ВОЛНОВОДНАЯ АРХИТЕКТУРА, ОСНОВАННАЯ НА ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ, ДЛЯ ДИСПЛЕЕВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ С ШИРОКИМ ПОЛЕМ ЗРЕНИЯ
WAVEGUIDE ARCHITECTURE BASED ON DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS FOR AUGMENTED REALITY DISPLAYS WITH WIDE FIELD OF VIEW

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к ближнепольным дисплеям, к планарным волноводам с дифракционными оптическими элементами и дисплеям, основанным на таких планарных волноводах.
Описание предшествующего уровня техники
Концепция дополненной реальности состоит в создании изображения с наложением виртуального изображения на реальную картину мира. Пользователь может просматривать картину дополненной реальности, используя устройства для просмотра дополненной реальности, в частности очки дополненной реальности.
Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны. На данном этапе развития данной области техники максимальная ширина поля зрения составляет 60° по диагонали.
К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования:
- широкое поле зрения, чтобы человеческий глаз мог охватить всю область, которую он видит, возможность накладывания виртуальных изображений на большую область;
- хорошее качество изображения;
- малый вес;
- компактность;
- низкая стоимость;
- высокое разрешение, высокий контраст и т.д.
При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Существуют разные подходы для достижения предъявляемых требований. Одни подходы могут обеспечить широкое поле зрения, но не могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Другие подходы могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, но не могут обеспечить широкое поле зрения. Классическим способом увеличения ширины поля зрения является увеличение количества волноводов в устройствах дополненной реальности. Однако увеличение количества волноводов приводит к увеличению габаритных размеров устройства дополненной реальности, веса устройства дополненной реальности, к уменьшению разрешения устройства.
in
exp
На фиг. 1 схематически проиллюстрировано ограничение поля зрения при использовании дифракционных оптических элементов в устройствах дополненной реальности, известных из уровня техники. На фиг. 1 по оси абсцисс - горизонтальное поле зрения (FOV), по оси ординат - вертикальное поле зрения. На пересечении оси абсцисс и оси ординат изображен квадрат, который представляет собой изображение, которое необходимо передать для просмотра пользователю. Если передаваемое изображение взаимодействует с дифракционным оптическим элементом, который уводит передаваемое изображение вправо (стрелка вектора K) и изображение попадает внутрь кольца, изображенного на фиг. 1. Кольцо представляет собой область угловых компонент распространяющегося излучения (область компонент волновых векторов распространяющегося излучения), которые распространяются в волноводе, но не распространяются вне волновода. Угловая компонента представляет собой определенную точку на угловой координатной сетке с угловыми координатами, например, Bx, By, Bz. Внутренняя граница кольца представляет собой область угла полного внутреннего отражения (ПВО), то есть критический угол, под которым распространяется излучение, не выходящее из волновода. Внешняя граница кольца представляет собой границу излучения, существующего внутри волновода, то есть угол распространения излучения составляет 90° внутри волновода. Таким образом, внутри волновода существует излучение, распространяющееся под углами от угла ПВО до угла 90°. То есть при взаимодействии изображения с вводной дифракционной решеткой часть изображения отсекается, поскольку остается только часть изображения, которая может существовать только в вышеупомянутом диапазоне углов, то есть изображение отсекается в данном случае по горизонтали - справа и слева. Далее, при взаимодействии с размножающей дифракционной решеткой, вектор которой помечен на фиг. 1 как К, от изображения также отсекается часть углов теми же границами, но по вертикали. Когда изображение выводится, то остается маленькое усеченное по вертикали и горизонтали изображение.
То есть каждый из дифракционных оптических элементов дает свое ограничение по полю зрения, таким образом, чем меньше дифракционных оптических элементов содержится в устройстве дополненной реальности, тем лучше.
Для создания двумерного изображения необходимо как минимум три дифракционных оптических элемента, вводной дифракционный элемент, размножающий дифракционный элемент и выводящий дифракционный элемент. Три дифракционных оптических элемента в рамках настоящей заявки названы набором дифракционных оптических элементов. На фиг. 1 изображен один набор дифракционных оптических элементов, который выводит определенную часть поля зрения.
Необходимо отметить, что для наиболее часто используемых оптических материалов с показателем преломления 1,5 результирующее поле зрения, сформированное таким набором дифракционных оптических элементов, составляет 30° на 30°.
Стандартный способ для увеличения поля зрения заключается в увеличении количества волноводов, которые передают изображение. Однако от увеличения количества волноводов увеличивается толщина дисплея дополненной реальности, вес, а также уменьшается прозрачность такого дисплея дополненной реальности. Если при этом уменьшать толщину волноводов, то это приведет к ухудшению изображения, воспринимаемого глазом, поскольку при уменьшении толщины волновода в зрачок попадает больше одного вывода изображения, вследствие неравномерности и неплоскостности самого волновода в глаза попадает более, чем одно вводное изображение, то есть происходит двоение изображения, резко начинает падать разрешение, качество изображения ухудшается.
Также для увеличения поля зрения увеличивают показатель преломления волноводов и материалов дифракционных оптических элементов. При увеличении показателя преломления увеличивается диапазон углов, которые существуют в волноводе, но которые не существуют в воздухе. Таким образом, пользователь видит изображение с большим полем зрения. Однако фундаментальная проблема такого решения заключается в том, что материалы с высоким показателем преломления имеют поглощение в синей области спектра, и это означает, что при просмотре изображения пользователем теряется синяя часть спектра реального изображения, кроме того невозможно передавать синюю часть спектра виртуального наложенного изображения, то есть теряется цветность изображения.
Также в уровне техники, поле зрения увеличивают посредством изменения архитектуры планарных волноводов. Наиболее известное изменение заключается в том, что вместо использования одного набора дифракционных оптических элементов используется два набора дифракционных оптических элементов, причем каждый из наборов дает свою часть поля зрения. Необходимо отметить, что при использовании двух наборов возможно увеличить ширину поля зрения в два раза, но при этом увеличивается только вертикальное поле зрения, в то время как предпочтительно увеличение как вертикального поля зрения, так и горизонтального поля зрения. То есть, при таком подходе происходит потеря горизонтального форм-фактора. Термин «форм-фактор» обозначает соотношение сторон выводимого изображения. Горизонтальный форм-фактор - это изображение с горизонтальным полем большим, чем вертикальным. Вертикальный форм-фактор - это изображение с вертикальным полем большим, чем горизонтальным.
Горизонтальный или вертикальный форм-фактор обозначает соотношение сторон выводимого изображения. Однако, если вертикальный форм-фактор и вводная дифракционная решетка находится по отношению к выводной дифракционной решетке, например, слева, то если волновод перевернуть на 90°, тогда вводная дифракционная решетка будет находиться сверху, и форм-фактор изменится с вертикального форм-фактора на горизонтальный форм-фактор. Если вводной дифракционный элемент находится сверху, то и свет в него должен быть введен сверху, то есть и проектор изображения должен быть прикреплен сверху. Таким образом, очки становятся громоздкими и больше похожими на шлем.
