RU2760473C1 - Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil - Google Patents
Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil Download PDFInfo
- Publication number
- RU2760473C1 RU2760473C1 RU2020141527A RU2020141527A RU2760473C1 RU 2760473 C1 RU2760473 C1 RU 2760473C1 RU 2020141527 A RU2020141527 A RU 2020141527A RU 2020141527 A RU2020141527 A RU 2020141527A RU 2760473 C1 RU2760473 C1 RU 2760473C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- image
- radiation
- exit pupil
- waveguide
- mask
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
- G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
- G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/08—Mirrors
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
- G06T19/006—Mixed reality
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится средствам дополненной реальности и способам формирований изображений в устройствах дополненной реальности с размножением выходного зрачка и формированием 3D-изображений, и может использоваться, в частности, в качестве автомобильных проекционных дисплеев, так называемых “head-up” (далее, как HUD) дисплеев или 3D дисплеях, используемых для встраивания в приборную панель автомобиля и подобных транспортных средством, а именно мотоциклов, велосипедов и т.д. The invention relates to augmented reality tools and methods of forming images in augmented reality devices with multiplying the exit pupil and forming 3D images, and can be used, in particular, as car projection displays, so-called "head-up" (hereinafter, as HUD) displays or 3D displays used to be embedded in the dashboard of a car and similar vehicles, namely motorcycles, bicycles, etc.
Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art
В настоящее время на рынке существует множество конфигураций, автомобильных проекционных дисплеев, но они в своем большинстве обладают полем зрения не более 15 градусов и объемом более 20 литров. Такое устройство сложно интегрировать в приборную панель автомобиля, поэтому появилась необходимость создания 3D дисплея с полем зрения более 15 градусов и объемом не более 5 литров.Currently, there are many configurations on the market, car head-up displays, but most of them have a field of view of no more than 15 degrees and a volume of more than 20 liters. Such a device is difficult to integrate into a car dashboard, so it became necessary to create a 3D display with a field of view of more than 15 degrees and a volume of no more than 5 liters.
Использование HUD устройств в автомобильной промышленности становится все более популярным. Такие устройства размещаются в приборной панели транспортного средства, формируют виртуальное изображение на конечном или бесконечном расстоянии от водителя и позволяют пользователю сосредоточиться на дороге или окружающей среде, одновременно получая информацию о скорости пользователя, состоянии двигателя, телефонных звонках и, возможно, другую внешнюю информацию, которая в противном случае отвлекала бы внимание пользователя за счет использования других внешних устройств. Применение таких дисплеев становится необходимым для повышения безопасности пользователя и в целом.The use of HUD devices in the automotive industry is becoming more and more popular. Such devices are located in the dashboard of the vehicle, form a virtual image at a finite or infinite distance from the driver and allow the user to focus on the road or the environment, while receiving information about the user's speed, engine status, phone calls and possibly other external information that otherwise it would distract the user's attention by using other external devices. The use of such displays is becoming necessary to improve the safety of the user and in general.
В уровне техники известно множестве решений, обеспечивающих формирование 3D изображений.A variety of 3D imaging solutions are known in the art.
В патенте US 9838674 B2, IPC H04N 13/04, H04N 9/47, опубл. 05.12.2017 г. раскрыт многовидовый автостереоскопический дисплей и способ для управления дистанцией формирования виртуального изображения. При этом дисплей содержит оптический микролинзовый растровый элемент, расположенный на матрице пикселей панели дисплея, устройство управления оптимальным расстоянием просмотра, сконфигурированное для настройки изображений, видимых обоими глазами зрителя, и изображения на основе информации о положении зрителя, воспринимаемой датчиком, для автоматической настройки изображений, и для создания карты вида с использованием скорректированных изображений; модуль 3D форматирования, сконфигурированный для сопоставления данных пикселей многовидового изображения на основе карты видов, полученной от устройства управления оптимальным расстоянием просмотра; и схему управления панелью дисплея, сконфигурированную для записи пиксельных данных многовидового изображения, принятого из модуля 3D форматирования, на панель отображения. В данном дисплее для каждого вида изображения используется своя маска пикселей, выводимая на дисплей и такая конфигурация дисплея в комбинации с микролинзовым растром формирует отдельное изображение для правого и левого глаза.In US patent 9838674 B2, IPC H04N 13/04, H04N 9/47, publ. 12/05/2017 disclosed a multi-view autostereoscopic display and a method for controlling the distance of the formation of a virtual image. The display comprises an optical microlens raster element located on the pixel matrix of the display panel, an optimal viewing distance control device configured to adjust images visible to both eyes of the viewer and an image based on the viewer's position information perceived by the sensor for automatic image adjustment, and to create a view map using corrected images; a 3D formatting unit, configured to match pixel data of a multi-view image based on a view map received from the optimal viewing distance control device; and a display panel control circuit configured to write the pixel data of the multi-view image received from the 3D formatter to the display panel. In this display, for each type of image, its own pixel mask is used, which is displayed on the display, and this configuration of the display in combination with a microlens raster forms a separate image for the right and left eyes.
Указанный многовидовый автостереоскопический дисплей используется в мониторах, может использоваться в телевидении для формирования стреоскопического изображения, а также для просмотра стереофильмов в домашних условиях, но не подлежит использованию в приборных панелях для автомобилей. Недостатками такой системы является то, что плоскость дисплея совпадает с плоскостью формирования изображения, что в свою очередь ограничивает разброс дистанции для вывода 3D изображения и вызывает дискомфорт при наблюдении 3D изображения из-за несогласованности конвергенции и аккомодации. The specified multi-view autostereoscopic display is used in monitors, can be used in television for the formation of stereoscopic images, as well as for viewing stereofilms at home, but is not subject to use in dashboards for cars. The disadvantages of such a system are that the plane of the display coincides with the plane of image formation, which in turn limits the spread of the distance for displaying a 3D image and causes discomfort when observing a 3D image due to inconsistency of convergence and accommodation.
В US 8786683 B2, IPC G06T 15/00, H04N 13/04, опубл. 22.07.2014 г., представлено стереоскопическое устройство отображения, содержащее: панель отображения, выполненную с возможностью пропускания света, соответствующего данным изображения; блок преобразования состояния поляризации, содержащий первый подблок поляризации для преобразования света, передаваемого устройством отображения, в первое состояние поляризации, и второй подблок поляризации для преобразования света, передаваемого устройством отображения, во второе состояние поляризации; оптический разделительный элемент, который приводится, посредством приложения напряжения, во включенное состояние, в котором свет, передаваемый панелью отображения, преломляется, или в состояние выключения, в котором свет, передаваемый панелью отображения, не преломляется. В указанном стереоскопическом устройстве отображения пространственное изображение локализуется на конечном расстоянии, совпадающем с плоскостью дисплея и не обеспечивается угловое изображение, которое получается при формирование изображения в бесконечности, что ограничивает использование такого стереоскопического устройства отображения для встраивания в приборные панели автомобиля, поскольку виртуальное изображение формируется на конечном расстоянии от пользователя, что влечет снижение концентрации на дороге при переаккомодации взгляда на информационное виртуальное изображение. In US 8 786 683 B2, IPC G06T 15/00, H04N 13/04, publ. 07.22.2014, a stereoscopic display device is presented, comprising: a display panel configured to transmit light corresponding to image data; a polarization state conversion unit comprising a first polarization subunit for converting light transmitted by the display device into a first polarization state, and a second polarization subunit for converting the light transmitted by the display device into a second polarization state; an optical spacer that is driven, by applying a voltage, to an on state in which light transmitted by the display panel is refracted, or to an off state in which light transmitted from the display panel is not refracted. In the specified stereoscopic display device, the spatial image is localized at a finite distance coinciding with the plane of the display and the angular image that is obtained when imaging at infinity is not provided, which limits the use of such a stereoscopic display device for embedding in car dashboards, since the virtual image is formed at the final distance from the user, which entails a decrease in concentration on the road when the gaze is re-accommodated at the information virtual image.
В US 10545346 B2, IPC G02B 27/00, G02B 27/01, опубл.28.01.2020 г., раскрыт оптический дисплей для шлема, так называемый HUD дисплей, предназначенный для формирования виртуальных изображений, и включающий в себя набор волноводов, и голографические переключаемые дифракционные решетки, призматическую оптику, блок ввода изображения. Указанный дисплей является компактным, однако его конфигурация обеспечивает формирование только 2D изображений.US 10545346 B2, IPC G02B 27/00, G02B 27/01, publ. 28.01.2020, discloses an optical display for a helmet, the so-called HUD display, intended for the formation of virtual images, and including a set of waveguides, and holographic switchable diffraction gratings, prismatic optics, image input unit. This display is compact, but it is configured to provide only 2D images.
В US 2020/0073120 A1, IPC G02B 27/01, опубл. 05.03.2020 г. раскрыт HUD дисплей для транспортного средства, включающий в себя: панель дисплея, дефлектор, имеющий множество микролинз, и генератор изображения. Генератор изображений сконфигурирован для создания множества первичных элементарных изображений, которые умножаются оптическим умножителем на элементарные изображения, которые, в свою очередь, назначаются в каждом случае соответствующей одной из множества микролинз. Указанный дисплей является компактным и формирует 3D изображения. Одним из недостатков указанного дисплея является высокая плотность пикселей в комбинации с использованием микролинзового растра, что в свою очередь делает его производство достаточно затратным и, следовательно, нерентабельным для массового производства. Кроме того, конфигурация данного дисплея обеспечивает формирование изображения на конечном расстоянии, что требует повторной аккомодации для обзора виртуального изображения.In US 2020/0073120 A1, IPC G02B 27/01, publ. 03/05/2020 disclosed a HUD display for a vehicle, including: a display panel, a deflector having a plurality of microlenses, and an image generator. The image generator is configured to generate a plurality of primary elementary images, which are multiplied by an optical multiplier by elementary images, which in turn are assigned in each case to a corresponding one of the plurality of microlenses. The specified display is compact and generates 3D images. One of the disadvantages of this display is the high pixel density in combination with the use of a microlens raster, which in turn makes its production quite costly and, therefore, unprofitable for mass production. In addition, the configuration of this display allows for imaging at a finite distance, which requires re-accommodation to view the virtual image.
Наиболее близким техническим решением заявленного изобретения является устройство для формирования виртуального изображения, раскрытое в международной публикации WO 2019/238869 А1, IPC, B60K35/00, G02B 27/01, опубл. 19.12.2019 г., и используемое в приборных панелях транспортных средств. При этом устройство (см. фиг.5 в WO 2019/238869 А1) содержит источник света (14), который имеет, по меньшей мере, два переключаемых источника света (14R, 14G, 14B) для формирования излучения с разными длинами волн. Упомянутое устройство также содержит элемент (11) отображения для генерации изображения и оптический волновод для расширения выходного зрачка. Оптический волновод имеет по меньшей мере два оптических волновода (5R, 5G, 5B), которые могут переключаться синхронно с переключаемыми источниками света (14R, 14G, 14B) и выполнены с возможностью функционирования с разными длинами волн. Устройство обеспечивает формирование только 2D изображения, что значительно снижает обзор водителя транспортного средства.The closest technical solution to the claimed invention is a device for forming a virtual image disclosed in the international publication WO 2019/238869 A1, IPC, B60K35 / 00, G02B 27/01, publ. 12/19/2019, and used in vehicle dashboards. In this case, the device (see Fig. 5 in WO 2019/238869 A1) contains a light source (14), which has at least two switchable light sources (14R, 14G, 14B) for generating radiation with different wavelengths. The said device also contains a display element (11) for generating an image and an optical waveguide for expanding the exit pupil. The optical waveguide has at least two optical waveguides (5R, 5G, 5B) that can be switched synchronously with the switchable light sources (14R, 14G, 14B) and are configured to operate at different wavelengths. The device provides only 2D imaging, which significantly reduces the driver's view of the vehicle.
Все вышеуказанные решения не обеспечивают современные требования, диктуемые в автомобильной промышленности, для обеспечения безопасности водителя транспортного средства, поскольку при формировании 2D изображений, водителю очень тяжело сконцентрировать свое внимание одновременно на дороге и на виртуальном изображении, что ведет к потере концентрации. При этом в современных дисплейных устройствах очень трудно одновременно совместить требования компактности устройства, позволяющие использовать его в приборных панелях транспортных средств, а также формирование 3D изображений с высоким разрешением формируемого изображения.All of the above solutions do not meet the modern requirements dictated by the automotive industry to ensure the safety of the vehicle driver, since when forming 2D images, it is very difficult for the driver to concentrate his attention on the road and on the virtual image at the same time, which leads to a loss of concentration. At the same time, in modern display devices it is very difficult to simultaneously combine the requirements of the compactness of the device, allowing it to be used in dashboards of vehicles, as well as the formation of 3D images with a high resolution of the generated image.
Заявленное устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения направлено на решение вышеуказанных задач, а именно обеспечивает формирование 3D изображений с высоким разрешением и с полем зрения порядка 15 градусов, при сохранении его компактности с объемом менее 5 литров, что позволяет его интегрировать в приборную панель транспортного средства и использовать в других компактных переносных устройствах.The claimed augmented reality device with exit pupil reproduction and with the possibility of forming a three-dimensional image is aimed at solving the above problems, namely, it provides the formation of 3D images with high resolution and with a field of view of about 15 degrees, while maintaining its compactness with a volume of less than 5 liters, which allows it integrate into the vehicle dashboard and use in other compact portable devices.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Согласно первому аспекту изобретения предлагается устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения, содержащее оптически сопряженные:According to a first aspect of the invention, there is provided an augmented reality device with exit pupil multiplication and with the possibility of forming a three-dimensional image, comprising optically coupled:
- модуль формирования многовидового изображения, выполненный с возможностью формирования многовидового изображения, и формирования выходного зрачка, содержащего указанное сформированное многовидовое изображение, при этом многовидовое изображение содержит по меньшей мере два изображения с одинаковым полем зрения(FoV), отличающихся по длине волны и/или состоянию поляризации, или разнесенные по времени;- a module for forming a multi-view image, configured to form a multi-view image, and form an exit pupil containing the specified generated multi-view image, while the multi-view image contains at least two images with the same field of view (FoV), differing in wavelength and / or state polarizations, or spaced in time;
- волновод, выполненный с возможностью размножения выходного зрачка, сформированного в модуле формирования многовидового изображения;- a waveguide made with the possibility of multiplying the exit pupil formed in the module for generating a multi-view image;
- модуль формирования зон видения в области выходного зрачка, выполненный с возможностью разделения изображений по длинам волн, и/или состоянию поляризации, или времени (t) формирования изображений; и вывода соответствующих изображениях в соответствующие зоны видения в области выходного зрачка с формированием трехмерного изображения; - a module for the formation of zones of vision in the area of the exit pupil, made with the possibility of separating images by wavelengths, and / or the state of polarization, or time (t) of image formation; and outputting the corresponding images to the corresponding vision areas in the exit pupil region with the formation of a three-dimensional image;
дополнительно содержащийadditionally containing
- блок управления, соединенный с модулем формирования многовидового изображения, модулем формирования зон видения, и выполненный с возможностью управления указанными модулями по управляющему сигналу;- a control unit connected to a module for forming a multi-view image, a module for forming vision zones, and configured to control these modules according to a control signal;
при этом модуль формирования многовидового изображения содержит оптически сопряженные по меньшей мере один источник излучения, объединитель излучения, по меньшей мере один источник изображения и проекционную оптику;the module for forming a multi-view image contains optically coupled at least one radiation source, a radiation combiner, at least one image source and projection optics;
модуль формирования зон видения в области выходного зрачка содержит стек из по меньшей мере двух микролинзовых и/или микрозеркальных растров (LA1, LA2) и пространственную маску (SM), выполненную с возможностью функционирования в пассивном режиме, при котором осуществляется фильтрации излучения по длине волны и/или состоянию поляризации, или в активном режиме, при котором фильтрация излучения осуществляется по времени (t), в ответ на управляющий сигнал от блока управления. Пространственная маска SM располагается в оптически сопряженной плоскости выходного зрачка устройства дополненной реальности относительно оптического растра LA2. the module for the formation of vision zones in the exit pupil region contains a stack of at least two microlens and / or micromirror rasters (LA1, LA2) and a spatial mask (SM) configured to operate in a passive mode, in which radiation is filtered by wavelength and / or the state of polarization, or in the active mode, in which the radiation is filtered in time (t), in response to a control signal from the control unit. Spatial mask SM is located in the optically conjugate plane of the exit pupil of the augmented reality device relative to the optical raster LA2.
