучения, которые оптическая система проектора переносит на некоторое расстояние от изогнутого волновода.A projector is generally a radiation source with an optical system. The projector's optical system constructs an image of the radiation source at some distance from the projector, typically at infinity. The radiation source (projector), which forms the original image, can be broken down into point radiation sources, which the projector's optical system transports some distance away from a curved waveguide.
После ввода луча от проектора в изогнутый волновод через скрещенный ДОЭ, луч распространяется внутри изогнутого волновода под углами ПВО, повторно падает на скрещенный ДОЭ, повторно претерпевает дифракцию, и перенаправляется в сторону выводного ДОЭ, более подробно это будет описано ниже. Благодаря такой последовательности распространения лучей внутри изогнутого волновода обеспечивается размножение зрачка в направлении, перпендикулярном направлению переноса поля зрения, с высокой однородностью, то есть осуществляется второе условие для создания оптического комбайнера, описанное выше. After the beam from the projector enters the curved waveguide through the crossed DOE, it propagates within the curved waveguide at TIR angles, re-incides with the crossed DOE, undergoes further diffraction, and is redirected toward the output DOE. This sequence of beam propagation within the curved waveguide ensures pupil multiplication in a direction perpendicular to the direction of field of view transfer with high uniformity, thereby fulfilling the second condition for creating an optical combiner, described above.
Первая и вторая подрешетки могут быть элементами одного скрещенного ДОЭ, то есть могут быть выполнены как одно целое, как, например, структура в виде ромбов, раскрытая в документе WO 2008081070 A1 (дата публикации 10.07.2008). Для увеличения эффективности оптического комбайнера возможно изготовление скрещенного ДОЭ, как это раскрыто, например, в документе US 10061124 B2 (дата публикации 28.08.2018), или любыми другими подходящими способами. The first and second subarrays may be elements of a single crossed DOE, i.e., they may be formed as a single unit, such as the diamond-shaped structure disclosed in WO 2008081070 A1 (publication date July 10, 2008). To increase the efficiency of the optical combiner, it is possible to manufacture a crossed DOE, as disclosed, for example, in US 10061124 B2 (publication date August 28, 2018), or by any other suitable means.
Скрещенный ДОЭ располагается на внутренней (напротив глаза пользователя) поверхности волновода. The crossed DOE is located on the inner (opposite the user's eye) surface of the waveguide.
Б) Выводной ДОЭ, который располагается после скрещенного ДОЭ по ходу лучей. Описание структуры используемого в настоящем изобретении выводного ДОЭ с переменным периодом для волновода в форме концентрического цилиндрического мениска раскрыто в документе RU 2801055 C1 (дата публикации 01.08.2023). Выводной ДОЭ имеет переменный период такой, что виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя формируется путем преобразования лучей, соответствующих одной точке исходного изображения, прошедших через изогнутый волновод и попадающих на выводной дифракционный оптический элемент, в параллельные (или расходящиеся) пучки лучей, то есть осуществляется третье условие для создание оптического комбайнера, описанное выше. Для изогнутого волновода выводной ДОЭ обязательно должен иметь переменный период и иметь определенный закон изменения периода. B) An output DOE, which is located downstream of the crossed DOE along the ray path. A description of the structure of the output DOE with a variable period used in the present invention for a waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus is disclosed in document RU 2801055 C1 (publication date 01.08.2023). The output DOE has a variable period such that the virtual image on the user's retina is formed by converting rays corresponding to a single point of the original image, passing through the curved waveguide and incident on the output diffractive optical element, into parallel (or diverging) beams of rays. This fulfills the third condition for creating an optical combiner, described above. For a curved waveguide, the output DOE must have a variable period and conform to a specific period variation law.
Переменный период выводного ДОЭ решает задачу формирования правильной структуры пучков при выводе излучения. При выводе излучения из волновода за счет дифракции на выводном дифракционном оптическом элементе за счет переменного периода лучи, соответствующие одной точке исходного изображения, будут выходить из изогнутого волновода в направлении глаза пользователя параллельно друг другу для одного элемента изображения или расходящимися из одной точки для одного элемента изображения, при этом все точки должны лежать в одной плоскости - плоскости виртуального изображения. Таким образом, на выходе из изогнутого оптического комбайнера получается виртуальное изображение, не имеющее аберраций и искажений в виде двоения.The variable period of the output DOE solves the problem of forming the correct beam structure during radiation extraction. When radiation is extracted from the waveguide by diffraction on the output diffractive optical element, the variable period allows rays corresponding to a single point in the original image to emerge from the curved waveguide toward the user's eye, parallel to each other for a single image element, or diverging from a single point for a single image element. All points must lie in the same plane—the virtual image plane. Thus, the output of the curved optical combiner is a virtual image free of aberrations and distortions such as ghosting.
На фиг. 5 показано сечение изогнутого волновода (это может быть, как концентрический сферический мениск, так и концентрический цилиндрический мениск) с радиусом кривизны внутренней поверхности волновода R1 и центром кривизны в точке О1. Для минимизации аберраций необходимо, чтобы период скрещенного ДОЭ 4 был равным периоду в центральной части Cout выводного ДОЭ 5, тогда поле 5a движения глаз (Сeb - центр поля движения глаз) будет располагаться симметрично относительно выводного ДОЭ 5, как это показано на фиг. 5. В этом случае луч (обозначение волнового вектора луча) падающий по нормали на вводной ДОЭ в его центре Cin, будет соответствовать одной и той же точке исходного изображения, что и луч , выходящий в центре Cout выводного ДОЭ 5, как это показано на фиг. 5. В этом случае центр поля 5a движения глаз Ceb, центр Cout выводного ДОЭ 5 и центр кривизны волновода O1 будут лежать на одной прямой, соответствующей нормали к внутренней поверхности изогнутого волновода в точке Cout. Период в остальных точках выводного ДОЭ 5 должен быть таким, чтобы сформировать параллельный (или расходящийся) пучок лучей для лучей, соответствующих каждой точке исходного изображения.Fig. 5 shows a section of a curved waveguide (this can be either a concentric spherical meniscus or a concentric cylindrical meniscus) with a radius of curvature of the inner surface of the waveguide R1 and a center of curvature at point O1. To minimize aberrations, it is necessary that the period of the crossed DOE 4 be equal to the period in the central part Cout of the output DOE 5, then the eye movement field 5a (Ceb is the center of the eye movement field) will be located symmetrically relative to the output DOE 5, as shown in Fig. 5. In this case, the beam (designation of the wave vector of the beam) incident normally on the input DOE at its center Cin, will correspond to the same point of the original image as the beam , emerging at the center Cout of the output DOE 5, as shown in Fig. 5. In this case, the center of the eye movement field 5a Ceb, the center Cout of the output DOE 5, and the center of curvature of the waveguide O1 will lie on the same straight line, corresponding to the normal to the inner surface of the curved waveguide at point Cout. The period at the remaining points of the output DOE 5 should be such as to form a parallel (or diverging) beam of rays for the rays corresponding to each point of the original image.
