Многозонная перестраиваемая линза
Изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием и может быть использовано в системах дополненной реальности или виртуальной реальности. Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием содержит слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов. Структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, выполненные с возможностью формирования различных дифракционных зон, причем приложение напряжения к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать по меньшей мере два различных фазовых профиля оптического излучения. Технический результат состоит в повышении дифракционной эффективности перестраиваемой оптической линзы по всей апертуре линзы при большом размере апертуры линзы. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области оптических систем с переменным фокусным расстоянием, где необходима регулировка фокуса в соответствии с положением изображения виртуального объекта и/или положением объекта реального мира, а также в соответствии с вергенцией глаз. Изобретение может применяться, в частности, в системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), и более конкретно в регулировке фокуса изображения в средствах отображения упомянутых систем AR/VR в соответствии с положением виртуального изображения, вергенцией глаз и положением объектов.
Уровень техники
В разрабатываемых в настоящее время системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR) важное значение имеет разработка средств отображения для пользователя виртуального изображения, в частности изображения дополненной реальности, наложенного на изображение реального мира. С точки зрения пользователя, к отображению изображений в системах AR/VR на современном уровне предъявляются следующие требования: реалистичное ощущение глубины в изображении виртуальной реальности; высокая острота зрения (в особенности для пользователей с отклонениями в рефракции); и относительно высокое быстродействие при минимальных размерах устройства отображения.
В настоящее время перед разработчиками оптических систем для применения в системах AR/VR стоят следующие задачи: создание линз с относительно большим диаметром апертуры (30 мм), повышение дифракционной эффективности до более 80%, и минимизация габаритов оптических систем, в частности по толщине, для обеспечения возможности встраивания таких оптических систем в миниатюрные наголовные дисплеи, очки и т.п.
С точки зрения пользователей к оптическим системам формирования изображений в составе систем AR/VR в настоящее время предъявляются следующие требования: создание реалистичного впечатления глубины резкости изображения виртуальных объектов, высокое качество изображения в центральной области поля обзора, высокая резкость изображения даже для пользователей с нарушениями рефракции глаз, и относительно высокое быстродействие и компактность устройства.
Существует потребность в способе быстрого регулирования фокусного расстояния с заданным диоптрическим шагом посредством компонентов, имеющих малый вес и габариты.
Известные из уровня техники решения вышеуказанных задач состоят в следующем. Для создания впечатления большой глубины резкости изображения виртуальных объектов в системе AR/VR применяют, в частности, дифракционные жидкокристаллические (LC) линзы с множеством фазовых уровней.
Линзы с большим диаметром апертуры реализуются, в частности, либо с использованием линз больших размеров, либо посредством линз с большим количеством адресуемых электродов, образующих активную матрицу электродов. Однако данные решения являются дорогостоящими и/или имеют слишком большие габариты. По меньшей мере частично решить данную проблему позволяет соединение управляющих (адресуемых) электродов между собой в одной линзе, что дает фиксированную электродную структуру и обеспечивает множество возможных фокусных расстояний. Однако при большом диаметре апертуры линзы (порядка 30 мм) управляющие электроды в электродной структуре линзы с электроактивным материалом (жидкокристаллической линзы или линзы на основе полимерного геля) имеют слишком малые размеры вследствие технологических ограничений (размер менее 1 мкм), и таким образом при таком диаметре апертуры используется большое количество электродов, производство которых вследствие малых размеров (в частности, малой ширины) затруднено.
Одной из проблем, существующих в уровне техники, является конфликт вергенции и аккомодации, приводящий к утомлению глаз пользователя. Большинство существующих гарнитур AR/VR имеют фиксированное фокусное расстояние и не могут перенести виртуальное изображение за пределы этого фокусного расстояния, вследствие чего вергенция глаз и расстояние, на котором происходит фокусировка глаз пользователя при аккомодации, не находятся в одной плоскости. Это вызывает утомление глаз пользователя, а также может привести к возникновению головной боли и тошноты. При одновременном наблюдении через устройство AR реальных объектов, расположенных на различных расстояниях, а также виртуальных объектов на фиксированном фокусном расстоянии, возникает так называемый конфликт вергенции и аккомодации (VAC). При этом в фокусе могут находиться либо виртуальные объекты, либо наблюдаемые объекты реального внешнего мира при фокусировке глаз на соответствующие объекты, но не те и другие объекты одновременно. В случае VR конфликт VAC возникает при несоответствии плоскости фокусировки (аккомодации глаз на дисплей) относительным размерам объекта (вергенции осей глаз на объект).
У большинства существующих наголовных устройств AR/VR фокусное расстояние является фиксированным, ввиду чего они не способны корректировать рефракционные ошибки глаз пользователей, вызванные пресбиопией, гиперопией и миопией. Таким пользователям для нормального пользования устройствами AR/VR необходимы дополнительные средства коррекции зрения, такие как контактные линзы или очки. Это может отрицательно сказываться на общих габаритах устройства AR/VR, поскольку в известных решениях пользователям с отклонениями в рефракции глаз предлагается лишь дополнительно использовать надлежащим образом подобранные линзы, связанные с наголовным устройством AR/VR, либо использовать их обычные очки вместе с устройством AR/VR.
Системы AR/VR требуют большого размера апертуры линзы для обеспечения реалистичного восприятия глубины резкости изображения виртуальных объектов. В наиболее новых решениях из уровня техники наибольший размер апертуры достигается при использовании дифракционной жидкокристаллической (LC) линзы с множеством фазовых уровней. Апертура LC линзы разделена на несколько зон Френеля, каждая из которых содержит в себе несколько управляющих электродов. Чем больше диаметр апертуры линзы, тем больше число зон Френеля, на которые необходимо разбить апертуру линзы. При этом чем больше число зон Френеля, тем меньше размер каждой зоны. Чем меньше размер каждой зоны, тем меньше ширина управляющих электродов, находящихся в каждой зоне.
Так, чтобы получить диаметр апертуры линзы более 30 мм при оптической силе линзы до 3 диоптрий (дптр), потребуются электроды размером (в частности, шириной) менее 1 мкм, что в настоящее время меньше технологического предела.
