СВЕТОВОДНАЯ СТРУКТУРА, ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
LIGHT-GUIDE STRUCTURE, OPTICAL DEVICE AND IMAGING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в целом, к формированию оптических изображений и, в частности, к световодной структуре, используемой для отображения одного или более виртуальных объектов на фоне окружающей обстановки, оптическому устройству, использующему одну или более таких световодных структур, и системе формирования изображений, оборудованной одним или более такими оптическими устройствами.
Настоящее изобретение может применяться на выставках, в музеях, театрах, на концертах, в спортивных залах, на стадионах и спортивных сооружениях, в рекламной индустрии, в машинах и системах моделирования, а также в других местах, где необходимо обеспечить пользователей виртуальными изображениями разных объектов на фоне окружающей обстановки.
Уровень техники
Традиционные оптические устройства дополненной реальности, т.е. оптические устройства для отображения комбинации виртуальных изображений и фоновых изображений, обычно выполняются в виде шлема или очков и имеют оптические системы, расположенные перед глазом или глазами пользователя. Оптические устройства дополненной реальности основаны на комбинации окуляра для увеличения изображения, сформированного компактными LCD-, LCoS-, CRT- или OLED-устройствами отображения, или других пространственных модуляторов света и блока объединения изображений, основанного, например, на светоделительном кубе или полупрозрачной пластине. Окуляр и делитель пучка часто выполняются в виде монолитной структуры. Недостатком таких устройств является их большой размер и вес.
Для устранения вышеупомянутого недостатка могут быть использованы световоды с разными встроенными структурами. Один пример представлен в документе US 8433172, раскрывающем световод, снабженный двумя гранями, секцией ввода для ввода пучка света в световод, и секцией вывода для вывода пучка света. Секция вывода содержит множество микроструктур, расположенных на поверхности одной из упомянутых двух граней световода. Микроструктуры выполнены в виде призм, имеющих рассчитанный угол, чтобы возвращать пучок света под заданным углом относительно противоположной поверхности, обеспечивая вывод пучка света из световода. Основным недостатком описанного устройства является неоднородность яркости вследствие свойств геометрической формы призмы, разделенной плоскими поверхностями.
Наиболее близким к настоящему изобретению решением, известным из уровня техники, является оптическое устройство, описанное в документе US 7457040. Фиг. 12 иллюстрирует вид сбоку световодного оптического элемента, включенного в состав этого устройства. Как показано, световодный оптический элемент содержит плоскую светопропускающую подложку 11, имеющую по меньшей мере две главные поверхности 11а, 11b и края, оптическое средство 12 для ввода света в подложку 11 за счет полного внутреннего отражения и по меньшей мере одно частично отражающее средство 13, расположенное внутри подложки 11. Первая отражающая поверхность оптического средства 12 освещается коллимированным пучком света, исходящим из источника света (не показан), расположенным позади устройства. Отражающая поверхность отражает падающий пучок света таким образом, что пучок света распространяется внутри подложки 11 за счет полного внутреннего отражения. После нескольких отражений от поверхностей 11а, 11b подложки 11 захваченный пучок света достигает селективно-отражающей поверхности средства 13, которое выводит пучок света из подложки 11 в глаз 14 наблюдателя. Основным недостатком описанного устройства является необходимость в дорогостоящих покрытиях с заданными коэффициентами отражения и пропускания, зависящими от угла падения.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков, присущих решениям, известным из уровня техники.
Технический результат, достигаемый посредством использования настоящего изобретения, состоит в увеличении поля зрения и выходного зрачка системы формирования изображений за счет использования раскрытой в данном документе световодной структуры.
