RU2757072C1 - Multi-zone adjustable lens - Google Patents

Multi-zone adjustable lens Download PDF

Info

Publication number
RU2757072C1
RU2757072C1 RU2020127687A RU2020127687A RU2757072C1 RU 2757072 C1 RU2757072 C1 RU 2757072C1 RU 2020127687 A RU2020127687 A RU 2020127687A RU 2020127687 A RU2020127687 A RU 2020127687A RU 2757072 C1 RU2757072 C1 RU 2757072C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
lens
electrode
electrode structure
optical lens
Prior art date
Application number
RU2020127687A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Евгеньевич Пискунов
Светлана Владимировна Данилова
Николай Викторович Муравьев
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2020127687A priority Critical patent/RU2757072C1/en
Priority to KR1020210050706A priority patent/KR20220022838A/en
Priority to US17/396,335 priority patent/US20220057691A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757072C1 publication Critical patent/RU2757072C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/294—Variable focal length devices
    • 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
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133524—Light-guides, e.g. fibre-optic bundles, louvered or jalousie light-guides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135—Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • G02F1/1357—Electrode structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: invention relates to the field of optical systems with variable focal distance and can be used in augmented reality or virtual reality systems. The optical lens with an adjustable focal distance comprises a layer of an electroactive material and a structure of control electrodes. The structure of control electrodes comprises no less than two electrode structures configured to form various diffraction zones, wherein application of voltage to the control electrodes causes the corresponding electrode structures from no less than two electrode structures to form no less than two different phase optical emission profiles.EFFECT: increasing the diffraction efficiency of the adjustable optical lens over the entire aperture of the lens when the lens has a large aperture.14 cl, 14 dwg, 1 tbl

Description

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

Настоящее изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием, где необходима регулировка фокуса в соответствии с положением изображения виртуального объекта и/или положением объекта реального мира, а также в соответствии с вергенцией глаз. Изобретение может применяться, в частности, в системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), и более конкретно в регулировке фокуса изображения в средствах отображения упомянутых систем AR/VR в соответствии с положением виртуального изображения, вергенцией глаз и положением объектов.The present invention relates to the field of optical systems with variable focal length, where it is necessary to adjust the focus in accordance with the position of the image of the virtual object and / or the position of the object of the real world, as well as in accordance with the vergence of the eyes. The invention can be applied, in particular, in augmented reality or virtual reality (AR / VR) systems, and more particularly in adjusting the focus of an image in the display means of said AR / VR systems in accordance with the position of the virtual image, the vergence of the eyes and the position of objects.

Уровень техникиState of the art

В разрабатываемых в настоящее время системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) важное значение имеет разработка средств отображения для пользователя виртуального изображения, в частности изображения дополненной реальности, наложенного на изображение реального мира. С точки зрения пользователя, к отображению изображений в системах AR/VR на современном уровне предъявляются следующие требования: реалистичное ощущение глубины в изображении виртуальной реальности; высокая острота зрения (в особенности для пользователей с отклонениями в рефракции); и относительно высокое быстродействие при минимальных размерах устройства отображения.In the currently developed augmented reality or virtual reality (AR / VR) systems, it is important to develop means of displaying a virtual image for the user, in particular, an augmented reality image superimposed on an image of the real world. From the user's point of view, the following requirements are imposed on the display of images in AR / VR systems at the current level: a realistic sense of depth in the image of virtual reality; high visual acuity (especially for users with refractive errors); and relatively high performance in a minimal display device.

В настоящее время перед разработчиками оптических систем для применения в системах AR/VR стоят следующие задачи: создание линз с относительно большим диаметром апертуры (30 мм), повышение дифракционной эффективности до более 80%, и минимизация габаритов оптических систем, в частности по толщине, для обеспечения возможности встраивания таких оптических систем в миниатюрные наголовные дисплеи, очки и т.п.Currently, the designers of optical systems for use in AR / VR systems are faced with the following tasks: creating lenses with a relatively large aperture diameter (30 mm), increasing the diffraction efficiency to more than 80%, and minimizing the dimensions of optical systems, in particular in thickness, for providing the possibility of embedding such optical systems in miniature head-mounted displays, glasses, etc.

С точки зрения пользователей к оптическим системам формирования изображений в составе систем AR/VR в настоящее время предъявляются следующие требования: создание реалистичного впечатления глубины резкости изображения виртуальных объектов, высокое качество изображения в центральной области поля обзора, высокая резкость изображения даже для пользователей с нарушениями рефракции глаз, и относительно высокое быстродействие и компактность устройства.From a user point of view, AR / VR optical imaging systems currently have the following requirements: creating a realistic impression of the depth of field of images of virtual objects, high image quality in the central area of the field of view, high image sharpness even for users with refractive errors , and relatively high performance and compactness of the device.

Существует потребность в способе быстрого регулирования фокусного расстояния с заданным диоптрическим шагом посредством компонентов, имеющих малый вес и габариты.There is a need for a method for quickly adjusting the focal length at a given diopter step by means of components that are lightweight and lightweight.

Известные из уровня техники решения вышеуказанных задач состоят в следующем. Для создания впечатления большой глубины резкости изображения виртуальных объектов в системе AR/VR применяют, в частности, дифракционные жидкокристаллические (LC) линзы с множеством фазовых уровней.The solutions known from the prior art for the above problems are as follows. To create the impression of a large depth of field in the image of virtual objects in the AR / VR system, in particular, diffractive liquid crystal (LC) lenses with multiple phase levels are used.

Линзы с большим диаметром апертуры реализуются, в частности, либо с использованием линз больших размеров, либо посредством линз с большим количеством адресуемых электродов, образующих активную матрицу электродов. Однако данные решения являются дорогостоящими и/или имеют слишком большие габариты. По меньшей мере частично решить данную проблему позволяет соединение управляющих (адресуемых) электродов между собой в одной линзе, что дает фиксированную электродную структуру и обеспечивает множество возможных фокусных расстояний. Однако при большом диаметре апертуры линзы (порядка 30 мм) управляющие электроды в электродной структуре линзы с электроактивным материалом (жидкокристаллической линзы или линзы на основе полимерного геля) имеют слишком малые размеры вследствие технологических ограничений (размер менее 1 мкм), и таким образом при таком диаметре апертуры используется большое количество электродов, производство которых вследствие малых размеров (в частности, малой ширины) затруднено.Lenses with a large aperture diameter are realized, in particular, either using large lenses or by means of lenses with a large number of addressable electrodes forming an active electrode matrix. However, these solutions are expensive and / or too large. This problem can be at least partially solved by connecting the control (addressable) electrodes to each other in one lens, which gives a fixed electrode structure and provides a variety of possible focal lengths. However, with a large diameter of the lens aperture (about 30 mm), the control electrodes in the electrode structure of a lens with an electroactive material (a liquid crystal lens or a lens based on a polymer gel) are too small due to technological limitations (size less than 1 μm), and thus with such a diameter aperture, a large number of electrodes are used, the production of which is difficult due to their small dimensions (in particular, small width).

Одной из проблем, существующих в уровне техники, является конфликт вергенции и аккомодации, приводящий к утомлению глаз пользователя. Большинство существующих гарнитур AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние и не могут перенести виртуальное изображение за пределы этого фокусного расстояния, вследствие чего вергенция глаз и расстояние, на котором происходит фокусировка глаз пользователя при аккомодации, не находятся в одной плоскости. Это вызывает утомление глаз пользователя, а также может привести к возникновению головной боли и тошноты. При одновременном наблюдении через устройство AR реальных объектов, расположенных на различных расстояниях, а также виртуальных объектов на фиксированном фокусном расстоянии, возникает так называемый конфликт вергенции и аккомодации (VAC). При этом в фокусе могут находиться либо виртуальные объекты, либо наблюдаемые объекты реального внешнего мира при фокусировке глаз на соответствующие объекты, но не те и другие объекты одновременно. В случае VR конфликт VAC возникает при несоответствии плоскости фокусировки (аккомодации глаз на дисплей) относительным размерам объекта (вергенции осей глаз на объект).One of the problems existing in the prior art is the conflict of vergence and accommodation, leading to eye fatigue of the user. Most existing AR / VR headsets have a fixed focal length and cannot transfer the virtual image beyond this focal length, as a result of which the vergence of the eyes and the distance at which the user's eyes focus during accommodation are not in the same plane. This causes fatigue in the user's eyes and can also lead to headaches and nausea. When real objects located at different distances, as well as virtual objects at a fixed focal length, are simultaneously observed through an AR device, a so-called conflict of vergence and accommodation (VAC) arises. In this case, either virtual objects or observed objects of the real external world can be in focus when the eyes are focused on the corresponding objects, but not both objects at the same time. In the case of VR, a VAC conflict arises when the focusing plane (the accommodation of the eyes on the display) does not match the relative size of the object (the vergence of the axes of the eyes to the object).

У большинства существующих наголовных устройств AR/VR фокусное расстояние является фиксированным, ввиду чего они не способны корректировать рефракционные ошибки глаз пользователей, вызванные пресбиопией, гиперопией и миопией. Таким пользователям для нормального пользования устройствами AR/VR необходимы дополнительные средства коррекции зрения, такие как контактные линзы или очки. Это может отрицательно сказываться на общих габаритах устройства AR/VR, поскольку в известных решениях пользователям с отклонениями в рефракции глаз предлагается лишь дополнительно использовать надлежащим образом подобранные линзы, связанные с наголовным устройством AR/VR, либо использовать их обычные очки вместе с устройством AR/VR.Most of the existing AR / VR headsets have a fixed focal length and are therefore unable to correct the user's refractive errors caused by presbyopia, hyperopia and myopia. These users need additional vision correction tools such as contact lenses or glasses to use AR / VR devices normally. This can adversely affect the overall dimensions of the AR / VR device, since in the known solutions, users with deviations in eye refraction are only asked to additionally use appropriately selected lenses associated with the AR / VR head unit, or use their usual glasses together with the AR / VR device. ...

Системы AR/VR требуют большого размера апертуры линзы для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости изображения виртуальных объектов. В наиболее новых решениях из уровня техники наибольший размер апертуры достигается при использовании дифракционной жидкокристаллической (LC) линзы с множеством фазовых уровней. Апертура LC линзы разделена на несколько зон Френеля, каждая из которых содержит в себе несколько управляющих электродов. Чем больше диаметр апертуры линзы, тем больше число зон Френеля, на которые необходимо разбить апертуру линзы. При этом чем больше число зон Френеля, тем меньше размер каждой зоны. Чем меньше размер каждой зоны, тем меньше ширина управляющих электродов, находящихся в каждой зоне.AR / VR systems require a large lens aperture to provide realistic depth-of-field perception of virtual objects. In the most recent prior art solutions, the largest aperture size is achieved using a diffractive liquid crystal (LC) lens with multiple phase levels. The LC lens aperture is divided into several Fresnel zones, each of which contains several control electrodes. The larger the diameter of the lens aperture, the larger the number of Fresnel zones into which the lens aperture must be divided. Moreover, the larger the number of Fresnel zones, the smaller the size of each zone. The smaller the size of each zone, the smaller the width of the control electrodes located in each zone.

Так, чтобы получить диаметр апертуры линзы более 30 мм при оптической силе линзы до 3 диоптрий (дптр), потребуются электроды размером (в частности, шириной) менее 1 мкм, что в настоящее время меньше технологического предела.So, in order to obtain a lens aperture diameter of more than 30 mm with a lens optical power of up to 3 diopters (diopters), electrodes with a size (in particular, width) of less than 1 micron will be required, which is currently less than the technological limit.

