RU2740065C1 - Augmented reality device based on holographic optical waveguide - Google Patents

Augmented reality device based on holographic optical waveguide Download PDF

Info

Publication number
RU2740065C1
RU2740065C1 RU2020113047A RU2020113047A RU2740065C1 RU 2740065 C1 RU2740065 C1 RU 2740065C1 RU 2020113047 A RU2020113047 A RU 2020113047A RU 2020113047 A RU2020113047 A RU 2020113047A RU 2740065 C1 RU2740065 C1 RU 2740065C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
optical
image
optical element
waveguide
Prior art date
Application number
RU2020113047A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Андреевич Чежегов
Вера Михайловна Пустынникова
Анна Андреевна Попкова
Михаил Викторович Егоренков
Игорь Сергеевич Балашов
Маргарита Ильгизовна Шарипова
Андрей Анатольевич Грунин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority to RU2020113047A priority Critical patent/RU2740065C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2740065C1 publication Critical patent/RU2740065C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: device relates to the field of optical instruments and can be used as a base for optical devices for generating a dynamic image of augmented reality. Device uses an optical element - a holographic optical waveguide, which is a two-dimensional optical waveguide with a holographic optical element (lens) deposited on the surface. Image is formed by modulation of the displayed beam by an array of a liquid crystal matrix. Formed image is focused into the centre of the pupil of the eye and then projected on the back side of the eye retina of the observer.
EFFECT: invention provides compactness of form factor and high technical parameters (field of view, resolution, contrast, multi-colour, multiple viewing).
13 cl, 16 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Устройство относится к области оптических приборов и может быть использовано в качестве основы оптических устройств формирования динамического изображения дополненной реальности, например, в таких областях, как геолокационные сервисы, системы навигации, обучающие программы, системы визуализации в медицине, игровые приложения, системы проектирования, виртуальная реклама.The device belongs to the field of optical devices and can be used as a basis for optical devices for forming a dynamic image of augmented reality, for example, in such areas as geolocation services, navigation systems, training programs, visualization systems in medicine, game applications, design systems, virtual advertising ...

Уровень техникиState of the art

Системы дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальности интенсивно развиваются в течение последних 20 лет. В отличие от виртуальной реальности, позволяющей полностью погрузить пользователя в цифровой мир, AR обладает лучшей способностью для восприятия реального мира. AR позволяет пользователю просматривать в реальном времени поток генерируемой цифровой информации и образ окружающей среды. В настоящее время системы AR получили широкое распространение в авиапромышленности. Работа таких устройств базируется на применении оптического элемента, обладающего способностью одновременного отображения потока генерируемого цифрового изображения и имеющего высокий коэффициент пропускания видимого света, необходимого для наблюдения окружающей среды.Augmented (AR) and virtual (VR) reality systems have been developing intensively over the past 20 years. Unlike virtual reality, which allows you to completely immerse the user in the digital world, AR has a better ability to perceive the real world. AR allows the user to view in real time the stream of generated digital information and an image of the environment. AR systems are now widely used in the aviation industry. The operation of such devices is based on the use of an optical element capable of simultaneously displaying the stream of the generated digital image and having a high transmittance of visible light necessary for observing the environment.

Из уровня техники известен патент US 8477425 B2, где раскрыта интерактивная оптическая система, имеющая крепление к голове пользователя, и обеспечивающая возможность отображения цифрового изображения с сохранением возможности обзора окружающей среды. Основным элементом устройства (оптической системы) является частично отражающий, частично пропускающий оптический элемент, представляющий собой светоделительную пластину, располагаемую перед глазом пользователя. В качестве источников освещения используется система, состоящая из поляризационного фильтра и не коллимированных красного, синего и зеленого (RGB) светодиодов. Изображение формируется при помощи жидкокристаллической (LCoS) матрицы с поляризационными пленками. Сгенерированное изображение, проходя через систему линз, попадает на частично отражающий, частично пропускающий оптический элемент, а затем перенаправляется на полупрозрачную изогнутую поверхность, которая возвращает сгенерированное изображение в поле зрения наблюдателя. Поскольку основной оптический элемент частично пропускает падающее световое излучение, то пользователь может просматривать окружающую среду. Поскольку в системе используется единственный LCoS, то необходимо использовать временное мультиплексирование подсветки для обеспечения цветного изображения.From the prior art patent US 8477425 B2 is known, which discloses an interactive optical system, which is attached to the user's head and provides the ability to display a digital image while maintaining the ability to view the environment. The main element of the device (optical system) is a partially reflective, partially transmissive optical element, which is a beam splitting plate located in front of the user's eye. A system consisting of a polarizing filter and non-collimated red, blue and green (RGB) LEDs is used as light sources. The image is formed using a liquid crystal (LCoS) matrix with polarizing films. The generated image, passing through the lens system, falls on a partially reflective, partially transmissive optical element, and then redirects to a semitransparent curved surface, which returns the generated image to the observer's field of view. Since the main optical element partially transmits the incident light radiation, the user can view the environment. Since the system uses a single LCoS, it is necessary to use backlight time-division multiplexing to provide a color image.

Данное решение обладает рядом недостатков. Сложная оптическая система, включающая в себя большое количество пассивных оптических элементов, приводит к уменьшению разрешения генерируемого изображения, которое может достигать 800×480. Кроме того, использование большого количества поляризационных узлов и полупрозрачных оптических элементов приводит к значительному уменьшению интенсивности света, генерируемого в начале оптического пути, что приводит к снижению энергоэффективности всего устройства. Разнесение источника генерируемого изображения (LCoS) матрицы и основного частично отражающего, частично пропускающего оптического элемента приводит к увеличению габаритов всей системы, что также негативно сказывается на потребительских свойствах данного решения.This solution has several disadvantages. A complex optical system, including a large number of passive optical elements, leads to a decrease in the resolution of the generated image, which can reach 800 × 480. In addition, the use of a large number of polarization units and semitransparent optical elements leads to a significant decrease in the intensity of light generated at the beginning of the optical path, which leads to a decrease in the energy efficiency of the entire device. The separation of the source of the generated image (LCoS) matrix and the main partially reflecting, partially transmitting optical element leads to an increase in the overall system dimensions, which also negatively affects the consumer properties of this solution.

В публикации WO 2014/068482 A1 раскрыта конструкция очков дополненной реальности, способных накладывать информацию и изображения на поле зрения, не перекрывая его. Очки дополненной реальности содержат оправу, которая поддерживает линзу очков, при этом с оправой связан миниатюрный дисплей, сконфигурированный для проецирования изображения в заданном направлении. Изображение, сформированное проекционной системой, попадает на зеркало, которое перенаправляет пучок в область линзы очков. Согласно решению, оптическая система содержит элемент, включающий две линзы, связанные так, что одна из соответствующих поверхностей обработана отражающим поверхностным покрытием. Отражающее покрытие выполнено с возможностью отражения узкой полосы видимого спектра с характерной спектральной шириной 20-30 нм. Использование такой двухкомпонентной линзы позволяет выполнить часть линзы очков в виде наклонного плоского зеркала, что приводит к возможности перенаправить отраженное изображение в область просмотра пользователя. Изобретение поддерживает возможность подстройки очков под физические особенности зрения пользователя.The publication WO 2014/068482 A1 discloses the construction of augmented reality glasses capable of superimposing information and images on the field of view without overlapping it. Augmented reality glasses contain a frame that supports the lens of the glasses, and a miniature display is associated with the frame, configured to project an image in a given direction. The image formed by the projection system hits a mirror, which redirects the beam to the area of the lens of the glasses. According to the solution, the optical system contains an element including two lenses connected so that one of the respective surfaces is treated with a reflective surface coating. The reflective coating is designed to reflect a narrow band of the visible spectrum with a characteristic spectral width of 20-30 nm. The use of such a two-component lens makes it possible to form part of the lens of the glasses in the form of an inclined flat mirror, which leads to the possibility of redirecting the reflected image to the user's viewing area. The invention supports the ability to adjust the glasses to the physical characteristics of the user's vision.

Данное решение обладает рядом недостатков. Так, малая контрастность изображения приводит к необходимости использовать частично пропускающее покрытие только в ограниченной области поля зрения. Просмотровое поле зрения (FOV) ограничено углом в 60°. Кроме того, использование покрытия с узкой спектральной селективностью приводит к возможности генерации только монохроматического изображения, а разнесение элемента, генерирующего изображение, и двухкомпонентной линзы приводит к значительному увеличению габаритов всей системы.This solution has several disadvantages. Thus, low image contrast leads to the need to use a partially transmissive coating only in a limited area of the field of view. Field of View (FOV) is limited to 60 °. In addition, the use of a coating with a narrow spectral selectivity leads to the possibility of generating only a monochromatic image, and the separation of the image generating element and the two-component lens leads to a significant increase in the overall system dimensions.

Из патента US 9910283 B2 известен световолновод с множеством встроенных частично отражающих поверхностей применительно к системе дополненной реальности. Данная система представляет собой тип головного дисплея (head-up display, HUD), компактность которого достигается за счет использования волноводного принципа. Первая отражающая поверхность освещается коллимированным дисплеем, исходящим от источника света, расположенного позади устройства. Отражающая поверхность переводит сформированное изображение в волновод, в котором пучок продолжает распространяться через полное внутреннее отражение (волноводный принцип). После нескольких отражений от параллельных поверхностей волновода захваченные световые волны достигают массива селективно полупрозрачных и полуотражающих поверхностей, которые перенаправляют световые волны из подложки в направлении глаза наблюдателя. Для уменьшения эффектов переотражения распространяющегося луча на границах отражающих поверхностей рассматривается возможность использования анизотропных оптических пленок (массив тонких параллельных проводников). Данная технология позволяет достичь угла обзора больше стандартной системы HUD при сохранении малой толщины просмотровой линзы.From US Pat. No. 9,910,283 B2 a light guide with a plurality of built-in partially reflective surfaces is known for an augmented reality system. This system is a type of head-up display (HUD), which is compact due to the use of the waveguide principle. The first reflective surface is illuminated by a collimated display coming from a light source located behind the device. The reflective surface transforms the formed image into a waveguide, in which the beam continues to propagate through total internal reflection (waveguide principle). After several reflections from parallel surfaces of the waveguide, the captured light waves reach an array of selectively translucent and semi-reflective surfaces that redirect the light waves from the substrate towards the viewer's eye. To reduce the effects of re-reflection of a propagating beam at the boundaries of reflecting surfaces, the possibility of using anisotropic optical films (an array of thin parallel conductors) is considered. This technology achieves an angle of view larger than the standard HUD system while maintaining a thin viewing lens.

Данное решение обладает следующими недостатками. Из-за использования полупрозрачных переотражающих поверхностей происходит затемнение изображения, поступающего от реального мира, при этом недостаточная видимость окружающей среды приводит к ограничению областей использования данного устройства. Частичное высвечивание сгенерированного изображения на каждом полуотражающем элементе приводит к уменьшению интенсивности распространяющегося по волноводу света, что требует правильной корректировки коэффициента отражения для каждой области волновода. Кроме того, в известном устройстве генерация изображения осуществляется до момента введения его в волновод, что приводит к использованию схемы с разделением источника изображения и просмотровой областью, и, соответственно, к увеличению габаритов устройства. В-четвертых, для формирования качественного изображения с высокой контрастностью и высоким разрешением необходимо использование многослойных структур.This solution has the following disadvantages. Due to the use of translucent re-reflective surfaces, the image coming from the real world is darkened, while insufficient visibility of the environment leads to a limitation of the areas of use of this device. Partial flashing of the generated image on each semi-reflective element leads to a decrease in the intensity of light propagating along the waveguide, which requires correct correction of the reflection coefficient for each region of the waveguide. In addition, in the known device, the image is generated before it is introduced into the waveguide, which leads to the use of a circuit with the separation of the image source and the viewing area, and, accordingly, to an increase in the size of the device. Fourthly, to form a high-quality image with high contrast and high resolution, it is necessary to use multilayer structures.

