УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ "ПАРЯЩЕГО" ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR DISPLAYING A "FLOATING" IMAGE AND METHOD FOR OPERATION THEREOF (VARIANTS)

Область техники
Настоящее изобретение относится к области оптотехники и предназначено для создания интегрально-оптических устройств, а именно устройств, которые формируют “парящие” изображения в свободном пространстве.
Описание предшествующего уровня техники
Активно развивающаяся область мобильных технологий требует все более оригинальных решений, имеющих высокую информативность и комфорт. Одной из идей, которая требует технического воплощения, является компактный дисплей “парящего” изображения. Технологические потребности: компактный дисплей “парящего” изображения/объемный дисплей с увеличенным полем обзора, на котором отображение осуществляется без дополнительной рассеивающей среды. К такому дисплею предъявляются следующие требования: увеличенное изображение высокого качества; изображение должно быть выпуклым и рельефным; отсутствие движущихся частей системы; безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.
Из уровня техники (документ US 2019/0222828 A1, дата публикации 18.07.2019) известна система отображения, содержащая радиально-симметричное зеркало, экран дисплея и радиальный массив линз. Свет от экрана может проходить через радиальную решетку, а затем отражаться от зеркала, создавая автомультископический дисплей с обзором 360 градусов. Автомультископический дисплей может отображать несколько визуализированных видов трехмерной сцены, каждый из которых показывает сцену под другим углом виртуальной камеры. Известное решение имеет большие габариты и сниженное разрешение из-за использования растровой системы.
Из уровня техники (документ US 8320045 B2, дата публикации 27.11.20212) известна система сбора и концентрации излучения. Система содержит волновод, который предназначен для передачи излучения, которое поступает извне, в частности от солнца, при этом излучение, прошедшее волновод, фокусируется на фотодетекторе. Известная система не формирует “парящее” изображение с расширенным полем обзора.
Из уровня техники (документ US 8928988 В1, дата публикации 06.01.2015) известна система для отображения моноцентрического изображения. Система содержит шаровую линзу с линзовым растром и мультипроекторную систему. Изображение формируется в среде шаровой линзы и не выносится в свободное пространство. Кроме того, известная система имеет большие габаритные размеры.
Из уровня техники (документ US 20190285904 A1, дата публикации 19.09.2019) известно устройство трехмерной визуализации, основанное на массиве уголковых отражателей, которые могут обеспечивать перенос плоскости первичного дисплея в свободное пространство. Для визуализации изображения дисплей мобильного устройства располагается под углом к массиву уголковых отражателей, при этом изображение формируется в свободном пространстве. Недостатком известного устройство является то, что массив уголковых отражателей работает с маленьким полем обзора, которое не превышает 20градусов. Также известное устройство формирует изображение с низким разрешением, имеет большие габариты. Кроме того, известное решение не обеспечивает увеличение “парящего” изображения.
Из уровня техники (документ US 20200041712 A1, дата публикации 06.02.2020) известно устройство для очков виртуальной реальности, расширяющее выходной зрачок очков виртуальной реальности. Устройство содержит по меньшей мере одну расширяющую дифракционную решетку. Известное устройство не формирует “парящее” изображение, кроме того, конструкция волновода с голографическими элементами не является оптимальной для образования “парящего” изображения, поскольку вводная часть расположена относительно выводной части с некоторым смещением, также известное решение имеет большие габаритные размеры.
Из уровня техники (документ US 20150220058 A1, дата публикации 06.08.2015) известно устройство для формирования голографических изображений, однако получаемые голографические изображения являются статическими и могут быть видны в пределах поля обзора, ограниченного апертурой выходной голограммы.
Таким образом, необходимо устройство формирования “парящего” изображения, имеющее маленькие габаритные размеры для возможности размещения в мобильных устройствах, с большим полем обзора, с изображением, обладающим высоким качеством, причем устройство не должно нуждаться в применении диффузного экрана, не должно иметь перемещающихся частей.
Сущность изобретения
Предлагается устройство для отображения “парящего” изображения, содержащее следующие элементы:
проекционную систему;
по меньшей мере одну положительную линзу;
по меньшей мере один модуль размножения излучения, содержащий следующие слои:
первую пропускающую дифракционную решетку,
вторую пропускающую дифракционную решетку,
по меньшей мере один волноводный элемент, передающий излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения (ПВО),
отражающую дифракционную решетку;
причем каждая из по меньшей мере одной положительной линзы покрывает каждый из по меньшей мере одного модуля размножения излучения; причем
упомянутые элементы могут располагаться в предварительно заданном положении друг относительно друга. Причем проекционная система расположена над по меньшей мере одной положительной линзой, которая расположена над волноводным элементом по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: волноводный элемент расположен над
первой пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена над второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена над отражающей дифракционной решеткой. Причем проекционная система расположена под по меньшей мере одной положительной линзой, которая расположена под волноводным элементом по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: волноводный элемент расположен под первой пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под отражающей дифракционной решеткой. Причем проекционная система расположена над по меньшей мере одной положительной линзой, которая расположена над первой пропускающей дифракционной решеткой по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: первая пропускающая дифракционная решетка расположена над волноводным элементом, который расположен над второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена над отражающей дифракционной решеткой. Причем по меньшей мере одна положительная линза расположена под отражающим дифракционным элементом по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: отражающая дифракционная решетка расположена под второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под первой пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под волноводным элементом, причем упомянутый по меньшей мере один модуль размножения излучения расположен под проекционной системой. Причем положительная линза расположена над отражающей дифракционной решеткой по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: отражающая дифракционная решетка расположена над второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена над первой пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена над волноводным элементом, причем проекционная система расположена под упомянутым по меньшей мере одним модулем размножения излучения. Причем положительная линза расположена под отражающей дифракционной решеткой по меньшей мере одного модуля размножения излучения, слои которого расположены в следующей последовательности: отражающая дифракционная решетка расположена под второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под волноводным элементом, который расположен под первой пропускающей дифракционной решеткой, причем проекционная система расположена над упомянутым по меньшей мере одним модулем размножения излучения. Причем каждый из волноводных элементов представляет собой сегмент дифракционного мультинаправленного радиального волновода, передающего излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения. Причем модуль размножения излучения дополнительно содержит призмы для ввода излучения. Причем первая пропускающая дифракционная решетка, вторая пропускающая дифракционная решетка, отражающая дифракционная решетка представляют собой либо объемные голографические (Брэгговские) решетки, записанные в пленку и нанесенные на поверхность волноводного элемента, либо рельефные дифракционные элементы, созданные на поверхности волноводного элемента. Причем каждый модуль размножения излучения имеет форму сектора диска, причем все модули размножения излучения образуют форму диска. Причем каждая положительная линза имеет форму сектора диска, причем длина его радиуса совпадает с длиной радиуса соответствующего модуля размножения излучения, который покрывается соответствующей положительной линзой. Причем положительные линзы образуют круговой массив линз. Причем каждая положительная линза покрывает соответствующий модуль размножения излучения с зазором. Причем зазор заполнен слоем оптического материала. Причем только одна сплошная линза покрывает все модули размножения излучения. Причем каждая положительная линза имеет форму, совпадающую с формой соответствующего модуля размножения излучения, который она покрывает. Причем каждая положительная линза имеет одну из следующих форм: форму усеченного кругового сектора, форму многоугольника, круговую форму. Причем каждая положительная линза и соответствующий ей модуль размножения излучения образуют модуль формирования изображения. Причем по меньшей мере две положительные линзы имеют разную форму и/или размер. Причем по меньшей мере две положительные линзы имеют одинаковую форму и/или размер. Причем проекционная система подает изображение под одинаковыми углами на каждый модуль формирования изображения. Причем проекционная система подает изображение под различными углами на каждый модуль формирования изображения. Причем проекционная система подает изображение на каждый из по меньшей мере одного модуля формирования изображения. Причем волноводный элемент может быть выполнен из материала, прозрачного в видимом диапазоне спектра. Причем модуль размножения излучения выполнен с возможностью осуществления радиального размножения выходной апертуры проекционной системы. Причем на поверхность волноводного элемента дополнительно нанесено одно из следующих оптических покрытий: просветляющее покрытие, полуотражающее покрытие, дихроичный фильтр, нейтральный фильтр, дифракционные оптические элементы. Причем каждый из по меньшей мере одного модуля размножения излучения выполнен с возможностью размножения излучения определенного по меньшей мере одного цвета.
