RU2752556C1 - Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display - Google Patents
Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display Download PDFInfo
- Publication number
- RU2752556C1 RU2752556C1 RU2020134405A RU2020134405A RU2752556C1 RU 2752556 C1 RU2752556 C1 RU 2752556C1 RU 2020134405 A RU2020134405 A RU 2020134405A RU 2020134405 A RU2020134405 A RU 2020134405A RU 2752556 C1 RU2752556 C1 RU 2752556C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- doe
- waveguide
- segments
- multiplying
- output
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 31
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 29
- 238000009395 breeding Methods 0.000 claims description 19
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 claims description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 10
- 230000004424 eye movement Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000012905 input function Methods 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1842—Gratings for image generation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
- G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
- G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B2027/0178—Eyeglass type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к области техники окологлазных дисплеев (англ. near-eye display), а более конкретно к структуре волновода с сегментированными дифракционными оптическими элементами (ДОЭ). Изобретение может быть использовано в конструкции очков виртуальной/дополненной реальности для вывода изображения в область глаза пользователя, в конструкции панелей подсветки дисплеев.The present invention relates to the field of near-eye display technology, and more specifically to a waveguide structure with segmented diffractive optical elements (DOE). The invention can be used in the design of virtual / augmented reality glasses for displaying images in the user's eye area, in the design of display backlight panels.
Уровень техникиState of the art
Современные системы дополненной реальности основаны на использовании оптических волноводов. Оптический волновод обычно включает в себя три или более дифракционных оптических элемента (ДОЭ, англ. diffraction optical element, DOE), выполняющих различные функции. Основными функциями используемых ДОЭ являются: введение света в волноводный режим распространения за счет полного внутреннего отражения (англ. total inner reflection, TIR) - функция ввода, размножение зрачка проекционной системы - функция размножения (расширения), вывод света из волновода - функция вывода. Упомянутые функции выполняются посредством ДОЭ, которые именуются, соответственно, вводным ДОЭ (англ. in-coupling DOE), размножающим (расширяющим) ДОЭ (англ. expanding DOE) и выводным ДОЭ (англ. out-coupling DOE).Modern augmented reality systems are based on the use of optical waveguides. An optical waveguide usually includes three or more diffraction optical elements (DOE) that perform different functions. The main functions of the DOEs used are: the introduction of light into the waveguide propagation mode due to total inner reflection (TIR) - the input function, the multiplication of the pupil of the projection system - the multiplication (expansion) function, the output of light from the waveguide - the output function. These functions are performed by means of DOEs, which are called, respectively, in-coupling DOE, expanding DOE and out-coupling DOE.
Известные решения используют сплошные (несегментированные) ДОЭ, расположенные, как правило, на отдельных областях волновода, что требует использование волноводов, имеющих большую площадь.The known solutions use continuous (non-segmented) DOEs, located, as a rule, on separate regions of the waveguide, which requires the use of waveguides having a large area.
Другой и более важной проблемой известных решений является качество выводимого изображения. Низкое качество изображения обусловлено локальными дефектами поверхности волновода. Такие дефекты приводят к возникновению различий между выходными зрачками и попаданию в глаз пользователя нескольких наложенных изображений с небольшим угловым смещением, в результате чего наблюдается размытие изображения (см. фиг. 1). В предшествующем уровне техники существуют два способа решения проблемы повышения качества выводимого изображения. Первый способ заключается в создании волновода с очень высоким качеством поверхности. Однако, такое решение, при изготовлении тонких волноводов, является очень дорогостоящим. Второй способ заключается в увеличении толщины волновода, что приводит к уменьшению плотности выходных зрачков, за счет чего пользователь всегда получает как можно меньше одинаковых угловых составляющих (направление распространения плоской световой волны, уникальное для каждой точки изображения) из разных выходных зрачков. Такое решение не позволяет использовать волноводы, имеющие толщину меньше 0,7-0,9 мм., что приводит к увеличению толщины системы.Another and more important problem of the known solutions is the quality of the displayed image. Low image quality is caused by local defects of the waveguide surface. Such defects result in differences between the exit pupils and multiple superimposed images with a slight angular displacement entering the user's eye, resulting in image blurring (see Fig. 1). In the prior art, there are two ways to solve the problem of improving the quality of the displayed image. The first method is to create a waveguide with a very high surface quality. However, such a solution, when manufacturing thin waveguides, is very expensive. The second method consists in increasing the thickness of the waveguide, which leads to a decrease in the density of the exit pupils, due to which the user always receives as few identical angular components as possible (the direction of propagation of a plane light wave, unique for each point of the image) from different exit pupils. This solution does not allow the use of waveguides with a thickness of less than 0.7-0.9 mm, which leads to an increase in the thickness of the system.
Еще одним недостатком известных технических решений являются малая эффективность системы и неравномерная яркость выводимого изображения.Another disadvantage of the known technical solutions is the low efficiency of the system and the uneven brightness of the displayed image.
При разработке волновода для системы дополненной реальности, волновод изготавливают таким образом, чтобы выводимое изображение попадало в зрачок глаза пользователя в как можно большей области видимости глазом пользователя. При этом требуется выводить излучение из волновода по большой площади, увеличивающейся при увеличении поля зрения проекционной системы, чтобы свет, выходящий из каждой точки выводного ДОЭ, попадал в область движения глаза пользователя (область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все виртуальное изображение полностью, без потерь; англ. eye motion box, EMB). ДОЭ известных волноводов в каждой точке на поверхности волновода излучают свет во всех направлениях, обусловленных полем зрения проекционной системы. При этом значительная часть света заведомо не попадает в упомянутую область, то есть не может попасть в зрачок глаза пользователя, что приводит к возникновению потерь (см. фиг. 2), а общая эффективность системы становится малой.When developing a waveguide for an augmented reality system, the waveguide is made in such a way that the displayed image falls into the pupil of the user's eye in the largest possible field of view of the user's eye. In this case, it is required to remove radiation from the waveguide over a large area, which increases with an increase in the field of view of the projection system, so that the light emerging from each point of the output DOE falls into the area of the user's eye movement (the area within which the eye, moving, can see the entire virtual image completely , lossless; English eye motion box, EMB). DOEs of known waveguides at every point on the surface of the waveguide emit light in all directions due to the field of view of the projection system. In this case, a significant part of the light obviously does not fall into the mentioned region, that is, it cannot enter the pupil of the user's eye, which leads to losses (see Fig. 2), and the overall efficiency of the system becomes low.
Яркость света, распространяющегося в волноводе, уменьшается по мере удаления от вводного ДОЭ, в результате чего изображение, выводимое через выводной ДОЭ, имеющий постоянные параметры в каждой своей точке, будет иметь неравномерную яркость. Неравномерная яркость выводимого изображения приводит к уменьшению EMB, т.к. яркость изображения быстро спадает по выводной площади.The brightness of the light propagating in the waveguide decreases with distance from the input DOE, as a result of which the image output through the output DOE, which has constant parameters at each point, will have uneven brightness. Uneven brightness of the displayed image leads to a decrease in EMB, because the brightness of the image decreases rapidly over the lead-out area.
Из уровня техники известно устройство для размножения входного зрачка в двух измерениях, раскрытое в источнике US 8160411 B2. Известное устройство содержит расположенные последовательно, несегментированные ДОЭ. Недостатком устройства является большой размер.A device for multiplying the entrance pupil in two dimensions is known from the prior art, disclosed in US Pat. No. 8,160,411 B2. The known device contains sequential, non-segmented DOEs. The disadvantage of the device is its large size.
