СИСТЕМА РАСШИРЕНИЯ ОБЛАСТИ ВЫХОДНОГО ЗРАЧКА ВИЗУАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
SYSTEM FOR EXPANDING THE AREA OF THE EXIT PUPIL OF THE VISUAL OPTICAL SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к оптическим системам, позволяющим расширить область выходного зрачка визуальных оптических систем.
Описание предшествующего уровня техники
В настоящее время активно совершенствуются визуальные оптические системы, такие как системы дополненной реальности, окуляры и объективы оптических приборов (микроскопов, телескопов, прицелов и др.). Важнейшими характеристическими параметрами таких визуальных оптических систем, являются величина поля зрения (FoV) и размер области выходного зрачка. Анализ уровня техники, показывает, что в визуальных системах достаточно сложно одновременно обеспечить большую величину поля зрения (например, более 60 градусов), большой размер выходного зрачка (например, более 3 мм) при обеспечении требуемого качества или разрешения формируемого изображения (например, не хуже, чем предельный угол разрешения глаза, равный 1 угловой минуте). В известном уровне техники в устройствах для увеличения области выходного зрачка используется сложные элементы, причем известные устройства не являются универсальными, напротив, для каждой визуальной оптической системы необходимо конструировать отдельное устройство для увеличения области выходного зрачка.
Из уровня техники известен расширитель выходного зрачка, раскрытый в документе US 8508848 B2 (дата публикации 15.08.2013). Расширитель представляет собой волновод, излучение попадает внутрь волновода с помощью дифракционных элементов, распространяется внутри волновода и выводится с помощью дифракционных элементов. Известная система позволяет расширить область выходного зрачка, но имеет небольшую ширину (ограниченное значение горизонтальной величины поля зрения) поля зрения и сложную конструкцию, имеющую большие габаритные размеры. Кроме того, волноводные системы такого типа дают существенные потери энергии, поскольку излучение вынуждено распространяться вдоль больших дистанций в волноводе. Кроме того, такие системы имеют ограничения по дифракционной эффективности, однородности и яркости получаемого изображения, так как для ввода и выводаизлучения используется несколько дифракционных элементов.
Из уровня техники US 6829095 B2 (дата публикации 16.05.2001) известен расширитель оптического луча, представляющий собой волноводную систему, в которой излучение выводится в поле зрения с помощью полупрозрачных зеркал. Размер выходного зрачка связан с геометрическими параметрами расширителя, такими как толщина волновода и количество зеркальных элементов. Недостатками известной системы являются значительная толщина, то есть достаточно большие габаритные размеры, и сложность конструкции. Также с помощью известной системы невозможно получить достаточную величину поля зрения.
Необходима универсальная система расширения области выходного зрачка, которая может быть интегрирована в любую визуальную оптическую систему и может обеспечить большую область выходного зрачка наряду с сохранением большой величины поля зрения визуальной оптической системы, высокую дифракционную эффективность, однородность и яркость изображения.
Сущность изобретения
Предлагается система расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы, содержащая: волновод; дифракционную решетку, расположенную на поверхности волновода; причем параметры дифракционной решетки согласованы с параметрами волновода таким образом, что: дифракционная решетка выполнена с возможностью: разделения за счет дифракции излучения падающих на нее пучков по направлению распространения по крайней мере на два пучка, один из которых проходит сквозь волновод, преломляясь на его выходной поверхности, а второй, отражаясь от этой поверхности волновода, – вновь попадает на дифракционную решетку и разделяется по крайней мере на еще два пучка, один из которых снова проходит сквозь волновод, преломляясь на его выходной поверхности, а другой – продолжает распространяться в волноводе, формируя очередные пучки, таким образом, совокупность мультиплицированных лучей после волновода образует область выходного зрачка. То есть из волновода выходят пучки, не испытавшие полного внутреннего отражения в волноводе после отражения от выходной поверхности волновода.
Причем визуальной оптической системой может быть одно из устройств, представляющих собой: микроскоп, телескоп, прицел, устройство дополненной реальности, устройство, в котором изображение формируется в бесконечности. Причем дифракционная решетка является отражательной. Причем дифракционная решетка является пропускающей. Причем дифракционная решетка может представлять собой дифракционный оптический элемент. Причем дифракционная решетка может представлять собой голографический оптический элемент. Причем дифракционная решетка может быть одномерной. Причем дифракционная решетка может быть двумерной. Причем волновод может иметь изогнутую форму. Причем дифракционная решетка может быть дифракционной решеткой Брэгга.
Также предлагается визуальная оптическая система, содержащая систему расширения области выходного зрачка во всех раскрытых вариантах воплощения. Причем система расширения области выходного зрачка может быть расположена на выходе визуальной оптической системы. Причем визуальная оптическая система излучает многоспектральное излучение. Причем визуальная оптическая система может излучать моноспектральное излучение. Причем система расширения области выходного зрачка может работать на просвет. Причем система расширения области выходного зрачка может работать на отражение.
