УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ОБЪЕМНЫХ ГОЛОГРАММ
INFORMATION DISPLAY DEVICE USING VOLUME HOLOGRAMS

Область техники
Изобретение относится к устройствам отображения цифровой информации, а именно к дисплеям дополненной и виртуальной реальности и может применяться в качестве очков дополненной реальности или шлема дополненной реальности.
Описание предшествующего уровня техники
Очки дополненной реальности – это устройство отображения информации индивидуального пользования, размещенное на голове пользователя перед глазами таким образом, что на сетчатке глаз формируется цифровое изображение, сгенерированное этим устройством, при этом цифровое изображение накладывается на изображение окружающего мира. Устройства такого типа обычно формируют цифровое изображение для каждого глаза отдельно, т.е. формирует бинокулярные изображения, однако, существуют и бинокулярные технологические решения, формирующие одно изображение для обоих глаз. Все устройства, формирующие виртуальные изображения, состоят из нескольких основных блоков: блок генерации изображения (при необходимости, с системой подсветки), оптический блок преобразования изображения, оптический элемент для проецирования изображения на сетчатку. Блок генерации изображения содержит в себе пространственный дисплей, например, LCoS, LCD, uLED, OLED, или систему формирования изображения посредством сканирования лазерного луча (LBS – laser beam scanning). Оптический блок содержит в себе комбинацию линз, зеркал, поляризационных элементов, осуществляющих преобразование изображения. Основным элементом устройств дополненной реальности является прозрачный оптический элемент, находящийся перед глазом пользователя и осуществляющий формирование изображения на сетчатке глаза. Такой элемент может представлять собой полупрозрачное зеркало, голограмму, дифракционную решетку, набор микрозеркал.
Одним из удачных решений является система на основе полупрозрачного сферического зеркала с расположенным в фокальной плоскости голографическим диффузором US20170227764A1 [1]. Несмотря на преимущества системы – широкое поле зрение и большой выходной зрачок, такое решение не является компактным. Похожее, улучшенное решение на основе комбинации голографического диффузора и голографической линзы описано в статье Jiwoon Yeom et.al Projection-type see-through near-to-eye display with a passively enlarged eye-box by combining a holographic lens and diffuser, Optics Express, Vol.29, Issue 22, pp. 36005-36020 [2].
Наиболее близким к заявленному изобретению является система, описанная в патентной заявке US20170227764A1 [1], которая состоит из комбинации голографического диффузора и вогнутого полупрозрачного зеркала, которые формируют виртуальное изображение на конечном или бесконечном расстоянии от зрителя.
Использование сферического зеркала в качестве элемента для формирования виртуального изображения ограничивает применение такой системы в устройствах дополненной реальности из-за больших габаритов системы. В дополнение к этому, полупрозрачное зеркало пропускает не более 50-ти процентов излучения, приходящего от окружающего мира, что приводит к затемнению изображения и ограничению использования устройства в условиях недостаточной освещенности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства отображения информации с:
- улучшенными выходными характеристиками, а именно широким полем зрения при большом выходном зрачке;
- улучшенной компактностью системы за счет использования плоской осевой голограммы в качестве элемента, формирующего изображение на сетчатке пользователя;
- улучшенной компактностью системы за счет использования оптического элемента, перенаправляющего излучение от проектора и формирующего изображение в плоскости внеосевой объемной голограммы;
- увеличенной прозрачностью, за счет использования объемных голограмм, обладающих селективностью по длине волны;
- улучшенной эффективностью за счет соответствия длин волн работы сканирующего проектора и голограмм.
Технический результат достигается путем создания устройства отображения цифровой информации, содержащего, по меньшей мере, одну осевую объемную голограмму, формирующую цифровое изображение на сетчатке пользователя; по меньшей мере, одну внеосевую объемную голограмму, выполняющую функцию перенаправления излучения и изменения его угловой расходимости; по меньшей мере, один LBS проектор, выполненный с возможностью формирования действительного изображения путем сканирования лазерного луча посредством вращения MEMS зеркала; по меньшей мере, один оптический элемент с возможностью перенаправления излучения от сканирующего проектора и формирования изображения в области внеосевой объемной голограммы; по меньшей мере, один блок формирования и предварительной обработки цифровой информации, выполненный с возможностью передачи этой информации на LBS проектор. Упомянутая осевая объемная голограмма выполнена с возможностью преобразования расходящийся их определенной плоскости лучей в параллельные, при этом положение и форма этой плоскости определяются параметрами схемы записи такой голограммы, а именно положением конструктивных точек записи. При этом существует частный случай, при котором промежуточное изображение осевой объемной голограммы обладает нулевой кривизной, что достигается условиями записи, в которой конструктивные точки записи опорной и объектной волн находятся на одном оптическом расстоянии от плоскости осевой объемной голограммы. В этом случае, восстановление осевой объемной голограммы происходит волной, имеющей конфигурацию, отличающуюся от конфигурации опорной волны записи голограммы, а именно, восстановление голограммы происходит из плоскости промежуточного изображения осевой объемной