RU2757074C1

RU2757074C1 - Adjustable lens with superimposed electrode structures

Info

Publication number: RU2757074C1
Application number: RU2020128504A
Authority: RU
Inventors: Светлана Владимировна Данилова; Дмитрий Евгеньевич Пискунов; Николай Викторович Муравьев; Михаил Вячеславович Попов
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-10-11
Also published as: KR20220027740A

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of optical systems with variable focal distance and can be used in augmented or virtual reality (AR/VR) systems. An optical lens with an adjustable focal distance comprises a layer of an electroactive material and a structure of control electrodes, wherein the electrodes are connected with buses for applying a control voltage to the electrodes to form phase optical emission profiles. The structure of control electrodes implements no less than two electrode structures, wherein each of said no less than two electrode structures is connected with a set of buses different from the set of buses with which the other of said no less than two electrode structures is connected. No less than one electrode in no less than one of said no less than two electrode structures is connected with no less than two different buses.

EFFECT: providing a wide range of optical powers with a small thickness of the optical system.

15 cl, 14 dwg

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 резкости 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 the depth of field in the image of virtual reality; high visual acuity (especially for users with refractive errors); and relatively high performance in a minimal display device.

Для этого существует потребность в создании оптических линз с переменным фокусным расстоянием и изменяемой оптической силой, у которых оптическая сила изменялась бы в широком диапазоне (от 0 до 3 дптр), а также которые обладали бы возможностью дискретного изменения оптической силы в некоторые конкретные (дополнительные) значения (такие как, например, 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр и т.п.). При этом важным требованием к системе линз является ее малая толщина, что позволило бы применять линзы в таких устройствах, как интеллектуальные очки или очки для коррекции зрения с перестраиваемым фокусным расстоянием/оптической силой, наголовные устройства дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR).For this, there is a need to create optical lenses with a variable focal length and variable optical power, in which the optical power would change in a wide range (from 0 to 3 diopters), and also which would have the ability to discretely change the optical power in some specific (additional) values (such as, for example, 2.25 diopters, 2.5 diopters, 2.75 diopters, etc.). At the same time, an important requirement for the lens system is its small thickness, which would allow the use of lenses in devices such as smart glasses or glasses for correcting vision with reconfigurable focal length / optical power, head-mounted augmented reality or virtual reality (AR / VR) devices.

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, высокая резкость изображения даже для пользователей с нарушениями рефракции глаз, а также компактность и малый вес 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 sharpness even for users with refractive errors, and compactness and low weight of the device.

Существует потребность в простом способе изготовления перестраиваемой оптической линзы с широким диапазоном оптической силы с использованием компонентов, имеющих малый вес.There is a need for a simple method of making a tunable optical lens with a wide power range using lightweight components.

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, такие как 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 existing AR / VR headsets have a fixed focal length and are therefore unable to correct refractive errors in the user's eyes, such as those 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.

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, а также невозможность обеспечения величин оптической силы, которые не являются кратными (например, 0,33 дптр и 0,5 дптр - ни одно из этих чисел не делится на второе).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 lens production due to the very small width of the external electrodes, as well as the impossibility of providing optical power values that are not multiples (for example, 0.33 diopters and 0.5 diopters - none of these numbers is divisible by second).

В источнике US 10056057 (Google, Inc., 21 августа 2018 г.) раскрыта оптическая система, содержащая жидкие линзы с эластичной мембраной, линзу с фиксированной оптической силой, и панель отображения. В известной системе обеспечивается набор фокальных плоскостей за счет использования двух жидких линз с эластичной мембраной, установленных последовательно (в виде стека). Однако в данном решении достигается лишь ограниченное количество фокальных плоскостей, соответствующих значениям оптической силы в +3 дптр, +1 дптр, -1 дптр, -3 дптр. Это является недостатком, поскольку при расположении линзы вблизи глаза пользователя последний способен различать большое количество фокальных плоскостей, относящихся к виртуальному изображению, в то время как известная система реализует лишь небольшое их количество. Кроме того, шаг изменения оптической силы в данном известном решении не является равномерным, вследствие чего отсутствует возможность обеспечения некоторых значений оптической силы, которые могут быть необходимы.US 10056057 (Google, Inc., August 21, 2018) discloses an optical system comprising liquid lenses with an elastic membrane, a lens with a fixed power, and a display panel. The known system provides a set of focal planes by using two liquid lenses with an elastic membrane, installed in series (in the form of a stack). However, this solution achieves only a limited number of focal planes corresponding to the values of the optical power of +3 diopters, +1 diopters, -1 diopters, -3 diopters. This is a disadvantage, since when the lens is located near the user's eye, the latter is able to distinguish a large number of focal planes related to the virtual image, while the known system implements only a small number of them. In addition, the step of changing the optical power in this known solution is not uniform, as a result of which it is not possible to provide some values of the optical power that may be required.

В источнике US20190041558 (Magic Leap, Inc., 7 февраля 2019 г.) раскрыта оптическая система на основе линзы Альвареса, в которой перестройка фокуса осуществляется за счет бокового смещения одного дифракционного оптического элемента (DOE) между частями линзы Альвареса. К недостаткам данной известной системы можно отнести большой общий размер системы вследствие необходимости обеспечения механического перемещения ее компонентов, а также ограниченное количество обеспечиваемых фокальных плоскостей (соответствующих величинам оптической силы в 1/3 дптр, 1/2 дптр, 1 дптр, 2 дптр, 4 дптр, а также бесконечности).US20190041558 (Magic Leap, Inc., February 7, 2019) discloses an optical system based on an Alvarez lens, in which the focus is rearranged by lateral displacement of one diffractive optical element (DOE) between parts of the Alvarez lens. The disadvantages of this known system include the large overall size of the system due to the need to ensure the mechanical movement of its components, as well as the limited number of focal planes provided (corresponding to the values of the optical power in 1/3 diopters, 1/2 diopters, 1 diopters, 2 diopters, 4 diopters as well as infinity).

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 зрачка глаза, при этом применяется электродная структура, состоящая из электродов одинакового размера (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 зрачка глаза, что приводит к высокой сложности системы.The source WO2017216716 (Optica Amuka (AA) LTD, December 21, 2017) discloses a system in which the active zone is moved along the entire lens aperture using tracking the position of the pupil of the eye, using an electrode structure consisting of electrodes of the same size (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 pupil of the eye, which leads to a high complexity of the system.

Данное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.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 оптической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, которая обеспечивала бы широкий диапазон оптических сил при большом размере апертуры перестраиваемой оптической линзы, устраняла бы конфликт вергенции и аккомодации и позволяла бы корректировать рефракционные ошибки глаз пользователя, при этом обеспечивая малую толщину оптической системы. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении широкого диапазона оптических сил при малой толщине оптической системы.Taking into account the above disadvantages of the prior art, the object of the present invention is to provide an optical lens with a tunable focal length, which would provide a wide range of optical powers at a large aperture size of the tunable optical lens, would eliminate the conflict of vergence and accommodation, and would make it possible to correct the refractive errors of the user's eyes, when thus providing a small thickness of the optical system. The technical result achieved when using the present invention is to provide a wide range of optical powers with a small thickness of the optical system.

Для решения вышеуказанной задачи, согласно первому аспекту изобретения предложена оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием (далее - перестраиваемая оптическая линза), содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения с целью формирования фазовых профилей оптического излучения, причем структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур, причем по меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами. Соединение электродов с шинами реализовано посредством переходных отверстий (также называемых в англоязычной литературе via holes). Для формирования различных фазовых профилей оптического излучения различные шины выполнены с возможностью подачи на электроды напряжения различной величины. По меньшей мере два смежных электрода по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединены с одной и той же шиной. По меньшей мере в одном варианте выполнения электроды в структуре управляющих электродов могут быть выполнены в виде концентрических кольцевых электродов, либо в виде параллельных полос, либо в виде набора (массива) многоугольников. Каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур может иметь одинаковый максимальный радиус, ограниченный размерами апертуры перестраиваемой оптической линзы. Каждая электродная структура из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур содержит по меньшей мере одну группу электродов, соответствующую по меньшей мере одной зоне Френеля, обеспечивающей по меньшей мере одну величину достижимой оптической силы для перестраиваемой оптической линзы. Каждый электрод в структуре управляющих электродов имеет по меньшей мере два соединения по меньшей мере с двумя шинами для подачи по меньшей мере двух величин напряжения для формирования по меньшей мере двух профилей напряжения и, таким образом, по меньшей мере двух наборов зон Френеля для обеспечения по меньшей мере двух величин оптической силы.To solve the above problem, according to the first aspect of the invention, there is provided an optical lens with a tunable focal length (hereinafter referred to as a tunable optical lens) containing a layer of electroactive material and a structure of control electrodes, in which the electrodes are connected to buses for applying a control voltage to the electrodes in order to form phase profiles optical radiation, and the structure of the control electrodes implements at least two electrode structures, and each of the mentioned at least two electrode structures is connected to a set of buses, different from the set of buses, to which the other of the mentioned at least two electrode structures is connected, and at least one electrode in at least one of said at least two electrode structures is connected to at least two different lines. The connection of the electrodes to the busbars is realized by means of vias (also called via holes in the English literature). For the formation of different phase profiles of optical radiation, different buses are made with the possibility of supplying the electrodes with voltages of different magnitudes. At least two adjacent electrodes in at least one of said at least two electrode structures are connected to the same bus. In at least one embodiment, the electrodes in the control electrode structure can be made in the form of concentric annular electrodes, either in the form of parallel stripes, or in the form of a set (array) of polygons. Each electrode structure of the mentioned at least two electrode structures can have the same maximum radius, limited by the size of the aperture of the tunable optical lens. Each electrode structure of the mentioned at least two electrode structures contains at least one group of electrodes corresponding to at least one Fresnel zone, providing at least one value of the achievable optical power for the tunable optical lens. Each electrode in the gate structure has at least two connections to at least two buses for supplying at least two voltages to generate at least two voltage profiles and thus at least two sets of Fresnel zones to provide at least measure of two values of optical power.

