УСТРОЙСТВО ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА
AUGMENTED REALITY DEVICE BASED ON HOLOGRAPHIC OPTICAL WAVEGUIDE

Область техники, к которой относится изобретение
Устройство относится к области оптических приборов и может быть использовано в качестве основы оптических устройств формирования динамического изображения дополненной реальности, например, в таких областях, как геолокационные сервисы, системы навигации, обучающие программы, системы визуализации в медицине, игровые приложения, системы проектирования, виртуальная реклама.
Уровень техники
Системы дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальности интенсивно развиваются в течение последних 20 лет. В отличие от виртуальной реальности, позволяющей полностью погрузить пользователя в цифровой мир, AR обладает лучшей способностью для восприятия реального мира. AR позволяет пользователю просматривать в реальном времени поток генерируемой цифровой информации и образ окружающей среды. В настоящее время системы AR получили широкое распространение в авиапромышленности. Работа таких устройств базируется на применении оптического элемента, обладающего способностью одновременного отображения потока генерируемого цифрового изображения и имеющего высокий коэффициент пропускания видимого света, необходимого для наблюдения окружающей среды.
Из уровня техники известен патент US 8477425 B2, где раскрыта интерактивная оптическая система, имеющая крепление к голове пользователя, и обеспечивающая возможность отображения цифрового изображения с сохранением возможности обзора окружающей среды. Основным элементом устройства (оптической системы) является частично отражающий, частично пропускающий оптический элемент, представляющий собой светоделительную пластину, располагаемую перед глазом пользователя. В качестве источников освещения используется система, состоящая из поляризационного фильтра и не коллимированных красного, синего и зеленого (RGB) светодиодов. Изображение формируется при помощи жидкокристаллической (LCoS) матрицы с поляризационными пленками. Сгенерированное изображение, проходя через систему линз, попадает на частично отражающий, частично пропускающий оптический элемент, а затем перенаправляется на полупрозрачную изогнутую поверхность, которая возвращает сгенерированное изображение в поле зрения наблюдателя. Поскольку основной оптический элемент частично пропускает падающее световое излучение, то пользователь может просматривать окружающую среду. Поскольку в системе используется единственный LCoS, то необходимо использовать временное мультиплексирование подсветки для обеспечения цветного изображения.
Данное решение обладает рядом недостатков. Сложная оптическая система, включающая в себя большое количество пассивных оптических элементов, приводит к уменьшению разрешения генерируемого изображения, которое может достигать 800×480. Кроме того, использование большого количества поляризационных узлов и полупрозрачных оптических элементов приводит к значительному уменьшению интенсивности света, генерируемого в начале оптического пути, что приводит к снижению энергоэффективности всего устройства. Разнесение источника генерируемого изображения (LCoS) матрицы и основного частично отражающего, частично пропускающего оптического элемента приводит к увеличению габаритов всей системы, что также негативно сказывается на потребительских свойствах данного решения.
В публикации WO 2014/068482 A1 раскрыта конструкция очков дополненной реальности, способных накладывать информацию и изображения на поле зрения, не перекрывая его. Очки дополненной реальности содержат оправу, которая поддерживает линзу очков, при этом с оправой связан миниатюрный дисплей, сконфигурированный для проецирования изображения в заданном направлении. Изображение, сформированное проекционной системой, попадает на зеркало, которое перенаправляет пучок в область линзы очков. Согласно решению, оптическая система содержит элемент, включающий две линзы, связанные так, что одна из соответствующих поверхностей обработана отражающим поверхностным покрытием. Отражающее покрытие выполнено с возможностью отражения узкой полосы видимого спектра с характерной спектральной шириной 20-30 нм. Использование такой двухкомпонентной линзы позволяет выполнить часть линзы очков в виде наклонного плоского зеркала, что приводит к возможности перенаправить отраженное изображение в область просмотра пользователя. Изобретение поддерживает возможность подстройки очков под физические особенности зрения пользователя.
Данное решение обладает рядом недостатков. Так, малая контрастность изображения приводит к необходимости использовать частично пропускающее покрытие только в ограниченной области поля зрения. Просмотровое поле зрения (FOV) ограничено углом в 60°. Кроме того, использование покрытия с узкой спектральной селективностью приводит к возможности генерации только монохроматического изображения, а разнесение элемента, генерирующего изображение, и двухкомпонентной линзы приводит к значительному увеличению габаритов всей системы.
Из патента US 9910283 B2 известен световолновод с множеством встроенных частично отражающих поверхностей применительно к системе дополненной реальности. Данная система представляет собой тип головного дисплея (head-up display, HUD), компактность которого достигается за счет использования волноводного принципа. Первая отражающая поверхность освещается коллимированным дисплеем, исходящим от источника света, расположенного позади устройства. Отражающая поверхность переводит сформированное изображение в волновод, в котором пучок продолжает распространяться через полное внутреннее отражение (волноводный принцип). После нескольких отражений от параллельных поверхностей волновода захваченные световые волны достигают массива селективно полупрозрачных и полуотражающих поверхностей, которые перенаправляют световые волны из подложки в направлении глаза наблюдателя. Для уменьшения эффектов переотражения распространяющегося луча на границах отражающих поверхностей рассматривается возможность использования анизотропных оптических пленок (массив тонких параллельных проводников). Данная технология позволяет достичь угла обзора больше стандартной системы HUD при сохранении малой толщины просмотровой линзы.