Известно решение, раскрытое в источнике US 5285314 (Minnesota Mining and Manufacturing Company, 8 февраля 1994 г.), в котором раскрыто суперзонное зеркало, имеющее дифракционную оптическую силу, формируемую множеством дифракционных зон, образуемых множеством канавок, глубина каждой из которых является целым кратным стандартной глубине, и канавки имеют достаточную ширину для формирования дифракционной оптической силы. Недостаток данного известного решения состоит в том, что зеркало выполнено из отражающего материала, который не является электроактивным материалом и не обеспечивает перестройку фокусного расстояния и/или регулировку оптической силы.Known solution disclosed in the source US 5285314 (Minnesota Mining and Manufacturing Company, February 8, 1994), which discloses a superzone mirror having a diffractive optical power formed by a plurality of diffraction zones formed by a plurality of grooves, the depth of each of which is an integer multiple of the standard depth, and the grooves are wide enough to generate the diffractive optical power. The disadvantage of this known solution is that the mirror is made of a reflective material, which is not an electroactive material and does not provide for the adjustment of the focal length and / or adjustment of the optical power.

В источнике WO2017216716 (Optica Amuka (A.A.) LTD, 21 декабря 2017 г.) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения глаза, при этом применяется электродная структура, состоящая из электродов одинаковой ширины. Обеспечивается непрерывное изменение оптической силы. К недостаткам данной системы можно отнести необходимость использования большого количества адресуемых электродов (по меньшей мере 100-400 электродов в плоском гибком кабеле (FFC)), малый размер активной зоны и необходимость отслеживания положения глаза, что приводит к высокой сложности системы.The source WO2017216716 (Optica Amuka (A.A.) LTD, December 21, 2017) discloses a system in which the active zone is moved over the entire lens aperture using tracking the position of the eye, using an electrode structure consisting of electrodes of the same width. Provides a continuous change in optical power. The disadvantages of this system include the need to use a large number of addressable electrodes (at least 100-400 electrodes in a flat flexible cable (FFC)), the small size of the active zone and the need to track the position of the eye, which leads to a high complexity of the system.

В источнике US 8885139 (Johnson & Johnson Vision Care, 11 ноября 2014 г.) раскрыта дифракционная линза с перестраиваемым фокусным расстоянием из электроактивного материала (жидкокристаллическая линза), выполненная с возможностью дискретной или непрерывной регулировки фокусного расстояния, которая может быть включена в различные оптические устройства, в том числе в очки. Изменение фокусного расстояния в известной перестраиваемой линзе осуществляется за счет шунтирования соответствующих управляющих электродов в смежных зонах Френеля. К недостаткам данного известного решения следует отнести сложность производства линзы ввиду очень малой ширины внешних электродов.US 8885139 (Johnson & Johnson Vision Care, November 11, 2014) discloses a variable focal length diffractive lens made of an electroactive material (liquid crystal lens) capable of discrete or continuous focal length adjustment that can be incorporated into various optical devices , including glasses. The change in the focal length in the known tunable lens is carried out by shunting the corresponding control electrodes in the adjacent Fresnel zones. The disadvantages of this known solution include the complexity of the production of the lens due to the very small width of the external electrodes.

В источнике US 8988649 (Samsung Display Co., Ltd., 24 марта 2015 г.) раскрыто устройство отображения изображений, в котором используется дифракционная линза, содержащая первый массив электродов и второй массив электродов и действующая в качестве зонной пластинки Френеля. К недостаткам данного известного решения также можно отнести тот факт, что ширина управляющих электродов уменьшается в направлении к наружному краю линзы, что приводит к очень малой ширине внешних электродов и, как следствие, к высокой сложности изготовления известного устройства.US 8988649 (Samsung Display Co., Ltd., March 24, 2015) discloses an image display device using a diffractive lens comprising a first electrode array and a second electrode array and acting as a Fresnel zone plate. The disadvantages of this known solution can also be attributed to the fact that the width of the control electrodes decreases towards the outer edge of the lens, which leads to a very small width of the external electrodes and, as a consequence, to the high complexity of manufacturing the known device.

В источнике JP 5289327 (Citizen Holdings Co., Ltd., 11 сентября 2013 г.) раскрыта жидкокристаллическая линза Френеля, обеспечивающая высокие рабочие характеристики фокусировки. Известная жидкокристаллическая линза Френеля включает в себя группу сегментированных концентрических кольцевых электродов, общий электрод, расположенный напротив группы кольцевых электродов, слой жидких кристаллов, расположенный между кольцевыми электродами и общим электродом, область первого сегмента линзы, которая включает в себя первое множество кольцевых электродов из группы кольцевых электродов и которая формирует первое распределение фазовой задержки за счет использования первого множества кольцевых электродов, и область второго сегмента линзы, расположенная с внешней стороны линзы по отношению к области первого сегмента линзы, которая включает в себя второе множество кольцевых электродов из группы кольцевых электродов и которая формирует второе распределение фазовой задержки за счет использования второго множества кольцевых электродов, причем вдоль областей первого и второго сегментов линзы формируется распределение фазовой задержки, подобное распределению фазовой задержки линзы Френеля, и количество кольцевых электродов во втором множестве кольцевых электродов меньше, чем количество кольцевых электродов в первом множестве кольцевых электродов. Однако в данном известном решении разность между фазовыми задержками, формируемыми упомянутыми кольцевыми электродами, одинакова между любыми двумя смежными кольцевыми электродами. Максимальная величина задержки в области первого сегмента линзы равна максимальной величине задержки в области второго сегмента линзы. Приложение определенного управляющего напряжения к конкретному кольцевому электроду из первого множества кольцевых электродов формирует определенную величину фазовой задержки, и приложение того же самого определенного управляющего напряжения к соответствующему кольцевому электроду из второго множества кольцевых электродов формирует величину фазовой задержки, равную вышеупомянутой определенной величине задержки.JP 5289327 (Citizen Holdings Co., Ltd., September 11, 2013) discloses a liquid crystal Fresnel lens providing high focusing performance. The known liquid crystal Fresnel lens includes a group of segmented concentric annular electrodes, a common electrode located opposite the group of annular electrodes, a liquid crystal layer located between the annular electrodes and a common electrode, an area of the first lens segment, which includes the first plurality of annular electrodes from the group of annular and which generates the first phase delay distribution by using the first plurality of annular electrodes, and the region of the second lens segment located on the outside of the lens with respect to the region of the first lens segment, which includes the second plurality of annular electrodes from the annular electrode group and which forms the second distribution of the phase delay due to the use of the second plurality of annular electrodes, and along the regions of the first and second segments of the lens, a distribution of the phase delay is formed, similar to the distribution of the phase delay of the lens Fresnel, and the number of annular electrodes in the second plurality of annular electrodes is less than the number of annular electrodes in the first plurality of annular electrodes. However, in this known solution, the difference between the phase delays generated by said annular electrodes is the same between any two adjacent annular electrodes. The maximum amount of delay in the area of the first lens segment is equal to the maximum amount of delay in the area of the second lens segment. Applying a specific control voltage to a specific annular electrode from the first plurality of annular electrodes generates a specific phase delay amount, and applying the same specific control voltage to a corresponding annular electrode from the second plurality of annular electrodes generates a phase delay amount equal to the aforementioned specific delay amount.

В качестве недостатков данного известного решения можно указать использование в качестве электроактивного материала только жидких кристаллов, применение электродов только концентрической кольцевой формы с одинаковой разностью фазовой задержки между смежными электродами каждого сегмента, а также формирование одинаковой максимальной фазы для каждого сегмента линзы. Данное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.The disadvantages of this known solution include the use of only liquid crystals as an electroactive material, the use of only concentric annular electrodes with the same phase delay difference between adjacent electrodes of each segment, as well as the formation of the same maximum phase for each lens segment. This known solution can be taken as the closest analogue (prototype) of the claimed invention.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.This section, which discloses various aspects and options for carrying out the claimed invention, is intended to provide a brief description of the claimed subject matter and variants of its implementation. A detailed description of the technical means and methods that implement the combination of features of the claimed inventions is given below. Neither this disclosure nor the following detailed description and accompanying drawings should be construed as defining the scope of the claimed invention. The scope of legal protection of the claimed invention is determined exclusively by the attached claims.

С учетом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании перестраиваемой оптической линзы, содержащей множество дифракционных зон, имеющей большой размер апертуры, обладающей высокой дифракционной эффективностью и обеспечивающей реалистичное ощущение глубины резкости у пользователя при просмотре изображений виртуальных объектов и реального мира через перестраиваемую оптическую линзу. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, состоит в повышении дифракционной эффективности перестраиваемой оптической линзы по всей апертуре линзы при большом размере апертуры линзы.In view of the aforementioned drawbacks of the prior art, an object of the present invention is to provide a tunable optical lens containing a plurality of diffraction zones, having a large aperture size, having a high diffraction efficiency and providing a realistic depth of field experience for the user when viewing images of virtual objects and the real world through a tunable optical lens. ... The technical result achieved when using the claimed invention is to increase the diffraction efficiency of a tunable optical lens over the entire lens aperture with a large lens aperture.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, указанная задача решается оптической линзой с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, причем структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, выполненные с возможностью формирования различных дифракционных зон, причем приложение напряжения к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать по меньшей мере два различных фазовых профиля оптического излучения. Каждая из по меньшей мере двух электродных структур может состоять из по меньшей мере одной группы электродов, при этом соответствующие электроды в группах электродов каждой из по меньшей мере двух электродных структур соединены шинами, количество электродов в группах электродов первой из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K; количество электродов в группах электродов следующей электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K/bp-1, где b - целое число, p - номер фазового профиля, формируемого соответствующей электродной структурой.According to the first aspect of the present invention, the specified problem is solved by an optical lens with a tunable focal length, containing a layer of electroactive material and a structure of control electrodes, and the structure of the control electrodes contains at least two electrode structures configured to form different diffraction zones, and the application of voltage to the control the electrodes causes corresponding electrode structures from at least two electrode structures to form at least two different phase profiles of optical radiation. Each of the at least two electrode structures may consist of at least one group of electrodes, wherein the corresponding electrodes in the groups of electrodes of each of the at least two electrode structures are connected by buses, the number of electrodes in the groups of electrodes of the first of the at least two electrode structures is the same and equal to K; the number of electrodes in the groups of electrodes of the next electrode structure of at least two electrode structures is the same and equal to K / b p-1 , where b is an integer, p is the number of the phase profile formed by the corresponding electrode structure.

По сравнению с количеством шин, соединяющих электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин может соединять электроды в каждой группе электродов в электродной структуре с номером p. Каждый из фазовых профилей характеризуется множеством уровней квантования, причем количество уровней квантования в фазовом профиле под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой. По меньшей мере в одном варианте выполнения структура перестраиваемых электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с четными номерами или только с шинами с нечетными номерами. Максимальная фаза в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой, может быть отлична от максимальной фазы в фазовом профиле, формируемом второй электродной структурой. Линза может иметь апертуру круглой формы, причем структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды. В другом варианте выполнения линза может иметь апертуру многоугольной формы, причем структура управляющих электродов содержит электроды в виде вертикальных и/или горизонтальных полос. Линза может также содержать общий электрод и по меньшей мере одну подложку.Compared to the number of lines connecting the electrodes of the first electrode structure, b p-1 fewer lines can connect the electrodes in each electrode group in the p-number electrode structure. Each of the phase profiles is characterized by a plurality of quantization levels, and the number of quantization levels in the phase profile numbered p is b p-1 times less than the number of quantization levels in the phase profile formed by the first electrode structure. In at least one embodiment, the tunable electrode structure comprises K buses, each bus being connected to an electrode with a corresponding number in each diffraction zone of the first electrode structure, wherein the electrodes in the second electrode structure are connected only to even-numbered buses or only to buses with odd numbers. The maximum phase in the phase profile formed by the first electrode structure may be different from the maximum phase in the phase profile formed by the second electrode structure. The lens may have a circular aperture, and the gate electrode structure comprises concentric annular electrodes. In another embodiment, the lens may have a polygonal aperture, wherein the gate electrode structure comprises vertical and / or horizontal strip electrodes. The lens can also include a common electrode and at least one substrate.

