IT201600096547A1 - OPTO-ELECTRONIC DEVICE FOR INCREASED REALITY APPLICATIONS - Google Patents
OPTO-ELECTRONIC DEVICE FOR INCREASED REALITY APPLICATIONSInfo
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Description
“DISPOSITIVO OPTO-ELETTRONICO PER APPLICAZIONI A REALTA’ "OPTO-ELECTRONIC DEVICE FOR REALITY APPLICATIONS
AUMENTATA” INCREASED "
CAMPO DI APPLICAZIONE FIELD OF APPLICATION
La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo opto-elettronico per applicazioni a realtà aumentata basato su dispositivi ottici olografici. The present invention relates to an opto-electronic device for augmented reality applications based on holographic optical devices.
In particolare, la presente invenzione ha per oggetto un dispositivo optoelettronico per applicazioni a realtà aumentata comprendente una lente “combiner” olografica e la descrizione che segue fa riferimento a questo campo di applicazione per semplificarne la descrizione. In particular, the present invention relates to an optoelectronic device for augmented reality applications comprising a holographic "combiner" lens and the following description refers to this field of application to simplify the description.
Per lente combiner s’intende un elemento ottico parzialmente trasmissivo rispetto ad una radiazione elettromagnetica proveniente dall’esterno che, allo stesso tempo è capace di sovrapporre immagini digitali provenienti da un display. By combiner lens we mean an optical element that is partially transmissive with respect to electromagnetic radiation coming from the outside which, at the same time, is capable of superimposing digital images from a display.
Il combiner è un elemento ottico che reindirizza l’immagine digitale proiettata da un display verso il campo di vista di un utente, in modo che questi possa contemporaneamente visualizzare la scena retrostante e l’immagine proiettata dal display, combinate in una scena detta ‘a realtà aumentata’. The combiner is an optical element that redirects the digital image projected from a display towards the field of view of a user, so that he can simultaneously view the scene behind and the image projected by the display, combined in a scene called 'a augmented reality'.
TECNICA NOTA TECHNIQUE NOTE
Sono noti sistemi chiamati Head Mounted Displays (di seguito, HMD) di tipo “see-through”, cioè occhiali che sono in grado di abilitare la visione di scene a realtà aumentata tramite la sovrapposizione di immagini provenienti da un display sul panorama di una scena reale. Systems called Head Mounted Displays (hereinafter, HMD) of the "see-through" type are known, ie glasses that are able to enable the viewing of augmented reality scenes by superimposing images from a display on the panorama of a scene real.
Grazie a tali sistemi l’utente è in grado di vedere immagini provenienti da un display, le quali si sovrappongono ad un’immagine della scena reale osservabile attraverso le lenti stesse dell’occhiale, potendo così visualizzare un’immagine combinata, più propriamente detta “aumentata”, termine da cui deriva l’espressione specifica di “occhiali a realtà aumentata”. L’immagine combinata o “aumentata” è costituita dalla scena reale, normalmente osservata dall’utente, “aumentata” da quella di tipo CGI (Computer-Generated Imagery), che invece proviene dal display, anche detta “augmentation”. Thanks to these systems, the user is able to see images coming from a display, which are superimposed on an image of the real scene observable through the glasses themselves, thus being able to view a combined image, more properly called " augmented ”, a term from which the specific expression of“ augmented reality glasses ”derives. The combined or "augmented" image is made up of the real scene, normally observed by the user, "augmented" by that of the CGI (Computer-Generated Imagery) type, which instead comes from the display, also called "augmentation".
L’utente è quindi in grado di vedere, contemporaneamente, scena reale e scena virtuale. The user is therefore able to see, at the same time, the real scene and the virtual scene.
La scrivente ha rilevato che nel caso degli occhiali a realtà aumentata di tipo see-through, (‘vedere attraverso’) le lenti raramente sono completamente trasparenti, come invece sarebbe auspicabile, ma possono essere di impedimento alla visione naturale e confortevole della realta’ presente sullo sfondo, a causa della loro specifica conformazione. Dipendendo dalla tecnologia adottata, infatti, queste lenti possono essere lenti scure, spesso necessarie per portare l’immagine un contrasto ottimale, oppure contenere al loro interno, in forma puntuale e discreta oppure distribuita, elementi ottici come prismi, lamelle o altre interfacce che alterano la visione, comportando una percezione complessiva non nitida. The writer noted that in the case of see-through augmented reality glasses, the lenses are rarely completely transparent, as it would be desirable, but they can be an impediment to the natural and comfortable vision of the present reality. in the background, due to their specific conformation. Depending on the technology adopted, in fact, these lenses can be dark lenses, often necessary to bring the image an optimal contrast, or contain within them, in a punctual and discrete or distributed form, optical elements such as prisms, blades or other interfaces that alter vision, resulting in an overall unclear perception.
La scrivente ha rilevato che, in questi occhiali, le immagini digitali provenienti da un display vengono portate in modo per sé noto nel campo di visione dell’utente attraverso un cammino ottico che dipende dallo specifico design realizzato. Questo cammino ottico può includere fra i suoi vari elementi anche le lenti dell’occhiale, quando queste siano previste. L’immagine proveniente dal display è visualizzata nello spazio di fronte all’utente. The writer has found that, in these glasses, the digital images from a display are brought in a known way into the user's field of vision through an optical path that depends on the specific design created. This optical path can include among its various elements also the lenses of the glasses, when these are foreseen. The image from the display is displayed in the space in front of the user.
La scrivente ha rilevato che la distanza di tale immagine dagli occhi dello stesso utente e le sue dimensioni sono parametri strettamente correlati e definiti in funzione del layout ottico complessivo. In particolare, un’opportuna distanza di focalizzazione della scena virtuale abilita l’utente alla messa a fuoco contemporanea della scena reale e di quella virtuale. In questo modo le due scene di differente natura vengono integrate per sovrapposizione ottenendo un’immagine aumentata complessivamente a fuoco. The writer has pointed out that the distance of this image from the eyes of the same user and its dimensions are strictly correlated parameters defined according to the overall optical layout. In particular, an appropriate focusing distance of the virtual scene enables the user to focus simultaneously on the real and virtual scene. In this way, the two scenes of different nature are integrated by superimposition, obtaining an overall increased image in focus.
L’elemento responsabile di tale integrazione è detto lente “combiner”, termine derivante dalla sua specifica funzione di combinare le scene sopra descritte: questo elemento ha un ruolo chiave all’interno del layout dell’occhiale. The element responsible for this integration is called "combiner" lens, a term deriving from its specific function of combining the scenes described above: this element plays a key role within the eyewear layout.
In particolare le lenti combiner olografiche con luce non monocromatica incidente su di esse hanno la funzionalità di elementi riflettenti, ma con angoli di lavoro definibili in fase di design ed il cui funzionamento si svincola dal noto processo di riflessione lungo un’interfaccia in presenza di salto di indice di rifrazione, dove l’angolo di riflessione è uguale all’angolo di incidenza secondo la nota legge di Snell, come per i noti specchi. In particular, holographic combiner lenses with non-monochromatic light incident on them have the functionality of reflective elements, but with working angles that can be defined during the design phase and whose operation is free from the known reflection process along an interface in the presence of a jump. of refractive index, where the angle of reflection is equal to the angle of incidence according to the well-known Snell's law, as for the well-known mirrors.
Svantaggiosamente, le intrinseche caratteristiche dispersive del campo diffratto possono avere un effetto di blurring sull’immagine riflessa. Disadvantageously, the intrinsic dispersive characteristics of the diffracted field can have a blurring effect on the reflected image.
Sono note anche lenti combiner olografiche realizzate come HOE (cioè come Holographic Optical Element) di volume. Holographic combiner lenses made as volume HOE (i.e. as Holographic Optical Element) are also known.
Svantaggiosamente, pur fornendo un’alta efficienza di riflessione in uno stretto intervallo di lunghezze d’onda, centrato su un predeterminato valore e, allo stesso tempo, un’elevata trasmissività che viene mantenuta in tutto il restante spettro complementare alla lunghezza d’onda, tali lenti combiner possono dare origine a fastidiose aberrazioni cromatiche, in quanto la luce non monocromatica viene propagata ad angoli differenti a seconda delle lunghezze d’onda secondo l’equazione del reticolo di diffrazione m = (sin sin ), con m ordine di diffrazione, lunghezza d’onda della luce incidente, passo reticolare dell’ologramma, e angolo di ingresso e di uscita rispettivamente. Disadvantageously, while providing a high reflection efficiency in a narrow range of wavelengths, centered on a predetermined value and, at the same time, a high transmissivity that is maintained throughout the remaining spectrum complementary to the wavelength, such combiner lenses can give rise to annoying chromatic aberrations, as the non-monochromatic light is propagated at different angles depending on the wavelengths according to the equation of the diffraction grating m = (sin sin), with m order of diffraction, wavelength of incident light, lattice pitch of the hologram, and angle of entry and exit respectively.
Il problema della compensazione delle aberrazioni cromatiche rimane uno fra i principali problemi aperti nel campo delle tecniche olografiche applicate ad occhiali HMD e non ha ancora trovato un’efficiente soluzione. Tipicamente le lenti combiner olografiche, possono essere inserite nel layout generale degli HMD nella forma di una o più unità a sé stanti, con distribuzione discreta, o come parti di un sistema integrato in guida d’onda. The problem of chromatic aberration compensation remains one of the main open problems in the field of holographic techniques applied to HMD glasses and has not yet found an efficient solution. Typically, holographic combiner lenses can be inserted in the general layout of the HMDs in the form of one or more units in their own right, with discrete distribution, or as parts of an integrated waveguide system.
Nella configurazione in guida d’onda, i combiner vengono utilizzati in entrata ed uscita di una guida d’onda trasparente, normalmente realizzata in vetro o in materiale polimerico, la quale è parte del cammino ottico, e porta le immagini generate dal display fino al campo di visione dell’utente. E’ noto che, in generale, HMD che implementano guide d’onda utilizzano sorgenti laser. In the waveguide configuration, the combiners are used in the input and output of a transparent waveguide, normally made of glass or polymeric material, which is part of the optical path, and carries the images generated by the display up to user's field of vision. It is known that, in general, HMDs that implement waveguides use laser sources.
Svantaggiosamente, tali HMD sono soggetti a noti limiti specifici quali ghost images, dovute a interferenze di luce coerente fra riflessioni multiple dell’immagine, speckle, limitazione della visione laterale (importante per l’equilibrio dell’utilizzatore in movimento e che impedisce anche di vedere bene gli oggetti posti lateralmente), fragilità dell’elemento quando il materiale utilizzato per la guida d’onda è vetro, e in generale un aspetto estetico piuttosto pesante. Un’altra problematica per gli occhiali a realtà aumentata in generale e per gli HMD in particolare, è l’autonomia energetica. Disadvantageously, such HMDs are subject to known specific limits such as ghost images, due to interference of coherent light between multiple reflections of the image, speckle, limitation of lateral vision (important for the balance of the user in movement and which also prevents seeing objects placed laterally), fragility of the element when the material used for the waveguide is glass, and in general a rather heavy aesthetic appearance. Another problem for augmented reality glasses in general and for HMDs in particular, is energy autonomy.
Una buona autonomia energetica è normalmente difficile da ottenere, volendo mantenere un approccio al design degli occhiali di tipo ’lightweight’. Good energy autonomy is normally difficult to achieve, wanting to maintain a 'lightweight' approach to eyewear design.
È fondamentale tener presente che una bassa autonomia energetica rappresenta ancora oggi uno degli aspetti che più fortemente contribuiscono ad ostacolare lo sviluppo del settore delle tecnologie di tipo wearable, tenuto anche conto della mancanza di disponibilità di batterie sufficientemente durature ed allo stesso tempo miniaturizzate. It is essential to bear in mind that low energy autonomy still represents one of the aspects that most strongly contribute to hindering the development of the wearable technology sector, also taking into account the lack of availability of sufficiently durable and at the same time miniaturized batteries.
