Волновод с голограммными и дифракционными оптическими элементами, способ его изготовления, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод, и способ его работы
Изобретение относится к области волноводных устройств виртуальной и дополненной реальности. Заявлен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий: обеспечение волновода, фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред; запись в каждом фрагменте голографической среды дифракционного оптического элемента, представляющего собой голограммный оптический элемент, с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды. Кроме того, предусмотрен волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод, и способ его работы. Также предложен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, записанными в фрагментах одной или более записываемых дифракционных сред, волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод, и способ его работы. Технический результат - обеспечение компактного и более дешевого устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными и дифракционными оптическими элементами, благодаря исключению необходимости пред- и постобработки изображений, вводимых в волновод, и возможности использования неидеальных волноводов и голографических сред. 8 н. и 46 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области волноводных устройств виртуальной и дополненной реальности (VR и AR), например, очкам виртуальной и дополненной реальности, дисплеям виртуальной и дополненной реальности, шлемам виртуальной и дополненной реальности, приборным панелям на ветровом стекле, индикаторам на ветровом стекле. Более конкретно, изобретение касается создания устройств виртуальной и дополненной реальности, которые располагаются вблизи глаза пользователя и с которых виртуальное изображение направляется в глаз пользователя. Еще более конкретно, изобретение касается устройств виртуальной и дополненной реальности, содержащих волновод с дифракционными и голограммными оптическими элементами, и способов изготовления подобных волноводов.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технология устройств виртуальной и дополненной реальности основана на наложении виртуального изображения на реальную картину окружающей обстановки. Современные устройства виртуальной и дополненной реальности в основном основаны на технологии волноводов со структурами дифракционных или голограммных оптических элементов для направления виртуального изображения в глаз человека. Помимо широкого поля зрения (FOV), компактности, малого веса и умеренной стоимости, устройства виртуальной и дополненной реальности должны обеспечивать изображения с высоким разрешением при отсутствии аберраций.
Чтобы обеспечить высокое качество виртуальных изображений в волноводных устройствах виртуальной и дополненной реальности с дифракционными или голограммными оптическими элементами уровня техники необходимо обратить внимание на качество волновых фронтов, передаваемых через волноводную систему. Возможные дефекты или неоднородность, присущие самим волноводным и голографическим средам, могут вызывать аберрации волновых фронтов и, тем самым, снижать качество виртуального изображения. Чтобы скорректировать такие аберрации, необходимо предпринимать специальные меры на этапе производства или эксплуатации устройств виртуальной и дополненной реальности.
Ухудшение качества изображения в устройствах виртуальной и дополненной реальности 101 уровня техники схематически показано на фиг. 1, где прохождение изображения от проектора 102 устройства 101 виртуальной и дополненной реальности до глаза пользователя условно разбито на четыре этапа:
На этапе (I) исходное изображение 103 вводится в волновод 104 от проектора 102 изображения устройства 101 виртуальной и дополненной реальности.
На этапе (II) выполняется передача исходного изображения 103 через структуру волновода 104 с дифракционными или голограммными оптическими элементами (106, 107, 108), которая имеет дефекты (неоднородность, неплоскостность и др.).
Исходное изображение 103, проходя через дифракционные или голограммные оптические элементы 106, 107, 108, а также через сам волновод 104 до выхода в сторону глаза пользователя, приобретает аберрации, поскольку дефекты структур дифракционных или голограммных оптических элементов и волновода вызывают искажения волновых фронтов, распространяющихся через них. Например, если подать плоскую входную волну 105 на входной дифракционный или голограммный оптический элемент 106 волновода, то на выходном голограммном или дифракционном оптическом элементе 108 волновода будет получена выходная волна 109 с аберрациями, что обусловлено упомянутыми выше дефектами.
На этапе (III) показано что, при отсутствии специальных мер при подаче изображения из волновода 104 непосредственно в глаз пользователя, пользователь увидит не исходное изображение 103, а изображение 110, содержащее аберрации.
Поэтому в устройствах виртуальной и дополненной реальности уровня техники на этапе (IV) выполняется постобработка изображения, прошедшего структуру волновода 104 с дифракционными или голограммными оптическими элементами 106, 107, 108, после которой свободное от аберраций, откорректированное виртуальное изображение 111 может быть подано в глаз пользователя.
Общий подход к коррекции изображения в устройствах виртуальной и дополненной реальности уровня техники состоит в том, что для подачи в глаз пользователя виртуального изображения высокого качества, в составе устройства виртуальной и дополненной реальности необходимо использовать дополнительные элементы, позволяющие скорректировать аберрации изображения, прошедшего структуру волновода с дифракционными или голограммными оптическими элементами. Однако это усложняет конструкцию устройств, делает их массивнее и дороже.
Персонализированная коррекция и оптимизация аберраций высокого порядка человеческого глаза при использовании биноклей, оптических прицелов, телескопов, микроскопов, очков ночного видения и лазерных средств защиты глаза, вносимых оптическими элементами, раскрыта в US 8842370 B2.
Недостатки данного технического решения связаны с тем, что для коррекции аберраций используется дополнительный корректирующий элемент, представляющий собой трехслойную структуру из полимера, который специально изготавливается и встраивается в устройство. Корректирующий элемент имеет ограниченный срок службы.
Техническое решение, раскрытое в US 8717574 B2, направлено на ослабление эффектов рассеяния в сильно мутной среде путем оптического фазового сопряжения. Детектор проходящего через мутную среду излучения содержит одно или более устройств цифрового оптического фазового сопряжения (DOPC), причем устройство цифрового оптического фазового сопряжения включает в себя датчик волнового фронта (в данном случае, ПЗС-матрицу) излучения, которое было передано через мутную среду и введено на датчик; и пространственный модулятор излучения (SLM) для вывода в ответ на входное излучение, обнаруженное датчиком, выходного излучения, которое является оптически сопряженным по фазе с входным излучением.
Недостаток технического решения состоит в том, что скорость обновления устройства цифрового оптического фазового сопряжения определяется скоростью используемого пространственного модулятора излучения, т.е. динамическими ограничениями использования.
WO 2014/159621 A1 направлено на повышение качества изображения системы волноводного дисплея. Устройство дисплея включает в себя волновод, перестраиваемую фазовую маску и контроллер. Контроллер динамически перестраивает перестраиваемую фазовую маску, так чтобы модулировать свет дисплея в соответствии с обнаруженным положением глаза, просматривающего изображение, и/или параметром формы волновода.
Недостаток данного решения связан с тем, что система волноводного дисплея имеет специальный контроллер для электронной коррекции изображения, что усложняет конструкцию и делает ее более громоздкой.
В US 2019/0260977 A1 раскрывается проецирование изображения и волнового поля через диффузные среды. Система для проецирования объектного волнового поля в проекционный объем включает в себя рассеиватель волн, проектор волнового поля, выполненный с возможностью проецирования волнового поля на рассеиватель волн, и контроллер, связанный с проектором волнового поля. Контроллер выполнен с возможностью выдавать команду проектору волнового поля проецировать волновое поле, которое при взаимодействии с рассеивателем волн (диффузионным объектом(объектами)) перенаправляется для формирования объектного волнового поля, формирующего заданный рисунок в объеме проекции.
Для получения неискаженного изображения в данном документе производится предварительное искажение изображения, которое затем распространяется через диффузные объекты. При этом для расчета матрицы пропускания диффузионного объекта используется специальная калибровочная процедура, что усложняет работу устройства и требует использования дополнительных элементов для корректировки изображения.
