СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ (ВАРИАНТЫ), ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА, ДИНАМИЧЕСКАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
METHOD OF MANUFACTURING A LIQUID CRYSTAL STRUCTURE FOR A DIFFRACTION GRATING (VERSIONS), A LIQUID CRYSTAL DIFFRACTION GRATING, A DYNAMIC DIFFRACTION GRATING

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к дифракционным решеткам, используемым в устройствах дополненной реальности. Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к жидкокристаллическим дифракционным решеткам, способам записи жидкокристаллических дифракционных решеток и к созданию динамической (перестраиваемой) дифракционной решетки.
Описание предшествующего уровня техники
На сегодняшний день популярными среди пользователей электронных устройств становятся устройства дополненной реальности, когда к реальному изображению, отображаемому на электронном устройстве, добавляется виртуальная информация или изображения с целью дополнения сведений о реальном изображении и улучшения восприятия информации.
Современные устройства дополненной реальности требуют увеличения поля зрения, до порядка 60° по горизонтали, что является наиболее комфортным полем зрения для пользователя, поскольку, чем больше поле зрения, тем больше виртуальной информации возможно разместить при использовании устройств дополненной реальности.
Ключевым компонентом устройств дополненной реальности является объединитель изображений (комбинер), объединяющий изображение окружающей среды и изображение, созданное внутренним дисплеем. На сегодняшний день наиболее компактные комбинеры созданы на основе дифракционных решеток в волноводах или на основе голографических оптических элементов. Комбинер, как правило, представляет собой волновод, содержащий дифракционные решетки на входе и на выходе, при этом излучение, пройдя первую дифракционную решетку, расположенную на входе, распространяется по волноводу и выводится из волновода с помощью второй дифракционной решетки, расположенной на выходе.
Необходимо отметить, что для создания большого поля зрения показатель преломления материала как самого волновода, так и элемента дифракционной решетки должен быть относительно высоким, поскольку чем больше показатель преломления, тем больше поле (угол) зрения. Материал голографических решеток имеют низкий показатель преломления, поскольку известные полимеры, используемые для их изготовления, имеют низкие показатели преломления. Также в полимерах имеет место низкая модуляция показателя преломления, которая вызывает необходимость увеличения толщины материала для обеспечения высокой эффективности, что приводит к высокой угловой селективности и, как результат, к ограниченному полю зрения. Кроме того, изготовление голографических решеток требует сложной химической и механической обработки. При изготовлении обычных дифракционных решеток, создаваемых в волноводах, сложно создать достаточно мелкую структуру, необходимую для использования в компактном комбинере.
Вместо голографической решетки или обычной дифракционной решетки можно использовать дифракционную решетку на основе жидких кристаллов, в которых фазовая модуляция света обеспечивается путем приложения соответствующего напряжения к прозрачным электродам, прикрепленным к жидкокристаллической ячейке. Показатель преломления жидкокристаллической дифракционной решетки больше, чем показатель преломления голографической дифракционной решетки, то есть при использовании жидкокристаллической дифракционной решетки угол зрения увеличивается. Однако, использование жидкокристаллической ячейки требует приложения напряжения, то есть необходим источник питания и множество электродов, что приводит к усложнению конструкции, кроме того, электроды на подложке жидкокристаллической ячейки ухудшают пространственное разрешение.
Одним из решений, которое могло бы устранить указанные недостатки известных дифракционных решеток на основе жидких кристаллов, является, например, использование в качестве материла для таких дифракционных решеток полимера, описанного в документе US 9090822 B2, дата публикации 28 июля, 2015. Решение, описанное в документе US 9090822 B2, относится к полимеризуемым соединениям, к способам их получения и к их применению для оптических, электрооптических и электронных целей, в частности в жидкокристаллических средах и жидкокристаллических дисплеях, особенно в жидкокристаллических дисплеях типа PS или PSA (устойчивый полимер или устойчивое выравнивание полимера соответственно). Однако недостатком этого решения является то, что предлагаемый полимер используется просто для ориентирования жидкокристаллических молекул в ячейке.
Основными недостатками уровня техники являются:
- сложность комплексной химической и/или механической обработки при создании компактной дифракционной решетки;
- низкий показатель преломления и низкая модуляция показателя преломления, что приводит к небольшому полю зрения;
- низкое пространственное разрешение прозрачных электродов в случае использования жидких кристаллов, что уменьшает качество изображения;
- необходимость источника питания и подключения множества электродов при использовании жидких кристаллов, что усложняет конструкцию.