Причем имеющее одну из следующих форм: сферы, тора, прямоугольного параллелепипеда, диска, звезды. Причем по меньшей мере одна положительная линза представляет собой одно из: линзы Френеля, динамической линзы. Причем устройство дополнительно содержит систему отслеживания положения глаз и/или систему отслеживания положения головы.
Также предлагается способ работы предлагаемого устройства для отображения “парящего” изображения, содержащий этапы, на которых:
А) лучи, формирующие изображение, от проекционной системы падают на первую пропускающую дифракционную решетку, в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (a) и лучи нулевого порядка дифракции;
Б) лучи нулевого порядка дифракции падают на вторую пропускающую дифракционную решетку, в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (b) и лучи нулевого порядка дифракции;
В) лучи первого порядка дифракции (a), первого порядка дифракции (b), нулевого порядка дифракции падают на волноводный элемент;
Г) лучи первого порядка дифракции (a), первого порядка дифракции (b), попадающие в волноводный элемент под углами, соответствующими диапазону углов полного внутреннего отражения, переотражаются между границами сред воздух/первая пропускающая решетка и волноводный элемент/отражающая дифракционная решетка, распространяясь вдоль волноводного элемента, в результате чего дифрагированные лучи первого порядка дифракции (a) формируют дифрагированные лучи первого порядка дифракции (c) от второй пропускающей дифракционной решетки, а лучи первого порядка дифракции (b) формируют дифрагированные лучи первого порядка дифракции (d) от первой пропускающей дифракционной решетки;
Д) лучи первого порядка дифракции (с) и лучи первого порядка дифракции (d) дифрагируют на отражающей дифракционной решетке и выводятся через волноводный элемент, вторую пропускающую дифракционную решетку и первую пропускающую дифракционную решетку к положительной линзе через первую пропускающую дифракционную решетку;
Е) положительная линза преломляет выведенные лучи и фокусирует их в фокальной плоскости, формируя “парящее” изображение;
Ж) лучи нулевого порядка дифракции попадают через волноводный элемент на отражающую дифракционную решетку, где разделяются на лучи первого порядка дифракции (e) и лучи нулевого порядка дифракции, далее лучи нулевого порядка дифракции не учитываются;
З) лучи первого порядка дифракции (e) проходят через волноводный элемент, вторую пропускающую дифракционную решетку и первую пропускающую дифракционную решетку, и в силу явления полного внутреннего отражения (ПВО) от поверхности первой пропускающей дифракционной решетки эти лучи отражаются обратно в волноводный элемент;
И) лучи первого порядка дифракции (e) падают на первую пропускающую дифракционную решетку в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (a) и лучи нулевого порядка дифракции (b);
повторяются этапы (Б) - (И).
Причем дифракционные решетки рассчитаны таким образом, что “парящее” изображение видно только в пределах нормали к устройству для отображения “парящего” изображения. Причем дифракционные решетки рассчитаны таким образом, что “парящее” изображение видно, как в пределах нормали к устройству для отображения “парящего” изображения, так и за пределами упомянутой нормали.
Также предлагается устройство для отображения “парящего” изображения, содержащее:
первую положительную линзу, расположенную под
отражающей дифракционной решеткой, которая расположена под
волноводным элементом, расположенным под
второй пропускающей дифракционной решеткой, которая расположена под
первой пропускающей дифракционной решеткой, расположенной под
второй положительной линзой,
проекционная система расположена сверху второй положительной линзы.
Предлагается способ работы предлагаемого устройства для отображения “парящего” изображения, содержащий этапы, на которых:
A) лучи, формирующие изображение, от проекционной системы падают на первую пропускающую дифракционную решетку, в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (a) и лучи нулевого порядка дифракции;
Б) лучи нулевого порядка дифракции падают на вторую пропускающую дифракционную решетку, в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (b) и лучи нулевого порядка дифракции;
В) лучи первого порядка дифракции (a), второго порядка дифракции (b), нулевого порядка дифракции падают на волноводный элемент;
Г) лучи первого порядка дифракции (a), первого порядка дифракции (b), попадающие в волноводный элемент под углами, соответствующими диапазону углов полного внутреннего отражения, переотражаются между границами сред воздух/первая пропускающая решетка и волноводный элемент/отражающая дифракционная решетка, распространяясь при этом вдоль волноводного элемента, в результате чего дифрагированные лучи первого порядка дифракции (a) формируют дифрагированные лучи первого порядка дифракции (c) от второй пропускающей дифракционной решетки, а лучи первого порядка дифракции (b) формируют дифрагированные лучи первого порядка дифракции (d) от первой пропускающей дифракционной решетки;
Д) лучи первого порядка дифракции (с) и лучи первого порядка дифракции(d) дифрагируют на отражающей дифракционной решетке и
выводятся через волноводный элемент, вторую пропускающую дифракционную решетку и первую пропускающую дифракционную решетку ко второй положительной линзе через первую пропускающую дифракционную решетку, и в другую сторону от отражающей дифракционной решетки к первой положительной линзе;
Е) первая положительная линза фокусирует выведенные лучи в своей фокальной плоскости, формируя первое “парящее” изображения, вторая положительная линза фокусирует выведенные лучи в своей фокальной плоскости, формируя второе “парящее” изображение;
Ж) лучи нулевого порядка дифракции попадают через волноводный элемент на отражающую дифракционную решетку, где разделяются на лучи первого порядка дифракции (e) и лучи нулевого порядка дифракции, далее лучи нулевого порядка дифракции не учитываются;
З) лучи первого порядка дифракции (e) проходят через волноводный элемент, вторую пропускающую дифракционную решетку и первую пропускающую дифракционную решетку, и в силу явления полного внутреннего отражения (ПВО) от внешней поверхности первой пропускающей дифракционной решетки эти лучи отражаются обратно в волноводный элемент;
И) лучи первого порядка дифракции (e) падают на первую пропускающую дифракционную решетку в результате дифракции разделяются на лучи первого порядка дифракции (a) и лучи нулевого порядка дифракции (b), повторяются этапы (Б) - (И).
Также предлагается смартфон, содержащий любое предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения, причем проекционная системы выполнена с возможностью проецировать любую информацию с дисплея смартфона.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует конструкцию устройства для отображения “парящего” изображения.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство для отображения “парящего” изображения, вид сбоку.
Фиг. 3 иллюстрирует ход лучей в устройстве для отображения “парящего” изображения.
Фиг. 4а, 4b, 4c иллюстрируют варианты расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения, когда проекционная система и формируемое изображение расположены на одной стороне устройства для отображения “парящего” изображения.
Фиг. 5а иллюстрирует вариант расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения с двух сторон.
Фиг. 5b иллюстрирует вид сбоку устройства для отображения “парящего” изображения с двух сторон.
Фиг. 6а, 6b, 6c иллюстрируют варианты расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения с двух сторон.
Фиг. 7а иллюстрирует случай, когда изображение выводится под прямым углом.
Фиг. 7b иллюстрирует случай, когда изображение выводится под углом, отличным от прямого угла.
