ВОЛНОВОД С СЕГМЕНТИРОВАННЫМИ ДИФРАКЦИОННЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ОКОЛОГЛАЗНЫЙ ДИСПЛЕЙ
WAVEGUIDE WITH SEGMENTED DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS AND NEAR-EYE DISPLAY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области техники окологлазных дисплеев (англ. near-eye display), а более конкретно к структуре волновода с сегментированными дифракционными оптическими элементами (ДОЭ). Изобретение может быть использовано в конструкции очков виртуальной/дополненной реальности для вывода изображения в область глаза пользователя, в конструкции панелей подсветки дисплеев.
Уровень техники
Современные системы дополненной реальности основаны на использовании оптических волноводов. Оптический волновод обычно включает в себя три или более дифракционных оптических элемента (ДОЭ, англ. diffraction optical element, DOE), выполняющих различные функции. Основными функциями используемых ДОЭ являются: введение света в волноводный режим распространения за счет полного внутреннего отражения (англ. total inner reflection, TIR) - функция ввода, размножение зрачка проекционной системы - функция размножения (расширения), вывод света из волновода - функция вывода. Упомянутые функции выполняются посредством ДОЭ, которые именуются, соответственно, вводным ДОЭ (англ. in-coupling DOE), размножающим (расширяющим) ДОЭ (англ. expanding DOE) и выводным ДОЭ (англ. out-coupling DOE).
Известные решения используют сплошные (несегментированные) ДОЭ, расположенные, как правило, на отдельных областях волновода, что требует использование волноводов, имеющих большую площадь.
Другой и более важной проблемой известных решений является качество выводимого изображения. Низкое качество изображения обусловлено локальными дефектами поверхности волновода. Такие дефекты приводят к возникновению различий между выходными зрачками и попаданию в глаз пользователя нескольких наложенных изображений с небольшим угловым смещением, в результате чего наблюдается размытие изображения (см. фиг. 1). В предшествующем уровне техники существуют два способа решения проблемы повышения качества выводимого изображения. Первый способ заключается в создании волновода с очень высоким качеством поверхности. Однако, такое решение, при изготовлении тонких волноводов, является очень дорогостоящим. Второй способ заключается в увеличении толщины волновода, что приводит к уменьшению плотности выходных зрачков, за счет чего пользователь всегда получает как можно меньше одинаковых угловых составляющих (направление распространения плоской световой волны, уникальное для каждой точки изображения) из разных выходных зрачков. Такое решение не позволяет использовать волноводы, имеющие толщину меньше 0,7-0,9 мм., что приводит к увеличению толщины системы.
Еще одним недостатком известных технических решений являются малая эффективность системы и неравномерная яркость выводимого изображения.
При разработке волновода для системы дополненной реальности, волновод изготавливают таким образом, чтобы выводимое изображение попадало в зрачок глаза пользователя в как можно большей области видимости глазом пользователя. При этом требуется выводить излучение из волновода по большой площади, увеличивающейся при увеличении поля зрения проекционной системы, чтобы свет, выходящий из каждой точки выводного ДОЭ, попадал в область движения глаза пользователя (область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь; англ. eye motion box, EMB). ДОЭ известных волноводов в каждой точке на поверхности волновода излучают свет во всех направлениях, обусловленных полем зрения проекционной системы. При этом значительная часть света заведомо не попадает в упомянутую область, то есть не может попасть в зрачок глаза пользователя, что приводит к возникновению потерь (см. фиг. 2), а общая эффективность системы становится малой.
Яркость света, распространяющегося в волноводе, уменьшается по мере удаления от вводного ДОЭ, в результате чего изображение, выводимое через выводной ДОЭ, имеющий постоянные параметры в каждой своей точке, будет иметь неравномерную яркость. Неравномерная яркость выводимого изображения приводит к уменьшению EMB, т.к. яркость изображения быстро спадает по выводной площади.
Из уровня техники известно устройство для размножения входного зрачка в двух измерениях, раскрытое в источнике US 8160411 B2. Известное устройство содержит расположенные последовательно, несегментированные ДОЭ. Недостатком устройства является большой размер.
Из уровня техники известно устройство для размножения входного зрачка, раскрытое в источнике US 9753297 B2. Известное устройство содержит расположенные последовательно, несегментированные ДОЭ. Недостатками известного устройства являются малая эффективность и большой размер.