Кроме того, модуль формирования многовидового изображения содержит по меньшей мере 2 источника излучения, каждый, выполненный с возможностью испускания света на одной длине волны или отличающихся длинах волн, или по меньшей мере 2 источника излучение выполнены с возможностью испускания RGB излучения.In addition, the multiview imaging module contains at least 2 radiation sources, each configured to emit light at the same wavelength or different wavelengths, or at least 2 radiation sources configured to emit RGB radiation.
В модуле формирования многовидового изображения источники излучения выполнены с возможностью испускания излучения одновременно или попеременно по сигналу от блока управления и источники излучения представляют собой одно из: светодиода, лазерного диода, лампы накаливания.In the module for forming a multi-view image, the radiation sources are made with the possibility of emitting radiation simultaneously or alternately according to a signal from the control unit, and the radiation sources are one of: LED, laser diode, incandescent lamp.
В модуле формирования многовидового изображения источники объединитель излучения выполнен с возможностью смешивания и объединения излучения от разных источников излучения и вывода смешанного излучения на источник изображения и представляет собой оптический элемент с соответствующим покрытием, например с дихроичным покрытием или с покрытием в виде призматических или дифракционных элементов, обеспечивающим отражение или перенаправление излучения в заданном направлении.In the multi-view imaging module, the sources of the radiation combiner are made with the possibility of mixing and combining radiation from different radiation sources and outputting the mixed radiation to the image source and is an optical element with a suitable coating, for example, with a dichroic coating or with a coating in the form of prismatic or diffractive elements, providing reflection or redirection of radiation in a given direction.
Предусмотрено также реализация объединителя излучения в виде волноводного объединителя.The implementation of the radiation combiner in the form of a waveguide combiner is also provided.
В устройстве дополненной реальности согласно первому аспекту изобретения источник изображения выполнен с возможностью формирования зон видения и представляет собой одно из: самоизлучающий дисплей с использованием микроскопических светодиодов в качестве подсветки (uLED), жидкокристаллический дисплей (LCD), жидкокристаллический дисплей отражательного типа (LCOS), цифровое микрозеркальное устройство для вывода изображения (DMD), устройство формирования изображения посредством сканирующих зеркал (LBS).In the augmented reality device according to the first aspect of the invention, the image source is configured to form vision zones and is one of: self-emitting display using microscopic LEDs as backlight (uLED), liquid crystal display (LCD), reflective type liquid crystal display (LCOS), digital Micromirror Image Output Device (DMD), Scanning Mirror Image Forming Device (LBS).
А волновод выполнен в виде плоской подложки, с встроенной в нее элементом ввода, расширителем, и элементом вывода, и с возможностью поочередного размножения выходного зрачка, сначала по оси X, а потом по оси Y или наоборот, или с возможностью размножения выходного зрачка, одновременно, по оси X и Y.And the waveguide is made in the form of a flat substrate, with an input element, an expander, and an output element built into it, and with the possibility of alternately multiplying the exit pupil, first along the X axis, and then along the Y axis, or vice versa, or with the possibility of multiplying the exit pupil, simultaneously , along the X and Y axes.
При этом в волноводе элемент ввода выполнен с возможностью ввода излучения с предварительно заданным углом в волновод и представляет собой одно из: дифракционный элемент в виде дифракционных решеток, голографический элемент или полупрозрачное зеркало; а элемент вывода волновода выполнен с возможностью вывода излучения с заданным углом из волновода и представляет собой одно из: дифракционный элемент, в виде дифракционных решеток, голографический элемент или полупрозрачное зеркало; и расширитель волновода выполнен с возможностью размножения выходного зрачка внутри волновода и представляет собой одно из: дифракционный элемент, в виде дифракционных решеток, голографический элемент или полупрозрачное зеркало.In this case, the input element in the waveguide is configured to input radiation with a predetermined angle into the waveguide and is one of: a diffractive element in the form of diffraction gratings, a holographic element or a semitransparent mirror; and the element of the output of the waveguide is made with the possibility of outputting radiation with a given angle from the waveguide and is one of: a diffractive element, in the form of diffraction gratings, a holographic element or a semitransparent mirror; and the waveguide expander is configured to multiply the exit pupil inside the waveguide and is one of: a diffractive element in the form of diffraction gratings, a holographic element, or a semitransparent mirror.
При этом при одновременном размножении выходного зрачка по оси X и Y, расширитель, элемент вывода и расширитель объединяются в один оптический элемент в виде дифракционного элемента. In this case, with the simultaneous multiplication of the exit pupil along the X and Y axes, the expander, the output element and the expander are combined into one optical element in the form of a diffractive element.
Волновод может быть выполнен в виде комбинации из трех волноводов, каждый предназначен для переноса изображения одного цвета, например, R, G, B цветов, или в виде комбинации двух волноводов с комбинированием цветов, например один волновод B+G цветов, а другой R цвета или одни волновод для G+R цветов, а другой для B цвета.The waveguide can be made in the form of a combination of three waveguides, each designed to transfer an image of one color, for example, R, G, B colors, or as a combination of two waveguides with a combination of colors, for example, one waveguide B + G colors, and the other R color or one waveguide for G + R colors and another for B colors.
Кроме того, волновод может быть выполнен в виде одного волновода с возможностью переноса изображения с комбинированием цветов, например, R+G+B цветов.In addition, the waveguide can be made in the form of a single waveguide with the possibility of transferring an image with a combination of colors, for example, R + G + B colors.
Кроме того, волновод может быть выполнен в виде комбинации различных волноводов, каждый из которых предназначен для переноса одной угловой части общего изображения для одного из цветов R, G, B и/или комбинации цветов.In addition, the waveguide can be made in the form of a combination of different waveguides, each of which is designed to transfer one corner of the overall image for one of the colors R, G, B and / or a combination of colors.
Модуль формирования зон видения в области выходного зрачка содержит стек из по меньшей мере двух микролинзовых и/или микрозеркальных растров (LA1, LA2), выполненных таким образом, что обеспечивается телескопический ход лучей на входе и выходе указанного стека.The module for the formation of zones of vision in the area of the exit pupil contains a stack of at least two microlens and / or micromirror rasters (LA1, LA2), made in such a way that a telescopic path of rays at the entrance and exit of the specified stack is provided.
При этом стек из по меньшей мере двух микролинзовых и/или микрозеркальных растров содержит два микролинзовых и/или микрозеркальных растра (LA1, LA2).In this case, a stack of at least two microlens and / or micromirror rasters contains two microlens and / or micromirror rasters (LA1, LA2).
При этом каждый из микролинзовых растров LA1, LA2 содержит по меньшей мере одну лентикулярную линзу, представляющую собой цилиндрическую линзу или сферическую линзу, при этом количество линз в первом микролинзовом растре LA1 равно количеству линз во втором микролинзрвом растре LA2.In this case, each of the microlens rasters LA1, LA2 contains at least one lenticular lens, which is a cylindrical lens or a spherical lens, the number of lenses in the first microlens raster LA1 being equal to the number of lenses in the second microlensing raster LA2.
В модуле формирования зон видения в области выходного зрачка первый растр LA1 может представлять собой микрозеркальный растр, состоящий из по меньшей мере одного зеркала, а второй растр LA2- по меньшей мере одну цилиндрическую или сферическую линзу, при этом количество зеркал в первом растре LA1 совпадает с количеством линз в растре LA2.In the module for generating vision areas in the exit pupil region, the first raster LA1 can be a micromirror raster consisting of at least one mirror, and the second raster LA2 can be at least one cylindrical or spherical lens, while the number of mirrors in the first raster LA1 coincides with the number of lenses in the LA2 raster.
Согласно одному варианту реализации изобретения первый линзовый растр LA1 может встраиваться в элемент вывода волновода и с возможностью обеспечения вывода излучения и фокусирования излучения на пространственной маске SM.According to one embodiment of the invention, the first lens raster LA1 can be built into the waveguide output element and can be capable of outputting radiation and focusing the radiation on the spatial mask SM.
При этом проекционная оптика представляет собой оптический блок, состоящий из по меньшей мере одного или комбинации из: линзы, зеркала, поляризационного разделителя пучка (PBS), четвертьволновой пластины(QWP) и полуволновой пластины (HWP), и обеспечивающая преобразование пространственного изображения в угловое изображение в одном и том же поле зрения (FOV). In this case, the projection optics is an optical unit consisting of at least one or a combination of: a lens, a mirror, a polarizing beam splitter (PBS), a quarter-wave plate (QWP) and a half-wave plate (HWP), and provides the transformation of a spatial image into an angular image in the same field of view (FOV).
Входящая в состав модуля формирования зон видения в области выходного зрачка пространственная маска SM работает в двух режимах: пассивном и активном. При пассивном режиме работы пространственная маска SM представляет собой слой поглощающего материала, с встроенными в нее чередующимися сегментами фильтров, каждый из которых пропускает излучение с заданной длиной волны, соответствующей длине волны излучения источника излучения в модуле формирования многовидового изображения.The spatial mask SM, which is part of the module for the formation of vision zones in the area of the exit pupil, operates in two modes: passive and active. In the passive mode of operation, the spatial mask SM is a layer of absorbing material with built-in alternating filter segments, each of which transmits radiation with a given wavelength corresponding to the radiation wavelength of the radiation source in the multi-view imaging module.
При этом указанные сегменты фильтров представляют собой дихроичные фильтры.Moreover, these filter segments are dichroic filters.
Кроме того, при пассивном режиме работы пространственная маска SM выполнена с возможностью пропускания излучения по состоянию поляризации, представляющей собой одно из S поляризации, P поляризации, правосторонней циркулярной поляризации (RHCP), левосторонней циркулярной поляризации (RHCP). In addition, in the passive mode of operation, the spatial mask SM is configured to transmit radiation according to the state of polarization, which is one of S polarization, P polarization, right-handed circular polarization (RHCP), left-handed circular polarization (RHCP).
При активном режиме работы пространственная маска выполнена с возможностью поочередного воспроизведения изображения для левого и правого глаза и представляет собой пространственный модулятор излучения, например в виде ЖК-дисплея, в котором частота смены маски соответствует режиму пропускания или блокирования излучения, проходящего через маску, и совпадает с частотой кадров дисплея в источнике изображения.In the active mode of operation, the spatial mask is made with the possibility of alternately reproducing images for the left and right eyes and is a spatial radiation modulator, for example, in the form of an LCD display, in which the frequency of changing the mask corresponds to the mode of transmission or blocking of radiation passing through the mask, and coincides with the display frame rate in the image source.
Устройство дополненной реальности согласно первому аспекту изобретения, дополнительно содержит синхронизатор для обеспечения синхронизации работы пространственной маски, работающей в активном режиме, с источником изображения по управляющему сигналу от блока управления, соединенного с модулем формирования многовидового изображения и с синхронизатором.The augmented reality device according to the first aspect of the invention further comprises a synchronizer for synchronizing the operation of the spatial mask in active mode with the image source by a control signal from a control unit connected to the multiview imaging module and the synchronizer.
Устройство дополненной реальности согласно первому аспекту изобретения, дополнительно также содержит детектор, соединенный с блоком управления, и выполненный с возможностью регистрации смещения глаз пользователя, и приводное устройство выполненное с возможностью смещение пространственной маски, при пассивном режиме работы, по сигналу от блока управления.The augmented reality device according to the first aspect of the invention further further comprises a detector connected to the control unit and configured to register the displacement of the user's eyes, and a drive unit configured to displace the spatial mask, in passive mode of operation, upon a signal from the control unit.
При этом, при пассивном режиме работе пространственная маска выполнена с возможностью поочередного вывода изображения с одним спектральным составом или состоянием поляризации для правого и левого глаза посредством смещения маски по горизонтальной оси, совпадающей с расположением глаз пользователя.In this case, in the passive mode of operation, the spatial mask is made with the possibility of alternately displaying an image with the same spectral composition or polarization state for the right and left eyes by displacing the mask along the horizontal axis coinciding with the location of the user's eyes.
