ВОЛНОВОДНАЯ АРХИТЕКТУРА, ОСНОВАННАЯ НА ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ, ДЛЯ ОЧКОВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ С ШИРОКИМ ПОЛЕМ ЗРЕНИЯ
WAVEGUIDE ARCHITECTURE BASED ON DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS FOR AUGMENTED REALITY GLASSES WITH A WIDE FIELD OF VIEW

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к ближнепольным дисплеям, к планарным волноводам с дифракционными оптическими элементами и дисплеям, основанным на таких планарных волноводах, к очкам дополненной реальности.
Описание предшествующего уровня техники
Концепция дополненной реальности состоит в создании изображения с наложением виртуального изображения на реальную картину мира. Пользователь может просматривать картину дополненной реальности, используя устройства для просмотра дополненной реальности, в частности очки дополненной реальности.
Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV - угловая характеристика, показывающая в каком диапазоне углов можно наблюдать виртуальные изображения), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны. На данном этапе развития данной области техники максимальная ширина поля зрения составляет 60° по диагонали.
К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:
- широкое поле зрения, чтобы человеческий глаз мог охватить всю область, которую он видит, возможность накладывания виртуальных изображений на большую область;
- хорошее качество изображения;
- малый вес;
- компактность;
- низкая стоимость;
- высокое разрешение, высокий контраст и т. д.
При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Существуют разные подходы для достижения предъявляемых требований. Одни подходы могут обеспечить широкое поле зрения, но не могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Другие подходы могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, но не могут обеспечить широкое поле зрения. Классическим способом увеличения ширины поля зрения является увеличение количества волноводов в устройствах дополненной реальности. Однако, увеличение количества волноводов приводит к увеличению габаритных размеров устройства дополненной реальности, веса устройства дополненной реальности, к уменьшению разрешения устройства.
in
x
y
z
exp
На фиг. 1 схематически проиллюстрировано ограничение поля зрения при использовании дифракционных оптических элементов в устройствах дополненной реальности, известных из уровня техники. На фиг. 1 по оси абсцисс - горизонтальное поле зрения (FOV), по оси ординат - вертикальное поле зрения. На пересечении оси абсцисс и оси ординат изображен квадрат, который представляет собой изображение, которое необходимо передать для просмотра пользователю. Передаваемое изображение взаимодействует с дифракционным оптическим элементом, который уводит передаваемое изображение вправо (стрелка вектора K) и изображение попадает внутрь кольца, изображенного на фиг. 1. Это кольцо представляет собой область угловых компонент распространяющегося излучения (область компонент волновых векторов распространяющегося излучения), которые распространяются в волноводе, но не распространяются вне волновода. Угловая компонента представляет собой некоторую точку на угловой координатной сетке с угловыми координатами, например, B, B, B. Внутренняя граница кольца представляет собой область угла полного внутреннего отражения (ПВО), то есть в этом случае имеется критический угол, под которым распространяется излучение, не выходящее из волновода. Внешняя граница кольца представляет собой границу излучения, существующего внутри волновода, то есть в этом случае угол распространения излучения составляет 90° внутри волновода. Таким образом, внутри волновода существует излучение, распространяющееся под углами от угла ПВО до угла 90°. То есть при взаимодействии изображения с вводной дифракционной решеткой часть изображения отсекается, поскольку остается только часть изображения, которая может существовать только в вышеупомянутом диапазоне углов, то есть изображение отсекается в данном случае по горизонтали - справа и слева. Далее, при взаимодействии с размножающим дифракционным элементом, вектор которой помечен на фиг. 1 как К, от изображения также отсекается часть углов теми же границами, но по вертикали. Когда изображение выводится, то остается маленькое усеченное по вертикали и горизонтали изображение.
То есть, каждый из дифракционных оптических элементов дает свое ограничение по полю зрения, таким образом, чем меньше дифракционных оптических элементов содержится в устройстве дополненной реальности, тем лучше.
Для создания двумерного изображения необходимо как минимум три дифракционных оптических элемента, вводной дифракционный элемент, размножающий дифракционный элемент и выводящий дифракционный элемент. Три дифракционных оптических элемента в рамках настоящей заявки названы набором дифракционных оптических элементов. На фиг. 1 изображен один набор дифракционных оптических элементов, который выводит определенную часть поля зрения.
Стандартный способ для увеличения поля зрения заключается в увеличении количества волноводов, которые передают изображение. Однако, от увеличения количества волноводов увеличивается толщина дисплея дополненной реальности, вес, а также уменьшается прозрачность такого дисплея дополненной реальности. Если при этом уменьшать толщину волноводов, то это приведет к ухудшению изображения, воспринимаемого глазом, поскольку при уменьшении толщины волновода в зрачок попадает больше одного вывода изображения, вследствие неравномерности и неплоскостности самого волновода в глаза попадает более, чем одно вводное изображение, то есть происходит двоение изображения, резко начинает падать разрешение, качество изображения ухудшается.
Также для увеличения поля зрения увеличивают количество дифракционных оптических элементов. Однако, каждая дополнительная дифракционная решетка на волноводе увеличивает сложность изготовления волновода, из-за чего возрастают временные и финансовые затраты на изготовление такого волновода, возрастает стоимость самого устройства. Необходимо также заметить, что при любой технологии изготовления каждый оптический элемент будет обладать неустранимыми неточностями в ориентации, в периоде, в позиционировании, причем каждая неточность будет ухудшать качество изображения.
Если вводной дифракционный элемент состоит по меньшей мере из двух дифракционных оптических решеток, то луч, дифрагирующий на первой вводной решетке может продифрагировать на второй дифракционной решетке. В результате двойной дифракции излучение не пойдет по направлению, необходимому для корректной работы устройства, такое излучение после взаимодействия с размножающей решеткой и с выводной решеткой выведется в глаз пользователя и создаст паразитное изображение (ghost-image).
Также для увеличения поля зрения увеличивают показатель преломления волноводов и материалов дифракционных оптических элементов. При увеличении показателя преломления увеличивается диапазон углов, которые существуют в волноводе, но которые не существуют в воздухе. Таким образом, пользователь видит изображение с большим полем зрения. Однако фундаментальная проблема такого решения заключается в том, что материалы с высоким показателем преломления имеют поглощение в синей области спектра, и это означает, что при просмотре изображения пользователем теряется синяя часть спектра реального изображения, кроме того невозможно передавать синюю часть спектра виртуального наложенного изображения, то есть теряется цветность изображения.
