Устройство для отображения "парящего" изображения и способ его работы, проекционная оптическая система для устройства отображения "парящего" изображения, система интерактивного дисплея "парящего" изображения, способ работы системы интерактивного дисплея "парящего" изображения

Авторы патента:

G02B30/56 - Оптика (изготовление оптических элементов или приборов B24B,B29D 11/00,C03 или другие соответствующие подклассы или классы; материалы как таковые см. соответствующие подклассы, например C03B,C03C)

Владельцы патента RU 2781359:

САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД. (KR)

Изобретение относится к устройствам, которые формируют «парящие» изображения в свободном пространстве. Устройство содержит проекционную оптическую систему; волновод, содержащий первый вводной дифракционный оптический элемент, второй вводной дифракционный оптический элемент; выводной дифракционный оптический элемент; оптический элемент с положительной оптической силой. Проекционная оптическая система включает в себя: проектор изображения, блок оптического переноса, область промежуточного изображения, блок проекции. При использовании изобретения пользователь наблюдает реальное изображение в пространстве в большом поле обзора. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к области оптотехники и предназначено для создания интегрально-оптических устройств, а именно устройств дополненной реальности, которые формируют «парящие» изображения в свободном пространстве.

Описание предшествующего уровня техники

Активно развивающаяся область мобильных технологий требует все более оригинальных решений, имеющих высокую информативность и комфорт. Одной из идей, которая требует технического воплощения, является дисплей «парящего» изображения. Технологические потребности: дисплей «парящего» изображения/объемный дисплей с увеличенным полем обзора, такой дисплей должен осуществлять отображение без дополнительной рассеивающей среды. К такому дисплею предъявляются следующие требования:

увеличенное изображение высокого качества;

широкое поле зрения, чтобы изображение можно было увидеть с нескольких точек обзора или несколькими пользователями;

изображение должно быть вынесено перед плоскостью дисплея;

отсутствие движущихся частей системы;

безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Из уровня техники известны очки дополненной реальности, на основе волновода и вводного и выводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), в таких системах поле зрения изображения имеет довольно малые размеры, а яркость изображения сильно зависит от угла обзора. Также используются очки дополненной реальности на основе архитектуры, содержащей множество вводных, выводных и размножающих ДОЭ, в таких системах поле зрения изображения увеличивается. Также известны системы для отображения “парящего” изображения для мобильных устройств, в таких системах поле зрение изображения увеличено по сравнению с полем зрения, получаемым в очках дополненной реальности, и, кроме того, изображение могут видеть несколько пользователей одновременно. Однако в таких системах имеется маленький размер самого “парящего” изображения, и при его масштабировании трудно добиться хорошей яркости, однородности изображения и качества изображения.

Из уровня техники (документ US 2019/0222828 A1, дата публикации 18.07.2019) известна система отображения, содержащая радиально-симметричное зеркало, экран дисплея и радиальный массив линз. Свет от экрана может проходить через радиальную решетку, а затем отражаться от зеркала, создавая автомультископический дисплей с обзором 360 градусов. Автомультископический дисплей может отображать несколько визуализированных видов трехмерной сцены, каждый из которых показывает сцену под другим углом виртуальной камеры. Это известное решение имеет большие габариты, сниженное разрешение из-за использования растровой системы.

Из уровня техники (документ US 20190285904 A1, дата публикации 19.09.2019) известно устройство трехмерной визуализации, основанное на массиве уголковых отражателей, которые могут обеспечивать перенос плоскости первичного дисплея в свободное пространство. Для визуализации изображения дисплей мобильного устройства располагается под углом к массиву уголковых отражателей, изображение формируется в свободном пространстве. Недостатком известного устройство является то, что массив уголковых отражателей работает с малым полем обзора, которое не превышает 20градусов. Также это известное устройство формирует изображение с низким разрешением, имеет большие габариты. Кроме того, известное решение не обеспечивает увеличение “парящего” изображения.

Из уровня техники (документ US9933684 B2, дата публикации 03.04.2018) известно устройство для отображения изображения, содержащее: первую оптическую подложку, содержащую по меньшей мере один волноводный слой, сконфигурированный для распространения света в первом направлении, при этом по меньшей мере один волноводный слой первой оптической подложки содержит по меньшей мере один дифракционный оптический элемент, сконфигурированный для извлечения света из первой подложки по первому направлению; и вторую оптическую подложку, содержащую по меньшей мере один волноводный слой, сконфигурированный для распространения света во втором направлении, при этом по меньшей мере один волноводный слой второй оптической подложки содержит по меньшей мере один дифракционный оптический элемент, сконфигурированный для извлечения света из второй подложки вдоль второго направления; при этом по меньшей мере один дифракционный оптический элемент по меньшей мере одной из первой и второй оптических подложек содержит SBG в пассивном режиме. Недостатком известного решения является низкая яркость изображения, ограниченное поле зрения, изображение в воздухе не формируется.

Из уровня техники (документ US 20170199496 A1, дата публикации 13.07.2017) известна система для генерации последовательности изображений с разной глубиной, содержащая матрицу модуляции. Матрица модуляции содержит множество модуляторов света, которые могут сдвигать луч света, падающего на модуляторы, на несколько градусов. Множество модуляторов света могут сдвигать луч света согласованно согласно шаблону сдвига модуляции. Шаблон сдвига модуляции может быть сконфигурирован для фокусировки падающего света на вокселе или для формирования трехмерного изображения. Один или несколько шаблонов сдвига модуляции могут быть изменены для растрирования одного или нескольких объектов изображения в одной или нескольких плоскостях глубины изображения. Недостатками известной системы является то, что не формируется “парящее” изображение с положительным выносом, а также для увеличения поля зрения требуются различные параметры вводных дифракционных решеток.

Из уровня техники (документ WO 2018220265 A1, дата публикации 06.12.2018) известен проекционный объектив и волноводный дисплей. Объектив адаптирован для проецирования изображения из первой плоскости во вторую плоскость и содержит, начиная со второй плоскости, первую группу оптических элементов (G1), имеющую положительное эффективное фокусное расстояние, и вторую группу оптических элементов (G2), размещенную между первой плоскостью и первой группой оптических элементов и имеющую отрицательное эффективное фокусное расстояние, и третью группу оптических элементов (G3), размещенную между первой плоскостью и второй группой оптических элементов и имеющую положительное эффективное фокусное расстояние. Если считать от второй плоскости, первая преломляющая поверхность второй группы оптических элементов вогнута по направлению ко второй плоскости, а вторая преломляющая поверхность третьей группы оптических элементов является выпуклой по направлению к первой плоскости. Объектив хорошо подходит для проецирования изображений на дифракционные оптические дисплеи. Недостатком такой системы является то, что она имеет маленькие размеры и может быть использована, например, для очков дополненной реальности, и не может проецировать изображения больших размеров, «парящих» в пространстве.

Из уровня техники (документ US 2020409034 A1, дата публикации 31.12.2020) известна оптическая линза и устройство отображения, которое может быть расположено на голове (head mounted display, HMD). Оптическая линза включает в себя первую линзу, вторую линзу, третью линзу и четвертую линзу, последовательно расположенные от стороны выхода света к стороне падения света. Генератор изображения расположен на стороне падения света. Оптическая линза сконфигурирована для приема пучка лучей изображения, создаваемого генератором изображения. Пучок лучей изображения образует апертурную диафрагму на стороне выхода света. Недостатком такой системы является то, что она имеет маленькие размеры и может быть использована, например, для очков дополненной реальности, и не может проецировать изображения больших размеров, «парящих» в пространстве.

Из уровня техники (документ RU 2427864 С1, дата публикации 27.08.2011) известен окуляр в вынесенным выходным зрачком. Окуляр содержит по направлению хода луча четыре компонента. Первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к пространству предметов. Третий компонент представляет собой склейку, содержащую двояковогнутую и двояковыпуклую линзы. Четвертый компонент выполнен в виде плосковыпкулой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к выходному зрачку. Недостатком являются неподходящие параметры, которые не подходят для проекционных систем RGB.

Из уровня техники (документ RU 2652660 С1, дата публикации 28.04.2018) известен окуляр в вынесенным выходным зрачком. Окуляр содержит три компонента, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, второй - одиночная плосковыпуклая линза, третий - положительный дублет, состоящий из двояковыпуклой положительной линзы и отрицательного мениска. Недостатком являются неподходящие параметры, которые не подходят для проекционных систем RGB.

Из уровня техники (документ US20190041634A1, дата публикации 07.02.2019) известен голографический волноводный оптический трекер. Трекер включает в себя: источник света; по меньшей мере один волновод, оптически связанный с указанным источником; по меньшей мере один детекторный волновод, содержащий дифракционный оптический элемент для ввода и отклонения пучка с первой поляризацией света, отраженного от указанного объекта, в первое направление волновода и отклонения пучка со второй поляризацией света, отраженного от указанного объекта, во второе направление волновода; по меньшей мере один детектор, оптически связанный с указанным детекторным волноводом, работающий для приема света, распространяющегося в указанном первом направлении волновода; и по меньшей мере один детектор, оптически связанный с указанным детекторным волноводом, работающий для приема света, распространяющегося в указанном втором направлении волновода. Недостатками известного устройства является множество дополнительных элементов, отсутствие возможности формирования изображения в воздухе.

Из уровня техники (документ US 9606354 B2, дата публикации 28.03.2017) известен проекционный дисплей со встроенной системой отображения. Устройство содержит световод, включающий в себя проксимальный конец, дистальный конец, дисплей, расположенный рядом с проксимальным концом, камеру для измерения излучения, идущего от глаза, расположенную на проксимальном конце или рядом с ним, проксимальный оптический элемент, расположенный в световоде рядом с проксимальным концом, и дистальный оптический элемент, расположенный в световоде рядом с дистальным концом. Проксимальный оптический элемент оптически соединен с дисплеем, а дистальный оптический элемент оптически связан с проксимальным оптическим элементом, внешней областью ввода и оптическим элементом ввода/вывода. Недостатком известного устройства являются большие размеры, использование множества дополнительных элементов, невозможность создания изображения в воздухе.

Таким образом, необходимо устройство формирования «парящего» изображения с большим полем обзора и без движущихся частей, с изображением, обладающим высоким качеством, причем в устройстве не должен использоваться диффузный экран, кроме того должно формироваться «парящее» изображение достаточно больших размеров.