Таким образом, необходимо создание удобной компактной дифракционной решетки с большим разрешением для компактного комбинера, используемого для устройства дополненной реальности с большим полем зрения, желательно, чтобы такая дифракционная решетка была проста в изготовлении, могла бы использоваться без источника питания или только с двумя электродами, а также, которая представляла бы собой фазовый модулятор с высоким пространственным разрешением.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков известного уровня техники.
Предлагается способ изготовления жидкокристаллической структуры для дифракционной решетки, содержащий этапы, на которых: наносят фотоориентант на каждую из двух подложек; облучают фотоориентант двумя поляризованными когерентными волнами, которые интерферируют между собой, при этом фотоориентант ориентируется в соответствии с вектором поляризации в областях, где интерференционная картина имеет ненулевую интенсивность, и фотоориентант не ориентируется в областях, где интерференционная картина имеет полосы с нулевой интенсивностью; располагают слой жидких кристаллов между двумя подложками с фотоориентантом, при этом жидкие кристаллы, попадая на фотоориентант, принимают ориентацию в соответствии с ориентацией, полученной фотоориентантом, то есть жидкие кристаллы становятся ориентированными в областях, где фотоориентант ориентирован, и жидкие кристаллы остаются хаотичными в областях, где фотоориентант не ориентирован. Причем одной из подложек может являться волновод. Одна из подложек может наноситься на волновод. Интерферирующие поляризованные волны могут представлять собой две плоские волны. Причем интерферирующие поляризованные волны могут представлять собой сферическую волну и плоскую волну. Также интерферирующие поляризованные волны представляют собой сходящуюся волну и плоскопараллельную волну. Кроме того, интерферирующие поляризованные волны могут представлять собой расходящуюся волну и плоскопараллельную. Вообще интерферирующие поляризованные волны могут представлять собой волны с произвольным волновым фронтом. В другом варианте исполнения предлагается жидкокристаллическая дифракционная решетка, которая содержит источник питания; два электрода, жидкокристаллическую структуру, изготовленную согласно способу изготовления жидкокристаллической структуры, описанному выше. Причем жидкокристаллическая дифракционная структура расположена между двумя электродами, причем области ориентированных жидких кристаллов выполнены с возможностью модуляции показателя преломления при приложении напряжения, а области хаотичных жидких кристаллов выполнены с возможностью не реагировать на приложение напряжения.
В еще одном варианте исполнения предлагается способ изготовления жидкокристаллической дифракционной структуры, содержащий этапы, на которых: смешивают полимер с жидкими кристаллами, размещают на первой подложке электроды с заранее заданным расположением, размещают на второй подложке сплошной электрод с нулевым потенциалом, наносят на обе подложки слой ориентанта и ориентируют его, располагают смесь жидких кристаллов и полимера между двумя подложками, подают заранее заданное напряжение на каждый из электродов, причем заранее заданное напряжение на каждом из электродов разворачивает молекулы жидких кристаллов в соответствии с величиной заранее заданного напряжения, одновременно с подачей напряжения полимеризуют смесь жидких кристаллов и полимера, снимают заранее заданное напряжение с электродов. Причем ориентант может представлять собой фотоориентант. Причем подложкой может являться волновод. Кроме того, одна из подложек наносится или прикрепляется к волноводу. Причем полимер может являться фотополимером. Для размещения электродов с заранее заданным расположением на первой подложке к первой подложке прикрепляют подложку с электродами с заранее заданным расположением. Для размещения сплошного электрода для нулевого потенциала на второй подложке ко второй подложке прикрепляют подложку со сплошным электродом для нулевого потенциала, предлагаемый способ дополнительно может содержать этап, на котором после этапа снятия заранее заданного напряжения снимают подложку с электродами с заранее заданным расположением и подложку со сплошным электродом для нулевого потенциала.
В еще одном варианте воплощения изобретения динамическая жидкокристаллическая дифракционная решетка содержит источник питания, два электрода, жидкокристаллической дифракционный элемент, имеющий множество чередующихся жидкокристаллических структур, изготовленных способами, описанными выше. Причем подложкой может являться волновод. А также подложка может быть нанесена на волновод или прикреплена к волноводу.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 иллюстрирует результаты традиционного способа фотоориентирования (а) и предлагаемого интерференционного способа ориентирования (b)
Фиг. 2a и 2b иллюстрируют результат использования для облучения фотоориентанта интерференции двух плоских волн.
Фиг. 3 иллюстрирует результат использования для облучения фотоориентанта интерференции сферической и плоской волны.
Фиг. 4 иллюстрирует способ создания дифракционной решетки на основе смеси жидких кристаллов и фотополимера.