В другом аспекте изобретение относится к устройству отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащему по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу по вышеупомянутому первому аспекту настоящего изобретения. Устройство может дополнительно содержать источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной перестраиваемой оптической линзой и с источником изображений виртуальных объектов. По меньшей мере в одном варианте выполнения устройство содержит по меньшей мере две перестраиваемые оптические линзы, причем одна из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.In another aspect, the invention relates to a display device for an augmented reality (AR) system or a virtual reality (VR) system comprising at least one reconfigurable optical lens according to the aforementioned first aspect of the present invention. The device may further comprise a source of images of virtual objects and a waveguide connected to at least one tunable optical lens and a source of images of virtual objects. In at least one embodiment, the device comprises at least two tunable optical lenses, one of at least two tunable optical lenses placed in front of the user's eye, and the other of at least two tunable optical lenses is placed between the source of images of virtual objects and the waveguide ...

Еще в одном аспекте изобретение относится к системе дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), содержащей по меньшей мере одно устройство отображения по второму вышеупомянутому аспекту.In yet another aspect, the invention relates to an augmented reality (AR) or virtual reality (VR) system comprising at least one display device according to the aforementioned second aspect.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что помимо вышеперечисленных объектов изобретения изобретательский замысел, лежащий в основе настоящего изобретения, может быть реализован в форме других объектов изобретения, таких как одна или более оптических систем, устройств с использованием перестраиваемой оптической линзы, способов работы перестраиваемой оптической линзы и т.п.It will be apparent to those skilled in the art that, in addition to the aforementioned aspects of the invention, the inventive concept underlying the present invention may be embodied in other aspects of the invention, such as one or more optical systems, devices using a tunable optical lens, methods of operating a tunable optical lenses, etc.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.The drawings are provided herein to facilitate understanding of the essence of the present invention. The drawings are schematic and not to scale. The drawings are for illustrative purposes only and are not intended to define the scope of the present invention.

На Фиг. 1 проиллюстрирован примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с концентрическими кольцевыми электродами.FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a tunable optical lens according to the invention, in which the tunable electrode structure comprises two electrode structures with concentric annular electrodes.

На Фиг. 2 проиллюстрирован сравнительный примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с линейными (полосовыми) электродами.FIG. 2 illustrates a comparative exemplary embodiment of a tunable optical lens according to the invention, in which the tunable electrode structure comprises two electrode structures with linear (strip) electrodes.

На Фиг. 3 приведена схема соединения управляющих электродов с шинами в двух смежных электродных структурах, формирующих две смежные дифракционные зоны.FIG. 3 shows a diagram of connection of control electrodes with buses in two adjacent electrode structures forming two adjacent diffraction zones.

На Фиг. 4 приведена схема, аналогичная Фиг. 3, дополненная графиками уровней квантования для двух смежных дифракционных зон.FIG. 4 is a diagram similar to FIG. 3, supplemented by plots of quantization levels for two adjacent diffraction zones.

На Фиг. 5 приведена схема, иллюстрирующая вариант выполнения изобретения с четырьмя электродными структурами, где показаны соединения электродов с шинами, размеры управляющих электродов и графики уровней квантования для каждой из четырех электродных структур.FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of the invention with four electrode structures, showing the electrode-to-bus connections, gate dimensions, and plots of quantization levels for each of the four electrode structures.

На Фиг. 6 приведена схема, аналогичная схеме по Фиг. 5, для варианта выполнения изобретения с тремя электродными структурами.FIG. 6 shows a diagram similar to that of FIG. 5 for an embodiment of the invention with three electrode structures.

На Фиг. 7 приведен график, иллюстрирующий вариант выполнения с различной величиной максимальных фаз для двух смежных фазовых профилей.FIG. 7 is a graph illustrating an embodiment with different maximum phases for two adjacent phase profiles.

На Фиг. 8 приведена схема, аналогичная схеме по Фиг. 6, для варианта выполнения изобретения с неравной высотой уровней квантования.FIG. 8 shows a diagram similar to that of FIG. 6 for an embodiment of the invention with unequal quantization level heights.

На Фиг. 9 приведена схема, иллюстрирующая примерный вариант выполнения с тремя электродными структурами, в которых между шинами и электродами дополнительно включены резисторы.FIG. 9 is a diagram illustrating an exemplary embodiment with three electrode structures in which resistors are additionally included between the busbars and the electrodes.

На Фиг. 10 приведена схема, иллюстрирующая примерный вариант выполнения, в котором слой электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы имеет различную толщину в различных дифракционных зонах.FIG. 10 is a diagram illustrating an exemplary embodiment in which an electroactive material layer of a tunable optical lens has different thicknesses in different diffraction zones.

На Фиг. 11 приведена принципиальная схема примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.FIG. 11 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a display device for an AR / VR system comprising at least one tunable optical lens according to the invention.

На Фиг. 12 приведена принципиальная схема другого примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.FIG. 12 is a schematic diagram of another exemplary embodiment of a display device for an AR / VR system comprising at least one tunable optical lens according to the invention.

На Фиг. 13 приведена схема примерного варианта выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза с зависимой от поляризации структурой используется для коррекции нарушения рефракции глаза пользователя.FIG. 13 is a schematic diagram of an exemplary embodiment in which a tunable optical lens with a polarization-dependent structure is used to correct refractive errors in the user's eye.

На Фиг. 14 приведена принципиальная схема, иллюстрирующая возможные варианты размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения для системы AR/VR.FIG. 14 is a schematic diagram illustrating possible placement options for a tunable optical lens according to the invention in a display device for an AR / VR system.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

В первом аспекте настоящее изобретение относится к оптической линзе с перестраиваемым фокусным расстоянием, далее называемой перестраиваемой оптической линзой, которая выполнена с возможностью формирования по меньшей мере двух различных дифракционных зон, в связи с чем перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может быть охарактеризована как «многозонная» оптическая линза. Линза согласно изобретению содержит слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов. Кроме того, линза согласно изобретению также содержит общий электрод с другой стороны от слоя электроактивного материала по отношению к структуре управляющих электродов. Как общий электрод, так и структура управляющих электродов имеют подложку. Электроактивный материал выполнен с возможностью изменения показателя преломления в зависимости от напряжения, прикладываемого к соответствующим управляющим электродам структуры управляющих электродов. Электроды в структуре управляющих электродов соединены между собой шинами. Структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, расположенные последовательно и соединенные шинами, причем каждая электродная структура содержит одну или более групп электродов.In a first aspect, the present invention relates to a tunable focal length optical lens, hereinafter referred to as a tunable optical lens, which is configured to form at least two different diffraction zones, whereby the tunable optical lens according to the invention can be characterized as a "multi-zone" optical lens. The lens according to the invention comprises a layer of electroactive material and a control electrode structure. In addition, the lens according to the invention also comprises a common electrode on the other side of the electroactive material layer with respect to the gate electrode structure. Both the common electrode and the gate electrode structure have a substrate. The electroactive material is configured to change the refractive index depending on the voltage applied to the corresponding control electrodes of the control electrode structure. The electrodes in the structure of the control electrodes are interconnected by buses. The control electrode structure contains at least two electrode structures arranged in series and connected by buses, and each electrode structure contains one or more groups of electrodes.

На Фиг. 1 проиллюстрирован примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с концентрическими кольцевыми электродами. Апертура линзы имеет круглую форму (сферическая линза). При этом на Фиг. 1 также показано сечение линзы, где представлены подложки общего электрода и структуры управляющих электродов, а также общий электрод, управляющие электроды и электроактивный материал. Кроме того, на Фиг. 1 показан график примерного фазового профиля, формируемого в соответствующих дифракционных зонах, обеспечиваемых упомянутыми двумя электродными структурами. Каждая дифракционная зона может представлять собой по меньшей мере одну зону Френеля, в том числе более одной зоны Френеля, либо может представлять собой часть зоны Френеля.FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a tunable optical lens according to the invention, in which the tunable electrode structure comprises two electrode structures with concentric annular electrodes. The lens aperture is circular (spherical lens). In addition, in FIG. 1 also shows a cross-section of a lens showing common electrode substrates and gate structures, as well as a common electrode, gate electrodes, and an electroactive material. In addition, in FIG. 1 is a graph of an exemplary phase profile formed in respective diffraction zones provided by said two electrode structures. Each diffraction zone can be at least one Fresnel zone, including more than one Fresnel zone, or it can be part of a Fresnel zone.

В различных вариантах выполнения количество электродов в группах электродов первой электродной структуры равно K. Количество электродов в группах электродов электродной структуры p является одинаковым и равно K/bp-1, где b - целое число, показывающее то, во сколько раз уменьшается количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре (что дает понять, насколько количество электродов в следующей электродной структуре меньше количества электродов в данной электродной структуре). Соответствующие электроды в группах электродов первой электродной структуры соединены шинами. Из тех шин, что соединяют электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин соединяют электроды в каждой электродной группе электродной структуры с номером p.In various embodiments, the number of electrodes in the groups of electrodes of the first electrode structure is equal to K. The number of electrodes in the groups of electrodes of the electrode structure p is the same and is equal to K / b p-1 , where b is an integer indicating how many times the number of quantization levels decreases in each subsequent electrode structure (which makes it clear how much the number of electrodes in the next electrode structure is less than the number of electrodes in this electrode structure). Corresponding electrodes in the electrode groups of the first electrode structure are connected by bus bars. Of those buses that connect the electrodes of the first electrode structure, b p-1 fewer buses connect the electrodes in each electrode group of the electrode structure with number p.

Приложение напряжения к шинам и, соответственно, через них к управляющим электродам формирует по меньшей мере два фазовых профиля посредством соответствующих электродных структур, причем количество уровней квантования для фазового профиля под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования для первого фазового профиля.Applying voltage to the buses and, accordingly, through them to the control electrodes forms at least two phase profiles by means of the corresponding electrode structures, and the number of quantization levels for the phase profile numbered p is b p-1 times less than the number of quantization levels for the first phase profile.

В контексте настоящего описания, фазовый профиль представляет собой зависимость вносимой фазовой задержки в проходящую световую волну от координаты на поверхности перестраиваемой оптической линзы. Разность фазовых задержек для различных координат в контексте настоящего описания здесь и далее называется разностью фаз.In the context of the present description, the phase profile is the dependence of the introduced phase delay in the transmitted light wave from the coordinate on the surface of the tunable optical lens. The difference in phase delays for different coordinates in the context of the present description is hereinafter referred to as a phase difference.

В зависимости от координаты фазовый профиль разделен на дифракционные зоны. Если разность фаз световых волн, распространяющихся из данной дифракционной зоны до точки наблюдения не превышает pi, то такую зону называют зоной Френеля. Как указано выше, каждая дифракционная зона в контексте настоящего изобретения может представлять собой по меньшей мере одну зону Френеля, в том числе более одной зоны Френеля, либо может представлять собой часть зоны Френеля.Depending on the coordinate, the phase profile is divided into diffraction zones. If the phase difference of light waves propagating from a given diffraction zone to the observation point does not exceed p i , then such a zone is called the Fresnel zone. As indicated above, each diffraction zone in the context of the present invention can be at least one Fresnel zone, including more than one Fresnel zone, or it can be part of a Fresnel zone.

В контексте настоящего описания, под максимальной фазой следует понимать максимальную вносимую фазовую задержку в данной дифракционной зоне. Диапазон фазовых задержек может быть разбит на конечное число уровней, называемых здесь и далее в настоящем описании уровнями квантования.In the context of the present description, maximum phase should be understood as the maximum introduced phase delay in a given diffraction zone. The range of phase delays can be divided into a finite number of levels, referred to hereinafter as quantization levels.