Сущность изобретения

Согласно предлагаемому изобретению устройство отображения «парящего» изображения содержит:

проекционную оптическую систему для направления излучения, составляющего изображение, к первому вводному дифракционному оптическому элементу;

волновод, на котором расположены дифракционные оптические элементы, причем волновод предназначен для распространения излучения от вводных дифракционных оптических элементов к выводному дифракционному оптическому элементу;

первый вводной дифракционный оптический элемент, расположенный на первой поверхности волновода, для ввода излучения от проекционной оптической системы в волновод и дифракции введенного излучения;

второй вводной дифракционный оптический элемент, расположенный на второй поверхности волновода, противоположной первой поверхности волновода, напротив первого вводного дифракционного оптического элемента, причем второй вводной дифракционный оптический элемент расположен таким образом, что центр первого вводного дифракционного оптического элемента и центр второго дифракционного оптического элемента расположены на одной оси, причем на второй вводной дифракционный оптический элемент нанесено светоотражающее покрытие, причем второй вводной дифракционный оптический элемент выполнен для ввода излучения, имеющего «0» порядок дифракции, которое проходит к верхней поверхности волновода от первого вводного дифракционного оптического элемента, светоотражающее покрытие необходимо для отражения излучения, имеющего один из порядков дифракции, и его направления обратно во второй вводной дифракционный оптический элемент;

выводной дифракционный оптический элемент, расположенный на первой стороне волновода, причем выводной дифракционный оптический элемент необходим для вывода из волновода излучения, формирующего изображение;

оптический элемент с положительной оптической силой, расположенный вблизи второй стороны волновода напротив выводного дифракционного оптического элемента, причем оптический элемент с положительной оптической силой необходим для фокусировки в плоскости «парящего» изображения излучения, вышедшего из волновода через выводной дифракционный оптический элемент.

Предлагается устройство отображения «парящего» изображения, содержащее следующие элементы:

проекционную оптическую систему;

волновод, содержащий первый вводной дифракционный оптический элемент, второй вводной дифракционный оптический элемент;

выводной дифракционный оптический элемент;

оптический элемент с положительной оптической силой;

причем

проекционная оптическая система выполнена с возможностью проецировать излучение, составляющее изображение, на первый вводной дифракционный оптический элемент и включает в себя:

проектор изображения, блок оптического переноса, область промежуточного изображения, блок проекции, причем

блок оптического переноса выполнен с возможностью отображать изображение от проектора в плоскости промежуточного изображения, причем блок оптического переноса содержит оптическую систему, имеющую первую группу оптических элементов, имеющую положительную оптическую силу и расположенную на расстоянии от проектора, и вторую группу оптических элементов, имеющую отрицательную оптическую силу и расположенную на расстоянии от первой группы оптических элементов,

блок проекции выполнен с возможностью фокусировки излучения на расстоянии, равном значению положительного выноса выходного зрачка проекционной оптической системы, на первый вводной дифракционный оптический элемент, причем блок проекции содержит оптическую систему, имеющую положительную оптическую силу;

волновод выполнен с возможностью размножения излучения, принятого от проекционной оптической системы, причем первый вводной дифракционный оптический элемент расположен на первой стороне волновода таким образом, что излучение от проекционной оптической системы попадает в волновод через первый вводной дифракционный оптический элемент;

второй вводной дифракционный оптический элемент расположен на второй стороне волновода, противоположной первой стороне волновода, причем на второй вводной дифракционный оптический элемент нанесено отражающее покрытие;

выводной дифракционный оптический элемент выполнен с возможностью вывода излучения из волновода в виде проекционного поля, представляющего собой конус, имеющий угол расходимости, выводной дифракционный оптический элемент расположен на первой стороне волновода,

причем каждый из вводных дифракционных оптических элементов расположен относительно выводного дифракционного оптического элемента таким образом, что

угол между вектором вводного дифракционного оптического элемента и ближайшей прилегающей к упомянутому вектору стороной выводного дифракционного оптического элемента должен быть не больше, чем разница между углом при диагонали выводного дифракционного оптического элемента и углом равным половине угла расходимости проекционного поля;

причем оптический элемент с положительной оптической силой выполнен с возможностью фокусировки проекционного поля, выходящего из выводного дифракционного оптического элемента, в плоскости «парящего» изображения.

Причем оптические силы оптических элементов в группах оптических элементов и расстояния между оптическими элементами в группах оптических элементов подобраны таким образом, что осуществляется согласование размера выходного зрачка проекционной оптической системы и размера первого вводного дифракционного оптического элемента. Причем проектор состоит из трех проекторов для получения цветного изображения RGB. Причем между проектором и блоком оптических элементов располагаются дополнительные оптические элементы для управления излучением проекционной оптической системы, а именно: направлением распространения и/или амплитудой и/или фазой и/или частотой и/или поляризацией излучения. Причем дополнительные оптические элементы могут быть одним из: призмы, оптического кубика, зеркала. Причем центр каждого из вводных дифракционных оптических элементов лежит в диапазоне:

Xin≤0,1*W,

Yin≤0,1*H

где W - измерение волновода по оси X,

H - измерение волновода по оси Y.

Устройство может дополнительно содержать волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные основному волноводу, причем дополнительный волновод наложен на основной волновод таким образом, что расположение вводных дифракционных оптических элементов и выводного дифракционного оптического элемента дополнительного волновода совпадает с соответствующим расположением вводных дифракционных оптических элементов и выводного дифракционного оптического элемента, при этом векторы первого и второго вводных дифракционных оптических элементов дополнительного волновода имеют направление, отличное от направлений векторов первого и второго вводных дифракционных оптических элементов основного волновода, а вектор выводного дифракционного оптического элемента дополнительного волновода имеет направление, соответствующее направлениям векторов первого и второго вводных дифракционных оптических элементов дополнительного волновода. Причем выводной дифракционный оптический элемент представляет собой произвольную сегментированную компоновку. Причем устройство содержит по меньшей мере дополнительный волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные основному волноводу, причем по меньшей мере дополнительный волновод и основной волновод образуют стек волноводов, в котором углы векторов вводных дифракционных оптических элементов совпадают. Причем устройство содержит по меньшей мере дополнительный волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные дифракционным оптическим элементам основного волновода, причем по меньшей мере дополнительный волновод и основной волновод образуют стек волноводов, причем каждый выводной дифракционный оптический элемент представляет собой только один сегмент поверхности волновода, причем расположение сегмента выводного дифракционного оптического элемента отличается от расположения сегмента выводного дифракционного оптического элемента в последующем волноводе стека волноводов.

Предлагается способ работы устройства отображения «парящего» изображения по любому из пп. 1-7, содержащий этапы, на которых:

А) излучение, формирующее изображение от проекционной оптической системы попадает на первый вводной дифракционный оптический элемент, излучение дифрагирует на первом вводном дифракционном оптическом элементе, в результате дифракции формируется:

Б) излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое направляется по волноводу в сторону выводного дифракционного оптического элемента, распространяясь по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода;

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое проходит к верхней поверхности волновода и попадает на второй вводной дифракционный оптический элемент, на поверхности которого нанесено отражающее покрытие, причем излучение, имеющее «0» порядок дифракции, попадая на второй вводной дифракционный оптический элемент, дифрагирует на втором вводном дифракционном оптическом элементе, в результате дифракции формируется:

В) излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое направляется по волноводу в сторону выводного дифракционного оптического элемента, распространяясь по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода, причем излучение, имеющее этот порядок дифракции, распространяется со смещением по отношению к излучению, имеющему «+1» порядок дифракции, которое начало распространяться непосредственно после формирования на первом вводном дифракционном оптическом элементе;

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое попадает на отражающее покрытие второго дифракционного оптического элемента, отразившись от светоотражающего покрытия второго дифракционного оптического элемента, излучение, имеющее этот «0» порядок дифракции, падает на второй дифракционный оптический элемент, в котором дифрагирует, в результате дифракции формируется:

Г) излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода в сторону выводного дифракционного оптического элемента, причем излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, распространяется по тому же пути, по которому распространяется излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, сформированное после дифракции излучения от проекционной оптической системы на первом вводном дифракционном оптическом элементе;

излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое попадает на первый вводной дифракционный оптический элемент 1а, дифрагирует на вводном дифракционном оптическом элементе 1а, в результате дифракции формируется:

Д) излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое выходит из волновода в сторону проекционной оптической системы;

далее повторяются этапы (Б) - (Д);

причем излучение, попавшее на выводной дифракционный оптический элемент, выводится из волновода, попадает на оптический элемент с положительной оптической силой, который фокусирует излучение, выходящее из выводного дифракционного оптического элемента, в плоскости «парящего» изображения.

Также предлагается проекционная оптическая система для устройства отображения «парящего» изображения по п. 1, в которой

оптическая сила проекционной оптической системы больше или равна 44 дптр,

минимальное значение отношения расстояния между проектором и первым оптическим элементом блока оптического переноса к эффективному фокусному расстоянию равно 1,1,

максимальное значение отношения диаметра наибольшего оптического элемента в проекционной оптической системе к эффективному фокусному расстоянию равно 1,5,

минимальное значение отношения диаметра выходного зрачка проекционной оптической системы к диаметру наибольшего оптического элемента равно 0,3,

минимальное значение отношения положительного выноса выходного зрачка к эффективному фокусному расстоянию равно 0,8.

Предлагается система интерактивного дисплея «парящего» изображения, содержащая

устройство отображения «парящего» изображения по любому из пунктов 1-11;

светоделитель;

детектор,

центральный блок управления, связанный с детектором и проектором,

исполнительное устройство; причем

светоделитель выполнен с возможностью направления излучения от проектора в блок оптического переноса, и направления рассеянного излучения, полученного от взаимодействия пользователя с плоскостью «парящего» изображения, от блока оптического переноса в детектор рассеянного излучения;

детектор выполнен с возможностью приема рассеянного излучения, прошедшего через оптический элемент с положительной оптической силой, выводной дифракционный оптический элемент, волновод, первый вводной дифракционный оптический элемент, проекционную оптическую систему;

центральный блок управления выполнен с возможностью приема сигналов от детектора, обработки сигналов от детектора, подачи команды исполнительному блоку в зависимости от положения на плоскости «парящего» изображения места взаимодействия пользователя с плоскостью «парящего» изображения.

