ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ
OPTICAL DEVICE FOR GENERATING AUGMENTED REALITY IMAGES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оптическим приборам и предназначено, в основном, для использования в оптических устройствах формирования изображений, например в оптической системе мобильного устройства для формирования изображений дополненной реальности, с наложением двух каналов: первого канала, содержащего синтезированное изображение на микродисплее, например, в форме текста или графики, и второго канала, содержащего информацию о реальных объектах окружающей обстановки, наблюдаемых в поле зрения устройства. Это наложение двух каналов в устройстве осуществляется с помощью светоделительных оптических элементов.
Уровень техники
Известно множество устройств дополненной реальности, выполненных в виде очков дополненной реальности, закрепляемых на голове дисплеев, нашлемных дисплеев и т.п. Например, известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея, заявленная в патенте RU2353958, который описывает оптическую систему нашлемного коллиматорного дисплея, содержащего установленные последовательно комбинер, первый светоделитель, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов, размещенную между этими компонентами апертурную диафрагму, второй светоделитель и источник изображения. Главный недостаток этого решения заключается в том, что система имеет весьма значительные размеры в продольном и поперечном направлениях и большую массу проекционного объектива.
Известна также оптическая система, предложенная в патенте US8220966. Устройство отображения изображения по патенту US8220966 содержит устройство формирования изображения с пиксельной структурой; коллимирующую оптическую систему для коллимации света, распространяющегося от источника изображения, и оптическое устройство для ввода, направления и вывода коллимированного света в различных направлениях. Это оптическое устройство содержит световод, первый оптический элемент, отражающий или дифрагирующий свет таким образом, чтобы свет полностью отражался внутри световода, и второй оптический элемент, служащий для вывода света из световода. Когда луч света, излучаемый пикселем, наиболее удаленным от центра устройства формирования изображения, и луч света, излучаемый пикселем, расположенным в центре источника изображения, проходят через переднюю узловую точку коллимирующей оптической системы и падают соответственно на коллимирующую оптическую систему и световод под углами [theta]1 и [theta]2, удовлетворяется условие [theta]2 > [theta]1. Главный недостаток этой системы состоит в том, что в ней используется набор плоских зеркал с различными коэффициентами отражения, не имеющих оптическую силу. Это приводит к увеличению толщины световода при увеличении поля зрения и существенно усложняет процесс изготовления таких зеркал и операцию сборки световода.
Известна оптическая система с объемными голографическими решетками, описанная в заявке на патент US 20130155513. В заявке US 20130155513 предложено устройство отображения виртуального изображения, содержащее оптический световод, служащий для направления узких параллельных пучков света, при котором эти пучки распространяются внутри световода на основе явления полного внутреннего отражения; первую отражательную объемную голографическую решетку, служащую для дифракции и отражения узких параллельных пучков света, падающих на оптический световод снаружи и проходящих в различных направлениях таким образом, чтобы они соответствовали условию полного внутреннего отражения внутри оптического световода, и вторую отражательную объемную голографическую решетку для проецирования узких параллельных пучков, распространяющихся за счет явления полного внутреннего отражения внутри оптического световода, выходящих из оптического световода в результате их дифракции и отражения, для нарушения условия полного внутреннего отражения внутри оптического световода. Основной недостаток этой схемы заключается в отсутствии возможности корректировать хроматическую аберрацию изображения.
В качестве прототипа настоящего изобретения выбрано техническое решение, описанное в заявке на патент US 20130033756. В этой заявке описано устройство очков виртуального изображения, содержащее осветительный модуль, отражатель, модуль для вывода излучения и оптический элемент для вращения поляризации. Осветительный модуль распространяет синтезированное изображение вдоль линии визирования. Отражательный элемент, расположенный напротив осветительного модуля оптического устройства, используется для отражения синтезированного излучения в направлении противоположном оси визирования. Модуль вывода излучения, расположенный между осветительным модулем и отражательным элементом, содержит поляризационный комбинер для вывода светового излучения из световода (Фиг.1).
