RU2809647C1 - Оптический модуль для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с дифракционными оптическими элементами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области оптических дисплеев и устройств, формирующих динамические и статические изображения, и, более конкретно, к голографическим просветным дисплеям, формирующим для зрачка наблюдателя многоцветную информацию на фоне окружающей обстановки. Оптический модуль для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с дифракционными оптическими элементами, содержит: микрозеркальный DLP-дисплей; блок светодиодных RGB источников излучения для подсветки микрозеркал DLP-дисплея и получения цветного изображения, выполненный в виде трех отдельных светодиодных RGB источников излучения или трех сведодиодных RGB источников излучения, расположенных на одной площадке; оптическую систему подсвета DLP-дисплея для объединения излучения светодиодных RGB источников излучения и обеспечения равномерности яркости подсвета DLP-дисплея; электронный блок управления, синхронизации и питания микрозеркального DLP-дисплея и светодиодных RGB источников излучения; DLP-проектор с коллимирующим объективом, установленным после DLP-дисплея, при этом коллимирующий объектив имеет вынесенный выходной зрачок, совпадающий, по крайней мере, с одной из двух вводных областей на световодных пластинах с дифракционными оптическими элементами; и две световодные пластины с дифракционными оптическими элементами для вывода с микрозеркального DLP-дисплея изображения, сколлимированного коллимирующим объективом. Причем каждая световодная пластина работает в своей области спектра, а именно: сине-зеленая и красно-зеленая. Каждая световодная пластина включает один выводной дифракционный оптический элемент и два промежуточных дифракционных оптических элемента, в области наложения друг на друга которых образуется интермодуляционная структура, на которой излучение дифрагирует вдоль оси симметрии световодной пластины и попадает в центральную область выводного дифракционного оптического элемента, причем на каждой световодной пластине указанные дифракционные оптические элементы имеют одинаковый рассчитанный период - 380 нм и 520 нм. Дополнительно на каждой световодной пластине на противоположной части области ввода излучения нанесено зеркальное покрытие. Технический результат - усовершенствование оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ для уменьшения габаритных размеров устройства в целом, увеличения рабочего углового поля, обеспечения равномерности яркости выводимого изображения в пределах всего выходного зрачка, повышения эффективности ввода излучения в пластину. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области оптических дисплеев и устройств, формирующих динамические и статические изображения, и, более конкретно, к голографическим просветным дисплеям, формирующим для зрачка наблюдателя многоцветную информацию на фоне окружающей обстановки.

Уровень техники

Предлагаемый оптический модуль - оптическое устройство, которое позволяет формировать различные статические и динамические изображения, в том числе и вспомогательную текстовую, знако-символьную и прочую информацию, изображение которой накладывается на изображение окружающего пространства.

Дисплеи и индикаторы на основе дифракционных оптических элементов (ДОЭ) применяются в системах отображения информации и визуализации, где наблюдаемое изображение накладывается на изображение реальной сцены. Преимуществом данных систем отображения информации является то, что ДОЭ в сочетании со световодными пластинами обеспечивают выходной зрачок большого размера при сравнительно малом размере коллимирующей оптической системы, что позволяет существенно снизить массогабаритные параметры дисплея. Наиболее интересными и перспективными устройствами дополненной реальности на данный момент являются Hololens и Hololens 2 (компании Microsoft), ML1 (компании Magic Leap) и Smart Glasses (компании Daqri). Размер рабочего углового поля в них составляет до 44 градусов по диагонали, что почти вдвое больше, чем у устройств, построенных на основе традиционных оптических элементов, а излучение, формирующее необходимую вспомогательную информацию, распространяется внутри тонкой стеклянной пластины (толщиной не более 2 мм), что уменьшает продольные габариты оптического модуля и его массу. При этом на сегодняшний день существуют перспективы увеличения рабочего углового поля уже до 55 градусов при обеспечении определенных параметров ДОЭ (профиль рельефа, глубина, период и т.п.) и самой стеклянной пластины (толщина, показатель преломления). Таким образом, разработка световодных пластин с ДОЭ, обеспечивающих улучшенные технические параметры устройства в целом, является актуальной задачей. В ходе патентно-информационного поиска явного прототипа для предлагаемого изобретения оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры на основе световодных пластин с ДОЭ найти не удалось, но нашелся целый ряд аналогов решений по отдельным компонентам нового оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ.