Данное решение обладает следующими недостатками. Из-за использования полупрозрачных переотражающих поверхностей происходит затемнение изображения, поступающего от реального мира, при этом недостаточная видимость окружающей среды приводит к ограничению областей использования данного устройства. Частичное высвечивание сгенерированного изображения на каждом полуотражающем элементе приводит к уменьшению интенсивности распространяющегося по волноводу света, что требует правильной корректировки коэффициента отражения для каждой области волновода. Кроме того, в известном устройстве генерация изображения осуществляется до момента введения его в волновод, что приводит к использованию схемы с разделением источника изображения и просмотровой областью, и, соответственно, к увеличению габаритов устройства. В-четвертых, для формирования качественного изображения с высокой контрастностью и высоким разрешением необходимо использование многослойных структур.
В публикации US 2019/0324274 A1 раскрыта технология выполнения системы дополненной реальности на основе пленки с локально модулированным коэффициентом прозрачности. Система с регулируемой прозрачностью включает в себя слой с регулируемой прозрачностью и проецирующую систему. В состав проецирующей системы входит ультрафиолетовый (УФ) лазерный источник и матрица микрозеркал (MEMS), которые в совокупности осуществляют генерацию требуемого изображения. Далее изображение проецируется на слой с модулируемым коэффициентом прозрачности (фотохромный слой), нанесенный на очковую линзу. Спроецированный пучок локально меняет коэффициент прозрачности пленки, что приводит к формированию изображения на поверхности пленки. Сформированное изображение является маской для света от окружающей среды, таким образом происходит формирование изображения в области глаза наблюдателя.
Данное решение обладает рядом недостатков. Поскольку изображение формируется непосредственно в области очковой линзы, то наблюдателю изображение будет доступно только при близкой фокусировке глаза, соответственно, совместное наблюдение сгенерированного изображения и вида окружающего мира, удаленного более чем на 2 м, не представляется возможным. Использование УФ источника для модуляции прозрачности приводит к отсутствию возможности генерирования мультицветного изображения. Влияние УФ излучения от внешних источников окружающей среды приводит к фоновой модуляции фотохромного слоя и сильному ухудшению контраста отображаемого изображения. Использование фотохромной пленки с сильной зависимостью оптических свойств от температуры окружающей среды приводит к существенному ограничению функциональности устройства (в ограниченном температурном диапазоне ±10 град.).
В патенте US 9846307 B2 раскрыт способ и компактное устройство для отображения изображения на сетчатку глаза человека с использованием дисплея, встроенного в очки. Система основана на технологии VRD (virtual retinal display). В качестве источника излучения используются небольшие лазеры или светодиоды. От них излучение попадает на динамический элемент MEMS. Для каждой позиции сканирующего зеркала может быть сформирован пиксель на сетчатке посредством растрового сканирования. После динамической системы луч попадает на объемный голографический оптический элемент (HOE), расположенный в области очковой линзы. Элемент HOE выполняет две основные функции: позволяет свету из окружающей среды проходить беспрепятственно, обеспечивая нормальное зрение для пользователя, а также перенаправляет отсканированный свет от проектора к глазу пользователя для отображения изображения, проходящего через центр зрачка глаза, и проецируется на задней стороне сетчатки. HOE изготавливается методом голографии. Использование нескольких слоев HOE, записанных для различных длин волн и наложенных друг на друга, позволяет получить мультицветное изображение.
Данное решение обладает следующими недостатками. Технология VRD требует точного позиционирования зрачка глаза и системы проецирования, поэтому пользователь видит сгенерированное изображение только при фиксированном положении глаз. Также это приводит к необходимости подстройки всей системы под физические особенности отдельного наблюдателя (межзрачковое расстояние и положение переносья очков). Использование единственного рефлектора в динамическом элементе MEMS для построчного сканирования приводит к низкому разрешению генерируемого изображения и перекрыванию конечных элементов массива сканирования.
В публикации WO 2019132474 A1 раскрыта система виртуальной и дополненной реальности с точечными зеркалами. Первоначальное изображение формируется дисплеем, расположенным в стороне от системы проецирования изображения просмотровой области наблюдателя (дужке очков). Сгенерированное изображение, проходя через систему линз, проецируется на точечные зеркала, расположенные в объеме очковой линзы. Точечные зеркала выполнены с возможностью перенаправления световых лучей, формирующих виртуальное изображение, на оптический элемент с расширением поля зрения, который, в свою очередь, перенаправляет световые лучи, формирующие виртуальное изображение, в область глаза пользователя. В результате сформированное изображение проецируется на заднюю сторону сетчатки, проходя через центр зрачка глаза наблюдателя. В некоторых вариантах изобретения оптический элемент с расширением поля зрения может быть полупрозрачным. Во многих вариантах осуществления для достижения широкого поля зрения оптический элемент, расширяющий поле зрения, имеет больший поперечный размер, чем зрачок человеческого глаза, если смотреть с точки зрения пользователя. При использовании системы AR непрозрачные точечные зеркала не наблюдаются пользователем, поскольку находятся не в фокусе взгляда, а их размер значительно меньше размера зрачка человеческого глаза.
Данное решение обладает следующими недостатками. Для фокусирования сгенерированного изображения на точечное зеркало необходимо использование очковых линз с толщиной более 5 мм, что приводит к увеличению характерных размеров конечной системы. При этом проецирование изображения через центр зрачка глаза наблюдателя требует точной настройки положения проецирующей системы. При использовании конфигурации с несколькими просмотровыми областями невозможно осуществить "плавный" переход между соседними областями. Толщина очковой линзы задает конечность просмотрового поля зрения (FOV), что уменьшает область совмещения сгенерированного изображения и образа окружающей среды.
