RU2747680C1

RU2747680C1 - Augmented and combined reality device

Info

Publication number: RU2747680C1
Application number: RU2020122777A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Москалев
Original assignee: Дмитрий Сергеевич Москалев
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-05-12
Also published as: WO2022010375A1

Abstract

FIELD: image formation.

SUBSTANCE: invention relates to displays for creating images of augmented or combined reality. The augmented and combined reality device consists of a housing in which a set of input diffractive components is located, configured to input image beams into a waveguide and distribute them in at least one direction. The device includes at least one waveguide configured to propagate image beams; and a set of output diffractive components, consisting of an optical grating of a rhombic parquet or artificial graphene, repeating the structure of a graphene crystal lattice, configured to output image rays in the direction of the user's eyes and distribute the image rays along the waveguide in at least three directions.

EFFECT: invention is aimed at improving quality of a color-uniform image.

20 cl, 10 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[001] Настоящее техническое решение в общем относится к области вычислительной техники, а в частности к дисплеям для создания изображения дополненной или совмещенной реальности.[001] The present technical solution generally relates to the field of computing, and in particular to displays for creating images of augmented or combined reality.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY

[002] Из уровня техники известен источник информации US 2017/0299864 А1 (патентообладатель: MICROSOFT TECHNOLOGY LICENSING LLC, опубл. 19.10.2017). Источник раскрывает общий принцип построения дисплея для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. В данном решении описывается дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения; группы дифракционных компонент, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по объему элемента; проектора изображения.[002] A source of information US 2017/0299864 A1 is known from the prior art (patentee: MICROSOFT TECHNOLOGY LICENSING LLC, publ. 19.10.2017). The source reveals the general principle of constructing a display for creating an image of augmented or combined reality. This solution describes a display for creating an image of augmented or combined reality, consisting of: a group of diffractive components that input the image rays into the waveguide and their distribution; a waveguide for the propagation of image beams; groups of diffractive components that output the image beams in the direction of the user's eyes and distribute the image beams over the volume of the element; image projector.

[003] Также из уровня техники известна патентная заявка № US 2019/0056593 А1 (заявитель: TIPD LLC), опубл. 21.02.2019, раскрывающая дисплей для создания изображения дополненной или совмещенной реальности, состоящий из: группы дифракционных компонент, осуществляющих ввод лучей изображения в волновод и их распределение; волновода для распространения лучей изображения.[003] Also known from the prior art patent application No. US 2019/0056593 A1 (applicant: TIPD LLC), publ. 02/21/2019, revealing a display for creating an augmented or combined reality image, consisting of: a group of diffractive components that input the image rays into the waveguide and their distribution; waveguide for the propagation of image beams.

[004] В уровне техники, потенциальные отличия от других устройств есть в схеме входного дифракционного элемента. В заявляемом решении, хотя строение этого элемента и схоже с аналогами, однако он состоит из специализированного набора компонент, обеспечивающих гибкость его реализации. В частности, в нескольких вариантах, описанных ниже, входной дифракционный элемент также осуществляет «размножение» пятна изображения, до того, как пятно изображения достигает выходного дифракционного элемента. При этом выходной дифракционный элемент так же «размножает» пятно изображения. Таким образом эффективность «размножения» удваивается и получается гибридный вариант.[004] In the prior art, potential differences from other devices are in the circuitry of the input diffractive element. In the claimed solution, although the structure of this element is similar to its counterparts, it consists of a specialized set of components that provide flexibility in its implementation. In particular, in several embodiments described below, the input diffractive element also “multiplies” the image spot before the image spot reaches the output diffractive element. In this case, the output diffractive element also "multiplies" the image spot. Thus, the efficiency of "breeding" is doubled and a hybrid variant is obtained.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[005] Технической задачей или технической проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание изображения дополненной реальности. Более конкретно, создание устройства, осуществляющего передачу изображения, созданного миниатюрным проектором в глаза пользователя, при этом само устройство прозрачно и не блокирует вид на окружающую реальность.[005] The technical problem or technical problem solved in this technical solution is the creation of an augmented reality image. More specifically, the creation of a device that transmits an image created by a miniature projector into the eyes of a user, while the device itself is transparent and does not block the view of the surrounding reality.

[006] Достигаемым техническим результатом является повышение качества получения однородного по цвету виртуального изображения за счет использования симметрии выходного дифракционного элемента.[006] The achieved technical result is to improve the quality of obtaining a color-uniform virtual image by using the symmetry of the output diffractive element.

[007] Также за счет структуры входного дифракционного элемента, который состоит из набора подкомпонент, осуществляется размножение пятна изображения уже на этапе и сразу после взаимодействия лучей изображения, созданных проектором с входным дифракционным элементом.[007] Also, due to the structure of the input diffractive element, which consists of a set of subcomponents, the image spot is multiplied already at the stage and immediately after the interaction of the image beams created by the projector with the input diffractive element.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[008] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:[008] The features and advantages of the present technical solution will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which:

[009] На Фиг. 1 показан вариант использования, когда устройство интегрировано в очки. Показано расположение дифракционных компонент на плоскости прозрачного волновода 220 (в другом варианте дифракционные компоненты могут быть интегрированы в объем волновода), в данном случае, выполняющего роль, или совмещенного, с линзой очков. Показаны два варианта расположения входной дифракционной решетки 210.[009] FIG. 1 shows a use case when the device is integrated into glasses. The location of the diffractive components on the plane of the transparent waveguide 220 is shown (in another version, the diffractive components can be integrated into the volume of the waveguide), in this case, acting as, or combined, with the lens of the glasses. Two variants of the arrangement of the entrance diffraction grating 210 are shown.

[0010] На Фиг. 2 показаны элементы устройства и принцип его работы, группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод 220 и их распределение; волновод 220 для распространения лучей изображения; группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220.[0010] FIG. 2 shows the elements of the device and the principle of its operation, a group of diffractive components 210, which carries out the input of image rays into the waveguide 220 and their distribution; waveguide 220 for propagating the beams of the image; a group of diffractive components 230 that output the image rays in the direction of the user's eyes and distribute the image rays over the entire volume of the waveguide 220.

[0011] На Фиг. 3 показаны отдельные компоненты (дифракционные решетки) входящие в группу дифракционных компонент 210 и вместе составляющих входной дифракционный элемент. Показаны волновые векторы каждой из дифракционных решеток и соотношение волновых векторов, определяющие принцип работы данного элемента.[0011] FIG. 3 shows the individual components (diffraction gratings) included in the group of diffractive components 210 and together constituting the input diffractive element. Shown are the wave vectors of each of the diffraction gratings and the ratio of wave vectors that determine the principle of operation of this element.

[0012] На Фиг. 4 показан волновод 220, вид сбоку. Схематически показано распространение лучей изображения внутри волновода 220.[0012] FIG. 4, a side view of waveguide 220 is shown. The propagation of the image beams within the waveguide 220 is shown schematically.