Известно решение, раскрытое в источнике US 5285314 (Minnesota Mining and Manufacturing Company, 8 февраля 1994 г.), в котором раскрыто суперзонное зеркало, имеющее дифракционную оптическую силу, формируемую множеством дифракционных зон, образуемых множеством канавок, глубина каждой из которых является целым кратным стандартной глубине, и канавки имеют достаточную ширину для формирования дифракционной оптической силы. Недостаток данного известного решения состоит в том, что зеркало выполнено из отражающего материала, который не является электроактивным материалом и не обеспечивает перестройку фокусного расстояния и/или регулировку оптической силы.
В источнике WO2017216716 (Optica Amuka (A.A.) LTD, 21 декабря 2017 г.) раскрыта система, в которой осуществляется перемещение активной зоны по всей апертуре линзы с использованием отслеживания положения глаза, при этом применяется электродная структура, состоящая из электродов одинаковой ширины. Обеспечивается непрерывное изменение оптической силы. К недостаткам данной системы можно отнести необходимость использования большого количества адресуемых электродов (по меньшей мере 100-400 электродов в плоском гибком кабеле (FFC)), малый размер активной зоны и необходимость отслеживания положения глаза, что приводит к высокой сложности системы.
В источнике US 8885139 (Johnson & Johnson Vision Care, 11 ноября 2014 г.) раскрыта дифракционная линза с перестраиваемым фокусным расстоянием из электроактивного материала (жидкокристаллическая линза), выполненная с возможностью дискретной или непрерывной регулировки фокусного расстояния, которая может быть включена в различные оптические устройства, в том числе в очки. Изменение фокусного расстояния в известной перестраиваемой линзе осуществляется за счет шунтирования соответствующих управляющих электродов в смежных зонах Френеля. К недостаткам данного известного решения следует отнести сложность производства линзы ввиду очень малой ширины внешних электродов.
В источнике US 8988649 (Samsung Display Co., Ltd., 24 марта 2015 г.) раскрыто устройство отображения изображений, в котором используется дифракционная линза, содержащая первый массив электродов и второй массив электродов и действующая в качестве зонной пластинки Френеля. К недостаткам данного известного решения также можно отнести тот факт, что ширина управляющих электродов уменьшается в направлении к наружному краю линзы, что приводит к очень малой ширине внешних электродов и, как следствие, к высокой сложности изготовления известного устройства.
В источнике JP 5289327 (Citizen Holdings Co., Ltd., 11 сентября 2013 г.) раскрыта жидкокристаллическая линза Френеля, обеспечивающая высокие рабочие характеристики фокусировки. Известная жидкокристаллическая линза Френеля включает в себя группу сегментированных концентрических кольцевых электродов, общий электрод, расположенный напротив группы кольцевых электродов, слой жидких кристаллов, расположенный между кольцевыми электродами и общим электродом, область первого сегмента линзы, которая включает в себя первое множество кольцевых электродов из группы кольцевых электродов и которая формирует первое распределение фазовой задержки за счет использования первого множества кольцевых электродов, и область второго сегмента линзы, расположенная с внешней стороны линзы по отношению к области первого сегмента линзы, которая включает в себя второе множество кольцевых электродов из группы кольцевых электродов и которая формирует второе распределение фазовой задержки за счет использования второго множества кольцевых электродов, причем вдоль областей первого и второго сегментов линзы формируется распределение фазовой задержки, подобное распределению фазовой задержки линзы Френеля, и количество кольцевых электродов во втором множестве кольцевых электродов меньше, чем количество кольцевых электродов в первом множестве кольцевых электродов. Однако в данном известном решении разность между фазовыми задержками, формируемыми упомянутыми кольцевыми электродами, одинакова между любыми двумя смежными кольцевыми электродами. Максимальная величина задержки в области первого сегмента линзы равна максимальной величине задержки в области второго сегмента линзы. Приложение определенного управляющего напряжения к конкретному кольцевому электроду из первого множества кольцевых электродов формирует определенную величину фазовой задержки, и приложение того же самого определенного управляющего напряжения к соответствующему кольцевому электроду из второго множества кольцевых электродов формирует величину фазовой задержки, равную вышеупомянутой определенной величине задержки.
В качестве недостатков данного известного решения можно указать использование в качестве электроактивного материала только жидких кристаллов, применение электродов только концентрической кольцевой формы с одинаковой разностью фазовой задержки между смежными электродами каждого сегмента, а также формирование одинаковой максимальной фазы для каждого сегмента линзы. Данное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
С учетом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании перестраиваемой оптической линзы, содержащей множество дифракционных зон, имеющей большой размер апертуры, обладающей высокой дифракционной эффективностью и обеспечивающей реалистичное ощущение глубины резкости у пользователя при просмотре изображений виртуальных объектов и реального мира через перестраиваемую оптическую линзу. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, состоит в повышении дифракционной эффективности перестраиваемой оптической линзы по всей апертуре линзы при большом размере апертуры линзы.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, указанная задача решается оптической линзой с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов, причем структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, выполненные с возможностью формирования различных дифракционных зон, причем приложение напряжения к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать по меньшей мере два различных фазовых профиля оптического излучения. Каждая из по меньшей мере двух электродных структур может состоять из по меньшей мере одной группы электродов, при этом соответствующие электроды в группах электродов каждой из по меньшей мере двух электродных структур соединены шинами, количество электродов в группах электродов первой из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K; количество электродов в группах электродов следующей электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K/bp-1, где b - целое число, p - номер фазового профиля, формируемого соответствующей электродной структурой.
По сравнению с количеством шин, соединяющих электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин может соединять электроды в каждой группе электродов в электродной структуре с номером p. Каждый из фазовых профилей характеризуется множеством уровней квантования, причем количество уровней квантования в фазовом профиле под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой. По меньшей мере в одном варианте выполнения структура перестраиваемых электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с четными номерами или только с шинами с нечетными номерами. Максимальная фаза в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой, может быть отлична от максимальной фазы в фазовом профиле, формируемом второй электродной структурой. Линза может иметь апертуру круглой формы, причем структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды. В другом варианте выполнения линза может иметь апертуру многоугольной формы, причем структура управляющих электродов содержит электроды в виде вертикальных и/или горизонтальных полос. Линза может также содержать общий электрод и по меньшей мере одну подложку.