Фиг. 5 иллюстрирует процесс создания различных профилей показателя преломления в жидкокристаллической дифракционной решетке.
Фиг. 6 иллюстрирует применение дифракционной решетки, созданной на основе смеси жидких кристаллов и фотополимера.
Фиг. 7 иллюстрирует применение жидкокристаллических дифракционных решеток, полученных предлагаемыми способами, в классической схеме устройств дополненной реальности.
Фиг. 8 иллюстрирует предельные углы, которыми определяется поле зрения, и способы ввода излучения в жидкокристаллическую дифракционную решетку.
Фиг. 9 иллюстрирует графики зависимости поля зрения от частоты дифракционной решетки и переключение между режимами.
Фиг. 10 иллюстрирует реализацию динамической жидкокристаллической дифракционной решетки.
Подробное описание изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков известного уровня техники. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание дифракционной решетки для использования в компактных комбинерах для устройств дополненной реальности с большим полем зрения, причем дифракционная решетка должна работать без источника питания или с малым количеством электродов, а также дифракционная решетка должна представлять собой фазовый модулятор с высоким пространственным разрешением.
Поставленная задача может быть решена предлагаемыми способами. В первом варианте исполнения для создания дифракционной решетки предлагается наносить слой жидких кристаллов на фотоориентант, причем фотоориентант подвергается интерференционному фотоориентированию.
На фигуре 1 схематично показаны результаты традиционного способа фотоориентирования 1(а) и предлагаемого интерференционного способа ориентирования 1(b).
Для управления жидкими кристаллами с помощью электрического или магнитного поля необходимо, чтобы все молекулы жидких кристаллов в исходном состоянии имели одинаковое и строго определенное пространственное положение относительно силовых линий электрического или магнитного поля. Для этих целей используется тонкий слой ориентанта. Одним из видов такого ориентанта является полиимид. Его наносят тонким слоем на подложку и механически создают в нем нано-бороздки - натирка, вдоль которых в последствие укладываются молекулы жидких кристаллов. Жидкокристаллические смеси обладают таким свойством, что если молекулы одного из слоев жидких кристаллов приняли строго определенное направление, то и молекулы верхних слоев жидких кристаллов из соображений минимизации внутренней энергии связей тоже развернуться в таком же направлении. Также в уровне техники известны материалы, которые наносят на подложку, облучают линейно поляризованным светом и его молекулы выстраиваются вдоль направления поляризации, дальнейший процесс ориентации молекул жидких кристаллов происходит аналогично, как и при механической натирке.
При использовании традиционного фотоориентирования 1(а) слой фотоориентантаравномерно облучается поляризованным светом, молекулы фотоориентанта ориентируются, на слой ориентированного фотоориентанта наносят слой жидких кристаллов, молекулы жидких кристаллов, попадая на ориентированный слой фотоориентанта, ориентируются вдоль направления молекул фотоориентанта. В результате такой равномерной ориентации для работы дифракционной решетки необходимо использование множества электродов и относительно мощный источник питания.
В одном из вариантов изобретения на две стеклянные подложки с прозрачными электродами, наносится слой фотоориентанта.
Для создания дифракционной структуры, используемой для дифракционной решетки, предлагается использование способа интерференционного фотоориентирования, который состоит в том, что фотоориентант на подложке облучают двумя поляризованными волнами, которые интерферируют между собой. В результате такого облучения на подложке с фотоориентантомформируется интерференционная картина, фотоориентант будет ориентирован в том месте, где интенсивность интерференционной картины максимальна и не будет ориентирован в том месте, где интерференционная картина имеет полосы с нулевой интенсивностью. Затем на фотоориентант наносится слой жидких кристаллов, которые, попадая на фотоориентант принимают ориентацию в соответствии с ориентацией, полученной фотоориентантом, то есть, жидкие кристаллы будут сориентированы в тех местах, где интенсивность интерференционной картины была максимальна и не будут ориентированы, а останутся в хаотичном положении в том месте, где интерференционная картина имеет полосы с нулевой интенсивностью (фигура 1(b)). То есть, в местах, где жидкие кристаллы выравнены жидкокристаллическая дифракционная решетка будет работать в обычном режиме: при приложении напряжения будет изменяться показатель преломления, модулируя фазу проходящего света. А в местах, где жидкие кристаллы остались в хаотичном порядке, жидкокристаллическая дифракционная решетка не будет реагировать на приложенное напряжение, и не будет изменять показатель преломления, сохраняя некоторый средний показатель преломления. Пространственное разрешение жидкокристаллической дифракционной решетки в этом случае будет определяться разрешением интерференционной картины, а не расстоянием между электродами. В результате ориентированные жидкие кристаллы при приложении напряжения будут изменять показатель преломления, а жидкие кристаллы, расположенные хаотично не будут реагировать на приложенное напряжение и не будут менять своих свойств, поэтому для создания дифракционной решетки достаточно использовать только два электрода, поскольку при приложении одного и того же напряжения части, где расположены хаотичные жидкие кристаллы не будут менять своих свойств, а ориентированные части будут изменять показатель преломления в зависимости от приложенного напряжения. Необходимо пояснить, что при приложении напряжения молекулы жидких кристаллов стремятся развернуться вдоль линий электрического поля. Заранее сориентированные молекулы разворачиваются в одном направлении, не мешая друг другу. Хаотично расположенные молекулы пытаются разворачиваться в разных направлениях, тем самым мешая и препятствуя друг другу, поэтому им не удается развернуться. То есть образуется дифракционная структура с высоким пространственным разрешением, которого невозможно достичь при создании механической дифракционной структуры, поскольку при создании дифракционной структуры предлагаемым способом разрешение дифракционной картины определяется размером молекул жидких кристаллов.
