Голографический виртуальный дисплей

Изобретение относится к области приборостроения. Голографический виртуальный дисплей содержит, по меньшей мере, один источник когерентного света, первый светопроводящий элемент, на поверхности которого расположена, по меньшей мере, одна формирующая голограмма и фазовый пространственный световой модулятор, соединенный с блоком управления. Первый светопроводящий элемент выполнен с возможностью направления освещающего пучка от источника света на формирующую голограмму, выполненную с возможностью формирования освещающего пучка и направления его на фазовый оптический пространственный модулятор высокого разрешения, выполненный с возможностью формирования виртуального голографического изображения в заданной позиции перед наблюдателем, а блок управления выполнен с возможностью управления пространственным фазовым модулятором. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области голографических устройств, а именно к голографическим виртуальным дисплеям, и может применяться в качестве укрепляемого на голове или нашлемного дисплея.

Укрепляемый на голове или нашлемный дисплей (HDM - Helmet-mounted display) - это виртуальный миниатюрный дисплей VD (virtual display), расположенный вблизи глаз пользователя. Он формирует мнимое оптическое изображение, размер которого много больше физического размера самого виртуального дисплея. Большинство известных оптических схем виртуальных дисплеев основаны на комбинации преломляющих и отражающих оптических компонентов для получения увеличенного виртуального изображения, сформированного посредством LCD, CRT, OLED компактного размера или другими пространственными световыми модуляторами (SLM - spatial light modulators). В некоторых оптических схемах виртуальных дисплеев используют сканирующие модули, при этом двумерное изображение формируют за счет последовательного углового сканирования узким оптическим лучом. Другая модификация виртуального дисплея основана на бинокулярных оптических схемах. Применение динамических топографических оптических элементов для двумерного (трехмерного) виртуального дисплея ограничено необходимостью углового разделения недифрагированного луча большой яркости, чтобы он не попал в глаз зрителя.

Известны различные подходы к решению проблемы получения виртуального голографического изображения, в частности, они описаны в статье TOMOYUKI MISHINA et al. Viewing - zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction Applied Optics V.41, №8, р.1489-1499 [1], в опубликованных патентных заявках JP 2000250387 [2] и JP 2002218509 [3], а также в российских патентах RU 2062501 [4] и RU 2117975 [5].

Наиболее близким к заявленному изобретению является голографический дисплей, описанный в патентной заявке WO/2008/049909 [6], который содержит первый EASLM (Electrically Addressed Spatial Light Modulator) и второй EASLM, пара которых позволяет независимо изменять фазу и амплитуду, и в котором топографическое изображение видно, по меньшей мере, одному наблюдателю в определенном угле. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа.

Использование двух EASLM с отдельными драйверами является главным недостатком схемы прототипа, оно усложняет устройство и требует точной подгонки. Данная схема содержит такие компоненты как волоконно-оптическая шайба между EASLM, осветительную конструкцию из волноводов с массивом микролинз (Фиг.8), комбинацию инфракрасных OLED источников света с OASLM, которые увеличивают вес и размер устройства, ограничивая применение данной схемы в нашлемных дисплеях.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание голографического дисплея с:

- уменьшенным весом и размерами, в частности, за счет использования планарной конструкции без преломляющих оптических элементов;

- улучшенной функциональностью, а именно возможностью одновременного наблюдения проецируемого изображения и окружающей обстановки;

- интегрированной и прочной конструкцией;

- большинством элементов, изготавливаемых универсальным голографическим способом;

- возможностью отображения двумерной или трехмерной информации для пользователя и одновременной компенсации близорукости или дальнозоркости глаза пользователя;

- возможностью формирования трехмерного изображения оптимального для уменьшения несоответствия между аккомодацией и конвергенцией во время просмотра виртуального изображения с большой апертурой.