Из уровня техники известно устройство для размножения входного зрачка, раскрытое в источнике US 9753297 B2. Известное устройство содержит расположенные последовательно, несегментированные ДОЭ. Недостатками известного устройства являются малая эффективность и большой размер.A device for multiplying the entrance pupil is known from the prior art, disclosed in US 9753297 B2. The known device contains sequential, non-segmented DOEs. The disadvantages of the known device are low efficiency and large size.
Из уровня техники известно устройство волновода для размножения входного зрачка, раскрытое в документе US 20190004321. Известное устройство содержит вводной, размножающий и выводной ДОЭ, причем размножающий и выводной ДОЭ перекрываются и распложены на противоположных сторонах волновода. Недостатком известного устройство является малая эффективность и большая толщина применяемых волноводов.From the prior art, a waveguide device for multiplying an entrance pupil is known, disclosed in document US 20190004321. The known device contains an input, multiplying and output DOE, wherein the multiplying and output DOE are overlapped and located on opposite sides of the waveguide. The disadvantage of the known device is the low efficiency and large thickness of the applied waveguides.
Из уровня техники известен голографический оптический элемент, раскрытый в документе US20070115521A1. Известный оптический элемент (ДОЭ) позволяет формировать в одном наборе слоев, связанных друг с другом, голографические ДОЭ для отображения разных цветов. Известное решение обеспечивает уменьшение размеров за счет размещения дифракционных решеток с разной функциональностью (функциональность разделяется по цвету) в одной и той же области волновода. Недостатком является нерешенная проблема эффективности такого волновода, четкости передаваемого изображения и большая толщина описанной системы.A holographic optical element disclosed in US20070115521A1 is known in the art. The known optical element (DOE) makes it possible to form holographic DOEs in one set of layers connected to each other for displaying different colors. The known solution provides a reduction in size due to the placement of diffraction gratings with different functionality (functionality is divided by color) in the same region of the waveguide. The disadvantage is the unsolved problem of the efficiency of such a waveguide, the clarity of the transmitted image and the large thickness of the described system.
Из уровня техники известен волновод с массивами зеркал, раскрытый в документе US 8446675 B1. Основой известного волновода являются микрозеркала, каждое из которых направляет излучение в глаз пользователя, что обеспечивает минимизацию потерь. Недостатком известного волновода являются высокие сложность и стоимость.A waveguide with arrays of mirrors is known in the art, disclosed in US Pat. No. 8,446,675 B1. The basis of the known waveguide are micromirrors, each of which directs radiation into the user's eye, thus minimizing losses. The disadvantage of the known waveguide is its high complexity and cost.
Из уровня техники известно устройство дифракционного оптического волновода для размножения входного зрачка раскрытое в источнике US 9933684 B2. Известное устройство обеспечивает расширение поля зрения за счет использования двух волноводов, каждый из которых проводит свою половину светового поля. Однако при этом ДОЭ в волноводах располагаются также последовательно друг за другом и, таким образом, не решается проблема уменьшения размера волновода.A device of a diffractive optical waveguide for multiplying an entrance pupil is known from the prior art, disclosed in the source US 9933684 B2. The known device provides an expansion of the field of view through the use of two waveguides, each of which conducts its own half of the light field. However, in this case, DOEs in the waveguides are also arranged sequentially one after another and, thus, the problem of reducing the size of the waveguide is not solved.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Согласно первому аспекту изобретения предложен волновод, выполненный с возможностью передачи света в целевую область, причем волновод содержит вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ), размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ, причем размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ являются сегментированными.According to a first aspect of the invention, there is provided a waveguide capable of transmitting light to a target region, the waveguide comprising an input diffractive optical element (DOE) multiplying the DOE and the output DOE, wherein the multiplying DOE and the output DOE are segmented.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, период и эффективная толщина дифракционной структуры каждого сегмента выводного ДОЭ и размножающего ДОЭ связаны с расположением упомянутой целевой области таким образом, что для излучения, выводимого из волновода в направлении целевой области, дифракционная эффективность максимальна.According to one embodiment of the first aspect, the period and the effective thickness of the diffractive structure of each segment of the output DOE and the multiplying DOE are associated with the location of said target region such that the diffraction efficiency is maximum for the radiation output from the waveguide towards the target region.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по мере удаления от вводного ДОЭ, плотность сегментов размножающего ДОЭ уменьшается, а плотность сегментов выводного ДОЭ увеличивается.According to one embodiment of the first aspect, with distance from the input DOE, the segment density of the multiplying DOE decreases and the segment density of the output DOE increases.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, области расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ не пересекаются.According to one of the embodiments of the first aspect, the regions of the location of the segments of the breeding and output DOE do not intersect.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, области расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ по меньшей мере частично пересекаются.According to one embodiment of the first aspect, the regions of the location of the segments of the breeding and excretory DOE at least partially intersect.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты дифракционных оптических элементов не пересекаются.According to one embodiment of the first aspect, the segments of the diffractive optical elements do not intersect.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по меньшей мере один сегмент размножающего или выводного ДОЭ частично пересекается с по меньшей мере одним другим сегментом размножающего или выводного ДОЭ.According to one embodiment of the first aspect, at least one segment of the breeding or outflow DOE partially intersects with at least one other segment of the breeding or outflow DOE.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, по меньшей мере один сегмент размножающего ДОЭ совмещен с по меньшей мере одним сегментом выводного ДОЭ.According to one embodiment of the first aspect, at least one segment of the multiplying DOE is aligned with at least one segment of the excretory DOE.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ и сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.According to one embodiment of the first aspect, the segments of the multiplying DOE and the segments of the output DOE have the same diffraction efficiency.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую первую дифракционную эффективность, сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую вторую дифракционную эффективность, причем первая дифракционная эффективность и вторая дифракционная эффективность не равны между собой.According to one embodiment of the first aspect, the segments of the multiplying DOE have the same first diffraction efficiency, the segments of the output DOE have the same second diffraction efficiency, and the first diffraction efficiency and the second diffraction efficiency are not equal to each other.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода, а сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.According to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the segments of the multiplying DOE depends on the coordinates of the segment on the surface of the waveguide, and the segments of the output DOE have the same diffraction efficiency.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭAccording to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the segments of the multiplying DOE increases with increasing distance from the input DOE.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волноводаAccording to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the segments of the multiplying DOE increases along the path of the rays within the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода ДОЭ, а сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность.According to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the output DOE segments depends on the coordinates of the segment on the surface of the DOE waveguide, and the segments of the multiplying DOE have the same diffraction efficiency.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭAccording to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the output DOE segments increases with increasing distance from the input DOE.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов выводного ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волноводаAccording to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the output DOE segments increases along the path of the beams inside the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов как размножающего, так и выводного ДОЭ зависит от координат сегмента на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the segments of both the multiplying and the output DOE depends on the coordinates of the segment on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего и выводного ДОЭ увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ.According to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the segments of the multiplying and output DOE increases with increasing distance from the input DOE.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, дифракционная эффективность сегментов размножающего и выводного ДОЭ увеличивается по ходу лучей внутри волновода.According to one embodiment of the first aspect, the diffraction efficiency of the multiplying and output DOE segments increases along the path of the beams within the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, геометрическая форма сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ является одним из следующего: окружность, дуга, сектор, сегмент круга, многоугольник.According to one embodiment of the first aspect, the geometric shape of the propagating and / or output DOE segments is one of the following: circle, arc, sector, circle segment, polygon.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, соседние сегменты размножающего ДОЭ и/или выводного ДОЭ отделены друг от друга свободной поверхностью волновода.According to one embodiment of the first aspect, adjacent segments of the multiplying DOE and / or the outgoing DOE are separated from each other by the free surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ одинаковы.According to one embodiment of the first aspect, the distances between adjacent segments of the multiplying and / or outgoing DOE are the same.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы и равны первому значению, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы и равны второму значению, причем первое значение не равно второму значению.According to one embodiment of the first aspect, the distances between adjacent segments of the multiplying DOE are the same and equal to the first value, and the distances between adjacent segments of the output DOE are the same and equal to the second value, and the first value is not equal to the second value.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the distances between adjacent segments of the output DOE are the same, and the distances between adjacent segments of the multiplying DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the distances between adjacent segments of the multiplying DOE are the same, and the distances between adjacent segments of the output DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the distances between adjacent segments of the multiplying and / or output DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния d_h между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:According to one of the embodiments of the first aspect, the distances d_h between adjacent segments of the multiplying and / or output DOE, depending on the coordinates on the surface of the waveguide, satisfy the expression:
d_h ~ (T/tan(α))*X - r_hd_h ~ (T / tan (α)) * X - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода, X = (P/2)*(T/tan(α)).where P is the diameter of the user's eye pupil, T is the thickness of the waveguide, α is the angle of beam propagation inside the waveguide, X = (P / 2) * (T / tan (α)).