В публикации US 20170235143 A1 раскрыта система дополненной реальности на основе волноводного дисплея с двумерным сканером. Данная система отличается небольшими габаритами по сравнению с аналогичными системами на основе технологии HUD. Сборка источника включает в себя набор когерентных или квазикогерентных источников света. Один или несколько исходных элементов могут излучать свет на разных длинах волн. Оптическая система включает в себя один или несколько оптических элементов, которые фокусируют и коллимируют принимаемый от источника свет. Оптическая система также включает в себя одно или несколько сканирующих зеркал (например, MEMS), которые сканируют свет, полученный от фокусирующей линзы. От системы сканирования луч попадает в область оптического дисплея-волновода. Дисплей включает в себя область введения и область вывода изображения, которые реализованы посредствам дифракционных решеток. Период входной дифракционной решетки подбирается для возможности распространения излучения по волноводу через полное внутреннее отражение. После распространения излучения, введенного через входную область, происходит расширение изображения и высвечивание в направлении глаза пользователя. Шаг выходной дифракционной решетки подбирается так, чтобы заставить свет падающего изображения выходить из выходной области.
Данному решению присущи следующие недостатки. Размер зеркала и частота перемещения являются двумя фундаментальными пределами для разрешения. В дальнем поле размер зеркала определяет угол рассеяния дифракции сканируемого лазерного луча. В патенте US 9753297 B2 описано оптическое устройство для расширения выходного зрачка, которое может быть использовано в системе дополненной реальности. Оптическое устройство представляет собой оптический волновод с нанесенными на области дифракционные решетки, различные по периоду и направленности.
1) Первая область сконфигурирована для соединения первого компонента светового луча с устройством, причем первый компонент светового луча имеет длину волны в первом спектральном диапазоне;
2) Вторая область выполнена с возможностью присоединения второго компонента светового луча к устройству, причем второй компонент светового луча имеет длину волны во втором спектральном диапазоне, отличном от первого спектрального диапазона;
3) Третья область выполнена с возможностью расширения первого компонента светового пучка в первом измерении для создания расширенного первого компонента;
4) Четвертая область выполнена с возможностью расширения во втором измерении расширенного первого компонента для создания дополнительного расширенного первого компонента и выполненная с возможностью вывода дополнительного расширенного первого компонента светового пучка из устройства;
5) Пятая область выполнена с возможностью расширения второго компонента светового пучка во втором измерении для создания расширенного второго компонента;
6) Шестая область выполнена с возможностью расширения в первом измерении расширенного второго компонента для создания дополнительного расширенного второго компонента и выполненная с возможностью вывода дополнительного расширенного второго компонента из устройства, коллинеарного с дополнительным расширенным первым компонентом светового пучка.
Система областей позволяет вводить сгенерированное изображение в оптический волновод, а также осуществлять вывод изображения в направлении глаза наблюдателя.
Данному решению присущи следующие недостатки. Отображение изображения осуществляется только с одной области, другие области выполняют функции формирования и расширения изображения. Такой подход приводит к значительному увеличению габаритов устройства. Использование дифракционных решеток с периодом, сравнимым с длиной волны видимого диапазона света, приводит к появлению радужной окраски поверхности очковой линзы при освещении внешними источниками света. Кроме того, используемая технология отличается необходимостью высокой точности позиционирования изготавливаемых дифракционных элементов с областью просмотра.
Наиболее близким к заявляемому устройству является система многопиксельного отображения сетчатки (MPBRD), раскрытая в патенте US 9250445 B2. Основным элементом устройства является матрица с микроотверстиями, перенаправляющими и ограничивающими расходимость пучка. Изображение формируется с помощью стандартного двухмерного ЖК-дисплея или OLED-дисплея. Объемный слой, устанавливаемый между дисплеем и наблюдателем, коллимирует свет в узкий малорасходящийся пучок и перенаправляет его в область зрачка наблюдателя. Объемный слой представляет собой микроотверстия с характерным размером - 100 мкм и обладающие разной направленностью с характерным отношением толщины к диаметру отверстия 1:100. Такое отношение может привести к очень небольшой угловой расходимости проходящего света. Ориентация отверстий подбирается таким образом, чтобы обеспечить попиксельное проецирование изображения через центр зрачка на заднюю сторону сетчатки глаза наблюдателя. В других конфигурациях устройства вместо микроотверстий могут использоваться микрооптоволокна, ориентированные соответствующим образом, что позволяет получить беспрепятственное наблюдение окружающей среды через данное устройство.
Данному решению присущи следующие недостатки. Высокое аспектное соотношение диаметра отверстий или оптоволокон к толщине приводит к возможности отображения только в одном фиксированном положении глаза, что значительно усложняет возможности его использования. Для обеспечения возможности совмещения цифрового сгенерированного изображения с образом окружающей среды требуется использование, на начальных этапах пучка, дисплеев (OLED иди ЖК), которые отличаются малым коэффициентом прозрачности, что в целом приводит к уменьшению видимости окружающей среды.
Краткая сущность заявляемого изобретения
Таким образом, из уровня техники можно выделить два основных метода наложения цифрового изображения на образ окружающего мира: первый - это дифракционные волноводы и HUD технологии, второй - это технологии на основе VRD. При этом устройства, реализующие первый метод, могут характеризоваться высоким разрешением, но малой просмотровой областью и не компактностью конечного устройства. Устройства, реализующие второй метод, характеризуются широким просмотровым полем зрения и компактным форм-фактором, но значительно уступают в разрешении изображения и мультицветности. Таким образом, из уровня техники не известно устройство, обладающее как высоким разрешением и мультицветностью, так и большим просмотровым полем зрения и компактным исполнением.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих известным аналогам и прототипу за счет создания устройства дополненной реальности, имеющего, с одной стороны, конструкцию и массогабаритные показатели, характерные для традиционных очков для коррекции зрения, а, с другой стороны, обладающего такими оптимальными техническими характеристиками как: угол обзора, мультицветность, разрешение, контрастность генерируемого изображения. Разрабатываемая система может быть использована в качестве основы оптических устройств формирования динамического изображения дополненной реальности, что является востребованным в таких областях, как геолокационные сервисы, системы навигации, обучающие программы, системы визуализации в медицине, игровые приложения, системы проектирования, виртуальная реклама. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в увеличении просмотрового поля зрения устройства до 100° в сочетании с разрешением >1280×720, высокой контрастностью генерируемого изображения и малой толщиной просмотрового элемента, что в свою очередь приводит к уменьшению форм-фактора всего устройства.