Технический результат достигается за счет создания голографического виртуального дисплея, содержащего, по меньшей мере, один источник когерентного света, первый светопроводящий элемент, на поверхности которого расположена, по меньшей мере, одна формирующая голограмма и фазовый пространственный световой модулятор, соединенный с блоком управления, при этом первый светопроводящий элемент выполнен с возможностью направления освещающего пучка от источника света на формирующую голограмму, которая выполнена с возможностью формирования освещающего пучка и направления его на фазовый оптический пространственный модулятор высокого разрешения, выполненный с возможностью формирования виртуального голографического изображения в заданной позиции перед наблюдателем, а блок управления выполнен с возможностью управления пространственным фазовым модулятором.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы он дополнительно содержал второй светопроводящий элемент, на поверхности которого расположена, по меньшей мере, одна блокирующая голограмма, а также, по меньшей мере, один светопоглотитель, соединенный со вторым светопроводящим элементом, при этом блокирующая голограмма выполнена с возможностью разделения недифрагированных пучков, прошедших, по меньшей мере, одну формирующую голограмму и фазовый пространственный световой модулятор, и направления их во второй светопроводящий элемент, выполненный с возможностью направления недифрагированных пучков на светопоглотитель.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы формирующая голограмма и блокирующая голограмма имели пространственную избирательность, подобранную для нескольких длин волн, при этом были выполнены с возможностью формирования цветного голографического изображения.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы блок управления был дополнительно соединен с формирующей голограммой и блокирующей голограммой, которые записаны в фоторефракционной структуре, и выполнен с возможностью управления фоторефракционной структурой, которая при этом выполнена с возможностью переключения дифракционной эффективности голограмм.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы первый светопроводящий элемент, фазовый пространственный световой модулятор и второй светопроводящий элемент были соединены вместе и образовывали монолитную конструкцию, выполненную с возможностью пропускания только дифрагированных лучей, формирующих топографическое изображение.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы фазовый пространственный световой модулятор был выполнен с возможностью формирования одновременно цифровой голограммы с высокой пространственной частотой и линзы с низкой пространственной частотой, подобной линзе Френеля, для коррекции близорукости или дальнозоркости.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы формирующая голограмма была выполнена упрощенной, а фазовый оптический пространственный модулятор выполнен с возможностью функционирования в заданных дифракционных условиях - с различными углами падения и одним углом преломления при этом получения ахроматического виртуального изображения, при этом устройство отображения содержало три блокирующие голограммы, выполненные с возможностью разделения соответственно красного, зеленого и синего цветов, а блок управления дополнительно соединен с источником света и выполнен с возможностью управления источником света.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы фазовый пространственный световой модулятор был выполнен с возможностью полного внутреннего отражения, а первый светопроводящий элемент выполнен в виде оптического волновода.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы он содержал, по меньшей мере, два лазерных источника света, один из которых используется в процессе записи, и, по меньшей мере, один из которых используется в процессе восстановления волноводной голограммы, записанной в фоторефракционном слое, расположенном на волноводе, и световой модулятор с полным внутренним отражением для формирования изображения.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы он содержал набор расположенных одна за другой формирующих голограмм и набор блокирующих голограмм.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы голограммы были соединены с блоком управления, выполненным с возможностью электронного управления дифракционной эффективностью каждой из расположенных одна за другой голограмм.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы источник когерентного света был выполнен в виде лазера.

Для функционирования голографического виртуального дисплея важно, чтобы светопроводящий элемент был выполнен в виде элемента, выбранного из набора элементов, включающего в себя светопроводящую пластину и оптический волновод.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1. Общая схема голографического виртуального дисплея согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

11 - считывающий луч

10 - светопроводящая пластина

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма

20 - светопроводящая пластина

25 - блокирующая недифрагированный пучок волноводная голограмма

26 - недифрагированные пучки, введенные в светопроводящую пластину 20

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

35 - недифрагированные пучки

36 - дифрагированные пучки

40 - светопоглотитель

50 - блок управления фазовым модулятором

60 - глаз наблюдателя

70 - виртуальное изображение

Фиг.2. Схема варианта выполнения голографического виртуального дисплея с одной светопроводящей пластиной и одной формирующей голограммой согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