В публикации US 2019/0324274 A1 раскрыта технология выполнения системы дополненной реальности на основе пленки с локально модулированным коэффициентом прозрачности. Система с регулируемой прозрачностью включает в себя слой с регулируемой прозрачностью и проецирующую систему. В состав проецирующей системы входит ультрафиолетовый (УФ) лазерный источник и матрица микрозеркал (MEMS), которые в совокупности осуществляют генерацию требуемого изображения. Далее изображение проецируется на слой с модулируемым коэффициентом прозрачности (фотохромный слой), нанесенный на очковую линзу. Спроецированный пучок локально меняет коэффициент прозрачности пленки, что приводит к формированию изображения на поверхности пленки. Сформированное изображение является маской для света от окружающей среды, таким образом происходит формирование изображения в области глаза наблюдателя.Publication US 2019/0324274 A1 discloses a technology for performing an augmented reality system based on a film with a locally modulated transparency. The adjustable transparency system includes an adjustable transparency layer and a projection system. The projection system includes an ultraviolet (UV) laser source and a micromirror array (MEMS), which together generate the required image. The image is then projected onto a layer with modulated transparency (photochromic layer) applied to a spectacle lens. The projected beam locally changes the transparency of the film, which leads to the formation of an image on the surface of the film. The generated image is a mask for light from the environment, thus forming an image in the area of the observer's eye.

Данное решение обладает рядом недостатков. Поскольку изображение формируется непосредственно в области очковой линзы, то наблюдателю изображение будет доступно только при близкой фокусировке глаза, соответственно, совместное наблюдение сгенерированного изображения и вида окружающего мира, удаленного более чем на 2 м, не представляется возможным. Использование УФ источника для модуляции прозрачности приводит к отсутствию возможности генерирования мультицветного изображения. Влияние УФ излучения от внешних источников окружающей среды приводит к фоновой модуляции фотохромного слоя и сильному ухудшению контраста отображаемого изображения. Использование фотохромной пленки с сильной зависимостью оптических свойств от температуры окружающей среды приводит к существенному ограничению функциональности устройства (в ограниченном температурном диапазоне ±10 град.).This solution has several disadvantages. Since the image is formed directly in the area of the spectacle lens, the image will be available to the observer only with close focusing of the eye, respectively, joint observation of the generated image and the view of the surrounding world, which is more than 2 m distant, is not possible. Using a UV source to modulate transparency makes it impossible to generate a multicolor image. The influence of UV radiation from external sources of the environment leads to background modulation of the photochromic layer and a strong deterioration in the contrast of the displayed image. The use of a photochromic film with a strong dependence of the optical properties on the ambient temperature leads to a significant limitation of the functionality of the device (in a limited temperature range of ± 10 degrees).

В патенте US 9846307 B2 раскрыт способ и компактное устройство для отображения изображения на сетчатку глаза человека с использованием дисплея, встроенного в очки. Система основана на технологии VRD (virtual retinal display). В качестве источника излучения используются небольшие лазеры или светодиоды. От них излучение попадает на динамический элемент MEMS. Для каждой позиции сканирующего зеркала может быть сформирован пиксель на сетчатке посредством растрового сканирования. После динамической системы луч попадает на объемный голографический оптический элемент (HOE), расположенный в области очковой линзы. Элемент HOE выполняет две основные функции: позволяет свету из окружающей среды проходить беспрепятственно, обеспечивая нормальное зрение для пользователя, а также перенаправляет отсканированный свет от проектора к глазу пользователя для отображения изображения, проходящего через центр зрачка глаза, и проецируется на задней стороне сетчатки. HOE изготавливается методом голографии. Использование нескольких слоев HOE, записанных для различных длин волн и наложенных друг на друга, позволяет получить мультицветное изображение.US Pat. No. 9846307 B2 discloses a method and a compact device for displaying an image on the retina of a human eye using a display built into glasses. The system is based on VRD (virtual retinal display) technology. Small lasers or LEDs are used as a radiation source. From them, the radiation hits the dynamic MEMS element. For each position of the scanning mirror, a pixel on the retina can be generated by raster scanning. After the dynamic system, the beam hits a volumetric holographic optical element (HOE) located in the area of the spectacle lens. The HOE element has two main functions: it allows light from the environment to pass unimpeded, providing normal vision for the user, and it also redirects the scanned light from the projector to the user's eye to display an image passing through the center of the pupil of the eye, and is projected onto the back of the retina. HOE is manufactured using holographic technology. Using multiple HOE layers, recorded at different wavelengths and superimposed on each other, produces a multi-color image.

Данное решение обладает следующими недостатками. Технология VRD требует точного позиционирования зрачка глаза и системы проецирования, поэтому пользователь видит сгенерированное изображение только при фиксированном положении глаз. Также это приводит к необходимости подстройки всей системы под физические особенности отдельного наблюдателя (межзрачковое расстояние и положение переносья очков). Использование единственного рефлектора в динамическом элементе MEMS для построчного сканирования приводит к низкому разрешению генерируемого изображения и перекрыванию конечных элементов массива сканирования.This solution has the following disadvantages. VRD technology requires precise positioning of the pupil of the eye and the projection system, so the user sees the generated image only when the eyes are fixed. It also leads to the need to adjust the entire system to the physical characteristics of an individual observer (interpupillary distance and the position of the glasses transfer). The use of a single reflector in the dynamic MEMS element for progressive scanning results in low resolution of the generated image and overlapping of the finite elements of the scan array.

В публикации WO 2019132474 A1 раскрыта система виртуальной и дополненной реальности с точечными зеркалами. Первоначальное изображение формируется дисплеем, расположенным в стороне от системы проецирования изображения просмотровой области наблюдателя (дужке очков). Сгенерированное изображение, проходя через систему линз, проецируется на точечные зеркала, расположенные в объеме очковой линзы. Точечные зеркала выполнены с возможностью перенаправления световых лучей, формирующих виртуальное изображение, на оптический элемент с расширением поля зрения, который, в свою очередь, перенаправляет световые лучи, формирующие виртуальное изображение, в область глаза пользователя. В результате сформированное изображение проецируется на заднюю сторону сетчатки, проходя через центр зрачка глаза наблюдателя. В некоторых вариантах изобретения оптический элемент с расширением поля зрения может быть полупрозрачным. Во многих вариантах осуществления для достижения широкого поля зрения оптический элемент, расширяющий поле зрения, имеет больший поперечный размер, чем зрачок человеческого глаза, если смотреть с точки зрения пользователя. При использовании системы AR непрозрачные точечные зеркала не наблюдаются пользователем, поскольку находятся не в фокусе взгляда, а их размер значительно меньше размера зрачка человеческого глаза.WO 2019132474 A1 discloses a virtual and augmented reality system with point mirrors. The initial image is formed by a display located away from the projection system of the image of the observer's viewing area (bow of glasses). The generated image, passing through the lens system, is projected onto point mirrors located in the volume of the spectacle lens. Point mirrors are made with the possibility of redirecting the light rays that form the virtual image to the optical element with the expansion of the field of view, which, in turn, redirects the light rays that form the virtual image to the user's eye area. As a result, the formed image is projected onto the back side of the retina, passing through the center of the pupil of the observer's eye. In some embodiments, the widening optical element may be semi-transparent. In many embodiments, to achieve a wide field of view, the optic expanding the field of view has a larger lateral dimension than the pupil of the human eye when viewed from the user's point of view. When using the AR system, opaque point mirrors are not visible to the user, since they are not in focus of the gaze, and their size is much smaller than the pupil of the human eye.

Данное решение обладает следующими недостатками. Для фокусирования сгенерированного изображения на точечное зеркало необходимо использование очковых линз с толщиной более 5 мм, что приводит к увеличению характерных размеров конечной системы. При этом проецирование изображения через центр зрачка глаза наблюдателя требует точной настройки положения проецирующей системы. При использовании конфигурации с несколькими просмотровыми областями невозможно осуществить "плавный" переход между соседними областями. Толщина очковой линзы задает конечность просмотрового поля зрения (FOV), что уменьшает область совмещения сгенерированного изображения и образа окружающей среды.This solution has the following disadvantages. To focus the generated image on a point mirror, it is necessary to use spectacle lenses with a thickness of more than 5 mm, which leads to an increase in the characteristic dimensions of the final system. In this case, projecting an image through the center of the pupil of the observer's eye requires precise adjustment of the position of the projection system. When using a configuration with multiple view areas, it is not possible to "smooth" transition between adjacent areas. The thickness of the spectacle lens sets the finiteness of the viewing field of view (FOV), which reduces the area of registration of the generated image and the image of the environment.

В публикации US 20170235143 A1 раскрыта система дополненной реальности на основе волноводного дисплея с двумерным сканером. Данная система отличается небольшими габаритами по сравнению с аналогичными системами на основе технологии HUD. Сборка источника включает в себя набор когерентных или квазикогерентных источников света. Один или несколько исходных элементов могут излучать свет на разных длинах волн. Оптическая система включает в себя один или несколько оптических элементов, которые фокусируют и коллимируют принимаемый от источника свет. Оптическая система также включает в себя одно или несколько сканирующих зеркал (например, MEMS), которые сканируют свет, полученный от фокусирующей линзы. От системы сканирования луч попадает в область оптического дисплея-волновода. Дисплей включает в себя область введения и область вывода изображения, которые реализованы посредствам дифракционных решеток. Период входной дифракционной решетки подбирается для возможности распространения излучения по волноводу через полное внутреннее отражение. После распространения излучения, введенного через входную область, происходит расширение изображения и высвечивание в направлении глаза пользователя. Шаг выходной дифракционной решетки подбирается так, чтобы заставить свет падающего изображения выходить из выходной области.US publication 20170235143 A1 discloses an augmented reality system based on a waveguide display with a two-dimensional scanner. This system is small in size compared to similar systems based on HUD technology. The source assembly includes a set of coherent or quasi-coherent light sources. One or more precursors can emit light at different wavelengths. The optical system includes one or more optical elements that focus and collimate the light received from the source. The optical system also includes one or more scanning mirrors (eg MEMS) that scan the light received from the focusing lens. From the scanning system, the beam enters the area of the optical waveguide display. The display includes an introduction area and an image output area, which are realized by means of diffraction gratings. The period of the input diffraction grating is selected for the possibility of radiation propagation along the waveguide through total internal reflection. After the propagation of the radiation introduced through the entrance area, the image is expanded and flashed towards the user's eye. The pitch of the output diffraction grating is selected so as to force the incident image light to leave the output region.

Данному решению присущи следующие недостатки. Размер зеркала и частота перемещения являются двумя фундаментальными пределами для разрешения. В дальнем поле размер зеркала определяет угол рассеяния дифракции сканируемого лазерного луча. В патенте US 9753297 B2 описано оптическое устройство для расширения выходного зрачка, которое может быть использовано в системе дополненной реальности. Оптическое устройство представляет собой оптический волновод с нанесенными на области дифракционные решетки, различные по периоду и направленности.This solution has the following disadvantages. Mirror size and frequency of movement are two fundamental limits for resolution. In the far field, the size of the mirror determines the scattering angle of the diffraction of the scanned laser beam. US Pat. No. 9,753,297 B2 describes an exit pupil dilator optical device that can be used in an augmented reality system. The optical device is an optical waveguide with diffraction gratings applied to the regions, which are different in period and directivity.