В общем случае, структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, размещенные одна за другой в направлении от центра к краю линзы и соединенные шинами. Перестраиваемость оптической линзы согласно изобретению обеспечивается за счет приложения к структуре управляющих электродов соответствующих напряжений, подаваемых через соответствующие шины, соединяющие электроды. Приложение напряжения надлежащим образом воздействует на электроактивный материал линзы. Например, в варианте выполнения, в котором в качестве электроактивного материала используются жидкие кристаллы (жидкокристаллическая (LC) перестраиваемая линза), приложенное к каждому электроду напряжение изменяет ориентацию жидкого кристалла, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку согласно изобретению структура управляющих электродов размещена по существу по всей поверхности перестраиваемой оптической линзы, и к каждому управляющему электроду структуры управляющих электродов прикладывается определенное напряжение, таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует определенному фазовому профилю. Переход от профиля напряжений к фазовому профилю производится с использованием зависимости фазы от напряжения, наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011).In general, the gating electrode structure comprises at least two electrode structures arranged one after the other in the direction from the center to the edge of the lens and connected by lines. The reconfigurability of the optical lens according to the invention is ensured by applying to the structure of the control electrodes the corresponding voltages supplied through the corresponding lines connecting the electrodes. Applying a voltage appropriately affects the electroactive material of the lens. For example, in an embodiment in which liquid crystals (liquid crystal (LC) tunable lens) are used as the electroactive material, a voltage applied to each electrode changes the orientation of the liquid crystal, thereby changing the refractive index value. Since, according to the invention, the gating electrode structure is disposed over substantially the entire surface of the tunable optical lens, and a certain voltage is applied to each gating electrode of the gating electrode structure, a voltage profile is thus formed that corresponds to a certain phase profile. The transition from the voltage profile to the phase profile is made using the phase versus voltage dependence, the presence of which is characteristic of each optically active material (for more details, see, for example, Chen RH Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, or Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011).

Согласно изобретению, приложение напряжений к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать от двух до p фазовых профилей.According to the invention, the application of voltages to the gate electrodes causes the corresponding electrode structures of the at least two electrode structures to form two to p phase profiles.

Согласно изобретению, радиусы электродов для каждой электродной структуры в упомянутой структуре управляющих электродов вычисляются по определенному соответствующему закону:According to the invention, the radii of the electrodes for each electrode structure in the said structure of the control electrodes are calculated according to a certain corresponding law:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где p - номер электродной структуры, A_p - целое число, характеризующее минимально возможную максимальную разность фаз в электродной структуре p, m_p - номер дифракционной зоны в электродной структуре p, λ - длина волны падающего излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратного 2π радиан, D - минимальная оптическая сила перестраиваемой линзы.where p is the number of the electrode structure, A _ p is an integer characterizing the minimum possible maximum phase difference in the electrode structure p , m _ p is the number of the diffraction zone in the electrode structure p, λ is the wavelength of the incident radiation, h is the height of the formed phase profile , a multiple of 2π radians, D is the minimum optical power of the tunable lens.

Каждая дифракционная зона в соответствующей электродной структуре состоит из K электродов. Каждый электрод с номером k в дифракционной зоне m соединен с шиной с номером k, где k=1:K. K составляет максимальное количество шин. В вариантах выполнения, в которых количество электродов в каждой следующей электродной структуре по сравнению с предыдущей меньше в 2 раза, дифракционная зона в электродной структуре с номером P состоит из K/2P-1 электродов. Однако изобретение не ограничено данными вариантами выполнения, и соотношение между количеством электродов в электродной структуре с номером P и количеством электродов в последующей электродной структуре в общем случае определяется в соответствии с формулой K/bP-1, где b - целое число.Each diffraction zone in the corresponding electrode structure consists of K electrodes. Each electrode with number k in the diffraction zone m is connected to a bus with number k, where k = 1: K. K is the maximum number of tires. In embodiments in which the number of electrodes in each subsequent electrode structure is 2 times less than the previous one, the diffraction zone in the electrode structure with number P consists of K / 2 P-1 electrodes. However, the invention is not limited to these embodiments, and the relationship between the number of electrodes in the electrode structure with the number P and the number of electrodes in the subsequent electrode structure is generally determined in accordance with the formula K / b P-1 , where b is an integer.

В различных вариантах выполнения изобретения электроды в электродной структуре с номером P соединены только шинами с четными (или нечетными) номерами от шин из электродной структуры с номером P-1.In various embodiments, the electrodes in the P electrode structure are connected only by even (or odd) numbered lines from the P-1 electrode structure.

Согласно изобретению, по меньшей мере две электродные структуры, входящие в структуру управляющих электродов заявляемой перестраиваемой оптической линзы, формируют по меньшей мере два фазовых профиля с разными уровнями квантования, более конкретно - фазовый профиль с более высоким уровнем квантования для центральной зоны апертуры перестраиваемой оптической линзы, и по меньшей мере один фазовый профиль с по меньшей мере одним более низким уровнем квантования для одной или более дифракционных зон ближе к внешнему краю апертуры перестраиваемой оптической линзы. According to the invention, at least two electrode structures included in the structure of the control electrodes of the claimed tunable optical lens form at least two phase profiles with different quantization levels, more specifically, a phase profile with a higher quantization level for the central zone of the aperture of the tunable optical lens, and at least one phase profile with at least one lower quantization level for one or more diffraction zones closer to the outer edge of the tunable optical lens aperture.

За счет такой конфигурации обеспечивается высокая дифракционная эффективность в центральной зоне апертуры перестраиваемой оптической линзы, что наиболее важно для создания впечатления реалистичности просматриваемых изображений виртуальных объектов. В различных вариантах выполнения изобретения фазовые профили для электродных структур, расположенных в зонах, отличных от центральной части апертуры перестраиваемой линзы (т.е., в частности, ближе к краю апертуры перестраиваемой линзы), могут иметь одинаковую максимальную фазу и одинаковые уровни квантования либо разную максимальную фазу и разные уровни квантования.Due to this configuration, a high diffraction efficiency is provided in the central zone of the aperture of the tunable optical lens, which is most important for creating the impression of realism of the viewed images of virtual objects. In various embodiments of the invention, the phase profiles for electrode structures located in areas other than the central part of the tunable lens aperture (i.e., in particular, closer to the edge of the tunable lens aperture) may have the same maximum phase and the same quantization levels, or different maximum phase and different quantization levels.

Далее изобретение будет рассмотрено на примерном варианте выполнения, приведенном для пояснения сущности изобретения и примеров материально-технических средств, которыми оно может быть реализовано. Следует понимать, что объем заявляемого изобретения не ограничивается данным примерным вариантом выполнения и/или какими-либо конкретными подробностями, приведенными в его описании.Further, the invention will be considered on an exemplary embodiment given to explain the essence of the invention and examples of material and technical means with which it can be implemented. It should be understood that the scope of the claimed invention is not limited to this exemplary embodiment and / or any specific details set forth in its description.

В рассматриваемом примерном варианте структура управляющих электродов в перестраиваемой оптической линзе содержит две электродные структуры, далее называемые первой электродной структурой и второй электродной структурой, соответственно.In the considered exemplary embodiment, the structure of the control electrodes in the tunable optical lens contains two electrode structures, hereinafter referred to as the first electrode structure and the second electrode structure, respectively.

В рассматриваемом примерном варианте выполнения перестраиваемая оптическая линза имеет круглую форму. Следует понимать, что круглая форма линзы является лишь одним из примеров возможных форм в пределах объема заявляемого изобретения, и возможны другие варианты формы апертуры линзы, как будет более подробно рассмотрено ниже.In the present exemplary embodiment, the tunable optical lens has a circular shape. It should be understood that a circular lens shape is only one example of possible shapes within the scope of the claimed invention, and other lens aperture shapes are possible, as will be discussed in more detail below.

В рассматриваемом примерном варианте выполнения электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы имеют кольцевую форму, в частности форму концентрически расположенных колец. Следует понимать, что форма концентрически расположенных колец является лишь одним из примеров возможных форм электродов в пределах объема заявляемого изобретения, и возможны другие варианты формы электродов, как будет более подробно рассмотрено ниже.In the considered exemplary embodiment, the electrodes in the structure of the control electrodes of the tunable optical lens have an annular shape, in particular the shape of concentrically arranged rings. It should be understood that the shape of the concentrically spaced rings is just one example of possible electrode shapes within the scope of the claimed invention, and other electrode shapes are possible, as will be discussed in more detail below.

Радиусы кольцевых управляющих электродов в первой электродной структуре перестраиваемой оптической линзы согласно рассматриваемому примерному варианту выполнения вычисляются в соответствии со следующей формулой:The radii of the annular gate electrodes in the first electrode structure of the tunable optical lens according to the considered exemplary embodiment are calculated in accordance with the following formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где m - номер дифракционной зоны. Каждая дифракционная зона содержит K электродов. Каждый электрод с номером k в зоне m соединен с шиной с номером k, причем k=1:K. K составляет максимальное количество шин;where m is the number of the diffraction zone. Each diffraction zone contains K electrodes. Each electrode with number k in zone m is connected to a bus with number k, and k = 1: K. K is the maximum number of tires;

λ - длина волны падающего оптического излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратная 2π радиан;λ is the wavelength of the incident optical radiation, h is the height of the formed phase profile, a multiple of 2π radians;

D - минимальная оптическая сила перестраиваемой оптической линзы. D is the minimum optical power of the tunable optical lens.

В рассматриваемом варианте выполнения оптическое излучение с длиной волны λ представляет собой оптическое излучение видимого диапазона. Однако в различных вариантах выполнения изобретения оптическое излучение может быть также инфракрасным излучением или ультрафиолетовым излучением.In the considered embodiment, the optical radiation with a wavelength λ is optical radiation in the visible range. However, in various embodiments of the invention, the optical radiation may also be infrared radiation or ultraviolet radiation.

Первая электродная структура заканчивается и вторая электродная структура начинается там, где ширина электродов первой электродной структуры становится меньше технологического ограничения на минимально разрешимое расстояние между электродами (в данном варианте выполнения - между кольцевыми электродами). Ширина электрода определяется разностью радиусов соседних кольцевых электродов с учетом технологического зазора между электродами.The first electrode structure ends and the second electrode structure begins where the width of the electrodes of the first electrode structure becomes less than the technological limit on the minimum resolvable distance between the electrodes (in this embodiment, between the annular electrodes). The width of the electrode is determined by the difference between the radii of adjacent annular electrodes, taking into account the technological gap between the electrodes.

Радиусы кольцевых электродов во второй электродной структуре вычисляются в соответствии со следующей формулой:The radii of the annular electrodes in the second electrode structure are calculated according to the following formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

Каждый четный (или нечетный) электрод с номером k, где k mod 2=0 (k mod 2 =1) в зоне m соединен с шиной с соответствующим номером k. Операция “mod” обозначает остаток от деления одного числа на другое. Общее количество соединений между электродами и шинами в каждой дифракционной зоне m составляет K/2.Each even (or odd) electrode with number k, where k mod 2 = 0 (k mod 2 = 1) in zone m is connected to the bus with the corresponding number k. The "mod" operation is the remainder of the division of one number by another. The total number of connections between electrodes and tires in each diffraction zone m is K / 2.

Данный вариант выполнения позволяет реализовать перестраиваемую оптическую линзу, для которой при диаметре апертуры линзы в 30 мм достигается оптическая сила до 3 дптр при наилучшем качестве изображения и технологическом ограничении на ширину электродов не менее 3 мкм.This embodiment makes it possible to realize a tunable optical lens, for which, with a lens aperture diameter of 30 mm, an optical power of up to 3 diopters is achieved with the best image quality and technological limitation on the electrode width of at least 3 microns.