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, расстояния d_h между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражениюAccording to one embodiment of the first aspect, the distances d_h between adjacent segments of the multiplying and / or output DOE, depending on the coordinates on the surface of the waveguide, satisfy the expression
d_h <= P - r_hd_h <= P - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, r_h - размер сегмента ДОЭ.where P is the pupil diameter of the user's eye, r_h is the size of the DOE segment.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ одинаковы.According to one embodiment of the first aspect, the segment sizes of the breeding and hatching DOE are the same.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, сегменты размножающего ДОЭ имеют один и тот же первый размер, а сегменты выводного ДОЭ имеют один и тот же второй размер, причем первый размер и второй размер не равны между собой.According to one embodiment of the first aspect, the segments of the multiplying DOE have the same first size, and the segments of the excretory DOE have the same second size, and the first size and the second size are not equal to each other.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов выводного ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the sizes of the segments of the output DOE are the same, and the sizes of the segments of the multiplying DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the sizes of the segments of the multiplying DOE are the same, and the sizes of the segments of the output DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода.According to one embodiment of the first aspect, the dimensions of the segments of the multiplying and outputting DOEs vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры r_h сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:According to one of the embodiments of the first aspect, the sizes r_h of the segments of the multiplying and / or output DOE, depending on the coordinates on the surface of the waveguide, satisfy the expression:
r_h ~ T/tan(α)r_h ~ T / tan (α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.where r_h is the segment size, T is the thickness of the waveguide, and α is the angle of beam propagation inside the waveguide.
Согласно одному из вариантов осуществления первого аспекта, размеры r_h сегментов размножающего и/или выводного ДОЭ, зависящие от координат на поверхности волновода, удовлетворяют выражению:According to one of the embodiments of the first aspect, the sizes r_h of the segments of the multiplying and / or output DOE, depending on the coordinates on the surface of the waveguide, satisfy the expression:
r_h >= 1.5*T/tan(α)r_h> = 1.5 * T / tan (α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.where r_h is the segment size, T is the thickness of the waveguide, and α is the angle of beam propagation inside the waveguide.
Согласно второму аспекту изобретения предложен окологлазный дисплей, содержащий проектор изображения и волновод согласно первому аспекту изобретения, причем целевой областью вывода излучения, излучаемого проектором, из волновода является область движения глаза пользователя (EMB).According to a second aspect of the invention, there is provided an ocular display comprising an image projector and a waveguide according to the first aspect of the invention, wherein the target area for outputting radiation emitted by the projector from the waveguide is the user's eye movement (EMB).
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На фиг. 1 изображены схемы, иллюстрирующие влияние толщины и качества поверхности волновода на качество выводимого изображения.FIG. 1 shows diagrams illustrating the influence of the thickness and quality of the waveguide surface on the quality of the displayed image.
На фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая проблему наличия потерь излучения при выводе изображения известных аналогов.FIG. 2 is a diagram illustrating the problem of the presence of radiation losses when displaying images of known analogs.
На фиг. 3 изображена схема предложенного волновода.FIG. 3 shows a diagram of the proposed waveguide.
На фиг. 4 изображены примеры геометрических форм сегментов ДОЭ предложенного волновода.FIG. 4 shows examples of geometric shapes of DOE segments of the proposed waveguide.
На фиг. 5 изображена схема волновода с сегментами ДОЭ, имеющими форму шестиугольника.FIG. 5 shows a diagram of a waveguide with DOE segments in the shape of a hexagon.
На фиг. 6 изображена схема, показывающая расположение EMB относительно сегмента выводного ДОЭ и угловую область действия этого сегмента.FIG. 6 is a diagram showing the location of the EMB relative to the segment of the excretory DOE and the angular area of action of this segment.
На фиг. 7 изображена схема, показывающая пример предпочтительной угловой селективности сегмента ДОЭ, изображенного на фиг. 6.FIG. 7 is a diagram showing an example of the preferred angular selectivity of the DOE segment of FIG. 6.
На фиг. 8 изображена схема, показывающая пересечение областей расположения сегментов размножающего и выводного ДОЭ.FIG. 8 is a diagram showing the intersection of the regions of the location of the segments of the breeding and excretory DOE.
На фиг. 9 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размножающие и выводные сегменты не накладываются друг на друга.FIG. 9, an embodiment is illustrated in which the propagation and outreach segments do not overlap.
На фиг. 10 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размножающие и выводные сегменты накладываются друг на друга.FIG. 10, an embodiment is illustrated in which the propagating and outgoing segments overlap each other.
На фиг. 11 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором некоторые размножающие и выводные сегменты совмещены.FIG. 11 illustrates an embodiment in which some of the propagation and outlet segments are aligned.
На фиг. 12 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность размножающих сегментов изменяется, а дифракционная эффективность выводных сегментов постоянна.FIG. 12 illustrates an embodiment in which the diffraction efficiency of the multiplying segments is changed and the diffractive efficiency of the output segments is constant.
На фиг. 13 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность размножающих сегментов постоянна, а дифракционная эффективность выводных сегментов изменяется.FIG. 13 illustrates an embodiment in which the diffraction efficiency of the multiplying segments is constant and the diffractive efficiency of the output segments is changed.
На фиг. 14 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором дифракционная эффективность как размножающих, так и выводных сегментов изменяется.FIG. 14, an embodiment is illustrated in which the diffraction efficiency of both propagation and lead-out segments is changed.
На фиг. 15 показаны сегменты ДОЭ, разделенные «пустым» пространством волновода.FIG. 15 shows the DOE segments separated by the “empty” space of the waveguide.
На фиг. 16 проиллюстрирован вариант осуществления, расстояние между размножающими и/или выводными сегментами не изменяется.FIG. 16 illustrates an embodiment, the distance between the propagation and / or output segments does not change.
На фиг. 17 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором расстояние между размножающими сегментами не изменяется, а расстояние между выводными сегментами изменяется.FIG. 17, an embodiment is illustrated in which the distance between the propagation segments does not change and the distance between the output segments changes.