Устройство дополненной реальности с размножением зрачка выполнено с возможностью встраивания в приборную панель любого транспортного средства, а также с возможностью использования в компактных переносных устройства, например, планшетах или в очках дополненной реальности. The augmented reality device with pupil propagation is made with the possibility of embedding into the dashboard of any vehicle, as well as with the possibility of using it in compact portable devices, for example, tablets or in augmented reality glasses.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ формирования изображения в устройстве дополненной реальности с размножением выходного зрачка согласно первому аспекту изобретения, содержащий этапы, при которых:According to a second aspect of the invention, there is provided a method for forming an image in an augmented reality device with an exit pupil propagation according to the first aspect of the invention, comprising the steps of:
- обеспечивают формирование многовидового изображения, и формирование выходного зрачка, содержащего указанное сформированное многовидовое изображение посредством модуля формирования многовидового изображения, при этом указанное многовидовое изображение, содержит по меньшей мере два изображения с одинаковым полем зрения FoV, отличающихся по длине волны и/или состоянию поляризации, или разнесенные по времени;- provide the formation of a multi-view image, and the formation of the exit pupil containing the specified generated multi-view image by means of the module for the formation of a multi-view image, while the specified multi-view image contains at least two images with the same field of view FoV, differing in wavelength and / or polarization state, or spaced in time;
- посредством волновода обеспечивают размножение указанного выходного зрачка;- by means of a waveguide, the specified exit pupil is multiplied;
- формируют изображение дополненной реальности посредством модуля многовидового изображения и волновода, - form an augmented reality image by means of a multi-view image module and a waveguide,
- посредством модуля формирования зон видения в области выходного зрачка, обеспечивают разделение изображений по длинам волнам, и/или состоянию поляризации, или времени (t) формирования изображений; и- by means of the module for the formation of zones of vision in the area of the exit pupil, provide separation of images by wavelengths, and / or the state of polarization, or time (t) of image formation; and
- выводят соответствующие изображения в соответствующие зоны видения в области выходного зрачка с формированием трехмерного изображения.- output the corresponding images to the corresponding zones of vision in the area of the exit pupil with the formation of a three-dimensional image.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:The above and other features and advantages of the present invention are illustrated in the following description, illustrated by the drawings, in which the following is presented:
Фиг.1 - представлена схема формирования стереоскопического изображения согласно изобретению;Fig. 1 is a diagram of the formation of a stereoscopic image according to the invention;
Фиг.2 - схематично представлена схема устройства дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения согласно изобретению;Fig. 2 is a schematic diagram of an augmented reality device with exit pupil multiplication and with the possibility of forming a three-dimensional image according to the invention;
Фиг.3 - представлена блок-схема модуля генерирования многовидового изображения согласно изобретению;3 is a block diagram of a multi-view image generating unit according to the invention;
Фиг.4 - блок-схема формирования изображения выходного зрачка посредством модуля формирования зон видения в области выходного зрачка и волновода согласно изобретению;4 is a block diagram of the exit pupil imaging by the exit pupil and waveguide vision zone generating unit according to the invention;
Фиг.5 - представлена схема формирования изображения в плоскости выходного зрачка согласно изобретению;Fig. 5 is a diagram of image formation in the plane of the exit pupil according to the invention;
Фиг.6 - представлена схема формирования изображения при пассивном режиме функционирования пространственной маски согласно изобретению;Fig. 6 is a diagram of image formation in the passive mode of operation of the spatial mask according to the invention;
Фиг.7а - схема прохождения излучения от источников излучения в источники изображения посредством соответствующих зеркал в волновод согласно изобретению;Fig. 7a is a diagram of the passage of radiation from radiation sources to image sources by means of corresponding mirrors into a waveguide according to the invention;
Фиг.7b - график, иллюстрирующий зависимость коэффициента отражения зеркала M1 в зависимости от длины волны λ1 излучения, испускаемого источником излучения 1 согласно изобретению;7b is a graph illustrating the dependence of the reflectance of the mirror M 1 as a function of the wavelength λ 1 of the radiation emitted by the
Фиг.8а - схематично представлен процесс размножения зрачка по одной оси поочередно в волноводе согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;Fig. 8a is a schematic representation of the process of pupil propagation along one axis alternately in a waveguide according to a preferred embodiment of the invention;
Фиг.8b - схематично представлен процесс размножения зрачка по двум осям одновременно;Fig. 8b is a schematic representation of the process of multiplying the pupil along two axes simultaneously;
Фиг.8с - схематично представлен вид в поперечном сечении волновода, в котором осуществляется размножение зрачка по одной оси, поочередно согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;8c is a schematic cross-sectional view of a waveguide in which the pupil is multiplied along one axis, alternately according to a preferred embodiment of the invention;
Фиг.9а - схематично представлены графики, показывающие зависимость коэффициента пропускания фильтров пространственной маски в зависимости от длины волны и схематично представлены соответствующие сегменты фильтров маски согласно изобретению;Fig. 9a is a schematic diagram showing the dependence of the transmittance of the spatial mask filters as a function of wavelength and schematically showing the corresponding segments of the mask filters according to the invention;
Фиг.9b - представлена схема формирования видов в области выходного зрачка при работе пространственной маски в пассивном режиме согласно изобретению;Fig. 9b is a diagram of the formation of views in the region of the exit pupil when the spatial mask operates in a passive mode according to the invention;
Фиг.10а - представлена схема модуля 3 формирования зон видения выходного зрачка, обеспечивающая формирование зон видения V1…Vn по одной оси согласно изобретению;Fig. 10a shows a diagram of a
Фиг.10b - представлена схема модуля 3 формирования зон видения выходного зрачка, обеспечивающая формирование зон видения V1…Vn по одной оси согласно изобретению;10b is a schematic diagram of a
Фиг.11а - представлена схема прохождения лучей при прохождении через стек из двух микролинзовых растров LA1 и LA2 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;11a is a diagrammatic representation of the path of rays passing through a stack of two microlens rasters LA1 and LA2 according to a preferred embodiment of the invention;
Фиг.11b - представлена схема прохождения лучей при прохождении через стек из двух микролинзовых растров LA1 и LA2 согласно изобретению;Fig. 11b is a diagram of the passage of rays when passing through a stack of two microlens rasters LA1 and LA2 according to the invention;
Фиг.12а - представлена схема прохождения излучения в модуле формирования зон видения выходного зрачка и волновода согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;Fig. 12a is a diagram of the passage of radiation in the module for generating vision areas of the exit pupil and waveguide according to a preferred embodiment of the invention;
Фиг.12b - представлена схема прохождения излучения в модуле формирования зон видения выходного зрачка и волновода согласно изобретению;Fig. 12b is a diagram of the passage of radiation in the module for forming the vision zones of the exit pupil and the waveguide according to the invention;
Фиг.13а - представлена схема формирования двух зон видения без смещения глаз водителя транспортного средства согласно изобретению;Fig. 13a is a diagram of the formation of two zones of vision without shifting the eyes of the driver of the vehicle according to the invention;
Фиг.13b - схема формирования двух зон видения при смещения глаз водителя транспортного средства согласно изобретению;Fig. 13b is a diagram of the formation of two zones of vision when the eyes of a vehicle driver are shifted according to the invention;
Фиг.14а - представлена блок схема модуля формирования многовидового изображения согласно одному варианту реализации изобретения;14a is a block diagram of a multi-view imaging module according to one embodiment of the invention;
Фиг.14b - представлена блок схема модуля формирования многовидового изображения согласно другому варианту реализации изобретения согласно изобретению;14b is a block diagram of a multi-view imaging unit according to another embodiment of the invention according to the invention;
Фиг. 15а - представлена схема формирования двух зон видения при активном режиме работы пространственной маски согласно изобретению;FIG. 15a is a diagram of the formation of two zones of vision in the active mode of operation of the spatial mask according to the invention;
Фиг.15b - представлена схема формирования двух зон видения при активном режиме работы пространственной маски, при смещении положения глаз водителя транспортного средства согласно изобретению;Fig. 15b is a diagram of the formation of two zones of vision in the active mode of operation of the spatial mask, when the position of the eyes of the driver of the vehicle according to the invention is shifted;
Фиг.16а - представлена примерная блок-схема модуля формирования многовидового изображения с одним дисплеем при активном режиме работы согласно изобретению;16a is an exemplary block diagram of a single display multi-view imaging unit in an active mode of operation according to the invention;
Фиг.16b - представлена примерная блок-схема модуля формирования многовидового изображения с модулем изображения на основе LBS при активном режиме работы согласно изобретению;16b is an exemplary block diagram of a multi-view imaging unit with an LBS-based imaging unit in an active mode of operation according to the invention;
Фиг.16с - представлена схема пространственной маски, функционирующая в активном режиме согласно изобретению;Fig. 16c is a schematic diagram of a spatial mask operating in an active mode according to the invention;
Фиг.17а - представлена схема стандартной системы формирования изображения на основе волновода с одним дисплеем с одной длиной волны излучения;17a is a schematic diagram of a conventional waveguide-based imaging system with a single display with a single wavelength of radiation;
Фиг.17b - представлена схема стандартной системы формирования изображения на основе двух дисплеев с разными длинами волн;17b is a schematic diagram of a conventional dual display imaging system with different wavelengths;
Фиг.17с - представлена схема HUD устройства в соответствии с настоящим изобретением;Fig. 17c is a schematic diagram of a HUD device in accordance with the present invention;
Фиг.18а - представлена схема HUD устройства с двумя дисплеями в соответствии с настоящим изобретением;FIG. 18a is a schematic diagram of a dual display HUD device in accordance with the present invention; FIG.
Фиг.18b - представлена схема формирования лучей в конфигурации HUD устройства согласно фиг.18а и представлены изображения, воспроизводимые на сетчатке левого и правого глаза;Fig. 18b is a diagram of beamforming in the HUD configuration of the device according to Fig. 18a and shows images reproduced on the retina of the left and right eyes;
Фиг.19а - представлена схема компактного устройства на основании HUD устройства согласно изобретению с использованием складываемого объединителя луча;19a is a schematic diagram of a compact HUD-based device according to the invention using a collapsible beam combiner;
Фиг.19b - представлена схема компактного устройства на основании HUD устройства согласно изобретению с использованием объединителя луча с функцией перенаправления луча;19b is a schematic diagram of a compact HUD-based device according to the invention using a beam combiner with a beam redirecting function;
Фиг.20 - представлена схема очков дополненной реальности на основании HUD устройства.Fig. 20 is a diagram of augmented reality glasses based on the HUD of the device.
Предпочтительные варианты осуществления изобретенияPreferred Embodiments of the Invention
Примеры вариантов осуществления настоящего раскрытия будут подробно описаны ниже. Примеры вариантов осуществления были проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, на которых одинаковые или подобные ссылочные позиции относятся к одинаковым или подобным элементам или элементам, имеющим одинаковые или подобные функции. Примерные варианты осуществления, описанные со ссылкой на прилагаемые чертежи, являются иллюстративными, используются только для объяснения настоящего раскрытия и не должны рассматриваться как какие-либо ограничения к нему. Examples of embodiments of the present disclosure will be described in detail below. Examples of embodiments have been illustrated in the accompanying drawings, in which like or similar reference numbers refer to the same or similar elements or elements having the same or similar functions. The exemplary embodiments described with reference to the accompanying drawings are illustrative, used only to explain the present disclosure and should not be construed as any limitation thereto.
При этом авторы изобретения для обеспечения компактности устройства дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования 3D изображения(далее, как HUD устройство) интегрировали в конструкцию дисплея волновод, а для обеспечения формирования 3D изображения использовали технологию стереовывода, что предусматривает формирование отдельных изображений для левого и правого глаза, и благодаря эффекту параллакса конечное изображение получается объемным и может быть сформирована на различных дистанциях от пользователя. At the same time, the authors of the invention, to ensure the compactness of the augmented reality device with multiplying the exit pupil and with the possibility of forming a 3D image (hereinafter, as a HUD device), integrated a waveguide into the display structure, and to ensure the formation of a 3D image, they used the technology of stereo output, which provides for the formation of separate images for the left and the right eye, and due to the parallax effect, the final image is three-dimensional and can be formed at various distances from the user.
При этом модуль формирования многовидового устройства, выполненный согласно изобретения в комбинации с волноводом обеспечивают формирование изображения дополненной реальности, а уникальная конструкция модуля формирования зон видения выходного зрачка, предложенная авторами настоящего изобретения, обеспечивает вывод различных изображений в соответствующие зоны видения с формированием 3D изображения. The module for generating a multi-view device, made according to the invention in combination with a waveguide, provides for the formation of an augmented reality image, and the unique design of the module for generating vision zones of the exit pupil, proposed by the authors of the present invention, provides output of various images to the corresponding vision zones with the formation of a 3D image.
В рамках настоящего изобретения будут использоваться следующие понятия и термины, толкование которых предоставляется ниже авторами изобретения:Within the framework of the present invention, the following concepts and terms will be used, the interpretation of which is provided below by the inventors:
Вид - единичное двумерное изображение многовидового изображения, соответствующее определенному ракурсу, которое генерируется в модуле формирования многовидового изображения (PGU - picture generation unit) для наблюдения в соответствующей зоне видения. View - a single two-dimensional image of a multi-view image corresponding to a certain angle, which is generated in a multi-view imaging unit (PGU - picture generation unit) for observation in the corresponding area of vision.
Зона видения - это область в плоскости выходного зрачка (eyebox) в которой наблюдается изображение, соответствующее виду. В рамках настоящего изобретения зоны видения формируются как изображение пространственной маски в области выходного зрачка, которое формируется линзовым растром, при этом количество источников излучения сформированных в модуле генерации изображения видов, используемых в HUD устройстве, определяет количество зон видения. The field of view is the area in the plane of the exit pupil (eyebox) in which the image corresponding to the view is observed. Within the framework of the present invention, the vision areas are formed as a spatial mask image in the exit pupil region, which is formed by the lens raster, and the number of radiation sources formed in the image generation unit of the views used in the HUD device determines the number of the vision areas.
Выходной зрачок - это объем пространства, в котором наблюдается виртуальное изображение. The exit pupil is the amount of space in which the virtual image is observed.
Размножение выходного зрачка - увеличение размеров выходного зрачка (посредством внедрения в оптическую систему волноводов с возможностью ввода, распространения излучения внутри и постепенного вывода с помощью дифракционных, голографических элементов или полупрозрачных зеркал). Exit pupil multiplication - increasing the size of the exit pupil (by introducing waveguides into the optical system with the possibility of input, propagation of radiation inside and gradual output using diffractive, holographic elements or semitransparent mirrors).
Многовидовое изображение - это объемное изображение, сформированное из множества видов разных ракурсов. В рамках настоящего изобретения термины «многовидовое изображение» и «трехмерное изображение (далее, как 3D изображения)» являются взаимозаменяемыми. A multi-view image is a three-dimensional image formed from many views of different angles. Within the framework of the present invention, the terms "multi-view" and "three-dimensional image (hereinafter referred to as 3D images)" are used interchangeably.
Плоскость виртуального изображения - это плоскость в которой формируются два плоских изображения, т.е. стереопара. The plane of the virtual image is the plane in which two plane images are formed, i.e. stereo pair.
Стереопара - пара двумерных изображений одного и того же объекта отображающих вид этого объекта с разных позиций наблюдения этого объекта. Stereopair - a pair of two-dimensional images of the same object displaying the view of this object from different viewing positions of this object.
Дополненная реальность (AR) рассматривается, как технология, с помощью которой виртуальные объекты могут быть наложены на реальную сцену, а виртуальная информация может быть применена к реальному миру, так что реальная сцена и виртуальные объекты накладываются в одно изображение или пространство в реальном времени, и могут быть просмотрены наблюдателем, тем самым обеспечивая иммерсивный опыт дополненной реальности. Augmented reality (AR) is seen as a technology by which virtual objects can be superimposed on a real scene, and virtual information can be applied to the real world, so that the real scene and virtual objects are superimposed into one image or space in real time, and can be viewed by an observer, thereby providing an immersive augmented reality experience.
Из уровня техники известны различающиеся по принципу действия способы формирования и наблюдения стереоскопических изображений, в частности поляризационный способ, способ анаглифов, голографические способы, способ создания и последующего объединения оптическими методами двух отдельных, предназначенных для левого и правого глаз, изображений, способ, основанный на применении оптических цилиндрических растров. Эти способы позволяют воспроизводить и наблюдать стереоскопические изображения, однако каждому из них присущи определенные недостатки, ограничивающие их широкое практическое использование.From the prior art, methods of forming and observing stereoscopic images differing in principle of operation are known, in particular a polarization method, an anaglyph method, holographic methods, a method for creating and then combining by optical methods two separate images intended for the left and right eyes, a method based on the use of optical cylindrical rasters. These methods make it possible to reproduce and observe stereoscopic images, however, each of them has certain disadvantages that limit their widespread practical use.
Заявленное изобретение основано на способе формирования двух отдельных изображений для левого и правого глаза и, благодаря эффекту параллакса, формирования объемного(3D) изображения для наблюдателя.The claimed invention is based on a method of forming two separate images for the left and right eyes and, due to the parallax effect, forming a volumetric (3D) image for the observer.
На фиг.1 представлена схема формирования стереоскопического изображения, используемая в изобретении, где иллюстрируется формирование стереопары - отдельных двумерных изображений для левого глаза (xL, yL, zL) и правого глаза (xR, yR, zR). Результирующее объемное изображение формируется на расстоянии D(м) от наблюдателя и может варьироваться в зависимости от координат вывода стереопары. Изображенная на фиг.1 «Стрелка» + значок «50м» - это объемное 3D изображение, которое видит водитель. Figure 1 shows a diagram of the formation of a stereoscopic image used in the invention, which illustrates the formation of a stereopair - separate two-dimensional images for the left eye (xL, yL, zL) and right eye (xR, yR, zR). The resulting volumetric image is formed at a distance D (m) from the observer and can vary depending on the coordinates of the stereopair output. Shown in figure 1 "Arrow" + icon "50m" is a three-dimensional 3D image that the driver sees.
3D изображение формируется с помощью технологии стереовывода, согласно которой разные плоские изображения формируются для левого и правого глаза, т.е. формируется стереопара. The 3D image is generated using stereo output technology, according to which different planar images are formed for the left and right eyes, i.e. a stereo pair is formed.
Плоскость виртуального изображения - это плоскость в которой формируются два плоских изображения, т.е. стереопара, в данном случае (50м+стрелка), для левого и правого глаза. Оптическая система HUD устройства формирует изображения стереопары в плоскости виртуального изображения.The plane of the virtual image is the plane in which two plane images are formed, i.e. stereopair, in this case (50m + arrow), for the left and right eyes. The optical system of the HUD of the device forms images of a stereo pair in the plane of the virtual image.
При наблюдении стереопары таким образом, чтобы каждый глаз воспринимал только изображение, предназначенное для него, возникает эффект наблюдения объемного 3D изображения.When observing a stereopair in such a way that each eye perceives only the image intended for it, the effect of observing a three-dimensional 3D image appears.
Положение 3D изображения возможно менять путем изменения изображений стереопар и их координат вывода в плоскости виртуального изображения. The position of the 3D image can be changed by changing the images of stereopairs and their output coordinates in the plane of the virtual image.
Заявленное устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка с возможностью формирования трехмерного изображения, в дальнейшем как HUD устройство, можно условно разделить на 3 основные части. Схематичное представление заявленного устройства представлено на фиг.2, где условно показан водитель автомобиля и сплошной линией условно обозначен капот и лобовое стекло, а пунктирной линией представлено распространение излучения, выходящего из заявленного HUD устройства. Излучение выходит из HUD устройства и отражается от лобового стекла в сторону глаз водителя (по пунктирной линии). Водитель в это время смотрит сквозь лобовое стекло и наблюдает изображение дороги+виртуальное изображение, т.е. формируемое HUD устройством, 3D изображение.The claimed augmented reality device with exit pupil multiplication with the ability to form a three-dimensional image, hereinafter referred to as a HUD device, can be conditionally divided into 3 main parts. A schematic representation of the claimed device is shown in Fig. 2, where the driver of the car is schematically shown and the solid line symbolically indicates the hood and windshield, and the dashed line represents the propagation of radiation coming out of the declared HUD device. Radiation exits the device's HUD and reflects off the windshield towards the driver's eyes (along the dashed line). At this time, the driver looks through the windshield and observes the image of the road + virtual image, i.e. generated by HUD device, 3D image.
Устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения содержит модуль 1 формирования многовидового изображения (PGU - picture generation unit), выполненный с возможностью формирования изображения по меньшей мере двух видов или картин изображения, т.е. видов V1, V2…Vn, при этом указанные виды имеют одинаковую величину поля зрения (FOV), но обладают отличительными характеристиками, например отличаются по длине волны излучения и/или состоянию поляризации, или также времени (t) формирования вида. Кроме того, заявленное устройство содержит волновод 2, осуществляющий размножение выходного зрачка модуля PGU, и формирование виртуального изображения на бесконечности и модуль 3 формирования зон видения в области выходного зрачка HUD устройства, включающий стек из по меньшей мере двух микролинзовых или микрозеркальных растров и пространственную маску (SM-spatial mask). При этом модуль 3 формирования зон видения в области выходного зрачка, обеспечивает телескопический ход лучей, выходящих из волновода 2 и сохраняет угловое распределение лучей, выходящих из волновода 2. При этом стек из двух микролинзовых растров используется в комбинации с пространственной маской, находящейся в оптически сопряженной плоскости выходного зрачка HUD устройства относительно второго линзового растра. При этом стек линзовых растров выполнен с возможностью сохранения углового направления лучей, а пространственная маска находится в сопряженной плоскости с областью выходного зрачка и фильтрует излучение таким образом, чтобы в области выходного зрачка формировались зоны видения V1, V2…Vn. Зоны видения в области выходного значка различаются по составу излучения соответствующего фильтрам пропускания в пространственной маске. При этом каждая зона видения обеспечивает обзор одного изображения, генерируемого модулем 1 формирования многовидового изображения.An augmented reality device with multiplying the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image comprises a multi-view image generating unit (PGU) 1 capable of forming an image of at least two types or pictures of an image, i.e. species V 1 , V 2 ... V n , while these species have the same field of view (FOV), but have distinctive characteristics, for example, differ in the wavelength of radiation and / or the state of polarization, or also the time (t) of the formation of the species. In addition, the claimed device contains a
Модуль 1 формирования многовидового изображения (далее, как модуль PGU) выполнен с возможностью формирования многовидового изображения, и формирования выходного зрачка, содержащего указанное многовидовое изображение. Указанный модуль PGU схематично представлен на фиг.3 и содержит по меньшей мере два источника излучения, объединитель излучения, источник изображения и проекционную оптику. Как уже указывалось ранее модуль генерации многовидового изображения выполнен с возможностью формирования по меньшей мере двух изображений, при этом сформированные изображения имеют одинаковую величину поля зрения (FOV), но обладают отличительными характеристиками, например, отличаются по длине волны излучения и/или состоянию поляризации, или также времени (t) формирования изображения. The multi-view imaging unit 1 (hereinafter referred to as the PGU unit) is configured to form a multi-view image, and form an exit pupil containing said multi-view image. The specified module PGU is schematically shown in figure 3 and contains at least two radiation sources, a radiation combiner, an image source and projection optics. As mentioned earlier, the multi-view image generating unit is configured to generate at least two images, wherein the generated images have the same field of view (FOV), but have distinctive characteristics, for example, differ in the radiation wavelength and / or polarization state, or also the time (t) of image formation.
Модуль формирования многовидового изображения (модуль PGU) вместе с волноводом обеспечивают формирование виртуального изображения дополненной реальности. A multi-view imaging unit (PGU unit) together with a waveguide provide a virtual augmented reality image.
Источники излучения, в случае наличие двух или более в конфигурации модуля PGU 1, выполнены с возможностью испускания света как на одной длине волны, так и на отличающихся длинах волн, например, RGB излучение в диапазонах 450-480 нм, 510-540 нм, 610-650 нм, соответственно. При этом указанные примеры длин волн, на которых работает модуль PGU, не ограничивается данными диапазонами, а представлены как примеры. Источники излучения представляют собой светодиоды, лазерные диоды, лампы накаливания.Sources of radiation, in the case of the presence of two or more in the configuration of the
Объединитель излучения выполнен с возможностью смешивания и объединения излучения от разных источников излучения и вывода смешанного излучения на источник изображения. Объединитель излучения представляет собой дихроичное зеркало или многоканальную оптику, например, волноводный объединитель.The radiation combiner is made with the possibility of mixing and combining radiation from different radiation sources and outputting the mixed radiation to the image source. The radiation combiner is a dichroic mirror or multichannel optics, for example, a waveguide combiner.
Источник изображения представляет собой дисплей (LCOS, DMD) или MEMS сканирующую систему, обеспечивающий отображение информации, а именно вывод текстовой и/или графической информации.The source of the image is a display (LCOS, DMD) or MEMS scanning system that provides information display, namely the output of text and / or graphic information.
Проекционная оптика представляет собой оптический блок, состоящий из по меньшей мере одной или более из: линз, зеркал, поляризационных пластинок, и обеспечивающая преобразование пространственного изображения в угловое изображение в одном и том же поле зрения (FOV) в волновод 2 (W-waveguide). Projection optics is an optical unit consisting of at least one or more of: lenses, mirrors, polarizing plates, and providing the transformation of a spatial image into an angular image in the same field of view (FOV) into a waveguide 2 (W-waveguide) ...
Таким образом основной функцией модуля PGU 1 является совмещение, объединение излучения соответствующего каждой зоне видения, пропускание его через проекционную оптику, введение указанного излучения в волновод.Thus, the main function of the
Схема формирования изображения выходного зрачка посредством модуля 3 формирования зон видения в области выходного зрачка и волновода будет описана со ссылкой на фиг.4.An exit pupil imaging circuit by the exit pupil and waveguide vision
Модуль 3 формирования зон видения выходного зрачка состоит из по меньшей мере двух линзовых растров, обозначенных, как LA1, LA2 на фиг.4. Каждый из указанных растров LА 1 и LА 2 состоит из множества цилиндрических линз или сферических линз. При этом первый микролинзовый растр LА1 выполнен с возможностью преобразования углового распределения виртуального изображения, получаемого из волновода 2 в пространственное изображение и ввода его в пространственную маску, обозначенную, как SM на фиг.4. При этом LА2 выполнен с возможностью преобразования пространственного изображения в угловое. При этом микролинзовые растры LА1 и LА2, вместе обеспечивают сохранение угловых направлений изображений, при одновременной фильтрации излучения по длине волны и/или состоянию поляризации, выполняемой в пространственной маске (SM).The
Пространственная маска (SM) согласно варианту изобретения, представляет собой тонкий слой поглощающего материала с пропускающими излучение зонами, посредством которой изображение, поступаемое из модуля PGU, сформированное по меньшей мере двумя источником излучения и размноженное в волноводе 2 фильтруется по длине волны и/или состоянию поляризации излучения. При этом пространственная маска выполнена с возможностью фильтрации изображений по положению видов в плоскости выходного зрачка с учетом длин волн и состояния поляризации излучения, которое испускаются источниками излучения в модуле PGU.A spatial mask (SM) according to an embodiment of the invention is a thin layer of absorbing material with radiation-transmitting zones, whereby the image coming from the PGU, formed by at least two radiation sources and multiplied in the
Волновод 2 представлен на фиг.2 и обозначен ссылочной позицией 2W. При этом волновод выполнен с возможностью размножения выходного зрачка и формирования виртуального изображения на бесконечности волновод 2 (W) обеспечивает размножение зрачка с помощью двух одномерных размножений, т.е. сначала по Х, а потом по Y, или с помощью одного двумерного размножения, т.е. одновременно по Х и по Y и выполнен с возможностью ввода, переноса и вывода размноженного изображения выходного зрачка, сформированного модулем PGU 1.
Размноженные изображения при выходе из модуля 3 формирования зон видения в области выходного зрачка поступают в плоскость выходного зрачка устройства дополненной реальности с размножением выходного зрачка с возможностью формирования трехмерного изображения (HUD устройства), где формируется стереоизображение, которое наблюдается водителем транспортного средства или любым другим пользователем. Таким образом модуль 3 формирования зон видения в области выходного зрачка формирует 3D изображение, путем вывода различных изображений в соответствующие зоны видения.The multiplied images at the exit from the
На фиг.5 представлена схема формирования изображения в плоскости выходного зрачка.Figure 5 shows a diagram of image formation in the plane of the exit pupil.
Как уже указывалось выше, волновод 2W обеспечивает размножение выходного зрачка и на выходе его получаем смешанные лучи, которые соответствуют смешанным между собой изображениям для правого и левого глаза, сформированным модулем PGU 1. Далее расположены линзовые растры LA1 и LA2, линзовые растры имеют такие фокусные расстояния, чтобы обеспечивать телескопический ход лучей и формировать виртуальное изображение на бесконечности. Таким образом, два линзовых растра LA1+LA2, по сути представляют собой телескопическую систему, обеспечивающую формирование изображение на бесконечности. При этом линзовые растры LA1, LA2 выполнены из совокупности микролинз (цилиндрических или сферических) последовательно расположенных по горизонтали, т.е. в данном случае по оси совпадающей с расположением глаз пользователя транспортного средства. При этом первый линзовый растр LA1 фокусирует излучение в передней фокальной плоскости второго линзового растра LA2. Между LA1 и LA2 расположена пространственная маска SM, которая расположена в плоскости оптически сопряженной с плоскостью выходного зрачка. Линзовый растр LA2 переносит изображение маски SM в плоскость выходного зрачка. При этом маска SM выполнена таким образом, чтобы в области выходного зрачка сформировать зоны видения в области выходного зрачка. В зонах видения изображение отличается по своему составу спектральному или поляризационному. As already mentioned above, the 2W waveguide ensures the multiplication of the exit pupil and at its output we obtain mixed rays, which correspond to the mixed images for the right and left eyes, formed by the
При этом пространственная маска (SM) согласно изобретению, выполнена с возможностью функционирования в активном или пассивном режиме.In this case, the spatial mask (SM) according to the invention is configured to operate in an active or passive mode.
При активном режиме функционирования пространственной маски SM обеспечивается поочередное воспроизведение изображение для каждого глаза в соответствие c временем t. With the active mode of operation of the spatial mask SM, alternate reproduction of the image for each eye is provided in accordance with the time t.
Для пассивного режима функционирования пространственной маски SM предусматривается формирование одновременно нескольких зон видения в области выходного зрачка для этого авторы изобретения включают в модуль PGU по меньшей мере два источника изображения для формирования соответствующих зон видения. При этом каждый источник изображения формирует изображение с определенной длиной волны, или состоянием поляризации, отличающейся от другого источника изображения в модуле PGU. При этом для каждой зоны видения соответствует свое изображение, отличающееся по длине волны или состоянию поляризации. При движении транспортного средства положение глаз водителя смещается и в глаза попадает соответствующее изображение.For the passive mode of operation of the spatial mask SM, simultaneous formation of several zones of vision in the area of the exit pupil is envisaged. For this purpose, the inventors include in the PGU at least two image sources to form the corresponding zones of vision. In this case, each image source forms an image with a certain wavelength, or polarization state, different from another image source in the PGU. At the same time, for each zone of vision, its own image corresponds, which differs in wavelength or state of polarization. When the vehicle moves, the position of the driver's eyes shifts and the corresponding image enters the eyes.
На фиг.6 представлена схема формирования изображения при пассивном режиме функционирования пространственной маски.Figure 6 shows a diagram of image formation in the passive mode of operation of the spatial mask.
Таким образом, при пассивном режиме функционирования маски модуль PGU 1 формирует по меньшей мере 2 вида, отличающихся по своему спектральному составу или по состоянию поляризации, а при активном режиме пространственной маски модуль PGU формирует по меньшей мере 2 вида, разнесенные во времени t.Thus, in the passive mode of operation of the mask, the
Таким образом, модуль PGU 1 содержит по меньшей мере один источник излучения и по меньшей мере один источник изображения.Thus, the
При этом в предпочтительном варианте осуществления, т.е. при пассивном режиме функционирования маски SM, модуль PGU 1 содержит 2 или более источников излучения и один 1 или более источников изображения (на фиг.6 условно представлен один источник излучения и один источник изображения), т.е. в этом случае одному источнику изображения соответствует 2 или более источников излучения. В данном случае источник изображения формирует различные изображения для каждого вида с некоторой частотой, и источники излучения поочередно подсвечивают источник изображения, например, дисплей. В этом случае фильтры на маске SM остаются неизменными во времени.Moreover, in a preferred embodiment, i. E. in the passive mode of operation of the SM mask, the
Таким образом в модуле PGU 1 происходит формирование по меньшей мере двух изображений для правого и левого глаза, отличающихся по длине волны, которые формируют соответствующие виды (V1, V2… Vn) для зон видения в области выходного зрачка 4. Излучение из источника изображения проходит через проекционную оптику и попадает в волновод 2 , который состоит из плоской подложки со встроенной в нее элементом ввода, элементом вывода и расширителем, выполненными в виде дифракционных элементов, например дифракционных решеток. При этом волновод выполнен с возможностью размножения зрачка по одной оси Х и по двум осям Х и Y, как уже было описано ранее. Таким образом в волноводе обеспечивается ввод изображения, распространение изображения внутри волновода и вывод изображения, формируемого в модуле PGU 1. Более детально описание волновода будет описано со ссылками на фиг.8а-8с.Thus, in the
Далее изображение попадает в модуль 3 формирования зон видения в области выходного зрачка, который обеспечивает телескопический ход лучей, выходящих из волновода 2 и сохраняет угловое распределение лучей, выходящих из волновода 2. При этом модуль 3 формирования зон видения в области выходного зрачка состоит из стека из двух микролинзовых растров (LA1+LA2) (количество растров 2 представлено в качестве неограничивающего примера реализации изобретения) и используется в комбинации с пространственной маской (SM), находящейся в оптически сопряженной плоскости выходного зрачка HUD устройства относительно второго линзового растра LA2. Next, the image enters the
Следует отметить, что количество растров в стеке, входящего в состав модуля 3 формирования зон видения области выходного зрачка может быть увеличено и быть более двух растров, что обусловлено требованием увеличением поля зрения оптической системы и необходимостью обеспечения коррекции оптических аберраций. It should be noted that the number of rasters in the stack included in the
Пространственная маска SM представляет собой тонкий слой поглощающего материала с встроенными в него чередующимися сегментами дихроичных фильтров, каждый из которых пропускает излучение с заданной длиной волны соответствующей длине волны источника излучения, входящего в конфигурацию модуля PGU, и соответствующей зоне видения. При этом стек линзовых растров выполнен с возможностью сохранения углового направления лучей, а пространственная маска находится в сопряженной плоскости с областью выходного зрачка и фильтрует излучение таким образом, чтобы в области выходного зрачка формировались зоны видения V1, V2...Vn. При этом в плоскости расположения лобового стекло автомобиля происходит отражение излучения после модуля 3 формирования зон видения в плоскость выходного зрачка 4. Зоны видения V1, V2…Vn в области выходного значка 4 различаются по составу излучения соответствующего дихроичным фильтрам пропускания в пространственной маске. При этом каждая зона видения обеспечивает обзор одного изображения, генерируемого модулем 1 формирования многовидового изображения (модулем PGU). Spatial mask SM is a thin layer of absorbing material with built-in alternating segments of dichroic filters, each of which transmits radiation with a given wavelength corresponding to the wavelength of the radiation source included in the configuration of the PGU and the corresponding vision zone. In this case, the stack of lens rasters is made with the ability to preserve the angular direction of the rays, and the spatial mask is in the conjugate plane with the area of the exit pupil and filters the radiation so that the vision zones V 1 , V 2 ... V n are formed in the area of the exit pupil. In this case, in the plane of the vehicle windshield, radiation is reflected after the
Модуль 1 формирования многовидового изображения (модуль PGU 1) содержит по меньшей мере один источник изображения. При этом количество источников изображения может включать 1, 2… n источников изображения. Каждый источник изображения содержит свое изображение для каждого вида из V1…Vn и работает на определенной длине волны λ1, λ2, λ3… λn, которые соответствуют свое зоне видения в области выходного зрачка 4.The multi-view imaging unit 1 (PGU 1) contains at least one image source. In this case, the number of image sources can include 1, 2 ... n image sources. Each image source contains its own image for each type of V 1 ... V n and operates at a certain wavelength λ 1, λ 2, λ 3 ... λ n , which correspond to their zone of vision in the region of the
Многовидовое изображение формируется в модуле PGU 1 посредством объединения изображений от различных источников изображения, например 1, 2…n, каждый, работающий на определенной длине волны λ1, λ2, λ3… λn. При этом каждый источник изображения снабжен соответствующим сканирующим зеркалом M1, M2 и Mn. A multi-view image is formed in the
При этом спектр отражения зеркала M1 соответствует спектру излучения источника излучения λ1, и отражает свет только с длиной волны λ1 (см. фиг.7а) который соответствует зоне видения V1 в области выходного зрачка, а спектр отражения зеркала Mn соответствует спектру излучения источника излучения с длиной волны λn (см. фиг.7а), и отражает свет только с длиной волны λ n, который соответствует зоне видения Vn. На графике, представленном на фиг.7b, иллюстрируется зависимость коэффициента отражения зеркала M1 в зависимости от длины волны λ1 излучения, испускаемого источником излучения 1.In this case, the reflection spectrum of the mirror M1 corresponds to the radiation spectrum of the radiation source λ1, and reflects light only with a wavelength λ1(see Fig. 7a) which corresponds to the field of vision V1in the area of the exit pupil, and the reflection spectrum of the mirror Mn corresponds to the emission spectrum of a radiation source with a wavelength λn(see fig. 7a), and reflects light only with a wavelength λn, which corresponds to the field of vision Vn.The graph shown in Fig. 7b illustrates the dependence of the reflectance of the mirror M1 as a function of the wavelength λ1 radiation emitted by a
Пространственная маска(SM), как уже указывалось, выполнена с возможностью пропускания излучения в соответствии с количеством n видов. Пространственная маска SM согласно варианту изобретения, представляет собой тонкий слой поглощающего материала с встроенными в него чередующимися сегментами дихроичных фильтров, каждый из которых пропускает излучение с заданной длиной волны соответствующей длине волны источника излучения, входящего в конфигурацию модуля PGU, и соответствующей зоне видения. Все виды формируются в одном и том же поле зрения, но затем разделяются по спектральному составу в пространстве и формируют зоны видения в области выходного зрачка. The spatial mask (SM), as already mentioned, is configured to transmit radiation in accordance with the number n of types. The spatial mask SM according to an embodiment of the invention is a thin layer of absorbing material with built-in alternating segments of dichroic filters, each of which transmits radiation with a given wavelength corresponding to the wavelength of the radiation source included in the configuration of the PGU and the corresponding vision zone. All species are formed in the same field of view, but then they are separated by spectral composition in space and form zones of vision in the area of the exit pupil.
