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

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в целом к формированию оптических изображений и в частности к световодной структуре, используемой для отображения объединения виртуальных изображений и фоновых изображений, голографическому оптическому устройству, использующему одну или более таких световодных структур, и системе формирования изображений, снабженной одним или более такими голографическими оптическими устройствами.
Настоящее изобретение может применяться на выставках, в музеях, театрах, концертных и спортивных залах, на стадионах и в местах проведения спортивных мероприятий, в рекламной индустрии, в автомобилях, играх и системах моделирования, и в других местах, где необходимо предоставлять пользователям виртуальные изображения различных объектов на фоне окружающей обстановки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционные оптические устройства дополненной реальности основываются на объединении оптической системы для переноса и расширения изображения, сформированного компактным LCD, LCoS, CRT, OLED или другими пространственными модуляторами света, и устройства объединения изображений на основе, например, светоделительного куба или полупрозрачной пластины. Оптическая система переноса изображения и делитель луча часто выполняются в виде монолитной структуры. Недостаток таких систем состоит в их большом размере и весе.
Для уменьшения размера устройства используются голографические оптические элементы. Примеры таких устройств с голографическими оптическими элементами представлены в патентных заявках US2011/0211239 и US2013/0077141. Каждое из этих устройств содержит устройство отображения изображения, коллиматор, волновод, первую отражательную объемную голографическую решетку, вторую отражательную объемную голографическую решетку. Коллиматор преобразовывает расходящиеся лучи света от пикселей устройства отображения изображения в параллельные лучи света и проецирует их на волновод. Дополнительно лучи света вводятся в волновод посредством первой отражательной объемной голографической решетки. После многократных отражений от поверхностей волновода лучи света падают на вторую отражательную объемную голографическую решетку, используемую для ввода лучей света из волновода в глаз наблюдателя. Главный недостаток этих устройств состоит в малом размере выходного зрачка.
1
2
1
3
1
2
1
1
1
2
2
2
3
3
Проблема малого размера выходного зрачка решается в патенте US6580529, который является самым близким предшествующим уровнем техники для настоящего изобретения. В данном патенте раскрывается голографическое оптическое устройство, трехмерный вид которого схематично изображен на Фиг.17a. Известное устройство содержит плоскую пропускающую свет подложку 11, первый голографический оптический элемент (ГОЭ) H, выполненный на подложке 11, по меньшей мере один второй ГОЭ H, выполненный на подложке 11 и размещенный сбоку от ГОЭ H, и по меньшей мере один третий ГОЭ H, выполненный на подложке 11 и размещенный сбоку первого и второго голографических оптических элементов (ГОЭ) H и H. Первый ГОЭ H освещается источником света (не показан), который расположен позади данного элемента. Первый ГОЭ H коллимирует падающий свет от источника света, если свет еще не коллимирован, и рассеивает его таким образом, что свет захватывается внутри подложки 11 вследствие полного внутреннего отражения. Подверженные дифракции волны расширяются голографическими оптическими элементами (ГОЭ) H и H сначала вдоль оси ξ, а затем вдоль оси η, соответственно. На Фиг. 17b изображено поведение оптической волны вдоль оси ξ. Волна, падающая на второй ГОЭ H, частично рассеивается и частично отражается от данного элемента. Отраженная волна распространяется к противоположной поверхности подложки 11, и возникает полное внутреннее отражение, и волна возвращается ко второму ГОЭ H, где она частично рассеивается и частично отражается. Такой процесс повторяется несколько раз. В результате входной пучок расширяется вдоль ось ξ. Входной пучок расширяется вдоль оси η таким же образом через третий ГОЭ H. Третий ГОЭ H выводит захваченные волны из подложки 11.