На фиг. 18 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором расстояние между как размножающими, так и выводными сегментами изменяется.FIG. 18, an embodiment is illustrated in which the distance between both propagation and outlet segments is varied.
На фиг. 19 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер размножающих и выводных сегментов не изменяется.FIG. 19 illustrates an embodiment in which the size of the propagating and outgoing segments is not changed.
На фиг. 20 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер размножающих сегментов не изменяется, а размер выводных сегментов изменяется.FIG. 20 illustrates an embodiment in which the size of the propagation segments is not changed but the size of the output segments is changed.
На фиг. 21 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором размер как размножающих, так и выводных сегментов изменяется.FIG. 21, an embodiment is illustrated in which the size of both propagation and outlet segments is changed.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
В настоящей заявке описаны волновод с сегментированными дифракционными оптическими элементами для очков дополненной реальности и окологлазный дисплей, выполненный с использованием упомянутого волновода.This application describes a waveguide with segmented diffractive optical elements for augmented reality glasses and a near-eye display made using said waveguide.
В настоящем описании, термин «сегментированный дифракционный оптический элемент» означает дифракционный оптический элемент, содержащий отдельные сегменты, выполняющие одну и ту же функцию (например, функцию размножения, функцию вывода). Под отдельными сегментами при этом подразумеваются сегменты, которые сгруппированы в определенной области на поверхности волновода и располагаются на некотором расстоянии друг от друга и/или имеющие различные параметры. Параметры сегментов (например, эффективная толщина ДОЭ, период ДОЭ, эффективность ДОЭ, размер) и расстояния между сегментами могут быть одинаковыми для всех сегментов/пар соседних сегментов или могут варьироваться (например, в зависимости от расположения сегментов на поверхности волновода). Между сегментами одного ДОЭ могут располагаться сегменты другого ДОЭ (ДОЭ другой функциональности) и/или незанятые дифракционными оптическими элементами участки волновода. Соседние сегменты одного ДОЭ могут иметь разные или одинаковые параметры. Сегменты одного ДОЭ могут быть разделены свободной от ДОЭ поверхностью волновода, а также могут частично накладываться друг на друга. Сегменты одного ДОЭ могут быть отделены свободной от ДОЭ поверхностью волновода от сегментов другого ДОЭ, а также могут частично или полностью накладываться на сегменты другого ДОЭ. Для специалиста в данной области техники будет ясно, что каждый сегмент ДОЭ можно рассматривать как отдельный дифракционный оптический элемент, а сегментированный ДОЭ как сгруппированное в определенной области множество отдельных ДОЭ, имеющих одну и ту же функцию и расположенных на некотором расстоянии друг от друга (в том числе нулевом) и/или имеющих различные параметры (два соседних сегмента одного ДОЭ могут накладываться друг на друга, но отличаться параметрами).As used herein, the term “segmented diffractive optical element” means a diffractive optical element containing separate segments performing the same function (eg, multiplication function, output function). In this case, separate segments are understood as segments that are grouped in a certain area on the surface of the waveguide and are located at a certain distance from each other and / or have different parameters. The parameters of the segments (for example, the effective DOE thickness, DOE period, DOE efficiency, size) and the distance between the segments can be the same for all segments / pairs of adjacent segments or may vary (for example, depending on the location of the segments on the surface of the waveguide). Segments of another DOE (DOE of other functionality) and / or sections of the waveguide that are not occupied by diffractive optical elements can be located between the segments of one DOE. Adjacent segments of one DOE may have different or the same parameters. Segments of one DOE can be separated by a DOE-free waveguide surface, and can also partially overlap each other. The segments of one DOE can be separated by the surface of the waveguide free of DOEs from the segments of another DOE, and can also be partially or completely superimposed on the segments of another DOE. For a person skilled in the art, it will be clear that each DOE segment can be considered as a separate diffractive optical element, and a segmented DOE as a set of separate DOEs grouped in a certain area, having the same function and located at some distance from each other (including number zero) and / or having different parameters (two adjacent segments of one DOE can overlap each other, but differ in parameters).
Сегментирование ДОЭ позволяет гибко управлять его параметрами (такими как дифракционная эффективность, период, эффективная толщина дифракционной структуры) в пределах большой площади ДОЭ, то есть обеспечивается возможность выбора различных параметров дифракционных оптических элементов для разных сегментов и, соответственно, областей волновода. Возможно расположение нескольких сегментированных ДОЭ с различными функциями в одной и той же области волновода, что обеспечивает уменьшение размера волновода. Период, эффективная толщина и угловая селективность дифракционной структуры могут быть выбраны отдельно для каждого сегмента с тем, чтобы повысить эффективность вывода излучения в целевую область (например, область EMB). Дифракционная эффективность может быть выбрана отдельно для каждого сегмента, что дает возможность обеспечить равномерность яркости выводимого изображения и увеличить область EMB. Путем выбора расстояний между сегментами и размеров сегментов возможно задавать требуемую плотность выводных зрачков для каждой отдельной области волновода и, таким образом, регулировать количество излучения, выводимого в этих областях.DOE segmentation allows flexible control of its parameters (such as diffraction efficiency, period, effective thickness of the diffractive structure) within a large area of the DOE, that is, it provides the possibility of choosing different parameters of diffractive optical elements for different segments and, accordingly, regions of the waveguide. It is possible to arrange several segmented DOEs with different functions in the same region of the waveguide, which ensures a reduction in the size of the waveguide. The period, effective thickness and angular selectivity of the diffraction structure can be selected separately for each segment in order to increase the efficiency of radiation output to the target region (for example, the EMB region). The diffraction efficiency can be selected separately for each segment, which makes it possible to ensure uniformity of the displayed image brightness and increase the EMB area. By choosing the distances between the segments and the sizes of the segments, it is possible to set the required excretory pupil density for each individual region of the waveguide and thus to regulate the amount of radiation outputted in these regions.