В другом аспекте изобретение относится к устройству отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащему по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу по вышеупомянутому первому аспекту настоящего изобретения. Устройство может дополнительно содержать источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной перестраиваемой оптической линзой и с источником изображений виртуальных объектов. По меньшей мере в одном варианте выполнения устройство содержит по меньшей мере две перестраиваемые оптические линзы, причем одна из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух перестраиваемых оптических линз размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.
Еще в одном аспекте изобретение относится к системе дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), содержащей по меньшей мере одно устройство отображения по второму вышеупомянутому аспекту.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что помимо вышеперечисленных объектов изобретения изобретательский замысел, лежащий в основе настоящего изобретения, может быть реализован в форме других объектов изобретения, таких как одна или более оптических систем, устройств с использованием перестраиваемой оптической линзы, способов работы перестраиваемой оптической линзы и т.п.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 проиллюстрирован примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с концентрическими кольцевыми электродами.
На Фиг. 2 проиллюстрирован сравнительный примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с линейными (полосовыми) электродами.
На Фиг. 3 приведена схема соединения управляющих электродов с шинами в двух смежных электродных структурах, формирующих две смежные дифракционные зоны.
На Фиг. 4 приведена схема, аналогичная Фиг. 3, дополненная графиками уровней квантования для двух смежных дифракционных зон.
На Фиг. 5 приведена схема, иллюстрирующая вариант выполнения изобретения с четырьмя электродными структурами, где показаны соединения электродов с шинами, размеры управляющих электродов и графики уровней квантования для каждой из четырех электродных структур.
На Фиг. 6 приведена схема, аналогичная схеме по Фиг. 5, для варианта выполнения изобретения с тремя электродными структурами.
На Фиг. 7 приведен график, иллюстрирующий вариант выполнения с различной величиной максимальных фаз для двух смежных фазовых профилей.
На Фиг. 8 приведена схема, аналогичная схеме по Фиг. 6, для варианта выполнения изобретения с неравной высотой уровней квантования.
На Фиг. 9 приведена схема, иллюстрирующая примерный вариант выполнения с тремя электродными структурами, в которых между шинами и электродами дополнительно включены резисторы.
На Фиг. 10 приведена схема, иллюстрирующая примерный вариант выполнения, в котором слой электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы имеет различную толщину в различных дифракционных зонах.
На Фиг. 11 приведена принципиальная схема примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.
На Фиг. 12 приведена принципиальная схема другого примерного варианта выполнения устройства отображения для системы AR/VR, содержащего по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению.
На Фиг. 13 приведена схема примерного варианта выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза с зависимой от поляризации структурой используется для коррекции нарушения рефракции глаза пользователя.
На Фиг. 14 приведена принципиальная схема, иллюстрирующая возможные варианты размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения для системы AR/VR.
Осуществление изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к оптической линзе с перестраиваемым фокусным расстоянием, далее называемой перестраиваемой оптической линзой, которая выполнена с возможностью формирования по меньшей мере двух различных дифракционных зон, в связи с чем перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может быть охарактеризована как «многозонная» оптическая линза. Линза согласно изобретению содержит слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов. Кроме того, линза согласно изобретению также содержит общий электрод с другой стороны от слоя электроактивного материала по отношению к структуре управляющих электродов. Как общий электрод, так и структура управляющих электродов имеют подложку. Электроактивный материал выполнен с возможностью изменения показателя преломления в зависимости от напряжения, прикладываемого к соответствующим управляющим электродам структуры управляющих электродов. Электроды в структуре управляющих электродов соединены между собой шинами. Структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, расположенные последовательно и соединенные шинами, причем каждая электродная структура содержит одну или более групп электродов.
На Фиг. 1 проиллюстрирован примерный вариант выполнения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, в котором структура перестраиваемых электродов содержит две электродные структуры с концентрическими кольцевыми электродами. Апертура линзы имеет круглую форму (сферическая линза). При этом на Фиг. 1 также показано сечение линзы, где представлены подложки общего электрода и структуры управляющих электродов, а также общий электрод, управляющие электроды и электроактивный материал. Кроме того, на Фиг. 1 показан график примерного фазового профиля, формируемого в соответствующих дифракционных зонах, обеспечиваемых упомянутыми двумя электродными структурами. Каждая дифракционная зона может представлять собой по меньшей мере одну зону Френеля, в том числе более одной зоны Френеля, либо может представлять собой часть зоны Френеля.
В различных вариантах выполнения количество электродов в группах электродов первой электродной структуры равно K. Количество электродов в группах электродов электродной структуры p является одинаковым и равно K/bp-1, где b - целое число, показывающее то, во сколько раз уменьшается количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре (что дает понять, насколько количество электродов в следующей электродной структуре меньше количества электродов в данной электродной структуре). Соответствующие электроды в группах электродов первой электродной структуры соединены шинами. Из тех шин, что соединяют электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин соединяют электроды в каждой электродной группе электродной структуры с номером p.
Приложение напряжения к шинам и, соответственно, через них к управляющим электродам формирует по меньшей мере два фазовых профиля посредством соответствующих электродных структур, причем количество уровней квантования для фазового профиля под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования для первого фазового профиля.
В контексте настоящего описания, фазовый профиль представляет собой зависимость вносимой фазовой задержки в проходящую световую волну от координаты на поверхности перестраиваемой оптической линзы. Разность фазовых задержек для различных координат в контексте настоящего описания здесь и далее называется разностью фаз.
В зависимости от координаты фазовый профиль разделен на дифракционные зоны. Если разность фаз световых волн, распространяющихся из данной дифракционной зоны до точки наблюдения не превышает pi, то такую зону называют зоной Френеля. Как указано выше, каждая дифракционная зона в контексте настоящего изобретения может представлять собой по меньшей мере одну зону Френеля, в том числе более одной зоны Френеля, либо может представлять собой часть зоны Френеля.
