RU2721670C1

RU2721670C1 - System for expanding the area of the exit pupil of the visual optical system

Info

Publication number: RU2721670C1
Application number: RU2019136751A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Путилин; Александр Викторович Морозов; Бонгсу ШИН; Санил КИМ; Владислав Владимирович Дружин; Сергей Евгеньевич Дубынин; Полина Игоревна МАЛИНИНА; Сергей Сергеевич КОПЕНКИН; Юрий Петрович Бородин; Ксения Игоревна ЛЬВОВА; Анастасия Сергеевна ПЕРЕВОЗНИКОВА
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-05-21
Also published as: KR20210059594A

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: invention relates to optical systems which make it possible to expand the area of exit pupil of visual optical systems. System comprises a waveguide and a diffraction grating made in the waveguide. At the same time radiation is divided by means of a diffraction grating into at least two radiation beams propagating along the waveguide at angles such that one of the at least two radiation beams comes out from the side of the waveguide surface opposite to the diffraction grating, and forms unit of exit pupil, other radiation beams undergo complete internal reflection from surface of waveguide, opposite to diffraction grating, and return to diffraction grating. Formed units of the exit pupil extend the area of the exit pupil of the visual optical system.EFFECT: universality, compactness, high diffraction efficiency of the system, possibility of expanding the area of the exit pupil while maintaining a high visual field of the optical system, providing homogeneity and brightness of the obtained image, enabling use of multispectral radiation.18 cl, 14 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к оптическим системам, позволяющим расширить область выходного зрачка визуальных оптических систем.The present invention relates to optical systems, allowing to expand the area of the exit pupil of visual optical systems.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Related Art

В настоящее время активно совершенствуются визуальные оптические системы, такие как системы дополненной реальности, окуляры и объективы оптических приборов (микроскопов, телескопов, прицелов и др.). Важнейшими характеристическими параметрами таких визуальных оптических систем, являются величина поля зрения (FoV) и размер области выходного зрачка. Анализ уровня техники, показывает, что в визуальных системах достаточно сложно одновременно обеспечить большую величину поля зрения (например, более 60 градусов), большой размер выходного зрачка (например, более 3 мм) при обеспечении требуемого качества или разрешения формируемого изображения (например, не хуже, чем предельный угол разрешения глаза, равный 1 угловой минуте). В известном уровне техники в устройствах для увеличения области выходного зрачка используется сложные элементы, причем известные устройства не являются универсальными, напротив, для каждой визуальной оптической системы необходимо конструировать отдельное устройство для увеличения области выходного зрачка. Currently, visual optical systems, such as augmented reality systems, eyepieces and lenses of optical instruments (microscopes, telescopes, sights, etc.) are actively improving. The most important characteristic parameters of such visual optical systems are the magnitude of the field of view (FoV) and the size of the area of the exit pupil. An analysis of the prior art shows that in visual systems it is quite difficult to simultaneously provide a large field of view (for example, more than 60 degrees), a large exit pupil (for example, more than 3 mm) while ensuring the required quality or resolution of the image (for example, no worse than the limit angle of resolution of the eye, equal to 1 arc minute). In the prior art, devices for increasing the area of the exit pupil use complex elements, and the known devices are not universal; on the contrary, for each visual optical system, it is necessary to design a separate device for increasing the area of the exit pupil.

Из уровня техники известен расширитель выходного зрачка, раскрытый в документе US 8508848 B2 (дата публикации 15.08.2013). Расширитель представляет собой волновод, излучение попадает внутрь волновода с помощью дифракционных элементов, распространяется внутри волновода и выводится с помощью дифракционных элементов. Известная система позволяет расширить область выходного зрачка, но имеет небольшую ширину (ограниченное значение горизонтальной величины поля зрения) поля зрения и сложную конструкцию, имеющую большие габаритные размеры. Кроме того, волноводные системы такого типа дают существенные потери энергии, поскольку излучение вынуждено распространяться вдоль больших дистанций в волноводе. Кроме того, такие системы имеют ограничения по дифракционной эффективности, однородности и яркости получаемого изображения, так как для ввода и вывода излучения используется несколько дифракционных элементов.The exit pupil dilator disclosed in US 8508848 B2 (publication date Aug. 15, 2013) is known in the art. The expander is a waveguide, the radiation enters the waveguide using diffraction elements, propagates inside the waveguide and is output using diffraction elements. The known system allows you to expand the area of the exit pupil, but has a small width (limited value of the horizontal magnitude of the field of view) of the field of view and a complex structure having large overall dimensions. In addition, waveguide systems of this type give significant energy losses, since radiation is forced to propagate along large distances in the waveguide. In addition, such systems have limitations on the diffraction efficiency, uniformity and brightness of the resulting image, since for input and output radiation uses several diffraction elements.