Также в решениях уровня техники поле зрения увеличивают посредством изменения архитектуры планарных волноводов, то есть посредством изменения количества дифракционных оптических элементов, изменения их расположения и функционала. Наиболее известное изменение заключается в том, что вместо использования одного набора дифракционных оптических элементов используется два набора дифракционных оптических элементов, причем каждый из наборов дает свою часть поля зрения. Необходимо отметить, что при использовании двух наборов возможно увеличить ширину поля зрения в два раза, но при этом увеличивается только вертикальное поле зрения, в то время как предпочтительно увеличение как вертикального поля зрения, так и горизонтального поля зрения. То есть, при таком подходе происходит потеря горизонтального форм-фактора. Термин «форм-фактор» обозначает соотношение сторон выводимого изображения. Горизонтальный форм-фактор - это изображение с горизонтальным полем большим, чем вертикальным. Вертикальный форм-фактор - это изображение с вертикальным полем большим, чем горизонтальным.
Горизонтальный или вертикальный форм-фактор обозначает соотношение сторон выводимого изображения. Однако, если вертикальный форм-фактор и вводная дифракционная решетка находится по отношению к выводной дифракционной решетке, например, слева, то если волновод перевернуть на 90°, тогда вводная дифракционная решетка будет находиться сверху, и форм-фактор изменится с вертикального форм-фактора на горизонтальный форм-фактор. Если вводной дифракционный элемент находится сверху, то и свет в него должен быть введен сверху, то есть и проектор изображения должен быть прикреплен сверху. Таким образом, очки становятся громоздкими и больше похожими на шлем.
То есть, для уменьшения габаритов желательно, чтобы проектор изображения находился сбоку с сохранением горизонтального форм-фактора.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 20190212557 A1, дата публикации 11.07.2019, в котором раскрыты волноводные архитектуры.
В документе предоставляются системы и способы для создания проекционных дисплеев (HUD) с использованием волноводов, включающих в себя брэгговские решетки. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 2019004321 A1, дата публикации 03.01.2019, в котором раскрыто оптическое устройство для расширения входящего света в двух измерениях для дисплея дополненной реальности. Устройство состоит из волновода (12) и трех линейных дифракционных решеток H0, H1, H2. Падающий луч от проектора освещает входную решетку H0 полихроматическим светом, и этот свет попадает в волновод (12). Две другие решетки H1, H2 наложены одна на другую. Свет может дифрагировать на одной решетке H1 в первом порядке дифрагирования и в направлении другой решетки H2, которая может направлять свет из волновода (12) к наблюдателю. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 9927614 B2, дата публикации 27.03.2018, в котором раскрыта система ближнего оптического отображения, которая может использоваться в приложениях и устройствах дополненной реальности. Система включает в себя дифракционный волновод, имеющий дифракционные оптические элементы (DOE), сконфигурированные для ввода, расширения выходного зрачка и вывода. Электромодулированная перестраиваемая жидкокристаллическая (ЖК) линза расположена между дифракционной решеткой и глазами пользователя. Поляризационный фильтр расположен с другой стороны дифракционной решетки, так что свет из реального мира входит в систему с определенным состоянием поляризации. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 9874667 B2, дата публикации 23.01.2018, в котором раскрыт волновод для устройства отображения, содержащий часть плоского оптического волновода (20) для направления света, вводную дифракционную решетку (21) для дифракции принятого света (7) вдоль части оптического волновода, промежуточную дифракционную решетку (22) для приема дифрагированного света от вводной дифракционной решетки и для расширения принятого света в первом измерении за счет дифракции (8) и выводную дифракционную решетку (23) для приема расширенного света и вывода принятого расширенного света (10) от части оптического волновода путем дифракции для отображения. Вводная дифракционная решетка расположена полностью в пределах области промежуточной решетки, а векторы решеток вводной дифракционной решетки и промежуточной дифракционной решетки ориентированы в разных направлениях. Недостатками решения являются малое поле зрения, необходимость использования дополнительного зеркала, высокая сложность изготовления.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 10185151 B2, дата публикации 22.01.2019. В известном решении предлагается волноводный дисплей с малым форм - фактором, широкой областью, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, и широким полем зрения. Известный волноводный дисплей используется для представления медиа пользователю. Волноводный дисплей включает в себя узел источника света, выходной волновод и контроллер. Узел источника света включает в себя один или несколько проекторов, проецирующих изображение, по меньшей мере, вдоль одного измерения. Выходной волновод состоит из корпуса волновода с двумя противоположными поверхностями. Выходной волновод включает в себя первую решетку, принимающую свет изображения, распространяющийся вдоль входного волнового вектора, вторую решетку и третью решетку, расположенную напротив второй решетки и выводящую свет расширенного изображения с волновыми векторами, соответствующими входному волновому вектору. Контроллер управляет сканированием одной или нескольких исходных сборок для формирования двухмерного изображения. Однако, недостатком известного решения также является недостаточная ширина поля зрения, поскольку для увеличения ширины поля зрения в известном решении используется только два набора оптических элементов, недостатком также являются большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе RU 2752296 C1, дата публикации 26.07.2021. В известном решении предлагается волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности. Волновод содержит вводной дифракционный элемент, включающий первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента и второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента; первый размножающий дифракционный элемент и второй размножающий дифракционный элемент; выводной дифракционный элемент. Вводной дифракционный элемент выполнен с возможностью разделения изображения от проектора на цветовые составляющие изображения красную, зеленую, синюю, и направления хода лучей каждой из цветовых составляющих через соответствующий набор дифракционных элементов. Решение позволяет осуществить полноцветное изображение с широким полем зрения с использованием одного волновода, обеспечивает широкое поля зрения с небольшой толщиной, повысить разрешение. Недостатком предлагаемого решения является большое количество дифракционных оптических решеток, высокая сложность производства, низкая яркость изображения.
Известные решения предполагают малую ширину поля зрения, увеличение количества используемых волноводов предполагает увеличение толщины дисплея, уменьшение толщины волноводов дает ухудшение разрешения, использование высокого показателя преломления дает потерю цветности, использование двух наборов дифракционных оптических элементов дает ввод изображения сверху, из-за чего теряются габаритные характеристики, увеличение количество дифракционных оптических решеток, ухудшает качество изображения и увеличивает стоимость прибора.
Предлагаемое изобретение решает все вышеупомянутые проблемы, позволяет добиться широкого поля зрения с небольшой толщиной и полноцветностью, с хорошим разрешением и с вводом излучения сбоку.
Сущность изобретения
Предлагается волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности, причем архитектура дифракционных оптических элементов содержит: зону ввода излучения; зону размножения излучения; зону вывода излучения; первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью как ввода излучения, так и размножения излучения; второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью как ввода излучения, так и размножения излучения; вводной-выводной дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью как ввода излучения, так и вывода излучения; первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью как размножения излучения, так и вывода излучения; второй размножающий-вводной дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью как размножения излучения, так и вывода излучения; причем зона ввода излучения содержит первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию ввода излучения, второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию ввода излучения, вводной-выводной дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию ввода излучения, зона размножения излучения содержит второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения, первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения, первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения, второй размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения; зона вывода излучения содержит вводной-выводной дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию вывода излучения, второй размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию вывода излучения, первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент выполняющий функцию вывода излучения; причем зона ввода излучения выполнена с возможностью, при работе устройства дополненной реальности, разделения изображения от проектора на цветовые составляющие изображения красную, зеленую, синюю, и направления хода лучей каждой из цветовых составляющих через соответствующий набор дифракционных оптических элементов, причем, по ходу излучения: первый набор дифракционных оптических элементов состоит из: первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения; второй набор дифракционных оптических элементов состоит из: второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения; третий набор дифракционных оптических элементов состоит из: вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения; четвертый набор дифракционных оптических элементов состоит из: вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения.