1) Первая область сконфигурирована для соединения первого компонента светового луча с устройством, причем первый компонент светового луча имеет длину волны в первом спектральном диапазоне;1) The first region is configured to connect the first light beam component to the device, the first light beam component having a wavelength in the first spectral range;

2) Вторая область выполнена с возможностью присоединения второго компонента светового луча к устройству, причем второй компонент светового луча имеет длину волны во втором спектральном диапазоне, отличном от первого спектрального диапазона;2) The second region is configured to attach a second light beam component to the device, the second light beam component having a wavelength in a second spectral range different from the first spectral range;

3) Третья область выполнена с возможностью расширения первого компонента светового пучка в первом измерении для создания расширенного первого компонента;3) The third region is configured to expand the first component of the light beam in the first dimension to create an expanded first component;

4) Четвертая область выполнена с возможностью расширения во втором измерении расширенного первого компонента для создания дополнительного расширенного первого компонента и выполненная с возможностью вывода дополнительного расширенного первого компонента светового пучка из устройства;4) The fourth region is expandable in the second dimension of the expanded first component to create an additional expanded first component and is configured to output the additional expanded first light beam component from the device;

5) Пятая область выполнена с возможностью расширения второго компонента светового пучка во втором измерении для создания расширенного второго компонента;5) The fifth region is configured to expand the second component of the light beam in the second dimension to create an expanded second component;

6) Шестая область выполнена с возможностью расширения в первом измерении расширенного второго компонента для создания дополнительного расширенного второго компонента и выполненная с возможностью вывода дополнительного расширенного второго компонента из устройства, коллинеарного с дополнительным расширенным первым компонентом светового пучка.6) The sixth region is expandable in the first dimension of the expanded second component to create an additional expanded second component and is configured to output the additional expanded second component from the device collinear with the additional expanded first light beam component.

Система областей позволяет вводить сгенерированное изображение в оптический волновод, а также осуществлять вывод изображения в направлении глаза наблюдателя.The system of regions allows you to enter the generated image into the optical waveguide, as well as output the image in the direction of the observer's eye.

Данному решению присущи следующие недостатки. Отображение изображения осуществляется только с одной области, другие области выполняют функции формирования и расширения изображения. Такой подход приводит к значительному увеличению габаритов устройства. Использование дифракционных решеток с периодом, сравнимым с длиной волны видимого диапазона света, приводит к появлению радужной окраски поверхности очковой линзы при освещении внешними источниками света. Кроме того, используемая технология отличается необходимостью высокой точности позиционирования изготавливаемых дифракционных элементов с областью просмотра.This solution has the following disadvantages. The image is displayed only from one area, the other areas perform the functions of forming and expanding the image. This approach leads to a significant increase in the size of the device. The use of diffraction gratings with a period comparable to the wavelength of the visible light range leads to the appearance of an iridescent coloration of the spectacle lens surface when illuminated by external light sources. In addition, the technology used is distinguished by the need for high positioning accuracy of the manufactured diffractive elements with a viewing area.

Наиболее близким к заявляемому устройству является система многопиксельного отображения сетчатки (MPBRD), раскрытая в патенте US 9250445 B2. Основным элементом устройства является матрица с микроотверстиями, перенаправляющими и ограничивающими расходимость пучка. Изображение формируется с помощью стандартного двухмерного ЖК-дисплея или OLED-дисплея. Объемный слой, устанавливаемый между дисплеем и наблюдателем, коллимирует свет в узкий малорасходящийся пучок и перенаправляет его в область зрачка наблюдателя. Объемный слой представляет собой микроотверстия с характерным размером - 100 мкм и обладающие разной направленностью с характерным отношением толщины к диаметру отверстия 1:100. Такое отношение может привести к очень небольшой угловой расходимости проходящего света. Ориентация отверстий подбирается таким образом, чтобы обеспечить попиксельное проецирование изображения через центр зрачка на заднюю сторону сетчатки глаза наблюдателя. В других конфигурациях устройства вместо микроотверстий могут использоваться микрооптоволокна, ориентированные соответствующим образом, что позволяет получить беспрепятственное наблюдение окружающей среды через данное устройство.Closest to the claimed device is a multi-pixel retinal display system (MPBRD) disclosed in US patent 9250445 B2. The main element of the device is a matrix with micro-holes that redirect and limit the beam divergence. The image is generated using a standard 2D LCD or OLED display. A volumetric layer installed between the display and the observer collimates light into a narrow, low-divergence beam and redirects it to the observer's pupil. The bulk layer consists of micro-holes with a characteristic size of 100 microns and having different directions with a characteristic ratio of thickness to hole diameter of 1: 100. This ratio can lead to very small angular divergence of the transmitted light. The orientation of the holes is selected in such a way as to provide a pixel-by-pixel projection of the image through the center of the pupil onto the back side of the retina of the observer's eye. In other configurations of the device, microfibers may be used instead of micro-holes, oriented appropriately, which allows unobstructed observation of the environment through the device.

Данному решению присущи следующие недостатки. Высокое аспектное соотношение диаметра отверстий или оптоволокон к толщине приводит к возможности отображения только в одном фиксированном положении глаза, что значительно усложняет возможности его использования. Для обеспечения возможности совмещения цифрового сгенерированного изображения с образом окружающей среды требуется использование, на начальных этапах пучка, дисплеев (OLED иди ЖК), которые отличаются малым коэффициентом прозрачности, что в целом приводит к уменьшению видимости окружающей среды. This solution has the following disadvantages. The high aspect ratio of hole or fiber diameter to thickness results in the ability to display in only one fixed position of the eye, which greatly complicates its use. In order to be able to combine the digital generated image with the image of the environment, it is necessary to use, at the initial stages of the beam, displays (OLED or LCD), which have a low transparency coefficient, which generally leads to a decrease in the visibility of the environment.

Краткая сущность заявляемого изобретенияBrief essence of the claimed invention

Таким образом, из уровня техники можно выделить два основных метода наложения цифрового изображения на образ окружающего мира: первый - это дифракционные волноводы и HUD технологии, второй - это технологии на основе VRD. При этом устройства, реализующие первый метод, могут характеризоваться высоким разрешением, но малой просмотровой областью и не компактностью конечного устройства. Устройства, реализующие второй метод, характеризуются широким просмотровым полем зрения и компактным форм-фактором, но значительно уступают в разрешении изображения и мультицветности. Таким образом, из уровня техники не известно устройство, обладающее как высоким разрешением и мультицветностью, так и большим просмотровым полем зрения и компактным исполнением.Thus, from the prior art, two main methods of superimposing a digital image on the image of the surrounding world can be distinguished: the first is diffractive waveguides and HUD technologies, the second is VRD-based technologies. At the same time, devices that implement the first method can be characterized by high resolution, but a small viewing area and not a compact end device. Devices that implement the second method are characterized by a wide viewing field and a compact form factor, but are significantly inferior in image resolution and multicolor. Thus, the prior art does not know a device that has both high resolution and multicolor, and a large viewing field and compact design.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих известным аналогам и прототипу за счет создания устройства дополненной реальности, имеющего, с одной стороны, конструкцию и массогабаритные показатели, характерные для традиционных очков для коррекции зрения, а, с другой стороны, обладающего такими оптимальными техническими характеристиками как: угол обзора, мультицветность, разрешение, контрастность генерируемого изображения. Разрабатываемая система может быть использована в качестве основы оптических устройств формирования динамического изображения дополненной реальности, что является востребованным в таких областях, как геолокационные сервисы, системы навигации, обучающие программы, системы визуализации в медицине, игровые приложения, системы проектирования, виртуальная реклама. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в увеличении просмотрового поля зрения устройства до 100° в сочетании с разрешением >1280×720, высокой контрастностью генерируемого изображения и малой толщиной просмотрового элемента, что в свою очередь приводит к уменьшению форм-фактора всего устройства.The technical problem solved by the claimed invention consists in the need to overcome the disadvantages inherent in known analogs and the prototype by creating an augmented reality device having, on the one hand, the design and weight and dimensions characteristic of traditional glasses for correcting vision, and, on the other hand with such optimal technical characteristics as: viewing angle, multicolor, resolution, contrast of the generated image. The system being developed can be used as a basis for optical devices for forming a dynamic image of augmented reality, which is in demand in such areas as geolocation services, navigation systems, training programs, visualization systems in medicine, game applications, design systems, virtual advertising. The technical result achieved when using the claimed invention is to increase the viewing field of the device up to 100 ° in combination with a resolution of> 1280 × 720, high contrast of the generated image and small thickness of the viewing element, which in turn leads to a decrease in the form factor of the entire device ...

Заявляемое устройство также обладает следующими техническими преимуществами:The claimed device also has the following technical advantages:

• Разрешение: ≥1280×720.• Resolution: ≥1280 × 720.

• Просмотровое поле зрения (FOV): ≥100°.• Field of View (FOV): ≥100 °.

• Совмещение источника изображения и просмотровой области.• Alignment of image source and viewing area.

• Толщина: ≤4 мм.• Thickness: ≤4 mm.

• Мультицветность.• Multicolor.

• Мультипросмотровость.• Multi-viewing.

• Коэффициент пропускания: ≥70%.• Transmittance: ≥70%.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве дополненной реальности, предназначенном для проецирования генерируемого изображения на заднюю сторону сетчатки глаза человека через центр его зрачка, включающем оптическую схему, снабженную средствами крепления к голове человека, и средство введения излучения в оптическую схему, согласно техническому решению,The claimed technical result is achieved by the fact that in an augmented reality device designed to project the generated image onto the back side of the retina of a person through the center of his pupil, which includes an optical circuit equipped with means for attaching to a person's head, and a means for introducing radiation into the optical circuit, according to the technical solution ,

- оптическая схема, геометрически представляющая собой пластину с боковыми гранями, включает по меньшей мере, один прозрачный многослойный оптический элемент, выполненный из прилегающих друг к другу следующих слоев: внешний слой, выполненный в виде ступенчатого планарного оптического волновода, внутренний слой, обращенный к глазу человека, сформированный в виде жидкокристаллической матрицы, снабженной поляризационным фильтром, и промежуточный слой, размещенный между указанными слоями с плотным, исключающим формирование воздушного зазора, прилеганием к внешнему слою, выполненный в виде пленки, представляющей собой голографический оптический элемент,- the optical scheme, geometrically representing a plate with lateral edges, includes at least one transparent multilayer optical element made of the following adjacent layers: an outer layer made in the form of a stepped planar optical waveguide, an inner layer facing the human eye , formed in the form of a liquid crystal matrix equipped with a polarizing filter, and an intermediate layer located between the said layers with a dense, excluding the formation of an air gap, adjoining the outer layer, made in the form of a film, which is a holographic optical element,

- а система введения излучения включает по меньшей мере, один источник монохроматического излучения, размещенный вне многослойного оптического элемента, выполненный с возможностью заведения излучения в оптический волновод через боковые грани пластины оптической схемы.- and the system for introducing radiation includes at least one source of monochromatic radiation located outside the multilayer optical element, made with the possibility of introducing radiation into the optical waveguide through the side edges of the plate of the optical circuit.