Заявляемое устройство также обладает следующими техническими преимуществами:
• Разрешение: ≥1280×720.
• Просмотровое поле зрения (FOV): ≥100°.
• Совмещение источника изображения и просмотровой области.
• Толщина: ≤4 мм.
• Мультицветность.
• Мультипросмотровость.
• Коэффициент пропускания: ≥70%.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве дополненной реальности, предназначенном для проецирования генерируемого изображения на заднюю сторону сетчатки глаза человека через центр его зрачка, включающем оптическую схему, снабженную средствами крепления к голове человека, и средство введения излучения в оптическую схему, согласно техническому решению,
- оптическая схема, геометрически представляющая собой пластину с боковыми гранями, включает по меньшей мере, один прозрачный многослойный оптический элемент, выполненный из прилегающих друг к другу следующих слоев: внешний слой, выполненный в виде ступенчатого планарного оптического волновода, внутренний слой, обращенный к глазу человека, сформированный в виде жидкокристаллической матрицы, снабженной поляризационным фильтром, и промежуточный слой, размещенный между указанными слоями с плотным, исключающим формирование воздушного зазора, прилеганием к внешнему слою, выполненный в виде пленки, представляющей собой голографический оптический элемент,
- а система введения излучения включает по меньшей мере, один источник монохроматического излучения, размещенный вне многослойного оптического элемента, выполненный с возможностью заведения излучения в оптический волновод через боковые грани пластины оптической схемы.
Боковые грани оптической схемы могут быть снабжены светоотражающим покрытием и выполнены наклонными под углом от 30° до 60° к поверхности пластины, при этом источник излучения размещен с обеспечением заведения излучения в оптический волновод под нормальным углом к поверхности многослойного оптического элемента с последующим переотражением от боковой грани оптической схемы. На часть поверхности многослойного оптического элемента может быть нанесена дифракционная маска с периодом 100-2000 нм, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через дифракционную маску. В другом случае, боковые грани пластины оптической схемы могут быть выполнены наклонными под углом 45°-60° или скругленными с радиусом кривизны 0.1…10 мм, обеспечивающим фокусировку боковой гранью, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через указанную грань. Дополнительно планарный оптический волновод может быть снабжен защитными полимерными покрытиями, нанесенными на обе его поверхности, при этом показатель преломления полимерного покрытия меньше показателя преломления в сердцевине волновода. Оптическая схема может быть выполнена, по меньшей мере, из двух многослойных оптических элементов, плотно прилегающих друг к другу, имеющих различные рабочие длины волн и/или различные рабочие ориентации. Голографический оптический элемент имеет переменный коэффициент дифракции 10-95%, увеличивающийся по мере удаленности от области заведения излучения в многослойный оптический элемент. Устройство может быть снабжено средством регулировки положения отображаемого изображения относительно глаза человека, а также системой отслеживания положения глаза, установленной в средство крепления устройства к голове человека. Многослойный оптический элемент может быть выполнен из слоев с суммарным коэффициентом пропускания не менее 50% и имеет толщину не более 1 мм. Жидкокристаллическая матрица представляет собой динамическую монохромную матицу, состоящую из слоя жидких кристаллов, управляемых тонкопленочными транзисторами. В качестве средств крепления к голове человека может быть использована оправа с дужками.
Технический результат достигается также посредством реализации способа изготовления голографического оптического элемента, который предназначен для использования в заявляемом устройстве дополненной реальности по п. 1 формулы изобретения, согласно которому фоточувствительную пленку толщиной 10…200 мкм и площадью не менее 1 кв. см размещают на одной из боковых граней треугольной оптической призмы с показателем преломления материала призмы 1.2-1.5, направляют на указанную призму излучение от когерентного источника, при этом часть излучения, представляющую собой опорный пучок, заводят через одну боковую грань призмы, с обеспечением полного его внутреннего отражения на границе пленки с воздухом, а часть излучения, представляющую собой объектный пучок, направляют на внешнюю поверхность пленки через записываемый оптический элемент посредством его расположения на пути распространения излучения, и затем опорный и объектный пучки интерферируют в области пленки, в результате чего получают запись голографического изображения объекта в пленке.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где
На фиг. 1 схематично представлено устройство голографического оптического волновода и принцип работы электрооптического элемента, осуществляющего наложение сгенерированного изображения на образ окружающей среды.
На фиг. 2а-б представлены схемы записи голографического оптического элемента (линзы): а - прямая запись, б - запись с использованием призмы.
На фиг. 3 представлена структура областей голографического оптического элемента.
На фиг. 4а-г представлены возможные варианты заведения излучения подсветки в оптический волновод: а - отражение от границы, б - на основе дифракционной решетки, в - прямое заведение через наклонную грань, г - заведение через торец сложной формы.
На фиг. 5а-б представлены способы реализации мультицветного изображения: а - использование нескольких слоев голографических оптических элементов, б - использование подсветки с различных граней.
На фиг. 6 схематично представлено использование нескольких голографических оптических элементов для создания мультипросмотрового изображения (для различной ориентации глаза наблюдателя).