Были отобраны следующие опубликованные патентные документы.

Патентная заявка США US2004062502 Method and system for beam expansion in a display device. В данной заявке описана схема реализации световодной пластины, состоящей из двух подложек различной толщины и показателей преломления. Такая реализация предназначена для передачи двухцветного изображения. При этом толщины и показатели преломления подложек подобраны таким образом, что излучение двух длин волн, дифрагировавшее на вводной решетке, разделяется на две части, а именно: большая длина волны дифрагирует на больший угол, для которого уже в первой подложке выполняется условие полного внутреннего отражения (ПВО), а меньшая длина волны проходит в другую подложку, которая обеспечивает ПВО для второй длины волны. При этом пучки лучей по мере распространения в пластине приходят в одни и те же точки на световодной пластине, т.е. хроматические аберрации минимизированы.

Данная схема имеет ряд следующих недостатков:

- схема реализует передачу 2 длин волн - двух цветов, реализация для полихроматического излучения будет затруднена;

- хроматические аберрации при работе такой структуры с большим рабочим угловым полем все равно будут иметь место.

Патентная заявка США US2006221448 Multi-plane optical apparatus. В заявке описана схема устройства отображения на основе двух световодных пластин, реализующих возможность вывода цветного изображения за счет всего двух (а не трех) пластин с дифракционными решетками различного периода. При этом излучение, дифрагировавшее на вводной решетке и вошедшее в пластину, используется «максимально эффективно», так как выводные решетки располагаются по обе стороны от вводной и работают с излучением как +1, так и -1 порядка дифракции, которые распространяются под действием ПВО в обе стороны от вводной решетки.

Данная схема имеет ряд следующих возможных недостатков:

- увеличение углового поля для одного глаза не происходит (каждый глаз работает со своей частью углового поля);

- большие энергетические потери излучения на вводе излучения, в силу невысокой эффективности ДОЭ.

Патентная заявка США US2010214659 Diffractive beam expander and a virtual display based on a diffractive beam expander. В данной заявке описаны различные варианты расположения ДОЭ в виде решеток на световодной пластине. Для увеличения размеров выходного зрачка (а соответственно и размеров изображения) помимо вводной и выводной решетки используются промежуточные, которые расположены симметрично относительно оси симметрии пластины. Излучение вводится в световодную пластину с помощью вводной решетки, далее распространяется внутри пластины под действием ПВО и попадает на промежуточные решетки, которые частично изменяют ход лучей в пластине (показано пунктиром) и позволяют расширить размер выходного зрачка по вертикали. Выводная решетка расширяет зрачок по второй координате. Таким образом, увеличение зрачка определяется соотношением размеров выводной и вводной решеток.

Данная схема имеет ряд следующих недостатков:

- схема реализует только увеличение выходного зрачка. Увеличения рабочего поля не происходит;

- большое количество решеток различной ориентации на пластине - 4 и более, что делает процесс их изготовления долгим и трудоемким;

- в результате дифракции излучения на вводной решетке излучение, распространяющееся вдоль оси симметрии пластины, не попадет на промежуточные решетки для «разделения» в отличие от других пучков. Таким образом, при наблюдении центральная часть изображения (в виде узкой полосы) будет существенно ярче остальной области изображения.

Патентная заявка США US2018082644 Display engines for use with optical waveguides. В ней рассматривается и устройство в целом, и световодная пластина с ДОЭ. В плане построения самого устройства, в качестве источника изображения используется не матрица микрозеркал, а всего одно сканирующее микрозеркало. Вывод оператору осуществляется с помощью нескольких световодных пластин с ДОЭ, но:

- пластин три (одна на каждый из RGB цветов), а в предлагаемом оптическом модуле - только две пластины;

- данная конфигурация схемы расположения ДОЭ обеспечивает угловое поле зрения порядка 30 градусов по диагонали, а в предлагаемом оптическом модуле для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодной пластины с ДОЭ увеличено до 50 градусов.

Патентная заявка США US2017363 871 Expanded field of view in near-eye display using optically stitched imaging. Патентная заявка аналогична заявке US2006221448 по принципу работу световодной пластины, то есть реализуется увеличение рабочего поля по одной координате. Излучение на входе разделяется на 2 составляющие (правую и левую), каждая из которых распространяется в своем направлении по промежуточной решетке, а далее направляется вниз в выводную решетку. Для реализации цветного изображения предусмотрены 3 отдельные световодные пластины данной конфигурации, которые скреплены между собой.