То есть, для уменьшения габаритов желательно, чтобы проектор изображения находился сбоку с сохранением горизонтального форм-фактора.
Еще одна проблема устройств дополненной реальности заключается в их цветовой дисперсии. То есть, если имеется один волновод с каким-то количеством наборов дифракционных решеток, которые передают изображение, то такой волновод не будет передавать полноцветное изображение по всему полю изображения, одна часть изображения будет видна пользователю в красном цвете, другая часть изображения будет видна пользователю в зеленом цвете и третья часть изображения будет видна пользователю в синем цвете. Пользователю будет доступна только небольшая область, где он сможет увидеть полноцветное изображение. Для решения такой проблемы в уровне техники используется несколько волноводов, причем каждый волновод отвечает за свой цвет, либо за два соседних цвета. Таким образом, увеличивается толщина устройства дополненной реальности.
Из уровня техники известен документ US 20190212557 A1, дата публикации 11.07.2019, в котором раскрыты волноводные архитектуры.
В документе предоставляются системы и способы для создания проекционных дисплеев (HUD) с использованием волноводов, включающих в себя брэгговские решетки. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известен документ US 2019004321 A1, дата публикации 03.01.2019, в котором раскрыто оптическое устройство для расширения входящего света в двух измерениях для дисплея дополненной реальности. Устройство состоит из волновода (12) и трех линейных дифракционных решеток H0, H1, H2. Падающий луч от проектора освещает входную решетку H0 полихроматическим светом, и этот свет попадает в волновод (12). Две другие решетки H1, H2 наложены одна на другую. Свет может дифрагировать на одной решетке H1 в первом порядке дифрагирования и в направлении другой решетки H2, которая может направлять свет из волновода (12) к наблюдателю. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Из уровня техники известен документ US 9927614 B2, дата публикации 27.03.2018, в котором раскрыта система ближнего оптического отображения, которая может использоваться в приложениях и устройствах дополненной реальности. Система включает в себя дифракционный волновод, имеющий дифракционные оптические элементы (DOE), сконфигурированные для ввода, расширения выходного зрачка и вывода. Электромодулированная перестраиваемая жидкокристаллическая (ЖК) линза расположена между дифракционной решеткой и глазами пользователя. Поляризационный фильтр расположен с другой стороны дифракционной решетки, так что свет из реального мира входит в систему с определенным состоянием поляризации. Недостатком известного решения является маленькая ширина поля зрения, большие габаритные размеры устройства.
Прототипом предлагаемого изобретения является решение, раскрытое в документе US 10185151 B2, дата публикации 22.01.2019. В известном решении предлагается волноводный дисплей с малым форм-фактором, широкой областью, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, и широким полем зрения. Известный волноводный дисплей используется для представления медиа пользователю. Волноводный дисплей включает в себя узел источника света, выходной волновод и контроллер. Узел источника света включает в себя один или несколько проекторов, проецирующих изображение, по меньшей мере, вдоль одного измерения. Выходной волновод состоит из корпуса волновода с двумя противоположными поверхностями. Выходной волновод включает в себя первую решетку, принимающую свет изображения, распространяющийся вдоль входного волнового вектора, вторую решетку и третью решетку, расположенную напротив второй решетки и выводящую свет расширенного изображения с волновыми векторами, соответствующими входному волновому вектору. Контроллер управляет сканированием одной или нескольких исходных сборок для формирования двухмерного изображения. Однако недостатком известного решения также является недостаточная ширина поля зрения, поскольку для увеличения ширины поля зрения в известном решении используется только два набора оптических элементов, недостатком также являются большие габаритные размеры устройства.
Известные решения предполагают маленькую ширину поля зрения, увеличение количества используемых волноводов предполагает увеличение толщины дисплея, уменьшение толщины волноводов дает ухудшение разрешения, использование высокого показателя преломления дает потерю цветности, использование двух наборов дифракционных оптических элементов дает ввод изображения сверху, из-за чего теряются габаритные характеристики. То есть, на данном этапе развития рассматриваемой области техники нет решения, которое позволило бы осуществить полноцветное изображение с широким полем зрения с использованием всего одного волновода. Предлагаемое изобретение решает все вышеупомянутые проблемы, позволяет добиться широкого поля зрения с небольшой толщиной и полноцветностью, с хорошим разрешением и с вводом излучения сбоку.
Сущность изобретения
Предлагается архитектура (структура) дифракционных оптических элементов, выполненная в волноводе, для устройства дополненной реальности, содержащая: вводной дифракционный элемент, выполненный с возможностью ввода излучения от проектора, и включающий в себя первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента и второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента; первый размножающий дифракционный элемент и второй размножающий дифракционный элемент, выполненные с возможностью размножения излучения; выводной дифракционный элемент, выполненный с возможностью размножения излучения и вывода излучения из волновода, и включающий в себя первый линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента, второй линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента, третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента; причем вводной дифракционный элемент выполнен с возможностью, при работе устройства дополненной реальности, разделения изображения от проектора на цветовые составляющие изображения красную, зеленую, синюю, и направления хода лучей каждой из цветовых составляющих через соответствующий набор дифракционных элементов, причем по ходу излучения: первый набор дифракционных элементов состоит из первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента, первого и второго линейных дифракционных элементов выводного дифракционного элемента, второй набор дифракционных элементов состоит из первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента, а также второго и первого линейных дифракционных оптических элементов выводного дифракционного оптического элемента, третий набор дифракционных элементов состоит из второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента первого размножающего дифракционного оптического элемента и третьего линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, четвертый набор дифракционных элементов состоит из второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента, второго размножающего дифракционного элемента и третьего линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента. Причем сумма векторов всех дифракционных элементов в каждом наборе равна нулю. Причем первый набор дифракционных элементов и третий набор дифракционных элементов выполнены с возможностью проводить верхнюю часть поля зрения, второй набор дифракционных элементов и четвертый набор дифракционных элементов выполнены с возможностью проводить нижнюю часть поля зрения.
Направление хода лучей каждой из цветовых составляющих зависит от параметров дифракционных элементов, которые могут быть рассчитаны из системы уравнений:
где  - волновой вектор электромагнитной волны, определяемый тремя координатами l, x,y, где l - длина электромагнитной волны, x - угловая координата электромагнитной волны в направлении x, y - угловая координата электромагнитной волны в направлении y;
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны ;
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны ;
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны ;
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей синему цвету;
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей зеленому цвету;
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей красному цвету;
θ обозначает максимальный угол передаваемого поля зрения по направлению x (размер поля зрения в направлении x равен 2θ);
δ обозначает максимальный угол передаваемого поля зрения по направлению y (размер поля зрения в направлении y равен 2δ);
причем исходными данными для решения данной системы уравнений являются используемые длины электромагнитных волн (, , ), показатели преломления оптической системы для используемых длин волн (, , соотношение размеров сторон поля зрения (), а также следующие геометрические соотношения векторов линейных элементов:
, , , ,, ,
причем векторы , , соответствуют «+1» и «-1» порядкам дифракции второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует второму размножающему дифракционному оптическому элементу;
вектор  соответствует первому размножающему дифракционному оптическому элементу;
вектор  соответствует третьему линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу вводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует второму линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента.