Также предлагается способ работы системы расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы, содержащий этапы, на которых: подают пучки излучения от визуальной оптической системы на систему расширения области выходного зрачка; формируют за счет дифракции каждого из пучков излучения, падающих на дифракционную решетку от визуальной оптической системы, по меньшей мере два порядка дифракции так что: один из упомянутых по меньшей мере двух порядков дифракции выходит со стороны поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, и образует единицу выходного зрачка визуальной оптической системы; при этом остальные пучки излучения: претерпевают полное внутреннее отражение от поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, и возвращаются на дифракционную решетку, каждый из пучков излучения, возвратившихся к дифракционной решетке, разделяется посредством дифракционной решетки на по меньшей мере два пучка излучения, один из которых выходит со стороны поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, образуя единицу выходного зрачка визуальной оптической системы; причем образованные единицы выходного зрачка визуальной оптической системы образуют совокупность мультиплицированных лучей в области выходного зрачка визуальной оптической системы.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 иллюстрирует телецентрический ход лучей в объектном пространстве.
Фиг. 2a иллюстрирует ход лучей в предлагаемой системе расширения области выходного зрачка.
Фиг. 2b иллюстрирует ход лучей от объекта до области выходного зрачка визуальной оптической системы при использовании системы расширения области выходного зрачка, и формирование расширенной области выходного зрачка.
Фиг. 2c иллюстрирует работу системы расширения области выходного зрачка на отражение.
Фиг. 3a иллюстрирует неоднородное (дискретное) заполнение области выходного зрачка.
Фиг. 3b иллюстрирует однородное заполнения области выходного зрачка.
Фиг. 4 иллюстрирует пространственную схему устройства дополненной реальности, в которой используется предлагаемая система расширения области выходного зрачка, причем HOE– комбайнер и дифракционная решетка работают на просвет.
Фиг. 5а показан HOE–комбайнер, работающий на просвет, содержащий систему расширения области выходного зрачка, с дифракционной решеткой, работающей на отражение.
Фиг. 5b показан HOE–комбайнер, работающий на отражение, содержащий систему расширения области выходного зрачка, с дифракционной решеткой, работающей на просвет.
Фиг. 6 иллюстрирует использование одномерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка.
Фиг. 7 иллюстрирует использование двумерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка.
Фиг. 8 иллюстрирует систему расширения области выходного зрачка, в которой дифракционная решетка расположена внутри волновода.
Фиг. 9a иллюстрирует появление в области выходного зрачка паразитной засветки.
Фигура 9b иллюстрирует систему расширения области выходного зрачка, имеющую изогнутую форму.
Подробное описание изобретения
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание системы расширения (мультипликации) области выходного зрачка, которая имеет низкие потери энергии излучения, попадающего на нее, является компактной, универсальной и легко интегрируемой в любую визуальную оптическую систему.
Техническими результатами, на достижение которых направлено предлагаемое изобретение являются:
универсальность, компактность, высокая дифракционная эффективность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка,
возможность расширения области выходного зрачка наряду с сохранением большой величины поля зрения визуальной оптической системы,
обеспечение однородности и яркости получаемого изображения,
возможность использования многоспектрального излучения.
Для решения поставленной задачи и достижения технических результатов предлагается компактная система расширения области выходного зрачка на основе волновода с одной дифракционной решеткой, представляющей собой либо дифракционный оптический элемент (DOE), либо голографический оптический элемент (HOE), причем одна дифракционная решетка используется как для ввода излучения, так и для вывода излучение.
Предлагаемая система может использоваться для расширения области выходного зрачка визуальных оптических систем таких как, например, окуляры оптических приборов. Как известно, окуляр оптической системы – это элемент оптической системы, обращенный к глазу наблюдателя, окуляр является частью оптического прибора (видоискателя, дальномера, бинокля, микроскопа, телескопа и так далее), предназначенной для рассматривания изображения, формируемого объективом или главным зеркалом прибора. Предлагаемая система расширения области выходного зрачка устанавливается в визуальной оптической системе, или устройством дополненной реальности (AR) с объединителем изображений (комбайнером), использующим HOE/DOE, объединяющим изображение окружающей среды и изображение, созданное внутренним дисплеем, и т.п.
Предлагаемая система расширения области выходного зрачка является компактной и универсальной, причем компактность и универсальность определяется использованием только одного элемента DOE/HOE) для ввода и вывода излучения, причем волновод, используемый в предлагаемой системе не должен обладать высоким качеством. За счет предлагаемой конструкции заметно уменьшаются габаритные размеры системы расширения области выходного зрачка, то есть предлагаемую систему возможно использовать в различных оптических системах, без изменения габаритных размеров этих визуальных оптических систем.
Выходной зрачок визуальной оптической системы – это та область, в пределах которой наблюдатель видит изображение. Другими словами, выходной зрачок – это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка визуальной оптической системы является то, что в любой его точке существуют все поле изображения. Размножая (расширяя, мультиплицируя) выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров визуальной оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры визуальной оптической системы. Применение волноводной оптики позволяет это делать без существенного увеличения габаритов визуальной оптической системы за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода.
Под областью выходного зрачка понимается область, доступная обзору зрачка глаза человека с любой позиции зрачка глаза (при смещении зрачка глаза).