Далее со ссылкой на Фиг. 3 будет рассмотрен примерный вариант реализации предлагаемой перестраиваемой оптической линзы, в которой структура управляющих электродов содержит несколько электродных структур (в частности, по меньшей мере две электродные структуры, соединенные шинами в определенном порядке). Структура управляющих электродов, размещенная на подложке, состоит из прозрачных проводящих электродов, выполненных, например, из оксида индия-цинка IZO или оксида индия-олова (ITO).Next, referring to FIG. 3 will be considered an exemplary embodiment of the proposed tunable optical lens, in which the structure of the control electrodes contains several electrode structures (in particular, at least two electrode structures connected by buses in a certain order). The structure of the control electrodes, placed on the substrate, consists of transparent conductive electrodes made, for example, of indium zinc oxide IZO or indium tin oxide (ITO).

Электроды соединены с шинами посредством переходных отверстий (via holes) или других подобных средств. Шины могут быть выполнены из такого же материала, что и управляемые электроды (т.е. из прозрачного в видимом диапазоне проводящего материала, например оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Следует отметить, что в общем случае шины могут быть выполнены из любых подходящих материалов с высокой проводимостью, в том числе и из непрозрачных в видимом диапазоне (Ag, Mo, Ni и т.п.).The electrodes are connected to the busbars through via holes or other similar means. The busbars can be made of the same material as the controllable electrodes (i.e., a conductive material that is transparent in the visible range, for example, indium tin oxide (ITO), indium oxide, tin oxide, indium zinc oxide (IZO), oxide zinc, etc.). It should be noted that, in general, tires can be made of any suitable materials with high conductivity, including those that are opaque in the visible range (Ag, Mo, Ni, etc.).

Материал подложек в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложек согласно изобретению находится в диапазоне 3-200 мкм. Значения толщины общего электрода и управляющих электродов, наносимых на подложку, находятся в диапазоне 30-200 нм в зависимости от выбранного материала электрода (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Принципы выбора толщины подложек и электродов на основании материала электрода и подложки хорошо известны в данной области техники.The material of the substrates in the tunable optical lens according to the invention is selected from materials transparent in the visible range, such as, by way of non-limiting example, glass, plastic, quartz. The thickness of the substrates according to the invention is in the range of 3-200 µm. The thicknesses of the common electrode and the gate electrodes applied to the substrate are in the range of 30-200 nm, depending on the selected electrode material (for example, indium tin oxide (ITO), indium oxide, tin oxide, indium zinc oxide (IZO), zinc oxide, etc.). The principles for selecting the thickness of substrates and electrodes based on the material of the electrode and the substrate are well known in the art.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы имеют кольцеобразную форму и расположены концентрически. В некоторых вариантах выполнения первый электрод, расположенный в центре, может иметь форму круга. Настоящее изобретение описано на примере структуры управляющих электродов, в которой управляющие электроды имеют форму концентрических колец, исключительно в качестве неограничивающего примера. Однако следует понимать, что изобретение может быть реализовано и в иных вариантах выполнения, в которых возможны другие формы выполнения структуры управляющих электродов, в которой электроды имеют форму, например, но не в качестве ограничения, параллельных полос или массива многоугольников. На Фиг. 2 приведена иллюстрация сравнительного примерного варианта выполнения изобретения, в котором структура управляющих электродов содержит линейные (полосовые) электроды, образующие две электродные структуры и выполненные в виде вертикальных полос. Кроме того, возможно использование управляющих электродов любой неправильной формы.In a preferred embodiment of the invention, the electrodes in the control electrode structure of the tunable optical lens are ring-shaped and arranged concentrically. In some embodiments, the first center electrode may be circular. The present invention is described in terms of a gate structure in which the gate electrodes are concentric rings, by way of non-limiting example only. However, it should be understood that the invention can be implemented in other embodiments, in which other forms of implementation of the structure of the control electrodes are possible, in which the electrodes are shaped, for example, but not by way of limitation, of parallel stripes or an array of polygons. FIG. 2 is an illustration of a comparative exemplary embodiment of the invention, in which the gate electrode structure comprises linear (strip) electrodes forming two electrode structures and made in the form of vertical stripes. In addition, it is possible to use control electrodes of any irregular shape.

Согласно различным вариантам выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза имеет круглую форму апертуры, однако изобретение не ограничено круглой формой апертуры линзы, и также линза может иметь прямоугольную, многоугольную или криволинейную или любую другую пригодную форму апертуры, т.е. согласно изобретению апертура линзы может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.According to various embodiments of the invention, the tunable optical lens has a circular aperture shape, however, the invention is not limited to a circular lens aperture shape, but also the lens may have a rectangular, polygonal, or curved or any other suitable aperture shape, i. E. According to the invention, the lens aperture can be of arbitrary shape, determined by practical requirements for the optical system, size restrictions, requirements for the shape and size of the electrodes, and the like.

Выбор формы электродов связан, в частности, с типом перестраиваемой оптической линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения. Так, например, для формирования сферической перестраиваемой оптической линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, могут быть выбраны концентрические кольцевые электроды либо параллельные управляющие электроды в форме полос (для фокусировки света как с x-, так и y-направлением поляризации). Выбор конфигурации перестраиваемой оптической линзы может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды).The choice of the shape of the electrodes is associated, in particular, with the type of tunable optical lens to be formed for a given embodiment of the invention. So, for example, to form a spherical tunable optical lens, the transmission of which does not depend on the polarization of the incident light, concentric annular electrodes or parallel control electrodes in the form of stripes can be selected (for focusing light with both x- and y-polarization directions). The choice of the configuration of the tunable optical lens may be due to the need to reduce the thickness of the optical system (then the ring electrodes are chosen) or the ease of manufacturing the electrodes (then the strip electrodes are chosen).

Как отмечено выше, электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы разделены по меньшей мере на две электродных структуры. Радиусы электродов

Figure 00000004
в каждой электродной структуре с номером
Figure 00000005
вычисляются в соответствии с определенным законом, задаваемым целым числом
Figure 00000006
, характеризующим минимально возможную разность максимальных фаз в структуре
Figure 00000005
:As noted above, the electrodes in the control electrode structure of the tunable optical lens are divided into at least two electrode structures. Radii of electrodes
Figure 00000004
in each electrode structure numbered
Figure 00000005
calculated in accordance with a certain law given by an integer
Figure 00000006
characterizing the minimum possible difference between the maximum phases in the structure
Figure 00000005
:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
- номер дифракционной зоны в электродной структуре p. Каждая дифракционная зона состоит из K электродов. Каждый электрод с номером k в зоне m соединен с шиной с номером k, где k=1:K. K составляет максимальное количество шин.
Figure 00000009
- длина волны падающего излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратного 2π радиан. D - минимальная оптическая сила перестраиваемой оптической линзы. Если ширина электрода, то есть разность между радиусами соседних электродов в электродной структуре p, становится меньше технологического ограничения, электродная структура p+1 начинается с дифракционной зоны: where
Figure 00000008
is the number of the diffraction zone in the electrode structure p . Each diffraction zone consists of K electrodes. Each electrode with number k in zone m is connected to a bus with number k, where k = 1: K. K is the maximum number of tires.
Figure 00000009
is the wavelength of the incident radiation, h is the height of the formed phase profile, a multiple of 2π radians. D is the minimum optical power of the tunable optical lens. If the width of the electrode, that is, the difference between the radii of adjacent electrodes in the electrode structure p, becomes less than the technological limit, the electrode structure p + 1 starts from the diffraction zone:

Figure 00000010
Figure 00000010

Электроды в каждой электродной структуре разделены на зоны, которые соответствуют дифракционным зонам (зонам Френеля). Каждая дифракционная зона в первой электродной структуре состоит из K электродов. Зона во второй электродной структуре состоит из K/2 электродов. Зона в электродной структуре под номером P состоит из K/2P-1 электродов.The electrodes in each electrode structure are divided into zones that correspond to diffraction zones (Fresnel zones). Each diffraction zone in the first electrode structure consists of K electrodes. The zone in the second electrode structure consists of K / 2 electrodes. The P zone in the electrode structure consists of K / 2 P-1 electrodes.

В рассматриваемом примерном варианте выполнения структура перестраиваемых электродов имеет K шин. Каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры. Электроды во второй электродной структуре соединены только шинами с четными номерами. Электроды в электродной структуре P соединены только шинами с четными номерами из электродной структуры P-1. Следует понимать, что объем изобретения не ограничен данным конкретным вариантом выполнения, и в других вариантах выполнения электроды во второй электродной структуре могут быть соединены, например, только шинами с нечетными номерами.In the exemplary embodiment under consideration, the tunable electrode structure has K busbars. Each line is connected to an electrode with a corresponding number in each diffraction zone of the first electrode structure. The electrodes in the second electrode structure are connected only by even-numbered lines. The electrodes in the electrode structure P are connected only by even-numbered lines from the electrode structure P-1. It should be understood that the scope of the invention is not limited to this particular embodiment, and in other embodiments, the electrodes in the second electrode structure may be connected, for example, only by odd-numbered lines.

Фиг. 4 иллюстрирует схему соединения шин с электродами для двух дифракционных зон на границе двух структур управляющих электродов с учетом количества уровней квантования. Следует отметить, что дифракционная эффективность линзы зависит от количества уровней квантования в фазовом профиле. Количество уровней квантования зависит от количества шин и общего количества электродов. Чем больше количество шин и электродов в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, тем выше дифракционная эффективность перестраиваемой оптической линзы. На Фиг. 4 в качестве неограничивающего примера представлены два фазовых профиля, соответствующие разным оптическим силам. Следует понимать, что данный пример предназначен исключительно для иллюстрации, но не для ограничения объема правовой охраны изобретения какими-либо конкретными подробностями.FIG. 4 illustrates the connection diagram of buses with electrodes for two diffraction zones at the boundary of two structures of control electrodes, taking into account the number of quantization levels. It should be noted that the diffraction efficiency of a lens depends on the number of quantization levels in the phase profile. The number of quantization levels depends on the number of lines and the total number of electrodes. The larger the number of buses and electrodes in the structure of the control electrodes of the tunable optical lens, the higher the diffraction efficiency of the tunable optical lens. FIG. 4 shows, by way of non-limiting example, two phase profiles corresponding to different optical powers. It should be understood that this example is intended solely to illustrate and not to limit the scope of the invention to any particular detail.

Одна из технических проблем, связанных с созданием перестраиваемых оптических линз с большим размером (например, диаметром) апертуры (более 20 мм) состоит в том, что на краю линзы электроды имеют слишком малый размер, более конкретно - слишком малую ширину. При формировании по меньшей мере двух фазовых профилей с различными уровнями квантования - большее количество уровней квантования для центральной зоны, меньшее количество уровней квантования для периферии, - можно увеличить размеры электродов на краю перестраиваемой оптической линзы. При этом дифракционная эффективность η в центральной зоне перестраиваемой оптической линзы (которая является наиболее важной характеристикой для создания реалистичного восприятия изображений виртуальных объектов) будет высокой. Дифракционная эффективность пропорциональна количеству уровней квантования N и вычисляется по следующей формуле:One of the technical problems associated with the creation of tunable optical lenses with a large aperture size (for example, diameter) (more than 20 mm) is that at the edge of the lens the electrodes are too small, more specifically too small in width. When forming at least two phase profiles with different quantization levels - more quantization levels for the central zone, fewer quantization levels for the periphery - it is possible to increase the size of the electrodes at the edge of the tunable optical lens. In this case, the diffraction efficiency η in the central zone of the tunable optical lens (which is the most important characteristic for creating a realistic perception of images of virtual objects) will be high. The diffraction efficiency is proportional to the number of quantization levels N and is calculated using the following formula:

Figure 00000011
.
Figure 00000011
...

