RU2799661C1 - Optical combiner for displaying augmented reality with correction of user's vision impairment, method of operation of the mentioned optical combiner, augmented reality glasses for displaying augmented reality with correction of user vision impairment - Google Patents

Optical combiner for displaying augmented reality with correction of user's vision impairment, method of operation of the mentioned optical combiner, augmented reality glasses for displaying augmented reality with correction of user vision impairment Download PDF

Info

Publication number
RU2799661C1
RU2799661C1 RU2023107401A RU2023107401A RU2799661C1 RU 2799661 C1 RU2799661 C1 RU 2799661C1 RU 2023107401 A RU2023107401 A RU 2023107401A RU 2023107401 A RU2023107401 A RU 2023107401A RU 2799661 C1 RU2799661 C1 RU 2799661C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
doe
output
user
optical combiner
Prior art date
Application number
RU2023107401A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Викторович Муравьев
Гаврил Николаевич Востриков
Александр Евгеньевич Ангервакс
Роман Александрович ОКУНЬ
Анастасия Сергеевна ПЕРЕВОЗНИКОВА
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Application granted granted Critical
Publication of RU2799661C1 publication Critical patent/RU2799661C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: augmented reality devices.
SUBSTANCE: optical combiner for displaying augmented reality with correction of user visual impairment contains a compensator, a waveguide having an input diffractive optical element (DOE) and an output DOE, a virtual image projector. The waveguide has such a thickness gradient along the first and second sides of the waveguide that as the rays that form the virtual image propagate inside the waveguide from the input DOE to the output DOE, the angle of incidence of said rays on the walls inside the waveguide increases. The output DOE is located opposite the user's eye and is configured to output rays that form a virtual image, incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of the output DOE angular selectivity, from the waveguide to the user's eye.
EFFECT: invention enables a user with vision problems to use augmented reality glasses and see both a virtual image and a real undistorted image of the external environment without using additional medical glasses.
27 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а также к очкам дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя.The present invention relates to augmented reality devices, as well as to augmented reality glasses with correction of visual impairment of the user.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art

Носимые очки дополненной реальности (AR) представляют собой персональное устройство, которое пользователь может использовать в качестве источника видеоинформации (изображения), проецируемой непосредственно в глаз пользователя в виде виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку. При конструировании очков дополненной реальности необходимо учитывать потребителей с нарушениями зрения, то есть имеющих дальнозоркость, близорукость, астигматизм и прочие отклонения зрения. Необходимо разработать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения (FOV - угловая характеристика, показывающая в каком диапазоне углов можно наблюдать виртуальные изображения, дополняющие окружающую пользователя реальную обстановку), малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, а также с оптической силой для пользователей с отклонениями зрения. Такие носимые устройства могут заменить пользователю любые источники видеоинформации, такие как телевизоры, смартфоны и т.д.Wearable augmented reality (AR) glasses are a personal device that the user can use as a source of video information (image) projected directly into the user's eye in the form of a virtual image that complements the user's real environment. When designing augmented reality glasses, it is necessary to take into account consumers with visual impairments, that is, those with farsightedness, myopia, astigmatism and other visual aberrations. It is necessary to develop devices for augmented reality glasses with a wide field of view (FOV - angular characteristic, showing in what range of angles it is possible to observe virtual images that complement the real environment around the user), low weight and cost, compactness and high resolution, as well as with optical power for users with visual impairments. Such wearable devices can replace any source of video information for the user, such as TVs, smartphones, etc.

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

- широкое поле зрения, чтобы обеспечить возможность наложения виртуального изображения на большую область пространства, которую видит человеческий глаз;- a wide field of view to enable the virtual image to be superimposed over a large area of space that the human eye can see;

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

- малый вес;- low weight;

- компактность;- compactness;

- низкая стоимость.- low cost.

Пользователь, который вынужден носить медицинские очки, при использовании очков дополненной реальности вынужден надевать их поверх своих медицинских очков, чтобы видеть и виртуальное изображение, и окружающий реальный мир четко и не размыто. Это является некомфортным, особенно при ношении в течение длительного времени.A user who is forced to wear medical glasses, when using augmented reality glasses, is forced to wear them over their medical glasses in order to see both the virtual image and the surrounding real world clearly and not blurry. This is uncomfortable, especially when worn for a long time.

Оптическим устройством, осуществляющим совмещение виртуального изображения с реальной обстановкой, окружающей пользователя, является оптический комбайнер (optical combiner). В качестве комбайнера в настоящее время наибольшее распространение получили планарные (плоские) волноводы, на поверхности которых располагаются дифракционные оптические элементы (ДОЭ) для ввода, преобразования и вывода оптического излучения. Планарный волновод представляет собой прозрачную пластину из оптического материала с двумя плоскопараллельными поверхностями. Пучок параллельных лучей внутри такого волновода может распространяться без искажений на любое расстояние. Устройства дополненной реальности с такими комбайнерами обладают малым весом, малыми размерами, низкой стоимостью, могут обеспечить широкое поле зрения, имеют высокую пропускаемость, то есть высокое пропускание реального изображения.An optical device that combines a virtual image with the real environment surrounding the user is an optical combiner. Planar (flat) waveguides, on the surface of which there are diffractive optical elements (DOE) for input, conversion and output of optical radiation, are currently the most widely used as a combiner. A planar waveguide is a transparent plate of optical material with two plane-parallel surfaces. A beam of parallel rays inside such a waveguide can propagate without distortion to any distance. Augmented reality devices with such combiners are lightweight, small in size, low in cost, can provide a wide field of view, and have high transmission, that is, high transmission of a real image.

Однако, в таких устройствах края, где расположены проекторы изображения, располагаются далеко от височной части головы пользователя, поэтому такие очки при использовании занимают большое пространство. Кроме того, такие комбайнеры формируют виртуальное изображение не только со стороны, где располагается глаз пользователя, но и с противоположенной от пользователя стороны. Это может приводить к тому, что внешний наблюдатель при определенном расположении, сможет, так же, как и пользователь, частично или полностью увидеть виртуальное изображение, формируемое для пользователя, что может быть нежелательно.However, in such devices, the edges where the image projectors are located are located far from the temporal part of the user's head, so such glasses take up a large space during use. In addition, such combiners form a virtual image not only from the side where the user's eye is located, but also from the side opposite from the user. This may lead to the fact that an external observer, at a certain location, will be able, just like the user, to partially or completely see the virtual image generated for the user, which may be undesirable.

В качестве оптического комбайнера возможно использовать изогнутые волноводы, расположенные на голове пользователя таким образом, что они огибают овал головы пользователя, очки с таким комбайнером будут более компактными и удобными, будут иметь меньшие габариты, устройство с таким комбайнером будет более эргономичным и эстетичным. Однако, использование изогнутого волновода в качестве комбайнера сопряжено со значительными сложностями при преобразовании и передаче оптического излучения через него.As an optical combiner, it is possible to use curved waveguides located on the user's head in such a way that they go around the oval of the user's head, glasses with such a combiner will be more compact and convenient, they will have smaller dimensions, a device with such a combiner will be more ergonomic and aesthetic. However, the use of a curved waveguide as a combiner is associated with significant difficulties in converting and transmitting optical radiation through it.

Например, рассмотрим случай падения параллельного пучка лучей на изогнутый волновод. Пусть этот пучок вводится внутрь волновода с помощью вводной дифракционной решетки с постоянным периодом. Пучок падающих на волновод параллельных лучей превратится внутри волновода в непараллельный пучок, лучи которого будут распространяться внутри волновода под разными углами. Этот эффект необходимо учитывать и компенсировать при проектировании очков дополненной реальности с изогнутым комбайнером.For example, consider the case of a parallel beam of rays falling on a curved waveguide. Let this beam be introduced into the waveguide using an introductory diffraction grating with a constant period. A beam of parallel rays incident on the waveguide will turn inside the waveguide into a non-parallel beam, the rays of which will propagate inside the waveguide at different angles. This effect must be taken into account and compensated for when designing augmented reality glasses with a curved combiner.

Из уровня техники известен документ US 10,466,477 B2 (дата публикации 05.11.2019), в котором раскрыта система дополненной реальности, содержащая набор планарных волноводов, имеющих оптическую силу. Изображение подается от проектора через волноводы в глаз пользователя. Виртуальное изображение, пройдя через волноводы, испытывает преобразование в соответствии со зрением пользователя. То есть известная система корректирует виртуальное изображение под зрение пользователя. Недостатками известного устройства являются большое количество волноводов, каждый из которых имеет свою оптическую силу, а также использование большого количества деформированных оптических элементов, что усложняет изготовление системы. Известная система является громоздкой и не может использоваться для ежедневного ношения очков дополненной реальности. В известной системе не осуществляется коррекция реальной сцены под зрение пользователя.From the prior art document US 10,466,477 B2 (publication date 05.11.2019) is known, which discloses an augmented reality system containing a set of planar waveguides with optical power. The image is fed from the projector through waveguides to the user's eye. The virtual image, passing through the waveguides, undergoes a transformation in accordance with the user's vision. That is, the known system corrects the virtual image according to the user's vision. The disadvantages of the known device are a large number of waveguides, each of which has its own optical power, as well as the use of a large number of deformed optical elements, which complicates the manufacture of the system. The known system is cumbersome and cannot be used for daily wear of augmented reality glasses. In the known system, the real scene is not corrected for the user's vision.

