RU2745540C1

RU2745540C1 - Augmented reality device based on waveguides with the structure of holographic diffraction grids, device for recording the structure of holographic diffraction grids

Info

Publication number: RU2745540C1
Application number: RU2020128284A
Authority: RU
Inventors: Николай Викторович Муравьев; Владимир Николаевич Борисов; Михаил Вячеславович Попов
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-03-26
Also published as: KR20220026472A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for recording the structure of holographic diffraction gratings forms the first object beam and the reference beam, which falls on the edge of an isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of an isosceles triangle, and the first object beam falls on the edge of an isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of an isosceles triangle. The device forms a second object beam that falls on the face of the triangular prism and refracts to the adjacent face of the triangular prism parallel to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle. The recording material is located between the base of the isosceles triangular prism and the face of the triangular prism parallel to it. The augmented reality display device contains a projection system; a waveguide, on which the input diffraction element and the structure of the holographic diffraction gratings are located.

EFFECT: providing an easy-to-manufacture, compact and lightweight device with a wide field of view and minimal radiation loss.

29 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, выполненным на основе голографических оптических элементов, и к способам их изготовления и функционирования.The present invention relates to augmented reality devices based on holographic optical elements and to methods for their manufacture and operation.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое можно использовать в качестве дополнительного экрана, например, для смартфонов или других электронных устройств. Для массового потребителя необходимо разрабатывать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, такие носимые устройства могут заменить пользователю телевизоры и смартфоны. Wearable augmented reality (AR) glasses are a personal device that can be used as an additional screen, for example, for smartphones or other electronic devices. For the mass consumer, it is necessary to develop devices of augmented reality glasses with a wide field of view (FOV), low weight and cost, compactness and high resolution, such wearable devices can replace TVs and smartphones for the user.

К системам очков дополненной реальности предъявляются следующие требования: The following requirements are imposed on augmented reality glasses systems:

- широкое поле зрения, чтобы человеческий глаз мог охватить всю область, которую он видит, возможность накладывания виртуальных изображений на большую область;- a wide field of view, so that the human eye can cover the entire area that it sees, the ability to superimpose virtual images over a large area;

- хорошее качество изображения, высокое разрешение, высокий контраст и т.д.;- good image quality, high resolution, high contrast, etc .;

- малый вес;- light weight;

- компактность;- compactness;

- низкая стоимость;- low cost;

- высокое разрешение, высокий контраст и т.д. - high resolution, high contrast, etc.

При достижении таких требований возникают проблемы, связанные, например, с тем, что широкое поле зрения требует обеспечения широкой области, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Существуют разные подходы для достижения предъявляемых требований. Одни подходы могут обеспечить широкое поле зрения, но не могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь. Другие подходы могут обеспечить широкую область, внутри которой глаз может видеть все изображение полностью, без потерь, но не могут обеспечить широкое поле зрения. Необходимо отметить, что классические системы, в которых не применяется мультиплицирование выходного зрачка, имеют вводящую и выводящую решетки (голографическую (HOE) или дифракционную(DOE)). Схематически такие системы работают следующим образом. Проектор формирует изображение в бесконечности, формируя параллельные пучки, при этом в выходном зрачке проектора помещают вводную голограмму или вводной дифракционный элемент, расположенный на волноводе, за счет дифракции на таком элементе параллельные пучки, не нарушая своей параллельности, вводятся в волновод, за счет полного внутреннего отражения пучки распространяются в волноводе и попадают на выводной дифракционный элемент (HOE/DOE). В известном уровне техники используется только один порядок дифракции излучения, прошедшего дифракционную решетку, кроме того, в известных устройствах вводные и выводные решетки используются только в одной плоскости, поэтому вводное широкое поле на выводе превращается в узкую картинку, которую не вполне комфортно рассматривать, поскольку, если зрачок глаза смотрит вперед отчетливо видно только центральное поле изображения, тогда как части изображения, расположенные по краям представляют собой темную область, а если зрачок глаза сместится в вертикальном направлении, то наоборот центральная часть будет представляться темной областью. То есть в известных классических системах пользователь может видеть только узкую полоску изображения.In achieving such requirements, problems arise, associated, for example, with the fact that a wide field of view requires providing a wide area within which the eye can see the entire image completely, without loss. There are different approaches to achieving these requirements. Some approaches can provide a wide field of view, but cannot provide a wide area within which the eye can see the entire image completely, without loss. Other approaches can provide a wide area within which the eye can see the entire image without loss, but cannot provide a wide field of view. It should be noted that classical systems that do not use exit pupil multiplication have input and output gratings (holographic (HOE) or diffraction (DOE)). Schematically, such systems work as follows. The projector forms an image at infinity, forming parallel beams, while an introductory hologram or an introductory diffractive element located on the waveguide is placed in the exit pupil of the projector, due to diffraction on such an element, parallel beams, without breaking their parallelism, are introduced into the waveguide, due to the complete internal Reflection beams propagate in the waveguide and hit the output diffraction element (HOE / DOE). In the prior art, only one order of diffraction of radiation that has passed the diffraction grating is used, in addition, in the known devices, input and output gratings are used only in one plane, therefore the input wide field at the output turns into a narrow picture, which is not quite comfortable to consider, since, if the pupil of the eye looks forward, only the central field of the image is clearly visible, while the parts of the image located at the edges represent a dark area, and if the pupil of the eye is displaced in the vertical direction, then on the contrary, the central part will appear as a dark area. That is, in the known classical systems, the user can see only a narrow strip of the image.

Увеличение поля зрения приводит к увеличению габаритов и массы системы. An increase in the field of view leads to an increase in the size and weight of the system.

В известных системах может использоваться волновод, элемент ввода изображения, размножающий элемент, элемент вывода изображения. За счет размножающего элемента увеличиваются габаритные размеры всего устройства, в том числе масса устройства, при этом размножающая голограмма, как таковая не участвует в построении изображения, но улучшает его качество и увеличивает поле движения глаз. Для решения проблемы увеличения поля зрения в известных системах используется сложная волноводная структура, содержащая 3 или более дифракционных элемента. Кроме того, для изготовления подходящих рельефно-фазовых дифракционных элементов (DOE) требуется сложный производственный процесс, который имеет высокий процент брака, и соответственно высокую себестоимость конечного продукта. Поскольку необходимо использовать несколько отдельных элементов для ввода излучения, расширения выходного зрачка и вывода излучения, устройство получается достаточно громоздким и тяжелым. In known systems, a waveguide, an image input element, a multiplying element, an image output element can be used. Due to the multiplying element, the overall dimensions of the entire device increase, including the mass of the device, while the multiplying hologram, as such, does not participate in the construction of the image, but improves its quality and increases the field of eye movement. To solve the problem of increasing the field of view, the known systems use a complex waveguide structure containing 3 or more diffractive elements. In addition, the manufacture of suitable relief-phase diffractive elements (DOE) requires a complex manufacturing process that has a high scrap rate and, accordingly, a high cost of the final product. Since it is necessary to use several separate elements for inputting radiation, widening the exit pupil and outputting radiation, the device turns out to be rather bulky and heavy.

При использовании голографических дифракционных элементов (HOE) проблемой является низкая эффективность записывающих материалов, таких как фотополимер. Этим материалам не хватает значений показателя преломления (n) и изменения показателя преломления (Δn) материала HOE или DOE для обеспечения высокой эффективности, широкой угловой селективности и хорошей однородности изображения в тонком слое для обеспечения широкого поля зрения. Как известно из уровня техники - n - показатель преломления материала HOE или DOE, причем чем больше n, тем большее угловое поле может пройти через волновод, Δn - изменение показателя преломления, причем периодическое изменение показателя преломления создает дифракционную решетку. Для рельефно-фазовых дифракционных решеток изменение показателя преломления считается как разность показателя преломления материала и воздуха и составляет величину более 0.3. Для голографических дифракционных решеток (НОЕ) Δn обеспечивается массопереносом материалов с более высоким показателем преломления внутри (в толще) материала и соответственно в несколько раз ниже, чем у DOE. Величина Δn определяет максимальную дифракционную эффективность при фиксированной толщине материала, чем больше величина Δn, тем больше эффективность. Теоретически высокую дифракционную эффективность можно получить при толстом слое материала и относительно низком Δn, однако при этом ухудшается угловая селективность решетки и соответственно уменьшается поле зрения. Поэтому идеальным материалом для HOE является тонкий материал (0.5-2 мкм) с высоким показателем преломления и Δn, однако таких материалов на сегодняшний день не существует. When using holographic diffractive elements (HOE), the problem is the low efficiency of recording materials such as photopolymer. These materials lack the refractive index (n) and refractive index change (Δn) of the HOE or DOE material to provide high efficiency, wide angular selectivity and good image uniformity in a thin layer to provide a wide field of view. As is known from the prior art, n is the refractive index of the HOE or DOE material, and the larger n, the greater the angular field can pass through the waveguide, Δn is the change in the refractive index, and a periodic change in the refractive index creates a diffraction grating. For relief-phase diffraction gratings, the change in the refractive index is considered as the difference between the refractive index of the material and air and is more than 0.3. For holographic diffraction gratings (HOE), Δn is provided by the mass transfer of materials with a higher refractive index inside (in the thickness) of the material and, accordingly, several times lower than that of DOE. The value of Δn determines the maximum diffraction efficiency for a fixed thickness of the material, the larger the value of Δn, the greater the efficiency. Theoretically, a high diffraction efficiency can be obtained with a thick layer of material and a relatively low Δn, however, this worsens the angular selectivity of the grating and, accordingly, decreases the field of view. Therefore, an ideal material for HOE is a thin material (0.5-2 µm) with a high refractive index and Δn; however, such materials do not exist today.

Итак, в известном уровне техники увеличение числа дифракционных решеток приводит к увеличению размера волновода или к увеличению количества волноводов. So, in the prior art, an increase in the number of diffraction gratings leads to an increase in the size of the waveguide or to an increase in the number of waveguides.

Необходимо, чтобы все лучи, введенные в волновод за счет полного внутреннего отражения, не выходили за его пределы. Но поскольку показатель преломления среды ограничен, то есть существует предельный угол внутреннего отражения, который ограничивает поле зрения, поэтому важен такой показатель, как угловая селективность дифракционных элементов. It is necessary that all rays introduced into the waveguide due to total internal reflection do not go beyond its limits. But since the refractive index of the medium is limited, that is, there is a limiting angle of internal reflection that limits the field of view, therefore, such an indicator as the angular selectivity of diffractive elements is important.

Из уровня техники, документ CN104076620 (дата публикации 01.10.2014), известно устройство и способ экспонирования объемной голограммы за один этап. Для этого луч лазерного света, излучаемый лазерным излучателем, разделяется на три луча или множество лучей с помощью светоделителей и экспонируется одновременно одним отражающим зеркалом или множеством отражающих зеркал каждой ветви светового тракта. Лазерное излучение отражается множеством отражающих зеркал, причем углы отражения множества отражающих зеркал модулируются для модуляции направлений множества световых лучей. Объемная голограмма фотоактивного вещества вводится во множестве определенных направлений, чтобы экспонировать объемную голограмму фотоактивного вещества и образовывать стереорешетку. При использовании одного процесса экспонирования сформированная решетка объемной голограммы может использоваться для достижения определенной селективности длины волны и угла дифракции падающего света. Недостатки известного решения состоят в том, что используется три луча, два и более светоделителя, а также нет контроля мощности.From the prior art, document CN104076620 (publication date 01.10.2014), a device and method for exposing a volumetric hologram in one step is known. For this, a laser light beam emitted by a laser emitter is divided into three beams or a plurality of beams by means of beam splitters and exposed simultaneously by one reflecting mirror or a plurality of reflecting mirrors of each branch of the light path. The laser light is reflected by a plurality of reflective mirrors, wherein the angles of reflection of the plurality of reflective mirrors are modulated to modulate the directions of the plurality of light beams. The volume hologram of the photoactive substance is inserted in a plurality of specific directions to expose the volume hologram of the photoactive substance and form a stereo lattice. Using a single exposure process, the formed volume hologram grating can be used to achieve a certain selectivity of the wavelength and diffraction angle of the incident light. The disadvantages of the known solution are that three beams, two or more beam splitters are used, and there is no power control.