Обращаясь вновь к Фиг. 4, следует отметить, что в представленном на Фиг. 4 варианте выполнения для управления обоими фазовыми профилями посредством одних и тех же шин необходимо, чтобы оба фазовых профиля имели одинаковую максимальную фазу и одинаковые уровни квантования.Referring again to FIG. 4, it should be noted that in the embodiment shown in FIG. 4, in order to control both phase profiles by means of the same buses, it is necessary that both phase profiles have the same maximum phase and the same quantization levels.

В других вариантах выполнения количество электродных структур может быть больше 2, т.е., например, p электродных структур. Примерный вариант выполнения проиллюстрирован на Фиг. 5, где показано 4 электродных структуры (p=4, b=2). При этом на Фиг. 5 видно, что в первой электродной структуре количество электродов составляет K, во второй - K/2, в третьей - K/4, в четвертой - K/8. Ширина электродов в данном варианте выполнения увеличивается от первой (расположенной ближе к центру апертуры перестраиваемой оптической линзы) электродной структуры к четвертой электродной структуре, при этом чем больше ширина электродов, тем меньше электродов в данной электродной структуре, что позволяет реализовать наибольшее количество уровней квантования и, соответственно, наивысшее качество изображения в центральной зоне перестраиваемой оптической линзы, соответствующей первой электродной структуре. Количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре в данном примерном варианте выполнения уменьшается в b=2 раз, т.е. в данном варианте выполнения в 2 раза. Такой вариант выполнения изобретения обеспечивает преимущество, состоящее в увеличении диаметра оптической линзы, и, соответственно, перестраиваемая оптическая линза согласно такому варианту выполнения может использоваться в тех областях применения, где необходим большой диаметр апертуры линзы, например в индикаторах на лобовом стекле транспортного средства.In other embodiments, the number of electrode structures may be greater than 2, i.e., for example, p electrode structures. An exemplary embodiment is illustrated in FIG. 5, which shows 4 electrode structures (p = 4, b = 2). In addition, in FIG. 5 that in the first electrode structure the number of electrodes is K, in the second - K / 2, in the third - K / 4, in the fourth - K / 8. The width of the electrodes in this embodiment increases from the first (located closer to the center of the aperture of the tunable optical lens) electrode structure to the fourth electrode structure, while the larger the width of the electrodes, the fewer the electrodes in the given electrode structure, which makes it possible to realize the greatest number of quantization levels and, accordingly, the highest image quality in the central zone of the tunable optical lens corresponding to the first electrode structure. The number of quantization levels in each subsequent electrode structure in this exemplary embodiment is reduced by a factor of b = 2, i.e. in this embodiment, 2 times. Such an embodiment of the invention provides the advantage of increasing the diameter of the optical lens, and accordingly, the tunable optical lens according to this embodiment can be used in applications where a large diameter of the lens aperture is required, for example in indicators on the windshield of a vehicle.

На Фиг. 6 показан другой примерный вариант выполнения изобретения, где p=3 и b=3, то есть структура управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы содержит три электродных структуры, и количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре уменьшается в три раза. Такой вариант выполнения обеспечивает преимущество, состоящее в уменьшении количества соединений в конструкции перестраиваемой оптической линзы, что позволяет упростить ее изготовление.FIG. 6 shows another exemplary embodiment of the invention, where p = 3 and b = 3, that is, the structure of the control electrodes of the tunable optical lens contains three electrode structures, and the number of quantization levels in each subsequent electrode structure is reduced by three times. This embodiment provides the advantage of reducing the number of connections in the tunable optical lens design, thereby simplifying its fabrication.

На Фиг. 7 проиллюстрирован примерный вариант выполнения, в котором различные электродные структуры, содержащиеся в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, формируют фазовые профили с разной максимальной фазой, т.е., как показано на Фиг. 7, для фазового профиля 1, формируемого одной или более электродными структурами, и фазового профиля 2, формируемого одной или более другими электродными структурами, максимальные фазы не равны (в проиллюстрированном примере максимальная фаза у фазового профиля 2 больше максимальной фазы у фазового профиля 1). Данный примерный вариант выполнения обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в обеспечении возможности компенсации хроматических аберраций в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению.FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment in which different electrode structures contained in the gate structure of a tunable optical lens according to the invention form phase profiles with different maximum phases, i.e., as shown in FIG. 7, for a phase profile 1 formed by one or more electrode structures and a phase profile 2 formed by one or more other electrode structures, the maximum phases are not equal (in the illustrated example, the maximum phase for phase profile 2 is greater than the maximum phase for phase profile 1). This exemplary embodiment provides the additional advantage of allowing chromatic aberration compensation in a tunable optical lens according to the invention.

На Фиг. 8 проиллюстрирован примерный вариант выполнения, аналогичный варианту выполнения по Фиг. 6, в котором высота уровней квантования не одинакова (a1≠b1, a2≠b2, ap≠bp). Такой вариант выполнения может обеспечивать преимущество, состоящее в возможности использования управляющих электродов одинакового размера (ширины) для каждой из электродных структур.FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment similar to the embodiment of FIG. 6, in which the heights of the quantization levels are not the same (a1 ≠ b1, a2 ≠ b2, ap ≠ bp). Such an embodiment can provide the advantage of being able to use gate electrodes of the same size (width) for each of the electrode structures.

На Фиг. 9 показан другой примерный вариант выполнения, аналогичный варианту выполнения по Фиг. 8, в котором по меньшей мере три электродные структуры формируют по меньшей мере три фазовых профиля с разными максимальными фазами, при этом между шинами и по меньшей мере некоторыми из управляющих электродов каждой из электродных структур в схему включены резисторы R1-R7. Это позволяет получить различные максимальные фазы для различных фазовых профилей, формируемых соответствующими электродными структурами. Кроме того, помимо резисторов возможно включение в схему других дополнительных элементов (конденсаторов, индукторов, диодов и т.п.), что позволяет дополнительно улучшить электрические характеристики схемы, такие как время отклика или оптимальная частота.FIG. 9 shows another exemplary embodiment similar to the embodiment of FIG. 8, in which at least three electrode structures form at least three phase profiles with different maximum phases, with resistors R1-R7 connected between the buses and at least some of the gate electrodes of each of the electrode structures. This makes it possible to obtain different maximum phases for different phase profiles formed by the corresponding electrode structures. In addition, in addition to resistors, it is possible to include other additional elements (capacitors, inductors, diodes, etc.) in the circuit, which makes it possible to further improve the electrical characteristics of the circuit, such as response time or optimal frequency.

Другой примерный вариант выполнения заявляемой перестраиваемой оптической линзы проиллюстрирован на Фиг. 10. Здесь показано, что на различных участках апертуры перестраиваемая оптическая линза может иметь различную толщину слоя электроактивного материала (t1≠t2, где t1, t2 - толщина слоя электроактивного материала для первого и второго из показанных участков перестраиваемой оптической линзы). Такая конфигурация перестраиваемой оптической линзы позволяет реализовать различную максимальную фазу для различных электродных структур в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.Another exemplary embodiment of the inventive tunable optical lens is illustrated in FIG. 10. It is shown here that the tunable optical lens can have different thickness of the electroactive material layer at different aperture regions (t1 ≠ t2, where t1, t2 are the thickness of the electroactive material layer for the first and second of the shown tunable optical lens regions). This configuration of the tunable optical lens makes it possible to realize different maximum phase for different electrode structures in the control electrode structure of the tunable optical lens according to the invention.

Предложенная структура перестраиваемой оптической линзы, охарактеризованная в вышеприведенных примерных вариантах выполнения изобретения, позволяет формировать различные фазовые профили (например, с максимальной фазой от 2π до 12π), соответствующие различным рабочим характеристикам (в качестве неограничивающего примера, в отношении дифракционной эффективности и хроматических аберраций) для различных участков апертуры перестраиваемой оптической линзы, то есть, другими словами, позволяет сформировать различные оптические зоны в пределах апертуры перестраиваемой оптической линзы. При этом, например, в зоне с максимальной фазой в 2π обеспечивается максимальная дифракционная эффективность по сравнению с зонами с более высокой максимальной фазой, а в зоне с максимальной фазой в 12π обеспечивается снижение хроматических аберраций по сравнению с зонами с меньшей максимальной фазой.The proposed tunable optical lens structure, characterized in the above exemplary embodiments of the invention, allows the formation of different phase profiles (for example, with a maximum phase from 2π to 12π) corresponding to different performance characteristics (as a non-limiting example, in terms of diffraction efficiency and chromatic aberrations) for different sections of the aperture of the tunable optical lens, that is, in other words, allows the formation of different optical zones within the aperture of the tunable optical lens. In this case, for example, in the zone with a maximum phase of 2π, the maximum diffraction efficiency is provided in comparison with the zones with a higher maximum phase, and in the zone with a maximum phase of 12π, a decrease in chromatic aberrations is provided in comparison with the zones with a lower maximum phase.

Далее изобретение будет рассмотрено на конкретном иллюстративном примере реализации перестраиваемой оптической линзы. Следует понимать, что данный пример приводится исключительно в целях иллюстрации и не ограничивает объем изобретения какими-либо подробностями или конкретными значениями. В примерном варианте реализации перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению имеет подложку и структуру управляющих электродов. Диаметр структуры управляющих электродов, в которой электроды выполнены из оксида индия-цинка (IZO), составляет 30 мм. Структура управляющих электродов состоит из 68 кольцевых зон. Каждая кольцевая зона включает в себя 48 кольцевых электродов. Минимальная ширина электродов составляет 2,8 мкм. Общее количество электродов в структуре управляющих электродов согласно данному примерному варианту реализации составляет 48*68=3264 электрода.Further, the invention will be discussed on a specific illustrative example of the implementation of a tunable optical lens. It should be understood that this example is for illustrative purposes only and does not limit the scope of the invention to any details or specific meanings. In an exemplary embodiment, a tunable optical lens according to the invention has a substrate and a gate electrode structure. The diameter of the gate structure, in which the electrodes are made of indium zinc oxide (IZO), is 30 mm. The structure of the control electrodes consists of 68 annular zones. Each annular zone includes 48 annular electrodes. The minimum electrode width is 2.8 μm. The total number of electrodes in the gate electrode structure according to this exemplary embodiment is 48 * 68 = 3264 electrodes.

При практической реализации перестраиваемой оптической линзы согласно данному примерному варианту осуществления были получены следующие значения оптической силы и дифракционной эффективности, представленные в Таблице 1:In the practical implementation of the tunable optical lens according to this exemplary embodiment, the following optical power and diffraction efficiency values were obtained as shown in Table 1:

Таблица 1Table 1

Оптическая сила, дптрOptical power, diopters Эффективность в центральной зоне, %Efficiency in the central zone,% Эффективность в периферийной зоне, %Efficiency in the peripheral zone,% Общая эффективность линзы, %Overall lens efficiency,% 0,50.5 99,999.9 99,499.4 99,699.6 11 99,499.4 97,797.7 97,997.9 1,51.5 98,798.7 95,095.0 96,796.7 22 97,797.7 91,291.2 94,194.1 33 95,095.0 81,181.1 87,387.3

Диаметр центральной зоны линзы составляет около 16 мм. Было показано, что для центральной зоны наименьшее значение дифракционной эффективности составляет 95%. Радиус периферийной зоны составляет от 8 до 15 мм. Наименьшее полученное значение дифракционной эффективности для всей линзы составило 87% при диаметре апертуры перестраиваемой оптической линзы в 30 мм. Для сравнения, в случае использования линз с одной электродной структурой как, например, в источниках US 8885139, US 8988649, наименьшая дифракционная эффективность составила 81% при диаметре апертуры линзы в 20 мм (достижение диаметра апертуры линзы в 30 мм не было возможно в прототипе из уровня техники ввиду технологического ограничения на размер управляющих электродов в электродной структуре). Таким образом, в рассматриваемом примерном варианте реализации была получена высокая дифракционная эффективность перестраиваемой оптической линзы при большом диаметре ее апертуры.The diameter of the central zone of the lens is about 16 mm. It was shown that for the central zone the lowest diffraction efficiency is 95%. The radius of the peripheral zone is 8 to 15 mm. The lowest obtained value of the diffraction efficiency for the entire lens was 87% with the aperture diameter of the tunable optical lens of 30 mm. For comparison, in the case of using lenses with one electrode structure, as, for example, in the sources US 8885139, US 8988649, the lowest diffraction efficiency was 81% with a lens aperture diameter of 20 mm (reaching a lens aperture diameter of 30 mm was not possible in the prototype from the prior art due to the technological limitation on the size of the control electrodes in the electrode structure). Thus, in the considered exemplary embodiment, a high diffraction efficiency of a tunable optical lens was obtained with a large diameter of its aperture.