[0013] На Фиг. 5 показаны два варианта структуры дифракционной компоненты, входящей и составляющей группу дифракционных компонент 230 (выходной дифракционный элемент). Данная дифракционная компонента представляет из себя двумерную дифракционную решетку, показаны два варианта решетки.[0013] FIG. 5 shows two variants of the structure of the diffractive component included and constituting the group of diffractive components 230 (output diffractive element). This diffraction component is a two-dimensional diffraction grating; two grating options are shown.

[0014] На Фиг. 6 показана деформация обоих вариантов двумерной дифракционной, решетки входящей и составляющей группу дифракционных компонент 230 (выходной дифракционный элемент), позволяющая управлять углами и эффективностью ее дифракционных порядков.[0014] FIG. 6 shows the deformation of both versions of the two-dimensional diffraction grating entering and constituting a group of diffractive components 230 (output diffraction element), which makes it possible to control the angles and efficiency of its diffraction orders.

[0015] На Фиг. 7-8 показаны различные варианты реализации дифракционных компонент (решеток) описанные ниже, где в правой части показаны те же варианты реализации, но со вторым стеклом сверху.[0015] FIG. 7-8 show various embodiments of the diffractive components (gratings) described below, where the right side shows the same embodiments, but with a second glass from the top.

[0016] На Фиг. 9 показан вариант реализации, в котором решетки 310 и 320 совмещены и скрещены.[0016] FIG. 9 shows an embodiment in which the grids 310 and 320 are aligned and crossed.

[0017] На Фиг. 10 показано рабочее поле виртуального изображения, создаваемая миниатюрным проектором, проектор 240 создает пучок лучей изображения, имеющих набор углов по отношению к собственной оси проектора z1 в направлениях х и у.[0017] FIG. 10 shows the working field of a virtual image created by a miniature projector, the projector 240 creates a beam of image rays having a set of angles with respect to its own axis of the projector z1 in the x and y directions.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0018] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании данного технического решения для понимания и ясности его работы.[0018] Below will be discussed in detail the terms and their definitions used in the description of this technical solution for understanding and clarity of its operation.

[0019] Волновод - устройство в виде канала, трубы, стержня и т.п., предназначенное для распространения звуковых или электромагнитных волн.[0019] Waveguide - a device in the form of a channel, pipe, rod, etc., designed to propagate sound or electromagnetic waves.

[0020] Данное техническое решение, представляющее собой устройство, может состоять из трех элементов.[0020] This technical solution, which is a device, may consist of three elements.

[0021] Волновод представляет из себя плоское или изогнутое оптическое стекло или пластик. Изогнутое стекло используется с целью улучшения эргономики устройства, в том же виде, как и изогнутые линзы обычных очков повторяют форму профиля лица и глаз или как изогнутые стекла используются в иллюминаторах самолетов, при этом технически изогнутый волновод дополненной реальности более сложен в реализации.[0021] The waveguide is a flat or curved optical glass or plastic. Curved glass is used to improve the ergonomics of the device, in the same way that curved lenses of ordinary glasses follow the shape of the profile of the face and eyes, or as curved glasses are used in aircraft windows, while technically curved augmented reality waveguide is more difficult to implement.

[0022] Дифракционные компоненты (решетки) в некоторых вариантах реализации могут либо быть созданы непосредственно в теле стекла путем структурирования его поверхности, верхней или нижней (например, посредством нанесения маски и последующего травления), либо в объеме волновода. В случае, когда дифракционная решетка создается в объеме волновода, требуется сначала создать дифракционную решетку на поверхности одного стекла и затем соединить (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. В другом варианте реализации на поверхность стекла наносится функциональное оптическое покрытие (например, напыляется слой SiN или TiO2), дифракционная структура тогда создается в этом покрытии, например таким же травлением. Функциональное покрытие может быть многослойным и состоять из нескольких слоев. Дифракционная структура также может быть создана в функциональном слое, зажатом между двух стекол. Сначала слой наносится на одно из стекол, потом в слое вытравливается дифракционная структура, потом данное стекло соединяется (например, методом склеивания или сварки) со вторым стеклом. При таком соединении протравленные пустоты могут быть заполнены материалом с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления стекла таким образом, чтобы поверхность стала опять ровной и гладкой, как показано на Фиг. 7 и Фиг. 8. Таким материалом в некоторых вариантах реализации может быть, например, SiO2, ZnO, или GaP. Можно поменять материалы местами, использовать SiO2, ZnO, GaP для оптического покрытия, a SiN и TiO2 для заполнения пустот. В целом могут использоваться любые произвольные комбинации перечисленных материалов, главное, чтобы показатель преломления выбранных материалов отличался друг от друга. Так же могут использоваться металлы, например Al, Pt, Au, как в комбинации с вышеперечисленными материалами, так и сами по себе. Толщина напыляемого слоя для заполнения пустот может быть больше, чем глубина пустот, т.е. материал заполняет пустоты и еще образует дополнительный слой поверх. Это необходимо, потому что при напылении пустоты могут быть заполнены не равномерно, а если напылить более толстый слой, то в итоге он выровняет поверхность. В другом варианте реализации как функциональный слой, так и материал, заполняющий пустоты, могут быть многослойными. Каждый из слоев может иметь произвольную толщину и состоять из одного из вышеперечисленных материалов или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент.[0022] Diffractive components (gratings) in some implementations can either be created directly in the glass body by structuring its surface, top or bottom (for example, by applying a mask and subsequent etching), or in the volume of the waveguide. In the case when a diffraction grating is created in the volume of the waveguide, it is necessary to first create a diffraction grating on the surface of one glass and then connect (for example, by gluing or welding) to the second glass. In another embodiment, a functional optical coating is applied to the glass surface (for example, a layer of SiN or TiO2 is deposited), a diffraction structure is then created in this coating, for example, by the same etching. A functional coating can be multi-layer and consist of several layers. The diffractive structure can also be created in a functional layer sandwiched between two glasses. First, a layer is applied to one of the glasses, then a diffractive structure is etched in the layer, then this glass is connected (for example, by gluing or welding) with the second glass. With this connection, the etched voids can be filled with a material with a refractive index different from that of glass so that the surface becomes even and smooth again, as shown in FIG. 7 and FIG. 8. Such a material in some embodiments may be, for example, SiO2, ZnO, or GaP. You can swap materials, use SiO2, ZnO, GaP for optical coatings, and SiN and TiO2 for void filling. In general, any arbitrary combinations of the listed materials can be used, the main thing is that the refractive index of the selected materials differs from each other. Metals can also be used, for example Al, Pt, Au, both in combination with the above materials, or by themselves. The thickness of the layer to be sprayed to fill the voids can be greater than the depth of the voids, i.e. the material fills in the voids and also forms an additional layer on top. This is necessary because when spraying, voids may not be filled evenly, and if a thicker layer is sprayed, it will eventually level the surface. In another embodiment, both the functional layer and the void filling material may be multilayer. Each of the layers can be of arbitrary thickness and consist of one of the above materials or any other material suitable for creating optical components.