В другом аспекте настоящего изобретения предложено устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащее по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу по 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. Устройство может содержать по меньшей мере две перестраиваемые оптические линзы по первому аспекту настоящего изобретения, 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 of the present invention, there is provided a display device for an augmented reality (AR) system or a virtual reality (VR) system comprising at least one tunable optical lens according to the 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. The device may comprise at least two tunable optical lenses according to the first aspect of the present invention, wherein one of at least two tunable optical lenses is 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 настоящего изобретения предложена система дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по предыдущему аспекту настоящего изобретения.In yet another aspect of the present invention, there is provided an augmented reality (AR) or virtual reality (VR) system comprising at least one display device according to the previous aspect of the present invention.

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 приведены схематичные изображения, иллюстрирующие структуру перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the structure of a tunable optical lens according to the invention.

На Фиг. 2 приведена схема блока формирования напряжений для перестраиваемой оптической линзы в варианте выполнения изобретения.FIG. 2 shows a diagram of a voltage generating unit for a tunable optical lens in an embodiment of the invention.

На Фиг. 3 схематично проиллюстрирована последовательность электрических импульсов, подаваемая на шины перестраиваемой оптической линзы для формирования профиля напряжений в варианте выполнения изобретения.FIG. 3 schematically illustrates a sequence of electrical pulses applied to the lines of a tunable optical lens to generate a voltage profile in an embodiment of the invention.

На Фиг. 4 показан график вольт-фазовой характеристики для примерного электроактивного материала, представляющего собой жидкокристаллическую смесь.FIG. 4 is a graph of the volt-phase characteristic for an exemplary electroactive material that is a liquid crystal mixture.

На Фиг. 5 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по одному из вариантов выполнения изобретения.FIG. 5 illustrates a plan view of a gate electrode structure according to one embodiment of the invention.

На Фиг. 6 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 5.FIG. 6 illustrates a sectional view of a portion of the gate electrode structure and their connection to the busbars in the embodiment of FIG. 5.

На Фиг. 7 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по другому варианту выполнения изобретения.FIG. 7 illustrates a plan view of a gate electrode structure according to another embodiment of the invention.

На Фиг. 8 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 7.FIG. 8 illustrates a sectional view of a portion of the gate electrode structure and their connection to the busbars in the embodiment of FIG. 7.

На Фиг. 9 проиллюстрирован вид в плане структуры управляющих электродов по другому варианту выполнения изобретения.FIG. 9 illustrates a plan view of a gate electrode structure according to another embodiment of the invention.

На Фиг. 10 проиллюстрирован вид в разрезе части структуры управляющих электродов и их соединения с шинами в варианте выполнения по Фиг. 9.FIG. 10 illustrates a sectional view of a portion of the structure of the gate electrodes and their connection to the buses in the embodiment of FIG. nine.

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 системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) часто требуется обеспечение дополнительных величин оптической силы с целью реализации дополнительных фокальных плоскостей для более реалистичного восприятия изображений виртуальных объектов, что приводит к необходимости использования дополнительной перестраиваемой линзы (например, жидкокристаллической (LC) линзы). Так, в одном из примеров из уровня техники одна из линз, задействованных в системе AR/VR, может обеспечивать диапазон оптических сил от 0,5 дптр до 3 дптр (с шагом в 0,5 дптр), а вторая из линз, задействованных в системе AR/VR, может обеспечивать оптические силы в более узком диапазоне, например от 2 дптр до 3 дптр, в частности величины оптической силы в 2,25 дптр, 2,75 дптр. В другом примерном варианте из уровня техники также используется две линзы, первая из которых обеспечивает оптическую силу в 0,33 дптр, а вторая линза обеспечивает величины оптических сил в 1,5 дптр, 3 дптр, то есть в общей сложности две линзы обеспечивают всего три фокальных плоскости. Для обеспечения большего диапазона величины оптической силы и/или большего количество фокальных плоскостей согласно уровню техники необходимо использование большего количества перестраиваемых оптических линз (в вышеприведенных примерах используется по меньшей мере две линзы).In systems of augmented reality or virtual reality (AR / VR), it is often required to provide additional values of the optical power in order to implement additional focal planes for a more realistic perception of images of virtual objects, which leads to the need to use an additional reconfigurable lens (for example, a liquid crystal (LC) lens) ... So, in one of the examples from the prior art, one of the lenses used in the AR / VR system can provide a range of optical powers from 0.5 diopters to 3 diopters (with a step of 0.5 diopters), and the second of the lenses involved in system AR / VR, can provide optical powers in a narrower range, for example, from 2 diopters to 3 diopters, in particular the magnitude of the optical power of 2.25 diopters, 2.75 diopters. In another exemplary embodiment of the prior art, two lenses are also used, the first of which provides an optical power of 0.33 diopters, and the second lens provides values of optical powers of 1.5 diopters, 3 diopters, that is, a total of two lenses provide a total of three focal plane. To provide a larger range of power values and / or a larger number of focal planes, the prior art requires the use of more tunable optical lenses (in the above examples, at least two lenses are used).

В настоящем изобретении обеспечивается возможность создания перестраиваемой оптической линзы с большим размером апертуры (в качестве неограничивающего примера - 20 мм) с широким диапазоном оптической силы (в качестве неограничивающего примера - от -3 дптр до +3 дптр) благодаря использованию одной перестраиваемой оптической линзы, содержащей слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, реализующую по меньшей мере две различные электродные структуры, каждая из которых соединена со своим соответствующим набором шин, что позволяет каждой из по меньшей мере двух электродных структур реализовывать свой набор зон Френеля за счет приложения определенного профиля напряжений посредством соответствующего набора шин. Таким образом каждая из по меньшей мере двух электродных структур реализует определенный набор значений оптических сил и, соответственно, определенный набор фокальных плоскостей, что обеспечивает возможность более точной перестройки фокусного расстояния перестраиваемой линзы, обеспечивает более реалистичное восприятие глубины резкости изображения реального внешнего мира и/или изображений виртуальных объектов, отображаемых в системе AR/VR, и позволяет корректировать рефракционные ошибки глаза пользователя, вызванные миопией/гиперопией/пресбиопией. При этом, в отличие от уровня техники, для реализации множества различных величин оптической силы в пределах вышеуказанного широкого диапазона оптической силы достаточно одной перестраиваемой оптической линзы, и не является обязательным применение набора (стека) из более чем одной перестраиваемой оптической линзы, как в известных решениях из уровня техники. Следует отметить, что параметры линзы (размер апертуры и диапазон оптической силы) согласно изобретению не ограничены приведенными выше примерными значениями, и размер апертуры может быть больше, а диапазон оптической силы также может быть шире в зависимости от требований пользователя и технических особенностей конкретного применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.In the present invention, it is possible to create a tunable optical lens with a large aperture size (as a non-limiting example, 20 mm) with a wide range of optical power (as a non-limiting example, from -3 diopters to +3 diopters) by using one tunable optical lens containing a layer of electroactive material and a control electrode structure that implements at least two different electrode structures, each of which is connected to its respective set of buses, which allows each of the at least two electrode structures to realize its own set of Fresnel zones by applying a certain voltage profile by means of a corresponding set of tires. Thus, each of the at least two electrode structures implements a certain set of values of optical powers and, accordingly, a certain set of focal planes, which makes it possible to more accurately adjust the focal length of the reconfigurable lens, provides a more realistic perception of the depth of field of the image of the real external world and / or images virtual objects displayed in the AR / VR system and allows you to correct the refractive errors of the user's eye caused by myopia / hyperopia / presbyopia. In this case, in contrast to the prior art, for the implementation of many different values of the optical power within the above-mentioned wide range of optical power, one tunable optical lens is sufficient, and it is not necessary to use a set (stack) of more than one tunable optical lens, as in the known solutions from the prior art. It should be noted that the parameters of the lens (aperture size and optical power range) according to the invention are not limited to the above approximate values, and the aperture size may be larger, and the optical power range may also be wider, depending on the user's requirements and technical features of a particular application of the tunable optical lenses according to the invention.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложена оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, в которой электроды соединены с шинами для приложения к электродам управляющего напряжения для формирования фазовых профилей оптического излучения, причем структура управляющих электродов реализует по меньшей мере две электродные структуры, причем каждая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединена с набором шин, отличным от набора шин, с которым соединена другая из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур, причем по меньшей мере один электрод по меньшей мере в одной из упомянутых по меньшей мере двух электродных структур соединен по меньшей мере с двумя различными шинами. Каждая из по меньшей мере двух электродных структур, реализуемых структурой управляющих электродов заявляемой перестраиваемой оптической линзы, реализует набор фазовых профилей оптического излучения, включающий в себя по меньшей мере один фазовый профиль оптического излучения, обеспечивающий соответствую величину оптической силы.According to a first aspect of the present invention, there is provided a tunable focal length optical lens comprising a layer of electroactive material and a control electrode structure in which the electrodes are connected to buses for applying a control voltage to the electrodes to form phase profiles of optical radiation, wherein the control electrode structure implements at least two electrode structures, each of said at least two electrode structures is connected to a set of buses, different from the set of buses, to which another of said at least two electrode structures is connected, and at least one electrode in at least one of said at least two electrode structures are connected to at least two different lines. Each of at least two electrode structures implemented by the structure of control electrodes of the claimed tunable optical lens implements a set of phase profiles of optical radiation, including at least one phase profile of optical radiation, providing a corresponding magnitude of optical power.