На фигуре 6 проиллюстрирована траектория луча, распространяющегося внутри изогнутого волновода в виде концентрического сферического мениска 2 со скрещенным ДОЭ 4 и выводным ДОЭ 5. Как показано на фиг. 6, для примера, луч падает из центра выходного зрачка проектора на изогнутый волновод по нормали O1Cin в точке Cin. В точке Cin энергия падающего луча разделяется на две составляющие, образуя два луча. Первый луч образуется за счет дифракции падающего луча на первой подрешетке скрещенного ДОЭ 4, вводится внутрь изогнутого волновода 2, отражается от внешней поверхности изогнутого волновода 2, падает в точку D1, претерпевает дифракцию на второй подрешетке скрещенного ДОЭ 4, после этого, многократно переотразившись от поверхностей изогнутого волновода 2, достигнет точки D2, продифрагирует в этой точке на выводном ДОЭ 5 и выведется из изогнутого волновода 2, сформировав луч , как это показано на фиг. 6. Второй луч образуется за счет дифракции падающего луча на второй подрешетке вводного и размножающего ДОЭ, вводится внутрь изогнутого волновода 2, отражается от внешней поверхности волновода, падает в точку D3, претерпевает дифракцию на первой подрешетке скрещенного ДОЭ 4, после этого, многократно переотразившись, достигнет точки D4, продифрагирует в этой точке с выводным ДОЭ 5 и выведется из волновода, сформировав луч , как это показано на фиг. 6. Лучи, образованные лучом, падающим на скрещенный ДОЭ 4 по нормали, после размножения в точках D1 и D3, будут распространяться в плоскостях пересекающихся по линии O1C1.Figure 6 illustrates the trajectory of a beam propagating inside a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2 with a crossed DOE 4 and an output DOE 5. As shown in Fig. 6, for example, the beam incident from the center of the projector's exit pupil onto a curved waveguide along the normal O1Cin at point Cin. At point Cin, the incident beam's energy is split into two components, forming two beams. The first beam is formed due to diffraction of the incident beam. on the first subarray of the crossed DOE 4, is introduced into the curved waveguide 2, is reflected from the outer surface of the curved waveguide 2, falls at point D1, undergoes diffraction on the second subarray of the crossed DOE 4, after which, having been repeatedly reflected from the surfaces of the curved waveguide 2, reaches point D2, diffracts at this point on the output DOE 5 and is output from the curved waveguide 2, forming a beam , as shown in Fig. 6. The second beam is formed due to diffraction of the incident beam on the second subarray of the input and multiplying DOE, is introduced into the curved waveguide 2, is reflected from the outer surface of the waveguide, falls at point D3, undergoes diffraction on the first subarray of the crossed DOE 4, after which, having been repeatedly reflected, reaches point D4, diffracts at this point with the output DOE 5 and is removed from the waveguide, forming a beam , as shown in Fig. 6. The rays formed by the ray falling on the crossed DOE 4 along the normal, after multiplication at points D1 and D3, will propagate in planes intersecting along the line O1C1.
Для того чтобы сформировать параллельный пучок лучей от одной точки исходного изображения при выводе луча в любой точке выводного ДОЭ 5 вектора , лучей должны совпадать с вектором в центре Сout выводного ДОЭ 5, то есть должны быть равными ему и иметь то же направление. Для этого период выводного ДОЭ 5 в каждой точке с координатами , в повернутой системе координат согласно фиг. 2, должен соответствовать следующим выражениям:In order to form a parallel beam of rays from one point of the original image when outputting a ray at any point of the output DOE 5 vector,rays must coincide with the vectorin the center of the Cout of the output DOE 5, that is, they should be equal to it and have the same direction. For this periodoutput DOE 5 at each point with coordinates, in the rotated coordinate system according to Fig. 2, must correspond to the following expressions:
где - углы поворота для перехода в повернутую систему координат согласно фиг. 2, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - длина волны луча исходного изображения, - угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - период вводного ДОЭ.Where - rotation angles for transition to the rotated coordinate system according to Fig. 2, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system, - wavelength of the original image beam, - the angle between the center of the input and output DOEs, - period of introductory DOE.
На фиг. 7 показана траектория луча, распространяющегося внутри изогнутого волновода в виде концентрического цилиндрического мениска 3. Траектория луча в этом случае будет аналогична траектории луча для случая сферического концентрического мениска с тем отличием, что после дифракции на размножающем ДОЭ, лучи, образованные лучом, падающим на вводной ДОЭ по нормали, распространяются в параллельных плоскостях D1D2O2, D3D4O3.Fig. 7 shows the trajectory of a beam propagating inside a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus 3. The trajectory of the beam in this case will be similar to the trajectory of the beam for the case of a spherical concentric meniscus, with the difference that after diffraction on the multiplying DOE, the rays formed by the beam incident on the input DOE along the normal propagate in parallel planes D1D2O2, D3D4O3.
Как описано в документе RU 2801055 C1 (дата публикации 01.08.2023), в случае изогнутого волновода в форме концентрического цилиндрического мениска для того, чтобы сформировать виртуальное изображение на бесконечности, период выводного ДОЭ должен быть переменным. As described in document RU 2801055 C1 (publication date 01.08.2023), in the case of a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus, in order to form a virtual image at infinity, the period of the output DOE must be variable.
Период выводного ДОЭ 5, расположенного на концентрическом цилиндрическом мениске, преобразующего лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения в параллельные пучки лучей, в случае переноса изображения в направлении перпендикулярном общей оси цилиндрических поверхностей волновода можно описать следующим образом:Period The output DOE 5, located on a concentric cylindrical meniscus, transforming rays emanating from one point of the original image into parallel beams of rays, in the case of image transfer in a direction perpendicular to the common axis of the cylindrical surfaces of the waveguide can be described as follows:
где - смещение и угол поворота для перехода в повернутую систему координат согласно фиг. 4, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси x в повернутой системе координат, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси y в повернутой системе координат, - длина волны луча исходного изображения, - угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - период вводного ДОЭ.Where - displacement and rotation angle for transition to the rotated coordinate system according to Fig. 4, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the x-axis in the rotated coordinate system,- the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the y-axis in the rotated coordinate system,- wavelength of the original image beam,- the angle between the center of the input and output DOEs,- period of introductory DOE.
Штрихи выводного ДОЭ для формирования виртуального изображения на бесконечности должны быть параллельны общей оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода, так как для любых координат составляющая вектора дифракционной решетки по направлению оси Y равна 0.The strokes of the output DOE for forming a virtual image at infinity must be parallel to the common axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide, since for any coordinates the component of the diffraction grating vector in the direction of the Y axis is equal to 0.
Верхняя и нижняя части поля зрения и в случае с концентрическим цилиндрическим мениском и в случае с концентрическим сферическим мениском получаются одинаковыми по яркости благодаря симметричному расположению всех ДОЭ относительно направления переноса поля зрения CinCout (на фигурах 6 и 7). Выравнивание яркости виртуального изображения в горизонтальном направлении можно обеспечить переменной дифракционной эффективностью выводного ДОЭ в направлении переноса поля зрения во всех вариантах предлагаемого изобретения. Для этого выводной ДОЭ выполняется таким образом, что в области, расположенной ближе к скрещенному ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ ниже, чем в области, расположенной дальше от скрещенного ДОЭ. Благодаря этому возможно получить высокую равномерность яркости виртуального изображения без модуляции дифракционной эффективности скрещенного ДОЭ.The upper and lower portions of the field of view, both for the concentric cylindrical meniscus and the concentric spherical meniscus, are equal in brightness due to the symmetrical arrangement of all DOEs relative to the field of view transfer direction CinCout (in Figures 6 and 7). Brightness equalization of the virtual image in the horizontal direction can be achieved by varying the diffraction efficiency of the output DOE in the field of view transfer direction in all embodiments of the proposed invention. To achieve this, the output DOE is designed such that the diffraction efficiency of the output DOE is lower in the region located closer to the crossed DOE than in the region located further from the crossed DOE. This allows for highly uniform virtual image brightness without modulating the diffraction efficiency of the crossed DOE.