11 - считывающий луч

10 - светопроводящая пластина

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

35 - недифрагированные пучки

36 - дифрагированные пучки

50 - блок управления фазовым модулятором

60 - глаз наблюдателя

70 - виртуальное изображение

Фиг.3. Схема варианта выполнения топографического виртуального дисплея с электроуправляемым цветным осветительным устройством согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

11 - считывающий луч

10 - светопроводящая пластина

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма с электроуправляемой дифракционной эффективностью

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

35 - недифрагированные пучки

36 - дифрагированные пучки

50 - блок управления фазовым модулятором и эффективностью голограммы

60 - глаз наблюдателя

70 - виртуальное изображение

Фиг.4. Схема варианта выполнения плоского ударопрочного голографического виртуального дисплея, полностью выполненного на ИС, согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

10 - светопроводящая пластина

11 - считывающий луч

12 - волновод

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма

20 - светопроводящая пластина

25 - блокирующая недифрагированный пучок волноводная голограмма

26 - недифрагированные пучки, собранные в светопроводящей пластине 20

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

36 - дифрагированные пучки

40 - светопоглотитель

50 - блок управления фазовым модулятором

60 - глаз наблюдателя

65 - эквивалентная линза для коррекции близорукости или дальнозоркости

70 - виртуальное изображение

Фиг.5. Схема варианта выполнения голографического виртуального дисплея с тонкой рельефной голограммой для цветового разделения пучков согласно изобретению.

Элементы:

5 - RGB лазерный источник света

10 - одномодовый волновод

11 - считывающая мода волновода

12 - подложка волновода

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

20 - светопроводящая пластина

25 - блокирующая недифрагированный пучок волноводная голограмма

26 - недифрагированные пучки, собранные в светопроводящей пластине 20

35 - недифрагированные пучки (R - красный, G - зеленый, В - синий)

50 - блок управления фазовым модулятором и лазером

36 - дифрагированные пучки

40 - светопоглотитель

60 - глаз наблюдателя

Фиг.6. Схема варианта выполнения топографического виртуального дисплея с голографическим пространственным фазовым модулятором с полным внутренним отражением (ПВО) согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

11 - считывающий луч

10 - светопроводящая пластина

15 - формирующая освещающий пучок волноводная голограмма

30 - фазовый пространственный световой модулятор с ПВО - цифровая голограмма

35 - недифрагированные пучки

36 - дифрагированные пучки

40 - светопоглотитель

50 - блок управления фазовым модулятором

60 - глаз наблюдателя

70 - виртуальное изображение

Фиг.7. Схема варианта выполнения топографического виртуального дисплея с иллюстрацией принципа действия топографического пространственного светового модулятора согласно изобретению.

Элементы:

5 - лазерный источник света

10 - одномодовый волновод

11 - считывающая мода волновода

12 - подложка волновода

30 - фазовый пространственный световой модулятор - цифровая голограмма

36 - дифрагированные пучки

Фиг.8. Схема голографического дисплея, известного из уровня техники.

Элементы:

100 - массив микролинз

101 - массив цветных светофильтров

102 - EASLM для декодирования фазовой информации (Freedericksz cell)

103 - EASLM для декодирования информации об амплитуде (LCD)

104 - Источник света (осветительное устройство)

105 - устройство формирования голограммы

106 - глаз наблюдателя

107 - элемент вывода света

108 - элемент ввода света

В общем случае заявленный топографический виртуальный дисплей состоит из источника света, оптических волноводов с расположенными на их поверхности голографическими оптическими элементами, обеспечивающими ввод и вывод света для освещения фазового пространственного светового модулятора (SLM - spatial light modulator) (цифровая голограмма) и разделения недифрагированных пучков, соответствующего электронного блока управления для SLM и других электронных элементов. Голографические оптические элементы могут быть выполнены отражающими, пропускающими или в виде волновода (элемент 11 на Фиг.4, 5, 7), а также с электрически или оптически управляемой дифракционной эффективностью и селективностью (элемент 15 на Фиг.3).