Под величиной поля зрения понимается угловое пространство, видимое глазом при фиксированном положении зрачка и неподвижной голове. Когда величина поля зрения большая, то глаз может видеть большую часть пространства предметов. Однако при смещении зрачка глаза, например, на несколько миллиметров в сторону, поле зрения обрезается, и кажется, что величина поля зрения уменьшилась. Это происходит из–за того, что область выходного зрачка визуальной оптической системы мала, и при смещении зрачка глаза эта область не полностью попадает в зрачок глаза или совсем не попадает.
Под дифракционной эффективностью подразумевается свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы, и представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку.
На фигуре 1 схематически показан телецентрический ход лучей в объектном пространстве, при использовании визуальной оптической системы 2 (на фигуре 1 визуальная оптическая система 2 показана условно) в общем случае, без применения предлагаемой системы расширения области выходного зрачка.
Размер поля зрения визуальной оптической системы вычисляется по формуле:
(1)
Размер выходного зрачка визуальной оптической системы вычисляется по формуле:
(2)
S – размер объекта (выражается в миллиметрах);
F – фокусное расстояние объектива 2 (выражается в миллиметрах);
FoV – величина поля зрения системы (выражается в градусах);
E – размер области выходного зрачка (выражается в миллиметрах);
Le – расстояние от объектива 2 визуальной оптической системы до зрачка 1a глаза 1 (выражается в миллиметрах);
D – размер апертуры объектива 2 визуальной оптической системы (выражается в миллиметрах);
Из формул (1) и (2) следует, что без использования с визуальной оптической системой 2 предлагаемой системы расширения области выходного зрачка, размер E области выходного зрачка ограничен величиной FoV поля зрения, которая, в свою очередь, ограничивается фокусным расстоянием F визуальной оптической системы и размером S объекта. Чем большую область пространства предметов (то есть объект) пользователь хочет увидеть, тем больше должна быть величина FoV поля зрения. Фокусное расстояние F визуальной системы 2 также должно быть небольшим, чтобы система была компактной, что необходимо, например, в очках дополненной реальности. Согласно формулам (1) и (2), в общем случае существует обратная зависимость между величиной FoV поля зрения и величиной E области выходного зрачка. В рядовой визуальной оптической системе 2 невозможно добиться одновременно большой величины FoV поля зрения и большой величины E области выходного зрачка без использования дополнительных элементов. Таким универсальным и компактным дополнительным элементом и является предлагаемая система расширения области выходного зрачка.
Ключевым элементом предлагаемой системы расширения области выходного зрачка является волноводная дифракционная решетка, при использовании которой дифракционные порядки существуют только в волноводе (в свободном пространстве их нет). Дифракционная решетка должна быть рассчитана под определенные углы падения излучения на данную решетку. Эти углы падения определяются апертурным углом визуальной оптической системы. Другими словами, из визуальной оптической системы выходят лучи под определенными углами к оптической оси, далее они падают на решетку под этими углами. Дифракционная решетка для системы расширения области выходного зрачка должна быть рассчитана таким образом, чтобы существовала только три порядка дифракции «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый), и чтобы эти порядки дифракции распространялись в материале волновода.
(3)
n1 – показатель преломления перед системой расширения области выходного зрачка;
n2 – показатель преломления волновода;
М – количество порядков дифракции;
d – период решетки;
1
2
ϴ – углы падения излучения на данную решетку, а именно – ϴ – угол падения на решетку, ϴ – угол дифракции – угол, на который отклонится излучение внутри волновода для М–го порядка;
λ – длина волны излучения, падающего на дифракционную решетку;
T –частота дифракционной решетки – величина, обратная периоду Т=1/d,(штрих/мм), если d выражено в мм)
Согласно формуле (3), рассчитывается плоская дифракционная решетка для задачи расширения области выходного зрачка. Подбор параметров дифракционной решетки, таких как период решетки (постоянный или переменный), глубина рельефа, тип профиля (штрихов), ориентация штрихов, происходит под конкретную функцию, которую должна выполнять дифракционная решетка в устройстве, в данном случае функция состоит в расширении области выходного зрачка. Параметры дифракционной решетки зависят от:
– углов падения излучения от визуальной оптической системы на дифракционную решетку,
– материала волновода, на котором располагается дифракционная решетка,
– требуемой величины области расширения выходного зрачка.
Необходимо заметить, что функционал дифракционной решетки определяется:
– для голографического способа записи конфигурацией схемы записи, пространственным расположением источников записи относительно друг друга и соотношением мощностей их излучения;
– для литографического способа записи заранее известной структурой дифракционной решетки, определенной из моделирования и расчета.
Согласно предварительному теоретическому и компьютерному моделированию параметры решетки и волновода должны оказаться согласованными, чтобы совокупность этих элементов работала на расширение области выходного зрачка.
То есть, для системы расширения области выходного зрачка параметры дифракционной решетки рассчитываются таким образом, чтобы существовало только три порядка дифракции «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый), и чтобы эти порядки дифракции распространялись в материале волновода с минимум одним отражением от поверхности волновода в условии полного внутреннего отражения (ПВО), исключая нулевой порядок дифракции. Излучение, содержащееся в нулевом порядке, претерпевает преломление на границе материала волновода и воздуха и выходит из расширителя.