Из уровня техники US 6829095 B2 (дата публикации 16.05.2001) известен расширитель оптического луча, представляющий собой волноводную систему, в которой излучение выводится в поле зрения с помощью полупрозрачных зеркал. Размер выходного зрачка связан с геометрическими параметрами расширителя, такими как толщина волновода и количество зеркальных элементов. Недостатками известной системы являются значительная толщина, то есть достаточно большие габаритные размеры, и сложность конструкции. Также с помощью известной системы невозможно получить достаточную величину поля зрения.The prior art US 6829095 B2 (publication date 05.16.2001) known optical beam expander, which is a waveguide system in which the radiation is displayed in the field of view using translucent mirrors. The size of the exit pupil is related to the geometrical parameters of the expander, such as the thickness of the waveguide and the number of mirror elements. The disadvantages of the known system are significant thickness, that is, sufficiently large overall dimensions, and design complexity. Also, using the known system it is impossible to obtain a sufficient field of view.

Необходима универсальная система расширения области выходного зрачка, которая может быть интегрирована в любую визуальную оптическую систему и может обеспечить большую область выходного зрачка наряду с сохранением большой величины поля зрения визуальной оптической системы, высокую дифракционную эффективность, однородность и яркость изображения.A universal system for expanding the area of the exit pupil is required, which can be integrated into any visual optical system and can provide a large area of the exit pupil along with maintaining a large field of view of the visual optical system, high diffraction efficiency, uniformity and brightness of the image.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Предлагается система расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы, содержащая: волновод; дифракционную решетку, расположенную на поверхности волновода; причем параметры дифракционной решетки согласованы с параметрами волновода таким образом, что: дифракционная решетка выполнена с возможностью: разделения за счет дифракции излучения падающих на нее пучков по направлению распространения по крайней мере на два пучка, один из которых проходит сквозь волновод, преломляясь на его выходной поверхности, а второй, отражаясь от этой поверхности волновода, – вновь попадает на дифракционную решетку и разделяется по крайней мере на еще два пучка, один из которых снова проходит сквозь волновод, преломляясь на его выходной поверхности, а другой – продолжает распространяться в волноводе, формируя очередные пучки, таким образом, совокупность мультиплицированных лучей после волновода образует область выходного зрачка. То есть из волновода выходят пучки, не испытавшие полного внутреннего отражения в волноводе после отражения от выходной поверхности волновода.A system is proposed for expanding the area of the exit pupil of the visual optical system, comprising: a waveguide; a diffraction grating located on the surface of the waveguide; moreover, the parameters of the diffraction grating are consistent with the parameters of the waveguide in such a way that: the diffraction grating is configured to: separate due to diffraction of radiation from the incident beams in the direction of propagation of at least two beams, one of which passes through the waveguide, refracting on its output surface and the second, reflected from this surface of the waveguide, again falls on the diffraction grating and is divided into at least two more beams, one of which again passes through the waveguide, refracting on its output surface, and the other continues to propagate in the waveguide, forming the next beams, thus, the set of multiplied rays after the waveguide forms the region of the exit pupil. That is, beams coming out of the waveguide that have not experienced total internal reflection in the waveguide after reflection from the output surface of the waveguide.

Причем визуальной оптической системой может быть одно из устройств, представляющих собой: микроскоп, телескоп, прицел, устройство дополненной реальности, устройство, в котором изображение формируется в бесконечности. Причем дифракционная решетка является отражательной. Причем дифракционная решетка является пропускающей. Причем дифракционная решетка может представлять собой дифракционный оптический элемент. Причем дифракционная решетка может представлять собой голографический оптический элемент. Причем дифракционная решетка может быть одномерной. Причем дифракционная решетка может быть двумерной. Причем волновод может иметь изогнутую форму. Причем дифракционная решетка может быть дифракционной решеткой Брэгга.Moreover, the visual optical system can be one of the devices, which are: a microscope, telescope, sight, augmented reality device, a device in which the image is formed at infinity. Moreover, the diffraction grating is reflective. Moreover, the diffraction grating is transmission. Moreover, the diffraction grating may be a diffractive optical element. Moreover, the diffraction grating may be a holographic optical element. Moreover, the diffraction grating can be one-dimensional. Moreover, the diffraction grating may be two-dimensional. Moreover, the waveguide may have a curved shape. Moreover, the diffraction grating may be a Bragg grating.