Причем сумма векторов всех дифракционных оптических элементов в каждом наборе равна нулю.
Причем каждый дифракционный оптический элемент является линейным.
Причем первый набор дифракционных оптических элементов и второй набор дифракционных оптических элементов выполнены с возможностью проводить среднюю часть поля зрения, третий набор дифракционных оптических элементов выполнен с возможностью проводить верхнюю часть поля зрения, четвертый набор дифракционных оптических элементов выполнен с возможностью проводить нижнюю часть поля зрения.
Причем все дифракционные оптические элементы нанесены на одну сторону волновода.
Причем дифракционные оптические элементы имеют сегментированную структуру, то есть штрихи выполнены в виде макросегментов с разными формами, разными размерами, и отстоящие друг от друга на разные расстояния.
Причем дифракционные оптические элементы являются объемными, то есть штрихи расположены внутри объема волновода, либо слоя, прилегающего к волноводу.
Причем дифракционные оптические элементы представляют собой одно из: поверхностные структуры, рельефные структуры, или смешанные структуры, то есть и рельефные, и объемные.
Причем дифракционные оптические элементы выполнены либо в объеме волновода, либо на поверхности волновода, либо и в объеме волновода и на поверхности волновода.
Причем дифракционные оптические элементы выполнены в отдельном слое волновода либо внутри этого слоя, либо на поверхности этого слоя, либо смешано, то есть часть внутри слоя, часть на поверхности слоя.
Причем дифракционные оптические элементы являются голографическими.
Предлагается способ работы волновода с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности, причем способ содержит этапы, на которых: излучение от проектора попадает в зону ввода излучения, в котором разделяется на красную составляющую изображения, синюю составляющую изображения и зеленую составляющую изображения и направляется в наборы дифракционных оптических элементов, работающих одновременно, при этом первый набор дифракционных оптических элементов работает следующим образом: синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод посредством первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод посредством первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод посредством первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; второй набор дифракционных оптических элементов работает следующим образом: синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается посредством второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, и выводится в глаз пользователя посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента; третий набор дифракционных элементов работает следующим образом: синяя нижняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, затем размножается посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента; зеленая нижняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента; красная нижняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента; четвертый набор дифракционных элементов работает следующим образом: синяя верхняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, затем размножается посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента; зеленая верхняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента; красная верхняя составляющая вводится в волновод посредством вводного-выводного дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается посредством второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента и выводится в глаз пользователя посредством первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента.
Предлагается волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности, причем архитектура дифракционных оптических элементов содержит: зону ввода излучения; зону размножения излучения; зону вывода излучения; первый дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью ввода излучения, вывода излучения, размножения излучения; второй дифракционный оптический элемент, выполненный с возможностью ввода излучения, вывода излучения, размножения излучения; причем зона ввода излучения содержит первый дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию ввода излучения, второй дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию ввода излучения, зона размножения излучения содержит первый дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения, второй дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию размножения излучения; зона вывода излучения содержит первый дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию вывода излучения, второй дифракционный оптический элемент, выполняющий функцию вывода излучения; причем зона ввода излучения выполнена с возможностью, при работе устройства дополненной реальности, разделения изображения от проектора на цветовые составляющие изображения красную, зеленую, синюю, и направления хода лучей каждой из цветовых составляющих через соответствующий набор дифракционных оптических элементов, причем, по ходу излучения: первый набор дифракционных оптических элементов состоит из: второго дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения и функцию вывода излучения, первого дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения; второй набор дифракционных оптических элементов состоит из: первого дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения и функцию вывода излучения, второго дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения.
Предлагается способ работы волновода с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности, причем способ содержит этапы, на которых: излучение от проектора попадает в зону ввода излучения, в котором разделяется на красную составляющую изображения, синюю составляющую изображения и зеленую составляющую изображения и направляется в наборы дифракционных оптических элементов, работающих одновременно, при этом синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи второго дифракционного оптического элемента, затем размножается при помощи первого дифракционного оптического элемента, затем дифрагирует на первом дифракционном оптическом элементе и выводится в глаз пользователя при помощи элемента второго дифракционного оптического элемента; зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента второго дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи первого дифракционного оптического элемента, затем дифрагирует на втором дифракционном оптическом элементе второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента второго дифракционного оптического элемента; красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи второго дифракционного оптического элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи первого дифракционного оптического элемента, затем дифрагирует на первом дифракционном оптическом элементе второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи второго дифракционного оптического элемента.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; волновод с любой из предлагаемых архитектур дифракционных оптических элементов.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; волновод с любой предлагаемой архитектурой дифракционных оптических элементов, причем на одной стороне волновода расположены первый и второй наборы дифракционных элементов, а на противоположной стороне волновода расположены третий и четвертый наборы дифракционных элементов.
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; по меньшей мере один волновод с любой предлагаемой архитектурой дифракционных оптических элементов.
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 любое предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности причем волновод, включающий в себя архитектуру дифракционных оптических элементов, расположен в каждом из элемента для правого глаза и элемента для левого глаза таким образом, что вывод излучения осуществляется в глаза пользователя.
Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой любое предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 схематически проиллюстрировано ограничение поля зрения при использовании набора дифракционных оптических элементов.
Фиг. 2а иллюстрирует векторную диаграмму набора дифракционных решеток.
Фиг. 2b иллюстрирует форму дифракционных оптических элементов, используемых для создания архитектуры, а также расположение их штрихов.
Фиг. 2c иллюстрирует предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов с наложенными на нее векторами вводных дифракционных элементов.
Фиг. 2d иллюстрирует волновод с предлагаемой архитектурой и более подробную иллюстрацию выводной зоны волновода.
Фиг. 3 иллюстрирует архитекруту дифракционных оптических элементов.
Фиг. 4 проиллюстрировано представление поля зрения в двумерных координатах.
Фиг. 5 иллюстрирует явление дифракции в пространстве волновых векторов на примере трех дифракционных элементов.
Фиг. 6 схематически иллюстрирует систему дисплея дополненной реальности.
Фиг. 7a иллюстрирует расположение наборов дифракционных оптических элементов, каждый из которых отвечает за свою часть поля зрения по вертикали.