Ключевым элементом предлагаемой системы расширения области выходного зрачка является волновод, позволяющий получить волноводный режим распространения падающего излучения. Достижение волноводного режима заключается в соблюдении условия, при котором угол падающего излучения от «–1» и «+1» порядков дифракции равен или больше угла полного внутреннего отражения (ПВО). Существует зависимость между параметрами волновода и его функционалом, в лучшем исполнении волновод должен быть тонким, чтобы излучение, выходящее из него, располагалось однородно, тогда область расширения выходного зрачка будет более однородной.
Таким образом, чтобы получилось свойство расширения области выходного зрачка, параметры волновода и дифракционной решетки должны быть согласованы, чтобы получилось такое новое свойство расширения диапазона выходного зрачка.
Из уровня техники хорошо известны методы создания дифракционных решеток, например, рельефные дифракционные решетки наносятся травлением через маски или наноимпринтингом, голографические дифракционные решетки записываются интерференционной картиной и т.п.
В настоящем изобретении может использоваться как планарный волновод, так и не планарный волновод, на котором записана/нанесена дифракционная решетка.
Необходимо отметить, что дифракционная решетка в общем случае выполняется на волноводе при изготовлении системы расширения области выходного зрачка. Для получения эффекта, состоящего в мультипликации падающих на такую систему лучей без изменения их свойств, параметры дифракционной решетки и волновода должны быть согласованы при изготовлении. Запись происходит на подложке, на которую нанесен фоторезистивный материал. Данная подложка может уже по сути выполнять функцию волновода, тогда решетка записывается сразу на подложке из нужного материала и нужной толщины, то есть рассчитанных под визуальную оптическую систему, в которой планируется использовать систему расширения области выходного зрачка, и параметры этой подложки согласованы с параметрами записываемой на ней дифракционной решетки. Либо после записи на фоторезистивном материале проявляют полученный рельеф решетки и копируют, перенося этот рельеф на фотополимер, по сути тонкую пленку. Далее фотополимер любым известным способом наносится на нужный волновод. При этом параметры волновода и решетки должны быть согласованы, как описано выше, что позволяет решить задачу расширения области выходного зрачка.
При изготовлении система расширения области выходного зрачка рассчитывается под определенные углы падения, определяемые апертурным углом визуальной оптической системы. Одна и та же система расширения области выходного зрачка может быть интегрирована и корректно работать в разных визуальных оптических системах, если апертурной угол этих визуальных оптических систем не превышает или равен апертурному углу, для которого был рассчитана система расширения области выходного зрачка, этим определяется универсальность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка. То есть у системы расширения области выходного зрачка есть угловой диапазон, в котором она может функционировать корректно. Этот диапазон – размер выходного апертурного угла визуальной оптической системы.
Пример.
Система расширения области выходного зрачка была рассчитана для системы с апертурным углом 60°. Такая система расширения области выходного зрачка может быть также использована в системе с угловым полем меньше 60° (например, 40°). Но если у визуальной оптической системы поле больше 60°, то система расширения области выходного зрачка с апертурным углом 60° не может применятся в этой системе, так как она будет функционировать некорректно.
На фиг. 2a показан ход лучей в предлагаемой системе 5 расширения области выходного зрачка. На фиг. 2b показано применение системы 5 расширения области выходного зрачка для расширения области 7 (фиг. 2b) выходного зрачка визуальной оптической системы 2 (фиг. 2b). Излучение от визуальной оптической системы (на фигурах 2a и 2b для наглядности показан тонкий параллельный пучок a и тонкий параллельный пучок b), попав на дифракционную решетку 3 распространяется в трех направлениях, при этом формируются «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый) порядки дифракции.
«0» порядок дифракции, пройдя волновод 4, полностью выходит из волновода 4 со стороны поверхности 6, противоположной поверхности, на которую нанесена дифракционная решетка 3, не отражаясь от поверхности 6, поскольку не удовлетворяет условию полного внутреннего отражения (ПВО). Набор «0» порядков дифракции от каждого параллельного пучка a и b собирается, как показано на фиг. 2b в области зрачка глаза 1a и, как показано на фиг. 2a, формирует 1–ю единицу выходного зрачка всей области 7 выходного зрачка, которая обведена на фиг. 2b окружностью и показана на фиг. 2a, как «1я единица».
Порядок дифракции «–1» проходит в волноводе 4 до поверхности 6, противоположной поверхности, на которую нанесена дифракционная решетка 3 и, за счет полного внутреннего отражения (ПВО) отражается от поверхности 6, проходит через волновод 4 обратно к дифракционной решетке 3, поскольку удовлетворяет условию ПВО. Попадая на дифракционную решетку 3 порядок дифракции «–1» делится на части. Здесь необходимо заметить, что, как указывалось выше, дифракционная решетка рассчитана таким образом, что при падении на нее луча под некоторым углом γ, этот луч раскладывается на три порядка дифракции, то есть «0» – выходит из волновода, «+1» и «–1» – отклоняются на угол α внутри волновода и пройдя волновод излучение от «+1» и «–1» порядков падает на ту же самую дифракционную решетку под углом α, следовательно, согласно свойствам дифракционной решетки, она отклонит падающий под углом α луч, на угол γ, при этом других порядков в случае падения под углом α на решетку не будет. То есть происходит распределенное взаимодействие излучения с дифракционной решеткой, что характерно для волноводного режима распространения. Выходные лучи при таком взаимодействии в точности соответствуют падающим лучам, то есть пространственно на выходе системы получаются те же самые волны, что были на входе системы. Итак, одна часть порядка дифракции «–1» откланяется от дифракционной решетки 3 идля этой части нарушается условие ПВО, поэтому эта часть выходит со стороны поверхности 6. Эта вышедшая из волновода 4 часть излучения будет участвовать в формировании 2–ой единицы выходного зрачка. Другая часть порядка дифракции «–1» дифрагирует на дифракционной решетке 3 и излучение продолжает распространяться в волноводе, как видно на фигуре 2a. После второго отражения от поверхности 6 часть излучения опять дифрагирует на дифракционной решетке, опять нарушается условие ПВО, и следующая вышедшая часть излучения будет участвовать в формировании 4–ой единицы выходного зрачка (на фигуре 2b не показана). Это же справедливо и для порядка «+1», из которого формируется, в частности 3–я единица выходного зрачка, как показано на фиг. 2a и 2b.
