СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УВЕЛИЧЕНИЯ ДЛИНЫ ОПТИЧЕСКОГО ПУТИ
OPTICAL PATH LENGTH INCREASING METHOD AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области оптических систем, и более конкретно к оптической системе с переменным фокусным расстоянием, в которой используется пространственный модулятор света (SLM) и/или устройство для увеличения длины оптического пути (Optical Path Length Extender, OPLE) для перестройки фокусного расстояния, и может быть применено, в частности, в системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), очках с перестраиваемым фокусом для коррекции зрения, объективах фото– и видеокамер. В частности, изобретение может применяться для изменения положения виртуального изображения за счет изменения фокусного расстояния или для увеличения разрешения устройств дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), а также для обеспечения возможности использования оптического устройства пользователями с нарушением рефракции глаз (миопия, пресбиопия, гиперопия).
Уровень техники
В разрабатываемых в настоящее время оптических системах для различных применений, таких как, например, системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), очки с перестраиваемым фокусом для коррекции зрения, и в частности для компенсации возрастной пресбиопии, объективы фото– и видеокамер, в настоящее время используются электроактивные дифракционные линзы, в частности жидкокристаллические (ЖК) линзы или линзы на основе полимерного геля. Разработки по усовершенствованию таких оптических систем в настоящее время направлены, в частности, на обеспечение возможности регулирования фокусного расстояния оптической системы для изменения видимого положения виртуального изображения, а также на обеспечение смещения кадров для повышения разрешения изображения. Для этих целей предусматривается, в частности, увеличение длины оптического пути для оптического излучения, формирующего изображение. В качестве неограничивающего примера, для этих целей в уровне техники используется пространственный модулятор света (SLM), который представляет собой устройство, вносящее фазовую задержку в падающее оптическое излучение. SLM может быть использован, например, для получения перестраиваемой линзы в устройстве дополненной реальности (AR) или формирования оптического клина для повышения разрешения виртуального изображения, формируемого устройством виртуальной реальности (VR). Однако к недостаткам оптической системы с применением SLM следует отнести следующие проблемы:
– большое время отклика оптической системы с SLM;
– малое отношение длины оптического пути к толщине SLM.
Кроме того, к проблемам, которые также необходимо решить при применении рассматриваемой оптической системы, в частности, в системах AR/VR, также относится необходимость устранения конфликта вергенции и аккомодации, необходимость повышения разрешения изображения, а также обеспечение возможности коррекции зрения пользователя для обеспечения возможности использования системы AR/VR пользователями с ошибками рефракции глаз (пресбиопия, миопия, гиперопия).
В источнике US2018284464 (опубликовано 4 октября 2018 г., Facebook Technologies LLC). В данном известном решении каждая фокальная плоскость связана с соответствующим значением длины оптического пути световых лучей, которые распространяются от электронного дисплея к зрачку глаза. На пути от электронного дисплея к зрачку в известном решении расположен набор оптических элементов, таких как поляризаторы, четвертьволновые пластины, линзы и отражающие элементы. Увеличение количества отражений световых лучей, вызываемое этими элементами, удлиняет оптический путь, и, таким образом, формирует фокальную плоскость, которая находится дальше от пользователя. Однако недостатком данного известного решения также является лишь небольшое количество возможных фокальных плоскостей.
В источнике US 6587180 (California Institute Of Technology, опубликовано 27 марта 2000 г.) раскрыта система управления пучком оптического излучения с использованием электроактивного материала, содержащая решетку и жидкокристаллический материал, при этом при отсутствии возбуждения жидких кристаллов имеется разность коэффициентов преломления между решеткой и жидкими кристаллами, которая приводит к дифракции света в определенном направлении, а при возбуждении жидких кристаллов коэффициенты преломления решетки и жидких кристаллов соответствуют друг другу, вследствие чего исключается дифракция света решеткой, и свет распространяется в другом направлении. Таким образом получаются первый и второй «полукадры» с изображением в различных положениях, благодаря быстрой смене которых формируется зрительное впечатление повышения разрешения изображения. При этом в варианте выполнения решетка упомянутого типа может быть сформирована с использованием электроактивного жидкокристаллического материала. К недостаткам данного известного решения можно отнести небольшую длину оптического пути, а также небольшую активную область.
В источнике US 20140049661 (Empire Technology Development LLC, опубликовано 20 февраля 2014 г.) описана система для повышения разрешения неподвижного изображения из кадров видеоизображения с более низким разрешением. Используется видеокамера с первой конфигурацией, снимающая видеоизображение, при этом из видеоизображения может быть получен первый кадр поля обзора, содержащий поле обзора, снятое с первым смещением пикселей. Выполняется регулирование видеокамеры из первой конфигурации во вторую конфигурацию, при котором видеокамера адаптируется для съемки видеоизображения со вторым смещением пикселей посредством применения аппаратного механизма, включающего в себя механизм «смещения» пикселей изображения.
В источнике WO2017216716 (опубликовано 21 декабря 2017 г., Optica Amuka (A.A.) LTD) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения глаза, при этом применяется структура электродов, состоящая из электродов одинаковой ширины, и обеспечивается непрерывное изменение оптической силы. К недостаткам данной системы можно отнести необходимость использования большого количества адресуемых электродов (по меньшей мере 100–400 электродов в плоском гибком кабеле (FFC)), малый размер активной зоны, и необходимость отслеживания положения глаза, что приводит к высокой сложности системы.