Далее изобретение будет рассмотрено на примерных вариантах применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. В различных вариантах выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза может использоваться в составе устройства отображения (устройства формирования изображений), используемого, в качестве неограничивающего примера, в системах дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), далее вместе называемых системами AR/VR. В таком устройстве отображения может использоваться одна или более перестраиваемых оптических линз согласно изобретению, образующих перестраиваемые оптические ячейки (далее обозначаемые как LC1, LC2 и т.п.) в составе устройства отображения (устройства формирования изображений) в системе AR/VR. Перестраиваемые оптические ячейки могут представлять собой перестраиваемые жидкокристаллические ячейки, однако следует понимать, что изобретение не ограничено использованием жидких кристаллов в качестве электроактивного материала, и возможно использование иных электроактивных материалов, неограничивающие примеры которых приведены в настоящем описании.In the following, the invention will be discussed in terms of exemplary applications of the tunable optical lens according to the invention. In various embodiments of the invention, a tunable optical lens can be used as part of a display device (imaging device) used, by way of non-limiting example, in augmented reality (AR) or virtual reality (VR) systems, hereinafter collectively referred to as AR / VR systems. Such a display device may use one or more tunable optical lenses according to the invention to form tunable optical cells (hereinafter referred to as LC1, LC2, etc.) as part of a display device (imaging device) in an AR / VR system. Tunable optical cells can be tunable liquid crystal cells, however, it should be understood that the invention is not limited to the use of liquid crystals as an electroactive material, and other electroactive materials can be used, non-limiting examples of which are given in this description.

При применении перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR) такое устройство отображения может содержать оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу. Оптический волновод может соединять источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первую перестраиваемую оптическую линзу и вторую перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению. При этом оптический волновод находится между первой перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC1) и второй перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC2). Первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) может находиться перед источником изображений виртуальных объектов. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) может находиться перед глазом пользователя.When using a tunable optical lens according to the invention in a display device of an augmented reality (AR) or virtual reality (VR) system, such a display device may comprise an optical waveguide connecting a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, and at least one tunable optical lens. ... The optical waveguide can connect a source of images of virtual objects, a display for displaying images of virtual objects, a first tunable optical lens and a second tunable optical lens according to the invention. In this case, the optical waveguide is located between the first tunable optical lens (hereinafter referred to as LC1) and the second tunable optical lens (hereinafter referred to as LC2). The first tunable optical lens (LC1) can be in front of the source of images of virtual objects. The second tunable optical lens (LC2) may be in front of the user's eye.

На Фиг. 11 проиллюстрирован вариант выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению реализована в составе устройства формирования изображения в системе дополненной реальности (AR). В таком варианте реализации перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться как пользователем с нормальным зрением, так и пользователем с нарушениями рефракции глаза. Для пользователя с нормальным зрением первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется лишь для трансляции изображения виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов с оптической силой D0=0. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации оптической силы, индуцируемой LC1, для беспрепятственного наблюдения внешнего мира.FIG. 11 illustrates an embodiment in which a tunable optical lens according to the invention is implemented in an augmented reality (AR) imaging apparatus. In such an embodiment, the tunable optical lens according to the invention can be used by both a user with normal vision and a user with a refractive error in the eye. For a user with normal vision, the first tunable optical lens (LC1) is used only for broadcasting an image of virtual objects from a source of images of virtual objects with an optical power D 0 = 0. A second tunable optical lens (LC2) is used to compensate for the optical power induced by LC1 for unobstructed viewing of the outside world.

Для пользователя с нарушениями рефракции глаз (такими как, например, пресбиопия/миопия/гиперопия), возможен вариант, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется для трансляции изображения виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, требуемые для компенсации пресбиопии/миопии/гиперопии. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации нарушений рефракции глаз пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира.For a user with refractive errors (such as presbyopia / myopia / hyperopia), it is possible that the first reconfigurable optical lens (LC1) is used to broadcast images of virtual objects, corrected for the optical power values required to compensate for presbyopia / myopia. / hyperopia. A second tunable optical lens (LC2) is used to compensate for refractive errors in the user's eyes (such as presbyopia / myopia / hyperopia) for an unobstructed and clear view of the outside world.

В последнем случае также возможен вариант выполнения, проиллюстрированный на Фиг. 12, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) расположена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом, а вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) расположена за волноводом со стороны, обращенной к внешнему миру. Такая конфигурация устройства отображения для системы AR, в котором может быть реализована перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению, также позволяет компенсировать нарушения рефракции глаз пользователя (такие как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира и изображений виртуальных объектов. При этом варианты выполнения по Фиг. 11 и 12 исключают необходимость использования заявляемого изобретения как такового или как части устройства отображения в системе AR/VR вместе с очками или линзами, предназначенными именно для коррекции зрения пользователя.In the latter case, the embodiment illustrated in FIG. 12, in which the first tunable optical lens (LC1) is located between the source of images of virtual objects and the waveguide, and the second tunable optical lens (LC2) is located behind the waveguide on the side facing the outside world. This configuration of the display device for the AR system, in which the reconfigurable optical lens according to the invention can be implemented, also makes it possible to compensate for the refractive errors of the user's eyes (such as presbyopia / myopia / hyperopia) for an unhindered and clear observation of the external world and images of virtual objects. In this case, the embodiments of FIG. 11 and 12 eliminate the need to use the claimed invention as such or as part of a display device in an AR / VR system in conjunction with glasses or lenses designed specifically to correct the user's vision.

На Фиг. 13 показан вариант выполнения, в котором поясняется, каким образом перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может компенсировать нарушения рефракции глаза пользователя. На Фиг. 13 представлена зависимая от поляризации перестраиваемая оптическая линза (LC2), расположенная перед глазом пользователя с миопией. Кроме того, на Фиг. 13 показаны фокальные плоскости, обеспечиваемые перестраиваемой оптической линзой при различных значениях оптической силы (от D1=-0,25 дптр до D10=-4 дптр), при этом, по сравнению с точкой фокусировки глаза пользователя с миопией (показана на Фиг. 13 как «дальняя точка»), точка фокусировки перемещается на фокальную плоскость, соответствующую D10=-4 дптр. Таким образом, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению позволяет компенсировать нарушение рефракции глаза пользователя при оптической силе до 4 дптр.FIG. 13 shows an embodiment that explains how a tunable optical lens according to the invention can compensate for refractive errors in the user's eye. FIG. 13 shows a polarization dependent tunable optical lens (LC2) positioned in front of the eye of a myopic user. In addition, in FIG. 13 shows the focal planes provided by a tunable optical lens at different values of the optical power (from D 1 = -0.25 diopters to D 10 = -4 diopters), while, in comparison with the focal point of the user's eye with myopia (shown in Fig. 13 as “far point”), the focus point moves to the focal plane corresponding to D 10 = -4 diopters. Thus, the tunable optical lens according to the invention makes it possible to compensate for the violation of refraction of the user's eye at an optical power of up to 4 diopters.

На Фиг. 14 показана возможная конфигурация устройства отображения в системе AR/VR с указанием возможных положений размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. Позиции LC1, LC2 и LC3 указывают положения, в которых в устройстве отображения может быть размещена по меньшей мере одна перестраиваемая оптическая линза. По существу, использование по меньшей мере одной перестраиваемой линзы обеспечивает двухрежимное устройство отображения для системы AR/VR, в котором первый режим представляет собой режим работы для пользователя с нормальным зрением, где LC2 используется для компенсации оптической силы, индуцированной LC3, для четкого и беспрепятственного наблюдения внешнего мира через устройство отображения, а LC3 используется для трансляции изображений виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов. FIG. 14 shows a possible configuration of a display device in an AR / VR system, indicating the possible placement positions of a tunable optical lens according to the invention. LC1, LC2, and LC3 indicate the positions at which the display device can accommodate at least one tunable optical lens. As such, the use of at least one tunable lens provides a dual-mode display for an AR / VR system, in which the first mode is a mode of operation for a user with normal vision, where LC2 is used to compensate for the dioptric power induced by LC3 for clear and unobstructed observation. the external world through a display device, and LC3 is used to broadcast images of virtual objects from a source of images of virtual objects.

Второй режим представляет собой режим работы устройства отображения в системе AR/VR с компенсацией нарушений рефракции глаза пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия). Здесь LC1 используется для трансляции изображений виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, необходимые для компенсации пресбиопии и/или миопии/гиперопии. LC2 используется для компенсации нарушений рефракции глаза пользователя (вызванных пресбиопией и/или миопией/гиперопией) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира через устройство отображения системы AR/VR.The second mode is an AR / VR display mode that compensates for refractive errors in the user's eye (such as presbyopia / myopia / hyperopia). Here LC1 is used to broadcast images of virtual objects, corrected for the refractive index values necessary to compensate for presbyopia and / or myopia / hyperopia. The LC2 is used to compensate for refractive errors in the user's eye (caused by presbyopia and / or myopia / hyperopia) for an unobstructed and clear view of the outside world through the display device of the AR / VR system.

В качестве неограничивающего примера, многозонная перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) для управления глубиной резкости отображаемых изображений объектов реального мира и/или изображений виртуальных объектов, и/или для коррекции нарушений рефракции глаз пользователя.As a non-limiting example, the multi-zone tunable optical lens of the invention can be used in an augmented reality (AR) display device to control the depth of field of displayed images of real world objects and / or images of virtual objects, and / or to correct refractive errors in the user's eyes.

Кроме того, в некоторых вариантах выполнения может быть реализован массив из более чем одной перестраиваемой оптической линзы, например несколько линз могут быть размещены друг за другом. Это может быть полезно в плане увеличения возможного диаметра оптической системы и максимальной оптической силы системы перестраиваемых оптических линз в тех применениях, в которых это необходимо.In addition, in some embodiments, an array of more than one tunable optical lens can be implemented, for example, multiple lenses can be placed one behind the other. This can be useful in terms of increasing the possible diameter of the optical system and the maximum power of the tunable optical lens system in those applications where it is necessary.

Использование зависимых или независимых от поляризации оптического излучения перестраиваемых оптических линз может обеспечить дополнительные преимущества, состоящие, в частности, в возможности разделения по поляризации изображений виртуальных объектов и изображения реального мира для обеспечения независимого управления параметрами этих изображений.The use of tunable optical lenses that are dependent or independent of the polarization of optical radiation can provide additional advantages, in particular, the possibility of separating by polarization images of virtual objects and images of the real world to provide independent control of the parameters of these images.