Из уровня техники, документ US7618750 (дата публикации 17.11.2009), известен способ изготовления голографического оптического элемента с использованием листа. Лист для записи голограммы в соответствии с известным решением состоит из пленки и материалов, чувствительных к разным длинам волн, формирующих в них желаемый узор, или пленки и по меньшей мере двух материалов, чувствительных к записи голограммы, чувствительных к областям с разной длиной волны, ламинированных на пленке с прозрачным пластиковым разделительным слоем, расположенным между ними, что позволяет записывать необходимые длины волн дифракционного света на требуемых участках без создания ненужных интерференционных полос. Недостатки известного решения состоят в том, что HOE разделены по цветам, такие решетки не могут обеспечить расширение и умножение выходного зрачка в разных направлениях.From the prior art, document US7618750 (publication date 11/17/2009), a method of manufacturing a holographic optical element using a sheet is known. The sheet for recording a hologram in accordance with the known solution consists of a film and materials sensitive to different wavelengths, forming a desired pattern in them, or film and at least two materials sensitive to hologram recording, sensitive to regions with different wavelengths, laminated on film with a transparent plastic spacer between them, which allows the desired wavelengths of diffractive light to be recorded at the desired areas without creating unnecessary interference fringes. The disadvantages of the known solution lie in the fact that HOEs are separated by color; such gratings cannot provide expansion and multiplication of the exit pupil in different directions.

Из уровня техники известна система Microsoft ‘Hololens’ solution (доступно в Интернет: https://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens) очков дополненной реальности, в которой решается проблема узкого поля зрения. В первом варианте такой известной системы для каждого глаза используется своя проекционная система, в которой используется вводная дифракционная решетка, поворотная решетка (или первая размножающая решетка), которая размножает излучение, частично поворачивает в область выводной решетки, далее излучение распространяется вдоль размножающей решетки и попадает на выводную дифракционную решетку, где формируется широкое поле изображения, благодаря которому глаз воспринимает изображение не в узкой области, а имеет более комфортное широкое поле при движении и рассматривании. Однако известная система имеет сложную конструкцию, поскольку используются три дифракционные решетки. Кроме того, размножающая дифракционная решетка сложна в изготовлении, то есть система в целом сложна в изготовлении, поскольку угол поворота штрихов размножающей решетки должен составлять ровно 45°относительно вводной и выводной дифракционных решеток. Процесс изготовления известной системы является сложным и дорогим, поскольку при изготовлении таких систем наблюдается большой процент выхода бракованных изделий. From the prior art, the Microsoft ‘Hololens’ solution (available on the Internet: https://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_HoloLens) of augmented reality glasses is known, which solves the problem of a narrow field of view. In the first version of such a known system, for each eye, its own projection system is used, in which an input diffraction grating is used, a rotary grating (or the first multiplying grating), which multiplies the radiation, partially rotates into the region of the output grating, then the radiation propagates along the multiplying grating and falls on an output diffraction grating, where a wide image field is formed, due to which the eye perceives the image not in a narrow area, but has a more comfortable wide field when moving and viewing. However, the known system has a complex structure because three diffraction gratings are used. In addition, the breeding diffraction grating is difficult to manufacture, that is, the system as a whole is difficult to manufacture, since the angle of rotation of the strokes of the breeding grating must be exactly 45 °with respect to the input and output diffraction gratings. The manufacturing process of the prior art system is complex and expensive because of the high yield of defective products in the manufacture of such systems.

Вторая версия известной системы Microsoft ‘Hololens’ solution (доступно в Интернет по адресам https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware и https://en.wikipedia.org/wiki/HoloLens_2) отличается от первой версии тем, что применяется только один общий проектор для двух глаз, который пользователь располагает между глазами. В такой реализации известной системы поле зрения имеет ограничения по двум направлениям, поскольку штрихи вводной и выводной дифракционной решетки должны быть перпендикулярны друг другу. Поэтому при вводе излучения поле зрения ограничивается по горизонтали, а при выводе излучения поле зрения ограничивается по вертикали, то есть исходное изображение срезается как по бокам, так и сверху, и снизу. The second version of the well-known Microsoft 'Hololens' solution (available on the Internet at https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware and https://en.wikipedia.org/wiki/HoloLens_2) differs from the first versions in that only one common projector for two eyes is used, which the user places between the eyes. In such an implementation of the known system, the field of view is limited in two directions, since the strokes of the input and output diffraction gratings must be perpendicular to each other. Therefore, when the radiation is inputted, the field of view is limited horizontally, and when the radiation is outputted, the field of view is limited vertically, that is, the original image is cut off both from the sides and from above and below.

Необходимо разработать простое в изготовлении, компактное и легкое устройство для отображения дополненной реальности с широким полем зрения и с минимальными потерями излученияIt is necessary to develop an easy-to-manufacture, compact and lightweight device for displaying augmented reality with a wide field of view and with minimal radiation losses

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Предлагается устройство записи структуры голографических дифракционных решеток, содержащее источник излучения; светоделитель, выполненный с возможностью разделения излучения на первый пучок излучения и второй пучок излучения; причем по ходу первого пучка излучения расположены: расширитель первого пучка излучения, первое зеркало; первый амплитудный фильтр; равнобедренная треугольная призма; причем первый амплитудный фильтр расположен таким образом, что через него проходит только одна часть первого пучка излучения, образуя первый объектный пучок, а другая часть первого пучка излучения проходит от первого зеркала к равнобедренной треугольной призме, образуя опорный пучок; причем равнобедренная треугольная призма расположена таким образом, что опорный пучок, падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, первый объектный пучок падает на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; причем по ходу второго пучка излучения расположены: расширитель второго пучка излучения; второе зеркало; второй амплитудный фильтр; треугольная призма; причем треугольная призма расположена таким образом, что второй пучок излучения, пройдя второй амплитудный фильтр, и образуя второй объектный пучок, падает на грань треугольной призмы и преломляется к смежной грани треугольной призмы, параллельной грани равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника; причем материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, расположен между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы. Причем структура дифракционных решеток представляет собой размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Размножающая дифракционная решетка может являться пропускающей, выводящая дифракционная решетка может являться отражающей. Источник излучения является когерентным. Причем за первым амплитудным фильтром может быть дополнительно расположен первый затвор, за вторым амплитудным фильтром может быть дополнительно расположен второй затвор. Причем затворы выполнены с возможностью асинхронного периодического открывания и закрывания первого и второго объектных пучков соответственно. Причем затворы являются вращателями поляризации. Устройство может дополнительно содержать поворотный столик, расположенный между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы, на котором размещается материал для записи структуры голографических дифракционных решеток. Причем материал для записи структуры дифракционных решеток нанесен на волновод. Причем материал для записи структуры дифракционных решеток прикатывается к грани равнобедренной треугольной призмы, проходящей через основания равнобедренных треугольников.The proposed device for recording the structure of holographic diffraction gratings, containing a radiation source; a beam splitter configured to separate radiation into a first radiation beam and a second radiation beam; and in the course of the first radiation beam are located: the expander of the first radiation beam, the first mirror; first amplitude filter; isosceles triangular prism; moreover, the first amplitude filter is located so that only one part of the first radiation beam passes through it, forming the first object beam, and the other part of the first radiation beam passes from the first mirror to the isosceles triangular prism, forming a reference beam; moreover, the isosceles triangular prism is located in such a way that the reference beam falls on the edge of the isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of the isosceles triangle, the first object beam falls on the edge of the isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle; and in the course of the second radiation beam are located: the expander of the second radiation beam; second mirror; second amplitude filter; triangular prism; moreover, the triangular prism is located in such a way that the second beam of radiation, having passed the second amplitude filter, and forming a second object beam, falls on the face of the triangular prism and refracts to the adjacent face of the triangular prism parallel to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle; moreover, the material for recording the structure of holographic diffraction gratings is located between the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle and the face of the triangular prism parallel to it. Moreover, the structure of the diffraction gratings is a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating. The multiplying diffraction grating can be transmissive, the output diffraction grating can be reflective. The radiation source is coherent. Moreover, a first gate can be additionally located behind the first amplitude filter, and a second gate can be additionally located behind the second amplitude filter. Moreover, the gates are made with the possibility of asynchronous periodic opening and closing of the first and second object beams, respectively. Moreover, the shutters are polarization rotators. The device may additionally contain a turntable located between the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle and the parallel face of the triangular prism, on which the material for recording the structure of the holographic diffraction gratings is placed. Moreover, the material for recording the structure of the diffraction gratings is applied to the waveguide. Moreover, the material for recording the structure of diffraction gratings is rolled to the face of an isosceles triangular prism passing through the bases of the isosceles triangles.

Также предлагается способ записи структуры голографических решеток посредством устройства записи структуры голографических дифракционных решеток упомянутого выше. Причем способ содержит этапы, на которых: генерируют излучение посредством источника излучения; делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя; обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения; разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка; направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника, при этом опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, создавая в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены вертикально, то есть поперек толщи материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру размножающей голографической дифракционной решетки; обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения; ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок; преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, где второй объектный пучок и опорный пучок создают в объеме материала для записи структуры голографических дифракционных решеток интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены под углом к нормали плоскости материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, причем упомянутая интерференционная картина записывается в упомянутом материале, образуя структуру выводящей голографической дифракционной решетки. Причем глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров. Глубина записи каждой из дифракционных решеток может определяться подбором времени экспозиции. Причем размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей. Поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы. There is also proposed a method for recording the structure of holographic gratings by means of the device for recording the structure of holographic diffraction gratings mentioned above. Moreover, the method contains the stages at which: generate radiation by means of a radiation source; dividing the radiation into a first radiation beam and a second radiation beam by means of a beam splitter; expanding the first beam of radiation by means of the expander of the first beam of radiation; separating the first beam of radiation into a reference beam and a first object beam, the first object beam being formed after a portion of the first radiation beam passes through the first amplitude filter, the intensity of the first object beam being lower than the intensity of the reference beam; directing the first object beam to the face of the isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of the isosceles triangle, directing the reference beam to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle; refract the reference beam and the first object beam at the same angles relative to the normal to the prism face passing through the base of the isosceles triangle, by means of the faces corresponding to the equal sides of the isosceles triangle, while the reference beam and the first object beam through the isosceles triangular prism fall into the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, creating in the volume of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings an interference pattern in which the intensity maxima and minima are located vertically, that is, across the thickness of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, and the said interference pattern is recorded in the said material, forming a multiplying holographic structure diffraction grating; expanding the second radiation beam by means of the expander of the second radiation beam; attenuating the intensity of the second beam of radiation by means of the second amplitude filter, while forming a second object beam; the second object beam is refracted through the face of the triangular prism, while the second object beam through the triangular prism enters the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, where the second object beam and the reference beam create an interference pattern in the volume of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, in which the maxima and the intensity minima are located at an angle to the normal to the plane of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, and said interference pattern is recorded in said material, forming the structure of the output holographic diffraction grating. Moreover, the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by the selection of the transmittance of the amplitude filters. The recording depth of each of the diffraction gratings can be determined by the selection of the exposure time. Moreover, the multiplying diffraction grating is transmissive, the output diffraction grating is reflective or transmissive. The surface periods of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating are the same.