В источнике US 3443858 (Farrand Optical Co Inc, опубликовано 13 мая 1969 г.) раскрыто устройство для формирования сфокусированного на «бесконечность» изображения объекта или множества оптически наложенных друг на друга объектов, при этом устройство имеет большую выходную апертуру и широкоугольное поле обзора, вместе с тем оно является компактным и имеет небольшой вес. Принцип работы известного решения основан на обеспечении нескольких проходов оптического излучения через оптическую систему, однако в известном решении оптическая система содержит полупрозрачное зеркало и линзы с фиксированным фокусным расстоянием. В данном устройстве не предусмотрена возможность увеличения длины оптического пути путем применения электроактивного материала, а также отсутствует возможность динамического изменения фокусного расстояния линз.
Аналогичное решение, также основанное на многократном проходе оптического излучения, раскрыто в источнике US 5853240 (Sharp, опубликовано 29 декабря 1998 г.). В данном известном решении предложен наголовный дисплей (HMD), содержащий небольшой и легкий жидкокристаллический проектор для проецирования двумерного или трехмерного изображения с HMD на общий экран посредством проектора. HMD содержит оптическое устройство для увеличения изображения от жидкокристаллической панели, подсвечиваемой фоновой подсветкой, причем устройство содержит рефракционный элемент отражательного типа с полузеркальным покрытием и холестерический жидкокристаллический элемент, выполняющий роль полупрозрачного зеркала для отбора оптического излучения с циркулярной поляризацией. Однако, как и в предыдущем известном решении, в данном решении также не предусмотрено применение электроактивного материала для увеличения длины оптического пути.
Известное решение, раскрытое в источнике WO 2017216716, характеристика которого приведена выше, можно рассматривать в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
С учетом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании оптического устройства и способа, позволяющих решить по меньшей мере некоторые из вышеуказанных объективных технических проблем, присущих уровню техники. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в увеличении оптического пути падающего излучения. Кроме того, увеличивается разрешение изображения, формируемого оптическим устройством.
Для решения вышеуказанной задачи, в одном аспекте изобретение относится к оптическому устройству, содержащему по меньшей мере одну электроактивную оптическую ячейку, выполненную с возможностью многократного пропускания оптического излучения во взаимообратных направлениях; и структуру селективной поляризации, выполненную с возможностью смещения изображения, причем структура селективной поляризации содержит по меньшей мере одно полупрозрачное зеркало, по меньшей мере одну четвертьволновую пластину (QWP) и по меньшей мере один поляризационный светоделитель (PBS). По меньшей мере одна электроактивная оптическая ячейка может быть перестраиваемой электроактивной оптической ячейкой, содержащей электроактивный материал и электродную структуру, причем электроактивный материал может быть выполнен с возможностью изменения фазового профиля за счет приложения напряжения к электродной структуре.
Структура селективной поляризации может дополнительно содержать по меньшей мере два пересекающихся селективных по поляризации зеркала, одно из которых выполнено с возможностью отражения пучка оптического излучения с левосторонней поляризацией и пропускания пучка оптического излучения с правосторонней поляризацией, а другое выполнено с возможностью пропускания пучка оптического излучения с левосторонней поляризацией и отражения пучка оптического излучения с правосторонней поляризацией, соответственно. Селективные по поляризации зеркала могут быть выполнены из холестерических кристаллов. Структура селективной поляризации может дополнительно содержать сетчатый поляризатор (WGP), выполненный с возможностью пропускания излучения с одним типом поляризации и отражения или поглощения излучения с другим типом поляризации. По меньшей мере одна электроактивная оптическая ячейка может быть выполнена с возможностью трехкратного пропускания оптического излучения во взаимообратных направлениях. Оптическое устройство может дополнительно содержать геометрическую фазовую линзу (GPL), выполненную с возможностью фокусирования излучений с разными поляризациями на разных фокусных расстояниях.
В другом аспекте изобретение относится к способу увеличения длины оптического пути падающего излучения в оптическом устройстве, содержащему этапы, на которых: разделяют падающее оптическое излучение на излучение с первой поляризацией и излучение со второй поляризацией; изменяют поляризацию оптического излучения с по меньшей мере одной из первой поляризации и второй поляризации посредством четвертьволновой пластины (QWP); пропускают оптическое излучение с по меньшей мере одной измененной поляризацией через электроактивную оптическую ячейку, по меньшей мере частично отражают оптическое излучение с измененной поляризацией посредством поляризационного светоделителя (PBS); пропускают отраженное оптическое излучение с измененной поляризацией через электроактивную оптическую ячейку; по меньшей мере частично отражают оптическое излучение посредством полупрозрачного зеркала; пропускают оптическое излучение, отраженное посредством полупрозрачного зеркала, через электроактивную оптическую ячейку; и по меньшей мере частично пропускают оптическое излучение посредством поляризационного светоделителя (PBS).