Scopo generale della presente invenzione è fornire un dispositivo optoelettronico a realtà aumentata che superi i problemi della tecnica nota. Scopo specifico della presente invenzione è quello di proporre un nuovo dispositivo opto-elettronico per applicazioni a realtà aumentata che abbia un elevato campo di visione compatibilmente con il suo fattore di forma, che sia trasparente, che abbia una selettività spettrale elevata caratterizzato da una notevole nitidezza d'immagine, con una selettività angolare che rappresenti un compromesso fra una pupilla di uscita di discrete dimensioni e la possibilità di inibire eventuali riflessioni spurie provenienti dall’esterno dell'occhiale, che sia facilmente miniaturizzabile, di costo contenuto, il cui basso consumo permetta una notevole durata della batteria. The general purpose of the present invention is to provide an augmented reality optoelectronic device which overcomes the problems of the known art. The specific purpose of the present invention is to propose a new opto-electronic device for augmented reality applications which has a high field of vision compatibly with its form factor, which is transparent, which has a high spectral selectivity characterized by a remarkable sharpness. image, with an angular selectivity that represents a compromise between an exit pupil of fair size and the possibility of inhibiting any spurious reflections coming from the outside of the glasses, which is easily miniaturized, of low cost, whose low consumption allows a remarkable battery life.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
In un primo aspetto dell’invenzione, questi ed altri scopi vengono ottenuti con un sistema opto-elettronico per applicazioni a realtà aumentata, in accordo con l’annessa rivendicazione 1. In a first aspect of the invention, these and other purposes are achieved with an opto-electronic system for augmented reality applications, in accordance with the attached claim 1.
Il sistema opto-elettronico per applicazioni a realtà aumentata comprende una montatura di occhiale atta ad essere indossata da un utente. The opto-electronic system for augmented reality applications includes a frame of glasses designed to be worn by a user.
La montatura di occhiale comprende una porzione frontale, disposta frontalmente al capo dell’utente, atta a supportare almeno una lente, ed almeno una porzione laterale di sostegno, disposta lateralmente al capo dell’utente, e raccordata con la porzione frontale in modo da consentire un sostegno della montatura sul capo dell’utente; The eyeglass frame comprises a front portion, arranged in front of the user's head, adapted to support at least one lens, and at least a lateral support portion, arranged laterally to the user's head, and connected to the front portion so as to allow a support for the frame on the user's head;
La montatura di occhiale è atta ad essere accoppiata ad un dispositivo opto-elettronico comprendente: The spectacle frame is adapted to be coupled to an opto-electronic device comprising:
un dispositivo di illuminazione a LED configurato per emettere un primo fascio elettromagnetico di luce LED; an LED lighting device configured to emit a first electromagnetic beam of LED light;
un display configurato per ricevere informazioni di codifica di immagini digitali e per modulare il primo fascio elettromagnetico, proveniente dal dispositivo di illuminazione a led, in funzione delle informazioni di codifica ricevute determinando un secondo fascio elettromagnetico configurato per trasportare l’informazione dell’immagine; a display configured to receive digital image coding information and to modulate the first electromagnetic beam, coming from the LED lighting device, according to the coding information received, determining a second electromagnetic beam configured to carry the image information;
un dispositivo ottico di proiezione configurato per proiettare il secondo fascio elettromagnetico; an optical projection device configured to project the second electromagnetic beam;
un filtro interferenziale passabanda a banda stretta configurato per filtrare spettralmente il fascio elettromagnetico secondo una banda spettrale stretta. a narrow band-pass interference filter configured to spectrally filter the electromagnetic beam according to a narrow spectral band.
La montatura d’occhiale comprende almeno una lente combiner, montata sulla porzione frontale, comprendente un elemento olografico interposto tra un primo strato protettivo prossimale agli occhi dell’utente ed un secondo strato protettivo distale rispetto agli occhi dell’utente, The eyeglass frame includes at least one combiner lens, mounted on the front portion, comprising a holographic element interposed between a first protective layer proximal to the user's eyes and a second protective layer distal to the user's eyes,
Preferibilmente, la lente combiner è atta a: Preferably, the combiner lens is adapted to:
ricevere il secondo fascio elettromagnetico incidente sul primo strato protettivo; receiving the second electromagnetic beam incident on the first protective layer;
riflettere, nel campo visivo dell’utente (U), il secondo fascio elettromagnetico; reflect, in the user's visual field (U), the second electromagnetic beam;
lasciare trasparire un’immagine dalla scena reale incidente sul secondo strato protettivo in modo che entri nel campo visivo dell’utente combinandosi con detto secondo fascio elettromagnetico; allow an image from the real incident scene to shine through on the second protective layer so that it enters the user's field of vision by combining with said second electromagnetic beam;
La sovrapposizione del secondo fascio elettromagnetico e dell’immagine reale determina una visione a realtà aumentata per l’utente. The superimposition of the second electromagnetic beam and the real image results in an augmented reality view for the user.
Aspetti vantaggiosi sono descritti nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 11. Advantageous aspects are described in the dependent claims 2 to 11.
In un secondo aspetto dell’invenzione, questi ed altri scopi vengono raggiunti con un metodo di visualizzazione di immagini a realtà aumentata in accordo con l’annessa rivendicazione 18. In a second aspect of the invention, these and other purposes are achieved with an augmented reality image display method in accordance with the attached claim 18.
Il metodo di visualizzazione di immagini a realtà aumentata comprende le fasi di: The method of viewing augmented reality images includes the steps of:
predisporre una montatura di occhiale atta ad essere indossata da un utente, in cui la montatura comprende una porzione frontale, disposta frontalmente al capo dell’utente, atta a supportare almeno una lente, ed almeno una porzione laterale di sostegno, disposta lateralmente al capo dell’utente, e raccordata con la porzione frontale in modo da consentire un sostegno della montatura sul capo dell’utente; providing an eyeglass frame suitable for being worn by a user, in which the frame comprises a front portion, arranged in front of the user's head, adapted to support at least one lens, and at least a lateral support portion, arranged laterally to the head of the user, and connected to the front portion so as to allow the frame to be supported on the user's head;
accoppiare alla montatura di occhiale un dispositivo opto-elettronico comprendente un dispositivo di illuminazione a LED configurato per emettere un primo fascio elettromagnetico di luce LED; coupling to the eyeglass frame an opto-electronic device comprising an LED lighting device configured to emit a first electromagnetic beam of LED light;
nel dispositivo opto-elettronico, eseguire le fasi di: in the opto-electronic device, carry out the following steps:
generare il primo fascio elettromagnetico di luce LED; generate the first electromagnetic beam of LED light;
ricevere informazioni di codifica di immagini digitali e modulare il primo fascio elettromagnetico proveniente dal dispositivo di illuminazione a LED, in funzione delle informazioni di codifica ricevute determinando un secondo fascio elettromagnetico configurato per trasportare l’informazione dell’immagine; receive digital image coding information and modulate the first electromagnetic beam coming from the LED lighting device, according to the coding information received, determining a second electromagnetic beam configured to carry the image information;
proiettare il secondo fascio elettromagnetico; project the second electromagnetic beam;
filtrare spettralmente il fascio elettromagnetico, ad una banda spettrale stretta; spectrally filtering the electromagnetic beam, to a narrow spectral band;
predisporre almeno una lente combiner montata sulla porzione frontale comprendente un elemento olografico interposto tra un primo strato protettivo prossimale agli occhi dell’utente ed un secondo strato protettivo distale rispetto agli occhi dell’utente; prepare at least one combiner lens mounted on the front portion comprising a holographic element interposed between a first protective layer proximal to the user's eyes and a second protective layer distal to the user's eyes;
nella lente combiner eseguire le fasi di: in the combiner lens perform the steps of:
ricevere il secondo fascio elettromagnetico incidente sul primo strato protettivo; receiving the second electromagnetic beam incident on the first protective layer;
riflettere nel campo visivo dell’utente il secondo fascio elettromagnetico; lasciare trasparire un‘immagine dalla scena reale incidente sul secondo strato protettivo in modo che entri nel campo visivo dell’utente combinandosi con il secondo fascio elettromagnetico; reflect the second electromagnetic beam in the user's field of view; allow an image from the real incident scene to shine through on the second protective layer so that it enters the user's field of vision by combining with the second electromagnetic beam;
in cui la sovrapposizione del secondo fascio elettromagnetico e dell’immagine reale determina una visione a realtà aumentata per l’utente. In un terzo aspetto dell’invenzione, questi ed altri scopi vengono raggiunti da una lente combiner, in accordo con l’annessa rivendicazione 12. in which the superimposition of the second electromagnetic beam and the real image results in an augmented reality view for the user. In a third aspect of the invention, these and other purposes are achieved by a combiner lens, in accordance with the attached claim 12.
La lente combiner comprende un primo strato protettivo prossimale all’utente; The combiner lens includes a first protective layer proximal to the user;
un secondo strato protettivo distale rispetto all’utente; a second protective layer distal to the user;
un elemento olografico interposto tra il primo e il secondo strato protettivo. L’elemento olografico è configurato per: a holographic element interposed between the first and the second protective layer. The holographic element is configured for:
ricevere un secondo fascio elettromagnetico, configurato per: trasportare l’informazione di un’immagine, ad un angolo d’incidenza; riflettere verso l’utente il secondo fascio elettromagnetico ad un angolo di riflessione programmabile rispetto all’angolo d’incidenza. receive a second electromagnetic beam, configured to: carry the information of an image, at an angle of incidence; reflect the second electromagnetic beam towards the user at a programmable reflection angle with respect to the angle of incidence.
Aspetti vantaggiosi sono descritti nelle rivendicazioni dipendenti da 13 a 17. Advantageous aspects are described in the dependent claims 13 to 17.
In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, l’invenzione descrive occhiali a realtà aumentata comprendenti un dispositivo optoelettronico di proiezione non in guida d'onda, integrato preferibilmente nell'asta dell'occhiale e una lente combiner olografica con ottima trasparenza all'immagine reale proveniente dall'esterno e con un’altissima efficienza di riflessione dell'immagine proveniente dal dispositivo ottico di proiezione, in cui la combinazione delle due immagini determina l’effetto di realtà aumentata. In a preferred embodiment of the invention, the invention describes augmented reality glasses comprising an optoelectronic projection device not in waveguide, preferably integrated into the eyeglass shaft and a holographic combiner lens with excellent transparency to the image. from the outside and with a very high reflection efficiency of the image coming from the optical projection device, in which the combination of the two images determines the effect of augmented reality.
In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la lente combiner e il dispositivo opto-elettronico di proiezione sono configurati per proiettare l'immagine aumentata nel campo visivo dell’utilizzatore, permettendo quindi contemporaneamente la visione all'infinito della scena reale da parte dell'utilizzatore. In a preferred embodiment of the invention, the combiner lens and the opto-electronic projection device are configured to project the augmented image into the user's field of view, thus allowing the user to simultaneously view the real scene at infinity. 'user.
La tecnologia introdotta dalla presente invenzione abilita la percezione di scene a realtà aumentata con immagini nitide, garantendo contemporaneamente un design light-weight con un alta qualità dell'esperienza complessiva, sia estetica che di percezione nell'utilizzo (User Experience). The technology introduced by the present invention enables the perception of augmented reality scenes with clear images, simultaneously guaranteeing a light-weight design with a high quality of the overall experience, both aesthetic and perception in use (User Experience).