Перестраиваемость оптической линзы согласно изобретению обеспечивается за счет приложения к структуре управляющих электродов соответствующих напряжений, подаваемых через соответствующие шины, соединенные с электродами. 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.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 connected to 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.

Напряжение, которое необходимо приложить к электродам соответствующей электродной структуры, определяется характеристикой фазы и напряжения (вольт-фазовой характеристикой) электроактивного материала, используемого в перестраиваемой линзе, а необходимый фазовый профиль определяется величиной оптической силы, которую необходимо обеспечить, и рассчитывается по формуле:The voltage that must be applied to the electrodes of the corresponding electrode structure is determined by the phase and voltage characteristic (volt-phase characteristic) of the electroactive material used in the tunable lens, and the required phase profile is determined by the magnitude of the optical power that must be provided and is calculated by the formula:

,

где r - радиальная координата, λ - длина волны оптического излучения, f - фокусное расстояние (величина, обратная оптической силе). При этом фазовый профиль представляет собой зависимость вносимой фазовой задержки в проходящую световую волну от координаты на поверхности перестраиваемой оптической линзы. Диапазон фазовых задержек может быть разбит на конечное число уровней, называемых здесь и далее в настоящем описании уровнями квантования. Тогда напряжение, подаваемое по шине на определенный управляющий электрод, рассчитывается в зависимости от общего количества управляющих электродов и их расположения по апертуре линзы так, чтобы итоговый профиль напряжений в наибольшей степени приближал искомый фазовый профиль к фазовому профилю бесконечно тонкой оптической линзы с данной оптической силой. Поскольку количество управляющих электродов ограничено, то такое приближение будет не плавным, а квантованным, с набором квантовых уровней. Тогда напряжение на каждом управляющем электроде будет представлять собой «ступеньку», или квантовый уровень, а напряжения на всех управляющих электродах будут давать квантованный, не плавный, профиль напряжений (более подробно см., например, Piskunov, Dmitry E., et al. "Tunable lens for AR headset." Digital Optics for Immersive Displays II. Vol. 11350. International Society for Optics and Photonics, 2020).where r is the radial coordinate, λ is the wavelength of optical radiation, f is the focal length (the reciprocal of the optical power). In this case, the phase profile is the dependence of the introduced phase delay into the transmitted light wave on the coordinate on the surface of the tunable optical lens. The range of phase delays can be divided into a finite number of levels, referred to hereinafter as quantization levels. Then the voltage applied across the bus to a specific control electrode is calculated depending on the total number of control electrodes and their location along the lens aperture so that the final voltage profile approximates the desired phase profile to the phase profile of an infinitely thin optical lens with a given optical power. Since the number of control electrodes is limited, such an approximation will not be smooth, but quantized, with a set of quantum levels. Then the voltage at each control electrode will represent a "step", or a quantum level, and the voltages at all control electrodes will give a quantized, not smooth, voltage profile (for more details see, for example, Piskunov, Dmitry E., et al. " Tunable lens for AR headset. " Digital Optics for Immersive Displays II . Vol. 11350. International Society for Optics and Photonics, 2020).

Воздействие электродов в электродных структурах, составляющих структуру управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, на ориентацию частиц электроактивного материала (в качестве неограничивающего примера, на ориентацию директора жидкого кристалла) и их влияние на оптическую силу состоит в следующем. Приложенное к электроду напряжение изменяет ориентацию частицы электроактивного материала (в качестве неограничивающего примера, такого, как жидкие кристаллы), вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку согласно изобретению структура управляющих электродов расположена по существу по всей поверхности перестраиваемой оптической линзы, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует фазовому профилю перестраиваемой оптической линзы с требуемой оптической силой. Переход от профиля напряжений к профилю фазы 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).The effect of the electrodes in the electrode structures that make up the structure of the control electrodes of the tunable optical lens on the orientation of the particles of the electroactive material (as a non-limiting example, on the orientation of the director of the liquid crystal) and their effect on the optical power is as follows. A voltage applied to the electrode changes the orientation of a particle of an electroactive material (by way of non-limiting example, such as liquid crystals), thereby changing the refractive index value. Since, according to the invention, the structure of the control electrodes is located essentially over the entire surface of the tunable optical lens, and a certain voltage is applied to each electrode, a voltage profile is thus formed that corresponds to the phase profile of the tunable optical lens with the required optical power. The transition from the stress 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).

Перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению состоит по существу из подложки со структурой управляющих электродов, подложки с общим электродом и расположенного между ними слоя электроактивного материала, показатель преломления которого изменяется в зависимости от напряжения, подаваемого на соответствующие электроды в структуре управляющих электродов. Для подачи напряжения на электроды последние соединены с шинами посредством переходных отверстий (via holes).The tunable optical lens according to the invention consists essentially of a substrate with a gate structure, a substrate with a common electrode and an electroactive material layer located between them, the refractive index of which changes depending on the voltage applied to the corresponding electrodes in the gate structure. To supply voltage to the electrodes, the latter are connected to the buses through via holes.

На Фиг. 1 приведены схематичные изображения структуры перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. В частности, показан вид перестраиваемой оптической линзы в разрезе, на котором проиллюстрированы подложка общего электрода, общий электрод, слой электроактивного материала, подложка структуры управляющих электродов и сама структура управляющих электродов. Также на виде в плане и на виде в перспективе проиллюстрирована реализация двух различных электродных структур посредством шин и соединений (переходных отверстий) шин с электродами в структуре управляющих электродов, состоящей из кольцевых электродов, путем подачи напряжения на соответствующие электроды посредством соответствующих шин в разные моменты времени.FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a tunable optical lens according to the invention. Specifically, a cross-sectional view of the tunable optical lens is shown, which illustrates the common electrode substrate, the common electrode, the electroactive material layer, the gate structure substrate, and the gate structure itself. Also in the plan view and in the perspective view, the implementation of two different electrode structures by means of buses and connections (vias) of buses with electrodes in a gate structure consisting of ring electrodes is illustrated by applying voltage to the corresponding electrodes through the corresponding buses at different times ...

Управление подачей напряжений на соответствующие электроды таким образом, что реализуется формирование «наложенных» электродных структур, может осуществляться различными средствами, хорошо известными специалистам в данной области техники. В качестве примера, это может осуществляться посредством одного или более компьютеров, процессоров, интегральных схем и т.п., под управлением одной или более программ, программных модулей, микропрограммного обеспечения и т.п. Конкретные алгоритмы управления подачей напряжений на электроды в структуре управляющих электродов посредством соответствующих шин в разные моменты времени зависят от конкретного применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению и не будут описаны здесь подробно.Controlling the supply of voltages to the respective electrodes so that the formation of "superimposed" electrode structures is realized can be accomplished by various means well known to those skilled in the art. By way of example, this can be done by one or more computers, processors, integrated circuits, and the like, under the control of one or more programs, program modules, firmware, or the like. Specific algorithms for controlling the supply of voltages to the electrodes in the structure of the control electrodes by means of the respective buses at different times depend on the specific application of the tunable optical lens according to the invention and will not be described in detail here.