US 10394032 B2 относится к системам и способам передачи исходного изображения. От исходного изображения исходит излучение, имеющее спектр угла поля. Оптическая система включает в себя устройство волновода, в котором излучение может распространяться за счет полного внутреннего отражения. Оптическая система также включает дифракционное входное оптическое устройство для ввода излучения, исходящего от источника изображения, в волновод, и дифракционное оптическое выходное устройство для вывода излучения, которое распространяется в волноводе, из волновода. При этом волновод снабжен дифракционным корректирующим устройством, имеющим структуру дифракционной решетки, для коррекции аберраций волнового фронта передаваемого излучения.
Недостатки устройства связаны со сложной структурой устройства волновода, что обусловлено наличием специального корректирующего устройства. Кроме того, для конкретной структуры волновода и решетки должно быть рассчитано собственное корректирующее устройство.
В US 2018/0364482 A1 раскрывается система голографического дисплея, содержащая волновод, источник излучения, выполненный с возможностью ввода излучения в волновод под контролируемым углом ввода излучения, и голограммный оптический элемент (ГОЭ), выполненный с возможностью вывода из волновода излучения, принимаемого изнутри волновода. Система дисплея может дополнительно включать в себя контроллер, выполненный с возможностью управления углом ввода излучения, а также управления корректирующим компонентом, расположенным ниже по ходу излучения от голограммного оптического элемента, для коррекции аберрации излучения голограммным оптическим элементом на основе угла ввода излучения.
Недостаток данного устройства связан с тем, что для компенсации аберраций излучения используется специальный корректирующий элемент на основе голограммного оптического элемента, а коррекционная обработка выполняется с использованием контроллера, что усложняет конструкцию устройства, приводит е ее удорожанию.
Таким образом, существует потребность в разработке более простых по конструкции и дешевых устройств, обеспечивающих сохранение качества передаваемого по волноводу изображения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, предлагаемое изобретение будет далее описано в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на описание и чертежи, представленные ниже.
Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантов осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объясняться ниже, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.
Задачей настоящего изобретения является сохранение качества передаваемого по волноводу изображения при использовании вносящих аберрации (неидеальных) волноводов и дифракционных и голографических сред и без использования оптической/электронной пред- и постобработки изображений.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение компактного и более дешевого устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего такой волновод, благодаря исключению необходимости пред- и постобработки изображений, вводимых в волновод, и возможности использования неидеальных волноводов и дифракционных и голографических сред.
В одном аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, содержащий:
- обеспечение волновода,
- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред;
- запись в каждом фрагменте голографической среды голограммного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды.
Согласно одному варианту осуществления инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды.
Согласно одному варианту осуществления аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, может быть детектирована с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы.
Согласно еще одному варианту осуществления фазово-сопряженные аберрации могут быть вычислены с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии.
Согласно еще одному варианту осуществления после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации могут быть сохранены на машиночитаемом носителе данных.
Согласно еще одному варианту осуществления предыскаженная объектная волна может быть сформирована путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.
Согласно еще одному варианту осуществления запись голограммного оптического элемента осуществляются предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной.
Согласно еще одному варианту осуществления фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектирования аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, и при записи голограммного оптического элемента в фрагменте голографической среды.
Согласно еще одному варианту осуществления голографические среды могут включать в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.
Согласно еще одному варианту осуществления фрагмент голографической среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы.
Согласно еще одному варианту осуществления каждый голограммный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, в которой записан оптический элемент.
Согласно еще одному варианту осуществления голограммный оптический элемент может представлять собой пропускающий или отражательный голограммный элемент.
Согласно еще одному варианту осуществления инспекционная волна может быть плоской или сферической, или иметь специально подобранную форму волнового фронта, при этом опорная волна является плоской или сферической, или имеет специально подобранную форму волнового фронта.
Согласно еще одному варианту осуществления инспекционная волна может податься под произвольным углом к поверхности волновода.
Согласно еще одному варианту осуществления предыскаженная объектная волна при записи оптического элемента может податься под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.
Согласно еще одному варианту осуществления каждый из упомянутых голограммных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.
Согласно еще одному варианту осуществления волновод и фрагменты упомянутой одной или более голографических сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.
Согласно еще одному варианту осуществления волновод может быть плоским или изогнутым.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.
Согласно одному варианту осуществления упомянутые голограммные оптические элементы могут содержать один или более входных голограммных оптических элементов для ввода изображения в волновод, один или более размножающих голограммных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и один или более выходных голограммных оптических элементов для вывода изображения из волновода.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предусмотрено устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.
Согласно одному варианту осуществления устройство может быть выполнено с возможностью ввода в волновод исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода в глаз пользователя виртуального изображения свободного от аберраций.
Согласно еще одному варианту осуществления устройство может быть выполнено с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с голограммными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с голограммными оптическими элементами.
Согласно еще одному варианту осуществления источником изображения может служить проектор.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами, причем способ содержит:
- подачу исходного изображения в волновод с голограммными оптическими элементами от источника изображения,
- передачу изображения по волноводу с голограммными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с голограммными оптическими элементами,
- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с голограммными оптическими элементами в глаз пользователя.
Согласно еще одному варианту осуществления способ может содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:
- обеспечение волновода,
- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред;
- запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды.
В одном варианте осуществления записываемые дифракционные среды могут включать в себя дифракционные структуры и голографические среды.
В еще одном дополнительном варианте осуществления упомянутые дифракционные структуры включают в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах.
В одном варианте осуществления голографические среды могут включать в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.
В одном варианте осуществления инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды.
В одном варианте осуществления аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, могут быть детектированы с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы.
В одном варианте осуществления фазово-сопряженные аберрации могут быть вычислены с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии.
В еще одном дополнительном варианте осуществления после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации могут быть сохранены на машиночитаемом носителе данных.
В еще одном варианте осуществления предыскаженная объектная волна может быть сформирована путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.
В одном варианте осуществления запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной.
В дополнительном варианте осуществления фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектировании аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, и при записи дифракционного оптического элемента в фрагменте записываемой дифракционной среды.
В дополнительном варианте осуществления фрагмент записываемой дифракционной среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы.
В дополнительном варианте осуществления каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, в которой записан оптический элемент.
В дополнительном варианте осуществления дифракционный оптический элемент может представлять собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.
В еще одном дополнительном варианте осуществления инспекционная волна может быть плоской или сферической, или иметь специально подобранную форму волнового фронта, причем опорная волна является плоской или сферической, или имеет специально подобранную форму волнового фронта.
В еще одном дополнительном варианте осуществления инспекционная волна может подаваться под произвольным углом к поверхности волновода.
В еще одном дополнительном варианте осуществления предыскаженная объектная волна при записи дифракционного оптического элемента может подаваться под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.
В еще одном дополнительном варианте осуществления каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.
В еще одном дополнительном варианте осуществления волновод и фрагменты упомянутой одной или более записываемых дифракционных сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.
В еще одном дополнительном варианте осуществления волновод может быть плоским или изогнутым.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.
В дополнительном варианте осуществления упомянутые дифракционные оптические элементы могут содержать: один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод, один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрено устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.
В дополнительном варианте осуществления устройство виртуальной и дополненной реальности может быть выполнено с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения свободного от аберраций.