Вариант заявленного топографического виртуального дисплея на Фиг.1 содержит лазерный источник 5 света, формирующую освещающий пучок волноводную голограмму 15, расположенную на светопроводящей пластине 10, фазовый пространственный световой модулятор (SLM) (цифровая голограмма) 30, который формирует виртуальное изображение 70, селективную по углу волноводную голограмму 25, которая отделяет недифрагированные пучки и направляет их в светопроводящую пластину 20 (где они поглощаются светопоглотителем 40). В противном случае недифрагированные пучки высокой яркости (35 на Фиг.2) освещали бы глаз 60 наблюдателя, вызывая неприятные блики. В конструкции заявленного голографического дисплея отсутствуют изогнутые преломляющие поверхности или поглощающие элементы в области наблюдения, таким образом, наблюдатель может видеть окружающую обстановку одновременно с виртуальным изображением.

На Фиг.4 показан вариант заявленного топографического виртуального дисплея, содержащий лазерный источник 5 света, формирующий освещающий пучок волновод 12 с голограммой 15, расположенной на пластине (подложке) 10, фазовый пространственный световой модулятор (SLM) (цифровую голограмму) 30, управляемый блоком 50 управления, который формирует виртуальное изображение 70 и служит одновременно виртуальной оптической линзой (рефракционным элементом) 65, селективная по углу волноводная голограмма 25, которая разделяет недифрагированные пучки и направляет их в светопроводящую пластину 20 (в которой они поглощаются светопоглотителем 40). Фазовый пространственный световой модулятор (SLM) может работать одновременно и как цифровая голограмма на высоких пространственных частотах и как эквивалентная линза для коррекции близорукости или дальнозоркости 65 на низких пространственных частотах.

Голографические оптические элементы могут быть отражающими, пропускающими или в виде волновода (элемент 11 на Фиг.4, 5, 7), а также с электронно или оптически управляемой дифракционной эффективностью и селективностью (элемент 15 на Фиг.3).

Формирующая освещающий пучок волноводная голограмма с электронно управляемой дифракционной эффективностью (элемент 15 на Фиг.3), работающая в последовательном режиме синхронно с SLM 30, обеспечивает получение трехмерного цветного виртуального изображения 70 (второй волновод для разделения недифрагированных пучков не показан).

На Фиг.5 показан вариант применения тонкой голограммы 15 для формирования освещающего светового пучка. Все углы падения света на модулятор различны и SLM 30 работает с разными дифракционными углами для разных длин волн (R, G, В), но, в результате, после дифракции на фазовом пространственном световом модуляторе 30 (работающем в последовательном режиме) пучки всех цветов коллимируются в одном направлении, формируя цветное изображение в глазе наблюдателя. Волновод 20 с распределенными по углу голограммами 25 (различными для красного, зеленого и синего цветов) разделяет недифрагированные пучки 35 (показаны как продолжение направления распространения начальных пучков) и направляет их в светопроводящую пластину 20, в которой они поглощаются светопоглотителем 40.

Вариант заявленного голографического виртуального дисплея с SLM 30, работающий одновременно как фазовый пространственный световой модулятор, создающий трехмерное монохромное изображение 70, и топографический соединитель для разделения недифрагированных лучей, показан на Фиг.6. В этом случае цветное трехмерное изображение формируется с использованием элемента (15 на Фиг.3) с оптически или электрически управляемой дифракционной эффективностью и селективностью, работающим в последовательном режиме. На Фиг.7 показан принцип функционирования фазового пространственного светового модулятора 30 из варианта, показанного на Фиг.6. Активные ячейки SLM матрицы (темные) работают как волноводный топографический ответвитель для моды 11 светового волновода 10, возбуждаемой лазерным источником 5. Модуляция эффективности ответвления света из волновода возбуждает неоднородное (соответствующее пространственному распределению света от синтезированной голограммы) световое поле вне волновода и соответствующее формирование виртуального изображения в заданной области, недифрагированная же часть моды волновода распространяется в волноводе без выхода в свободное пространство.