Для выполнения условия 1), упомянутого выше, оптическая система проектора для волновода в форме концентрического цилиндрического мениска должна переносить исходное изображение на ось цилиндрических поверхностей волновода в сечении, перпендикулярном этой оси (сагиттальном сечении) и на бесконечность в сечении, проходящем через ось цилиндрических поверхностей волновода (меридиональном сечении). В случае использования проектора, с оптической системой, формирующей изображение на бесконечности, для решения этой задачи возможно использование вводного оптического компенсатора, представляющего собой цилиндрическую линзу, расположенную между проектором и волноводом, как это описано в RU 2801055 C1 (дата публикации 01.08.2023).To satisfy condition 1) mentioned above, the projector's optical system for a waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus must transfer the original image to the axis of the waveguide's cylindrical surfaces in a cross-section perpendicular to this axis (sagittal cross-section) and to infinity in a cross-section passing through the axis of the waveguide's cylindrical surfaces (meridional cross-section). When using a projector with an optical system that forms an image at infinity, this problem can be solved by using an input optical compensator, which is a cylindrical lens located between the projector and the waveguide, as described in RU 2801055 C1 (publication date 01.08.2023).
Для выполнения условия 1), упомянутого выше, для волновода в форме концентрического сферического мениска оптическая система проектора должна переносить исходное изображение в плоскость, проходящую через центр поверхностей волновода. В этом случае линза компенсатора для проектора, с оптической системой, формирующей изображение на бесконечности, должна быть сферической отрицательной линзой, с фокусным расстоянием, равным радиусу кривизны внутренней поверхности волновода. To satisfy condition 1) mentioned above, for a waveguide shaped like a concentric spherical meniscus, the projector's optical system must transfer the original image to a plane passing through the center of the waveguide's surfaces. In this case, the compensator lens for the projector, with an optical system that forms an image at infinity, must be a spherical negative lens with a focal length equal to the radius of curvature of the waveguide's inner surface.
Как показано на фиг. 8, в одном из вариантов воплощения предлагаемого изобретения скрещенный ДОЭ 4 выполняет роль только размножающего ДОЭ. Для ввода излучения в волновод используется вводной ДОЭ 6, расположенный отдельно от скрещенного ДОЭ 4. То есть, на изогнутом волноводе располагаются отдельно вводной ДОЭ 6, скрещенный ДОЭ 4, выполняющий роль размножающего ДОЭ, и выводной ДОЭ 5. Вводной ДОЭ 6 при этом имеет постоянный период Т0, причем штрихи дифракционной решетки вводного ДОЭ 6 должны быть параллельны оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода 3. Период и наклон штрихов скрещенного ДОЭ 4 могут подбираться исходя из требований к оптическому комбайнеру. As shown in Fig. 8, in one embodiment of the proposed invention, the crossed DOE 4 serves only as a multiplying DOE. An input DOE 6, located separately from the crossed DOE 4, is used to couple radiation into the waveguide. That is, the input DOE 6, the crossed DOE 4, which serves as a multiplying DOE, and the output DOE 5 are separately located on the curved waveguide. The input DOE 6 has a constant period T0, and the lines of the diffraction grating of the input DOE 6 must be parallel to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide 3. The period and slope of the lines of the crossed DOE 4 can be selected based on the requirements for the optical combiner.
Штрихи первой дифракционной подрешетки и второй дифракционной подрешетки скрещенного ДОЭ 4 располагаются симметрично относительно направления передачи поля зрения по изогнутому волноводу 3. Период первой дифракционной подрешетки равен периоду второй дифракционной подрешетки. Скрещенный ДОЭ 4 выполнен с возможностью размножения излучения внутри изогнутого волновода 3. Штрихи скрещенного ДОЭ 4 должны быть симметричны относительно плоскости перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей изогнутого волновода 3. The lines of the first diffraction subgrating and the second diffraction subgrating of the crossed DOE 4 are arranged symmetrically with respect to the direction of field of view transmission along the curved waveguide 3. The period of the first diffraction subgrating is equal to the period of the second diffraction subgrating. The crossed DOE 4 is designed to multiply radiation within the curved waveguide 3. The lines of the crossed DOE 4 must be symmetrical with respect to the plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the curved waveguide 3 .
На фиг. 8 показан ход одного луча через изогнутый волновод в форме цилиндрического концентрического мениска 3 с отдельным вводным ДОЭ 6, скрещенным ДОЭ 4 и выводным ДОЭ 5. Пусть, для примера, луч падает из центра О1 выходного зрачка проектора на изогнутый волновод 3 по нормали. Этот луч претерпевает дифракцию на вводном ДОЭ 6 в точке Cin и вводится внутрь изогнутого волновода 3, отражается от внешней поверхности изогнутого волновода 3, падает в точку D1 на скрещенном ДОЭ 4. В точке D1 энергия падающего луча разделяется на три составляющие, образуя три луча. Первый луч в точке D1 образуется отражением падающего в точке D1 луча, не взаимодействующим со скрещенным ДОЭ 4, распространится дальше по изогнутому волноводу 3 под углами ПВО до точки D6, продифрагирует в точке D6 на выводном ДОЭ 5 и выведется из изогнутого волновода 3, сформировав луч . Второй луч в точке D1 образуется за счет дифракции падающего в точке D1 луча на первой подрешетке скрещенного размножающего ДОЭ, этот луч отразившись от внешней поверхности волновода повторно упадет на скрещенную размножающую ДОЭ в точке D2, продифрагирует в точке D2 на второй подрешетке скрещенного ДОЭ 4, многократно переотразившись, достигнет точки D3, продифрагирует в этой точке на выводном ДОЭ 5 и выведется из изогнутого волновода 3, сформировав луч , как это показано на фиг. 8. Третий луч в точке D1 образуется за счет дифракции падающего луча на второй подрешетке скрещенного размножающего ДОЭ, этот луч, отразившись от внешней поверхности изогнутого волновода 3, повторно упадет на скрещенный ДОЭ 4 в точке D4, продифрагирует в точке D4 на первой подрешетке скрещенного ДОЭ 4, многократно переотразившись достигнет точки D5, продифрагирует в этой точке на выводном ДОЭ 5 и выведется из изогнутого волновода 3, сформировав луч , как это показано на фиг. 8. Fig. 8 shows the path of one beam through a curved waveguide in the form of a cylindrical concentric meniscus 3 with a separate input DOE 6, a crossed DOE 4 and an output DOE 5. Let, for example, the beam is incident from the center O1 of the projector's exit pupil onto curved waveguide 3 along the normal. This beam undergoes diffraction on input DOE 6 at point Cin and is introduced into curved waveguide 3, reflected from the outer surface of curved waveguide 3, and incident at point D1 on crossed DOE 4. At point D1, the energy of the incident beam is split into three components, forming three beams. The first beam at point D1 is formed by the reflection of the beam incident at point D1, which does not interact with crossed DOE 4, will propagate further along curved waveguide 3 at TIR angles to point D6, diffract at point D6 on output DOE 5 and will be output from curved waveguide 3, forming beam . The second beam at point D1 is formed due to the diffraction of the beam incident at point D1 on the first subarray of the crossed multiplying DOE. This beam, having reflected from the outer surface of the waveguide, will again fall on the crossed multiplying DOE at point D2, will diffract at point D2 on the second subarray of the crossed DOE 4, will be repeatedly reflected, will reach point D3, will diffract at this point on the output DOE 5 and will be output from the curved waveguide 3, forming a beam. , as shown in Fig. 8. The third beam at point D1 is formed due to the diffraction of the incident beam on the second subarray of the crossed multiplying DOE, this beam, having reflected from the outer surface of the curved waveguide 3, will again fall on the crossed DOE 4 at point D4, will diffract at point D4 on the first subarray of the crossed DOE 4, will be repeatedly reflected and reach point D5, will diffract at this point on the output DOE 5 and will be output from the curved waveguide 3, forming a beam , as shown in Fig. 8.