В дополнительном варианте осуществления устройство виртуальной и дополненной реальности может быть выполнено с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
Согласно еще одному варианту осуществления источником изображения может служить проектор.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, причем способ содержит:
- подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами от источника изображения,
- передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами,
- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.
Согласно еще одному варианту осуществления упомянутый способ может содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Исходя из изложенных выше задачи настоящего изобретения и его аспектов, далее будут подробно описаны конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, которые следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами и которые ни в коей мере не предназначены для определения или ограничения объема изобретения, а только раскрывают конкретные примеры его осуществления. Специалистам будут очевидны другие варианты осуществления, модификации или эквивалентные замены на основе данного описания, и все такие варианты осуществления, модификации и эквивалентные замены считаются включенными в настоящее изобретение.
Чертежи предоставлены исключительно с целью иллюстрации в качестве помощи при чтении и для понимания описания, и их не следует никоим образом рассматривать как определяющие или ограничивающие объем изобретения. На чертежах изображено следующее:
Фигура 1 показывает схему прохождения изображения от проектора до глаза пользователя в устройстве виртуальной и дополненной реальности уровня техники.
Фигура 2 показывает схему прохождения изображения от проектора до глаза пользователя в устройстве виртуальной и дополненной реальности по настоящему изобретению.
Фигура 3 показывает последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фигура 4 показывает различные варианты осуществления блока детектирования волнового фронта и фазового сопряжения.
Фигура 5 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором используется фоточувствительный волновод.
Фигура 6 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами на основе голографических сред с очень низким порогом записи.
Фигура 7 представляет собой схематическое изображение волновода с голограммными оптическими элементами, изготовленного способом согласно настоящему изобретению.
Фигура 8 иллюстрирует случай компенсации аберраций при использовании тонкой голографической среды.
Фигура 9 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы могут быть записаны в дифракционных структурах на фоторезистах и в дифракционные структуры в халькогенидных материалах.
Фигура 10 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы могут быть записаны в дифракционных структурах на фоторезистах и в дифракционных структурах в халькогенидных материалах.
Фигура 11 представляет собой схематическое изображение устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы включают в себя дифракционные оптические элементы, записанные в дифракционных структурах на фоторезистах, дифракционные оптические элементы, записанные в дифракционных структурах в халькогенидных материалах и голограммные оптические элементы (т.е. дифракционные оптические элементы, записанные в голографических средах).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение было создано с учетом ряда известных решений, продемонстрированных выше, и направлено, в частности, на устранение и/или смягчение по меньшей мере некоторых недостатков этих известных решений.
В частности, варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, содержащий: обеспечение волновода, фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред; запись в каждом фрагменте голографической среды голограммного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод с голограммными оптическими элементами, и способ работы этого устройства.
В дополнение к этому варианты осуществления настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий: обеспечение волновода, фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред; запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод с дифракционными оптическими элементами, и способ работы этого устройства.
Специалистам в области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления не следует ни в коем случае истолковывать как определяющие или ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть предусмотрены другие материальные и технические средства, эквивалентные или явно аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для определения или ограничения объема заявляемого изобретения, которое следует определять только посредством ссылки на прилагаемую формулу изобретения.
Термин «дифракционный оптический элемент, ДОЭ» используемый в настоящем документе, означает оптический элемент, осуществляющий преобразование проходящего (отраженного) оптического излучения в результате дифракции на его микроструктуре с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.
Термин «пропускающий дифракционный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент.
Термин «отражательный дифракционный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.
Термин «голограммный оптический элемент; ГОЭ», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, изготавливаемый как методами интерференции световых волн, так и методами лазерной и электронной литографии.
Термин «пропускающий голограммный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает голограммный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент.
Термин «отражательный голограммный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает голограммный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.
Термин «инспекционная волна», используемый в настоящем документе, означает слабую низкоэнергетическую волну, используемую для детектирования аберраций, приобретаемых этой волной при ее распространении через один или более объектов, физические свойства которых приводят к возникновению этих аберраций.
Термин «объектная волна», используемый в настоящем документе, означает одну из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммного оптического элемента, в которой содержится информация, предназначенная для воспроизведения или преобразования. В случае пропускающего голограммного элемента объектная волна формируется излучением, прошедшим через объект; в случае отражательного голограммного элемента - отраженным от объекта.
Термин «опорная волна», используемый в настоящем документе, означает одну из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммного оптического элемента, которая обычно используется для восстановления объектной волны. Как правило, опорная волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, например, плоскую или сферическую.
Термин «дифракционная среда» или среда «среда для записи (формирования) дифракционного оптического элемента», используемый в настоящем документе, означает материальный носитель с определенными физическими свойствами, на поверхности или в объеме которого формируется микроструктура с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.
Термин «голографическая среда», используемый в настоящем документе, означает среду, в которой путем воздействия света происходит изменение ее некоторых оптических характеристик (коэффициента пропускания, показателя преломления или других), которое сохраняется в среде достаточно продолжительное время до момента, когда с этой среды произойдет восстановление записанных данных, или в течение более продолжительного времени. Характерной особенностью среды записи голограмм является высокая пространственная разрешающая способность, позволяющая непосредственно записывать интерференционные картины, которые представляют собой голограммы.
Термин «голографическая среда с очень низким порогом записи», используемый в настоящем документе, означает голографическую среду, свойства которой начинают изменяться даже при облучении ее слабой низкоэнергетической волной.
Термин «тонкая голографическая среда», используемый в настоящем документе, означает голографическую среду, в которой формируются голограммные оптические элементы, при рассмотрении которых можно пренебречь эффектами, связанными с их конечной толщиной.
Термин «фоточувствительный волновод», используемый в настоящем документе, означает волновод, изготовленный из материала с такими физическими свойствами, что на поверхности или в объеме волновода формируется микроструктура с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.
Термин «пространственно-временной модулятор света, ПВМС», используемый в настоящем документе, означает устройство, позволяющее менять параметры светового излучения (амплитуду, фазу, поляризацию) во времени и пространстве.
Термин «микрозеркальный пространственно-временной модулятор света, МПВМС», используемый в настоящем документе, означает микроэлектромеханическую систему (МЭМС), которая создает изображение матрицей микроскопических зеркал с отклоняющими пьезоэлементами, при этом каждое зеркало представляет собой один пиксель в проецируемом изображении.
Термин «жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света, ЖК ПВМС», используемый в настоящем документе, означает систему на основе прозрачных или отражающих ЖК-микродисплеев. ЖК ПВМС осуществляет модуляцию амплитуды или фазы света на основе изменения показателя преломления оптической среды, например в результате переориентации молекул жидкого кристалла или в результате фазовых переходов в жидких кристаллах.
Термин «акустооптический пространственно-временной модулятор света, АО ПВМС», используемый в настоящем документе, означает устройство для отклонения светового пучка, вследствие его дифракции на решетке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной. Принцип действия АО ПВМС основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединенный к стеклянной пластине. Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решетка. Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесенных в пространстве под равными углами относительно друг друга. При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные.
Термин «машиночитаемый носитель данных» используемый в настоящем документе, означает любое средство или группу средств, которые могут хранить данные и/или команды в течение некоторого периода времени. Машиночитаемые носители данных могут содержать, без ограничения, запоминающие носители, такие как запоминающее устройство с прямым доступом (например, накопитель на жестком диске или гибкий диск), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, накопитель на магнитных лентах), компакт-диск, CD-ROM, DVD, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и/или флеш-память; а также средства коммуникации, такие как провода, оптические волокна и другие электромагнитные и/или оптические носители; и/или любые комбинации вышеупомянутых устройств.