Из уровня техники известен документ US 9,632,312 B1(дата публикации 25.04.2017), в котором раскрыто оптическое устройство, включающее в себя оптический элемент, имеющий поверхность, обращенную к глазам, и поверхность, обращенную к внешнему пространству. Оптическое устройство также включает в себя дифракционный оптический элемент, повторяющий кривизну обращенной в глаз поверхности. Кривизна обращенной в глаз поверхности первого оптического элемента сконфигурирована для коллимации света изображения в области размером с ширину поля зрения. Известное устройство корректирует только виртуальное изображение образ, то есть не осуществляется коррекция реального изображения.The document US 9,632,312 B1 (publication date 04/25/2017) is known from the prior art, in which an optical device is disclosed, including an optical element having a surface facing the eyes and a surface facing the external space. The optical device also includes a diffractive optical element that follows the curvature of the surface facing the eye. The curvature of the eye-facing surface of the first optical element is configured to collimate the image light in an area the size of the width of the field of view. The known device corrects only the virtual image of the image, that is, the real image is not corrected.

Из уровня техники известен документ US 9,389,422 B1 (дата публикации 12.07.2016). Устройство носимого на голове дисплея включает в себя световодный компонент сложной формы, для направления света, принимаемого в периферийном месте дисплея, смещенном от области просмотра, и излучения света в области просмотра. Свет вводится в световодный компонент таким образом, что внутри светового компонента свет распространяется посредством полного внутреннего отражения. Благодаря форме призмы свет, распространяющийся внутри, меняет свой угол отражения, и таким образом, через несколько переотражений, некоторая часть света перестает испытывать полное внутреннее отражение и выходят из световодного компонента. Для выравнивания яркости выводимого изображения в области глаз пользователя нанесены частично отражающие покрытия, что является недостатком решения, поскольку частичное отражающее покрытие уменьшает яркость света от реальной сцены. То есть в известном решении не корректируется изображение реальной сцены.The document US 9,389,422 B1 is known from the prior art (publication date 07/12/2016). The head-worn display device includes an intricately shaped light guide component for guiding light received at a display peripheral position offset from the viewing area and emitting light into the viewing area. Light is introduced into the light guide component such that the light propagates within the light component by total internal reflection. Due to the shape of the prism, the light propagating inside changes its angle of reflection, and thus, after several reflections, some of the light ceases to experience total internal reflection and exits the light guide component. To equalize the brightness of the displayed image, partially reflective coatings are applied in the region of the user's eyes, which is a drawback of the solution, since the partial reflective coating reduces the brightness of the light from the real scene. That is, in the known solution, the image of the real scene is not corrected.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является решение, раскрытое в документе US 2021/0389592 A1 (дата публикации 16.12.2021). В известном решении используется волновод свободной формы, через который передается виртуальное изображение. К волноводу с помощью вязкой или жидкой субстанции приклеен дополнительный оптический элемент. Устройство корректирует изображение как виртуальной сцены, так и реальной сцены в зависимости от проблем со зрением пользователя. Основными недостатками известного решения является то, что волновод и дополнительный оптический элемент склеены друг с другом, что накладывает ограничения на условия полного внутреннего отражения внутри волновода, поскольку именно контраст показателя преломления волновода и окружающей среды является ключевым фактором для расширения диапазона углов, под которым передается изображение виртуальной реальности, то есть поля зрения. В случае известного решения часть лучей будет распространяться в субстанции, с помощью которой дополнительный оптический элемент приклеен к волноводу, значит, поле зрения ограничивается и качество отображения виртуальной реальности ухудшается.The closest analogue of the present invention is the solution disclosed in the document US 2021/0389592 A1 (publication date 12/16/2021). The known solution uses a free-form waveguide through which a virtual image is transmitted. An additional optical element is glued to the waveguide using a viscous or liquid substance. The device corrects the image of both the virtual scene and the real scene depending on the user's vision problems. The main disadvantages of the known solution is that the waveguide and the additional optical element are glued together, which imposes restrictions on the conditions of total internal reflection inside the waveguide, since it is the contrast between the refractive index of the waveguide and the environment that is the key factor for expanding the range of angles at which the image is transmitted. virtual reality, that is, the field of view. In the case of a well-known solution, part of the rays will propagate in the substance with which an additional optical element is glued to the waveguide, which means that the field of view is limited and the quality of the virtual reality display deteriorates.

Таким образом, необходимо создать устройства очков дополненной реальности с широким полем зрения, малым весом и стоимостью, компактностью и высоким разрешением, а также с оптической силой для пользователей с отклонениями зрения.Thus, it is necessary to create augmented reality glasses devices with a wide field of view, low weight and cost, compactness and high resolution, as well as with optical power for users with visual impairments.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Предлагается оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий:An optical combiner is proposed for displaying augmented reality with correction of visual impairment of the user, containing:

компенсатор;compensator;

волновод;waveguide;

проектор виртуального изображения;virtual image projector;

причем компенсатор выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды через свою первую сторону, располагающуюся напротив внешней среды, и свою вторую сторону, противоположную первой стороне,moreover, the compensator is configured to pass the image of the external environment through its first side, located opposite the external environment, and its second side, opposite to the first side,

причем волновод имеет первую сторону, располагающуюся со стороны пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне, на одной из упомянутых сторон расположены вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ, первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза пользователя; moreover, the waveguide has a first side located on the side of the user and a second side opposite the first side, on one of the said sides there are an input diffractive optical element (DOE) and an output DOE, the first side of the waveguide has a curvature, the center of which is located on the side of the user's eye;

причем между второй стороной компенсатора и второй стороной волновода предусмотрен зазор, выполненный с возможностью пропускать изображение внешней среды, прошедшее компенсатор, в волновод; moreover, between the second side of the compensator and the second side of the waveguide, a gap is provided, configured to pass the image of the external environment that has passed the compensator into the waveguide;

причем волновод выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды, и выводить его посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя;moreover, the waveguide is configured to transmit an image of the external environment, and output it through the output DOE to the user's eye;

причем компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью коррекции нарушения зрения пользователя при рассматривании пользователем изображения внешней среды;moreover, the compensator, the gap and the waveguide are configured to correct visual impairment of the user when the user views the image of the external environment;

причем проектор виртуального изображения расположен с возможностью ввода лучей, формирующих виртуальное изображение посредством вводного ДОЭ в волновод;moreover, the projector of the virtual image is located with the possibility of introducing beams that form a virtual image through the input DOE into the waveguide;

причем волновод выполнен с возможностью распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода, и вывода виртуального изображения посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя,moreover, the waveguide is configured to propagate the virtual image-forming beams from the input DOE to the output DOE by means of total internal reflection from the walls inside the waveguide, and to output the virtual image through the output DOE to the user's eye,

причем волновод имеет градиент толщины вдоль первой и второй стороны волновода такой, что по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;moreover, the waveguide has a thickness gradient along the first and second sides of the waveguide such that as the rays that form the virtual image propagate inside the waveguide from the input DOE to the output DOE, the angle of incidence of said rays on the walls inside the waveguide increases;

причем выводной ДОЭ расположен напротив глаза пользователя, и выполнен с возможностью вывода лучей, формирующих виртуальное изображение, падающих на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, из волновода в глаз пользователя.moreover, the output DOE is located opposite the user's eye, and is configured to output rays that form a virtual image, incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of the output DOE angular selectivity, from the waveguide to the user's eye.

Зазор может иметь одинаковую толщину вдоль всей своей длины. Зазор может иметь градиент толщины вдоль компенсатора и волновода. Зазор может иметь градиент толщины в направлении от компенсатора к волноводу. Зазор может иметь градиент толщины в направлении от волновода к компенсатору. Компенсатор может иметь такую форму, что зазор является изогнутым. Волновод может иметь такую форму, что зазор является изогнутым. Компенсатор и волновод могут иметь такую форму, что зазор является прямым. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию рассеивающей линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию собирающей линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию цилиндрической линзы. Компенсатор, зазор и волновод могут быть выполнены с возможностью выполнять функцию торической линзы. Компенсатор и волновод могут быть закреплены в оправе таким образом, что разделяются зазором. Зазор может быть воздушным. Зазор может быть заполнен жидкостью. Жидкость может быть фотохромной жидкостью. Зазор может представлять собой слой жидких кристаллов. Выводной ДОЭ может быть образован слоем жидких кристаллов. Выводной ДОЭ может быть записан в виде голографической дифракционной решетки. Выводной ДОЭ может быть рельефно-фазовой селективной дифракционной решеткой. Выводной ДОЭ может быть записан в виде мультиплексной голограммы. Выводной ДОЭ может быть объемной Брэгговской дифракционной решеткой с селективной по углу дифракцией. Выводной ДОЭ может располагаться на первой поверхности волновода. Выводной ДОЭ может располагаться на второй поверхности волновода. Дифракционная эффективность выводного ДОЭ может составлять более 90%.The gap may have the same thickness along its entire length. The gap may have a thickness gradient along the compensator and waveguide. The gap may have a thickness gradient in the direction from the compensator to the waveguide. The gap may have a thickness gradient in the direction from the waveguide to the compensator. The compensator may be shaped such that the gap is curved. The waveguide may be shaped such that the gap is curved. The compensator and waveguide may be shaped such that the gap is straight. The compensator, gap, and waveguide may be configured to function as a divergent lens. The compensator, gap, and waveguide may be configured to function as a converging lens. The compensator, gap, and waveguide may be configured to function as a cylindrical lens. The compensator, gap, and waveguide may be configured to function as a toric lens. The compensator and the waveguide can be fixed in the frame in such a way that they are separated by a gap. The gap may be air. The gap may be filled with liquid. The liquid may be a photochromic liquid. The gap may be a layer of liquid crystals. The output DOE can be formed by a layer of liquid crystals. The output DOE can be written as a holographic diffraction grating. The output DOE can be a relief-phase selective diffraction grating. The output DOE can be recorded as a multiplex hologram. The output DOE may be a volumetric Bragg grating with angle-selective diffraction. The output DOE may be located on the first surface of the waveguide. The output DOE may be located on the second surface of the waveguide. The diffraction efficiency of the output DOE can be over 90%.