На Фиг. 2a и фиг. 2b показаны профили показателя преломления, которые можно получить при применении одной и той же жидкокристаллической дифракционной решетки, дифракционная структура которой создана предлагаемым способом. Для изменения профиля показателя преломления такой жидкокристаллической дифракционной решетки используется только два электрода, причем области (1) с выравненными жидкими кристаллами изменяют показатель преломления в зависимости от приложенного напряжения, на Фиг. 2а показан профиль показателя преломления при приложении напряжения V1, а на фигуре 2b показан профиль показателя преломления при приложении напряжения V2, то есть возможно управлять показателем преломления ориентированных областей в зависимости от приложенного напряжения, а значит управлять эффективностью решетки. При изменении напряжения в областях (2), где расположены хаотично-ориентированные жидкие кристаллы, изменение показателя преломления не наблюдается. Разрешение такой дифракционной решетки определяется периодом интерференционной картины, которая использовалась при формировании такой решетки.
Если при облучении фотоориентанта использовать две плоские волны, то интерференционная картина, которой облучается фотоориентант будет иметь вид полос, соответственно профиль показателя преломления после нанесения слоя жидких кристаллов будет прямоугольным. Если, например, как показано на фигуре 3, использовать интерференцию сферической и плоской волны, получится интерференционная картина в виде колец и фотоориентант, а соответственно и жидкие кристаллы, будут ориентированы в соответствии с такой интерференционной картиной, и, в результате, дифракционная решетка будет сформирована в виде линзы Френеля.Причем если использовать расходящуюся волну (волна 2) и плоскопараллельную волну (волна 1), то получается положительная линза Френеля, если использовать сходящуюся волну (волна 3) и плоскопараллельную волну (волна 1), то получается отрицательная линза Френеля. То есть такие структуры возможно использовать как линзы Френеля, причем такие структуры обладают толщиной всего порядка сотни микрон. Также такие структуры могут, например, найти применение для производства очков с диоптриями.
На фигуре 4 проиллюстрирован вариант предлагаемого изобретения, состоящий в способе создания дифракционной решетки на основе смеси жидких кристаллов и фотополимера.
В этом варианте для создания дифракционной решетки предлагается использование смеси жидких кристаллов с фотополимером.
Необходимо отметить, что преимущество от использования жидких кристаллов при создании дифракционной решетки состоит в том, что жидкие кристаллы имеют высокий показатель преломления и обладают модуляцией показателя преломления в широком диапазоне, а преимущество фотополимера состоит в возможности зафиксировать жидкие кристаллы.
Предлагаемый способ записи жидкокристаллической дифракционной решетки начинается с того, что смешивают жидкие кристаллы и фотополимер. Традиционно, для этого используют известную технологию PDLC (Polymer dispersed liquid crystals) - получают смесь, состоящую из полимера и диспергированных в него жидких кристаллов, концентрация полимера в жидких кристаллах находится приблизительно в диапазоне от 30% до 80%. Полимер отверждается в смеси жидкие кристаллы/полимер, при этом вкрапления жидких кристаллов оказываются внутри полимерной структуры. Эти вкрапления обычно имеют микронный или нано размер. При приложении электрического поля вкрапления не меняют положения относительно полимера, но молекулы жидких кристаллов, из которых состоят вкрапления, ориентируются по полю.