Первая поляризация может представлять собой левостороннюю поляризацию или правостороннюю поляризацию, а вторая поляризация может представлять собой правостороннюю поляризацию или левостороннюю поляризацию, соответственно, а в другом варианте выполнения первая поляризация может представлять собой линейную s–поляризацию или линейную p–поляризацию, а вторая поляризация может представлять собой линейную p–поляризацию или линейную s–поляризацию, соответственно. Электроактивная оптическая ячейка может быть перестраиваемой электроактивной оптической ячейкой, содержащей электроактивный материал и электродную структуру, причем электроактивный материал может быть выполнен с возможностью изменения фазового профиля за счет приложения напряжения к электродной структуре. На этапе пропускания отраженного оптического излучения с измененной поляризацией через электроактивную оптическую ячейку оптическому излучению может быть придана первая разность фаз, и/или на этапе пропускания оптического излучения, отраженного посредством полупрозрачного зеркала, через электроактивную оптическую ячейку, оптическому излучению может быть придана вторая разность фаз, которая может быть отлична от первой разности фаз
В других аспектах изобретение также может относиться к другим объектам, таким как, в качестве неограничивающего примера, система дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), содержащая заявляемое оптическое устройство и/или реализующая заявляемый способ, компьютерная программа, машиночитаемый носитель и т.п., реализующие заявляемый способ в устройстве или системе.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 схематично представлено оптическое устройство согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
На Фиг. 2 схематично представлен вариант выполнения оптического устройства с использованием двух пересекающихся селективных по поляризации зеркал;
На Фиг. 3 показан примерный вариант реализации изобретения в системе дополненной реальности (AR);
Фиг. 4 схематично иллюстрирует другой вариант выполнения оптического устройства согласно изобретению;
На Фиг. 5 схематично проиллюстрирован способ работы оптического устройства согласно изобретению на примере одного варианта выполнения изобретения;
На Фиг. 6 схематично проиллюстрирован способ работы оптического устройства согласно изобретению на примере другого варианта выполнения изобретения.
На Фиг. 7 схематично проиллюстрирована электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению и направления прохождения оптического излучения через электроактивную оптическую ячейку.
На Фиг. 8 схематично проиллюстрирована структура селективной поляризации согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Для повышения качества изображения существует потребность в увеличении оптического пути излучения, формирующего изображение в оптическом устройстве. При использовании для этих целей пространственного модулятора света (SLM), который представляет собой устройство, вносящее фазовую задержку в падающее оптическое излучение, обеспечивается улучшение рабочих характеристик SLM, таких как максимальная оптическая сила, угол отклонения лучей, диаметр апертуры SLM. В этом отношении полезные эффекты обеспечивает применение в составе SLM по меньшей мере одной электроактивной оптической ячейки, в качестве неограничивающего примера – жидкокристаллической (ЖК) оптической ячейки или оптической ячейки на основе полимерного геля. Двулучепреломление, равное разности между показателем преломления для необыкновенного луча и показателем преломления для обыкновенного луча, электроактивного материала оптической ячейки не может быть изменено ввиду того, что оно определяется характеристиками используемого материала. Для увеличения оптического пути возможно увеличение толщины SLM и, в частности, толщины электроактивной оптической ячейки, однако это влечет за собой ухудшение времени отклика и/или повышение необходимого напряжения на электродах для регулирования электроактивной оптической ячейки.
При применении оптического устройства рассматриваемого типа в системах дополненной реальности/виртуальной реальности (AR/VR) существует также проблема конфликта вергенции и аккомодации (VAC), приводящего к утомлению глаз пользователя и способного вызывать у пользователя различные дискомфортные ощущения, такие как, например, головная боль и тошнота. Большинство существующих гарнитур AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние и не могут перенести виртуальное изображение за пределы этого фокусного расстояния, вследствие чего вергенция глаз и расстояние, на котором происходит фокусировка глаз пользователя при аккомодации, не находятся в одной плоскости. Так, например, при одновременном наблюдении через устройство AR реальных объектов, расположенных на различных расстояниях, а также виртуальных объектов на фиксированном фокусном расстоянии, в фокусе могут находиться либо виртуальные объекты, либо наблюдаемые объекты реального внешнего мира при фокусировке глаз на соответствующие объекты, но не те и другие объекты одновременно. В случае системы VR конфликт VAC возникает при несоответствии плоскости фокусировки (аккомодации глаз на дисплей) относительным размерам объекта (вергенции осей глаз на объект).
Кроме того, важной проблемой применении оптического устройства рассматриваемого типа в системах AR/VR является необходимость коррекции рефракционной ошибки зрения пользователей, у которых зрение отклоняется от нормального, в частности, вследствие таких нарушений зрения, как пресбиопия, миопия, гиперопия. Большинство известных в настоящее время систем AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние, в связи с чем отсутствует возможность коррекции рефракционной ошибки зрения средствами самих систем AR/VR и необходимо использовать такие средства коррекции зрения, как контактные линзы или очки, что в конечном итоге приводит к неудобствам использования системы AR/VR, ухудшению характеристик системы и качества ее взаимодействия с пользователем, и/или к увеличению габаритных характеристик оптической системы.
Кроме того, недостатком известных систем AR/VR, в особенности систем виртуальной реальности, является ограниченное разрешение виртуального изображения, демонстрируемого пользователю. В отличие от дисплеев большинства пользовательских устройств, и в частности дисплея смартфона, планшетного компьютера, монитора стационарного компьютера, телевизора и т.п., которые пользователь просматривает под небольшим углом обзора и которые поэтому имеют достаточное разрешение для обеспечения пользователю качественного изображения, системы виртуальной реальности демонстрируют пользователю изображение под большим углом обзора, и разрешение изображения является меньшим. В качестве примера, в настоящее время разрешение изображения, отображаемого дисплеями известных систем VR, составляет не более 25 пикселей на градус угла обзора, в то время как человеческий глаз способен воспринимать изображение с разрешением до 60 пикселей на градус. Необходимо повышение разрешения изображения, отображаемого оптическим устройством, в применениях оптического устройства в системах AR/VR.