Предложенный волновод 1 (см. фиг. 3) содержит вводной ДОЭ 2, размножающий ДОЭ и выводной ДОЭ, причем размножающий и выводной ДОЭ являются сегментированными. Настоящее изобретение не ограничивается конкретным типом ДОЭ. Например, в волноводе могут быть использованы голографические, пленочные, нарезные и другие ДОЭ. В рассматриваемом конкретном примере предложенного волновода вводной ДОЭ имеет форму квадрата, а сегменты 3 размножающего ДОЭ и сегменты 4 выводного ДОЭ имеют круглую форму, что не является ограничением. На чертежах, иллюстрирующих варианты осуществления настоящего изобретения, размножающие сегменты изображены окружностями, заштрихованными слева направо, а выводные сегменты изображены окружностями, заштрихованными справа налево. Вводной ДОЭ может иметь любую форму. Форма сегментов ДОЭ может быть выбрана произвольно в зависимости от конкретной задачи. Например (см. фиг. 4, 5), сегменты размножающего и выводящего ДОЭ могут иметь форму окружности, дуги, сектора, сегмента круга, многоугольника (в том числе - треугольника, квадрата, шестиугольника и т.д.).The proposed waveguide 1 (see Fig. 3) contains the
Волновод работает следующим образом. Свет, поступающий в вводной ДОЭ 2, от, например, проектора изображения, поступает в волновод, начинает распространение в направлении размножающего и выводного ДОЭ и попадает в соответствующие сегменты. Сегменты 3 размножающего ДОЭ (размножающие сегменты) выполняют размножение входного зрачка. Световое излучение, попав в дифракционную структуру такого ДОЭ, дифрагирует и частично перенаправляется в другом направлении (первый порядок дифракции), при этом оставшаяся часть излучения продолжает распространение в том же направлении (нулевой порядок дифракции). И нулевой и первый порядки дифракции продолжают распространяться в волноводе за счет эффекта полного внутреннего отражения и попадают на другие сегменты, размножающие и/или выводные. Световое излучение, попавшее в дифракционную структуру сегмента выводного ДОЭ (выводного сегмента), дифрагирует и частично выводится из волновода, при этом оставшаяся часть излучения продолжает распространение в том же направлении.The waveguide works as follows. Light entering the
Параметры (например, дифракционная эффективность, эффективная толщина, размер) размножающих и выводных сегментов и расположение сегментов на поверхности волновода выбираются так, чтобы излучение, распространяясь в волноводе от вводного элемента, достигало всех выводных сегментов и выводилось преимущественного в направлении целевой области с требуемой интенсивностью. Например, при использовании волновода в конструкции очков дополненной реальности, желательно, чтобы из каждого выводного сегмента излучение выводилось преимущественно в направлении области EMB и имело по возможности одинаковую интенсивность по всей выводной области волновода (чтобы обеспечить равномерную яркость выводимого изображения по всему EMB).The parameters (for example, diffraction efficiency, effective thickness, size) of the multiplying and output segments and the location of the segments on the waveguide surface are chosen so that radiation propagating in the waveguide from the input element reaches all output segments and is output predominantly in the direction of the target area with the required intensity. For example, when using a waveguide in the design of augmented reality glasses, it is desirable that radiation from each output segment is output mainly in the direction of the EMB region and has the same intensity as possible over the entire output region of the waveguide (to ensure uniform brightness of the output image throughout the EMB).
Сегменты размножающего ДОЭ и выводного ДОЭ предпочтительно компонуются так, что по мере удаления от вводного ДОЭ (в направлении распространения излучения) частота/плотность сегментов размножающего ДОЭ уменьшается, а частота/плотность сегментов выводного ДОЭ увеличивается. The segments of the multiplying DOE and the output DOE are preferably arranged so that, with distance from the input DOE (in the direction of radiation propagation), the frequency / density of the segments of the multiplying DOE decreases, and the frequency / density of the outflow DOE segments increases.
Согласно одному из вариантов осуществления период и эффективная толщина дифракционной структуры каждого сегмента выводного ДОЭ и размножающего ДОЭ связаны с расположением целевой области таким образом, что для излучения, выводимого из волновода в направлении целевой области, дифракционная эффективность максимальна.According to one embodiment, the period and the effective thickness of the diffraction structure of each segment of the output DOE and the multiplying DOE are associated with the location of the target area such that the diffraction efficiency is maximum for the radiation output from the waveguide towards the target area.
При использовании волновода с сегментированными ДОЭ, угловая селективность, определяемая периодом и эффективной толщиной, может быть задана отдельно для каждого сегмента таким образом, чтобы из каждого сегмента (из каждой области волновода) излучение преимущественно (с максимальной эффективностью) выводилось именно в направлении целевой области (EMB). За счет этого большая часть излучения, выводимого волноводом, попадет именно в целевую область, потери излучения на засветку иных областей минимальны и эффективность системы, использующей волновод, повышается. Выбор периода и эффективной толщины дифракционной структуры, определяющих угловую селективность, должен быть ясен для специалиста в данной области техники, в связи с чем более подробные примеры здесь не описываются.When using a waveguide with segmented DOEs, the angular selectivity, determined by the period and effective thickness, can be set separately for each segment so that from each segment (from each region of the waveguide) radiation is predominantly (with maximum efficiency) output exactly in the direction of the target region ( EMB). Due to this, most of the radiation output by the waveguide will fall into the target area, the radiation losses due to illumination of other areas are minimal, and the efficiency of the system using the waveguide increases. The choice of the period and effective thickness of the diffractive structure, which determine the angular selectivity, should be clear to the person skilled in the art, and therefore more detailed examples are not described here.
Конкретный пример угловой селективности, которая может быть задана для выводного сегмента, проиллюстрирован на фиг. 6, 7, где d - удаление входного зрачка глаза пользователя от выводного сегмента, EMB_s - ширина области EMB, A1, A2 - углы вывода лучей, выводимых из выводного сегмента, соответствующих краям расширенной области EMB (условно заданной области, за пределами которой зрачок глаза пользователя заведомо не может оказаться), имеющей ширину 1,5*EMB_s. В рассматриваемом примере угловая селективность задана так, что для лучей, выводимых в целевом направлении (в направлении зрачка пользователя), дифракционная эффективность (и, соответственно, яркость) максимальна. При этом, дифракционная эффективность для лучей, расположенных по краям расширенной области EMB, снижается до 1/10 (что является примерным, выбранным значением) от максимальной. Таким образом, большая часть излучения конкретного выводного сегмента выводится именно в целевом направлении.A specific example of the angular selectivity that can be set for the lead-out segment is illustrated in FIG. 6, 7, where d is the distance of the input pupil of the user's eye from the output segment, EMB_s is the width of the EMB region, A1, A2 are the angles of the output of the rays output from the output segment, corresponding to the edges of the expanded EMB region (conditionally specified area, outside of which the pupil of the eye the user obviously cannot be), having a width of 1.5 * EMB_s. In this example, the angular selectivity is set so that for the rays output in the target direction (in the direction of the user's pupil), the diffraction efficiency (and, accordingly, the brightness) is maximum. At the same time, the diffraction efficiency for the beams located at the edges of the expanded EMB region is reduced to 1/10 (which is an approximate selected value) of the maximum. Thus, most of the radiation from a particular outlet segment is output precisely in the target direction.
Согласно одному из вариантов осуществления, область расположения сегментов размножающего ДОЭ и область расположения сегментов выводного ДОЭ не пересекаются. Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации.According to one embodiment, the region of the segmenting of the propagating DOE and the region of the segment of the excretory DOE do not intersect. This embodiment is the simplest to implement.
Согласно одному из вариантов осуществления (см. фиг. 8), область 5 расположения сегментов 3 размножающего ДОЭ (область размножения) и область 6 расположения сегментов 4 выводного ДОЭ (область вывода) по меньшей мере частично пересекаются, за счет чего обеспечивается уменьшение размеров волновода.According to one embodiment (see Fig. 8), the
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения (см. фиг. 9), размножающие и выводные сегменты расположены отдельно друг от друга и не пересекаются (никакие сегменты ДОЭ не накладываются друг на друга). Такой вариант осуществления является наиболее простым в реализации.According to one embodiment of the invention (see Fig. 9), the breeding and hatching segments are located separately from each other and do not intersect (no DOE segments overlap). This embodiment is the easiest to implement.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения (см. фиг. 10, 11), по меньшей мере некоторые из размножающих и выводных сегментов частично пересекаются (накладываются друг на друга) или совмещены. За счет этого, в одних и тех же областях волновода может быть выполнена как функция вывода, так и функция размножения, что позволяет дополнительно уменьшить размер волновода в целом. Совмещение/наложение сегментов может быть реализовано, например, путем их выполнения на разных сторонах волновода друг напротив друга (так, что они совмещены или накладываются друг на друга при взгляде в направлении нормали к волноводу), или, например, путем записи разных голографических дифракционных структур в пересекающихся/совмещенных областях на одной стороне волновода. Полное или частичное наложение друг на друга выводных и размножающих сегментов является более сложным для реализации и может быть необходимым для конкретных архитектур волноводов для корректной передачи изображения без потерь.According to some embodiments of the invention (see FIGS. 10, 11), at least some of the propagating and hatching segments are partially intersected (overlapped) or aligned. Due to this, both the output function and the multiplication function can be performed in the same regions of the waveguide, which makes it possible to further reduce the size of the waveguide as a whole. Alignment / superposition of segments can be realized, for example, by their execution on different sides of the waveguide opposite each other (so that they are aligned or superimposed on each other when looking in the direction of the normal to the waveguide), or, for example, by recording different holographic diffractive structures in intersecting / overlapping areas on one side of the waveguide. Full or partial overlapping of the lead-out and propagation segments is more complicated to implement and may be necessary for specific waveguide architectures for correct image transmission without loss.