Также возможно получить смесь жидких кристаллов с фотополимером, в которой концентрация фотополимера очень низка, и составляет примерно 1% и меньше. В такой смеси нет вкраплений жидких кристаллов, а напротив группы молекул жидких кристаллов разделяются небольшими участками, состоящими из молекул фотополимера. Полученную смесь помещают между подложками. При приложении электрического поля жидкие кристаллы разворачиваются и принимают определенные положения, подтягивая за собой молекулы фотополимера, при этом участки фотополимера выравниваются в ортогональные структуры, между которыми располагаются ориентированные молекулы жидких кристаллов. Для того, чтобы зафиксировать структуру, воздействуют на смесь ультрафиолетовым излучением или нагревают смесь (способ зависит от свойств вида выбранного фотополимера). Происходит полимеризация молекул фотополимера, то есть при отключении электрического поля получается ортогональная структура участков фотополимера, в которой расположены группы молекул жидких кристаллов. Фотополимеры, обладающие такими свойствами, широко известны из уровня техники, на сегодняшний день разработаны десятки тысяч таких соединений.
Рассмотрим такой процесс создания дифракционной решетки более подробно.
Прежде всего необходимо отметить, что без правильной ориентации молекулы жидких кристаллов не могут разворачиваться в вертикальной плоскости (перпендикулярно длине подложек или длине волновода). Поэтому необходимо обеспечить ориентацию молекул жидких кристаллов вдоль длины подложек с помощью слоя ориентанта, а затем вертикальный разворот с помощью напряжения. Величина (угол) разворота молекул жидких кристаллов зависит от величины приложенного напряжения. Прежде чем располагать смесь жидких кристаллов между подложками, на каждую из подложек наносят слой ориентанта (или фотоориентанта). Причем ориентант ориентируют таким образом, что молекулы жидких кристаллов, попадая на ориентант, принимают ориентацию в соответствии с ориентацией, полученной ориентантом, а именно вдоль длины подложек. Ориентант можно ориентировать любым известным способом, описанным выше, например, натиркой на подложки или фотоориентированием.
На фигуре 4, иллюстрирующей способ создания дифракционной решетки на основе смеси жидких кристаллов и фотополимера, молекулы фотополимера изображены кружками, молекулы жидких кристаллов изображены эллипсоидами. Как показано на фигуре 4, полученную смесь жидких кристаллов и фотополимера помещают между подложками, с ориентированным ориентантом.Жидкие кристаллы, попадая на ориентант, принимают ориентацию в соответствии с ориентацией, полученной ориентантом, а именно вдоль длины подложек.
На подложки накладывают электроды. Расположение электродов может быть произвольным, например, кольцевым, концентрическим, нерегулярным; и форма самих электродов тоже может быть произвольной. Возможно выбрать заранее заданное расположение электродов, причем расположение электродов определяется требованиями к создаваемой дифракционной структуре, например, определяется желаемым периодом создаваемой дифракционной структуры.
Чтобы создать электрическое поле необходимо иметь два проводника с разным потенциалом. Сплошной электрод, показанный на фиг. 4 снизу, обеспечивает проводник с так называемым общим или нулевым потенциалом, электроды, показанные на фиг. 4 сверху, независимы друг от друга, на них подают потенциал (напряжение) отличное от общего-нулевого, что позволяет создавать зоны с различной ориентацией жидких кристаллов (под электродами) в зависимости от приложенного напряжения. Период электродов строго соответствует периоду требуемой дифракционной решетки. Величина напряжения зависит от выбранной смеси жидких кристаллов. Далее, как показано на фиг. 4, на каждый электрод подается свое напряжение, которое разворачивает молекулы жидких кристаллов в соответствии с поданным напряжением, подтягивая за собой молекулы фотополимера, при этом участки фотополимера выравниваются, между которыми располагаются ориентированные молекулы жидких кристаллов. Величина подаваемого напряжения зависит от требуемых параметров дифракционной решетки. Молекулы жидких кристаллов под действием электрического поля поворачиваются, стремясь выстроится вдоль линий электрического поля.На каждый из электродов подается свое определенное напряжение, например, чтобы получить, например, прямоугольный фазовый профиль дифракционной структуры (фиг. 5 вариант 5.1) напряжения будут чередоваться следующим образом: N электродов с одинаковым напряжение отличным от нулевого, M электродов с нулевым напряжением, следующие N с ненулевым напряжением, потом M с нулевым и т.д., как частный случай N=1, M=0, причем N+M составляют период дифракционной решетки. В случае произвольного фазового профиля решетки напряжение между соседними электродами в группе N определяется функцией жидкокристаллической смеси Δn(U), где Δn - изменение показателя преломления, U - напряжение. При приложении напряжения к смеси происходит разворот молекул жидких кристаллов, угол разворота и, следовательно, Δn будут зависит от приложенного напряжения. При этом все молекулы жидких кристаллов под одним конкретным электродом будут разворачиваться на одинаковый угол. Чем больше напряжение, тем больше угол разворота. Предельное угол разворота составляет 90 градусов, ему соответствует определенное напряжение Umax. При больших величинах напряжения молекулы жидких кристаллов уже не будут разворачиваться. Различная ориентация (разворот) молекул жидких кристаллов приводит к модуляции показателя преломления в волноводе, получается необходимая фазовая картина.