В контексте настоящего описания, под максимальной фазой следует понимать максимальную вносимую фазовую задержку в данной дифракционной зоне. Диапазон фазовых задержек может быть разбит на конечное число уровней, называемых здесь и далее в настоящем описании уровнями квантования.
В общем случае, структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, размещенные одна за другой в направлении от центра к краю линзы и соединенные шинами. Перестраиваемость оптической линзы согласно изобретению обеспечивается за счет приложения к структуре управляющих электродов соответствующих напряжений, подаваемых через соответствующие шины, соединяющие электроды. Приложение напряжения надлежащим образом воздействует на электроактивный материал линзы. Например, в варианте выполнения, в котором в качестве электроактивного материала используются жидкие кристаллы (жидкокристаллическая (LC) перестраиваемая линза), приложенное к каждому электроду напряжение изменяет ориентацию жидкого кристалла, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку согласно изобретению структура управляющих электродов размещена по существу по всей поверхности перестраиваемой оптической линзы, и к каждому управляющему электроду структуры управляющих электродов прикладывается определенное напряжение, таким образом формируется профиль напряжений, который соответствует определенному фазовому профилю. Переход от профиля напряжений к фазовому профилю производится с использованием зависимости фазы от напряжения, наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011).
Согласно изобретению, приложение напряжений к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать от двух до p фазовых профилей.
Согласно изобретению, радиусы электродов для каждой электродной структуры в упомянутой структуре управляющих электродов вычисляются по определенному соответствующему закону:
,
где p - номер электродной структуры, A_p - целое число, характеризующее минимально возможную максимальную разность фаз в электродной структуре p, m_p - номер дифракционной зоны в электродной структуре p, λ - длина волны падающего излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратного 2π радиан, D - минимальная оптическая сила перестраиваемой линзы.
Каждая дифракционная зона в соответствующей электродной структуре состоит из K электродов. Каждый электрод с номером k в дифракционной зоне m соединен с шиной с номером k, где k=1:K. K составляет максимальное количество шин. В вариантах выполнения, в которых количество электродов в каждой следующей электродной структуре по сравнению с предыдущей меньше в 2 раза, дифракционная зона в электродной структуре с номером P состоит из K/2P-1 электродов. Однако изобретение не ограничено данными вариантами выполнения, и соотношение между количеством электродов в электродной структуре с номером P и количеством электродов в последующей электродной структуре в общем случае определяется в соответствии с формулой K/bP-1, где b - целое число.
В различных вариантах выполнения изобретения электроды в электродной структуре с номером P соединены только шинами с четными (или нечетными) номерами от шин из электродной структуры с номером P-1.
Согласно изобретению, по меньшей мере две электродные структуры, входящие в структуру управляющих электродов заявляемой перестраиваемой оптической линзы, формируют по меньшей мере два фазовых профиля с разными уровнями квантования, более конкретно - фазовый профиль с более высоким уровнем квантования для центральной зоны апертуры перестраиваемой оптической линзы, и по меньшей мере один фазовый профиль с по меньшей мере одним более низким уровнем квантования для одной или более дифракционных зон ближе к внешнему краю апертуры перестраиваемой оптической линзы.
За счет такой конфигурации обеспечивается высокая дифракционная эффективность в центральной зоне апертуры перестраиваемой оптической линзы, что наиболее важно для создания впечатления реалистичности просматриваемых изображений виртуальных объектов. В различных вариантах выполнения изобретения фазовые профили для электродных структур, расположенных в зонах, отличных от центральной части апертуры перестраиваемой линзы (т.е., в частности, ближе к краю апертуры перестраиваемой линзы), могут иметь одинаковую максимальную фазу и одинаковые уровни квантования либо разную максимальную фазу и разные уровни квантования.
Далее изобретение будет рассмотрено на примерном варианте выполнения, приведенном для пояснения сущности изобретения и примеров материально-технических средств, которыми оно может быть реализовано. Следует понимать, что объем заявляемого изобретения не ограничивается данным примерным вариантом выполнения и/или какими-либо конкретными подробностями, приведенными в его описании.
В рассматриваемом примерном варианте структура управляющих электродов в перестраиваемой оптической линзе содержит две электродные структуры, далее называемые первой электродной структурой и второй электродной структурой, соответственно.
В рассматриваемом примерном варианте выполнения перестраиваемая оптическая линза имеет круглую форму. Следует понимать, что круглая форма линзы является лишь одним из примеров возможных форм в пределах объема заявляемого изобретения, и возможны другие варианты формы апертуры линзы, как будет более подробно рассмотрено ниже.
В рассматриваемом примерном варианте выполнения электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы имеют кольцевую форму, в частности форму концентрически расположенных колец. Следует понимать, что форма концентрически расположенных колец является лишь одним из примеров возможных форм электродов в пределах объема заявляемого изобретения, и возможны другие варианты формы электродов, как будет более подробно рассмотрено ниже.
Радиусы кольцевых управляющих электродов в первой электродной структуре перестраиваемой оптической линзы согласно рассматриваемому примерному варианту выполнения вычисляются в соответствии со следующей формулой:
где m - номер дифракционной зоны. Каждая дифракционная зона содержит K электродов. Каждый электрод с номером k в зоне m соединен с шиной с номером k, причем k=1:K. K составляет максимальное количество шин;
λ - длина волны падающего оптического излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратная 2π радиан;
D - минимальная оптическая сила перестраиваемой оптической линзы.
В рассматриваемом варианте выполнения оптическое излучение с длиной волны λ представляет собой оптическое излучение видимого диапазона. Однако в различных вариантах выполнения изобретения оптическое излучение может быть также инфракрасным излучением или ультрафиолетовым излучением.
Первая электродная структура заканчивается и вторая электродная структура начинается там, где ширина электродов первой электродной структуры становится меньше технологического ограничения на минимально разрешимое расстояние между электродами (в данном варианте выполнения - между кольцевыми электродами). Ширина электрода определяется разностью радиусов соседних кольцевых электродов с учетом технологического зазора между электродами.