Направление хода лучей каждой из цветовых составляющих зависит от параметров дифракционных элементов, которые также могут быть рассчитаны из системы уравнений:
где  - волновой вектор электромагнитной волны, определяемый тремя координатами l, x,y, где l - длина электромагнитной волны, x - угловая координата электромагнитной волны в направлении x, y - угловая координата электромагнитной волны в направлении y;
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны ;
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны ;
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей синему цвету;
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей красному цвету;
ϕ и ψ - углы внутри поля зрения по направлению y, которые являются углами соприкосновения двух частей поля зрения, передаваемых наборов 1, 2 и наборов 3, 4,
причем исходными данными для решения данной системы уравнений являются используемые длины электромагнитных волн (, ), показатели преломления оптической системы для используемых длин волн (), соотношение размеров сторон поля зрения (), а также геометрические соотношения векторов линейных элементов, вытекающих из геометрических особенностей волноводной архитектуры:
, , , ,, ,
причем векторы , , соответствуют «+1» и «-1» порядкам дифракции второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует второму размножающему дифракционному оптическому элементу;
вектор  соответствует первому размножающему дифракционному оптическому элементу;
вектор  соответствует третьему линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу вводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует второму линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента;
вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента.
Все дифракционные элементы могут быть нанесены на одну сторону волновода. На одной стороне волновода могут быть расположены первый и второй наборы дифракционных элементов, а на противоположной стороне волновода расположены третий и четвертый наборы дифракционных элементов.
Предлагается способ работы архитектуры дифракционных оптических элементов, причем способ содержит этапы, на которых: излучение от проектора попадает во вводной дифракционный элемент, в котором разделяется на красную составляющую изображения, синюю составляющую изображения и зеленую составляющую изображения и направляется в наборы дифракционных элементов, работающих одновременно, при этом первый набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая составляющая изображения попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение излучения на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента; второй набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента; третий набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя; четвертый набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя.
Также предлагается способ работы архитектуры дифракционных оптических элементов по п. 5, способ содержит этапы, на которых: излучение от проектора попадает во вводной дифракционный элемент, в котором разделяется на красную составляющую изображения, синюю составляющую изображения и зеленую составляющую изображения и направляется в наборы дифракционных элементов, работающих одновременно, при этом первый набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на первом линейном дифракционном элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного элемента выводного дифракционного элемента, красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на первом линейном дифракционном элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента; второй набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, определяющимся угловой компонентой падающего света, направленной в сторону вектора вводной дифракционной решетки, отличным от угла падения зеленой составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента, красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента; третий набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя; четвертый набор дифракционных элементов работает следующим образом: зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя, синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента и выводится в глаз пользователя.
Также предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; волновод, содержащий предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов.
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; первый волновод, содержащий предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов, работающую на расширение горизонтального поля зрения и устранение дисперсии изображения, второй волновод, содержащий предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов, работающую на расширение вертикального поля зрения.
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; волновод, содержащий предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов, причем на одной стороне волновода расположены первый и второй наборы дифракционных элементов, на противоположной стороне волновода расположены третий и четвертый наборы дифракционных элементов.
Предлагается устройство для отображения дополненной реальности, содержащее: проектор изображения; по меньшей мере один волновод, содержащий по меньшей мере одну предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов.
Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности,
причем волновод, включающий в себя предлагаемую архитектуру дифракционных оптических элементов расположен в каждом из элементов для правого глаза и элемента для левого глаза таким образом, что выводной дифракционный элемент расположен напротив глаза пользователя.
Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности,
причем первый и второй волноводы, расположены в каждом из элемента для правого глаза и элемента для левого глаза таким образом, что выводные дифракционные элементы расположены напротив глаза пользователя.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 схематически проиллюстрировано ограничение поля зрения при использовании набора дифракционных оптических элементов.
Фиг. 2 иллюстрирует архитектуру предлагаемого волновода с разделением на зоны X, Y, Z.
Фиг. 3 схематично иллюстрирует предлагаемую архитектуру дифракционных элементов и выполнение выводного дифракционного элемента Z из трех линейных дифракционных оптических элементов.
Фиг. 4 иллюстрирует световое разделение всего поля зрения по наборам дифракционных оптических элементов в случае горизонтального расширения поля зрения.
Фиг. 5а иллюстрирует векторную диаграмму предлагаемой архитектуры дифракционных элементов.
Фиг. 5b иллюстрирует наложение векторной диаграммы на архитектуру дифракционных оптических элементов.
Фиг. 6 иллюстрирует расположение частей передаваемого изображения в волноводе при размножении изображения.
Фиг. 7 иллюстрирует световое разделение всего поля зрения по наборам дифракционных оптических элементов в случае вертикального расширения поля зрения.
Фиг. 8 схематически иллюстрирует систему дисплея дополненной реальности.
Фиг. 9 иллюстрирует две схемы предлагаемой архитектуры дифракционных элементов.
Фиг. 10 иллюстрирует использование системы из двух волноводов
Фиг. 11 иллюстрирует использование системы из трех волноводов
Фиг. 12 иллюстрирует использование волновода, на обе стороны которого нанесены архитектуры дифракционных решеток.
Подробное описание изобретения
Предлагается устройство дополненной реальности с широким полем зрения и очки дополненной реальности, выполненные на основе предлагаемого устройства. Предлагаемое изобретение включает в себя волновод, включающий в себя дифракционную архитектуру, представляющую собой структуру дифракционных оптических элементов. Дифракционная архитектура (структура) включает в себя четыре разных набора дифракционных оптических элементов. Дифракционные оптические элементы представляют собой дифракционные решетки и для удобства далее будут упоминаться как «дифракционные элементы». Набор дифракционных оптических элементов содержит три дифракционных элемента, а именно вводной дифракционный элемент, размножающий дифракционный элемент, выводной дифракционный элемент. Каждый набор дифракционных элементов выполнен таким образом, что выводит свою часть изображения дополненной реальности. Выводной оптический элемент производит вывод изображения из разных дифракционных элементов.
Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение габаритных размеров устройства дополненной реальности, предлагаемое изобретение решает проблему цветовой дисперсии, поскольку каждая пара наборов дифракционных элементов может проводить разные по цвету части изображения, которые не будут накладываться друг на друга. То есть благодаря предлагаемому изобретению при использовании только одного волновода получается широкое и полноцветное поле зрения.
Для того, чтобы устройство, основанное на дифракционных элементах (голографический (HOE) или дифракционный(DOE)) работало и выводило изображение в человеческий глаз, передаваемая от проектора картина должна провзаимодействовать поочередно, как минимум с тремя линейными дифракционными решетками, а именно с вводной дифракционной решеткой, размножающей дифракционной решеткой и выводной дифракционной решеткой.