Также предлагается способ работы устройства записи структуры голографических дифракционных решеток, содержащий этапы, на которых: генерируют излучение посредством источника излучения; делят излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения посредством светоделителя; обеспечивают расширение первого пучка излучения посредством расширителя первого пучка излучения; разделяют первый пучок излучения на опорный пучок и первый объектный пучок, причем первый объектный пучок образуется после прохождения части первого пучка излучения через первый амплитудный фильтр, причем интенсивность первого объектного пучка ниже интенсивности опорного пучка; направляют первый объектный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, направляют опорный пучок на грань равнобедренной треугольной призмы, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника; преломляют опорный пучок и первый объектный пучок под одинаковыми углами относительно нормали к грани призмы, проходящей через основание равнобедренного треугольника, посредством граней, соответствующих равным сторонам равнобедренного треугольника, причем опорный пучок и первый объектный пучок через равнобедренную треугольную призму попадают в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток; обеспечивают расширение второго пучка излучения посредством расширителя второго пучка излучения; ослабляют интенсивность второго пучка излучения посредством второго амплитудного фильтра, при этом образуется второй объектный пучок; преломляют второй объектный пучок посредством грани треугольной призмы, при этом второй объектный пучок через треугольную призму попадает в материал для записи структуры голографических дифракционных решеток, поворачивают поворотный столик на угол +α, записывают первую структуру дифракционных решеток в верхней и нижней толще материала для записи структуры дифракционных решеток, причем в верхний толще материал записывается первая размножающая дифракционная решетка, а в нижний толще материал записывается первая выводящая дифракционная решетка; поворачивают поворотный столик на угол -α, записывают вторую структуру дифракционных решеток, причем вторая размножающая дифракционная решетка и вторая выводящая дифракционная решетка образуются в толще материала между первой размножающей дифракционной решеткой и первой выводящей дифракционной решеткой. Причем глубина записи каждой из дифракционных решеток определяется подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров. Также глубина записи каждой из дифракционных решеток может определяться подбором времени экспозиции. Причем размножающая дифракционная решетка является пропускающей, выводящая дифракционная решетка является отражающей или пропускающей. Причем поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки одинаковы. Also, a method of operation of a device for recording the structure of holographic diffraction gratings is proposed, comprising the steps of: generating radiation by means of a radiation source; dividing the radiation into a first radiation beam and a second radiation beam by means of a beam splitter; expanding the first beam of radiation by means of the expander of the first beam of radiation; separating the first beam of radiation into a reference beam and a first object beam, the first object beam being formed after a portion of the first radiation beam passes through the first amplitude filter, the intensity of the first object beam being lower than the intensity of the reference beam; directing the first object beam to the face of the isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of the isosceles triangle, directing the reference beam to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle; refract the reference beam and the first object beam at the same angles relative to the normal to the prism face passing through the base of the isosceles triangle by means of the faces corresponding to the equal sides of the isosceles triangle, and the reference beam and the first object beam through the isosceles triangular prism fall into the material for recording the structure of holographic diffraction gratings; expanding the second radiation beam by means of the expander of the second radiation beam; attenuating the intensity of the second beam of radiation by means of the second amplitude filter, while forming a second object beam; refract the second object beam by means of the triangular prism facet, while the second object beam enters the material for recording the structure of holographic diffraction gratings through the triangular prism, rotate the turntable through an angle + α, record the first structure of diffraction gratings in the upper and lower thickness of the material to record the structure of diffraction gratings gratings, and the first multiplying diffraction grating is recorded in the upper layer of the material, and the first output diffraction grating is recorded in the lower layer of the material; the turntable is rotated through the angle -α, the second structure of the diffraction gratings is recorded, and the second multiplying diffraction grating and the second outgoing diffraction grating are formed in the thickness of the material between the first multiplying diffraction grating and the first outgoing diffraction grating. Moreover, the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by the selection of the transmittance of the amplitude filters. Also, the recording depth of each of the diffraction gratings can be determined by the selection of the exposure time. Moreover, the multiplying diffraction grating is transmissive, the output diffraction grating is reflective or transmissive. Moreover, the surface periods of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating are the same.

Также предлагается устройство отображения дополненной реальности, содержащее: проекционную систему; волновод, на котором расположены: вводящий дифракционный элемент; структура голографических дифракционных решеток, изготовленная посредством предлагаемого способа, упомянутого выше. Причем устройство может дополнительно содержать еще одну структуру голографических дифракционных решеток, изготовленную посредством предлагаемого способа, причем структуры голографических дифракционных решеток нанесены на противоположные стороны волновода, причем структуры голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы. В одном из вариантов исполнения дополнительная структура голографических дифракционных решеток, записанная в дополнительном материале для записи структуры дифракционных решеток, нанесена поверх структуры голографических дифракционных решеток, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток повернуты относительно друг друга и вектора вводящего дифракционного элемента на симметричные углы, причем структура голографических дифракционных решеток и дополнительная структура голографических дифракционных решеток образуют два слоя структур голографических дифракционных решеток. Причем два слоя структур голографических дифракционных решеток могут быть нанесены на волновод.Also proposed is an augmented reality display device comprising: a projection system; a waveguide, on which are located: an input diffractive element; the structure of holographic diffraction gratings made by the proposed method mentioned above. Moreover, the device may additionally contain another structure of holographic diffraction gratings made by the proposed method, and the structures of the holographic diffraction gratings are applied to opposite sides of the waveguide, and the structures of the holographic diffraction gratings are rotated relative to each other and the vector of the input diffraction element at symmetric angles. In one embodiment, an additional structure of holographic diffraction gratings, recorded in an additional material for recording the structure of diffraction gratings, is applied over the structure of holographic diffraction gratings, and the structure of holographic diffraction gratings and an additional structure of holographic diffraction gratings are rotated relative to each other and the vector of the input diffraction element into symmetric angles, and the structure of the holographic diffraction gratings and the additional structure of the holographic diffraction gratings form two layers of the structures of the holographic diffraction gratings. Moreover, two layers of structures of holographic diffraction gratings can be applied to the waveguide.

Также предлагается способ работы предлагаемого устройства отображения дополненной реальности, содержащий этапы, на которых: Also, a method of operation of the proposed augmented reality display device is proposed, containing the stages at which:

А) излучение от проекционной системы попадает на вводящий дифракционный элемент, посредством которого образуется первый («+1») порядок дифракции, который вводится в структуру голографических дифракционных решеток, и посредством волноводного режима попадает на размножающую дифракционную решетку; A) radiation from the projection system enters the input diffraction element, through which the first ("+1") diffraction order is formed, which is introduced into the structure of holographic diffraction gratings, and through the waveguide mode enters the multiplying diffraction grating;

Б) дифракция «+1» порядка дифракции, падающего на размножающую дифракционную решетку, образует нулевой («0») порядок дифракции и «+1» порядок дифракции;B) diffraction "+1" of the diffraction order, incident on the multiplying diffraction grating, forms a zero ("0") diffraction order and "+1" diffraction order;

В) «0» порядок дифракции остается в материале со структурой дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения и, переходя из размножающей дифракционной решетки в выводящую дифракционную решетку, претерпевает дифракцию и опять формирует «0» и «+1» порядки дифракции;C) "0" diffraction order remains in the material with the structure of diffraction gratings due to total internal reflection and, passing from the multiplying diffraction grating to the outgoing diffraction grating, undergoes diffraction and again forms "0" and "+1" diffraction orders;

Г) каждый «+1» порядок дифракции выходит из размножающей дифракционной решетки и попадает в выводящую дифракционную решетку, опять формируется «0» и «+1» порядки дифракции;D) each "+1" diffraction order leaves the multiplying diffraction grating and enters the output diffraction grating, again "0" and "+1" diffraction orders are formed;

Д) «+1» порядок дифракции выходит из структуры дифракционных решеток к глазу наблюдателя;E) "+1" diffraction order comes out of the structure of diffraction gratings to the eye of the observer;

Е) каждый «0» порядок дифракции опять распространяется в материале со структурой дифракционных решеток, повторяются этапы (В)-(Д), в результате чего происходит размножение выходного зрачка устройства отображения дополненной реальности.E) each "0" diffraction order again propagates in the material with the structure of diffraction gratings, steps (B) - (D) are repeated, resulting in the multiplication of the exit pupil of the augmented reality display device.

Также предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемое устройство для отображения дополненной реальности, причем волновод со структурой голографических дифракционных решеток расположен в каждом элементе таким образом, что структура голографических дифракционных решеток располагается напротив глаза. Also offered are augmented reality glasses containing an element for the left eye and an element for the right eye, and each of the elements for the left and right eyes is the proposed device for displaying augmented reality, and the waveguide with the structure of holographic diffraction gratings is located in each element in such a way that the structure of the holographic diffraction gratings is located opposite the eye.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее: The above and other features and advantages of the present invention are illustrated in the following description, illustrated by the drawings, in which the following is presented:

Фиг. 1 иллюстрирует схему устройства для записи размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки.FIG. 1 illustrates a schematic diagram of an apparatus for writing a multiplying diffraction grating and an outputting diffraction grating.

Фиг. 2 иллюстрирует систему призм для записи размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки с материалом для записи структуры дифракционных решеток между призмами.FIG. 2 illustrates a prism system for recording a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating with material for recording the structure of the diffraction gratings between the prisms.

Фиг. 3 иллюстрирует структуру дифракционных решеток, нанесенных на волновод.FIG. 3 illustrates the structure of diffraction gratings deposited on a waveguide.

Фиг. 4 иллюстрирует варианты структур дифракционных решеток.FIG. 4 illustrates variants of diffraction grating structures.

Фиг. 5 иллюстрирует структуру дифракционных решеток, получаемую при использовании амплитудных фильтров разной эффективности.FIG. 5 illustrates the structure of diffraction gratings obtained using amplitude filters of different efficiency.

Фиг. 6 иллюстрирует двойную структуру дифракционных решеток, записанную в одном слое материала для записи дифракционных решеток.FIG. 6 illustrates a dual grating structure recorded in a single grating recording material layer.

Фиг. 7 иллюстрирует варианты двойных структур дифракционных решеток.FIG. 7 illustrates variants of double diffraction grating structures.

Фиг. 8 иллюстрирует использование одного волновода, на который нанесены две структуры дифракционных решеток, записанные в двух разных слоях материала. FIG. 8 illustrates the use of a single waveguide on which two diffraction grating structures are applied, recorded in two different layers of material.

Фиг. 9 иллюстрирует использование одного волновода, на верхнюю и нижнюю поверхность которого нанесены структуры дифракционных решеток. FIG. 9 illustrates the use of a single waveguide with diffraction grating structures applied to the top and bottom surfaces.

Фиг. 10 иллюстрирует устройство для отображения дополненной реальности.FIG. 10 illustrates an augmented reality display device.

Фиг. 11 иллюстрирует предлагаемый вариант реализации очков дополненной реальности.FIG. 11 illustrates a proposed embodiment of augmented reality glasses.

Фиг. 12 иллюстрирует увеличенное поле зрения при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с предшествующим уровнем техники.FIG. 12 illustrates an enlarged field of view using the present invention as compared to the prior art.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Предлагается устройство записи структуры голографических дифракционных решеток, устройство дополненной реальности с широким полем зрения, в котором используется структура голографических дифракционных решеток и очки дополненной реальности, выполненные на основе предлагаемого устройства дополненной реальности. Предлагаемое изобретение позволяет избавиться от ограничения поля зрения при просмотре изображения как по вертикали, так и по горизонтали, то есть позволяет увеличить поле движения глаз, видимое поле зрения, эффективность воспроизведения изображений, кроме того устройство получается компактным и легким в изготовлении, следовательно, более дешевым. A device for recording the structure of holographic diffraction gratings, an augmented reality device with a wide field of view, which uses the structure of holographic diffraction gratings and augmented reality glasses based on the proposed augmented reality device, is proposed. The proposed invention allows you to get rid of the limitation of the field of view when viewing the image both vertically and horizontally, that is, it allows you to increase the field of eye movement, the visible field of view, the efficiency of image reproduction, in addition, the device is compact and easy to manufacture, therefore, cheaper ...

Это достигается тем, что для размножения (расширения) и вывода излучения используется комбинация из голографических дифракционных решеток, записанных в объеме материала, а именно используются размножающая (расширяющая) дифракционная решетка и выводящая дифракционная решетка. Также предлагается устройство записи такой структуры из двух и более дифракционных решеток, причем дифракционные решетки записываются одновременно в одном слое материала. Причем размножающая дифракционная решетка может быть пропускающей, а выводящая дифракционная решетка может быть отражающей.This is achieved by the fact that a combination of holographic diffraction gratings recorded in the bulk of the material is used for multiplying (expanding) and outputting radiation, namely, a multiplying (expanding) diffraction grating and an outputting diffraction grating are used. Also proposed is a recording device for such a structure of two or more diffraction gratings, and the diffraction gratings are recorded simultaneously in one layer of material. Moreover, the multiplying diffraction grating can be transmissive, and the outgoing diffraction grating can be reflective.

Предлагаемые очки дополненной реальности имеют проекционную систему, вводящий дифракционный элемент, волновод, содержащий записанные на нем пропускающую размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Очки могут иметь одну проекционную систему, один волновод со структурами дифракционных решеток и одним вводящим дифракционным элементом. Также один из вариантов воплощения включает в себя два волновода, по одному волноводу для каждого глаза, каждый из волноводов содержит свой проекционный элемент, свой вводящий дифракционный элемент, через который вводится излучения от соответствующей проекционной системы.The proposed augmented reality glasses have a projection system that introduces a diffractive element, a waveguide containing a transmitting multiplying diffraction grating and an outputting diffraction grating recorded on it. Glasses can have one projection system, one waveguide with diffraction grating structures and one input diffractive element. Also, one of the embodiments includes two waveguides, one waveguide for each eye, each of the waveguides contains its own projection element, its own diffractive input element, through which radiation from the corresponding projection system is introduced.