Радиусы кольцевых электродов во второй электродной структуре вычисляются в соответствии со следующей формулой:
Каждый четный (или нечетный) электрод с номером k, где k mod 2=0 (k mod 2 =1) в зоне m соединен с шиной с соответствующим номером k. Операция “mod” обозначает остаток от деления одного числа на другое. Общее количество соединений между электродами и шинами в каждой дифракционной зоне m составляет K/2.
Данный вариант выполнения позволяет реализовать перестраиваемую оптическую линзу, для которой при диаметре апертуры линзы в 30 мм достигается оптическая сила до 3 дптр при наилучшем качестве изображения и технологическом ограничении на ширину электродов не менее 3 мкм.
Далее со ссылкой на Фиг. 3 будет рассмотрен примерный вариант реализации предлагаемой перестраиваемой оптической линзы, в которой структура управляющих электродов содержит несколько электродных структур (в частности, по меньшей мере две электродные структуры, соединенные шинами в определенном порядке). Структура управляющих электродов, размещенная на подложке, состоит из прозрачных проводящих электродов, выполненных, например, из оксида индия-цинка IZO или оксида индия-олова (ITO).
Электроды соединены с шинами посредством переходных отверстий (via holes) или других подобных средств. Шины могут быть выполнены из такого же материала, что и управляемые электроды (т.е. из прозрачного в видимом диапазоне проводящего материала, например оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Следует отметить, что в общем случае шины могут быть выполнены из любых подходящих материалов с высокой проводимостью, в том числе и из непрозрачных в видимом диапазоне (Ag, Mo, Ni и т.п.).
Материал подложек в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложек согласно изобретению находится в диапазоне 3-200 мкм. Значения толщины общего электрода и управляющих электродов, наносимых на подложку, находятся в диапазоне 30-200 нм в зависимости от выбранного материала электрода (например, оксида индия-олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). Принципы выбора толщины подложек и электродов на основании материала электрода и подложки хорошо известны в данной области техники.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы имеют кольцеобразную форму и расположены концентрически. В некоторых вариантах выполнения первый электрод, расположенный в центре, может иметь форму круга. Настоящее изобретение описано на примере структуры управляющих электродов, в которой управляющие электроды имеют форму концентрических колец, исключительно в качестве неограничивающего примера. Однако следует понимать, что изобретение может быть реализовано и в иных вариантах выполнения, в которых возможны другие формы выполнения структуры управляющих электродов, в которой электроды имеют форму, например, но не в качестве ограничения, параллельных полос или массива многоугольников. На Фиг. 2 приведена иллюстрация сравнительного примерного варианта выполнения изобретения, в котором структура управляющих электродов содержит линейные (полосовые) электроды, образующие две электродные структуры и выполненные в виде вертикальных полос. Кроме того, возможно использование управляющих электродов любой неправильной формы.
Согласно различным вариантам выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза имеет круглую форму апертуры, однако изобретение не ограничено круглой формой апертуры линзы, и также линза может иметь прямоугольную, многоугольную или криволинейную или любую другую пригодную форму апертуры, т.е. согласно изобретению апертура линзы может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.
Выбор формы электродов связан, в частности, с типом перестраиваемой оптической линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения. Так, например, для формирования сферической перестраиваемой оптической линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, могут быть выбраны концентрические кольцевые электроды либо параллельные управляющие электроды в форме полос (для фокусировки света как с x-, так и y-направлением поляризации). Выбор конфигурации перестраиваемой оптической линзы может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды).
Как отмечено выше, электроды в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы разделены по меньшей мере на две электродных структуры. Радиусы электродов 
в каждой электродной структуре с номером 
вычисляются в соответствии с определенным законом, задаваемым целым числом 
, характеризующим минимально возможную разность максимальных фаз в структуре :
где 
- номер дифракционной зоны в электродной структуре p. Каждая дифракционная зона состоит из K электродов. Каждый электрод с номером k в зоне m соединен с шиной с номером k, где k=1:K. K составляет максимальное количество шин. 
- длина волны падающего излучения, h - высота формируемого фазового профиля, кратного 2π радиан. D - минимальная оптическая сила перестраиваемой оптической линзы. Если ширина электрода, то есть разность между радиусами соседних электродов в электродной структуре p, становится меньше технологического ограничения, электродная структура p+1 начинается с дифракционной зоны:
Электроды в каждой электродной структуре разделены на зоны, которые соответствуют дифракционным зонам (зонам Френеля). Каждая дифракционная зона в первой электродной структуре состоит из K электродов. Зона во второй электродной структуре состоит из K/2 электродов. Зона в электродной структуре под номером P состоит из K/2P-1 электродов.
В рассматриваемом примерном варианте выполнения структура перестраиваемых электродов имеет K шин. Каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры. Электроды во второй электродной структуре соединены только шинами с четными номерами. Электроды в электродной структуре P соединены только шинами с четными номерами из электродной структуры P-1. Следует понимать, что объем изобретения не ограничен данным конкретным вариантом выполнения, и в других вариантах выполнения электроды во второй электродной структуре могут быть соединены, например, только шинами с нечетными номерами.
Фиг. 4 иллюстрирует схему соединения шин с электродами для двух дифракционных зон на границе двух структур управляющих электродов с учетом количества уровней квантования. Следует отметить, что дифракционная эффективность линзы зависит от количества уровней квантования в фазовом профиле. Количество уровней квантования зависит от количества шин и общего количества электродов. Чем больше количество шин и электродов в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы, тем выше дифракционная эффективность перестраиваемой оптической линзы. На Фиг. 4 в качестве неограничивающего примера представлены два фазовых профиля, соответствующие разным оптическим силам. Следует понимать, что данный пример предназначен исключительно для иллюстрации, но не для ограничения объема правовой охраны изобретения какими-либо конкретными подробностями.
Одна из технических проблем, связанных с созданием перестраиваемых оптических линз с большим размером (например, диаметром) апертуры (более 20 мм) состоит в том, что на краю линзы электроды имеют слишком малый размер, более конкретно - слишком малую ширину. При формировании по меньшей мере двух фазовых профилей с различными уровнями квантования - большее количество уровней квантования для центральной зоны, меньшее количество уровней квантования для периферии, - можно увеличить размеры электродов на краю перестраиваемой оптической линзы. При этом дифракционная эффективность η в центральной зоне перестраиваемой оптической линзы (которая является наиболее важной характеристикой для создания реалистичного восприятия изображений виртуальных объектов) будет высокой. Дифракционная эффективность пропорциональна количеству уровней квантования N и вычисляется по следующей формуле:
.