Фиг. 7b иллюстрирует векторные диаграммы наборов дифракционных элементов.
Фиг. 8 схематично иллюстрирует предлагаемую архитектуру дифракционных элементов и выполнение вводного-размножающего дифракционного элемента X из трех дифракционных оптических элементов.
Фиг. 9 иллюстрирует использование системы из двух волноводов.
Фиг. 10 иллюстрирует использование системы из трех волноводов.
Фиг. 11 приведены графики, показывающие размеры поля зрения системы из двух волноводов с показателем преломления 1.7 (а) и системы из трех волноводов с показателем преломления 1.5 (б).
Фиг. 12 иллюстрирует расположение архитектур дифракционных элементов на противоположных сторонах одного волновода.
Фиг. 13 иллюстрирует волноводную архитектуру, состоящую из набора 1 и набора 2 дифракционных элементов.
Подробное описание изобретения
Предлагается устройство дополненной реальности с широким полем зрения и очки дополненной реальности, выполненные на основе предлагаемого устройства.
0
Предлагаемое изобретение позволяет получить поле зрения более 80 по диагонали, решает проблему двойной дифракции на вводном дифракционном элементе, а также предлагаемое изобретение позволяет получить высококачественное изображение, благодаря отсутствию двойной дифракции на вводном дифракционном элементе.
Поле зрения оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы, формирующих изображения. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения.
Предлагаемые очки дополненной реальности содержат проекционную систему, предлагаемую систему волноводов с предлагаемой архитектурой (структурой)на основе дифракционных оптических элементов.
Для того, чтобы устройство, основанное на дифракционных элементах (голографических (HOE) или дифракционных (DOE)) работало и выводило изображение в человеческий глаз, передаваемая от проектора картина должна провзаимодействовать поочередно, как минимум с тремя линейными дифракционными решетками, а именно с вводной дифракционной решеткой, размножающей дифракционной решеткой и выводной дифракционной решеткой. Необходимо отметить, что размножающий элемент необходим, чтобы каждая угловая компонента излучения, формирующего изображение, распространялась внутри волновода не только вдоль оси, соответствующей направлению вектора вводной дифракционной решетки, но и вдоль перпендикулярного направления. Таким образом, при выводе излучения на выводной дифракционной решетке, излучение будет выводиться из области с большой площадью, обеспечивая, тем самым, широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь.
Вектор дифракционной решетки - волновой вектор дифракционной решетки, направленный перпендикулярно штрихам решетки и расположенный в одной плоскости с ее рабочей поверхностью. Вектор дифракционного оптического элемента перпендикулярен плоскости оптического дифракционного элемента, то есть перпендикулярно штрихам дифракционной решетки. Вектор дифракционной решетки определяется длиной и ориентацией в пространстве. Длина вектора равна , где  - это период дифракционной решетки. Если рассматривать дифракционные оптические решетки в виде векторов этих решеток, то, для получения неискаженного изображения, вектора трех дифракционных решеток (вводной, выводной, размножающей) должны образовать между собой закрытую двумерную фигуру, как показано на фиг. 2а, то есть сумма всех векторов должна быть равна нулю. Если сумма векторов не будет равна нулю, то изображение будет передано с искажениями. Если три вектора не будут образовывать двумерную фигуру, то вводное широкое поле зрения на выводе превращается в узкую картинку, которую не вполне комфортно рассматривать, поскольку, если зрачок глаза смотрит вперед, отчетливо видно только центральное поле изображения, тогда как части изображения, расположенные по краям, представляют собой темную область, а если зрачок глаза сместится в вертикальном направлении, то наоборот центральная часть будет представляться темной областью. То есть в известных классических системах пользователь может видеть только узкую полоску изображения. Так как изначально принимается, что размеры передаваемого изображения совпадают с полем зрения волновода, то поле зрения совпадает с полем изображения.
Согласно предлагаемому изобретению на одном волноводе располагается пять дифракционных оптических элементов, составляющих четыре набора дифракционных оптических элементов.
На фиг. 2а показана векторная диаграмма одного набора дифракционных решеток, состоящего из вводной дифракционной решетки, размножающей дифракционной решетки и выводной дифракционной решетки.
На фиг. 2b показана форма дифракционных оптических элементов, используемых для создания архитектуры дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности, а также расположение их штрихов. Показанная форма является примером формы дифракционных оптических решеток, и может изменяться в зависимости от задания параметров системы: поля зрения, области вывода изображения, показателя преломления системы, и так далее. Показанная на фиг. 2b форма решеток является эмпирически обнаруженной формой решеток, близкой к оптимальной, исходя из конкретных параметров системы. Элемент DOE1 представляет собой первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, элемент DOE2 представляет собой второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, эти элементы могут выполнять функцию как ввода излучения, так и размножения излучения, причем элемент DOE1 и элемент DOE2 образуют вводной-размножающий дифракционный элемент X.
Элемент DOE3 представляет собой вводной-выводной дифракционный оптический элемент, этот элемент может выполнять функцию как ввода излучения, так и вывода излучения, причем элемент DOE3 образуют вводной-выводной дифракционный элемент Y.
Элемент DOE4 представляет собой первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, элемент DOE5 представляет собой второй размножающий-выводной дифракционный оптический элемент, эти элементы могут выполнять функцию как размножения излучения, так и вывода излучения, причем элемент DOE4 и элемент DOE5 образуют размножающий-выводной дифракционный элемент Z.
То есть каждый дифракционный оптический элемент может выполнять две функции, благодаря чему уменьшается количество дифракционных оптических элементов, но сохраняется количество наборов дифракционных оптических элементов, то есть уменьшается стоимость изготовления прибора, и увеличивается качество изображения из-за уменьшения количества дифракционных оптических элементов, а именно увеличивается яркость изображения, устраняются паразитные изображения. Предлагаемая в настоящем изобретении архитектура волновода позволяет добиться увеличения ширины поля зрения.
Рассмотрим наборы дифракционных элементов, каждый из которых, согласно предлагаемому изобретению, работает для вывода отдельной части изображения (поля зрения) при работе предлагаемого волновода с архитектурой дифракционных оптических элементов для устройства дополненной реальности.
Набор 1 дифракционных элементов состоит из (по ходу излучения)
первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения,
второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения,
вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения;
Набор 2 дифракционных элементов состоит из (по ходу излучения)
второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения,
первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения,
вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения;
Набор 3 дифракционных элементов состоит из (по ходу излучения)
вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения;
Набор 4 дифракционных элементов состоит из (по ходу излучения)
вводного-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию ввода излучения, второго размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию размножения излучения, первого размножающего-выводного дифракционного оптического элемента, выполняющего функцию вывода излучения.