Следует отметить, что в качестве дифракционных решеток могут использоваться голографические дифракционные решетки.It should be noted that holographic diffraction gratings can be used as diffraction gratings.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:The following terms are used to describe the invention:

Поле движения глаз (Eye motion box (EMB)) - это область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь. Поле движения глаз - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрение, т.е. лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется, т.е. там не существует лучей от какой-то части изображения. Глаз постоянно движется, вращается и при этом постоянно смещается зрачок глаза. Поле движения глаз должно быть большое и должно соответствовать полю зрения. Чем больше поле зрения, тем больше поле движения глаз.The Eye motion box (EMB) is an area within which the eye, moving, can see the entire virtual image completely, without loss. The field of eye movement is a linear region in space, within which the entire field of vision enters the pupil of the eye, i.e. rays from anywhere in the image. Outside this area, part of the field of view is lost, i.e. there are no rays from any part of the image. The eye is constantly moving, rotating and at the same time the pupil of the eye is constantly shifting. The field of eye movement should be large and should match the field of view. The larger the field of view, the larger the field of eye movement.

Поле зрения оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы, формирующих изображения. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения. Поле движения глаза - это линейная область в пространстве, внутри которой в зрачок глаза попадает все поле зрение, т.е. лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется, т.е. там не существует лучей от какой-то части изображения.The optical system's field of view (angular field) is the cone of the rays emerging from the optical system to form images. The center of the field of view corresponds to the center of the image and the edge of the field of view corresponds to the edge of the largest possible image size. The field of eye movement is a linear region in space, within which the entire field of vision enters the pupil of the eye, i.e. rays from anywhere in the image. Outside this area, part of the field of view is lost, i.e. there are no rays from any part of the image.

Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют все поле изображения. Размножая выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры оптической системы, волноводная оптика за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода позволяет это делать без увеличения продольных габаритов. The exit pupil (or pupil of the optical system) is a paraxial image of the aperture diaphragm in the image space, formed by the subsequent part of the optical system in the direct path of the rays. This term is well-established in optics. The main property of the exit pupil is that at any point there is the entire field of the image. By multiplying the exit pupil, thereby increasing its size, without resorting to increasing the longitudinal dimensions of the optical system. Classical optics makes it possible to increase the size of the exit pupil, but at the same time the longitudinal dimensions of the optical system increase; waveguide optics, due to multiple reflection of the beams of rays inside the waveguide, allows this to be done without increasing the longitudinal dimensions.

Дифракционная эффективность - это свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы, дифракционная эффективность представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку. Данный термин является устоявшимся в уровне техники.Diffraction efficiency is a property of a diffraction grating, measured in percent or fractions of a unit, diffraction efficiency is the ratio of the energy contained in one of the diffraction orders relative to the energy incident on the diffraction grating. This term is well established in the prior art.

Схема предлагаемого устройства для записи структуры голографических дифракционных решеток показана на фиг. 1. Устройство для записи структуры голографических дифракционных решеток содержит источник излучения 1, светоделитель 2. Светоделитель 2 разделяет излучение на первый пучок излучения и второй пучок излучения.The scheme of the proposed device for recording the structure of holographic diffraction gratings is shown in Fig. 1. A device for recording the structure of holographic diffraction gratings contains a radiation source 1, a beam splitter 2. A beam splitter 2 divides the radiation into a first radiation beam and a second radiation beam.

По ходу первого пучка излучения расположены: расширитель 3 первого пучка излучения, первое зеркало 3a, первый амплитудный фильтр 3b, равнобедренная треугольная призма 3c.Along the course of the first radiation beam, there are: the expander 3 of the first radiation beam, the first mirror 3a, the first amplitude filter 3b, an isosceles triangular prism 3c.

Первый амплитудный фильтр 3b расположен таким образом, что на него падает только одна половина первого пучка излучения, а другая половина первого пучка излучения проходит от первого зеркала 3a сразу к равнобедренной треугольной призме 3c. The first amplitude filter 3b is arranged in such a way that only one half of the first radiation beam falls on it, and the other half of the first radiation beam passes from the first mirror 3a directly to the isosceles triangular prism 3c.

Одна половина первого пучка излучения, прошедшая первый амплитудный фильтр 3b, падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3c, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника, который расположен в основании равнобедренной треугольной призмы.One half of the first radiation beam passing through the first amplitude filter 3b falls on the face of an isosceles triangular prism 3c corresponding to one of the equal sides of an isosceles triangle, which is located at the base of the isosceles triangular prism.

Другая половина первого пучка излучения падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую другой из равных сторон этого равнобедренного треугольника.The other half of the first beam of radiation falls on the edge of the isosceles triangular prism 3c, corresponding to the other of the equal sides of this isosceles triangle.

По ходу второго пучка излучения расположены: расширитель 4 второго пучка излучения, второе зеркало 4a, второй амплитудный фильтр 4b, треугольная призма 4c. Along the course of the second radiation beam, there are: an expander 4 of the second radiation beam, a second mirror 4a, a second amplitude filter 4b, a triangular prism 4c.

Второй пучок излучения, пройдя второй амплитудный фильтр 4b, падает на грань треугольной призмы 4с, преломляется и проходит к смежной грани треугольной призмы 4с, которая параллельна грани равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника.The second beam of radiation, having passed the second amplitude filter 4b, falls on the face of the triangular prism 4c, refracts and passes to the adjacent face of the triangular prism 4c, which is parallel to the face of the isosceles triangular prism 3c, corresponding to the base of the isosceles triangle.

Материал для записи структуры 5 голографических дифракционных решеток, расположен между гранью равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы 4с. Материал предназначен для записи объемных голографических дифракционных решеток. Материал для записи можно нанести на поверхность волновода. Для изготовления материала для записи структуры 5 дифракционных решеток используются любые прозрачные фоточувствительные материалы. Однако современный уровень техники позволяет записывать такие структуры дифракционных решеток даже в материалах, которые раньше не считались фоточувствительными, например, в обычном стекле.The material for recording the structure 5 of holographic diffraction gratings is located between the face of the isosceles triangular prism 3c, corresponding to the base of the isosceles triangle, and the facet of the triangular prism 4c parallel to it. The material is intended for recording volumetric holographic diffraction gratings. The recording material can be applied to the surface of the waveguide. Any transparent photosensitive materials are used to manufacture the material for recording the structure of 5 diffraction gratings. However, the current state of the art makes it possible to record such diffraction grating structures even in materials that were not previously considered photosensitive, for example, in ordinary glass.

Амплитудные фильтры служат для ослабления пучка излучения. Причем первый амплитудный фильтр 3b расположен таким образом, что через него проходит только одна часть первого пучка. Amplitude filters are used to attenuate the radiation beam. Moreover, the first amplitude filter 3b is located in such a way that only one part of the first beam passes through it.

Равнобедренная треугольная призма 3c, то есть призма, в основании которой лежат равнобедренные треугольники, обеспечивает запись размножающей дифракционной решетки, поскольку изменение показателя преломления размножающей решетки должно быть ориентировано в направлении изменения толщины материала. An isosceles triangular prism 3c, that is, a prism at the base of which isosceles triangles lie, provides the recording of the breeding grating, since the change in the refractive index of the breeding grating must be oriented in the direction of the material thickness change.

Материал для записи структуры 5 дифракционных решеток наносится к грани равнобедренной треугольной призмы 3с, проходящей через основания равнобедренных треугольников. Материал можно наносить различными способами, например, прикатыванием материала роликом, в жидком виде с последующим растеканием, напылением и т.д. The material for recording the structure of 5 diffraction gratings is applied to the face of an isosceles triangular prism 3c passing through the bases of the isosceles triangles. The material can be applied in various ways, for example, by rolling the material with a roller, in liquid form, followed by spreading, spraying, etc.

На фиг. 2 показана система призм с материалом между ними для записи структуры 5 размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки. Между призмами может располагаться как материал для записи структуры 5 дифракционных решеток, так и волновод с нанесенным материалом для записи структуры 5 дифракционных решеток, при этом запись дифракционных решеток осуществляется именно в материале для записи структуры дифракционных решеток.FIG. 2 shows a system of prisms with a material between them for recording the structure 5 of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating. Between the prisms, both a material for recording the structure 5 of diffraction gratings and a waveguide with deposited material for recording the structure 5 of the diffraction gratings, while the recording of the diffraction gratings is carried out precisely in the material for recording the structure of the diffraction gratings.

Предлагаемое устройство для записи структуры голографических дифракционных решеток работает следующим образом:The proposed device for recording the structure of holographic diffraction gratings operates as follows:

Излучение от источника 1 излучения попадает на светоделитель 2. Излучение делится светоделителем 2 на первый пучок излучения и второй пучок излучения. Radiation from the source 1 of radiation falls on the beam splitter 2. The radiation is divided by the beam splitter 2 into the first beam of radiation and the second beam of radiation.

Первый пучок излучения проходит расширитель 3 первого пучка излучения, который расширяет когерентное узконаправленное излучение, далее первый пучок падает на первое зеркало 3a, которое направляет первый пучок к равнобедренной треугольной призме 3b. При этом одна часть первого пучка проходит через амплитудный фильтр 3b, где ослабляется интенсивность этой части первого пучка. Другая часть первого пучка проходит к равнобедренной треугольной призме 3с без ослабления.The first beam of radiation passes the expander 3 of the first beam of radiation, which expands the coherent narrowly directed radiation, then the first beam falls on the first mirror 3a, which directs the first beam to the isosceles triangular prism 3b. In this case, one part of the first beam passes through the amplitude filter 3b, where the intensity of this part of the first beam is attenuated. The other part of the first beam passes to the isosceles triangular prism 3c without attenuation.

Часть первого пучка излучения, прошедшая первый амплитудный фильтр 3b и ослабленная, падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую одной из равных сторон равнобедренного треугольника.Part of the first beam of radiation, which has passed the first amplitude filter 3b and is weakened, falls on the edge of an isosceles triangular prism 3c, corresponding to one of the equal sides of an isosceles triangle.

Другая, неослабленная часть первого пучка излучения падает на грань равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующую другой из равных сторон равнобедренного треугольника.The other, unweakened part of the first beam of radiation falls on the edge of the isosceles triangular prism 3c, corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle.

Второй пучок излучения попадает на расширитель 4 второго пучка излучения, затем на второе зеркало 4a, далее попадает на амплитудный фильтр 4b, ослабляющий интенсивность второго пучка. Затем ослабленный второй пучок падает на грань треугольной призмы 4с и преломляется к смежной грани треугольной призмы 4с, которая параллельна грани равнобедренной треугольной призмы 3с, соответствующей основанию равнобедренного треугольника.The second radiation beam hits the expander 4 of the second radiation beam, then the second mirror 4a, then falls on the amplitude filter 4b, which attenuates the intensity of the second beam. Then the weakened second beam falls on the face of the triangular prism 4c and refracts to the adjacent face of the triangular prism 4c, which is parallel to the face of the isosceles triangular prism 3c, corresponding to the base of the isosceles triangle.

Как показано на фиг. 2 равнобедренная треугольная призма 3с расположена таким образом, что на одну ее боковую грань (соответствующую одной стороне равнобедренного треугольника) попадает часть A первого пучка, которая не проходит через первый амплитудный фильтр 3b, назовем эту часть первого пучка - опорный пучок A, причем опорный пучок не ослаблен амплитудным фильтром и поэтому имеет возможность проходить сквозь весь материал для записи структуры 5 дифракционных решеток. Вторая часть B первого пучка, ослабленная амплитудным фильтром, назовем эту часть первый объектный пучок B, попадает на другую боковую грань равнобедренной треугольной призмы 3с. Поскольку боковые грани равнобедренной треугольной призмы одинаковы и углы при основании равны, то опорный пучок A и первый объектный пучок B одинаково преломляются, проходят призму и попадают в материал для записи структуры дифракционных решеток под одинаковыми углами относительно нормали к поверхности основания призмы, создавая интерференционную картину, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены вертикально, то есть поперек толщи материала для записи структуры голографических дифракционных решеток. Именно это обеспечивает вертикальную структуру размножающей дифракционной решетки. Причем, поскольку ослабленный первый объектный пучок проходит только на некоторое расстояние вглубь материала для записи структуры дифракционных решеток, а затем поглощается, то есть размножающая дифракционная решетка записывается только на одной половине материала для записи структуры дифракционных решеток, причем глубина записи достигается подбором коэффициента пропускания амплитудных фильтров 3a и 4b. Опорный пучок не ослабляется амплитудным фильтром для того, чтобы просветить весь материал для записи структуры дифракционных решеток за счет своей высокой мощности и создать интерференционные картины и с первым объектным пучком и со вторым объектным пучком. Ослабленные объектные пучки подсвечивают только часть светочувствительного материала для записи структуры 5 дифракционных решеток. As shown in FIG. 2, an isosceles triangular prism 3c is located in such a way that part A of the first beam falls on one of its lateral faces (corresponding to one side of an isosceles triangle), which does not pass through the first amplitude filter 3b, we will call this part of the first beam - reference beam A, and the reference beam is not weakened by the amplitude filter and therefore has the ability to pass through the entire material to record the structure 5 of the diffraction gratings. The second part B of the first beam, weakened by the amplitude filter, let us call this part the first object beam B, falls on the other side face of the isosceles triangular prism 3c. Since the lateral faces of an isosceles triangular prism are the same and the angles at the base are equal, the reference beam A and the first object beam B are equally refracted, pass the prism and enter the material for recording the structure of diffraction gratings at the same angles relative to the normal to the surface of the base of the prism, creating an interference pattern. in which the maxima and minima of the intensity are located vertically, that is, across the thickness of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings. This is what provides the vertical structure of the multiplying diffraction grating. Moreover, since the weakened first object beam passes only a certain distance into the material for recording the structure of the diffraction gratings, and then is absorbed, that is, the multiplying diffraction grating is recorded only on one half of the material for recording the structure of the diffraction gratings, and the recording depth is achieved by selecting the transmission coefficient of the amplitude filters 3a and 4b. The reference beam is not attenuated by the amplitude filter in order to illuminate the entire material for recording the structure of the diffraction gratings due to its high power and to create interference patterns with both the first object beam and the second object beam. Attenuated object beams illuminate only part of the light-sensitive material for recording the structure 5 of the diffraction gratings.