Как видно из фиг. 2b область 7 выходного зрачка (для наглядности обведена окружностью) представляет собой совокупность единиц выходного зрачка. Количество единиц выходного зрачка может быть любым необходимым для используемого устройства. Количество единиц выходного зрачка подбирается в зависимости от
а) величины получаемой единицы зрачка без системы расширения области выходного зрачка;
б) требуемой величины области выходного зрачка для корректной эксплуатации визуальной оптической системы.
.
Таким образом, изменением параметров дифракционной решетки и волновода, то есть, параметров системы расширения области выходного зрачка, можно добиться необходимого числа единиц выходного зрачка для необходимого увеличения (расширения) области выходного зрачка
Количество единиц выходного зрачка (степени мультипликации) регулируется толщиной волновода и углами дифракции. Расстояние между единицами выходного зрачка определяется толщиной, материалом волновода. Интенсивность излучения в каждой единице области расширения выходного зрачка зависит от дифракционной интенсивности решетки. Правильно рассчитанная и смоделированная система расширения области выходного зрачка позволяет получить заранее определенное количество единиц выходного зрачка. Таким образом можно регулировать степень мультипликации уже на этапе изготовления системы расширения области выходного зрачка.
Материалами волновода для предлагаемой системы расширения области выходного зрачка могут служить, например, оптическое бесцветное стекло, показатель преломления которого выбирается в зависимости от того, какое количество единиц выходного зрачка нужно получить, чем выше показатель преломления (флинтовые марки стекла), тем больше угол ПВО, тем дальше друг от друга будут разнесены единицы выходного зрачка. Чем ниже показатель преломления (кроновые марки стекла), тем меньше угол ПВО, тем ближе друг к другу будут расположены единицы выходного зрачка).
Описанный принцип распространения излучения соблюдается для каждого отдельного тонкого параллельного пучка излучения (пучки a и b на фигурах 2a и 2b), падающего на предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка.
Необходимо заметить, что предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка не чувствительна к смещениям (на фиг. 2b смещение обозначено, как «var») относительно визуальной оптической системы 2 и повороту относительно оптической оси 8 (оси визирования), поскольку изменение расстояния «var» не влияет на углы падения излучения от визуальной оптической системы 2 на систему 5 расширения области выходного зрачка, а именно от упомянутых углов зависит дальнейшее поведение излучения в расширителе – дифракция на решетке. С другой стороны, визуальные оптические системы, в которые интегрируется система расширения области выходного зрачка, формируют изображение на бесконечности, Вращение вокруг оптической оси также не влияет на упомянутые углы падения. Параметры системы расширения области выходного зрачка рассчитываются под углы падения, которые определяет визуальная оптическая система, эти углы находятся в диапазоне апертурного угла.
Расширение (мультиплицирование или повторение) области выходного зрачка в самом общем случае происходит следующим образом (показано на фиг. 2b). Объект рассматривается с помощью визуальной оптической системы 2, например, такой как устройство дополненной реальности, или окуляр микроскопа, телескопа, прицела и т.п., причем изображение объекта направляется в глаз 1, на сетчатке которого строится изображение этого предмета. То есть, параллельный пучок лучей, отраженных от объекта, проходит визуальную оптическую систему 2 и, попадая в зрачок 1a, фокусируется на сетчатке глаза 1. Для расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы 2 на выходе визуальной оптической системы 2 по ходу параллельного пучка лучей устанавливается предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка, которая делит параллельный пучок лучей на по меньшей мере два параллельных пучка лучей, каждый из которых участвует в формировании отдельной единицы выходного зрачка, тем самым увеличивая (расширяя) область выходного зрачка визуальной оптической системы 2.
Предлагаемая система расширения области выходного зрачка может применяться с оптическими приборами (визуальными оптическими системами), которые строят изображение в пределах от расстояния наилучшего зрения до бесконечности. На фиг. 2b показана предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка, интегрированная в визуальную оптическую систему 2.
