ЛИНЗА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ЗРЕНИЯ СО СРЕДСТВАМИ ДОПОЛНЕННОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ
CORRECTIVE LENS WITH AUGMENTED VIRTUAL REALITY TOOLS

Изобретение относится к оптическим приборам, а именно к устройствам для формирования изображений дополненной̆ реальности [МПК G02B27/02, G02B27/22, G02B5/18].
Большинство устройств дополненной реальности разрабатываются для пользователей с идеальным зрением, однако, согласно недавнему исследованию половина населения земного шара будет близорукой к 2050 году, а высокая близорукость затронет 9,8% населения [THE IMPACT OF MYOPIA AND HIGH MYOPIA, University of New South Wales, опубл. 2015]. Поскольку очки дополненной реальности, как правило, становятся повседневными устройствами, они должны быть удобны для использования людьми с любым типом нарушения зрения.
Из уровня техники известен ДИСПЛЕЙ С ДИФРАКЦИОННОЙ ЛИНЗОЙ [CN104145208 (A), опубл. 12.11. 2014], включающий волновод, поляризатор окружающего света и поляризатор с сеткой с дифракционной линзой, имеющей функцию линзы, структурированную в поляризатор с сеткой. Свет поляризованного изображения направляется между обращенной к глазам и внешней сторонами волновода от источника отображения в зону обзора волновода, где свет поляризованного изображения направляется из волновода через обращенную к глазам сторону. Область просмотра пропускает окружающий свет, падающий со стороны окружающей среды, на сторону глаз. Поляризатор окружающего света расположен рядом с внешней стороной, чтобы поляризовать окружающий свет в поляризованный окружающий свет, имеющий вторую поляризацию, ортогональную первой поляризации. Поляризатор с проволочной сеткой расположен рядом со стороной, обращенной к глазам, вдоль области просмотра.
Также из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ [CN106257319 (A), опубл. 28.12.2016], приспособленное для размещения перед по меньшей мере одним глазом пользователя и включающее в себя рамку, выступающую оптическую систему, по меньшей мере, один волновод и по меньшей мере одну линзу. Выдвижная оптическая система сконфигурирована для обеспечения луча изображения и расположена на раме. Волновод и линза расположены на пути прохождения луча изображения. Волновод имеет боковую поверхность, а боковая поверхность имеет первую кривизну. Волновод расположен на поверхности линзы. Поверхность имеет вторую кривизну, и первая кривизна такая же, как вторая кривизна, чтобы связывать боковую поверхность и поверхность друг с другом. Луч изображения передается в глаз через линзу для отображения виртуального изображения после передачи на линзу через волновод.
Недостатком данных аналогов являются большие габаритные размеры устройств дополненной реальности, обусловленные совместным использование корректирующей линзы и световода для передачи в глаза изображения дополненной реальности, кроме того для высоких аберраций толщина такого AR-дисплея будет довольно большой, плоскость будет достаточно плоской, что приведет к увеличению размера волновода с офтальмологической линзой.
Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ С КОРРЕКЦИЕЙ ЗРЕНИЯ [JP2018528446 (A), опубл. 27.09.2018], включающее в себя изогнутый световод, изогнутый прозрачный компонент и выходной соединитель. Изогнутый световодный компонент направляет свет дисплея, принимаемый в области ввода, и излучает свет дисплея в направлении глаз в области просмотра. Выходной соединитель расположен в области просмотра для перенаправления света дисплея в направлении глаз для вывода из изогнутого световодного компонента, при этом выходной соединитель, по меньшей мере, частично пропускает окружающий свет, падающий через обращенную к миру сторону, так что область просмотра является прозрачной. Изогнутый прозрачный компонент сопряжен с обращенной к миру стороной изогнутого световода. Изогнутый оптический волноводный элемент направляется посредством внутреннего полного внутреннего отражения (TIR). От области ввода к области отображения вдоль границы раздела между первым адгезивным слоем и изогнутым оптическим волноводным элементом.