Из уровня техники известно устройство волновода для размножения входного зрачка, раскрытое в документе US 20190004321. Известное устройство содержит вводной, размножающий и выводной ДОЭ, причем размножающий и выводной ДОЭ перекрываются и распложены на противоположных сторонах волновода. Недостатком известного устройство является малая эффективность и большая толщина применяемых волноводов.
Из уровня техники известен голографический оптический элемент, раскрытый в документе US20070115521A1. Известный оптический элемент (ДОЭ) позволяет формировать в одном наборе слоев, связанных друг с другом, голографические ДОЭ для отображения разных цветов. Известное решение обеспечивает уменьшение размеров за счет размещения дифракционных решеток с разной функциональностью (функциональность разделяется по цвету) в одной и той же области волновода. Недостатком является нерешенная проблема эффективности такого волновода, четкости передаваемого изображения и большая толщина описанной системы.
Из уровня техники известен волновод с массивами зеркал, раскрытый в документе US 8446675 B1. Основой известного волновода являются микрозеркала, каждое из которых направляет излучение в глаз пользователя, что обеспечивает минимизацию потерь. Недостатком известного волновода являются высокие сложность и стоимость.
Из уровня техники известно устройство дифракционного оптического волновода для размножения входного зрачка раскрытое в источнике US 9933684 B2. Известное устройство обеспечивает расширение поля зрения за счет использования двух волноводов, каждый из которых проводит свою половину светового поля. Однако при этом ДОЭ в волноводах располагаются также последовательно друг за другом и, таким образом, не решается проблема уменьшения размера волновода.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предложен волновод, выполненный с возможностью передачи света в целевую область, причем волновод содержит вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ), размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ, причем размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ являются сегментированными.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, период и эффективная толщина дифракционной структуры каждого сегмента выводного ДОЭ и размножающего ДОЭ связаны с расположением упомянутой целевой области таким образом, что для излучения, выводимого из волновода в направлении целевой области, дифракционная эффективность максимальна.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по мере удаления от вводного ДОЭ, плотность сегментов размножающего ДОЭ уменьшается, а плотность сегментов выводного ДОЭ увеличивается.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, области расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ не пересекаются.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, области расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ по меньшей мере частично пересекаются.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты дифракционных оптических элементов не пересекаются.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по меньшей мере один сегмент размножающего или выводного ДОЭ частично пересекается с по меньшей мере одним другим сегментом размножающего или выводного ДОЭ.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по меньшей мере один сегмент размножающего ДОЭ совмещен с по меньшей мере одним сегментом выводного ДОЭ.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ и сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую первую дифракционную эффективность, сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую вторую дифракционную эффективность, причем первая дифракционная эффективность и вторая дифракционная эффективность не равны между собой.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода, а сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волновода
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода ДОЭ, а сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волновода
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов как размножающего, так и выводного ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего и выводного ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего и выводного ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, геометрическая форма сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ является одним из следующего: окружность, дуга, сектор, сегмент круга, многоугольник.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, соседние сегменты размножающего ДОЭ и/или выводного ДОЭ отделены друг от друга свободной поверхностью волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ одинаковы.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы и равны первому значению, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы и равны второму значению, причем первое значение не равно второму значению.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния d_h между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:
d_h ~ (T/tan(α))*X - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода, X = (P/2)*(T/tan(α)).
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния d_h между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению
d_h <= P - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, r_h - размер сегмента ДОЭ.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ одинаковы.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ имеют один и тот же первый размер, а сегменты выводного ДОЭ имеют один и тот же второй размер, причем первый размер и второй размер не равны между собой.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов выводного ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры r_h сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:
r_h ~ T/tan(α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры r_h сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:
r_h >= 1.5*T/tan(α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.
Согласно второму аспекту изобретения предложен окологлазный дисплей, содержащий проектор изображения и волновод согласно первому аспекту изобретения, причем целевой областью вывода излучения, излучаемого проектором, из волновода является область движения глаза пользователя (EMB).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображены схемы, иллюстрирующие влияние толщины и качества поверхности волновода на качество выводимого изображения.
На фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая проблему наличия потерь излучения при выводе изображения известных аналогов.
На фиг. 3 изображена схема предложенного волновода.
На фиг. 4 изображены примеры геометрических форм сегментов ДОЭ предложенного волновода.
На фиг. 5 изображена схема волновода с сегментами ДОЭ, имеющими форму шестиугольника.
На фиг. 6 изображена схема, показывающая расположение EMB относительно сегмента выводного ДОЭ и угловую область действия этого сегмента.