В качестве неограничивающего примера, в вариантах выполнения настоящего изобретения подача напряжений на соответствующие электроды в структуре управляющих электродов посредством управляющих шин может осуществляться посредством блока формирования напряжений (БФН), схема которого приведена на Фиг. 2. БФН состоит по существу из микроконтроллера и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), содержащего множество входов и выходов. Выходы ЦАП соединены с шинами перестраиваемой оптической линзы посредством кабеля. БФН выполнен с возможностью приема команд управления от пользователя или от управляющего устройства, в качестве которого может использоваться, например, плата управления устройства, в составе которого работает перестраиваемая оптическая линза. Следует отметить, что данные источники команд управления не ограничены вышеперечисленными примерами, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты управляющих устройств и/или систем, выбор которых зависит от конкретного применения заявляемого изобретения.As a non-limiting example, in the embodiments of the present invention, the supply of voltages to the corresponding electrodes in the control electrode structure by means of control lines can be carried out by means of a voltage generating unit (VFU), the diagram of which is shown in FIG. 2. The BFN consists essentially of a microcontroller and a digital-to-analog converter (DAC) containing many inputs and outputs. The DAC outputs are connected to the buses of the tunable optical lens by means of a cable. The BFN is configured to receive control commands from a user or from a control device, which can be, for example, a control board of a device that includes a tunable optical lens. It should be noted that these sources of control commands are not limited to the above examples, and specialists in this field of technology will be obvious other options for control devices and / or systems, the choice of which depends on the specific application of the claimed invention.

Команды управления от пользователя могут представлять собой, в качестве неограничивающего примера, физическое воздействие, например, такое как нажатие клавиш или прикосновение к сенсорной панели на БФН, или воздействие на соответствующие средства ввода, соединенные с БФН, другими частями тела (в качестве неограничивающего примера, команды управления могут подаваться в зависимости от положения зрачка глаза), либо голосовые команды от пользователя. Команды управления от управляющего устройства могут представлять собой, в качестве неограничивающего примера, электрические и/или оптические импульсы. В качестве неограничивающего примера, команды управления, вводимые в БФН, несут информацию о требуемой оптической силе.User control commands can be, by way of non-limiting example, a physical action, such as pressing keys or touching a touchpad on the EFN, or influencing the corresponding input means connected to the EFN, other parts of the body (as a non-limiting example, control commands can be given depending on the position of the pupil of the eye), or voice commands from the user. Control commands from a control device can be, by way of non-limiting example, electrical and / or optical pulses. By way of a non-limiting example, control commands entered into the BFN carry information about the required optical power.

Приняв команду управления, микроконтроллер БФН вычисляет или загружает из памяти фазовый профиль, соответствующий необходимой оптической силе, и преобразует его в зависимость напряжения от номера шины. Номер шины соответствует номеру выхода ЦАП. Микроконтроллер подает на входы ЦАП цифровой сигнал с информацией о требуемом напряжении для каждой шины. ЦАП преобразует принятый цифровой сигнал в аналоговый. Таким образом, на каждую шину посредством кабеля от ЦАП подается последовательность электрических импульсов, представленная на Фиг. 3. Положительное напряжение A определяется с помощью вольт-фазовой характеристики используемого электроактивного материала. Вольт-фазовая характеристика показывает, какое напряжение нужно приложить, чтобы внести требуемую фазовую задержку, определяемую фазовым профилем для данной оптической силы.Having received the control command, the BFN microcontroller calculates or loads from memory a phase profile corresponding to the required optical power and converts it into the dependence of the voltage on the bus number. The bus number corresponds to the DAC output number. The microcontroller sends a digital signal to the DAC inputs with information about the required voltage for each bus. The DAC converts the received digital signal to analog. Thus, a sequence of electrical pulses shown in FIG. 2 is fed to each bus via a cable from the DAC. 3. The positive voltage A is determined using the volt-phase characteristic of the used electroactive material. The volt-phase characteristic indicates how much voltage must be applied to introduce the required phase delay, determined by the phase profile for a given power.

На Фиг. 4 показан график, иллюстрирующий пример вольт-фазовой характеристики для электроактивного материала в варианте выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза представляет собой жидкокристаллическую перестраиваемую оптическую линзу. В качестве примера электроактивного материала рассмотрена жидкокристаллическая смесь марки E7 толщиной 6 мкм. Отрицательное напряжение B, время положительного импульса Ta, время отрицательного импульса Tb, и время отсутствия напряжения Tc зависят от свойств электроактивного материала и требуемых динамических характеристик перестраиваемой оптической линзы в конкретном ее применении. Типичные параметры для жидкокристаллической смеси марки E7 толщиной 6 мкм следующие: B=A, Ta=Tb=1 мкс - 100 мс, Tc=0. Форма импульсов может иметь прямоугольную форму либо форму, отличную от прямоугольной, в частности, треугольную форму для изменения динамических характеристик перестраиваемой оптической линзы.FIG. 4 is a graph illustrating an example of a volt-phase characteristic for an electroactive material in an embodiment in which the tunable optical lens is a liquid crystal tunable optical lens. As an example of an electroactive material, an E7 liquid crystal mixture with a thickness of 6 μm is considered. Negative voltage B, positive pulse time Ta, negative pulse time Tb, and voltage-free time Tc depend on the properties of the electroactive material and the required dynamic characteristics of the tunable optical lens in its particular application. Typical parameters for an E7 liquid crystal mixture with a thickness of 6 μm are as follows: B = A, Ta = Tb = 1 μs - 100 ms, Tc = 0. The shape of the pulses can have a rectangular shape or a shape other than rectangular, in particular, a triangular shape to change the dynamic characteristics of a tunable optical lens.

Структура управляющих электродов согласно изобретению реализует по меньшей мере две электродные структуры, в вариантах выполнения изобретения расположенные концентрически по отношению друг к другу, причем каждая электродная структура имеет одинаковый максимальный радиус, ограниченный размерами апертуры перестраиваемой оптической линзы.The structure of the control electrodes according to the invention implements at least two electrode structures, in the embodiments of the invention arranged concentrically with respect to each other, each electrode structure having the same maximum radius, limited by the size of the aperture of the tunable optical lens.

Каждая электродная структура содержит по меньшей мере одну группу электродов, соответствующую по меньшей мере одной зоне Френеля, обеспечивающей по меньшей мере одну величину достижимой оптической силы для перестраиваемой оптической линзы.Each electrode structure contains at least one group of electrodes corresponding to at least one Fresnel zone, providing at least one value of the achievable optical power for the tunable optical lens.

В вариантах выполнения изобретения, каждый электрод имеет по меньшей мере два соединения (переходных отверстия) по меньшей мере с двумя шинами для подачи по меньшей мере двух величин напряжения для формирования по меньшей мере двух профилей напряжения и, таким образом, по меньшей мере двух наборов зон Френеля, необходимых для обеспечения по меньшей мере двух величин оптической силы.In embodiments of the invention, each electrode has at least two connections (vias) with at least two buses for supplying at least two voltage values to form at least two voltage profiles and thus at least two sets of zones Fresnel required to provide at least two values of the optical power.

В вариантах выполнения изобретения радиус каждого электрода в соответствующей группе электродов для каждой электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур определяется упомянутой по меньшей мере одной электродной структурой и, если упомянутая группа электродов содержит электроды из других электродных структур, а именно ширина по меньшей мере одного электрода из по меньшей мере одной электродной структуры больше ширины по меньшей мере одного электрода из другой по меньшей мере одной электродной структуры, то на эти электроды из других электродных структур подается напряжение одинаковой величины с соответствующей шины. Таким образом из упомянутых электродов формируется по существу один электрод с большей шириной.In embodiments of the invention, the radius of each electrode in the corresponding group of electrodes for each electrode structure of at least two electrode structures is determined by said at least one electrode structure and, if said group of electrodes contains electrodes from other electrode structures, namely the width of at least one an electrode from at least one electrode structure is greater than the width of at least one electrode from another at least one electrode structure, then a voltage of the same value from the corresponding busbar is applied to these electrodes from other electrode structures. In this way, essentially one electrode with a greater width is formed from said electrodes.

В вариантах выполнения общее количество электродов в структуре управляющих электродов равно сумме количества электродов в упомянутых по меньшей мере двух электродных структурах, либо общее количество электродов в структуре управляющих электродов меньше упомянутой суммы, если электроды, расстояние между которыми меньше технологического ограничения, объединены в один электрод с большей шириной, как указано выше.In embodiments, the total number of electrodes in the gate structure is equal to the sum of the number of electrodes in the at least two electrode structures, or the total number of electrodes in the gate structure is less than said sum, if the electrodes, the distance between which is less than the technological limit, are combined into one electrode with wider as above.

Здесь и далее в качестве иллюстративного примера будет рассмотрен вариант выполнения изобретения, в котором структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды. Следует понимать, что изобретение не ограничено данным вариантом выполнения структуры управляющих электродов, и в пределах объема изобретения также возможна реализация структуры управляющих электродов, например, в виде массива многоугольников или параллельных полосовых электродов.Hereinafter, as an illustrative example, an embodiment of the invention will be considered in which the gate electrode structure comprises concentric annular electrodes. It should be understood that the invention is not limited to this embodiment of the gate structure, but it is also possible within the scope of the invention to implement the gate structure, for example, as an array of polygons or parallel strip electrodes.

Радиусы электродов в структуре управляющих электродов, содержащей концентрические кольцевые электроды, рассчитываются по радиусам зон Френеля.The radii of the electrodes in the control electrode structure containing concentric annular electrodes are calculated from the radii of the Fresnel zones.