Известное устройство, изображенное на Фиг. 17a-b, хорошо применимо для расширения луча, когда оно работает с одним пучком света. Однако использование данного устройства в системах формирования изображений приводит к некоторым проблемам. Системы формирования изображений обычно работают с множеством пучков света, соответствующих различным полям зрения. Когда пучки света распространяются в световоде, они могут накладываться друг на друга или иметь пробел (пропуск) между своими проекциями на основных плоскостях световода. Это приводит к неоднородности яркости в изображении. Оптимальное отношение между пробелами и переналожениями достигается, когда выходной зрачок размещается на одной из основных плоскостей световода на решетке для ввода. Лучи света, введенные в световод, подвергаются полному внутреннему отражению от поверхности световода, которая находится напротив поверхности, на которой размещается решетка для ввода. После отражения в случае отсутствия пропусков пучки света возвращаются в решетку для ввода и подвергаются дифракции на ней, что, в результате, приводит к неоднородности яркости и уменьшает общую эффективность.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеупомянутых недостатков, характерных для решений, известных из предшествующего уровня техники.
Технический результат, достигаемый посредством использования настоящего изобретения, заключается в увеличении поля зрения и выходного зрачка системы формирования изображений посредством использования световода и голографических оптических элементов, раскрытых в данном документе.
Согласно первому аспекту предлагается световодная структура. Световодная структура содержит первую часть, вторую часть, примыкающую к первой части, первый голографический оптический элемент и второй голографический оптический элемент. Первый голографический оптический элемент расположен на поверхности первой части и сделан с возможностью ввода лучей света, излученных внешним устройством отображения, в первую часть таким образом, чтобы обеспечивать, после одного полного внутреннего отражения внутри первой части, распространение лучей света через место стыка первой и второй частей во вторую часть. Второй голографический оптический элемент расположен на поверхности второй части и сделан с возможностью обеспечения, по меньшей мере после одного полного внутреннего отражения внутри второй части, выход лучей света из второй части. Первая и вторая части могут иметь различную толщину или различные показатели преломления. Вторая часть сделана с возможностью обеспечения прохождения падающего окружающего света через себя ко второму голографическому оптическому элементу, и второй голографический оптический элемент дополнительно сделан с возможностью объединения света от объектов окружающей обстановки вместе с лучами света от внешнего устройства отображения.
В одном варианте осуществления первая и вторая части имеют различные градиентные показатели преломления.
Каждая из первой и второй частей имеет верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и боковую поверхность, противоположную месту стыка первой и второй частей.
В некоторых вариантах осуществления первый и второй голографические оптические элементы выполнены на нижней или верхней поверхностях первой и второй частей.
Согласно другому варианту осуществления первый голографический оптический элемент выполнен на боковой поверхности первой части, а второй голографический оптический элемент выполнен на нижней поверхности второй части.
Верхняя, нижняя и боковая поверхности первой и второй частей могут быть плоскими, или по меньшей мере одна из верхней, нижней и боковой поверхности по меньшей мере одной из первой и второй частей может быть наклонной или изогнутой. Верхняя и/или нижняя поверхности первой и второй частей могут быть также выровнены друг с другом.
Каждый из первого и второго голографических оптических элементов может быть реализован в виде решетки. Решетки могут иметь синусоидальный рельеф с равными периодами, и рельефные линии решеток могут быть параллельными друг другу. Кроме того, первый и второй голографические оптические элементы могут иметь различную селективность по длине волны или углу, и по меньшей мере один из первого и второго голографических элементов может быть цветным голографическим элементом.
В одном варианте осуществления первая и вторая части выполнены из стекла BK7.
Согласно второму аспекту, предлагается голографическое оптическое устройство. Устройство содержит: устройство отображения, сделанное с возможностью излучения лучей света; оптическое средство, сделанное с возможностью направления лучей света вдоль своей оптической оси; и по меньшей мере одну световодную структуру согласно первому аспекту. Световодная структура расположена относительно оптической оси оптического средства таким образом, что лучи света от устройства отображения падают на первый голографический оптический элемент.
В одном варианте исполнения устройство отображения выполнено в виде микродисплея для обеспечения лучшей компактности.
Согласно другому варианту осуществления устройство содержит две размещенные одна над другой световодные структуры.
Оптическое средство может содержать окуляр или коллиматор.
Согласно третьему аспекту предлагается система формирования изображений. Система содержит: по меньшей мере одно голографическое оптическое устройство согласно второму аспекту; и процессор, соединенный с голографическим оптическим устройством и сконфигурированный с возможностью обработки изображений для отображения пользователю через голографическое оптическое устройство.
Система может дополнительно содержать радиоинтерфейс, сделанный с возможностью приема и передачи интерактивного контента через радиоволны.
