ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Предлагаемое устройство для формирования изображений дополненной реальности относится к оптическим приборам и может быть использовано в различного рода носимых оптических устройствах, в которых требуется предоставление дополнительной информации пользователю в режиме реального времени на том же поле, из которого в глаз поступает естественная зрительная информация об окружающем пространстве. Таким образом, текстовая, графическая и видеоинформация проецируется во входной зрачок глаза пользователя, тем самым расширяя и дополняя информацию, поступающую в результате наблюдения за окружающей обстановкой.
Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея [1], содержащая источник изображения, комбинер, первый светоделитель, оптический объектив, включающий два компонента, апертурную диафрагму и второй светоделитель, при этом первый компонент оптического объектива включает шесть линз, а второй - одну. Недостатком указанного устройства дополненной реальности является сложность исполнения первого компонента оптического объектива, состоящего из шести линз, а также использование светоделителя в качестве средства вывода изображения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является оптическое устройство для формирования изображений дополненной реальности [2]. Устройство содержит источник видимого электромагнитного излучения, конденсор, формирующий параллельные пучки s- и р-поляризованного видимого электромагнитного излучения, микродисплей, волновод со встроенным в него средством ввода светового излучения, выполненным с возможностью формирования поляризованных пучков, по меньшей мере, два поляризационных светоделителя с возможностью разделения и перенаправления падающих пучков, фокусирующий оптический элемент, четвертьволновую пластину для изменения состояния поляризации падающего излучения и средство вывода, содержащее, по меньшей мере, два поляризационных светоделителя.
Недостатком устройства является наличие нескольких светоделителей и четвертьволновых пластин, как составных элементов устройства, к которым предъявляется требование наличия селективности по определенному типу поляризации, что значительно усложняет оптическую схему и конструкцию изделия. Линейная передача излучения по волноводу с двумя входными и выходными светоделителями требует толщины волновода, как минимум, равной половине ширины матрицы дисплея, что приводит к ухудшению его массогабаритных характеристик.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства, уменьшение габаритных размеров и веса волновода, а также улучшение качества передаваемого изображения.
Поставленная задача в оптическом устройстве для формирования изображений дополненной реальности, содержащем микродисплей, систему освещения микродисплея с источником видимого электромагнитного излучения и конденсором, фокусирующий оптический элемент, поляризационный светоделитель и волновод, содержащий средство ввода видимого электромагнитного излучения и средство вывода видимого электромагнитного излучения и перенаправления пучков видимого электромагнитного излучения с информацией во входной зрачок глаза наблюдателя, отличающаяся тем, что поляризационный светоделитель расположен между системой освещения микродисплея и микродисплеем с возможностью направления излучения от микродисплея через фокусирующий оптический элемент на средство ввода видимого электромагнитного излучения в волновод, причем фокусирующий оптический элемент выполнен с возможностью формирования видимого электромагнитного излучения на бесконечность, средство ввода видимого электромагнитного излучения выполнено в виде отражающего зеркала, а средство вывода видимого электромагнитного излучения из волновода и перенаправления пучков видимого электромагнитного излучения с информацией во входной зрачок глаза наблюдателя выполнено в виде хотя бы одной полупрозрачной отражающей поверхности с многослойным интерференционным покрытием, выполненным с возможностью селекции оптического излучения по углу падения и по поляризации.
Конденсор системы освещения микродисплея выполнен с возможностью ограничения угла падения видимого электромагнитного излучения на матрицу микродисплея и включает не менее двух линз.
Поляризационный светоделитель выполнен в виде призмы с полупрозрачным зеркалом, а фокусирующий оптический элемент выполнен в виде осесимметричного объектива с несколькими оптическими поверхностями, хотя бы одна из которых является асферической, при этом на оптические поверхности нанесены интерференционные покрытия.
На фигуре 1 приведена схема оптического устройства для формирования изображений дополненной реальности.