Причем исполнительный блок связан с передатчиками излучения различных диапазонов. Причем проекционная оптическая система содержит дополнительный источник излучения со спектральным диапазоном, отличным от спектрального диапазона проектора, причем дополнительный источник излучения выполнен с возможностью включения при выключении проектора. Причем спектральный диапазон упомянутого дополнительного источника излучения является невидимым для пользователя. Причем передатчиками являются ультразвуковые передатчики для передачи ультразвукового сигнала в место взаимодействия пользователя с плоскостью «парящего» изображения по команде центрального блока управления, поданной исполнительному блоку, причем пользователь может ощущать ультразвуковой сигнал в месте взаимодействия с плоскостью «парящего» изображения.

Предлагается способ работы системы интерактивного дисплея «парящего» изображения по любому из пп. 14-17, содержащий этапы, на которых:

пользователь взаимодействует с плоскостью «парящего» изображения, за счет упомянутого взаимодействия излучение, составляющее «парящее» изображение, рассеивается, рассеянное излучение попадает на оптический элемент с положительной оптической силой;

коллимируют рассеянное излучение, посредством элемента с положительной оптической силой;

направляют коллимированное рассеянное излучение на выводной дифракционный оптический элемент;

вводят, посредством выводного дифракционного оптического элемента, сколлимированное рассеянное излучение в волновод;

введенное сколлимированное рассеянное излучение распространяется в волноводе;

выводят, посредством вводного дифракционного оптического элемента, сколлимированное рассеянное излучение в проекционную оптическую систему;

проецируют, посредством проекционной оптической системы, сколлимированное рассеянное излучение на детектор;

детектируют, посредством детектора, сколлимированное рассеянное излучение и передают сигналы в центральный блок управления;

распознают, посредством центрального блока управления, факт взаимодействия пользователя с плоскостью «парящего» изображения, а также место взаимодействия на плоскости «парящего» изображения;

подают команду, посредством центрального блока управления, в зависимости от положения на плоскости «парящего» места взаимодействия.

В одном из вариантов подают команду, посредством центрального блока управления, для смены изображения и/или для подачи звукового сигнала. В одном из вариантов подают команду, посредством центрального блока управления, для подачи ультразвукового излучения. Причем проекционная оптическая система содержит дополнительный источник излучения со спектральным диапазоном, отличным от спектрального диапазона проектора, причем проекционная оптическая система проецирует излучение дополнительного источника излучения на вводной дифракционный оптический элемент. Причем спектральный диапазон упомянутого дополнительного источника излучения является невидимым для пользователя.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1(а) схематически иллюстрирует расположение вводного дифракционного элемента и ход лучей в волноводе согласно известному уровню техники, (b) схематически иллюстрирует расположение вводного дифракционного элемента и ход лучей в волноводе согласно предлагаемому изобретению, (c) показано четыре возможных положения центров вводных дифракционных элементов в случае прямоугольного волновода.

Фиг. 2 иллюстрирует направление вектора вводного дифракционного оптического элемента относительно диагонали выводного дифракционного оптического элемента.

Фиг. 3(a) иллюстрирует случай, когда центр проекционного поля направлен точно в противоположный угол выводной апертуры выводного дифракционного оптического элемента, (b) иллюстрирует случай, когда центр проекционного поля направлен выше диагонали выводной апертуры.

Фиг. 4(а) схематически иллюстрирует предлагаемое устройство для отображения «парящего» изображения, (b) иллюстрирует крайний отрицательный луч поля проекционной оптической системы.

Фиг. 5 иллюстрирует варианты исполнения предлагаемого изобретения: (а) из двух волноводов, (b) из стека волноводов, причем выводной ДОЭ имеет произвольную сегментированную компоновку, (с) из стека волноводов и сегментированной выходной апертурой.

Фиг. 6 схематично иллюстрирует проекционную оптическую систему с эффектом получения промежуточного изображения.

Фиг.7 представлен пример исполнения проекционной оптической системы.

Фиг. 8 (а), (b), (c) варианты расположения проекционной оптической системы и волновода.

Фиг. 9 иллюстрирует систему взаимодействия “парящего” изображения с пользователем.

Подробное описание изобретения

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение «парящего» изображения с увеличенным полем обзора, причем «парящее» изображение должно отображаться без дополнительной рассеивающей среды. Необходимо получить увеличенное изображение высокого качества, с широким полем зрения, чтобы изображение можно было увидеть с нескольких точек обзора и/или несколькими пользователями. Причем устройство для воспроизведения «парящего изображения» не должно иметь движущихся частей и должно иметь безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Предлагается устройство для формирования “парящего” сфокусированного изображения в свободном пространстве, которое можно увидеть невооруженным глазом в поле обзора (Field of View, FoV) на некотором расстоянии от формируемого “парящего” изображения. Предлагаемое техническое решение сочетает в себе использование волновода, дифракционных оптических элементов (ДОЭ), оптического элемента с положительной оптической силой, моноцентрической проекционной оптики и массива фокусирующих линз.

При использовании предлагаемого изобретения пользователь может наблюдать реальное изображение в пространстве в большом поле обзора, также повышается удобство рассматривания пользователем изображения на расстоянии и удобство взаимодействия пользователя с изображением. Предлагаемое устройство отображения «парящего» изображение отображает «парящее» изображение без дополнительной рассеивающей среды, при этом получается увеличенное изображение высокого качества, с широким полем зрения, изображение можно увидеть с нескольких точек обзора и/или несколькими пользователями. Причем предлагаемое устройство не имеет движущихся частей и имеет безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышенную эффективность использования излучения, направляемого от проектора, улучшенную однородность изображения независимо от угла, под которым пользователь наблюдает изображение, отличное качество изображения, наличие системы бесконтактного взаимодействия пользователя с изображением.

Предлагаемое изобретение основано на архитектуре волновода на дифракционных оптических элементах с последовательным вводом излучения и сниженными потерями излучения при вводе. Такой подход повышает эффективность ввода излучения и качество изображения.

Предлагаемая система взаимодействия «парящего изображения» с пользователем, не использующая дополнительные оптические элементы, основана на дуплексности (симметричности) конструкции дисплея «парящего» изображения. Обеспечивается восприятие «парящего» изображения больших размеров, «висящего» перед пользователем, обеспечивается увеличенное и контролируемое поле зрения оптической системы, при этом получаемое изображение имеет увеличенную по сравнению с уровнем техники яркость и однородность. В настоящем изобретении размер выходного зрачка проекционной оптической системы согласован с размером вводного дифракционного оптического элемента волновода, что дает увеличенную эффективность и улучшенное качество изображения. Обеспечивается возможность взаимодействия пользователя с «парящим» изображением без использования каких-либо дополнительных элементов.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:

Поле зрения оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы и формирующих изображение. Центр поля зрения соответствует центру изображения, а край поля зрения соответствует краю максимально возможного размера изображения.

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 все поля изображения. Размножая выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры оптической системы, волноводная оптика за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода позволяет это делать без увеличения продольных габаритов.

Порядок дифракции определяет угол дифракции излучения. Например, если порядок дифракции «0», то угол дифракции излучения равен углу падения излучения на дифракционный элемент (т.е. дифракции как таковой не происходит). Излучение, имеющее «±1» порядки дифракции, имеет минимально возможный угол дифракции.

Дифракционная эффективность - это свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы. Дифракционная эффективность представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку. Данный термин является устоявшимся в уровне техники.

Вектор дифракционной решетки - волновой вектор дифракционной решетки (дифракционного оптического элемента), направленный перпендикулярно штрихам решетки и расположенный в одной плоскости с ее рабочей поверхностью. Длина вектора равна , где - это период дифракционной решетки.

Фиг. 1 (а) схематически иллюстрирует расположение вводного дифракционного оптического элемента 1 и ход лучей в волноводе 2 согласно известному уровню техники, (b) схематически иллюстрирует расположение вводного дифракционного оптического элемента 1 и ход лучей в волноводе 2 согласно предлагаемому изобретению.

Как показано на фиг. 1 (а), в известном уровне техники вводной дифракционный элемент 1 располагается посередине одной из сторон волновода 2. В известных схемах излучение, введенное в волновод, распространяется внутри волновода в направлениях ± 60 градусов относительно направления введения излучения в волновод, то есть введенное излучение распространяется в волноводе в конусе с углом основания 120⁰, уменьшая рабочую выходную апертуру волновода. То есть в волноводе образуются “мертвые зоны” М, где излучение не распространяется. На фиг. 1 (а) видно, что зоны М, где излучение не распространяется, попадают на участок рабочей выходной апертуры волновода 2, откуда излучение могло бы выходить из волновода 2.

Согласно предлагаемому изобретению устройство отображения «парящего» изображения содержит:

оптический элемент с положительной оптической силой, расположенный вблизи второй стороны волновода напротив выводного дифракционного оптического элемента, причем оптический элемент с положительной оптической силой необходим для фокусировки, в плоскости «парящего» изображения, излучения, вышедшего из волновода через выводной дифракционный оптический элемент.

На фиг. 1(b) обозначена система координат, связанная с волноводом. Согласно предлагаемому изобретению центры вводных дифракционных оптических элементов 1 лежат в диапазоне:

X_in≤0,1*W,

Y_in≤0,1*H

где W - измерение волновода по оси X, H - измерение волновода по оси Y.

Центры вводных дифракционных оптических элементов 1 расположены на одной оси, на противоположных поверхностях волновода 2 напротив друг друга.

Выводной дифракционный оптический элемент 3 может иметь форму многоугольника, например, на фиг. 1(b) выводной дифракционный оптический элемент 3 изображен в форме пятиугольника. Как видно на фиг. 1 (b), центр каждого из вводных дифракционных оптических элементов 1 расположен на равном расстоянии от по меньшей мере двух вершин выводного дифракционного оптического элемента, или центр каждого из вводных дифракционных оптических элементов 1 размещается вблизи по меньшей мере одной вершины выводного дифракционного оптического элемента 3 с углом при вершине равном или меньшем 120 градусов.