[0023] В варианте реализации, когда дифракционные компоненты создаются на поверхности волновода, дифракционные компоненты могут быть созданы на обоих поверхностях волновода. При этом дизайн дифракционных компонент, созданных на верхней поверхности волновода, может отличаться от дизайна дифракционных компонент, созданных на нижней поверхности волновода. Таким образом достигается расширенная функциональность и гибкость реализации конечного устройства (дисплея дополненной или расширенной реальности), так как оптический отклик устройства, создаваемый дифракционными компонентами на верхней поверхности волновода, дополняется оптическим откликом, создаваемым дифракционными компонентами на нижней поверхности волновода. При создании дифракционных решеток на поверхности стекла без соединения вытравленные пустоты заполнять не обязательно, т.к. они уже заполнены воздухом. Аналогично можно не заполнять пустоты и при соединении двух стекол. Еще в одном варианте реализации дифракционные элементы могут быть созданы путем проведения голографической записи требуемого оптического отклика в голографическом покрытии, нанесенном на поверхность волновода или внедренном в объем волновода. Оптический отклик голографической дифракционной решетки достигается за счет пространственного модулирования оптических свойств голографического покрытия (или пространственное изменение диэлектрической и магнитной проницаемости материала) и эквивалентен / идентичен оптическому отклику дифракционных решеток, описанных ниже.[0023] In an embodiment, when diffractive components are generated at the surface of the waveguide, diffractive components can be generated at both surfaces of the waveguide. However, the design of the diffractive components created on the upper surface of the waveguide may differ from the design of the diffractive components created on the lower surface of the waveguide. In this way, enhanced functionality and implementation flexibility of the end device (augmented or augmented reality display) is achieved, since the optical response of the device generated by the diffractive components on the upper surface of the waveguide is complemented by the optical response generated by the diffractive components on the lower surface of the waveguide. When creating diffraction gratings on a glass surface without joining, it is not necessary to fill in the etched voids, because they are already filled with air. Similarly, it is possible not to fill the voids when connecting two glasses. In yet another embodiment, the diffractive elements can be created by holographic recording of the required optical response in a holographic coating applied to the surface of the waveguide or embedded in the volume of the waveguide. The optical response of the holographic diffraction grating is achieved by spatial modulation of the optical properties of the holographic coating (or the spatial variation of the dielectric and magnetic permeability of the material) and is equivalent / identical to the optical response of the diffraction gratings described below.

[0024] Как упоминалось выше в общем виде устройство дополненной и совмещенной реальности состоит из следующих компонент, как схематично показано на Фиг. 2, подробно раскрытых ниже:[0024] As mentioned above in general terms, the AR device consists of the following components, as schematically shown in FIG. 2, detailed below:

[0025] группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод и их распределение (далее - входной дифракционный элемент);[0025] a group of diffractive components 210, which carries out the input of image rays into the waveguide and their distribution (hereinafter referred to as the input diffractive element);

[0026] волновод 220 для распространения лучей изображения;[0026] a waveguide 220 for propagating image beams;

[0027] группа дифракционных компонент 230, осуществляющих (а) вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и (б) распределение лучей изображения по всему объему волновода (2) (далее - выходной дифракционный элемент).[0027] a group of diffractive components 230 performing (a) the output of the image beams in the direction of the user's eyes and (b) the distribution of the image beams over the entire volume of the waveguide (2) (hereinafter referred to as the output diffractive element).

[0028] Глаза пользователя двигаются, в связи с чем устройство дополненной и совмещенной реальности будет находиться под разными углами в зависимости от положения глаза пользователя, верхний и нижний предел углов относительного расположения устройства и глаз пользователя зависит от конкретной геометрии конечного устройства (например, очков или экрана дополненной реальности). В некоторых вариантах реализации устройство может быть реализовано в виде прозрачного экрана, например, в виде стекла, устанавливаемого в окно дома, автомобиль, витрину, или используемого как прозрачный дисплей, например, на стойках регистрации. Выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение, в противном случае часть виртуальной картинки может будет утеряна.[0028] The user's eyes move, and therefore the AR device will be at different angles depending on the position of the user's eye, the upper and lower limit of the angles of the relative position of the device and the user's eyes depends on the specific geometry of the final device (for example, glasses or augmented reality screen). In some implementations, the device can be implemented as a transparent screen, for example, in the form of glass, installed in a window of a house, car, shop window, or used as a transparent display, for example, at check-in counters. The output diffractive element 230 must overlap the region of the user's field of view in which the virtual image is created, otherwise part of the virtual image may be lost.

[0029] На Фиг. 2 приведена общая схема устройства. Геометрическая форма, относительная ориентация и расстояние между элементами 210 и 230 в плоскости х-у может быть любой, т.е. угол между осью элемента 210 и осью элемента 230 может быть произвольным, который может принимать, например, значение в 0 градусов или 30 градусов. Возможность изменять угол между группами дифракционных компонент 210 и 230 необходима для обеспечения гибкости эргономики дизайна.[0029] FIG. 2 shows a general diagram of the device. The geometric shape, relative orientation and distance between elements 210 and 230 in the xy plane can be any, i. E. the angle between the axis of the element 210 and the axis of the element 230 can be arbitrary, which can take, for example, a value of 0 degrees or 30 degrees. The ability to vary the angle between the diffractive component groups 210 and 230 is necessary to provide ergonomic design flexibility.

[0030] Ниже приведены два примера реализации технического решения (вид сверху и вид сбоку, т.е. вид на верхнюю поверхность волновода 220 и сбоку), как показано на Фиг. 2.[0030] Below are two examples of the implementation of the technical solution (top view and side view, ie, view of the upper surface of the waveguide 220 and the side), as shown in FIG. 2.