В соответствии с изобретением, для решения по меньшей мере вышеуказанных проблем предлагается оптическое устройство для увеличения длины оптического пути для падающего оптического излучения. Упомянутое устройство содержит, в частности, по меньшей мере одну электроактивную оптическую ячейку, а также структуру селективной поляризации. Электроактивная оптическая ячейка и структура селективной поляризации выполнены с возможностью обеспечения многократного прохождения оптического излучения во взаимообратных направлениях с изменением фаз оптического излучения, как будет более подробно описано ниже, в результате чего увеличивается оптический путь падающего оптического излучения и, в частности, обеспечивается возможность отображения виртуальных изображений с различными фокусными расстояниями.
На Фиг. 1 показана структурная схема оптического устройства по одному из вариантов выполнения настоящего изобретения. Оптическое устройство содержит электроактивную оптическую ячейку, выполненную с возможностью многократного пропускания оптического излучения во взаимообратных направлениях, и структуру селективной поляризации, которая, как показано на Фиг. 1, содержит полупрозрачное зеркало и четвертьволновую пластину (QWP), установленные на пути падающего оптического излучения перед электроактивной оптической ячейкой, и поляризационный светоделитель (PBS), установленный на пути падающего оптического излучения за электроактивной оптической ячейкой.
Электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению (см. Фиг. 7) содержит электроактивный материал и электродную структуру, выполненную с возможностью возбуждения электроактивного материала путем подачи напряжения соответствующих величин на все или некоторые конкретные электроды электродной структуры. В примерных неограничивающих вариантах выполнения электродная структура может содержать концентрические кольцевые электроды, при этом центральный электрод может быть выполнен в виде круга. В других примерных неограничивающих вариантах выполнения электродная структура может содержать электроды, выполненные в виде параллельных полос, расположенных горизонтально или вертикально, либо электроды, выполненные в виде массива многоугольников. В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре могут быть выполнены из прозрачных проводящих материалов, широко известных специалистам в данной области техники (например, оксида индия, оксида олова, оксида индия–цинка (IZO), оксида индия–олова (ITO), оксида цинка).
Электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению может содержать различные виды электроактивного материала, которые сами по себе известны в данной области техники. В частности, в качестве электроактивного материала могут выступать жидкие кристаллы (в случае жидкокристаллической (ЖК) электроактивной оптической ячейки) или полимерный гель (в случае электроактивной оптической ячейки на основе полимерного геля), однако специалистам в данной области техники очевидно, что варианты реализации по меньшей мере одной электроактивной оптической ячейки согласно изобретению не ограничены вышеперечисленными примерными видами электроактивного материала.
Воздействие электродов в электродной структуре по меньшей мере одной электроактивной оптической ячейки на ориентацию кристаллов электроактивного материала (поляризацию), состоит в следующем. Приложенное к электроду напряжение изменяет ориентацию кристалла электроактивного материала, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку вдоль всей поверхности электроактивной оптической ячейки согласно изобретению расположены электроды, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений, при этом переход от профиля напряжений к профилю фазы производится с использованием зависимости фазы от напряжения, наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. – John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. – Elsevier, 2011). За счет этого при пропускании оптического излучения с определенной поляризацией через электроактивную оптическую ячейку согласно изобретению в том или ином направлении из взаимообратных направлений, как будет более подробно описано ниже (указано позициями 1), 2), 3) на Фиг. 7), оптическому излучению при необходимости может придаваться определенная разность фаз. Кроме того, многократное пропускание оптического излучения через электроактивную оптическую ячейку приводит к увеличению оптического пути излучения по меньшей мере с определенной поляризацией.
Прикладываемое к электродам электродной структуры напряжение изменяет длину оптического пути (OPL) для оптического излучения под каждым электродом электродной структуры. Фазовая задержка, вносимая электроактивной оптической ячейкой, пропорциональна OPL:
где k – волновое число, равное 2π/λ, где λ – длина волны излучения.
где n – показатель преломления электроактивного материала, а t – толщина электроактивного материала. При этом изменение напряжения, подаваемого на каждый электрод электродной структуры приводит к изменению фазового профиля электроактивной оптической ячейки. Если оптическое излучение проходит через одну и ту же электроактивную оптическую ячейку N раз, значение фазовой задержки увеличивается в N раз, соответственно. Время  отклика перестраиваемой электроактивной оптической ячейки пропорционально квадрату ее толщины :
2
Если оптическое излучение проходит через одну и ту же электроактивную оптическую ячейку N раз, толщина электроактивной оптической ячейки может быть уменьшена в N раз, а время отклика электроактивной оптической ячейки при этом уменьшается в N раз.
По меньшей мере одна электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению может образовывать зависимую от поляризации структуру или независимую от поляризации структуру. Кроме того, возможно использование электродной структуры любой неправильной формы. По меньшей мере одна электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению может иметь прямоугольную, круглую или любую другую пригодную форму апертуры, в зависимости от выбранной формы выполнения электродной структуры. Следует отметить, что форма апертуры электроактивной оптической ячейки не ограничена круглой и прямоугольной, и может также быть, в частности, прямоугольной, многоугольной или криволинейной, т.е. согласно изобретению апертура электроактивной оптической ячейки может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.