Недостатки данной схемы:

- световодных пластин три, а на каждой из них - по 4 ДОЭ, т.е. процесс изготовления сложный;

- большие энергетические потери излучения на вводе излучения, в силу невысокой эффективности ДОЭ;

- в центральной области выводной решетки может образоваться «слепая зона», т.к. в нее не попадает излучение при распространении внутри пластины или же яркость этой зоны будет очень мала.

Патентная заявка US2017299864 Waveguides with extended field of view. Входной ДОЭ разделяет поле зрения изображения при вводе в оптический волновод на первую и вторую части путем дифракции части излучения в первом направлении, к первому промежуточному компоненту, а второй части - во втором направлении, ко второму промежуточному компоненту. Выходной ДОЭ волновода объединяет излучение, соответствующее первой и второй частям поля зрения, и связывает его на выходе оптического волновода, так что излучение, соответствующее изображению и объединенные первая и вторая части поля зрения выводятся из оптического волновода. Промежуточные компоненты и выходной ДОЭ также обеспечивают расширение зрачка и увеличение углового поля.

Недостатки схемы:

- используется 4 решетки разного периода (две одного, а две другого) и различной ориентации (4 угла);

- пластин три (одна на каждый из RGB цветов), а в предлагаемом модуле две;

- может быть провал в равномерности яркости в центральной.

Патент США US 10025093 Waveguide-based displays with exit pupil expander. Система отображения включает в себя механизм сканирования луча для формирования изображения, оптический волновод и расширитель выходного зрачка, оптически связанный с механизмом сканирования луча и оптическим волноводом. Расширитель выходного зрачка улучшает в различных вариантах реализации может включать в себя рассеивающий оптический элемент, дифракционный оптический элемент, матрицу микролинз или асферических линз, но основное исполнение устройства - на основе световодной пластины с ДОЭ. Описано все устройство, как пластина с ДОЭ, так и оптическая часть. Оптическая часть - на основе одного микрозеркала. При этом пластина с ДОЭ аналогична заявке US2017299864, т.е. без увеличения углового поля и на основе двух или трех решеток ДОЭ на каждой световодной пластине.

Патентная РСТ-заявка WO2011131978 Optical waveguide and display device. В заявке описана исключительно световодная пластина, которая представляет собой склейку из двух пластин, каждая из которых работает в своем спектральном диапазоне (одна - преимущественно в сине-зеленой области, вторая - в красно-зеленой). Благодаря такой разбивке излучения по спектру удается достичь получение цветного изображение в пределах всего рабочего углового поля. В качестве ДОЭ для ввода излучения используются отражательные решетки.

Недостаток данной схемы состоит в том, что поле зрения ограничено и меньше, чем в патентных заявках US2006221448 и US2017363871, описывающих симметричные структуры ДОЭ.

Также были найдены и проанализированы патентные заявки только на DLP-дисплеи: патентные заявки США US2006164600 High efficiecy LED optical engine for a digital light processing (DLP) projector and method of forming same, US2016295182 DLP micro projector, US2019230326 DLP color projector. В этих заявках описаны различные оптические схемы реализации так называемых DPL-проекторов или оптических устройств (light engine), объединяющих в себе микрозеркальный дисплей, оптическую систему подсвета и коллимирующий объектив. В заявках реализованы две возможные схемы построения таких проекторов: в одной излучение трех светодиодов объединяется последовательно с помощью двух зеркал, в другой - с помощью так называемого Х-кубика. Но эти схемы DLP дисплеев можно еще усовершенствовать для его применения в предлагаемом оптическом модуле.

Прототип, где одинаково полно были бы описаны как часть световодных пластин с ДОЭ, так и оптическая часть, найти не удалось, наиболее близкие технические решения приведены в патентных заявках US20100214659 и US20170299864.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый изобретением: существенное усовершенствование оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ для уменьшения габаритных размеров устройства в целом, увеличения рабочего углового поля, обеспечения равномерности яркости выводимого изображения в пределах всего выходного зрачка, повышения эффективности ввода излучения в пластину.