Согласно некоторым вариантам осуществления, сегменты размножающего ДОЭ и сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую дифракционную эффективность (ДЭ), либо сегменты размножающего ДОЭ имеют одинаковую первую дифракционную эффективность, а сегменты выводного ДОЭ имеют одинаковую вторую дифракционную эффективность, причем первая дифракционная эффективность и вторая дифракционная эффективность не равны между собой. Такие варианты осуществления наиболее просты в реализации.According to some embodiments, the segments of the multiplying DOE and the segments of the output DOE have the same diffraction efficiency (DE), or the segments of the multiplying DOE have the same first diffraction efficiency, and the segments of the output DOE have the same second diffraction efficiency, and the first diffraction efficiency and the second diffraction efficiency are not equal between themselves. Such embodiments are the simplest to implement.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, дифракционная эффективность размножающих сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода, а выводные сегменты имеют одинаковую дифракционную эффективность (фиг. 12), либо дифракционная эффективность выводных сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 13), а размножающие сегменты имеют одинаковую дифракционную эффективность, либо дифракционная эффективность как размножающих так и выводных сегментов меняется в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 14). Дифракционная эффективность в каждом из случаев может изменяться, например, так, что она увеличивается с увеличением расстояния от вводного ДОЭ, или, например, так, что она увеличивается по ходу лучей внутри волновода (дифракционная эффективность пропорциональна длине пути распространения луча от вводного ДОЭ до заданной точки волновода). Изменение дифракционной эффективности размножающих и/или выводных сегментов в зависимости от координат на поверхности волновода компенсирует снижение яркости излучения, распространяющегося по волноводу, что обеспечивает равномерность излучения, выводимого из волновода. При использовании волновода в конструкции очков дополненной реальности, изображение, выводимое волноводом, будет иметь равномерную яркость. Устранение проблемы неравномерной яркости, в свою очередь, позволяет увеличить область EMB.According to some embodiments of the invention, the diffraction efficiency of the multiplying segments varies depending on the coordinates on the surface of the waveguide, and the lead-out segments have the same diffraction efficiency (Fig. 12), or the diffraction efficiency of the lead-out segments varies depending on the coordinates on the surface of the waveguide (Fig. 13) , and the multiplying segments have the same diffraction efficiency, or the diffraction efficiency of both the multiplying and the output segments varies depending on the coordinates on the waveguide surface (Fig. 14). The diffraction efficiency in each of the cases can change, for example, so that it increases with increasing distance from the input DOE, or, for example, so that it increases along the path of the rays inside the waveguide (the diffraction efficiency is proportional to the length of the beam propagation path from the input DOE to a given points of the waveguide). The change in the diffraction efficiency of the multiplying and / or output segments depending on the coordinates on the waveguide surface compensates for the decrease in the brightness of the radiation propagating along the waveguide, which ensures the uniformity of the radiation output from the waveguide. When using a waveguide in the construction of augmented reality glasses, the image displayed by the waveguide will have a uniform brightness. Eliminating the problem of uneven brightness, in turn, allows you to increase the EMB area.
Другим способом управления яркостью излучения, выводимого из разных областей волновода (управление эффективностью ДОЭ), является варьирование плотности выводных зрачков. Чем больше плотность выводных зрачков, тем яркость излучения (выводимого из данной области) выше, чем меньше плотность выводных зрачков, тем яркость излучения ниже. Варьирование плотностью выводных зрачков может осуществляться путем варьирования размеров сегментов и расстояний между ними.Another way to control the brightness of radiation output from different regions of the waveguide (control of the DOE efficiency) is to vary the density of the excretory pupils. The higher the density of the excretory pupils, the higher the brightness of the radiation (output from this area), the lower the density of the excretory pupils, the lower the brightness of the radiation. Varying the density of the excretory pupils can be carried out by varying the size of the segments and the distances between them.
Согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере некоторые соседние размножающие и/или выводные сегменты (два соседних размножающих сегмента, или два соседних выводных сегмента, или соседние выводной и размножающий сегменты) находятся на некотором расстоянии друг от друга и отделены свободной поверхностью волновода, на которой отсутствуют какие-либо дифракционные структуры. За счет этого излучение, распространяющееся в волноводе в областях расположения сегментов размножающего и выводящего ДОЭ, дифрагирует не при каждом отражении от стенки (или стенок, если сегменты расположены на разных сторонах волновода) волновода, что проиллюстрировано на фиг. 15. Это позволяет увеличить расстояние между соседними выходными зрачками, сохранить больше излучения в исходном направлении распространения излучения внутри волновода при прохождении этой части волновода (в которой расположены сегменты ДОЭ) и увеличить область EMB. Кроме того, увеличение расстояния между выходными зрачками (уменьшение плотности выводных зрачков, их прорежение) приводит к тому, что взаимное влияние (см. фиг. 1) соседних выводных зрачков друг на друга уменьшается, что позволяет использовать волновод с меньшей толщиной без повышения требований качеству его поверхности, повысить разрешение (качество) выводимого изображения и уменьшить стоимость производства.In some embodiments, at least some adjacent breeding and / or breeding segments (two adjacent breeding segments, or two adjacent breeding segments, or adjacent breeding and breeding segments) are spaced apart and separated by a free waveguide surface on which there are no diffractive structures. Due to this, the radiation propagating in the waveguide in the regions of the location of the segments of the multiplying and outputting DOEs diffracts not at every reflection from the wall (or walls, if the segments are located on different sides of the waveguide) of the waveguide, which is illustrated in Fig. 15. This makes it possible to increase the distance between adjacent exit pupils, to keep more radiation in the original direction of propagation of radiation inside the waveguide when passing through this part of the waveguide (in which the DOE segments are located) and to increase the EMB area. In addition, an increase in the distance between the exit pupils (a decrease in the density of the excretory pupils, their thinning) leads to the fact that the mutual influence (see Fig. 1) of neighboring excretory pupils on each other decreases, which allows the use of a waveguide with a smaller thickness without increasing quality requirements its surface, increase the resolution (quality) of the displayed image and reduce the cost of production.
Согласно одному из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего и/или выводного ДОЭ одинаковы (расстояния между любыми двумя соседними сегментами одинаковы; см фиг. 16). Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации. Расстояние между сегментами может быть выбрано эмпирически.According to one embodiment, the distances between adjacent segments of the propagating and / or excretory DOE are the same (the distances between any two adjacent segments are the same; see FIG. 16). This embodiment is the simplest to implement. The distance between the segments can be chosen empirically.