В качестве материала для записи структуры дифракционных решеток возможно использовать любые прозрачные фоточувствительные материалы: фотополимеры, фоторефрактивные стекла и т.д. Возможно использовать любые лазеры, подходящие для голографической записи, обладающие одночастотностью и достаточной длиной когерентности. Длины волн лазеров выбираются исходя из фоточувствительности материала, это может быть УФ, видимый или ИК диапазоны.Any transparent photosensitive materials can be used as a material for recording the structure of diffraction gratings: photopolymers, photorefractive glasses, etc. It is possible to use any lasers suitable for holographic recording, having a single frequency and sufficient coherence length. Laser wavelengths are selected based on the photosensitivity of the material, it can be UV, visible or IR ranges.

Материал для записи структуры дифракционных решеток является светочувствительным и имеет свойство сильного поглощения излучения, за счет чего в местах материала, куда попадает излучение, происходит химическая реакция и возникает изменение показателя преломления материала. Подбирая время засветки (время экспозиции) можно регулировать глубину изменения показателя преломления в материале. The material for recording the structure of diffraction gratings is photosensitive and has the property of strong absorption of radiation, due to which a chemical reaction occurs in the places of the material where the radiation enters and a change in the refractive index of the material occurs. By choosing the exposure time (exposure time), you can adjust the depth of change in the refractive index in the material.

Как показано на фиг. 1 и 2 треугольная призма 4с расположена таким образом, что на одну ее боковую грань попадает второй объектный пучок, ослабленный амплитудным фильтром. Углы треугольной призмы 4с отличны от углов равнобедренной треугольной призмы 3с, поэтому лучи, образующие интерференционную картину, получаемую опорным пучком и вторым объектным пучком, будут направлены под углом к поверхности материала для записи структуры дифракционных решеток, и в материале запишется интерференционная картина, в которой максимумы и минимумы интенсивности расположены под углом к нормали плоскости материала для записи структуры голографических дифракционных решеток, образуя выводящую дифракционную решетку. Волновой вектор дифракционной решетки направлен перпендикулярно штрихам решетки и расположен в одной плоскости с ее рабочей поверхностью. Модуль волнового вектора дифракционной решетки равен |R|=2π/d (d - период дифракционной решетки). Вектор выводящей дифракционной решетки направлен не в плоскости материала для записи структуры дифракционных решеток, что будет обеспечивать вывод излучения из волновода при работе в устройстве. Поскольку при записи используется мощный опорный пучок и ослабленный объектный пучок, то решетка запишется на глубину материала для записи структуры дифракционных решеток, на которой нет поглощения ослабленного объектного пучка, в месте, где ослабленный объектный пучок начнет поглощаться материалом для записи структуры дифракционных решеток интерференционной картины не будет. As shown in FIG. 1 and 2, the triangular prism 4c is positioned in such a way that the second object beam weakened by the amplitude filter falls on one of its side faces. The angles of the triangular prism 4c are different from the angles of the isosceles triangular prism 3c, therefore, the rays forming the interference pattern obtained by the reference beam and the second object beam will be directed at an angle to the surface of the material to record the structure of diffraction gratings, and an interference pattern is recorded in the material, in which the maxima and the intensity minima are located at an angle to the normal to the plane of the material for recording the structure of the holographic diffraction gratings, forming an outgoing diffraction grating. The wave vector of the diffraction grating is directed perpendicular to the grating lines and is located in the same plane with its working surface. The modulus of the wave vector of the diffraction grating is | R | = 2π / d (d is the period of the diffraction grating). The vector of the outgoing diffraction grating is directed not in the plane of the material for recording the structure of the diffraction gratings, which will ensure that radiation is removed from the waveguide during operation in the device. Since the recording uses a powerful reference beam and an attenuated object beam, the grating will be written to the depth of the material to record the structure of diffraction gratings, on which there is no absorption of the attenuated object beam, in the place where the weakened object beam will begin to be absorbed by the material for recording the structure of diffraction gratings of the interference pattern. will be.

Поверхностные периоды размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки должны быть одинаковы, поскольку, если они будут отличаться, то возникнут двоения в изображении и часть поля зрения потеряется, за счет угловой селективности дифракционных решеток. Периоды обеспечиваются геометрией призмы и углами призмы, поэтому равнобедренная треугольная призма 3с и треугольная призма 4с должны быть подобраны таким образом, чтобы поверхностные периоды записываемых решеток были одинаковыми, это определяется расчетами для желаемого периода дифракционной решетки, а также зависит от показателя преломления призм, т.е. конкретные углы призм определяют конкретные периоды дифракционных решеток. Методики расчета известны из уровня техники и широко применяются в данной области техники.The surface periods of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating must be the same, because if they will differ, then there will be ghosting in the image and part of the field of view will be lost due to the angular selectivity of the diffraction gratings. The periods are provided by the geometry of the prism and the angles of the prism, therefore the isosceles triangular prism 3c and the triangular prism 4c must be selected so that the surface periods of the gratings to be recorded are the same, this is determined by calculations for the desired period of the diffraction grating, and also depends on the refractive index of the prisms, i.e. e. specific prism angles define specific periods of the diffraction gratings. Calculation techniques are known in the art and are widely used in the art.

В одном из вариантов воплощения изобретения возможен асинхронный способ записи структуры дифракционных решеток, который устраняет запись паразитных интерференционных картин, то есть паразитных дифракционных решеток. Для этого в предлагаемое устройство для записи структуры дифракционных решеток дополнительно вводятся первый и второй затворы, которые периодически открывают и закрывают объектные пучки и управляются контроллерами, причем контроллер обеспечивает поочередное открывание первого и второго объектных пучков. Таким образом, опорный пучок проходит в материал для записи структуры дифракционных решеток без перекрытия, первый затвор открывает первый объектный пучок, при этом второй объектный пучок остается закрытым, при этом записывается размножающая дифракционная решетка. Затем первый затвор закрывается, открывается затвор для второго объектного пучка, происходит запись выводящей дифракционной решетки. Такой способ записи обеспечивает отсутствие при записи сразу двух объектных пучков, то есть они не интерферируют между собой и отсутствует запись паразитных дифракционных решеток. Затворы должны работать асинхронно и с высокой частотой переключения.In one embodiment of the invention, an asynchronous method of recording the structure of diffraction gratings is possible, which eliminates the recording of parasitic interference patterns, that is, parasitic diffraction gratings. To do this, the proposed device for recording the structure of diffraction gratings is additionally introduced first and second gates, which periodically open and close the object beams and are controlled by controllers, and the controller provides alternate opening of the first and second object beams. Thus, the reference beam passes into the material for recording the structure of the diffraction gratings without overlapping, the first shutter opens the first object beam, while the second object beam remains closed, while the multiplying diffraction grating is recorded. Then the first shutter is closed, the shutter for the second object beam is opened, and the output diffraction grating is recorded. This recording method ensures the absence of two object beams during recording at once, that is, they do not interfere with each other and there is no recording of parasitic diffraction gratings. The gates must operate asynchronously and with a high switching frequency.

На фиг. 3 показана структура 5 дифракционных решеток, представляющая собой записанные размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку, причем структура 5 нанесена на волновод 6 устройства дополненной реальности. Вектор размножающей дифракционной решетки направлен вдоль материала структуры дифракционных решеток. Вектор выводящей дифракционной решетки имеет вертикальную составляющую, которая направлена в толщу материала структуры 5 дифракционных решеток. Поверхностные периоды этих двух решеток совпадают. Размножающая дифракционная решетка является пропускающей дифракционной решеткой, выводящая дифракционная решетка является отражательной. Две решетки записаны в одном слое одного материала для записи структуры дифракционных решеток, что обеспечивает компактность, легкость изготовления и низкую стоимость. За счет записанной структуры решеток обеспечивается необходимая селективность излучения, чем меньше толщина дифракционной решетки, тем шире область угловой селективности. FIG. 3 shows a structure 5 of diffraction gratings, which is a recorded multiplying diffraction grating and an outputting diffraction grating, and the structure 5 is applied to the waveguide 6 of the augmented reality device. The vector of the multiplying diffraction grating is directed along the material of the structure of the diffraction gratings. The vector of the outgoing diffraction grating has a vertical component, which is directed into the thickness of the material of the structure 5 of the diffraction gratings. The surface periods of these two lattices coincide. The multiplying diffraction grating is a transmissive diffraction grating, the outgoing diffraction grating is reflective. Two gratings are written in one layer of the same material to record the structure of diffraction gratings, which provides compactness, ease of manufacture and low cost. Due to the recorded structure of the gratings, the required radiation selectivity is provided; the smaller the thickness of the diffraction grating, the wider the region of angular selectivity.

Как известно из уровня техники, под угловой селективностью подразумевают диапазон излучения, падающего на дифракционную решетку под такими углами, что излучение способно испытывать дифракцию. Чем шире угловая селективность, тем шире диапазон углов, способных дифрагировать на решетке, следовательно, шире поле зрения, которое может дифрагировать на такой дифракционной решетке. На поле движения глаз селективность решеток не влияет, поле движения глаз увеличивается за счет того, что все решетки расположены в одном месте и при равных габаритах волноводов можно получить большую эффективную зону вывода излучения в глаз.As is known in the art, by angular selectivity is meant the range of radiation incident on a diffraction grating at angles such that the radiation is capable of undergoing diffraction. The wider the angular selectivity, the wider the range of angles that can be diffracted by the grating, therefore, the wider the field of view that can be diffracted by such a diffraction grating. The selectivity of the gratings does not affect the field of eye movement, the field of eye movement is increased due to the fact that all the gratings are located in one place, and with equal dimensions of the waveguides, a large effective zone of radiation output into the eye can be obtained.

Штрихи размножающей дифракционной решетки сориентированы при изготовлении таким образом, что часть получаемых дифракционных порядков падающего излучения направляется по материалу, испытывая полное внутреннее отражение. The strokes of the multiplying diffraction grating are oriented during manufacture in such a way that a part of the obtained diffraction orders of the incident radiation is directed through the material, experiencing total internal reflection.

В размножающей дифракционной решетке излучение в результате дифракции разделяется на несколько лучей (порядков дифракции), которые распространяются под определенными углами относительно падающего. Будут формироваться как минимум два порядка дифракции. Нулевой порядок «0» дифракции, который не меняет направления распространения относительно падающего, и за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе материал - воздух будет снова возвращаться под тем же углом обратно в структуру дифракционных решеток. Направление плюс первого порядка «+1» дифракции совпадает с угловой селективностью выводящей решетки, попадает в отражающую выводящую решетку, претерпевает в ней дифракцию и опять в выводящей решетке разделится на два основных порядка, нулевой порядок, который будет за счет полного внутреннего отражения распространяться внутри структуры 5 дифракционных решеток, и «+1» порядок дифракции, который будет распространяться под таким углом, что выйдет из структуры дифракционных решеток. In a multiplying diffraction grating, as a result of diffraction, radiation is divided into several beams (diffraction orders), which propagate at certain angles relative to the incident one. At least two diffraction orders will form. Zero order "0" of diffraction, which does not change the direction of propagation relative to the incident one, and due to the effect of total internal reflection at the material-air interface will again return at the same angle back to the structure of diffraction gratings. The direction of plus of the first order "+1" of diffraction coincides with the angular selectivity of the output grating, falls into the reflecting output grating, undergoes diffraction in it, and again in the output grating will be divided into two main orders, the zero order, which will propagate inside the structure due to total internal reflection 5 diffraction gratings, and "+1" diffraction order, which will propagate at such an angle that it leaves the structure of the diffraction gratings.