Система может дополнительно содержать оптический интерфейс, сделанный с возможностью захвата изображений и отправки захваченных изображений в процессор. Оптический интерфейс может содержать фотокамеру, видеокамеру, проекционный объектив или любое их сочетание.
Система может дополнительно содержать акустический интерфейс, сделанный с возможностью приема и передачи интерактивного контента через акустические волны. Акустический интерфейс может содержать микрофон, динамик, датчик костной проводимости или любое их сочетание.
В некоторых вариантах  исполнения система может быть выполнена в форме шлема или очков.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего подробного описания и рассмотрения сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность настоящего изобретения объясняется со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 является схемой голографического оптического устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2a-b изображены виды в перспективе и сбоку световодной структуры, используемой в устройстве с Фиг. 1;
на Фиг. 3 изображено распространение света внутри тонкой части световодной структуры с Фиг. 2a-b;
на Фиг. 4a-c изображена зависимость между полем обзора и частотой решетки, соответствующая различным решениям;
на Фиг. 5 изображено распространение света внутри толстой части световодной структуры с Фиг. 2a-b;
на Фиг. 6 изображена световодная структура с преломляющими голографическими оптическими элементами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 7 изображена световодная структура с одной наклоненной поверхностью в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 8-10 изображены световодные структуры с одной изогнутой поверхностью в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 11 изображена световодная структура, в которой один из голографических оптических элементов выполнен на боковой поверхности толстой части световодной структуры, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 12 изображены размещенные одна над другой световодные структуры с селективными по длине волны голографическими оптическими элементами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 13 изображены размещенные одна над другой световодные структуры с слективными по углу голографическими оптическими элементами в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 14 изображена световодная структура, состоящая из двух частей одной и тот же толщины, но с разными показателями преломления, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 15 изображена система формирования изображений, выполненная в форме очков в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 16 изображена конструкция правой дужки очков с Фиг. 15;
Фиг. 17a является трехмерным видом голографического оптического устройства предшествующего уровня техники;
на Фиг. 17b изображено поведение оптических волн вдоль одной оси распространения в устройстве с Фиг. 17a.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления настоящего изобретения далее описываются более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах, и не следует полагать, что оно ограничено какой-либо определенной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, данные варианты осуществления предложены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Согласно настоящему описанию, специалисту в уровне техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, независимо от того, реализован ли данный вариант осуществления независимо или совместно с каким-либо другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано фактически посредством использования любого количества вариантов осуществления, предложенных в данном документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть воплощен с использованием одного или более элементов, представленных в прилагаемой формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Не следует полагать, что какой-либо вариант осуществления, описанный в данном документе в качестве «примерного», обязательно является предпочтительным или имеет преимущество перед другими вариантами осуществления.
На Фиг. 1 изображено голографическое оптическое устройство 100 в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, устройство 100 содержит устройство 101 отображения (схематично изображенное в виде прямой линии), оптическое средство 102 и световодную структуру 103. Световодная структура 103 имеет первый голографический оптический элемент 104a и второй голографический оптический элемент 104b. Конфигурация световодной структуры 103 будет описана позже.
Устройство 101 отображения излучает пучки света к оптическому средству 102. Устройство 101 отображения может быть любого типа, известного в уровне техники, например, LCD, LCoS, DMD и OLED устройством отображения. Кроме того, устройство 101 отображения может быть выполнено в виде микродисплея, чтобы, по необходимости, обеспечить его компактность. Лучи света, излученные устройством 101 отображения, формируют изображение 101a. Изображение 101a может включать в себя любой один или более объектов, таких как графический объект, текст или их сочетание. В представленном варианте осуществления изображение 101a включает в себя графический объект, такой как автомобиль.
Оптическое средство 102 может иметь любую подходящую конфигурацию. В качестве примера на Фиг. 1 изображено оптическое средство 102, состоящее из трех линз 102a, 102b и 102c, причем каждая представляет собой конкретный тип линз, таких как вогнутые и выпуклые линзы. Выбор типа и количества линз зависит от конкретного применения, как должно быть очевидно специалистам в уровне техники. Кроме того, оптическое средство 102 может содержать окуляр, коллиматор и т.д. Оптическое средство направляет лучи света, излученные устройством 101 отображения, вдоль своей оптической оси, тем самым формируя изображение 101b в бесконечности и выходной зрачок 105 на конечном расстоянии от световодной структуры 103. Изображение 101b и выходной зрачок 105 являются виртуальными объектами, то есть они в действительности не существуют. В то же время, если не было бы никакой световодной структуры 103 на оптической оси оптического средства 102, то можно было бы зафиксировать изображение 101b и выходной зрачок 105, что также должен быть известно специалисту в данной области техники.