Согласно одному из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы и равны первому значению, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы и равны второму значению, причем первое значение и второе значение не равны между собой. Данный вариант осуществления также является простым в реализации, т.к. требуется определение только двух значений расстояний между сегментами. Упомянутые первое значение и второе значение расстояний между сегментами могут быть выбраны эмпирически.According to one embodiment, the distances between adjacent segments of the multiplying DOE are the same and equal to the first value, and the distances between adjacent segments of the output DOE are the same and equal to the second value, and the first value and the second value are not equal to each other. This embodiment is also easy to implement because only two segment spacing values need to be determined. The mentioned first value and the second value of the distance between the segments can be chosen empirically.
Согласно некоторым из вариантов осуществления, расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 17), либо расстояния между соседними сегментами выводного ДОЭ одинаковы, а расстояния между соседними сегментами размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо расстояния между соседними сегментами как размножающего, так и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода (фиг. 18). Данные варианты осуществления более сложны в реализации, однако обеспечивают дополнительные возможности управления эффективностью волноводной оптической системы.According to some of the embodiments, the distances between adjacent segments of the multiplying DOE are the same, and the distances between adjacent segments of the output DOE vary depending on the coordinates on the surface of the waveguide (Fig. 17), or the distances between adjacent segments of the output DOE are the same, and the distances between adjacent segments of the multiplying DOE DOEs change depending on the coordinates on the waveguide surface, or the distances between adjacent segments of both the multiplying and the output DOEs change depending on the coordinates on the waveguide surface (Fig. 18). These embodiments are more complex to implement, but provide additional control over the efficiency of the waveguide optical system.
Расстояние d_h между сегментами, изменяющееся в зависимости от координат на поверхности волновода, может быть пропорционально толщине волновода и определяться согласно следующему выражению:The distance d_h between segments, which varies depending on the coordinates on the surface of the waveguide, can be proportional to the thickness of the waveguide and be determined according to the following expression:
d_h ~ (T/tan(α))*X - r_hd_h ~ (T / tan (α)) * X - r_h
где - P диаметр зрачка глаза пользователя, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода, X = (P/2)*(T/tan(α)).where - P is the diameter of the user's eye pupil, T is the thickness of the waveguide, α is the angle of beam propagation inside the waveguide, X = (P / 2) * (T / tan (α)).
Угол α распространения луча внутри волновода является величиной, зависящей от координат точки на поверхности волновода и отсчитывающийся от поверхности волновода. В волноводе (предназначенном для вывода изображения), как правило, распространяется множество лучей, каждый из которых имеет свой угол распространения. Попадая в выводной сегмент, множество лучей выводится из волновода в разных направлениях. Здесь под углом α распространения луча внутри волновода для заданной точки волновода понимается угол α того луча, который является наибольшим из конуса лучей выводимых из данной точки волновода в целевом направлении в глаз пользователя (в область EMB).The angle α of propagation of the beam inside the waveguide is a quantity that depends on the coordinates of a point on the surface of the waveguide and is measured from the surface of the waveguide. In a waveguide (intended for image output), as a rule, many rays propagate, each of which has its own angle of propagation. Once in the lead-out segment, a plurality of rays are output from the waveguide in different directions. Here, the angle α of the propagation of the beam inside the waveguide for a given point of the waveguide is understood as the angle α of that ray, which is the largest of the cone of the rays output from this point of the waveguide in the target direction to the user's eye (into the EMB region).
Альтернативно, расстояние d_h между сегментами может определяться согласно неравенству:Alternatively, the distance d_h between segments can be determined according to the inequality:
d_h <= P - r_hd_h <= P - r_h
где P - диаметр зрачка глаза пользователя, r_h - размер сегмента ДОЭ.where P is the pupil diameter of the user's eye, r_h is the size of the DOE segment.
В предложенном волноводе с сегментированными ДОЭ размеры сегментов могут свободно выбираться в зависимости от конкретной архитектуры волновода и технических требований.In the proposed waveguide with segmented DOEs, the segment sizes can be freely selected depending on the specific waveguide architecture and technical requirements.
Согласно одному из вариантов осуществления, размеры сегментов размножающего и выводного ДОЭ одинаковы (размеры всех сегментов одинаковы). Такой вариант осуществления наиболее прост в реализации. Размеры сегментов могут быть выбраны эмпирически.In one embodiment, the segment sizes of the breeder and the outflow DOE are the same (all segments are the same size). This embodiment is the simplest to implement. The segment sizes can be chosen empirically.
Согласно одному из вариантов осуществления, сегменты размножающего ДОЭ имеют один и тот же первый размер, а сегменты выводного ДОЭ имеют один и тот же второй размер, причем первый размер и второй размер не равны между собой. Данный вариант осуществления также является простым в реализации, т.к. требуется определение только двух размеров сегментов. Упомянутые первый и второй размеры сегментов могут быть выбраны эмпирически.According to one embodiment, the segments of the multiplying DOE have the same first size, and the segments of the excretory DOE have the same second size, the first size and the second size not being equal. This embodiment is also easy to implement because only two segment sizes are required. Mentioned first and second segment sizes can be chosen empirically.
Согласно некоторым вариантам осуществления, размеры сегментов размножающего ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо размеры сегментов выводного ДОЭ одинаковы, а размеры сегментов размножающего ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода, либо размеры сегментов как размножающего, так и выводного ДОЭ меняются в зависимости от координат на поверхности волновода. Данные варианты осуществления более сложны в реализации, однако обеспечивают дополнительные возможности управления эффективностью волноводной оптической системы.According to some embodiments, the sizes of the segments of the multiplying DOE are the same, and the sizes of the segments of the output DOE change depending on the coordinates on the surface of the waveguide, or the sizes of the segments of the output DOE are the same, and the sizes of the segments of the multiplying DOE change depending on the coordinates on the surface of the waveguide, or the sizes of the segments are both the multiplying and the output DOE change depending on the coordinates on the surface of the waveguide. These embodiments are more complex to implement, but provide additional control over the efficiency of the waveguide optical system.
Размеры сегментов r_h размножающего и/или выводного ДОЭ, изменяющееся в зависимости от координат на поверхности волновода, могут быть выбраны согласно выражению:The sizes of the segments r_h of the multiplying and / or output DOE, which varies depending on the coordinates on the waveguide surface, can be selected according to the expression:
r_h ~ T/tan(α)r_h ~ T / tan (α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.where r_h is the segment size, T is the thickness of the waveguide, and α is the angle of beam propagation inside the waveguide.
Альтернативно, размеры сегментов r_h размножающего и/или выводного ДОЭ могут быть выбраны согласно выражению:Alternatively, the segment sizes r_h of the breeding and / or hatching DOE can be selected according to the expression:
r_h >= 1.5*T/tan(α)r_h> = 1.5 * T / tan (α)
где r_h - размер сегмента, T - толщина волновода, α - угол распространения луча внутри волновода.where r_h is the segment size, T is the thickness of the waveguide, and α is the angle of beam propagation inside the waveguide.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает окологлазный дисплей, содержащий проектор изображения и описываемый выше волновод. При этом, целевой областью вывода излучения, излучаемого проектором, из волновода является область движения глаза пользователя (EMB). Предложенный окологлазный дисплей обеспечивает все преимущества волновода, описанные выше (в зависимости от конкретного варианта осуществления волновода), в частности: увеличенное разрешение и качество выводимого изображения, равномерность выводимого изображения, малый размер и вес дисплея (за счет малого размера и толщины волновода), простота и дешевизна производства (за счет невысоких требований к качеству волновода), высокая эффективность дисплея (за счет снижения потерь), увеличенная область EMB.In addition, the present invention provides an ocular display comprising an image projector and a waveguide as described above. In this case, the target area for outputting radiation emitted by the projector from the waveguide is the user's eye movement area (EMB). The proposed near-eye display provides all the advantages of the waveguide described above (depending on the specific embodiment of the waveguide), in particular: increased resolution and quality of the displayed image, uniformity of the displayed image, small size and weight of the display (due to the small size and thickness of the waveguide), simplicity and low cost of production (due to low requirements for the quality of the waveguide), high display efficiency (due to reduced losses), increased EMB area.