Для устранения двойной дифракции область, в которой излучение вводится в волновод, состоит из трех дифракционных оптических элементов - первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, вводного-выводного дифракционного оптического элемента. Причем сумма векторов первого и второго дифракционных оптических элементов равна вектору третьего дифракционного оптического элемента, только в этом случае возможно избежать появления паразитных изображений. В этом случае эффект двойной дифракции излучения на первом и втором дифракционных оптических элементах будет эквивалентен эффекту дифракции на третьем дифракционном оптическом элементе, то есть излучение, продифрагировавшее на первом дифракционном оптическом элементе, и затем сразу на втором дифракционном оптическом элементе (либо наоборот) будет распространяться в волноводе под тем же направлением, как если бы оно продифрагировало на третьем дифракционном оптическом элементе.
Фиг. 2с схематично иллюстрирует предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов с наложенными на нее векторами дифракционных оптических элементов, предназначенных для ввода. Как показано на фиг. 2с, VDOE1 - вектор первого вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, VDOE2 - вектор второго вводного-размножающего дифракционного оптического элемента, VDOE3 вектор вводного-выводного дифракционного оптического элемента. Видно, что сумма векторов VDOE1 и VDOE2 равна вектору VDOE3.
Фиг. 2d иллюстрирует волновод с предлагаемой архитектурой и более подробную иллюстрацию выводной зоны волновода, состоящей из трех дифракционных оптических элементов (DOE3, DOE4, DOE5), где каждый дифракционный элемент имеет свой период (расстояние между соседними штрихами) и ориентацию, и может быть однозначно описан вектором дифракционной решетки. Показан вектор  , соответствующий вводному-выводному дифракционному оптическому элементу DOE3. Вектор вводного-выводного дифракционного оптического элемента DOE3 ориентирован перпендикулярно штрихам вводного-выводного дифракционного оптического элемента DOE3. Вектор каждого дифракционного оптического элемента будет ориентированы перпендикулярно штрихам этого дифракционного оптического элемента.
Как изображено на фиг. 3, архитектура дифракционных оптических элементов состоит из:
- Вводного-размножающего дифракционного элемента X, выполненного с возможностью ввода света изображения от проектора изображения в тело волновода с двух направлений и размножения света. Вводный-размножающий дифракционный элемент X, как было указано выше включает в себя первый и второй вводные-размножающие дифракционные оптические элементы DOE1 и DOE2 (см. фиг. 2b).
- Вводного-выводного дифракционного элемента Y, включающего в себя, как было указано выше, вводной-выводной дифракционный оптический элемент DOE3 (см. фиг. 2b), выполненного с возможностью ввода света изображения от проектора изображения в тело волновода в направлении, параллельном направлению света, размноженного вводным-размножающим дифракционным элементом X, и вывода света, который размножается на вводном-размножающем дифракционном элементе X, то есть вывода света, который размножается на вводном-размножающем дифракционном элементе X.
- Размножающего-выводного дифракционного элемента Z, выполненного с возможностью размножать излучение, которое вводится на вводном-выводном дифракционном элементе Y, в двух направлениях, и выводить свет в направлении глаза пользователя. Размножающий-выводной дифракционный элемент Z включает в себя первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент DOE4 и второй размножающий-выводной дифракционный оптический элемент DOE5 (см. фиг. 2b).
Необходимо заметить, что первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент, вводной-выводной дифракционный оптический элемент, первый размножающий-выводной дифракционный оптический элемент и второй размножающий-выводной дифракционный оптический элемент являются линейными дифракционными оптическими элементами, то есть однозначно описывающимся одним параметром - вектором дифракционной решетки.
Волновод проектируется посредством параметров дифракционных элементов, а именно посредством ориентации в пространстве дифракционных элементов и пространственного периода дифракционных элементов, которые описываются вектором дифракционного оптического элемента. Поле зрения оптической системы характеризуется спектральными характеристиками и угловыми характеристиками, то есть угловыми размерами по горизонтали и вертикали. На фиг. 4 показано по оси абсцисс - горизонтальное поле зрения (FOV), по оси ординат - вертикальное поле зрения (FOV). Вертикальные размеры поля зрения составляют 2δ, то есть от - δ до +δ и горизонтальные размеры поля зрения составляют 2θ, то есть от -θ to +θ. У источника излучения (проектора) есть три главных длины волны  для красного цвета,  для зеленого цвета,  для синего цвета. То есть необходимые параметры дифракционных элементов можно аналитически рассчитать.
x
y
x
y
Поле зрения оптической системы представляет собой конус лучей с разными углами и длинами волн. Рассмотрим каждый луч как компонент поля зрения и опишем его в терминах его волновых векторов. Волновой вектор электромагнитной волны  , определяется тремя координатами , ζ и ζ, где  - длина электромагнитной волны, ζ - угловая координата электромагнитной волны в направлении x, ζ - угловая координата электромагнитной волны в направлении y. Можно найти x, y, z компоненты волнового вектора, то есть компоненты волнового вектора по осям пространственного базиса x, y, z, который может быть выбран произвольно, но в случае расчета волноводных структур обычно оси x, y выбираются по длинным граням волновода, ось z выбирается по короткой грани волновода. Определение компонент волнового вектора в базисе волновода дает возможность перехода из более понятных для пользователя угловых характеристик в характеристики волновых векторов, которые гораздо проще использовать для расчета архитектуры волноводов по следующим формулам:
n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение.
Дифракция описывается законом сохранения импульса
Где  волновой вектор падающей волны,  волновой вектор дифрагированной волны,  вектор дифракционной решетки.
Формулы (5) и (6) являются разложением формулы (4) на компоненты x и y. Индекс i обозначает падающую волну (от английского incidence), индекс d обозначает дифрагированную волну (от английского diffraction).
Кроме того, необходимо соблюдать закон сохранения импульса:
(7)
Формула (7) накладывает ограничения на возможные x- y- компоненты дифрагированной волны, принимая во внимание закон сохранения импульса: длина x- y- проекции вектора дифрагированной волны (левая часть формулы) обязана быть меньше или равна длине вектора дифрагированной волны (правая часть формулы). Если формула (7) не соблюдается, то дифракция невозможна и волновой вектор не изменяется. Кроме того, в волноводе волновой вектор должен также подчиняться условию ПВО (полное внутреннее отражение):
Формула (8) накладывает ограничение на возможные векторы дифрагированной волны, которые могут распространяться внутри волновода под условием ПВО: для того, чтобы дифрагированная волна распространялась внутри волновода под условием ПВО, длина x- y- проекции вектора дифрагированной волны (левая часть формулы) должна быть больше длины вектора волны, распространяющейся под критическим углом ПВО (правая часть формулы).