Обращаясь вновь к Фиг. 4, следует отметить, что в представленном на Фиг. 4 варианте выполнения для управления обоими фазовыми профилями посредством одних и тех же шин необходимо, чтобы оба фазовых профиля имели одинаковую максимальную фазу и одинаковые уровни квантования.
В других вариантах выполнения количество электродных структур может быть больше 2, т.е., например, p электродных структур. Примерный вариант выполнения проиллюстрирован на Фиг. 5, где показано 4 электродных структуры (p=4, b=2). При этом на Фиг. 5 видно, что в первой электродной структуре количество электродов составляет K, во второй - K/2, в третьей - K/4, в четвертой - K/8. Ширина электродов в данном варианте выполнения увеличивается от первой (расположенной ближе к центру апертуры перестраиваемой оптической линзы) электродной структуры к четвертой электродной структуре, при этом чем больше ширина электродов, тем меньше электродов в данной электродной структуре, что позволяет реализовать наибольшее количество уровней квантования и, соответственно, наивысшее качество изображения в центральной зоне перестраиваемой оптической линзы, соответствующей первой электродной структуре. Количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре в данном примерном варианте выполнения уменьшается в b=2 раз, т.е. в данном варианте выполнения в 2 раза. Такой вариант выполнения изобретения обеспечивает преимущество, состоящее в увеличении диаметра оптической линзы, и, соответственно, перестраиваемая оптическая линза согласно такому варианту выполнения может использоваться в тех областях применения, где необходим большой диаметр апертуры линзы, например в индикаторах на лобовом стекле транспортного средства.
На Фиг. 6 показан другой примерный вариант выполнения изобретения, где p=3 и b=3, то есть структура управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы содержит три электродных структуры, и количество уровней квантования в каждой последующей электродной структуре уменьшается в три раза. Такой вариант выполнения обеспечивает преимущество, состоящее в уменьшении количества соединений в конструкции перестраиваемой оптической линзы, что позволяет упростить ее изготовление.
На Фиг. 7 проиллюстрирован примерный вариант выполнения, в котором различные электродные структуры, содержащиеся в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению, формируют фазовые профили с разной максимальной фазой, т.е., как показано на Фиг. 7, для фазового профиля 1, формируемого одной или более электродными структурами, и фазового профиля 2, формируемого одной или более другими электродными структурами, максимальные фазы не равны (в проиллюстрированном примере максимальная фаза у фазового профиля 2 больше максимальной фазы у фазового профиля 1). Данный примерный вариант выполнения обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в обеспечении возможности компенсации хроматических аберраций в перестраиваемой оптической линзе согласно изобретению.
На Фиг. 8 проиллюстрирован примерный вариант выполнения, аналогичный варианту выполнения по Фиг. 6, в котором высота уровней квантования не одинакова (a1≠b1, a2≠b2, ap≠bp). Такой вариант выполнения может обеспечивать преимущество, состоящее в возможности использования управляющих электродов одинакового размера (ширины) для каждой из электродных структур.
На Фиг. 9 показан другой примерный вариант выполнения, аналогичный варианту выполнения по Фиг. 8, в котором по меньшей мере три электродные структуры формируют по меньшей мере три фазовых профиля с разными максимальными фазами, при этом между шинами и по меньшей мере некоторыми из управляющих электродов каждой из электродных структур в схему включены резисторы R1-R7. Это позволяет получить различные максимальные фазы для различных фазовых профилей, формируемых соответствующими электродными структурами. Кроме того, помимо резисторов возможно включение в схему других дополнительных элементов (конденсаторов, индукторов, диодов и т.п.), что позволяет дополнительно улучшить электрические характеристики схемы, такие как время отклика или оптимальная частота.
Другой примерный вариант выполнения заявляемой перестраиваемой оптической линзы проиллюстрирован на Фиг. 10. Здесь показано, что на различных участках апертуры перестраиваемая оптическая линза может иметь различную толщину слоя электроактивного материала (t1≠t2, где t1, t2 - толщина слоя электроактивного материала для первого и второго из показанных участков перестраиваемой оптической линзы). Такая конфигурация перестраиваемой оптической линзы позволяет реализовать различную максимальную фазу для различных электродных структур в структуре управляющих электродов перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению.
Предложенная структура перестраиваемой оптической линзы, охарактеризованная в вышеприведенных примерных вариантах выполнения изобретения, позволяет формировать различные фазовые профили (например, с максимальной фазой от 2π до 12π), соответствующие различным рабочим характеристикам (в качестве неограничивающего примера, в отношении дифракционной эффективности и хроматических аберраций) для различных участков апертуры перестраиваемой оптической линзы, то есть, другими словами, позволяет сформировать различные оптические зоны в пределах апертуры перестраиваемой оптической линзы. При этом, например, в зоне с максимальной фазой в 2π обеспечивается максимальная дифракционная эффективность по сравнению с зонами с более высокой максимальной фазой, а в зоне с максимальной фазой в 12π обеспечивается снижение хроматических аберраций по сравнению с зонами с меньшей максимальной фазой.
Далее изобретение будет рассмотрено на конкретном иллюстративном примере реализации перестраиваемой оптической линзы. Следует понимать, что данный пример приводится исключительно в целях иллюстрации и не ограничивает объем изобретения какими-либо подробностями или конкретными значениями. В примерном варианте реализации перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению имеет подложку и структуру управляющих электродов. Диаметр структуры управляющих электродов, в которой электроды выполнены из оксида индия-цинка (IZO), составляет 30 мм. Структура управляющих электродов состоит из 68 кольцевых зон. Каждая кольцевая зона включает в себя 48 кольцевых электродов. Минимальная ширина электродов составляет 2,8 мкм. Общее количество электродов в структуре управляющих электродов согласно данному примерному варианту реализации составляет 48*68=3264 электрода.