Боковые грани оптической схемы могут быть снабжены светоотражающим покрытием и выполнены наклонными под углом от 30° до 60° к поверхности пластины, при этом источник излучения размещен с обеспечением заведения излучения в оптический волновод под нормальным углом к поверхности многослойного оптического элемента с последующим переотражением от боковой грани оптической схемы. На часть поверхности многослойного оптического элемента может быть нанесена дифракционная маска с периодом 100-2000 нм, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через дифракционную маску. В другом случае, боковые грани пластины оптической схемы могут быть выполнены наклонными под углом 45°-60° или скругленными с радиусом кривизны 0.1…10 мм, обеспечивающим фокусировку боковой гранью, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через указанную грань. Дополнительно планарный оптический волновод может быть снабжен защитными полимерными покрытиями, нанесенными на обе его поверхности, при этом показатель преломления полимерного покрытия меньше показателя преломления в сердцевине волновода. Оптическая схема может быть выполнена, по меньшей мере, из двух многослойных оптических элементов, плотно прилегающих друг к другу, имеющих различные рабочие длины волн и/или различные рабочие ориентации. Голографический оптический элемент имеет переменный коэффициент дифракции 10-95%, увеличивающийся по мере удаленности от области заведения излучения в многослойный оптический элемент. Устройство может быть снабжено средством регулировки положения отображаемого изображения относительно глаза человека, а также системой отслеживания положения глаза, установленной в средство крепления устройства к голове человека. Многослойный оптический элемент может быть выполнен из слоев с суммарным коэффициентом пропускания не менее 50% и имеет толщину не более 1 мм. Жидкокристаллическая матрица представляет собой динамическую монохромную матицу, состоящую из слоя жидких кристаллов, управляемых тонкопленочными транзисторами. В качестве средств крепления к голове человека может быть использована оправа с дужками.The lateral faces of the optical scheme can be provided with a reflective coating and made inclined at an angle of 30 ° to 60 ° to the surface of the plate, while the radiation source is placed to ensure that radiation is introduced into the optical waveguide at a normal angle to the surface of the multilayer optical element with subsequent re-reflection from the lateral face optical circuit. On a part of the surface of the multilayer optical element, a diffraction mask with a period of 100-2000 nm can be applied, while the radiation source is placed so that radiation can be introduced into the optical waveguide through the diffraction mask. In another case, the side faces of the optical scheme plate can be made inclined at an angle of 45 ° -60 ° or rounded with a radius of curvature of 0.1 ... 10 mm, providing focusing by the lateral face, while the radiation source is placed so that radiation can be introduced into the optical waveguide through the specified edge. Additionally, the planar optical waveguide can be provided with protective polymer coatings applied to both its surfaces, while the refractive index of the polymer coating is lower than the refractive index in the waveguide core. The optical scheme can be made of at least two multilayer optical elements closely adjacent to each other, having different operating wavelengths and / or different operating orientations. The holographic optical element has a variable diffraction coefficient of 10-95%, which increases with distance from the region where the radiation is introduced into the multilayer optical element. The device can be provided with means for adjusting the position of the displayed image relative to the human eye, as well as an eye tracking system installed in the means for attaching the device to the human head. A multilayer optical element can be made of layers with a total transmittance of at least 50% and has a thickness of no more than 1 mm. The liquid crystal matrix is a dynamic monochrome matrix consisting of a layer of liquid crystals controlled by thin film transistors. A frame with bows can be used as a means of attaching to a person's head.

Технический результат достигается также посредством реализации способа изготовления голографического оптического элемента, который предназначен для использования в заявляемом устройстве дополненной реальности по п. 1 формулы изобретения, согласно которому фоточувствительную пленку толщиной 10…200 мкм и площадью не менее 1 кв. см размещают на одной из боковых граней треугольной оптической призмы с показателем преломления материала призмы 1.2-1.5, направляют на указанную призму излучение от когерентного источника, при этом часть излучения, представляющую собой опорный пучок, заводят через одну боковую грань призмы, с обеспечением полного его внутреннего отражения на границе пленки с воздухом, а часть излучения, представляющую собой объектный пучок, направляют на внешнюю поверхность пленки через записываемый оптический элемент посредством его расположения на пути распространения излучения, и затем опорный и объектный пучки интерферируют в области пленки, в результате чего получают запись голографического изображения объекта в пленке.The technical result is also achieved through the implementation of a method of manufacturing a holographic optical element, which is intended for use in the claimed device of augmented reality according to claim 1 of the claims, according to which a photosensitive film with a thickness of 10 ... 200 microns and an area of at least 1 sq. cm is placed on one of the side faces of a triangular optical prism with a refractive index of the prism material 1.2-1.5, radiation from a coherent source is directed to the specified prism, while part of the radiation, which is a reference beam, is introduced through one side face of the prism, ensuring its complete internal reflections at the boundary of the film with air, and a part of the radiation, which is an object beam, is directed to the outer surface of the film through a recordable optical element by its location in the path of radiation propagation, and then the reference and object beams interfere in the film region, as a result of which a holographic recording is obtained. images of the object in the film.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, гдеThe claimed invention is illustrated by the following drawings, where

На фиг. 1 схематично представлено устройство голографического оптического волновода и принцип работы электрооптического элемента, осуществляющего наложение сгенерированного изображения на образ окружающей среды.FIG. 1 schematically shows the device of a holographic optical waveguide and the principle of operation of an electro-optical element that superimposes the generated image on the image of the environment.

На фиг. 2а-б представлены схемы записи голографического оптического элемента (линзы): а - прямая запись, б - запись с использованием призмы.FIG. 2a-b shows the recording schemes of a holographic optical element (lens): a - direct recording, b - recording using a prism.

На фиг. 3 представлена структура областей голографического оптического элемента.FIG. 3 shows the structure of the regions of the holographic optical element.

На фиг. 4а-г представлены возможные варианты заведения излучения подсветки в оптический волновод: а - отражение от границы, б - на основе дифракционной решетки, в - прямое заведение через наклонную грань, г - заведение через торец сложной формы.FIG. Figures 4a-d show the possible options for introducing illumination radiation into the optical waveguide: (a) reflection from the boundary, (b) based on a diffraction grating, (c) direct entry through an inclined facet, (d) entry through the end of a complex shape.

На фиг. 5а-б представлены способы реализации мультицветного изображения: а - использование нескольких слоев голографических оптических элементов, б - использование подсветки с различных граней.FIG. 5a-b shows the methods of realizing a multicolor image: a - the use of several layers of holographic optical elements, b - the use of illumination from different faces.

На фиг. 6 схематично представлено использование нескольких голографических оптических элементов для создания мультипросмотрового изображения (для различной ориентации глаза наблюдателя).FIG. 6 schematically shows the use of several holographic optical elements to create a multi-viewing image (for different orientations of the observer's eye).

На фиг. 7а-в схематично представлено использование разной ориентации подсветки для создания мультипросмотрового изображения (для различной ориентации глаза наблюдателя): а - прямое изображение, б - смещение положения фокуса в направлении распространения света по волноводу, в - смещение положения фокуса в перпендикулярном направлении распространения света по волноводу.FIG. 7a-c schematically shows the use of different orientations of the illumination to create a multi-viewing image (for different orientations of the observer's eye): a - direct image, b - displacement of the focus position in the direction of light propagation along the waveguide, c - displacement of the focus position in the perpendicular direction of light propagation along the waveguide ...

На фиг. 8а-б представлена подстройка фокусного пятна очков дополненной реальности под физиологические особенности наблюдателя: а - степени свободы для регулировки межзрачкового расстояния и высоты положения; б - степень свободы для регулировки дужки с заушниками.FIG. 8a-b shows the adjustment of the focal spot of augmented reality glasses to the physiological characteristics of the observer: a - degrees of freedom for adjusting the interpupillary distance and position height; b - degree of freedom for adjusting the bow with temples.

На фиг. 9 10 представлены фотоизображения результата использования заявляемого устройства. Наложение монохроматического изображения (буквы и цифры) на образ окружающей среды. Изображение детектировалось с помощью цифровой камеры, имитирующей работу глаза человека.FIG. 9 to 10 show photographs of the result of using the claimed device. Superposition of a monochromatic image (letters and numbers) on the image of the environment. The image was detected using a digital camera that simulates the human eye.

Голографический оптический элемент, используемый в заявляемом изобретении, может быть получен с помощью голографической записи образа оптического элемента в объеме фоточувствительного слоя в схемах, показанных на Фиг. 2. При этом записанный голографический оптический элемент должен обладать различным коэффициентом дифракции Фиг. 3, необходимым для равномерного высвечивания излучения с различных областей. Высвечивание излучения происходит из двумерного оптического волновода, излучение в котором распространяется через полное внутреннее отражение. Заведение излучения в волновод может быть осуществлено различными способами, показанными на Фиг. 4. Комбинированием нескольких слоев или различных ориентаций подсветки совместно с системой отслеживания положения зрачка глаза можно добиться мультицветного (Фиг. 5) и мультипросмотрового (Фиг. 6, Фиг. 7) изображения. Для более корректной работы устройства необходима первичная настройка системы под физиологические особенности глаз пользователя. Степени регулировки показаны на Фиг. 8.The holographic optical element used in the claimed invention can be obtained by holographic recording of the image of the optical element in the volume of the photosensitive layer in the circuits shown in FIG. 2. In this case, the recorded holographic optical element must have a different diffraction coefficient. FIG. 3, necessary for uniform emission of radiation from different areas. The emission of radiation occurs from a two-dimensional optical waveguide, the radiation in which propagates through total internal reflection. The introduction of radiation into the waveguide can be carried out in various ways, shown in FIG. 4. By combining several layers or different orientations of the illumination in conjunction with the system for tracking the position of the pupil of the eye, it is possible to achieve a multi-color (Fig. 5) and multi-view (Fig. 6, Fig. 7) image. For more correct operation of the device, it is necessary to initially adjust the system to the physiological characteristics of the user's eyes. The adjustment levels are shown in FIG. 8.

Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicate:

1. Оптический волновод1. Optical waveguide

2. Параллельный пучок2. Parallel beam

3. Фотополимерный слой с записанным образом голографического оптического элемента3. Photopolymer layer with a written image of a holographic optical element

4. ЖК - матрица4.LCD - matrix

5. Поляризационный фильтр5. Polarizing filter

6. Защитный полимерный слой6. Protective polymer layer

7. Центр зрачка человеческого глаза7. Center of the pupil of the human eye

8. Задняя сторона сетчатки человеческого глаза8. The back side of the retina of the human eye

9. Свет от образа окружающей среды9. Light from the image of the environment

10. Стеклянная подложка10. Glass substrate

11. Прямоугольная призма11. Rectangular prism

12. Записываемый оптический элемент (линза)12. Recordable optical element (lens)

13. Предметный пучок13. Object bundle

14. Опорный пучок14. Reference beam

15. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции15. Holographic film with different diffraction coefficients

16. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции16. Holographic film with different diffraction coefficients

17. Голографическая пленка с разными коэффициентами дифракции17. Holographic film with different diffraction coefficients

18. Отражающее покрытие18. Reflective coating

19. Скошенный угол при основании плоскопараллельного оптического волновода19. Beveled angle at the base of a plane-parallel optical waveguide

20. Дифракционная решетка20. Diffraction grating

21. Точечный источник подсветки21. Point source of illumination

22. Грань оптического волновода выполненная в виде выпуклой поверхности22. The edge of the optical waveguide made in the form of a convex surface

23. Голографический оптический элемента записанный для красного диапазона23. Holographic optical element recorded for the red range

24. Голографический оптический элемента записанный для синего диапазона24. Holographic optical element recorded for the blue range

25. Голографический оптический элемента записанный для зеленого диапазона25. Holographic optical element recorded for the green range

26. Трехцветная подсветка26. Three-color backlight

27. Боковая грань плоскопараллельного оптического волновода27. Side face of a plane-parallel optical waveguide