Согласно первому аспекту, предложена световодная структура. Световодная структура содержит первую часть, вторую часть и промежуточную часть, посредством которой первая часть и вторая часть соединены друг с другом. Первая часть выполнена с возможностью приема лучей света, испущенных внешним устройством отображения, и, вследствие полного внутреннего отражения, обеспечения распространения лучей света через промежуточную часть во вторую часть. Вторая часть выполнена в виде ступенчатой структуры, имеющей верхнюю поверхность и нижнюю поверхность. Верхняя поверхность имеет по меньшей мере два участка, наклоненные относительно нижней поверхности, и по меньшей мере один участок, расположенный между упомянутыми по меньшей мере двумя наклоненными участками и являющейся по существу параллельным нижней поверхности. Благодаря такой ступенчатой конфигурации второй части лучи света, которые отражаются от наклоненных участков верхней поверхности, выводятся наружу. Кроме того, ступенчатая структура выполнена с возможностью обеспечивать прохождение окружающего света, падающего на верхнюю поверхность, через себя в направлении наблюдателя вместе с упомянутыми выводимыми лучами света.
В одном варианте исполнения нижняя поверхность и все участки верхней поверхности ступенчатой структуры могут быть плоскими.
В другом варианте осуществления все участки верхней поверхности ступенчатой структуры могут быть изогнутыми.
В еще одном варианте осуществления нижние поверхности первой части, второй части и промежуточной части могут быть совмещены друг с другом.
В еще одном варианте осуществления места стыка разных участков верхней поверхности ступенчатой структуры могут быть скруглены.
Все участки верхней поверхности ступенчатой структуры могут иметь одинаковую длину, или некоторые или все участки верхней поверхности ступенчатой структуры могут иметь разную длину.
Кроме того, первая часть, вторая часть и промежуточная часть могут быть реализованы в виде монолитной структуры.
На каждом из участков, наклоненных относительно нижней поверхности ступенчатой структуры, может быть нанесено зеркальное покрытие. Зеркальные покрытия могут быть чувствительны к поляризации лучей света, испущенных внешним устройством отображения.
В одном варианте осуществления световодная структура может дополнительно содержать компенсирующую часть. Структура компенсирующей части должна быть идентична структуре второй части, чтобы компенсирующая часть примыкала ко второй части без какого-либо зазора между ними.
Более того, верхняя и нижняя поверхности промежуточной части могут быть наклонены относительно нижней поверхности второй части, и/или верхняя и нижняя поверхности промежуточной части могут быть изогнуты.
Предпочтительно, чтобы первая часть имела выпуклую структуру, в частности клиновидную структуру.
Согласно второму аспекту, предложено оптическое устройство. Оптическое устройство содержит: устройство отображения, выполненное с возможностью испускать лучи света; оптическое средство, выполненное с возможностью перенаправлять лучи света относительно своей оптической оси; и по меньшей мере одну световодную структуру согласно первому аспекту. Световодная структура расположена относительно оптической оси оптического средства таким образом, что лучи света от устройства отображения падают на первую часть.
В одном варианте осуществления устройство отображения может быть выполнено в виде микроустройства отображения для обеспечения лучшей компактности.
В другом варианте осуществления оптическое средство может содержать окуляр или коллиматор.
Согласно третьему аспекту, обеспечена система формирования изображений. Система содержит: по меньшей мере одно оптическое устройство согласно второму аспекту; и процессор, соединенный с оптическим устройством и выполненный с возможностью обработки изображений для их отображения пользователю через оптическое устройство.
Система может дополнительно содержать радиоинтерфейс, выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством радиоволн.
Система может дополнительно содержать оптический интерфейс, выполненный с возможностью захвата изображений и отправки захваченных изображений процессору. Оптический интерфейс может содержать фотокамеру, видеокамеру, проекционный объектив или любую их комбинацию.
Система может дополнительно содержать акустический интерфейс, выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством акустических волн. Акустический интерфейс может содержать микрофон, динамик, датчик костной проводимости или любую их комбинацию.
В некоторых вариантах осуществления система может быть выполнена в виде шлема или очков.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг. 1 показывает оптическое устройство в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы оптического устройства с Фиг. 1;
Фиг. 3-6 показывают разные варианты осуществления второй части световодной структуры;
Фиг. 7 показывает вид сбоку световодной структуры со второй частью, имеющей поляризационные покрытия;
Фиг. 8 показывает оптическое устройство, в котором все части световодной структуры совмещены друг с другом;
Фиг. 9 показывает оптическое устройство, в котором промежуточная часть световодной структуры имеет изогнутые поверхности;
Фиг. 10а представляет собой 3D-вид оптического устройства, в котором используется LCoS-микродисплей;
Фиг. 10b представляет собой 3D-вид световодной структуры, имеющей множество ступенек во второй части;
Фиг. 11а иллюстрирует систему формирования изображений, выполненную в виде очков, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 11b иллюстрирует конструкцию правой дужки очков с Фиг. 11а;
Фиг. 12 иллюстрирует поведение лучей света внутри световода, известного из уровня техники.