Одновременно с приложением напряжения, приложенного, как описано выше, смесь облучается ультрафиолетовым излучением или нагревается, при этом фотополимер полимеризуются. Процесс фиксации фотополимера называется полимеризацией, при этом молекулы жидких кристаллов фиксируются между молекулами фотополимера, так, что жидкие кристаллы больше не могут менять свое направление. Напряжение и источник излучения убирают, при этом остается волновод с записанной дифракционной структурой поверх волновода, причем полученная жидкокристаллическая дифракционная решетка имеет заранее заданную фазовую модуляцию.
С помощью предлагаемого способа возможно создание дифракционной решетки с любым желаемым профилем показателя преломления.
Для иллюстрации на фигуре 5 показаны некоторые примеры профилей показателя преломления, которые можно записать предлагаемым способом, проиллюстрирован процесс создания некоторых профилей показателя преломления в жидкокристаллической дифракционной решетке.
В варианте 5.1 показана запись зубчатого профиля показателя преломления. Показано приложение к смеси фотополимера и жидких кристаллов напряжений V1, V2,…Vn для получения одного зубца пилообразного профиля посредством n дискретных электродов, расположенных вдоль длины волновода или вспомогательной подложки с электродами. На каждый из электродов подается свое определенное напряжение, в соответствии с желаемым профилем показателя преломления. Количество электродов и приложенных с их помощью напряжений V1, V2,…Vn соответствует желаемому количеству зубцов в профиле.После подачи напряжения полученную структуру, находящуюся под напряжением, облучают ультрафиолетовым излучением, либо нагревают (в зависимости от типа, применяемого фотополимера), под действием которого происходит полимеризация фотополимера. При полимеризации фотополимера молекулы фотополимера фиксируются, встраивая в свои связи молекулы жидких кристаллов. Таким образом молекулы жидких кристаллов тоже фиксируются, встраиваясь в молекулы фотополимера. После снятия напряжения молекулы жидких кристаллов не возвращаются в исходное состояние. В результате получается фиксированная дифракционная решетка, такую решетку можно использовать без приложения напряжения. В вариантах 5.2-5.4 показаны записи вариантов различных профилей показателя преломления, причем запись производится аналогично записи зубчатого профиля, 5.2 - прямоугольный профиль показателя преломления, 5.3 - синусоидальный профиль, 5.4 - произвольная форма профиля показателя преломления.
Жидкокристаллическую дифракционную решетку можно формировать как непосредственно на волноводе, используя волновод как одну из подложек, так и формировать на отдельных подложках, присоединив затем одну из подложек, между которыми сформирована жидкокристаллическая дифракционная структура или решетка, к волноводу. При выполнении жидкокристаллической дифракционной решетки структура электродов, используемых при формировании, может как удаляться после формирования, так и оставаться на жидкокристаллической дифракционной решетке. Для возможности удаления электродов с дифракционной структуры, электроды выполняются на отдельных подложках, которые наносятся на основные подложки с возможностью удаления и могут быть выполнены из известных материалов, таких как ITO, IZO, углеродные трубки и другие материалы, которые проводят ток и являются прозрачными. Например, при формировании жидкокристаллической дифракционной решетки, к подложке, на которой нанесена смесь фотополимера и жидких кристаллов, можно прикрепить, например, кремниевую подложку, на которую наносятся электроды с необходимым заранее заданным расположением. После формирования жидкокристаллической дифракционной решетки такую кремниевую подложку легко удалить с полученной структуры. В результате получается жидкокристаллическая дифракционная решетка или структура для дифракционной решетки с высокой частотой, не требующая применения источника питания.