Фиг. 8 иллюстрирует два волноводных элемента, расположенных встык друг с другом для улучшения цветности “парящего” изображения.
Фиг. 9а иллюстрирует ввод излучения в устройство для отображения “парящего” изображения с помощью призмы.
Фиг. 9b иллюстрирует радиальный волновод с радиальной структурой дифракционных решеток в виде концентрических колец, который может быть использован в устройстве для отображения “парящего” изображения.
Фиг. 10 иллюстрирует оптический модуль устройства формирования “парящего” изображения.
Фиг. 11a, 11b иллюстрирует комбинацию частей области обзора в азимутальное поле обзора с углом обзора 360 градусов.
Фиг. 12 иллюстрирует разнообразие форм, которые может иметь по меньшей мере одна линза, покрывающая модуль размножения излучения.
Фиг. 13a иллюстрирует модель устройства для отображения “парящего” изображения в программном обеспечении для трассировки лучей (LightTools), и на Фиг. 13b показаны результаты симуляции прохождения излучения через упомянутую модель.
Фиг. 14 иллюстрирует векторные диаграммы дифракционных решеток.
Подробное описание изобретения
Предлагается устройство для формирования “парящего” сфокусированного изображения в свободном пространстве, которое можно увидеть невооруженным глазом в определенном поле обзора (Field of View, FoV) на определенном расстоянии от формируемого “парящего” изображения. Предлагаемая технология сочетает в себе использование волновода, дифракционных оптических элементов (ДОЭ), моноцентрической проекционной оптики и массив фокусирующих линз. Предлагаемое устройство имеет компактные размеры, изображение, увеличенное по сравнению с изображением, подаваемым от проекционной системы, причем получаемое изображение расположено в пространстве, а также увеличенное поле обзора “парящего” изображения. Увеличение изображения происходит в количество раз, равное отношению фокусного расстояния линзы проекционной системы к фокусному расстоянию фокусирующей линзы, формирующей изображение. Устройство обладает высоким качеством изображения, имеет положительный вынос изображения, при этом движущиеся конструктивные элементы отсутствуют и нет необходимости в обеспечении дополнительной рассеивающей среды для отображения.
Термин “парящее изображение” обозначает, что изображение вынесено от устройства отображения “парящего” изображения на некоторое расстояние, то есть находится между апертурой дисплея и наблюдателем, такое изображение наблюдатель видит в пространстве. Чтобы увидеть изображение, не требуется наличие пара или конденсата. Если поставить в плоскость изображения рассеивающую среду, например, пленку диффузора, и эта пленка будет расположена в плоскости изображения, то на пленке также будет четко видно воспроизводимое “парящее” изображение.
Термин “положительный вынос” изображения обозначает, что “парящее” изображение расположено между формирующей выходной апертурой устройства отображения “парящего” изображения и наблюдателем.
Увеличенное поле зрение “парящего” изображения обозначает, что “парящее” изображение можно видеть в пределах большого угла обзора, то есть, чем больше апертура дисплея, тем больший угол обзора будет иметь “парящее” изображение, поскольку изображение видно только в пределах апертуры устройства отображения “парящего” изображения.
Согласно настоящему изобретению, для того, чтобы увидеть изображение в свободном пространстве не требуется дополнительных рассеивающих сред.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в любом компактном устройстве, имеющем дисплей, таком как смартфон, смарт-часы, а также может быть использовано и в некомпактных устройствах отображения, например, в телепрезентациях, при работе виртуальных ассистентов и т.п.
В настоящем изобретении используется дифракционный мультинаправленный радиальный волновод, излучение в такой волновод вводится в центр волновода, небольшая апертура проекционной системы размножается во всех направлениях, заполняя всю апертуру упомянутого радиального волновода. Дифракционный мультинаправленный радиальный волновод содержит дифракционные решетки, благодаря чему устройство для отображения “парящего” изображения имеет миниатюрные габаритные размеры. Дифракционный мультинаправленный радиальный волновод интегрирован с круговым массивом положительных линз, каждая положительная линза имеет свое поле обзора, которое соединено с полем обзора соседней положительной линзы. Пользователь видит “парящие” изображения в пределах азимутального угла, достигающего 360 градусов.
На фиг. 1 схематически проиллюстрирована конструкция устройства для отображения “парящего” изображения.
Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения включает в себя:
по меньшей мере один модуль размножения излучения 2, содержащий:
по меньшей мере три слоя дифракционных оптических элементов (DOE), расположенных друг над другом, формирующих стек дифракционных оптических элементов и имеющих функциональное назначение для ввода и вывода излучения, причем первый слой представляет собой первую пропускающую дифракционную решетку A, второй слой представляет собой вторую пропускающую дифракционную решетку B, третий слой представляет собой отражающую дифракционную решетку C, причем дифракционные решетки A, B, C образуют стек дифракционных оптических элементов,
волноводный элемент D, передающий излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения (ПВО), представляющий собой, например, дифракционный мультинаправленный радиальный волновод, причем волноводный элемент D расположен таким образом, что одной из сторон соприкасается с одной из дифракционных решеток;
по меньшей мере одну положительную линзу 3, причем каждая из по меньшей мере одной положительной линзы 3 расположена на модуле 2 размножения излучения, покрывая его,
причем каждая положительная линза 3 и модуль 2 размножения излучения, на котором она расположена, образуют модуль 1 формирования изображения;
проекционную систему 4, расположенную таким образом, что она подает изображение на каждый из по меньшей мере одного модуля 1 формирования изображения под одинаковыми углами.
Необходимо отметить, что если проекционная система 4 подает изображение под одинаковыми углами на каждый модуль формирования изображения 1, то “парящие” изображения, сформированные каждым модулем формирования изображения, выстроятся в свободном пространстве в ровное кольцо. В случае различных углов подачи изображения, сформированные “парящие” изображения образуют произвольную фигуру неправильной формы. Т.е. в случае ровного кольца пользователь будет видеть “парящее” изображение, плавно перетекающее из одного сектора модуля формирования “парящего” изображения в другой. В ином случае “парящие” изображения будут «скакать» при переходе между секторами.
Однако возможны случаи, когда может потребоваться, чтобы проекционная система 4 подавала изображение на каждый модуль формирования “парящего” изображения под разными углами.
Таким образом, проекционная система 4, подает изображение на каждый из по меньшей мере одного модуля 1 формирования изображения.
Волноводный элемент D, передающий излучение, работает как компактная зрительная труба с увеличением 1 крат, то есть, излучение, падающее в волноводный элемент D, выходит из волноводного элемента D под тем же углом, под которым попало в волноводный элемент D, при этом апертура излучения на выходе всего устройства больше, чем на входе устройства, за счет дифракции на дифракционных оптических элементах A, B, C и многократного отражения в волноводном элементе D.
На вход устройства для отображения “парящего” изображения подается изображение, имеющее небольшой размер, при этом изначальное изображение размножается за счет многократного отражения на дифракционных решетках предлагаемого устройства.
“Парящее” изображение формируется вблизи фокальной плоскости положительной линзы, “парящее” изображение является увеличенным по сравнению с изначальным изображением, которое подается на вход устройства для отображения “парящего” изображения, поскольку фокусное расстояние положительной линзы 3 в несколько раз превышает фокусное расстояние линзы проекционной системы 4.
Благодаря тому, что волноводный элемент D, передающий излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения (ПВО), представляет собой волновод, предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения имеет компактные габаритные размеры и увеличенное поле обзора “парящего” изображения.