Лучи света, излученные устройством 101 отображения и прошедшие оптическое средство 102, падают на первый голографический оптический элемент 104a. Первый голографический оптический элемент 104a сконфигурирован с возможностью ввода лучей света в световодную структуру 103 таким образом, чтобы обеспечить распространение лучей света внутри световодной структуры 103 посредством полного внутреннего отражения. Подробное описание распространения лучей света внутри световодной структуры 103 будет предоставлено ниже. Первый голографический оптический элемент 104a также проецирует выходной зрачок 105 так, что его первая проекция формируются в положении 105a, а его вторая проекция формируется в положении 105b. Лучи света распространяются внутри световодной структуры 103 ко второму голографическому оптическому элементу 104b. Второй голографический оптический элемент 104b сделан с возможностью вывода лучей света из световодной структуры 103 и одновременного объединения первой и второй проекций выходной проекции 105 в положениях 105a и 105b в положении 106, соответствующему зрачку глаза 107 наблюдателя, тем самым расширяя выходной зрачок 105. Дополнительно, лучи света, введенные из световодной структуры 103, входят в глаз 107 наблюдателя, таким образом формируя изображение устройства 101 отображения на сетчатке глаза 107 наблюдателя.
В то же время, окружающий свет от окружающих объектов 108 наблюдателя падает на световодную структуру 103 и проходит через световодную структуру 103 ко второму голографическому оптическому элементу 104b. Второй голографический оптический элемент 104b объединяет свет от объектов окружающей обстановки  вместе с лучами света от устройства 101 отображения, тем самым формируя объединенное изображение 109. Таким образом, наблюдатель может видеть изображение устройства 101 отображения и окружающий пейзаж (то есть окружающие объекты 108) одновременно.
На Фиг. 2a-b изображены вид в перспективе световодной структуры 100 и вид сбоку световодной структуры 100, соответственно. Как показано, световодная структура 100 состоит из двух различных примыкающих частей. Эти две части могут отличаться по толщине и/или показателям преломления. В качестве примера на Фиг. 2a-b изображены первая толстая часть и вторая тонкая часть, однако настоящее изобретение не ограничено данной конфигурацией световодной структуры 103. Световодная структура 103 может быть выполнена из любых материалов, подходящих для распространения света. Предпочтительно, световодная структура 103 выполняется из стекла BK7.
Как следует из Фиг. 2a-b, первая и вторая части световодной структуры 103 имеют одну общую нижнюю поверхность 201 и разные верхние поверхности 202 и 203. Первая и вторая части световодной структуры 103 примыкают друг к другу в месте стыка 204. Световодная структура 103 расположена относительно оптической оси 205 оптического средства 102 так, что лучи света, излученные устройством отображения 101 и прошедшие через оптическое средство 102, падают на первый голографический оптический элемент 104a.
Толщина и/или показатель преломления первой толстой части световодной структуры 103 устанавливаются так, что лучи света, подвергнутые дифракции на первом голографическом элементе 104a, не падают на него после полного внутреннего отражения от поверхности 202. Как отмечено выше, дифракция лучей света на первом голографическом оптическом элементе 104a приводит к проецированию выходного зрачка 105 в двух плоскостях: плоскости 206, которая перпендикулярна поверхностям 201, 202 203 и содержит оптическую ось 205 оптического средства 102, и плоскости 207, перпендикулярной плоскости 206. Это позволяет минимизировать пропуски и переналожения, когда пучки света распространяются во второй тонкой части световодной структуры 103 посредством полного внутреннего отражения от поверхностей 201 и 203. Второй голографический элемент 104b выводит лучи света из световодной структуры 103 и объединяет первую и вторую проекции выходного зрачка 105 в положениях 105a и 105b в положении 106.