Структура селективной поляризации согласно изобретению схематично проиллюстрирована на Фиг. 8. Как указано выше, структура селективной поляризации согласно различным вариантам выполнения изобретения может содержать по меньшей мере одно полупрозрачное зеркало, по меньшей мере одну четвертьволновую пластину (QWP), и по меньшей мере один поляризационный светоделитель (PBS), установленные в различных положениях на пути падающего оптического излучения и, в частности, по отношению к по меньшей мере одной рассмотренной выше электроактивной оптической ячейке. Следует понимать, что в зависимости от конкретного варианта выполнения изобретения количество упомянутых выше конкретных элементов структуры селективной поляризации и их положения на оптическом пути могут быть различными. На Фиг. 8 представлена обобщенная схема, на которой позициями C1 и C2 показаны два примерных элемента структуры селективной поляризации. В частности, элементы, показанные как С1 и С2, могут содержать одно или более из: зеркал, элементов задержки фазы (таких как четвертьволновые пластины (QWP) или полуволновые пластины (HWP)), селективных по поляризации зеркал для света с циркулярной поляризацией (например, на основе холестерических жидких кристаллов), поляризаторов (таких как решетчатый поляризатор (WGP), поляризационных светоделителей (PBS), попиксельных поляризаторов. В общем случае, эти элементы служат для обеспечения селективности пропускания или блокирования (отражения, поглощения) излучения с той или иной фазой или поляризацией.
В примере, показанном на Фиг. 8, компонент C1 выполнен с возможностью пропускания падающего излучения с состоянием поляризации PS_in1, его преобразования в излучение с состоянием поляризации PS2, и отражения излучения с состоянием поляризации PS3 с его преобразованием в излучение с состоянием поляризации PS4, а также пропускания падающего излучения с состоянием поляризации PS_in2 с его преобразованием в излучение с состоянием поляризации PS4.
Компонент C2 выполнен с возможностью частичного отражения излучения с состоянием поляризации PS2, его преобразования в излучение с состоянием поляризации PS3, а также частичного пропускания излучения с состоянием поляризации PS2 с его преобразованием в выходящее излучение с состоянием поляризации PS_out1, и пропускания излучения с состоянием поляризации PS4 с его преобразованием в выходящее излучение с состоянием поляризации PS_out2. За счет этого пропускания/отражения обеспечивается многократное пропускание оптического излучения через оптическую систему, в результате чего увеличивается длина оптического пути, а также обеспечивается разделение падающего излучения на множество каналов с разными характеристиками фазы и/или состояниями поляризации, для которых может быть обеспечена различная оптическая сила и/или положение фокальной плоскости.
В других вариантах выполнения оптическое устройство может содержать большее количество электроактивных оптических ячеек, полупрозрачных зеркал, четвертьволновых пластин и поляризационных светоделителей, организованных соответствующим образом для обеспечения многократного прохождения оптического излучения и изменения фаз и/или поляризации оптического излучения надлежащим образом. При этом расположение по меньшей мере одной электроактивной оптической ячейки и/или элементов структуры селективной поляризации по отношению к направлению падающего оптического излучения может быть различным в зависимости от конкретных вариантов выполнения изобретения. Некоторые из возможных вариантов выполнения оптического устройства и принцип его работы будут более подробно описаны ниже.
По меньшей мере одна электроактивная оптическая ячейка согласно изобретению может представлять собой перестраиваемую электроактивную оптическую ячейку, содержащую электроактивный материал и электродную структуру, причем электроактивный материал может быть выполнен с возможностью изменения длины оптического пути за счет приложения соответствующего напряжения к электродной структуре. По меньшей мере в одном из вариантов выполнения структура селективной поляризации может содержать по меньшей мере два пересекающихся селективных по поляризации зеркала, одно из которых может быть выполнено с возможностью отражения пучка оптического излучения с левосторонней поляризацией и пропускания пучка оптического излучения с правосторонней поляризацией, а другое может быть выполнено с возможностью пропускания пучка оптического излучения с левосторонней поляризацией и отражения пучка оптического излучения с правосторонней поляризацией, соответственно. В этом случае количество электроактивных оптических ячеек и/или полупрозрачных зеркал также может быть более одного. В качестве неограничивающего примера, упомянутые селективные по поляризации зеркала могут быть выполнены из холестерических кристаллов.
В некоторых вариантах выполнения структура селективной поляризации может дополнительно содержать сетчатый поляризатор (WGP), выполненный с возможностью пропускания излучения с одним типом поляризации и отражения или поглощения излучения с другим типом поляризации.
В некоторых вариантах выполнения оптическое устройство может дополнительно содержать геометрическую фазовую линзу (GPL), выполненную с возможностью фокусирования излучений с разными поляризациями на разных фокусных расстояниях.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения структура селективной поляризации может содержать элементы, такие как полупрозрачное зеркало и/или по меньшей мере одно селективное по поляризации зеркало, имеющие изогнутую форму, что дополняет перестраиваемый фазовый профиль по меньшей мере одной перестраиваемой электроактивной ячейки постоянным фазовым профилем, позволяющим смещать оптическую силу по меньшей мере одной перестраиваемой электроактивной ячейки или корректировать аберрации и/или смещать угол оптического клина, если электроактивная оптическая ячейка играет роль оптического клина для повышения разрешения изображения, отображаемого при помощи оптического устройства.
Наконец, оптическое устройство согласно изобретению может быть использовано в качестве перестраиваемой линзы в оптической системе, показанной на Фиг. 3, в которой одна или более перестраиваемых оптических линз, обозначенных как LC1, LC2 и LC3, соответственно, находятся в различных положениях на пути оптического излучения от источника виртуальных изображений, такого как дисплей, соединенного волноводом с перестраиваемыми оптическими линзами, для отображения виртуального изображения, наложенного на изображение внешнего мира, в системе дополненной реальности (AR), в которой таким образом устраняется конфликт вергенции и аккомодации и обеспечивается коррекция рефракционной ошибки глаз пользователя.