Благодаря тому, что для выхода излучения используется по меньшей мере одна положительная линза 3, достигается: формирование “парящего” изображения в плоскости изображения положительной линзы 3, то есть на некотором расстоянии от положительной линзы 3, увеличение поля обзора до 360 градусов по азимуту, а также улучшение качества и уменьшение габаритных размеров изображения. Здесь необходимо пояснить, что в данном случае, как и в общем случае, под азимутом понимается угол, отсчитываемый между направлением на какой-либо объект (в данном случае изображение) и направлением на заданный предмет. Например, если север - это 0 градусов азимута, то восток это 90 градусов, юг - 180 градусов, запад - 270 градусов по азимуту. 360 градусов по азимуту - полный оборот по часовой стрелке вокруг изображения.
Волноводный элемент D, передающий излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения (ПВО), представляет собой радиальный волновод, дифракционные решетки A, B, C представляют собой либо объемные голографические (Брэгговские) решетки, записанные в пленку и нанесенные на поверхность волноводного элемента D, либо рельефные дифракционные элементы, созданные на поверхности волноводного элемента D.
Необходимо отметить, что волноводный элемент D может быть выполнен из любого материала проходной оптики, прозрачного в видимом диапазоне спектра. Материал может представлять собой, но без ограничений, стекла, полимеры, оптические кристаллы, прозрачные в видимом диапазоне спектра.
На фигуре 2 показан вид сбоку модуля размножения излучения устройства для отображения “парящего” изображения. Модуль размножения излучения осуществляет радиальное, то есть всестороннее размножение выходной апертуры проекционной системы.Волноводный элемент D, передающий излучение на основе эффекта полного внутреннего отражения (ПВО), в показанном варианте осуществления, расположен между отражающей дифракционной решеткой C и двумя пропускающими дифракционными решетками A и B. Проекционная система 4 расположена таким образом, что излучение попадает в центр модуля размножения излучения.
На фигуре 3 показана работа устройства для отображения “парящего” изображения, а именно распространение лучей в устройстве и формирование “парящего” изображения. Рассмотрим подробнее формирование “парящего” изображения.
Этап#1. Лучи от проекционной системы 4, соответствующие изображению «на бесконечности», т.е. каждая точка изображения получена пучком параллельных лучей, падают на первую пропускающую дифракционную решетку A. Здесь имеют место следующие физические эффекты: распространение света от проекционной системы 4 к волноводу D через оптические дифракционные элементы A и B, преломление света на границе воздух/материал первой пропускающей дифракционной решетки A и дифракция света на первой пропускающей дифракционной решетке A. Поскольку на практике невозможно достичь 100%-ной эффективности дифракционной решетки, то поток лучей разделяется на две части: дифрагированные лучи первого порядка и недифрагированные лучи нулевого порядка (a). Направление дифрагированных лучей определяется ориентацией первой пропускающей дифракционной решетки A. Пусть, например, вектор первой пропускающей дифракционной решетки A составляет +120 градусов относительно горизонтальной оси.
На фиг. 3 обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#1» указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (a) после прохождения пропускающей дифракционной решетки А (угол дифракции +120°) и на распространение лучей нулевого порядка дифракции после прохождения пропускающей дифракционной решетки А.
Этап#2. Лучи нулевого порядка от первой пропускающей дифракционной решетки A падают на границу раздела сред первой пропускающей дифракционной решетки A и второй пропускающей дифракционной решетки В, происходит преломление света на границе раздела сред, преломленные лучи дифрагируют на второй пропускающей дифракционной решетке В. При этом образуются два пучка лучей: дифрагированные лучи, образующие первый порядок дифракции (b), и недифрагированные лучи, образующие нулевой порядок дифракции. Направление дифрагированных лучей определяется ориентацией пропускающей дифракционной решетки B. Пусть, например, вектор дифракционной решетки составляет -120 градусов относительно горизонтальной оси.
После пропускающей дифракционной решетки B лучи первого порядка дифракции(a) и (b), и нулевого порядка падают на границу раздела сред пропускающей дифракционной решетки B и поверхности волноводного элемента, где происходит преломление света.
На фиг. 3 обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#2» указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (b) после прохождения второй пропускающей дифракционной решетки В (угол дифракции -120°) и на распространение лучей нулевого порядка дифракции после прохождения второй пропускающей дифракционной решетки В.
Этап#2.1. Далее недифрагированные лучи, образующие нулевой порядок, проходят с преломлением через волноводный элемент D к отражающей дифракционной решетке C. Дифрагированные лучи первого порядка (a) и (b) заводятся в волноводный элемент, при этом для всех углов падения больше критического угла (с учетом коэффициентов преломления материала отражающей дифракционной решетки и волноводного элемента) лучи будут переотражаться между двумя границами сред (явление полного внутреннего отражения (ПВО)): воздух/первая пропускающая решетка A и волноводный элемент D/ отражающая дифракционная решетка C, а также распространяться вдоль волноводного элемента D в силу множественного прохождения через первую пропускающую решетку A и вторую пропускающую решетку B (эти лучи показаны внутри волновода распространяющимися направо). В результате дифрагированные лучи первого порядка (a) от первой пропускающей решетки A формируют дифрагированные лучи первого порядка (c) от второй пропускающей решетки В, а лучи первого порядка (b) от второй пропускающей решетки В формируют дифрагированные лучи первого порядка (d) от первой пропускающей решетки A.
На фиг. 3 обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#2.1» указывает на распространение лучей после прохождения первой пропускающей решетки А и второй пропускающей решетки В в волноводном элементе D, также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции(с), образованных после прохождения лучей первого порядка дифракции (а) через вторую пропускающую дифракционную решетку В, и также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (d), образованных после прохождения лучей первого порядка дифракции (b) через первую пропускающую дифракционную решетку А.
Этап#3. Лучи первого порядка дифракции(с) и лучи первого порядка дифракции(d) дифрагируют на отражающей дифракционной решетке С и выводятся через волноводный элемент D, вторую пропускающую дифракционную решетку В и первую пропускающую дифракционную решетку A (с преломлением на каждой границе сред) к линзе через первую пропускающую дифракционную решетку. Далее линза 3 преломляет эти выведенные лучи и фокусирует их в фокальной плоскости для формирования “парящего” изображения. Цикл#1 заканчивается.
Недифрагированные лучи (нулевой порядок) падают на отражающую дифракционную решетку С, где они разделяются на лучи первого порядка дифракции(e) и недифрагированные лучи (нулевой порядок), которые отражаются обратно к проекционной системе 4 и проходят через всю систему с преломлением. Далее эти лучи не рассматриваются. Вектор решетки отражающей дифракционной решетки С направлен параллельно горизонтальной оси.
Лучи первого порядка дифракции(e) возвращаются обратно к границе раздела сред воздух/первая пропускающая дифракционная решетка A, при этом они проходят через волноводный элемент D, вторую пропускающую дифракционную решетку B и первую пропускающую дифракционную решетку A с преломлением, и в силу явления полного внутреннего отражения (ПВО) от внешней поверхности первой пропускающей дифракционной решетки A эти лучи отражаются обратно в волновод.
После этого лучи первого порядка дифракции(e) падают на первую пропускающую дифракционную решетку A, и процесс повторяется снова (начинается Цикл#2).
На фиг. 3 обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#3» указывает на выведение лучей первого порядка дифракции (с) и лучей первого порядка дифракции (d) на отражающую дифракционную решетку С, а также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (е) после прохождения отражающей дифракционной решетки С, участвующей в процессе распространения света на 360°.
Если отражающая дифракционная решетка С отсутствует, то имеют место только три направления распространения: (0 и +/-120 градусов). Для создания 360-градусного дисплея этого недостаточно, поэтому для распространения света в шести направлениях, с добавлением трех направлений в противоположную сторону, необходима отражающая дифракционная решетка С.
Таким образом, лучи от проекционной системы распространяются вдоль волноводного элемента и выводятся.