Следует также отметить, что изобретение не ограничено использованием в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы жидких кристаллов (например, нематических, смектических, холестерических жидких кристаллов). Согласно различным вариантам выполнения изобретения, в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы также могут быть использованы полимерный гель, электроактивные полимеры, жидкокристаллические полимеры, жидкие кристаллы с диспергированным полимером, стабилизированные полимерами жидкие кристаллы, самособирающиеся нелинейные супрамолекулярные структуры. Это позволяет с достижением преимущества адаптировать перестраиваемую линзу под конкретные применения по таким характеристикам, как время отклика, величина прикладываемого управляющего напряжения, способ управления ориентацией кристаллов.It should also be noted that the invention is not limited to the use of liquid crystals (eg, nematic, smectic, cholesteric liquid crystals) as an electroactive material of a tunable optical lens. According to various embodiments of the invention, polymer gel, electroactive polymers, liquid crystal polymers, dispersed polymer liquid crystals, polymer stabilized liquid crystals, self-assembled nonlinear supramolecular structures can also be used as the electroactive material of the tunable optical lens. This allows, with the achievement of the advantage, to adapt the tunable lens for specific applications in terms of such characteristics as response time, the magnitude of the applied control voltage, the method of controlling the orientation of the crystals.

Многозонная перестраиваемая оптическая линза согласно настоящему изобретению может быть использована в устройствах отображения или формирования изображений для систем дополненной реальности (AR) и/или виртуальной реальности (VR). Кроме того, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может быть использована в нашлемных устройствах отображения, индикаторах на лобовом стекле транспортных средств (HUD-дисплей), интеллектуальных очках, устройствах отображения планшетных компьютеров, смартфонов, других портативных и/или носимых вычислительных устройств. Также изобретение может быть использовано в очках для коррекции зрения с возможностью перестройки фокусного расстояния. Следует понимать, что выше перечислены лишь некоторые наиболее иллюстративные примеры области применения настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие применения настоящего изобретения, также находящиеся в рамках объема правовой охраны настоящего изобретения.The multi-zone tunable optical lens of the present invention can be used in display or imaging devices for augmented reality (AR) and / or virtual reality (VR) systems. In addition, the tunable optical lens of the invention can be used in helmet-mounted displays, vehicle head-up display (HUD) displays, smart glasses, display devices for tablet computers, smartphones, and other portable and / or wearable computing devices. Also, the invention can be used in glasses for correcting vision with the possibility of adjusting the focal length. It should be understood that the above are only some of the most illustrative examples of the scope of the present invention, and those skilled in the art will appreciate other applications of the present invention that are also within the scope of the present invention.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.Specialists in the art will understand that the above described and shown in the drawings are only some of the possible examples of techniques and material and technical means, which may be implemented in the embodiments of the present invention. The above detailed description of embodiments of the invention is not intended to limit or define the scope of the present invention.

Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.Other embodiments that may fall within the scope of the present invention may be contemplated by those skilled in the art upon carefully reading the above description with reference to the accompanying drawings, and all such obvious modifications, changes and / or equivalent substitutions are considered to be within the scope of the present invention. All prior art sources cited and discussed herein are hereby incorporated into this description by reference as applicable.

При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.While the present invention has been described and illustrated with reference to various embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made in its form and specific details without departing from the scope of the present invention, which is defined only the following claims and their equivalents.

Claims (19)

1. Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов,1. An optical lens with a tunable focal length, containing a layer of electroactive material and a structure of control electrodes, причем структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, выполненные с возможностью формирования различных дифракционных зон,moreover, the structure of the control electrodes contains at least two electrode structures made with the possibility of forming different diffraction zones, причем приложение напряжения к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать по меньшей мере два различных фазовых профиля оптического излучения,wherein the application of a voltage to the gate electrodes causes the corresponding electrode structures of the at least two electrode structures to form at least two different phase profiles of the optical radiation, причем каждая из по меньшей мере двух электродных структур состоит из по меньшей мере одной группы электродов, при этом соответствующие электроды в группах электродов каждой из по меньшей мере двух электродных структур соединены шинами,wherein each of the at least two electrode structures consists of at least one group of electrodes, wherein the corresponding electrodes in the groups of electrodes of each of the at least two electrode structures are connected by buses, количество электродов в группах электродов первой из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K;the number of electrodes in the electrode groups of the first of the at least two electrode structures is the same and equal to K; количество электродов в группах электродов следующей электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K/bp-1, где b - целое число, p - номер фазового профиля, формируемого соответствующей электродной структурой.the number of electrodes in the groups of electrodes of the next electrode structure of at least two electrode structures is the same and equal to K / b p-1 , where b is an integer, p is the number of the phase profile formed by the corresponding electrode structure. 2. Линза по п. 1, в которой, по сравнению с количеством шин, соединяющих электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин соединяет электроды в каждой группе электродов в электродной структуре с номером p.2. The lens of claim. 1, in which, compared with the number of lines connecting the electrodes of the first electrode structure, b p-1 fewer lines connect the electrodes in each group of electrodes in the electrode structure with the number p. 3. Линза по п. 1, в которой каждый из фазовых профилей характеризуется множеством уровней квантования, причем количество уровней квантования в фазовом профиле под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой.3. The lens of claim. 1, in which each of the phase profiles is characterized by a plurality of quantization levels, and the number of quantization levels in the phase profile numbered b p-1 times less than the number of quantization levels in the phase profile formed by the first electrode structure. 4. Линза по п. 1, в которой структура управляющих электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с четными номерами.4. The lens of claim 1, wherein the gate structure comprises K busbars, each bus being connected to a correspondingly numbered electrode in each diffraction zone of the first electrode structure, wherein the electrodes in the second electrode structure are connected only to even-numbered busbars. 5. Линза по п. 1, в которой структура управляющих электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с нечетными номерами.5. The lens of claim 1, wherein the gate structure comprises K busbars, each bus being connected to a correspondingly numbered electrode in each diffraction zone of the first electrode structure, wherein the electrodes in the second electrode structure are connected only to odd-numbered busbars. 6. Линза по п. 1, в которой максимальная фаза в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой, отлична от максимальной фазы в фазовом профиле, формируемом второй электродной структурой.6. The lens of claim. 1, wherein the maximum phase in the phase profile formed by the first electrode structure is different from the maximum phase in the phase profile formed by the second electrode structure. 7. Линза по п. 1, имеющая апертуру круглой формы, причем структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды.7. The lens of claim. 1, having a circular aperture, and the structure of the control electrodes contains concentric annular electrodes. 8. Линза по п. 1, имеющая апертуру многоугольной формы, причем структура управляющих электродов содержит электроды в виде вертикальных и/или горизонтальных полос.8. The lens of claim. 1, having a polygonal aperture, and the structure of the control electrodes contains electrodes in the form of vertical and / or horizontal stripes. 9. Линза по п. 1, дополнительно содержащая общий электрод и по меньшей мере одну подложку.9. The lens of claim 1, further comprising a common electrode and at least one substrate. 10. Устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащее по меньшей мере одну оптическую линзу с перестраиваемым фокусным расстоянием по любому из пп. 1-9.10. A display device for an augmented reality system (AR) or a virtual reality system (VR), containing at least one optical lens with a tunable focal length according to any one of claims. 1-9. 11. Устройство по п. 10, дополнительно содержащее источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной оптической линзой с перестраиваемым фокусным расстоянием и с источником изображений виртуальных объектов.11. The device according to claim 10, further comprising a source of images of virtual objects and a waveguide connected to at least one optical lens with a tunable focal length and a source of images of virtual objects. 12. Устройство по п. 11, содержащее по меньшей мере две оптических линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, причем одна из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.12. The device according to claim. 11, containing at least two optical lenses with a tunable focal length, and one of at least two optical lenses with a tunable focal length is placed in front of the user's eye, and the other of at least two optical lenses with a tunable focal length distance is placed between the source of images of virtual objects and the waveguide. 13. Система дополненной реальности (AR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 10-12.13. The system of augmented reality (AR), containing at least one display device according to any one of paragraphs. 10-12. 14. Система виртуальной реальности (VR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 10-12.14. System of virtual reality (VR), containing at least one display device according to any one of claims. 10-12.
RU2020127687A 2020-08-19 2020-08-19 Multi-zone adjustable lens RU2757072C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127687A RU2757072C1 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Multi-zone adjustable lens
KR1020210050706A KR20220022838A (en) 2020-08-19 2021-04-19 Tunable optical lens and electronic apparatus employing the same
US17/396,335 US20220057691A1 (en) 2020-08-19 2021-08-06 Tunable optical lens and electronic apparatus employing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127687A RU2757072C1 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Multi-zone adjustable lens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757072C1 true RU2757072C1 (en) 2021-10-11

Family

ID=78286274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127687A RU2757072C1 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Multi-zone adjustable lens

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20220022838A (en)
RU (1) RU2757072C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8885139B2 (en) * 2005-01-21 2014-11-11 Johnson & Johnson Vision Care Adaptive electro-active lens with variable focal length
US20170068134A1 (en) * 2012-09-30 2017-03-09 Optica Amuka (A.A.) Ltd. Electrically-tunable lenses and lens systems
US20180246354A1 (en) * 2015-02-23 2018-08-30 Digilens, Inc. Electrically focus-tunable lens
US20200057309A1 (en) * 2016-04-08 2020-02-20 Magic Leap, Inc. Augmented reality systems and methods with variable focus lens elements

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4213910A1 (en) 1991-05-03 1992-11-05 Minnesota Mining & Mfg HOLOGRAPHY MIRROR WITH SUPERZONES
WO2009072670A1 (en) 2007-12-06 2009-06-11 Citizen Holdings Co., Ltd. Liquid crystal fresnel lens
KR101772153B1 (en) 2010-03-17 2017-08-29 삼성디스플레이 주식회사 Display device using diffractive lens
US11360330B2 (en) 2016-06-16 2022-06-14 Optica Amuka (A.A.) Ltd. Tunable lenses for spectacles

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8885139B2 (en) * 2005-01-21 2014-11-11 Johnson & Johnson Vision Care Adaptive electro-active lens with variable focal length
US20170068134A1 (en) * 2012-09-30 2017-03-09 Optica Amuka (A.A.) Ltd. Electrically-tunable lenses and lens systems
US20180246354A1 (en) * 2015-02-23 2018-08-30 Digilens, Inc. Electrically focus-tunable lens
US20200057309A1 (en) * 2016-04-08 2020-02-20 Magic Leap, Inc. Augmented reality systems and methods with variable focus lens elements

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220022838A (en) 2022-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1851585B1 (en) Adaptive electro-active lens with variable focal length
EP3400480B1 (en) Prism-enhanced lenses and methods of using prism-enhanced lenses
US20100225834A1 (en) Adaptive lens for vision correction
CN109669277B (en) Active matrix focusing lens and focusing glasses with same
US11221488B1 (en) Tunable and foveated lens systems
US11086143B1 (en) Tunable and foveated lens systems
JPH0261014B2 (en)
CN109669278B (en) Lens and spectacles
EP3489747B1 (en) Liquid crystal lens, manufacturing method therefor, and display device
US20220057691A1 (en) Tunable optical lens and electronic apparatus employing the same
RU2757072C1 (en) Multi-zone adjustable lens
RU2719341C1 (en) Liquid crystal lens with tunable focus
US20220171215A1 (en) Display device and system comprising same
US11360346B2 (en) Optical lens having a tunable focal length and display device including the same
US20220252931A1 (en) Gradient-index liquid crystal device with masked electrode boundary
US11953764B2 (en) Tunable lenses with enhanced performance features
US20210199992A1 (en) Polarization-insensitive phase modulator
Piskunov et al. Tunable lens for AR headset
RU2757074C1 (en) Adjustable lens with superimposed electrode structures
CN112596269A (en) Adjustable liquid lens, optical vision correction glasses and control method thereof
CN214098007U (en) Adjustable liquid lens, optical vision correction glasses and electronic equipment
US20230130327A1 (en) Optical element and optical device having the same
EP3827308B1 (en) Tunable lenses with enhanced performance features
US11921399B2 (en) Optical device comprising achromatic phase doublet, and method for driving optical device with reduced chromatic aberration
RU2725680C1 (en) Method of producing a tunable achromatic lens