Аналогичный ход лучей будет наблюдаться при использовании изогнутого волновода в виде концентрического сферического мениска 2.A similar ray path will be observed when using a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2.
При использовании вводного ДОЭ 6 отдельно от скрещенного ДОЭ 4, который выполняет функцию размножающего ДОЭ, центральная часть поля зрения будет выглядеть для пользователя более яркой, то есть будет ярко выражена неравномерность яркости виртуального изображения. Это будет обусловлено тем, что лучи формирующие центральную часть виртуального изображения, будут претерпевать дифракцию только два раза (на вводном ДОЭ 6 и на выводном ДОЭ 5, как луч на фиг. 8), а лучи, формирующую периферийную часть виртуального изображения, будут претерпевать дифракцию четыре раза (как лучи и на фиг. 8).When using input DOE 6 separately from crossed DOE 4, which functions as a multiplying DOE, the central part of the field of view will appear brighter to the user, meaning that the brightness unevenness of the virtual image will be clearly visible. This is due to the fact that the rays forming the central part of the virtual image will undergo diffraction only twice (at input DOE 6 and at output DOE 5, as the beam in Fig. 8), and the rays that form the peripheral part of the virtual image will undergo diffraction four times (like the rays And in Fig. 8).
В еще одном варианте воплощения предлагаемого изобретения в качестве вводного ДОЭ выступает скрещенный ДОЭ 4, в качестве размножающего ДОЭ выступают первый размножающий ДОЭ 7a и второй размножающий ДОЭ 7b, для вывода излучения используется выводной ДОЭ 5. Фиг. 9 иллюстрирует расположение и конструкцию ДОЭ для этого варианта воплощения, на этой фигуре показана поверхность волновода, развернутая в плоскость рисунка.In another embodiment of the proposed invention, the input DOE is a crossed DOE 4, the multiplying DOE is a first multiplying DOE 7a and a second multiplying DOE 7b, and the output DOE 5 is used to output the radiation. Fig. 9 illustrates the arrangement and design of the DOE for this embodiment; this figure shows the surface of the waveguide unfolded into the plane of the drawing.
В этом варианте воплощения скрещенный ДОЭ 4 имеет структуру, описанную выше.In this embodiment, the crossed DOE 4 has the structure described above.
Первый размножающий ДОЭ 7a имеет такую же структуру, как первая дифракционная подрешетка скрещенного ДОЭ 4, и второй размножающий ДОЭ 7b имеет такую же структуру, как вторая дифракционная подрешетка скрещенного ДОЭ 4. Размножающие ДОЭ 7a и 7b расположены, как показано на фиг. 9, а именно друг над другом относительно направления передачи поля зрения и вплотную друг к другу.The first multiplying DOE 7a has the same structure as the first diffraction subgrating of the crossed DOE 4, and the second multiplying DOE 7b has the same structure as the second diffraction subgrating of the crossed DOE 4. The multiplying DOEs 7a and 7b are arranged as shown in Fig. 9, namely, one above the other relative to the direction of transmission of the field of view and close to one another.
Штрихи первого размножающего ДОЭ 7a и второго размножающего ДОЭ 7b имеют одинаковый период, равный периоду скрещенного ДОЭ 4, симметричны относительно плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода, и имеют наклон к этой плоскости равный 30°.The strokes of the first multiplying DOE 7a and the second multiplying DOE 7b have the same period, equal to the period of the crossed DOE 4, are symmetrical with respect to the plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, and have an inclination to this plane equal to 30°.
Скрещенный ДОЭ расположен в области выходного зрачка проектора (напротив проектора) на стыке первого размножающего ДОЭ 7a и второго размножающего ДОЭ 7b.The crossed DOE is located in the area of the exit pupil of the projector (opposite the projector) at the junction of the first multiplying DOE 7a and the second multiplying DOE 7b.
Как и в предыдущих вариантах воплощения, выводной ДОЭ 5 имеет переменный период, за счет чего выполнен с возможностью формирования виртуального изображения на сетчатке глаза пользователя путем преобразования лучей, вышедших из одной точки исходного изображения, прошедших через изогнутый волновод и попадающих на выводной дифракционный оптический элемент, в параллельные или расходящиеся пучки лучей.As in the previous embodiments, the output DOE 5 has a variable period, due to which it is designed with the possibility of forming a virtual image on the retina of the user's eye by converting rays emerging from one point of the original image, passing through a curved waveguide and hitting the output diffractive optical element, into parallel or diverging beams of rays.
В данном варианте воплощения (фиг. 9) устройство для отображения дополненной реальности будет работать следующим образом. Посредством проектора формируется исходное изображение. Посредством скрещенного дифракционного оптического элемента (ДОЭ) лучи исходного изображения вводятся в изогнутый волновод, при этомIn this embodiment (Fig. 9), the augmented reality display device will operate as follows. A projector generates an initial image. A crossed diffractive optical element (DOE) introduces the rays of the initial image into a curved waveguide, thereby
введенные лучи: претерпевают дифракцию на первой подрешетке скрещенного ДОЭ 4 и на второй подрешетке скрещенного ДОЭ 4, причем лучи, исходящие из одной точки исходного изображения, претерпевают дифракцию на скрещенном ДОЭ 4 под одинаковым углом относительно нормали к поверхности изогнутого волновода в точке падения; отражаются от внешней поверхности изогнутого волновода, претерпевают дифракцию на втором размножающем ДОЭ 7b и на первом размножающем ДОЭ 7a, многократно переотразившись посредством полного внутреннего отражения от поверхностей изогнутого волновода, достигают выводного ДОЭ 5. На выводном ДОЭ 5 лучи, вышедшие из одной точки исходного изображения, преобразуются в параллельные или расходящиеся пучки лучей, формируя виртуальное изображение на сетчатке глаза пользователя.The input rays: undergo diffraction on the first sub-array of the crossed DOE 4 and on the second sub-array of the crossed DOE 4, wherein the rays emanating from one point of the original image undergo diffraction on the crossed DOE 4 at the same angle relative to the normal to the surface of the curved waveguide at the point of incidence; are reflected from the outer surface of the curved waveguide, undergo diffraction on the second multiplying DOE 7b and on the first multiplying DOE 7a, are repeatedly reflected by means of total internal reflection from the surfaces of the curved waveguide, and reach the output DOE 5. On the output DOE 5, the rays emanating from one point of the original image are transformed into parallel or diverging beams of rays, forming a virtual image on the retina of the user's eye.