Объединяя формулы (7) и (8), получаем численное условие на определение возможности распространения дифрагированной волны внутри волновода при условии ПВО:
На фиг. 5 показаны три примера результата дифракции исходной волны на трех дифракционных решетках , , , в пространстве волновых векторов на диаграмме Эвальда, по осям отложены x- y- компоненты волновых векторов, вектора дифракционных решеток отличаются друг от друга как по длине, так и направлению. Они взяты для примера иллюстрации трех случаев дифракции, только один из которых будет удовлетворять условию (9). Внутренняя окружность соответствует критическому углу ПВО, внешняя окружность соответствует углу 90 град. внутри волновода. В случае дифракции на решетке , длина x- y- проекции вектора дифрагированной волны будет больше длины вектора дифрагированной волны, что противоречит формуле (7), а значит не будет существовать такого волнового вектора (дифракции не будет). В случае дифракции на решетке  длина x- y- проекции вектора дифрагированной волны меньше длины вектора волны, распространяющейся под критическим углом ПВО, что противоречит формуле (8), а значит дифрагированная волна не будет распространяться внутри волновода под условием ПВО. Только в случае дифракции на решетке  дифрагированная волна будет удовлетворять формуле (9), а значит будет распространяться внутри волновода под условием ПВО.
Основными исходными предпосылками, которые необходимо учитывать для расчета параметров всех решеток предлагаемой архитектуры, являются:
1. Закон сохранения импульса в векторной форме для расчета дифракции (формула 4).
2. Вектора всех наборов дифракционных решеток должны формировать замкнутую двумерную фигуру, а значит сумма векторов в каждом наборе должна быть равна нулю. В противном случае вектор волны, вышедшей из волновода в глаз пользователя, будет отличаться от вектора падающей на вводной элемент волны на добавку, равную сумме векторов. Поскольку длина волнового вектора зависит от длины волны излучения, одинаковая добавка к волновому вектору будет давать разную добавку к углу распространения излучения в зависимости от длины волны, что приведет к хроматическим аберрациям.
3. Ограничение на вектора дифрагированной волны, которые могут распространяться в волноводе под условием ПВО (формула 9).
4. Геометрические особенности архитектуры, основанные на распространении излучения внутри волновода - этот пункт определяет форму и расположение дифракционных решеток.
5. Условие невозможности двойной дифракции на решетках, находящихся в одной и той же области волновода в случае, если эти решетки принадлежат различным наборам.
Учитывая данные предпосылки, можно однозначно рассчитать параметры всех дифракционных решеток предлагаемой архитектуры, исходя из начальных параметров (размеры волновода, показатель преломления волновода), а также из технических требований (поле зрения, размер области вывода изображения без потерь).
На фиг. 6 схематически проиллюстрирована система дисплея дополненной реальности. Предлагаемая система состоит по меньшей мере из одного волновода 1, включающего в себя архитектуру дифракционных оптических элементов, описанную выше, проектора 2, генерирующего изображение.
Изображение, генерируемое проектором 2, попадает на архитектуру дифракционных элементов посредством вводного-размножающего дифракционного элемента X и вводного-выводного дифракционного элемента Y, распространяется по архитектуре дифракционных элементов в волноводе, проходя через дифракционные оптические элементы, одной из функций которых является размножение излучения, и выходит из дифракционных оптических элементов, одной из функций которых является вывод излучения, и попадает в глаз пользователя.
Принцип действия дифракционных оптических элементов, работающих на размножение, как известно, заключается в следующем. Луч, распространяющийся внутри волновода, падает на размножающий дифракционный элемент и часть излучения этого луча дифрагирует на размножающем дифракционном элементе, образуя порядки дифракции, в данном случае рассматривается «+1» порядок дифракции. Луч, прошедший без дифракции, продолжает распространяться по своему первоначальному пути, и после переотражения от плоскостей волновода снова падает на размножающий дифракционный элемент, и часть излучения этого луча снова дифрагирует на размножающей решетке, образуя «+1» порядок дифракции. Затем ситуация повторяется множество раз. Дифрагированный в первый раз и дифрагированный во второй раз лучи параллельны друг другу, но распространяются на фиксированном друг от друга расстоянии. Таким образом из одного луча получается множество параллельных лучей, то есть происходит размножение.
Рассмотрим наборы дифракционных элементов, которые, согласно предлагаемому изобретению, работают для вывода отдельных частей изображения (поля зрения) при работе предлагаемой волноводной архитектуры.
Как схематично показано на фиг. 7а каждая часть поля зрения формируется своим набором дифракционных оптических элементов, другими словами определенный набор дифракционных элементов отвечает за вывод определенной части поля зрения. В частности, набор 1 отвечает за центральную нижнюю составляющую часть поля зрения, набор 2 отвечает за центральную верхнюю часть поля зрения, набор 3 отвечает за нижнюю составляющую часть поля зрения, набор 4 отвечает за верхнюю часть поля зрения соответственно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Излучение от проектора падает на волновод в зону ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах: первом вводном-размножающем (DOE1), втором вводном-размножающем (DOE2) и вводном-выводном дифракционном оптическом элементе DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3 работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Векторные диаграммы наборов дифракционных элементов проиллюстрированы на фиг. 7b. Вектора каждого набора дифракционных оптических элементов должны быть выполнены в виде замкнутой двумерной фигуры, поэтому вектора четырех наборов располагаются в виде четырех треугольников. Поскольку архитектура обладает симметрией, наборы можно разделить попарно (в каждой паре наборов один треугольник направлен вверх, другой направлен вниз). Для того, чтобы пары наборов передавали разные части поля зрения по-вертикали, необходимо, чтобы длины векторов различных наборов, имеющих ненулевую вертикальную компоненту, отличались друг от друга, поэтому треугольники имеют различную высоту. Описанные выше положения являются общими для данной архитектуры, все остальные детали расположения векторов являются частными примерами.
Четыре набора дифракционных элементов используется на одном волноводе для увеличения ширины поля зрения при помощи частичного разделения разных наборов дифракционных элементов в прямом пространстве. Необходимо отметить, что в контексте данной заявки термины «прямое пространство» и «угловое пространство» определяют координатную сетку, в которой проводится анализ\вычисление. В прямом пространстве координатная сетка определена пространственными координатами (направления x, y, z). В угловом пространстве координатная сетка определена угловыми координатами (к примеру, Ax, Ay, Az). В предлагаемом изобретении учитывается не только направление распространения излучения (угловое пространство), но и те места внутри волновода, где это излучение распространяется (прямое пространство). Для предотвращения смешивания всех частей поля изображения необходимо, чтобы в каждой конкретной точке пространства внутри волновода одну точку на сетке угловых координат занимало не более одной части передаваемого изображения. Этого можно добиться посредством строгого запрета на использование в одной и той же точке на сетке угловых координат более одной части передаваемого изображения, такой подход широко применяется в уровне техники. В настоящем изобретении одну и ту же точку на сетке угловых координат может занимать более одной части передаваемого изображения, так как разные части передаваемого изображения занимают одну и ту же точку на сетке угловых координат в разных местах внутри волновода, то есть они разделены в прямом пространстве.