28. Голографический оптический элемент, записанный для позиции A28. Holographic optical element recorded for position A

29. Голографический оптический элемент, записанный для позиции B29. Holographic optical element recorded for position B

30. Голографический оптический элемент, записанный для позиции C30. Holographic optical element recorded for position C

31. Активные пиксели для выбранной позиции31. Active pixels for the selected position

32. Система отслеживания положения глаза32. Eye tracking system

33. Пятно фокусировки33. Focus spot

34. Пятна фокусировки при просмотре двумя глазами34. Focus spots when viewing with two eyes

35. Система регулировки межзрачкового расстояния35. Interpupillary distance adjustment system

36. Средство крепления к голове человека (дужки очков)36. Means for attaching to a person's head (temples of glasses)

37. Система регулировки дужек37. System of adjustment of temples

38. Боковая область системы, в которой располагается управляющая электронная часть, представляющая собой блок, который управляет ЖК-матрицей, чтобы подавать изображение дополненной реальности.38. The side region of the system in which the control electronic part is located, which is a unit that controls the LCD matrix to provide an augmented reality image.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Заявляемое устройство может быть реализовано в виде конструкции, максимально приближенной по форме и габаритам к конструкции обычных очков для коррекции зрения. При этом оправа с дужками выступают в качестве средств крепления оптической схемы к голове человека. Оптическая схема представляет собой один или несколько близко расположенных друг к другу многослойных оптических элементов, в предельном случае расположенных вплотную. При этом при использовании нескольких оптических элементов их выбирают с обеспечением разных рабочих длин волн и разных просмотровых областей. Использование нескольких элементов позволяет добиться расширенных функциональных свойств: мультицветность и мультипросмотровость. Каждый многослойный оптический элемент представляет собой прозрачный двумерный оптический волновод с нанесенным полимерным слоем с образом голографического оптического элемента. Геометрически элемент выполнен в виде пластины, преимущественно, призматической формы, при этом боковые грани такой пластины могут быть выполнены скошенными под углом, необходимым для заведения параллельного излучения подсветки с последующим распространением вдоль волновода, или скругленными наклоненными гранями, что позволяет одновременно преобразовывать излучение точечного источника в параллельный пучок с последующим заведением излучения в волновод. Многослойный оптический элемент сформирован следующими слоями (начиная от наиболее удаленного от глаза наблюдателя):The claimed device can be implemented in the form of a structure that is as close as possible in shape and dimensions to the design of conventional glasses for vision correction. In this case, the frame with arches act as a means of attaching the optical circuit to the human head. The optical scheme is one or more closely spaced multilayer optical elements, in the limiting case, closely spaced. In this case, when using several optical elements, they are selected with the provision of different operating wavelengths and different viewing areas. The use of several elements allows to achieve advanced functional properties: multicolor and multi-viewing. Each multilayer optical element is a transparent two-dimensional optical waveguide coated with a polymer layer with the image of a holographic optical element. Geometrically, the element is made in the form of a plate, predominantly of a prismatic shape, while the side edges of such a plate can be made beveled at an angle necessary to establish parallel illumination radiation with subsequent propagation along the waveguide, or rounded inclined edges, which allows you to simultaneously convert the radiation of a point source into parallel beam with the subsequent introduction of radiation into the waveguide. The multilayer optical element is formed by the following layers (starting from the one farthest from the observer's eye):

• внешний слой, обращенный от глаза человека, представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из стекла или оптически прозрачного полимера с модифицированными гранями, необходимыми для заведения излучения подсветки (оптический волновод);• the outer layer, facing away from the human eye, is a plane-parallel plate made of glass or optically transparent polymer with modified edges necessary to introduce illumination radiation (optical waveguide);

• промежуточный слой, следующий за волноводом в сторону глаза, представляет собой фотополимерную прозрачную пленку с записанным голографическим образом требуемого оптического элемента (линзы);• the intermediate layer following the waveguide towards the eye is a photopolymer transparent film with a holographic recorded image of the required optical element (lens);

• внутренний слой, представляющий собой жидкокристаллическую (ЖК)-матрицу, снабженную полимерной пленкой, обладающую поляризационной фильтрацией;• the inner layer, which is a liquid crystal (LC) -matrix equipped with a polymer film with polarization filtration;

Основным элементом разрабатываемого устройства является многослойный оптический элемент, содержащий оптический ступенчатый планарный волновод, устанавливаемый в область очковой линзы. Такой волновод представляет собой стеклянную пластину толщиной 1-5 мм с шероховатостью не ниже 7 класса чистоты поверхности. Боковые грани пластины модифицированы таким образом, чтобы можно было ввести излучение подсветки с последующим распространением пучка в волноводе через полное внутреннее отражение. Заведение может быть обеспечено несколькими способами: расположением дифракционной решетки вблизи боковой грани (Фиг. 4б), полировкой боковой грани под фиксированным углом с последующем нанесением отражающего слоя (Фиг. 4а) или прямым освещением боковой грани (Фиг. 4в), также возможна комбинация перечисленных способов заведения (Фиг. 4г). В качестве источника подсветки могут использоваться когерентные или не когерентные источники с заданной поляризацией. Совместно с источником могут быть использованы различные конфигурации пассивных оптических элементов для получения параллельного и поляризованного излучения, направляемого в волновод. Для перенаправления излучения из оптического волновода в сторону глаза наблюдателя используется голографический оптический элемент (HOE), записанный в фоточувствительном полимерном слое с характерной толщиной порядка 15 мкм. В качестве записываемого HOE используется фокусирующий элемент с фокусным расстоянием f=10-500 мм. Запись HOE может быть произведена в прямой схеме (метод Денисюка (Leith E.N., Upatnieks J. Journ. Opt. Soc. Amer., v. 54, 1295, 1964)) либо с помощью расположения фоточувствительной пленки на поверхности оптического элемента (призмы), в котором один из пучков может распространяться через полное внутреннее отражение. В качестве источника излучения для записи используется высококогерентный лазерный источник. Записанная пленка может быть перенесена на подготовленную поверхность двумерного оптического волновода методом переклеивания. Для обеспечения распространения пучка света по волноводу без потерь может использоваться нанесение защитных полимерных слоев с толщинами порядка 50 мкм с показателем преломления, меньшим показателя преломления центральной части планарного волновода. При распространении излучения по двумерному волноводу с нанесенной пленкой, в объеме которой записан HOE, в объеме пленки происходит дифракция пучка, что приводит к частичному высвечиванию излучения в направлении, заданном при записи HOE (рабочая область). Поскольку при каждом акте высвечивания излучения из волновода происходит уменьшение интенсивности, это может привести к неоднородной подсветке при использовании HOE с постоянным коэффициентом дифракции (отношение интенсивности дифрагированного пучка к интенсивности первоначального пучка). Для устранения данного недостатка можно использовать HOE с переменным коэффициентами дифракции для каждой отдельной области подсветки от 10% до 95%. Таким образом, с поверхности волновода происходит перенаправление коллимированного поляризованного излучения. Для генерации изображения на пути следования пучка установлена жидкокристаллическая монохроматическая матрица, которая позволяет получить модуляцию поляризованной подсветки. Сгенерированное изображение проецируется на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя. При этом проецирование изображения осуществляется через центр зрачка глаза наблюдателя, что позволяет исключить динамику самостоятельной фокусировки глаза. Спроецированное изображение представляется удаленным для наблюдателя на бесконечность при любой фокусировке глаза (дальней или ближней). Поскольку для корректного отображения изображения необходимо точное совпадение фокуса HOE с центром зрачка наблюдателя, в разрабатываемом устройстве предусмотрена система настройки под физические особенности наблюдателя посредством расположения регулировочных механизмов и механизмов крепления к голове в оправе устройства.The main element of the device being developed is a multilayer optical element containing an optical stepped planar waveguide installed in the area of the spectacle lens. Such a waveguide is a glass plate 1-5 mm thick with a roughness of at least 7 surface cleanliness class. The lateral faces of the plate are modified so that it is possible to introduce illumination radiation with subsequent propagation of the beam in the waveguide through total internal reflection. The establishment can be provided in several ways: by placing a diffraction grating near the side face (Fig.4b), polishing the side face at a fixed angle, followed by applying a reflective layer (Fig.4a) or direct illumination of the side face (Fig.4c), a combination of the above is also possible. ways of establishment (Fig. 4d). Coherent or non-coherent sources with a given polarization can be used as a backlight source. Together with the source, various configurations of passive optical elements can be used to obtain parallel and polarized radiation directed into the waveguide. A holographic optical element (HOE) written in a photosensitive polymer layer with a characteristic thickness of about 15 μm is used to redirect radiation from the optical waveguide towards the observer's eye. A focusing element with a focal length of f = 10-500 mm is used as a recordable HOE. HOE recording can be performed in a direct scheme (Denisyuk's method (Leith EN, Upatnieks J. Journ. Opt. Soc. Amer., V. 54, 1295, 1964)) or by placing a photosensitive film on the surface of an optical element (prism), in which one of the beams can propagate through total internal reflection. A highly coherent laser source is used as a radiation source for recording. The recorded film can be transferred to the prepared surface of a two-dimensional optical waveguide by re-sticking. To ensure the propagation of the light beam through the waveguide without losses, the deposition of protective polymer layers with thicknesses of the order of 50 μm with a refractive index lower than the refractive index of the central part of the planar waveguide can be used. When radiation propagates through a two-dimensional waveguide with a deposited film, in the volume of which HOE is recorded, diffraction of the beam occurs in the volume of the film, which leads to partial emission of radiation in the direction specified during HOE recording (working area). Since the intensity decreases with each act of emission of radiation from the waveguide, this can lead to inhomogeneous illumination when using HOE with a constant diffraction coefficient (the ratio of the intensity of the diffracted beam to the intensity of the initial beam). To eliminate this disadvantage, HOE can be used with variable diffraction coefficients for each individual illumination region from 10% to 95%. Thus, the collimated polarized radiation is redirected from the waveguide surface. To generate an image, a liquid-crystal monochromatic matrix is installed along the beam path, which makes it possible to obtain modulation of polarized illumination. The generated image is projected onto the back of the viewer's retina. In this case, the projection of the image is carried out through the center of the pupil of the observer's eye, which makes it possible to exclude the dynamics of self-focusing of the eye. The projected image appears distant to the observer at infinity at any focus of the eye (far or near). Since for the correct display of the image it is necessary to precisely match the HOE focus with the center of the observer's pupil, the developed device provides a system for adjusting to the physical characteristics of the observer by arranging adjusting mechanisms and mechanisms for attaching to the head in the frame of the device.

Для формирования нескольких просмотровых областей может быть использовано несколько HOE, записанных в одной фоточувствительной пленке или нескольких пленках и затем наложенных друг на друга, ориентированных для разных положений зрачка наблюдателя. Также изменение положения фокуса (рабочей ориентации) может быть реализовано с помощью изменения угла введения излучения в волновод.To form several viewing areas, several HOEs can be used, recorded in one photosensitive film or several films and then superimposed on each other, oriented for different positions of the observer's pupil. Also, changing the position of the focus (working orientation) can be implemented by changing the angle of introduction of radiation into the waveguide.

Для формирования цветного изображения может быть использован промежуточный слой, состоящий из нескольких слоев фоточувствительной пленки, запись голографического элемента в которую произведена на различных длинах волн. Также возможна запись одной голографической пленки для нескольких длин волн с соответствующей различной ориентацией подсветки. Восстановление нужной длины в такой пленке происходит только при определенной ориентации подсветки (при которой осуществлялась запись).To form a color image, an intermediate layer can be used, consisting of several layers of a photosensitive film, the recording of a holographic element into which is made at different wavelengths. It is also possible to record one holographic film for several wavelengths with corresponding different illumination orientations. The restoration of the required length in such a film occurs only with a certain orientation of the backlight (at which the recording was carried out).