При таком расположении ДОЭ яркость полученного виртуального изображения будет выше по сравнению с предыдущими вариантами воплощения, так как при размножении будут отсутствовать потери при вводе на первой дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ 4 и дифракции на первой дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ 4 при размножении, а также при вводе на второй дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ 4 и дифракции на второй дифракционной подрешетке скрещенного ДОЭ 4 при размножении.With such an arrangement of the DOE, the brightness of the resulting virtual image will be higher compared to previous embodiments, since during multiplication there will be no losses during input on the first diffraction subgrating of the crossed DOE 4 and diffraction on the first diffraction subgrating of the crossed DOE 4 during multiplication, as well as during input on the second diffraction subgrating of the crossed DOE 4 and diffraction on the second diffraction subgrating of the crossed DOE 4 during multiplication.
В одном из вариантов воплощения предлагаемого изобретения виртуальное изображение возможно формировать не только на бесконечности, но и на конечном расстоянии. Это может быть нужно для людей с близорукостью, или для ситуаций, когда пользователь находится в помещении, где нет удаленного фона. Для этого используется такой выводной ДОЭ 5, который будет формировать виртуальное изображение на конечном расстоянии. В этом случае выводной ДОЭ 5 для каждого элемента исходного изображения от проектора должен формировать расходящийся пучок лучей (а не параллельный), при этом виртуальное изображение строится в некоторой плоскости, удаленной от пользователя на конечное расстояние. In one embodiment of the proposed invention, a virtual image can be formed not only at infinity, but also at a finite distance. This may be useful for people with myopia, or for situations where the user is indoors without a distant background. For this An output DOE 5 is used that will form a virtual image at a finite distance. In this case, the output DOE 5 must form a diverging beam of rays (rather than a parallel one) for each element of the original image from the projector, with the virtual image being constructed in a certain plane located at a finite distance from the user.
Для концентрического сферического мениска период выводного ДОЭ 5, формирующего виртуальное изображение на конечном расстоянии , должен соответствовать выражениюFor a concentric spherical meniscus, the period output DOE 5, which forms a virtual image at a finite distance , must correspond to the expression
где Where
где - углы поворота для перехода в повернутую систему координат согласно фиг. 2, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - это расстояние от центра кривизны поверхностей волновода до плоскости виртуального изображения, - нормирующий коэффициент вектора луча на выходе из выводного ДОЭ, - длина волны излучения, - угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - радиус кривизны вогнутой поверхности волновода, - период вводного ДОЭ. Where - rotation angles for transition to the rotated coordinate system according to Fig. 2, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system, - is the distance from the center of curvature of the waveguide surfaces to the plane of the virtual image, - normalizing coefficient of the beam vector at the output of the output DOE, - wavelength of radiation, - the angle between the center of the input and output DOEs, - radius of curvature of the concave surface of the waveguide, - period of introductory DOE.
Для концентрического цилиндрического мениска структура выводного ДОЭ 5, формирующего виртуальное изображение на конечном расстоянии описана в документе RU 2801055 C1 (дата публикации 01.08.2023), а также описана ниже. Для концентрического цилиндрического мениска период выводного ДОЭ 5, формирующего виртуальное изображение на конечном расстоянии , должен соответствовать выражению:For a concentric cylindrical meniscus, the structure of the output DOE 5, which forms a virtual image at a finite distance, is described in document RU 2801055 C1 (publication date 01.08.2023), and is also described below. For a concentric cylindrical meniscus, the period output DOE 5, which forms a virtual image at a finite distance , must correspond to the expression:
гдеWhere
где Where
- смещение и угол поворота для перехода в повернутую систему координат, - offset and rotation angle to transition to a rotated coordinate system,
- составляющая вектора дифракционной решетки выводного ДОЭ по направлению оси X в повернутой системе координат, - составляющая вектора решетки выводного ДОЭ по направлению оси Y в повернутой системе координат, - the component of the diffraction grating vector of the output DOE in the direction of the X-axis in the rotated coordinate system, - the component of the grid vector of the output DOE in the direction of the Y axis in the rotated coordinate system,
- это расстояние от центра кривизны поверхностей волновода до плоскости виртуального изображения, - is the distance from the center of curvature of the waveguide surfaces to the plane of the virtual image,
- нормирующий коэффициент вектора луча на выходе из выводного ДОЭ, - длина волны излучения, - normalizing coefficient of the beam vector at the output of the output DOE, - wavelength of radiation,
- угол между центром вводного и выводного ДОЭ, - the angle between the center of the input and output DOEs,
- радиус кривизны вогнутой поверхности волновода, - radius of curvature of the concave surface of the waveguide,
- период вводного ДОЭ. - period of introductory DOE.
Ниже описаны варианты расположения ДОЭ на изогнутом волноводе.Below are described the options for placing the DOE on a curved waveguide.
Для изогнутого волновода в виде концентрического сферического мениска 2: For a curved waveguide in the form of a concentric spherical meniscus 2:
фиг. 10A иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска 2 для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 4 и выводной ДОЭ 5;Fig. 10A illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus 2 for an embodiment containing a crossed DOE 4 and a lead DOE 5;
Фиг. 10B иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска 2 для варианта воплощения, содержащего отдельный вводной ДОЭ 6, скрещенный ДОЭ 4 и выводной ДОЭ 5;Fig. 10B illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus 2 for an embodiment comprising a separate input DOE 6, a crossed DOE 4 and an output DOE 5;
Фиг. 10С иллюстрирует расположение ДОЭ на внутренней поверхности концентрического сферического мениска для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 4, первый размножающий ДОЭ 7a, второй размножающий ДОЭ 7b, выводной ДОЭ 5. Fig. 10C illustrates the arrangement of the DOE on the inner surface of the concentric spherical meniscus for an embodiment comprising a crossed DOE 4, a first multiplying DOE 7a, a second multiplying DOE 7b, and a lead DOE 5.
На фигурах 10A-10C показано поле движения глаз 5a, точкой Ceb обозначен центр поля движения глаз.Figures 10A-10C show the eye movement field 5a, with point Ceb marking the center of the eye movement field.
Для изогнутого волновода в виде концентрического цилиндрического мениска 3:For a curved waveguide in the form of a concentric cylindrical meniscus 3:
Фиг. 11A иллюстрирует расположение ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 5 выполняющий функцию вводного и размножающего ДОЭ и выводной ДОЭ 5;Fig. 11A illustrates the arrangement of the DOE across the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment containing a crossed DOE 5 performing the function of an input and multiplying DOE and an output DOE 5;
фиг. 11B иллюстрирует ход лучей внутри концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения с расположением ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска 3 и, содержащего отдельный вводной ДОЭ 6, скрещенный ДОЭ 4, выполняющий функцию размножающего ДОЭ, выводной ДОЭ 5; Fig. 11B illustrates the path of rays inside the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment with the DOE positioned across the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 and containing a separate input DOE 6, a crossed DOE 4, which performs the function of a multiplying DOE, and an output DOE 5;
фиг. 11C иллюстрирует расположение ДОЭ поперек оси концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 4, выполняющий функцию вводного ДОЭ, первый размножающий ДОЭ 7a, второй размножающий ДОЭ 7b, выводной ДОЭ 5;Fig. 11C illustrates the arrangement of the DOE across the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment comprising a crossed DOE 4, performing the function of an input DOE, a first multiplying DOE 7a, a second multiplying DOE 7b, an output DOE 5;
фиг. 11D иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 4, выполняющий функцию вводного и размножающего ДОЭ, выводной ДОЭ 5; Fig. 11D illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment containing a crossed DOE 4, which performs the function of an input and multiplying DOE, and an output DOE 5;
фиг. 11E иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения, содержащего отдельный вводной ДОЭ 6, скрещенный ДОЭ 4, выполняющий функцию размножающего ДОЭ, выводной ДОЭ 5; Fig. 11E illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment containing a separate input DOE 6, a crossed DOE 4 that performs the function of a multiplying DOE, and an output DOE 5;
фиг. 11F иллюстрирует расположение ДОЭ вдоль оси концентрического цилиндрического мениска 3 для варианта воплощения, содержащего скрещенный ДОЭ 4, выполняющий функцию вводного ДОЭ, первый размножающий ДОЭ 7a, второй размножающий ДОЭ 7b, выводной ДОЭ 5.Fig. 11F illustrates the arrangement of the DOE along the axis of the concentric cylindrical meniscus 3 for an embodiment comprising a crossed DOE 4, which performs the function of an input DOE, a first multiplying DOE 7a, a second multiplying DOE 7b, and an output DOE 5.