На фигуре 6 показано применениедифракционной решетки, созданной на основе смеси жидких кристаллов и фотополимера, для очков дополненной реальности, то есть для системы, основанной на волноводе с дифракционной решеткой. Профиль показателя преломления такой дифракционной решетки показан на 6.1 (по оси x отложена длина волновода, а по оси y - Δ n).Зубчатый профиль слева позволяет ввести излучение, а зубчатый профиль справа позволяет вывести излучение. Излучение попадает в волновод (левый зубчатый профиль), распространяется по волноводу (линия с нулевой модуляцией) за счет полного внутреннего отражения и выводится из волновода (правый зубчатый профиль). Необходимо отметить общеизвестность эффективности такого зубчатого профиля, такой профиль позволяет ввести в волновод или вывести излучение с дифракционной эффективностью более 90%, это известно из теории дифракции и теории дифракционных решеток. Если такую эффективность получать на объемных голографических решетках, при этом будет значительная угловая селективность, что не позволяет обеспечить широкое поле зрения, тогда как предлагаемое изобретение позволяет обеспечить, наряду с высокой дифракционной эффективностью, широкое поле зрения.
Устройство дополненной реальности (фигура 6.2), состоит из дисплея, оптической системы, которая служит для совмещения виртуального изображения и изображения реального мира в глазу человека, волновода, дифракционной решетки, расположенной на волноводе, и имеющей профиль, показанный на фигуре 6.1.
Устройство работает следующим образом (фигура 6.2):
1. Свет, излучаемый дисплеем и проходящий через оптическую систему, попадает в волновод с сформированной на нем жидкокристаллической дифракционной решеткой (фигура 6.1), дифрагирует от жидкокристаллической дифракционной решетки и попадает в волновод;
2. Фазовый профиль жидкокристаллической дифракционной решетки формируется таким образом, чтобы эффективность рабочего порядка дифракции была максимальной (порядком дифракции называется часть излучения, продифрагировавшего на дифракционной решетке и распространяющего в строго определенном направлении).
3. Далее, благодаря сформированному профилю жидкокристаллической дифракционной решетки, лучи распространяются через волновод посредством полного внутреннего отражения.
4. Излучение проходит к части жидкокристаллической дифракционной решетки, имеющей выходной профиль.
5. Материал волновода и жидкокристаллической решетки прозрачен для просмотра. Таким образом, пользователь может видеть изображение, прошедшее волновод и реальный вид за волноводом одновременно.
Полученные предлагаемыми способами жидкокристаллические дифракционные структуры можно использовать и в классических комбинерах для устройств дополненной реальности, как показано на фиг.7, нанеся одну входную жидкокристаллическую дифракционную структуру на вход волновода и другую жидкокристаллическую дифракционную структуру на выход волновода, с записанными на каждой из них желаемыми фазовыми профилями показателя преломления. Причем такие жидкокристаллические дифракционные структуры могут быть выполнены как из одного и того же материала, так и из разных материалов.
Предлагаемые жидкокристаллические дифракционные структуры могут быть использованы как дифракционные решетки в комбинерах для устройств дополненной реальности, выполняемых на лобовом стекле автомобиля, при таком применении не нужно использовать дополнительный источник питания, чтобы привести в действие жидкокристаллические дифракционные решетки комбинера.
Предлагаемое изобретение может быть использовано при изготовлении динамических дифракционных решеток, то есть жидкокристаллических дифракционных решеток, период которых может перестраиваться.
На фигуре 8 показано вводимое в волновод поле, поэтому стрелки падают на волновод. В нашем случае (плоский волновод и вводная и выводная решетки с одинаковой частотой) вводимое в волновод поле зрения равно выводимому из волновода. Под полем зрения понимается максимальный угловой размер, который можно ввести в волновод. Поле зрения в случае применения дифракционной решетки в комбинере ограничено двумя углами - углом полного внутреннего отражения α
и максимальным углом, под которым свет может распространяться в волноводе α
.
То есть, как показано на фигуре 8а, углы поля зрения α
и α
определяются углами α
и α
то есть определяются свойствами дифракционной решетки и материалом волновода. Угол полного внутреннего отражения α
и максимальный угол, под которым свет может распространяться в волноводе, α
связаны с углами α1 и α2 формулой решетки
TIR
slip
1
2
TIR
slip
,
TIR
slip
, или
где λ - длина волны;
T - частота решетки;
N - показатель преломления волновода.
То есть .
Общеизвестно, что .
В общем случае α
не равно α
, однако расположение углов, когда α
=α
является наилучшим с эргономической точки зрения, поскольку удобно чтобы оптическая ось оптической системы ввода была перпендикулярна волноводу: в этом случае оптическая система будет располагаться в районе виска в дужке очков. Иначе оптическая система должна находиться либо внутри головы, либо торчать сбоку за ушами, в первом случае это невозможно, во втором - неудобно. Необходимо отметить, что в системе виртуальной реальности можно выделить три поля: поле оптической системы ввода, поле, которое можно ввести в волновод и поле, выводимое из волновода (называемое полем зрения). В оптимально рассчитанной системе все три поля совпадают. Поэтому под полем зрения понимается максимальный угловой размер, который можно ввести в волновод.