Реализация такой системы дополненной реальности позволит значительно уменьшить ее форм-фактор при сохранении высоких технических параметров. Компактность устройства обеспечивается за счет отсутствия разнесения элемента генерации изображения и элемента отображения изображения. В разрабатываемом устройстве многослойный оптический элемент (очковая линза) служит и источником излучения подсветки, и генератором изображения, и проекционной системой. При этом технические параметры устройства также соответствуют высокому уровню. Так, просмотровое поле зрения составляет 110 град, что соответствует максимальному углу для человеческого глаза. Разрешение изображения определяется разрешением LCD матрицы и может достигать 2048*1080. В случае использование матрицы со средним размером пикселя 30 мкм, разрешение составляет 1280×720. Мультипросмотровость и мультицветность обеспечивается за счет варьирования ориентации подсветки или совмещения нескольких оптических элементов.The implementation of such an augmented reality system will significantly reduce its form factor while maintaining high technical parameters. The compactness of the device is ensured by the lack of separation between the image generation element and the image display element. In the device under development, a multilayer optical element (spectacle lens) serves as both a source of illumination radiation, an image generator, and a projection system. At the same time, the technical parameters of the device also correspond to a high level. Thus, the viewing field of view is 110 degrees, which corresponds to the maximum angle for the human eye. The image resolution is determined by the resolution of the LCD matrix and can reach 2048 * 1080. In the case of using a matrix with an average pixel size of 30 microns, the resolution is 1280 × 720. Multi-viewing and multicolor performance is achieved by varying the orientation of the backlight or by combining several optical elements.

Разрабатываемое устройство выполнено в виде очков для коррекции зрения. Обращение с заявляемым устройством сходно с обращением с носимыми очками. Устройство может находиться в двух режимах: выключенном (пассивном) и рабочем (активном). При пассивном режиме не происходит генерация цифрового изображения и пользователь может наблюдать образ окружающей среды без помех. При активном режиме работы происходит включение подсветки и динамическая работа ЖК матрицы, что приводит к эффекту наложения цифровой картины на образ окружающей среды. Для пользователя сгенерированное изображение является удаленным на бесконечность, и его фокусировка не зависит от фокусировки глаза (изображение всегда четкое для любой фокусировки глаза наблюдателя).The device under development is made in the form of glasses for vision correction. The handling of the claimed device is similar to the handling of wearable glasses. The device can be in two modes: off (passive) and working (active). In passive mode, no digital image generation occurs and the user can observe an image of the environment without interference. When the operating mode is active, the backlight is switched on and the LCD matrix works dynamically, which leads to the effect of superimposing a digital picture on the image of the environment. For the user, the generated image is remote to infinity, and its focus does not depend on the focus of the eye (the image is always clear for any focusing of the observer's eye).

На Фиг. 1 представлена схема и принцип работы устройства дополненной реальности на основе голографического оптического волновода. Чертеж показывает структуру очковой линзы и глаза в сечении. Основным элементом очковой линзы является оптический волновод (1), в объеме которого происходит распространение параллельного пучка (2) за счет полного внутреннего отражения на границе раздела волновода и голографического оптического элемента. При распространении излучения происходит дифракция излучения в объеме голографического оптического элемента (3) и перенаправление пучка в сторону глаза наблюдателя. Причем излучение (2) может быть не монохроматическим и слабо когерентным, голографический оптический элемент служит селектором длины волны. Дифракция с нужной геометрией высвечиваемого луча происходит только в узком спектральном диапазоне, отличные спектральные компоненты не высвечиваются или высвечиваются, но не создавая нужной геометрии пучка. Далее высвеченное излучение модулируется с помощью жидкокристаллической матрицы (LCD). Если излучение, распространяемое по волноводу, имеет фиксированную поляризацию, то с помощью LCD матрицы (4) и поляризатора (5) можно получить модуляцию высвечиваемого излучения. Далее сгенерированное изображение фокусируется в центр зрачка глаза (7) и затем проецируется на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя (8). Поскольку очковая линза состоит из прозрачных и полупрозрачных элементов, то через данный оптический элемент можно беспрепятственно наблюдать образ окружающей среды (9). Для механической защищенности и уменьшения потерь излучения, распространяемого по волноводу, могут быть использованы дополнительные пленки (6) с показателем преломления, меньшим показателя преломления основного оптического волновода, что позволит добиться полного внутреннего отражения на границе волновода - защитная пленка.FIG. 1 shows a diagram and principle of operation of an augmented reality device based on a holographic optical waveguide. The drawing shows the structure of the spectacle lens and eye in cross section. The main element of a spectacle lens is an optical waveguide (1), in the volume of which a parallel beam (2) propagates due to total internal reflection at the interface between the waveguide and the holographic optical element. When radiation propagates, radiation diffraction occurs in the volume of the holographic optical element (3) and the beam is redirected towards the observer's eye. Moreover, radiation (2) may not be monochromatic and weakly coherent, the holographic optical element serves as a wavelength selector. Diffraction with the desired geometry of the emitted beam occurs only in a narrow spectral range, excellent spectral components are not emitted or emitted, but without creating the desired beam geometry. Further, the emitted radiation is modulated using a liquid crystal matrix (LCD). If the radiation propagated through the waveguide has a fixed polarization, then using the LCD matrix (4) and the polarizer (5) it is possible to obtain the modulation of the emitted radiation. Next, the generated image is focused to the center of the pupil of the eye (7) and then projected on the back of the retina of the observer's eye (8). Since the spectacle lens consists of transparent and translucent elements, it is possible to freely observe the image of the environment through this optical element (9). For mechanical protection and to reduce the loss of radiation propagated through the waveguide, additional films (6) with a refractive index lower than the refractive index of the main optical waveguide can be used, which will make it possible to achieve complete internal reflection at the waveguide boundary - a protective film.

На Фиг. 2 показаны схемы записи голографического оптического элемента. Запись осуществляется когерентным источником лазерного излучения. Пучок делится на объектный (13) и опорный (14) пучки. Объектный пучок проходит через необходимый записываемый оптический элемент - выпуклую линзу (12), с фокусным расстоянием f=40 мм, и проецируется на фоточувствительную голографическую пластину (3), удаленную от линзы на двойное фокусное расстояние. Опорный луч проецируется на фоточувствительную пластину под фиксированным углом, который соответствует углу полного внутреннего отражения пучка, распространяющегося в волноводе при восстановлении. Запись голографической линзы может быть осуществлена как при прямой записи (а), с помощью наклеивания пленки на ровную поверхность (10), так и при полном внутреннем отражении (б), с помощью наклеивания пленки на поверхность оптической призмы (11).FIG. 2 shows the recording schemes of the holographic optical element. The recording is carried out by a coherent laser source. The beam is divided into object (13) and reference (14) beams. The object beam passes through the required recordable optical element - a convex lens (12), with a focal length of f = 40 mm, and is projected onto a photosensitive holographic plate (3), remote from the lens by a double focal length. The reference beam is projected onto the photosensitive plate at a fixed angle, which corresponds to the angle of total internal reflection of the beam propagating in the waveguide during reconstruction. Recording of a holographic lens can be carried out both with direct recording (a), by gluing the film onto a flat surface (10), and with total internal reflection (b), by gluing the film onto the surface of an optical prism (11).

На Фиг. 3 демонстрируется необходимость создания голографического оптического элемента с различными коэффициентами дифракции для каждой отдельной области (15), (16), (17). При распространении пучка (2) в объеме оптического волновода (1) и нанесенной на него голографической пленки с образом оптической линзы происходит уменьшение интенсивности распространяющегося излучения после каждого акта дифракции. Уменьшение интенсивности при распространении излучения приводит к неоднородности подсветки генерируемого изображения. Для создания элемента с различными областями дифракции может использоваться метод частичной засветки областей или метод, включающий в себя возможность варьирования мощности пучков в плечах (объектный и опорный пучки).FIG. 3 demonstrates the need to create a holographic optical element with different diffraction coefficients for each separate region (15), (16), (17). When the beam (2) propagates in the volume of the optical waveguide (1) and the holographic film with the image of the optical lens applied to it, the intensity of the propagating radiation decreases after each act of diffraction. A decrease in intensity during propagation of radiation leads to inhomogeneity of the illumination of the generated image. To create an element with different areas of diffraction, the method of partial illumination of areas or a method that includes the possibility of varying the power of the beams in the arms (object and reference beams) can be used.

На Фиг. 4 показаны различные схемы заведения излучения в оптический волновод. Для введения излучения в волновод могут быть использованы следующие способы: (а) - одна из граней очковой линзы представляет собой наклоненную поверхность с нанесенным отражающим материалом (18), проецируемый свет отражается от этой грани и далее распространяется за счет полного внутреннего отражения; (б) - использование дифракционной решетки (20), один из порядков которой может распространяться по волноводу; (в) - прямое введение через торец, выполненный под фиксированным углом к большей поверхности волновода (19), при котором происходит распространение излучения; (г) - использование сложных поверхностей (22), которые могут преобразовывать излучение точечного источника (21) в параллельный пучок света. Последняя схема соответствует наибольшей компактности всего устройства.FIG. 4 shows various schemes for introducing radiation into an optical waveguide. To introduce radiation into the waveguide, the following methods can be used: (a) - one of the faces of the spectacle lens is a tilted surface with applied reflective material (18), the projected light is reflected from this face and then propagates due to total internal reflection; (b) - the use of a diffraction grating (20), one of the orders of which can propagate along the waveguide; (c) - direct introduction through the end, made at a fixed angle to the larger surface of the waveguide (19), at which radiation propagates; (d) - the use of complex surfaces (22) that can convert the radiation of a point source (21) into a parallel beam of light. The last scheme corresponds to the greatest compactness of the entire device.

На Фиг. 5 представлены способы создания трехцветного изображения. К первому (а) относится способ с использованием трех голографических оптических элементов (23), (24), (25), записанных для трех длин волн. При распространении монохроматического или смешанного излучения (26) для каждого голографического оптического элемента дифракция с нужной геометрией происходит только на длине волны, на которой происходила запись. Ко второму (б) относится способ на основе одного голографического элемента, в объеме которого записаны три оптических элемента для трех различных длин волн. При освещении этого элемента при различных ориентациях подсветки происходит высвечивание нужной длины волны только при правильной ориентации (27), при которой была произведена исходная запись элемента.FIG. 5 shows how to create a three-color image. The first (a) relates to a method using three holographic optical elements (23), (24), (25) recorded for three wavelengths. When monochromatic or mixed radiation propagates (26), for each holographic optical element, diffraction with the required geometry occurs only at the wavelength at which the recording took place. The second (b) includes a method based on one holographic element, in the volume of which three optical elements for three different wavelengths are recorded. When this element is illuminated at various orientations of the illumination, the required wavelength is illuminated only with the correct orientation (27), at which the element was originally recorded.