Поляризационный комбинер используется для вывода излучения из оптического устройства в направлении наблюдателя и направления синтезированного излучения в глаз наблюдателя. Элемент, выполняющий вращение поляризации, расположен между поляризационным комбинером и отражателем. Основной недостаток данного решения заключается в том, что оптическая система имеет значительную толщину и малое поле зрения.
Краткое изложение сущности изобретения
Один аспект настоящего изобретения относится к оптическому устройству для формирования изображений дополненной реальности, содержащему источник света, конденсор, микродисплей, характеризующемуся тем, что оно дополнительно содержит световод с встроенным в него средством ввода светового излучения, выполненным с возможностью формирования, по меньшей мере, двух ортогонально поляризованных пучков, содержащих информацию об изображении на микродисплее и перенаправления пучков через световод в средство вывода светового излучения, которое содержит по меньшей мере два поляризационных светоделителя, выполненных с возможностью разделения и перенаправления падающих пучков; фокусирующий оптический элемент, выполненный с возможностью фокусировки и перенаправления оптических пучков с информацией во входной зрачок глаза наблюдателя; четвертьволновые пластины, выполненные с возможностью изменения состояния поляризации падающего излучения, причем по меньшей мере два ортогонально поляризованных пучка, содержащие информацию об изображении на микродисплее, перенаправляются в фокусирующий оптический элемент через четвертьволновую пластину посредством по меньшей мере двух поляризационных светоделителей.
Согласно дополнительным аспектам изобретения средство ввода светового излучения содержит по меньшей мере два поляризационных светоделителя и четвертьволновую пластину; конденсор выполнен с возможностью формирования параллельных пучков, входящих в средство ввода светового излучения; по меньшей мере два поляризационных входных светоделителя выполнены с возможностью разделения падающих пучков на отдельные пучки, поляризованные в p- и s-направлениях, оба пучка проходят через четвертьволновую пластину и освещают микродисплей; световод выполнен в виде оптической среды из оптически прозрачного материала, которая обеспечивает передачу светового излучения и имеет форму плоскопараллельной пластины; поляризационные светоделители выполнены в виде зеркал, призм или призм Френеля с поляризационными покрытиями на рабочих поверхностях; микродисплей выполнен с возможностью формирования двухмерного или голографического изображения; световодом является оптическая среда для передачи светового излучения, выполненная в форме пластины с поверхностями, имеющими изогнутую форму; фокусирующий оптический элемент расположен на противоположной относительно положения глаза наблюдателя стороне световода; фокусирующий оптический элемент расположен на стороне световода, ближней к глазу наблюдателя; осветительный модуль расположен на боковой поверхности световода; осветительный модуль расположен на торцевой стороне световода; поляризационные светоделители выполнены в виде зеркал или призм; поляризационные светоделители выполнены в виде призм Френеля; средство вывода светового излучения дополнительно содержит компенсационный оптический элемент, выполненный с возможностью компенсации и увеличения визуального канала, содержащего информацию о реальных объектах окружающей обстановки, наблюдаемых в поле зрения устройства.
Целью изобретения является уменьшение габаритов и веса устройства при сохранении угла поля зрения или расширении поля зрения устройства при неизменных размерах.
В отличие от известных схем, в частности описанной в US 20130033756, предложенная оптическая схема основана на первоначальном разделении волнового фронта, содержащего информацию о синтезированном изображении, сформированном на микродисплее, по меньшей мере двумя поляризационными светоделителями и последующем объединении пучков в поле зрения оптическим фокусирующим элементом и по меньшей мере двумя поляризационными светоделителями.
При этом для компенсации увеличения объектов окружающей обстановки используется вспомогательный компенсационный элемент, в результате использования которого оптическая система устройства не обладает оптической силой по отношению к предметам окружающей обстановки.