На фиг. 7 изображена схема, показывающая пример предпочтительной угловой селективности сегмента ДОЭ, изображенного на фиг. 6.
На фиг. 8 изображена схема, показывающая пересечение областей расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ.
На фиг. 9 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размножающие и выводные сегменты не накладываются друг на друга.
На фиг. 10 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размножающие и выводные сегменты накладываются друг на друга.
На фиг. 11 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором некоторые размножающие и выводные сегменты совмещены.
На фиг. 12 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность размножающих сегментов изменяется, а дифракционная эффективность выводных сегментов постоянна.
На фиг. 13 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность размножающих сегментов постоянна, а дифракционная эффективность выводных сегментов изменяется.
На фиг. 14 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность как размножающих, так и выводных сегментов изменяется.
На фиг. 15 показаны сегменты ДОЭ, разделенные «пустым» пространством волновода.
На фиг. 16 проиллюстрирован вариант осуществления, расстояние между размножающими и/или выводными сегментами не изменяется.
На фиг. 17 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором расстояние между размножающими сегментами не изменяется, а расстояние между выводными сегментами изменяется.
На фиг. 18 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором расстояние между как размножающими, так и выводными сегментами изменяется.
На фиг. 19 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер размножающих и выводных сегментов не изменяется.
На фиг. 20 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер размножающих сегментов не изменяется, а размер выводных сегментов изменяется.
На фиг. 21 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер как размножающих, так и выводных сегментов изменяется.
Подробное описание изобретения
В настоящей заявке описаны волновод с сегментированными дифракционными оптическими элементами для очков дополненной реальности и окологлазный дисплей, выполненный с использованием упомянутого волновода.
В настоящем описании, термин «сегментированный дифракционный оптический элемент» означает дифракционный оптический элемент, содержащий отдельные сегменты, выполняющие одну и ту же функцию (например, функцию размножения, функцию вывода). Под отдельными сегментами при этом подразумеваются сегменты, которые сгруппированы в определенной области на поверхности волновода и располагаются на некотором расстоянии друг от друга и/или имеющие различные параметры. Параметры сегментов (например, эффективная толщина ДОЭ, период ДОЭ, эффективность ДОЭ, размер) и расстояния между сегментами могут быть одинаковыми для всех сегментов/пар соседних сегментов или могут варьироваться (например, в зависимости от расположения сегментов на поверхности волновода). Между сегментами одного ДОЭ могут располагаться сегменты другого ДОЭ (ДОЭ другой функциональности) и/или незанятые дифракционными оптическими элементами участки волновода. Соседние сегменты одного ДОЭ могут иметь разные или одинаковые параметры. Сегменты одного ДОЭ могут быть разделены свободной от ДОЭ поверхностью волновода, а также могут частично накладываться друг на друга. Сегменты одного ДОЭ могут быть отделены свободной от ДОЭ поверхностью волновода от сегментов другого ДОЭ, а также могут частично или полностью накладываться на сегменты другого ДОЭ. Для специалиста в данной области техники будет ясно, что каждый сегмент ДОЭ можно рассматривать как отдельный дифракционный оптический элемент, а сегментированный ДОЭ как сгруппированное в определенной области множество отдельных ДОЭ, имеющих одну и ту же функцию и расположенных на некотором расстоянии друг от друга (в том числе нулевом) и/или имеющих различные параметры (два соседних сегмента одного ДОЭ могут накладываться друг на друга, но отличаться параметрами).
Сегментирование ДОЭ позволяет гибко управлять его параметрами (такими как дифракционная эффективность, период, эффективная толщина дифракционной структуры) в пределах большой площади ДОЭ, то есть обеспечивается возможность выбора различных параметров дифракционных оптических элементов для разных сегментов и, соответственно, областей волновода. Возможно расположение нескольких сегментированных ДОЭ с различными функциями в одной и той же области волновода, что обеспечивает уменьшение размера волновода. Период, эффективная толщина и угловая селективность дифракционной структуры могут быть выбраны отдельно для каждого сегмента с тем, чтобы повысить эффективность вывода излучения в целевую область (например, область EMB). Дифракционная эффективность может быть выбрана отдельно для каждого сегмента, что дает возможность обеспечить равномерность яркости выводимого изображения и увеличить область EMB. Путем выбора расстояний между сегментами и размеров сегментов возможно задавать требуемую плотность выводных зрачков для каждой отдельной области волновода и, таким образом, регулировать количество излучения, выводимого в этих областях.