При практической реализации перестраиваемой оптической линзы согласно данному примерному варианту осуществления были получены следующие значения оптической силы и дифракционной эффективности, представленные в Таблице 1:
Таблица 1
| Оптическая сила, дптр | Эффективность в центральной зоне, % | Эффективность в периферийной зоне, % | Общая эффективность линзы, % |
| 0,5 | 99,9 | 99,4 | 99,6 |
| 1 | 99,4 | 97,7 | 97,9 |
| 1,5 | 98,7 | 95,0 | 96,7 |
| 2 | 97,7 | 91,2 | 94,1 |
| 3 | 95,0 | 81,1 | 87,3 |
Диаметр центральной зоны линзы составляет около 16 мм. Было показано, что для центральной зоны наименьшее значение дифракционной эффективности составляет 95%. Радиус периферийной зоны составляет от 8 до 15 мм. Наименьшее полученное значение дифракционной эффективности для всей линзы составило 87% при диаметре апертуры перестраиваемой оптической линзы в 30 мм. Для сравнения, в случае использования линз с одной электродной структурой как, например, в источниках US 8885139, US 8988649, наименьшая дифракционная эффективность составила 81% при диаметре апертуры линзы в 20 мм (достижение диаметра апертуры линзы в 30 мм не было возможно в прототипе из уровня техники ввиду технологического ограничения на размер управляющих электродов в электродной структуре). Таким образом, в рассматриваемом примерном варианте реализации была получена высокая дифракционная эффективность перестраиваемой оптической линзы при большом диаметре ее апертуры.
Далее изобретение будет рассмотрено на примерных вариантах применения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. В различных вариантах выполнения изобретения, перестраиваемая оптическая линза может использоваться в составе устройства отображения (устройства формирования изображений), используемого, в качестве неограничивающего примера, в системах дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR), далее вместе называемых системами AR/VR. В таком устройстве отображения может использоваться одна или более перестраиваемых оптических линз согласно изобретению, образующих перестраиваемые оптические ячейки (далее обозначаемые как LC1, LC2 и т.п.) в составе устройства отображения (устройства формирования изображений) в системе AR/VR. Перестраиваемые оптические ячейки могут представлять собой перестраиваемые жидкокристаллические ячейки, однако следует понимать, что изобретение не ограничено использованием жидких кристаллов в качестве электроактивного материала, и возможно использование иных электроактивных материалов, неограничивающие примеры которых приведены в настоящем описании.
При применении перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) или виртуальной реальности (VR) такое устройство отображения может содержать оптический волновод, соединяющий источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов и по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую линзу. Оптический волновод может соединять источник изображений виртуальных объектов, дисплей для отображения изображений виртуальных объектов, первую перестраиваемую оптическую линзу и вторую перестраиваемую оптическую линзу согласно изобретению. При этом оптический волновод находится между первой перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC1) и второй перестраиваемой оптической линзой (далее обозначаемой как LC2). Первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) может находиться перед источником изображений виртуальных объектов. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) может находиться перед глазом пользователя.
На Фиг. 11 проиллюстрирован вариант выполнения, в котором перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению реализована в составе устройства формирования изображения в системе дополненной реальности (AR). В таком варианте реализации перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться как пользователем с нормальным зрением, так и пользователем с нарушениями рефракции глаза. Для пользователя с нормальным зрением первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется лишь для трансляции изображения виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов с оптической силой D0=0. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации оптической силы, индуцируемой LC1, для беспрепятственного наблюдения внешнего мира.
Для пользователя с нарушениями рефракции глаз (такими как, например, пресбиопия/миопия/гиперопия), возможен вариант, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) используется для трансляции изображения виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, требуемые для компенсации пресбиопии/миопии/гиперопии. Вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) при этом используется для компенсации нарушений рефракции глаз пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира.
В последнем случае также возможен вариант выполнения, проиллюстрированный на Фиг. 12, в котором первая перестраиваемая оптическая линза (LC1) расположена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом, а вторая перестраиваемая оптическая линза (LC2) расположена за волноводом со стороны, обращенной к внешнему миру. Такая конфигурация устройства отображения для системы AR, в котором может быть реализована перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению, также позволяет компенсировать нарушения рефракции глаз пользователя (такие как пресбиопия/миопия/гиперопия) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира и изображений виртуальных объектов. При этом варианты выполнения по Фиг. 11 и 12 исключают необходимость использования заявляемого изобретения как такового или как части устройства отображения в системе AR/VR вместе с очками или линзами, предназначенными именно для коррекции зрения пользователя.
На Фиг. 13 показан вариант выполнения, в котором поясняется, каким образом перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может компенсировать нарушения рефракции глаза пользователя. На Фиг. 13 представлена зависимая от поляризации перестраиваемая оптическая линза (LC2), расположенная перед глазом пользователя с миопией. Кроме того, на Фиг. 13 показаны фокальные плоскости, обеспечиваемые перестраиваемой оптической линзой при различных значениях оптической силы (от D1=-0,25 дптр до D10=-4 дптр), при этом, по сравнению с точкой фокусировки глаза пользователя с миопией (показана на Фиг. 13 как «дальняя точка»), точка фокусировки перемещается на фокальную плоскость, соответствующую D10=-4 дптр. Таким образом, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению позволяет компенсировать нарушение рефракции глаза пользователя при оптической силе до 4 дптр.
На Фиг. 14 показана возможная конфигурация устройства отображения в системе AR/VR с указанием возможных положений размещения перестраиваемой оптической линзы согласно изобретению. Позиции LC1, LC2 и LC3 указывают положения, в которых в устройстве отображения может быть размещена по меньшей мере одна перестраиваемая оптическая линза. По существу, использование по меньшей мере одной перестраиваемой линзы обеспечивает двухрежимное устройство отображения для системы AR/VR, в котором первый режим представляет собой режим работы для пользователя с нормальным зрением, где LC2 используется для компенсации оптической силы, индуцированной LC3, для четкого и беспрепятственного наблюдения внешнего мира через устройство отображения, а LC3 используется для трансляции изображений виртуальных объектов из источника изображений виртуальных объектов.