Для достижения технического результата изобретения используется оптическое устройство для формирования изображений дополненной реальности, содержащее источник света, конденсор, микродисплей, характеризующееся тем, что оно дополнительно содержит световод со встроенными:
- средством ввода светового излучения, выполненным с возможностью формирования, по меньшей мере, двух ортогонально поляризованных пучков с информацией об изображении на микродисплее и перенаправления пучков через световод в средство вывода светового излучения, которое содержит:
- по меньшей мере два поляризационных светоделителя для разделения и перенаправления падающих пучков в световод;
- фокусирующий оптический элемент для фокусировки и перенаправления оптических пучков с информацией во входной зрачок глаза наблюдателя;
- четвертьволновую пластину для изменения состояния поляризации падающего излучения;
- компенсационный оптический элемент, выполненный с возможностью компенсации увеличения визуального канала, содержащего информацию о реальных объектах окружающей обстановки, наблюдаемых в поле зрения устройства,
при этом по меньшей мере два ортогонально поляризованных пучка с информацией об изображении на микродисплее перенаправляются в фокусирующий оптический элемент через четвертьволновую пластину посредством по меньшей мере двух поляризационных светоделителей.
Данное решение основано на использовании оптической системы, позволяющей использовать поляризационные светоделители совместно с фокусирующим оптическим элементом и микродисплеем, чтобы формировать синтезированное изображение, комбинированное с реальными объектами в увеличенном угловом поле при малых поперечных размерах устройства.
Таким, образом, предложенное изобретение обеспечивает ряд преимуществ:
- возможность увеличения углового поля оптической системы за счет использования поляризационных светоделителей;
- компактный размеры и малый вес оптической системы;
- прочную конструкцию устройства.
Новизна предложенного изобретения заключается в новой оптической компоновке устройства, содержащего поляризационные светоделители и оптический фокусирующий отражательный элемент, служащие для увеличения углового поля выходного устройства.
Краткое описание изобретения
Фиг. 1 - прототип, описанный в US 20130033756.
Фиг. 2 - оптическая схема устройства.
Фиг. 3 - часть устройства, служащая для вывода изображения из световода: a) фокусирующий элемент расположен на поверхности световода противоположной относительно глаза наблюдателя; b) фокусирующий элемент расположен на поверхности световода, ближней к глазу наблюдателя.
Фиг. 4 - часть устройства, служащая для ввода изображения в световод: a) осветительный модуль расположен на боковой поверхности световода; b) осветительный модуль расположен на торцевой поверхности световода.
Фиг. 5 - отражательный оптический элемент выполнен в виде a) зеркала или призмы; b) призмы Френеля.
Подробное описание изобретения
Фиг. 2 иллюстрирует настоящее изобретение. На Фиг.2 изображены следующие элементы: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - микродисплей; 4 - четвертьволновая пластина; 5 - поляризационный светоделитель, отражающий s- (или p-) поляризацию; 6 - поляризационный светоделитель, отражающий p-(или s-) поляризацию; 7 - световод; 8 - поляризационный светоделитель, отражающий s-(или p-) поляризацию; 9 - поляризационный светоделитель, отражающий p-(или s-) поляризацию; 10 - оптический фокусирующий элемент; 11 - компенсационный элемент; 12 - входной зрачок глаза наблюдателя; 13 - излучение, распространяющееся от окружающей обстановки; a1 - угловое поле, сформированное элементами 5 и 8 оптической системы; a2 - угловое поле, сформированное элементами 6 и 9 оптической системы.
Система для освещения микродисплея 3 содержит источник света 1, конденсор 2, образующий параллельный пучок света, входящий в световод 7. Параллельный пучок естественно поляризованного света, проходящий через осветительную систему, направляется в световод 7, который разделяет свет на две части с помощью поляризационных светоделителей 5 и 6, при этом разделенные части пучка имеют p- и s-поляризации соответственно.
Оба пучка проходят через четвертьволновую пластину 4 и освещают микродисплей 3 с синтезированным изображением, которое должно наблюдаться в поле зрения устройства. После взаимодействия с микродисплеем 3 излучение с информацией об изображении посылается в противоположном направлении через четвертьволновую пластину 4, отражаются от поляризационных светоделителей 5 и 6 и направляется вдоль световода 7.
Рабочая поверхность микродисплея 3 соединена с четвертьволновой пластиной 4 и световодом 7 с помощью оптического контакта, иммерсионной жидкостью или с помощью воздушного зазора.