Преимущество волноводного режима состоит в том, что потери излучения, распространяющегося в волноводе очень малы. Таким образом, поскольку в предлагаемой системе дифракционная решетка используется как для ввода, так и для вывода излучения и используется волноводный режим, то потери излучения сводятся к практически нулю, то есть все излучение от визуальной оптической системы участвует в формировании единиц выходного зрачка, составляющих область выходного зрачка. Кроме того, на выходе визуальной оптической системы должен быть параллельный пучок, так как приемником излучения является глаз. В глаз должен попадать параллельный пучок, который фокусируется хрусталиком (по сути собирающей линзой) на сетчатку, и человек четко видит объект. Если на выходе визуальной оптической системы образуется не параллельный пучок, изображение на сетчатке глаза будет размыто. То есть изображение будет построено не на сетчатке глаза, а перед сетчаткой глаза или за сетчаткой глаза. После прохождения излучения в виде параллельных пучков от визуальной оптической системы через предлагаемую систему расширения области выходного зрачка пучки излучения остаются параллельными.
Предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка может быть использована для визуальных систем, использующих как моноспектральное излучение, так и многоспектральное излучение, которое формирует цветное изображение, поскольку используется одна дифракционная решетка на ввод излучения внутрь волновода и на вывод излучения из волновода, и выполняются условия волноводного режима. То есть входное и выходное излучения, как описано выше, согласованы, т.е. что было на входе мультиплицируется, не меняя своих свойств.
Необходимо отметить, что предлагаемая система расширения области выходного зрачка может работать как на просвет, как описано выше и показано на фиг. 2b, так и на отражение.
На фиг. 2c схематично показана работа системы 5 расширения области выходного зрачка на отражение отражательной дифракционной решетки. Принцип работы состоит в следующем:
Входное излучение (параллельный пучок лучей) от визуальной оптической системы 2 падает на поверхность 6 волновода 4, противоположную поверхности волновода 4, на которую нанесена дифракционная решетка 3.
Преломленный в волноводе 4 параллельный пучок лучей падает под углом на дифракционную решетку 3 отражательного типа.
Пучок лучей, попав на отражательную дифракционную решетку 3, распространяется в трех направлениях, при этом формируются «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый) порядки дифракции.
«0» порядок дифракции, пройдя волновод 4, полностью выходит из волновода 4 со стороны поверхности 6, не отражаясь, поскольку не удовлетворяет условию полного внутреннего отражения (ПВО).
Набор «0» порядков дифракции от каждого параллельного пучка излучения собирается в области зрачка глаза 1a и формирует 1–ю единицу выходного зрачка всей области выходного зрачка (аналогично работе системы на просвет).
«+1» и «–1» порядки дифракции удовлетворяют условию ПВО и распространяются в волноводном режиме (как было описано для системы, работающей на просвет).
После первого отражения от поверхности 6 волновода 4, части излучения от «+1» и «–1» порядков дифракции снова попадают на дифракционную решетку 3, условие ПВО нарушается, и вышедшие из волновода 4 пучки излучения участвуют в формировании дополнительных единиц выходного зрачка. При этом часть излучения от этих порядков продолжает распространение в волноводе 4.
После второго отражения от поверхности волновода 6 часть излучения снова попадает на дифракционную решетку 3, условие ПВО нарушается, и вышедшие из волновода 4 пучки участвуют в формировании дополнительных единиц выходного зрачка (как это было описано для работы системы на просвет). Часть продолжает распространение по волноводу 4.
Также, как и для работы системы расширения области выходного зрачка на просвет, область выходного зрачка представляет собой совокупность единиц выходного зрачка. Как было указано выше, количество единиц выходного зрачка может быть любым, то есть, таким, которое необходимо для используемой визуальной оптической системы, что позволяет регулировать степень мультипликации. Как видно принцип распространения излучения в системе расширения области выходного зрачка, в которой используется дифракционная решетка отражательного типа, аналогичен принципу распространения, рассмотренному выше и показанному на фигурах 2a и 2b, где использовалась дифракционная решетка, работающая на просвет, отличие заключается лишь в ориентации системы расширения области выходного зрачка по ходу лучей визуальной оптической системы. В случае использования дифракционной решетки, работающей на просвет, излучение сначала проходит через дифракционную решетку 3, и область выходного зрачка формируется за системой 5 расширения области выходного зрачка (см. фиг. 2b). В случае использования отражательной дифракционной решетки 3 излучение сначала проходит через волновод 4, преломляясь, и попадает на дифракционную решетку 3, а область выходного зрачка формируется перед системой 5 расширения области выходного зрачка (см. фиг. 2с).
Проведенные эксперименты показывают, что благодаря применению предлагаемой системы расширения области выходного зрачка для визуальной оптической системы область выходного зрачка можно увеличить более чем в пять раз по сравнению с областью выходного зрачка визуальной оптической системы, в которой не применялась предлагаемая система расширения области выходного зрачка, при этом величина поля зрения визуальной оптической системы не уменьшается. Кроме того, поскольку в предлагаемой системе расширения области выходного зрачка излучение распространяется на очень короткие расстояния в волноводе, то потери энергии излучения минимальны.
Высокая дифракционная эффективность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка позволяет выполнить однородное заполнение области 7 выходного зрачка.
На Фиг. 3a показано неоднородное (дискретное) заполнение области 7 выходного зрачка. При таком заполнении области 7 выходного зрачка параллельными пучками 9, прошедшими визуальную оптическую систему 2 образуются «слепые зоны» 10, то есть зоны, при попадании в которые глаз не увидит границы отдельных единиц области выходного зрачка, так как в данной зоне отсутствует единица выходного зрачка. Дискретность области выходного зрачка зависит от двух параметров:
– от угла дифракции дифракционной решетки 3 (то есть угла ввода излучения в волновод) и
– от толщины и материала волновода (то есть от угла полного внутреннего отражения).