Отношение площадей вводного дифракционного оптического элемента 1 и выводного дифракционного оптического элемента 3 менее <0,001.

Отношение эффективной площади выводной поверхности, то есть площади, с которой выводится изображение, к площади поверхности волновода 2, на которую нанесен выводной дифракционный оптический элемент 1, больше или равно 0,8.

Дифракционная эффективность первого вводного дифракционного оптического элемента меньше, чем дифракционная эффективность второго вводного дифракционного оптического элемента, что необходимо для выравнивания количества излучения в заданном (рабочем/полезном) порядке дифракции, образованном первым вводным дифракционным оптическим элементом и вторым вводным дифракционным оптическим элементом.

Благодаря предлагаемому расположению архитектуры дифракционных элементов на волноводе 2, зоны, в которых излучение не распространяется, не попадают на участок волновода, откуда излучение выходит из волновода 2.

Как показано на фиг. 1 (b), чтобы избежать появления неактивных областей выводного дифракционного оптического элемента 3, вводной дифракционный оптический элемент 1 размещается в углу волновода 2 так, что угол вектора выводного дифракционного оптического элемента полностью помещается в 120-градусном конусе размножения выходного зрачка, а неактивные области M находятся за пределами области выводного дифракционного оптического элемента 3. То есть, излучение, введенное в волновод 2, распространяется внутри волновода в направлении диагональной стрелки и размножается в направлении боковых стрелок, при этом “мертвые зоны” М, где излучение не распространяется, не попадают на участок волновода, то есть на выводной дифракционный оптический элемент, откуда излучение выходит из волновода, то есть не попадают на выводной дифракционный оптический элемент 3.

Такой подход позволяет оптимизировать использование поверхности волновода 2, то есть разместить в волноводе 2 выводной дифракционный оптический элемент 3 большого размера.

На фиг. 1(c) показано четыре возможных положения центров вводных дифракционных оптических элементов 1 в случае прямоугольного волновода.

Как видно на фиг. 1(c), если за каждый центр координат принять вершину каждого из углов волновода 2, то для каждой из систем координат расстояния центра вводного дифракционного элемента 1 от сторон угла волновода 2 лежат в диапазоне:

по координате X: Xin ≤ 0,1 *W, где W - размер стороны волновода 2 по координате X,

по координате Y: Yin ≤ 0,1 * H, где H - размер стороны волновода 2 по координате Y.

Как показано на фиг. 2, вводной дифракционный оптический элемент должен быть расположен относительно выводного дифракционного оптического элемента так, чтобы угол (обозначен тремя дугами) между вектором вводного дифракционного оптического элемента и ближайшей прилегающей к упомянутому вектору стороной выводного дифракционного оптического элемента должен быть не больше, чем разность между углом (обозначен одной дугой) при диагонали выводного дифракционного оптического элемента и углом (обозначен двумя дугами) равным половине угла расходимости поля проекционной системы. Другими словами, угол (обозначен тремя дугами) между вектором вводного дифракционного оптического элемента и ближайшей прилегающей к упомянутому вектору стороной выводного дифракционного оптического элемента должен быть меньше диагонального угла выводного дифракционного оптического элемента (обозначен одной дугой), как минимум на половину угла расходимости проекционного поля (обозначен двумя дугами).

Если упомянутое выше условие не выполняется, то сформируется обрезанное «парящее» изображение, как разъяснено ниже. Проекционное поле - это область излучения, выходящего из выводного дифракционного оптического элемента. Проекционное поле имеет вид конуса, имеющего угол расходимости (то есть угол при вершине конуса).

На фиг. 3(а) проиллюстрировано обрезание «парящего» изображения из-за неправильного расположения вводного дифракционного оптического элемента, когда выбрано неправильное направление вектора вводного дифракционного оптического элемента. Необходимо отметить, что вся плоскость выводного дифракционного оптического элемента является выводной апертурой. Как видно из фиг. 3(а), в случае, когда центр (биссектриса) проекционного поля, имеющего вид конуса, направлен точно в угол выводной апертуры выводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), часть проекционного поля не распространяется по всей выводной апертуре. На Фиг. 3(а) указано проекционное поле (угол, обозначенный двумя дугами). На Фиг. 3(а) видно, что в случае, когда центр проекционного поля совпадает с диагональным углом выводного дифракционного элемента (угол, обозначенный одной дугой), часть проекционного поля (нижняя пунктирная стрелка) не распространяется в проекционной области выводного оптического элемента, выделенной пунктирной линией. А значит, что эта часть поля не выводится с этой части апертуры выводного дифракционного оптического элемента. В результате, часть «парящего изображения» соответствующая этой части проекционного поля обрезается.

На Фиг. 3(b) нижняя часть проекционного поля (левая пунктирная стрелка) совпадает с диагональным углом выводного дифракционного элемента (угол, обозначенный одной дугой). Проекционное поле распространяется по всей площади выводного дифракционного элемента, а значит, и выводится со всей его площади. Наблюдается полное «парящее» изображение. Стрелками обозначены только края (пунктирные стрелки) и центр (сплошная стрелка) проекционного поля. На самом деле, внутри угла расходимости проекционного поля (обозначен двумя дугами) распространяется множество таких лучей излучения (в направлении, указанном стрелками), каждая из стрелок это «будущая» точка «парящего» изображения. В случае, показанном на Фиг. 3(а), крайняя часть проекционного поля (левая пунктирная стрелка, то есть множество лучей излучения) распространяется мимо области, показанной пунктирным прямоугольником, т.е. выходит за границу выводной области выводного дифракционного элемента, а значит, в этой пунктирной области не размножается и не выводится. Таким образом, часть точек «парящего» изображения, которым соответствуют лучи излучения, распространяющиеся мимо области, показанной пунктирным прямоугольником, не формирует изображение, и изображение отображается неполным/обрезанным.

Необходимо подчеркнуть, что для того, чтобы избежать потери проекционного поля, необходимо, чтобы угол между вектором вводного дифракционного оптического элемента и ближайшей прилегающей к упомянутому вектору стороной выводного дифракционного оптического элемента был меньше разницы диагонального угла выводного дифракционного оптического элемента (обозначен одной дугой) и половины угла расходимости поля проекционной системы (обозначен двумя дугами), как предлагается в настоящем изобретении. В этом случае центр проекционного поля P будет направлен выше диагонали выводной апертуры и сформируется полное «парящее» изображение. Другими словами, угол вектора вводного дифракционного оптического элемента 1, то есть направление ввода излучения в волновод, должен быть не больше, чем диагональный угол выводной апертуры выводного дифракционного оптического элемента минус половина угла расходимости проекционного поля.

На фиг. 4(а) показано предлагаемое устройство для отображения «парящего» изображения, включающее в себя проекционную оптическую систему 5 и волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов согласно изобретению.

Проекционная оптическая система 5 излучает свет в направлении вводного дифракционного оптического элемента 1а волновода 2. Проекционная оптическая система 5 содержит проекционную оптику, минимальная оптическая сила указанной проекционной оптики составляет 44 дптр (диоптрий), минимальное значение отношения заднего рабочего расстояния, то есть расстояния между источником изображения (проектором)) и первой оптической поверхностью проекционной оптики, к эффективному фокусному расстоянию равно 1,1, при этом под эффективным фокусным расстоянием понимается расстояние от оптического центра проекционной оптики до точки фокусировки, причем максимальное значение отношения диаметра наибольшего оптического элемента в системе проекционной оптики к эффективному фокусному расстоянию равно 1,5. Минимальное значение отношения диаметра выходного зрачка к диаметру наибольшего оптического элемента равно 0,3. Минимальное значение отношения положительного выноса выходного зрачка к эффективному фокусному расстоянию равно 0,8.

Указанные выше минимальные и максимальные значения обеспечивают оптимальную реализацию указанной проекционной оптики, в частности, эффективный ввод излучения без потерь. Отличие минимальных и максимальных значений от указанных выше приведет к потерям излучения в системе, что понизит качество результирующего изображения.

Архитектура (структура) дифракционных оптических элементов, расположенных на волноводе, т.е. волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов, имеет вводные и выводные дифракционные оптические элементы с пониженными потерями, архитектура включает в себя по меньшей мере два вводных дифракционных оптических элемента 1а и 1b, размещенных в углу волновода 2, при этом вводные дифракционные оптические элементы 1а и 1b расположены на противоположных поверхностях волновода 2.

Дифракционная эффективность первого вводного дифракционного оптического элемента меньше, чем второго вводного дифракционного оптического элемента (дифракционная эффективность - отношение энергии потока, который дифрагирует в заданный порядок дифракции, к энергии потока, который падает на дифракционный оптический элемент). Второй вводной дифракционный оптический элемент, расположенный на пути распространения света, покрыт светоотражающим покрытием.

Соотношение площадей вводного дифракционного оптического элемента и выводного дифракционного оптического менее <0,001;

отношение площади эффективного вывода выводного дифракционного оптического элемента к площади волновода ≥ 0,8.

Выводной дифракционный оптический элемент имеет такой градиент дифракционной эффективности (функцию зависимости дифракционной эффективности от координаты на поверхности дифракционного оптического элемента), благодаря которому сохраняется однородность яркости выводимого изображения из выводной апертуры.

Выводной дифракционный оптический элемент выводит свет из волновода в направлении оптического элемента с оптической силой, который формирует «парящее» изображение. Форма апертуры оптического элемента с оптической силой согласована с формой выводной апертуры выводного дифракционного оптического элемента.

«Парящее» изображение в пространстве формируется посредством элемента 12 с положительной оптической силой. В обычных очках дополненной реальности, как известно из уровня техники, пользователь видит изображение, сформированное системой, состоящей из проектора и волновода с архитектурой дифракционных оптических элементов, при этом изображение после выводной дифракционной решетки формируется в бесконечности, и его может видеть только пользователь, на котором надеты очки дополненной реальности. В предлагаемом устройстве на пути изображения после выводного дифракционного оптического элемента установлен оптический элемент с положительной оптической силой. Оптический элемент с положительной оптической силой собирает лучи, идущие из бесконечности, в фокальную плоскость, расположенную за этим элементом. Таким образом, при использовании элемента с положительной силой формируется действительное изображение в плоскости «парящего» изображения, которое ввиду своего расположения перед волноводом и упомянутым оптическим элементом с положительной оптической силой, может быть наблюдаемо несколькими пользователями со стороны.