Обращаясь вновь к Фиг. 1, оптическое устройство согласно изобретению работает для увеличения оптического пути для падающего оптического излучения следующим образом. На пути падающего излучения в направлении к глазу пользователя в данном варианте выполнения излучение с правоциркулярной поляризацией (RHCP, далее также называется правосторонней поляризацией) и излучение с левоциркулярной поляризацией (LHCP, далее также называется левосторонней поляризацией) проходит сначала через полупрозрачное зеркало, а затем через четвертьволновую пластину (QWP), где излучение с левоциркулярной поляризацией становится излучением с линейной s–поляризацией, а излучение с правоциркулярной поляризацией становится излучением с линейной p–поляризацией. Далее излучение с линейной s–поляризацией пропускается через электроактивную оптическую ячейку, сохраняя свою поляризацию, и попадает на поляризационный светоделитель (PBS), где отражается на электроактивную оптическую ячейку, проходя через нее повторно, затем на четвертьволновую пластину (QWP), где оно вновь приобретает левоциркулярную поляризацию, и на полупрозрачное зеркало, где оно меняет левоциркулярную поляризацию на правоциркулярную и вновь отражается на четвертьволновую пластину (QWP), где становится излучением с линейной p–поляризацией, после чего пропускается через электроактивную оптическую ячейку, сохраняя линейную p–поляризацию, и с такой поляризацией пропускается через поляризационный светоделитель (PBS) в глаз пользователя.
Таким образом, в общем случае оптическое излучение пропускается через электроактивную оптическую ячейку во взаимообратных направлениях по меньшей мере трехкратно (два раза – в прямом направлении и один раз – в обратном направлении) и, соответственно, за счет этого увеличивается оптический путь излучения. Поляризационный светоделитель (PBS) в данном случае выполнен с возможностью пропускания p–поляризованного излучения и отражения s–поляризованного излучения, полупрозрачное зеркало падающее излучение с одной стороны и по меньшей мере частично отражает излучение обратно в оптическую систему с обратной стороны, таким образом также обеспечивая повторное прохождение оптического излучения через оптическую систему. Следует отметить, что конкретные состояния поляризации пропускаемого и/или отражаемого элементами оптического устройства излучения приведены лишь в качестве примера и в других вариантах выполнения элементы могут пропускать и/или отражать излучение с другими поляризациями, а также изменять поляризации иным образом по сравнению с тем, что описано выше для данного варианта выполнения изобретения.
На Фиг. 4 показан вариант выполнения заявляемого оптического устройства, в котором используются две четвертьволновые пластины (показанные как QWP1 и QWP2 на Фиг. 4, соответственно) и также дополнительно используется сетчатый поляризатор (WGP), выполненный с возможностью пропускания излучения с одним типом поляризации и отражения или поглощения излучения с другим типом поляризации. Кроме того, данный вариант выполнения отличается от варианта выполнения по Фиг. 1 пространственной организацией элементов оптического устройства.
В варианте выполнения по Фиг. 4 оптическое устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с линейной p–поляризацией падает на поляризационный светоделитель (PBS) и пропускается им, после чего p–поляризованное оптическое излучение проходит через электроактивную оптическую ячейку без изменения разности фаз и сохраняя p–поляризацию. Затем оптическое излучение проходит через первую четвертьволновую пластину (QWP1), где становится правоциркулярно поляризованным излучением (RHCP) (получает правостороннюю поляризацию). Оптическое излучение RHCP частично отражается полупрозрачным зеркалом и становится левоциркулярно поляризованным излучением (LHCP) (получает левостороннюю поляризацию), а частично пропускается полупрозрачным зеркалом, сохраняя правостороннюю поляризацию (RHCP). Пропущенная часть оптического излучения далее проходит через вторую четвертьволновую пластину (QWP2), становится линейным s–поляризованным излучением и блокируется (поглощается или отражается) сетчатым поляризатором (WGP).
Сетчатый поляризатор (WGP) в соответствии с вариантами выполнения изобретения функционирует следующим образом. Выбор степени поглощения/отражения излучения сетчатым поляризатором (WGP) обусловлен необходимостью отсечь или, наоборот, получить на выходе излучение с такой ориентацией вектора поляризации, которая отражается/блокируется сетчатым поляризатором (WGP). Если излучение с такой поляризацией не несет полезной нагрузки и его нет необходимости преобразовать в излучение с полезной поляризацией, то выбирается его полная блокировка сетчатым поляризатором (WGP) (см. Фиг. 4, Фиг.5). Если излучение с такой поляризацией несет полезную нагрузку (см. Фиг. 2) или его возможно преобразовать в излучение с другой полезной в данной реализации поляризацией, то выбирается отражение сетчатым поляризатором (WGP) (см. Фиг. 6).
Оптическое излучение LHCP снова проходит через QWP1 и становится линейным s–поляризованным излучением, вновь проходит через электроактивную оптическую ячейку и получает разность фаз, определяемую фазовым профилем электроактивной оптической ячейки. Далее это излучение отражается поляризационным светоделителем (PBS), вновь проходит через электроактивную оптическую ячейку, получая удвоенную разность фаз по сравнению с падающим оптическим излучением. После этого s–поляризованное излучение вновь проходит через первую четвертьволновую пластину QWP1 и становится левоциркулярно поляризованным излучением (LHCP), далее проходит через полупрозрачное зеркало, сохраняя свою поляризацию, затем через вторую четвертьволновую пластину QWP2, изменяет свою поляризацию на линейную p–поляризацию, после чего пропускается сетчатым поляризатором (WGP) и выходит из оптического устройства.