Предлагается способ работы упомянутого оптического комбайнера для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий этапы, на которых:A method is proposed for the operation of the mentioned optical combiner for displaying augmented reality with correction of visual impairment of the user, containing the steps at which:

А) выводят виртуальное изображение в глаз пользователя следующим образом:A) display a virtual image in the user's eye as follows:

формируют виртуальное изображение посредством проектора виртуального изображения;generating a virtual image by means of a virtual image projector;

вводят посредством вводного ДОЭ лучи, формирующие виртуальное изображение, в волновод,by means of an introductory DOE, rays forming a virtual image are introduced into the waveguide,

причем лучи, формирующие виртуальное изображение, распространяются от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ в волноводном режиме посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода,moreover, the rays that form the virtual image propagate from the input DOE to the output DOE in the waveguide mode by means of total internal reflection from the walls inside the waveguide,

причем по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;moreover, as the rays that form a virtual image propagate inside the waveguide from the input DOE to the output DOE, the angle of incidence of said rays on the walls inside the waveguide increases;

выводят лучи, формирующие виртуальное изображение, в глаз пользователя, посредством выводного ДОЭ, таким образом, что выводятся только лучи, падающие на выводной ДОЭ по углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ,outputting the virtual image forming beams to the user's eye by means of the output DOE in such a way that only the rays incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of output DOE angular selectivity are output,

при этом остальные лучи распространяются далее вдоль волновода, увеличивая свой угол падения на стенки волновода, и выводятся в том месте выводного ДОЭ, где их угол падения на выводной ДОЭ становится равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ;in this case, the remaining beams propagate further along the waveguide, increasing their angle of incidence on the waveguide walls, and are output at the point of the output DOE, where their angle of incidence on the output DOE becomes equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of angular selectivity of the output DOE;

Б) выводят изображение внешней среды в глаз пользователя следующим образом:B) display an image of the external environment in the user's eye as follows:

пропускают изображение внешней среды через компенсатор, зазор, волновод, содержащий вводной ДОЭ и выводной ДОЭ, корректируя изображение внешней среды в соответствии с нарушением зрения пользователя, при этом ДОЭ не влияет на проходящее излучение от внешней среды и только пропускает его; passing the image of the external environment through the compensator, the gap, the waveguide containing the input DOE and the output DOE, correcting the image of the external environment in accordance with the impairment of the user's vision, while the DOE does not affect the transmitted radiation from the environment and only passes it;

этапы (А) и (Б) осуществляются одновременно, формируя на сетчатке глаза пользователя изображение внешней среды, скорректированное для компенсации нарушения зрения пользователя, дополненное виртуальным изображением.steps (A) and (B) are carried out simultaneously, forming on the user's retina an image of the external environment, corrected to compensate for the user's visual impairment, supplemented by a virtual image.

Предлагаются очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой предлагаемый оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя.Augmented reality glasses are provided comprising a left eye element and a right eye element, wherein each of the left and right eye elements is an inventive optical combiner for displaying augmented reality with correction of a user's visual impairment.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

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

Фиг. 1 иллюстрирует оптический комбайнер согласно предлагаемому изобретению.Fig. 1 illustrates an optical combiner according to the present invention.

Фиг. 2 иллюстрирует работу вводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), а также работу выводного ДОЭ.Fig. 2 illustrates the operation of the input diffractive optical element (DOE), as well as the operation of the output DOE.

Фиг. 3 иллюстрирует две формы зазоров.Fig. 3 illustrates two forms of gaps.

Фиг. 4 иллюстрирует формы оптического комбайнера, а) при близорукости, б) при дальнозоркости, в) при астигматизме.Fig. 4 illustrates the shapes of the optical combiner, a) with myopia, b) with hyperopia, c) with astigmatism.

Фиг. 5 иллюстрирует расположение выводного ДОЭ, а) на ближайшей к глазу пользователя поверхности волновода, б) на противоположной поверхности волновода, примыкающей к зазору.Fig. 5 illustrates the location of the output DOE, a) on the waveguide surface closest to the user's eye, b) on the opposite waveguide surface adjacent to the gap.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность пользователю с проблемами зрения использовать очки дополненной реальности и видеть без искажений как виртуальное изображение, так и реальное изображение внешней среды без использования дополнительных медицинских очков. Предлагаемое устройство также позволяет увеличить поле зрения, имеет малый вес и стоимость, компактность и высокое разрешение.The proposed invention enables a user with vision problems to use augmented reality glasses and see without distortion both a virtual image and a real image of the external environment without the use of additional medical glasses. The proposed device also allows you to increase the field of view, has a low weight and cost, compactness and high resolution.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:The following terms are used in describing the present invention:

Виртуальное изображение - это мнимое изображение, полученное продолжением лучей, которые не сходятся в пространстве предметов. Суть виртуального изображения для использования в устройствах дополненной реальности состоит в том, что такое изображение должно быть мнимым, иначе пользователь его не увидит. Реальное изображение является действительным изображением физически существующих объектов.A virtual image is an imaginary image obtained by the continuation of rays that do not converge in the space of objects. The essence of a virtual image for use in augmented reality devices is that such an image must be imaginary, otherwise the user will not see it. A real image is a real image of physically existing objects.

Оптический комбайнер (optical combiner) - это оптическое устройство, обеспечивающее формирование перед пользователем виртуального изображения, дополняющего окружающую пользователя реальную обстановку, при этом не препятствуя наблюдению пользователем окружающей реальной обстановки. В качестве оптического комбайнера в настоящей заявке используется волновод с градиентом толщины, имеющий вводной ДОЭ (дифракционный оптический элемент) и выводной ДОЭ, центры которых располагаются в одной плоскости с нормалями к поверхности волновода в этих точках.An optical combiner is an optical device that provides the formation of a virtual image in front of the user that complements the real environment around the user, while not interfering with the user's observation of the real environment. As an optical combiner in this application, a waveguide with a thickness gradient is used, having an input DOE (diffractive optical element) and an output DOE, the centers of which are located in the same plane with the normals to the surface of the waveguide at these points.

Поле зрения (FOV) оптической системы (угловое поле) - это угловой диапазон, в пределах которого пользователь может наблюдать изображение, формируемое оптической системой. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения.The field of view (FOV) of an optical system (angular field) is the angular range within which the user can observe the image generated by the optical system. The center of the field of view corresponds to the center of the image, and the edge of the field of view corresponds to the edge of the maximum possible image size.

Поле движения глаз (Eye motion box (EMB)) - это область, внутри которой глаз, перемещаясь, может видеть все поле зрения, формируемое устройством дополненной реальности без потерь и с заданным качеством, то есть в зрачок глаза попадает все поле зрение, а именно, лучи из любой точки изображения. За пределами этой области часть поля зрения теряется частично или полностью, т.е. вне этой области во входной зрачок глаза не попадают лучи от всего либо от какой-то части виртуального изображения. Глаз постоянно движется, вращается и при этом постоянно смещается зрачок глаза. Поле движения глаз оптического комбайнера устройства дополненной реальности должно соответствовать диапазону возможного движения глаза пользователя.Eye motion box (EMB) is an area within which the eye, moving, can see the entire field of view formed by the augmented reality device without loss and with a given quality, that is, the entire field of view falls into the pupil of the eye, namely , rays from anywhere in the image. Outside this area, part of the field of view is lost partially or completely, i.e. outside this area, the rays from all or from some part of the virtual image do not enter the entrance pupil of the eye. The eye is constantly moving, rotating and at the same time the pupil of the eye is constantly shifting. The eye movement field of the optical combiner of the augmented reality device must correspond to the range of possible eye movement of the user.

Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют лучи, формирующие все поле зрения. В волноводной оптике известны технические решения для размножения выходного зрачка, то есть увеличения его размеров, без увеличения размеров оптической системы в направлении оптической оси. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом значительно увеличиваются размеры оптической системы, волноводная оптика, за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода, позволяет это делать без увеличения габаритов в направлении оптической оси оптической системы.The exit pupil (or the pupil of the optical system) is a paraxial image of the aperture stop in image space, formed by the next part of the optical system in the forward path of the rays. This term is well-established in optics. The main property of the exit pupil is that at any point there are rays that form the entire field of view. In waveguide optics, technical solutions are known for multiplying the exit pupil, that is, increasing its size, without increasing the size of the optical system in the direction of the optical axis. Classical optics allows you to increase the size of the exit pupil, but at the same time, the size of the optical system increases significantly, waveguide optics, due to the multiple reflection of beams of rays inside the waveguide, allows you to do this without increasing the dimensions in the direction of the optical axis of the optical system.

На Фиг. 1 показан оптический комбайнер. Согласно предлагаемому изобретению оптический комбайнер изготавливается для конкретного пользователя, имеющего проблемы со зрением.On FIG. 1 shows an optical combiner. According to the invention, an optical combiner is manufactured for a specific user with vision problems.