На фиг. 7а-в схематично представлено использование разной ориентации подсветки для создания мультипросмотрового изображения (для различной ориентации глаза наблюдателя): а - прямое изображение, б - смещение положения фокуса в направлении распространения света по волноводу, в - смещение положения фокуса в перпендикулярном направлении распространения света по волноводу.
На фиг. 8а-б представлена подстройка фокусного пятна очков дополненной реальности под физиологические особенности наблюдателя: а - степени свободы для регулировки межзрачкового расстояния и высоты положения; б - степень свободы для регулировки дужки с заушниками.
На фиг. 9 10 представлены фотоизображения результата использования заявляемого устройства. Наложение монохроматического изображения (буквы и цифры) на образ окружающей среды. Изображение детектировалось с помощью цифровой камеры, имитирующей работу глаза человека.
Голографический оптический элемент, используемый в заявляемом изобретении, может быть получен с помощью голографической записи образа оптического элемента в объеме фоточувствительного слоя в схемах, показанных на Фиг. 2. При этом записанный голографический оптический элемент должен обладать различным коэффициентом дифракции Фиг. 3, необходимым для равномерного высвечивания излучения с различных областей. Высвечивание излучения происходит из двумерного оптического волновода, излучение в котором распространяется через полное внутреннее отражение. Заведение излучения в волновод может быть осуществлено различными способами, показанными на Фиг. 4. Комбинированием нескольких слоев или различных ориентаций подсветки совместно с системой отслеживания положения зрачка глаза можно добиться мультицветного (Фиг. 5) и мультипросмотрового (Фиг. 6, Фиг. 7) изображения. Для более корректной работы устройства необходима первичная настройка системы под физиологические особенности глаз пользователя. Степени регулировки показаны на Фиг. 8.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Оптический волновод
2. Параллельный пучок
3. Фотополимерный слой с записанным образом голографического оптического элемента
4. ЖК - матрица
5. Поляризационный фильтр
6. Защитный полимерный слой
7. Центр зрачка человеческого глаза
8. Задняя сторона сетчатки человеческого глаза
9. Свет от образа окружающей среды
10. Стеклянная подложка
11. Прямоугольная призма
12. Записываемый оптический элемент (линза)
13. Предметный пучок
14. Опорный пучок
15. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции
16. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции
17. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции
18. Отражающее покрытие
19. Скошенный угол при основании плоскопараллельного оптического волновода
20. Дифракционная решетка
21. Точечный источник подсветки
22. Грань оптического волновода выполненная в виде выпуклой поверхности
23. Голографический оптический элемента записанный для красного диапазона
24. Голографический оптический элемента записанный для синего диапазона
25. Голографический оптический элемента записанный для зеленого диапазона
26. Трехцветная подсветка
27. Боковая грань плоскопараллельного оптического волновода
28. Голографический оптический элемент, записанный для позиции A
29. Голографический оптический элемент, записанный для позиции B
30. Голографический оптический элемент, записанный для позиции C
31. Активные пиксели для выбранной позиции
32. Система отслеживания положения глаза
33. Пятно фокусировки
34. Пятна фокусировки при просмотре двумя глазами
35. Система регулировки межзрачкового расстояния
36. Средство крепления к голове человека (дужки очков)
37. Система регулировки дужек
38. Боковая область системы, в которой располагается управляющая электронная часть, представляющая собой блок, который управляет ЖК-матрицей, чтобы подавать изображение дополненной реальности.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство может быть реализовано в виде конструкции, максимально приближенной по форме и габаритам к конструкции обычных очков для коррекции зрения. При этом оправа с дужками выступают в качестве средств крепления оптической схемы к голове человека. Оптическая схема представляет собой один или несколько близко расположенных друг к другу многослойных оптических элементов, в предельном случае расположенных вплотную. При этом при использовании нескольких оптических элементов их выбирают с обеспечением разных рабочих длин волн и разных просмотровых областей. Использование нескольких элементов позволяет добиться расширенных функциональных свойств: мультицветность и мультипросмотровость. Каждый многослойный оптический элемент представляет собой прозрачный двумерный оптический волновод с нанесенным полимерным слоем с образом голографического оптического элемента. Геометрически элемент выполнен в виде пластины, преимущественно, призматической формы, при этом боковые грани такой пластины могут быть выполнены скошенными под углом, необходимым для заведения параллельного излучения подсветки с последующим распространением вдоль волновода, или скругленными наклоненными гранями, что позволяет одновременно преобразовывать излучение точечного источника в параллельный пучок с последующим заведением излучения в волновод. Многослойный оптический элемент сформирован следующими слоями (начиная от наиболее удаленного от глаза наблюдателя):
• внешний слой, обращенный от глаза человека, представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из стекла или оптически прозрачного полимера с модифицированными гранями, необходимыми для заведения излучения подсветки (оптический волновод);
• промежуточный слой, следующий за волноводом в сторону глаза, представляет собой фотополимерную прозрачную пленку с записанным голографическим образом требуемого оптического элемента (линзы);
• внутренний слой, представляющий собой жидкокристаллическую (ЖК)-матрицу, снабженную полимерной пленкой, обладающую поляризационной фильтрацией;