Предложенный волновод 1 (см. фиг. 3) содержит вводной ДОЭ 2, размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ, причем размножающий и выводной ДОЭ являются сегментированными. Настоящее изобретение не ограничивается конкретным типом ДОЭ. Например, в волноводе могут быть использованы голографические, пленочные, нарезные и другие ДОЭ. В рассматриваемом конкретном примере предложенного волновода вводной ДОЭ имеет форму квадрата, а сегменты 3 размножающего ДОЭ и сегменты 4 выводного ДОЭ имеют круглую форму, что не является ограничением. На чертежах, иллюстрирующих варианты осуществления настоящего изобретения, размножающие сегменты изображены окружностями, заштрихованными слева направо, а выводные сегменты изображены окружностями, заштрихованными справа налево. Вводной ДОЭ может иметь любую форму. Форма сегментов ДОЭ может быть выбрана произвольно в зависимости от конкретной задачи. Например (см. фиг. 4, 5), сегменты размножающего и выводящего ДОЭ могут иметь форму окружности, дуги, сектора, сегмента круга, многоугольника (в том числе - треугольника, квадрата, шестиугольника и т.д.).
Волновод работает следующим образом. Свет, поступающий в вводной ДОЭ 2, от, например, проектора изображения, поступает в волновод, начинает распространение в направлении размножающего и выводного ДОЭ и попадает в соответствующие сегменты. Сегменты 3 размножающего ДОЭ (размножающие сегменты) выполняют размножение входного зрачка. Световое излучение, попав в дифракционную структуру такого ДОЭ, дифрагирует и частично перенаправляется в другом направлении (первый порядок дифракции), при этом оставшаяся часть излучения продолжает распространение в том же направлении (нулевой порядок дифракции). И нулевой и первый порядки дифракции продолжают распространяться в волноводе за счет эффекта полного внутреннего отражения и попадают на другие сегменты, размножающие и/или выводные. Световое излучение, попавшее в дифракционную структуру сегмента выводного ДОЭ (выводного сегмента), дифрагирует и частично выводится из волновода, при этом оставшаяся часть излучения продолжает распространение в том же направлении.
Параметры (например, дифракционная эффективность, эффективная толщина, размер) размножающих и выводных сегментов и расположение сегментов на поверхности волновода выбираются так, чтобы излучение, распространяясь в волноводе от вводного элемента, достигало всех выводных сегментов и выводилось преимущественного в направлении целевой области с требуемой интенсивностью. Например, при использовании волновода в конструкции очков дополненной реальности, желательно, чтобы из каждого выводного сегмента излучение выводилось преимущественно в направлении области EMB и имело по возможности одинаковую интенсивность по всей выводной области волновода (чтобы обеспечить равномерную яркость выводимого изображения по всему EMB).
Сегменты размножающего ДОЭ и выводного ДОЭ предпочтительно компонуются так, что по мере удаления от вводного ДОЭ (в направлении распространения излучения) частота/плотность сегментов размножающего ДОЭ уменьшается, а частота/плотность сегментов выводного ДОЭ увеличивается.
Согласно одному из вариантов осуществления период и эффективная толщина дифракционной структуры каждого сегмента выводного ДОЭ и размножающего ДОЭ связаны с расположением целевой области таким образом, что для излучения, выводимого из волновода в направлении целевой области, дифракционная эффективность максимальна.
При использовании волновода с сегментированными ДОЭ, угловая селективность, определяемая периодом и эффективной толщиной, может быть задана отдельно для каждого сегмента таким образом, чтобы из каждого сегмента (из каждой области волновода) излучение преимущественно (с максимальной эффективностью) выводилось именно в направлении целевой области (EMB). За счет этого большая часть излучения, выводимого волноводом, попадет именно в целевую область, потери излучения на засветку иных областей минимальны и эффективность системы, использующей волновод, повышается. Выбор периода и эффективной толщины дифракционной структуры, определяющих угловую селективность, должен быть ясен для специалиста в данной области техники, в связи с чем более подробные примеры здесь не описываются.