Вектор дифракционной решетки - волновой вектор дифракционной решетки, направленный перпендикулярно штрихам решетки и расположенный в одной плоскости с ее рабочей поверхностью. Если рассматривать данные решетки в виде векторов этих решеток, то, для получения неискаженного изображения, вектора этих трех дифракционных решеток должны образовать между собой закрытую двумерную фигуру, то есть сумма всех векторов должна быть равна нулю. Если сумма векторов не будет равна нулю, то изображение будет передано с искажениями. Если три вектора не будут образовывать двумерную фигуру, то вводное широкое поле зрения на выводе превращается в узкую картинку, которую не вполне комфортно рассматривать, поскольку, если зрачок глаза смотрит вперед, отчетливо видно только центральное поле изображения, тогда как части изображения, расположенные по краям, представляют собой темную область, а если зрачок глаза сместится в вертикальном направлении, то наоборот центральная часть будет представляться темной областью. То есть в известных классических системах пользователь может видеть только узкую полоску изображения. Так как изначально принимается, что размеры передаваемого изображения совпадают с полем зрения волновода, то поле зрения совпадает с полем изображения.
Предлагаемая в настоящем изобретении архитектура волновода позволяет добиться увеличения ширины поля зрения.
На фиг. 2 показана архитектура предлагаемого волновода с разделением на дифракционные элементы X, Y, Z. Причем X - это вводной дифракционный элемент. Вводной дифракционный элемент X включает в себя два линейных оптических элемента. Два дифракционных элемента Y являются размножающими дифракционными элементами. Выводной дифракционный элемент Z - представляет собой дифракционный элемент, где происходит и размножение излучения, и вывод излучения. Выводной дифракционный элемент Z включает в себя три линейных дифракционных оптических элемента.
Стрелками показан путь излучения внутри волновода. Лучи I и II введены вводным дифракционным элементом Х. Луч I взаимодействует с выводным дифракционным элементом Z, размножается в нем на лучи IV. Лучи II попадают на размножающие дифракционные элементы Y, где происходит их размножение на лучи III, которые выходят из размножающих дифракционных решеток Y и попадают на выводной дифракционный элемент Z. Лучи III и IV выводятся из выводного дифракционного элемента Z.
Вводной дифракционный элемент X включает в себя два линейных дифракционных оптических элемента, которые перпендикулярны друг к другу. Причем вводной дифракционный элемент X спроектирован таким образом, что один из линейных дифракционных оптических элементов вводит излучение в сторону выводного дифракционного элемента Z, используя один порядок дифракции, а другой из линейных дифракционных элементов вводит излучение в сторону размножающих дифракционных элементов Y, используя как «+1» порядок дифракции, так и «-1» порядок дифракции. Излучение, которое вводится в сторону выводного дифракционного элемента Z отличается от излучения, которое вводится в сторону размножающего дифракционного элемента Y, то есть это разные части поля зрения. Значит, в сторону размножающих дифракционных элементов Y вводится одна часть поля зрения, в сторону выводного дифракционного элемента Z вводится другая часть поля зрения. Эти части распространяются внутри волновода под разными углами.
Выводной дифракционный элемент Z производит вывод излучения от четырех разных дифракционных элементов: от двух линейных оптических элементов выводного дифракционного элемента Z и от двух размножающих дифракционных элементов Y. Как показано на фиг. 3 выводной дифракционный элемент Z содержит три линейных дифракционных оптических элемента (1, 2, 3).
Излучение, прошедшее от первого и второго размножающих дифракционных элементов Y, попадает в выводной дифракционный элемент Z и выводится третьим линейным дифракционным оптическим элементом 3 выводного дифракционного элемента Z. Причем вектор третьего дифракционного оптического элемента 3 направлен в сторону вводного дифракционного элемента X.
Одна часть излучения, соответствующая верхней части поля изображения, направленного из зоны X в сторону зоны Z, размножается на первом линейном дифракционном оптическом элементе 1 выводного дифракционного элемента Z и выводится на втором линейном дифракционном оптическом элементе 2 выводного дифракционного элемента Z, вторая часть излучения, соответствующая нижней части поля изображения, направленного из зоны X в сторону зоны Z, размножается на втором линейном дифракционном оптическом элементе 2 и выводится на первом линейном дифракционном оптическом элементе 1 выводного дифракционного элемента Z. Таким образом, выводной дифракционный элемент Z (зона Z) является размножающим и выводящим излучение с размножающих и выводящих линейных дифракционных оптических элементов:
первый линейный дифракционный оптический элемент 1 выводного дифракционного элемента Z выводит излучение со второго линейного дифракционного оптического элемента 2 выводного дифракционного элемента Z,
второй дифракционный оптический элемент 2 выводного дифракционного элемента Z выводит излучение с первого линейного дифракционного оптического элемента 1 выводного дифракционного элемента Z,
третий линейный дифракционный оптический элемент 3 выводного дифракционного элемента Z выводит излучение с размножающих дифракционных элементов Y.
Принцип действия дифракционных оптических элементов, работающих на размножение, как известно, заключается в следующем. Луч, распространяющийся внутри волновода, падает на размножающий дифракционный элемент и часть излучения этого луча дифрагирует на размножающем дифракционном элементе, образуя порядки дифракции, в данном случае рассматривается «+1» порядок дифракции. Луч, прошедший без дифракции, продолжает распространяться по своему первоначальному пути, и после переотражения от плоскостей волновода снова падает на размножающий дифракционный элемент, и часть излучения этого луча снова дифрагирует на размножающей решетке, образуя «+1» порядок дифракции. Затем ситуация повторяется множество раз. Дифрагированный в первый раз и дифрагированный во второй раз лучи параллельны друг другу, но распространяются на фиксированном друг от друга расстоянии. Таким образом из одного луча получается множество параллельных лучей, то есть происходит размножение.
Рассмотрим наборы дифракционных элементов, которые, согласно предлагаемому изобретению, работают для вывода отдельных частей изображения (поля зрения) при работе предлагаемой волноводной архитектуры.
Набор 1 дифракционных элементов состоит из первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X, а также первого и второго линейных дифракционных оптических элементов выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов состоит из первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X, а также второго и первого линейных дифракционных оптических элементов дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов состоит из второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X первого размножающего дифракционного оптического элемента Y и третьего линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 4 дифракционных элементов состоит из второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X, второго размножающего дифракционного элемента Y и третьего линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Как показано на фиг. 4 световое разделение всего поля зрения по наборам дифракционных элементов происходит следующим образом. Нечетные наборы 1 и 3 дифракционных элементов отвечают за верхнюю часть поля зрения. Четные наборы 2 и 4 дифракционных элементов отвечают за нижнюю часть поля зрения. Наборы 1 и 2 дифракционных элементов проводят всю синюю часть поля зрения и половину зеленой части поля зрения. Наборы 3 и 4 проводят всю красную часть поля зрения и половину зеленой части поля зрения.