Claims (43)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134405A RU2752556C1 (en) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display |
| KR1020210075630A KR20220052262A (en) | 2020-10-20 | 2021-06-10 | Waveguide structure with segmented diffractive optical elements and near-eye display apparatus employing the same |
| PCT/KR2021/013876 WO2022086002A1 (en) | 2020-10-20 | 2021-10-08 | Waveguide structure with segmented diffractive optical elements and near-eye display apparatus employing the same |
| US17/506,291 US20220121031A1 (en) | 2020-10-20 | 2021-10-20 | Waveguide structure with segmented diffractive optical elements and near-eye display apparatus employing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134405A RU2752556C1 (en) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2752556C1 true RU2752556C1 (en) | 2021-07-29 |
Family
ID=77226289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020134405A RU2752556C1 (en) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220052262A (en) |
| RU (1) | RU2752556C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4191293A1 (en) * | 2021-12-01 | 2023-06-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Waveguide-type display apparatus |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024054078A1 (en) * | 2022-09-07 | 2024-03-14 | 엘지이노텍 주식회사 | Optical device and wearable device comprising same |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170102543A1 (en) * | 2015-10-07 | 2017-04-13 | Tuomas Vallius | Diffractive optical element with integrated in-coupling, exit pupil expansion, and out-coupling |
| WO2017083160A1 (en) * | 2015-11-10 | 2017-05-18 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide gratings to improve intensity distributions |
| WO2018187105A2 (en) * | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide display with increased uniformity and reduced cross-coupling between colors |
| WO2018231754A1 (en) * | 2017-06-13 | 2018-12-20 | Vuzix Corporation | Image light guide with expanded light distribution overlapping gratings |
| US20190004321A1 (en) * | 2014-08-03 | 2019-01-03 | Wave Optics Ltd | Exit pupil expanding diffractive optical waveguiding device |
| WO2019054756A1 (en) * | 2017-09-12 | 2019-03-21 | 주식회사 엘지화학 | Diffraction light guide plate and method for manufacturing diffraction light guide plate |
| US20200159026A1 (en) * | 2017-01-05 | 2020-05-21 | Digilens Inc. | Wearable Heads Up Displays |
| US20200166691A1 (en) * | 2017-05-08 | 2020-05-28 | Dispelix Oy | Diffractive grating with variable diffraction efficiency and method for displaying an image |
| CN210776046U (en) * | 2019-12-16 | 2020-06-16 | 杭州光粒科技有限公司 | Two-dimensional optical waveguide, virtual and real optical wave beam combiner and AR equipment |
| CN111679361A (en) * | 2020-06-24 | 2020-09-18 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | Optical waveguide, near-to-eye display system and design method of optical waveguide coupling-out area |
| CN111722317A (en) * | 2020-07-14 | 2020-09-29 | 北京至格科技有限公司 | Diffraction light waveguide lens |
-
2020
- 2020-10-20 RU RU2020134405A patent/RU2752556C1/en active
-
2021
- 2021-06-10 KR KR1020210075630A patent/KR20220052262A/en active Search and Examination
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190004321A1 (en) * | 2014-08-03 | 2019-01-03 | Wave Optics Ltd | Exit pupil expanding diffractive optical waveguiding device |
| US20170102543A1 (en) * | 2015-10-07 | 2017-04-13 | Tuomas Vallius | Diffractive optical element with integrated in-coupling, exit pupil expansion, and out-coupling |
| WO2017083160A1 (en) * | 2015-11-10 | 2017-05-18 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide gratings to improve intensity distributions |
| US20200159026A1 (en) * | 2017-01-05 | 2020-05-21 | Digilens Inc. | Wearable Heads Up Displays |
| WO2018187105A2 (en) * | 2017-04-06 | 2018-10-11 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide display with increased uniformity and reduced cross-coupling between colors |
| US20200166691A1 (en) * | 2017-05-08 | 2020-05-28 | Dispelix Oy | Diffractive grating with variable diffraction efficiency and method for displaying an image |
| WO2018231754A1 (en) * | 2017-06-13 | 2018-12-20 | Vuzix Corporation | Image light guide with expanded light distribution overlapping gratings |
| WO2019054756A1 (en) * | 2017-09-12 | 2019-03-21 | 주식회사 엘지화학 | Diffraction light guide plate and method for manufacturing diffraction light guide plate |
| CN210776046U (en) * | 2019-12-16 | 2020-06-16 | 杭州光粒科技有限公司 | Two-dimensional optical waveguide, virtual and real optical wave beam combiner and AR equipment |
| CN111679361A (en) * | 2020-06-24 | 2020-09-18 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | Optical waveguide, near-to-eye display system and design method of optical waveguide coupling-out area |
| CN111722317A (en) * | 2020-07-14 | 2020-09-29 | 北京至格科技有限公司 | Diffraction light waveguide lens |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4191293A1 (en) * | 2021-12-01 | 2023-06-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Waveguide-type display apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220052262A (en) | 2022-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI769210B (en) | Optical system for near-eye displays | |
| US11221486B2 (en) | AR headsets with improved pinhole mirror arrays | |
| CN108351468B (en) | Corner sub-pixel rendering for multi-view displays using shifted multi-beam elements | |
| EP3548959B1 (en) | Method and system for high resolution digitized display | |
| JP7390378B2 (en) | Methods and systems for high efficiency eyepieces in augmented reality devices | |
| US11360305B2 (en) | Optical system and wearable display apparatus having the same | |
| RU2752556C1 (en) | Waveguide with segmented diffraction optical elements and near-eye display | |
| KR102348588B1 (en) | Multibeam diffraction grating-based near-eye display | |
| US10386642B2 (en) | Holographic see-through optical device, stereoscopic imaging system, and multimedia head mounted system | |
| JP4996029B2 (en) | Waveguide display | |
| WO2019220330A1 (en) | Projector configuration with subdivided optical aperture for near-eye displays, and corresponding optical systems | |
| JP7165051B2 (en) | Angular Subpixel Rendering Multiview Display Using Shifted Multibeam Elements | |
| KR20200105670A (en) | Diffractive waveguide element and diffractive waveguide display | |
| RU2719568C1 (en) | Augmented reality device and method of its operation | |
| JP2016188901A (en) | Display device | |
| CN112817148A (en) | Device for enlarging exit pupil area and display including the same | |
| US20220121031A1 (en) | Waveguide structure with segmented diffractive optical elements and near-eye display apparatus employing the same | |
| CN113721363A (en) | Display device and near-to-eye display apparatus | |
| JP7273041B2 (en) | Laser projector and diffraction display device | |
| KR20210059594A (en) | Device for enlarging an exit pupil area and display including the same | |
| CN115343853A (en) | Augmented reality optical waveguide display method and system | |
| CN108254931B (en) | Display device | |
| JP6694158B2 (en) | Virtual image display device and virtual image display method | |
| KR20160059783A (en) | Back light unit, display device comprising the same and method for manufacturing the same | |
| RU2793070C2 (en) | Optical system containing a light guide optical element with partially reflective inner surfaces |