Модуль PGU 1 выполнен с возможностью функционирования в нескольких режимах, которые будут описаны далее. The
1) В предпочтительно варианте осуществления изобретения модуль PGU 1 выполнен с возможностью формирования многовидового изображения, посредством комбинирования n изображений с одним полем зрения (FoV), но отличающихся по длине волны, например λ1, λ2, λ3… λn, и при этом используется пространственная маска SM, в которой осуществляется фильтрация излучения по соответствующим длинам волн для формирования одновременно зон видения в области выходного зрачка, при этом изображения в зонах видения отличаются по длинам волн 1) In a preferred embodiment of the invention, the
2) Модуль PGU 1 обеспечивает формирование стереоизображения, посредством формирования только двух изображений в двух зонах видения, посредством двух источников изображения, но для того, чтобы при движении глаз, обеспечивалась наблюдение изображений левым и правым глазом, осуществляется смещение пространственной маски SM по горизонтальной оси, т.е. по оси X, за счет чего обеспечивается поочередный вывод изображения с одним спектральным составом или состоянием поляризации для правого и левого глаза. 2) The
3) Модуль PGU 1 выполнен с возможностью формирования многовидового изображения, посредством комбинирования n изображений с одним полем зрения (FoV), но отличающихся по состоянию поляризации, например, линейной P поляризации или S поляризации, а также правосторонней циркулярной поляризации (RHCP) или левосторонней циркулярной поляризации(LHCP).3) The
4) Модуль PGU 1 обеспечивает формирование стереоизображения посредством формирования одного изображения посредством одного источника изображения с одним спектральным составом или состоянием поляризации и обеспечения регулировки функционирования пространственной маски таким образом, чтобы обеспечивать поочередное воспроизведение изображение для правого и левого глаза (активный режим функционирования пространственной маски SM).4) The
Далее со ссылками на фиг. 8а-8с будет описан волновод 2 согласно изобретению.Next, referring to FIG. 8a-8c, a
Волновод представляет собой тонкую плоскую подложку со встроенной в нее элементом ввода, элементом вывода и расширителем, в виде дифракционных элементов, например, дифракционных решеток, голографических оптических элементов, полупрозрачных зеркал. При этом волновод выполнен с возможностью размножения зрачка по одной оси, например, оси Х, а потом по другой оси Y (см. фиг.7а) и по одновременно двум осям Х и Y, (см. фиг.7b), как уже было описано ранее. При этом со ссылкой на фиг.8а элемент ввода выполнен с возможностью введения излучения в волновод с заданным углом излучения, расширитель или размножитель выполнен с возможностью размножения введенного излучения внутри волновода по одной оси, например X и перенаправления излучения в область элемента вывода, а элемент вывода выполнен с возможностью размножения излучения по другой оси, например Y и осуществляется вывод излучения из волновода. Согласно фиг.8b представлена схема волновода, в котором размножение зрачка выполняется не поочередно по осям, а одновременно по двум осям. В данном случае элемент ввода выполнен с возможностью введения излучения в волновод с заданным углом излучения. Расширитель и элемент вывода объединены в один дифракционный элемент, который одновременно размножает излучение по двум осям Xи Y и выводит из волновода излучение c заданным углом излучения.A waveguide is a thin flat substrate with an input element, an output element and an expander built into it, in the form of diffractive elements, for example, diffraction gratings, holographic optical elements, and semitransparent mirrors. In this case, the waveguide is made with the possibility of multiplying the pupil along one axis, for example, the X axis, and then along the other Y axis (see Fig. 7a) and simultaneously along two axes X and Y, (see Fig. 7b), as it was already described earlier. In this case, with reference to Fig. 8a, the input element is configured to introduce radiation into the waveguide with a predetermined radiation angle, the expander or multiplier is configured to multiply the introduced radiation inside the waveguide along one axis, for example X and redirect radiation to the region of the output element, and the output element is configured to multiply radiation along another axis, for example Y, and the radiation is output from the waveguide. 8b shows a diagram of a waveguide in which the pupil propagation is performed not alternately along the axes, but simultaneously along two axes. In this case, the input element is configured to introduce radiation into the waveguide with a given radiation angle. The expander and the output element are combined into one diffractive element, which simultaneously multiplies radiation along two axes X and Y and outputs radiation with a given radiation angle from the waveguide.
При этом в изобретении для формирования 3-ех цветного изображения могут использоваться:At the same time, in the invention for the formation of a 3-color image, the following can be used:
a) комбинация из 3-ех волноводов, каждый для своего цвета, например R, G, B;a) a combination of 3 waveguides, each for its own color, for example R, G, B;
b) комбинация из 2-ух волноводов, с комбинированием цветов, например один волновод для B+G цветов и один для R цвета, или один для G+R цветов и один для B цвета;b) a combination of 2 waveguides, with a combination of colors, for example, one waveguide for B + G colors and one for R colors, or one for G + R colors and one for B colors;
c) 1 волновод с комбинированием цветов, например R+G+B; c) 1 waveguide with a combination of colors, for example R + G + B;
d) волновод выполнен в виде комбинации различных волноводов, каждый из которых предназначен для переноса одной угловой части общего изображения для одного из цветов R, G, B и/или комбинации цветов.d) the waveguide is made in the form of a combination of different waveguides, each of which is designed to transfer one corner of the overall image for one of the colors R, G, B and / or a combination of colors.
Элементы ввода и вывода - дифракционные голографические или полупрозрачные зеркала Input and output elements - diffractive holographic or semi-transparent mirrors
С помощью волновода, см.фиг.8с изображения проходят в одном и том же поле зрения FoV: α1…αm, где α1…αm - разброс углов направления излучения, и выводятся с формированием виртуального изображения на бесконечном расстоянии от пользователя в область выходного зрачка.With the help of a waveguide, see Fig. 8c, the images pass in the same field of view FoV: α1…αm,where α1…αm- the spread of the angles of the direction of radiation, and are displayed with the formation of a virtual image at an infinite distance from the user in the area of the exit pupil.
На фиг.9а схематично представлен график, показывающий зависимость коэффициента пропускания фильтра пространственной маски в зависимости от длины волны и схематично представлены соответствующие сегменты маски. Fig. 9a is a schematic graph showing the dependence of the transmittance of the spatial mask filter as a function of wavelength and schematically showing the corresponding mask segments.
Количество фильтров (F1,F2…Fn) в каждом сегменте маски соответствует количеству зон V1, V2…Vn в области выходного зрачка. При этом на графике под маской иллюстрируются кривые, соответствующие каждому сегменту маски, т.е. фильтру (F1,F2…Fn) с пропускающей способностью соответствующей длине волны λ1, λ2…λn. Таким образом, каждому дихроичному фильтру (F1,F2…Fn) пространственной маски соответствует источник изображения и соответствующая зона видения. При этом коэффициенты отражения зеркал M1,M2…. Mn (см. фиг.7а) для соответствующих длин волн λ1, λ2…λn равны коэффициентам пропускания фильтров F1,F2…Fn для соответствующих длин волн λ1, λ2…λn. The number of filters (F 1 , F 2 ... F n ) in each segment of the mask corresponds to the number of zones V 1 , V 2 ... V n in the area of the exit pupil. In this case, the graph under the mask illustrates the curves corresponding to each segment of the mask, i.e. filter (F 1 , F 2 ... F n ) with a transmission capacity corresponding to the wavelength λ 1 , λ 2 ... λ n. Thus, each dichroic filter (F 1 , F 2 ... F n ) of the spatial mask corresponds to an image source and a corresponding field of vision. In this case, the reflection coefficients of the mirrors M 1 , M 2 …. M n (see Fig. 7a) for the corresponding wavelengths λ 1 , λ 2 ... λ n are equal to the transmission coefficients of the filters F 1 , F 2 ... F n for the corresponding wavelengths λ 1 , λ 2 ... λ n.
При этом изображения видов V1, V2…. Vn отличаются друг от друга или например, если произвольно рассмотреть количество видов равное 6, тогда изображения видов V1, V2, V3 комбинируются для глаза 1, а изображения видов V4, V5, V6 комбинируются для глаза 2. И при перемещении транспортного средства, в каждом положении глаз водителя мы видим каждым глазом свое изображение.In this case, the images of the views V 1 , V 2 …. V n differ from each other, or for example, if we arbitrarily consider the number of views equal to 6, then the images of the views V 1 , V 2 , V 3 are combined for the
На фиг.9b представлена схема формирования видов в области выходного зрачка при работе пространственной маски в пассивном режиме. При этом при движении транспортного средства водитель будет наблюдать различные изображения одного и того же объекта отображающих виды 1…n этого объекта с разных позиций наблюдения этого объекта, т.е. стерео изображения или псевдо 3D изображения. При этом каждый сегмент с фильтром пространственной маски SM характеризуется соответствующей пропускающей способностью F излучения, настроенной на соответствующую длину волны λ, на которой работает соответствующий источник изображения (фиг.9а). Fig. 9b shows a diagram of the formation of views in the area of the exit pupil when the spatial mask is in passive mode. In this case, when the vehicle is moving, the driver will observe different images of the same
При этом продольный размер сегментов фильтров в пространственной маске определяется, как: In this case, the longitudinal size of the filter segments in the spatial mask is determined as:
W’EB = M x WEB (1)W ' EB = M x W EB (1)
гдеwhere
W’EB - представляет собой продольный размер в (мм) сегмента фильтров пространственной маски(SM),W ' EB - is the longitudinal dimension in (mm) of the spatial mask filter segment (SM),
WEB - представляет собой продольный размер в(мм) выходного зрачка HUD устройства,W EB - represents the longitudinal dimension in (mm) of the exit pupil of the HUD device,
M - представляет собой увеличение второго линзового растра. M - represents the magnification of the second lens raster.
Увеличение М второго линзового растра определяется, какThe magnification M of the second lenticular raster is defined as
M=-α'EB/αEB (2)M = -α ' EB / α EB (2)
гдеwhere
α'EB - представляет собой расстояние в (мм) от пространственной маски(SM) до линзового растра LA2,α ' EB - is the distance in (mm) from the spatial mask (SM) to the lens raster LA2,
αEB - представляет собой расстояние в (мм) от линзового растра LA2 до выходного зрачка HUD устройства.α EB is the distance in (mm) from the LA2 lens raster to the exit pupil of the HUD device.
При этом расстояние от пространственной маски(SM) до второго линзового растра LA2 определяется, как:In this case, the distance from the spatial mask (SM) to the second lens raster LA2 is determined as:
и and
где where
α'EB - представляет собой расстояние в (мм) от пространственной маски до второго линзового растра, α ' EB - is the distance in (mm) from the spatial mask to the second lens raster,
αEB - представляет собой расстояние в (мм) от второго линзового растра до выходного зрачка HUD,α EB - is the distance in (mm) from the second lens raster to the exit pupil of the HUD,
fLA2 - представляет собой фокусное расстояние в (мм) единичной линзы второго линзового растра LA2. f LA2 is the focal length in (mm) of a single lens of the second lens raster LA2.
Стек линзовых растров выполнен таким образом, что фокусные расстояния и положения линз в линзовых растрах LA1, LA2 подобраны таким образом, что формируется телескопический ход лучей, т.е. параллельные пучки лучей на входе и выходе из линзового растра и при этом обеспечивается формирование виртуального изображения на бесконечности. При этом совокупность линз в линзовом растре выбирается либо в виде лентикулярных линз, например цилиндрических линз либо набора сферических линз. Количество линз в линзовом растре может составлять от 1 до n линз. При этом количество линз в первом линзовом растре LA1 должно совпадать с количеством линз во втором линзовом растре LA2. Согласно одному варианту реализации цилиндрические линзы в линзовых растрах LA1 и LA2 располагаются по горизонтальной оси, совпадающей по оси с расположением глаз пользователя транспортного средства (см. фиг. 10а), на которой представлен модуль 3 формирования зон видения выходного зрачка, состоящий из двух линзовых растров, LA1, LA2 и пространственной маски SM. В данном случае обеспечивается формирование зон видения V1…Vn, распределенное только по одной оси. При такой конфигурации цилиндрических линз в растрах обеспечивается формирования зон видения только по одной оси. На фиг.10b схема модуля 3 формирования зон видения выходного зрачка, состоящая из двух линзовых растров, LA1, LA2 и пространственной маски SM. В данном варианте сферические линзы в линзовых растрах LA1, LA2 обеспечивают формирование зон видения V1…Vn по двум осям. The stack of lens rasters is made in such a way that the focal lengths and positions of the lenses in the lens rasters LA1, LA2 are selected in such a way that a telescopic beam path is formed, i.e. parallel beams of rays at the entrance and exit from the lens raster and thus provides the formation of a virtual image at infinity. In this case, the set of lenses in the lens raster is selected either in the form of lenticular lenses, for example, cylindrical lenses or a set of spherical lenses. The number of lenses in the lens raster can be from 1 to n lenses. In this case, the number of lenses in the first lens raster LA1 should coincide with the number of lenses in the second lens raster LA2. According to one embodiment, the cylindrical lenses in the lens rasters LA1 and LA2 are located along the horizontal axis, which coincides along the axis with the location of the eyes of the vehicle user (see Fig.10a), which shows the
Со ссылкой на фиг.11а и 11b будут представлены схемы прохождения лучей при прохождении через стек микролинзовых растров LA1 и LA2. Н фиг.11a и 11b условно показаны единичная линза первого растра LA1 и единичная линза второго растра LA2.With reference to FIGS. 11a and 11b, ray transmission patterns will be presented as they pass through the stack of microlens rasters LA1 and LA2. 11a and 11b schematically show a single lens of the first raster LA1 and a single lens of the second raster LA2.
Как уже указывалось ранее, линзовые растры LA1, LA2 подобраны таким образом, что обеспечивается телескопический ход лучей на входе и выходе оптической системы, при этом угловое увеличение, обеспечиваемое стеком линзовых растров MLA=fLA1/fLA2, As mentioned earlier, the lens rasters LA1, LA2 are selected in such a way that a telescopic path of the rays at the input and output of the optical system is provided, while the angular magnification provided by the lens rasters stack is M LA = f LA1 / f LA2,
гдеwhere
fLA1 - фокусное расстояние в (мм) единичной линзы в первом линзовом растре LA1;f LA1 is the focal length in (mm) of a single lens in the first lens raster LA1;
fLA2 - фокусное расстояние в (мм) единичной линзы во втором линзовом растре LA2.f LA2 is the focal length in (mm) of a single lens in the second lens raster LA2.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, согласно фиг. 11а, выполняются следующие условия:In a preferred embodiment of the invention, as shown in FIG. 11a, the following conditions are met:
1) fLA1=fLA2 1) f LA1 = f LA2
фокусные расстояния f линз, входящих в линзовые растры LA1 и LA2, равны, the focal lengths f of the lenses included in the lens rasters LA1 and LA2 are equal,
2) FoV1=FoV2 2) FoV 1 = FoV 2
поле зрения FoV1 на входе стека линзовых растров равно полю зрения FoV2 на выходе. the field of view FoV 1 at the input of the lens rasters stack is equal to the field of view of FoV 2 at the output.