Gli occhiali dell’invenzione conseguono i seguenti effetti tecnici: The glasses of the invention achieve the following technical effects:
- assenza di aberrazioni cromatiche e distorsioni; - absence of chromatic aberrations and distortions;
- fattore di forma minimo e leggero che consente una predisposizione di un design gradevole e comodo; - minimal and light form factor that allows a predisposition of a pleasant and comfortable design;
- lunga durata della batteria, non essendo richieste sorgenti di illuminazione laser; - long battery life, as no laser light sources are required;
- semplicità del layout e quindi alta affidabilità del sistema; - simplicity of the layout and therefore high reliability of the system;
- nessun restringimento laterale del campo di visione dell'utilizzatore nella zona di inserzione dell'immagine proveniente dal display nella lente; - no lateral narrowing of the user's field of vision in the area of insertion of the image coming from the display into the lens;
- nessuna ostruzione del campo di visione dell'utilizzatore; - no obstruction of the user's field of vision;
- non è richiesto all’utilizzatore di ruotare gli occhi in direzioni diverse da quella naturale individuata dall'asse oculare (configurazione look at o look around) per potere osservare l’immagine aumentata, permettendo quindi all’utilizzatore di poter apprezzare interamente la scena che ha davanti a sé (configurazione “see through”). - the user is not required to rotate the eyes in directions other than the natural one identified by the ocular axis (look at or look around configuration) to be able to observe the augmented image, thus allowing the user to fully appreciate the scene that has in front of it (“see through” configuration).
- possibilità di configurare un corretto matching tra gli indici di rifrazione del componente olografico e dei substrati adiacenti, garantendo l’ottenimento di buone caratteristiche ottiche dell'immagine, e la possibilità di integrare il componente olografico in lenti utilizzate abitualmente nella produzione di occhiali, che si basano sull'utilizzo di materiali polimerici o plastici. - possibility of configuring a correct matching between the refractive indices of the holographic component and the adjacent substrates, guaranteeing the achievement of good optical characteristics of the image, and the possibility of integrating the holographic component in lenses usually used in the production of glasses, which are based on the use of polymeric or plastic materials.
In particolare rispetto ai noti sistemi di illuminazione a sorgenti laser, l’utilizzo di un dispositivo di illuminazione a led consente di ottenere i seguenti effetti tecnici: In particular, compared to known laser source lighting systems, the use of a LED lighting device allows for the following technical effects:
- consumi molto inferiori; - much lower consumption;
- minore ingombro; - smaller footprint;
- qualità dell’immagine superiore, essendo garantita l’assenza di speckle. Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati. - superior image quality, the absence of speckle being guaranteed. Further characteristics and advantages of the invention will appear from the detailed description which follows, carried out purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings.
L’invenzione nella sua totalità consegue l’effetto tecnico di un’alta efficienza in termini della qualità dell’immagine proiettata nel campo di vista dell’utente. The invention in its entirety achieves the technical effect of a high efficiency in terms of the quality of the image projected in the user's field of view.
L’effetto tecnico è ottenuto tramite: The technical effect is obtained through:
- modulazione di un primo fascio elettromagnetico di luce LED e generazione di un secondo fascio elettromagnetico d’immagine; - modulation of a first electromagnetic beam of LED light and generation of a second electromagnetic image beam;
- azione congiunta di un filtro interferenziale a banda spettrale stretta con una lente combiner a banda angolare definita e banda spettrale stretta sintonizzata con quella del filtro interferenziale, in cui il filtro interferenziale filtra spettralmente o il primo fascio elettromagnetico proveniente dal led oppure o il secondo fascio elettromagnetico d’immagine, in cui il primo o il secondo fascio incidono sulla lente combiner. - joint action of a narrow spectral band interference filter with a combiner lens with a defined angular band and narrow spectral band tuned to that of the interference filter, in which the interference filter spectrally filters either the first electromagnetic beam coming from the LED or the second beam electromagnetic image, in which the first or second beam affects the combiner lens.
La combinazione di sorgente LED, filtro interferenziale e lente garantisce un’alta efficienza di diffrazione ed un’alta trasparenza dell’elemento olografico, realizzato nella lente combiner, nelle regioni spettrali complementari a quella di funzionamento. The combination of LED source, interference filter and lens guarantees a high diffraction efficiency and high transparency of the holographic element, made in the combiner lens, in the spectral regions complementary to that of operation.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La figura 1A è una vista dall’alto del sistema opto-elettronico della presente invenzione in una prima forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 1A is a top view of the opto-electronic system of the present invention in a first embodiment of the present invention.
La figura 1B è una vista schematica delle componenti e dei fasci elettromagnetici operanti nel sistema di figura 1A..La figura 2A è una vista dall’alto del sistema opto-elettronico della presente invenzione in un seconda forma di realizzazione. Figure 1B is a schematic view of the components and electromagnetic beams operating in the system of Figure 1A .. Figure 2A is a top view of the opto-electronic system of the present invention in a second embodiment.
La figura 2B è una vista schematica delle componenti e dei fasci elettromagnetici operanti nel sistema di figura 2A.. Figure 2B is a schematic view of the electromagnetic components and beams operating in the system of Figure 2A ..
La figura 3A è una vista dall’alto del sistema opto-elettronico della presente invenzione in un terza forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 3A is a top view of the opto-electronic system of the present invention in a third embodiment of the present invention.
La figura 3B è una vista schematica delle componenti e dei fasci elettromagnetici operanti nel sistema di figura 3A .La figura 4A è una vista dall’alto del sistema opto-elettronico della presente invenzione in un quarta forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 3B is a schematic view of the components and electromagnetic beams operating in the system of Figure 3A. Figure 4A is a top view of the opto-electronic system of the present invention in a fourth embodiment of the present invention.
La figura 4B è una vista schematica delle componenti e dei fasci elettromagnetici operanti nel sistema di figura 4B. Figure 4B is a schematic view of the electromagnetic components and beams operating in the system of Figure 4B.
La figura 5 è una rappresentazione schematica di una lente combiner secondo l’invenzione. Figure 5 is a schematic representation of a combiner lens according to the invention.
Le figure 6-11 rappresentano grafici di simulazione delle configurazioni strutturali e funzionali del sistema opto-elettronico della presente invenzione. Figures 6-11 show simulation graphs of the structural and functional configurations of the opto-electronic system of the present invention.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DETAILED DESCRIPTION
In sintesi, il sistema opto-elettronico della presente invenzione è un occhiale comprendente un dispositivo opto-elettronico che proietta immagini da un display verso lenti che includono una elemento olografico (HOE, Holographic Optical Element), definito lente “combiner”, il quale permette la proiezione delle immagini provenienti dal display verso il campo visivo dell’utilizzatore sovrapposte all’immagine del mondo reale che traspare dalla lente combiner. In summary, the opto-electronic system of the present invention is an eyewear comprising an opto-electronic device that projects images from a display towards lenses that include a holographic element (HOE, Holographic Optical Element), defined as a "combiner" lens, which allows the projection of the images coming from the display towards the user's visual field superimposed on the real world image that transpires from the combiner lens.
Con riferimento al gruppo di figure 1-4, è mostrato un sistema optoelettronico 1 per applicazioni a realtà aumentata. With reference to the group of Figures 1-4, an optoelectronic system 1 for augmented reality applications is shown.
La descrizione che segue sarà fatta con riferimento alle figure 1-4, salvo altrimenti indicato. The following description will be made with reference to Figures 1-4, unless otherwise indicated.
Il sistema comprende una montatura di occhiale 2 atta ad essere indossata da un utente. The system comprises a spectacle frame 2 adapted to be worn by a user.
La montatura di occhiale 2 comprende una porzione frontale 3, disposta frontalmente al capo dell’utente, atta a supportare almeno una lente 10. The eyewear frame 2 comprises a front portion 3, arranged in front of the user's head, designed to support at least one lens 10.
In una forma di realizzazione preferita, la porzione frontale 3 supporta due lenti 10. In a preferred embodiment, the front portion 3 supports two lenses 10.
La montatura di occhiale 2 comprende inoltre almeno una porzione laterale di sostegno 2a,2b, disposta lateralmente al capo dell’utente, e raccordata con la porzione frontale 3 in modo da consentire un sostegno della montatura 2 sul capo dell’utente. The eyewear frame 2 also comprises at least a lateral support portion 2a, 2b, arranged laterally to the user's head, and connected with the front portion 3 so as to allow the frame 2 to be supported on the user's head.
In una forma di realizzazione l’almeno una porzione laterale di sostegno 2a, 2b comprende due astine. In one embodiment the at least one lateral support portion 2a, 2b comprises two rods.
Secondo l’invenzione, la montatura di occhiale 2 è atta ad alloggiare almeno una lente combiner 10 montata sulla porzione frontale 3. According to the invention, the eyewear frame 2 is adapted to house at least one combiner lens 10 mounted on the front portion 3.
Secondo l’invenzione, la montatura di occhiale 2 è atta ad essere accoppiata ad un dispositivo opto-elettronico 4. According to the invention, the eyewear frame 2 is adapted to be coupled to an opto-electronic device 4.
In particolare il dispositivo opto-elettronico 4 può essere montato sulla montatura di occhiale 2 o su di un elemento ad essa solidale. In particular, the opto-electronic device 4 can be mounted on the eyeglass frame 2 or on an element integral with it.
In alternativa, il dispositivo opto-elettronico 4 può essere alloggiato nella montatura di occhiale 2 o nell’elemento ad essa solidale. Alternatively, the opto-electronic device 4 can be housed in the eyewear frame 2 or in the element integral with it.
In dettaglio, con riferimento alle figure 1-4, il dispositivo opto-elettronico 4 comprende un dispositivo di illuminazione a LED 6a configurato per emettere un primo fascio elettromagnetico FLED di luce LED. In generale, gli effetti tecnici garantiti dall’uso di una sorgente d’illuminazione a LED sono molteplici: ridotti consumi energetici (fondamentali in strumenti quali occhiali che non possono essere alimentati costantemente), ingombro ridotto, date le intrinseche dimensioni dei LED e, quindi, una facile integrazione su piattaforme elettroniche, facile pilotaggio, temperatura non elevata (e quindi non necessità di un sistema di raffreddamento, come avviene invece nel caso si utilizzi una sorgente laser come sistema di illuminazione) in completa compatibilità con occhiali indossabili in corrispondenza delle tempie. In detail, with reference to Figures 1-4, the opto-electronic device 4 comprises a LED lighting device 6a configured to emit a first FLED electromagnetic beam of LED light. In general, the technical effects guaranteed by the use of an LED lighting source are many: reduced energy consumption (fundamental in instruments such as glasses that cannot be constantly powered), small footprint, given the intrinsic dimensions of the LEDs and, therefore, , easy integration on electronic platforms, easy piloting, low temperature (and therefore no need for a cooling system, as is the case when using a laser source as a lighting system) in complete compatibility with glasses that can be worn at the temples .
Secondo l’invenzione, il dispositivo opto-elettronico 4 è configurato per ricevere in ingresso il primo fascio elettromagnetico FLED di luce LED. Il dispositivo opto-elettronico 4 comprende un display 6 configurato per ricevere informazioni di codifica Inf_COD di un’immagine digitale ImDGT e per modulare il primo fascio elettromagnetico FLED, proveniente dal dispositivo di illuminazione a led 6a, in funzione delle informazioni di codifica Inf_COD ricevute. According to the invention, the opto-electronic device 4 is configured to receive the first FLED electromagnetic beam of LED light at the input. The opto-electronic device 4 comprises a display 6 configured to receive Inf_COD coding information of an ImDGT digital image and to modulate the first FLED electromagnetic beam, coming from the LED lighting device 6a, according to the Inf_COD coding information received.
Il display 6 determina quindi un secondo fascio elettromagnetico FIMM configurato per trasportare l’informazione dell’immagine ImDGT. The display 6 then determines a second FIMM electromagnetic beam configured to carry the information of the ImDGT image.