Порядок расположения решеток не имеет никакого значения, т.к. они достаточно тонкие и для всех существует нулевой порядок, который распространяется без изменения направления, поэтому последовательность, с которой он попадет на размножающую или выводящую решетку не имеет значения. Излучение сперва может попасть на отражающую выводящую решетку, но так как не находится вне ее области угловой селективности, то не будет дифрагировать и пройдет без изменений. Дифракция произойдет только на размножающей дифракционной решетке, после которой образуется нулевой порядок, угол распространения которого отличен от нулевого порядка и уже попадает в область угловой селективности выводящей решетки и позволяет первому порядку дифрагировать на выводящей дифракционной решетке. The order of the gratings is irrelevant, since they are quite thin and for all there is a zero order, which propagates without changing direction, so the sequence with which it enters the breeding or outgoing lattice does not matter. The radiation may first fall on the reflecting outgoing grating, but since it is not outside its region of angular selectivity, it will not diffract and will pass unchanged. Diffraction will occur only on the multiplying diffraction grating, after which a zero order is formed, the propagation angle of which is different from the zero order and already falls into the region of the angular selectivity of the output grating and allows the first order to be diffracted on the output diffraction grating.

Каждый «0» порядок дифракции остается в материале со структурой дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения и, переходя из размножающей дифракционной решетки в отражающую выводящую дифракционную решетку, претерпевает дифракцию и опять формирует «0» и «+1» порядки дифракции. Каждый «+1» порядок дифракции выходит из размножающей дифракционной решетки и попадает в отражающую выводящую дифракционную решетку, опять формирует «0» и «+1», далее «+1» порядок дифракции выходит из структуры дифракционных решеток. А каждый «0» порядок опять распространяется в материале со структурой дифракционных решеток с записанными решетками, как уже было описано выше, и производит новые «0» и «+1» порядки дифракции, в результате чего происходит размножение или мультиплицирование выходного зрачка, относительно изначального излучения, попавшего в материал со структурой, состоящей из размножающей дифракционной решетки и выводящей дифракционной решетки, что обеспечивает широкое поле зрения. Необходимо отметить, что волновод играет роль твердой и жесткой подложки, которая обеспечивает стабильность положения дифракционных решеток в пространстве и времени, т.к. решетки обычно формируются в очень тонком слое, который не обладает достаточной жесткостью. Волновод в несколько раз толще решеток и обеспечивает увеличение пробега луча до соседней точки полного внутреннего отражения (ПВО). Принцип работы остается неизменным. Each "0" diffraction order remains in the material with the structure of diffraction gratings due to total internal reflection and, passing from the multiplying diffraction grating to the reflecting outgoing diffraction grating, undergoes diffraction and again forms "0" and "+1" diffraction orders. Each "+1" diffraction order leaves the multiplying diffraction grating and enters the reflecting outgoing diffraction grating, again forms "0" and "+1", then the "+1" diffraction order leaves the structure of the diffraction gratings. And each "0" order again propagates in the material with the structure of diffraction gratings with recorded gratings, as already described above, and produces new "0" and "+1" diffraction orders, as a result of which the exit pupil multiplies or multiplies relative to the original radiation trapped in a material with a structure consisting of a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating, which provides a wide field of view. It should be noted that the waveguide plays the role of a solid and rigid substrate, which ensures the stability of the position of the diffraction gratings in space and time, since lattices are usually formed in a very thin layer that does not have sufficient rigidity. The waveguide is several times thicker than the gratings and provides an increase in the path of the beam to the neighboring point of total internal reflection (TIR). The principle of operation remains unchanged.

На фиг. 4A, 4B, 4C показаны варианты структур дифракционных решеток, содержащих пропускающую дифракционную решетку и отражающую дифракционную решетку. При изготовлении, регулируя мощность излучения, можно регулировать глубину записываемых дифракционных решеток. Кроме того, в зависимости от того, насколько излучение ослабляется амплитудными фильтрами, возможно записывать решетку на неполную глубину материала, как показано на Фиг. 4A, то есть между размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой остается «непрописанный» слой материала. От толщины «прописанного» слоя зависит дифракционная эффективность решеток. Разная глубина голографических решеток обеспечивает различную дифракционную эффективность. Если мы говорим о размножении (расширении) и выходе излучения, то для этих решеток характерно то, что для этих двух решеток дифракционная эффективность должна быть гораздо ниже, чем дифракционная эффективность одной дифракционной решетки, чтобы обеспечить равномерное распределение, размножение и вывод излучения для обеспечения равномерности поля зрения.FIG. 4A, 4B, 4C show variants of diffraction grating structures comprising a transmission diffraction grating and a reflecting diffraction grating. During manufacture, by adjusting the radiation power, it is possible to adjust the depth of the recorded diffraction gratings. In addition, depending on how much the radiation is attenuated by the amplitude filters, it is possible to write the grating to a partial depth of the material, as shown in FIG. 4A, that is, between the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating, there is an “unwritten” layer of material. The diffraction efficiency of the gratings depends on the thickness of the "prescribed" layer. Different depths of holographic gratings provide different diffraction efficiency. If we are talking about multiplication (expansion) and radiation output, then these gratings are characterized by the fact that for these two gratings the diffraction efficiency should be much lower than the diffraction efficiency of one diffraction grating in order to ensure uniform distribution, multiplication and output of radiation to ensure uniformity field of view.

Необходимо отметить, что при высокой дифракционной эффективности, в первый порядок дифракции уйдет большое количество энергии и на дальнейшее размножение (через нулевой порядок) энергии не останется. Получится, что до дальнего края выводящей или размножающей зоны дойдет лишь малая часть световой энергии, которая будет на порядки слабее, чем в начале, что создаст изображение, неравномерное по яркости, или вышедшее излучение будет ниже порога чувствительности глаза. Поэтому, расчетная эффективность размножающей решетки и выводящей решетки должна быть порядка единиц процента.It should be noted that at a high diffraction efficiency, a large amount of energy will be spent in the first diffraction order, and there will be no energy left for further multiplication (through the zero order). It turns out that only a small part of the light energy reaches the far edge of the excretory or multiplying zone, which will be orders of magnitude weaker than at the beginning, which will create an image that is uneven in brightness, or the released radiation will be below the sensitivity threshold of the eye. Therefore, the calculated efficiency of the multiplying grating and the outgoing grating should be of the order of a few percent.

На фиг. 4A показана структура дифракционных решеток, в которой между размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой остается «непрописанный» слой материала, в этом варианте не создаются паразитные решетки, но дифракционная эффективность решеток мала. FIG. 4A shows the structure of diffraction gratings, in which between the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating remains an "unprescribed" layer of material, in this embodiment, parasitic gratings are not created, but the diffraction efficiency of the gratings is low.

На фиг. 4B показана структура дифракционных решеток, в которой размножающая дифракционная решетка и выводящая дифракционная решетка прописаны «внахлест». В таком варианте воплощения достигается высокая эффективность дифракционных решеток, но могут возникать паразитные решетки, то есть дифракционные решетки, возникающие от интерференционных картин неосновных лучей, например, при переотражениях пучков от граней или френелевских отражений. FIG. 4B shows a diffraction grating structure in which a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating are “overlapped”. In such an embodiment, high efficiency of the diffraction gratings is achieved, but parasitic gratings, that is, diffraction gratings, arising from interference patterns of minor rays, for example, when beams are reflected from edges or Fresnel reflections, can occur.

На фиг. 4C показан вариант, где весь слой материала прописан размножающей дифракционной решеткой и выводящей дифракционной решеткой. Такой вариант обладает высокой дифракционной эффективностью, но могут возникать паразитные дифракционные решетки.FIG. 4C shows an embodiment where the entire layer of material is imprinted with a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating. This option has a high diffraction efficiency, but parasitic diffraction gratings may appear.

В одном из вариантов воплощения, в устройстве используются амплитудные фильтры с разными коэффициентами пропускания, то есть для одного из пучков амплитудный фильтр будет сильнее, и дифракционная решетка из-за этого пропишется на большую толщину, а для другого из пучков амплитудный фильтр будет слабее, и дифракционная решетка из-за этого пропишется на меньшую толщину, как показано на фиг. 5. То есть получатся решетки с разной дифракционной эффективностью. В другом варианте воплощения один из затворов может открываться на большее время, а другой на меньшее время, чем больше время экспозиции, то есть, чем дольше открыт затвор при изготовлении, тем больше дифракционная эффективность записываемой дифракционной решетки. Кроме того, вместо затворов можно устанавливать вращатели поляризации, которые используются без механического вращения или движения, в отличие от затворов.In one embodiment, the device uses amplitude filters with different transmittances, that is, for one of the beams, the amplitude filter will be stronger, and the diffraction grating will therefore be written to a greater thickness, and for the other of the beams, the amplitude filter will be weaker, and the diffraction grating will therefore be written down to a smaller thickness, as shown in FIG. 5. That is, gratings with different diffraction efficiency will be obtained. In another embodiment, one of the shutters can be opened for a longer time, and the other for a shorter time, the longer the exposure time, that is, the longer the shutter is open during manufacture, the greater the diffraction efficiency of the diffraction grating being written. In addition, instead of shutters, polarization rotators can be installed, which are used without mechanical rotation or movement, unlike shutters.

Графики, показанные на фиг. 5 - это циклограмма, то есть временные диаграммы работы затворов или вращателей поляризации. Из графика видно, что один затвор (нижний график) активен, то есть открыт дольше, чем другой (верхний график), следовательно, время экспозиции больше, доза облучения материала для записи структуры дифракционной решетки больше, следовательно, дифракционная эффективность такой решетки выше. То есть нижний график на фиг. 5 показывает открытие затвора на более длительное время, и нижняя выводящая дифракционная решетка обладает более высокой эффективностью, чем размножающая дифракционная решетка. График на фиг. 5 является циклограммой, то по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат нулевой или единичный сигнал, соответствующий закрытому или открытому состоянию затворов.The graphs shown in FIG. 5 is a cyclogram, that is, timing diagrams of the operation of the shutters or polarization rotators. It can be seen from the graph that one shutter (bottom graph) is active, that is, it is open longer than the other (top graph), therefore, the exposure time is longer, the radiation dose of the material for recording the structure of the diffraction grating is greater, therefore, the diffraction efficiency of such a grating is higher. That is, the lower graph in FIG. 5 shows the shutter opening for a longer time, and the lower output diffraction grating has a higher efficiency than the multiplying diffraction grating. The graph in FIG. 5 is a cyclogram, time is plotted along the abscissa axis, and a zero or single signal corresponding to the closed or open state of the gates is plotted along the ordinate.

На Фиг. 6 показан материал, в котором записаны сразу две структуры дифракционных решеток. Материал нанесен на волновод, содержащий вводящий дифракционный элемент 8. FIG. 6 shows a material in which two structures of diffraction gratings are recorded at once. The material is applied to the waveguide containing the input diffractive element 8.

Причем каждая из структур содержит пропускающую размножающую дифракционную решетку и соответствующую отражающую выводящую дифракционную решетку. Причем пары соответствующих дифракционных решеток повернуты друг относительно друга на определенный угол. Такая двойная структура обеспечивает максимальное поле зрения, которое можно провести через волновод и размножить его для глаза. В данном случае за нулевой уровень принимается вектор вводящего дифракционного элемента 8 или же линия в плоскости волновода 6, вдоль которой распространяется центр поля зрения после вводящего дифракционного элемента 8. Если взять указанный нулевой уровень в материале с такой двойной структурой дифракционных решеток, то одна структура дифракционных решеток будет повернута на угол -α, а другая структура на угол +α. То есть, в толще материала располагаются две структуры, развернутые относительно друг друга на определенный угол. Общее поле проекционной системы условно делится на две составляющие части, каждая из этих частей работает со своей парой дифракционных решеток. Moreover, each of the structures contains a transmitting multiplying diffraction grating and a corresponding reflecting outgoing diffraction grating. Moreover, the pairs of the corresponding diffraction gratings are rotated relative to each other by a certain angle. This dual structure provides the maximum field of view that can be guided through the waveguide and expanded for the eye. In this case, the zero level is taken to be the vector of the input diffractive element 8 or the line in the plane of the waveguide 6 along which the center of the field of view propagates after the input diffractive element 8. If we take the indicated zero level in a material with such a double structure of diffraction gratings, then one structure of diffraction lattices will be rotated by an angle -α, and the other structure by an angle + α. That is, in the thickness of the material, there are two structures deployed relative to each other at a certain angle. The general field of the projection system is conventionally divided into two component parts, each of these parts works with its own pair of diffraction gratings.