Следует отметить, что для перестраиваемой оптической линзы с большой апертурой диапазон оптической силы D ограничен, поскольку чем больше радиус линзы r, тем меньше достижимая оптическая сила D,It should be noted that for a tunable optical lens with a large aperture, the range of optical power D is limited, since the larger the lens radius r , the lower the achievable optical power D,

поскольку:insofar as:

где N_max - максимальное число адресуемых электродов на зону Френеля для перестраиваемой линзы с оптической силой D, радиусом r, длиной волны падающего излучения λ, при этом для периода, с которым размещаются адресуемые управляющие электроды и который включает в себя размер (ширину) электрода и расстояние между электродами, существует технологическое ограничение ΔR, равное сумме минимальной технологически возможной ширины электрода и минимального технологически возможного расстояния между электродами, при этом сумма ширины последнего электрода и расстояния от него до предыдущего электрода должно быть не меньше технологического ограничения. В контексте настоящего изобретения технологическое ограничение составляет около 1 мкм.where N _max is the maximum number of addressable electrodes per Fresnel zone for a tunable lens with optical power D, radius r, wavelength of incident radiation λ, while for the period with which addressable control electrodes are placed and which includes the size (width) of the electrode and the distance between the electrodes, there is a technological limitation Δ R , equal to the sum of the minimum technologically possible width of the electrode and the minimum technologically possible distance between the electrodes, while the sum of the width of the last electrode and the distance from it to the previous electrode must be not less than the technological limitation. In the context of the present invention, the process limitation is about 1 micron.

В предлагаемом изобретении обеспечивается большой размер апертуры линзы (по меньшей мере 20 мм) в сочетании с широким диапазоном оптической силы (в качестве неограничивающего примера, диапазон -3 дптр - +3 дптр), что достигается посредством перестраиваемой оптической линзы, содержащей слой электроактивного материала (например, жидких кристаллов, полимерного геля и т.п.) и структуру управляющих электродов, содержащую по меньшей мере две наложенные электродные структуры.The invention provides a large lens aperture size (at least 20 mm) in combination with a wide range of optical power (as a non-limiting example, a range of -3 diopters - +3 diopters), which is achieved by means of a tunable optical lens containing a layer of electroactive material ( for example, liquid crystals, polymer gel, etc.) and a gate electrode structure containing at least two superimposed electrode structures.

В неограничивающем варианте выполнения изобретения, структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, состоящие из концентрических кольцевых электродов. При этом ширина кольцевых электродов для каждой из по меньшей мере двух наложенных электродных структур рассчитывается следующим образом.In a non-limiting embodiment of the invention, the gate electrode structure comprises at least two electrode structures composed of concentric annular electrodes. In this case, the width of the annular electrodes for each of the at least two superimposed electrode structures is calculated as follows.

Для выбранного диапазона оптической силы (в качестве неограничивающего примера, диапазон -3 дптр - +3 дптр), который необходимо обеспечить посредством перестраиваемой оптической линзы с радиусом апертуры r (в качестве неограничивающего примера, радиус апертуры равен 20 мм) и при существующем технологическом ограничении для периода электродов

(в качестве неограничивающего примера, технологическое ограничение составляет 1 мкм), выбирается минимальная дифракционная эффективность

в соответствии с практическими требованиями для оптической системы. На основе выбранной дифракционной эффективности рассчитывается количество фазовых уровней L на одну зону Френеля для данной дифракционной линзы по формуле:For the selected range of optical power (as a non-limiting example, the range of -3 diopters - +3 diopters), which must be provided by a tunable optical lens with an aperture radius r (as a non-limiting example, the aperture radius is 20 mm) and with the existing technological limitation for period of electrodes

(as a non-limiting example, the process limit is 1 μm), the minimum diffraction efficiency is chosen

in accordance with the practical requirements for the optical system. Based on the selected diffraction efficiency, the number of phase levels L per one Fresnel zone for a given diffractive lens is calculated by the formula:

.

...

Для каждого электрода с номером (m _i; n _j) вычисляются следующие параметры:For each electrode with number ( m _i ; n _j ), the following parameters are calculated:

где r^int - внутренний радиус, а r^ext - соответственно, внешний радиус электрода с номером (m _i; n _j), m _i - номер зоны Френеля, n _j - номер электрода в одной зоне Френеля (в каждой зоне Френеля своя нумерация электродов, т.е. в первой зоне Френеля электроды 1, 2, 3,…, во второй зоне Френеля электроды 1, 2, 3 … и т.п.);

- максимальное количество зон Френеля для перестраиваемой оптической линзы с радиусом апертуры r, обеспечивающей диоптрический шаг

на длине волны излучения

;

- количество электродов на одну зону Френеля для перестраиваемой оптической линзы; λ - длина волны падающего излучения, g - расстояние между электродами.where r ^int is the inner radius, and r ^ext is, respectively, the outer radius of the electrode with the number ( m _i ; n _j ), m _i is the number of the Fresnel zone, n _j is the number of the electrode in one Fresnel zone (each Fresnel zone has its own numbering of electrodes , i.e. in the first Fresnel zone, electrodes 1, 2, 3, ..., in the second Fresnel zone, electrodes 1, 2, 3 ... etc.);

- the maximum number of Fresnel zones for a tunable optical lens with an aperture radius r, providing a diopter step

at the radiation wavelength

;

- the number of electrodes per one Fresnel zone for a tunable optical lens; λ is the wavelength of the incident radiation, g is the distance between the electrodes.

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.

Ширина кольцевых электродов для перестраиваемой оптической линзы рассчитывается согласно следующей формуле:The width of the ring electrodes for a tunable optical lens is calculated according to the following formula:

Адресуемые управляющие электроды, т.е. те электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, на которые подается соответствующее им напряжение, могут выбираться на основании следующего. Автоматический выбор адресуемых электродов связан с выбором требуемой оптической силы. Оптическая сила зависит от числа зон Френеля, т.е. адресуемые электроды выбираются в зависимости от количества и расположения активируемых ими зон Френеля.Addressable control electrodes, i.e. those electrodes in the control electrode structure of the tunable optical lens to which the corresponding voltage is applied can be selected based on the following. Automatic selection of addressable electrodes is associated with the selection of the required optical power. The optical power depends on the number of Fresnel zones, i.e. addressable electrodes are selected depending on the number and location of the Fresnel zones they activate.

Значение напряжений, подаваемых на электроды, определяется из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала (т.е. такого материала, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света). При выборе оптически активного материала перестраиваемой оптической линзы необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал оптического излучения от напряжения на электродах в структуре управляющих электродов. Тогда, чтобы симулировать внесение определенной оптической силы, нужно приложить напряжения на электроды таким образом, чтобы профиль задержки фазы выходящего оптического излучения соответствовал тому же от идеальной тонкой линзы с такой же оптической силой. Весь этот процесс можно автоматизировать стандартными алгоритмами, хорошо известными в данной области техники (более подробно см., например, в источнике US20150277151 (опубл. 01.10.2015, Optica Amuka A.A. LTD)).The value of the voltages applied to the electrodes is determined from the voltage versus phase characteristic of any optically active material (i.e., such a material that is capable of introducing a phase delay when the applied voltage changes when light propagates through it). When choosing an optically active material for a tunable optical lens, it is necessary to know the dependence of the phase delay of the optical radiation passing through the material on the voltage at the electrodes in the structure of the control electrodes. Then, in order to simulate the introduction of a certain optical power, it is necessary to apply voltages to the electrodes in such a way that the phase delay profile of the outgoing optical radiation corresponds to the same from an ideal thin lens with the same optical power. This entire process can be automated by standard algorithms well known in the art (for more details see, for example, US20150277151 (publ. 01.10.2015, Optica Amuka A.A. LTD)).

В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре каждой из перестраиваемых жидкокристаллических ячеек могут быть выполнены из оксида индия-олова (ITO). В других вариантах выполнения электроды могут быть выполнены из других прозрачных проводящих материалов, широко известных специалистам в данной области техники (например, оксид индия-цинка, IZO).By way of example, and not limitation, the electrodes in the electrode structure of each of the tunable liquid crystal cells may be indium tin oxide (ITO). In other embodiments, the electrodes can be made from other transparent conductive materials well known to those skilled in the art (eg, indium zinc oxide, IZO).

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. 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. 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).

Согласно изобретению, в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы могут быть использованы жидкие кристаллы (например, нематические, смектические, холестерические жидкие кристаллы), однако изобретение не ограничено использованием в качестве электроактивного материала линзы 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.According to the invention, liquid crystals (for example, nematic, smectic, cholesteric liquid crystals) can be used as the electroactive material of the tunable optical lens, but the invention is not limited to the use of liquid crystals as the electroactive material of the 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.