Il dispositivo opto-elettronico 4 comprende inoltre un dispositivo ottico di proiezione 6b configurato per proiettare il secondo fascio elettromagnetico FIMM. The opto-electronic device 4 further comprises an optical projection device 6b configured to project the second electromagnetic beam FIMM.
Il dispositivo opto-elettronico 4 comprende ulteriormente un filtro interferenziale passabanda 6C configurato per filtrare spettralmente il primo fascio elettromagnetico FLED, o il secondo fascio elettromagnetico FIMM secondo una banda spettrale BP. The opto-electronic device 4 further comprises a bandpass interference filter 6C configured to spectrally filter the first electromagnetic beam FLED, or the second electromagnetic beam FIMM according to a spectral band BP.
Secondo l’invenzione, il filtro interferenziale passabanda 6C è configurato per un filtraggio a banda spettrale stretta BP. According to the invention, the 6C bandpass interference filter is configured for BP narrow spectral band filtering.
La banda spettrale stretta BP caratteristica del filtro interferenziale passabanda 6c è compresa tra 1 e 10 nm FWHM Full Width Half Maximum; nel prosieguo della descrizione si vedrà come questo valore è legato anche ad altre specifiche caratteristiche tecniche dell’invenzione. In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la banda spettrale stretta BP è compresa tra 1nm e 3nm FWHM. The narrow spectral band BP characteristic of the bandpass interference filter 6c is between 1 and 10 nm FWHM Full Width Half Maximum; in the rest of the description it will be seen how this value is also linked to other specific technical characteristics of the invention. In a preferred embodiment of the invention, the narrow spectral band BP is between 1nm and 3nm FWHM.
L’effetto tecnico di una banda spettrale stretta va letto non a sé, ma in combinazione con l’effetto tecnico garantito dall’uso di un dispositivo di illuminazione a LED. The technical effect of a narrow spectral band should be read not by itself, but in combination with the technical effect guaranteed by the use of a LED lighting device.
Combinando, infatti, una sorgente di illuminazione a LED, ed un filtro interferenziale passabanda a banda stretta, come qui sopra descritto, in sostituzione di configurazioni a sorgenti laser, l’immagine ottenuta in uscita dal dispositivo opto-elettronico 4, cioè il secondo fascio elettromagnetico FIMM, risulta come un'immagine nitida, senza speckle, né aberrazioni cromatiche apprezzabili. In fact, by combining a LED lighting source and a narrowband bandpass interference filter, as described above, in place of laser source configurations, the image obtained at the output of the opto-electronic device 4, i.e. the second beam electromagnetic FIMM, results as a clear image, without speckle, nor appreciable chromatic aberrations.
Infatti, la combinazione della sorgente di illuminazione a LED e del filtro interferenziale passabanda a banda stretta consente l’emissione di un fascio di luce quasi-monocromatico, molto vicino al fascio monocromatico generato da una sorgente laser. In fact, the combination of the LED lighting source and the narrowband bandpass interference filter allows the emission of a quasi-monochromatic light beam, very close to the monochromatic beam generated by a laser source.
Da quanto detto, è evidente che nella presente invenzione, benché sia stato scelto per motivi di convenienza tecnica di non utilizzare una sorgente laser, in primo luogo per l’insufficiente autonomia energetica garantita dalle soluzioni che sfruttano tale sorgente, è stato comunque riprodotto un fascio quasi-monocromatico, cioè assimilabile a quello di una sorgente laser, ma con tutti gli effetti tecnici vantaggiosi delle sorgenti a LED. From what has been said, it is evident that in the present invention, although it was chosen for reasons of technical convenience not to use a laser source, primarily due to the insufficient energy autonomy guaranteed by the solutions that exploit this source, a beam was nevertheless reproduced quasi-monochromatic, that is, similar to that of a laser source, but with all the advantageous technical effects of LED sources.
Secondo l’invenzione, il primo fascio elettromagnetico FLED è intrinsecamente collimato. According to the invention, the first FLED electromagnetic beam is intrinsically collimated.
In altre parole, il dispositivo di illuminazione a LED 6a è configurato per emettere un primo fascio elettromagnetico FLED di luce LED già intrinsecamente collimato. In other words, the LED lighting device 6a is configured to emit a first FLED electromagnetic beam of LED light already intrinsically collimated.
In alternativa, il sistema opto-elettronico 1 comprende almeno una lente di collimazione a monte del filtro interferenziale passabanda 6C ed a valle del dispositivo di illuminazione a LED 6a. Alternatively, the opto-electronic system 1 comprises at least one collimating lens upstream of the band-pass interference filter 6C and downstream of the LED lighting device 6a.
Preferibilmente, l’almeno una lente di collimazione è in ingresso al filtro interferenziale passabanda 6C. Preferably, the at least one collimating lens is at the input of the bandpass interference filter 6C.
Preferibilmente, il secondo fascio elettromagnetico FIMM viene collimato prima di essere trasmesso alla lente combiner 10 tramite un apposito dispositivo di collimazione, in particolare il dispositivo ottico di proiezione 6b. Preferably, the second electromagnetic beam FIMM is collimated before being transmitted to the combiner lens 10 by means of a suitable collimation device, in particular the optical projection device 6b.
Ne consegue che il secondo fascio elettromagnetico FIMM incide sulla lente combiner 10 come fascio collimato. It follows that the second electromagnetic beam FIMM affects the combiner lens 10 as a collimated beam.
sistema opto-elettronico della Filtraggio e collimazione del fascio luminoso incidente garantiscono ulteriormente l’effetto tecnico di una banda passante stretta. opto-electronic system of Filtration and collimation of the incident light beam further guarantee the technical effect of a narrow passband.
Gli effetti tecnici descritti sono garantiti in tutte le forme di realizzazione del presente invenzione che verranno ora descritte in dettaglio. The technical effects described are guaranteed in all embodiments of the present invention which will now be described in detail.
Con particolare riferimento alle figure 1A e 1B, in una prima forma di realizzazione dell’invenzione, il filtro interferenziale passabanda 6C è disposto dopo il dispositivo di illuminazione a LED 6a. With particular reference to figures 1A and 1B, in a first embodiment of the invention, the bandpass interference filter 6C is arranged after the LED lighting device 6a.
Con particolare riferimento alle figure 2A e 2B, in una seconda forma di realizzazione dell’invenzione, il filtro interferenziale passabanda 6C è disposto dopo il dispositivo ottico di proiezione 6b. With particular reference to figures 2A and 2B, in a second embodiment of the invention, the bandpass interference filter 6C is arranged after the optical projection device 6b.
Con particolare riferimento alle figure 3A, e 3B, in una terza forma di realizzazione dell’invenzione, il filtro interferenziale passabanda 6C è disposto dopo il dispositivo di illuminazione a LED 6a. With particular reference to figures 3A and 3B, in a third embodiment of the invention, the bandpass interference filter 6C is arranged after the LED lighting device 6a.
Inoltre, il dispositivo opto-elettronico di elaborazione 4 comprende mezzi di deviazione di fascio 6d interposti tra il dispositivo di illuminazione a LED 6a e il display 6, in particolare tra il dispositivo di illuminazione a LED 6a 6a e il filtro interferenziale passabanda 6c. Furthermore, the opto-electronic processing device 4 comprises beam deflection means 6d interposed between the LED lighting device 6a and the display 6, in particular between the LED lighting device 6a 6a and the band-pass interference filter 6c.
Ulteriormente, il dispositivo opto-elettronico 4 comprende mezzi riflettivi di rimando 6f configurati per ricevere il secondo fascio elettromagnetico FIMM ridirezionarlo in riflessione verso il dispositivo ottico di proiezione 6b. Furthermore, the opto-electronic device 4 comprises returning reflective means 6f configured to receive the second electromagnetic beam FIMM redirecting it in reflection towards the optical projection device 6b.
Con particolare riferimento alle figure 4A e 4B, in una quarta forma di realizzazione dell’invenzione, il filtro interferenziale passabanda 6c è disposto dopo il dispositivo ottico di proiezione 6b. With particular reference to figures 4A and 4B, in a fourth embodiment of the invention, the bandpass interference filter 6c is arranged after the optical projection device 6b.
Inoltre, il dispositivo opto-elettronico 4 comprende mezzi di deviazione di fascio 6d interposti tra il dispositivo di illuminazione a LED 6a e il display 6. Ulteriormente, il dispositivo opto-elettronico 4 comprende i mezzi riflettivi di rimando 6f configurati per ricevere il secondo fascio elettromagnetico FIMM e ridirezionarlo in riflessione verso il dispositivo ottico di proiezione 6b. In tutte le forme di realizzazione dell’invenzione, il sistema opto-elettronico 1 dell’invenzione può comprendere dispositivi accessori disposti in almeno una delle porzioni laterale di sostegno 2a,2b, o in vani ad esse solidali. Furthermore, the opto-electronic device 4 comprises beam deflection means 6d interposed between the LED lighting device 6a and the display 6. Furthermore, the opto-electronic device 4 comprises the reflective returning means 6f configured to receive the second beam electromagnetic FIMM and redirect it in reflection towards the optical projection device 6b. In all embodiments of the invention, the opto-electronic system 1 of the invention can comprise accessory devices arranged in at least one of the lateral support portions 2a, 2b, or in compartments integral with them.
Preferibilmente il sistema opto-elettronico 1 comprende dispositivi di alimentazione 22 e/o porte di connessione 24, in particolare una porta micro USB), preferibilmente montati in almeno una delle porzioni laterale di sostegno 2a,2b o in vani ad esse solidali. Preferably the opto-electronic system 1 comprises power supply devices 22 and / or connection ports 24, in particular a micro USB port), preferably mounted in at least one of the lateral support portions 2a, 2b or in compartments integral with them.
Preferibilmente il sistema opto-elettronico 1 comprende dispositivi di gestione 26 montati in almeno una delle porzioni laterali di sostegno 2a,2b, o in vani ad esse solidali, in cui detti dispositivi sono atti a gestire le informazioni presenti sul display 6. Preferably the opto-electronic system 1 comprises management devices 26 mounted in at least one of the lateral support portions 2a, 2b, or in compartments integral with them, in which said devices are able to manage the information present on the display 6.
Preferibilmente il sistema opto-elettronico 1 comprende un microprocessore integrato 28, montato in almeno una delle porzioni laterali di sostegno 2a,2b, o in vani ad esse solidali, e configurato per una gestione dei componenti elettronici ed opto-elettronici del sistema 1 in cui il microprocessore 28 è configurato per controllare uno o più tra: Preferably the opto-electronic system 1 comprises an integrated microprocessor 28, mounted in at least one of the lateral support portions 2a, 2b, or in compartments integral with them, and configured for a management of the electronic and opto-electronic components of the system 1 in which the microprocessor 28 is configured to control one or more of:
- il sistema di illuminazione 6a; - the lighting system 6a;
- un sensore di illuminazione 14; - an illumination sensor 14;
- il display 6; - display 6;
- eventuali regolatori elettromeccanici 16, 18, 20; - any electromechanical regulators 16, 18, 20;
- sistemi di connessione 7 con apparecchiature esterne; - connection systems 7 with external equipment;
- i dispositivi di alimentazione 22; - the power supply devices 22;
- i dispositivi di gestione 26; - the management devices 26;
- la gestione del software di elaborazione delle immagini acquisite tramite la telecamera 12 e l’invio al display 6 delle immagini così rielaborate. - the management of the software for processing the images acquired through the camera 12 and sending the images thus processed to the display 6.
Preferibilmente il sistema opto-elettronico 1 è accoppiato ad’ un’unità di elaborazione 8. Preferably the opto-electronic system 1 is coupled to a processing unit 8.
L’unità di elaborazione 8 è configurata per comunicare con il display 6. In particolare, l’unità di elaborazione 8 è configurata per inviare informazioni di codifica Inf_COD di immagini digitali ImDGT al display 6 il quale proietta le informazioni, sotto forma di immagini, verso l’occhio dell’utilizzatore. The processing unit 8 is configured to communicate with the display 6. In particular, the processing unit 8 is configured to send coding information Inf_COD of ImDGT digital images to the display 6 which projects the information, in the form of images, towards the user's eye.