[0031] Когда волновод 220 встроен, например, в очки, как показано на Фиг. 1, верхняя поверхность обращена либо в сторону глаз пользователя, либо в противоположную сторону. В первом случае виртуальное изображение будет создаваться дифракционными порядками в пропускании (т.е. используются лучи, которые после дифракции выйдут из волновода 220 в воздух), а во втором случае дифракционными порядками в отражении (т.е. используются лучи, которые после дифракции отражаются обратно в волновод 220 и выйдет из волновода 220, достигнув противоположной поверхности волновода 220). Например, миниатюрный проектор изображения 240 может быть вмонтирован в душку очков. Тогда входной дифракционный элемент 210 будет расположен как показано во втором варианте на Фиг. 1, выходной дифракционный элемент 230 располагается напротив глаз пользователя. Технически этот вариант более сложен для реализации, но такая возможность необходима для обеспечения гибкости дизайна и реализации таких дисплеев, которые потом будут удобно использовать в конечных устройствах. Размер компонент входного дифракционного элемента 210 подбирается в зависимости от размера пятна изображения, создаваемого миниатюрным проектором 240 и размеров, и расположения входного дифракционного элемента 210. Расположение и размер компонент 310 и 320 (если компонент 320 присутствует), как показано на Фиг. 3, входного дифракционного элемента 210 выбирается таким образом, чтобы падающее от проектора 240 пятно изображения перекрывало площадь этих компонент (при этом проектор 240 может располагаться под углом к волноводу 220, т.е. пятно изображения не обязательно падает на волновод 220 перпендикулярно, направление падения задается двумя углами -зенитным и азимутальным (в сферической системе координат, причем значения может принимать, например, 15 и 10 градусов.). Размер выходного дифракционного элемента 230 определяется тремя факторами - размером поля изображения (создаваемого проектором 240, чем больше поле изображения (иными словами диапазон разброса углов лучей изображения создаваемых проектором 240), тем больше размер изображения, которое видит пользователь), расстоянием от выходного дифракционного элемента 230 до глаз пользователя и требуемым (или заложенным в дизайне) размером зоны допустимых отклонений положения глаз пользователя от заданной центральной позиции. В некоторых вариантах реализации размер выходного дифракционного элемента 230 может достигать значения, например, 4×4 см или 4×6 см или 20×20 см и больше. Расстояние от глаз до стекла очков определяется дизайном конечного устройства - размером оправы, и т.д. Центр выходного дифракционного элемента 230 может располагаться напротив глаза пользователя, обычно на линии перпендикулярной к поверхности волновода 210, но в зависимости от эргономики конечного устройства, эта линия может проходить и под определенным углом. В целом выходной дифракционный элемент 230 должен перекрывать область поля обзора пользователя, в которой создается виртуальное изображение. В случае, когда устройство реализуется в виде экрана дополненной реальности выходной дифракционный элемент 230 занимает максимальную площадь поверхности экрана.[0031] When the waveguide 220 is embedded in, for example, glasses, as shown in FIG. 1, the top surface faces either the user's eyes or the opposite side. In the first case, the virtual image will be created by diffraction orders in transmission (i.e., beams are used that, after diffraction, will leave the waveguide 220 into the air), and in the second case, by diffraction orders in reflection (i.e., beams are used that are reflected after diffraction back into the waveguide 220 and exits the waveguide 220, reaching the opposite surface of the waveguide 220). For example, a miniature image projector 240 may be mounted in the shower of a spectacle. The input diffractive element 210 will then be positioned as shown in the second embodiment in FIG. 1, the diffractive output element 230 is positioned opposite the user's eyes. Technically, this option is more difficult to implement, but such a possibility is necessary to ensure design flexibility and implementation of such displays, which will then be conveniently used in end devices. The component size of the input diffractive element 210 is selected depending on the spot size of the image produced by the miniature projector 240 and the size and location of the input diffractive element 210. The position and size of the components 310 and 320 (if component 320 is present) as shown in FIG. 3, the input diffractive element 210 is selected so that the image spot incident from the projector 240 overlaps the area of these components (in this case, the projector 240 can be located at an angle to the waveguide 220, i.e. the image spot does not necessarily fall on the waveguide 220 perpendicularly, the direction of incidence set by two angles - zenith and azimuth (in a spherical coordinate system, and the values can take, for example, 15 and 10 degrees.) The size of the output diffractive element 230 is determined by three factors - the size of the image field (created by the projector 240, the larger the image field (otherwise in words, the range of angle spread of the image beams created by the projector 240), the larger the size of the image that the user sees), the distance from the output diffractive element 230 to the user's eyes and the required (or inherent in the design) size of the zone of permissible deviations of the user's eye position from a given central position. In some variants implementations, the size of the output diffractive element 230 can reach values, for example, 4 × 4 cm or 4 × 6 cm or 20 × 20 cm or more. The distance from the eyes to the glass of the glasses is determined by the design of the final device - the size of the frame, etc. The center of the output diffractive element 230 can be located opposite the user's eye, usually on a line perpendicular to the surface of the waveguide 210, but depending on the ergonomics of the end device, this line can also run at a certain angle. In general, the output diffractive element 230 should overlap the region of the user's field of view in which the virtual image is generated. In the case where the device is implemented as an augmented reality screen, the output diffractive element 230 occupies the maximum surface area of the screen.

[0032] Детальное описание отдельных компонент приведено ниже и включает описание принципов их работы.[0032] A detailed description of the individual components is provided below and includes a description of how they work.

[0033] Группа дифракционных компонент 210, осуществляющая ввод лучей изображения в волновод 220 и их распределение, показана на Фиг. 3.[0033] A group of diffractive components 210 for inputting and distributing image rays into waveguide 220 is shown in FIG. 3.

[0034] Позиции 310, 320, 330, 340 показывают одномерные дифракционные решетки на поверхности волновода 220 или встроенные в волновод 220. Дифракционная решетка 310 перенаправляет свет от миниатюрного проектора 240 в направлении дифракционных решеток 340 и 330 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220. Проектор 240 проецирует пятно изображения на ту область поверхности волновода 220, в которой (или под которой, в случае если компоненты входной дифракционной решетки 210 созданы на противоположной поверхности или в объеме волновода 220) созданы компоненты входной дифракционной решетки 210. Пятно изображения проецируется на компоненты 310 и 320 (если компонент 320 присутствует), размер и геометрическая форма компоненты 310 и 320 может совпадать с размером и геометрической формой пятна изображения. Для получения описанного эффекта для волновода с фиксированным показателем преломления (который может принимать значения, например, 1.5 или 1.8), описанные дифракционные решетки могут иметь период только в определенном диапазоне величин. В одном варианте реализации компонент 320 перенаправляет свет в направлении оси элемента 210 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220. В одном варианте, как показано на Фиг. 9., решетки 310 и 320 совмещены и скрещены, совмещенный элемент одновременно перенаправляет свет от миниатюрного проектора 240 в направлении дифракционных решеток 340 и 330, а также в направлении оси элемента 210. Данный эффект достигается за счет двумерной природы решетки. В примерном варианте реализации она обладает дифракционными порядками как в направлениях к элементам 340 и 330 (волновой вектор дифракции k_1a и -k_1a), так и в направлении оси элемента 210 (волновой вектор дифракции k_1б). Например, такими порядками обладает квадратная дифракционная решетка.[0034] Numbers 310, 320, 330, 340 show one-dimensional diffraction gratings on the surface of the waveguide 220 or embedded in the waveguide 220. The diffraction grating 310 redirects light from the miniature projector 240 towards the diffraction gratings 340 and 330 by diffraction of the image rays into the first or second , or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220. The projector 240 projects the image spot onto that region of the surface of the waveguide 220 in which (or under which, if the components of the input diffraction grating 210 are created on the opposite surface or in the volume of the waveguide 220), the components of the input diffraction grating 210 are created. The image spot is projected onto the components 310 and 320 (if the component 320 is present), the size and geometry of the components 310 and 320 can match the size and geometry of the image spot. To obtain the described effect for a waveguide with a fixed refractive index (which can take values, for example, 1.5 or 1.8), the described diffraction gratings can have a period only in a certain range of values. In one embodiment, component 320 redirects light toward the axis of element 210 by diffraction of the image rays into first or second or higher diffraction orders at an angle greater than the total internal reflection angle of waveguide 220. In one embodiment, as shown in FIG. 9., gratings 310 and 320 are aligned and crossed, the aligned element simultaneously redirects light from miniature projector 240 towards diffraction gratings 340 and 330, as well as towards the axis of element 210. This effect is achieved due to the two-dimensional nature of the grating. In an exemplary embodiment, it has diffraction orders both towards elements 340 and 330 (diffraction wavevector k _1a and -k _1a ) and towards the axis of element 210 (diffraction wave vector k _1b ). For example, such orders are possessed by a square diffraction grating.