На Фиг. 6 показывается способ отображения изображения для различных положений зрачка глаза. Стандартная система позволяет проецировать только для одного фиксированного положения глаза. Но глаз является динамической системой, поэтому при отклонении зрачка от фокуса, сформированного голографической линзой, происходит искажение или перекрывание проекции. Таким образом необходимо создание нескольких просмотровых позиций, при которых будет видно изображение. Может быть использована схема с разделением просмотровых позиций за счет записи голографической оптической линзы под фиксированное положение глаза, а комбинация нескольких слоев (28), (29), (30) позволяет получить несколько просмотровых позиций а, б, в для различных ориентаций взора наблюдателя. Таким образом для распространяющегося луча (2) происходит высвечивание слоем (28) в направлении а, а модуляция пикселей (31) позволяет для выбранного направления получить свое изображение.FIG. 6 shows a method for displaying an image for different positions of the pupil of the eye. The standard system only allows projecting for one fixed eye position. But the eye is a dynamic system, so when the pupil deviates from the focus formed by the holographic lens, the projection is distorted or overlapped. Thus, it is necessary to create several viewing positions at which the image will be visible. A scheme with the separation of viewing positions can be used by recording a holographic optical lens for a fixed eye position, and a combination of several layers (28), (29), (30) allows obtaining several viewing positions a, b, c for different orientations of the observer's gaze. Thus, for the propagating beam (2), a layer (28) is illuminated in the direction a, and the modulation of the pixels (31) allows obtaining its own image for the selected direction.

На Фиг. 7 рассматривается схема проецирования изображения в разные положения ориентации глаза. Для отслеживания положения глаза (зрачка) используется камера (32). Далее сигнал с камеры передается модулятору, который изменяет ориентацию входящего пучка (2) относительно неподвижного оптического волновода (1). При изменении ориентации входящего луча происходит смещение пятна фокуса (33) по области волновода (1). (А) - соответствует нормальному положению входного пучка; (Б) - соответствует наклону входящего пучка по направлению распространения луча в волноводе; (В) - соответствует наклону входящего пучка по перпендикулярному направлению распространения луча в волноводе.FIG. 7 shows a diagram of the projection of the image in different positions of the orientation of the eye. A camera (32) is used to track the position of the eye (pupil). Then the signal from the camera is transmitted to the modulator, which changes the orientation of the incoming beam (2) relative to the stationary optical waveguide (1). When the orientation of the incoming beam is changed, the focus spot (33) shifts over the waveguide region (1). (A) - corresponds to the normal position of the input beam; (B) - corresponds to the inclination of the incoming beam in the direction of the beam propagation in the waveguide; (B) - corresponds to the inclination of the incoming beam along the perpendicular direction of the beam propagation in the waveguide.

На Фиг. 8 демонстрируются возможные регулировочные степени для настройки выводимого изображения в направлении глаза наблюдения. В зависимости от физиологических особенностей пользователя не представляется возможным создание универсальной системы. Для точного отображения изображения и прохождения сфокусированного пучка через центр зрачка необходима подстройка по параметрам пользователя. Так на одной из проекций (а) степени (34) позволяют регулировать межзрачковое расстояние (33), а степень (35) позволяет регулировать горизонт видения. На другой проекции (б) степень (37) позволяет регулировать расстояние между заушником (36) и блоком управления (38).FIG. 8 shows the possible adjustment ratios for adjusting the displayed image in the direction of the viewing eye. Depending on the physiological characteristics of the user, it is not possible to create a universal system. For accurate display of the image and for the passage of the focused beam through the center of the pupil, adjustment is necessary according to the parameters of the user. So on one of the projections (a) degrees (34) allow you to adjust the interpupillary distance (33), and the degree (35) allows you to adjust the horizon of vision. On the other projection (b), the degree (37) allows you to adjust the distance between the temple (36) and the control unit (38).

На Фиг. 9-10 демонстрируется работа устройства дополненной реальности на основе голографического оптического волновода с монохроматической подсветкой на длине волны 650 нм. Изображение (текст и цифры) генерируется в области оптического волновода. Полученное изображение проецируется через систему линз на матрицу цифровой камеры, являющейся моделью сетчатки глаза наблюдателя. Так как просмотровая область обладает прозрачностью, то возможно наблюдение окружающей среды совместно с наложенным цифровым изображением.FIG. 9-10 demonstrates the operation of an augmented reality device based on a holographic optical waveguide with monochromatic illumination at a wavelength of 650 nm. The image (text and numbers) is generated in the area of the optical waveguide. The resulting image is projected through a lens system onto a digital camera matrix, which is a model of the observer's retina. Since the viewing area has transparency, it is possible to observe the environment together with the overlaid digital image.

Примеры конкретного выполненияExamples of specific implementation

Пример 1Example 1

Изготовлен функциональный прототип заявляемого устройства. Ступенчатый планарный оптический волновод выполнен в виде пластины, имеющей следующие характерные размеры: 35 мм (В) × 35 мм (Ш), характерная толщина (боковая грань) 4 мм, класс шероховатости полировки стекла не ниже 7-го. Одна из боковых граней пластины отполирована под углом 45° к основанию.A functional prototype of the proposed device has been made. A stepped planar optical waveguide is made in the form of a plate having the following characteristic dimensions: 35 mm (H) × 35 mm (W), characteristic thickness (side edge) 4 mm, glass polishing roughness class not lower than 7. One of the lateral edges of the plate is polished at an angle of 45 ° to the base.

Голографический оптический элемент был записан в фотополимерной пленке Bayfol HX-200 с толщиной 16 мкм. Запись осуществлялась по аналогии со схемой Денисюка: от когерентного источника (лазерного диода с мощностью 20 мВт и рабочей длиной волны 650 нм) пучок расширялся до характерного размера 50 мм и затем делился на два при помощи светоделительной пластины, один из пучков (опорный) при помощи зеркал перенаправлялся на фотополимерную пленку под углом падения 45°, а другой (объектный) проходил через записываемый оптический элемент (плоско-выпуклую линзу с фокусным расстоянием F=20 мм) и проецировался на область полимерной пленки, при этом записываемый оптический элемент устанавливался на расстоянии удвоенного фокуса. В результате интерференции когерентных пучков в объеме фотополимерной пленки происходит запись образа голографического оптического элемента.The holographic optical element was recorded in Bayfol HX-200 photopolymer film with a thickness of 16 μm. The recording was carried out by analogy with Denisyuk's scheme: from a coherent source (a laser diode with a power of 20 mW and an operating wavelength of 650 nm), the beam was expanded to a characteristic size of 50 mm and then divided into two using a beam splitter, one of the beams (reference) using mirrors were redirected to the photopolymer film at an angle of incidence of 45 °, and the other (object) passed through the recorded optical element (plano-convex lens with a focal length of F = 20 mm) and was projected onto the region of the polymer film, while the recorded optical element was installed at a distance of twice focus. As a result of the interference of coherent beams in the volume of the photopolymer film, the image of the holographic optical element is recorded.

Записанная пленка с образом линзы (голографический оптический элемент) переносилась на поверхность планарного волновода. Поверх полученной конструкции накладывалась жидкокристаллическая монохромная матрица с разрешением 64×80. В качестве источника заводимого излучения использовалась система, состоящая из лазерного диода малой мощности с рабочей длиной волны 650 нм и плоско-выпуклой линзы, обеспечивающей формирование параллельного расширенного пучка. Сформированный пучок направляли под нормалью на боковую грань планарного волновода. Сгенерированное изображение проецировалось на задней стороне сетчатки глаза наблюдателя. Для обеспечения точного совпадения фокуса HOE и зрачка глаза была использована система регулировки положения просмотровой области относительно глаза при помощи 5 регулировочных винтов. Крепление системы к голове пользователя осуществлялось посредством использования самостоятельно спроектированной и распечатанной на 3D-принтере дужки очков.The recorded film with the lens image (holographic optical element) was transferred to the surface of the planar waveguide. A liquid-crystal monochrome matrix with a resolution of 64 × 80 was superimposed on top of the resulting design. A system consisting of a low-power laser diode with an operating wavelength of 650 nm and a plano-convex lens providing the formation of a parallel expanded beam was used as the source of the induced radiation. The formed beam was directed under the normal to the lateral face of the planar waveguide. The generated image was projected onto the back of the observer's retina. To ensure accurate alignment of the focus of the HOE and the pupil of the eye, a system was used to adjust the position of the viewing area relative to the eye using 5 adjustment screws. The attachment of the system to the user's head was carried out through the use of an independently designed and 3D printed eyeglass arch.

Пример 1 показывает принципиальную реализуемость предлагаемого устройства в компактной геометрии с толщиной устройства 4 мм, благодаря совмещению просмотровой области с областью генерации изображения дополненной реальности.Example 1 shows the fundamental feasibility of the proposed device in a compact geometry with a device thickness of 4 mm, due to the alignment of the viewing area with the augmented reality image generation area.

Пример 2:Example 2:

Использовался двумерный оптический волновод, выполненный из плоскопараллельной пластины из оптически чистого стекла толщиной 4 мм. Геометрия пластины: квадрат с двумя прилежащими скошенными торцами. С углом 45° при основании, подобранными для заведения излучения подсветки с последующим распространением вдоль волновода. На поверхность волновода была перенесена полимерная пленка с образом выпуклой линзы с фокусным расстоянием F=20 мм, записанной для перпендикулярных ориентаций поляризации подсветки для длин волн 450 нм и 650 нм. Запись осуществлялась последовательно: сначала записывался образ линзы при 450 нм в горизонтальной поляризации засветки, затем образец поворачивался на 90° и производилась запись при длине волны 650 нм. Поверх оптического волновода с нанесенной голографической пленкой накладывалась жидкокристаллическая матрица с поляризационным фильтром и разрешением 64×80. Для создания подсветки формировалось два параллельных световых пучка с длинами волн 450 нм и 650 нм, которые заводились через соседние грани. Генерация цветного изображения осуществлялась последовательно включением красной и отключением синей подсветки и наоборот. Частота генерируемого изображения составляла порядка 50 Гц, что было достаточно для наблюдения двухцветного изображения.We used a two-dimensional optical waveguide made of a plane-parallel plate made of optically clear glass 4 mm thick. Insert geometry: square with two adjacent beveled ends. With an angle of 45 ° at the base, selected to initiate the illumination radiation with subsequent propagation along the waveguide. A polymer film with an image of a convex lens with a focal length F = 20 mm, recorded for perpendicular polarization orientations of the illumination for wavelengths of 450 nm and 650 nm, was transferred to the surface of the waveguide. The recording was carried out sequentially: first, a lens image was recorded at 450 nm in horizontal polarization of the illumination, then the sample was rotated by 90 ° and the recording was made at a wavelength of 650 nm. A liquid crystal matrix with a polarization filter and a resolution of 64 × 80 was superimposed over the optical waveguide with the deposited holographic film. To create the illumination, two parallel light beams with wavelengths of 450 nm and 650 nm were formed, which were introduced through adjacent faces. The generation of a color image was carried out sequentially by turning on the red and turning off the blue backlight and vice versa. The frequency of the generated image was on the order of 50 Hz, which was sufficient to observe a two-color image.

Таким образом, пример 2 продемонстрировал возможность создания контрастного цветного изображения с помощью предлагаемого устройства.Thus, example 2 demonstrated the possibility of creating a contrasting color image using the proposed device.

Пример 3:Example 3:

Образец многослойного оптического элемента использовали как в Примере 1. Подсветка осуществлялась расширенным параллельным пучком с динамическим изменением угла наклона подсветки. Угол менялся в пределах -30° до 30° относительно нормали к поверхности скошенной грани волновода. В результате осуществлялось изменение (сдвиг) положения пятна фокусировки вдоль поверхности волновода в пределах от -5 мм до 5 мм. То есть показана возможность захвата рабочей области до 10 мм включительно.A sample of a multilayer optical element was used as in Example 1. Illumination was performed with an expanded parallel beam with a dynamic change in the angle of the illumination. The angle varied from -30 ° to 30 ° relative to the normal to the surface of the beveled face of the waveguide. As a result, the position of the focusing spot was changed (shifted) along the waveguide surface in the range from -5 mm to 5 mm. That is, the possibility of capturing the working area up to 10 mm inclusive is shown.