L’unità di elaborazione 8 è inoltre configurata per: Processing unit 8 is also configured for:
- ricevere ed elaborare informazioni provenienti da dispositivi presenti sugli occhiali, quali preferibilmente lo streaming di dati video proveniente dalla telecamera 12 o eventualmente parametri di stato del sistema-occhiale, come ad esempio, ma non limitatamente a, lo stato di carica del sistema di alimentazione 22, lo stato della connessione dei sistemi di connessione 7, la posizione GPS, o da altri dispositivi/sensori eventualmente installabili. Le immagini possono essere generate ad esempio da un cellulare 8c, un tablet 8b, un personal computer 8a o da altre fonti preferibilmente esterne all’occhiale, genericamente indicate come unita di elaborazione 8, e vengono inviate al display affinché da esso, come descritto in seguito, possano essere re-indirizzate verso il campo di visione dell’utente. Le informazioni portate dalle immagini e provenienti dal micro-display sono relative, ad esempio, ad SMS, e-mail, ad informazioni di un navigatore, oppure a funzioni del cellulare quali collegamento Internet, rubrica, calendario, agenda etc. - receive and process information from devices present on the glasses, such as preferably the streaming of video data from the camera 12 or possibly status parameters of the glasses system, such as, for example, but not limited to, the state of charge of the power supply system 22, the connection status of the connection systems 7, the GPS position, or any other devices / sensors that can be installed. The images can be generated for example by a mobile phone 8c, a tablet 8b, a personal computer 8a or from other sources preferably external to the glasses, generally referred to as processing unit 8, and are sent to the display so that, as described in subsequently, they can be redirected to the user's field of vision. The information brought by the images and coming from the micro-display are related, for example, to SMS, e-mail, to information from a navigator, or to mobile phone functions such as Internet connection, address book, calendar, agenda etc.
Alternativamente, in applicazioni dedicate quali quelle di occhiali per persone ipovedenti (low vision aids), le immagini provenienti dal display sono generate da una telecamera 12 posta sull’occhiale stesso e atta a acquisire immagini della scena reale posta di fronte all’occhiale. Tali immagini della scena reale vengono acquisite e rielaborate dalla telecamera, la quale produce in uscita corrispondenti immagini di tipo CGI. In tutte le forme di realizzazione dell’invenzione, il dispositivo optoelettronico 4 è configurato per proiettare immagini FIMM generate dal display 6, in funzione delle informazioni codificate Inf_COD, verso almeno una lente combiner 10 che include un elemento olografico 100. Alternatively, in dedicated applications such as those of glasses for visually impaired people (low vision aids), the images coming from the display are generated by a camera 12 placed on the glasses themselves and able to acquire images of the real scene placed in front of the glasses. These images of the real scene are acquired and reprocessed by the camera, which produces corresponding CGI images at the output. In all embodiments of the invention, the optoelectronic device 4 is configured to project FIMM images generated by the display 6, according to the information encoded Inf_COD, towards at least one combiner lens 10 which includes a holographic element 100.
Nella presente invenzione, la lente “combiner”, termine derivante dalla sua specifica funzione di combinare un’immagine ricevuta da una sorgente con un’immagine del reale posta sullo sfondo, ha un ruolo chiave all’interno del layout dell’occhiale. Secondo l’invenzione, il sistema optoelettronico 1 per applicazioni a realtà aumentata comprende l’almeno una lente combiner 10 montata sulla porzione frontale 3 della montatura di occhiale 2. In the present invention, the "combiner" lens, a term deriving from its specific function of combining an image received from a source with an image of reality placed in the background, plays a key role within the eyewear layout. According to the invention, the optoelectronic system 1 for augmented reality applications comprises at least one combiner lens 10 mounted on the front portion 3 of the eyewear frame 2.
Con particolare riferimento alla figura 5, la lente combiner 10 comprende l’elemento olografico 100 interposto tra un primo strato protettivo ST1 prossimale agli occhi dell’utente ed un secondo strato protettivo ST2 distale rispetto agli occhi dell’utente. With particular reference to Figure 5, the combiner lens 10 comprises the holographic element 100 interposed between a first protective layer ST1 proximal to the user's eyes and a second protective layer ST2 distal to the user's eyes.
La lente combiner 10 è atta a ricevere il secondo fascio elettromagnetico FIMM incidente sul primo strato protettivo ST1,. The combiner lens 10 is adapted to receive the second electromagnetic beam FIMM incident on the first protective layer ST1.
La lente combiner 10 è atta a riflettere, nel campo visivo dell’utente U, il secondo fascio elettromagnetico FIMM. The combiner lens 10 is designed to reflect, in the visual field of the user U, the second electromagnetic beam FIMM.
La lente combiner 10 è ulteriormente atta a lasciare trasparire un’immagine ImR dalla scena reale incidente sul secondo strato protettivo ST2 in modo che entri nel campo visivo dell’utente (U) combinandosi con il secondo fascio elettromagnetico FIMM. The combiner lens 10 is further adapted to reveal an ImR image from the real scene incident on the second protective layer ST2 so that it enters the user's field of view (U) combining with the second electromagnetic beam FIMM.
La descritta sovrapposizione del secondo fascio elettromagnetico FIMM e dell’immagine reale ImR determina una visione a realtà aumentata per l’utente U. The described superimposition of the second electromagnetic beam FIMM and the real ImR image results in an augmented reality view for user U.
In altre parole, la lente combiner e il dispositivo opto-elettronico di proiezione sono configurati per proiettare l'immagine digitale nel campo visivo dell’utilizzatore permettendo quindi contemporaneamente la visione all'infinito della scena reale da parte dell'utilizzatore. In other words, the combiner lens and the opto-electronic projection device are configured to project the digital image into the user's field of view, thus allowing the user to simultaneously view the real scene at infinity.
In una realizzazione, la lente combiner e il dispositivo opto-elettronico di proiezione sono configurati per portare l'immagine aumentata nel campo visivo dell’utilizzatore come se l’aumentazione provenisse dall'infinito. In one embodiment, the combiner lens and the opto-electronic projection device are configured to bring the augmented image into the user's field of view as if the augmentation came from infinity.
In un’altra realizzazione, la lente combiner e il dispositivo opto-elettronico di proiezione sono configurati per portare l'immagine aumentata nel campo visivo dell’utilizzatore come se l’aumentazione fosse proveniente da un punto a distanza finita; questa realizzazione è particolarmente utile in caso di occhiali per ipovedenti. In another embodiment, the combiner lens and the opto-electronic projection device are configured to bring the augmented image into the user's field of view as if the augmentation were coming from a point at a finite distance; this realization is particularly useful in the case of glasses for the visually impaired.
La combinazione di utilizzo di una lente olografica con una sorgente di illuminazione a LED con specifica banda passante stretta, cioè la banda passante stretta BP sopra descritta, garantisce in generale l’effetto tecnico di un’alta efficienza del sistema opto-elettronico della presente invenzione, come sarà di seguito discusso con una trattazione matematica. The combination of using a holographic lens with a LED lighting source with a specific narrow pass band, i.e. the narrow pass band BP described above, generally guarantees the technical effect of a high efficiency of the opto-electronic system of the present invention. , as will be discussed below with a mathematical treatment.
Secondo l’invenzione, l’elemento olografico 100 è fuori asse (off axis). In particolare, la lente combiner 10 olografica dell’invenzione ha la funzionalità di elemento riflettente, ma con angoli di lavoro definibili in fase di design ed il cui funzionamento si svincola dal noto processo di riflessione lungo un’interfaccia in presenza di salto di indice di rifrazione, dove l’angolo di riflessione è uguale all’angolo di incidenza, secondo la nota legge di Snell. According to the invention, the holographic element 100 is off axis. In particular, the holographic combiner lens 10 of the invention has the functionality of a reflecting element, but with working angles that can be defined during the design phase and whose operation is independent from the known process of reflection along an interface in the presence of a jump in the index of refraction, where the angle of reflection is equal to the angle of incidence, according to the well-known Snell's law.
Come è noto, tali lenti combiner sono elementi ottici caratterizzati da modalità che sono selettive sia dal punto di vista spettrale che angolare, mantenendo nel contempo una trasparenza generalmente molto elevata nella banda spettrale complementare a quella di riflessione. As is known, such combiner lenses are optical elements characterized by modes which are selective both from the spectral and angular point of view, while maintaining a generally very high transparency in the spectral band complementary to that of reflection.
In altre parole l’elemento olografico 100 è configurato per: In other words, the holographic element 100 is configured for:
- ricevere il secondo fascio elettromagnetico FIMM ad un angolo d’incidenza ( ) e - receive the second electromagnetic beam FIMM at an angle of incidence () e
- riflettere verso l’utente il secondo fascio elettromagnetico FIMM ad un angolo di riflessione programmabile rispetto all’angolo d’incidenza . In particolare, a seconda del progetto richiesto per gli specifici occhiali a realtà aumentata, l’angolo di riflessione potrà avere uno specifico valore diverso dall’angolo d’incidenza . - reflect the second electromagnetic beam FIMM towards the user at a programmable reflection angle with respect to the angle of incidence. In particular, depending on the project required for the specific augmented reality glasses, the angle of reflection may have a specific value different from the angle of incidence.
In alternativa, qualora il progetto lo richieda, i due angoli potranno avere lo stesso valore in modo che la lente olografica possa riprodurre le caratteristiche di un semplice specchio. Alternatively, if the project requires it, the two angles can have the same value so that the holographic lens can reproduce the characteristics of a simple mirror.
Preferibilmente il secondo fascio elettromagnetico FIMM deve incidere sull’elemento olografico 100 secondo una specifica curva di efficienza di diffrazione. Preferably the second electromagnetic beam FIMM must affect the holographic element 100 according to a specific diffraction efficiency curve.
Affinché il fascio uscente dal combiner possa essere percepito dall’utilizzatore agli angoli di lavoro dell’elemento olografico 100, è necessario ottimizzare la risposta angolare in efficienza dell’elemento stesso. In order for the beam exiting the combiner to be perceived by the user at the working angles of the holographic element 100, it is necessary to optimize the angular response in efficiency of the element itself.
Con riferimento alla figura 6, siccome l’angolo di incidenza ha un valore compreso tra 50° e 70°, l’efficienza del combiner deve essere centrata in questo range angolare. With reference to Figure 6, since the angle of incidence has a value between 50 ° and 70 °, the efficiency of the combiner must be centered in this angular range.
Figura 6: curva di efficienza del campo diffratto al primo ordine. Figure 6: efficiency curve of the first order diffracted field.
In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, l’angolo è prossimo a 60°, valore sul quale è centrato il massimo della curva di efficienza. In a preferred embodiment of the invention, the angle is close to 60 °, a value on which the maximum of the efficiency curve is centered.
Il range di valori ammessi per angoli di accettazione dell’ologramma è dipendente dalla curva di efficienza di figura 6, ed è definiti specificamente attraverso l’intervallo per cui l’efficienza è non trascurabile: per valori di angoli accettazione che cadono all’esterno di tale range, l’efficienza assume valori di diffrazione nulli; di conseguenza il campo non è ivi diffratto. La figura evidenzia un picco per un valore di prossimo a 60°. Il campo incidente secondo angoli sulla lente minori di 50° o maggiori di 70° non sarà diffratto con intensità sufficiente a generare diffrazioni spurie nell’occhio dell’utilizzatore. The range of values allowed for hologram acceptance angles depends on the efficiency curve of figure 6, and is specifically defined through the interval for which the efficiency is not negligible: for acceptance angles values that fall outside of this range, the efficiency assumes null diffraction values; consequently the field is not diffracted there. The figure highlights a peak for a value close to 60 °. The incident field according to angles on the lens less than 50 ° or greater than 70 ° will not be diffracted with sufficient intensity to generate spurious diffractions in the user's eye.