голограммы расходящимися пучками. В качестве источника изображения в данном устройстве используется LBS сканирующий проектор, излучение которого преобразуется и перенаправляется упомянутым выше оптическим элементом таким образом, чтобы сформировать действительное изображение в области внеосевой объемной голограммы, которая в свою очередь расположена в плоскости промежуточного изображения осевой объемной голограммы, и выполнена с возможностью преобразования излучения по углу расходимости и с возможностью перенаправления падающего на него излучения. Таким образом, LBS проектор, управляемый с помощью блока управления, формирует действительное изображение путем сканирования лазерного луча посредством вращения MEMS зеркала. Излучение от сканирующего проектора преобразуется с помощью упомянутого оптического элемента, который переносит действительное изображение в плоскость внеосевой объемной голограммы, которая расположена в плоскости промежуточного изображения осевой объемной голограммы. Внеосевая объемная голограмма преобразует падающее на нее излучение по углу расходимости и перенаправляет излучение в сторону осевой объемной голограммы, которая в свою очередь преобразует расходящиеся из плоскости промежуточного изображения лучи в параллельные, которые накладываются в плоскости выходного зрачка системы и затем попадают в оптическую систему глаза пользователя и фокусируются на сетчатке глаза, при этом пользователь наблюдает цифровое изображение, а также изображение окружающего мира одновременно. При этом рабочий спектральный диапазон, на котором работает LBS проектор совпадает с пиковыми значениями длин волн, на которых работают осевая и внеосевая объемные голограммы. При этом заявляемое устройство характеризуется тем, что внеосевая объемная голограмма и осевая объемная голограмма обладают селективностью по длине волны и по углу, с возможностью функционирования для набора длин волн. При этом упомянутый оптический элемент может быть выполнен в виде F-theta линзы, а также в виде призменного оптического элемента с оптической силой, способный формировать изображение в плоскости внеосевой объемной голограммы, при этом форма формируемого изображения совпадает с формой промежуточного изображения осевой объемной голограммы и, следовательно, с формой внеосевой объемной голограммы. Осевая и внеосевая голограммы представляют собой трехмерные интерференционные структуры с переменным периодом, выполненные в виде метаповерхностей или в виде распределения показателя преломления внутри фоточувствительного материала. При этом голограммы расположены на поверхностях подложек, выполненных из оптического материала.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом соответствующими чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг.1 - представлена схема отображения информации пользователю согласно изобретению.
Фиг.2 - представлена схема записи осевой объемной голограммы;
Фиг.3 – представлена схема восстановления осевой объемной голограммы;
Фиг.4 - представлена схема записи внеосевой объемной голограммы;
Фиг.5 – представлена схема восстановления внеосевой объемной голограммы;
Фиг.6 – представлена схема воплощения устройства отображения информации в виде очков дополненной реальности.
1 – осевая объемная голограмма;
2 – подложка осевой объемной голограммы;
3 – плоскость промежуточного изображения осевой объемной голограммы;
4 – внеосевая объемная голограмма;
5 - подложка внеосевой объемной голограммы;
6 – оптический элемент;
7 – LBS проектор;
8 – лазерные источники излучения;
9 – MEMS зеркало;
10 - блок управления;
11 - расходящиеся световые пучки;
12 – параллельные световые пучки;
13 – плоскость выходного зрачка системы;
14 – глаз пользователя;
15 – цифровое изображение, сформированное на сетчатке глаза;
16 – виртуальное изображение, наблюдаемое пользователем;
17 – изображение окружающего мира;
18 – изображение окружающего мира, сформированное на сетчатке глаза;
19 – опорная волна при записи осевой объемной голограммы;
20 – объектная волна при записи осевой объемной голограммы;
21 – зеркало для записи осевой объемной голограммы;
22 – опорная волна при восстановлении осевой объемной голограммы;
23 – объектная волна при восстановлении осевой объемной голограммы;
24 - опорная волна при записи внеосевой объемной голограммы;
25 - объектная волна при записи внеосевой объемной голограммы;
26 - опорная волна при восстановлении внеосевой объемной голограммы;
27 - объектная волна при восстановлении внеосевой объемной голограммы;
28 – очки дополненной реальности;
29 – корпус для размещения оптических элементов устройства отображения цифровой информации;
30 – голова пользователя.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Пример осуществления настоящего изобретения будет описан ниже. Примерный вариант осуществления, описанный со ссылками на прилагаемые чертежи, является иллюстративным, используются только для объяснения настоящего изобретения и не должен рассматриваться как какое-либо ограничение к нему.
В общем случае заявленное устройство отображения информации с помощью объемных голограмм состоит из LBS проектора, подключенного к нему блока управления, призменного элемента свободной формы, осуществляющей преобразование излучения, исходящего от LBS проектора, внеосевой объемной голограммы и осевой объемной голограммы. Кривизна и положение внеосевой объемной голограммы соответствует кривизне и положению промежуточного изображения осевой объемной голограммы. В частном случае кривизна промежуточного изображения, а также внеосевой объемной голограммы равна нулю. Осевая объемная голограмма и внеосевая объемная голограмма могут быть выполнены в виде пропускающих или отражающих элементов и их комбинаций.