[0035] Дифракционные решетки 330 и 340 перенаправляют свет в направлении оси элемента 210 путем повторной дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220.[0035] Diffraction gratings 330 and 340 redirect light towards the axis of element 210 by re-diffraction of the image beams into the first, or second, or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220.

[0036] Дифракционная решетка 320 перенаправляет свет в направлении оси элемента 210 путем дифракции лучей изображения в первый, или второй, или более высокие дифракционные порядки под углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220.[0036] The diffraction grating 320 redirects light towards the axis of the element 210 by diffraction of the image beams into the first, or second, or higher diffraction orders at an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220.

[0037] Волновые вектора дифракционных решеток соотнесены следующим соотношением: -k_1a+k_1г=+k_1a+k_1в=k_1б=k_луча, где k_луча - результирующий волновой вектор луча изображения в плоскости х-у. Направление векторов k_1б и k_луча совпадают с направлением оси элемента 210. Данное соотношение определяет период и ориентацию дифракционных решеток, составляющих входной дифракционный элемент. Если это требование не соблюдено, устройство работать не будет. Например, если показатель преломления волновода имеет значение 1.5. Выбранная рабочая длинна волны - 620 нм (красный цвет). Тип дифракционной решетки для всех компонент - линейная. Период компонент 310, 320-500 нм (в другом варианте реализации квадратная решетка 320 имеет период 500 нм в обоих направлениях). Период 330 и 340-500 нм * (2)^∧(-1/2)=353.5 нм, располагаются по углом 45 градусов к 310.[0037] The wave vectors of the diffraction gratings are related by the following relationship: -k _1a + k _1d = + k _1a + k _1c = k _1b = k _ray , where k _ray is the resulting wave vector of the image ray in the x-y plane. The direction of the vectors k _1b and k of the _beam coincide with the direction of the axis of the element 210. This ratio determines the period and orientation of the diffraction gratings that make up the input diffraction element. If this requirement is not met, the device will not work. For example, if the refractive index of the waveguide is 1.5. The selected operating wavelength is 620 nm (red). The diffraction grating type for all components is linear. Component period 310, 320-500 nm (in another embodiment, the square grating 320 has a period of 500 nm in both directions). Periods 330 and 340-500 nm * (2) ^∧ (-1/2) = 353.5 nm, located at an angle of 45 degrees to 310.

[0038] В некоторых вариантах реализации техническое решение может быть также реализовано посредством использования дифракционных решеток 310, 320 и только решетку 330, решетка 340 отсутствует. В некоторых вариантах реализации техническое решение может быть также реализовано посредством использования дифракционных решеток 310, 320 и только решетку 340, решетка 330 отсутствует. Дифракционная решетка 320 является опциональной компонентой в обоих вариантах реализации. Также возможна реализация, при которой элемент 210 содержит только дифракционную решетку 320. Также может быть вариант реализации с использованием только решетки 310. Функционально варианты реализации одинаковы, а отличаются только геометрией. Использование того или иного варианта реализации влияет на размножение лучей «пятна» изображения. Варианты с уменьшенным количеством компонент заложены для гибкости реализации, так как необходимый эффект достигается и меньшем количеством компонент. В зависимости от геометрии конечного устройства может возникнуть необходимость обойтись определенным набором компонент в ущерб функциональных показателей. С функциональной точки зрения разницы нет. Возможность заложена для гибкости расположения проектора 240, который может находиться как напротив верхней поверхности волновода 220, так и напротив нижней поверхности. Это нужно для обеспечения гибкости дизайна конечного устройства. Также, для достижения полноцветной картинки может потребоваться создать три дифракционных волновода 220, причем каждый для одного из цветов RGB. Тогда все три волновода 220 соединяются в «стек», т.е. собираются в стопку один над другим. Тогда нужна гибкость, где и на какой поверхности располагается входная решетка.[0038] In some embodiments, the technical solution may also be implemented using diffraction gratings 310, 320 and only grating 330, there is no grating 340. In some implementations, the technical solution may also be implemented using diffraction gratings 310, 320 and only grating 340, there is no grating 330. Diffraction grating 320 is an optional component in both embodiments. It is also possible an implementation in which the element 210 contains only the diffraction grating 320. There can also be an implementation using only the grating 310. Functionally, the implementations are the same, but differ only in geometry. The use of one embodiment or another affects the multiplication of the rays of the "spot" of the image. Variants with a reduced number of components are provided for implementation flexibility, since the desired effect is achieved with a smaller number of components. Depending on the geometry of the end device, it may be necessary to manage with a certain set of components to the detriment of functional indicators. From a functional point of view, there is no difference. The ability is provided for flexibility in positioning the projector 240, which can be positioned either against the top surface of the waveguide 220 or against the bottom surface. This is necessary to ensure flexibility in the design of the final device. Also, to achieve a full color image, it may be necessary to create three diffractive waveguides 220, each for one of the RGB colors. Then all three waveguides 220 are connected in a "stack", i. E. gather in a pile one above the other. Then flexibility is needed as to where and on what surface the entrance grille is located.

[0039] Элемент 210 может работать как в режиме отражения (лучи изображения сначала проходят через волновод 220 под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения до взаимодействия с элементом 210), так и в режиме пропускания (лучи изображения взаимодействуют с элементом 210 в момент проникновением в волновод 220).[0039] Element 210 can operate both in reflection mode (image rays first pass through waveguide 220 at an angle less than the angle of total internal reflection before interacting with element 210), and in transmission mode (image rays interact with element 210 at the time of penetration into waveguide 220).

[0040] На Фиг. 4 показан пример реализации 220 волновода для распространения лучей изображения.[0040] FIG. 4 shows an example implementation 220 of a waveguide for propagating image beams.

[0041] Волновод 220 может быть сделан из стекла, пластика, или любого другого материала пригодного для создания оптических компонент. В зависимости от применения, это может быть, например, стекло или пластик. Важным показателем таких материалов являются показатель преломления (влияет на размер рабочего поля виртуального изображения или, другими словами, размер картинки) и пропускание во всем диапазоне видимых волн (поглощение света в видимом диапазоне должно быть минимальным), а также насколько волновод 220 ровный - вариации толщины, шероховатость поверхности и т.д. Чем меньше величины характеризующие «не-идеальность» волновода, тем лучше. Масса других механических показателей, например, таких как твердость и т.д., не имеют значения для оптического функционирования, но могут иметь значение для конечного устройства.[0041] Waveguide 220 can be made of glass, plastic, or any other material suitable for creating optical components. Depending on the application, this can be glass or plastic, for example. An important indicator of such materials is the refractive index (it affects the size of the working field of the virtual image, or, in other words, the size of the image) and transmission in the entire range of visible waves (absorption of light in the visible range should be minimal), as well as how smooth the waveguide 220 is - variations in thickness , surface roughness, etc. The smaller the values characterizing the "non-ideality" of the waveguide, the better. The mass of other mechanical parameters, such as hardness, etc., are not important for optical performance, but may be important for the final device.