Расширение выходного зрачка 105 выполняется следующим образом. Пучки света, падающие на второй голографический оптический элемент 104b, частично дифрагируют и частично отражаются вторым голографическим оптическим элементом 104b. Отраженные пучки света распространяются к противоположной поверхности 203 второй тонкой части световодной структуры 103 и, после полного внутреннего отражения от поверхности 203, возвращаются во второй голографический оптический элемент 104b, где пучки света снова частично дифрагируют и частично отражаются вторым голографическим оптическим элементом 104b. Данный процесс повторяется несколько раз. В результате выходной зрачок 105 увеличивается в положении 106.
Первый и второй голографические оптические элементы 104a и 104b могут быть выполнены в виде синусоидальных или ступенчатых решеток. Кроме того, элементы 104a и 104b могут иметь оптическую силу, подходящую для компенсации аберраций оптического средства 102. В некоторых вариантах исполнения решетки могут иметь синусоидальный рельеф с равными периодами, и рельефные линии решеток могут быть параллельны друг другу. В других вариантах осуществления первый и второй голографические оптические элементы 104a и 104b могут иметь разную селективность по длине волны или разную избирательность по углу. Кроме того, по меньшей мере один из первого и второго голографических элементов 104a и 104b может быть цветным голографическим оптическим элементом.
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
1
2
Теперь будет рассмотрено распространение света через вторую тонкую часть световодной структуры 103. Тонкая часть световодной структуры 103 представлена на Фиг. 3. Заполненный серым цветом пучок света распространяется внутри световодной структуры 103 под углом
, связанным с максимальным углом
, под которым лучи света входят в первую толстую часть световодной структуры 103. Чтобы избежать пробелов в изображении, необходимо, чтобы краевые лучи 301a (после отражения от поверхности 203) и 301b (после отражения от поверхности 201) от максимального поля зрения пересекались в одной точке на поверхности 201. Иначе, это приводит к пробелам или переналожениям в выходном зрачке. Предположим, что D является размером выходного зрачка 105, p является величиной приемлемого пробела в долях выходного зрачка 105, а p является величиной приемлемого переналожения в долях выходного зрачка 105. Из геометрических соображений можно придти к заключению, что условия для приемлемого пробела и приемлемого переналожения описываются следующими неравенствами:
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
где
является толщиной второй тонкой части световодной структуры 103,
,
являются углами, под которыми лучи света распространяются внутри световодной структуры 103. Взаимосвязь между
,
и углами
поля обзора задается уравнением решетки:
<mi>T</mi>
<mi>λ</mi>
<mi>n</mi>
<mi>ϕ</mi>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msup><mi>ϕ</mi><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mo>'</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
где
является частотой решетки,
является длиной волны света,
является показателем преломления световодной структуры 103,
соответствует
или
, а
соответствует
или
, соответственно. Углы поля
и
зрения определяются следующим образом:
<mi>Θ</mi>
<mi>α</mi>
где
является половиной поля зрения,
является углом между оптической осью 205 оптического средства 102 и нормалью к поверхности 201.
Из неравенств (1), уравнения решетки (2) и условия для полного внутреннего отражения может быть выведена следующая система неравенств:
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>T</mi><mi>I</mi><mi>R</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
где
является критическим углом или углом полного внутреннего отражение. Критический угол определяется следующим образом:
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mi>T</mi><mo>,</mo><mi>α</mi><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mi>D</mi><mo>,</mo><mi>Θ</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow>
Решение вышеупомянутой системы неравенств позволяет определить оптимальные
. Некоторые решения представлены на Фиг. 4a-c. Область решения заштрихована. Линии 401, 402, 403 являются соотношениями между частотой решетки и половиной поля зрения. Линия 401 является верхней границей частоты решетки, при которой лучи света распространяться внутри световодной структуры 103 с пробелом
. Линия 401 соответствует первому выражению в системе неравенств (4). Линия 402 является нижней границей частоты решетки, при которой пучок света распространятся внутри световодной структуры 103 под углами, меньшими критического угла. Линия 402 соответствует третьему выражению в вышеупомянутой системе неравенств (4). Линия 403 является нижней границей частоты решетки, при которой пучок света распространятся внутри световодной структуры 103 с переналожением
. Линия 403 соответствует второму выражению в вышеупомянутой системе неравенств (4). Длина второй тонкой части выбирается из антропологических соображений, она находится в пределах диапазона 25-40 мм.