Основным элементом разрабатываемого устройства является многослойный оптический элемент, содержащий оптический ступенчатый планарный волновод, устанавливаемый в область очковой линзы. Такой волновод представляет собой стеклянную пластину толщиной 1-5 мм с шероховатостью не ниже 7 класса чистоты поверхности. Боковые грани пластины модифицированы таким образом, чтобы можно было ввести излучение подсветки с последующим распространением пучка в волноводе через полное внутреннее отражение. Заведение может быть обеспечено несколькими способами: расположением дифракционной решетки вблизи боковой грани (Фиг. 4б), полировкой боковой грани под фиксированным углом с последующем нанесением отражающего слоя (Фиг. 4а) или прямым освещением боковой грани (Фиг. 4в), также возможна комбинация перечисленных способов заведения (Фиг. 4г). В качестве источника подсветки могут использоваться когерентные или не когерентные источники с заданной поляризацией. Совместно с источником могут быть использованы различные конфигурации пассивных оптических элементов для получения параллельного и поляризованного излучения, направляемого в волновод. Для перенаправления излучения из оптического волновода в сторону глаза наблюдателя используется голографический оптический элемент (HOE), записанный в фоточувствительном полимерном слое с характерной толщиной порядка 15 мкм. В качестве записываемого HOE используется фокусирующий элемент с фокусным расстоянием f=10-500 мм. Запись HOE может быть произведена в прямой схеме (метод Денисюка (Leith E.N., Upatnieks J. Journ. Opt. Soc. Amer., v. 54, 1295, 1964)) либо с помощью расположения фоточувствительной пленки на поверхности оптического элемента (призмы), в котором один из пучков может распространяться через полное внутреннее отражение. В качестве источника излучения для записи используется высококогерентный лазерный источник. Записанная пленка может быть перенесена на подготовленную поверхность двумерного оптического волновода методом переклеивания. Для обеспечения распространения пучка света по волноводу без потерь может использоваться нанесение защитных полимерных слоев с толщинами порядка 50 мкм с показателем преломления, меньшим показателя преломления центральной части планарного волновода. При распространении излучения по двумерному волноводу с нанесенной пленкой, в объеме которой записан HOE, в объеме пленки происходит дифракция пучка, что приводит к частичному высвечиванию излучения в направлении, заданном при записи HOE (рабочая область). Поскольку при каждом акте высвечивания излучения из волновода происходит уменьшение интенсивности, это может привести к неоднородной подсветке при использовании HOE с постоянным коэффициентом дифракции (отношение интенсивности дифрагированного пучка к интенсивности первоначального пучка). Для устранения данного недостатка можно использовать HOE с переменным коэффициентами дифракции для каждой отдельной области подсветки от 10% до 95%. Таким образом, с поверхности волновода происходит перенаправление коллимированного поляризованного излучения. Для генерации изображения на пути следования пучка установлена жидкокристаллическая монохроматическая матрица, которая позволяет получить модуляцию поляризованной подсветки. Сгенерированное изображение проецируется на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя. При этом проецирование изображения осуществляется через центр зрачка глаза наблюдателя, что позволяет исключить динамику самостоятельной фокусировки глаза. Спроецированное изображение представляется удаленным для наблюдателя на бесконечность при любой фокусировке глаза (дальней или ближней). Поскольку для корректного отображения изображения необходимо точное совпадение фокуса HOE с центром зрачка наблюдателя, в разрабатываемом устройстве предусмотрена система настройки под физические особенности наблюдателя посредством расположения регулировочных механизмов и механизмов крепления к голове в оправе устройства.
Для формирования нескольких просмотровых областей может быть использовано несколько HOE, записанных в одной фоточувствительной пленке или нескольких пленках и затем наложенных друг на друга, ориентированных для разных положений зрачка наблюдателя. Также изменение положения фокуса (рабочей ориентации) может быть реализовано с помощью изменения угла введения излучения в волновод.
Для формирования цветного изображения может быть использован промежуточный слой, состоящий из нескольких слоев фоточувствительной пленки, запись голографического элемента в которую произведена на различных длинах волн. Также возможна запись одной голографической пленки для нескольких длин волн с соответствующей различной ориентацией подсветки. Восстановление нужной длины в такой пленке происходит только при определенной ориентации подсветки (при которой осуществлялась запись).
Реализация такой системы дополненной реальности позволит значительно уменьшить ее форм-фактор при сохранении высоких технических параметров. Компактность устройства обеспечивается за счет отсутствия разнесения элемента генерации изображения и элемента отображения изображения. В разрабатываемом устройстве многослойный оптический элемент (очковая линза) служит и источником излучения подсветки, и генератором изображения, и проекционной системой. При этом технические параметры устройства также соответствуют высокому уровню. Так, просмотровое поле зрения составляет 110 град, что соответствует максимальному углу для человеческого глаза. Разрешение изображения определяется разрешением LCD матрицы и может достигать 2048*1080. В случае использование матрицы со средним размером пикселя 30 мкм, разрешение составляет 1280×720. Мультипросмотровость и мультицветность обеспечивается за счет варьирования ориентации подсветки или совмещения нескольких оптических элементов.
Разрабатываемое устройство выполнено в виде очков для коррекции зрения. Обращение с заявляемым устройством сходно с обращением с носимыми очками. Устройство может находиться в двух режимах: выключенном (пассивном) и рабочем (активном). При пассивном режиме не происходит генерация цифрового изображения и пользователь может наблюдать образ окружающей среды без помех. При активном режиме работы происходит включение подсветки и динамическая работа ЖК матрицы, что приводит к эффекту наложения цифровой картины на образ окружающей среды. Для пользователя сгенерированное изображение является удаленным на бесконечность, и его фокусировка не зависит от фокусировки глаза (изображение всегда четкое для любой фокусировки глаза наблюдателя).