Это усовершенствование предлагается за счет значимых изменений, как в модификации структуры световодных пластин и ДОЭ на них, так и в используемом DLP-проекторе.

Модификация структуры световодных пластин с ДОЭ по сравнению с наиболее близкими техническими решениями, описанными в патентных заявках US20100214659 и US20170299864, заключается, в уменьшении количества ДОЭ, которые получены на световодной пластине, а также обеспечения одного периода у всех ДОЭ на световодной пластине.

Оптический модуль для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ характеризуется следующим составом основных компонентов: микрозеркальным DLP-дисплеем; блоком светодиодных RGB источников излучения, необходимым для подсветки микрозеркал DLP-дисплея и получения цветного изображения; оптической системой подсвета DLP-дисплея, которая позволяет объединить излучение RGB светодиодов и обеспечить равномерность яркости подсвета DLP-дисплея; электронного блока управления DLP-дисплеем и светодиодными источниками, их синхронизации и питания; коллимирующим объективом, установленным после DLP-дисплея и обеспечивающим требуемый размер рабочего углового поля и выходного зрачка; световодной пластиной с ДОЭ, позволяющей вывести изображение, сколлимированное коллимирующим объективом, с DLP-дисплея пользователю, обеспечивая при этом возможность наблюдения окружающего пространства.

При этом использован усовершенствованный проектор на основе DLP-дисплея, у которого коллимирующий объектив имеет вынесенный выходной зрачок (т.е. удаленный, находящийся на расстоянии от последней линзы объектива), совпадающий, по крайней мере, с одной из двух вводных областей на световодных пластинах с ДОЭ. Это необходимо, для обеспечения ввода излучения в световодную пластину и минимизации размеров области ввода излучения (вводного ДОЭ).

Также возможна компоновка DLP-проектора на основе одной площадки с тремя RGB светодиодами для уменьшения габаритных размеров устройства в целом и снижения сложности его сборки-юстировки.

Что касается световодных пластин и ДОЭ на них, то с целью увеличения рабочего углового поля, обеспечения равномерности яркости выводимого изображения в пределах всего выходного зрачка, повышения эффективности ввода излучения в пластину, минимизации количества световодных пластин и ДОЭ предложена следующая модифицированная реализация структуры световодных пластин с ДОЭ со следующими значимыми отличительными признаками:

- для реализации цветного изображения использованы только 2 световодные пластины, каждая из которых работает в своей области спектра (сине-зеленая и красно-зеленая), что дополнительно позволяет уменьшить габариты устройства в целом;

- для реализации увеличения рабочего углового поля в структуре световодной пластины использовано всего три ДОЭ, причем каждый из них обладает одинаковой частотой (периодом). При этом на каждой пластине ДОЭ имеет свой рассчитанный период - 380 нм и 520 нм;

- вводный ДОЭ отсутствует, что упрощает процесс изготовления пластины. Вместо вводного ДОЭ в структуре световодной пластины используется область перекрытия (наложения друг на друга) двух промежуточных ДОЭ, как показано на фиг. 3. Описание фигур приведено ниже. При этом излучение, дифрагировавшее на первой промежуточной решетке, распространяется в пластине в направлении второй (направление 2), которая перенаправляет его в сторону выводной решетки, и наоборот - излучение, дифрагировавшее на второй промежуточной решетке, при вводе в пластину распространяется в сторону первой решетки (направление 1) и т.д. При этом создается интересный эффект (не следующий из уровня техники): в результате наложения двух решеток образуется интермодуляционная структура с дифракционной эффективностью меньшей, чем две наложенные решетки, но на которой излучение дифрагирует в направление 3 - вдоль оси симметрии пластины. Таким образом, излучение будет попадать в центральную область выводной решетки, а его яркость сопоставима с яркостью остальной части изображения, таким образом обеспечивается равномерность яркости выводимого изображения;

- кроме того, на противоположную часть области ввода излучения должно быть нанесено зеркальное покрытие. В этом случае отраженное от него излучение, как показано на фиг. 4, попадет обратно в пластины и произойдет дифракция на ДОЭ. Так как используемые ДОЭ - это рельефно-фазовые решетки, которые имеют, как минимум, два рабочих порядка дифракции, то отраженное от зеркала излучение, попадая на вводную область нижней пластины, будет дифрагировать обратно в нее, а другой порядок дифракции выйдет в первую пластину. Излучение нулевого порядка попадает на вводную область первой пластины и также одним порядком дифрагирует в пластину, а другим - в воздух. Таким образом, если пластины практически параллельны, а период ДОЭ на верхней пластине меньше периода ДОЭ на нижней, то в результате двойного прохождения излучения через вводную область ДОЭ, происходит увеличение эффективности ввода изучения в пластину;