3) MLA=1- угловое увеличение стека линзовых растров MLA=1,3) M LA = 1- angular magnification of the lens rasters stack M LA = 1,
4)DLA2eff˃DLA2, 4) D LA2eff ˃D LA2,
гдеwhere
DLA2eff - эффективный диаметр в (мм) единичной линзы из второго линзового растра LA2, т.е. апертура через которую излучение проходит без энергетических потерь,DLA2eff - effective diameter in (mm) of a single lens from the second lens raster LA2, i.e. aperture through which radiation passes without energy loss,
DLA2 - действительный диаметр (в мм) единичной линзы из второго линзового растра LA2.D LA2 - actual diameter (in mm) of a single lens from the second lens raster LA2.
И таким образом эффективный диаметр линз из второго линзового растра LA2 больше чем действительный диаметр линз из второго линзового растра LA2, что вызывает потери полезного излучения (см. фиг.11а).And thus, the effective lens diameter from the second lens raster LA2 is larger than the actual lens diameter from the second lens raster LA2, which causes the loss of useful radiation (see Fig. 11a).
Согласно другому варианту осуществления, как представлено на фиг. 11b, выполняются следующие условия:In another embodiment, as shown in FIG. 11b, the following conditions are met:
В предпочтительном варианте реализации изобретения, согласно фиг. 11b, выполняются следующие условия:In a preferred embodiment of the invention, as shown in FIG. 11b, the following conditions are met:
1) fLA1 ˃ fLA2 1) f LA1 ˃ f LA2
Т.е. фокусное расстояние f единичной линзы в первом и втором линзовых растрах LA1 и LA2, отличаются друг от друга, Those. the focal length f of a single lens in the first and second lens rasters LA1 and LA2 differ from each other,
2) FoV1 ˂ FoV2 2) FoV 1 ˂ FoV 2
поле зрения FoV1 на входе стека линзовых растров меньше поля зрения FoV2 на выходе. the field of view of FoV 1 at the entrance of the lens rasters stack is less than the field of view of FoV 2 at the exit.
3) MLA˃1- угловое увеличение стека линзовых растров больше 13) M LA ˃1- angular magnification of the lens rasters stack is greater than 1
4) DLA2eff˂DLA2,4) D LA2eff ˂D LA2 ,
гдеwhere
DLA2eff - эффективный диаметр (апертура)(мм) единичной линзы из второго линзового растра LA2, D LA2eff - effective diameter (aperture) (mm) of a single lens from the second lens raster LA2,
DLA2 - действительный диаметр (мм) единичной линзы из второго линзового растра LA2.D LA2 - actual diameter (mm) of a single lens from the second lens raster LA2.
И таким образом эффективный диаметр линз из второго линзового растра LA2 меньше чем действительный диаметр линз из второго линзового растра LA2, в этом случае отсутствуют энергетические потери в схеме (см. фиг.11b).And thus the effective diameter of the lenses from the second lens raster LA2 is less than the actual diameter of the lenses from the second lens raster LA2, in which case there is no energy loss in the circuit (see Fig. 11b).
Таким образом, эффективность HUD устройства может быть улучшена таким образом, что Thus, the performance of the device's HUD can be improved in such a way that
1) поле зрение F0V, в котором происходит вывод излучения из волновода 2, выбирается таким образом, чтобы оно было меньше конечного поля зрения, формируемого на выходе линзовых растров LA1, LA2;1) the field of view F 0 V, in which the radiation is output from the
2) подбор апертуры(DLA2eff) второго линзового растра LA2, выполняется таким образом, чтобы исключить возникновение полос на виртуальном изображении, для этого в плоскости пространственной маски SM возможно включение диффузора.2) the selection of the aperture (D LA2eff ) of the second lens raster LA2 is performed in such a way as to exclude the appearance of stripes in the virtual image; for this, a diffuser can be switched on in the plane of the spatial mask SM.
На фиг.12а и 12b представлены схемы прохождения излучения в модуле формирования зон видения выходного зрачка и волновода.Figures 12a and 12b show the diagrams of the passage of radiation in the module for forming the zones of vision of the exit pupil and the waveguide.
На фиг.12а представлены схемы прохождения излучения в модуле формирования зон видения выходного зрачка и волновода. Модуль формирования зон видения выходного зрачка, состоит из по меньшей мере двух линзовых растров, обозначенных, как LA1, LA2 (количество растров 2 представлено в качестве неограничивающего примера реализации изобретения). Каждый из указанных растров LА1 и LА2 состоит из множества цилиндрических линз или сферических линз. При этом fLA1-фокусное расстояние в (мм) линзы в первом линзовом растре LA1; fLA2-фокусное расстояние в (мм) единичной линзы во втором линзовом растре LA2. При этом первый микролинзовый растр LА1 выполнен с возможностью преобразования углового распределения виртуального изображения, получаемого из волновода (где на фиг.12а, tw-толщина в (мм) волновода и nw-показатель преломления волновода) в пространственное изображение и ввода его в пространственную маску, обозначенную, как SM. При этом LА2 выполнен с возможностью преобразования пространственного изображения в угловое. При этом микролинзовые растры LА1 и LА2, вместе обеспечивают сохранение угловых направлений изображений, при одновременной фильтрацию излучения по длине волны и/или состоянию поляризации, выполняемой в пространственной маске (SM). При этом следует отметить, что линзовый растр LA1 выполнен с возможностью встраивания его в элемент вывода волновода, и с возможностью обеспечения вывода излучения и фокусирования излучения на пространственной маске SM. Такая конфигурация обуславливает снижение размеров заявленного устройства при сохранении качества формируемого 3D изображения.Fig. 12a shows the diagrams of the passage of radiation in the module for forming the vision zones of the exit pupil and the waveguide. The module for the formation of zones of vision of the exit pupil, consists of at least two lens rasters, designated as LA1, LA2 (the number of
На фиг.12b представлен модуль формирования зон видения выходного зрачка, состоящий из двух линзовых растров, обозначенных, как LA1, LA2, пространственной маски SМ, и представлен волновод W. Первый линзовый растр LА1 представляет собой зеркальный растр, состоящий из множества зеркал. Второй линзовый растр LА 2 состоит из множества цилиндрических линз или сферических линз. При этом fLA2-фокусное расстояние (мм) единичной линзы во втором линзовом растре LA2; fLA1-фокусное расстояние (мм) единичного зеркала в первом линзовом растре LA1. При этом первый микролинзовый растр LА1 расположен под волноводом и излучение из волновода распространяется «вниз» в LA1, который выполнен с возможностью преобразования углового распределения виртуального изображения, получаемого из волновода в пространственное изображение и ввода его в пространственную маску, обозначенную, как SM. При этом LА2 выполнен с возможностью преобразования пространственного изображения в угловое. Как уже указывалось ранее12b shows a module for generating vision areas of the exit pupil, consisting of two lens rasters, designated as LA1, LA2, a spatial mask SM, and a waveguide W. The first lens raster LA1 is a mirror raster consisting of a plurality of mirrors. The second
При этом толщина волновода tw в (мм) равна фокусному расстоянию fLA1 единичного зеркала первого линзового растра. И если выполняется условие fLA1=tw/nw, где fLA1 представляет собой фокусное расстояние в(мм) единичной линзы первого линзового растра LA1, tw-толщина волновода в (мм) и nw-показатель преломления волновода, то толщина HUD устройства может значительно уменьшена, в данном случае на величину фокусного расстояния первого линзового растра LA1. Как уже описывалось ранее одним из режимов работы HUD устройства является формирование стереоизображения, посредством формирования только двух изображений в двух зонах видения, с помощью двух источников изображения, но для того, чтобы при движении глаз, обеспечивалась наблюдение изображений левым и правым глазом, осуществляется смещение пространственной маски SM по горизонтальной оси, т.е. по оси X, за счет чего обеспечивается поочередный вывод изображения с одним спектральным составом или состоянием поляризации для правого и левого глаза.In this case, the thickness of the waveguide tw in (mm) is equal to the focal length fLA1a single mirror of the first lenticular raster. And if the condition fLA1= tw/ nwwhere fLA1 is the focal length in (mm) of a single lens of the first lens raster LA1, tw-thickness of the waveguide in (mm) and nwis the refractive index of the waveguide, then the thickness of the HUD of the device can be significantly reduced, in this case by the value of the focal length of the first lens raster LA1. As already described earlier, one of the modes of operation of the HUD device is the formation of a stereo image, through the formation of only two images in two zones of vision, using two image sources, but in order to ensure that when the eyes move, the images are observed with the left and right eyes, the spatial SM masks along the horizontal axis, i.e. along the X-axis, thereby providing alternate output of the image with the same spectral composition or polarization state for the right and left eyes.
Более детально остановимся на особенностях данного режима работы HUD устройства со ссылкой на фиг. 13а и 13b, где представлены схемы формирования двух изображений в двух зонах видения E1 и E2.Let us dwell in more detail on the features of this mode of operation of the HUD device with reference to FIG. 13a and 13b, which are schematic diagrams of forming two images in two zones of vision E1 and E2.
На фиг.13а представлена схема формирования двух зон видения без смещения глаз водителя транспортного средства, где α'EB представляет собой расстояние (мм) от пространственной маски до второго линзового растра, On figa presents a diagram of the formation of two zones of vision without shifting the eyes of the driver of the vehicle, where α ' EB is the distance (mm) from the spatial mask to the second lens raster,
αEB представляет собой расстояние (мм) от второго линзового растра до выходного зрачка HUD, и fLA2 представляет собой фокусное расстояние(мм)единичной линзы второго линзового растра LA2.α EB is the distance (mm) from the second lens raster to the exit pupil of the HUD, and f LA2 is the focal length (mm) of the single lens of the second lens raster LA2.
Таким образом, увеличение M второго линзового растра определяется, как Thus, the magnification M of the second lens raster is defined as
M=-α'EB/αEB M = -α ' EB / α EB
На фиг.13b схема формирования двух зон видения при смещении глаз водителя транспортного средства, на пример на величину Δx в (мм), отслеживая смещение глаз водителя, например посредством детектора, сигнал от детектора поступает в блок управления, который в режиме реального времени рассчитывает необходимую величину смещения пространственной маски по оси X, как ΔxSM=M*Δx,In Fig. 13b, a diagram of the formation of two zones of vision when the eyes of the vehicle driver are displaced, for example, by the value Δx in (mm), while monitoring the displacement of the driver's eyes, for example, by means of a detector, the signal from the detector is fed to the control unit, which calculates the necessary the amount of displacement of the spatial mask along the X-axis, as Δx SM = M * Δx,
где M - увеличение второго линзового растра LA2,where M is the magnification of the second lens raster LA2,
Δx - смещение(мм) глаз водителя от опорного положения.Δx - displacement (mm) of the driver's eyes from the reference position.
При этом для регулирования ширины(профиля) зон видения E1, E2 предусмотрена возможность регулирования положения пространственной маски и по оси Z.At the same time, to adjust the width (profile) of the vision zones E1, E2, it is possible to adjust the position of the spatial mask along the Z axis as well.
И по сигналу от блока управления выполняется смещение маски SM посредством приводного устройства. And according to the signal from the control unit, the mask SM is shifted by the driving device.
На фиг.14а представлена блок схема модуля формирования многовидового изображения (модуль PGU), в котором предусмотрен один источник излучения, испускающий излучение как на одной длине волны, так и на отличающихся длинах волн. При этом испускание излучения осуществляется по сигналу от блока управления (не показан) в зависимости от выбранного режима работы HUD. И указанное излучение испускается на разных длинах волн одновременно или попеременно. Далее излучение проходит через проекционную оптику на светоразделительный куб, в данном случае поляризационный разделитель пучка (PBS), где излучение перенаправляется на источники изображения в виде Дисплея 1 и Дисплея 2 с возможностью формирования изображения двух видов или картин изображения, т.е. видов V1, V2, при этом указанные виды имеют одинаковую величину поля зрения (FOV), но обладают отличительными характеристиками, например отличаются по длине волны излучения или состоянию поляризации.14a is a block diagram of a multi-view imaging unit (PGU) in which a single radiation source is provided emitting radiation at both the same wavelength and different wavelengths. In this case, the emission of radiation is carried out by a signal from a control unit (not shown), depending on the selected operating mode of the HUD. And the specified radiation is emitted at different wavelengths simultaneously or alternately. Next, the radiation passes through the projection optics to a light separation cube, in this case a polarization beam splitter (PBS), where the radiation is redirected to image sources in the form of
На фиг.14а представлен вариант, на котором представлены две четвертьволновые поляризационные пластины QWP, расположенные перед отражающими дисплеями 1 и 2, соответственно, для обеспечения изображения, формируемого в источниках изображения с заданным состоянием поляризации, т.е. с линейной P поляризацией или S поляризацией. On figa presents a variant in which there are two quarter-wave polarizing plates QWP, located in front of
При этом Дисплей 1 и Дисплей 2 формируют изображения для правого и левого глаза, отличающиеся по состоянию поляризации, как показано на фиг. 14а или по длине волны. Полученные два изображения, одно с P-поляризацией, а другое с S-поляризацией, посредством проекционной оптики преобразуются из пространственных изображений в угловые изображения в одном и том же поле зрения (FOV)и через элемент ввода поступают в волновод W. Если в качестве источников изображения 1 и 2 используются LCoS дисплеи (LCoS-жидкие кристаллы на кремниевой основе) необходимо в качестве поляризатора использовать 2 поляризационных элемента, а именно четвертьволновую пластину(QWP) и полуволновую пластину (HWP). При этом QWP представляет собой четвертьволновую пластину, которая преобразует линейно-поляризованное излучение в циркулярное, HWP поворачивает состояние поляризации на 90 градусов.In this case, the
На фиг.14b представлена блок схема модуля формирования многовидового изображения (модуль PGU), в котором предусмотрен два или более источников излучения, например, лазерные светодиоды, испускающие излучение на одной длине волны, например, источник излучения 1 и источник излучения 2, которые испускают излучения одного цвета или многоцветное излучение. Источники излучения также могут представлять собой лампы, светодиоды(LED) или лазерные диоды (LD). При этом испускание излучения осуществляется по сигналу от блока управления (не показан) в зависимости от выбранного режима работы HUD. Излучение поступает на сканирующее зеркало 1 и сканирующее зеркало 2, функционирует поочередно, по сигналу от блока управления, при этом зеркала 1, 2 выполнены с возможностью вращения по двум осям Х и Y и обеспечивают формирование 2D изображения для правого и левого глаза, соответственно. Таким образом, сканирующие зеркала представляют собой источники изображения. При этом источник излучения и сканирующее зеркало образуют проектор, например, лазерный проектор (LBS проектор). Fig. 14b is a block diagram of a multi-view imaging unit (PGU module) in which two or more radiation sources are provided, for example, laser LEDs emitting radiation at the same wavelength, for example,
На фиг.14b под поляризатором понимается поляризационный элемент, способный пропускать излучение только с одной компонентой поляризации (линейную S, линейную P, правоциркулярную или левоциркулярную). In Fig. 14b, a polarizer is understood to mean a polarizing element capable of transmitting radiation with only one polarization component (linear S, linear P, right-hand or left-hand).
QWP представляет собой четвертьволновую пластину, которая преобразует линейно-поляризованное излучение в циркулярное. QWP is a quarter-wave plate that converts linearly polarized radiation into circular radiation.
Таким образом, источник изображения 1 в виде сканирующего зеркала 1 с источником излучения 1, образуют проектор 1, который формирует изображение для правого глаза, при этом изображение проходит через поляризатор, где линейно поляризуется, потом проходит через четвертьволновую пластину(QWP), где линейно-поляризованное изображение преобразуется в изображение с циркулярной поляризацией, например, с правосторонней циркулярной поляризаций (RHCP)и попадает в поляризационный разделитель пучка PBS. Источник изображения 2 в виде зеркала 2 с источником излучения 2 образуют проектор 2, который формирует изображение, например, для левого глаза, которое проходит через поляризатор и четвертьволновую пластину (QWP) и преобразуется в изображение, например, с левосторонней циркулярной поляризаций (LHCP)и далее попадает в поляризационный разделитель пучка (PBS). В PBS изображения с RHCP и LHCP поляризацией комбинируются и пройдя через проекционную оптику, где полученные два изображения, одно с RHCP-поляризацией, а другое с LHCP-поляризацией, преобразуются из пространственных изображений в угловые изображения в одном и том же поле зрения (FOV) и через элемент ввода поступают в волновод (W).Thus, the
Источники изображения представляют собой одно из: самоизлучающий дисплей с использованием микроскопических светодиодов в качестве подсветки (uLED), жидкокристаллический дисплей (LCD), жидкокристаллический дисплей отражательного типа (LCOS), цифровое микрозеркальное устройство для вывода изображения (DMD), устройство формирования изображения посредством сканирующих зеркал (LBS).Image sources are one of: self-emitting display using microscopic LEDs as backlight (uLED), liquid crystal display (LCD), reflective type liquid crystal display (LCOS), digital micromirror image display device (DMD), scanning mirror imaging device (LBS).