[0042] Свет распространяется внутри волновода 220 путем отражения под углом, большим угла полного внутреннего отражения материала, из которого сделан волновод 220. Например, для волновода 220, сделанного из стекла с показателем преломления 1.5, диапазон углов падения на поверхность волновода 220 будет 42-90 градусов, причем угол отсчитывается от нормали к поверхности волновода 220.[0042] Light propagates within waveguide 220 by reflecting at an angle greater than the total internal reflection angle of the material from which waveguide 220 is made. For example, for waveguide 220 made of glass with a refractive index of 1.5, the range of incidence angles on the surface of waveguide 220 will be 42 90 degrees, and the angle is measured from the normal to the surface of the waveguide 220.

[0043] Поверхности волновода 410 и 420, показанные на Фиг. 4, могут быть плоскими и параллельными друг другу или изогнуты оставаясь параллельными, что нужно для гибкости эргономики конечного устройства. Технически проще реализовать плоский волновод 220. На поверхности 410 и 420 может быть нанесено функциональное покрытие, например антиотражающее или покрытие, меняющее угол полного внутреннего отражения поверхности, для улучшения производительности и технических показателей устройства. Ниже рассматриваются два примера такого покрытия - антиотражающее покрытие и покрытие, изменяющее показатель преломления. Показатель преломления определяет рабочее поле виртуального изображения (размер картинки). Например, показатель преломления стекла имеет значение 1.5, тогда поле обзора 30 градусов по диагонали, показатель преломления 1.8 - поле обзора 50 градусов по диагонали. Соотношение сторон (формат изображения), например, принимает значение 16:9 в обоих случаях. Антиотражающее покрытие предотвращает блики (например, от солнца или фонарей). Еще пример - специальное покрытие, препятствующее выходу картинки изображения в направлении "от глаз пользователя". По умолчанию, выходной дифракционный элемент 230 выводит картинку в двух направлениях, а именно в направлениях к верхней и нижней поверхностям волновода 220. При этом изображение, выводимое в направлении "от глаз пользователя" видно окружающим, что является нежелательным. Картинка, выводимая "от глаз пользователя" не будет потеряна, а будет перенаправлена в глаза пользователя. Указанные функциональные покрытия могут быть нанесены как сверху уже созданной дифракционной структуры, так и под ней, или же нанесены на ту поверхность стекла, на которой дифракционная структура не создается.[0043] The surfaces of the waveguide 410 and 420 shown in FIG. 4 can be flat and parallel to each other, or curved while remaining parallel, which is necessary for flexibility in the ergonomics of the final device. It is technically easier to implement a planar waveguide 220. Surfaces 410 and 420 may be coated with a functional coating, such as an antireflection coating or a coating that changes the angle of total internal reflection of the surface, to improve performance and performance of the device. Two examples of such coatings are discussed below - antireflection coatings and refractive index changing coatings. The refractive index determines the working field of the virtual image (image size). For example, the refractive index of glass is 1.5, then the field of view is 30 degrees diagonally, the refractive index is 1.8 - the field of view is 50 degrees diagonal. The aspect ratio (aspect ratio), for example, is 16: 9 in both cases. Anti-reflective coating prevents glare (e.g. from the sun or lanterns). Another example is a special coating that prevents the image of the image from leaving the direction "from the user's eyes". By default, the output diffractive element 230 outputs the image in two directions, namely in the directions towards the upper and lower surfaces of the waveguide 220. In this case, the image displayed in the direction "from the user's eyes" is visible to others, which is undesirable. The picture displayed "from the user's eyes" will not be lost, but will be redirected to the user's eyes. The specified functional coatings can be applied both above and below the already created diffractive structure, or applied to the glass surface on which the diffractive structure is not created.

[0044] На Фиг. 5 показана группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220.[0044] FIG. 5 shows a group of diffractive components 230 that output image rays in the direction of the user's eyes and distribute the image rays over the entire volume of the waveguide 220.

[0045] Элемент 230 состоит из оптической решетки 510 ромбического паркета или 520 искусственного графена (в том смысле, что данная оптическая решетка повторяет структуру кристаллической решетки графена и состоит из шестиугольных ячеек, как изображено на Фиг. 5). Шестиугольный вид обеих решеток влияет на оптический отклик решетки, а именно направление и интенсивность лучей после дифракции от решетки. Предложенные решетки имеют более равномерный отклик по сравнению с другими решетками, т.е. интенсивность дифрагированных лучей имеет более слабую зависимость от углов падения на решетку.[0045] Element 230 consists of an optical lattice 510 of a rhombic parquet or 520 artificial graphene (in the sense that this optical lattice follows the structure of the crystal lattice of graphene and consists of hexagonal cells, as shown in Fig. 5). The hexagonal appearance of both gratings affects the optical response of the grating, namely the direction and intensity of the rays after diffraction from the grating. The proposed gratings have a more uniform response compared to other gratings, i.e. the intensity of the diffracted beams has a weaker dependence on the angles of incidence on the grating.

[0046] Дифракционные порядки оптической решетки 510 / 520 определяются ее волновыми векторами по формулам: KA=2π⋅(А×n/В⋅(А×n)); K_B=2π⋅(В×n/А⋅(В×n));, где А и В - вектора решетки Браве ромбического паркета 510 / искусственного графена 520 a n-единичный вектор перпендикулярный к плоскости дифракционной решетки.[0046] The diffraction orders of the optical grating 510/520 are determined by its wave vectors according to the formulas: KA = 2π⋅ (A × n / B⋅ (A × n)); K _B = 2π⋅ (B × n / A⋅ (B × n));, where A and B are the Brave lattice vectors of the rhombic parquet 510 / artificial graphene 520 a n-unit vector perpendicular to the plane of the diffraction grating.