Data la larghezza minima della risposta spettrale e di quelle angolare, l’elemento olografico è efficace solamente in intervalli angolari e spettrali definiti. Pertanto, sarà minima la probabilità che luce proveniente dall’esterno incida all’angolo corretto e con la lunghezza d’onda “corretta” per poter ricostruire una ghost image o una riflessione spuria che cada nel campo di visione dell'utente in modo tale che questi lo possa percepire. In altre parole, sarà minima la probabilità che luce esterna, con una lunghezza d’onda e con angolazioni atte a produrre una non trascurabile illuminazione dell’occhio da parte del combiner, sia visibile dall’utilizzatore. In altre parole, la risposta angolare dell’ologramma è progettata per corrispondere sostanzialmente al campo di vista dell’utente, conservando un’alta qualità nella percezione complessiva. Given the minimum width of the spectral and angular response, the holographic element is effective only in defined angular and spectral ranges. Therefore, the likelihood that light coming from outside will strike at the correct angle and with the "correct" wavelength will be minimal in order to reconstruct a ghost image or a spurious reflection that falls into the user's field of vision in such a way that he can perceive it. In other words, the probability that external light, with a wavelength and with angles capable of producing a non-negligible illumination of the eye by the combiner, will be visible to the user will be minimal. In other words, the angular response of the hologram is designed to substantially correspond to the user's field of view, maintaining a high quality in the overall perception.
In questo modo si evita da un lato il vignetting del campo di vista dell’immagine (risposta angolare troppo piccola), dall’altro si minimizza la probabilità che luce ambientale possa essere diffratta efficientemente nell’occhio dell’utilizzatore (risposta angolare troppo larga). In this way, on the one hand, vignetting of the image field of view is avoided (angular response too small), on the other hand it minimizes the probability that ambient light can be efficiently diffracted in the user's eye (angular response too wide) .
L’ampiezza di questa banda angolare è scelta così stretta in modo tale da filtrare le riflessioni spurie provenienti da aree periferiche del campo visivo, evitando la contaminazione delle immagini percepite dall’utente con artefatti visivi non voluti e contribuendo alla nitidezza complessiva dell’immagine. The width of this angular band is chosen so narrow in such a way as to filter spurious reflections from peripheral areas of the visual field, avoiding contamination of the images perceived by the user with unwanted visual artifacts and contributing to the overall sharpness of the image.
Un effetto tecnico garantito dalla configurazione di lente olografica descritta è che il dispositivo di proiezione può essere fuori asse a secondo della necessità di progetto; secondo i principi della diffrazione, cade il vincolo di simmetria fra angolo incidente e riflesso che è invece tipico della rifrazione. A technical effect guaranteed by the holographic lens configuration described is that the projection device can be off-axis according to the design need; according to the principles of diffraction, the symmetry constraint between the incident and reflected angle, which is instead typical of refraction, falls.
In una forma di realizzazione, il dispositivo opto-elettronico 4 è montato sull’almeno una porzione laterale di sostegno 2a,2b in modo che il dispositivo ottico di proiezione 6b proietti il secondo fascio elettromagnetico FIMM verso la lente combiner 10 secondo l’angolo d’incidenza . In one embodiment, the opto-electronic device 4 is mounted on the at least one lateral support portion 2a, 2b so that the optical projection device 6b projects the second electromagnetic beam FIMM towards the combiner lens 10 according to the angle d incidence.
In particolare e vantaggiosamente, l’angolo d’incidenza è configurabile in funzione della posizione del dispositivo opto-elettronico 4 sull’almeno una porzione laterale di sostegno 2a,2b. In particular and advantageously, the angle of incidence can be configured according to the position of the opto-electronic device 4 on at least one lateral support portion 2a, 2b.
In un’altra forma di realizzazione, il dispositivo opto-elettronico 4 è montato sulla porzione frontale 3 superiormente o inferiormente rispetto alla lente combiner 10. In another embodiment, the opto-electronic device 4 is mounted on the front portion 3 above or below the combiner lens 10.
In una forma di realizzazione dell’invenzione, la porzione frontale 3 è configurata per supportare una lente di protezione 10b disposta distalmente dall’occhio dell’utente con una funzione di protezione della lente combiner 10. In an embodiment of the invention, the front portion 3 is configured to support a protective lens 10b disposed distally from the user's eye with a protective function of the combiner lens 10.
In altre parole, in questa forma di realizzativa la lente di protezione 10b è accoppiata alla lente combiner 10. In other words, in this embodiment the protective lens 10b is coupled to the combiner lens 10.
L’invenzione prevede una particolare conformazione di lente combiner 10, come mostrata in figura 5, che consente di ottenere gli effetti tecnici già descritti ed altri che verranno dettagliati qui di seguito. The invention provides for a particular conformation of combiner lens 10, as shown in figure 5, which allows to obtain the technical effects already described and others that will be detailed below.
Secondo l’invenzione, la lente combiner (10) comprende un primo strato protettivo ST1 prossimale all’utente, un secondo strato protettivo ST2 distale rispetto all’utente ed un elemento olografico 100 interposto tra il primo strato protettivo ST1 ed il secondo strato protettivo secondo ST2. Secondo l’invenzione, l’elemento olografico 100 è fuori asse (off axis). L’elemento olografico è configurato per ricevere un secondo fascio elettromagnetico FIMM, configurato per trasportare un’informazione di un’immagine ImDGT, ad un angolo d’incidenza e per riflettere verso l’utente il secondo fascio elettromagnetico FIMM ad un angolo di riflessione ( ) programmabile rispetto all’angolo d’incidenza . According to the invention, the combiner lens (10) comprises a first protective layer ST1 proximal to the user, a second protective layer ST2 distal to the user and a holographic element 100 interposed between the first protective layer ST1 and the second protective layer according to ST2. According to the invention, the holographic element 100 is off axis. The holographic element is configured to receive a second FIMM electromagnetic beam, configured to carry information from an ImDGT image, at an angle of incidence and to reflect the second electromagnetic FIMM beam at a reflection angle ( ) programmable with respect to the angle of incidence.
In particolare, l’angolo di riflessione potrà avere uno specifico valore diverso dall’angolo d’incidenza . In particular, the angle of reflection may have a specific value different from the angle of incidence.
In alternativa, i due angoli potranno avere lo stesso valore in modo che la lente olografica possa riprodurre le caratteristiche di un semplice specchio. Secondo l’invenzione, il secondo strato protettivo ST2 comprende un materiale fotocromatico PF prossimale all’elemento olografico 100. Alternatively, the two angles can have the same value so that the holographic lens can reproduce the characteristics of a simple mirror. According to the invention, the second protective layer ST2 comprises a photochromic material PF proximal to the holographic element 100.
In particolare, l’elemento olografico 100 è laminato sul materiale fotocromatico PF. In particular, the holographic element 100 is laminated on the PF photochromic material.
Preferibilmente, il materiale fotocromatico PF è materiale polimerico. Preferably, the PF photochromic material is polymeric material.
L'effetto tecnico della parte fotocromatica della lente dell'occhiale è quello di diminuire l’intensità di illuminazione necessaria ad avere un contrasto ottimale, soprattutto in condizioni di forte illuminazione, quando l'immagine proiettata deve essere molto chiara e questo richiede un notevole consumo della batteria. Quindi con l’utilizzo di lenti fotocromatiche il contrasto tra immagine proiettata e scena reale viene favorito. The technical effect of the photochromic part of the eyewear lens is to decrease the intensity of illumination necessary to have an optimal contrast, especially in strong lighting conditions, when the projected image must be very clear and this requires considerable consumption. battery. Therefore, with the use of photochromic lenses, the contrast between the projected image and the real scene is favored.
Schermando con lenti scure la luminosità ambientale, si può mantenere l’intensità della sorgente a livelli minori che in assenza di tali lenti. By shielding the ambient brightness with dark lenses, you can keep the intensity of the source at lower levels than in the absence of such lenses.
Quindi l'utilizzo di un componente olografico associato ad un substrato esterno fotocromatico permette di diminuire il consumo energetico complessivo della batteria del sistema, in particolare in funzione della luminosità ambientale . Therefore, the use of a holographic component associated with an external photochromic substrate allows to reduce the overall energy consumption of the system battery, in particular as a function of the ambient brightness.
In alcuni casi, sulla superficie del secondo strato protettivo ST2 è anche prevedibile la presenza di un rivestimento antiriflesso AR1 distale rispetto all’elemento olografico 100. In some cases, on the surface of the second protective layer ST2 it is also foreseeable the presence of an anti-reflective coating AR1 distal to the holographic element 100.
Secondo l’invenzione, il primo strato protettivo ST1 comprende un materiale trasparente PT prossimale all’elemento olografico 100 ed un rivestimento antiriflesso AR2 distale rispetto all’elemento olografico 100. Il materiale trasparente PT è configurato per consentire un passaggio in direzione dell’utente U del secondo fascio elettromagnetico FIMM riflesso dall’elemento olografico 100 e della luce proveniente dalla scena reale che si presenta frontalmente al secondo strato protettivo ST2, in modo che entri nel campo visivo dell’ utente combinandosi con il secondo fascio elettromagnetico (FIMM). According to the invention, the first protective layer ST1 comprises a transparent material PT proximal to the holographic element 100 and an anti-reflective coating AR2 distal to the holographic element 100. The transparent material PT is configured to allow a passage in the direction of the user U of the second electromagnetic beam FIMM reflected by the holographic element 100 and of the light coming from the real scene which is presented in front of the second protective layer ST2, so that it enters the visual field of the user combining with the second electromagnetic beam (FIMM).
In altre parole, lo strato ST2 lascia trasparire un’immagine ImR dalla scena reale incidente su di esso in modo che entri nel campo visivo dell’utente U combinandosi con il secondo fascio elettromagnetico FIMM. In other words, the ST2 layer reveals an ImR image from the real scene incident on it so that it enters the visual field of user U combining with the second electromagnetic beam FIMM.
Preferibilmente, il materiale trasparente PT è un materiale polimerico. La lente combiner 10 dell’invenzione comprende inoltre mezzi di accoppiamento MA interposti tra il primo strato protettivo ST1 e l’elemento olografico 100, in particolare una colla appositamente predisposta. Preferably, the transparent material PT is a polymeric material. The combiner lens 10 of the invention also comprises coupling means MA interposed between the first protective layer ST1 and the holographic element 100, in particular a specially prepared glue.
Si riporta una trattazione matematica realizzata da una delle titolari per meglio comprendere l’effetto tecnico di un’alta efficienza del sistema dell’invenzione in termini della qualità dell’immagine entrante nel campo di vista dell’utente riflessa dal combiner olografico descritto. Below is a mathematical discussion carried out by one of the owners to better understand the technical effect of the high efficiency of the system of the invention in terms of the quality of the image entering the user's field of view reflected by the holographic combiner described.
L’effetto tecnico è ottenuto, oltreché attraverso altri componenti, tramite l’azione congiunta e sintonizzata del filtro interferenziale a banda spettrale stretta, che filtra spettralmente l’immagine in ingresso alla lente combiner, e della stessa lente combiner a banda angolare definita e banda spettrale stretta sintonizzata con quella del filtro interferenziale; la combinazione di filtro e lente garantisce un’alta efficienza di diffrazione in linea con la figura 6, ed un’alta trasparenza dell’elemento olografico nelle regioni spettrali complementari a quella di funzionamento. The technical effect is obtained, as well as through other components, through the joint and tuned action of the narrow spectral band interference filter, which spectrally filters the input image to the combiner lens, and of the same combiner lens with defined angular band and band narrow spectral tuned to that of the interference filter; the combination of filter and lens guarantees a high diffraction efficiency in line with figure 6, and a high transparency of the holographic element in the spectral regions complementary to that of operation.