На фигурах 11A-11F показано поле движения глаз 5a, точкой Ceb обозначен центр поля движения глаз.Figures 11A-11F show the eye movement field 5a, with point Ceb marking the center of the eye movement field.
Необходимо заметить, что на фигурах 9-11F штрихи ДОЭ показаны условно, периоды ДОЭ для видимого света находятся в диапазоне от 300 до 600 нм, и увидеть их на поверхности волновода невооруженным глазом невозможно.It should be noted that in figures 9-11F the DOE strokes are shown conditionally; the DOE periods for visible light are in the range from 300 to 600 nm, and it is impossible to see them on the surface of the waveguide with the naked eye.
Проектор располагается всегда напротив ДОЭ, выполняющего функцию ввода излучения в изогнутый волновод. На фигурах 10A-11F cтрелкой СinCout показано направление передачи поля зрения в каждом из вариантов.The projector is always positioned opposite the DOE, which couples the radiation into the curved waveguide. In Figures 10A-11F, the CinCout arrow indicates the direction of field of view transmission in each configuration.
Изогнутый волновод может быть изогнут следующим образом:A curved waveguide can be bent as follows:
только вдоль направления передачи поля зрения;only along the direction of transmission of the visual field;
только в направлении, перпендикулярном к направлению передачи поля зрения;only in the direction perpendicular to the direction of transmission of the field of view;
в любом направлении на один и тот же радиус кривизны.in any direction by the same radius of curvature.
Для того чтобы предлагаемое изобретение было функциональным, необходимо, чтобы изогнутый волновод во всех вариантах воплощения имел одинаковую толщину и одинаковую кривизну по меньшей мере в рабочей области, включающей в себя участки, где располагаются ДОЭ и участки между ними. При выполнении этого условия лучи при распространении внутри изогнутого волновода сохраняют свои углы относительно нормали к поверхности падения. При невыполнении этого условия получаемое изображение будет иметь аберрации, а также искажения в виде двоения, наложения и т.д. При этом остальная часть изогнутого волновода может иметь любую форму.For the proposed invention to be functional, the curved waveguide in all embodiments must have the same thickness and the same curvature, at least in the working region, which includes the sections where the DOEs are located and the sections between them. If this condition is met, the rays propagating within the curved waveguide maintain their angles relative to the normal to the incident surface. If this condition is not met, the resulting image will exhibit aberrations, as well as distortions such as ghosting, aliasing, and so on. The remainder of the curved waveguide can have any shape.
Необходимо заметить, что если ДОЭ изготавливают не непосредственно на материале изогнутого волновода, а из отдельного материала, то показатель преломления материалов, из которых изготавливаются изогнутый волновод и ДОЭ, влияет на поле зрения всей системы. Чем больше показатель преломления и ДОЭ, и волновода, тем больше возможная величина поля зрения FOV виртуального изображения, переносимого оптическим комбайнером, такое явление хорошо известно из уровня техники, например, для изогнутого волновода это изложено в документе EDWARD DEHOOG, JASON HOLMSTEDT, TIN AYE, Field of view of limitations in see-through HMD using geometric waveguides, Applied Optics, 1 August 2016.It should be noted that if the DOE is fabricated not directly on the curved waveguide but from a separate material, the refractive index of the materials from which the curved waveguide and DOE are made affects the field of view of the entire system. The higher the refractive index of both the DOE and the waveguide, the larger the possible field of view (FOV) of the virtual image transferred by the optical combiner. This phenomenon is well known in the prior art; for example, for a curved waveguide, this is described in the paper by EDWARD DEHOOG, JASON HOLMSTEDT, and TIN AYE, "Field of View of Limitations in See-Through HMDs Using Geometric Waveguides," Applied Optics, August 1, 2016.
То есть при проектировании оптического комбайнера задание определенного размера поля зрения однозначно определяет перечень материалов, которые возможно использовать.That is, when designing an optical combiner, specifying a specific field of view size clearly determines the list of materials that can be used.
Очки дополненной реальности по конструкции аналогичны конструкции шлема HMD, содержат 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 в различных вариантах, описанных выше. Augmented reality glasses are similar in design to the HMD helmet, containing an element for the left eye and an element for the right eye, with each of the elements for the left and right eyes being a device for displaying augmented reality in the various versions described above.
На фиг. 12 показан одни из примеров устройства очков дополненной реальности, в конструкции которых используются предлагаемые в настоящей заявке устройства для отображения дополненной реальности. При использовании предлагаемых технических решений для волновода изогнутой формы в шлеме HMD или в очках дополненной реальности оптический комбайнер для левого и правого глаза могут иметь общую форму, как это показано на фиг. 12. В этом случае поле зрения для левого глаза, формируемое левым оптическим комбайнером 8a, и поле зрения для правого глаза, формируемое правым оптическим комбайнером 8b, будут пересекаться друг с другом частично или вообще не пересекаться. Тогда проектор 9a, формирующий изображение для левого глаза, и проектор 9b, формирующий изображение для правого глаза, будут формировать исходные изображения частично или полностью (как это показано на фиг. 12) не пересекающиеся друг с другом. Устройство для отображения дополненной реальности для левого (правого) глаза, изготовленное по одному из описанных вариантов реализации, переносит исходное изображение, формируемые левым 9a (правым 9b) проектором, в поле движения соответствующего глаза. При использовании такого устройства для отображения дополненной реальности, благодаря бинокулярному зрительному аппарату человека, пользователь будет наблюдать одно единое виртуальное изображение, складывающееся из двух отдельных виртуальных изображений, сформированных для левого и правого глаза.Fig. 12 shows one example of a device for augmented reality glasses, in the design of which the devices for displaying augmented reality proposed in the present application are used. When using the proposed technical solutions for a curved waveguide in an HMD or in augmented reality glasses, the optical combiner for the left and right eyes can have a common shape, as shown in Fig. 12. In this case, the field of view for the left eye, formed by the left optical combiner 8a, and the field of view for the right eye, formed by the right optical combiner 8b, will partially intersect with each other or not intersect at all. Then, the projector 9a, forming an image for the left eye, and the projector 9b, forming an image for the right eye, will form source images that are partially or completely (as shown in Fig. 12) not intersecting with each other. An augmented reality display device for the left (right) eye, manufactured according to one of the described embodiments, transfers the original image generated by the left 9a (right 9b) projector into the corresponding eye's field of view. When using such an augmented reality display device, thanks to the human binocular vision system, the user will observe a single virtual image, composed of two separate virtual images generated for the left and right eyes.