Система взаимодействия с пользователем включает в себя устройство отображения «парящего» изображения, описанное выше, и детектор для детектирования рассеянного излучения, принятого в результате попадания объекта, например, пальца пользователя, в плоскость «парящего» изображения.

При этом излучение, рассеянное от объекта (пальца пользователя), проходит от плоскости «парящего» изображения» обратно в проекционную систему через оптический элемент с положительной оптической силой, который коллимирует рассеянное излучение. Сколлимированное излучение вводится в волновод посредством выводного дифракционного оптического элемента, распространяется по волноводу и выводится через вводной дифракционный оптический элемент в направлении проекционной оптической системы и далее - на детектор. Детектор содержит по меньшей мере одну светочувствительную область и используется для определения присутствия и/или местоположения объекта (пальца пользователя) в плоскости «парящего» изображения.

Как проиллюстрировано на фиг. 4(а), излучение от проекционной оптической системы 5 попадает на первый вводной дифракционный оптический элемент 1а, расположенный на нижней части волновода 2. Первый вводной дифракционный оптический элемент пропускает излучение от проекционной оптической системы 5. Излучение дифрагирует на первом вводном дифракционном оптическом элементе 1а, в результате дифракции формируется: излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое направляется по волноводу в сторону выводного дифракционного оптического элемента, распространяясь по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода в сторону выводного дифракционного оптического элемента 3;

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает; излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое проходит к верхней поверхности волновода и попадает на второй вводной дифракционный оптический элемент 1b, на поверхность которого нанесено отражающее покрытие 4, (причем направление движения излучения, имеющего «0» порядок дифракции, совпадает с направлением движения изначального излучения, т.е. если изначальное излучение падает на вводной элемент перпендикулярно, то и излучение, имеющее «0» порядок дифракции, перпендикулярно верхней поверхности волновода);

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, попадая на второй вводной дифракционный оптический элемент 1b, дифрагирует на втором вводном дифракционном оптическом элементе 1b, в результате дифракции формируется:

излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое направляется по волноводу в сторону выводного дифракционного оптического элемента, распространяясь по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода в сторону выводного дифракционного оптического элемента 3, причем излучение, имеющее этот порядок дифракции, распространяется с отступом (смещением) по отношению к излучению, имеющему «+1» порядок дифракции, которое начало распространяться непосредственно после формирования на первом вводном дифракционном оптическом элементе 1а;

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое попадает на отражающее покрытие второго вводного дифракционного оптического элемента 1b. Отразившись от отражающего покрытия второго вводного дифракционного оптического элемента 1b, этот «0» порядок дифракции падает на второй вводной дифракционный оптический элемент 1b, в котором дифрагирует в результате дифракции формируется:

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется по волноводу благодаря эффекту полного внутреннего отражения от стенок волновода в сторону выводного дифракционного оптического элемента 3, причем излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, распространяется по тому же пути, по которому распространяется излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, сформированное после дифракции излучения от проекционной оптической системы 5 на первом вводном дифракционном оптическом элементе 1а;

излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое попадает на первый вводной дифракционный оптический элемент 1а, дифрагирует на первом вводном дифракционном оптическом элементе 1а, в результате дифракции формируется:

излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «0» порядок дифракции, которое выходит из волновода 2 в сторону проекционной оптической системы.

Таким образом, формируется 2 серии выходных зрачков, которые смещены друг относительно друга на половину диаметра выходного зрачка. Таким образом, по сравнению с уровнем техники излучение в два раза чаще падает на выводной дифракционный оптический элемент 3, то есть выводится излучение с повышенной яркостью. Если взять волновод с определенной толщиной и выходной зрачок проекционной оптической системы 5, диаметр которого меньше, чем произведение удвоенной толщины волновода на тангенс угла дифракции для крайнего отрицательного луча поля проекционной оптической системы (показанного на фиг. 4(b)), то при использовании систем, известных из уровня техники, в которых используются только вводной дифракционный оптический элемент и выводной дифракционный оптический элемент, расположенные на одной стороне волновода, на выходе из волновода образуется изображение с «ячеистой» неравномерной освещенностью. То есть, в случае, когда диаметр выходного зрачка проекционной системы меньше, чем произведение удвоенной толщины волновода на тангенс угла дифракции для крайнего отрицательного луча поля проекционной системы (фиг.4(b)), «парящее» изображение, сформированное волноводами, архитектура которых относится к известному уровню техники, будет иметь неравномерную яркость по своей площади, т.е. будет полосатым. Это явление возникает из-за того, что реплики зрачка проекционной системы, который размножается в волноводе, при выходе из волновода не пересекаются/не накладываются друг на друга, и между ними образуются промежутки. Благодаря архитектуре волновода, описанной в предлагаемом изобретении, когда вводные дифракционные элементы находятся на обеих поверхностях волновода, даже при несоблюдении условия о толщине волновода и диаметре выходного зрачка проекционной системы, удается избежать эффекта полосатости (неравномерной яркости «парящего» изображения). Происходит это благодаря тому, что в случае данной архитектуры зрачок проекционной системы вводится дважды, образуя две серии размножающихся зрачков. А из-за того, что вводные элементы находятся друг от друга на расстоянии, равном толщине волновода, эти серии размножающихся зрачков смещены друг от друга на половину диаметра зрачка. Таким образом, даже при несогласованности толщины волновода и диаметра выходного зрачка системы промежутки, возникающие при выводе реплик зрачков, заполняются репликами зрачков второй серии.

В известном уровне техники, чтобы избежать появления неравномерной освещенности изображения, либо увеличивают ширину выходного зрачка проекционной системы, либо уменьшают толщину волновода. Однако, при увеличении выходного зрачка проекционной оптической системы необходимо увеличивать и размер вводного дифракционного оптического элемента, то есть система становится громоздкой. В случае уменьшения толщины волновода система теряет жесткость и может изгибаться или разрушаться под собственным весом.

Предлагаемое изобретение решает эту проблему. В отличие от известных решений при использовании предлагаемого изобретения освещенность выходного изображения является яркой и равномерной, благодаря тому, что возможно добиться всенаправленного размножения излучения, поступающего от проекционной оптической системы.

На фиг. 5 показаны варианты выполнения волновода 2 с вводными дифракционными оптическими элементами и выводными дифракционными оптическими элементами. Вариант (а) иллюстрирует устройство, состоящее из двух волноводов 2, наложенных друг на друга и имеющих одинаковое расположение вводных дифракционных оптических элементов 1, но разнонаправленные векторы вводных дифракционных оптических элементов, и одинаковое расположение выводных дифракционных оптических элементов 3. Благодаря такой компоновке повышается эффективность устройства, повышается яркость и однородность изображения. Вариант (b) иллюстрирует устройство, состоящее из стека волноводов 2, причем выводной дифракционный оптический элемент 3 представляет собой произвольную сегментированную компоновку, причем углы векторов вводных дифракционных оптических элементов совпадают. Вариант (с) иллюстрирует устройство, состоящее из стека волноводов 2 с сегментированной выходной апертурой, то есть каждый волновод 2 имеет выводной дифракционный оптический элемент 3 в виде только одного сегмента общей поверхности волновода для вывода излучения, причем расположение сегментов отличается от расположения сегментов в предыдущем волноводе. Благодаря такой компоновке увеличивается яркость изображения, а также при использовании такой компоновки возможно получить большую выводную апертуру дисплея. Поскольку изготовление крупногабаритных дифракционных элементов крайне затруднительно, сложно создать большую выводную апертуру из одного дифракционного элемента, поэтому составная выводная апертура является наиболее простым решением данной проблемы.

Ниже показан расчет оптимального количества вводных дифракционных элементов в зависимости от максимально возможной дифракционной эффективности элемента.

Формула для расчета оптимального количества вводных дифракционных элементов n выглядит следующим образом:

где - доля от всего падающего излучения, которое возможно ввести в волновод с помощью вводного ДОЭ, при этом ; - эффективность вывода одного дифракционного элемента (до его разбиения на несколько более мелких сегментов), при этом ; m - число, которое показывает, во сколько раз больше эффективность вывода единичного дифракционного элемента необходимо получить при разбиении одного дифракционного элемента на множество, а именно n, более мелких; - максимальная эффективность вывода излучения, связанная с техническими ограничениями производства ДОЭ. При этом элементарный поток излучения от одного целого (до разбиения на n частей) элемента равен , тогда при разбиении на n сегментов элементарный поток излучения от каждого отдельного сегмента при равномерном выводе выглядит так: , где - доля от общего излучения, которая вводится в единичный сегмент.

Тогда искомая формула получается из решения следующей системы неравенств с учетом того, что в каждый отдельный сегмент будет вводится максимально возможная доля от всего излучения, т.е. , причем :

Тогда, задавая , m, , можно рассчитать оптимальное количество элементов n по формуле: .

Представленный расчет позволяет рассчитывать минимальное необходимое и достаточное число сегментов n. Расчет можно применять для случаев стека волноводов.

Изначально выводной дифракционный оптический элемент не сегментирован и представляет собой единый элемент.

Производится подсчет количества N_prim взаимодействий первичных лучей с выводным дифракционным оптическим элементом на пути их первичного распространения в волноводе. Также N_prim равно количеству вторичных лучей, которые возникают в результате этого взаимодействия и распространяются в направлении вторичного распространения.

Выводной дифракционный оптический элемент разделяется на сегменты, количество которых в направлении первичного распространения лучей равно N_prim.

Рассчитывается энергия вторичных лучей E_cut по формуле

где E_in - энергия первичных лучей, т.е. лучей, которые образовались в волноводе в результате дифракции излучения проекционной системы на вводном дифракционном оптическом элементе и распространяются в направлении первичного распространения. E_cut - энергия вторичных лучей. Вторичные лучи «отрезаются» от главных лучей сегментами выводного дифракционного оптического элемента. Рассчитывается дифракционная эффективность каждого сегмента выводного дифракционного оптического элемента в направлении первичного распространения лучей (DE_{cut_i}) по формуле:

где i - номер сегмента, N_sec взаимодействий каждого вторичного луча с выводным дифракционным оптическим элементом на пути вторичного распространения в волноводе. Для разных вторичных лучей N_sec может быть разным, для получения равномерного вывода излучения из волновода берется максимальный N_sec.