Обращаясь вновь к Фиг. 2, рассмотрим более подробно неограничивающий вариант выполнения заявляемого изобретения, в котором в состав структуры селективной поляризации дополнительно включены два пересекающихся селективных по поляризации зеркала, обозначенные на Фиг. 2 как LHCLC (холестерический кристалл с левосторонней поляризацией) и RHCLC (холестерический кристалл с правосторонней поляризацией), соответственно. В данном конкретном варианте выполнения оптическое излучение, которое проиллюстрировано как неполяризованное излучение, формирующее два различных изображения, попадает в оптическую систему через попиксельный поляризатор, где преобразуется в излучение с правоциркулярной (правосторонней) поляризацией и левоциркулярной (левосторонней) поляризацией.
Применяемый в данном неограничивающем варианте выполнения попиксельный поляризатор выполняет следующую функцию. В общем случае, попиксельные поляризаторы позволяют поляризовать, а также изменять интенсивность излучения от каждого отдельного пикселя дисплея, придав ему одну из четырех (как правило) возможных ориентаций вектора поляризации: 0°, 45°, 90°, 135°. Это достигается путем создания «супер–пикселя», состоящего из четырех (по количеству возможных ориентаций вектора поляризации) областей, каждая из которых соответствует своей модуляции интенсивности и поляризации излучения.
В данном неограничивающем варианте выполнения изобретения использование попиксельного поляризатора обусловлено необходимостью разделить излучение от различных изображений для фокусировки лучей от каждого из них на разных фокусных расстояниях для решения конфликта вергенции–аккомодации (см., например, Brock, Neal, Bradley T. Kimbrough, and James E. Millerd. "A pixelated micropolarizer–based camera for instantaneous interferometric measurements." Polarization Science and Remote Sensing V. Vol. 8160. International Society for Optics and Photonics, 2011).
Селективные по поляризации зеркала выполнены с возможностью отражения пучка оптического излучения с левосторонней поляризацией и пропускания пучка оптического излучения с правосторонней поляризацией и наоборот, в результате чего пучки оптического излучения с соответствующей поляризацией отражаются и/или пропускаются в направлении одной из двух проиллюстрированных электроактивных оптических ячеек, через которые они в каждом случае пропускаются дважды, и одного из двух проиллюстрированных зеркал, которым они в каждом случае отражаются для повторного прохождения через соответствующую электроактивную оптическую ячейку.
На Фиг. 5 и 6 схематично проиллюстрирован способ работы оптического устройства согласно изобретению на примере неограничивающего варианта выполнения с сетчатым поляризатором (WGP) и использованием одной (Фиг. 5) и двух (Фиг. 6) электроактивных оптических ячеек, соответственно.
В общем случае, способ увеличения длины оптического пути падающего излучения в оптическом устройстве может быть охарактеризован следующим образом. Падающее оптическое излучение разделяют на излучение с первой поляризацией и излучение со второй поляризацией. Для этой цели в различных вариантах выполнения изобретения, описанных выше, могут использоваться различные материально–технические средства, такие как, не ограничиваясь, охарактеризованные выше попиксельный поляризатор, PBS, WGP, селективные по поляризации зеркала из холестерических кристаллов и других материалов, чувствительных к состоянию поляризации падающего излучения.
Далее поляризация оптического излучения с по меньшей мере одной из первой поляризации и второй поляризации изменяется посредством четвертьволновой пластины (QWP). Оптическое излучение с первой поляризацией и оптическое излучение со второй поляризацией пропускается через по меньшей мере одну электроактивную оптическую ячейку, оптическое излучение с измененной поляризацией по меньшей мере частично отражается посредством поляризационного светоделителя (PBS). Отраженное оптическое излучение с измененной поляризацией пропускается через электроактивную оптическую ячейку (ту же самую, что упомянута выше, или другую, в зависимости от конкретного варианта выполнения). Оптическое излучение по меньшей мере частично отражается посредством полупрозрачного зеркала, и оптическое излучение, отраженное посредством полупрозрачного зеркала, по меньшей мере частично вновь пропускается через электроактивную оптическую ячейку. Другую часть оптического излучения по меньшей мере частично пропускают посредством поляризационного светоделителя (PBS).
Упомянутая выше первая поляризация может представлять собой левостороннюю поляризацию или правостороннюю поляризацию, при этом упомянутая выше вторая поляризация может представлять собой правостороннюю поляризацию или левостороннюю поляризацию, соответственно. Кроме того, первая поляризация может представлять собой линейную s–поляризацию или линейную p–поляризацию, а вторая поляризация может представлять собой линейную p–поляризацию или линейную s–поляризацию, соответственно.
На этапе пропускания отраженного оптического излучения с измененной поляризацией через электроактивную оптическую ячейку оптическому излучению может придаваться первая разность фаз, и/или на этапе пропускания оптического излучения, отраженного посредством полупрозрачного зеркала, через электроактивную оптическую ячейку, оптическому излучению может придаваться вторая разность фаз, отличная от первой разности фаз. Однако следует заметить, что в общем случае разность фаз может быть равна и нулю, если, например, пропускается и отражается излучение с поляризацией, на которую не влияет электроактивная оптическая ячейка.