На фиг.15а представлена схема формирования двух зон видения при активном режиме работы пространственной маски, Fig. 15a shows a diagram of the formation of two zones of vision with an active mode of operation of the spatial mask,
Фиг.15b представлена схема формирования двух зон видения при активном режиме работы пространственной маски, при смещении положения глаз водителя транспортного средства. Fig. 15b shows a diagram of the formation of two zones of vision in the active mode of operation of the spatial mask, when the position of the eyes of the vehicle driver is shifted.
При активном режиме функционирования пространственной маски SM обеспечивается поочередное воспроизведение изображение для каждого глаза. Для работы в активном режиме необходимо обеспечить синхронизацию работы источника изображения, например, дисплея и пространственной маски SМ. В данном режиме работы достаточно одного источника изображения и одной проекционной оптики.With the active mode of operation of the spatial mask SM, alternate image reproduction for each eye is provided. To work in the active mode, it is necessary to ensure synchronization of the operation of the image source, for example, the display and the spatial mask SM. In this operating mode, one image source and one projection optics are sufficient.
При активном режиме работы модуль PGU 1 (не показан) обеспечивает формирование стереоизображения посредством формирования двух изображений посредством одного источника изображения с одним спектральным составом или одним состоянием поляризации. При этом работа маски регулируется таким образом, чтобы обеспечивать поочередное воспроизведение изображение для правого и левого глаза (Вид E1 и Вид E2) в области выходного зрачка. Таким образом, маска SM настроена на 2 режима работы, это вывод изображения в область левой зоны видения (Вид E1) и в область правой зоны видения (Вид E2) При этом частота смены картинки маски SM, т.е. частоты работы маски должна быть равна или быть близкой по значению с частотой смены кадров в дисплее модуля PGU при формировании изображения. In the active mode of operation, the PGU 1 (not shown) provides stereo imaging by generating two images using one image source with one spectral content or one polarization state. In this case, the operation of the mask is adjusted so as to provide alternate reproduction of the image for the right and left eyes (View E1 and View E2) in the area of the exit pupil. Thus, the SM mask is configured for 2 modes of operation, this is the output of the image to the region of the left vision zone (View E1) and to the region of the right vision zone (View E2). the frequency of the mask must be equal to or close in value to the frame rate in the display of the PGU during imaging.
Маска в данном случае представляет собой пространственный модулятор излучения, например, прозрачный ЖК-дисплей, на который выводится изображение маски, которое состоит из черно-белых полос. The mask in this case is a spatial radiation modulator, for example, a transparent LCD display, which displays the mask image, which consists of black and white stripes.
В том месте где полоса белая - маска пропускает излучение, где черная полоса- блокирует прохождение излучения. В данном случае маска работает как фильтр. При этом изображение маски (толщина и порядок полос) подбирается таким образом, чтобы в выходном зрачке устройства HUD была засвечена область только для одного глаза (правого или левого) - т.е. сформирована одна зона видения. In the place where the stripe is white, the mask transmits radiation, where the black stripe blocks the transmission of radiation. In this case, the mask acts as a filter. In this case, the mask image (the thickness and order of the stripes) is selected in such a way that the area for only one eye (right or left) is exposed in the exit pupil of the HUD device - i.e. one area of vision is formed.
Таким образом на маске генерируется две картинки маски - для засветки правого и левого глаза. Эти маски меняются поочередно. Таким образом, поочередно засвечиваются то одна зона видения - то другая с определенной частотой. Одновременно модулем PGU генерируется поочередно изображения для правого и левого глаз - с такой же частотой что и работает маска. Таким образом водитель транспортного средства левым и правом глазом видит разные изображения. При движении глаз водителя транспортного средства выполняется вывод изображения пропускающего фильтра на пространственной маске с течением времени t. На схеме на фиг.15а под t2 понимается время вывода фильтра в пространственной маске, формирующего зону видения для правого глаза (Вид E2). При этом на фиг.15а, представлен вид, когда Вид E1-не активен, т.е. нет изображения, а Вид E2-активен, т.е. есть изображение.Thus, two mask images are generated on the mask - for highlighting the right and left eyes. These masks change one by one. Thus, alternately one vision zone is illuminated, then another with a certain frequency. Simultaneously, the PGU module generates alternately images for the right and left eyes - with the same frequency as the mask works. Thus, the driver of the vehicle sees different images with his left and right eyes. With the movement of the eyes of the driver of the vehicle, the image of the transmission filter on the spatial mask is output over time t. In the diagram of Fig. 15a, t2 means the time of the filter in the spatial mask, which forms the vision zone for the right eye (View E2). At the same time, in Fig. 15a, a view is presented when View E1 is not active, i.e. there is no image and View E2 is active, i.e. there is a picture.
При этом для работы маски рассчитывается статический шаг(Ps), т.е. пространственный шаг маски, определяющий положение зон видения от каждой линзы во втором линзовом растре LA2 и их корректное наложение. Таким образом, статический шаг маски Ps (мм) рассчитывается следующим образом.In this case, a static step (Ps) is calculated for the mask operation, i.e. the spatial step of the mask, which determines the position of the zones of vision from each lens in the second lens raster LA2 and their correct overlay. Thus, the static mask pitch Ps (mm) is calculated as follows.
Ps=M*PLA2 Ps = M * P LA2
где where
Ps - статический шаг (мм)Ps - static pitch (mm)
PLA2 - период линзового растра LA2 (мм).P LA2 - period of the lens raster LA2 (mm).
M - увеличение M второго линзового растра LA2, которое определяется, как M - magnification M of the second lens raster LA2, which is defined as
M=-α'EB/αEB M = -α ' EB / α EB
гдеwhere
где α'EB представляет собой расстояние (мм) от пространственной маски до второго линзового растра, where α ' EB is the distance (mm) from the spatial mask to the second lens raster,
αEB представляет собой расстояние (мм) от второго линзового растра до выходного зрачка HUD устройства, иα EB is the distance (mm) from the second lens raster to the exit pupil of the HUD device, and
fLA2 представляет собой фокусное расстояние (мм) единичной линзы второго линзового растра LA2.f LA2 is the focal length (mm) of a single lens of the second lens raster LA2.
Следует отметить, что Ps, представляющий собой характеристику маски, должен быть согласована с периодом линзового растра LA2. На фиг.15b представлена схема формирования двух зон видения при активном режиме работы пространственной маски, при смещении положения глаз водителя транспортного средства на Δx (мм) в момент времени t4, которое указывает время вывода фильтра в пространственной маске, формирующего зону видения для правого глаза (Вид E2). It should be noted that Ps, which is the characteristic of the mask, must be matched to the period of the lens raster LA2. 15b shows a diagram of the formation of two zones of vision in the active mode of operation of the spatial mask, when the position of the eyes of the vehicle driver is shifted by Δx (mm) at time t4, which indicates the output time of the filter in the spatial mask, which forms the vision zone for the right eye ( View E2).
Описание активного режима функционирования пространственной маски SM и ее реализации опущено при описании фиг.15b, поскольку детально раскрыто при описании фиг.15а. The description of the active mode of operation of the spatial mask SM and its implementation is omitted in the description of FIG. 15b, since it is described in detail in the description of FIG. 15a.
Согласно фиг.15b при изменении положения глаз водителя транспортного средства сигнал, характеризующий смещение глаз на величину Δx (мм), поступает в детектор, и блок управления посылает сигнал на маску SM о том, что изображение должно сместиться на несколько пикселей, в данном случае на величину Pd, представляющий собой динамический шаг, характеризующий пространственный шаг сдвига маски (пиксель). Как уже указывалось ранее по сигналу от синхронизатора обеспечивается синхронизация частоты работы маски, которая должна быть равна частоте смены кадров в источнике изображения модуля PGU при формировании изображения According to Fig. 15b, when the position of the eyes of the driver of the vehicle changes, the signal characterizing the displacement of the eyes by the value Δx (mm) enters the detector, and the control unit sends a signal to the mask SM that the image should be displaced by several pixels, in this case by the Pd value, which is a dynamic step that characterizes the spatial step of the mask shift (pixel). As mentioned earlier, the signal from the synchronizer ensures synchronization of the mask operation frequency, which should be equal to the frame rate in the image source of the PGU module during image formation.
При этом динамический шаг Pd (мм) определяется, какIn this case, the dynamic pitch Pd (mm) is determined as
Pd=M*ΔxPd = M * Δx
M - увеличение второго линзового растра LA2, M - magnification of the second lens raster LA2,
Δx - смещение (мм) глаз водителя от опорного положения(мм).Δx - displacement (mm) of the driver's eyes from the reference position (mm).
Таким образом, активный режим функционирования пространственной маски и модуля PGU детально описан при описании фигур 15а и 15b, а на фиг. 16а (слайд 18, правый угол) представлена примерная блок-схема модуля формирования многовидового изображения (модуль PGU), в которой предусмотрен один источник излучения, испускающий излучение с одним спектральным составом или одним состоянием поляризации. Далее излучение проходит через проекционную оптику на светоразделительный куб, в данном случае поляризационный разделитель пучка (PBS), где излучение перенаправляется на источник изображения в виде Дисплея 1 с возможностью поочередного формирования двух изображений, для левого и правого глаза. Далее, посредством проекционной оптики полученные изображения преобразуются из пространственных изображений в угловые изображения в одном и том же поле зрения (FOV)и через элемент ввода поступают в волновод (W).Thus, the active mode of operation of the spatial mask and the PGU is described in detail in the description of Figs. 15a and 15b, and in Figs. 16a (slide 18, right corner) is an exemplary block diagram of a multi-view imaging unit (PGU unit) in which a single radiation source is provided emitting radiation with one spectral composition or one polarization state. Next, the radiation passes through the projection optics to a light separation cube, in this case a polarization beam splitter (PBS), where the radiation is redirected to an image source in the form of
Указанная конфигурация достаточна дешевая и несложная в реализации. Однако, основной сложностью при работе в активном режиме является обеспечение синхронизации работы пространственной маски SM и источника изображения.The specified configuration is quite cheap and easy to implement. However, the main difficulty when working in the active mode is to ensure synchronization of the operation of the spatial mask SM and the image source.
Источники изображения представляют собой одно из: самоизлучающий дисплей с использованием микроскопических светодиодов в качестве подсветки (uLED), жидкокристаллический дисплей (LCD), жидкокристаллический дисплей отражательного типа (LCOS), цифровое микрозеркальное устройство для вывода изображения (DMD), устройство формирования изображения посредством сканирующих зеркал (LBS).Image sources are one of: self-emitting display using microscopic LEDs as backlight (uLED), liquid crystal display (LCD), reflective type liquid crystal display (LCOS), digital micromirror image display device (DMD), scanning mirror imaging device (LBS).
На фиг.16b представлена примерная блок-схема модуля формирования многовидового изображения с модулем изображения на основе LBS при активном режиме работы.Fig. 16b is an exemplary block diagram of a multi-view imaging unit with an LBS-based imaging unit in an active mode of operation.
В данном случае используется технология формирования изображения посредством сканирующих зеркал (LBS). При этом источник излучения в виде R, G, B лазеров испускают излучение на соответствующих длинах волн, которое поочередно направляется на сканирующее зеркало. При этом сканирующее зеркало выполнено с возможностью вращения по двум осям Х и Y и обеспечивают формирование 2D изображения для правого и левого глаза, соответственно. Таким образом, сканирующее зеркало представляют собой источник изображения. При этом источник излучения и сканирующее зеркало образуют проектор, например, лазерный проектор(LBS проектор). При этом для глаза 1 проектором формируется изображение в соответствующее время: t1, t3, t5…t2k-1, а для глаза 2 проектором формируется изображение в соответствующее время: t2,t4,t6…t2k. In this case, a scanning mirror imaging technology (LBS) is used. In this case, a radiation source in the form of R, G, B lasers emit radiation at the corresponding wavelengths, which is alternately directed to the scanning mirror. In this case, the scanning mirror is made with the possibility of rotation along two axes X and Y and provides the formation of a 2D image for the right and left eyes, respectively. Thus, the scanning mirror is the source of the image. In this case, the radiation source and the scanning mirror form a projector, for example a laser projector (LBS projector). In this case, for the
Далее, посредством проекционной оптики полученные изображения преобразуются из пространственных изображений в угловые изображения в одном и том же поле зрения (FOV)и через элемент ввода поступают в волновод W.Further, by means of projection optics, the obtained images are converted from spatial images into angular images in the same field of view (FOV) and through the input element are fed to the waveguide W.
Как уже указывалось ранее основным требованием работы модуля PGU в активном режиме, является обеспечение синхронизации частоты работы (смена кадров) маски SM, которая должна быть равна частоте смены кадров в источнике изображения, в данном случае проекторе модуля PGU при формировании изображения. Указанное требование обеспечивается введением в схему синхронизатора, который регулирует работу маски и источника изображения по сигналу от блока управления (см. фиг.15b).As mentioned earlier, the main requirement for the PGU to work in the active mode is to ensure synchronization of the operating frequency (frame change) of the SM mask, which must be equal to the frame rate in the image source, in this case, the PGU's projector during image formation. This requirement is provided by the introduction of a synchronizer into the circuit, which regulates the operation of the mask and the image source according to the signal from the control unit (see Fig. 15b).
На фиг.16с представлена схема пространственной маски, функционирующая в активном режиме. Указанная маска представляет собой пространственный модулятор излучения, например, ЖК панель, на которую выводится изображение маски, которая осуществляет пропускание или блокировку излучения и может состоять из черно-белых полос. Fig. 16c is an active mode spatial mask diagram. The specified mask is a spatial radiation modulator, for example, an LCD panel, on which an image of a mask is displayed, which transmits or blocks radiation and can consist of black and white stripes.
В том месте где полоса белая-единичный фильтр Е2 маски (на фиг.16с обозначено Маска Е2) пропускает излучение, где черная полоса-единичный фильтр Е1 маски (на фиг. 16с обозначено Маска E1)- блокирует прохождение излучения. В данном случае маска с единичными фильтрами Е1 и Е2 работает как фильтр. In the place where the white band-unit filter E2 of the mask (in Fig. 16c denoted Mask E2) transmits radiation, where the black band-unit filter E1 of the mask (in Fig. 16c denoted Mask E1) - blocks the passage of radiation. In this case, the mask with single filters E1 and E2 acts as a filter.
При этом для единичного фильтра Е2 маски-состояние пропускания соответствует времени: t2,t4,t6…t2k; а состояние поглощения (блокирование излучения) соответствует времени: t1, t3, t5…t2k-1.In this case, for a single filter E2, the mask-state of transmission corresponds to the time: t 2 , t 4 , t 6 ... t 2k ; and the state of absorption (blocking of radiation) corresponds to the time: t 1 , t 3 , t 5 ... t 2k-1 .
Для единичного фильтра Е1 маски-состояние пропускания соответствует времени: t1, t3, t5…t2k-1 , а состояние поглощения (блокирование излучения) соответствует времени: t2,t4,t6…t2k. For a single filter E1 mask, the transmission state corresponds to the time: t 1 , t 3 , t 5 ... t 2k-1 , and the absorption state (blocking of radiation) corresponds to the time: t 2 , t 4 , t 6 ... t 2k.
При этом ширина полосы пропускания в маске для формирования одного вида, т.е. размер единичного фильтра маски lm (мм)определяется как:In this case, the bandwidth in the mask for the formation of one type, i.e. the size of a single mask filter lm (mm) is defined as:
lm=n*P;lm = n * P;
где n - число пикселей для каждого вида в единичной полосе пропускания;where n is the number of pixels for each species in a unit bandwidth;
P - шаг пикселя (мм), полученный на основании параметров Ps и Pd маски, описанные со ссылкой на фиг. 15а и 15b. При этом изображение маски (толщина и порядок полос) подбирается таким образом, чтобы в выходном зрачке устройства HUD была засвечена область только для одного глаза (правого или левого) - т.е. сформирована одна зона видения. P is the pixel pitch (mm) obtained based on the parameters Ps and Pd of the mask described with reference to FIG. 15a and 15b. In this case, the mask image (the thickness and order of the stripes) is selected in such a way that the area for only one eye (right or left) is exposed in the exit pupil of the HUD device - i.e. one area of vision is formed.