Выводной ДОЭ разделяется на сегменты, количество которых равно N_sec, в направлении вторичного распространения лучей.

Рассчитывается полное количество выводов излучения из волновода по формуле

Рассчитывается E_out по формуле

E_out - энергия, которая «отрезается» от вторичных лучей сегментами выводного дифракционного оптического элемента и выводится из волновода.

Рассчитывается дифракционная эффективность каждого сегмента выводного дифракционного оптического элемента (DE_{out_i}) по формуле

где i - номер сегмента.

Фиг. 6 подробно иллюстрирует структуру проекционной оптической системы 5 с получением промежуточного изображения 6. Излучение распространяется от проектора 7, проходит в I оптический блок, называемый блоком оптического переноса, с помощью которого изображение переносится от проектора 7 в плоскость промежуточного изображения 6. Блок I содержит по меньшей мере два оптических элемента. По ходу излучения первый оптический элемент 8, который может быть линзой или зеркалом, имеет положительную оптическую силу и находится на расстоянии A от проектора 7. А - это заднее рабочее расстояние. При этом расстояние А должно быть достаточно большим для возможности поместить в эту область дополнительные оптические элементы, такие, как светоделительный кубик, призму, зеркало и т.п., для управления излучением от одного или нескольких источников, в частности, трех проекторов RGB. Причем управление излучением проекционной оптической системы является управление направлением распространения и/или амплитудой и/или фазой и/или частотой и/или поляризацией излучения. Второй оптический элемент 9 имеет отрицательную оптическую силу и находится на расстоянии B от первого оптического элемента 8. Благодаря элементам 8 и 9 на расстоянии С от второго оптического элемента 9 формируется промежуточное изображение, и далее лучи от промежуточного изображения попадают в блок II проекции, где расположен третий оптический элемент 10 с положительной оптической силой, который фокусирует лучи на расстоянии D, при этом расстояние D является значением положительного выноса выходного зрачка проекционной оптической системы 5 на вводной дифракционный оптический элемент 1 волновода 2.

Благодаря подбору расстояний A, B, C, D и подбору оптической силы каждого оптического элемента осуществляется согласование размера E выходного зрачка от проекционной оптической системы 5 с размером вводного дифракционного оптического элемента 1, таким образом избегаются потери излучения. Необходимо отметить, что выходной зрачок E оптической проекционной системы 5 является входным зрачком для вводного дифракционного оптического элемента 1, и далее будет обозначаться, как входной зрачок E.

Минимальная оптическая сила проекционной оптической системы складывается из оптической силы Блока I (Dr) и Блока II (Do) и составляет по меньшей мере 44 дптр (D=Do+Dr 44 дптр).

Минимальное значение отношения заднего рабочего расстояния, (то есть расстояния между источником изображения (проектором) 7 и первой оптической поверхностью проекционной оптики) к эффективному фокусному расстоянию, равно 1,1, при этом под эффективным фокусным расстоянием понимается расстояние от оптического центра проекционной оптической системы 5 до точки фокусировки.

Максимальное значение отношения диаметра наибольшего оптического элемента в проекционной оптической системе 5 к эффективному фокусному расстоянию равно 1,5 (D_lens/EFL1.5).

Минимальное значение отношения диаметра выходного зрачка E проекционной оптической системы 5 к диаметру наибольшего оптического элемента равно 0,3 (EPD/D_lens 0.3).

Минимальное значение отношения положительного выноса выходного зрачка к эффективному фокусному расстоянию равно 0,8 (EPR/EFL 0.8).

Упомянутые выше диапазоны значений являются оптимальными диапазонами значений для получения наилучшего эффекта «парящего» изображения. Используя значения вне указанных диапазонов тоже возможно получить «парящее» изображение, но качество изображения будет гораздо хуже.

Формирование промежуточного изображения позволяет использовать в проекционной оптической системе небольшие линзы (до 35 мм в диаметре), а также позволяет получить увеличенное заднее расстояние A между источником изображения и первой оптической поверхностью проекционной оптики. Расстояние А должно быть достаточно большим для возможности поместить в эту область дополнительные оптические элементы, такие как светоделительный кубик, призму, зеркало и т.п., для управления излучением от одного или нескольких источников, в частности, трех проекторов RGB.

Формирование промежуточного изображения приводит к положительному выносу выходного зрачка проекционной оптической системы 5, то есть появляется расстояние между последней оптической поверхностью проекционной оптики, то есть третьим оптическим элементом 10, и положением выходного зрачка проекционной оптической системы 5. При этом для удобства использования расстояние положительного выноса должно быть не менее 5 мм.

Осуществляется согласованность диаметра выходного зрачка проекционной системы с размером вводного дифракционного оптического элемента 1 волновода 2, которая определяется периодом дифракционного оптического элемента, толщиной волновода и материалом, из которого изготовлен волновод.

Возможность формирования промежуточного изображения приводит к высокой яркости и однородности “парящего” изображения, то есть повышается эффективность устройства, прежде всего за счет достижения согласования между выходным зрачком проекционной системы и вводным дифракционным оптическим элементом, которые для достижения максимальной эффективности должны совпадать. С другой стороны, эффективность устройства достигается за счет использования телецентрической системы. В телецентрических системах главные лучи всех неосевых световых пучков параллельны оптической оси в пространстве предметов или в пространстве изображений, при этом термин “телецентричность” является устоявшимся в оптике. Важным преимуществом телецентрических оптических систем является почти полное отсутствие дисторсии и виньетирования, что приводит к наиболее эффективному использованию всего падающего излучения от источника, а также к повышению качества результирующего изображения. Увеличенное расстояние между источником изображения и первой оптической поверхностью проекционной оптики приводит к улучшению качества изображения, кроме того в этом промежутке возможно размещение дополнительных оптических элементов, таких как оптические кубики или призмы, за счет которых возможно получение цветного изображения. За счет положительного выноса выходного зрачка образуется промежуток, в который можно разместить вводной дифракционный оптический элемент волновода. Вводной дифракционный оптический элемент располагается непосредственно на самом волноводе, поэтому волновод располагается таким образом относительно проекционной системы, чтобы положения вводного дифракционного оптического элемента и выходного зрачка проекционной системы совпадали.

В описанных оптических блоках I и II возможно использование любого количества оптических элементов, образующих оптические элементы 8, 9, 10, причем можно использовать любую форму апертуры линз, использующихся в оптических элементах 8, 9, 10, то есть формой линз может быть традиционная круглая, а также полукруглая, сегментарная, кольцевая, полукольцевая, многоугольная и т.п.

Пример исполнения проекционной оптической системы 5 представлен на фиг. 7. Блок I, ближайший к источнику излучения 7, состоит из пяти линз, одна из которых (показано стрелкой) имеет отрицательную оптическую силу, а остальные - положительную силу. Блок II расположен дальше от источника излучения и состоит из одной линзы с положительной оптической силой и дополнительного оптического элемента (а именно, светофильтра, для выделения излучения в определенном оптическом диапазоне с целью повышения качества результирующего изображения), который расположен ближе всего в выходному зрачку проекционной системы и не является обязательным компонентом системы. Данная система приведена лишь в качестве примера реализации изобретения.

Проектор 7 проекционной оптической системы 5 может включать в себя несколько источников изображения. Для получения цветного изображения RGB возможно использование либо трех R, G, B проекторов с дополнительным светоделительным кубиком, либо лампы белого света с дополнительным использованием трех R, G, B светофильтров и дальнейшим прохождением/отражением света от матрицы. В любом из этих случаев необходимо дополнительное пространство между источником изображения и первой оптической поверхностью проекционной системы, достаточное для помещения в него дополнительных элементов для реализации RGB изображения.

В плоскости промежуточного изображения можно расположить пространственный модулятор света, который позволяет дополнительно управлять падающим излучением и накладывать на результирующее изображение визуальные эффекты.

Проекционную оптическую систему 5 и волновод 2 с дифракционными оптическими элементами возможно располагать друг относительно друга различными способами, как показано на фиг. 8. На фигуре 8(а) показано параллельное расположение проекционной оптической системы 5 и волновода 2 с дифракционными оптическими элементами. В этом случае для интеграции проекционной оптической системы 5 и волновода 2 с вводным дифракционным оптическим элементом 1 и выводным дифракционным оптическим элементом 3 возможно использовать призму 11.

В примере на фиг. 8(b) призма/зеркало 11 помещено непосредственно в проекционную оптическую систему 5, например, в область промежуточного изображения. Это сделано для уменьшения габаритных размеров системы, поскольку такое расположение призмы/зеркала 11 позволяет управлять направлением распространения излучения и, как следствие, расположить проекционную оптическую систему 5 параллельно плоскости волновода 2, что делает все устройство компактным хотя бы по одному направлению.

Система, показанная в примере на фиг. 8(с), имеет самые большие габаритные размеры, поскольку проекционная оптическая система 5 расположена перпендикулярно плоскости волновода 2. Тем не менее, она наиболее проста в исполнении, поскольку не требует дополнительных оптических элементов, например, зеркал или призмы, для изменения направления распространения излучения.

Во всех этих случаях показан один вводной дифракционный оптический элемент 1 на волноводе 2, положение которого совпадает с положением выходного зрачка проекционной оптической системы 5.

В соответствии с предлагаемым изобретением пользователь может не только видеть «парящее» изображение, но и взаимодействовать с «парящим» изображением, то есть предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве интерактивного дисплея «парящего» изображения. Система взаимодействия с пользователем, показанная на фиг. 9, разработана таким образом, что пользователь может взаимодействовать с системой и устройство «парящего» изображения может сразу или через некоторое время отвечать на воздействие пользователя.

Лучи, показанные на Фиг.9 сплошными линиями, проходят от проекционной оптической системы 5 в волновод 2 с вводным дифракционным оптическим элементом 1а, вводным оптическим дифракционным элементом 1b и выводным дифракционным оптическим элементом 3, после прохождения волновода 2 попадают на оптический элемент 12 с положительной силой, с помощью которого образуется «парящее» изображение, при этом на фиг. 8 показана плоскость 13 «парящего» изображения. «Парящее» изображение формируется за счет оптического элемента 12 с положительной оптической силой, как было описано выше.