[0047] Уникальная симметрия данных оптических решеток позволяет получить схожую эффективность дифракционных порядков для лучей изображения, падающих на оптическую решетку 510 / 520 под отличающимися углами. Для создания изображения проектор 240 создает пучок лучей изображения, имеющих набор углов по отношению к собственной оси проектора z1 (линия, проходящая через центр проектора 240, обычно перпендикулярна к поверхности волновода 220) в направлениях х и у (как показано на Фиг. 10). Проектор 240 может состоять из источника света, например светодиодов (LED) или лазерных диодов (SLED) или может быть лазерным, пиксельной матрицы LCOS или DMD формирующей изображение, оптических элементов, улучшающих и выводящих изображение. Таким образом колерованные лучи, созданные проектором 240, падают на поверхность входной решетки под набором углов Δх1 и Δу1 отсчитанных от оси z1, которые определяют рабочее поле виртуального изображения (размер изображения). В качестве примера реализации для формата 16:9 и диагонали 30 градусов: Δх1=±13, Δу1=±7. Пучок этих лучей вводится в волновод, и распространяется в волноводе под новым набором углов Δх2 и Δу2, однако теперь отсчитанных от оси z2 проходящей под углом Z0 к оси z1. Угол Z0 определяется по формуле как d*(sinO2 - sinZ0)=L/n2 где d=2π/k_луча, sinO2*n2=sinO1*n1, n2 - показатель преломления стекла, n1 - показатель преломления окружающей среды (воздуха), L - рабочая длина волны волновода 220, O1 - угол оси z1 по отношению к нормали поверхности волновода 220, как показано на Фиг. 10.[0047] The unique symmetry of these optical gratings allows for similar efficiency of diffraction orders for the image beams incident on the optical grating 510/520 at different angles. To create an image, the projector 240 creates a beam of image rays having a set of angles with respect to its own axis of the projector z1 (a line through the center of the projector 240, usually perpendicular to the surface of the waveguide 220) in the x and y directions (as shown in FIG. 10). The projector 240 may be comprised of a light source such as light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (SLEDs), or may be laser, an LCOS or DMD pixel array forming an image, optical elements that enhance and output an image. Thus, the tinted beams created by the projector 240 fall on the surface of the input grating at a set of angles Δx1 and Δy1 measured from the z1 axis, which define the working field of the virtual image (image size). As an example of implementation for 16: 9 format and 30 degree diagonal: Δх1 = ± 13, Δу1 = ± 7. A beam of these rays is introduced into the waveguide and propagates in the waveguide under a new set of angles Δх2 and Δу2, but now measured from the z2 axis passing at an angle Z0 to the z1 axis. The angle Z0 is determined by the formula as d * (sinO2 - sinZ0) = L / n2 where d = 2π / k of the _beam , sinO2 * n2 = sinO1 * n1, n2 is the refractive index of glass, n1 is the refractive index of the environment (air), L is the operating wavelength of the waveguide 220, O1 is the angle of the z1 axis with respect to the normal to the surface of the waveguide 220, as shown in FIG. 10.

[0048] Пучок лучей взаимодействует с выходной дифракционной решеткой 230. Так как лучи изображения падают на выходную решетку под набором Δх2 и Δу2, отсчитанных от оси z2, важно, чтобы интенсивность дифрагированных углов имела минимальную зависимость от углов падения Δх2 и Δу2. Этим обеспечивается максимальная равномерность изображения по цвету. Как описано выше, виртуальное изображение состоит из лучей, созданных проектором 240 и имеющих определенный разброс углов. При попадании в волновод 220 этот набор углов преобразуется как описано выше. Далее все эти лучи взаимодействуют с выходной дифракционной решеткой 230. Зададим функцию эффективности этого взаимодействия как F (Δх2, Δу2). Далее F (Δх2, Δу2)=С, где С - фиксированная величина, не зависящая от Δх2, Δу2. В этом случае цветовой баланс изображения не искажается. В конкретном примере реализации С не является константой, но ее зависимость от Δх2, Δу2 минимизирована.[0048] The beam of rays interacts with the output diffraction grating 230. Since the image rays fall on the output grating under a set of Δx2 and Δy2 measured from the z2 axis, it is important that the intensity of the diffracted angles has a minimal dependence on the angles of incidence Δx2 and Δy2. This ensures maximum color uniformity of the image. As described above, the virtual image is composed of rays generated by the projector 240 and having a certain angular spread. Upon entering the waveguide 220, this set of angles is transformed as described above. Further, all these rays interact with the output diffraction grating 230. Let us set the efficiency function of this interaction as F (Δх2, Δу2). Further, F (Δх2, Δу2) = С, where С is a fixed value, independent of Δх2, Δу2. In this case, the color balance of the image is not distorted. In a specific implementation example, C is not a constant, but its dependence on Δx2, Δy2 is minimized.

[0049] Векторы А и В, а также оптическая ось элемента 230 заданы таким образом, что: KA+K_B=-k_1B=-k_луча. При взаимодействии с оптической решеткой 510 или 520 луч изображения: (i) испытывает дифракцию в направлении глаза пользователя под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения волновода 220, таким образом осуществляется вывод изображения из волновода 220 (ii) испытывает дифракцию в других направлениях определяемых векторами KA и K_B углом, большим угла полного внутреннего отражения волновода 220, таким образом распространяясь по объему волновода 220.[0049] The vectors A and B and the optical axis of the element 230 are defined such that: KA + K _B = -k _1B = -k _beam . When interacting with an optical grating 510 or 520, the image beam: (i) undergoes diffraction in the direction of the user's eye at an angle less than the angle of total internal reflection of the waveguide 220, thus the image is output from the waveguide 220 (ii) is diffracted in other directions determined by the vectors KA and K _B an angle greater than the angle of total internal reflection of the waveguide 220, thus propagating through the volume of the waveguide 220.

[0050] Это необходимо для осуществления размножения «пятна изображения» (изначально созданного проектором 240). Это стандартная схема работы подобных устройств, известная из уровня техники (в том смысле, что пятно должно быть размножено по объему волновода 220, технически это может быть реализовано по-разному). Конкретный луч изображения, созданный проектором 240 «расщепляется» на N лучей при каждом из взаимодействий с дифракционной решеткой. Таким образом, если рассмотреть всю совокупность лучей изображения в «пятне изображения», получается, что создаются копии «пятна изображения», убегающие в стороны от направления распространения основного «пятна изображения», направления разбегания определяются векторами KA и K_B. Размножение «пятна изображения» (источника изображения) по объему волновода 220 необходимо, чтобы пользователь видел виртуальную картинку независимо от того, в каком положении по отношению к волноводу 220, а значит линзе очков или экрану, находятся его глаза. Т.е. это нужно, чтобы в поле зрения всегда находилось хотя бы одно «пятно изображения» являющееся источником одного из углов изображения в диапазоне Δх1, Δу1.[0050] This is necessary for the propagation of the "image spot" (originally created by the projector 240). This is a standard scheme for the operation of such devices, known from the prior art (in the sense that the spot must be multiplied over the volume of the waveguide 220, technically this can be implemented in different ways). A particular image beam created by projector 240 is "split" into N beams for each of its interactions with the diffraction grating. Thus, if we consider the entire set of image rays in the “image spot”, it turns out that copies of the “image spot” are created, running away from the direction of propagation of the main “image spot”, the divergence directions are determined by the vectors KA and K _B. The multiplication of the "image spot" (image source) over the volume of the waveguide 220 is necessary for the user to see the virtual picture regardless of where his eyes are in relation to the waveguide 220, which means the lens of the glasses or the screen. Those. it is necessary that at least one "image spot" is always in the field of view, which is the source of one of the corners of the image in the range Δх1, Δу1.

[0051] Оптическая решетка 510 или 520 может быть сплошными линиями. Возможен вариант, когда линии оптической решетки 510 или 520 разбиваются на отдельные элементы определенной формы (например, цилиндрической, кубической и т.д., однако могут быть использованы элементы разной формы и размеров), становясь прерывными, что позволяет управлять эффективностью дифракционных порядков. Разная форма позволяет управлять интенсивностью дифракционных порядков, что позволяет контролировать однородность картинки изображения по цвету. Разные формы дают разную степень контроля, при это они могут быть более просты или сложны в фабрикации. Элементы могут быть многоуровневыми или наклонными, например, пирамида со ступенями или наклонными сторонами. В частности, возможен вариант, когда оптическая решетка 520 сформирована элементами, находящимися в узлах решетки искусственного графена, полностью повторяя кристаллическую структуру графена.[0051] Optical grating 510 or 520 can be solid lines. A variant is possible when the lines of the optical grating 510 or 520 are divided into separate elements of a certain shape (for example, cylindrical, cubic, etc., however, elements of different shapes and sizes can be used), becoming discontinuous, which makes it possible to control the efficiency of diffraction orders. The different shape allows you to control the intensity of diffraction orders, which allows you to control the uniformity of the image in color. Different forms give different degrees of control, but they can be simpler or more difficult to fabricate. Elements can be stacked or slanted, such as a pyramid with steps or slanted sides. In particular, a variant is possible when the optical lattice 520 is formed by elements located at the lattice sites of artificial graphene, completely repeating the crystal structure of graphene.