На фиг. 12 показан вариант исполнения, в котором поверхности оптических комбайнеров 8a и 8b для левого и правого глаза имеют общий центр кривизны. В представленном примере центр поля движения глаза для левого глаза пользователя и центр поля движения глаза для правого глаза пользователя разнесены на 62 мм. Поле зрения каждого оптического комбайнера по горизонтали составляет 26°, расстояние от глаз пользователя до поверхности каждого оптического комбайнера составляет 15 мм, а радиус кривизны изогнутых волноводов составляет 150 мм. В этом случае угол разворота поля зрения для каждого глаза относительно оси симметрии составит 13°. Таким образом, виртуальное изображение, формируемое для левого глаза пользователя, не пересекается с виртуальным изображением, формируемым для правого глаза пользователя, а эти виртуальные изображения примыкают друг к другу, формируя общее виртуальное изображение с угловым размером по горизонтали 52°.Fig. 12 shows an embodiment in which the surfaces of optical combiners 8a and 8b for the left and right eyes have a common center of curvature. In the illustrated example, the center of the eye movement field for the user's left eye and the center of the eye movement field for the user's right eye are separated by 62 mm. The horizontal field of view of each optical combiner is 26°, the distance from the user's eyes to the surface of each optical combiner is 15 mm, and the radius of curvature of the curved waveguides is 150 mm. In this case, the rotation angle of the field of view for each eye relative to the axis of symmetry is 13°. Thus, the virtual image formed for the user's left eye does not intersect with the virtual image formed for the user's right eye, and these virtual images adjoin each other, forming a common virtual image with a horizontal angular size of 52°.
Опытный образец изогнутого волновода из ПММА для очков дополненной реальности, изготовленного на основе предлагаемых технических решений, имеет вес 2,18 г, ширина поля зрения по диагонали составляет 36,2o. A prototype of a curved PMMA waveguide for augmented reality glasses, manufactured based on the proposed technical solutions, weighs 2.18 g and has a diagonal field of view of 36.2 o .
В одном из вариантов воплощения очки дополненной реальности могут содержать элемент только для левого глаза или элемент только для правого глаза, причем элемент для левого или правого глаза представляет собой устройство для отображения дополненной реальности в различных вариантах, описанных выше.In one embodiment, the augmented reality glasses may comprise a left-eye-only element or a right-eye-only element, wherein the left-eye or right-eye element is a device for displaying augmented reality in the various embodiments described above.
Моделирование в пакете прикладных программ Zemax показало возможность создания оптических комбайнеров с изогнутым волноводом, например, следующих форм:Modeling in the Zemax software package has demonstrated the possibility of creating optical combiners with a curved waveguide, for example, of the following shapes:
- в форме концентрического цилиндрического мениска с переносом поля зрения в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей волновода, со следующими параметрами: рабочая длина волны 525 нм, поле зрения 26,3°х15°, поле движения глаз 12х10 мм, расстояние от волновода до глаза 15 мм, период скрещенного вводного и размножающего ДОЭ 412 нм, толщина волновода 1 мм, материал волновода ПММА с показателем преломления 1,495, внутренний радиус кривизны волновода 150 мм, расстояние между центром выходного зрачка проектора и центром поля движения глаз 32,5 мм;- in the form of a concentric cylindrical meniscus with a transfer of the field of view in a plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, with the following parameters: operating wavelength 525 nm, field of view 26.3°x15°, eye movement field 12x10 mm, distance from the waveguide to the eye 15 mm, period of the crossed input and multiplying DOE 412 nm, waveguide thickness 1 mm, waveguide material PMMA with a refractive index of 1.495, internal radius of curvature of the waveguide 150 mm, distance between the center of the exit pupil of the projector and the center of the eye movement field 32.5 mm;
- в форме цилиндрического концентрического мениска с переносом поля зрения в направлении, параллельном оси цилиндрических поверхностей волновода, со следующими параметрами: рабочая длина волны 525 нм, поле зрения 26,3°х15°, поле движения глаз 12х10 мм, расстояние от волновода до глаза 15 мм, период скрещенного вводного и размножающего ДОЭ 412 нм, толщина волновода 1 мм, материал волновода ПММА с показателем преломления 1,495, внутренний радиус кривизны волновода 270 мм, расстояние между центром выходного зрачка проектора и центром поля движения глаз 32,5 мм;- in the form of a cylindrical concentric meniscus with a transfer of the field of view in the direction parallel to the axis of the cylindrical surfaces of the waveguide, with the following parameters: operating wavelength 525 nm, field of view 26.3°x15°, eye movement field 12x10 mm, distance from the waveguide to the eye 15 mm, period of the crossed input and multiplying DOE 412 nm, waveguide thickness 1 mm, waveguide material PMMA with a refractive index of 1.495, internal radius of curvature of the waveguide 270 mm, distance between the center of the exit pupil of the projector and the center of the field of eye movement 32.5 mm;
- в форме сферического концентрического мениска со следующими параметрами: рабочая длина волны 525 нм, поле зрения 26,3°х15°, поле движения глаз 12х10 мм, расстояние от волновода до глаза 15 мм, период скрещенного вводного и размножающего ДОЭ 412 нм, толщина волновода 1 мм, материал волновода ПММА с показателем преломления 1,495, внутренний радиус кривизны волновода 270 мм, расстояние между центром выходного зрачка проектора и центром поля движения глаз 32,5 мм.- in the form of a spherical concentric meniscus with the following parameters: operating wavelength 525 nm, field of view 26.3°x15°, eye movement field 12x10 mm, distance from the waveguide to the eye 15 mm, period of the crossed input and multiplying DOE 412 nm, waveguide thickness 1 mm, waveguide material PMMA with a refractive index of 1.495, internal radius of curvature of the waveguide 270 mm, distance between the center of the exit pupil of the projector and the center of the eye movement field 32.5 mm.
В предлагаемом изобретении в качестве проектора возможно использовать следующие виды проекторов: MicroLED-проектор, DMD-проектор, LCoS-проектор, лазерный проектор, LED проектор, LCD проектор, DLP проектор, а также любой другой подходящий проектор.In the proposed invention, the following types of projectors can be used as a projector: MicroLED projector, DMD projector, LCoS projector, laser projector, LED projector, LCD projector, DLP projector, as well as any other suitable projector.
В качестве волновода можно использовать любой подходящий оптический материал, в частности, например, стекло, пластик, полимер, алмаз, и т.п. Any suitable optical material can be used as a waveguide, in particular, for example, glass, plastic, polymer, diamond, etc.
В качестве размножающего дифракционного оптического элемента может быть использована объемная брэгговская решетка, рельефные дифракционные решетки с различным профилем, а также любые другие подходящие ДОЭ.A volume Bragg grating, relief diffraction gratings with different profiles, as well as any other suitable DOEs can be used as a multiplying diffractive optical element.
Покрытие оптического комбайнера (волновода) может быть антибликовым, или обладать высокой отражательной способностью, или быть поляризационным, или иметь спектральную фильтрацию, а также может быть УФ-защитным, а также любым подходящим.The coating of the optical combiner (waveguide) can be anti-reflective, or have high reflectivity, or be polarizing, or have spectral filtering, and can also be UV-protective, as well as any suitable one.