Основной технической проблемой прототипа является недостаточная четкость видения изображения окружающего мира и изображения дополненной реальности людьми с нарушениями зрения поскольку с одной стороны известная оптическая система не корректирует изображение реального мира в соответствии с отклонениями зрения пользователя, а с другой стороны спектры излучения окружающего мира и дополненной реальности накладываются, что приводит к размытию изображения дополненной реальности.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение четкости изображения реального мира и изображения дополненной реальности у людей с отклонениями зрения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что линза для коррекции зрения со средствами дополненной виртуальной реальности, содержащая микродисплей и линзу-волновод, на торцевом срезе которой выполнена поверхность со светоделительным покрытием, отличающаяся тем, что на торцевом срезе линзы-волновода выполнена поверхность со светоделительным покрытием в виде дихроичного покрытия, к которому приклеена ответная часть линзы таким образом, чтобы линза-волновод и ответная часть линзы образовывали корректирующую линзу для очков, модуляционная передаточная функция которой больше 45 пар линий/мм,  функция передачи модуляции в поле корректирующей линзы больше 30 пар линий/мм, искажение менее 5%, с противоположной стороны относительно поверхности со светоделительным покрытием  у линзы-волновода расположен микродисплей, поверх корректирующей линзы нанесено покрытие из светофильтра, выполненное с возможностью подавления спектра светового излучения окружающего мира соответствующего спектру излучения микродисплея, выполненного с возможностью формирования виртуального цветного изображения разрешением с виртуальной диагональю поля зрения больше 40 градусов и средней оптической производительности контраста больше 0,4 по всему полю.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана оптическая схема.
На фиг.2 показан укрупненный вид оптического объединителя.
На фиг.3 показаны очки с линзами для коррекции зрения с вертикально ориентированным полем зрения дополненной виртуальной реальности.
На фиг.4 показаны очки с линзами для коррекции зрения с горизонтально ориентированным полем зрения дополненной виртуальной реальности.
На фиг.5 показана модель оптической системы.
На фиг.6 показана модуляционная передаточная функция (МТФ).
На фиг.7 показана 3D-модель системы, полученная при моделировании изображения в LightTools.
На фиг.8 показана комбинированное изображение на сетчатке, полученная при моделировании изображения в LightTools.
На фигурах обозначено: 1 – линза-волновод, 2 – поверхность со светоделительным покрытием, 3 – ответная часть линзы, 4 – корректирующая линза для очков, 5 – внешнее покрытие корректирующей линзы, 6 – микродисплей, 7 – очки, 8 – зрачок, 9 – глаз, 10 – плоскость фокусировки реального изображения.
Осуществление изобретения
Линза для коррекции зрения со средствами дополненной виртуальной реальности содержит (см. Фиг.1) линзу-волновод 1, на торцевом срезе которой выполнена поверхность со светоделительным покрытием 2 в виде дихроичного покрытия, к которому приклеена ответная часть линзы 3 таким образом, чтобы линза-волновод 1 и ответная часть линзы 3 образовывали корректирующую линзу для очков 4, модуляционная передаточная функция которой больше 45 пар линий/мм,  функция передачи модуляции в поле корректирующей линзы больше 30 пар линий/мм, искажение менее 5%.
На внешней стороне корректирующей линзы для очков 4 нанесено покрытие из светофильтра, выполненного с возможностью подавления спектра светового излучения окружающего мира.
С противоположной стороны относительно поверхности со светоделительным покрытием 2 на линзе-волноводе 1 расположен микродисплей 6, при этом профиль корректирующей линзы для очков 4 выполнен сужающимся по направлению от микродисплея 6. Геометрия оптической системы – микродисплей 6, корректирующая линза-волновод 1 и поверхность со светоделительным покрытием 2 выполнена таким образом, чтобы световые пучки от микродисплея 5 полностью отражались от внутренней поверхности корректирующей линзы-волновода 1 и отражались от поверхности со светоделительным покрытием 2 по направлению к зрачку 9 глаза 10. Для этого могут быть выполнены разнообразные ответные формы микродисплея 6 и оптического объединителя 2, а также между микродисплеем 6 и корректирующей линзой-волноводом может быть расположена линза или несколько линз для формирования пучков. Микродисплей выполнен с возможностью формирования виртуального цветного изображения разрешением с виртуальной диагональю поля зрения больше 40 градусов и средней оптической производительности контраста больше 0,4 по всему полю.