Также предлагается визуальная оптическая система, содержащая систему расширения области выходного зрачка во всех раскрытых вариантах воплощения. Причем система расширения области выходного зрачка может быть расположена на выходе визуальной оптической системы. Причем визуальная оптическая система излучает многоспектральное излучение. Причем визуальная оптическая система может излучать моноспектральное излучение. Причем система расширения области выходного зрачка может работать на просвет. Причем система расширения области выходного зрачка может работать на отражение.A visual optical system is also provided comprising a system for expanding the area of the exit pupil in all of the disclosed embodiments. Moreover, the system for expanding the area of the exit pupil can be located at the output of the visual optical system. Moreover, the visual optical system emits multispectral radiation. Moreover, the visual optical system can emit monospectral radiation. Moreover, the system for expanding the area of the exit pupil can work in light. Moreover, the system of expanding the area of the exit pupil can work on reflection.

Также предлагается способ работы системы расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы, содержащий этапы, на которых: подают пучки излучения от визуальной оптической системы на систему расширения области выходного зрачка; формируют за счет дифракции каждого из пучков излучения, падающих на дифракционную решетку от визуальной оптической системы, по меньшей мере два порядка дифракции так что: один из упомянутых по меньшей мере двух порядков дифракции выходит со стороны поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, и образует единицу выходного зрачка визуальной оптической системы; при этом остальные пучки излучения: претерпевают полное внутреннее отражение от поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, и возвращаются на дифракционную решетку, каждый из пучков излучения, возвратившихся к дифракционной решетке, разделяется посредством дифракционной решетки на по меньшей мере два пучка излучения, один из которых выходит со стороны поверхности волновода, противоположной дифракционной решетке, образуя единицу выходного зрачка визуальной оптической системы; причем образованные единицы выходного зрачка визуальной оптической системы образуют совокупность мультиплицированных лучей в области выходного зрачка визуальной оптической системы.Also proposed is a method of operating the system for expanding the area of the exit pupil of the visual optical system, comprising the steps of: supplying radiation beams from the visual optical system to the system of expanding the area of the exit pupil; due to the diffraction of each of the radiation beams incident on the diffraction grating from the visual optical system, at least two diffraction orders are formed so that: one of the at least two diffraction orders comes out from the side of the waveguide surface opposite to the diffraction grating and forms an output unit pupil of the visual optical system; while the remaining radiation beams: undergo complete internal reflection from the surface of the waveguide opposite the diffraction grating, and return to the diffraction grating, each of the radiation beams returning to the diffraction grating is separated by means of the diffraction grating into at least two radiation beams, one of which comes out from the side of the waveguide surface opposite the diffraction grating, forming a unit of the exit pupil of the visual optical system; moreover, the formed units of the exit pupil of the visual optical system form a set of multiplied rays in the area of the exit pupil of the visual optical system.

Краткое описание чертежейBrief Description of the 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 explained in the following description, illustrated by the drawings, in which the following is presented:

Фиг. 1 иллюстрирует телецентрический ход лучей в объектном пространстве.FIG. 1 illustrates the telecentric path of rays in object space.

Фиг. 2a иллюстрирует ход лучей в предлагаемой системе расширения области выходного зрачка.FIG. 2a illustrates the course of rays in the proposed system for expanding the area of the exit pupil.

Фиг. 2b иллюстрирует ход лучей от объекта до области выходного зрачка визуальной оптической системы при использовании системы расширения области выходного зрачка, и формирование расширенной области выходного зрачка.FIG. 2b illustrates the path of rays from an object to the exit pupil region of the visual optical system using the exit pupil region expansion system, and the formation of the expanded exit pupil region.

Фиг. 2c иллюстрирует работу системы расширения области выходного зрачка на отражение.FIG. 2c illustrates the operation of the exit pupil area expansion system for reflection.

Фиг. 3a иллюстрирует неоднородное (дискретное) заполнение области выходного зрачка.FIG. 3a illustrates the heterogeneous (discrete) filling of the exit pupil area.

Фиг. 3b иллюстрирует однородное заполнения области выходного зрачка. FIG. 3b illustrates the uniform filling of the exit pupil area.

Фиг. 4 иллюстрирует пространственную схему устройства дополненной реальности, в которой используется предлагаемая система расширения области выходного зрачка, причем HOE– комбайнер и дифракционная решетка работают на просвет.FIG. 4 illustrates a spatial diagram of an augmented reality device in which the proposed system for expanding the area of the exit pupil is used, wherein the HOE combiner and diffraction grating operate in light.