Четыре набора дифракционных элементов используется на одном волноводе для увеличения ширины поля зрения при помощи частичного разделения разных наборов дифракционных элементов в прямом пространстве. Необходимо отметить, что в контексте данной заявки термины «прямое пространство» и «угловое пространство» определяют координатную сетку, в которой проводится анализ\вычисление. В прямом пространстве координатная сетка определена пространственными координатами (направления x, y,z). В угловом пространстве координатная сетка определена угловыми координатами (к примеру, Ax, Ay, Az). В предлагаемом изобретении учитывается не только направление распространения излучения (угловое пространство), но и те места внутри волновода, где это излучение распространяется (прямое пространство). Для предотвращения смешивания всех частей поля изображения необходимо, чтобы в каждой конкретной точке пространства внутри волновода одну точку на сетке угловых координат занимало не более одной части передаваемого изображения. Этого можно добиться посредством строгого запрета на использование в одной и той же точке на сетке угловых координат более одной части передаваемого изображения, такой подход широко применяется в уровне техники. В настоящем изобретении одну и ту же точку на сетке угловых координат может занимать более одной части передаваемого изображения, так как разные части передаваемого изображения занимают одну и ту же точку на сетке угловых координат в разных местах внутри волновода, то есть они разделены в прямом пространстве.
На фиг. 5а изображена векторная диаграмма предлагаемой архитектуры дифракционных элементов.
Векторы , , соответствуют линейным дифракционным оптическим элементам вводного дифракционного элемента X
Векторы , соответствуют размножающим дифракционным оптическим элементам Y.
Векторы , , соответствуют выводному дифракционному элементу Z.
Векторы , , соответствуют «+1» и «-1» порядкам дифракции второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X. Вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу вводного дифракционного элемента X. Вектор  соответствует второму размножающему дифракционному элементу Y. Вектор  соответствует первому размножающему дифракционному элементу Y. Вектор  соответствует первому линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента Z. Вектор  соответствует второму линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента Z. Вектор  соответствует третьему линейному дифракционному оптическому элементу выводного дифракционного элемента Z.
Упомянутые выше наборы дифракционных элементов работают одновременно. Излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая составляющая изображения попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов, работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Необходимо заметить, что вводной дифракционны й элемент X состоит из по меньшей мере двух линейных дифракционных решеток (первого и второго линейных дифракционных оптических элементов вводного дифракционного элемента X). Первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X вводит излучение в сторону выводного дифракционного элемента Z, при этом вводится сразу две части зеленого изображения, которые затем разделяются при размножении на соответствующих линейных дифракционных элементах выводного дифракционного элемента Z. Второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X вводит две другие части зеленого изображения в сторону первого и второго размножающих дифракционных элементов Y, соответственно. Такое разделение достигается выбором параметров дифракционных решеток, а именно, выбором пространственной частоты (периода) и ориентации.
То есть то, какие цветовые составляющие взаимодействуют с соответствующими дифракционными элементами, определяется пространственной частотой (периодом) дифракционных решеток. В случае вводного дифракционного элемента X, первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X имеет большую пространственную частоту (то есть меньший период), чем второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X. Таким образом, синяя составляющая дифрагирует в волноводный режим на первом линейном дифракционном оптическом элементе вводного дифракционного элемента X, а красная - на втором. Зеленая составляющая находится между красной и синей по спектру, поэтому делится между первым и вторым линейными дифракционными элементами вводного дифракционного элемента X так, как показано на Фиг. 4.
Для предотвращения смешивания всех частей поля изображения необходимо, чтобы в каждой конкретной точке пространства внутри волновода одну точку на сетке угловых координат занимало не более одной части передаваемого изображения. Этого можно добиться посредством строгого запрета на использование одной и той же точки на сетке угловых координат более одной части передаваемого изображения, причем такие методики известны из уровня техники.
Необходимо отметить, что в настоящем изобретении одну и ту же точку на сетке угловых координат может занимать более одной части передаваемого изображения, так как, как изображено на фиг. 6, разные части передаваемого изображения занимают одну и ту же точку на сетке угловых координат в разных местах внутри волновода (они разделены в прямом пространстве). На фиг. 6 показана координатная сетка углов для каждой из зон углового пространства (зона Z справа, зона Y вверху, зона Y внизу). В зоне Z верхняя диагональная четверть углового пространства занята частью поля 2, то есть поля изображения, за которое отвечает набор 2 дифракционных элементов. В зоне Z нижняя диагональная четверть углового пространства занята частью поля 1, то есть поля изображения, за которое отвечает набор 1 дифракционных элементов. В то же время, в зонах Y нижняя и верхняя диагональные четверти остаются свободны от частей поля изображения, за которые отвечают 1 и 2 наборы дифракционных элементов, соответственно, поэтому в верхней зоне Y верхнюю диагональную четверть занимает часть поля 4, то есть поля изображения, за которое отвечает набор 4 дифракционных элементов.
В нижней зоне Y нижнюю диагональную четверть занимает часть поля 3, то есть поля изображения, за которое отвечает набор 3 дифракционных элементов. При этом, части изображения, за которые отвечают наборы 1 и 3 дифракционных элементов не смешиваются между собой, части 2 и 4 также не смешиваются между собой. Это происходит потому, что одни и те же части углового пространства заняты в волноводе в разных точках прямого (локального, координатного) пространства.
То есть, другими словами, излучение, которое передается через наборы 1 и 2, не распространяется внутри волновода в местах, где расположены размножающие дифракционные элементы Y, то есть угловые компоненты, занятые наборами 1 и 2, например, в зоне, где расположен выводной дифракционный элемент Z, могут быть использованы наборами 3 и 4 в зонах, где расположены размножающие дифракционные элементы Y. Таким образом, в зоне Y и в зоне Z используется одни и те же угловые компоненты для работы разных наборов решеток. Таким образом, наборы дифракционных решеток разделяются в прямом пространстве, что позволяет использовать в одном волноводе не два, а четыре набора дифракционных решеток, где каждый набор дифракционных решеток передает отдельную часть поля зрения, то есть возможно проведение поля зрения в два раза больше, чем в известном уровне техники, поскольку из уровня техники известны только решения, имеющие на одном волноводе два и менее наборов дифракционных элементов. Так как каждый набор дифракционных элементов передает фиксированный угловой размер поля зрения, удвоение количества наборов дифракционных элементов на волноводе приводит к увеличению поля зрения в два раза.
Необходимо подчеркнуть, что разные части поля зрения не взаимодействуют друг с другом в волноводе благодаря предлагаемому расположению дифракционных элементов.
Излучение, которое вводится вторым линейным дифракционным оптическим элементом вводного дифракционного элемента X в стороны первого и второго размножающих дифракционных элементов Y, соответственно, может распространяться под любыми углами, поскольку излучение, которое вводится первым линейным дифракционным оптическим элементом вводного дифракционного элемента X в сторону выводного дифракционного элемента Z, не распространяется в местах, где находятся размножающие дифракционные элементы Y.