- дополнительно на параллельные поверхности пластин может быть нанесено зеркальное покрытие, как показано на фиг. 26, для уменьшения потерь излучения при ПВО и возможности увеличения расстояния между вводной и выводной областью, что зачастую требуется осуществить в конструкции изделий;

- система обеспечивает увеличение углового поля за счет его разделения на две симметричные составляющие, как показано на фиг. 7;

- для увеличения эффективности ввода излучения в пластину ДОЭ имеют пилообразный поверхностный рельеф.

Кроме того, две световодные пластины с ДОЭ могут быть установлены как одна под другой, как показано на фиг. 4, когда при соединении двух световодных пластин ДОЭ находятся на верхней стороне каждой из них; так и ДОЭ друг к другу, как показано на фиг. 5, когда ДОЭ одной и другой пластины соприкасаются при соединении двух пластин. В этом случае отпадает необходимость нанесения защитного покрытия или защитного стекла на фоточувствительный материал, в котором получены ДОЭ.

Для уменьшения размеров оптической системы подсвета дисплея, как показано на фиг. 1а, возможна компоновка DLP-проектора на основе одной площадки с тремя RGB светодиодами, как показано на фиг. 1б.

Краткое описание фигур

Фиг. 1а - полупрозрачная 3D-модель предлагаемого оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ в изометрии.

Фиг. 1б - полупрозрачная ЗЭ-модель оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе одной излучающей площадки с тремя RGB светодиодами в изометрии.

Фиг. 2а - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сверху) - вариант без зеркального покрытия.

Фиг. 2б - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сверху) - вариант с нанесением зеркального покрытия.

Фиг. 2в - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сверху) - вариант с нанесением зеркального покрытия по всей поверхности пластины.

Фиг. 3 - область перекрытия промежуточных ДОЭ, через которую осуществляется ввод излучения.

Фиг. 4 - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сбоку) - вариант установки световодных пластин одна под другой (ДОЭ находятся на верхней стороне каждой из них).

Фиг. 5 - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сбоку) вариант установки световодных пластин друг к другу (ДОЭ одной и другой пластины соприкасаются).

Фиг. 6 - структура световодной пластины с ДОЭ (вид сбоку) - вариант нанесения зеркального покрытия на обе параллельные стороны световодных пластин.

Фиг. 7а - распространение и вывод из световодной пластины излучения первой части рабочего углового поля.

Фиг. 7б - разделение излучения по угловому полю при вводе в световодную пластину.

Фиг. 7в - распространение и вывод из световодной пластины излучения второй части рабочего углового поля.

Осуществление изобретения

На фиг. 1а и фиг. 1б обозначены следующие позиции оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ:

1 - микрозеркальный дисплей;

2₁ - блок трех отдельных светодиодных светодиодных RGB источников излучения;

2₂ - светодиодные RGB источники излучения, расположенные на одной излучающей площадке;

3 - оптическая система подсвета дисплея;

4 - электронный блок управления и питания дисплея и светодиодных источников;

5 - коллимирующий объектив;

6 - световодная пластина с ДОЭ.

На фиг. 2а, 2б и 2в стрелками показано излучение, которое дифрагирует на ДОЭ и распространяется в пластине, и обозначены следующие позиции:

7 - световодная пластина (верхняя);

8, 9 - промежуточный ДОЭ (направление штрихов ДОЭ указано на рисунке);

10 - выводной ДОЭ (направление штрихов ДОЭ указано на рисунке);

11 - область перекрытия промежуточных ДОЭ 8 и 9 для ввода излучения в световодную пластину;

12 - зеркальное покрытие, нанесенное на одну или обе параллельные стороны световодной пластины;

13 - зеркальное покрытие, нанесенное на всю поверхность (на одну или обе параллельные) стороны световодной пластины между промежуточными и выводным ДОЭ.