Оптический комбайнер состоит из двух частей, на фиг. 1 показаны первая часть 1 оптического комбайнера и вторая часть 2 оптического комбайнера. Первая часть 1 оптического комбайнера представляет собой волновод 1, предназначенный для подачи виртуального изображения в глаз пользователя. Волновод 1 имеет первую сторону, располагающуюся со стороны лица пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне. На одной из первой или второй сторон располагаются вводной 3 ДОЭ и выводной 4 ДОЭ. Причем выводной 4 ДОЭ располагается напротив глаза 5 пользователя и выводит виртуальное изображение в глаз пользователя частями, как будет описано ниже. Первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза 5 пользователя, а также волновод 1 имеет градиент толщины вдоль первой и второй сторон волновода. Кривизна волновода необходима, чтобы вышедшие из волновода с помощью выводного 4 ДОЭ лучи распространялись под разными углами и тем самым формировали изображение на выходе из волновода, соответствующее изображению, подаваемому на вводной 3 ДОЭ. То есть лучи, выходящие из волновода в части выводного 4 ДОЭ, располагающейся ближе к виску пользователя, и соответствующие одному краю изображения, будут иметь максимальный угол падения на глаз. Лучи, выходящие из волновода в части выводного 4 ДОЭ, располагающейся ближе к переносице пользователя, и соответствующие второму, противоположному, краю изображения, будут иметь минимальный угол падения на глаз. При этом из центра выводного 4 ДОЭ будут выходить лучи, соответствующие центру изображения.The optical combiner consists of two parts, in Fig. 1 shows a first optical combiner part 1 and a second optical combiner part 2. The first part 1 of the optical combiner is a waveguide 1 for delivering a virtual image to the user's eye. The waveguide 1 has a first side located on the side of the user's face and a second side opposite the first side. On one of the first or second sides there are inlet 3 DOE and output 4 DOE. Moreover, the DOE output 4 is located opposite the user's eye 5 and displays a virtual image in the user's eye in parts, as will be described below. The first side of the waveguide has a curvature centered on the side of the user's eye 5, and the waveguide 1 also has a thickness gradient along the first and second sides of the waveguide. The curvature of the waveguide is necessary so that the rays that come out of the waveguide using the output 4 DOE propagate at different angles and thereby form an image at the exit from the waveguide corresponding to the image supplied to the input 3 DOE. That is, the rays emerging from the waveguide in the part of the output 4 DOE located closer to the user's temple, and corresponding to one edge of the image, will have a maximum angle of incidence on the eye. The rays emerging from the waveguide in the part of the output 4 DOE, located closer to the user's nose, and corresponding to the second, opposite, edge of the image, will have a minimum angle of incidence on the eye. In this case, rays corresponding to the center of the image will emerge from the center of the output 4 DOE.

Проектор 6 виртуального изображения расположен с возможностью подачи виртуального изображения через вводной 3 ДОЭ в волновод 1. The projector 6 of the virtual image is located with the possibility of supplying a virtual image through the inlet 3 of the DOE to the waveguide 1.

Вторая часть оптического комбайнера - компенсатор 2. Компенсатор 2 совместно с волноводом 1 используются для компенсации зрения пользователя, имеющего проблемы со зрением. Компенсатор 2 пропускает реальное изображение внешней среды в до волновода, прозрачный для изображения внешней среды, далее скомпенсированное с учетом зрения пользователя изображение внешней среды попадает в глаз пользователя. Компенсатор 2 имеет первую сторону и вторую сторону, противоположную первой стороне. Первая сторона компенсатора 2 располагается напротив внешней среды. Вторая сторона компенсатора 2 располагается напротив второй стороны волновода 1. Длина второй стороны волновода 1 равна длине второй стороны компенсатора 2. Между второй стороной компенсатора 2 и второй стороной волновода 1 предусмотрен зазор 7.The second part of the optical combiner is the compensator 2. The compensator 2 together with the waveguide 1 are used to compensate for the vision of a user with vision problems. The compensator 2 passes the real image of the external environment to the waveguide, which is transparent for the image of the external environment, then the image of the external environment, compensated for the user's vision, enters the user's eye. The compensator 2 has a first side and a second side opposite the first side. The first side of the compensator 2 is located opposite the external environment. The second side of the compensator 2 is located opposite the second side of the waveguide 1. The length of the second side of the waveguide 1 is equal to the length of the second side of the compensator 2. A gap 7 is provided between the second side of the compensator 2 and the second side of the waveguide 1.

Необходимо заметить, что излучение, составляющее виртуальное изображение, не выходит из волновода в направлении зазора, а распространяется в волноводе посредством полного внутреннего отражения от стенок волновода. Свет от внешней среды проходит через компенсатор, зазор, волновод и попадает в глаз. Компенсатор 2, зазор 7 и волновод 1 образуют обычную коррекционную очковую линзу, корректирующую нарушения зрения пользователя. Компенсация зрения пользователя осуществляется как в обычных корректирующих очках (см., например, https://studfile.net/preview/10641980/page:2/). Зазор, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки, не вносит никаких искажений в проходящее излучение, составляющее реальное изображение. Например, когда необходимо скорректировать близорукость, конструкция, состоящая из волновода, зазора и компенсатора выполняется такой, что имеет свойства линзы с отрицательной оптической силой, а когда необходимо скорректировать дальнозоркость, то конструкция, состоящая из волновода, зазора и компенсатора выполняется такой, что имеет свойства положительной линзы.It should be noted that the radiation that makes up the virtual image does not leave the waveguide in the direction of the gap, but propagates in the waveguide through total internal reflection from the walls of the waveguide. Light from the external environment passes through the compensator, gap, waveguide and enters the eye. The compensator 2, the gap 7 and the waveguide 1 form a conventional corrective eyeglass lens that corrects visual impairments of the user. The user's vision is compensated as in normal corrective glasses (see, for example, https://studfile.net/preview/10641980/page:2/). The gap, made in the form of a plane-parallel plate, does not introduce any distortion into the transmitted radiation, which makes up the real image. For example, when it is necessary to correct myopia, the structure consisting of the waveguide, the gap, and the compensator is made such that it has the properties of a lens with a negative optical power, and when it is necessary to correct farsightedness, the structure consisting of the waveguide, the gap, and the compensator is made such that it has the properties positive lens.

Зазор 7 может иметь одинаковую толщину вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора. Также зазор 7 может иметь разную толщину вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора, то есть зазор может иметь градиент толщины вдоль второй стороны волновода и второй стороны компенсатора.The gap 7 may have the same thickness along the second side of the waveguide and the second side of the compensator. Also, the gap 7 may have a different thickness along the second side of the waveguide and the second side of the compensator, that is, the gap may have a thickness gradient along the second side of the waveguide and the second side of the compensator.

Компенсатор 2 может иметь градиент толщины вдоль первой и второй сторон компенсатора, а также может не иметь градиента толщины.The compensator 2 may or may not have a thickness gradient along the first and second sides of the compensator.

Оптический комбайнер может иметь любую форму, подходящую для пользователя, например, такую же, как форма очковой линзы. The optical combiner may be of any shape suitable for the wearer, such as the same shape as a spectacle lens.

Излучение от внешней среды не попадает в волноводный режим в волноводе 1, а проходит волновод 1 насквозь испытывая в волноводе только преломление. Излучение, формирующее виртуальное изображение, распространяется по волноводу 1 в волноводном режиме, то есть испытывая ПВО (полное внутреннее отражение) от стенок волновода. Компенсатор 2 и волновод 1 закрепляются, например, в оправе, таким образом, что между ними образуется зазор.Radiation from the external environment does not enter the waveguide regime in waveguide 1, but passes through waveguide 1, experiencing only refraction in the waveguide. The radiation that forms the virtual image propagates along the waveguide 1 in the waveguide mode, that is, experiencing TIR (total internal reflection) from the walls of the waveguide. The compensator 2 and the waveguide 1 are fixed, for example, in the frame, so that a gap is formed between them.

Фиг. 2 иллюстрирует волновод 1 и расположение, а также работу вводного 3 ДОЭ и выводного 4 ДОЭ. Как было описано выше вводной 3 ДОЭ и выводной 4 ДОЭ располагаются либо на первой стороне волновода 1, либо на второй стороне волновода 1. Выводной 4 ДОЭ располагается напротив глаза 5 пользователя и выводит виртуальное изображение в глаз 5 пользователя.Fig. 2 illustrates the waveguide 1 and the arrangement and operation of the DOE inlet 3 and DOE out 4. As described above, the input 3 DOE and the output 4 DOE are located either on the first side of the waveguide 1 or on the second side of the waveguide 1. The output 4 DOE is located opposite the user's eye 5 and displays a virtual image in the user's eye 5.

На фиг. 2 показано виртуальное изображение паровозика, которое из проектора попадает в волновод через вводной 3 ДОЭ. Как известно, проектор переводит линейное изображение в угловое, то есть виртуальное изображение, спроецированное проектором, состоит из лучей, углы падения которых на вводной ДОЭ последовательно уменьшаются от одного края изображения к противоположному краю изображения. То есть, угол ввода лучей, составляющих виртуальное изображение увеличивается вдоль длины изображения, если рассматривать изображение, например, слева направо, то луч, составляющий изображение, находящийся правее предыдущего луча, вводится под углом меньшим угла ввода этого предыдущего луча. Например, на фиг. 2, изображение в виде паровозика, спроецированное проектором, состоит из лучей, углы падения которых на вводной ДОЭ уменьшаются от самого левого вагона к самому правому. Другими словами, углы падения на вводной ДОЭ лучей, составляющих изображение самого левого вагона больше, чем углы падения на вводной ДОЭ лучей, составляющих изображение самого правого вагона. При распространении внутри волновода углы падения/отражения (далее будет упоминаться только термин «угол падения», поскольку угол падения равен углу отражения) лучей, составляющих изображение, на/от стенки волновода линейно увеличиваются по мере передвижения луча внутри волновода, поскольку толщина волновода увеличивается по направлению от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ (градиент толщины волновода). В пунктирной прямоугольной рамке показано изменение угла падения луча на стенки внутри волновода между двумя соседними падениями одного и того же луча, на одну и ту же стенку волновода по мере продвижения лучей внутри волновода (для наглядности показано изображение паровозика, которое состоит из лучей, продвигающихся внутри волновода). Наглядно видно, что угол падения каждого луча, составляющего изображение, увеличивается по мере прохождения через волновод на определенную величину (величина δ на графике в рамке).In FIG. 2 shows a virtual image of a locomotive, which from the projector enters the waveguide through the input 3 of the DOE. As you know, the projector transforms a linear image into an angular one, that is, the virtual image projected by the projector consists of rays, the angles of incidence of which on the input DOE decrease sequentially from one edge of the image to the opposite edge of the image. That is, the input angle of the rays constituting the virtual image increases along the length of the image, if the image is viewed, for example, from left to right, then the beam constituting the image to the right of the previous beam is entered at an angle smaller than the input angle of this previous beam. For example, in FIG. 2, the image in the form of a train projected by the projector consists of rays, the angles of incidence of which on the introductory DOE decrease from the leftmost car to the rightmost one. In other words, the angles of incidence on the input DOE of the rays that make up the image of the leftmost car are greater than the angles of incidence on the input DOE of the rays that make up the image of the rightmost car. When propagating inside the waveguide, the angles of incidence/reflection (hereinafter, only the term "angle of incidence" will be referred to, since the angle of incidence is equal to the angle of reflection) of the beams that make up the image to/from the wall of the waveguide increase linearly as the beam travels inside the waveguide, since the thickness of the waveguide increases along direction from the input DOE to the output DOE (waveguide thickness gradient). The dotted rectangular frame shows the change in the angle of incidence of the beam on the walls inside the waveguide between two adjacent incidences of the same beam, on the same wall of the waveguide as the rays move inside the waveguide (for clarity, an image of a locomotive is shown, which consists of rays moving inside waveguide). It can be clearly seen that the angle of incidence of each beam that makes up the image increases as it passes through the waveguide by a certain amount (the value of δ in the graph in the box).