Второй режим представляет собой режим работы устройства отображения в системе AR/VR с компенсацией нарушений рефракции глаза пользователя (таких как пресбиопия/миопия/гиперопия). Здесь LC1 используется для трансляции изображений виртуальных объектов, скорректированных на значения оптической силы, необходимые для компенсации пресбиопии и/или миопии/гиперопии. LC2 используется для компенсации нарушений рефракции глаза пользователя (вызванных пресбиопией и/или миопией/гиперопией) для беспрепятственного и четкого наблюдения внешнего мира через устройство отображения системы AR/VR.
В качестве неограничивающего примера, многозонная перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может использоваться в устройстве отображения системы дополненной реальности (AR) для управления глубиной резкости отображаемых изображений объектов реального мира и/или изображений виртуальных объектов, и/или для коррекции нарушений рефракции глаз пользователя.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения может быть реализован массив из более чем одной перестраиваемой оптической линзы, например несколько линз могут быть размещены друг за другом. Это может быть полезно в плане увеличения возможного диаметра оптической системы и максимальной оптической силы системы перестраиваемых оптических линз в тех применениях, в которых это необходимо.
Использование зависимых или независимых от поляризации оптического излучения перестраиваемых оптических линз может обеспечить дополнительные преимущества, состоящие, в частности, в возможности разделения по поляризации изображений виртуальных объектов и изображения реального мира для обеспечения независимого управления параметрами этих изображений.
Следует также отметить, что изобретение не ограничено использованием в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы жидких кристаллов (например, нематических, смектических, холестерических жидких кристаллов). Согласно различным вариантам выполнения изобретения, в качестве электроактивного материала перестраиваемой оптической линзы также могут быть использованы полимерный гель, электроактивные полимеры, жидкокристаллические полимеры, жидкие кристаллы с диспергированным полимером, стабилизированные полимерами жидкие кристаллы, самособирающиеся нелинейные супрамолекулярные структуры. Это позволяет с достижением преимущества адаптировать перестраиваемую линзу под конкретные применения по таким характеристикам, как время отклика, величина прикладываемого управляющего напряжения, способ управления ориентацией кристаллов.
Многозонная перестраиваемая оптическая линза согласно настоящему изобретению может быть использована в устройствах отображения или формирования изображений для систем дополненной реальности (AR) и/или виртуальной реальности (VR). Кроме того, перестраиваемая оптическая линза согласно изобретению может быть использована в нашлемных устройствах отображения, индикаторах на лобовом стекле транспортных средств (HUD-дисплей), интеллектуальных очках, устройствах отображения планшетных компьютеров, смартфонов, других портативных и/или носимых вычислительных устройств. Также изобретение может быть использовано в очках для коррекции зрения с возможностью перестройки фокусного расстояния. Следует понимать, что выше перечислены лишь некоторые наиболее иллюстративные примеры области применения настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие применения настоящего изобретения, также находящиеся в рамках объема правовой охраны настоящего изобретения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Оптическая линза с перестраиваемым фокусным расстоянием, содержащая слой электроактивного материала и структуру управляющих электродов,
причем структура управляющих электродов содержит по меньшей мере две электродные структуры, выполненные с возможностью формирования различных дифракционных зон,
причем приложение напряжения к управляющим электродам побуждает соответствующие электродные структуры из по меньшей мере двух электродных структур формировать по меньшей мере два различных фазовых профиля оптического излучения,
причем каждая из по меньшей мере двух электродных структур состоит из по меньшей мере одной группы электродов, при этом соответствующие электроды в группах электродов каждой из по меньшей мере двух электродных структур соединены шинами,
количество электродов в группах электродов первой из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K;
количество электродов в группах электродов следующей электродной структуры из по меньшей мере двух электродных структур является одинаковым и равным K/bp-1, где b - целое число, p - номер фазового профиля, формируемого соответствующей электродной структурой.
2. Линза по п. 1, в которой, по сравнению с количеством шин, соединяющих электроды первой электродной структуры, на bp-1 меньше шин соединяет электроды в каждой группе электродов в электродной структуре с номером p.
3. Линза по п. 1, в которой каждый из фазовых профилей характеризуется множеством уровней квантования, причем количество уровней квантования в фазовом профиле под номером p в bp-1 раз меньше количества уровней квантования в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой.
4. Линза по п. 1, в которой структура управляющих электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с четными номерами.
5. Линза по п. 1, в которой структура управляющих электродов содержит K шин, причем каждая шина соединена с электродом с соответствующим номером в каждой дифракционной зоне первой электродной структуры, при этом электроды во второй электродной структуре соединены только с шинами с нечетными номерами.
6. Линза по п. 1, в которой максимальная фаза в фазовом профиле, формируемом первой электродной структурой, отлична от максимальной фазы в фазовом профиле, формируемом второй электродной структурой.
7. Линза по п. 1, имеющая апертуру круглой формы, причем структура управляющих электродов содержит концентрические кольцевые электроды.
8. Линза по п. 1, имеющая апертуру многоугольной формы, причем структура управляющих электродов содержит электроды в виде вертикальных и/или горизонтальных полос.
9. Линза по п. 1, дополнительно содержащая общий электрод и по меньшей мере одну подложку.
10. Устройство отображения для системы дополненной реальности (AR) или системы виртуальной реальности (VR), содержащее по меньшей мере одну оптическую линзу с перестраиваемым фокусным расстоянием по любому из пп. 1-9.
11. Устройство по п. 10, дополнительно содержащее источник изображений виртуальных объектов и волновод, соединенный с по меньшей мере одной оптической линзой с перестраиваемым фокусным расстоянием и с источником изображений виртуальных объектов.
12. Устройство по п. 11, содержащее по меньшей мере две оптических линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием, причем одна из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена перед глазом пользователя, а другая из по меньшей мере двух оптических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием размещена между источником изображений виртуальных объектов и волноводом.
13. Система дополненной реальности (AR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 10-12.
14. Система виртуальной реальности (VR), содержащая по меньшей мере одно устройство отображения по любому из пп. 10-12.