Вариант заявленного устройства на Фиг.1 содержит осевую объемную голограмму 1 отражательного типа, расположенную на прозрачной подложке 2, и имеющую промежуточное изображение в плоскости 3, внеосевую объемную голограмму 4, расположенную на прозрачной подложке 5, оптический элемент в виде F-theta линзы 6, LBS проектор 7, включающий в себя лазерные источники RGB излучения 8 и сканирующее MEMS зеркало 9, блок управления проектором 10. LBS проектор 7 сканирует лазерное излучение по углу с помощью MEMS зеркала 9, формируя действительное изображение в некоторой плоскости. Оптический элемент в виде F-theta линзы 6 выполняет преобразование излучения, исходящего от LBS проектора 7 таким образом, что действительное изображение формируется в плоскости промежуточного изображения 3 осевой объемной голограммы 1. Положение внеосевой объемной голограммы 4 совпадает с положением плоскости промежуточного изображения 3 внеосевой объемной голограммы 1. Внеосевая объемная голограмма 4 выполнена таким образом, что перенаправляет падающее на нее излучение в сторону осевой объемной голограммы 1, а также осуществляет преобразование излучения по углу расхождения. Осевая объемная голограмма 1 выполнена таким образом что преобразует расходящиеся из плоскости 3 лучи 11 в параллельные 12, которые в свою очередь накладываются в плоскости зрачка 13, и, попадая в глаз пользователя 14, фокусируются на сетчатке, тем самым формируя изображение 15. Таким образом, пользователь наблюдает виртуальное изображение 16, при этом изображение окружающего мира 17 беспрепятственно проходит через все оптические элементы (1,2,4,5) и формирует изображение на сетчатке пользователя 17.
F-theta линза 6 может быть выполнена в виде отражательной призмы, содержащей как минимум три грани оптических поверхностей, две из которых работают в режиме пропускания, а остальные в режиме отражения, при этом каждая грань призменного элемента может обладать оптической силой и иметь плоскую, сферическую, асферическую форму или форму, описываемую полиномами Цернике.
LBS проектор 7 может формировать как монохромное изображение, так и полихромное, при этом проектор может содержать одно MEMS зеркало, обеспечивающее сканирование лазерного луча в двух плоскостях, или два зеркала, осуществляющих сканирование сначала в одной плоскости, затем в другой.
Спектр излучения LBS 7 проектора соответствует длинам волн, на которых работают объемные голограммы.
O
R
I
O
R
На фиг.2 представлен вариант схемы записи осевой объемной голограммы 1 отражающего типа. Для записи осевой объемной голограммы 1 с плоским промежуточным изображением 3 создаются условия, чтобы конструктивные точки записи опорной 19 и объектной 20 волн совпадали, т.е. находились на одном расстоянии S = S от осевой объемной голограммы 1. В этом случае промежуточное изображение 3 формируется на расстоянии S от осевой объемной голограммы. При этом расстояния S = Sвыбираются согласно положению выходного зрачка системы 13. Для записи осевой объемной голограммы по предложенной схеме может быть использован метод Денисюка, в котором опорная волна 19, проходя через регистрирующую среду, отражается от зеркала 21 и преобразуется в объектную волну 20, тогда в регистрирующей среде формируется трехмерная интерференционная картина.
На фиг.3 представлен вариант схемы восстановления осевой объемной голограммы. Особенностью этой схемы является то, что конфигурации волны для восстановления голограммы отличается от волны, используемой в схеме записи. Т.е. осевая голограмма восстанавливается волной, исходящей не из точки So, а волной 22, исходящей из плоскости промежуточного изображения Si, при этом восстанавливается волна 23. При этом волна 22, используемая при восстановлении осевой объемной голограммы, удовлетворяет условиям Брэгга.
Зеркало 21 может иметь сферическую, асферическую и форму, описываемую полиномами Цернике.
На фиг.4 представлен вариант схемы записи внеосевой объемной голограммы 4 пропускающего типа. Для записи внеосевой объемной голограммы 4, расположенной на подложке 5, используются плоская опорная волна 24, освещающая голограмму 4 под углом α, и объектная сферическая волна 25.
На фиг.5 представлен вариант схемы восстановления внеосевой объемной голограммы 4, расположенной на подложке 5. Конфигурация восстанавливающей волны 26 отличается от опорной волны записи 24, однако удовлетворяет условиям Брэгга и освещает голограмму под углом α. В этом случае, объектная волна 27 восстанавливается как указано на фиг.5.
На фиг.6 представлен вариант схемы внедрения устройства отображения информации с помощью объемных голограмм в очки дополненной реальности 28. LBS проектор 7 с блоком управления 10, F-theta призма 6 размещены в корпусе 29, который может быть выполнен в виде дужек очков. При этом очки дополненной реальности 28 размещены и закреплены на голове пользователя 30 таким образом, чтобы изображение окружающего мира, а также цифровое изображение, сгенерированное устройством, беспрепятственно попадало в глаза пользователя 14.