Комбинацией этих двух параметров можно регулировать повторяемость отражений в волноводе 4 и в конечном счете влиять на степень дискретности. Как показано на фиг. 3b, когда единиц выходного зрачка достаточно много, то есть, когда происходит заполнение области 7 выходного зрачка совокупностью единиц 11 выходного зрачка, дискретность пропадает, и область выходного зрачка становиться однородной.
Для того, чтобы изображение было однородным, энергия излучения в каждой единице выходного зрачка должна быть одинаковой, иначе в одном положении глаз будет видеть очень яркое изображение, а в другом положении глаз будет видеть очень тусклое изображение.
Выравнивание энергии излучения в каждой единице выходного зрачка достигается путем оптимизации параметров дифракционной решетки 3, для этого при изготовлении подбирают период дифракционной решетки таким образом, чтобы лучи на входе системы расширения области выходного зрачка и на выходе из нее были согласованы, при этом высота рельефа решетки подбирается таким образом, чтобы каждая единица выходного зрачка была равнояркой и одномерной. Система расширения области выходного зрачка имеет угловой диапазон, в котором она может функционировать корректно. Этот диапазон – размер выходного углового поля визуальной системы.
Пример.
Система расширения области выходного зрачка рассчитана для визуальной оптической системы с угловым выходным полем 60°. Такая система расширения области выходного зрачка может быть также использована в системе с угловым полем меньше 60° (например, 40°). Но если у визуальной оптической системы поле больше 60° рассматриваемая система расширения области выходного зрачка уже не может применятся в такой системе, так как система расширения области выходного зрачка в этом случае будет функционировать некорректно.
На фигуре 4 показана пространственная схема устройства дополненной реальности, в которой используется предлагаемая система расширения области выходного зрачка.
Излучение от источника F изображения попадает на комбайнер 12, объединяющий изображение окружающей среды и изображение, созданное источника F изображения (например, внутренним дисплеем). Комбайнер 12 формирует величину поля зрения устройства дополненной реальности и перенаправляет излучение на систему 5 расширения области 7 выходного зрачка. Система 5 расширения области выходного зрачка расширяет область 7 выходного зрачка устройства дополненной реальности, как описано выше. Необходимо отметить, что различные зоны (a, b, c, d на фиг. 4) системы 5 расширения области выходного зрачка перенаправляют излучение в глаз 1 под различными углами, полностью и однородно заполняя область 7 выходного зрачка совокупностью единиц 11 выходного зрачка, полученной за счет прохождения излучения системы дополненной реальности через предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка. В данном случае система 5 расширения области выходного зрачка для устройства дополненной реальности является двумерной, поскольку используется двумерная дифракционная решетка, то есть расширение области выходного зрачка возможно в двух взаимоперпендикулярных направлениях, но в одной плоскости.
Известно, что комбайнеры на основе голографического оптического элемента (HOE комбайнер) имеют малую область выходного зрачка, поэтому для расширения области выходного зрачка такого комбайнера полезно использовать предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка.
На фигурах 5a и 5b показана интеграция системы 5 расширения области выходного зрачка в устройство очков дополненной реальности с HOE–комбайнером (объединителем) 13.
На фигуре 5a изображен НОЕ–комбайнер 13, работающий на просвет. Изображение строится за НОЕ–комбайнером 13, то есть со стороны противоположной той, с которой НОЕ–комбайнер 13 подсвечивают. Система 5 расширения области выходного зрачка устанавливается за НОЕ–комбайнером 13, который находится ближе к глазу 1. Излучение от источника изображения F попадает на НОЕ–комбайнер 13, и поле зрения системы формируется наклонными параллельными пучками, далее пучки попадают в систему 5 расширения области выходного зрачка, идет формирование дополнительных единиц выходного зрачка, как описано выше. Лучи проходят второй раз через НОЕ–комбайнер 13 без взаимодействия с НОЕ–комбайнером 13, при этом НОЕ–комбайнер 13 не влияет на ход этих уже мультиплицированных лучей.
На фигуре 5b изображен НОЕ–комбайнер 13, работающий на отражение, то есть изображение строится перед НОЕ–комбайнером 13, с той же стороны что и подсветка НОЕ–комбайнера 13. В этом случае система 5 расширения области выходного зрачка устанавливается перед НОЕ–комбайнером 13, и при этом система расширения области выходного зрачка находится ближе к глазу 1 Также НОЕ–комбайнер 13 сначала формирует поле зрения, затем происходит расширение области выходного зрачка с помощью системы 5 расширения области выходного зрачка за счет образование дополнительных единицу выходного зрачка.
Поскольку предлагаемая система расширения области выходного зрачка имеет компактные размеры, то ее легко интегрировать в устройство дополненной реальности, практически не изменив при этом габаритные размеры и вес устройства дополненной реальности.