Каждый из наборов ответственен за проведение разных не только по углу, но и по цвету частей поля зрения. Каждая пара наборов дифракционных элементов обеспечивает разные по цвету горизонтальные части поля зрения, увеличивая результирующий горизонтальный угол обзора. Таким образом пользователь может видеть полноцветное изображение, при этом используется только один волновод. Каждая точка поля зрения определяется тремя переменными: угловыми координатами по-горизонтали (Ах) и вертикали (Ау), а также цветом (R, G,B). Таким образом, определенной точке на сетке угловых координат с координатами Aх и Ay соответствуют три точки поля зрения (Ax, Ay,R; Ax, Ay,G; Ax, Ay,B). Разделение поля зрения по наборам происходит не только по угловым координатам, но и по цвету.
Волновод спроектирован таким образом, что излучение, которое взаимодействует с наборами 1 и 2 не взаимодействует с наборами 3 и 4, для зеленой части поля зрения с наборами 1 и 2 взаимодействует одна половина поля зрения, с наборами 3 и 4 - вторая половина поля зрения. Поэтому можно выводить для просмотра пользователю разные спектрально-угловые части поля зрения, и хроматическая дисперсия при этом компенсируется.
Волновод проектируется посредством параметров дифракционных элементов, а именно посредством ориентации в пространстве дифракционных элементов и пространственного периода дифракционных элементов, которые описываются вектором дифракционного оптического элемента.
Параметры всех дифракционных элементов на волноводе определяются из следующей системы уравнений:
Векторы - векторы линейных дифракционных элементов, как описано выше.
Вектор - волновой вектор электромагнитной волны, определяемый тремя координатами l, x,y, где l - длина электромагнитной волны, x - угловая координата электромагнитной волны в направлении x, y - угловая координата электромагнитной волны в направлении y.
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны .
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны .
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны .
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей синему цвету.
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей зеленому цвету.
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей красному цвету.
θ обозначает максимальный угол передаваемого поля зрения по направлению x (размер поля зрения в направлении x равен 2θ).
δ обозначает максимальный угол передаваемого поля зрения по направлению y (размер поля зрения в направлении y равен 2δ).
Исходными данными для решения данной системы уравнений являются используемые длины электромагнитных волн (,,), показатели преломления оптической системы для используемых длин волн (,, соотношение размеров сторон поля зрения (), а также геометрические соотношения векторов линейных элементов, вытекающих из геометрических особенностей волноводной архитектуры, как видно из фигуры 5a
, , , ,,
Решение данной системы уравнений позволяет определить векторы -  -  векторы линейных дифракционных элементов, а также максимальные углы передаваемого поля зрения по направлениям x и y ().
То есть необходимые параметры дифракционных элементов можно аналитически рассчитать.
На фиг. 8 схематически проиллюстрирована система дисплея дополненной реальности. Предлагаемая система состоит по меньшей мере из одного волновода 1, включающего в себя дифракционные оптические элементы, проектора 2, генерирующего изображение. Дифракционные оптические элементы в волноводе представляют собой вводной дифракционный оптический элемент X, первой и второй размножающие дифракционные элементы Y (на виде, показанном фиг. 8 не видны), и выводной дифракционный элемент Z, который как размножает, так и выводит составляющие изображения в глаз пользователя.
Изображение, генерируемое проектором 2, попадает на архитектуру дифракционных элементов посредством вводного дифракционного элемента X, распространяется по архитектуре дифракционных элементов в волноводе и выходит из выводного дифракционного элемента Z, попадая в глаз пользователя.
В одном из вариантов воплощения изобретения наборы дифракционных элементов используются не для компенсации цветовой дисперсии изображения и одновременно увеличения горизонтального поля зрения, как описано выше, а для увеличения вертикального поля зрения. Компенсация цветовой дисперсии изображения без увеличения вертикального поля зрения позволяет увеличить только горизонтальное поле зрения.
Если наборы дифракционных решеток спроектировать по-другому, то наборы 1 и 2 будут передавать самые крайние части вертикального изображения, наборы 3 и 4 будут передавать более центральные части. Проектирование производится в соответствии с системой уравнений, представленной ниже.
Как это работает: части изображения, которые передают наборы 1 и 2 дифракционных элементов, отличаются по вертикальным угловым координатам от частей изображения, которые передают наборы 3 и 4 дифракционных элементов. Суммарно эти части будут давать наибольшее поле зрения по вертикали, если применить систему уравнений для определения параметров линейных дифракционных элементов:
Параметры дифракционных решеток в этом случае определяются следующей системой уравнений:
Векторы - векторы линейных дифракционных элементов, как описано выше.
Вектор - волновой вектор электромагнитной волны, определяемый тремя координатами l, x,y, где l - длина электромагнитной волны, x - угловая координата электромагнитной волны в направлении x, y - угловая координата электромагнитной волны в направлении y.
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны .
обозначает показатель преломления оптической системы для длины волны .
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей синему цвету.
обозначает длину электромагнитной волны, соответствующей красному цвету.
ϕ и ψ - углы внутри поля зрения по направлению y, которые являются углами сшивки наборов 1, 2 и наборов 3, 4. Необходимо пояснить, что под углом сшивки понимается угол соприкосновения двух частей поля зрения, передаваемых по разным наборам дифракционных решеток. То есть две соседние части поля зрения, передаваемые по разным наборам дифракционных решеток, должны либо частично накладываться друг на друга, либо соприкасаться друг с другом для того, чтобы изображение было лишено черных пятен - угловых координат, которые не передает ни один набор внутри поля зрения. В большинстве случаев две соседние части поля зрения частично накладываются друг на друга, а соприкасаются лишь в одной точке (такой подход позволяет добиться максимального поля зрения) - эта точка на угловой сетке и называется углом сшивки.)
Исходными данными для решения данной системы уравнений являются используемые длины электромагнитных волн (, ), показатели преломления оптической системы для используемых длин волн (), соотношение размеров сторон поля зрения (), а также геометрические соотношения векторов линейных элементов, вытекающих из геометрических особенностей волноводной архитектуры как видно из фигуры 5a
, , , ,,
Причем условия для расширения вертикального поля зрения такие же, как и для расширения горизонтального поля зрения и компенсации дисперсии. Эти условия следуют из геометрического расположения дифракционных элементов, и соображений симметрии.
Решение данной системы уравнений позволяет определить векторы -  - векторы линейных дифракционных элементов, а также максимальные углы передаваемого поля зрения по направлениям x и y ().
То есть система уравнений (1) дает параметры решеток для устранения дисперсии и увеличения горизонтального поля зрения, а система уравнения (2) дает параметры решеток для увеличения вертикального поля зрения.
Таким образом, изобретение имеет два выполнения. В первом происходит деление по цветам и горизонтальным частям поля зрения. Во-втором - по цветам и вертикальным частям поля зрения. Оба этих выполнения равнозначны и используются в зависимости от поставленной задачи.
Необходимо пояснить, что изображение генерируется проектором и в данном случае изображение - это функция яркости для трех цветов в угловой координатной сетке. Изображение можно представить себе, как набор волновых векторов с соответствующими угловыми координатами и длинами волн. При применении к любому волновому вектору нескольких дифракционных решеток (дифракционных элементов), в случае если сумма векторов этих решеток будет равна нулю, то волновой вектор останется неизменным, то есть изображение на выходе сохранится. Поэтому сумма векторов дифракционных оптических элементов в наборе должна равняться нулю.