Цикл#1Этап#4. Линза 3 преломляет выведенные лучи и фокусирует их в фокальной плоскости для формирования “парящего” изображения между апертурой линзы 3 и наблюдателем. При этом линза 3 формирует не только “парящее” изображение, но и угол обзора “парящего” изображения (Field of View, FoV), который зависит от заднего фокусного расстояния и апертуры линзы 3.
Лучи первого порядка дифракции (е) подвергаются явлению полного внутреннего отражения (TIR) от внешней поверхности первой пропускающей дифракционной решетки А и направляются к отражающей дифракционной решетке С. В силу явления TIR на внешней поверхности пропускающей дифракционной решетки А лучи направляются в волновод, это - начало цикла#2. Все этапы цикла#2 идентичны этапам цикла#1.
Устройство для отображения “парящего” изображения может иметь различную геометрическую форму, например, форму сферы, тора, прямоугольного параллелепипеда, диска, звезды и т.п.
На поверхность волновода можно наносить оптические покрытия, такие как просветляющее покрытие для улучшения контраста/качества изображения, полуотражающие покрытия для формирование изображения с обеих сторон от волновода, дихроичные фильтры для выборочной передачи небольшого диапазона длин волн излучения, нейтральные фильтры, дополнительные дифракционные оптические элементы для изменения волнового фронта излучения, вышедшего из волновода, в таком случае дополнительные дифракционные оптические элементы могут выполнять функцию линзы, для отклонения излучения, вышедшего из волновода, в каком-либо направлении. Указанные покрытия можно наносить на сторону волновода, свободную от дифракционных оптических элементов.
Фиг. 4а, 4b, 4c иллюстрируют варианты расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения.
При этом распространение света в вариантах устройства, показанных на Фиг. 4а, 4b, 4c аналогично распространению света в варианте устройства, показанном на фиг. 3. Разница заключается в расположении трех дифракционных решеток относительно волновода и обусловлена возможным применением устройства для отображения “парящего” изображения, например, устройство на Фиг. 4b может проецировать “парящее” изображение с потолка вниз.
На фиг. 4а элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
проекционная система 4, расположенная над
положительной линзой 3, которая расположена над
волноводным элементом D, передающим излучение, который расположен над
первой пропускающей дифракционной решеткой A, которая расположена над
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена над
отражающей дифракционной решеткой C.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется над проекционной системой 4.
На фиг. 4b элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
проекционная система 4, расположенная под
положительной линзой 3, которая расположена под
волноводным элементом D, передающим излучение, который расположен под
первой пропускающей дифракционной решеткой A, которая расположена под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена под
отражающей дифракционной решеткой C.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется под проекционной системой 4.
При таком расположении устройство возможно установить на потолке, пользователь может видеть “парящее” изображение с пола, глядя на потолок.
На фиг. 4с элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
отражающая дифракционная решетка C расположена под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена под
волноводным элементом D, передающим излучение, который расположен под
первой пропускающей дифракционной решеткой A, которая расположена под положительной линзой 3,
проекционная система 4 расположена над положительной линзой 3.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется над проекционной системой 4.
Такой вариант является менее предпочтительным, поскольку все поверхности волновода соединены слоями дифракционные решеток, то есть на волновод невозможно нанести дополнительные покрытия.
На фиг. 5a элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
первая положительная линза 3a, расположена под
отражающей дифракционной решеткой С, которая расположена под
волноводным элементом D, расположенным под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена под
первой пропускающей дифракционной решеткой A, расположенной под
второй положительной линзой 3b,
проекционная система 4 расположена сверху второй положительной линзы 3b.
При таком расположении элементов изображение будет видно, как со стороны первой пропускающей дифракционной решетки A, так и с противоположной стороны устройства, а именно, со стороны отражающей дифракционной решетки C.
В этом случае излучение выходит с обеих сторон устройства для отображения “парящего” изображения за счет частично пропускающей его отражающей дифракционной решетки С, количество положительных линз 3 в данном случае должно быть по меньшей мере две, по одной с каждой из сторон волновода.
На фиг. 5b проиллюстрирован ход лучей при варианте расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения с двух сторон, показанном на фиг. 5a.
В этом случае работа устройства для отображения “парящего” изображения осуществляется следующим образом.
Этап#1. Лучи от проекционной системы 4, соответствующие изображению «на бесконечности» (т.е. каждая точка изображения получена пучком параллельных лучей), падают на первую пропускающую дифракционную решетку A. Здесь имеют место следующие физические эффекты: распространение света от проекционной системы к волноводному элементу D через пропускающие дифракционные решетки A и B, преломление света на границе воздух/материал первой пропускающей дифракционной решетки A, и дифракция света на первой пропускающей дифракционной решетке A. Поскольку на практике невозможно достичь 100%-ной эффективности дифракционных решеток, то поток лучей разделяется на две части: дифрагированные лучи (a) первого порядка и недифрагированные лучи нулевого порядка. Направление дифрагированных лучей определяется ориентацией первой пропускающей дифракционной решетки A. Пусть, например, вектор дифракционной решетки составляет +120 градусов относительно горизонтальной оси.
На фиг. 5b обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#1» указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (a) после прохождения пропускающей дифракционной решетки А (угол дифракции +120°) и на нулевой порядок дифракции после прохождения пропускающей дифракционной решетки А.
Этап#2. Лучи нулевого порядка от первой пропускающей дифракционной решетки A падают на границу раздела сред A/B, происходит преломление света на границе раздела сред, и дифрагируют на второй пропускающей дифракционной решетке B. При этом образуются два пучка лучей: дифрагированные лучи (b) первого порядка дифракции, и недифрагированные лучи нулевого порядка дифракции. Направление дифрагированных лучей определяется ориентацией второй пропускающей дифракционной решетки B. Пусть, например, вектор дифракционной решетки составляет -120 градусов относительно горизонтальной оси.
После прохождения второй пропускающей дифракционной решетки B лучи первого порядка дифракции(a) и (b) дифракции и лучи нулевого порядка дифракции падают на границу раздела сред B/поверхность волноводного элемента D, где происходит преломление света.
На фиг. 5b обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#2» указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (a) и (b) после прохождения второй пропускающей дифракционной решетки В (угол дифракции -120°) и на распространение лучей нулевого порядка дифракции после прохождения второй пропускающей дифракционной решетки В.
Этап#2.1. Далее недифрагированные лучи, имеющие нулевой порядок дифракции проходят через волноводный элемент D к отражающей дифракционной решетке С (с преломлением). Дифрагированные лучи первого порядка (a) и (b) заводятся в волноводный элемент D, при этом для всех углов падения больше критического угла (с учетом коэффициентов преломления материала дифракционной решетки и волноводного элемента) лучи будут переотражаться между двумя границами сред (явление полного внутреннего отражения): воздух/первая дифракционная решетка A и волновод/отражающая дифракционная решетка С, а также распространяться вдоль волноводного элемента D в силу множественного прохождения через первую пропускающую дифракционную решетку A и вторую пропускающую дифракционную решетку B. В результате дифрагированные лучи первого порядка (a) от первой пропускающей дифракционной решетки A формируют дифрагированные лучи первого порядка (c) от второй пропускающей дифракционной решетки B, а лучи первого порядка (b) от второй пропускающей дифракционной решетки B формируют дифрагированные лучи первого порядка (d) от первой пропускающей дифракционной решетки A.
На фиг. 5b обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#2.1» указывает на распространение лучей после прохождения первой пропускающей решетки А и второй пропускающей решетки В в волноводном элементе D, также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (с), образованных после прохождения лучей первого порядка дифракции (а) через вторую пропускающую дифракционную решетку В, и также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (d), образованных после прохождения лучей первого порядка дифракции (b) через первую пропускающую дифракционную решетку А.