[0052] Элемент 230 может быть разбит на неограниченное количество зон произвольной формы и размера. При этом каждая из зон содержит одну из решеток 510/520.[0052] Item 230 can be broken up into an unlimited number of free-form and sized zones. Moreover, each of the zones contains one of the gratings 510/520.

[0053] Элемент 230 может быть создан на одной или обоих поверхностях волновода 220 или в его объеме как описано выше.[0053] Element 230 can be formed on one or both surfaces of waveguide 220 or in its volume as described above.

[0054] На Фиг. 6 показана группа дифракционных компонент 230, осуществляющих вывод лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределение лучей изображения по всему объему волновода 220. Оптическая решетка 510 / 520 может быть деформирована нижеописанными способами, что позволяет управлять направлениями и эффективностью дифракционных порядков. При деформации должны сохраняться указанные выше параметры. Угол α может быть изменен в пределах [60°;300°] при фиксированном угле β. При этом узлы Х1 и Х2 смещаются симметрично по отношению к линии, изображенной красным пунктиром в противоположных направлениях изменяя длину L. Угол β определяющий изображенную ячейку периодической структуры 510 / 520 может быть изменен в пределах [0°, 90°]. При этом угол α изменяется в соответствии с деформацией единичной ячейки. Также возможна комбинированная деформация. После изменения угла β на новое значение β0 и соответствующем изменении угла α, угол α может быть дополнительно изменен в новых пределах [β0, 360°-β0].[0054] FIG. 6 shows a group of diffractive components 230, which output image rays in the direction of the user's eyes and distribute the image rays throughout the entire volume of waveguide 220. The optical grating 510/520 can be deformed by the methods described below, which makes it possible to control the directions and efficiency of the diffraction orders. During deformation, the above parameters must be preserved. The angle α can be changed in the range [60 °; 300 °] at a fixed angle β. In this case, the nodes X1 and X2 are displaced symmetrically with respect to the line shown by the red dotted line in opposite directions, changing the length L. The angle β defining the depicted cell of the periodic structure 510/520 can be changed within [0 °, 90 °]. In this case, the angle α changes in accordance with the deformation of the unit cell. Combined deformation is also possible. After changing the angle β to a new value β0 and a corresponding change in the angle α, the angle α can be additionally changed within the new limits [β0, 360 ° -β0].

[0055]Как будет понятно специалисту в данной области техники, аспекты настоящего технического решения могут быть выполнены в виде устройства. Соответственно, различные аспекты настоящего технического решения могут быть реализованы исключительно как аппаратное обеспечение, а некоторые как программное обеспечение (включая прикладное программное обеспечение и так далее) или как вариант осуществления, сочетающий в себе программные и аппаратные аспекты, которые в общем случае могут упоминаться как «модуль», «система» или «архитектура». Кроме того, аспекты настоящего технического решения могут принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного на одном или нескольких машиночитаемых носителях, имеющих машиночитаемый программный код, который на них реализован.[0055] As will be understood by one skilled in the art, aspects of the present technical solution may be embodied in a device. Accordingly, various aspects of the present technical solution may be implemented solely as hardware, and some as software (including application software, and so on) or as an embodiment combining software and hardware aspects, which may generally be referred to as " module "," system "or" architecture ". In addition, aspects of the present technical solution may take the form of a computer program product implemented on one or more computer-readable media having computer-readable program code that is implemented thereon.

Claims

1. A device of augmented and combined reality, containing a body in which are located:

- a set of input diffractive components made with the possibility of inputting image rays into the waveguide and distributing them in at least one direction;

- at least one waveguide adapted to propagate the image beams;

- a set of output diffractive components, consisting of an optical lattice of rhombic parquet or artificial graphene, repeating the structure of the graphene crystal lattice, configured to output image rays in the direction of the user's eyes and distribute the image rays along the waveguide in at least three directions.

2. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide is a flat or curved optical glass or plastic.

3. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide is made of glass or plastic.

4. The device according to claim. 1, characterized in that the diffractive components are created in the body of the waveguide by structuring its upper or lower surface, both surfaces, or in the volume of the waveguide.

5. The device according to claim 1, characterized in that the diffractive components are created by holographic recording of the required optical response in a holographic coating applied to the surface of the waveguide or embedded in the volume of the waveguide.

6. The device according to claim 1, characterized in that it is implemented in the form of glasses, or a mask, or a helmet, or a transparent screen installed in the frame.

7. The device according to claim 1, characterized in that the size of the components of the input diffractive element is selected depending on the spot size of the image created by the miniature projector and the size, location and selected configuration of the input diffractive element.

8. The device according to claim 1, characterized in that the size of the output diffractive element is determined by the size of the image field created by the projector, the distance from the output diffractive element to the user's eyes, and the required size of the zone of permissible deviations of the user's eyes from a given central position.

9. The device according to claim. 1, characterized in that the center of the output diffractive component is located in the region of formation of the central part of the virtual image.

10. The device of claim. 1, characterized in that the output diffractive component overlaps the area of the user's field of view, in which the virtual image is created.

11. The device according to claim 1, characterized in that the device is implemented as an augmented reality screen, the output diffractive element occupies the maximum surface area of the screen.

12. The device according to claim. 1, characterized in that the input diffraction components contain one-dimensional diffraction gratings on the surface of the waveguide or built into the waveguide.

13. The device according to claim. 1, characterized in that the input diffraction components contain one-dimensional diffraction gratings, which are aligned and crossed.

14. The device according to claim 1, characterized in that the input diffractive components operate in the reflection mode, when the image beams first pass through the waveguide at an angle less than the angle of total internal reflection, before interacting with the element, or in the transmission mode, when the image beams interact with input diffractive components at the time of penetration into the waveguide.

15. The device according to claim. 1, characterized in that the light propagates inside the waveguide by reflection at an angle greater than the angle of total internal reflection of the material from which the waveguide is made.

16. The device according to claim 1, characterized in that the surfaces of the waveguide are parallel to each other or curved.

17. The device according to claim. 1, characterized in that the surface of the waveguide is coated with an antireflection coating or a coating that changes the angle of total internal reflection of the surface.

18. The device according to claim 1, characterized in that the optical grating of the output diffraction components is formed by solid lines.

19. The device according to claim 1, characterized in that the lines of the optical grating of the output diffractive components are divided into separate elements of a certain shape, becoming discontinuous.

20. The device according to claim 1, characterized in that the optical grating of the output diffractive components is deformed.