Осуществление изобретения
Различные варианты исполнения настоящего изобретения описаны далее более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания специалисту в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике посредством использования любого числа вариантов осуществления, обеспеченных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
Фиг. 1 иллюстрирует оптическое устройство 100 в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, устройство 100 содержит устройство 101 отображения (схематически показанное как прямая линия), оптическое средство 102 и световодную структуру. Световодная структура состоит из первой части 103, второй части 104 и промежуточной части 105, посредством которой первая и вторая части 103, 104 соединены друг с другом. Каждая из частей световодной структуры может быть выполнена из любых известных материалов, подходящих для распространения света, таких как стекло, полимерные материалы и т.д. Кроме того, все части световодной структуры могут быть выполнены в виде монолитной структуры.
Устройство 101 отображения выполнено с возможностью испускать лучи света в направлении оптического средства 102. Устройство 101 отображения может быть любого типа, известного в уровне техники, например, LCD-, LCoS-, CRT-, LED- или OLED-устройством отображения. Кроме того, устройство 101 отображения может быть выполнено, если необходимо, в виде микроустройства отображения для обеспечения его компактности.
Оптическое средство 102 может иметь любую подходящую конфигурацию. Например, на Фиг. 1 показано оптическое средство 102, состоящее из одной линзы. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено такой конфигурацией оптического средства и, если необходимо, может включать в себя множество разных линз или других оптических элементов. Выбор типа и числа линз и/или других оптических элементов зависит от конкретного применения, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники. В частности, оптическое средство 102 может содержать окуляр, коллиматор и т.д. Оптическое средство направляет лучи света, испущенные устройством 101 отображения, вдоль своей оптической оси, тем самым формируя выходной зрачок 106.
Лучи света, проходящие через оптическое средство 102, падают на первую часть 103, соединенную с одним краем промежуточной части 105. Предпочтительно, если первая часть 103 световода выполнена в виде клиновидной структуры, чтобы лучи света, введенные в первую часть 103, распространялись внутри нее и направлялись к промежуточной части 105 посредством полного внутреннего отражения. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено клиновидной структурой первой части 103, и могут использоваться любые другие подходящие структуры, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Как следует из Фиг. 1, лучи света впоследствии вводятся в промежуточную часть 105 и распространяются внутри нее посредством полного внутреннего отражения от поверхностей 107 и 108. Далее лучи света вводятся во вторую часть 104, соединенную с другим краем промежуточной части 105. Как показано, вторая часть 104 выполнена в виде ступенчатой структуры, имеющей верхнюю и нижнюю поверхности. Верхняя поверхность имеет два участка 109 и 110, наклоненные относительно нижней поверхности 111, и участок 112, расположенный между участками 109 и 110 параллельно нижней поверхности 111. Лучи света, попадающие на участки 109 и 110, отражаются от них и затем выводятся из второй части 104 через нижнюю поверхность 111. В качестве примера, Фиг. 1 показывает два краевых луча 113 и 114 из лучей света, испущенных из устройства 101 отображения, которые входят во вторую часть 104. В частности, краевой луч 113 непосредственно падает на участок 110, в то время как краевой луч 114 падает на участок 109 через два отражения от участка 112 и нижней поверхности 111. Таким образом, участок 112 и нижняя поверхность 111 используются для обеспечения распространения луча 114 света далее во вторую часть 104. Здесь необходимо также отметить, что в этом примере нижняя поверхность 111 выполнена с возможностью выводить только те лучи света, которые падают на нее под углом, меньшим, чем угол полного внутреннего отражения. Таким способом можно увеличить выходной зрачок 106 оптического средства 102, как показано в положении 115.
Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы оптического устройства 100. Сначала устройство отображения испускает лучи света, формируя изображение 201. Изображение 201 может включать в себя любой один или более объектов, таких как графический объект, текст или их комбинацию. В настоящем варианте осуществления изображение 201 включает в себя графический объект, такой как машина. Затем лучи света, коллимированные оптическим средством 102, проходят через первую часть 103, промежуточную часть 105 и вторую часть 104 световодной структуры, и выводятся из световодной структуры в направлении глаза 202 наблюдателя. В то же время, вторая часть 104 световодной структуры дополнительно выполнена с возможностью пропускать через себя окружающий свет от объектов реального мира. Окружающий свет затем выводится в направлении глаза 202 наблюдателя вместе с лучами света от устройства 101 отображения. Таким образом, комбинация виртуального изображения 201 и фонового изображения 203 формируется на сетчатке глаза 202 наблюдателя. Другими словами, наблюдатель может видеть объединенное изображение 204, состоящее из виртуального изображения 201 и фонового изображения 203.
Кроме того, компенсирующая часть 205 может использоваться для наблюдения фонового изображения 203. Структура компенсирующей части 205 идентична структуре второй части 104, так что компенсирующая часть 205 примыкает ко второй части 104 световодной структуры без какого-либо зазора между ними. Окружающий свет 206, исходящий от объектов реального мира, проходит через поверхность 207 наверху компенсирующей части 205 и далее через участки 109, 110, 112 и поверхность 111 к глазу 202 наблюдателя. Таким образом, наблюдатель может просматривать объединенное изображение 204.
Вышеописанная световодная структура может использоваться без компенсирующей части 205. Фиг. 3 показывает вид сбоку второй части 104, где на участки 109 и 110 нанесено зеркальное покрытие. Краевые лучи 113, 114, которые попадают на участки 109, 110, 112, отражаются в направлении глаза наблюдателя, тем самым обеспечивая виртуальное изображение 201. Окружающий свет 206, проходящий через участок 112, обеспечивает фоновое изображение 203.
Также следует отметить, что вторая часть 104 световодной структуры показана на Фиг. 3 как имеющая верхнюю поверхность с тремя одинаковыми участками, наклоненными относительно нижней поверхности 111, и двумя одинаковыми участками, параллельными нижней поверхности 111. Однако настоящее изобретение не ограничено этой или ранее описанной (Фиг. 1-2) конфигурацией световодной структуры. Например, верхняя поверхность второй части 104 световодной структуры может включать в себя множество участков, наклоненных относительно нижней поверхности 111, и множество участков, параллельных нижней поверхности 111, в зависимости от конкретного применения. Кроме того, эти два типа участков верхней поверхности второй части 104 могут иметь разные длины, тем самым формируя разные ступеньки, как иллюстративно показано на Фиг. 4. Вдобавок, каждый из участков 109, 110, 112 может быть изогнут произвольным образом (см. Фиг. 5) для улучшения качества изображения или однородности яркости, и/или может также быть покрыт частично прозрачным покрытием для улучшения однородности. Если потребуется, места 601 соединения участков 109, 110, 112 могут также быть сглажены или закруглены (см. Фиг. 6).
В другом варианте исполнения оптические покрытия могут использоваться для обеспечения определенных коэффициентов отражения и пропускания поверхностей второй части 104 для одновременного просмотра окружающей обстановки виртуального изображения от устройства 101 отображения. В этом случае, оптическое покрытие может быть поляризационным покрытием. Пример такого поляризационного покрытия схематически показан на Фиг. 7. Лучи света с S-поляризацией, исходящие от устройства 101 отображения и распространяющиеся через промежуточную часть 105 световодной структуры, вводятся во вторую часть 104. Участки 109 и 110 второй части 104 покрыты поляризационным покрытием, которое способно отражать свет с S-поляризацией и пропускать свет с p-поляризацией. Таким образом, захваченные лучи 701 отражаются от участков 109, 110 благодаря покрытию и от поверхности 111 за счет полного внутреннего отражения. Лучи света 206, исходящие от объектов реального мира, являются неполяризованными. Лучи света 206 от объектов окружающей обстановки, которые проходят через участок 112, остаются неполяризованными. Однако лучи света 206, которые проходят через участки 109, 110, будут иметь p-поляризацию (702). Дешевизна покрытий является преимуществом предложенного устройства над другими конструкциями на основе полупрозрачных зеркал, в которых коэффициенты отражения и пропускания покрытий зависят от угла падения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение не ограничено этими поляризационными покрытиями и может включать в себя другие типы поляризационных покрытий в зависимости от применения. Например, поляризационные покрытия могут быть выполнены с возможностью отражения света c p-поляризацией и пропускания света с s-поляризацией, в отличие от случая, показанного на Фиг. 7.