Как показано на фиг. 6, излучение попадает на первую пропускающую размножающую дифракционную решетку, повернутую на угол +α, на которой формируется «0» порядок дифракции и «+1» порядок дифракции, как было описано выше. Первый порядок дифракции будет соответствовать селективности второй выводящей дифракционной решетки. То есть первый порядок дифракции минует вторую размножающую решетку, а сразу попадает на выводящую решетку. As shown in FIG. 6, the radiation hits the first transmitting multiplying diffraction grating, rotated by an angle + α, on which a "0" diffraction order and a "+1" diffraction order are formed, as described above. The first diffraction order will correspond to the selectivity of the second outgoing diffraction grating. That is, the first diffraction order bypasses the second multiplying grating, and immediately falls on the output grating.

Углы падения излучения, прошедшего вводящую дифракционную решетку 8, соответствующие первой части поля зрения (поле зрения разбивается на две части по вертикали - верхнюю первую и нижнюю вторую) могут дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке первой структуры, так как соответствуют ее угловой селективности. При дифракции образуются нулевой и первый порядки, нулевой не меняет направление и распространяется дальше по волноводу со структурой дифракционных решеток, при этом как и раньше может дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке первой структуры. Первый порядок дифракции имеет угол распространения, отличный от угла распространения нулевого порядка дифракции, и этот угол соответствует селективности выводящей дифракционной решетки второй структуры, и только на ней первый порядок дифракции испытывает дифракцию с формированием нулевого порядка, который не меняет направления и продолжает распространяться внутри волновода со структурой дифракционных решеток, и первого порядка дифракции, который выходит из волновода и попадает в глаз.The angles of incidence of radiation that have passed through the input diffraction grating 8 corresponding to the first part of the field of view (the field of view is divided into two parts vertically - the upper first and lower second) can be diffracted only on the multiplying diffraction grating of the first structure, since they correspond to its angular selectivity. During diffraction, the zero and first orders are formed, the zero does not change direction and propagates further along the waveguide with the structure of diffraction gratings, while, as before, it can diffract only on the multiplying diffraction grating of the first structure. The first diffraction order has a propagation angle different from the propagation angle of the zero diffraction order, and this angle corresponds to the selectivity of the outgoing diffraction grating of the second structure, and only on this grating the first diffraction order undergoes diffraction with the formation of the zero order, which does not change direction and continues to propagate inside the waveguide with structure of diffraction gratings, and first-order diffraction that exits the waveguide and enters the eye.

Для второй части поля соответственно размножение на размножающей дифракционной решетке второй структуры и вывод на выводящей дифракционной решетке первой структуры: углы, соответствующие второй части поля могут дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке второй структуры, так как соответствуют ее угловой селективности. При дифракции образуются нулевой и первый порядки, нулевой не меняет направление и распространяется дальше по волноводу, при этом как и раньше может дифрагировать только на размножающей дифракционной решетке второй структуры. Первый порядок дифракции имеет угол распространения отличный от угла распространения нулевого порядка дифракции, и этот угол соответствует селективности выводящей дифракционной решетки первой структуры, и только на ней первый порядок дифракции испытывает дифракцию с формированием нулевого порядка, который не меняет направления и продолжает распространяться внутри волновода и первого, который выходит из волновода и попадает в глаз. For the second part of the field, respectively, the multiplication on the multiplying diffraction grating of the second structure and the output on the outgoing diffraction grating of the first structure: the angles corresponding to the second part of the field can be diffracted only on the multiplying diffraction grating of the second structure, since they correspond to its angular selectivity. During diffraction, the zero and first orders are formed, the zero does not change direction and propagates further along the waveguide, while, as before, it can diffract only on the multiplying diffraction grating of the second structure. The first diffraction order has a propagation angle different from the propagation angle of the zero diffraction order, and this angle corresponds to the selectivity of the outgoing diffraction grating of the first structure, and only on this grating the first diffraction order undergoes diffraction with the formation of the zero order, which does not change direction and continues to propagate inside the waveguide and the first that exits the waveguide and enters the eye.

Такая двойная структура позволяет увеличить поле зрения по меньшей мере в два раза, за счет поворота каждой из структур на +α и -α.Such a double structure allows you to increase the field of view at least twice, due to the rotation of each of the structures by + α and -α.

Две структуры дифракционных решеток, записанные в одном материале, создаются следующим образом. Two diffraction grating structures recorded in one material are created as follows.

Материал для записи структуры дифракционных решеток устанавливается на поворотной площадке (столике) и располагается между гранью равнобедренной треугольной призмы, соответствующей основанию равнобедренного треугольника, и параллельной ей гранью треугольной призмы.The material for recording the structure of diffraction gratings is installed on a turntable (table) and is located between the face of an isosceles triangular prism corresponding to the base of an isosceles triangle and the face of a triangular prism parallel to it.

В один промежуток времени, когда поворотный столик повернут на угол +α, записывается верхняя и нижняя толща материала для записи первой структуры дифракционных решеток, содержащей первую размножающую дифракционную решетку и первую выводящую дифракционную решетку. Затем объектные пучки перекрываются затворами, поворотный столик поворачивается на угол -α, и вторая структура, содержащая вторую размножающую дифракционную решетку и вторую выводящую дифракционную решетку, прописывается уже в толще материала, поскольку в крайних слоях материала уже произошла реакция, и материал выработал себя, поэтому в этих слоях уже ничего невозможно записать. Все последующие решетки будут записываться на большей глубине. At one time interval, when the turntable is rotated by an angle + α, the upper and lower thickness of the material is recorded for recording the first structure of diffraction gratings, containing the first multiplying diffraction grating and the first outgoing diffraction grating. Then the object beams are overlapped by the shutters, the turntable is rotated through an angle -α, and the second structure, containing the second multiplying diffraction grating and the second emitting diffraction grating, is written already in the thickness of the material, since a reaction has already occurred in the outer layers of the material, and the material has worn out itself, therefore it is already impossible to write anything in these layers. All subsequent gratings will be recorded at a greater depth.

Фиг. 7A, 7B, 7C иллюстрирует варианты записанных двойных структур дифракционных решеток в материале для записи структуры дифракционных решеток. Сплошными линиями показаны структуры, записанные при повороте на +α, пунктирными линиями показаны структуры, записанные при повороте на -α. FIG. 7A, 7B, 7C illustrate variations of recorded binary grating structures in a grating structure recording material. The solid lines show the structures recorded when rotated by + α, the dashed lines show the structures recorded when rotated by -α.

На фиг. 7A показаны дифракционные решетки, прописанные с зазором, в таком варианте наблюдается низкая дифракционная эффективность, но отсутствуют паразитные дифракционные решетки. FIG. 7A shows diffraction gratings written with a gap, in this case there is a low diffraction efficiency, but there are no parasitic diffraction gratings.

На фиг. 7B показаны дифракционные решетки, прописанные с частичным перекрытием, в таком варианте наблюдается высокая дифракционная эффективность, но могут возникать паразитные дифракционные решетки. FIG. 7B shows diffraction gratings written with partial overlap, in this case there is a high diffraction efficiency, but parasitic diffraction gratings can occur.

На фиг. 7C показаны дифракционные решетки, прописанные по всей толщине материала для записи структуры дифракционных решеток, в таком варианте наблюдается высокая дифракционная эффективность, но могут возникать паразитные дифракционные решетки. Паразитные дифракционные решетки отсутствуют, если запись производилась с использованием затворов, о которых упоминалось выше.FIG. 7C shows diffraction gratings written across the entire thickness of the material to record the structure of the diffraction gratings, in this case, a high diffraction efficiency is observed, but parasitic diffraction gratings can occur. There are no parasitic diffraction gratings if the recording was made using the gates mentioned above.

На Фиг. 8 показано использование одного волновода, на который нанесены две структуры дифракционных решеток, записанные в двух разных слоях материала. Показаны сечения А1-А1 и А2-А2 волновода с нанесенными на него двумя структурами дифракционных решеток, записанных в двух разных слоях материала. FIG. 8 shows the use of a single waveguide, on which two diffraction grating structures are applied, recorded in two different layers of material. Shown are sections A1-A1 and A2-A2 of a waveguide with two structures of diffraction gratings deposited on it, recorded in two different layers of material.

Два материала с записанными на нем структурами дифракционных решеток нанесены друг на друга, образуя два слоя, соответственно в каждом из слоев расположена структура, содержащая размножающую дифракционную решетку и выводящую дифракционную решетку. Первый слой повернут на угол -α, второй слой повернут на угол +α, это получается за счет сборки с разворотом одинаковых структур. Причем периоды всех решеток будут одинаковыми. Векторы решеток K1out (вектор первой выводящей дифракционной решетки), K1exp (вектор первой размножающей дифракционной решетки), K2out (вектор второй выводящей дифракционной решетки) и K2exp (вектор второй выводящей дифракционной решетки) перпендикулярны линиям решеток в плоскости волновода. Two materials with the structures of diffraction gratings recorded on it are deposited on top of each other, forming two layers, respectively, in each of the layers there is a structure containing a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating. The first layer is rotated through an angle of -α, the second layer is rotated through an angle of + α, this is obtained by assembling and turning the same structures. Moreover, the periods of all grids will be the same. The grating vectors K1out (vector of the first outgoing diffraction grating), K1exp (vector of the first multiplying diffraction grating), K2out (vector of the second outgoing diffraction grating), and K2exp (vector of the second outgoing diffraction grating) are perpendicular to the grating lines in the waveguide plane.

Фиг. 9 иллюстрирует использование одного волновода, на верхней и нижней поверхности которого расположены структуры дифракционных решеток, записанные в разных слоях материала для записи структуры дифракционных решеток. FIG. 9 illustrates the use of a single waveguide, on the upper and lower surfaces of which there are diffraction grating structures recorded in different layers of material for recording the structure of the diffraction gratings.

На Фиг. 10 показано устройство для отображения дополненной реальности. Устройство отображения дополненной реальности содержит проекционную систему 7, вводящий дифракционный элемент 8, волновод 6, структуру 5 дифракционных решеток, направленную к глазу.FIG. 10 shows an augmented reality display device. The augmented reality display device contains a projection system 7, which introduces a diffractive element 8, a waveguide 6, a structure 5 of diffraction gratings directed towards the eye.

Структура 5 дифракционных решеток может представлять собой любую из структур дифракционных решеток, описанных выше.The diffraction grating structure 5 may be any of the diffraction grating structures described above.

Устройство для отображения дополненной реальности работает следующим образом.The device for displaying augmented reality works as follows.

Пучки лучей, сформированные проекционной системой 7, попадают на вводящий дифракционный элемент 8, расположенный на волноводе 6, испытывают на нем дифракцию и +1-й дифракционный порядок лучей распространяется по волноводу 6 в направление структуры 5 дифракционных решеток за счет полного внутреннего отражения (ПВО). Попав на структуру 5 дифракционных решеток лучи начинают дифрагировать на размножающей дифракционной решетке одного слоя дифракционной структуры и выводиться в глаз наблюдателя за счет дифракции на выводящей дифракционной решетке другого слоя дифракционной структуры. The beams of rays formed by the projection system 7 fall on the input diffractive element 8 located on the waveguide 6, undergo diffraction on it, and the + 1st diffraction order of the rays propagates along the waveguide 6 in the direction of the structure 5 of the diffraction gratings due to total internal reflection (TIR) ... Once on the structure of 5 diffraction gratings, the rays begin to diffract on the multiplying diffraction grating of one layer of the diffraction structure and are output into the observer's eye due to diffraction on the outgoing diffraction grating of another layer of the diffractive structure.

Используя два предлагаемых устройства для отображения дополненной реальности, соответственно, как элементы для правого и левого глаза, можно создать очки для отображения дополненной реальности, как показано на фиг. 11.Using the two proposed devices for displaying augmented reality, respectively, as elements for the right and left eyes, it is possible to create glasses for displaying augmented reality, as shown in FIG. eleven.