Так как средний радиальный размер сетчатки составляет около 11 мм, при этом около 1.5 мм состаляет «слепое пятно», Пример 3 реализует создание изображения в пределах максимального угла просмотра и для различных положений (рабочих ориентаций) глаза.Since the average radial size of the retina is about 11 mm, with a blind spot of about 1.5 mm, Example 3 implements imaging within the maximum viewing angle and for various positions (working orientations) of the eye.

В заключение, продемонстрировано достижение технического результата - малая толщина оптической схемы (Примеры 1-3), реализация мультицветности генерируемого изображения (Пример 2), просмотровое поле зрения устройства составляет покрывает поле зрения глаза, высокое разрешение достижимо за счет использования жидкокристаллической матрицы с большим разрешением.In conclusion, the achievement of the technical result was demonstrated - a small thickness of the optical circuit (Examples 1-3), the implementation of multicolor of the generated image (Example 2), the viewing field of the device covers the field of view of the eye, high resolution is achievable through the use of a liquid crystal matrix with high resolution.

Claims (15)

1. Устройство дополненной реальности, предназначенное для проецирования генерируемого изображения на заднюю сторону сетчатки глаза человека через центр его зрачка, включающее оптическую схему, снабженную средствами крепления к голове человека, и средство введения излучения в оптическую схему, характеризующееся тем, что 1. An augmented reality device designed to project the generated image onto the back side of the retina of a person through the center of his pupil, which includes an optical circuit equipped with means of attachment to the human head, and a means for introducing radiation into the optical circuit, characterized in that - оптическая схема, геометрически представляющая собой пластину с боковыми гранями, включает по меньшей мере один прозрачный многослойный оптический элемент, выполненный из прилегающих друг к другу следующих слоев: внешний слой, выполненный в виде ступенчатого планарного оптического волновода, внутренний слой, обращенный к глазу человека, сформированный в виде жидкокристаллической матрицы, снабженной поляризационным фильтром, и промежуточный слой, размещенный между указанными слоями с плотным, исключающим формирование воздушного зазора, прилеганием к внешнему слою, выполненный в виде пленки, представляющей собой голографический оптический элемент, - the optical scheme, geometrically representing a plate with side edges, includes at least one transparent multilayer optical element made of the following adjacent layers: an outer layer made in the form of a stepped planar optical waveguide, an inner layer facing the human eye, formed in the form of a liquid crystal matrix equipped with a polarizing filter, and an intermediate layer placed between the said layers with a dense, excluding the formation of an air gap, adjoining the outer layer, made in the form of a film, which is a holographic optical element, - а система введения излучения включает по меньшей мере один источник монохроматического излучения, размещенный вне многослойного оптического элемента, выполненный с возможностью заведения излучения в оптический волновод через боковые грани пластины оптической схемы.- and the system for introducing radiation includes at least one source of monochromatic radiation, located outside the multilayer optical element, made with the possibility of introducing radiation into the optical waveguide through the lateral edges of the plate of the optical scheme. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковые грани оптической схемы снабжены светоотражающим покрытием и выполнены наклонными под углом от 30 до 60° к поверхности пластины, при этом источник излучения размещен с обеспечением заведения излучения в оптический волновод под нормальным углом к поверхности многослойного оптического элемента с последующим переотражением от боковой грани оптической схемы.2. The device according to claim 1, characterized in that the lateral faces of the optical circuit are provided with a reflective coating and are made inclined at an angle of 30 to 60 ° to the surface of the plate, while the radiation source is placed to ensure that radiation is introduced into the optical waveguide at a normal angle to the surface multilayer optical element with subsequent re-reflection from the side face of the optical circuit. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на часть поверхности многослойного оптического элемента нанесена дифракционная маска с периодом 100-2000 нм, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через дифракционную маску.3. The device according to claim 1, characterized in that a diffraction mask with a period of 100-2000 nm is applied to a part of the surface of the multilayer optical element, and the radiation source is placed so that radiation can be introduced into the optical waveguide through the diffraction mask. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковые грани оптической схемы выполнены наклонными под углом 45-60° или скругленными с радиусом кривизны 0.1…10 мм, обеспечивающим фокусировку боковой гранью, при этом источник излучения размещен с обеспечением возможности заведения излучения в оптический волновод через указанную грань.4. The device according to claim 1, characterized in that the lateral edges of the optical scheme are made inclined at an angle of 45-60 ° or rounded with a radius of curvature of 0.1 ... 10 mm, providing focusing by the lateral edge, while the radiation source is placed so that radiation can be introduced into optical waveguide through the specified face. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно планарный оптический волновод снабжен защитными полимерными покрытиями, нанесенными на обе его поверхности, при этом показатель преломления полимерного покрытия меньше показателя преломления в сердцевине волновода.5. The device according to claim 1, characterized in that the planar optical waveguide is additionally equipped with protective polymer coatings applied to both its surfaces, while the refractive index of the polymer coating is less than the refractive index in the waveguide core. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая схема включает по меньшей мере два многослойных оптических элемента, плотно прилегающих друг к другу, имеющих различные рабочие длины волн и/или различные рабочие ориентации. 6. The device according to claim 1, characterized in that the optical circuit includes at least two multilayer optical elements closely adjacent to each other, having different operating wavelengths and / or different operating orientations. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что голографический оптический элемент имеет переменный коэффициент дифракции 10-95%, увеличивающийся по мере удаленности от области заведения излучения в многослойный оптический элемент.7. The device according to claim 1, characterized in that the holographic optical element has a variable diffraction coefficient of 10-95%, which increases with distance from the region where the radiation is introduced into the multilayer optical element. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством регулировки положения отображаемого изображения относительно глаза человека.8. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with means for adjusting the position of the displayed image relative to the human eye. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено системой отслеживания положения глаза, установленной в средство крепления устройства к голове человека.9. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with an eye tracking system installed in the means for attaching the device to the human head. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что многослойный оптический элемент выполнен из слоев с суммарным коэффициентом пропускания не менее 50% и имеет толщину не более 1 мм.10. The device according to claim 1, characterized in that the multilayer optical element is made of layers with a total transmittance of at least 50% and has a thickness of not more than 1 mm. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что жидкокристаллическая матрица представляет собой динамическую монохромную матрицу, состоящую из слоя жидких кристаллов, управляемых тонкопленочными транзисторами.11. The device according to claim 1, characterized in that the liquid crystal matrix is a dynamic monochrome matrix consisting of a layer of liquid crystals controlled by thin-film transistors. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средств крепления к голове человека может быть использована оправа с дужками.12. A device according to claim 1, characterized in that a frame with bows can be used as a means of attachment to a person's head. 13. Способ изготовления голографического оптического элемента, предназначенного для использования в устройстве дополненной реальности по п.1, характеризующийся тем, что фоточувствительную пленку толщиной 10…200 мкм и площадью не менее 1 кв. см размещают на одной из боковых граней треугольной оптической призмы с показателем преломления материала призмы 1.2-1.5, направляют на указанную призму излучение от когерентного источника, при этом часть излучения, представляющую собой опорный пучок, заводят через одну боковую грань призмы, с обеспечением полного его внутреннего отражения на границе пленки с воздухом, а часть излучения, представляющую собой объектный пучок, направляют на внешнюю поверхность пленки через записываемый оптический элемент посредством его расположения на пути распространения излучения, и затем опорный и объектный пучки интерферируют в области пленки, в результате чего получают запись голографического изображения объекта в пленке.13. A method of manufacturing a holographic optical element intended for use in an augmented reality device according to claim 1, characterized in that the photosensitive film with a thickness of 10 ... 200 μm and an area of at least 1 sq. cm is placed on one of the side faces of a triangular optical prism with a refractive index of the prism material 1.2-1.5, radiation from a coherent source is directed to the specified prism, while part of the radiation, which is a reference beam, is introduced through one side face of the prism, ensuring its complete internal reflections at the boundary of the film with air, and a part of the radiation, which is an object beam, is directed to the outer surface of the film through a recordable optical element by its location in the path of radiation propagation, and then the reference and object beams interfere in the film region, as a result of which a holographic recording is obtained. images of the object in the film.
RU2020113047A 2020-04-07 2020-04-07 Augmented reality device based on holographic optical waveguide RU2740065C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020113047A RU2740065C1 (en) 2020-04-07 2020-04-07 Augmented reality device based on holographic optical waveguide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020113047A RU2740065C1 (en) 2020-04-07 2020-04-07 Augmented reality device based on holographic optical waveguide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740065C1 true RU2740065C1 (en) 2020-12-31

Family

ID=74106537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020113047A RU2740065C1 (en) 2020-04-07 2020-04-07 Augmented reality device based on holographic optical waveguide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740065C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805008C1 (en) * 2023-03-30 2023-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "КСПАНСЕО"(ООО "КСПАНСЕО") Virtual image visualization system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105487170A (en) * 2016-01-19 2016-04-13 东南大学 Holographic optical waveguide and holographic optical waveguide display device
CN108957749A (en) * 2018-07-06 2018-12-07 成都理想境界科技有限公司 A kind of nearly eye display module of simple eye big visual field
US20190212589A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Digilens, Inc. Liquid Crystal Materials and Formulations

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105487170A (en) * 2016-01-19 2016-04-13 东南大学 Holographic optical waveguide and holographic optical waveguide display device
US20190212589A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Digilens, Inc. Liquid Crystal Materials and Formulations
CN108957749A (en) * 2018-07-06 2018-12-07 成都理想境界科技有限公司 A kind of nearly eye display module of simple eye big visual field

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805008C1 (en) * 2023-03-30 2023-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "КСПАНСЕО"(ООО "КСПАНСЕО") Virtual image visualization system
RU2817166C1 (en) * 2023-07-14 2024-04-11 Общество с ограниченной ответственностью "КСПАНСЕО" (ООО "КСПАНСЕО") Method of tracking position of user's eyes and contact lens (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11243395B2 (en) Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus
US9964768B2 (en) Head mounted display using spatial light modulator to generate a holographic image
CN215982382U (en) Display for displaying images into the eyes of an observer
CN105492957B (en) Using the image display of pairs of glasses form
US20200183079A1 (en) Display device comprising a light guide
RU2324960C2 (en) Light-conducting optical element
US6771403B1 (en) Image display apparatus
CN107367845B (en) Display system and display method
US20150362734A1 (en) Transflective holographic film for head worn display
KR20190116448A (en) Variable-Focus Virtual Image Devices Based on Polarization Transformation
US20210382307A1 (en) Light-field mixed reality system with correct monocular depth cues to a viewer
US20200301239A1 (en) Varifocal display with fixed-focus lens
JP2007505353A (en) Substrate light guide optical device
JPH10319240A (en) Head-mounted display
HU227185B1 (en) Substrage-guided optical beam expander
JP2005504339A (en) Flat projection display
JP2002287077A (en) Video display device
JP7093729B2 (en) See-through display system
WO2020183887A1 (en) Composite diffractive element, tool, and image projection system
JP2021524067A (en) Augmented reality display device
CN111142256A (en) VR optical display module and display device
CN111142255A (en) AR optical display module and display device
RU2740065C1 (en) Augmented reality device based on holographic optical waveguide
JP2010145721A (en) Optical path combiner, image display device and head mount display
JP2002258488A (en) Exposure method and exposure device for manufacture of holographic optical element

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20210329