Nella stessa trattazione verranno identificati i valori di banda che s’intendono rappresentativi della banda stretta BP considerata nella presente invenzione. In the same discussion the band values will be identified which are intended to be representative of the narrow band BP considered in the present invention.
L'elemento olografico della presente invenzione è un reticolo di diffrazione in riflessione che ricostruisce l'immagine proveniente da un proiettore secondo la nota equazione del reticolo: The holographic element of the present invention is a reflection diffraction grating which reconstructs the image coming from a projector according to the well-known equation of the grating:
mGλ/n=sin( )+sin( ) con e angoli di ingresso e di uscita, G densità di linee per millimetro, λ lunghezza d’onda, m intero relativo che definisce l’ordine di diffrazione, n indice di rifrazione medio del mezzo. mGλ / n = sin () + sin () with e entry and exit angles, G density of lines per millimeter, λ wavelength, m relative integer defining the diffraction order, n average refractive index of the half.
Un progetto ottico del componente olografico deriva strettamente dai limiti imposti dagli ingombri della montatura dell’occhiale. Perciò si sono ottimizzati i parametri geometrici affinché si raggiungesse il compromesso estetico, di ingombro e funzionale dello schema ottico dell’occhiale. An optical design of the holographic component derives strictly from the limits imposed by the overall dimensions of the eyewear frame. Therefore, the geometric parameters were optimized so that the aesthetic, size and functional compromise of the optical scheme of the glasses was reached.
Si sono scelti i componenti ottici di proiezione al fine di direzionare e formare un fascio immagine che, una volta focalizzato avesse le dimensioni e il campo di vista adatto per essere contenuto nell’occhio di un utilizzatore. The optical projection components were chosen in order to direct and form an image beam which, once focused, had the size and field of view suitable for being contained in the eye of a user.
Il progetto ottico geometrico definisce quindi univocamente l’angolo di incidenza che è possibile utilizzare per la proiezione dell’immagine sulla lente dell’occhiale. The geometric optical project therefore uniquely defines the angle of incidence that can be used for the projection of the image on the eyeglass lens.
Il valore di questo angolo di lavoro nominale è, ad esempio, pari a 60° rispetto alla normale alla lente; conseguentemente l’angolo di uscita è pari a 6° per consentire al fascio di uscita (diffratto) di coincidere con il centro del campo visivo. The value of this nominal working angle is, for example, equal to 60 ° with respect to the normal to the lens; consequently the exit angle is equal to 6 ° to allow the exit beam (diffracted) to coincide with the center of the visual field.
Definiti questi due angoli, i parametri dell’equazione del reticolo sono determinati univocamente nel caso di un fascio monocromatico di lunghezza d’onda λ = 532 nm. Having defined these two angles, the parameters of the grating equation are uniquely determined in the case of a monochromatic beam with a wavelength λ = 532 nm.
Detta lente 10, in altre parole, riflette nel campo visivo dell'utilizzatore l'immagine in posizione preferibilmente centrale rispetto al campo di vista. Fissati gli angoli nominali di ingresso e di uscita come sopra, ovvero =60° e =6° rispettivamente, per una lunghezza d’onda di λ = 532 nm risulta che il numero di linee del reticolo, sia G = 1824.35 l/mm, come da equazione del reticolo di diffrazione. Said lens 10, in other words, reflects in the user's visual field the image in a preferably central position with respect to the field of view. Fixed the nominal inlet and outlet angles as above, i.e. = 60 ° and = 6 ° respectively, for a wavelength of λ = 532 nm it results that the number of grating lines, is G = 1824.35 l / mm, as per the diffraction grating equation.
La lente combiner 10 consiste di una serie di strati, come precedentemente descritti. The combiner lens 10 consists of a series of layers, as previously described.
In un esempio, lo strato polimerico trasparente PT, di spessore preferibilmente di 1 mm, posto dal lato della lente 10 prossimo all’occhio, essendo trasparente nel visibile permette sia il passaggio della luce proveniente dal sistema di proiezione, riflessa dall’elemento HOE, esterno, che della luce proveniente dalla scena reale. Detto strato PT é accoppiato all’elemento olografico HOE, di spessore di circa 62 um, tramite colla MA. L’elemento olografico HOE 100 comprende uno strato di film olografico di 12 micron accoppiato al suo substrato protettivo polimerico di 50 micron. All’atto della scrittura, l’elemento olografico HOE deve essere depositato tramite laminazione su un substrato vetroso per evitare che i fenomeni di restringimento possano compromettere il processo di trasformazione. Il vetro è infatti abbastanza rigido da contrastare lo spostamento del film olografico durante la scrittura. In one example, the transparent polymeric layer PT, preferably 1 mm thick, placed on the side of the lens 10 next to the eye, being transparent in the visible, allows both the passage of the light coming from the projection system, reflected by the HOE element, external, that of the light coming from the real scene. Said PT layer is coupled to the holographic element HOE, with a thickness of about 62 µm, by means of MA glue. The HOE 100 holographic element comprises a 12-micron holographic film layer coupled to its 50-micron protective polymeric substrate. At the time of writing, the HOE holographic element must be deposited by lamination on a glass substrate to prevent shrinkage phenomena from compromising the transformation process. The glass is in fact rigid enough to counteract the displacement of the holographic film during writing.
Lo strato olografico HOE può, dopo la scrittura, essere rimosso dal substrato vetroso, ed essere così laminato preferibilmente direttamente sullo strato polimerico fotocromatico PF finale. The holographic HOE layer can, after writing, be removed from the glass substrate, and thus be laminated preferably directly onto the final PF photochromic polymeric layer.
L’assemblaggio della lente 10, che ha una struttura ‘a sandwich’, viene concluso aggiungendo la colla MA sul lato libero del film HOE al fine di incollare lo strato di materiale polimerico trasparente PT, preferibilmente di 1mm di spessore. The assembly of the lens 10, which has a 'sandwich' structure, is concluded by adding the glue MA on the free side of the HOE film in order to glue the layer of transparent polymeric material PT, preferably 1mm thick.
Alternativamente, dopo la rimozione dal substrato vetroso, lo strato olografico HOE può essere laminato direttamente sullo strato polimerico trasparente PT e successivamente assemblato allo strato polimerico fotocromatico PF aggiungendo la colla MA sul lato libero del film HOE. Dopo il tempo necessario all'uniformazione dello strato di colla, tramite esposizione (curing) con luce UV si ‘reticola’ il sistema, rendendolo solido e sagomabile nella forma della lente occhiale o in altra forma. Alternatively, after removal from the glass substrate, the holographic HOE layer can be laminated directly onto the transparent polymeric layer PT and subsequently assembled to the photochromic polymeric layer PF by adding the glue MA on the free side of the HOE film. After the time required for uniformity of the glue layer, the system 'cross-links' through exposure (curing) with UV light, making it solid and shapeable in the shape of the eyewear lens or in another shape.
Il reticolo di diffrazione realizzato mediante il processo di scrittura olografica è un elemento ottico che riflette la luce in direzione non convenzionale rispetto ad un normale specchio, il quale riflette in base alle leggi della rifrazione. Tramite il processo di scrittura olografica, si ottiene un elemento olografico di volume il quale presenta al suo interno delle modulazioni sinusoidali di indice di rifrazione. Tali modulazioni di indice avvengono lateralmente lungo tutto il campione ‘scritto’; se viste in sezione, sono schematizzabili con ‘linee’ di modulazione dell’indice, con una inclinazione rispetto alla normale alla superficie del campione che determina gli angoli di ingresso e uscita e già citati. A seconda della loro angolazione infatti, l'ologramma risponderà con diversi angoli di ingresso e di uscita. The diffraction grating created by the holographic writing process is an optical element that reflects light in an unconventional direction compared to a normal mirror, which reflects according to the laws of refraction. Through the process of holographic writing, a holographic volume element is obtained which presents inside it sinusoidal modulations of refractive index. These index modulations occur laterally throughout the 'written' sample; if viewed in section, they can be schematized with index modulation 'lines', with an inclination with respect to the normal surface of the sample that determines the entry and exit angles as already mentioned. In fact, depending on their angle, the hologram will respond with different angles of entry and exit.
La risposta di un ologramma di volume è tipicamente descritta dalla sua curva di efficienza , che normalmente presenta un massimo il cui valore è tanto maggiore quanto maggiore è il salto di indice di rifrazione ed una larghezza di banda che diminuisce con lo spessore del materiale attivo (figura 7). The response of a volume hologram is typically described by its efficiency curve, which normally has a maximum whose value is greater the greater the refractive index jump and a bandwidth that decreases with the thickness of the active material ( figure 7).
Figura 7: Efficienze di diffrazione di un reticolo di diffrazione di volume in trasmissione con G = 2000 l/mm per differenti coppie di spessore e modulazione di indice. Figure 7: Diffraction efficiencies of a transmission volume diffraction grating with G = 2000 l / mm for different thickness pairs and index modulation.
Mediante l’utilizzo del modello RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) si può simulare la risposta spettrale ed angolare dell’ologramma da realizzare, e determinare, con i parametri geometrici definiti dal progetto ottico, i valori di indice di rifrazione e spessore del film che consentono di avere una risposta in efficienza idonea dell’elemento olografico. Using the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) model, it is possible to simulate the spectral and angular response of the hologram to be created, and to determine, with the geometric parameters defined by the optical project, the refractive index and thickness values of the film. allow to have a suitable efficiency response of the holographic element.
Con una variazione di indice di rifrazione pari a circa ∆n = 0.025 e uno spessore di 12 m, il materiale, registrato con il numero di linee determinato in corrispondenza del funzionamento a =60° e =6°, può avere una efficienza di diffrazione che raggiunge il 90%. With a refractive index variation of approximately ∆n = 0.025 and a thickness of 12 m, the material, recorded with the number of lines determined in correspondence with operation at = 60 ° and = 6 °, can have a diffraction efficiency which reaches 90%.
I due parametri di variazione di indice di rifrazione e spessore sono cruciali nella determinazione dell’elemento olografico in quanto, ad esempio, un valore di spessore troppo basso produrrebbe una curva di risposta spettrale troppo larga, che porterebbe a diffrangere quasi tutta la luce visibile visibile (Figura 8), schermando anche la scena esterna, contrariamente a quanto desiderato. Un tale elemento olografico dagli spessori così irrisori, inoltre, dovrebbe contemplare valori di variazione di indice di rifrazione che sono tecnologicamente irrealizzabili, per poter raggiungere efficienze superiori all’80%. The two parameters of variation of refractive index and thickness are crucial in determining the holographic element as, for example, a too low thickness value would produce a spectral response curve that is too wide, which would lead to diffract almost all the visible visible light. (Figure 8), also shielding the external scene, contrary to what was desired. Furthermore, such a holographic element with such negligible thicknesses should include values of refractive index variation that are technologically impracticable, in order to achieve efficiencies higher than 80%.
Figura 8: Reticolo in riflessione con G = 1836 l/mm, spessore 2 um e Dn=0.1. Figure 8: Grating in reflection with G = 1836 l / mm, thickness 2 um and Dn = 0.1.
Di contro un reticolo con spessore elevato, quindi per poter possedere una banda molto stretta deve avere una variazione di indice di rifrazione n molto basso (Figure 9) per non “saturare l’efficienza”. On the other hand, a lattice with a high thickness, so in order to have a very narrow band it must have a very low refractive index variation n (Figure 9) in order not to "saturate the efficiency".
Figura 9: Reticolo in riflessione con 1836 l/mm, spessore 28 um e n=0.012. Figure 9: Grating in reflection with 1836 l / mm, 28 um thickness and n = 0.012.