В предлагаемых очках для отображения дополненной реальности вместо линз помещены волноводы с дифракционными решетками. Очки для отображения дополненной реальности содержат для каждого глаза: волновод 6 со структурой 5 дифракционных решеток, закрепленный в оправе, проекционную систему 7 на базе микропроекторов, размещенную около височной части головы человека и закрепленную на дужке очков. Каждый волновод 6 содержит вводящий дифракционный элемент 8 для ввода излучения от проекционной системы 7 в волновод 6. Каждый волновод 6 размещен таким образом, чтобы область со структурой 5 дифракционных решеток, располагалась напротив соответствующего глаза. Структура 5 дифракционных решеток может представлять собой любую из структур дифракционных решеток, описанных выше. Проекционная система 7 располагается напротив вводящего дифракционного элемента 8.In the glasses offered for displaying augmented reality, instead of lenses, waveguides with diffraction gratings are placed. Glasses for displaying augmented reality contain for each eye: a waveguide 6 with a structure of 5 diffraction gratings, fixed in a frame, a projection system 7 based on microprojectors, located near the temporal part of the human head and fixed on the arch of the glasses. Each waveguide 6 contains an input diffraction element 8 for inputting radiation from the projection system 7 into the waveguide 6. Each waveguide 6 is placed so that the area with the structure 5 of the diffraction gratings is located opposite the corresponding eye. The diffraction grating structure 5 may be any of the diffraction grating structures described above. The projection system 7 is located opposite the input diffractive element 8.

Обработка информации и формирование изображения для проекционной системы может происходить как непосредственно в вычислителе самого устройства дополненной реальности, встроенного, например, в дужку очков, либо устройство может быть подключено к внешнему устройству, такому как: смартфон, планшет, компьютер, ноутбук, любому другому интеллектуальному (smart)-устройству и т.п. Передача сигналов между устройством и внешними устройствами может осуществляться как по проводной связи, так и по беспроводной связи. Питание устройства может осуществляться как от автономного источника питания, встроенного в устройство (аккумуляторная батарея), так и от внешних устройств и внешних источников питания.Information processing and image formation for the projection system can occur both directly in the computer of the augmented reality device itself, built-in, for example, in the shackle of glasses, or the device can be connected to an external device, such as a smartphone, tablet, computer, laptop, any other intelligent device. (smart) device, etc. Signal transmission between the device and external devices can be carried out both via wired communication and wireless communication. The device can be powered both from an autonomous power source built into the device (rechargeable battery), and from external devices and external power sources.

На фиг. 12 показан эффект, который достигается при использовании предлагаемого изобретения в устройствах дополненной реальности по сравнению с известным уровнем техники. Видно, насколько увеличивается поле зрения благодаря использованию предлагаемого изобретения по сравнению с устройствами, известными из уровня техники.FIG. 12 shows the effect that is achieved by using the present invention in augmented reality devices in comparison with the prior art. It can be seen how much the field of view is increased due to the use of the present invention in comparison with devices known from the prior art.

Предлагаемое изобретение при применении в устройствах дополненной реальности благодаря широкому полю зрения обеспечивает захватывающий эффект присутствия - пользователь ощущает себя внутри виртуальной реальности, будь то игра, кино или тренажер.The proposed invention, when applied in augmented reality devices, due to the wide field of view, provides an immersive effect of presence - the user feels himself inside a virtual reality, be it a game, a movie or a simulator.

Высокое разрешение обеспечивает реалистичное присутствие, потому что пользователь может видеть детали практически в реальном мире. Предлагаемое изобретение может использоваться в любых устройствах AR/VR (дополненной и виртуальной реальности), HUD (проекционный дисплей), HMD (нашлемный дисплей), где необходимо иметь изображение высокого разрешения и широкое поле зрения. Также предлагаемое устройство может быть широко использовано для изготовления прозрачных демонстрационных дисплеев.High resolution provides a lifelike presence because the user can see details in a near real world. The proposed invention can be used in any AR / VR (augmented and virtual reality), HUD (head-up display), HMD (helmet-mounted display) devices, where it is necessary to have a high-resolution image and a wide field of view. Also, the proposed device can be widely used for the manufacture of transparent demonstration displays.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.While the invention has been described in connection with some illustrative embodiments, it should be understood that the spirit of the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, the spirit of the invention is intended to include all alternatives, corrections, and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.In addition, the invention retains all equivalents of the claimed invention even if the claims are changed in the course of consideration.

Claims

1. A device for recording the structure of holographic diffraction gratings, containing

radiation source;

a beam splitter configured to separate radiation into a first radiation beam and a second radiation beam;

moreover, along the course of the first radiation beam, there are:

expander of the first beam of radiation;

the first mirror;

first amplitude filter;

isosceles triangular prism;

moreover, the first amplitude filter is located so that only one part of the first radiation beam passes through it, forming the first object beam, and the other part of the first radiation beam passes from the first mirror to the isosceles triangular prism, forming a reference beam;

moreover, the isosceles triangular prism is located in such a way that

reference beam, falls on the face of an isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of an isosceles triangle,

the first object beam falls on the face of an isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle;

moreover, along the course of the second radiation beam, there are:

expander of the second beam of radiation;

second mirror;

second amplitude filter;

triangular prism;

moreover, the triangular prism is located in such a way that the second beam of radiation, passing through the second amplitude filter and forming a second object beam, falls on the face of the triangular prism and refracts to the adjacent face of the triangular prism parallel to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle;

moreover, the material for recording the structure of holographic diffraction gratings is located between the face of the isosceles triangular prism corresponding to the base of the isosceles triangle and the face of the triangular prism parallel to it.

2. The apparatus of claim. 1, wherein the structure of the diffraction gratings is a multiplying diffraction grating and an outgoing diffraction grating.

3. The apparatus of claim. 2, wherein the multiplying diffraction grating is transmissive, the outgoing diffraction grating is reflective.

4. The device according to claim 1, wherein the radiation source is coherent.

5. Device according to any one of paragraphs. 1-4, in which a first gate is additionally located behind the first amplitude filter, a second gate is additionally located behind the second amplitude filter.

6. The device according to claim. 5, in which the shutters are made with the possibility of asynchronous periodic opening and closing of the first and second object beams, respectively.

7. The apparatus of claim 6, wherein the shutters are polarization rotators.

8. Device according to 1, additionally containing a turntable located between the face of an isosceles triangular prism corresponding to the base of an isosceles triangle and a parallel face of a triangular prism, on which material is placed for recording the structure of holographic diffraction gratings.

9. Device according to any one of paragraphs. 1-4, 6, in which material for recording the structure of the diffraction gratings is applied to the waveguide.

10. Device according to any one of paragraphs. 1-4, in which the material for recording the structure of the diffraction gratings is rolled against the face of an isosceles triangular prism passing through the bases of the isosceles triangles.

11. A method for recording the structure of holographic gratings by means of a device for recording the structure of holographic diffraction gratings according to claim 1, comprising the steps of:

generate radiation by means of a radiation source;

dividing the radiation into a first radiation beam and a second radiation beam by means of a beam splitter;

expanding the first beam of radiation by means of the expander of the first beam of radiation;

separating the first beam of radiation into a reference beam and a first object beam, the first object beam being formed after a portion of the first radiation beam passes through the first amplitude filter, the intensity of the first object beam being lower than the intensity of the reference beam;

direct the first object beam to the face of an isosceles triangular prism corresponding to one of the equal sides of an isosceles triangle,

directing the reference beam to the face of the isosceles triangular prism corresponding to the other of the equal sides of the isosceles triangle;

refract the reference beam and the first object beam at the same angles relative to the normal to the face of the prism passing through the base of the isosceles triangle by means of the faces corresponding to the equal sides of the isosceles triangle,

in this case, the reference beam and the first object beam through an isosceles triangular prism enter the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, creating an interference pattern in the volume of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings in which the intensity maxima and minima are located vertically, that is, across the thickness of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, wherein said interference pattern is recorded in said material, forming the structure of a multiplying holographic diffraction grating;

expanding the second radiation beam by means of the expander of the second radiation beam;

attenuating the intensity of the second beam of radiation by means of the second amplitude filter, while forming a second object beam;

the second object beam is refracted through the face of the triangular prism, while the second object beam through the triangular prism enters the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, where the second object beam and the reference beam create an interference pattern in the volume of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, in which the maxima and the intensity minima are located at an angle to the normal to the plane of the material for recording the structure of holographic diffraction gratings, and said interference pattern is recorded in said material, forming the structure of the output holographic diffraction grating.

12. The method according to claim 11, wherein the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by the selection of the transmittance of the amplitude filters.

13. The method according to claim 11, wherein the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by the selection of the exposure time.

14. The method according to any one of claims. 11-13, in which the multiplying diffraction grating is transmissive, the outgoing diffraction grating is reflective or transmissive.

15. The method according to any one of claims. 11-13, in which the surface periods of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating are the same.

16. The method of operation of the device for recording the structure of holographic diffraction gratings according to claim 8, comprising the steps of:

generate radiation by means of a radiation source;

moreover, the reference beam and the first object beam through the isosceles triangular prism fall into the material for recording the structure of the holographic diffraction gratings;

refracting the second object beam through the face of the triangular prism, while the second object beam through the triangular prism enters the material for recording the structure of the holographic diffraction gratings,

rotate the turntable through an angle + α, record the first structure of diffraction gratings in the upper and lower thickness of the material to record the structure of diffraction gratings, and in the upper thickness of the material is recorded the first multiplying diffraction grating, and in the lower thickness of the material is recorded the first output diffraction grating;

the turntable is rotated through the angle -α, the second structure of the diffraction gratings is recorded, and the second multiplying diffraction grating and the second outgoing diffraction grating are formed in the thickness of the material between the first multiplying diffraction grating and the first outgoing diffraction grating.

17. The method of claim 16, wherein the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by selecting the transmittance of the amplitude filters.

18. The method of claim 16, wherein the recording depth of each of the diffraction gratings is determined by the selection of the exposure time.

19. The method according to any one of claims. 16-18, in which the multiplying diffraction grating is transmissive, the outgoing diffraction grating is reflective or transmissive.

20. The method according to any one of claims. 16-18, in which the surface periods of the multiplying diffraction grating and the outgoing diffraction grating are the same.

21. An augmented reality display device, comprising:

projection system;

waveguide on which are located:

introducing diffractive element,

a holographic diffraction grating structure made by a method according to any one of claims 11-15.

22. A device according to claim 21, further comprising another structure of holographic diffraction gratings made by the method according to any one of claims 11-15, wherein the structures of the holographic diffraction gratings are applied to opposite sides of the waveguide, and the structures of the holographic diffraction gratings are rotated relative to each other and vector of the introducing diffractive element at symmetric angles.

23. The device according to claim 21, in which the additional structure of holographic diffraction gratings, recorded in the additional material for recording the structure of the diffraction gratings, is applied over the structure of the holographic diffraction gratings, and the structure of the holographic diffraction gratings and the additional structure of the holographic diffraction gratings are rotated relative to each other and the vector introducing diffraction element at symmetric angles, and the structure of the holographic diffraction gratings and the additional structure of the holographic diffraction gratings form two layers of the structures of the holographic diffraction gratings.

24. The apparatus of claim 23, wherein two layers of holographic diffraction grating structures are applied to the waveguide.

25. An augmented reality display device comprising:

projection system;

introducing diffractive element;

a structure of holographic diffraction gratings produced by the method according to any one of claims 16 to 20.

26. The apparatus of claim 25, wherein the structure of the holographic diffraction gratings is applied to the waveguide.

27. The device according to claim 25, further comprising another structure of holographic diffraction gratings made by the method according to any one of claims 16 to 20, wherein the structures of the holographic diffraction gratings are applied to opposite sides of the waveguide.

28. A method of operation of an augmented reality display device according to claim 21, comprising the steps of:

A) radiation from the projection system enters the input diffraction element, through which the first ("+1") diffraction order is formed, which is introduced into the structure of holographic diffraction gratings, and through the waveguide mode enters the multiplying diffraction grating;

B) diffraction "+1" of the diffraction order, incident on the multiplying diffraction grating, forms a zero ("0") diffraction order and "+1" diffraction order;

C) "0" diffraction order remains in the material with the structure of diffraction gratings due to total internal reflection and, passing from the multiplying diffraction grating to the outgoing diffraction grating, undergoes diffraction and again forms "0" and "+1" diffraction orders;

D) each "+1" diffraction order leaves the multiplying diffraction grating and enters the output diffraction grating, again "0" and "+1" diffraction orders are formed;

E) "+1" diffraction order comes out of the structure of diffraction gratings to the eye of the observer;

E) each "0" diffraction order again propagates in the material with the structure of diffraction gratings, steps (B) - (D) are repeated, resulting in the multiplication of the exit pupil of the augmented reality display device.

29. Augmented reality glasses containing an element for the left eye and an element for the right eye, and each of the elements for the left and right eyes is a device for displaying augmented reality according to any one of claims. 21, 25,

moreover, a waveguide with a structure of holographic diffraction gratings is located in each element in such a way that the structure of holographic diffraction gratings is located opposite the eye.