Далее со ссылкой на Фиг. 2 будет показано прохождение изображения 203 от проектора 202 до глаза пользователя в устройстве 201 виртуальной и дополненной реальности, содержащем волновод с голограммными оптическими элементами (206, 207, 208) согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На этапе (I) исходное неискаженное изображение 203 вводится в волновод 204 от источника изображения 202 (проектора) устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.
На этапе (II) выполняется передача изображения через волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208. В отличие от традиционного подхода по мере передачи изображения по волноводу 204 происходит компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами голографической среды, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208, за счет использования волновода с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу.
Например, если подать плоскую входную волну 205 на входной голограммный оптический элемент 206 волновода 204, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу, то на выходном голограммном оптическом элементе 208 волновода 204 будет получена плоская выходная волна 209, не содержащая аберраций.
На этапе (III) из волновода 204 в глаз пользователя подают виртуальное изображение 210, свободное от аберраций.
Таким образом, в устройстве 201 виртуальной и дополненной реальности, содержащем волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 согласно настоящему изобретению, не требуется этап (IV) постобработки изображения, прошедшего волноводную структуру. При этом волновод 204 согласно настоящему изобретению не является идеальным (т.е. может быть неплоским, неоднородным, содержать дефекты, которые могут вызвать аберрации волновых фронтов, распространяющихся через него), кроме того, фрагменты одной или более голографических сред, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208, также не являются идеальными. Причем устройство виртуальной и дополненной реальности выполнено с возможностью ввода в волновод 204 исходного изображения 203 от источника изображения 102, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода 204 в глаз пользователя виртуального изображения 210 свободного от аберраций.
Таким образом, для изготовления устройств виртуальной и дополненной реальности по настоящему изобретению могут быть использованы серийные волноводы и стандартные голографические среды, которые не являются идеальными по своим свойствам и могут вносить аберрации в волновые фронты.
Далее со ссылкой на Фиг. 3 будет описана последовательность изготовления волновода 204 с голограммными оптическими элементами согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 3 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 212’ одной или более голографических сред, которые также могут обладать аберрациями. При этом каждый фрагмент 212’ голографической среды закрепляют на определенном месте волновода 204 в зависимости от того, какую общую структуру должен иметь волновод 204 с этим фрагментом 212’ голографической среды, и какую функцию должен выполнять в дальнейшем голограммный оптический элемент 212, записанный в этом фрагменте. По сути, место фиксации каждого фрагмента 212’ голографической среды на волноводе определяется конструкцией устройства виртуальной и дополненной реальности.
Далее, как показано на фиг. 3 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. При этом инспекционная волна может быть плоской, сферической или иметь специально подобранную форму волнового фронта. Специально подобранная форма волнового фронта инспекционной волны может быть задана посредством традиционных или дифракционных оптических элементов, или с помощью пространственно-временных модуляторов света, или их комбинацией.
При детектировании аберраций инспекционная волна 313 однократно проходит локальную структуру, образованную волноводом 204 со своими аберрациями и фрагментом 212’ голографической среды со своими аберрациями, и искажается в соответствии с локальными аберрациями волновода 204 и голографической среды 212’.
Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, приобретает аберрации. Эти аберрации инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру, детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого будет более подробно описана ниже. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии, в блоке 314 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру, полученные данные сохраняют на машиночитаемом носителе данных для использования на следующем этапе осуществления способа.
Как дополнительно показано на фиг. 3 г) и 3 д), на этапе детектирования аберраций, изображенном на фиг. 3 б), инспекционная волна 313 может подаваться под произвольным углом α к поверхности волновода 204.
Инспекционная волна 313, падающая под произвольным углом α к поверхности волновода 204, проходит через локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, и приобретает аберрации в соответствии с конкретным путем прохождения через эту локальную структуру.
Таким образом, аберрации волновода 204 и фрагмента 212’ голографической среды обнаруживаются для инспекционных волн, распространяющихся под разными углами α1, α2, … αn, через локальную структуру, в которой будет записываться и работать голограммный оптический элемент 212.
Измерения с помощью упомянутого выше метода фазосдвигающей интерферометрии основаны на регистрации нескольких интерферограмм, формируемых в плоскости фотоприемника (например, ПЗС-матрицы блока 314) двумя пучками света: неискаженным (эталонным, опорным) и искаженным, прошедшим через возмущающую среду (пучок, приобретший аберрации). Фаза опорной волны изменяется ступенчато с известным фазовым сдвигом, и полученные интерференционные полосы обрабатываются с помощью компьютера по специальному алгоритму для получения искомого распределения комплексной амплитуды искаженной волны.
Далее, как показано на фиг. 3 в), посредством блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения выполняют запись голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды, так чтобы скомпенсировать аберрации, возникающие при эксплуатации волновода 204 с фрагментом 212’ голографической среды, за счет технологии записи этого оптического элемента. Для этого полученная информация об искажениях инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, используется при записи голограммного оптического элемента 212 в этом же самом фрагменте 212’ голографической среды. Это обеспечивается путем формирования предыскаженной объектной волны 315’, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ может быть достигнуто путем подачи объектной волны 315 в блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, где в объектную волну 315 могут быть внесены предыскажения с помощью микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.
При записи голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316, которая может иметь плоскую, сферическую форму или специально подобранную форму волнового фронта. При этом специально подобранная форма волнового фронта опорной волны может быть задана посредством традиционных или дифракционных оптических элементов, или с помощью пространственно-временных модуляторов света, или их комбинацией. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 212’ голографической среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций. При соблюдении такого условия фазово-сопряженные аберрации будут компенсировать аберрации, возникающие при прохождении объектной волны 315 по тому же оптическому пути, который был использован при детектирования аберраций инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, и при записи голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды. Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором возможность коррекции аберраций обеспечивается на стадии производства.
На фиг. 3 е) показан набор записанных голограммных оптических элементов 212, зафиксированных на участке волновода 204, причем для записи голограммных оптических элементов 212 могут быть использованы фрагменты одной или более голографических сред, например, фрагменты двух разных голографических сред.
На фиг. 4, проиллюстрированы варианты осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения для реализации способа изготовления волновода с голограммными оптическими элементами согласно настоящему изобретению. Блок 314 может быть реализован в виде единого блока, совмещающего две функции: детектирование волнового фронта и фазовое сопряжение, или может быть реализован в виде отдельных подблоков, каждый из которых выполняет свою функцию.
На фиг. 4 а) схематически показан вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего датчик 417 волнового фронта Шака-Гартмана, компьютеризированное устройство управления 418 и пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419.
Блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения работает следующим образом.
Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, детектируется помощью датчика 417 волнового фронта Шака-Гартмана, затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляются фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Далее с использованием плоской объектной волны 315 и вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ осуществляется посредством ПВМС 419.
На фиг. 4 б) схематически показан другой вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего компьютеризированное устройство управления 418, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419, электрооптический модулятор (ЭО) 420, ПЗС-матрицу 421 и делитель пучка 422.
Блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения работает следующим образом.