В некоторых вариантах исполнения поверхности 107 и 108 промежуточной части 105 могут быть наклонены относительно нижней поверхности 111 второй части 104, как показано на Фиг. 1-2. В других вариантах исполнения, по меньшей мере, нижние поверхности второй части 104 и промежуточной части 105 могут быть совмещены друг с другом, как показано на Фиг. 3-7. Фиг. 8 иллюстрирует весь вид сбоку световодной структуры, в которой первая часть 103, вторая часть 104 и промежуточная часть 105 полностью совмещены друг с другом.
В еще одном варианте исполнения поверхности 107 и 108 промежуточной части 105 могут быть изогнуты произвольным образом, как проиллюстрировано на Фиг. 9.
Фиг. 10а иллюстрирует трехмерный вид устройства 100, в котором используется LCoS-дисплей. Как показано, устройство 100 также включает в себя систему 901 освещения и светоделительный куб 902. Кроме того, к первой части 103 также присоединена призма 903 для обеспечения распространения лучей света через световодную структуру за счет полного внутреннего отражения. Общие размеры световодной структуры с такой конфигурацией - 53×15,4×3,5 мм (см. Фиг. 10b, на которой все размеры даны в мм). В частности, вторая часть 104 имеет 10 наклонных участков. Высота наклонных участков 109, 110 равна 0,35 мм, а их длина составляет 0,75 мм. Поверхность 111 и участок 112 параллельны друг другу. Длина участка 112 равна 0,5 мм. Оптическое средство для варианта исполнения, показанного на Фиг. 10b, имеет следующие параметры: поле обзора - 26°, выходной зрачок - 13 мм, длина вдоль оптической оси - 35 мм, диафрагменное число - 1,5.
Фиг. 11а показывает примерную систему 300 формирования изображений. Как показано на Фиг. 11а, система 300 выполнена в виде очков с дужками 301. Однако настоящее изобретение не ограничено такой конфигурацией системы 300. Например, система 300 может быть также выполнена в виде шлема. Конструкция правой дужки 301 показана на Фиг. 11b. Левая дужка 301 имеет такую же конструкцию. В целом, система 300 содержит два оптических устройства 100, каждое из которых реализовано в соответствующей одной из душек 301. Микроустройство 101 отображения и оптическое средство 102 объединены в оптическом модуле 302. В этом случае, предпочтительно реализовать устройство 101 отображения в виде микродисплея для обеспечения лучшей компактности. Световодная структура устройства 100 расположена таким образом, что первая часть 103 обращена к оптическому модулю 302, а вторая часть 104 обращена к глазу пользователя (не показан). Правая дужка 301 также содержит следующие конструктивные элементы: интегрированный процессор 303, радиоинтерфейс 304, оптический интерфейс 305 и акустический интерфейс 306. Интегрированный процессор 303 обрабатывает изображения для последующего отображения их пользователю. Радиоинтерфейс 304 принимает и/или передает интерактивный контент посредством радиоволн. Оптический интерфейс 305 захватывает изображения и отправляет их процессору 303. Например, оптический интерфейс 305 может быть выполнен в виде фотокамеры, видеокамеры или проекционного объектива. Акустический интерфейс 306 принимает и/или передает интерактивный контент посредством акустических волн. Например, акустический интерфейс 306 может быть реализован в виде микрофона, динамика или датчика костной проводимости.
Хотя в данном документе были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличие множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.