В случае использования одномерной дифракционной решетки, как показано на фигуре 6 в системе расширения области выходного зрачка, излучение от визуальной оптической системы 2 попадает на одномерную дифракционную решетку 3 и дифрагирует на ней. Прошедший и дифрагированные лучи лежат в одной плоскости. Как описано выше «0» порядок дифракции проходит, «+1» и «–1» порядки дифракции распространяются по направлению оси Х по волноводу 4 за счет явления ПВО, снова попадают на дифракционную решетку 3, нарушается условие ПВО, и лучи выходят из системы 5 расширения области выходного зрачка, формируя дополнительные единицы выходного зрачка вдоль одной оси Х, то есть область 7 выходного зрачка визуальной оптической системы расширяется только в одном направлении.
В отличие от одномерной дифракционной решетки в двумерной дифракционной решетке штрихи нанесены в двух ортогональных направлениях. В случае использования двумерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка, как показано на фигуре 7, излучение от визуальной оптической системы 2 попадает на двумерную дифракционную решетку 3 и дифрагирует на ней в двух направлениях (по Х и по У). Дальше повторяется принцип работы, как и для одномерной дифракционной решетки, только расширение области 7 выходного зрачка происходит по двум направлениям, и область 7 выходного зрачка расширяется не по одной координате, а по двум.
В одном из вариантов воплощения изобретения, как показано на фиг. 8 дифракционная решетка 3 может быть расположена внутри волновода 4. В этом случае излучение дифрагирует на дифракционной решетке 3, расположенной внутри волновода 4, и разделяется на две части. Одна часть излучения распространяется в части a волновода 4, расположенной по ходу лучей после дифракционной решетки 3, далее снова попадает на дифракционную решетку 3, нарушается условие ПВО, излучение выходит из системы 5, и формируются единицы выходного зрачка, также как и в случае расположения дифракционной решетки 3 на поверхности волновода 4. Другая часть излучения также испытывает дифракцию на дифракционной решетке 3, но распространяется в части b волновода, расположенной по ходу лучей до дифракционной решетки 3, затем снова дифрагирует на дифракционной решетке 3, и формируются дополнительные единицы выходного зрачка, позволяющие более однородно заполнить область 7 выходного зрачка.
На фигуре 9b показано, что система 5 расширения области выходного зрачка может представлять собой изогнутый волновод 4 с нанесенной на него дифракционной решеткой 3 (DOE/HOE). Благодаря изменению формы системы 5 расширения области выходного зрачка система 5 будет работать только для определенного угла падения, под который изогнутость системы 5 должна быть рассчитана, то есть осуществляется селективность по углу падения. Как показано на фиг. 9a, если на обычную неизогнутую дифракционную решетку 3 на плоском волноводе 4 будут падать лучи под разными углами, например, полезное излучение по углом и паразитная засветка под углом , то дифракция будет в обоих случаях, причем от паразитной засветки не будет единиц выходного зрачка, будет видно «радужное» пятно (рис. 9а). Такое явление может наблюдаться при использовании системы расширения области выходного зрачка в очках дополненной реальности с небольшой областью выходного зрачка. В этом случае, как показано на фигуре 9a, если сквозь визуальную оптическую систему будет виден дополнительный источник освещения (например, уличный фонарь, фара автомобиля и др), то излучение от этого дополнительного источника будет претерпевать дифракцию (но не мультипликацию) и появиться посторонняя засветка (в виде спектра («радуги»), например).
В случае же искривленного волновода 4, показанного на фиг. 9b, лучи, падающие под полезным углом , будут всегда направлены перпендикулярно поверхности волновода, поскольку у волновода появится дополнительный параметр, а именно – кривизна, который можно изменять и подбирать нужным образом под требуемый диапазон падающих углов (диапазон падающих углов задан визуальной системой, в которой планируется применение расширителя), следовательно, только для одного угла падения будет осуществляться расширение области 7 выходного зрачка.
В случае использования волновода 4, имеющего изогнутую форму, можно использовать дифракционные решетки Брэгга. Их преимущество состоит в том, что они имеют высокую дифракционную эффективность, они селективны по углу и длине волны. Дифракционные решетки Брэгга можно применять и в случае планарного волновода, если нужно повысить эффективность излучения, падающего под углом (на краю углового поля визуальной системы), так для луча, падающего перпендикулярно такой дифракционной решетке, на выходе получается излучение с минимальными потерями по энергии, а для луча, падающего под углом, в случае плоской дифракционной решетки потери будут большие. Если применять объемные Брэгговские решетки, то эффективность прохождения излучения, падающего под углом, через расширитель можно повысить.
Основное преимущество применения искривленного волновода в том, что расширитель с таким волноводом может быть внедрен в визуальные системы с очень большим угловым полем на выходе. Существует предел по углам падения на плоский расширитель, если угловое поле визуальной системы превышает угловой рабочий предел расширителя, выходной зрачок не будет корректно мультиплицироваться. Таким образом, при применении планарного волновода можно использовать дифракционные решетки любого типа, тогда система расширения области выходного зрачка может использоваться для систем с малым полем зрения; а при применении искривленного волновода можно использовать дифракционные решетки Брэгга, тогда система расширения области выходного зрачка может использоваться для широкопольных систем.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применений в оптических приборах в качестве компактного и удобного дополнительного элемента, расширяющего область выходного зрачка оптических приборов.
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.