В настоящем изобретении используется селективный по углу дифракции вывод виртуального изображения в глаз пользователя. Из каждой области выводного 4 ДОЭ, например, на фиг. 2 показаны области (а), (b), (c), выводится за счет дифракции только часть излучения, падающего на выводной 4 ДОЭ под диапазоном углов, определенном при изготовлении, называемом диапазоном угловой селективности выводного ДОЭ, для вывода лучей, составляющих виртуальное изображение. Для этого выводной 4 ДОЭ выполняется селективным по углу падения излучения на него, то есть имеет разную дифракционную эффективность для разных углов падения излучения на выводной ДОЭ. Как показано на фиг. 2 в круглой рамке, угол падения луча на выводной ДОЭ - это угол между лучом и нормалью к выводному ДОЭ в точке падения. Для определенного диапазона величин углов падения лучей, который является диапазоном селективности выводного ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ должна быть высокой, тогда луч, падающий на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, будет выводиться из волновода в глаз пользователя. Для всех остальных углов падения, меньших по величине, чем величины углов, входящих в упомянутый диапазон угловой селективности выводного ДОЭ, дифракционная эффективность выводного ДОЭ должна быть низкой, чтобы такое излучение не выходило из волновода, а проходило далее по волноводу. Диапазон селективности выводного ДОЭ выбирается и рассчитывается на стадии изготовления и зависит от изначальных требований к виртуальному изображению, таких как размер, контраст, разрешение, равномерность и т.д. Диапазон селективности ограничивает выведение из волновода лучей, падающих на выводной ДОЭ по углом меньшим угла, заданного при изготовлении выводного ДОЭ, при этом все лучи, падающие на выводной ДОЭ под углом большим угла, заданного при изготовлении выводного ДОЭ, выводятся в глаз пользователя.The present invention uses diffraction angle selective output of a virtual image to the user's eye. From each area of the output 4 DOE, for example, in FIG. 2 shows areas (a), (b), (c), only a part of the radiation incident on the output DOE at an angle range determined during manufacture, called the output DOE angular selectivity range, is output due to diffraction, to output the rays constituting the virtual image . To do this, the output 4 DOE is selective in terms of the angle of incidence of radiation on it, that is, it has a different diffraction efficiency for different angles of incidence of radiation on the output DOE. As shown in FIG. 2 in a circular frame, the angle of incidence of the beam at the output DOE is the angle between the beam and the normal to the output DOE at the point of incidence. For a certain range of angles of incidence, which is the selectivity range of the output DOE, the diffraction efficiency of the output DOE must be high, then the beam incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of the output DOE angular selectivity will be output from waveguide into the user's eye. For all other angles of incidence smaller than the values of the angles included in the mentioned range of the angular selectivity of the output DOE, the diffraction efficiency of the output DOE must be low so that such radiation does not leave the waveguide, but passes further along the waveguide. The selectivity range of the output DOE is selected and calculated at the manufacturing stage and depends on the initial requirements for the virtual image, such as size, contrast, resolution, uniformity, etc. The selectivity range limits the removal from the waveguide of the rays incident on the output DOE at an angle smaller than the angle specified during the output DOE manufacturing, while all the rays incident on the output DOE at an angle greater than the angle specified during the output DOE manufacturing are output to the user's eye.

В качестве селективного выводного ДОЭ может использоваться, например, голографическая дифракционная решетка, рельефно-фазовая селективная решетка, объемная решетка Брэгга с селективной по углу дифракцией. Могут использоваться, например, известные из уровня техники дифракционные решетки с шириной контура угловой селективности на полувысоте меньше 10°, условие зависит от конкретной реализации и требований к оптической системе.As a selective output DOE, for example, a holographic diffraction grating, a relief-phase selective grating, a volumetric Bragg grating with angle-selective diffraction can be used. For example, diffraction gratings known from the prior art with an angular selectivity contour width at half maximum of less than 10° can be used, the condition depends on the specific implementation and requirements for the optical system.

Предпочтительно, чтобы дифракционная эффективность выводного 4 ДОЭ составляла более 90%. Для реализации такого выводного ДОЭ возможно использование ДОЭ с постоянным периодом вдоль распространения излучения по волноводу. Благодаря тому, что волновод 1 имеет градиент толщины от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ, при прохождении излучения вдоль волновода посредством ПВО угол падения излучения на стенки внутри волновода изменяется, а именно - увеличивается. Излучение, составляющее виртуальное изображение, распространяющееся в волноводе, представляет собой набор пучков лучей с различными углами падения. Причем каждый пучок лучей, при выводе в глаз пользователя, формирует одну из частей (в виде точки) виртуального изображения. По ходу распространения излучения в волноводе в начале выводного ДОЭ (зона (a) на фиг. 2) выводятся лучи, углы падения которых соответствуют диапазону селективности выводного ДОЭ, заданному при изготовлении, как было описано выше, то есть лучи с самыми большими углами падения на выводной ДОЭ, которые соответствуют краю виртуального изображения, то есть, на фиг. 2, левому вагону. Излучение, падающее на выводной ДОЭ с меньшими по величине углами, чем величины углов падения из упомянутого диапазона, распространяются далее по волноводу. После переотражения в волноводе, угол падения лучей, не вышедших из волновода в зоне (а), увеличится, благодаря градиенту толщины волновода. Те лучи, величины углов падения которых на выводной ДОЭ станут соответствовать диапазону селективности выводного ДОЭ, будут выведены из волновода в глаз пользователя (зона (б) на фиг. 2). Излучение, падающее на выводной ДОЭ с меньшими по величине углами, чем величины углов падения из упомянутого диапазона, опять будут распространяются далее по волноводу. Далее после переотражения в волноводе угол падения лучей, не вышедших из волновода в зоне (б), увеличится, благодаря градиенту толщины волновода. И опять, те лучи, величины углов падения которых на выводной ДОЭ станут соответствовать диапазону селективности выводного ДОЭ, будут выведены из волновода в глаз пользователя (зона (с) на фиг. 2). И так будет происходить до тех пор, пока все излучение, составляющее виртуальное изображение не будет выведено в глаз пользователя. Деление на зоны (а), (б), (с) на фиг. 2 является условным и приведено для наглядности. Таким образом лучи, составляющие виртуальное изображение, выводятся из волновода, по мере того, как величина угла падения луча на выводной ДОЭ становится соответствующей диапазону селективности выводного ДОЭ.Preferably, the diffraction efficiency of the output 4 DOE is more than 90%. To implement such an output DOE, it is possible to use a DOE with a constant period along the propagation of radiation along the waveguide. Due to the fact that the waveguide 1 has a thickness gradient from the input DOE to the output DOE, when radiation passes along the waveguide by means of TIR, the angle of incidence of radiation on the walls inside the waveguide changes, namely, it increases. The radiation that makes up the virtual image propagating in the waveguide is a set of beams of rays with different angles of incidence. Moreover, each beam of rays, when output to the user's eye, forms one of the parts (in the form of a point) of the virtual image. In the course of radiation propagation in the waveguide at the beginning of the output DOE (zone (a) in Fig. 2), rays are output, the angles of incidence of which correspond to the selectivity range of the output DOE specified during manufacture, as described above, that is, the rays with the largest angles of incidence on output DOE that correspond to the edge of the virtual image, that is, in FIG. 2, left car. Radiation incident on the output DOE with smaller angles than the angles of incidence from the mentioned range propagates further along the waveguide. After re-reflection in the waveguide, the angle of incidence of the rays that did not leave the waveguide in zone (a) will increase due to the thickness gradient of the waveguide. Those beams, the angles of incidence of which on the output DOE will correspond to the selectivity range of the output DOE, will be output from the waveguide to the user's eye (zone (b) in Fig. 2). Radiation incident on the output DOE with smaller angles than the angles of incidence from the mentioned range will again propagate further along the waveguide. Further, after re-reflection in the waveguide, the angle of incidence of the rays that did not leave the waveguide in zone (b) will increase due to the gradient of the waveguide thickness. And again, those beams whose angles of incidence on the output DOE will correspond to the selectivity range of the output DOE will be output from the waveguide to the user's eye (zone (c) in Fig. 2). And this will happen until all the radiation that makes up the virtual image is displayed in the user's eye. Division into zones (a), (b), (c) in Fig. 2 is conditional and is given for clarity. Thus, the rays constituting the virtual image are output from the waveguide as the angle of incidence of the beam at the output DOE becomes corresponding to the selectivity range of the output DOE.