Поверхность со светоделительным покрытием 2 в виде дихроичного покрытия позволяет отражать узкий спектр излучения, который соответствует спектру излучения микродисплея 6, и пропускать все остальное излучение из окружающей среды без потерь.
Корректирующая линза для очков 4 может быть выполнена из поликарбоната или других марок стекла.
Также внешнее покрытие корректирующей линзы 5 в альтернативных вариантах реализации может быть выполнено в виде защитного ультрафиолетового покрытия или других видов защитных покрытий.
Линзу для коррекции зрения со средствами дополненной виртуальной реальности можно использовать в очках 7.
При боковом расположении микродисплея 6 на корректирующей линзе для очков 4 поле зрения дополненной виртуальной реальности будет вертикально ориентированным (см. Фиг.3), при расположении микродисплея 6 сверху или снизу корректирующей линзы для очков 4 поле зрения дополненной виртуальной реальности будет горизонтально ориентированным (см. Фиг.4).
Заявленное техническое решение работает следующим образом.
Первоначально для пользователя согласно заявленного технического решения подбирают корректирующие линзы для очков 4 в соответствии с его отклонениями зрения таким образом, чтобы корректирующие линзы для очков 4 полностью устраняли отклонения его зрения в отношении изображения окружающего мира.
При использовании очков 7 микродисплей 6 излучает в линзу-волновод 1 изображение дополненной реальности, при этом световые лучи от микрокродисплея 6 при прохождении линзы-волновода 1 полностью отражаются от его внутренней поверхности (от 2 до 7 раз) и от поверхности с дихроичным светоделительным покрытием 2 в сторону зрачка 8 глаза 9.
После отражения светового излучения от поверхности со светоделительным покрытием 2 оно накладывается на световое излучение окружающего мира (см. Фиг.2), которое проходит через внешнее покрытие корректирующей линзы 5, корректирующую линзу-волновод 1,  поверхность со светоделительным покрытием 2 и ответную часть корректирующей линзы-волновода 3, при этом внешнее покрытие корректирующей линзы обрезает полосу спектра излучения окружающего мира, соответствующего спектру излучения микродисплея 6. Таким образом, пользователь воспринимает четкое изображение окружающего мира и одновременно изображения дополненной реальности (см. Фиг.8).
Рассмотрим пример достижения технического результата.
Пусть у пользователя имеются отклонения зрения, выраженные в близорукости, для чего ему подбирают очки 7 (см. Фиг.3) для устранения близорукости, за счет чего у пользователя формируется четкая картина окружающего мира. После чего пользователь может использовать очки 7 в таком месте, где изображение окружающего мира имеет спектр, соответствующий спектру излучения микродисплея 6, при этом спектр света окружающего мира, соответствующего спектру излучения микродисплея 6 подавляется при прохождении через внешнее покрытие корректирующей линзы 5 за счет чего не размывается изображение дополненной реальности.
Таким образом, технический результат изобретения достигается за счет комбинации использования корректирующей линзы для очков 4, состоящей из линзы-волновода 1 и ответной части линзы 3, которые исправляют отклонения зрения пользователя от нормы и делают изображение окружающего мира четким, а также за счет использования дихроичной поверхности со светоделительным покрытием 2, которое отражает в направление глаза 9 только спектр излучения микродисплея 6 и пропускает излучение окружающего мира в совокупности с внешним покрытием корректирующей линзы 5, которое подавляет спектр излучения окружающего мира, который соответствует спектру излучения микродисплея 6 за счет чего получается четкое без размытий изображение дополненной реальности.
В 2021 году заявитель изготовил опытный образец заявленного технического решения, опытная эксплуатация которого позволила подтвердить достижение технического результата, а также выявить ряд закономерностей:
чем выше оптическая сила офтальмологической линзы, тем больше сагиттальный подъем, тем больше кривизна линзы.
чем выше показатель преломления, тем меньше кривизна поверхности офтальмологической линзы и тем большее поле зрения будет передавать волновод.
чем больше диаметр линзы, тем больше кривизна, при этом уменьшение диаметра на 10% приводит к изменению толщины примерно на 20%, а зависимость от показателя преломления еще сильнее.