Таким образом, каждый пучок дважды проходит через четвертьволновую пластину 4, изменяя направление поляризации на ортогональное направление, s- и p-типа соответственно, благодаря чему полностью отражается поляризационными светоделителями 5 и 6.
После распространения излучения, содержащего информацию об изображении, вдоль световода 7, информационный пучок перенаправляется в фокусирующий оптический элемент 10 через четвертьволновую пластину 4 с помощью поляризационных светоделителей 8 и 9.
Фокусирующий оптический элемент 10, имеющий коэффициент отражения, меньше или равный 1, используется для фокусировки информационного излучения во входной зрачок глаза 12 наблюдателя.
Части информационного излучения, отраженные от фокусирующего оптического элемента 10, проходят через четвертьволновую пластину 4 с изменением направления поляризации на p- и s- соответственно, за счет чего они полностью проходят через поляризационные светоделительные элементы 8 и 9, затем они направляются во входной зрачок глаза 12 наблюдателя в угловых полях a1 и a2 соответственно. Углы a1, a2 выбираются таким образом, чтобы по возможности максимально заполнить апертуру глаза наблюдателя. В этом случае для компенсации увеличения окружающих объектов 13 используется компенсационный элемент 11, в результате использования которого оптическая система устройства не обладает оптической силой по отношению к предметам окружающей обстановки 13.
Фиг.3 иллюстрирует часть устройства для вывода изображения из световода. На Фиг.3 изображены следующие элементы: 4 - четвертьволновая пластина; 7 - световод; 8 - поляризационный светоделитель, отражающий s- (или p-) поляризацию; 9 - поляризационный светоделитель, отражающий p- (или s-) поляризацию; 10 - оптический фокусирующий элемент; 11 - компенсационный элемент; 12 - входной зрачок глаза наблюдателя; 13 - излучение, распространяющееся из окружающей обстановки; 14 - поляризационный оптический элемент, отражающий p- (или s-) поляризацию; 15 - поляризационный оптический элемент, отражающий s- (или p-) поляризацию; a1 - угловое поле, созданное элементами 5 и 8 оптической системы; a2 - угловое поле, созданное элементами 6 и 9 оптической системы.
В другом варианте настоящего изобретения (Фиг.3a) фокусирующий оптический элемент 10 расположен ближе к внешней поверхности световода 7.
Согласно Фиг.3a после прохождения излучения, содержащего информацию об изображении, по световоду 7 информационный пучок перенаправляется в фокусирующий оптический элемент 10 через четвертьволновую пластину 4 с помощью поляризационных светоделителей 8 и 9.
Фокусирующий оптический элемент 10, имеющий коэффициент отражения меньше или равный 1, используется для фокусировки информационного излучения во входной зрачок глаза 12 наблюдателя.
Части информационного излучения, отраженные от фокусирующего оптического элемента 10, проходят через четвертьволновую пластину 4, изменяя направление поляризации на p- и s- соответственно, благодаря чему они полностью проходят через поляризационные светоделительные элементы 8 и 9, затем они направляются во входной зрачок глаза 12 наблюдателя в угловых полях a1 и a2 соответственно. Углы a1 a2 выбираются таким образом, чтобы по возможности максимально заполнить апертуру глаза наблюдателя. В этом случае для компенсации увеличения окружающих объектов 13 используется компенсационный элемент 11, в результате использования которого оптическая система устройства не обладает оптической силой по отношению к предметам окружающей обстановки 13.
Согласно другому варианту настоящего изобретения (Фиг.3b) фокусирующий оптический элемент 10 расположен ближе к внутренней отражательной поверхности световода 7.
После прохождения излучения, содержащего информацию об изображении, вдоль световода 7 информационный пучок перенаправляется в фокусирующий оптический элемент 10 через четвертьволновую пластину 4 поляризационными светоделителями 8, 9 и поляризационными оптическими элементами 14, 15.
Фокусирующий оптический элемент 10, имеющий коэффициент отражения меньше или равный 1, используется для фокусировки информационного излучения во входной зрачок глаза 12 наблюдателя.