Например, как видно из фиг. 2 луч, составляющий одну из точек виртуального изображения, показанный сплошной линией внутри волновода 1, в точках (а), (b), (c) выводного ДОЭ имеет разный, увеличивающийся угол падения на выводной ДОЭ. Из-за селективности выводного ДОЭ показанный луч, попав на выводной ДОЭ в точке (a) не выводится из волновода, поскольку его угол падения меньше углов падения, входящих в диапазон селективности выводного ДОЭ, поэтому луч дифрагирует в нулевой порядок дифракции, и проходит далее по волноводу посредством ПВО. Как только угол падения рассматриваемого луча будет удовлетворять условиям селективности выводного ДОЭ, то наступит дифракция, в которой будет преобладать первый порядок дифракции, и излучение выйдет из волновода, в данном примере из точки (с). То есть для углов падения, меньших, чем углы падения, входящие в диапазон селективности выводного ДОЭ, эффективность дифракции низкая и излучение дифрагирует в нулевой порядок дифракции и не выводится из волновода. Для углов падения, входящих в диапазон селективности выводного ДОЭ дифракционная эффективность достигает значений близких к 100%, то есть излучение дифрагирует в первый порядок дифракции и будет выведено из волновода.For example, as seen from FIG. 2, the beam constituting one of the points of the virtual image, shown as a solid line inside the waveguide 1, at points (a), (b), (c) of the output DOE has a different, increasing angle of incidence on the output DOE. Due to the selectivity of the output DOE, the beam shown, hitting the output DOE at point (a), is not output from the waveguide, since its angle of incidence is smaller than the angles of incidence included in the selectivity range of the output DOE, so the beam diffracts into the zero order of diffraction and passes further along waveguide through air defense. As soon as the angle of incidence of the beam under consideration satisfies the selectivity conditions of the output DOE, then diffraction will occur, in which the first order of diffraction will prevail, and the radiation will exit the waveguide, in this example from point (c). That is, for angles of incidence smaller than the angles of incidence included in the selectivity range of the output DOE, the diffraction efficiency is low and the radiation diffracts into the zero order of diffraction and is not output from the waveguide. For angles of incidence within the selectivity range of the output DOE, the diffraction efficiency reaches values close to 100%, i.e., the radiation diffracts into the first order of diffraction and will be extracted from the waveguide.

Изображение внешней среды, скорректированное в соответствии с нарушением зрения пользователя, с помощью компенсатора, зазора и волновода, попадает на сетчатку глаза пользователя одновременно с виртуальным изображением, таким образом пользователь, имеющий нарушения зрения, четко видит изображение внешней среды, которое дополнено виртуальным изображением.The image of the external environment, corrected in accordance with the visual impairment of the user, with the help of a compensator, a gap and a waveguide, enters the user's retina simultaneously with the virtual image, so the user with visual impairments clearly sees the image of the external environment, which is complemented by a virtual image.

Предлагаемые очки дополненной реальности представляют собой элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, описанный выше. Использование плоских волноводов для очков дополненной реальности является неэнергономичным, кроме того при использовании плоских волноводов происходит потеря излучения, поскольку не все излучение попадает непосредственно в глаз пользователя. При использовании изогнутых волноводов также происходит потеря излучения, и виртуальное изображение получается нечетким, имеющим аберрации. Поэтому форма волновода должна быть такой, чтобы виртуальное изображение, выводилось под такими же углами, под которыми входило в волновод. В этом случае селективный выводной ДОЭ выводит части поля зрения, которые заведомо попадают в поле движения глаза. Совмещение формы волновода, толщина которого увеличивается от начала вводного ДОЭ до конца выводного ДОЭ, и высокоселективного выводного ДОЭ компенсирует аберрации, за счет сокращения площади через которую выходит излучение, то есть за счет виньетирования, при этом пользователь видит четкое изображение, сфокусированное в его глазу.The proposed augmented reality glasses are a left eye element and a right eye element, with each of the left and right eye elements being an optical combiner for displaying augmented reality with correction of the user's visual impairment as described above. The use of planar waveguides for augmented reality glasses is not energy efficient, in addition, when using planar waveguides, there is a loss of radiation, since not all radiation enters the user's eye directly. When using curved waveguides, radiation is also lost, and the virtual image is fuzzy and has aberrations. Therefore, the shape of the waveguide must be such that the virtual image is output at the same angles at which it entered the waveguide. In this case, the selective output DOE outputs parts of the field of view that are known to fall within the field of eye movement. The combination of the shape of the waveguide, the thickness of which increases from the beginning of the input DOE to the end of the output DOE, and the highly selective output DOE compensates for aberrations by reducing the area through which the radiation exits, that is, due to vignetting, while the user sees a clear image focused in his eye.

Форма зазора может быть, как постоянной, так и изменяющейся слева направо и/или сверху вниз таким образом, что форма зазора обеспечивает увеличение толщины волновода от вводного ДОЭ, до конца выводного ДОЭ, то есть зазор может иметь градиент толщины вдоль своей длины или в направлении от компенсатора к волноводу или от волновода к компенсатору. Это необходимо в случае использования системы для пользователей с таким дефектом зрения, как косоглазие.The gap shape can be either constant or varying from left to right and/or top to bottom in such a way that the gap shape provides an increase in the thickness of the waveguide from the input DOE to the end of the output DOE, that is, the gap can have a thickness gradient along its length or in the direction from the compensator to the waveguide or from the waveguide to the compensator. This is necessary when using the system for users with visual impairments such as strabismus.

На фиг. 3 показаны примеры форм зазоров - изогнутый зазор(а) и прямой зазор (б). Если компенсатор и/или волновод имеют изогнутую форму второй поверхности, то зазор получится изогнутым. Оптический комбайнер с изогнутым зазором сложнее изготовить, но такая форма зазора дает дополнительный коррекционный параметр.In FIG. 3 shows examples of gap shapes - a curved gap (a) and a straight gap (b). If the compensator and/or waveguide have a curved shape of the second surface, then the gap will be curved. An optical combiner with a curved gap is more difficult to manufacture, but this shape of the gap provides an additional correction parameter.

На фиг. 4 показаны формы оптического комбайнера, который возможно использовать:In FIG. 4 shows the shapes of the optical combiner that can be used:

а) при близорукости оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию вогнутой линзы (рассеивающей линзы);a) in case of myopia, the optical combiner is made in such a way that it performs the function of a concave lens (diffusing lens);

б) при дальнозоркости оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию выпуклой линзы (собирающей линзы);b) with farsightedness, the optical combiner is made in such a way that it performs the function of a convex lens (converging lens);

в) при астигматизме оптический комбайнер изготавливается таким образом, что выполняет функцию цилиндрической либо торической линзы.c) with astigmatism, the optical combiner is made in such a way that it performs the function of a cylindrical or toric lens.

Необходимо заметить, что для коррекции различных дефектов зрения различаются только формы компенсатора, а формы волновода могут оставаться одинаковыми во всех случаях.It should be noted that for the correction of various visual defects, only the shapes of the compensator differ, while the shapes of the waveguide can remain the same in all cases.

Предлагаемые очки дополненной реальности, корректирующие зрение пользователя, изготавливают, как и обычные медицинские очки индивидуально после измерения зрения пользователя, параметров глаз и головы, то есть по параметрам каждого конкретного пользователя. По индивидуальным параметрам пользователя изготавливают оптические комбайнеры для правого и левого глаза, выбирая форму компенсатора, например, одну из показанных на фиг. 4, и осуществляя расчет системы оптического комбайнера (компенсатор-зазор-волновод) в зависимости от индивидуальных параметров зрения пользователя. Элементы для правого и левого глаза, представляющие собой изготовленные оптические комбайнеры, заключаются в оправу, выбранную пользователем, причем расстояние между центрами выводных ДОЭ соответствует межзрачковому расстоянию пользователя.The proposed augmented reality glasses that correct the user's vision are made, like ordinary medical glasses, individually after measuring the user's vision, eye and head parameters, that is, according to the parameters of each specific user. According to the individual parameters of the user, optical combiners for the right and left eyes are made by choosing the shape of the compensator, for example, one of those shown in Fig. 4, and by calculating the optical combiner system (compensator-gap-waveguide) depending on the individual parameters of the user's vision. Elements for the right and left eyes, which are manufactured optical combiners, are enclosed in a frame selected by the user, and the distance between the centers of the output DOEs corresponds to the interpupillary distance of the user.

Зазор может быть заполнен жидкостью, в частности, фотохромной жидкостью, которая затемняется при увеличении солнечного света.The gap may be filled with a liquid, in particular a photochromic liquid, which darkens with increasing sunlight.

Зазор может быть заполнен слоем жидких кристаллов. Такой слой может выполнять роль дифракционного оптического элемента, для того, чтобы часть системы сделать непрозрачной, при этом перед ЖК слоем располагают поляризатор, часть молекул ЖК можно ориентировать в периодическую структуру, на которой часть излучения от реального изображения будет дифрагировать за пределы апертуры глаза и тем самым станет невидимой для глаза. Виртуальное изображение будет распространяться в волноводе, как и прежде, но будет выглядеть для пользователя более контрастным в области затемнения.The gap can be filled with a layer of liquid crystals. Such a layer can play the role of a diffractive optical element in order to make part of the system opaque, while a polarizer is placed in front of the LC layer, some of the LC molecules can be oriented into a periodic structure, on which part of the radiation from the real image will diffract beyond the aperture of the eye and thus will become invisible to the eye. The virtual image will propagate in the waveguide as before, but will appear to the user with more contrast in the shading region.

Выводной ДОЭ может быть выполнен из слоя жидких кристаллов, такой выводной ДОЭ может включаться, то есть выводить виртуальное изображение и выключаться, то есть не выводить виртуальное изображение, под воздействием электрического поля, такие ДОЭ известны из уровня техники. Также выводной ДОЭ может быть выполнен в виде голографической дифракционной решетки или рельефнофазовой дифракционной решетки. Такие решетки можно сделать селективными за счет толщины и формы рельефа, что известно из уровня техники.An output DOE can be made of a layer of liquid crystals, such an output DOE can turn on, that is, output a virtual image and turn off, that is, not output a virtual image, under the influence of an electric field, such DOEs are known from the prior art. Also, the output DOE can be made in the form of a holographic diffraction grating or a relief-phase diffraction grating. Such gratings can be made selective by thickness and pattern, as is known in the art.