Этап#3. Лучи первого порядка дифракции(с) и лучи первого порядка дифракции(d) дифрагируют на отражающей дифракционной решетке C и выводятся через волноводный элемент D, вторую пропускающую дифракционную решетку B и первую пропускающую дифракционную решетку A (с преломлением на каждой границе сред) ко второй положительной линзе 3b через первую пропускающую дифракционную решетку A. И в другую сторону от отражающей дифракционной решетки C в сторону первой положительной линзы 3a. Далее обе положительные линзы 3а и 3b преломляют эти выведенные лучи и фокусируют их в фокальной плоскости соответствующей линзы, тем самым формируя два “парящих” изображения по обе стороны от устройства для отображения “парящего” изображения. Цикл#1 заканчивается.
Недифрагированные лучи, нулевой порядок дифракции, падают на отражающую дифракционную решетку C, где они разделяются на лучи первого порядка дифракции (e) и недифрагированные лучи нулевого порядка дифракции, которые отражаются обратно к проекционной системе 4 и проходят через все устройство с преломлением. Далее эти лучи не рассматриваются. Пусть вектор отражающей дифракционной решетки C направлен параллельно горизонтальной оси.
Лучи первого порядка дифракции (e) возвращаются обратно к границе сред воздух/первая дифракционная решетка A, при этом они проходят через волноводный элемент, вторую пропускающую дифракционную решетку B и первую пропускающую дифракционную решетку A с преломлением, и, в силу явления полного внутреннего отражения (ПВО) от внешней поверхности первой пропускающей дифракционной решетки A эти лучи отражаются обратно в волноводный элемент D.
После этого лучи первого порядка дифракции(e) падают на первую пропускающую дифракционную решетку A, и процесс повторяется снова, начинается Цикл#2.
На фиг. 5b обозначение «ЦИКЛ#1ЭТАП#3» указывает на выведение лучей первого порядка дифракции (с) и лучей первого порядка дифракции (d) на отражающую дифракционную решетку С, а также указывает на распространение лучей первого порядка дифракции (е) после прохождения отражающей дифракционной решетки С, участвующей в процессе распространения света на 360°.
Если отражающая дифракционная решетка C отсутствует, то имеют место только три направления распространения: (0 и +/-120 градусов). Для создания 360-градусного дисплея этого недостаточно, поэтому для распространения света в шести направлениях (с добавлением трех направлений в противоположную сторону) используется отражающая дифракционная решетка C.
Таким образом, лучи от проекционной системы 4 распространяются вдоль волноводного элемента D и выводятся.
Цикл#1Этап#4. Линзы 3 и 5 преломляют выведенные лучи и фокусируют их в соответствующей фокальной плоскости для формирования “парящего” изображения между апертурой линзы 3 и 5 и наблюдателем. При этом линзы 3 и 5 формируют не только “парящие” изображения, но и угол обзора (FoV), который зависит от задних фокусных расстояний и апертур линз 3 и 5.
Лучи первого порядка дифракции (е) подвергаются явлению полного внутреннего отражения (TIR) от внешней поверхности первой пропускающей дифракционной решетки А и направляются к отражающей дифракционной решетке С. В силу явления TIR на внешней поверхности пропускающей дифракционной решетки А лучи направляются в волновод, это - начало цикла#2. Все этапы цикла#2 идентичны этапам цикла#1.
Проекционная система и формируемое изображение могут быть расположены на противоположных сторонах устройства для отображения “парящего” изображения.
Фиг. 6а, 6b, 6c иллюстрируют варианты расположения элементов устройства для отображения “парящего” изображения, когда проекционная система и формируемое изображение расположены на противоположных сторонах устройства для отображения “парящего” изображения. В этих вариантах исполнения первая и вторая пропускающие дифракционные решетки могут меняться местами.
На фиг. 6а элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
отражающая дифракционная решетка C расположена под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена
под первой пропускающей дифракционной решеткой A, которая расположена под волноводным элементом D, передающим излучение,
проекционная система 4 расположена над волноводным элементом D, передающим излучение.
В этом случае “парящее” изображение образуется под отражающей дифракционной решеткой C. При этом на волновод может быть нанесено антибликовое покрытие, антиотражающее покрытие. В этом случае возможно получить более контрастное изображение.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется под отражающей дифракционной решеткой.
На фиг. 6b элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
проекционная система 4, которая расположена под
волноводным элементом D, передающим излучение, который расположен под
первой пропускающей дифракционной решеткой A, которая расположена под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена под
отражающей дифракционной решеткой C.
В этом случае “парящее” изображение образуется над отражающей дифракционной решеткой C. При этом на волноводный элемент может быть нанесено антибликовое покрытие, антиотражающее покрытие. В этом случае возможно получить более контрастное изображение.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется над отражающей дифракционной решеткой.
На фиг. 6с элементы предлагаемого устройства расположены в следующем порядке:
отражающая дифракционная решетка C расположена под
второй пропускающей дифракционной решеткой B, которая расположена
под волноводным элементом D, передающим излучение, который расположен
под первой пропускающей дифракционной решеткой A,
проекционная система 4 расположена над первой пропускающей дифракционной решеткой A.
При таком расположении элементов “парящее” изображение образуется под отражающей дифракционной решеткой С. Такой вариант является менее предпочтительным, поскольку все поверхности волновода соединены слоями дифракционных решеток, то есть на волноводный элемент невозможно нанести дополнительные покрытия.
Ход лучей в вариантах исполнения, представленных на фиг. 6a-6с аналогичен ходу лучей для варианта исполнения, представленного на фиг. 5а.
Если дифракционные решетки рассчитаны таким образом, что пучки излучения выводятся под прямым углом, то пользователь может видеть “парящее” изображение только в пределах нормали к устройству для отображения “парящего” изображения, как показано на фиг. 7а.
Дифракционные решетки могут быть рассчитаны таким образом, чтобы пучки излучения, формирующие изображение, выводились под некоторым углом, как показано на фиг. 7b в этом случае “парящее” изображение, может быть видно не только в пределах нормали к устройству, то есть поле зрение в вертикальной плоскости управляется за счет изменения конфигурации дифракционных решеток. В этом случае, если смартфон лежит достаточно далеко от пользователя, то пользователь все равно увидит “парящее” изображение.
Как показано на фиг. 8 предлагаемое устройство может дополнительно содержать еще по меньшей мере один волноводный элемент, передающий излучение, причем все волноводные элементы расположены вплотную друг к другу. Такое дополнение позволяет улучшить цветность “парящего” изображения, поскольку каждый из волноводных элементов может отвечать за свой цвет в изображении, например, как показано на фиг. 8 один волноводный элемент отвечает за распространение синего цвета (B), а другой волноводный элемент отвечает за распространение, например, красного (R) и зеленого (G) цветов.
В дополнение к дифракционным решеткам для ввода излучения возможно использовать призмы, как показано на фиг. 9a. Дифракционные решетки обладают ограниченной дифракционной эффективностью, то есть ограниченным отношением мощности излучения, которое выходит в нужном дифракционном порядке, к поступающей мощности излучения, а призменный ввод излучения имеет гораздо более высокую эффективность по сравнению с вводом излучения через дифракционную решетку. В этом случае целесообразно использовать радиальный волноводный элемент и радиальную структуру дифракционных решеток в виде концентрических колец, такой модуль 2 размножения излучения показан на фиг. 9b. Использование такой конструкции волноводного элемента и дифракционных решеток позволяет обеспечить размножение апертуры изображения во все стороны, что увеличивает поле обзора. Такой вариант выполнения позволяет направить излучение из центра в радиальных направлениях, чтобы заполнить всю выходную апертуру устройства для отображения “парящего” изображения.