Такая конфигурация позволяет избежать появления паразитного изображения, возникающего в результате двойной дифракции на вводном элементе.
Фиг. 8 схематично иллюстрирует предлагаемую архитектуру дифракционных элементов и выполнение зоны ввода излучения из трех дифракционных оптических элементов. Как показано на фиг. 8 зона ввода излучения содержит первый вводной-размножающий дифракционный оптический элемент (DOE1), выполняющий функцию ввода излучения, второй вводной-размножающий дифракционный оптический элемент (DOE2), выполняющий функцию ввода излучения, вводной-выводной дифракционный оптический элемент (DOE3), выполняющий функцию ввода излучения. Излучение вводится в часть, в которой первый элемент, второй элемент и третий элемент наложены друг на друга. Штрихи дифракционных оптических элементов пересекаются, как показано на фиг.8. Сумма векторов DOE1 и DOE2 равна вектору третьего элемента. Благодаря этому, если излучение продифрагирует в DOE1, а затем продифрагирует в DOE2, то итоговое направление полученного излучения будет совпадать с направлением излучения, продифрагировавшего в DOE3, благодаря этому излучение, претерпевшее двойную дифракцию не будет создавать паразитное изображение, а напротив будет увеличивать яркость получаемого изображения.
Возможно использование системы из двух волноводов для увеличения ширины поля зрения, как показано на фиг. 9. Архитектуры дифракционных элементов каждого из волноводов такой системы повторяют друг друга, каждый из двух волноводов предназначен для отображения своей собственной спектрально-угловой части поля зрения.
Система из двух волноводов будет работать следующим образом. Излучение от проектора падает на волновод I в зоне ввода излучения, где дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2 и DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод I проводятся центральная внутренняя часть синего поля зрения, внутренняя часть зеленого поля зрения и крайняя внутренняя часть красного поля зрения. Необходимо пояснить, что разные части поля зрения с разбивкой по цветам проводятся из-за хроматической дисперсии любого дифракционного элемента. Порядок также справедлив для любого дифракционного элемента. Терминами «внутренняя часть поля зрения» и «внешняя часть поля зрения» обозначаются диапазоны углов, проводимых волноводом. Внутренней частью поля зрения является часть поля зрения с преимущественно отрицательными углами, а внешней частью поля зрения является часть поля зрения с преимущественно положительными углами.
Набор 1 волновода I, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2 волновода I, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3 волновода I, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4 волновода I, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Затем излучение от проектора падает на волновод II в зоне ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2 и DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод II проводятся внешняя часть синего поля зрения, центральная внешняя часть зеленого поля зрения и центральная внешняя часть красного поля зрения.
Набор 1 волновода II, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2 волновода II, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3 волновода II, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4 волновода II, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Для передачи полноцветного поля зрения без провалов и потерь в системе из двух волноводов необходимо совмещать поля зрения двух отдельных волноводов следующим образом. Для этого необходимо, чтобы внешняя граница поля зрения первого волновода для красного цвета накладывалась на внутреннюю границу поля зрения второго волновода для красного цвета. В этом случае поле зрения для зеленого и синего цветов также будут совмещены без провалов. В этом случае полноцветная внешняя граница поля зрения системы из двух волноводов определяется внешней границей поля зрения второго волновода для красного цвета, а полноцветная внутренняя граница поля зрения системы из двух волноводов определяется внутренней границей поля зрения первого волновода для синего цвета.
На фиг. 10 показано использование системы из трех волноводов, которая работает следующим образом.
Излучение от проектора падает на волновод I в зоне ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2 и DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод I проводятся внутренняя часть синего поля зрения, крайняя внутренняя часть зеленого поля зрения и крайняя внутренняя часть красного поля зрения.
Набор 1 волновода I, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2 волновода I, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3 волновода I, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4 волновода I, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Затем излучение от проектора падает на волновод II в зоне ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2 и DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод II проводятся центральная часть синего поля зрения, центральная внутренняя часть зеленого поля зрения и внутренняя часть красного поля зрения.
Набор 1 волновода II, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2 волновода II, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3 волновода II, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4 волновода II, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Затем излучение от проектора падает на волновод III в зоне ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2 и DOE3, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод III проводятся внешняя часть синего поля зрения, внешняя часть зеленого поля зрения и центральная внешняя часть красного поля зрения.
Набор 1 волновода III, состоящий из элементов DOE1, DOE2 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 2 волновода III, состоящий из элементов DOE2, DOE1 и DOE3, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE3.
Набор 3 волновода III, состоящий из элементов DOE3, DOE4 и DOE5, работает следующим образом.
Синяя нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Зеленая нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Красная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE4 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE5.
Набор 4 волновода III, состоящий из элементов DOE3, DOE5 и DOE4, работает следующим образом.
Синяя верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Зеленая верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Красная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE3, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE5 и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE4.
Для передачи полноцветного поля зрения без провалов в системе из трех волноводов необходимо, чтобы внешняя граница поля зрения первого волновода для красного цвета накладывалась на внутреннюю границу поля зрения второго волновода для красного цвета, а внешняя граница поля зрения второго волновода для красного цвета накладывалась на внутреннюю границу поля зрения третьего волновода для красного поля зрения. В этом случае поле зрения для зеленого и синего цветов также будут совмещены без провалов. В этом случае полноцветная внешняя граница поля зрения системы из трех волноводов определяется внешней границей поля зрения третьего волновода для красного цвета, а полноцветная внутренняя граница поля зрения системы из трех волноводов определяется внутренней границей поля зрения первого волновода для синего цвета.
На фиг. 11 приведены графики, показывающие размеры поля зрения системы из двух волноводов с показателем преломления 1.7 (а) и системы из трех волноводов с показателем преломления 1.5 (б). По горизонтальной оси отложено горизонтальное поле зрения, по вертикальной оси - вертикальное поле зрения, при условии, что зона ввода волноводов находится сбоку (справа или слева, но не сверху или снизу) от глаза. Кривыми линиями показаны границы поля зрения, проводимого через систему. Прямоугольником выделено максимальное прямоугольное поле зрения, которое может быть получено при использовании данной системы. При использовании системы их трех волноводов с показателем преломления 1.5 возможно получить прямоугольное поле зрения размерами 65 градусов по-горизонтали и 69 градусов по-вертикали, диагональное поле зрения такой системы составляет 86 градусов, что превышает поле зрения у известных из уровня техники аналогов, а также удовлетворяет потребности рынка (> 80 градусов). При использовании системы из двух волноводов с показателем преломления 1.7 возможно получить прямоугольное поле зрения размерами 60 градусов по-горизонтали и 98 градусов по-вертикали, диагональное поле зрения такой системы составляет 104 градуса, что также превышает поле зрения у известных из уровня техники аналогов и удовлетворяет потребности рынка, при этом используется меньшее количество волноводов. Это происходит потому что при увеличении показателя преломления волновода увеличивается диапазон углов, который способен проводить один волновод, благодаря чему увеличивается результирующее поле зрения всей системы. Вертикальное поле зрения увеличивается сильнее, чем горизонтальное, так как за увеличение вертикального поля зрения отвечают 4 набора решеток в каждом волноводе, в то время как увеличение горизонтального поля зрения в данном изобретении производится только за счет увеличения количества волноводов.