В варианте выполнения по Фиг. 5 электроактивная оптическая ячейка активна для излучения с ориентацией вектора поляризации –45° и пассивна для излучения с ориентацией вектора поляризации +45°. Излучение с ориентацией вектора поляризации –45° в этом варианте выполнения дважды проходит через электроактивную оптическую ячейку и получает удвоенную фазу, определяемую фазовым профилем электроактивной оптической ячейки. В данном примере правоциркулярно поляризованное излучение после полупрозрачного зеркала (указано как «50/50» на Фиг. 5 и 6), получающее ориентацию вектора поляризации –45° после четвертьволновой пластины QWP2, блокируется сетчатым поляризатором (WGP), а излучение с левосторонней поляризацией после полупрозрачного зеркала, получающее ориентацию вектора поляризации +45° после четвертьволновой пластины QWP2, пропускается сетчатым поляризатором (WGP) в глаз пользователя в качестве полезного излучения. Процентами на Фиг. 5 и 6 показана эффективность системы, рассчитываемая как отношение интенсивности прошедшего полезного излучения к интенсивности входного излучения, при этом на входе системы имеется полное излучение (100%), а значения 25% и 50% на Фиг. 5 и Фиг. 6 соответственно показывают долю прошедшего полезного излучения относительно входного излучения. Это означает, что система на Фиг. 5 имеет эффективность 25%, а система на Фиг. 6 имеет эффективность 50%.
Условные обозначения OPL1, OPL2, OPL3 на Фиг. 5 обозначают участки длины получаемого оптического пути, при этом общий получаемый оптический путь является суммой длин этих участков (OPL=OPL1+OPL2+OPL3). Как видно на Фиг. 5, эффективность на выходе из оптического устройства составляет 25% по сравнению с исходными 100%. В варианте выполнения по Фиг. 6 добавлена вторая электроактивная оптическая ячейка, в результате чего эффективность на выходе из оптического устройства повышается до 50%.
Предлагаемое оптическое устройство, по существу реализующее пространственный модулятор света (SLM), может быть использовано для увеличения разрешения изображения, демонстрируемого пользователю, например, системы дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), в качестве так называемого «оптического клина» за счет того, что фазовая функция в виде «призматической структуры», формируемая таким SLM, позволяет отклонять пучок оптического излучения на необходимый угол σ, давая в результате первый кадр изображения. Кроме этого первого кадра также может формироваться второй кадр, в котором не происходит смещение изображения за счет упомянутого отклонения пучка оптического излучения. Быстрое переключение (с частотой более 50 Гц) первого и второго кадров, наложенных друг на друга, позволяет получить изображение, воспринимаемое человеческим глазом как изображение с удвоенным разрешением.
Кроме смещения изображений для повышения разрешения изображения, демонстрируемого пользователю оптической системы, в соответствии с изобретением использование структуры селективной поляризации и пропускание/отражение оптического излучения с различными фазами и/или различной поляризацией позволяет формировать «многоканальную» картину оптического излучения, за счет которой изображения различных объектов могут располагаться на разной глубине по оптической оси и по существу могут перемещаться в направлении вдоль оптической оси ближе к глазу пользователя или дальше от него. Это, в свою очередь, позволяет разрешить конфликт вергенции и аккомодации (VAC), корректировать рефракционную ошибку глаз пользователя с нарушениями зрения, и демонстрировать пользователю изображение, в котором различные объекты могут визуально восприниматься как находящиеся на разном расстоянии от пользователя.
В качестве неограничивающего примера, при использовании изобретения в системе дополненной реальности (AR) обеспечивается возможность изменения видимого положения изображений виртуальных объектов, накладываемых на соответствующие объекты реального внешнего мира. В применении системы AR, например, в очках дополненной реальности или наголовном дисплее (HUD), например, при управлении транспортным средством это может быть с достижением преимущества использовано для улучшения обзора в условиях ограниченной видимости (в частности ночью, в тумане, при наличии «мертвой зоны» обзора), а также для представления пользователю дополнительной информации (такой как, в качестве неограничивающего примера, навигационная информация, характеристики движения транспортного средства, предупреждения о препятствиях и т.п.).
В зависимости от конкретного применения изобретения может использоваться один или более пространственных модуляторов света (SLM), составляемых по меньшей мере одной электроактивной оптической ячейкой и структурой селективной поляризации, как описано выше. В частности, может быть предусмотрен набор (стек) из более одного SLM, что может увеличить возможный диаметр и/или толщину оптической системы и максимальную оптическую силу и/или диапазон углов смещения изображений в зависимости от конкретного варианта применения оптической системы.
В качестве примера, применение устройства согласно изобретению в системе виртуальной реальности (VR) может увеличить разрешение изображения, демонстрируемого пользователю системы VR, вдвое (с 25 пикселей на градус до 50 пикселей на градус угла обзора) по сравнению с известной системой VR при сохранении остальных характеристик системы (таких как, в качестве неограничивающего примера, угол обзора в 110°, разрешение 6,1–дюймового OLED дисплея в 1440×3040 пикселей) неизменными.
Использование устройства согласно изобретению может обеспечить, в качестве неограничивающего примера, трехкратное увеличение оптического пути по сравнению с оптической системой без SLM, а также девятикратное сокращение времени отклика оптической системы и трехкратное уменьшение толщины системы по сравнению с известными аналогами без SLM.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально–технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.