Ход лучей при таком варианте исполнения: из проекционной системы, формирующей поле обзора 360 градусов по азимуту, излучение через призмы вводится в волноводный элемент с дифракционными решетками. В этом случае решетки расположены на одной из поверхностей волноводного элемента, также, как и на фигурах 6а или 6b. И на каждом кольце волноводного элемента с дифракционными решетками происходит дифракция и вывод излучения из волноводного элемента. Проекционная система располагается в центре волноводного элемента под или над вводными призмами, в зависимости от расположения призм ввода излучения.
Как показано на фиг. 10 модуль 2 размножения излучения, состоящий из волноводного элемента D, передающего излучение, и слоев дифракционных решеток, покрыт массивом положительных линз 3.
При использовании радиального волноводного элемента D, имеющего форму диска, каждая из массива положительных линз 3 представляет собой положительную линзу, имеющую форму усеченного кругового сектора, как видно на фиг. 10.
Излучение из модуля размножения излучения падает на каждую из упомянутых положительных линз 3 и фокусируется вблизи фокальной плоскости каждой положительной линзы 3.
В идеале, если проекционная система 4 формирует изображение в бесконечности, и волноводный элемент D не имеет искажений, то изображение получится точно в фокальной плоскости положительной линзы 3. Поскольку в реальности система не идеальная и имеет искажения, то изображение будет располагаться вблизи фокальной плоскости.
Каждый элемент, состоящий из модуля размножения излучения и положительной линзы 3, формирует “парящее” изображение и область обзора “парящего” изображения в определенной части пространства, определяемой фокусным расстоянием линзы. Область обзора “парящего” изображения может быть фиксированной или изменяемой (для объемного 3D изображения) и видимой из определенной части поля обзора.
Как показано на фиг. 11a, 11b возможна комбинация областей обзора, при этом вместо одного “парящего” изображения образуется несколько, при этом число частей модулей размножения излучения с покрывающими их положительными линзами равно числу “парящих” изображений, каждое из которых имеет свою область обзора, пространственно расположенную в соответствии с расположением упомянутых частей. То есть, при осматривании изображений вокруг устройства, т.е. по азимуту, в поле обзора пользователя будет попадать “парящее” изображение от соответствующей упомянутой части.
Таким образом возможно изменять поле обзора по азимуту, изменять наклон выводящегося изображения, а в случае использования системы слежения за головой/глазом возможно получить эффект осматривания изображения. Также в случае использования динамических линз возможно получение эффекта объемного “парящего” изображения.
За счет такого разделения устройства на части (в случае выполнения устройства в виде диска - на секции, как показано на фиг. 11a и 11b) улучшается качество изображения за счет увеличения отношения фокусного расстояния линзы к диаметру апертуры.
На фиг. 11b показаны области обзора для каждого сектора (в случае диска) положительной линзы. Каждый пользователь видит “парящее” изображение, созданное соответствующим сектором линзы в соответствующей области обзора.
В качестве положительной линзы предпочтительно использовать линзу Френеля, толщиной порядка 0,5-5 мм. Для обеспечения широкого поля обзора необходимо соблюдение двух условий, а именно линза должна обладать большой апертурой и небольшим фокусным расстоянием. Чем меньше отношение фокусного расстояния линзы к апертуре, тем хуже качество формируемого изображения. Чем больше апертура дисплея, тем больше поле обзора “парящего” изображения. Поэтому в предлагаемом устройстве для отображения “парящего” изображения используются линзы Френеля или дифракционные линзы или другие подобные линзы, то есть линзы, имеющие большое отношение фокусного расстояния линзы к апертуре. Возможно использовать динамические линзы, то есть линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, например, на основе жидких кристаллов, в этом случае устройство для отображения “парящего” изображения будет формировать объемное “парящее” изображение. При этом в каждый момент времени динамическая линза формирует только одно изображение, соответствующее определенной глубине 3D изображения. Поскольку перестройка линзы происходит быстрее времени интеграции света глазом, то человек воспринимает несколько 2D изображений как одно 3D изображение. За счет этого эффекта возможно получение объемного изображения.
Интеграция предлагаемого устройства с системой отслеживания глаз или системой отслеживания положения головы пользователя позволяет перестраивать объемное изображение или выводить разные изображения при перемещении пользователя. При этом для каждого положения глаз/головы пользователя выводится изображение, соответствующее этому положению, и, таким образом, поддерживается высокое качество изображения путем минимизации оптических аберраций. При создании объемного изображения каждому положению глаз/головы пользователя выводится набор изображений, соответствующих отдельным фокальным плоскостям (глубинам 3D изображения) для данного положения, и, таким образом, достигается высокое качество объемного изображения.
Круговой массив линз может быть выполнен с зазором с волноводным элементом, причем зазор может быть заполнен слоем оптического материала, такая конструкция позволяет скрыть систему проецирования изображения, причем слой оптического материала между волноводным элементом и линзой может иметь особые оптические свойства, такие как прозрачность в определенном диапазоне длин волн, чувствительность к определенному типу поляризации света, а также этот оптический материал может изменять определенным образом волновой фронт падающего излучения, корректировать оптические аберрации, что в итоге приводит к повышению качества формируемого изображения.
В качестве проекционной системы возможно использование любой подходящей технологии. Например, но без ограничений: системы отображения статического изображения/набора изображений/видео/и т. д., систем отображения на основе DMD/LCoS/FLCoS/LCD/MEMS и т.д., системы отображения на основе лазеров/светодиодов/ламп и т. д., системы, являющиеся цветными/монохромными/системы произвольного спектра длин волн, системы поляризованные/ неполяризованные/частично поляризованные и т.п.
Линзы могут иметь следующие покрытия, но без ограничения: просветляющее покрытие (улучшение контрастности изображения), поляризационные покрытия, фильтры нейтральной плотности, спектральные фильтры, активные/пассивные фильтры, стеки PDLC/PSLC (обеспечивающие рассеивание/пропускание света) и т.п.
Как показано на фиг. 12 линзы могут иметь разнообразную форму, например,
(а) только одна сплошная линза может покрывать модуль размножения излучения, также сплошная линза может быть разделена на сектора, то есть каждая из линз может иметь форму кругового сектора,
(b) форму усеченного кругового сектора,
(c) форму многоугольников, разнообразные круговые формы.
Причем секторы могут быть разного размера, а проекционная система может располагаться не в центре устройства для отображения “парящего” изображения, модуль размножения излучения могут покрывать множество линз.
Как было разъяснено выше, проецирование изначального изображения происходит с помощью проекционной системы. Лучи от проекционной системы направляются на входную апертуру модуля размножения излучения, в котором посредством многократного отражения происходит размножение излучения. После этого увеличенная (размноженная) апертура выводится на положительную линзу, линза фокусирует изображение, и изображение формируется вблизи фокальной плоскости линзы, при этом каждая линза может фокусировать свое изображение, то есть вблизи фокальных плоскостей каждой из линз будет формироваться свое изображение, идентичное переданному источником изображений. В таком случае при смещении направления взгляда наблюдатель будет видеть изображение, сформированное соответствующей линзой.
Изображение будет видно на фоне апертуры дисплея мобильного устройства.
Необходимо пояснить, что под апертурой мобильного устройства понимается вся поверхность дисплея мобильного устройства, через которую происходит вывод и формирование изображения, т.е. изображение видно только над той поверхностью дисплея мобильного устройства, над которой непосредственно происходит формирование изображения. При этом глаз наблюдателя должен быть расположен над дисплеем мобильного устройства, чтобы лучи, выходящие из системы, непосредственно попадали на сетчатку глаза, формируя реальное изображение. Таким образом, если пользователь не видит хотя бы часть поверхности дисплея анфас, например, если он находится сбоку, то лучи, выходящие из системы, не будут формировать изображение на сетчатке глаза и пользователь не увидит “парящее” изображение.