Инспекционная волна 313 и инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, образуют интерференционную картину в плоскости ПЗС-матрицы 421. При этом инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, направляется в сторону ПЗС-матрицы 421 посредством делителя пучка 422. Относительная фаза между инспекционными волнами 313 и 313’ регулируется электрооптическим модулятором (ЭО) 420. При этом амплитуда и фаза инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212 голографической среды, могут быть однозначно определены с помощью описанного выше метода фазосдвигающей интерферометрии. Затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’. Далее с использованием делителя 422 плоская объектная волна 315 подается на пространственно-временной модулятор света 419, посредством которого с использованием вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды.
На фиг. 4 в) схематически показан вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего компьютеризированное устройство управления 418, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419, КМОП-матрицу 423 высокого разрешения, фазовый ЖК ПВМС 424 и процессор 425. Совместное использование ЖК ПВМС 424, КМОП-матрицы 423 и процессора 425 позволяет обеспечить более чем 100-кратное улучшение пространственного разрешения по сравнению с датчиком Шака-Гартмана.
При этом блок 314 работает следующим образом. Инспекционную волну 313’, прошедшую локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212 голографической среды, подают на ЖК ПВМС 424. ЖК ПВМС 424 модулирует поданную волну с помощью нескольких случайно-заданных шаблонов, и производятся измерения интенсивности прошедшей через ЖК ПВМС 424 волны с помощью КМОП-матрицы 423. Затем полученные данные обрабатываются процессором 425 с использованием вычислительного алгоритма фазового поиска, который вычисляет комплексную амплитуду инспекционной волны 313’, падающей на КМОП-матрицу 423. Затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру. Далее с использованием плоской объектной волны 315 и вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ обеспечивается посредством пространственно-временного модулятора света 419.
Таким образом, при записи голограммного оптического элемента 212 аберрации, которыми обладают волновод 204 и фрагмент 212’ голографической среды, учитываются с обратным знаком.
Все фрагменты 212’ голографической среды, которые должны использоваться для создания волноводной структуры для предполагаемого устройства виртуальной и дополненной реальности 201, могут быть записаны подобным образом и размещены в соответствующих областях волновода.
Число и структура голограммных оптических элементов 212 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 3, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности. Могут быть использованы голограммные оптические элементы 212, записанные в фрагментах одной голографической среды, или могут быть использованы голограммные оптические элементы 212, записанные в фрагментах разных голографических сред.
При этом каждый из голограммных оптических элементов 212 должен быть записан с соблюдением предлагаемой технологии, т.е. с детектированием предыскажений и внесением этих предыскажений в записываемый голограммный оптический элемент 212 на этапе записи.
При таком подходе каждый голограммный оптический элемент 212 может выполнять двоякую функцию: отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и, одновременно, компенсация аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, в которой записан оптический элемент 212. Кроме того, голограммный оптический элемент 212 может быть выполнен как пропускающий или отражательный голограммный элемент. Например, будучи записанным как пропускающий голограммный элемент, голограммный оптический элемент 212 будет осуществлять преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент, будучи записанным как отражательный голограммный элемент, голограммный оптический элемент 212 будет осуществлять преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.
Благодаря такому совмещению функций можно изготовить волновод, позволяющий сохранить качество при передаче изображения и создать более компактную и дешевую конструкцию устройства виртуальной и дополненной реальности, поскольку в данном случае могут быть использованы неидеальные голографические среды и волноводы, исключается потребность в дополнительных компонентах устройства, реализующих пред- или постобработку изображений.
В качестве голографических сред могут быть использованы следующие материалы: фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину. Причем фрагмент голографической среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. Толщина и геометрическая форма могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности.
Могут быть использованы стеклообразные, стеклокерамические, кристаллические, полимерные и другие среды, обладающие достаточным пропусканием света в видимой области спектра и возможностью формирования в них микроструктур с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом, чтобы на этих структурах могла осуществляться дифракция света, и чтобы эти микроструктуры сохранялись в среде длительное (желательно бесконечно) время. Среды могут быть напыленными пленками/слоями, выращенными пленками/слоями; пленками/слоями, посаженными на оптический контакт; приклеенными пленками/слоями.
В варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором используется фоточувствительный волновод.
Этот случай отличается от случая, представленного на фиг. 3 тем, что не требуется использовать фрагменты одной или более голографических сред и, соответственно, фиксировать их на волноводе, т.к. запись голограммных оптических элементов осуществляется непосредственно в самом волноводе. Что касается осуществления остальных операций, они выполняются подобно тому, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4.
Как показано на фиг. 5 а), при осуществлении этого способа обеспечивают фоточувствительный волновод 504, который может плоским или изогнутым и может обладать аберрациями.
С помощью инспекционной волны 513 выявляют локальные аберрации фоточувствительного волновода 504, для чего с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения выявляют аберрации инспекционной волны 513’, прошедшей через локальную структуру волновода 504, в которой будет записываться голограммный оптический элемент 512, и вычисляют фазово-сопряженные аберрации.
Как показано на фиг. 5 б), запись голограммного оптического элемента 512 осуществляют непосредственно в фоточувствительном волноводе 504 с помощью предыскаженной объектной волны 515’, содержащей упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и опорной волны 516. При этом, как показано на фиг. 5 б) и 5 в), каждый голограммный оптический элемент 512 должен быть записан в той же локальной структуре 526 волновода 504, для которой проводилось детектирование аберрации инспекционной волны 513’, прошедшей через эту локальную структуру. Число и структура голограммных оптических элементов 512 не ограничены и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности.
Сам волновод 504 может быть изготовлен из светочувствительного материала, в котором возможно формирование голограммного оптического элемента. Например, это может быть кристаллический материал (фотохромный или фототерморефрактивный кристалл и т.д.), стекло (фотохромное или фототерморефрактивное стекло и т.д.), стеклокерамика, фотополимерный материал (ПММА и другие фотополимеры.). Таким образом, в данном случае не требуется наносить голографическую среду на сам волновод 504, поскольку он играет роль и конструктивного элемента, и является голографической средой.
В варианте осуществления предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами на основе голографических сред с очень низким порогом записи. Примерами таких сред являются, например, фототерморефрактивные кристаллы, фотохромные материалы, галоидосеребряные фотографические материалы, бихромированная желатина.
В этом случае использование инспекционной волны на этапе детектирования аберраций локальной структуры, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, становится невозможным, т.к. использование даже слабой низкоэнергетической волны может привести к засветке голографической среды, используемой для записи голограммного оптического элемента.
Как показано на фиг. 6 а), б), при осуществлении этого способа обеспечивают волновод 604, который может плоским или изогнутым и может обладать аберрациями. В данном случае не используется инспекционная волна. Локальные аберрации волновода 604 выявляют с помощью плоской объектной волны 615, для чего с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения детектируют аберрации объектной 615’, прошедшей через локальную структуру волновода 604, которая дополнительно показана на фиг. 6 б) как область 626), и вычисляют фазово-сопряженные аберрации.
Затем осуществляют запись голограммного оптического элемента 612 в фрагменте голографической среды с очень низким порогом записи с помощью предыскаженной объектной волны 615’’, содержащей упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и опорной волны 616. Далее голограммный оптический элемент 612, записанный в фрагменте голографической среды, должен быть зафиксирован на той же самой области 626 волновода 604, для которой проводилось детектирование аберрации с помощью объектной волны 615. Т.е. в отличие от случая, представленного на фиг. 3, когда фрагмент голографической среды заранее фиксируется на волноводе, в данном случае фиксация фрагментов среды к волноводу осуществляется после записи голограммного оптического элемента 612 в соответствующем фрагменте голографической среды. Число и структура голограммных оптических элементов 612 не ограничены и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности. Могут быть использованы голограммные оптические элементы 612, записанные в фрагментах одной голографической среды, или могут быть использованы фрагменты разных голографических сред.