При попадании какого-либо объекта, например, руки пользователя, в плоскость изображения 13, излучение рассеивается этим объектом, и лучи рассеянного излучения попадают на элемент 12 с оптической силой, коллимируются и попадают на выводной дифракционный оптический элемент 3, который в данном случае для этого рассеянного излучения будет играть роль вводного дифракционного оптического элемента. Выводной дифракционный оптический элемент 3 вводит излучение в волновод 2, далее излучение проходит волновод 2 и с помощью вводного дифракционного оптического элемента 1 выводится из волновода 2, далее излучение попадает на детектор 14, который детектирует это рассеянное излучение. Таким образом, реализуется система обратной связи с пользователем.

Система взаимодействия с пользователем (интерактивный дисплей «парящего» изображения) работает следующим образом. Пользователь подносит палец или какой-нибудь предмет, например, указку (то есть объект, с помощью которого пользователь взаимодействует с «парящим» изображением, к какому-либо объекту, изображенному на «парящем» изображении, при этом излучение рассеивается и попадает на элемент 12 с оптической силой. Элемент 12 с оптической силой коллимирует рассеянное излучение, коллимированное рассеянное излучение направляется на выводной дифракционный оптический элемент 3, который вводит сколлимированное рассеянное излучение в волновод 2, где оно распространяется и выводится посредством вводного дифракционного оптического элемента 1 в проекционную оптическую систему 5, которая проецирует это излучение через светоделитель 15 на детектор 14. При этом светоделитель 15 выполнен с возможностью направления излучения от проектора 7 в блок оптического переноса, и направления рассеянного излучения, полученного от взаимодействия пользователя с плоскостью 13 «парящего» изображения, от блока оптического переноса в детектор 14 рассеянного излучения.

Таким образом формируется система отклика без дополнительных источников излучения, при этом на детектор 14 попадает излучение из области «парящего» изображения, до которой «дотронулся» пользователь, поскольку система является симметричной и никакого искажения в изображение, проецируемое для просмотра и полученное на детекторе 14, не вносится. То есть детектор 14 детектирует не только факт взаимодействия пользователя с плоскостью 13 «парящего» изображения, но и область на изображении, в которой произошло взаимодействие. Данные от детектора 14 попадают в центральный блок управления (CPU), который обрабатывает сигналы, полученные от детектора, и определяет - в какую часть интерактивного дисплея, то есть на какую часть плоскости «парящего» изображения «нажал» пользователь. При этом центральный блок управления связан с проектором 7 и на основании сигналов, полученных от детектора, центральный блок управления подает команду исполнительному блоку на изменение изображения на проекторе. В этом случае пользователь в ответ на свое взаимодействие с плоскостью «парящего» изображения получает измененное «парящее» изображение в соответствии с текущим контентом и командами (то есть взаимодействием с определенными частями «парящего» изображения) пользователя. Исполнительный блок может быть связан с передатчиками излучения различных диапазонов.

В систему взаимодействия с пользователем возможно добавить дополнительный источник излучения, который будет выдавать излучение со спектральным диапазоном, который отличается от спектрального диапазона излучения, формирующего «парящее» изображение, при этом дополнительное излучение, проходя проекционную оптическую систему 5, вводной дифракционный оптический элемент 1, волновод 2, выводной дифракционный оптический элемент 3 и оптический элемент с положительной силой 12, окажется в плоскости «парящего» изображения. Такое дополнительное излучение позволит получать обратную связь от пользователя, когда, например, проектор изображения выключен. Спектральный диапазон такого дополнительного излучения может быть невидимым для пользователя. Когда основной проектор «парящего» изображения выключен, а пользователь захочет включить его, пользователю стоит только провести рукой в плоскости «парящего» изображения, при этом невидимое излучение будет рассеиваться и попадать на детектор 14. Система может быть настроена так, что при получении сигнала от детектора о приеме рассеянного дополнительного излучения будет включаться проектор, проецирующий «парящее» изображение.

Кроме того, система может быть настроена таким образом, что при “нажатии” на определенную часть “парящего” изображения, то есть при получении сигнала от детектора 14 о приеме рассеянного излучения в определенной части «парящего» изображения, система будет издавать звуковой сигнал, соответствующий именно этой части «парящего» изображения. Также пользователь может получать отклик от взаимодействия с парящим изображением в виде изменения изображения.

Совместно с дисплеем «парящего» изображения возможно использование массива ультразвуковых передатчиков. Благодаря модуляции фазы волны каждого передатчика возможна фокусировка сигнала от ультразвуковых передатчиков в какую-либо область пространства «парящего» изображения. То есть при получении сигналов о взаимодействии пользователя с плоскостью «парящего» изображения CPU отдает команду исполнительному блоку на передачу ультразвукового сигнала в область нахождения пальца пользователя. Таким образом может осуществляться обратный тактильный отклик, который будет сигнализировать пользователю о «нажатии» на какой-либо элемент «парящего» изображения, т.е. пользователь будет тактильно ощущать нажатия, то есть пользователь будет ощущать пальцем ультразвуковой сигнал и у пользователя создается ощущение, что он действительно дотронулся до изображения,

Таким образом, центральный блок управления может быть соединен с любыми необходимыми передатчиками, которые по команде центрального блока управления могут передавать в плоскость «парящего» изображения излучение видимого диапазона, невидимого диапазона, звук, ультразвук, то есть излучение любых диапазонов, подходящих для взаимодействия с пользователем.

Необходимо отметить, что с технической точки зрения, из-за аберраций элемента с положительной оптической силой 12, изображение получается сферическим, т.е. оно спроецировано на сферу некоторого радиуса. Из-за этого его можно считать объемным, т.к. точка в центре «парящего» изображения находится ближе к пользователю, чем точка на крае изображения. С другой стороны, пользователь не замечает этой кривизны, для него изображение находится в плоскости.

Таким образом, благодаря предлагаемому изобретению получается «парящее» изображение, проецируемое в воздухе, изображение имеет большой размер, широкий угол обзора, то есть изображение может быть видно под разными углами, яркость «парящего» изображения не зависит от угла обзора «парящего» изображения, пользователь имеет возможность взаимодействовать с парящим изображением, получая обратную связь.

Изобретение исключает физическое взаимодействие пользователя с какой-либо поверхностью для получения информации/отклика или для включения и работы с каким-либо прибором. Пользователь просто подносит палец к месту в воздухе, где видно «парящее» изображение кнопки, и прибор, имеющий парящую панель управления, совершает действие, соответствующее «нажатию» на эту кнопку.

Предлагаемое устройство для отображения “парящего” изображения может быть использовано не только в качестве отображения изображений, но также и при создании голографического интерфейса пользователя при взаимодействии пользователя, например, с бытовыми приборами, такими как холодильник, варочная панель, телевизор, кондиционер, домофон и т.п., а также предлагаемое устройство сможет найти применение в условиях опасных производств. То есть элементы управления могут отображаться «парящими» в пространстве. В этом случае с помощью дополнительной камеры можно детектировать:

- явное взаимодействие, которое может выражаться жестами пользователя. Жесты могут быть символическими (например, поднятие большого пальца вверх), дейктическими (например, указательные жесты), иконическими (например, воспроизведение конкретного движения) и пантомимическими (например, с использованием невидимого инструмента);

- неявное взаимодействие (проксемика). В данном случае под проксемикой понимается знаковая система, в которой пространство и время организации процесса общения имеют смысловую нагрузку. Например, если у двух пользователей, обладающих мобильными устройствами с предлагаемым дисплеем, формируется “парящее” объемное изображение собеседника (называемое в таком случае голограммой и, возможно, не идентичное размерам тела пользователя) с помощью предлагаемого дисплея, то, поскольку предлагаемый дисплей позволяет проецировать динамические изображения, голограммы собеседников могут изменяться со временем и контекстом коммуникации. При этом такая модификация объемного изображения может происходить как при участии пользователя (с помощью жестов, нажатия кнопок, голосового управления, движения глаз пользователя и т.п.), так и без его участия с помощью заранее запрограммированной реакции (т.е. визуального изменения 3D изображения) на сообщение собеседника. В данном случае надо понимать, что коммуникация между голограммами собеседников может происходить и без активных действий со стороны пользователей, например, если использовать предложенный дисплей с дополнительными датчиками положения и реакций тела пользователя.

Использование нескольких карманных и портативных устройств может добавить дополнительные контекстно-зависимые функции для взаимодействия с формируемыми “парящими” изображениями. Например, они могут действовать как временное пространство для передачи информации с одной голограммы на другую.

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.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

1. Устройство отображения «парящего» изображения, содержащее следующие элементы:

проекционную оптическую систему;

выводной дифракционный оптический элемент;

оптический элемент с положительной оптической силой;

причем

проектор изображения, блок оптического переноса, область промежуточного изображения, блок проекции, причем

угол между вектором вводного дифракционного оптического элемента и ближайшей прилегающей к упомянутому вектору стороной выводного дифракционного оптического элемента должен быть не больше, чем разница между углом при диагонали выводного дифракционного оптического элемента и углом, равным половине угла расходимости проекционного поля;

2. Устройство по п. 1, в котором оптические силы оптических элементов в группах оптических элементов и расстояния между оптическими элементами в группах оптических элементов подобраны таким образом, что осуществляется согласование размера выходного зрачка проекционной оптической системы и размера первого вводного дифракционного оптического элемента.

3. Устройство по любому из пп. 1, 2, в котором проектор состоит из трех проекторов для получения цветного изображения RGB.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором между проектором и блоком оптических элементов располагаются дополнительные оптические элементы для управления излучением проекционной оптической системы, а именно: направлением распространения, и/или амплитудой, и/или фазой, и/или частотой, и/или поляризацией излучения.