Хотя указанные выше варианты выполнения изобретения были изложены с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

1. Голографический виртуальный дисплей, содержащий, по меньшей мере, один источник когерентного света, первый светопроводящий элемент, на поверхности которого расположена, по меньшей мере, одна формирующая голограмма и фазовый пространственный световой модулятор, соединенный с блоком управления, при этом первый светопроводящий элемент выполнен с возможностью направления освещающего пучка от источника света на формирующую голограмму, выполненную с возможностью формирования освещающего пучка и направления его на фазовый оптический пространственный модулятор высокого разрешения, выполненный с возможностью формирования виртуального голографического изображения в заданной позиции перед наблюдателем, а блок управления выполнен с возможностью управления пространственным фазовым модулятором.

2. Голографический виртуальный дисплей по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй светопроводящий элемент, на поверхности которого расположена, по меньшей мере, одна блокирующая голограмма, а также, по меньшей мере, один светопоглотитель, соединенный со вторым светопроводящим элементом, при этом блокирующая голограмма выполнена с возможностью разделения недифрагированных пучков, прошедших, по меньшей мере, одну формирующую голограмму и фазовый пространственный световой модулятор, и направления их во второй светопроводящий элемент, выполненный с возможностью направления недифрагированных пучков на светопоглотитель.

3. Голографический виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что формирующая голограмма и блокирующая голограмма имеют пространственную избирательность, подобранную для нескольких длин волн, и при этом выполнены с возможностью формирования цветного голографического изображения.

4. Голографический виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что блок управления дополнительно соединен с формирующей голограммой и блокирующей голограммой, записанными в фоторефракционной структуре, и выполнен с возможностью управления фоторефракционной структурой, выполненной с возможностью переключения дифракционной эффективности голограмм.

5. Голографический виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что первый светопроводящий элемент, фазовый пространственный световой модулятор и второй светопроводящий элемент соединены вместе и образуют монолитную конструкцию, выполненную с возможностью пропускания только дифрагированных лучей, формирующих голографическое изображение.

6. Голографический виртуальный дисплей по п.5, отличающийся тем, что фазовый пространственный световой модулятор выполнен с возможностью формирования одновременно цифровой голограммы с высокой пространственной частотой и линзы с низкой пространственной частотой, подобной линзе Френеля, для коррекции близорукости или дальнозоркости.

7. Голографический виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что формирующая голограмма выполнена утонченной, а фазовый оптический пространственный модулятор выполнен с возможностью функционирования в заданных дифракционных условиях - с различными углами падения и одним углом преломления - получая ахроматическое виртуальное изображение, при этом дисплей отображения содержит три блокирующие голограммы, выполненные с возможностью разделения соответственно красного, зеленого и синего цветов, а блок управления дополнительно соединен с источником света и выполнен с возможностью управления источником света.

8. Голографический виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что фазовый пространственный световой модулятор выполнен с возможностью полного внутреннего отражения, а первый светопроводящий элемент выполнен в виде оптического волновода.

9. Голографический виртуальный дисплей по п.8, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, два лазерных источника света, один из которых используется в процессе записи, и, по меньшей мере, один из которых используется в процессе восстановления, по меньшей мере, одной формирующей голограммы, записанной в фоторефракционном слое, расположенном на волноводе, и световой модулятор с полным внутренним отражением для формирования изображения.

10. Голографический виртуальный дисплей по п.9, отличающийся тем, что содержит набор расположенных одна за другой формирующих голограмм и набор блокирующих голограмм.

11. Голографический виртуальный дисплей по п.10, отличающийся тем, что голограммы соединены с блоком управления, выполненным с возможностью электронного управления дифракционной эффективностью каждой из расположенных одна за другой голограмм.

12. Голографический виртуальный дисплей по любому из пп.1, 2, 9, отличающийся тем, что источник когерентного света выполнен в виде лазера.

13. Голографический виртуальный дисплей по любому из пп.1, 2, 9, отличающийся тем, что светопроводящий элемент выполнен в виде элемента, выбранного из набора элементов, содержащего светопроводящую пластину и оптический волновод.