Радиусы электродов для по меньшей мере двух электродных структур, реализуемых структурой управляющих электродов в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению, вычисляются, как показано выше, на основании характеристик зон Френеля, и соответствующие зоны шунтируются (соединяются) посредством одних и тех же шин (так называемый стандартный метод «шунтирования электродов»). Однако, в отличие от известных решений изобретение с достижением преимущества реализует по меньшей мере две электродные структуры в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, которые в определенном смысле можно назвать «наложенными» друг на друга. Однако следует понимать, что речь здесь не идет о физическом «наложении» одних электродов на другие, а скорее под этим следует понимать возможность реализации двух или более различных электродных структур с использованием одних и тех же электродов и/или шин за счет подачи разных величин напряжения на разные группы электродов.The radii of the electrodes for at least two electrode structures realized by the structure of the control electrodes in the tunable optical lens according to the invention are calculated, as shown above, based on the characteristics of the Fresnel zones, and the corresponding zones are shunted (connected) by means of the same buses (the so-called standard method of "shunting electrodes"). However, unlike the known solutions, the invention advantageously implements at least two electrode structures in the structure of the control electrodes of a tunable optical lens, which in a certain sense can be called "superimposed" on each other. However, it should be understood that we are not talking here about the physical "overlay" of some electrodes on others, but rather it should mean the possibility of implementing two or more different electrode structures using the same electrodes and / or buses by supplying different voltage values to different groups of electrodes.

Так, в качестве неограничивающего примера, для одной из электродных структур все радиусы электродов рассчитаны таким образом, что при диаметре апертуры перестраиваемой оптической линзы в 20 мм они соответствуют зонам Френеля, обеспечивающим оптическую силу в 3 дптр, что в сочетании с вышеупомянутым методом «шунтирования электродов» позволяет получить зоны Френеля, дающие оптическую силу до 0,5 дптр (в итоге могут быть получены величины оптической силы, кратные 0,5 дптр, например: 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр). Для второй электродной структуры в той же самой линзе диаметром апертуры в 20 мм все радиусы электродов вычисляются для 2,75 дптр (таким образом, что могут быть получены величины оптической силы, например, в 2,25 дптр и 2,75 дптр (т.е. кратные 0,25 дптр)).So, as a non-limiting example, for one of the electrode structures, all the electrode radii are calculated in such a way that with a 20 mm aperture diameter of the tunable optical lens, they correspond to Fresnel zones, providing an optical power of 3 diopters, which, in combination with the above-mentioned method of "shunting "Allows you to obtain Fresnel zones, giving optical power up to 0.5 diopters (as a result, values of optical power that are multiples of 0.5 diopters can be obtained, for example: 0.5 diopters, 1 diopters, 1.5 diopters, 2 diopters, 2, 5 diopters, 3 diopters). For the second electrode structure in the same lens with a 20 mm aperture diameter, all electrode radii are calculated for 2.75 diopters (so that refractive power values can be obtained, for example, 2.25 diopters and 2.75 diopters (i.e. e. multiples of 0.25 diopters)).

Поскольку в вариантах выполнения изобретения применяется только одна перестраиваемая оптическая линза с размером апертуры в 20 мм и две различные электродные структуры, радиусы которых вычислены для одного и того же размера (в частности, диаметра) апертуры линзы в 20 мм, при этом в общей структуре управляющих электродов необходимо реализовать две электродные структуры (не одновременно, а по одной электродной структуре в единицу времени), то по существу необходимо концентрически «наложить» одну электродную структуру с одним набором радиусов на другую электродную структуру с другим набором радиусов (иными словами, расположить одну электродную структуру концентрически «внутри» другой), однако при максимальном диаметре обеих электродных структур в 20 мм их невозможно «наложить» друг на друга по вертикали. В качестве неограничивающего иллюстративного примера, если в варианте выполнения с концентрическими кольцевыми электродами центральный круговой электрод в первой электродной структуре имеет диаметр в 0,5 мм, а центральный круговой электрод во второй электродной структуре имеет диаметр в 0,3 мм, то после вышеописанного условного «наложения» этих электродов друг на друга будут получены два электрода: центральный электрод диаметром в 0,3 мм и кольцевой электрод шириной в 0,1 мм (т.е. (0,5 мм - 0,3 мм)/2=0,1 мм), при этом оба электрода можно расположить в разных слоях (один выше, другой ниже), чтобы минимизировать расстояние между ними (теоретически до 0 мкм).Since in the embodiments of the invention only one tunable optical lens with an aperture size of 20 mm and two different electrode structures are used, the radii of which are calculated for the same size (in particular, the diameter) of the lens aperture of 20 mm, while in the general structure of the control electrodes, it is necessary to implement two electrode structures (not simultaneously, but one electrode structure per unit of time), then essentially it is necessary to concentrically "superimpose" one electrode structure with one set of radii on another electrode structure with a different set of radii (in other words, arrange one electrode structure structure concentrically “inside” is different), however, with a maximum diameter of both electrode structures of 20 mm, they cannot be “superimposed” on each other vertically. As a non-limiting illustrative example, if in the embodiment with concentric annular electrodes, the central circular electrode in the first electrode structure has a diameter of 0.5 mm and the central circular electrode in the second electrode structure has a diameter of 0.3 mm, then after the above-described conditional " superposition "of these electrodes on each other, two electrodes will be obtained: a central electrode with a diameter of 0.3 mm and a ring electrode with a width of 0.1 mm (i.e. (0.5 mm - 0.3 mm) / 2 = 0, 1 mm), while both electrodes can be placed in different layers (one above, the other below) in order to minimize the distance between them (theoretically up to 0 μm).

Иными словами, в контексте настоящего изобретения под «наложением» по меньшей мере двух электродных структур следует понимать не физическое наложение друг на друга по меньшей мере двух слоев электродов, а скорее формирование на основе одной общей структуры управляющих электродов по меньшей мере двух различных электродных структур (которые также можно назвать топологиями или паттернами электродов) в различные моменты времени за счет приложения соответствующих величин напряжения на соответствующие электроды или группы электродов посредством соответствующих шин, с которыми соединены выбранные электроды.In other words, in the context of the present invention, the "superposition" of at least two electrode structures should not be understood as the physical superposition of at least two electrode layers, but rather the formation, based on one common gate structure, of at least two different electrode structures ( which can also be called electrode topologies or patterns) at different times by applying appropriate voltage values to the respective electrodes or groups of electrodes through the respective buses to which the selected electrodes are connected.

Возвращаясь к рассматриваемому иллюстративному примеру, теперь необходимо реализовать работу обоих описанных выше электродов для обеих электродных структур. Для этого центральный круговой электрод (диаметром 0,3 мм) и кольцевой электрод шириной 0,1 мм соединены с одной и той же шиной B1, соответствующей первой электродной структуре, в которой центральный круговой электрод имеет диаметр 0,5 мм. На оба упомянутых электрода (круговой диаметром 0,3 мм и кольцевой шириной 0,1 мм) подается одинаковое напряжение, ввиду чего электроактивный материал перестраиваемой оптической линзы будет реагировать на них как на один электрод диаметром 0,5 мм. Для реализации второй электродной структуры каждый из двух упомянутых электродов соединен с двумя шинами - B2 и B3, каждая из которых подает напряжение различной величины, чтобы реализовать фазовый профиль, соответствующий второй электродной структуре. Таким образом, в рассматриваемом варианте выполнения каждый управляющий электрод в структуре управляющих электродов соединен по меньшей мере с двумя шинами - круговой электрод диаметром 0,3 мм имеет два переходных отверстия, соединяющих его с шинами B1 и B2, а кольцевой электрод шириной 0,1 мм имеет два переходных отверстия, соединяющих его с шинами B1 и B3.Returning to the considered illustrative example, it is now necessary to implement the operation of both of the above-described electrodes for both electrode structures. For this, a central circular electrode (0.3 mm in diameter) and an annular electrode 0.1 mm wide are connected to the same bus B1 corresponding to the first electrode structure, in which the central circular electrode has a 0.5 mm diameter. The same voltage is applied to both of the above electrodes (with a circular diameter of 0.3 mm and an annular width of 0.1 mm), so that the electroactive material of the tunable optical lens will react to them as one electrode with a diameter of 0.5 mm. To implement the second electrode structure, each of the two mentioned electrodes is connected to two lines - B2 and B3, each of which supplies a voltage of different magnitude in order to realize a phase profile corresponding to the second electrode structure. Thus, in the embodiment under consideration, each control electrode in the structure of control electrodes is connected to at least two buses - a circular electrode with a diameter of 0.3 mm has two vias connecting it to buses B1 and B2, and an annular electrode with a width of 0.1 mm has two vias connecting it to busbars B1 and B3.