Период выводного ДОЭ может быть как постоянным, так и переменными вдоль длины дифракционной решетки. В этом случае выводной ДОЭ будет работать как дифракционная линза, имеющая оптическую силу, направляя излучение в глаз пользователя под такими углами, что пользователь будет видеть виртуальное изображение скорректированным под его зрение, однако, такой вариант не является предметом предлагаемого изобретения. Из уровня техники известны дифракционные линзы, у которых меняется периодичность структуры, и при этом они обладают оптической силой. Аналогично и выводной ДОЭ с переменным периодом может иметь оптическую силу.The period of the output DOE can be both constant and variable along the length of the diffraction grating. In this case, the output DOE will work as a diffractive lens with optical power, directing radiation into the user's eye at such angles that the user will see a virtual image corrected for his vision, however, this option is not the subject of the present invention. From the prior art diffractive lenses are known, in which the periodicity of the structure changes, and at the same time they have optical power. Similarly, an output DOE with a variable period can have an optical power.

Фиг. 5 иллюстрирует расположение выводного ДОЭ а) на ближайшей к глазу пользователя поверхности волновода (на первой поверхности волновода), б) на противоположной поверхности волновода, примыкающей к зазору, напротив глаза пользователя (на второй поверхности волновода). В случае а) в глаз пользователя попадает нескорректированное виртуальное изображение, если период выводного ДОЭ является постоянным. В случае б) волновод является корректирующей линзой для виртуального изображения. Параметры волновода при близорукости, дальнозоркости, астигматизме необходимо рассчитывать для каждого конкретного случая, подобные расчеты известны из уровня техники.Fig. 5 illustrates the location of the output DOE a) on the waveguide surface closest to the user's eye (on the first waveguide surface), b) on the opposite waveguide surface adjacent to the gap, opposite the user's eye (on the second waveguide surface). In case a), an uncorrected virtual image enters the user's eye if the output DOE period is constant. In case b), the waveguide is a corrective lens for the virtual image. The parameters of the waveguide for myopia, hyperopia, astigmatism must be calculated for each specific case, such calculations are known from the prior art.

Выводной ДОЭ может представлять собой мультиплексную голограмму, представляющую собой более сложную дифракционную структуру, включающую в себя несколько элементарных дифракционных элементов.The output DOE can be a multiplex hologram, which is a more complex diffractive structure that includes several elementary diffractive elements.

Например, выводной ДОЭ может быть образован несколькими мультиплексными голограммами со следующими параметрами:For example, an output DOE can be formed by several multiplex holograms with the following parameters:

- дифракционная эффективность, например, 33%-50%-100%); 25%-- diffraction efficiency, for example, 33%-50%-100%); 25%-

33%-50%-100% (для 4-х голограмм) и т.д.33%-50%-100% (for 4 holograms), etc.

- угловая селективность <10° для каждой голограммы;- angular selectivity <10° for each hologram;

- неравные периоды голограмм.- unequal periods of holograms.

Это приводит к увеличению поля движения глаза и позволяет пользователю наблюдать изображение при разных положениях глаза.This leads to an increase in the field of eye movement and allows the user to observe the image at different eye positions.

Использование мультиплексных голограмм с неравными периодами позволяет корректировать хроматизм и/или выравнивать интенсивность цвета для виртуального RGB-изображения.The use of multiplex holograms with unequal periods makes it possible to correct chromatism and/or equalize color intensity for the virtual RGB image.

Возможно использование нескольких выводных ДОЭ, каждая из которых работает со своей частью изображения. Первый выводной ДОЭ, который должен выводить левую часть изображения, обладает наименьшей дифракционной эффективностью, то есть при дифракции на первом выводном ДОЭ образуется нулевой порядок дифракции, который не выводится из волновода. При этом нулевой порядок дифракции позволяет левой части изображения дальше распространяться по волноводу с увеличением угла падения. Второй ДОЭ имеет селективность в другом диапазоне углов падения, соседнем с первым, и на втором ДОЭ выводится та часть излучения, которая дифрагировала в нулевой порядок дифракции на первом ДОЭ и не была выведена из волновода, эта часть излучения выводится и распространяется в сторону глаза под тем же углом, что и с первого ДОЭ и так далее. Эффективность третьего ДОЭ выводит только правую часть изображения с максимальной эффективностью, поскольку работает с самыми большими углами падения.It is possible to use several output DOEs, each of which works with its own part of the image. The first output DOE, which should output the left side of the image, has the lowest diffraction efficiency, that is, when diffracted by the first output DOE, a zero order of diffraction is formed, which is not output from the waveguide. In this case, the zero order of diffraction allows the left part of the image to propagate further along the waveguide with an increase in the angle of incidence. The second DOE has selectivity in a different range of incidence angles adjacent to the first one, and the second DOE outputs that part of the radiation that diffracted into the zero order of diffraction on the first DOE and was not extracted from the waveguide, this part of the radiation is output and propagates towards the eye under that the same angle as from the first DOE and so on. Efficiency of the third DOE outputs only the right part of the image with maximum efficiency, since it works with the largest angles of incidence.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получать высококачественные виртуальные и реальные изображения без использования дополнительных рецептурных очков для пользователей с проблемами остроты зрения, и снижает утомляемость глаз пользователя. Изобретение отличается удобным дизайном и эргономикой для использования в очках дополненной реальности. Также изобретение позволяет реализовать в очках дополненной реальности дополнительные функции, такие как защита от солнца, использовать окклюзионные, варифокальные линзы для изготовления волновода, чтобы получалась перестройка виртуального изображения по дистанции.Thus, the present invention makes it possible to obtain high-quality virtual and real images without the use of additional prescription glasses for users with visual acuity problems, and reduces user eye fatigue. The invention is distinguished by a convenient design and ergonomics for use in augmented reality glasses. The invention also makes it possible to implement additional functions in augmented reality glasses, such as sun protection, to use occlusive, varifocal lenses for the manufacture of a waveguide, so that a virtual image can be rearranged along the distance.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в любых устройствах AR, HUD, HMD, где необходимо иметь компактный дизайн и высокое качество изображения для пользователей с разной остротой зрения.The proposed invention can be used in any AR, HUD, HMD devices where it is necessary to have a compact design and high image quality for users with different visual acuity.

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

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

Claims (49)

1. Оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя, содержащий:1. Optical combiner for displaying augmented reality with correction of visual impairment of the user, containing: компенсатор;compensator; волновод;waveguide; проектор виртуального изображения;virtual image projector; причем компенсатор выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды через свою первую сторону, располагающуюся напротив внешней среды, и свою вторую сторону, противоположную первой стороне,moreover, the compensator is configured to pass the image of the external environment through its first side, located opposite the external environment, and its second side, opposite to the first side, причем волновод имеет первую сторону, располагающуюся со стороны пользователя и вторую сторону, противоположную первой стороне, на одной из упомянутых сторон расположены вводной дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и выводной ДОЭ;moreover, the waveguide has a first side located on the side of the user and a second side opposite the first side, on one of the said sides are the input diffractive optical element (DOE) and the output DOE; причем между второй стороной компенсатора и второй стороной волновода предусмотрен зазор, выполненный с возможностью пропускать изображение внешней среды, прошедшее компенсатор, в волновод;moreover, between the second side of the compensator and the second side of the waveguide, a gap is provided, configured to pass the image of the external environment that has passed the compensator into the waveguide; причем волновод выполнен с возможностью пропускать изображение внешней среды;moreover, the waveguide is configured to transmit an image of the external environment; причем компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью коррекции нарушения зрения пользователя при рассматривании пользователем изображения внешней среды;moreover, the compensator, the gap and the waveguide are configured to correct visual impairment of the user when the user views the image of the external environment; причем проектор виртуального изображения расположен с возможностью ввода лучей, формирующих виртуальное изображение посредством вводного ДОЭ в волновод;moreover, the projector of the virtual image is located with the possibility of introducing beams that form a virtual image through the input DOE into the waveguide; причем волновод выполнен с возможностью распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода, и вывода виртуального изображения посредством выводного ДОЭ в глаз пользователя,moreover, the waveguide is configured to propagate the virtual image-forming beams from the input DOE to the output DOE by means of total internal reflection from the walls inside the waveguide, and to output the virtual image through the output DOE to the user's eye, причем волновод имеет градиент толщины вдоль первой и второй стороны волновода такой, что по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается, первая сторона волновода имеет кривизну, центр которой расположен со стороны глаза пользователя;moreover, the waveguide has a thickness gradient along the first and second sides of the waveguide such that as the rays that form the virtual image propagate inside the waveguide from the input DOE to the output DOE, the angle of incidence of the said rays on the walls inside the waveguide increases, the first side of the waveguide has a curvature, the center of which is located from the side of the user's eye; причем выводной ДОЭ расположен напротив глаза пользователя и выполнен с возможностью вывода лучей, формирующих виртуальное изображение, падающих на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, из волновода в глаз пользователя.moreover, the output DOE is located opposite the user's eye and is configured to output rays that form a virtual image, incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of output DOE angular selectivity, from the waveguide to the user's eye. 2. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет одинаковую толщину вдоль всей своей длины.2. An optical combiner according to claim 1, wherein the gap has the same thickness along its entire length. 3. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины вдоль компенсатора и волновода.3. An optical combiner according to claim 1, wherein the gap has a thickness gradient along the compensator and waveguide. 4. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины в направлении от компенсатора к волноводу.4. An optical combiner according to claim 1, wherein the gap has a thickness gradient in the direction from the compensator to the waveguide. 5. Оптический комбайнер по п.1, в котором зазор имеет градиент толщины в направлении от волновода к компенсатору.5. An optical combiner according to claim 1, wherein the gap has a thickness gradient in the direction from the waveguide to the compensator. 6. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор имеет такую форму, что зазор является изогнутым.6. An optical combiner according to claim 1, wherein the compensator is shaped such that the gap is curved. 7. Оптический комбайнер по п.1, в котором волновод имеет такую форму, что зазор является изогнутым.7. An optical combiner according to claim 1, wherein the waveguide is shaped such that the gap is curved. 8. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор и волновод имеют такую форму, что зазор является прямым.8. The optical combiner of claim 1, wherein the compensator and waveguide are shaped such that the gap is straight. 9. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию рассеивающей линзы.9. An optical combiner according to claim 1, wherein the compensator, gap, and waveguide are configured to function as a diverging lens. 10. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию собирающей линзы.10. An optical combiner according to claim 1, wherein the compensator, gap, and waveguide are configured to function as a converging lens. 11. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию цилиндрической линзы.11. The optical combiner of claim 1, wherein the compensator, gap, and waveguide are configured to function as a cylindrical lens. 12. Оптический комбайнер по п.1, в котором компенсатор, зазор и волновод выполнены с возможностью выполнять функцию торической линзы.12. The optical combiner of claim 1, wherein the compensator, gap, and waveguide are configured to function as a toric lens. 13. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-12, в котором компенсатор и волновод закрепляются в оправе таким образом, что разделяются зазором.13. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-12, in which the compensator and the waveguide are fixed in the frame in such a way that they are separated by a gap. 14. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор является воздушным.14. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-13, in which the gap is air. 15. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор заполнен жидкостью.15. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-13, in which the gap is filled with liquid. 16. Оптический комбайнер по п. 15, в котором жидкость является фотохромной жидкостью.16. The optical combiner of claim 15, wherein the liquid is a photochromic liquid. 17. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-13, в котором зазор образован слоем жидких кристаллов.17. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-13, in which the gap is formed by a layer of liquid crystals. 18. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ выполнен из слоя жидких кристаллов.18. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-17, in which the output DOE is made of a layer of liquid crystals. 19. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ записан в виде голографической дифракционной решетки.19. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-17, in which the output DOE is written as a holographic diffraction grating. 20. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ является рельефно-фазовой селективной дифракционной решеткой.20. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-17, in which the output DOE is a relief-phase selective diffraction grating. 21. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ записан в виде мультиплексной голограммы.21. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-17, in which the output DOE is recorded as a multiplex hologram. 22. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-17, в котором выводной ДОЭ является объемной Брэгговской дифракционной решеткой с селективной по углу дифракцией.22. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-17, in which the output DOE is a volume Bragg diffraction grating with angle-selective diffraction. 23. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-22, в котором выводной ДОЭ расположен на первой поверхности волновода.23. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-22, in which the output DOE is located on the first surface of the waveguide. 24. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-22, в котором выводной ДОЭ расположен на второй поверхности волновода.24. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-22, in which the output DOE is located on the second surface of the waveguide. 25. Оптический комбайнер по любому из пп. 1-24, в котором дифракционная эффективность выводного ДОЭ составляет более 90%.25. Optical combiner according to any one of paragraphs. 1-24, in which the diffraction efficiency of the output DOE is more than 90%. 26. Способ работы оптического комбайнера для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя по любому из пп. 1-25, содержащий этапы, на которых:26. The method of operation of the optical combiner for displaying augmented reality with the correction of visual impairment of the user according to any one of paragraphs. 1-25, containing the steps in which: А) выводят виртуальное изображение в глаз пользователя следующим образом:A) display a virtual image in the user's eye as follows: формируют виртуальное изображение посредством проектора виртуального изображения;generating a virtual image by means of a virtual image projector; вводят посредством вводного ДОЭ лучи, формирующие виртуальное изображение, в волновод,by means of an introductory DOE, rays forming a virtual image are introduced into the waveguide, причем лучи, формирующие виртуальное изображение, распространяются от вводного ДОЭ до выводного ДОЭ в волноводном режиме посредством полного внутреннего отражения от стенок внутри волновода, moreover, the rays that form the virtual image propagate from the input DOE to the output DOE in the waveguide mode by means of total internal reflection from the walls inside the waveguide, причем по мере распространения лучей, формирующих виртуальное изображение, внутри волновода от вводного ДОЭ к выводному ДОЭ угол падения упомянутых лучей на стенки внутри волновода увеличивается;moreover, as the rays that form a virtual image propagate inside the waveguide from the input DOE to the output DOE, the angle of incidence of said rays on the walls inside the waveguide increases; выводят лучи, формирующие виртуальное изображение, в глаз пользователя, посредством выводного ДОЭ, таким образом, что выводятся только лучи, падающие на выводной ДОЭ под углом равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ, outputting the virtual image-forming beams to the user's eye by means of the output DOE, so that only the rays incident on the output DOE at an angle equal to or greater than the smallest angle of the predetermined angular selectivity range of the output DOE are output, при этом остальные лучи распространяются далее вдоль волновода, увеличивая свой угол падения на стенки волновода, и выводятся в том месте выводного ДОЭ, где их угол падения на выводной ДОЭ становится равным или большим, чем наименьший угол заданного заранее диапазона угловой селективности выводного ДОЭ;in this case, the remaining beams propagate further along the waveguide, increasing their angle of incidence on the waveguide walls, and are output at the point of the output DOE, where their angle of incidence on the output DOE becomes equal to or greater than the smallest angle of the predetermined range of angular selectivity of the output DOE; Б) выводят изображение внешней среды в глаз пользователя следующим образом:B) display an image of the external environment in the user's eye as follows: пропускают изображение внешней среды через компенсатор, зазор и волновод, корректируя изображение внешней среды в соответствии с нарушением зрения пользователя, passing the image of the external environment through the compensator, the gap and the waveguide, correcting the image of the external environment in accordance with the visual impairment of the user, этапы (А) и (Б) осуществляются одновременно, формируя на сетчатке глаза пользователя изображение внешней среды, скорректированное для компенсации нарушения зрения пользователя, дополненное виртуальным изображением. steps (A) and (B) are carried out simultaneously, forming on the user's retina an image of the external environment, corrected to compensate for the user's visual impairment, supplemented by a virtual image. 27. Очки дополненной реальности, содержащие элемент для левого глаза и элемент для правого глаза, причем каждый из элементов для левого и правого глаза представляет собой оптический комбайнер для отображения дополненной реальности с коррекцией нарушения зрения пользователя по любому из пп. 1-25.27. Augmented reality glasses containing an element for the left eye and an element for the right eye, and each of the elements for the left and right eyes is an optical combiner for displaying augmented reality with correction of visual impairment of the user according to any one of paragraphs. 1-25.
RU2023107401A 2023-03-28 Optical combiner for displaying augmented reality with correction of user's vision impairment, method of operation of the mentioned optical combiner, augmented reality glasses for displaying augmented reality with correction of user vision impairment RU2799661C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799661C1 true RU2799661C1 (en) 2023-07-10

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019141967A1 (en) * 2018-01-17 2019-07-25 Wave Optics Ltd Light projector
WO2019221539A1 (en) * 2018-05-17 2019-11-21 주식회사 프라젠 Augmented reality display device
WO2021197100A1 (en) * 2020-03-28 2021-10-07 华为技术有限公司 Augmented reality device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019141967A1 (en) * 2018-01-17 2019-07-25 Wave Optics Ltd Light projector
WO2019221539A1 (en) * 2018-05-17 2019-11-21 주식회사 프라젠 Augmented reality display device
WO2021197100A1 (en) * 2020-03-28 2021-10-07 华为技术有限公司 Augmented reality device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11307414B2 (en) Near-eye display system
US10983346B2 (en) Display apparatuses, systems and methods including curved waveguides
US11500143B2 (en) Augmented reality imaging system
US8810913B2 (en) Projection display
US9250444B2 (en) Head mounted display device
US20160231570A1 (en) Display System
CN115097625A (en) Optical device, head-mounted display, imaging system and method of imaging an object
CN113366371B (en) Near Jiao Jiao positive AR glasses
JPWO2005088384A1 (en) Image display optical system and image display apparatus
CN109073896B (en) Spectacle lens for imaging optical unit and data goggles
US10634915B2 (en) Image display device
CN214751111U (en) Ultra-short distance ocular lens system
US20210286177A1 (en) Head-mounted display and method for designing wide-focus ?lens to ?be used for the head-mounted ?display
CN215117019U (en) Optical lens group and near-to-eye display device
WO2021218080A1 (en) Optical display system having folded optical path, and wearable device
JP2023543422A (en) Optical system with cylindrical waveguide
US20230090308A1 (en) Augmented reality device based on waveguide with variable curvature, method for operating the augmented reality device, augmented reality glasses, optical compensator
CN113341567A (en) Double-focal-plane optical waveguide near-to-eye display optical system
RU2799661C1 (en) Optical combiner for displaying augmented reality with correction of user&#39;s vision impairment, method of operation of the mentioned optical combiner, augmented reality glasses for displaying augmented reality with correction of user vision impairment
RU2774661C1 (en) Augmented reality display device based on variable curvature waveguide, augmented reality display device operation method, aggregated reality glasses, optical compensator
US20230185101A1 (en) Augmented reality device based on curved waveguide, method therefor, augmented reality glasses based on said device
JP2020160275A (en) Virtual image display device
RU2780511C1 (en) Augmented reality device based on a curved waveguide, method for operation of the said device, augmented reality glasses based on the said device
WO2023158826A1 (en) Near-focus optical system with multi-focal correction
CN107561633A (en) A kind of tooth form planar waveguide optical device of high coupling efficiency