При этом мобильное устройство (смартфон) может быть использовано для формирования динамического изображения (т.е. не предзаписанного для использования в проекционной системе). С помощью смартфона в проекционную систему можно выводить изображения, видео, уведомления и т.д., т.е. все то, что можно вывести и на экран смартфона.
Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения можно интегрировать с любой стороны мобильного устройства, как со стороны экрана, так и с задней стороны, при этом перенос изображения с дисплея смартфона в проекционную систему происходит с помощью известных в уровне техники методов проецирования.
Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения может быть использован и без мобильного устройства, но в таком случае должно использоваться или статическое изображение для проецирования, или любое другое устройство (возможно, не мобильное) в качестве источника изображений.
Фиг. 13а иллюстрирует модель устройства для отображения “парящего” изображения в программном обеспечении для трассировки лучей (LightTools) и на Фиг. 13b показаны результаты симуляции прохождения излучения через модель.
Модель устройства для отображения “парящего” изображения включает в себя волноводный элемент и дифракционные решетки, нанесенные на поверхность волноводного элемента, модель проекционной системы (DMD микропроектор), и положительную линзу для формирования “парящего” изображения. Модель проекционной системы (небольшой рисунок правее основного) состоит из проекционной линзы и источника изображения (микродисплей) в виде семиконечной звезды, источник изображения помещен в фокусе проекционной линзы. Размер источника изображений и фокус проекционной линзы определяют угловое распределение (далее - угловое поле) проекционной системы. Серая область на модели волновода это лучи, вышедшие из проекционной системы, прошедшие через волновод и вышедшие с его поверхности. Указанная область показывает размер рабочей выходной апертуры волновода.
В модели расположены несколько приемников излучения для контроля параметров дисплея, «сигналы» с этих приемников показаны в нижней части слайда. Приемник между источником изображения и проекционной линзой микропроектора (левый нижний рисунок) контролирует вид и размер источника изображения. Приемник, расположенный после проекционной системы, контролирует угловое поле, которое подается на вход волновода. Приемники (расположение указано на рисунке модели устройства), расположенные между волноводом и положительной линзой в различных областях выходной апертуры волновода, контролируют угловое поле проекционной системы, вышедшее из волновода. Приемник, расположенный в фокусе положительной линзы (нижний правый рисунок), контролирует вид и размеры “парящего” изображения, сформированного положительной линзой. На фиг. 13 b изображения с приемников расположены в том порядке, в котором свет от проекционной системы проходит через устройство для отображения “парящего” изображения. Таким образом и лучи которые трассируются («пускаются») программным обеспечением последовательно проходят все элементы устройства, включая приемники, расположенные вблизи некоторых элементов устройства. Эти приемники не имеют физических/материальных свойств, это просто некие плоскости в которых фиксируется излучение на данном этапе прохождения устройства светом. Различие «сигналов» на каждом приемнике объясняется потерями лучей в ходе процессов поглощения/рассеяния на пути прохождения лучей. Например, на первом приемнике (a) яркий и четкий сигнал, т.к. приемник стоит в непосредственной близости от источника изображения, на следующем приемнике (b), после проекционной системы сигнал уже не такой яркий и более «рыхлый», т.к. не все лучи от проекционной системы прошли попали на приемник, но часть из них, в силу расходимости источника, поглотилась стенками проектора (стенки проектора не показаны на рисунке модели). Звездочка на втором приемнике (b) перевернута относительно звездочки на первом приемнике (a), т.к. проекционная линза переворачивает изображение от источника. При дальнейшем прохождении через систему исходный сигнал ухудшается, и получается менее четкое и менее яркое изображение на последующих приемниках.
На Фиг. 14 представлены векторные диаграммы дифракционных решеток, описывающие направления размножения углового распределения (далее - углового поля) проекционной системы, а также функции (ввод, размножение или вывод) дифракционных решеток при дифрагировании углового поля проектора в том или ином направлении, благодаря которым достигается всенаправленное размножение углового поля проекционной системы.
Кольцо, изображенное на фиг. 14, обозначает ограничения, накладываемые на волноводную систему на дифракционных решетках. Внутренняя окружность ограничивает угловое поле проекционной системы способное распространяться по волноводному элементу благодаря полному внутреннему отражению (TIR condition - условие ПВО). Внешнее кольцо ограничивает угловое поле проекционной системы, которое может пройти через волноводный элемент селективностью дифракционных оптических элементов, т.е. возможностью дифрагировать только такое излучение, которое падает на них только под определенным углом (условие селективности).
Прямоугольники обозначают угловое поле проекционной системы, которое надо пропустить через волноводный элемент. Стрелки обозначают векторы дифракционных оптических элементов, т.е. направления в которых дифрагируется излучение, падающее на них.
Таким образом, задача расчета волноводной системы на дифракционных оптических элементах сводится к определению таких длин векторов дифракционных оптических элементов, чтобы соблюдались условия ПВО и селективности, а также к определению таких направлений векторов дифракционных решеток, чтобы обеспечивалось размножение углового поля проекционной системы в необходимых направлениях (в данном случае во всех).
Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения обеспечивает не только формирование “парящего” изображения, но и является достаточно миниатюрным, чтобы использовать его вместе с мобильными устройствами. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет видеть “парящее” изображение в пределах большого угла обзора, для того, чтобы визуализировать изображение согласно настоящему изобретению не нужно использовать вспомогательные эффекты, такие как, например, дополнительная диффузная среда, плазма и т.п., также все части предлагаемого устройства фиксированы и подвижные части отсутствуют.
Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения может быть использовано не только в качестве отображения изображений, но также и при создании голографического интерфейса пользователя при взаимодействии пользователя, например, с бытовыми приборами, такими как холодильник, варочная панель, телевизор, кондиционер, домофон и т.п., а также предлагаемое устройство сможет найти применение в условиях опасных производств. То есть элементы управления могут отображаться “парящими” в пространстве. В этом случае с помощью дополнительной камеры можно детектировать:
Явное взаимодействие, которое может выражаться жестами пользователя. Жесты могут быть символическими (например, поднятие большого пальца вверх), дейктическими (например, указательные жесты), иконическими (например, воспроизведение конкретного движения) и пантомимическими (например, с использованием невидимого инструмента).
Неявное взаимодействие (проксемика). В данном случае под проксемикой понимается знаковая система, в которой пространство и время организации процесса общения имеют смысловую нагрузку. Например, если у двух пользователей, обладающих мобильными устройствами с предлагаемым дисплеем, формируется “парящее” объемное изображение собеседника (называемое в таком случае голограммой и, возможно, не идентичное размерам тела пользователя) с помощью предлагаемого дисплея, то, поскольку предлагаемый дисплей позволяет проецировать динамические изображения, голограммы собеседников могут изменяться со временем и контекстом коммуникации. При этом такая модификация объемного изображения может происходить как при участии пользователя (с помощью жестов, нажатия кнопок, голосового управления, движения глаз пользователя и т.п.), так и без его участия с помощью заранее запрограммированной реакции (т.е. визуального изменения 3D изображения) на сообщение собеседника. В данном случае надо понимать, что коммуникация между голограммами собеседников может происходить и без активных действий со стороны пользователей, например, если использовать предложенный дисплей с дополнительными датчиками положения и реакций тела пользователя.
Взаимодействие между устройствами (Интернет вещей). Использование нескольких карманных и портативных устройств может добавить дополнительные контекстно-зависимые функции для взаимодействия с формируемыми “парящими” изображениями. Например, они могут действовать как временное пространство для передачи информации с одной голограммы на другую.
Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.
Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.