На фиг. 12 показано, что волноводные архитектуры могут быть нанесены на противоположные стороны одного волновода. Например, на одной стороне волновода могут располагаться наборы 1 и 2 дифракционных элементов, а на другой стороне волновода могут располагаться наборы 3 и 4 дифракционных элементов. Простота изготовления зависит от количества наложенных друг на друга дифракционных решеток. Из уровня техники, две наложенные решетки на одной стороне волновода просты в изготовлении, тогда как три наложенные решетки на порядок сложнее в изготовлении. Решение, показанное на фиг. 12 обеспечивает условие, когда на одной стороне волновода находится не более двух наложенных решеток.
В одном из вариантов реализации предлагается использовать только набор 1 дифракционных элементов и набор 2 дифракционных элементов. Причем из наборов 1 и 2 предлагается исключить элемент DOE3, присвоив его функциональную роль элементам DOE1 и DOE2. То есть, как показано на фиг.13 набор 1 в этом варианте воплощения состоит из DOE2, выполняющего функцию ввода и вывода излучения, DOE1, выполняющего функцию размножения излучения, а набор 2 в этом варианте состоит из DOE1, выполняющего функцию ввода и вывода излучения и DOE2, выполняющего функцию размножения излучения. Эти два набора будут проводить только две средние части поля зрения.
В этом случае излучение от проектора падает на волновод в зоне ввода излучения, на которой дифрагирует на дифракционных элементах DOE1, DOE2, а также разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1, состоящий из элементов DOE1 и DOE2, работает следующим образом.
Синяя центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, затем размножается при помощи элемента DOE2, затем дифрагирует на элементе DOE2 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE1.
Зеленая центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2, затем дифрагирует на элементе DOE2 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE1.
Красная центральная нижняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE1, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE2, затем дифрагирует на элементе DOE2 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE1.
Набор 2, состоящий из элементов DOE2 и DOE1, работает следующим образом.
Синяя центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, затем размножается при помощи элемента DOE1, затем дифрагирует на элементе DOE1 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE2.
Зеленая центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1, затем дифрагирует на элементе DOE1 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE2.
Красная центральная верхняя составляющая вводится в волновод при помощи элемента DOE2, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения синей составляющей и зеленой составляющей, затем размножается при помощи элемента DOE1, затем дифрагирует на элементе DOE1 второй раз и выводится в глаз пользователя при помощи элемента DOE2.
Дифракционные решетки могут наноситься на волновод традиционными способами и могут иметь однородную структуру, то есть дифракционные решетки будут иметь одинаковый профиль, то есть на всей площади дифракционной решетки не будет меняться вид ее штрихов. Дифракционные решетки могут иметь сегментированную структуру, то есть штрихи выполнены в виде макросегментов с разными формами, разными размерами, и отстоящие друг от друга на разные расстояния. Дифракционные решетки могут быть объемными, то есть штрихи расположены внутри объема волновода, либо слоя, прилегающего к волноводу. Также дифракционные решетки могут быть выполнены как поверхностные, рельефные структуры, или смешанные структуры, то есть и рельефные и объемные. Дифракционные решетки могут быть выполнены как часть волновода, либо в объеме волновода, либо на поверхности волновода, либо смешанный вариант (и в объеме и на поверхности). Дифракционные решетки могут быть выполнены в отдельном слое волновода либо внутри этого слоя, либо на поверхности этого слоя, либо смешано, то есть часть внутри, часть на поверхности.
Дифракционные элементы могут быть голографическими(HOE). Такие элементы производят посредством лучевой голографической записи. Предлагается производить запись HOE при помощи трех лазерных пучков. Три когерентных луча создают интерференционную картину, состоящую из трех линейных синусоидальных изображений, ориентацией и периодами которых можно управлять с помощью углов между соответствующими лучами. Эти три луча не лежат в одной плоскости, вместо этого каждая пара лучей образует свою собственную плоскость. При этом картина интерференции, которая будет создана посредством этих трех лучей представляет собой сумму трех двухлучевых интерференций. Изменяя углы между пучками 1, 2, 3 можно изменять как ориентацию HOE, то есть угол между штрихами решеток относительно друг друга и волновода, так и период штрихов дифракционных решеток. При таком способе записи, при помощи только одной операции голографической записи возможна запись сразу трех дифракционных решеток, которые сформируют два набора дифракционных решеток, то есть при помощи двух операций записи возможно полностью сформировать архитектуру волновода. Например, при помощи первой операции записи возможно сформировать наборы 1 и 2, при помощи второй операции записи возможно сформировать наборы 3 и 4.
Дифракционные решетки могут быть созданы способом голографического копирования. Для этого необходимо использовать так называемый волновод-мастер, то есть волновод с записанной архитектурой дифракционных элементов. Совмещаем волновод-мастер с пустым волноводом, засвечиваем волновод-мастер, при этом излучение, которое будет попадать на дифракционные оптические элементы волновода мастера, будет дифрагировать на волноводе-мастере. Прошедшие дифрагированные лучи будут интерферировать друг с другом, создавая те же самые решетки внутри записывающего материала на втором волноводе, то есть волновод-мастер будет скопирован.
Начальными параметрами волновода-мастера являются показатель преломления волновода, размер волновода, а также параметры архитектуры, которые необходимо получить, такие как ширина поля зрения, расстояние, на котором пользователь будет видеть изображение и т. д.
Благодаря настоящему изобретению в устройстве дополненной реальности возможно использование только одного волновода, за счет чего уменьшается толщина устройства, его размер и вес, также увеличивается прозрачность устройства дополненной реальности, кроме того, устройство дополненной реальности имеет высокое разрешение и хорошую яркость полноцветность изображения. Также предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения, что для пользователя обеспечивает эффект присутствия.
Предлагаемое изобретение можно использовать для изготовления дисплеев для отображения дополненной реальности, дисплей может представлять собой по меньшей мере один предлагаемый волновод с любой из предлагаемых архитектур дифракционных оптических элементов.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для изготовления очков дополненной реальности. Настоящее изобретение удобно применять в очках дополненной реальности, где важен малый вес и компактные габаритные размеры. Предлагаемое изобретение удобно применять в устройствах дополненной реальности, используемых для любых целей.
Очки дополненной реальности содержат элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, причем волновод, включающий в себя предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов расположен в каждом из элементов для правого глаза и элемента для левого глаза таким образом, что выводной дифракционный элемент расположен напротив глаза пользователя.
Хотя изобретение описано в связи 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.
Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.