На Фиг. 1 представлена схема и принцип работы устройства дополненной реальности на основе голографического оптического волновода. Чертеж показывает структуру очковой линзы и глаза в сечении. Основным элементом очковой линзы является оптический волновод (1), в объеме которого происходит распространение параллельного пучка (2) за счет полного внутреннего отражения на границе раздела волновода и голографического оптического элемента. При распространении излучения происходит дифракция излучения в объеме голографического оптического элемента (3) и перенаправление пучка в сторону глаза наблюдателя. Причем излучение (2) может быть не монохроматическим и слабо когерентным, голографический оптический элемент служит селектором длины волны. Дифракция с нужной геометрией высвечиваемого луча происходит только в узком спектральном диапазоне, отличные спектральные компоненты не высвечиваются или высвечиваются, но не создавая нужной геометрии пучка. Далее высвеченное излучение модулируется с помощью жидкокристаллической матрицы (LCD). Если излучение, распространяемое по волноводу, имеет фиксированную поляризацию, то с помощью LCD матрицы (4) и поляризатора (5) можно получить модуляцию высвечиваемого излучения. Далее сгенерированное изображение фокусируется в центр зрачка глаза (7) и затем проецируется на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя (8). Поскольку очковая линза состоит из прозрачных и полупрозрачных элементов, то через данный оптический элемент можно беспрепятственно наблюдать образ окружающей среды (9). Для механической защищенности и уменьшения потерь излучения, распространяемого по волноводу, могут быть использованы дополнительные пленки (6) с показателем преломления, меньшим показателя преломления основного оптического волновода, что позволит добиться полного внутреннего отражения на границе волновода - защитная пленка.
На Фиг. 2 показаны схемы записи голографического оптического элемента. Запись осуществляется когерентным источником лазерного излучения. Пучок делится на объектный (13) и опорный (14) пучки. Объектный пучок проходит через необходимый записываемый оптический элемент - выпуклую линзу (12), с фокусным расстоянием f=40 мм, и проецируется на фоточувствительную голографическую пластину (3), удаленную от линзы на двойное фокусное расстояние. Опорный луч проецируется на фоточувствительную пластину под фиксированным углом, который соответствует углу полного внутреннего отражения пучка, распространяющегося в волноводе при восстановлении. Запись голографической линзы может быть осуществлена как при прямой записи (а), с помощью наклеивания пленки на ровную поверхность (10), так и при полном внутреннем отражении (б), с помощью наклеивания пленки на поверхность оптической призмы (11).
На Фиг. 3 демонстрируется необходимость создания голографического оптического элемента с различными коэффициентами дифракции для каждой отдельной области (15), (16), (17). При распространении пучка (2) в объеме оптического волновода (1) и нанесенной на него голографической пленки с образом оптической линзы происходит уменьшение интенсивности распространяющегося излучения после каждого акта дифракции. Уменьшение интенсивности при распространении излучения приводит к неоднородности подсветки генерируемого изображения. Для создания элемента с различными областями дифракции может использоваться метод частичной засветки областей или метод, включающий в себя возможность варьирования мощности пучков в плечах (объектный и опорный пучки).
На Фиг. 4 показаны различные схемы заведения излучения в оптический волновод. Для введения излучения в волновод могут быть использованы следующие способы: (а) - одна из граней очковой линзы представляет собой наклоненную поверхность с нанесенным отражающим материалом (18), проецируемый свет отражается от этой грани и далее распространяется за счет полного внутреннего отражения; (б) - использование дифракционной решетки (20), один из порядков которой может распространяться по волноводу; (в) - прямое введение через торец, выполненный под фиксированным углом к большей поверхности волновода (19), при котором происходит распространение излучения; (г) - использование сложных поверхностей (22), которые могут преобразовывать излучение точечного источника (21) в параллельный пучок света. Последняя схема соответствует наибольшей компактности всего устройства.
На Фиг. 5 представлены способы создания трехцветного изображения. К первому (а) относится способ с использованием трех голографических оптических элементов (23), (24), (25), записанных для трех длин волн. При распространении монохроматического или смешанного излучения (26) для каждого голографического оптического элемента дифракция с нужной геометрией происходит только на длине волны, на которой происходила запись. Ко второму (б) относится способ на основе одного голографического элемента, в объеме которого записаны три оптических элемента для трех различных длин волн. При освещении этого элемента при различных ориентациях подсветки происходит высвечивание нужной длины волны только при правильной ориентации (27), при которой была произведена исходная запись элемента.
На Фиг. 6 показывается способ отображения изображения для различных положений зрачка глаза. Стандартная система позволяет проецировать только для одного фиксированного положения глаза. Но глаз является динамической системой, поэтому при отклонении зрачка от фокуса, сформированного голографической линзой, происходит искажение или перекрывание проекции. Таким образом необходимо создание нескольких просмотровых позиций, при которых будет видно изображение. Может быть использована схема с разделением просмотровых позиций за счет записи голографической оптической линзы под фиксированное положение глаза, а комбинация нескольких слоев (28), (29), (30) позволяет получить несколько просмотровых позиций а, б, в для различных ориентаций взора наблюдателя. Таким образом для распространяющегося луча (2) происходит высвечивание слоем (28) в направлении а, а модуляция пикселей (31) позволяет для выбранного направления получить свое изображение.
На Фиг. 7 рассматривается схема проецирования изображения в разные положения ориентации глаза. Для отслеживания положения глаза (зрачка) используется камера (32). Далее сигнал с камеры передается модулятору, который изменяет ориентацию входящего пучка (2) относительно неподвижного оптического волновода (1). При изменении ориентации входящего луча происходит смещение пятна фокуса (33) по области волновода (1). (А) - соответствует нормальному положению входного пучка; (Б) - соответствует наклону входящего пучка по направлению распространения луча в волноводе; (В) - соответствует наклону входящего пучка по перпендикулярному направлению распространения луча в волноводе.