Периоды и ориентация дифракционных элементов рассчитаны таким образом, чтобы одни наборы работали с центральной частью, а другие наборы - с крайними частями. Все это можно рассчитать при помощи представленной системы уравнений (2).
За счет размножения излучения на размножающих дифракционных элементах Y и выводном дифракционном элементе Z увеличивается ширина поля движения глаз (Eye motion box (EMB)), то есть область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь. Поле зрения (поле зрения оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы, формирующих изображения) увеличивается за счет увеличения количества наборов дифракционных элементов. Как именно увеличивается поле зрения (по горизонтали или по вертикали) - зависит от выбора выполнения дифракционных элементов, согласно системам уравнений (1) или (2).
Фиг. 7 иллюстрирует световое разделение всего поля зрения по наборам дифракционных оптических элементов в случае вертикального расширения поля зрения.
При увеличении вертикального поля зрения (параметры дифракционных элементов рассчитаны согласно системе уравнений (2)), волновод с архитектурой дифракционных решеток работает следующим образом:
Наборы 1 и 2 дифракционных элементов обеспечивают расширение краев вертикального поля зрения, наборы 3 и 4 обеспечивают расширение центральной части поля зрения.
Излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей, попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z. Горизонтальным углом здесь и далее называется угловая компонента падающего света, направленная в сторону вектора вводной дифракционной решетки.
Красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов, состоящий из второго линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента X первого размножающего дифракционного элемента Y и третьего линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z, работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
На фиг. 9 показаны две схемы предлагаемой архитектуры дифракционных элементов. В зависимости от такого, по какой системе уравнений (1 или 2) производился расчет параметров дифракционных элементов, архитектура дифракционных элементов может либо компенсировать дисперсию и расширять горизонтальное поле зрения (расчет по системе уравнений (1)), либо расширять вертикальное поле зрение (расчет по системе уравнений (2)).
Если производился расчет по системе уравнений (1), то cхема (a), в которой работают наборы 3 и 4 дифракционных элементов работает с красной и зеленой составляющими излучения и расширяет правую часть горизонтального поля зрения, как было описано выше, схема (b), в которой работают наборы 1 и 2 дифракционных элементов работает с синей и зеленой составляющими излучения и расширяет левую часть горизонтального поля зрения, как было описано выше (фиг. 4, 5а, 5b).
Если производился расчет по системе уравнений (2), то cхема (а), в которой работают наборы 3 и 4 дифракционных элементов, расширяет центральную часть вертикального поля зрения, как было описано выше, схема (b), в которой работают наборы 1 и 2 дифракционных элементов, расширяет краевые зоны вертикального поля зрения, как было описано выше.
Возможно использование системы из двух волноводов для увеличения ширины поля зрения, как показано на фиг. 10. Архитектуры дифракционных элементов каждого из волноводов такой системы повторяют друг друга, причем одна архитектура дифракционных элементов на одном волноводе сконфигурирована для компенсации дисперсии и увеличения горизонтального поля зрения, а вторая архитектура дифракционных элементов на другом волноводе сконфигурирована для увеличения вертикального поля зрения.
Каждый из двух волноводов предназначен для отображения своей собственной спектрально-угловой части поля зрения.
Использование двух волноводов позволяет существенно увеличить поле зрения. Причем в первом волноводе дифракционная архитектура расположена таким образом, что происходит увеличение вертикального поля зрения, а во втором волноводе дифракционная архитектура расположена таким образом, что компенсируется дисперсия изображения и происходит увеличение горизонтального поля зрения. Например, для волновода I наборы 1 и 2 дифракционных элементов работают на расширение поля зрения по краям изображения по вертикали, а наборы 3 и 4 работают на расширение поля зрения по центру поля зрения по вертикали. Для волновода II наборы 1 и 2 работают с левой частью изображения, наборы 3 и 4 работают с правой частью изображения, расширяя поле зрение по горизонтали и компенсируя дисперсию.
Ниже описана работа системы из двух волноводов, один из которых включает в себя архитектуру дифракционных элементов, рассчитанных по системе уравнений (2), а другой волновод включает в себя архитектуру дифракционных элементов, рассчитанных по системе уравнений (1).
Первый волновод включает в себя архитектуру дифракционных элементов, рассчитанных по системе уравнений (2).
Излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X волновода I, в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод I проводятся центральная левая часть красного поля зрения, центральная правая часть зеленого поля зрения и правая часть синего поля зрения. Необходимо пояснить, что разные части поля зрения с разбивкой по цветам проводятся из-за хроматической дисперсии вводного дифракционного элемента X. Порядок (синяя всегда правее, красная всегда левее, зеленая где-то между ними) справедлив для любого дифракционного элемента. Причем «правее» и «левее» - не абсолютные стороны, а относительные, при учете закрепленного вводного дифракционного элемента слева от глаза (как изображено на всех фигурах). Если вводной дифракционный элемент находится не слева, а справа от глаза, то порядок меняется (синяя становится левее, красная правее, зеленая где-то между ними). Почему именно эти части проводятся в данном исполнении - исходя из расчета именно такая разбивка на части поля способна обеспечить максимальное поле зрения.
Набор 1 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый дифракционный оптический элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает в первый дифракционный оптический элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй дифракционный оптический элемента Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Затем излучение от проектора попадает на дифракционный оптический элемент X волновода II, в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод II проводятся крайняя правая часть красного поля зрения, крайняя левая часть зеленого поля зрения и левая часть синего поля зрения. В данном исполнении волновод II рассчитан так, чтобы компенсировать не свою дисперсию, а дисперсию волновода I.
Набор 1 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Красная составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Красная составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный оптический элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Диагональное поле зрения при использовании двух волноводов с предлагаемой архитектурой дифракционных решеток достигает 62°.
На фиг. 11 показано использование системы из трех волноводов.
Излучение от проектора попадает на дифракционный оптический элемент X волновода I, в котором разделяется под разными углами на зеленую и синюю составляющие. Через волновод I проводятся крайняя левая часть зеленого поля зрения и левая центральная часть синего поля зрения. Как было объяснено выше разные части поля зрения с разбивкой по цветам проводятся из-за хроматической дисперсии вводного дифракционного элемента.
Набор 1 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов волновода I работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Затем излучение от проектора, то есть излучение, которое вышло из волновода I, попадает на вводной дифракционный оптический элемент X волновода II, в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод II проводятся крайняя левая часть красного поля зрения, центральная часть зеленого поля зрения и правая центральная часть синего поля зрения.
Набор 1 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в дифракционный оптический элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов волновода II работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Затем излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X волновода III, в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие. Через волновод III проводятся центральная правая часть красного поля зрения, правая часть зеленого поля зрения и крайняя правая центральная часть синего поля зрения.
Набор 1 дифракционных элементов волновода III работает следующим образом.
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов волновода III работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов волновода III работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент дифракционного оптического элемента Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов волновода III работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Диагональное поле зрения при использовании трех волноводов с предлагаемой архитектурой дифракционных решеток достигает 76°.