Заявляемое устройство содержит поляризационный светоделитель 1, выполненный в виде призмы с полупрозрачным зеркалом 2, по сторонам от которой расположены микродисплей 3 с матрицей 4 и система освещения микродисплея с источником видимого электромагнитного излучения 5 и конденсором 6, включающем не менее двух линз 7; фокусирующий оптический элемент 8, выполненный в виде осесимметричного объектива, формирующего видимое электромагнитное излучение на бесконечность, с несколькими оптическими поверхностями 9, из которых, как минимум, одна является асферической 10. На оптические поверхности 9 и 10 фокусирующего оптического элемента 8 могут быть нанесены интерференционные покрытия. При этом все интерференционные покрытия, используемые в осесимметричном объективе, могут быть выполнены из материалов с различным показателем преломления. Устройство так же включает волновод 11, представляющий собой прозрачную в видимом диапазоне оптического спектра пластину, которая обеспечивает передачу видимого электромагнитного излучения и содержит на входе средство ввода 12 видимого электромагнитного излучения, выполненное в виде отражающего зеркала, а на выходе - средство вывода 13 видимого электромагнитного излучения и перенаправления пучков видимого электромагнитного излучения с информацией во входной зрачок глаза наблюдателя, выполненное в виде хотя бы одной полупрозрачной отражающей поверхности с многослойным интерференционным покрытием, селекция оптического излучения в котором осуществляется по углу падения и по поляризации.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство работает следующим образом.
Источник видимого электромагнитного излучения 5 в зависимости от типа матрицы 4 микродисплея 3 формирует последовательность импульсов красного, синего, зеленого видимого электромагнитного излучения или непрерывный поток белого видимого электромагнитного излучения. Импульсы видимого электромагнитного излучения или непрерывный поток проходят через линзы 7 конденсора 6, которые ограничивают угол падающего видимого электромагнитного излучения на матрицу, затем падают на полупрозрачное зеркало 2 поляризационного светоделителя 1, после которого часть отраженного от полупрозрачного зеркала видимого электромагнитного излучения попадает на поверхностность матрицы 4 микродисплея 3. При подаче источником видимого электромагнитного излучения 5 последовательности импульсов красного, синего и зеленого видимого электромагнитного излучения матрица 4 работает в режиме смены отображаемых цветовых полей с частотой, равной частоте смены цветов источником видимого электромагнитного излучения 5, причем смена цветовых полей матрицы 4 микродисплея 3 и источника видимого электромагнитного излучения 5 синхронизирована. Например, при формировании светодиодом импульса красного цвета, на матрице отображается красное цветовое поле. При этом полноцветное изображение формируется путем смешения базовых цветов, отражающихся от поверхности матрицы. При подаче непрерывного потока белого видимого электромагнитного излучения полноцветное изображение формируется за счет RGB фильтров, выполненных на поверхности матрицы.
Отразившись от поверхности матрицы 4, излучение повторно попадает на поверхность полупрозрачного зеркала 2 поляризационного светоделителя 1, после чего прошедшая часть видимого электромагнитного излучения без изменений попадает в фокусирующий оптический элемент 8, где с использованием оптических поверхностей 9 происходит формирование изображения на бесконечность и, с использованием асферической поверхности 10, снижается количество паразитных переотражений. Интерференционные покрытия, нанесенные на оптические поверхности 9 и 10 фокусирующего оптического элемента 8, минимизируют потери излучения в осесимметричном объективе за счет снижения уровня отражения оптических поверхностей.
Из фокусирующего оптического элемента 8 видимое электромагнитное излучение передается в волновод 11 на средство ввода 12, выполненное в виде отражающего зеркала, от которого происходит полное отражение падающего видимого электромагнитного излучения под углом, большим угла полного внутреннего отражения. Распространение излучения вдоль волновода 11 происходит без оптических потерь, связанных с возможным выходом изучения за пределы волновода.
Средство вывода 13 видимого электромагнитного излучения с интерференционными покрытиями используется для перенаправления видимого электромагнитного излучения во входной зрачок глаза наблюдателя 14. При этом интерференционные покрытия являются частично отражающими зеркалами, и коэффициент отражения зависит от угла падения излучения и его поляризации. Селекция видимого электромагнитного излучения по углу падения и по поляризации на интерференционных покрытиях, нанесенных на полупрозрачную отражающую поверхность, повышает контрастность изображения без снижения коэффициента пропускания заднего плана.
Таким образом, благодаря предложенной конструкции оптического устройства для формирования изображений дополненной реальности с одним отдельным светоделителем удалось упростить конструкцию устройства и уменьшить габаритные размеры и вес волновода, а также улучшить качество передаваемого изображения за счет увеличения контрастности путем ограничения угла падения видимого электромагнитного излучения на матрицу микродисплея и использования интерференционных покрытий на полупрозрачной отражающей поверхности.
Источники информации:
1. Патент RU 2353958, опубликованный 27.04.2009 г.
2. Патент RU 2579804, опубликованный 10.04.2016 г.