На Фиг. 8 демонстрируются возможные регулировочные степени для настройки выводимого изображения в направлении глаза наблюдения. В зависимости от физиологических особенностей пользователя не представляется возможным создание универсальной системы. Для точного отображения изображения и прохождения сфокусированного пучка через центр зрачка необходима подстройка по параметрам пользователя. Так на одной из проекций (а) степени (34) позволяют регулировать межзрачковое расстояние (33), а степень (35) позволяет регулировать горизонт видения. На другой проекции (б) степень (37) позволяет регулировать расстояние между заушником (36) и блоком управления (38).
На Фиг. 9-10 демонстрируется работа устройства дополненной реальности на основе голографического оптического волновода с монохроматической подсветкой на длине волны 650 нм. Изображение (текст и цифры) генерируется в области оптического волновода. Полученное изображение проецируется через систему линз на матрицу цифровой камеры, являющейся моделью сетчатки глаза наблюдателя. Так как просмотровая область обладает прозрачностью, то возможно наблюдение окружающей среды совместно с наложенным цифровым изображением.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Изготовлен функциональный прототип заявляемого устройства. Ступенчатый планарный оптический волновод выполнен в виде пластины, имеющей следующие характерные размеры: 35 мм (В) × 35 мм (Ш), характерная толщина (боковая грань) 4 мм, класс шероховатости полировки стекла не ниже 7-го. Одна из боковых граней пластины отполирована под углом 45° к основанию.
Голографический оптический элемент был записан в фотополимерной пленке Bayfol HX-200 с толщиной 16 мкм. Запись осуществлялась по аналогии со схемой Денисюка: от когерентного источника (лазерного диода с мощностью 20 мВт и рабочей длиной волны 650 нм) пучок расширялся до характерного размера 50 мм и затем делился на два при помощи светоделительной пластины, один из пучков (опорный) при помощи зеркал перенаправлялся на фотополимерную пленку под углом падения 45°, а другой (объектный) проходил через записываемый оптический элемент (плоско-выпуклую линзу с фокусным расстоянием F=20 мм) и проецировался на область полимерной пленки, при этом записываемый оптический элемент устанавливался на расстоянии удвоенного фокуса. В результате интерференции когерентных пучков в объеме фотополимерной пленки происходит запись образа голографического оптического элемента.
Записанная пленка с образом линзы (голографический оптический элемент) переносилась на поверхность планарного волновода. Поверх полученной конструкции накладывалась жидкокристаллическая монохромная матрица с разрешением 64×80. В качестве источника заводимого излучения использовалась система, состоящая из лазерного диода малой мощности с рабочей длиной волны 650 нм и плоско-выпуклой линзы, обеспечивающей формирование параллельного расширенного пучка. Сформированный пучок направляли под нормалью на боковую грань планарного волновода. Сгенерированное изображение проецировалось на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя. Для обеспечения точного совпадения фокуса HOE и зрачка глаза была использована система регулировки положения просмотровой области относительно глаза при помощи 5 регулировочных винтов. Крепление системы к голове пользователя осуществлялось посредством использования самостоятельно спроектированной и распечатанной на 3D-принтере дужки очков.
Пример 1 показывает принципиальную реализуемость предлагаемого устройства в компактной геометрии с толщиной устройства 4 мм, благодаря совмещению просмотровой области с областью генерации изображения дополненной реальности.
Пример 2:
Использовался двумерный оптический волновод, выполненный из плоскопараллельной пластины из оптически чистого стекла толщиной 4 мм. Геометрия пластины: квадрат с двумя прилежащими скошенными торцами. С углом 45° при основании, подобранными для заведения излучения подсветки с последующим распространением вдоль волновода. На поверхность волновода была перенесена полимерная пленка с образом выпуклой линзы с фокусным расстоянием F=20 мм, записанной для перпендикулярных ориентаций поляризации подсветки для длин волн 450 нм и 650 нм. Запись осуществлялась последовательно: сначала записывался образ линзы при 450 нм в горизонтальной поляризации засветки, затем образец поворачивался на 90° и производилась запись при длине волны 650 нм. Поверх оптического волновода с нанесенной голографической пленкой накладывалась жидкокристаллическая матрица с поляризационным фильтром и разрешением 64×80. Для создания подсветки формировалось два параллельных световых пучка с длинами волн 450 нм и 650 нм, которые заводились через соседние грани. Генерация цветного изображения осуществлялась последовательно включением красной и отключением синей подсветки и наоборот. Частота генерируемого изображения составляла порядка 50 Гц, что было достаточно для наблюдения двухцветного изображения.
Таким образом, пример 2 продемонстрировал возможность создания контрастного цветного изображения с помощью предлагаемого устройства.
Пример 3:
Образец многослойного оптического элемента использовали как в Примере 1. Подсветка осуществлялась расширенным параллельным пучком с динамическим изменением угла наклона подсветки. Угол менялся в пределах -30° до 30° относительно нормали к поверхности скошенной грани волновода. В результате осуществлялось изменение (сдвиг) положения пятна фокусировки вдоль поверхности волновода в пределах от -5 мм до 5 мм. То есть показана возможность захвата рабочей области до 10 мм включительно.
Так как средний радиальный размер сетчатки составляет около 11 мм, при этом около 1.5 мм состаляет «слепое пятно», Пример 3 реализует создание изображения в пределах максимального угла просмотра и для различных положений (рабочих ориентаций) глаза.
В заключение, продемонстрировано достижение технического результата - малая толщина оптической схемы (Примеры 1-3), реализация мультицветности генерируемого изображения (Пример 2), просмотровое поле зрения устройства составляет покрывает поле зрения глаза, высокое разрешение достижимо за счет использования жидкокристаллической матрицы с большим разрешением.