Что касается операций по формированию предыскаженной волны 615’’ и записи голограммного оптического элемента 612, они выполняются подобно тому, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4.
На фиг. 7 схематически показан волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, описанным, например, применительно к фиг. 3.
Волновод 704 содержит зафиксированные на нем голограммные оптические элементы 706, 707, 708, записанные в соответствующих фрагментах голографических сред. Причем голограммный оптический элемент 706 является входным голограммным оптическим элементом для ввода изображения в волновод 704, голограммный оптический элемент 707 является размножающим голограммным оптическим элементом, выполненным с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, голограммный оптический элемент 708 является выходным голограммным оптическим элементом для вывода изображения из волновода. Число и структура голограммных оптических элементов 706, 707, 708 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 7, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.
Волновод согласно настоящему изобретению работает в составе устройства виртуальной и дополненной реальности 201 следующим образом.
Исходное неискаженное изображение 703 вводится в волновод 704 от проектора 202 изображения устройства виртуальной и дополненной реальности 201 через один или более входных голограммных оптических элементов 706.
При прохождении изображения через локальные структуры, образованные волноводом и фрагментами голографических сред, в которых записаны голограммные оптические элементы 706, 707, 708, происходит компенсации аберраций, вызываемых этими локальными структурами.
В частности, это показано на примере распространения волнового фронта 727, восстановленного голограммным оптическим элементом 706. Волновой фронт 727 имеет аберрации, фазово-сопряженные с аберрациями, вносимыми локальной структуры, образованной волноводом 704 и фрагментом голографической среды, в котором записан голограммный оптический элемент 706, и проходит по тому же оптическому пути через эту локальную структуру, как и при записи голограммного оптического элемента 706.
Фазово-сопряженные и фазово-несопряженные аберрации компенсируют друг друга при распространении волнового фронта 727 через волновод. Поэтому полученная реконструированная волна 727’ не содержит аберраций.
Такой подход к компенсации аберраций может быть использован для любого числа голограммных оптических элементов, зафиксированных на волноводе 704, и, таким образом, из волновода в глаз пользователя может быть выведено изображение 710, не содержащее аберраций.
Это дополнительно поясняется на примере прохождения считывающей волны 728 через голограммный оптический элемент 706, который записан с возможностью компенсации аберраций, вносимых локальной структурой, образованной волноводом 704 и соответствующим фрагментом голографической среды, в котором записан голограммный оптический элемент 706. Считывающая волна 728’, прошедшая эту структуру, не содержит аберраций.
При использовании в составе устройства виртуальной и дополненной реальности волновода с голограммными оптическими элементами по настоящему изобретению, волновод освещается считывающей волной 728, имеющей ту же длину волны, которая использовалась при записи голограммных оптических элементов.
При этом волновой фронт, восстановленный голограммными оптическими элементами, имеет аберрации, фазово-сопряженные с аберрациями локальных структур, образованных волноводом и фрагментами голографических сред, и следует по тому же оптическому пути через волновод и голографическую среду, обладающие аберрациями, который был использован при записи, т.к. при таком распространении через волновод фазово-сопряженные и несопряженные аберрации компенсируют друг друга.
Это можно проиллюстрировать довольно простым способом.
Пусть пространственно-изменяющийся амплитудный коэффициент пропускания τ(x, y) волновода и фрагмента голографической среды, обладающих аберрациями, равен:
τ(x, y) = exp(jφ(x, y)),
где φ(x, y) - фазовый сдвиг, являющийся случайной функцией положения с координатами x, y в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;
где х - координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;
где у - вторая координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;
j - мнимая единица.
Голограммный оптический элемент, записанный предыскаженной объектной волной, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, и неискаженной опорной волной, имеет амплитудный коэффициент пропускания, который равен τ*(x, y), где звездочка обозначает комплексное сопряжение. При считывании голограммного оптического элемента освещающий объект от проектора изображения имеет комплексное амплитудное распределение A(x, y) в плоскости голограммного оптического элемента. После прохождения через голограммный оптический элемент, записанный в фрагменте голографической среды, а затем через волновод, обладающих аберрациями, распределение света, дифрагированного на голограммном оптическом элементе, происходит следующим образом:
τ*(x, y)τ(x, y)A(x, y) = A(x, y).
Поэтому изображение объекта после прохождения фрагмента голографической среды и волновод, обладающих аберрациями, не должно содержать искажений. Если все голограммные оптические элементы, зафиксированные на волноводе, записаны подобным образом и учитывают аберрации, вносимые упомянутыми локальными структурами и волноводом, то полученное выходное виртуальное изображение будет свободным от аберраций за счет устранения аберраций волновода и голографической среды.
Кроме того, со ссылкой на фиг. 8 будет рассмотрен случай компенсации аберраций при использовании тонкой голографической среды, который относится к варианту осуществления способа изготовления волновода с голограммными оптическими элементами.
В случае тонкой голографической среды можно не вносить предыскажения, содержащие фазово-сопряженные аберрации, в объектную волну и сразу записывать искажения, обусловленные локальной структурой волновода, в виде голограммного оптического элемента, при этом в фрагменте тонкой голографической среды записывают только аберрации от волновода, а фазовое сопряжение не выполняется. Настоящий вариант основан на том, что фазово-сопряженная функция аберраций волновода непосредственно записывается в голограммном оптическом элементе при его формировании, и при прохождении считывающего голограммный оптический элемент волнового фронта через ту же область волновода с аберрациями происходит их компенсация. Но этот вариант возможен только для случая записи голограммного оптического элемента в фрагменте тонкой голографической среде. Это обусловлено тем, что при дифракции оптического излучения на голограммном оптическом элементе, записанном в фрагменте в тонкой голографической среды, образуются как минимум несколько восстановленных волн (минус первый порядок, нулевой и первый порядок дифракции), одна из которых содержит информацию о фазово-сопряженной функции аберраций волновода. Таким образом, фазово-сопряженная функция аберраций волновода будет присутствовать в записанном голограммном оптическом элементе при прохождении через него считывающего волнового фронта, благодаря чему и будет происходить компенсация аберраций, вызванных соответствующей локальной структурой волновода, для которой производилась запись с использованием объектной волны, прошедшей эту локальную структуру волновода.
Математически может быть показано, что одна из волн, восстановленных с голограммного оптического элемента, записанного в фрагменте тонкой голографической среды, действительно будет содержать неискаженное комплексное амплитудное распределение изображения, прошедшего через волновод с аберрациями.
На этапе записи (I) голограммного оптического элемента в фрагменте тонкой голографической среды неискаженная плоская объектная волна 815 проходит через локальную структуру волновода 804 с аберрациями (где аберрации описываются функцией фазовой аберрации волновода Φ(x, y)), приобретает в результате этого аберрации согласно аберрациям волновода 804, и отображается в плоскость записываемого голограммного оптического элемента 812, где она интерферирует с внеосевой плоской опорной волной 816 (R(x, y)).
Пусть пространственно-изменяющаяся функция фазовой аберрации волновода с аберрациями Φ(x, y) равна:
Φ(x, y)=exp(jφ (x, y)),
где φ(x, y) - фазовый сдвиг, являющийся случайной функцией положения с координатами x, y в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод, обладающий аберрациями;
где х - координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод, обладающий аберрациями;
где у - вторая координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через, обладающий аберрациями;
j - мнимая единица.