5. Устройство по п. 4, в котором дополнительные оптические элементы могут быть одним из: призмы, оптического кубика, зеркала.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, причем центр каждого из вводных дифракционных оптических элементов лежит в диапазоне:

Xin≤0,1*W,

Yin≤0,1*H,

где W - измерение волновода по оси X,

H - измерение волновода по оси Y.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, причем дифракционная эффективность первого вводного дифракционного оптического элемента меньше, чем дифракционная эффективность второго вводного дифракционного оптического элемента.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, содержащее дополнительный волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные основному волноводу, причем дополнительный волновод наложен на основной волновод таким образом, что расположение вводных дифракционных оптических элементов и выводного дифракционного оптического элемента дополнительного волновода совпадает с соответствующим расположением вводных дифракционных оптических элементов и выводного дифракционного оптического элемента, при этом векторы первого и второго вводных дифракционных оптических элементов дополнительного волновода имеют направление, отличное от направлений векторов первого и второго вводных дифракционных оптических элементов основного волновода, а вектор выводного дифракционного оптического элемента дополнительного волновода имеет направление, соответствующее направлениям векторов первого и второго вводных дифракционных оптических элементов дополнительного волновода.

9. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором выводной дифракционный оптический элемент представляет собой произвольную сегментированную компоновку.

10. Устройство по п. 9, в котором устройство содержит по меньшей мере дополнительный волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные основному волноводу, причем по меньшей мере дополнительный волновод и основной волновод образуют стек волноводов, в котором углы векторов вводных дифракционных оптических элементов совпадают.

11. Устройство по п. 2, в котором устройство содержит по меньшей мере дополнительный волновод, содержащий дифракционные оптические элементы, идентичные дифракционным оптическим элементам основного волновода, причем по меньшей мере дополнительный волновод и основной волновод образуют стек волноводов, причем каждый выводной дифракционный оптический элемент представляет собой только один сегмент поверхности волновода, причем расположение сегмента выводного дифракционного оптического элемента отличается от расположения сегмента выводного дифракционного оптического элемента в последующем волноводе стека волноводов.

12. Способ работы устройства отображения «парящего» изображения по любому из пп. 1-7, содержащий этапы, на которых:

излучение, имеющее «-1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

излучение, имеющее «+1» порядок дифракции, которое распространяется в сторону торца волновода, где затухает;

далее повторяются этапы (Б) - (Д);

причем излучение, попавшее на выводной дифракционный оптический элемент, выводится из волновода, попадает на оптический элемент с положительной оптической силой, который фокусирует проекционное поле, выходящее из выводного дифракционного оптического элемента, в плоскости «парящего» изображения.

13. Проекционная оптическая система для устройства отображения «парящего» изображения по п. 1, в которой

оптическая сила проекционной оптической системы больше или равна 44 дптр,

14. Система интерактивного дисплея «парящего» изображения, содержащая

устройство отображения «парящего» изображения по любому из пунктов 1-11;

светоделитель;

детектор;

центральный блок управления, связанный с детектором и проектором;

исполнительное устройство; причем

15. Система по п. 14, в которой исполнительный блок связан с передатчиками излучения различных диапазонов.

16. Система по любому из пп. 14-15, в которой проекционная оптическая система содержит дополнительный источник излучения со спектральным диапазоном, отличным от спектрального диапазона проектора, причем дополнительный источник излучения выполнен с возможностью включения при выключении проектора.

17. Система по п. 16, в которой спектральный диапазон упомянутого дополнительного источника излучения является невидимым для пользователя.

18. Система по п. 15, в которой передатчиками являются ультразвуковые передатчики для передачи ультразвукового сигнала в место взаимодействия пользователя с плоскостью «парящего» изображения по команде центрального блока управления, поданной исполнительному блоку, причем пользователь может ощущать ультразвуковой сигнал в месте взаимодействия с плоскостью «парящего» изображения.

19. Способ работы системы интерактивного дисплея «парящего» изображения по любому из пп. 14-18, содержащий этапы, на которых:

коллимируют рассеянное излучение, посредством элемента с положительной оптической силой;

направляют коллимированное рассеянное излучение на выводной дифракционный оптический элемент;

введенное сколлимированное рассеянное излучение распространяется в волноводе;

20. Способ по п. 19, в котором подают команду, посредством центрального блока управления, для смены изображения и/или для подачи звукового сигнала.

21. Способ по любому из пп. 19-20, в котором подают команду, посредством центрального блока управления, для подачи ультразвукового излучения.

22. Способ по п. 19, причем проекционная оптическая система содержит дополнительный источник излучения со спектральным диапазоном, отличным от спектрального диапазона проектора, причем проекционная оптическая система проецирует излучение дополнительного источника излучения на вводной дифракционный оптический элемент.

23. Способ по п. 22, причем спектральный диапазон упомянутого дополнительного источника излучения является невидимым для пользователя.

Группа изобретений относится к медицине. Офтальмологическое устройство может содержать офтальмологическую линзу для по меньшей мере одного из замедления, сдерживания или предотвращения прогрессирования миопии.

Способ получения терагерцовых нанокристаллических световодов системы agbr-agi // 2780732

Изобретение может быть использовано при изготовлении каналов доставки и регистрации терагерцового излучения в системах тепловидения, военной технике, космических технологиях, аналитике, медицине, биотехнологии, фармацевтике, терагерцовой оптоэлектронике и фотонике. Предварительно определяют компьютерным моделированием по методу конечных элементов параметры экструзии - температуру, давление плунжера на заготовку и скорость его движения.

Ориентирование магнитно-ориентируемых чешуек // 2780024

Изобретение относится к оптически переменным элементам. Оптический защитный элемент содержит магнитно-ориентируемые чешуйки, расположенные в геликоидальной или двухгеликоидальной компоновке относительно друг друга, при этом по меньшей мере часть подложки включает в себя первую область и вторую область, и причем первая область подложки представляет собой продольный ряд магнитно-ориентируемых чешуек с первым диэдральным углом, а вторая область подложки представляет собой другой продольный ряд магнитно-ориентируемых плоских чешуек со вторым диэдральным углом.

Терагерцовая нанокристаллическая керамика // 2779713

Изобретение относится к новой терагерцовой (ТГц) элементной базе для диапазона 0,1-10,0 ТГц а именно оптической галогенидной нанокристаллической керамике системы TlCl0,74Br0,26 – AgI, предназначенной для передачи терагерцового и инфракрасного излучения. Керамика востребована для применения в оптике, фотонике, в лазерной и ядерной технике видимого, инфракрасного и терагерцового диапазонов.

Интраокулярные линзы и стабилизация периферической части // 2777928

Группа изобретений относится к медицине. Заполненная текучей средой интраокулярная линза содержит: оптическую часть, содержащую оптическую камеру текучей среды; и периферическую часть, содержащую по меньшей мере одну периферическую камеру текучей среды, находящуюся в сообщении по текучей среде с оптической камерой текучей среды, в которой внешняя периферия оптической части имеет периферическую поверхность, в которой радиально внутренняя часть периферической части интраокулярной линзы имеет внутреннюю поверхность.

Однонедельные и одномесячные водоградиентные контактные линзы // 2777488

Контактная линза характеризуется поглощением поликватерниума-1 («PU») примерно 0,40 мкг/линзу или меньше, временем до разрыва водной пленки не менее 10 секунд или оценкой трения 2,0 или ниже после 30 циклов обработки протиранием пальцами. Контактная линза содержит переднюю и заднюю поверхности и слоистую структурную конфигурацию, которая содержит в направлении от передней поверхности к задней поверхности: передний наружный гидрогелевый слой, внутренний слой материала линзы и задний наружный гидрогелевый слой.

Оптическая щелочно-алюмо-боратная стеклокерамика с ионами хрома // 2777297

Изобретение относится к оптическому материаловедению и может быть использовано при создании твердотельных лазеров, включая волоконные лазеры, и люминесцентных оптических материалов. Заявленная оптическая щелочно-алюмо-боратная стеклокерамика относится к калий-литий-алюмо-боратной системе с ионами трехвалентного хрома и имеет следующий состав (мол.%): Li2O 0-25; Al2O3 5-35; K2O 0-20; B2O3 30-90; Sb2O3 0-6; Cr2O3 0,005-0,4; NH4F 0-5; NH4F⋅HF 0-5,5; NH4H2PO4 0-10.

Офтальмологические устройства, полученные из привитых полимерных сетей, и способы их получения и применения // 2776463

Изобретение относится к офтальмологическим устройствам, таким как контактные линзы. Офтальмологическое устройство образовано способом, включающим: (a) обеспечение первой реакционноспособной композиции, содержащей: (i) инициатор полимеризации, который способен при первой активации формировать две или более свободнорадикальные группы, по меньшей мере одна из которых дополнительно может активироваться при последующей активации; (ii) одно или более этиленненасыщенных соединений; и (iii) поперечно-сшивающий агент; (b) подвергание первой реакционноспособной композиции первой стадии активации так, что первая реакционноспособная композиция полимеризуется на ней с образованием поперечно-сшитой субстратной сети, содержащей ковалентно связанный активируемый инициатор свободнорадикальной полимеризации; (c) приведение в контакт поперечно-сшитой субстратной сети с композицией для прививки, содержащей одно или более этиленненасыщенных соединений, причем приведение в контакт проводят в таких условиях, что композиция для прививки проникает в поперечно-сшитую субстратную сеть и является более концентрированной на поверхности поперечно-сшитой субстратной сети, чем в сердцевине; и (d) активацию ковалентно связанного активируемого инициатора свободнорадикальной полимеризации в поперечно-сшитой субстратной сети таким образом, что композиция для прививки полимеризуется в этом месте с поперечно-сшитой субстратной сетью.

Люминесцентная щелочно-германатная керамика с четырехвалентными ионами марганца // 2774637

Изобретение может быть использовано при создании твердотельных лазеров, включая волоконные лазеры, и люминесцентных оптических материалов. Люминесцентная щелочно-германатная стеклокерамика с четырехвалентными ионами марганца является стеклокерамикой, в матрице которой сформированы кристаллы Li2Ge7O15 в процессе термической обработки при температуре 540-700°С в течение 1-10 часов, которая содержит MnO2 0,0005-2 мол.

Терагерцовая галогенидсеребряная нанокерамика // 2774554

Изобретение относится к нелинейно-оптическим терагерцовым материалам, а именно к нанокерамике на основе нетоксичных и пластичных галогенидов серебра, прозрачных в терагерцовой, миллиметровой, инфракрасной и видимой области (область спектра от 0,1 до 10,0 ТГц, что соответствует длинам волн от 3000,0 до 30,0 мкм) без окон поглощения и с высокой прозрачностью.