Кроме того, длина волновода и кривизна поверхности со светоделительным покрытием 2 связаны.
Оптическая сила Pc в диоптриях офтальмологической линзы может быть получена непосредственно из рецепта очков. Конструкция офтальмологической линзы должна следовать из уравнения:
где fc-фокусное расстояние корректирующей линзы, nc и nair, в свою очередь, обозначают показатели преломления корректирующей линзы и воздуха, а R1 и R2-радиусы кривизны первой и второй поверхностей корректирующей линзы соответственно.
Из данного уравнения следует, что кривизна оптического объединителя 2 пропорциональна фокусному расстоянию. Это означает, что чем длиннее линза-волновод 1, тем выше кривизна поверхности со светоделительным покрытием 2. Это значение должно быть рассчитано и ограничено, иначе световые лучи будут фокусироваться внутри корректирующей линзы-волновода 1 и расходиться на микродисплее 6. Для того, чтобы получить сходящиеся лучи на микродисплее 6 и получить качественное изображение, радиус и асферичность поверхности со светоделительным покрытием 2 должны быть ограничены.
Поверхность со светоделительным покрытием 2, так и волноводная подложка разработаны со стандартной формой поверхностей – сферический и асферический (в случае высоких аберраций) типы. Это обстоятельство делает предложенную технику пригодной и удобной для массового производства и внедрения на рынке. В случае необходимости корректировки высоких отклонений зрения могут быть использованы поверхности свободной формы (фриформ).
Рассмотрим пример практической реализации заявленного технического решения (см. Фиг.5-8).
Толщина линзы-волновода составляет примерно 5,96 мм, а длина-около 30-40 мм. В качестве микродисплея 6 использован дисплей Sony ECX335S размером 15,5 мм x 8,7 мм и с цветовым разрешением 1920x1080. Данный дисплей позволяет сформировать виртуальное цветное изображение разрешением с виртуальной диагональю поля зрения > 40 градусов и средней оптической производительности контраста >> 0,4 по всему полю.
В качестве волноводного материала использован поликарбонат с показателем преломления Nd = 1,5854699 и числом Аббе Vd = 29,90918498,
В таблице приведен пример достигнутых результатов для корректирующей линзы для очков 4 (см. Фиг.5).
<b>Параметр</b>
<b>Достигнутый результат</b>
Диагональ  поля зрения (°)
42.75
Размер зрачка
3x3
Расстояние до зрачка (мм)
20-25
Материал линзы
Поликарбонат
Модуляционная передаточная функция (пар линий/ мм)
>45
Функция передачи модуляции в поле (пар линий/ мм)
>30
Искажение (%)
<5
Эффективность от дисплея до сетчатки (%)
40
Окончательная конструкция имеет поле зрения 15x40 градусов и диагональ поля зрения 42,75 градуса.
Для рассмотренного варианта реализации световые лучи от микродисплея 6 при прохождении пятикратно отражались в линзе-волноводе 1 и после отражения на поверхности со светоделительным покрытием 2 попадают в зрачок 9 глаза 10.
Поверхность со светоделительным покрытием 2 световые лучи от реального изображения пропускает через себя в зрачок 6 глаза 7, а лучи от микродисплея 6 отражает. В результате прошедшие излучение формирует виртуальное изображение, и оно накладывается поверх картины реального мира, при этом внешний светофильтр 5 подавляет спектр излучения окружающего мира, соответствующего спектру излучения микродисплея 6.
Преимуществом от заявленного изобретения является то, что создана оптическая система, которая передает виртуальное изображение и в то же время исправляет зрение пользователя за счет использования офтальмологической линзы в качестве световода для передачи виртуального изображения в глаз.
Одной из главных особенностей заявленного технического решения является то, что был использован единственный стандартный тип поверхности объединителя зеркал, а также стандартный тип волноводных поверхностей, что факт сокращает затраты и время на изготовление.
Кроме того, совокупность волновода с полным внутренним отражением и поверхности со светоделительным покрытием 2 делает эту систему высокоэнергетичной, при этом модель системы в s/w LightTools, и системный анализ показал эффективность 40% от дисплея до сетчатки.