Конкретный пример угловой селективности, которая может быть задана для выводного сегмента, проиллюстрирован на фиг. 6, 7, где d - удаление входного зрачка глаза пользователя от выводного сегмента, EMB_s - ширина области EMB, A1, A2 - углы вывода лучей, выводимых из выводного сегмента, соответствующих краям расширенной области EMB (условно заданной области, за пределами которой зрачок глаза пользователя заведомо не может оказаться), имеющей ширину 1,5*EMB_s. В рассматриваемом примере угловая селективность задана так, что для лучей, выводимых в целевом направлении (в направлении зрачка пользователя), дифракционная эффективность (и, соответственно, яркость) максимальна. При этом, дифракционная эффективность для лучей, расположенных по краям расширенной области EMB, снижается до 1/10 (что является примерным, выбранным значением) от максимальной. Таким образом, большая часть излучения конкретного выводного сегмента выводится именно в целевом направлении.
Согласно одному из вариантов осуществления, область расположения сегментов размножающего ДОЭ и область расположения сегментов выводного ДОЭ не пересекаются. Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации.
Согласно одному из вариантов осуществления (см. фиг. 8), область 5 расположения сегментов 3 размножающего ДОЭ (область размножения) и область 6 расположения сегментов 4 выводного ДОЭ (область вывода) по меньшей мере частично пересекаются, за счет чего обеспечивается уменьшение размеров волновода.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения (см. фиг. 9), размножающие и выводные сегменты расположены отдельно друг от друга и не пересекаются (никакие сегменты ДОЭ не накладываются друг на друга). Такой вариант осуществления является наиболее простым в реализации.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения (см. фиг. 10, 11), по меньшей мере некоторые из размножающих и выводных сегментов частично пересекаются (накладываются друг на друга) или совмещены. За счет этого, в одних и тех же областях волновода может быть выполнена как функция вывода, так и функция размножения, что позволяет дополнительно уменьшить размер волновода в целом. Совмещение/наложение сегментов может быть реализовано, например, путем их выполнения на разных сторонах волновода друг напротив друга (так, что они совмещены или накладываются друг на друга при взгляде в направлении нормали к волноводу), или, например, путем записи разных голографических дифракционных структур в пересекающихся/совмещенных областях на одной стороне волновода. Полное или частичное наложение друг на друга выводных и размножающих сегментов является более сложным для реализации и может быть необходимым для конкретных архитектур волноводов для корректной передачи изображения без потерь.
Согласно некоторым вариантам осуществления, сегменты размножающего ДОЭ и сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность (ДЭ), либо сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую первую дифракционную эффективность, а сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую вторую дифракционную эффективность, причем первая дифракционная эффективность и вторая дифракционная эффективность не равны между собой. Такие варианты осуществления наиболее просты в реализации.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, дифракционная эффективность размножающих сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода, а выводные сегменты имеют одинаковую дифракционную эффективность (фиг. 12), либо дифракционная эффективность выводных сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 13), а размножающие сегменты имеют одинаковую дифракционную эффективность, либо дифракционная эффективность как размножающих так и выводных сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 14). Дифракционная эффективность в каждом из случаев может изменяться, например, так, что она увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ, или, например, так, что она увеличивается по ходу лучей внутри волновода (дифракционная эффективность пропорциональна длине пути распространения луча от вводного ДОЭ до заданной точки волновода). Изменение дифракционной эффективности размножающих и/или выводных сегментов в зависимости от координат на поверхности волновода компенсирует снижение яркости излучения, распространяющегося по волноводу, что обеспечивает равномерность излучения, выводимого из волновода. При использовании волновода в конструкции очков дополненной реальности, изображение, выводимое волноводом, будет иметь равномерную яркость. Устранение проблемы неравномерной яркости, в свою очередь, позволяет увеличить область EMB.
Другим способом управления яркостью излучения, выводимого из разных областей волновода (управление эффективностью ДОЭ), является варьирование плотности выводных зрачков. Чем больше плотность выводных зрачков, тем яркость излучения (выводимого из данной области) выше, чем меньше плотность выводных зрачков, тем яркость излучения ниже. Варьирование плотностью выводных зрачков может осуществляться путем варьирования размеров сегментов и расстояний между ними.
Согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере некоторые соседние размножающие и/или выводные сегменты (два соседних размножающих сегмента, или два соседних выводных сегмента, или соседние выводной и размножающий сегменты) находятся на некотором расстоянии друг от друга и отделены свободной поверхностью волновода, на которой отсутствуют какие-либо дифракционные структуры. За счет этого излучение, распространяющееся в волноводе в областях расположения сегментов размножающего и выводящего ДОЭ, дифрагирует не при каждом отражении от стенки (или стенок, если сегменты расположены на разных сторонах волновода) волновода, что проиллюстрировано на фиг. 15. Это позволяет увеличить расстояние между соседними выходными зрачками, сохранить больше излучения в исходном направлении распространения излучения внутри волновода при прохождении этой части волновода (в которой расположены сегменты ДОЭ) и увеличить область EMB. Кроме того, увеличение расстояния между выходными зрачками (уменьшение плотности выводных зрачков, их прорежение) приводит к тому, что взаимное влияние (см. фиг. 1) соседних выводных зрачков друг на друга уменьшается, что позволяет использовать волновод с меньшей толщиной без повышения требований качеству его поверхности, повысить разрешение (качество) выводимого изображения и уменьшить стоимость производства.
Согласно одному из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ одинаковы (расстояния между любыми двумя соседними сегментами одинаковы; см фиг. 16). Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации. Расстояние между сегментами может быть выбрано эмпирически.
Согласно одному из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы и равны первому значению, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы и равны второму значению, причем первое значение и второе значение не равны между собой. Данный вариант осуществления также является простым в реализации, т.к. требуется определение только двух значений расстояний между сегментами. Упомянутые первое значение и второе значение расстояний между сегментами могут быть выбраны эмпирически.
Согласно некоторым из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 17), либо расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо расстояния между соседними сегментами как размножающего, так и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 18). Данные варианты осуществления более сложны в реализации, однако обеспечивают дополнительные возможности управления эффективностью волноводной оптической системы.
Расстояние d_h между сегментами, изменяющееся в зависимости от координат на поверхности волновода, может быть пропорционально толщине волновода и определяться согласно следующему выражению:
d_h ~ (T/tan(α))*X - r_h
где - P диаметр зрачка глаза пользователя, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода, X = (P/2)*(T/tan(α)).
Угол α распространения луча внутри волновода является величиной, зависящей от координат точки на поверхности волновода и отсчитывающийся от поверхности волновода. В волноводе (предназначенном для вывода изображения), как правило, распространяется множество лучей, каждый из которых имеет свой угол распространения. Попадая в выводной сегмент, множество лучей выводится из волновода в разных направлениях. Здесь под углом α распространения луча внутри волновода для заданной точки волновода понимается угол α того луча, который является наибольшим из конуса лучей выводимых из данной точки волновода в целевом направлении в глаз пользователя (в область EMB).
Альтернативно, расстояние d_h между сегментами может определяться согласно неравенству:
d_h <= P - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, r_h - размер сегмента ДОЭ.
В предложенном волноводе с сегментированными ДОЭ размеры сегментов могут свободно выбираться в зависимости от конкретной архитектуры волновода и технических требований.
Согласно одному из вариантов осуществления, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ одинаковы (размеры всех сегментов одинаковы). Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации. Размеры сегментов могут быть выбраны эмпирически.
Согласно одному из вариантов осуществления, сегменты размножающего ДОЭ имеют один и тот же первый размер, а сегменты выводного ДОЭ имеют один и тот же второй размер, причем первый размер и второй размер не равны между собой. Данный вариант осуществления также является простым в реализации, т.к. требуется определение только двух размеров сегментов. Упомянутые первый и второй размеры сегментов могут быть выбраны эмпирически.
Согласно некоторым вариантам осуществления, размеры сегментов размножающего ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо размеры сегментов выводного ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо размеры сегментов как размножающего, так и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода. Данные варианты осуществления более сложны в реализации, однако обеспечивают дополнительные возможности управления эффективностью волноводной оптической системы.
Размеры сегментов r_h размножающего и/или выводного ДОЭ, изменяющееся в зависимости от координат на поверхности волновода, могут быть выбраны согласно выражению:
r_h ~ T/tan(α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.
Альтернативно, размеры сегментов r_h размножающего и/или выводного ДОЭ могут быть выбраны согласно выражению:
r_h >= 1.5*T/tan(α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает окологлазный дисплей, содержащий проектор изображения и описываемый выше волновод. При этом, целевой областью вывода излучения, излучаемого проектором, из волновода является область движения глаза пользователя (EMB). Предложенный окологлазный дисплей обеспечивает все преимущества волновода, описанные выше (в зависимости от конкретного варианта осуществления волновода), в частности: увеличенное разрешение и качество выводимого изображения, равномерность выводимого изображения, малый размер и вес дисплея (за счет малого размера и толщины волновода), простота и дешевизна производства (за счет невысоких требований к качеству волновода), высокая эффективность дисплея (за счет снижения потерь), увеличенная область EMB.