Амплитуда опорной волны 816 (R(x, y)) задается как:
R(x, y) = exp (j2πγy),
где γ = sinα/λ,
α - угол в направлении y между двумя записывающими пучками,
λ - длина волны записывающего голограммный оптический элемент излучения.
Результирующая интенсивность интерференционной картины в плоскости записываемого голограммного оптического элемента 812 описывается следующим образом:
Предположим, что пропускание H(x, y) голограммного оптического элемента 812 пропорционально интенсивности экспонирования: 
где κ - коэффициент пропорциональности.
При считывании (II) голограммного оптического элемента 812 при работе устройства дополненной и виртуальной реальности считывающая волна 828 от проектора изображения, имеющая комплексное амплитудное распределение A’(x, y) в плоскости волновода 804, проходит через локальную структуру волновода 804, обладающего аберрациями, к голограммному оптическому элементу 812. Амплитудное распределение считывающей волны 828 в плоскости голограммного оптического элемента 812 равно 
После голограммного оптического элемента 812 возникает три дифрагированные волны, две из которых (829 и 830) показаны на фиг. 8. Нас интересует дифрагированная волна 830, содержащая фазово-сопряженную функцию аберраций волновода 
т.е. в дифрагированной волне 830, распространяющейся в направлении использованной при записи опорной волны 816, мы получаем неискаженное изображение объекта.
Далее со ссылкой на фиг. 2, 7 будет описан способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами по настоящему изобретению.
На первом этапе способа исходное изображение 203 подают в волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) от источника 202 изображения.
На втором этапе способа передают изображение 203 по волноводу 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами голографической среды, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208 (706, 707, 708).
На третьем этапе способа выводят виртуальное изображение 210, свободное от аберраций, из волновода с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) в глаз пользователя.
При этом способ может дополнительно содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708).
В целом, функционирование устройств виртуальной и дополненной реальности возможно не только с волноводами, снабженными голограммными оптическими элементами (ГОЭ), но и с волноводами, снабженными дифракционными оптическими элементами (ДОЭ), а также в смешанной конфигурации, когда в устройстве совместно используются оба типа элементов. При этом необходимо отметить следующее.
Термин «дифракционный оптический элемент» охватывает широкий класс оптических элементов, одним из частных случаев которых являются «голограммные оптические элементы». При этом среди дифракционных оптических элементов можно дополнительно выделить типы элементов, которые при определенных условиях их записи также будут способны выполнять в устройстве виртуальной и дополненной реальности двоякую роль - работать в качестве элементов для перенаправления волн в волноводе, и корректировать локальные аберрации по мере передачи этих волн по волноводу. В частности, это относится к дифракционным оптическим элементам на основе дифракционных структур на фоторезистах и дифракционных структур в халькогенидных материалах. Дифракционные среды на основе структур в этих материалах являются записываемыми и в них могут быть записаны дифракционные оптические элементы согласно способу по настоящему изобретению.
На волноводе устройства виртуальной и дополненной реальности могут быть зафиксированы одновременно оба типа элементов (ГОЭ и ДОЭ), которые будут выполнять одни и те же функции при преобразования проходящего (отраженного) оптического излучения, при этом расположение на волноводе голограммных и дифракционных оптических элементов в определенной конфигурации позволит учесть в конструкции устройства виртуальной и дополненной реальности более высокую дифракционную эффективность дифракционных оптических элементов (то есть более высокую интенсивность дифрагированного излучения) или их способность лучше сопрягаться (по спектру и по угловым характеристикам) с источником излучения (проектором).
Способы изготовления волновода с упомянутыми выше типами дифракционных оптических элементов или волновода в смешанной конфигурации дифракционных и голограммных оптических элементов аналогичны описанному выше способу изготовления волноводов с голограммными оптическими элементами.
Далее со ссылкой на Фиг. 9 будет описана последовательность изготовления волновода 204 с дифракционными оптическими элементами согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где дифракционные оптические элементы представляют собой записываемые дифракционные оптические элементы на основе дифракционных структур на фоторезистах, дифракционных структур в халькогенидных материалах.
Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 9 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 912’ одной или более записываемых дифракционных сред (или сред для записи (формирования) ДОЭ). Упомянутые одна или более записываемых дифракционных сред могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах.
Далее, как показано на Фиг. 9 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды. При этом инспекционная волна может быть плоской, сферической или иметь специально подобранную форму волнового фронта.
При детектировании аберраций инспекционная волна 313 однократно проходит локальную структуру, образованную волноводом 204 со своими аберрациями и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды со своими аберрациями, и искажается в соответствии с локальными аберрациями волновода 204 и фрагмента 912’ записываемой дифракционной среды. Причем, как дополнительно показано на фиг. 3 г) и 3 д), инспекционная волна 313 может подаваться под произвольным углом α к поверхности волновода 204.
Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды, приобретает аберрации, которые детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого подробно описана выше. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру.
При записи дифракционного оптического элемента 912 в фрагменте 912’ записываемой дифракционной среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316, которая может иметь плоскую, сферическую форму или специально подобранную форму волнового фронта. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 912’ записываемой дифракционной среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций. При соблюдении такого условия фазово-сопряженные аберрации будут компенсировать аберрации, возникающие при прохождении объектной волны 315 по тому же оптическому пути, который был использован для детектирования аберраций инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды, а также для записи дифракционного оптического элемента 912 в фрагменте 912’ записываемой дифракционной среды.
При записи на поверхности или в объеме указанных выше фрагментов 912’ записываемой дифракционной среды с помощью оптического излучения формируются микроструктуры с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.
На фиг. 9 е) показан набор записанных дифракционных оптических элементов 912, зафиксированных на участке волновода 204, причем для записи дифракционных оптических элементов 912 могут быть использованы фрагменты разных записываемых сред.
Последовательность изготовления волновода 204 в смешанной конфигурации, когда в устройстве совместно используются оба типа элементов (голограммные и дифракционные), отличается от последовательности, изображенной на фиг. 9, только тем, что на волноводе фиксируют фрагменты одной или более записываемых дифракционных сред. Упомянутые одна или более записываемых дифракционных сред могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах. Соответственно, при записи в дифракционной структуре на фоторезистах или в дифракционной структуре в халькогенидных материалах будет формироваться дифракционный оптический элемент, при записи в голографической среде будет формироваться голограммный оптический элемент.
В остальном выполняется та же последовательность действий, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4 и 9.
Далее со ссылкой на Фиг. 10 будет кратко описана последовательность изготовления волновода 204 в упомянутой смешанной конфигурации.
Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 10 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 1012’ одной или более записываемых дифракционных сред, которые могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах, дифракционные структуры в халькогенидных материалах и голографические среды.
Далее, как показано на Фиг. 10 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, которая прошла локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды.
Аберрации инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды, детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого подробно описана выше. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды.
При записи дифракционного оптического элемента 1012 в фрагменте 1012’ записываемой дифракционной среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую соответствующие фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 1012’ записываемой дифракционной среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций.
Передача изображения в устройстве виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами 1012, происходит таким же образом, как описано со ссылками на фиг. 2, 7 для устройства дополненной реальности содержащего волновод с голограммными оптическими элементами.
На фиг. 11 схематически показано устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, описанным выше со ссылкой на фиг. 10.