1
2
1
2
В зависимости от угла наклона оптической оси системы ввода относительно нормали (система ввода осесимметричная) к волноводу возможны три режима ввода, на фигуре 8b показан первый режим ввода (Режим 1), когда оптическая ось системы находится под одним углом к дифракционной решетке, второй режим ввода (Режим 2), когда оптическая ось системы находится перпендикулярно к дифракционной решетке и третий режим ввода (Режим 3), когда оптическая ось находится под другим углом к дифракционной решетке.
На фигуре 9 изображены графики зависимости поля зрения от частоты дифракционной решетки. Кривая 1 соответствует изменению угла α
в зависимости от частоты дифракционной решетки, кривая 2 соответствует изменению угла α
в зависимости от частоты дифракционной решетки, кривая 3 соответствует изменению поля зрения для решетки с фиксированным периодом (период - это расстояние между повторяющимися точками фазового профиля).
1
2
Сумма кривых 1 и 2 представляет собой кривую 4, определяющую поле зрения для динамической (перестраиваемой) дифракционной решетки.
Очень часто приходится работать в центральной зоне b, поскольку конструктивно не всегда удобно наклонять оптическую систему на какой-нибудь угол. При использовании перестраиваемой дифракционной решетки, перестройка частоты которой зависит от приложенного к решетке напряжения, возможно изменить частоту решетки и в результате получить, согласно кривой 4, широкое поле зрения, например, в зоне a, показанной на графике слева, но поле зрения будет смещено, как если бы была наклонена оптическая система ввода. При последующем переключении возможно изменить частоту решетки и в результате получить, согласно кривой 4, широкое поле зрения, например, в симметричной зоне c, показанной на графике справа, но поле зрения будет смещено симметрично вправо. Т.к. решетка с одним периодом не может ввести в волновод все большое поле зрения, то возможно разбить большое поле зрения на составные части и вводить, и выводить их последовательно, на фиг.9 слева от графика показано разбиение на две части, например, с использованием режимов 1 и 3, показанных на фиг. 8, однако поле можно разбить на две и более части. При быстром переключении между частями глаз не заметит переключения и визуально будет видеть одно большое поле зрения. При быстром переключении между двумя режимами получаем сумму полей зрения, скорость переключения должна быть такая, чтобы было незаметно для глаз. Например, при использовании деления поля на 2 части частота переключения должна быть около 120 Гц, на 3 части - 180 Гц, при таких частотах пользователь будет гарантировано комфортно видеть все поле зрения без мерцаний и прочих негативных эффектов.
На фигуре 10 показана реализация динамической жидкокристаллической решетки. Для реализации динамической жидкокристаллической решетки предлагается использовать технологию интерференционного фотоориентирования, описанную выше. При этом фотоориентант облучается через фотомаску (технология известна из уровня техники), или посредством интерференционной картины. В местах, где свет попадал на падающий фотоориентант, жидкие кристаллы являются ориентированными, в местах, где свет не попадал на падающий фотоориентант, жидкие кристаллы остаются хаотичными.
На фиг. 10 показано использование фотомаски для частичной полимеризации, т.е. зоны под закрашенными областями полимеризованы и независимо от напряжения молекулы жидких кристаллов в полимеризованных зонах всегда повернуты. Области под незакрашенными зонами фотомаски не полимеризованы и там молекулы жидких кристаллов обладают подвижностью. Под напряжением молекулы жидких кристаллов поворачиваются и меняется показатель преломления, в отсутствии напряжения молекулы жидких кристаллов возвращаются в исходное состояние. Т.к. эти области расположены внутри периода Т2, то при включении напряжения, период решетки изменяется на более меньший Т1.
Часть решетки, которая соответствует двум рядам ориентированных жидких кристаллов, показанных на фиг. 10 слева выполнена с помощью смеси фотополимера и жидких кристаллов, которая была полимеризована, поэтому показатель преломления этой области не зависит от приложенного напряжения. Часть решетки, которая соответствует трем следующим рядам жидких кристаллов, получена с помощью способа интерференционного фотоориентирования, то есть два крайние ряда жидких кристаллов этой области хаотичны и не реагируют на приложенное напряжение, а средний ряд жидких кристаллов был ориентирован и изменяет свой показатель преломления при приложении напряжения, что и отражено на графиках, показанных ниже. То есть при приложении напряжения происходит перестройка частоты дифракционной решетки.
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.