Теперь будет рассмотрено распространение света через первую толстую часть световодной структуры 103. Первая толстая часть световодной структуры 103 представлена на Фиг. 5. Чтобы избежать или минимизировать падение лучей света на первый голографический оптический элемент 104a после их полного внутреннего отражения от поверхности 202, необходимо, чтобы лучи света от краевых полей приходили в точки 501 вне голографического оптического элемента 104a. Чтобы сформировать первые проекции выходного зрачка 105 в положении 105a, необходимо, чтобы точки 501 приблизительно совпали друг с другом. Из геометрических соображений можно вывести следующие взаимосвязи:
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>,</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mi>b</mi>
<mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mi>s</mi>
где
является углом, под которым главный луч центрального поля падает на поверхность 202,
является толщиной первой толстой части световодной структуры 103,
является смещением от первого голографического оптического элемента 104a,
являются проекциями краевых и главных лучей на поверхности 201. Взаимосвязь между
и расстоянием
между поверхностью 201 и положением выходного зрачка 105 выражается следующим образом:
<mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
Замена
в (6) на (7) и подстановка (6) в уравнение решетки (2) позволяет получить:
<mi>T</mi>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mi>s</mi>
Решение (8) относительно
дает нам частоту решетки, которая обеспечивает попадание лучей от краевых полей в точки 501 вне первого голографического оптического элемента 104a. Также оно обеспечивает оптимальную толщину
и оптимальное положение выходного зрачка
. Важно проверить, чтобы решение (8) находилось внутри области решения (4). Иначе, необходимо решать систему неравенств (4) и систему уравнений (8) в рамках одной системы.
<mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Длина
первой толстой части световодной структуры 103 приблизительно равна:
Согласно решениям системы уравнений и неравенств (4) и (8) и Фиг. 4a-c оптимальная толщина первой толстой части световодной структуры 103 составляет 3-6 мм, вторая тонкая часть световодной структуры 103 составляет 0,5-1,5 мм, а частота решетки составляет 2000-2500 л/мм, если в оптическом средстве 102 используется выходной зрачок с диаметром в 2-3 мм.
В вышеописанном варианте осуществления настоящего изобретения первый и второй голографические оптические элементы 104a и 104b выполнены в виде прозрачных голографических оптических элементов. Однако настоящее изобретение не ограничено таким типом голографических оптических элементов. Например, первый и второй голографические оптические элементы могут быть выполнены в виде отражательных голографических оптических элементов, как показано на Фиг. 6. В данном примере первый и второй голографические оптические элементы 601a и 601b выполнены на верхних поверхностях 202 и 203, соответственно, так, чтобы лучи света, излученные устройством отображения 101 и прошедшие через оптическое средство 102, шли через первую толстую часть световодной структуры 103 и отражались от первого голографического элемента 601a к поверхности 201. Дополнительно, после отражения от поверхности 201 лучи света распространяются ко второй тонкой части световодной структуры 103, где лучи света отражаются вторым голографическим оптическим элементом 601b и затем частично выводятся из второй тонкой части и частично отражаются от поверхности 201 по вышеупомянутому принципу для расширения выходного зрачка 105. Схожим образом свет от окружающих объектов 106 входит во вторую тонкую часть световодной структуры 103, отражается от второго голографического оптического элемента 601b и затем выводится из второй тонкой части световодной структуры 103 совместно с лучами света от устройства 101 отображения, тем самым формируя изображение 109.
Кроме того, в вышеописанных вариантах исполнения настоящего изобретения подразумевается, что поверхности 201, 202 и 203 являются плоскими. Однако настоящее изобретение не ограничивается такими типами поверхностей. Например, по необходимости с целью компактности, по меньшей мере одна из поверхностей 201, 202 и 203 может быть наклонной или изогнутой произвольным образом, как показано на Фиг. 7-10.