Волновод 204 содержит зафиксированные на нем дифракционные оптические элементы 1106, 1107, 1108, записанные в соответствующих фрагментах записываемых дифракционных сред. Причем дифракционный оптический элемент 1106 является входным дифракционным оптическим элементом для ввода изображения в волновод 204, дифракционный оптический элемент 1107 является размножающим дифракционным оптическим элементом, выполненным с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, дифракционный оптический элемент 1108 является выходным дифракционным оптическим элементом для вывода изображения из волновода 204. Число и структура дифракционных оптических элементов 1106, 1107, 1108 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 11, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.
Волновод согласно настоящему изобретению работает в составе устройства виртуальной и дополненной реальности 201 следующим образом.
Исходное неискаженное изображение 203 вводится в волновод 204 от проектора 202 изображения устройства 201 виртуальной и дополненной реальности через один или более входных дифракционных оптических элементов 1106.
При прохождении изображения 203 через локальные структуры, образованные волноводом и фрагментами записываемых дифракционных сред, в которых записаны дифракционные оптические элементы 1106, 1107, 1108, происходит компенсации аберраций, вызываемых этими локальными структурами.
Например, если подать плоскую входную волну 1105 на входной дифракционный оптический элемент 1106 волновода 204, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу, то на выходном дифракционном оптическом элементе 1108 волновода 204 будет получена плоская выходная волна 1109, не содержащая аберраций.
Далее из волновода 204 в глаз пользователя подают виртуальное изображение 210, свободное от аберраций.
Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, аналогичен способу работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами, представленному выше со ссылкой на фиг. 2, 7.
На первом этапе способа исходное изображение 203 подают в волновод 204 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 от источника изображения 202.
На втором этапе способа передают изображение по волноводу 1104 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами записываемых дифракционных сред, в которых записаны дифракционными оптические элементы 1106, 1107, 1108.
На третьем этапе способа выводят виртуальное изображение 210, свободное от аберраций, из волновода 204 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 в глаз пользователя.
При этом способ может дополнительно содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу 1104 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108.
Следует отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не указано иное, в дополнение к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу объекта, любая комбинация признаков, относящихся к различным объектам, также считается раскрытой в настоящей заявке. Однако все признаки могут быть объединены с обеспечением синергетических эффектов, которые представляют собой нечто большее, чем простое суммирование признаков.
Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, эти чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничительные. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предусмотреть и осуществить на практике другие вариации раскрытых вариантов осуществления в результате изучения чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или компонентов, а единственное число не исключает множественного числа. Сам факт того, что некоторые меры упоминаются во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.
1. Способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:
- обеспечение волновода;
- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред;
- запись в каждом фрагменте голографической среды дифракционного оптического элемента, представляющего собой голограммный оптический элемент, с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды.
2. Способ по п. 1, причем инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды.
3. Способ по п. 1 или 2, причем аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, детектируют с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы.
4. Способ по любому из пп. 1-3, причем фазово-сопряженные аберрации вычисляют с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии.
5. Способ по п. 4, причем после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации сохраняют на машиночитаемом носителе данных.
6. Способ по любому из пп. 1-5, причем предыскаженную объектную волну формируют путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.
7. Способ по любому из пп. 1-6, причем запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной.
8. Способ по любому из пп. 1-7, причем фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован для детектирования аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, и для записи дифракционного оптического элемента в фрагменте голографической среды.
9. Способ по любому из пп. 1-8, причем голографические среды включают в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.
10. Способ по любому из пп. 1-9, причем фрагмент голографической среды имеет форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы.
11. Способ по любому из пп. 1-10, причем каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, в которой записан оптический элемент.
12. Способ по любому из пп. 1-11, причем дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.
13. Способ по любому из пп. 1-12, причем инспекционная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта,
причем опорная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта.
14. Способ по любому из пп. 1-13, причем инспекционную волну подают под произвольным углом к поверхности волновода.
15. Способ по любому из пп. 1-14, причем предыскаженную объектную волну при записи дифракционного оптического элемента подают под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.
16. Способ по любому из пп. 1-15, причем каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.
17. Способ по любому из пп. 1-16, причем волновод и фрагменты упомянутой одной или более голографических сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.
18. Способ по любому из пп. 1-17, причем волновод является плоским или изогнутым.
19. Волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом по любому из пп. 1-18,
причем дифракционные оптические элементы представляют собой голограммные оптические элементы.
20. Волновод по п. 19, причем упомянутые дифракционные оптические элементы содержат:
один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод,
один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и
один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода.
21. Устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп.19-20, причем дифракционные оптические элементы представляют собой голограммные оптические элементы.
22. Устройство по п. 21, выполненное с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с голограммными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения, свободного от аберраций.
23. Устройство по п. 21 или 22, выполненное с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
24. Устройство по любому из пп. 21-23, причем источником изображения служит проектор.
25. Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп. 21-24, причем способ содержит:
- подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами, представляющими собой голограммные оптические элементы, от источника изображения,
- передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами,
- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.
26. Способ по п. 25, содержащий увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
27. Способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:
- обеспечение волновода,
- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред,
- запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды.
28. Способ по п. 29, причем записываемые дифракционные среды включают в себя дифракционные структуры и голографические среды.
29. Способ по п. 27 или 28, причем упомянутые дифракционные структуры включают в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах.
30. Способ по п. 28, причем голографические среды включают в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.
31. Способ по любому из пп. 27-30, причем инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды.
32. Способ по любому из пп. 27-31, причем аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, детектируют с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы.
33. Способ по любому из пп. 27-32, причем фазово-сопряженные аберрации вычисляют с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии.
34. Способ по п. 33, причем после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации сохраняют на машиночитаемом носителе данных.
35. Способ по любому из пп. 27-34, причем предыскаженную объектную волну формируют путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.
36. Способ по любому из пп. 27-35, причем запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной.
37. Способ по любому из пп. 27-36, причем фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектировании аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, и при записи дифракционного оптического элемента в фрагменте записываемой дифракционной среды.
38. Способ по любому из пп. 27-37, причем фрагмент записываемой дифракционной среды имеет форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы.
39. Способ по любому из пп. 27-38, причем каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, в которой записан оптический элемент.
40. Способ по любому из пп. 27-39, причем дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.
41. Способ по любому из пп. 27-40, причем инспекционная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта,
причем опорная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта.
42. Способ по любому из пп. 27-41, причем инспекционную волну подают под произвольным углом к поверхности волновода.
43. Способ по любому из пп. 27-42, причем предыскаженную объектную волну при записи дифракционного оптического элемента подают под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.
44. Способ по любому из пп. 27-43, причем каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.
45. Способ по любому из пп. 27-44, причем волновод и фрагменты упомянутой одной или более записываемых дифракционных сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.
46. Способ по любому из пп. 27-45, причем волновод является плоским или изогнутым.
47. Волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом по любому из пп. 27-46.
48. Волновод по п. 47, причем упомянутые дифракционные оптические элементы содержат:
один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод,
один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможностью увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и
один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода.
49. Устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп.47-48.
50. Устройство по п. 49, выполненное с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения, свободного от аберраций.
51. Устройство по п. 49 или 50, выполненное с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
52. Устройство по любому из пп. 49-51, причем источником изображения служит проектор.
53. Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп. 49-52, причем способ содержит:
- подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами от источника изображения,
- передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами,
- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.
54. Способ по п. 53, содержащий увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.