На фиг. 3 обозначены следующие позиции:

8, 9 - промежуточный ДОЭ (направление штрихов ДОЭ указано на рисунке);

11 - область перекрытия промежуточных ДОЭ 8 и 9 для ввода излучения в световодную пластину;

14 - излучение, дифрагировавшее на ДОЭ 8 при вводе в пластину и распространяющееся в сторону промежуточного ДОЭ 9;

15 - излучение, дифрагировавшее на ДОЭ 9 при вводе в пластину и распространяющееся в сторону промежуточного ДОЭ 8;

16 - излучение, дифрагировавшее на интермодуляционной структуре, образованной двумя промежуточными ДОЭ 8 и 9.

На фиг. 4 обозначены следующие позиции:

7 - световодная пластина (верхняя);

10 - выводной ДОЭ;

11 - область перекрытия промежуточных ДОЭ 8 и 9 для ввода излучения в световодную пластину;

17 - область перекрытия промежуточных для ввода излучения в световодную пластину 19;

18 - выводной ДОЭ второй световодной пластины 19;

19 - световодная пластина (нижняя);

20 - зеркальное покрытие, нанесенное под областью ввода излучения в световодную пластину.

На фиг. 5 обозначены следующие позиции:

7 - световодная пластина (верхняя);

10 - выводной ДОЭ;

11 - область перекрытия промежуточных ДОЭ 8 и 9 для ввода излучения в световодную пластину;

17 - область перекрытия промежуточных для ввода излучения в световодную пластину 19;

18 - выводной ДОЭ второй световодной пластины 19;

19 - световодная пластина (нижняя);

20 - зеркальное покрытие, нанесенное под областью ввода излучения в световодную пластину.

На фиг. 6 обозначены следующие позиции:

7 - световодная пластина (верхняя);

10 - выводной ДОЭ;

11 - область перекрытия промежуточных ДОЭ 8 и 9 для ввода излучения в световодную пластину;

17 - область перекрытия промежуточных для ввода излучения в световодную пластину 19;

18 - выводной ДОЭ второй световодной пластины 19;

19 - световодная пластина (нижняя);

21 - зеркальное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону световодной пластины 7;

22 - зеркальное покрытие, нанесенное на нижнюю сторону световодной пластины 19;

23 - зеркальное покрытие, нанесенное на верхнюю сторону световодной пластины 23.

Предлагаемый оптический модуль для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ - это оптическое устройство, которое позволяет формировать различные статические и динамические изображения, в том числе и вспомогательную текстовую, знако-символьную и прочую информацию, изображение которой накладывается на изображение окружающего пространства.

Принцип работы оптического модуля для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с ДОЭ: необходимая информация (изображение, текстовая информация и т.п.) поступает от внешнего устройства на электронный блок управления, который обрабатывает ее и посылает управляющие сигналы через контроллеры на DLP-дисплей (отклонение микрозеркал) и светодиоды RGB (яркость и «моргание» загораются поочередно с высокой частотой). Таким образом, на DLP-дисплее формируется цветное изображение. Далее оно коллимируется объективом и вводится в световодную пластину с ДОЭ для ее вывода оператору. Распространение излучения в пластине основано на эффекте полного внутреннего отражения (ПВО), а для ввода и вывода излучения используются дифракционные решетки.

Система также обеспечивает увеличение углового поля за счет его разделения на две симметричные составляющие, как показано на фиг. 7. Принцип работы световодной пластины с ДОЭ с точки зрения увеличения рабочего углового поля основан на том, что излучение, падающее на вводную область ДОЭ, с рабочим угловым полем 2w (фиг. 7) разбивается на две части по углу (левую w_L и правую w_R), которые распространяются в пластине в противоположные стороны через промежуточные ДОЭ, как показано на фиг. 7. Излучение каждой части рабочего углового поля распространяется в две противоположные стороны, попадает на промежуточный ДОЭ (как показано на фиг. 3 и фиг. 2а и после него на ДОЭ для вывода излучения оператору. Таким образом, на выводном ДОЭ объединяются две составляющие входного рабочего углового поля, т.е. геометрически (за счет разделения всего рабочего углового поля на две симметричный части) реализуется возможность увеличения размеров рабочего углового поля почти в два раза по сравнению со случаем, когда такое разделение отсутствует.