Части информационного излучения, отраженные от фокусирующего оптического элемента 10, проходят через четвертьволновую пластину 4, изменяя направление поляризации, благодаря чему они полностью проходят через поляризационные оптические элементы 14 и 15, затем они направляются во входной зрачок глаза 12 наблюдателя в угловых полях a1 и a2, соответственно. Углы a1 a2 выбираются таким образом, чтобы по возможности максимально заполнить апертуру глаза наблюдателя.
Фиг.4 иллюстрирует часть устройства для ввода изображения в световод. На Фиг.4 изображены следующие элементы: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - микродисплей; 4 - четвертьволновая пластина; 5 - поляризационный светоделитель, отражающий s- (или p-) поляризацию; 6 - поляризационный светоделитель, отражающий p- (или s-) поляризацию; 7 - световод; 18 - отражающая поверхность.
Согласно другому варианту настоящего изобретения (Фиг.4a), осветительный модуль расположен на боковой поверхности световода 7 и состоит из источника света 1 и конденсора 2.
Система для освещения микродисплея 3 содержит источник света 1, конденсор 2, образующий параллельный пучок света, входящий в световод 7. Осветительный модуль расположен на боковой поверхности световода 7. Параллельный пучок естественно поляризованного света, проходящий через систему освещения, направляется в световод 7, который разделяет свет на две части с помощью поляризационных светоделителей 5 и 6, при этом разделенные части пучка поляризованы в направлениях p- и s- соответственно.
Оба пучка проходят через четвертьволновую пластину 4 и освещают микродисплей 3 с синтезированным изображением, которое должно наблюдаться в поле зрения устройства. После взаимодействия с микродисплеем 3 пучки с информацией об изображении посылаются в противоположном направлении через четвертьволновую пластину 4, отражаются от поляризационных светоделителей 5 и 6 и направляются вдоль световода 7.
Рабочая поверхность микродисплея 3 соединена с четвертьволновой пластиной 4 и световодом 7 с помощью оптического контакта, иммерсионной жидкостью или с помощью воздушного зазора.
Таким образом, каждый пучок дважды проходит через четвертьволновую пластину 4 изменяя направления поляризации на ортогональное направление, s- и p-типа соответственно, благодаря чему полностью отражается поляризационными светоделителями 5 и 6.
Согласно другому варианту настоящего изобретения (Фиг.4b) осветительный модуль расположен на торцевой поверхности световода 7 и состоит из источника излучения 1 и конденсора 2.
Система для освещения микродисплея 3 содержит источник света 1, конденсор 2, образующий параллельный пучок света, входящий в световод 7. Осветительный модуль расположен на торцевой поверхности световода 7. Параллельный пучок естественно поляризованного света, проходящий через осветительную систему, направляется в световод 7, который разделяет свет на две части с помощью поляризационных светоделителей 5 и 6, при этом раздельные части пучка поляризуются в направлениях p- и s- соответственно.
Оба пучка проходят через четвертьволновую пластину 4, отражаются от отражающей поверхности 18, дважды проходят через четвертьволновую пластину 4 и освещают микродисплей 3 с синтезированным изображением, которое должно наблюдаться в поле зрения устройства. После взаимодействия с микродисплеем 3 пучки с информацией об изображении посылаются в обратном направлении через четвертьволновую пластину 4, отражаются от поляризационных светоделителей 5 и 6 и направляются вдоль световода 7.
Согласно другому варианту настоящего изобретения (Фиг.5a) отражательные поляризационные элементы 5, 6, 8, 9, выполненные в виде зеркал или отражательных призм 16 с углом наклона рабочей поверхности a3, служат для ортогонального наклона светового излучения. На Фиг.5 изображены следующие элементы: 16 - призма; 17 - призма Френеля; а3 - угол наклона рабочей поверхности призмы; а4 - угол наклона рабочей поверхности призмы Френеля; а5 - угол наклона призмы Френеля.
Согласно другому варианту настоящего изобретения (Фиг.5b) отражательные поляризационные элементы 5, 6, 8, 9, выполненные в виде призм Френеля 17 с углом наклона рабочей поверхности a4, служат для ортогонального наклона светового излучения.