На фиг. 12 показано, что волноводные архитектуры могут быть нанесены на противоположные стороны одного волновода. Например, на одной стороне волновода могут располагаться наборы 1 и 2 дифракционных элементов, а на другой стороне волновода могут располагаться наборы 3 и 4 дифракционных оптических элементов. Такая структура проста в изготовлении и может быть использована как для увеличения вертикального поля зрения, так и для увеличения горизонтального поля зрения.
При увеличении горизонтального поля зрения, волновод работает следующим образом:
Излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1 дифракционных элементов, находящийся на первой стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов, находящийся на первой стороне волновода работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в водной дифракционный оптический элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом вводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента Z.
Синяя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов, находящийся на второй стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов, находящийся на второй стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
При увеличении вертикального поля зрения, волновод работает следующим образом:
Излучение от проектора попадает на вводной дифракционный оптический элемент X в котором разделяется под разными углами на красную, зеленую и синюю составляющие.
Набор 1 дифракционных элементов, находящийся на первой стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Синяя верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Красная верхняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в вводной дифракционный оптический элемент Z, где происходит размножение на первом линейном дифракционном оптическом элементе выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи второго линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 2 дифракционных элементов, находящийся на первой стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента дифракционного элемента Z.
Синяя нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Попадает в вводной дифракционный оптический элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом вводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента вводного дифракционного элемента Z.
Красная нижняя составляющая попадает на первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и синей составляющей. Попадает в выводной дифракционный элемент Z, где происходит размножение на втором линейном дифракционном оптическим элементом выводного дифракционного элемента Z, и выводится в глаз пользователя при помощи первого линейного дифракционного оптического элемента выводного дифракционного элемента Z.
Набор 3 дифракционных элементов, находящийся на второй стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная верхняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает в первый размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Набор 4 дифракционных элементов, находящийся на второй стороне волновода, работает следующим образом.
Зеленая центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Красная центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от угла падения зеленой составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
Синяя центральная нижняя составляющая попадает на второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента X, на котором дифрагирует та ее часть, которая распространяется в воздухе под горизонтальным углом, отличным от углов падения зеленой составляющей и красной составляющей. Затем попадает во второй размножающий дифракционный элемент Y, где происходит размножение, после чего попадает в третий линейный дифракционный оптический элемент выводного дифракционного элемента Z и выводится в глаз пользователя.
В предлагаемой архитектуре дифракционные оптические элементы могут быть выполнены следующим образом.
А) Все дифракционные оптические элементы могут быть выполнены в виде однородных структур, это означает, что амплитуда модуляции оптических параметров дифракционных оптических элементов не изменяется в зависимости от координат Х-У по плоскости волновода.
Б) Все дифракционные оптические элементы могут быть выполнены в виде сегментированных структур, имеющих разную форму, разные размеры и отстоящих друг от друга на разные расстояния. При этом амплитуда модуляции оптических параметров дифракционных оптических элементов является кусочной функцией в зависимости от координат Х-У (по плоскости волновода). То есть в каких-то точках на волноводе амплитуда модуляции есть, в других нет. Иными словами, элемент выполнен в виде, например, кружков определенного радиуса, отстоящих на определенном расстоянии друг от друга. Данное исполнение справедливо для дифракционных оптических элементов Y и Z (не для X). Конкретное исполнение может быть самым разнообразным в зависимости от конкретной задачи, толщины волновода, материала, и так далее, поэтому здесь дана наиболее общая формулировка.
В) Все дифракционные оптические элементы могут быть выполнены в виде объемной структуры, например, в виде дифракционного голографического элемента. Объемная структура - свойство выполнения дифракционного элемента, которое обозначает, что изменение оптических параметров происходит в объеме материала, а не на его поверхности. Данное выполнение является общим для каждого из X, Y, Z дифракционного оптического элемента.
Г) Все дифракционные оптические элементы могут быть выполнены в виде рельефной или плоскостной структуры. Рельефная/плоскостная структура - свойство выполнения любого дифракционного элемента, которое обозначает, что изменение оптических параметров происходит на поверхности материала, а не в его объеме. Данное выполнение является общим для каждого из X, Y, Z дифракционных оптических элементов.
Д) Все дифракционные оптические элементы могут быть выполнены в виде как объемной структуры, так и рельефной структуры, данное свойство обозначает, что изменение оптических параметров происходит как в объеме, так и на поверхности. Данное выполнение является общим для каждой из X, Y, Z дифракционных оптических элементов.
Е) Каждый дифракционный оптический элемент может быть выполнен как часть волновода либо внутри самого волновода, например, как записанный внутри волновода голографический оптический элемент, либо на его поверхности, если создать на поверхности волновода рельефную либо смешанную структуру. Данное выполнение является общим для каждой из X, Y, Z дифракционных оптических элементов.
Ж) Дифракционный оптический элемент может быть выполнен на отдельном слое волновода, либо внутри слоя, либо на поверхности слоя. Данное выполнение является общим для каждой из X, Y, Z дифракционных оптических элементов.
Каждый набор передает свою часть поля зрения на угловой координатной сетке, при этом эта часть поля зрения отличается в зависимости от цвета. Каждый набор способен передавать все три цвета в разных частях угловой координатной сетки, но не все три цвета могут использоваться для какого-то набора дифракционных элементов, это зависит как от набора, так и от исполнения. Описанная выше ситуация (1 и 2 набор с синим и частью зеленого, 3 и 4 с красным и частью зеленого) справедлива для исполнения одного волновода, но не для исполнения двух или трех волноводов. В случае нескольких волноводов справедливо разделение, при котором в каждом волноводе работают предопределенные наборы дифракционных элементов. Некоторые части поля зрения неизбежно будут передаваться не одним набором, а двумя или даже четырьмя. Это связано с тем, что на выходе все части поля зрения должны формировать единое изображения без пробелов. Форма частей поля зрения не квадратная, имеет кривую границу. Поэтому, для отсутствия пробелов, необходимо рассчитывать дифракционные элементы таким образом, что в каких-то точках сетки угловых координат, они будут перенакладываться друг на друга. В этих местах одни и те же точки на сетке угловых координат могут передаваться более чем одним набором дифракционных элементов.
Благодаря настоящему изобретению в устройстве дополненной реальности возможно использование только одного волновода, за счет чего уменьшается толщина устройства, его размер и вес, также увеличивается прозрачность устройства дополненной реальности, кроме того, устройство дополненной реальности имеет высокое разрешение и полноцветность изображения. Также предлагаемое изобретение обеспечивает широкое поле зрения, что для пользователя обеспечивает эффект присутствия. Ввод излучения производится сбоку с соблюдением горизонтального форм-фактора - при вводе излучения сбоку, размеры передаваемого поля зрения по горизонтали будут не уже размеров передаваемого поля зрения по вертикали.
Настоящее изобретение удобно применять в очках дополненной реальности, где важен малый вес и компактные габаритные размеры. Предлагаемое изобретение удобно применять в устройствах дополненной реальности, используемых для любых целей.
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.