Как указано выше, для электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы два электрода, соединенные с шиной B1, при подаче напряжения по шине B1 будут «выглядеть» как один круговой электрод диаметром 0,5 мм (таким образом реализуется первая электродная структура в рассматриваемом примере). Если напряжение подается на круговой электрод диаметром 0,3 мм, соединенный с шиной B2, а другое соответствующее напряжение подается на кольцевой электрод шириной 0,1 мм, соединенный с шиной B3, электроактивный материал перестраиваемой оптической линзы будет реагировать на это таким образом, что будет реализован профиль напряжений, соответствующий второй электродной структуре. Однако следует заметить, что каждая из реализуемых электродных структур может по отдельности обеспечить несколько величин оптической силы (в качестве неограничивающего примера, для одной электродной структуры - 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр, и для другой электродной структуры - 2,25 дптр и 2,75 дптр).As mentioned above, for an electroactive material of a tunable optical lens, two electrodes connected to the B1 bus will "look" like a single circular electrode with a diameter of 0.5 mm when voltage is applied to the B1 bus (thus realizing the first electrode structure in this example). If a voltage is applied to a 0.3 mm diameter circular electrode connected to the B2 bar, and another corresponding voltage is applied to a 0.1 mm wide ring electrode connected to B3, the electroactive material of the tunable optical lens will react to this in such a way that the voltage profile corresponding to the second electrode structure is realized. However, it should be noted that each of the implemented electrode structures can individually provide several values of the optical power (as a non-limiting example, for one electrode structure - 0.5 diopters, 1 diopters, 1.5 diopters, 2 diopters, 2.5 diopters, 3 diopters, and for another electrode structure - 2.25 diopters and 2.75 diopters).

Следует понимать, что согласно изобретению может быть реализовано несколько электродных структур, «наложенных» друг на друга как пояснено выше, но каждая из этих электродных структур может формировать различные наборы зон Френеля, соответствующие различным величинам оптической силы. Для сравнения, используя стандартные методы размещения электродов, известные из уровня техники, невозможно в одной перестраиваемой оптической линзе получить как величины оптической силы в 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,5 дптр, 3 дптр, так и величины в 2,25 дптр и 2,75 дптр (а возможно получить либо значения оптических сил в диапазоне от 0,5 дптр до 3 дптр, либо величины в 2,25 дптр и 2,75 дптр).It should be understood that according to the invention, several electrode structures may be implemented, "superimposed" on each other as explained above, but each of these electrode structures may form a different set of Fresnel zones corresponding to different values of the optical power. For comparison, using standard methods of electrode placement known from the prior art, it is impossible to obtain in one tunable optical lens as values of the optical power of 0.5 diopters, 1 diopters, 1.5 diopters, 2 diopters, 2.5 diopters, 3 diopters, and values of 2.25 diopters and 2.75 diopters (and it is possible to obtain either values of optical forces in the range from 0.5 diopters to 3 diopters, or values of 2.25 diopters and 2.75 diopters).

Перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению обеспечивает преимущество по сравнению с уровнем техники, состоящее в возможности реализации уникального набора величин оптической силы, который невозможно получить известными методами с помощью одной перестраиваемой оптической линзы. В рассматриваемом иллюстративном примере структура управляющих электродов, содержащая по меньшей мере две электродные структуры, обеспечивает набор оптических сил в 0,5 дптр, 1 дптр, 1,5 дптр, 2 дптр, 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр, 3 дптр - в частности, возможна перестройка фокуса, например, в диапазоне оптических сил от 2 дптр до 3 дптр и оптическая инспекция интересующих объектов в деталях в рамках этого диапазона при оптических силах в 2,25 дптр, 2,5 дптр, 2,75 дптр. Следует понимать, что вышеперечисленные значения приведены лишь в качестве иллюстрации, но не ограничения, и в зависимости от конкретных вариантов реализации и применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению могут быть реализованы другие конкретные величины оптической силы.The tunable optical lens according to the invention provides an advantage over the prior art in the possibility of realizing a unique set of optical power values that cannot be obtained by known methods with a single tunable optical lens. In the considered illustrative example, the structure of the control electrodes containing at least two electrode structures provides a set of optical powers of 0.5 diopters, 1 diopters, 1.5 diopters, 2 diopters, 2.25 diopters, 2.5 diopters, 2.75 diopters, 3 diopters - in particular, it is possible to rearrange the focus, for example, in the range of optical powers from 2 diopters to 3 diopters and optical inspection of objects of interest in detail within this range at optical powers of 2.25 diopters, 2.5 diopters, 2 , 75 diopters. It should be understood that the above values are given by way of illustration only and not limitation, and depending on the specific implementation and application of the tunable optical lens according to the invention, other specific values of the power may be realized.

Еще в одном примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 5 и 6, перестраиваемая оптическая линза может реализовывать только одну оптическую силу в 0,33 дптр (тогда в данном случае «перестраиваемая линза» будет означать, что при приложенном профиле напряжений линза дает 0.33 дптр, а в выключенном состоянии она дает 0 дптр), с дифракционной эффективностью 40,5%, при этом структура управляющих электродов содержит в общей сложности 64 кольцевых электрода, которые обеспечивают 32 зоны Френеля (по 2 шины на каждую из 32 зон Френеля).In yet another exemplary embodiment, illustrated in FIG. 5 and 6, a tunable optical lens can realize only one optical power of 0.33 diopters (then in this case "tunable lens" will mean that with an applied voltage profile the lens gives 0.33 diopters, and in the off state it gives 0 diopters), with a diffraction efficiency of 40.5%, while the structure of the control electrodes contains a total of 64 annular electrodes, which provide 32 Fresnel zones (2 buses for each of the 32 Fresnel zones).

В другом примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 7 и 8, перестраиваемая оптическая линза может реализовывать две оптические силы с использованием четырех шин. При этом данная электродная структура обеспечивает оптическую силу в 1,5 дптр с дифракционной эффективностью 81,1% и оптическую силу в 3 дптр с дифракционной эффективностью 40,5%. В общей сложности структура управляющих электродов согласно данному варианту выполнения содержит 576 кольцевых электродов (144 зоны Френеля х 4).In another exemplary embodiment, illustrated in FIG. 7 and 8, the tunable optical lens can realize two dioptric powers using four tires. Moreover, this electrode structure provides an optical power of 1.5 diopters with a diffraction efficiency of 81.1% and an optical power of 3 diopters with a diffraction efficiency of 40.5%. In total, the gate electrode structure of this embodiment contains 576 annular electrodes (144 Fresnel zones x 4).

Еще в одном примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 9 и 10, на каждый электрод в структуре перестраиваемых электродов предусмотрено по нескольку шин (каждый пассивный электрод соединен с 2 шинами), при этом используется то же самое количество подложек (две), что и в остальных вариантах выполнения настоящего изобретения. Использование такого же (не увеличенного) количества подложек уменьшает размытие изображения по сравнению с известными решениями, в которых используется более одной линзы и, соответственно, более двух подложек. При этом несколько электродных структур (в данном случае, две электродные структуры) обеспечивают дополнительные величины оптической силы (первая электродная структура - 0,33 дптр, вторая электродная структура - 1,5 дптр, 3 дптр). При этом в показанном варианте выполнения первая электродная структура реализуется посредством двух шин (дифракционная эффективность составляет 40,5%) и содержит 64 управляющих электрода. Вторая электродная структура реализуется посредством четырех шин (дифракционная эффективность 81,1% для 1,5 дптр, 40,5% для 3 дптр) и содержит 576 управляющих электродов.In yet another exemplary embodiment, illustrated in FIG. 9 and 10, for each electrode in the tunable electrode structure, several buses are provided (each passive electrode is connected to 2 buses), while using the same number of substrates (two) as in the other embodiments of the present invention. The use of the same (not increased) number of substrates reduces image blur in comparison with known solutions that use more than one lens and, accordingly, more than two substrates. In this case, several electrode structures (in this case, two electrode structures) provide additional values of the optical power (the first electrode structure is 0.33 diopters, the second electrode structure is 1.5 diopters, 3 diopters). In this case, in the shown embodiment, the first electrode structure is realized by means of two buses (the diffraction efficiency is 40.5%) and contains 64 control electrodes. The second electrode structure is realized by means of four buses (diffraction efficiency 81.1% for 1.5 diopters, 40.5% for 3 diopters) and contains 576 control electrodes.

Следует понимать, что приведенные выше примеры реализации настоящего изобретения предназначены для иллюстрации настоящего описания и для облегчения понимания характеристики изобретения специалистами в данной области техники, но не для ограничения объема правовой охраны изобретения конкретными подробностями.It should be understood that the above examples of the implementation of the present invention are intended to illustrate the present description and to facilitate understanding of the characteristics of the invention specialists in the art, but not to limit the scope of protection of the invention to specific details.

Перестраиваемая оптическая линза может быть выполнена в зависящей или не зависящей от поляризации падающего света конфигурации. Например, зависимая от поляризации конфигурация может использоваться в перестраиваемой оптической линзе, в которой проводники выполнены в виде параллельных полос. При этом для фокусировки света с поляризацией вдоль оси X могут использоваться электроды, обеспечивающие направление директора вдоль той же самой оси X, а для фокусировки света с поляризацией вдоль оси Y - ячейка с направлением директора вдоль оси Y. 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 tunable optical lens can be made in a polarization-independent or polarization-independent configuration of the incident light. For example, a polarization-dependent configuration can be used in a tunable optical lens in which the conductors are parallel stripes. In this case, for focusing light with polarization along the X axis, electrodes can be used that ensure the direction of the director along the same X axis, and for focusing light with polarization along the Y axis, a cell with the director direction along the Y axis. Use of polarization-dependent or independent optical radiation tunable optical lenses can provide additional advantages, consisting, in particular, in the possibility of separating by polarization of images of virtual objects and images of the real world to provide independent control of the parameters of these images.