В частности на Фиг. 7 изображена световодная структура 103, в которой поверхность 202 является наклонной, то есть не параллельной другим поверхностям 201 и 203. В данной конфигурации первый и второй голографические элементы 104a и 104b выполнены на поверхности 201, пространственно разнесены по бокам друг от друга так, чтобы первый голографический оптический элемент 104a принадлежал первой толстой части световодной структуры 103, а второй голографический оптический элемент 104b принадлежал второй тонкой части световодной структуры 103. В данном случае, принцип действия является тем же самым, что и обсужденный выше относительно Фиг. 1-3.
На Фиг. 8-10 изображена световодная структура 103, в которой одна из поверхностей 201, 202 и 203 является изогнутой произвольным образом. Более конкретно, на Фиг. 8 изображена изогнутая поверхность 202, на Фиг. 9 изображена изогнутая поверхность 201, а на Фиг. 10 изображена изогнутая поверхность 203. В этих случаях принцип действия является тем же самым, что и обсужденный выше относительно Фиг. 1-3.
Кроме того, настоящее изобретение не ограничено вышеописанным расположением первых и вторых голографических оптических элементов 104a и 104b. Например, на Фиг. 11 изображена световодная структура 103, в которой первый голографический оптический элемент 104a расположен на наклоненной боковой поверхности первой толстой части световодной структуры 103, которая обращена к месту стыка 204. В данном случае, принцип действия подобен обсужденному выше относительно Фиг. 1-3.
Улучшение качества изображения, например, посредством минимизации хроматизма и двоения изображений может быть достигнуто посредством использования по меньшей мере двух размещенных одна на другой световодных структур 103 с селективными по длине волны голографическими оптическими элементами 104a и 104b, как показано на Фиг. 12. Чтобы увеличить поле зрения, могут быть использованы по меньшей мере две размещенные одна на другой световодные структуры 103 с селективными по углу голографическими оптическими элементами 104a и 104b, как показано на Фиг. 13.
На Фиг. 14 изображен другой вариант исполнения настоящего изобретения, в котором первая и вторая части световодных структур 103 имеют одну и ту же толщину, но разные показатели преломления. В частности первая и вторая части световодной структуры 103 выполнены из материалов с градиентными показателями преломления. В данном случае, принцип действия подобен обсужденному выше относительно Фиг. 1-3.
На Фиг. 15 изображена примерная система 300 формирования изображений. Как показано на Фиг. 15, система 300 выполнена в форме очков с дужками 301. Однако настоящее изобретение не ограничено такой конфигурацией системы 300. Например, система 300 может также быть выполнена в форме шлема. Конструкция правой дужки 301 изображена на Фиг. 16. Левая дужка 301 может иметь ту же самую конструкцию, либо некоторые из конструктивных элементов, содержащихся в правой дужке 301, могут отсутствовать в левой дужке 301 (например, радиоинтерфейс, обсуждаемый ниже, может быть встроен только внутрь правой дужки 301). В целом, система 300 содержит два голографических оптических устройства 100, причем каждый воплощен в соответствующей одной из дужек 301. Микроустройство 101 отображения и оптическое средство 102 объединены внутри оптического модуля 302. В данном случае, предпочтительно реализовать устройство 101 отображения в форме микродисплея, чтобы обеспечить лучшую компактность. Световодная структура 103 устройства 100 выполнена так, что первый голографический оптический элемент 104a обращен к оптическому модулю 302, а второй голографический оптический элемент 104b обращен к глазу пользователя (не показан). Правая дужка 301 также содержит следующие конструктивные элементы: встроенный процессор 303, радиоинтерфейс 304, оптический интерфейс 305 и акустический интерфейс 306. Встроенный процессор 303 обрабатывает изображения для отображения пользователю. Радиоинтерфейс 304 принимает и/или передает интерактивный контент через радиоволны. Оптический интерфейс 305 захватывает изображения и отправляет их в процессор 303. Например, оптический интерфейс 305 может быть выполнен в виде фотокамеры, видеокамеры или проекционного объектива. Акустический интерфейс 306 принимает и/или передает интерактивный контент через акустические волны. Например, акустический интерфейс 306 может быть выполнен в виде микрофона, динамика или датчика костной проводимости.
Несмотря на то, что в данном документе раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть произведены любые различные изменения и модификации без отступления от объема правовой защиты, который определяется прилагаемой формулой изобретения. В прилагаемой формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает присутствие множества таких элементов, если иное не указано явно.