Периоды дифракционных оптических элементов, обеспечивающих ввод излучения в волновод размножение лучей внутри волновода и вывод излучения из волновода, должны подбираться таким образом, чтобы обеспечивать физическое соответствие вводимых участков полей зрения для конкретных сегментов дифракционных решеток полям зрения на выходе из волновода (попадающим в глаз наблюдателя). The periods of the diffraction optical elements that provide input of radiation into the waveguide, multiplication of rays inside the waveguide, and output of radiation from the waveguide must be selected in such a way as to ensure physical correspondence of the input sections of the fields of view for specific segments of the diffraction gratings to the fields of view at the output of the waveguide (entering the observer's eye).
Периоды всех дифракционных оптических элементов должны быть согласованы для совместной работы, чтобы эффективно распространять световую волну с заданными параметрами. Предлагаемое изобретение может быть применено для вывода виртуального изображения в глаз пользователя в очках дополненной реальности, а также для проецирования виртуального изображения через изогнутую поверхность, например, через лобовое стекло автомобиля или через защитное стекло шлема мотоцикла или любую другую изогнутую поверхность.The periods of all diffractive optical elements must be coordinated to effectively propagate a light wave with specified parameters. The proposed invention can be used to display a virtual image in a user's eye wearing augmented reality glasses, as well as to project a virtual image through a curved surface, such as a car windshield, a motorcycle helmet visor, or any other curved surface.
Благодаря предлагаемому изобретению высокое разрешение, широкий угол обзора с высокой однородностью изображения обеспечивают реалистичное виртуальное изображение. Виртуальное изображение такого качества обеспечивает пользователю захватывающий опыт, в котором виртуальные элементы дополняют среду пользователя.The proposed invention's high resolution, wide viewing angle, and high image uniformity provide a realistic virtual image. A virtual image of this quality provides the user with an immersive experience in which virtual elements complement the user's environment.
Благодаря предлагаемому решению, а именно использованию изогнутого волновода, скрещенного ДОЭ и выводного ДОЭ с переменным периодом, искажается паразитное виртуальное изображение, формируемое со стороны устройства и направленное к внешней среде, что обеспечивает защищенность представляемого пользователю виртуального изображения от сторонних наблюдателей.The proposed solution, namely the use of a curved waveguide, a crossed DOE, and an output DOE with a variable period, distorts the parasitic virtual image formed by the device and directed toward the external environment, ensuring the protection of the virtual image presented to the user from third-party observers.
Предлагаемое решение позволяет установить дисплей дополненной реальности на устройство, использующее изогнутые прозрачные поверхности, например, стекло мотоциклетного шлема или лобовое стекло автомобиля. Изогнутая форма волновода позволяет создать носимое устройство дополненной реальности, которое выглядит как обычные очки, и может легко сочетаться с очковыми линзами для коррекции зрения.The proposed solution allows for mounting an augmented reality display on a device using curved transparent surfaces, such as a motorcycle helmet lens or a car windshield. The curved waveguide allows for the creation of a wearable augmented reality device that looks like regular glasses and can easily be combined with prescription lenses.
Предлагаемое решение может быть использовано в любых устройствах дополненной реальности, HUD или HMD, где требуется компактный дизайн и высокое качество виртуального изображения.The proposed solution can be used in any augmented reality device, HUD or HMD, where a compact design and high-quality virtual image are required.
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 certain illustrative embodiments, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. Rather, it is intended that the invention include all alternatives, modifications, 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.Furthermore, the invention includes all equivalents of the claimed invention, even if the claims are changed during the review process.
Claims (256)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848686C1 true RU2848686C1 (en) | 2025-10-21 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621633C2 (en) * | 2011-10-28 | 2017-06-06 | Мэджик Лип, Инк. | System and method for augmented and virtual reality |
| US9885877B2 (en) * | 2014-12-08 | 2018-02-06 | Seiko Epson Corporation | Image display apparatus having an optical scanner |
| RU2678481C2 (en) * | 2013-11-05 | 2019-01-29 | Сони Корпорейшн | Information processing device, information processing method and program |
| WO2020232170A1 (en) * | 2019-05-14 | 2020-11-19 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | A light combiner employing a curved waveguide system |
| US20230393324A1 (en) * | 2020-11-06 | 2023-12-07 | Sony Group Corporation | Image display device and image display method |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621633C2 (en) * | 2011-10-28 | 2017-06-06 | Мэджик Лип, Инк. | System and method for augmented and virtual reality |
| RU2678481C2 (en) * | 2013-11-05 | 2019-01-29 | Сони Корпорейшн | Information processing device, information processing method and program |
| US9885877B2 (en) * | 2014-12-08 | 2018-02-06 | Seiko Epson Corporation | Image display apparatus having an optical scanner |
| WO2020232170A1 (en) * | 2019-05-14 | 2020-11-19 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | A light combiner employing a curved waveguide system |
| US20230393324A1 (en) * | 2020-11-06 | 2023-12-07 | Sony Group Corporation | Image display device and image display method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bang et al. | Lenslet VR: thin, flat and wide-FOV virtual reality display using fresnel lens and lenslet array | |
| US11307414B2 (en) | Near-eye display system | |
| JP7121116B2 (en) | Waveguide-based optical system and method for augmented reality systems | |
| US10955676B2 (en) | Head mounted imaging apparatus with optical coupling | |
| JP6867999B2 (en) | Imaging light guide with reflective conversion array | |
| US8233204B1 (en) | Optical displays | |
| US12013538B2 (en) | Augmented reality (AR) eyewear with a section of a fresnel reflector comprising individually-adjustable transmissive-reflective optical elements | |
| US8848289B2 (en) | Near-to-eye display with diffractive lens | |
| US8773599B2 (en) | Near-to-eye display with diffraction grating that bends and focuses light | |
| Xu et al. | Methods of optimizing and evaluating geometrical lightguides with microstructure mirrors for augmented reality displays | |
| US11994684B2 (en) | Image light guide with zoned diffractive optic | |
| EP4241126B1 (en) | Head-mounted display and method for assembling a waveguide combiner with virtual image focus | |
| CN104204871A (en) | Sandwiched diffractive optical combiner | |
| CN104614858A (en) | Saw tooth structure plane waveguide visual optical display device for enhancing reality | |
| CN107015368A (en) | A kind of nearly eye binocular display devices | |
| EP4290294A1 (en) | Optical apparatus and display device | |
| TW202424570A (en) | Optical lens assembly and head-mounted electronic device | |
| CN108828780A (en) | A kind of nearly eye display Optical devices based on holographic grating | |
| Lee et al. | Key issues and technologies for AR/VR head-mounted displays | |
| US20240160023A1 (en) | Protection of augmented reality (ar) display in near-eye display device | |
| Zhang et al. | Design, analysis and optimization of a waveguide-type near-eye display using a pin-mirror array and a concaved reflector | |
| Wu et al. | Design of ultra-compact augmented reality display based on grating waveguide with curved variable-period grating | |
| CN112083568A (en) | Augmented reality display device and augmented reality glasses | |
| RU2848686C1 (en) | Device (variations) for displaying augmented reality, method (variations) of operation of aforementioned device, augmented reality glasses (variations) based on aforementioned device | |
| Li et al. | Neutral density filter-based catadioptric optical design for thin virtual reality head-mounted device |