Специалистам в данной области техники будут очевидны различные средства и методы фокусировки поляризованного или неполяризованного света. В качестве примера, схема для фокусировки света раскрыта в источнике (Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. - International Society for Optics and Photonics, 2003. - Т. 4987. - С. 209-220).Various means and methods for focusing polarized or unpolarized light will be apparent to those skilled in the art. As an example, a scheme for focusing light is disclosed in a source (Sun YN et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application // Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. - International Society for Optics and Photonics, 2003. - T. 4987. - S. 209-220).

В варианте выполнения изобретения, в котором электродная структура образована кольцевыми электродами, для фокусировки света посредством сферической линзы необходимы по меньшей мере две электродные структуры: одна с направлением директора, параллельным направлению X (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси X), а вторая с направлением директора, параллельным направлению Y (для фокусировки света, поляризованного вдоль оси Y).In an embodiment of the invention, in which the electrode structure is formed by annular electrodes, at least two electrode structures are required to focus light by means of a spherical lens: one with the director direction parallel to the X direction (for focusing light polarized along the X axis), and the second with the direction director parallel to the Y direction (for focusing light polarized along the Y axis).

Следует отметить, что выше рассмотрены лишь некоторые варианты реализации фокусировки света в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению со структурой управляющих электродов, образованной кольцевыми электродами. При этом специалистам в данной области техники будут очевидны другие варианты выполнения, в частности, для случаев, когда структура управляющих электродов образована электродами в других возможных конфигурациях, например в виде массива многоугольников или в виде параллельных полосовых электродов. Все такие варианты выполнения, как описанные в явном виде, так и очевидным образом следующие из сведений, раскрытых в настоящем документе, включены в объем правовой охраны настоящего изобретения.It should be noted that only some embodiments of light focusing in a tunable optical lens according to the invention with a gate electrode structure formed by annular electrodes have been discussed above. At the same time, other embodiments will be obvious to those skilled in the art, in particular for cases where the structure of the gate electrodes is formed by electrodes in other possible configurations, for example, in the form of an array of polygons or in the form of parallel strip electrodes. All such embodiments, both explicitly described and evidently following from the information disclosed herein, are included within the scope of the present invention.

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 согласно изобретению. 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. according to the invention. 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. 8 и 9 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. 8 and 9 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, 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, a reconfigurable optical lens according to 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.

Так, например, может быть использовано более одной перестраиваемой оптической линзы (количество перестраиваемых оптических линз ≥ 1), которые могут быть собраны в виде набора (стека) перестраиваемых оптических линз, и при этом каждая из перестраиваемых оптических линз, включенных в набор (стек), содержит свою структуру управляющих электродов, реализующую соответствующие «наложенные» электродные структуры в соответствии с изобретением. При этом достигается дополнительное преимущество, состоящее в обеспечении большего количества различных величин оптической силы. Так, например, в случае использования стека из двух перестраиваемых оптических линз возможно обеспечение первой перестраиваемой оптической линзой, например, посредством двух электродных структур, следующего сочетания оптических сил: первая электродная структура - 0,33 дптр, вторая электродная структура - 1 дптр, 2 дптр, 3 дптр), и второй перестраиваемой оптической линзой, например, следующих величин оптической силы: 0,5 дптр, 1,5 дптр, 2,5 дптр.For example, more than one tunable optical lens (the number of tunable optical lenses ≥ 1) can be used, which can be assembled as a set (stack) of tunable optical lenses, and each of the tunable optical lenses included in the set (stack) , contains its own structure of control electrodes, realizing the corresponding "superimposed" electrode structures in accordance with the invention. This provides the additional advantage of providing a greater number of different dioptric power values. So, for example, in the case of using a stack of two tunable optical lenses, it is possible to provide the first tunable optical lens, for example, by means of two electrode structures, the following combination of optical forces: the first electrode structure is 0.33 diopters, the second electrode structure is 1 diopters, 2 diopters , 3 diopters), and a second tunable optical lens, for example, the following optical power values: 0.5 diopters, 1.5 diopters, 2.5 diopters.

Главное преимущество использования стека из более чем одной перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению состоит в возможности одновременного обеспечения нескольких величин оптической силы, например 0,33 дптр+2,5 дптр=2,83 дптр.The main advantage of using a stack of more than one tunable optical lens according to the invention is the ability to simultaneously provide several values of the optical power, for example 0.33 diopters + 2.5 diopters = 2.83 diopters.

С учетом вышеуказанного, предлагаемое изобретение обеспечивает следующие технические эффекты. Во-первых, «наложение» электродных структур в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность реализации набора оптических сил в одной перестраиваемой оптической линзе без необходимости использования нескольких перестраиваемых оптических линз. Это, в свою очередь, обеспечивает малую толщину оптической системы и уменьшение общих габаритов любого устройства, в котором используется перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению.In view of the above, the proposed invention provides the following technical effects. First, the "stacking" of electrode structures in accordance with the present invention allows the implementation of a set of optical powers in one tunable optical lens without the need for multiple tunable optical lenses. This, in turn, provides a thin optical system and reduces the overall size of any device that uses a tunable optical lens according to the invention.

Во-вторых, наличие нескольких соединений (переходных отверстий) на каждом управляющем электроде обеспечивает возможность реализации большего количества различных электродных структур посредством того же самого количества шин. Это позволяет, во-первых, обойтись одной перестраиваемой оптической линзой, а во-вторых - уменьшает рассеяние оптического излучения, вызванное наличием подложек.Secondly, having multiple connections (vias) on each gate electrode allows more different electrode structures to be implemented with the same number of busbars. This allows, firstly, one tunable optical lens to be dispensed with, and secondly, it reduces the scattering of optical radiation caused by the presence of substrates.

В-третьих, реализация нескольких (по меньшей мере двух) электродных структур обеспечивает широкий диапазон формируемых оптических сил, что дает реалистичное восприятие глубины резкости как наблюдаемого через линзу внешнего мира, так и наложенных на картину внешнего мира изображений виртуальных объектов, исключает конфликт вергенции и аккомодации и позволяет корректировать рефракционные ошибки глаз пользователя, как описано выше.Thirdly, the implementation of several (at least two) electrode structures provides a wide range of formed optical powers, which gives a realistic perception of the depth of field both observed through the lens of the outside world and images of virtual objects superimposed on the picture of the outside world, eliminates the conflict of vergence and accommodation. and allows you to correct the refractive errors of the user's eyes, as described above.

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-дисплеях), 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 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 reconfigurable optical lens of the invention can be used in helmet-mounted displays, vehicle windshield displays (HUDs), 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

1. An optical lens with a tunable focal length, containing a layer of electroactive material and a structure of control electrodes, in which the electrodes are connected to the buses for applying a control voltage to the electrodes to form phase profiles of optical radiation,

wherein the control electrode structure implements at least two electrode structures, each of said at least two electrode structures being connected to a set of buses different from the set of buses to which another of said at least two electrode structures is connected, each of at least at least two electrode structures realizes its own set of Fresnel zones by applying a certain voltage profile by means of a corresponding set of buses,

wherein at least one electrode in at least one of said at least two electrode structures is connected to at least two different lines.

2. The lens of claim. 1, in which the connection of the electrodes to the busbars is realized by means of vias.

3. The lens according to claim. 1, in which for the formation of different phase profiles of optical radiation, different buses are made with the possibility of supplying the electrodes with voltages of different magnitude.

4. The lens of claim. 1, wherein at least two adjacent electrodes in at least one of said at least two electrode structures are connected to the same bus.

5. The lens of claim. 1, in which the electrodes in the structure of the control electrodes are made in the form of concentric annular electrodes.

6. The lens of claim. 1, in which the electrodes in the structure of the control electrodes are made in the form of a set of polygons.

7. The lens of claim. 1, in which the electrodes in the structure of the control electrodes are made in the form of parallel strip electrodes.

8. The lens of claim. 1, in which each electrode structure of said at least two electrode structures has the same maximum radius, limited by the size of the aperture of the optical lens with a tunable focal length.

9. The lens of claim. 1, in which each electrode structure of said at least two electrode structures contains at least one group of electrodes corresponding to at least one Fresnel zone, providing at least one value of achievable optical power for an optical lens with adjustable focal length.

10. The lens of claim. 1, wherein each electrode in the gate structure has at least two connections to at least two buses for supplying at least two voltage values to generate at least two voltage profiles and thus at least two sets of Fresnel zones to provide at least two dioptric power values.

11. 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. 1-10.

12. The device according to claim 11, further comprising 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.

13. The device according to claim. 12, 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.

14. System of augmented reality (AR), containing at least one display device according to any one of claims. 11-13.

15. System of virtual reality (VR), containing at least one display device according to any one of claims. 11-13.