Nella presente invenzione si utilizza un valore di modulazione di indice di rifrazione di ca. 0.025 e uno spessore del materiale fotoattivo di circa 12 m poiché questi valori garantiscono una banda passante molto stretta (ca. 10 nm FWHM), centrata a λ = 532 nm e con una efficienza di diffrazione superiore all’80% (senza considerare le perdite dovute agli altri strati della lente). In the present invention a refractive index modulation value of approx. 0.025 and a thickness of the photoactive material of about 12 m since these values guarantee a very narrow passband (about 10 nm FWHM), centered at λ = 532 nm and with a diffraction efficiency higher than 80% (without considering the losses due to the other layers of the lens).
Durante la scrittura gli angoli di risposta del reticolo vengono definiti posizionando i fasci che creano interferenza secondo lo schema di Figura 10. During writing, the response angles of the grating are defined by positioning the beams that create interference according to the scheme of Figure 10.
Figura 10: schema del setup di scrittura per realizzare la lente olografica. Figure 10: diagram of the writing setup to make the holographic lens.
Anche se teoricamente gli angoli A e B del sistema dovrebbero essere gli stessi che vengono utilizzati in fase di ricostruzione (60° - 6°), si è dovuti procedere con l’ottimizzazione di A e B affinché la curva di risposta fosse centrata in efficienza. Although theoretically the angles A and B of the system should be the same as those used in the reconstruction phase (60 ° - 6 °), it was necessary to proceed with the optimization of A and B so that the response curve was centered in efficiency .
Il processo di scrittura infatti, non solo induce direttamente la variazione assoluta di indice di rifrazione n, ma modifica anche il valore di indice medio che è presente all’interno del materiale fotosensibile, che influenza a sua volta la risposta spettrale dell’elemento olografico; questo valore è l’indice di rifrazione n che compare nell’equazione del reticolo ed è fondamentale nella definizione geometrica degli angoli di lavoro dell’elemento olografico. In fact, the writing process not only directly induces the absolute variation of the refractive index n, but also modifies the average index value that is present within the photosensitive material, which in turn influences the spectral response of the holographic element; this value is the refractive index n that appears in the equation of the lattice and is fundamental in the geometric definition of the working angles of the holographic element.
Tale valore di indice medio è funzione sia del tipo di materiale utilizzato, sia del valore ∆n scelto durante la fase di simulazione. This average index value is a function of both the type of material used and the ∆n value chosen during the simulation phase.
Come conseguenza gli angoli di scrittura A e B che avrebbero determinato una curva di efficienza centrata agli angoli di lavoro, risultano traslati dopo la scrittura (Figura 11). As a consequence, the writing angles A and B, which would have determined an efficiency curve centered at the working angles, are translated after the writing (Figure 11).
Figura 11: traslazione della risposta in efficienza dovuta al cambiamento dell'angolo in ingresso (per ogni curva è riportata la copia di angoli di scrittura).. Figure 11: translation of the efficiency response due to the change of the input angle (the copy of the writing angles is shown for each curve).
Per ottimizzare il componente affinché risponda con il massimo di efficienza agli angoli di lavoro si è dovuto scrivere l’ologramma con I seguenti angoli: A =3°; B: 66.6°. To optimize the component to respond with maximum efficiency to the working angles, the hologram had to be written with the following angles: A = 3 °; B: 66.6 °.
Questi angoli sono stati definiti sperimentalmente dopo numerose prove di scrittura per massimizzare l’efficienza nella posizione di lavoro dell’ologramma. These angles were defined experimentally after numerous writing tests to maximize efficiency in the working position of the hologram.
Tali coppie di angoli sono state scelte in modo da conservare sempre il numero G di linee per millimetro del reticolo definito in fase di progetto, tali che. These pairs of angles have been chosen in such a way as to always keep the number G of lines per millimeter of the grating defined in the design phase, such that.
dove , , λ sono stati definiti in precedenza e dove gli angoli di scrittura A e B corrispondono rispettivamente a r e r. where,, λ were previously defined and where the writing angles A and B correspond to r and r respectively.
Dopo la scrittura dell’ologramma e il fissaggio dello stesso nel materiale olografico, la trasparenza dell’elemento olografico nelle regioni spettrali complementari a quella di funzionamento supera il 90% nel visibile, come effetto della tipologia ad-hoc del materiale impiegato, o dell’accoppiamento di materiale attivo con un substrato adatto. After writing the hologram and fixing it in the holographic material, the transparency of the holographic element in the spectral regions complementary to that of operation exceeds 90% in the visible, as an effect of the ad-hoc typology of the material used, or of the coupling of active material with a suitable substrate.
L’invenzione descrive anche un metodo di visualizzazione di immagini a realtà aumentata comprendente le fasi operative attuate dai componenti sopra descritti. The invention also describes a method of displaying augmented reality images comprising the operational steps implemented by the components described above.
Il metodo di visualizzazione di immagini a realtà aumentata comprende le fasi di The method of viewing augmented reality images includes the steps of
predisporre una montatura di occhiale 2 atta ad essere indossata da un utente in cui la montatura comprende: providing an eyeglass frame 2 adapted to be worn by a user in which the frame comprises:
- una porzione frontale 3, disposta frontalmente al capo di detto utente, atta a supportare almeno una lente 10; - a front portion 3, arranged in front of the head of said user, able to support at least one lens 10;
- almeno una porzione laterale di sostegno 2a,2b, disposta lateralmente al capo di detto utente, e raccordata con detta porzione frontale 3 in modo da consentire un sostegno di detta montatura 2 sul capo di detto utente; Il metodo prevede ulteriormente, di accoppiare alla montatura di occhiale 2 un dispositivo opto-elettronico 4 comprendente un dispositivo di illuminazione a LED 6a configurato per emettere un primo fascio elettromagnetico FLED di luce LED; - at least one lateral support portion 2a, 2b, arranged laterally to the head of said user, and connected with said front portion 3 so as to allow said frame 2 to be supported on the head of said user; The method further provides for coupling to the eyeglass frame 2 an opto-electronic device 4 comprising a LED lighting device 6a configured to emit a first FLED electromagnetic beam of LED light;
Il metodo prevede inoltre di eseguire nel dispositivo opto- elettronico 4 le fasi di: The method also provides for carrying out the following steps in the optoelectronic device 4:
- generare il primo fascio elettromagnetico FLED di luce LED; - generate the first FLED electromagnetic beam of LED light;
- ricevere informazioni di codifica Inf_COD di immagini digitali ImDGT e modulare il primo fascio elettromagnetico FLED proveniente dal dispositivo di illuminazione a led 6a, in funzione di dette informazioni di codifica Inf_COD ricevute determinando un secondo fascio elettromagnetico FIMM configurato per trasportare l’informazione di detta immagine ImDGT; - receiving Inf_COD coding information of ImDGT digital images and modulating the first electromagnetic beam FLED coming from the led lighting device 6a, as a function of said coding information Inf_COD received, determining a second electromagnetic beam FIMM configured to carry the information of said image ImDGT;
- proiettare detto secondo fascio elettromagnetico FIMM; - projecting said second electromagnetic beam FIMM;
- filtrare spettralmente detto fascio elettromagnetico FLED,FIMM, secondo una banda spettrale stretta BP; - spectrally filtering said electromagnetic beam FLED, FIMM, according to a narrow spectral band BP;
Il metodo prevede inoltre di predisporre almeno una lente combiner montata sulla porzione frontale 3 comprendente un elemento olografico 100 interposto tra un primo strato protettivo ST1 prossimale agli occhi dell’utente ed un secondo strato protettivo ST2 distale rispetto agli occhi dell’utente. The method also provides for the provision of at least one combiner lens mounted on the front portion 3 comprising a holographic element 100 interposed between a first protective layer ST1 proximal to the user's eyes and a second protective layer ST2 distal to the user's eyes.
Il metodo prevede inoltre di eseguire, nella lente combiner 10, le fasi di: - ricevere il secondo fascio elettromagnetico FIMM incidente sul primo strato protettivo ST1; The method further provides for carrying out, in the combiner lens 10, the steps of: - receiving the second electromagnetic beam FIMM incident on the first protective layer ST1;
- riflettere nel campo visivo dell’utente U il secondo fascio elettromagnetico FIMM; - reflect the second electromagnetic beam FIMM in the visual field of user U;
- lasciare trasparire un immagine ImR dalla scena reale incidente sul secondo strato protettivo ST2 in modo che entri nel campo visivo dell’utente combinandosi con il secondo fascio elettromagnetico FIMM; in cui la sovrapposizione del secondo fascio elettromagnetico FIMM e dell’immagine reale ImR determina una visione a realtà aumentata per l’utente. - allow an ImR image to shine through from the real incident scene on the second protective layer ST2 so that it enters the user's field of vision by combining with the second electromagnetic beam FIMM; in which the superimposition of the second electromagnetic beam FIMM and the real ImR image determines an augmented reality view for the user.
E’ stato descritto un sistema e metodo per applicazioni a realtà aumentata, nonché una lente combiner compresa nel sistema. A system and method for augmented reality applications has been described, as well as a combiner lens included in the system.
La tecnologia introdotta dalla presente invenzione abilita la percezione di scene a realtà aumentata con immagini nitide, garantendo contemporaneamente un design light-weight con un’alta qualità dell'esperienza complessiva, sia estetica che di percezione nell'utilizzo (User Experience). The technology introduced by the present invention enables the perception of augmented reality scenes with clear images, simultaneously ensuring a light-weight design with a high quality of the overall experience, both aesthetic and perception in use (User Experience).
Gli occhiali descritti nell’invenzione conseguono almeno i seguenti effetti tecnici: The glasses described in the invention achieve at least the following technical effects:
- assenza di aberrazioni cromatiche e distorsioni; - absence of chromatic aberrations and distortions;
- fattore di forma minimo e leggero che consente una predisposizione di un design gradevole e comodo; - minimal and light form factor that allows a predisposition of a pleasant and comfortable design;
- lunga durata della batteria, non essendo richieste sorgenti di illuminazione laser; - long battery life, as no laser light sources are required;
- semplicità del layout e quindi alta affidabilità del sistema; - simplicity of the layout and therefore high reliability of the system;
- nessun restringimento laterale del campo di visione dell'utilizzatore nella zona di inserzione dell'immagine proveniente dal display nella lente; - no lateral narrowing of the user's field of vision in the area of insertion of the image coming from the display into the lens;
- nessuna ostruzione del campo di visione dell'utilizzatore; - no obstruction of the user's field of vision;
- non è richiesto richiedendo all’utilizzatore di ruotare gli occhi in direzioni diverse da quella naturale individuata dall'asse oculare (configurazione “look at” o “look around”) per potere osservare l’immagine aumentata, permettendo quindi all’utilizzatore di poter apprezzare interamente la scena che ha davanti a sé (configurazione “see through”); . - it is not required by requiring the user to rotate the eyes in directions other than the natural one identified by the ocular axis ("look at" or "look around" configuration) to be able to observe the augmented image, thus allowing the user to fully appreciate the scene in front of you (“see through” configuration); .
- possibilità di configurare una corretta corrispondenza tra gli indici di rifrazione del componente olografico e dei substrati adiacenti, garantendo l’ottenimento di buone caratteristiche ottiche dell'immagine, e la possibilità di integrare il componente olografico in lenti utilizzate abitualmente nella produzione di occhiali, che si basano sull'utilizzo di materiali polimerici o plastici. - possibility to configure a correct correspondence between the refractive indices of the holographic component and the adjacent substrates, guaranteeing the achievement of good optical characteristics of the image, and the possibility of integrating the holographic component in lenses usually used in the production of glasses, which are based on the use of polymeric or plastic materials.
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| CN108333775B (en) * | 2018-04-20 | 2023-10-03 | 深圳创维新世界科技有限公司 | Near-to-eye display system |
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