На противоположную часть области ввода излучения также должно быть нанесено зеркальное покрытие. В этом случае отраженное от него излучение, как показано на фиг. 4, попадет обратно в пластины и произойдет дифракция на ДОЭ. Так как ДОЭ - это рельефно-фазовые решетки, которые имеют как минимум два рабочих порядка дифракции, то отраженное от зеркала излучение, попадая на вводную область нижней пластины, будет дифрагировать обратно в нее, а другой порядок дифракции выйдет в первую пластину. Излучение нулевого порядка попадает на вводную область первой пластины и также одним порядком дифрагирует в пластину, а другим - в воздух. Таким образом, если пластины параллельны, а период ДОЭ на верхней пластине меньше периода ДОЭ на нижней, то в результате двойного прохождения излучения через вводную область ДОЭ, происходит увеличение эффективности ввода излучения в пластину.

Дополнительно на параллельные поверхности пластин может быть нанесено зеркальное покрытие, как показано на фиг. 2б, 2в и 5, для уменьшения потерь излучения при ПВО и возможности увеличения расстояния между вводной и выводной областью, что зачастую требуется осуществить в конструкции изделий.

Кроме того, две световодные пластины с ДОЭ могут быть установлены как одна под другой, как показано на фиг. 4, когда при соединении двух световодных пластин ДОЭ находятся на верхней стороне каждой из них; так и ДОЭ друг к другу, как показано на фиг. 5, когда ДОЭ одной и другой пластины соприкасаются при соединении двух пластин. В этом случае отпадает необходимость нанесения защитного покрытия или защитного стекла на фоточувствительный материал, в котором получены ДОЭ.

Практическая применимость.

При реализации оптического модуля могут использоваться следующие компоненты: в качестве микродисплея - микрозеркальный дисплей DLP3010 фирмы Texas Instruments, в качестве трех отдельных светодиодных RGB источников излучения - светодиоды OSRAM LE R Q8WP, LE Т Q8WM и LE В Q8WP соответственно, в качестве светодиодных RGB источников излучения, расположенных на одной излучающей площадке - светодиод OSRAM LE RTDUW S2WM, в качестве световодной пластины с ДОЭ - пластина из оптического стекла СТК19 с полученными на ее поверхности ДОЭ в слое фоточувствительного резиста Shipley 1813.

Claims (11)

1. Оптический модуль для устройства дополненной реальности на основе модифицированной структуры световодных пластин с дифракционными оптическими элементами, содержащий:

- микрозеркальный DLP-дисплей;

- блок светодиодных RGB источников излучения для подсветки микрозеркал DLP-дисплея и получения цветного изображения, выполненный в виде трех отдельных светодиодных RGB источников излучения или трех сведодиодных RGB источников излучения, расположенных на одной площадке;

- оптическую систему подсвета DLP-дисплея для объединения излучения светодиодных RGB источников излучения и обеспечения равномерности яркости подсвета DLP-дисплея;

- электронный блок управления, синхронизации и питания микрозеркального DLP-дисплея и светодиодных RGB источников излучения;

- DLP-проектор с коллимирующим объективом, установленным после DLP-дисплея, при этом коллимирующий объектив имеет вынесенный выходной зрачок, совпадающий, по крайней мере, с одной из двух вводных областей на световодных пластинах с дифракционными оптическими элементами;

- две световодные пластины с дифракционными оптическими элементами для вывода с микрозеркального DLP-дисплея изображения, сколлимированного коллимирующим объективом, причем каждая световодная пластина работает в своей области спектра, а именно: сине-зеленая и красно-зеленая;

- каждая световодная пластина включает один выводной дифракционный оптический элемент и два промежуточных дифракционных оптических элемента, в области наложения друг на друга которых образуется интермодуляционная структура, на которой излучение дифрагирует вдоль оси симметрии световодной пластины и попадает в центральную область выводного дифракционного оптического элемента, причем на каждой световодной пластине указанные дифракционные оптические элементы имеют одинаковый рассчитанный период - 380 нм и 520 нм;

- дополнительно на каждой световодной пластине на противоположной части области ввода излучения нанесено зеркальное покрытие.

2. Оптический модуль по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно на параллельные поверхности световодных пластин нанесено зеркальное покрытие.

3. Оптический модуль по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что дифракционные оптические элементы имеют пилообразный поверхностный рельеф.