Таким образом, на маске генерируется две картинки маски - для засветки правого и левого глаза. Эти маски меняются поочередно. Таким образом, поочередно засвечиваются то одна зона видения - то другая с определенной частотой. Одновременно модулем PGU генерируется поочередно картинки для правого и левого глаз - с такой же частотой что и работает маска.Thus, two mask images are generated on the mask - for highlighting the right and left eyes. These masks change one by one. Thus, alternately one vision zone is illuminated, then another with a certain frequency. Simultaneously, the PGU module generates alternately pictures for the right and left eyes - with the same frequency as the mask works.
Эффекты изобретенияEffects of the invention
Устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения (HUD устройство) обеспечивает следующие эффекты:Augmented reality device with exit pupil reproduction and with the possibility of forming a three-dimensional image (HUD device) provides the following effects:
1) Модуль формирование многовидового изображения (модуль PGU), обеспечивает формирование многовидового изображения состоящего из нескольких изображений, сформированных из множества видов разных ракурсов.1) The module for the formation of a multi-view image (PGU module), provides the formation of a multi-view image consisting of several images formed from a variety of views of different angles.
2) Волновод обеспечивает компактность HUD устройства, менее 5л; и обеспечивает размножение зрачка, формирую широкий выходной зрачок.2) Waveguide provides a compact HUD device, less than 5L; and provides pupil reproduction, forming a wide exit pupil.
3) Модуль формирования зон видения в области выходного зрачка обеспечивает перенос изображения пространственной маски в виде фильтра в плоскость выходного зрачка, при этом формируя зоны видения, и обеспечивая наблюдение трехмерного изображения (отображение автостереоскопического изображения).3) The module for the formation of zones of vision in the area of the exit pupil ensures the transfer of the image of the spatial mask in the form of a filter into the plane of the exit pupil, while forming the zones of vision, and ensuring the observation of a three-dimensional image (display of an autostereoscopic image).
Эффекты заявленного HUD наглядно были продемонстрированы авторами при моделировании различных конфигураций средств формирования изображений.The effects of the claimed HUD were clearly demonstrated by the authors when simulating various configurations of imaging tools.
На фиг.17а представлена схема широко используемой стандартной системы формирования изображения на основе волновода с одним дисплеем с одной длиной волны излучения. В данном случае, сформированное изображение проходит через проекционную оптику попадает волновод и на выходе формируется в области выходного зрачка. В данном случае оба глаза (левый и правый) видят одну и ту же картинку.17a is a schematic diagram of a widely used standard waveguide imaging system with a single display with a single wavelength. In this case, the formed image passes through the projection optics, enters the waveguide and at the exit is formed in the area of the exit pupil. In this case, both eyes (left and right) see the same picture.
На фиг.17b представлена схема широко используемой стандартной системы формирования изображения на основе двух дисплеев с разными длинами волн, где сформированные 2 изображения проходят проекционную оптику попадают в волновод и после вывода из волновода изображения попадают в область выходного зрачка изображения, где накладываются друг на друга. В данном случае оба глаза видят одну и ту же картинку из наложенных друг на друга изображений.17b is a schematic diagram of a widely used standard imaging system based on two displays with different wavelengths, where the generated 2 images pass the projection optics into the waveguide and, after being output from the waveguide, enter the image exit pupil region, where they are superimposed on each other. In this case, both eyes see the same picture from the superimposed images.
На фиг.17с представлена схема устройства дополненной реальности с размножением выходного зрачка в соответствии с настоящим изобретением согласно которой, для каждого глаза формируется свое изображение, для этого предусмотрен модуль формирования многовидового изображения, включающий два дисплея (как не ограничивающий пример реализации), работающие на разных длинах волн, волновод обеспечивающий размножение зрачка, и модуль формирования зон видения в области выходного зрачка, состоящий из по меньшей мере двух линзовых растров LA1, LA2(количество растров 2 представлено в качестве неограничивающего примера реализации изобретения) и пространственной маски, который обеспечивает перенос изображения пространственной маски в виде фильтра в плоскость выходного зрачка, при этом для каждого глаза формируется свое изображение, и в результате, если изображения для правого и левого глаза представляют собой стереопару обеспечивается наблюдение трехмерного изображения.Fig. 17c shows a diagram of an augmented reality device with exit pupil multiplication in accordance with the present invention, according to which, for each eye, its own image is formed; wavelengths, a waveguide providing pupil propagation, and a module for forming vision zones in the exit pupil region, consisting of at least two lens rasters LA1, LA2 (the number of
На фиг.18а представлена схема устройства дополненной реальности с размножением выходного зрачка (HUD устройство) согласно изобретению, обеспечивающая формирование изображений «А» и «В» посредством двух дисплеев.Fig. 18a is a schematic diagram of an augmented reality with pupil expansion (HUD) device according to the invention, which provides the formation of images "A" and "B" by means of two displays.
В данном примере моделируется случай переноса изображения, когда дисплеи 1 и 2 работают на близких длинах волн: λ=519нм, λ=520нм, соответственно. При этом пространственная маска содержит дихроичные узкополосные фильтры, обеспечивающие пропускание изображения, в данном случае с λ=519нм и λ=520нм. Для каждой позиции правого глаза и левого глаза водитель или наблюдатель может видеть различные картинки «А» и «В» зеленого цвета. Если изображения для правого и левого глаза представляют собой стереопару, формируется 3D изображение. In this example, the case of image transfer is simulated when
На фиг.18b представлена схема формирования лучей в конфигурации HUD устройства согласно фиг.18а, где проиллюстрировано распространение лучей, характеризующих изображение в области выходного зрачка для левого и правого глаза для λ=519нм и λ=520нм. Fig. 18b is a beamforming diagram of the HUD configuration of the device according to Fig. 18a, which illustrates the propagation of beams characterizing the image in the exit pupil region for the left and right eyes for λ = 519nm and λ = 520nm.
А внизу представлены изображения, сформированные на сетчатке правого («А») и левого глаза («В») в области выходного зрачка, которые практически не отличаются по цвету, разница по цвету составляет около 1нм, но глаз это разницу не различат. And below are the images formed on the retina of the right ("A") and left ("B") eyes in the area of the exit pupil, which practically do not differ in color, the difference in color is about 1 nm, but the eye cannot distinguish this difference.
Преимущества использования заявленного HUD устройстваBenefits of using the claimed HUD device
Заявленное устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка и с возможностью формирования трехмерного изображения (HUD устройство) является компактным решением с объемом менее 5 литров, что позволяет его интегрировать в приборные панели любых транспортных средств. The declared device of augmented reality with exit pupil reproduction and with the possibility of forming a three-dimensional image (HUD device) is a compact solution with a volume of less than 5 liters, which allows it to be integrated into dashboards of any vehicles.
При этом обеспечивается высокая концентрация и безопасность водителя транспортного средства, которая достигается посредством формирования стереоизображения и виртуального изображения на бесконечности, т.е. формирования стереоизображения согласованного с реальной обстановкой на дороге, что позволяют водителю сосредоточиться на дороге или окружающей среде, одновременно получая информацию о скорости, состоянии двигателя, телефонных звонках и, возможно, другую внешнюю информацию, которая в противном случае отвлекала бы внимание водителя, за счет использования других внешних устройств.This ensures high concentration and safety of the vehicle driver, which is achieved through the formation of a stereo image and a virtual image at infinity, i.e. the formation of a stereo image consistent with the real situation on the road, which allows the driver to focus on the road or the environment, while receiving information about speed, engine status, phone calls and possibly other external information that would otherwise distract the driver's attention through the use of other external devices.
Ключевым решением заявленного изобретения, которое обеспечивает все указанные преимущества и эффекты, является использование в заявленном устройстве волновода в комбинации с модулем формирования зон видения в области выходного зрачка, состоящего из линзовых растров и соответствующей пространственной маски, что обеспечивает формирование стереоизображения в области выходного зрачка. Такая конфигурация позволяет уменьшить объем устройства в несколько раз, по сравнению с подобными решениями автостереоскопических дисплеев известных из уровня техники.The key solution of the claimed invention, which provides all the indicated advantages and effects, is the use in the claimed device of a waveguide in combination with a module for shaping vision zones in the exit pupil area, consisting of lens rasters and a corresponding spatial mask, which ensures the formation of a stereo image in the exit pupil area. This configuration makes it possible to reduce the volume of the device by several times, in comparison with similar solutions of autostereoscopic displays known from the prior art.
Заявленное устройство является достаточно бюджетным при массовом производстве и удобным для интеграции в любой тип автомобилей.The claimed device is quite budgetary for mass production and convenient for integration into any type of car.
Заявленное устройство также возможно использовать в любых компактных переносных устройствах типа планшетов или ноутбуков, а также в системах телеконференций.The claimed device can also be used in any compact portable devices such as tablets or laptops, as well as in teleconferencing systems.
На фиг.19а представлена схема компактного устройства на основании HUD устройства согласно изобретению с использованием складываемого объединителя луча.Fig. 19a is a schematic diagram of a compact HUD-based device according to the invention using a collapsible beam combiner.
На фиг.19b представлена схема компактного устройства на основании HUD устройства согласно изобретению, с использованием объединителя излучения с функцией перенаправления луча.Fig. 19b is a schematic diagram of a compact HUD-based device according to the invention using a radiation combiner with a beam redirecting function.
Принцип работы указанных устройств полностью совпадает с работой HUD устройства, раскрытого в настоящем описании, которой содержит модуль PGU, модуль формирования многовидового изображения в области выходного зрачка, объединитель излучения и волновод. При этом объединитель излучения представляет собой стеклянную пластину с соответствующим покрытием, обеспечивающим отражение или перенаправления изображения в область выходного зрачка. Для этого, на пластину нанесено отражающее покрытие, дихроичное покрытие, см. фиг.19а или дифракционные структуры, призматические структуры (фиг.19b). При этом угол отражения луча в область выходного зрачка может непосредственно задаваться объединителем излучения, или угол направления луча может задаваться проекционной оптикой при выходе из модуля PGU и далее посредством объединителя излучения перенаправляться в область выходного зрачка. The principle of operation of these devices completely coincides with the operation of the HUD device disclosed in the present description, which contains a PGU module, a multi-view imaging module in the exit pupil region, a radiation combiner and a waveguide. In this case, the radiation combiner is a glass plate with a suitable coating that reflects or redirects the image to the exit pupil region. For this, a reflective coating, a dichroic coating, see Fig.19a or diffractive structures, prismatic structures (Fig.19b) is applied to the plate. In this case, the angle of reflection of the beam into the exit pupil region can be directly set by the radiation combiner, or the angle of the beam direction can be set by the projection optics when leaving the PGU module and then redirected to the exit pupil region by the radiation combiner.
На фиг.20 представлена схема очков дополненной реальности на основании HUD устройства.Fig. 20 is a diagram of augmented reality glasses based on the HUD of the device.
Заявленное устройство может использоваться и в очках с дополненной реальностью, схема которых представлена на фиг.20. Принцип работы указанных очков полностью повторяет работу HUD устройства, раскрытого в настоящем описании, и содержащего модуль PGU, модуль формирования многовидового изображения в области выходного зрачка, волновод, объединитель излучения. В данном решении формируется многовидовое изображение, позволяющее 3D изображения.The claimed device can be used in glasses with augmented reality, the diagram of which is shown in Fig.20. The principle of operation of these glasses completely repeats the operation of the HUD device, disclosed in the present description, and containing a PGU module, a module for forming a multi-view image in the exit pupil region, a waveguide, a radiation combiner. This solution generates a multi-view image that allows 3D images.
Направление распространения лучей на фиг. 19а, 19b и 20 иллюстрируются сплошными и прерывистыми, штрих-пунктирными линиями, характеризующими различные свойства лучей, отличающихся по своему составу: по длине волны, состоянию поляризации, или же разнесенные по времени. Кривые на графиках, расположенные рядом со схемами устройств на фиг.19а, 19b, 20 иллюстрируют интенсивности засветки зон видения для каждого луча, отличающегося по составу.The direction of propagation of the beams in FIG. 19a, 19b and 20 are illustrated by solid and broken, dash-dotted lines, characterizing various properties of beams, differing in their composition: by wavelength, polarization state, or spaced in time. The curves in the graphs located next to the diagrams of the devices in Figs. 19a, 19b, 20 illustrate the intensities of illumination of the vision zones for each beam, differing in composition.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Устройство дополненной реальности с размножением выходного зрачка, и с возможностью формирования трехмерного изображения может быть интегрировано в приборные панели транспортных средств, использоваться в компактных, переносных устройствах, например, планшетах, ноутбуках, системах телеконференций, в очках дополненной реальности и других устройствах, в которых имеется потребность в формировании автостереоскопического изображения.An augmented reality device with multiplying the exit pupil, and with the possibility of forming a three-dimensional image, can be integrated into vehicle dashboards, used in compact, portable devices, for example, tablets, laptops, teleconferencing systems, in augmented reality glasses and other devices that have the need for the formation of an autostereoscopic image.
Claims (54)
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141527A RU2760473C1 (en) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil |
KR1020210090286A KR20220086456A (en) | 2020-12-16 | 2021-07-09 | Augmented reality device providing 3d augmented reality and operating method of the same |
CN202111527501.1A CN114637112A (en) | 2020-12-16 | 2021-12-14 | Augmented reality device for providing 3D augmented reality and method of operating the same |
US17/550,600 US11686938B2 (en) | 2020-12-16 | 2021-12-14 | Augmented reality device for providing 3D augmented reality and operating method of the same |
EP21214736.7A EP4016166A3 (en) | 2020-12-16 | 2021-12-15 | Augmented reality device for providing 3d augmented reality and operating method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141527A RU2760473C1 (en) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2760473C1 true RU2760473C1 (en) | 2021-11-25 |
Family
ID=78719417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020141527A RU2760473C1 (en) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20220086456A (en) |
RU (1) | RU2760473C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8593734B2 (en) * | 2006-09-28 | 2013-11-26 | Nokia Corporation | Beam expansion with three-dimensional diffractive elements |
WO2017134412A1 (en) * | 2016-02-04 | 2017-08-10 | Milan Momcilo Popovich | Holographic waveguide optical tracker |
US20180052276A1 (en) * | 2016-08-22 | 2018-02-22 | Magic Leap, Inc. | Diffractive eyepiece |
-
2020
- 2020-12-16 RU RU2020141527A patent/RU2760473C1/en active
-
2021
- 2021-07-09 KR KR1020210090286A patent/KR20220086456A/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8593734B2 (en) * | 2006-09-28 | 2013-11-26 | Nokia Corporation | Beam expansion with three-dimensional diffractive elements |
WO2017134412A1 (en) * | 2016-02-04 | 2017-08-10 | Milan Momcilo Popovich | Holographic waveguide optical tracker |
US20180052276A1 (en) * | 2016-08-22 | 2018-02-22 | Magic Leap, Inc. | Diffractive eyepiece |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220086456A (en) | 2022-06-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11686938B2 (en) | Augmented reality device for providing 3D augmented reality and operating method of the same | |
EP1952189B1 (en) | Display with image-guiding substrate | |
CN104380157B (en) | Directional lighting waveguide assembly | |
US5726800A (en) | Autostereoscopic directional display apparatus | |
JP4639721B2 (en) | 3D image display device | |
GB2431728A (en) | Multi-depth displays | |
US11209652B2 (en) | Light guide with polarization separator for dual images | |
JP2022516641A (en) | Color correction for virtual images on near-eye displays | |
US11555961B1 (en) | Display device with waveguide-based talbot illuminator | |
US11194158B2 (en) | Light guide with beam separator for dual images | |
JP2010139590A (en) | Image projection device, and two-dimension/three-dimension switching method of projection image | |
US10728534B2 (en) | Volumetric display system and method of displaying three-dimensional image | |
TW202319809A (en) | Display device with waveguide-based talbot illuminator | |
RU2760473C1 (en) | Augmented reality device with a multiplication of the exit pupil and with the possibility of forming a three-dimensional image and a method for forming an image by means of the specified augmented reality device with a multiplication of the exit pupil | |
JP7276062B2 (en) | Virtual image display device and display control device | |
CN117043662A (en) | Display apparatus | |
CN113703164A (en) | Optical waveguide directional backlight holographic display module | |
CN118560273B (en) | Vehicle HUD system and vehicle | |
JP7111070B2 (en) | head-up display device | |
JP7111071B2 (en) | head-up display device | |
CN119065128A (en) | Hybrid display optical machine, hybrid display method and augmented reality display device | |
JPH09179092A (en) | Image display device |