Фиг. 5а показан HOE–комбайнер, работающий на просвет, содержащий систему расширения области выходного зрачка, с дифракционной решеткой, работающей на отражение.FIG. 5a shows a translucent HOE combiner comprising a system for expanding an exit pupil region with a reflection diffraction grating.

Фиг. 5b показан HOE–комбайнер, работающий на отражение, содержащий систему расширения области выходного зрачка, с дифракционной решеткой, работающей на просвет.FIG. 5b shows a reflective HOE combiner comprising a system for expanding the exit pupil region with a diffraction grating operating in light.

Фиг. 6 иллюстрирует использование одномерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка.FIG. 6 illustrates the use of a one-dimensional diffraction grating in an exit pupil region expansion system.

Фиг. 7 иллюстрирует использование двумерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка.FIG. 7 illustrates the use of a two-dimensional diffraction grating in an exit pupil region expansion system.

Фиг. 8 иллюстрирует систему расширения области выходного зрачка, в которой дифракционная решетка расположена внутри волновода.FIG. 8 illustrates a system for expanding an exit pupil region in which a diffraction grating is located inside a waveguide.

Фиг. 9a иллюстрирует появление в области выходного зрачка паразитной засветки.FIG. 9a illustrates the appearance of stray light in the exit pupil area.

Фигура 9b иллюстрирует систему расширения области выходного зрачка, имеющую изогнутую форму.Figure 9b illustrates a system for expanding the area of the exit pupil having a curved shape.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание системы расширения (мультипликации) области выходного зрачка, которая имеет низкие потери энергии излучения, попадающего на нее, является компактной, универсальной и легко интегрируемой в любую визуальную оптическую систему.The problem to which the invention is directed is to create a system for expanding (multiplying) the area of the exit pupil, which has low energy losses from the radiation incident on it, is compact, universal, and easily integrated into any visual optical system.

Техническими результатами, на достижение которых направлено предлагаемое изобретение являются:The technical results to which the invention is directed are:

универсальность, компактность, высокая дифракционная эффективность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка, universality, compactness, high diffraction efficiency of the proposed system for expanding the area of the exit pupil,

возможность расширения области выходного зрачка наряду с сохранением большой величины поля зрения визуальной оптической системы, the possibility of expanding the area of the exit pupil along with maintaining a large field of view of the visual optical system,

обеспечение однородности и яркости получаемого изображения, ensuring uniformity and brightness of the resulting image,

возможность использования многоспектрального излучения.the possibility of using multispectral radiation.

Для решения поставленной задачи и достижения технических результатов предлагается компактная система расширения области выходного зрачка на основе волновода с одной дифракционной решеткой, представляющей собой либо дифракционный оптический элемент (DOE), либо голографический оптический элемент (HOE), причем одна дифракционная решетка используется как для ввода излучения, так и для вывода излучение. To solve this problem and achieve technical results, a compact system is proposed for expanding the area of the exit pupil based on a waveguide with one diffraction grating, which is either a diffractive optical element (DOE) or a holographic optical element (HOE), and one diffraction grating is used as for radiation input so for output radiation.

Предлагаемая система может использоваться для расширения области выходного зрачка визуальных оптических систем таких как, например, окуляры оптических приборов. Как известно, окуляр оптической системы – это элемент оптической системы, обращенный к глазу наблюдателя, окуляр является частью оптического прибора (видоискателя, дальномера, бинокля, микроскопа, телескопа и так далее), предназначенной для рассматривания изображения, формируемого объективом или главным зеркалом прибора. Предлагаемая система расширения области выходного зрачка устанавливается в визуальной оптической системе, или устройством дополненной реальности (AR) с объединителем изображений (комбайнером), использующим HOE/DOE, объединяющим изображение окружающей среды и изображение, созданное внутренним дисплеем, и т.п. The proposed system can be used to expand the area of the exit pupil of visual optical systems such as, for example, eyepieces of optical instruments. As you know, the eyepiece of the optical system is an element of the optical system facing the eye of the observer, the eyepiece is part of an optical device (viewfinder, range finder, binoculars, microscope, telescope, and so on) designed to view the image formed by the lens or the main mirror of the device. The proposed system for expanding the area of the exit pupil is installed in a visual optical system, or an augmented reality device (AR) with an image combiner (combiner) using HOE / DOE, combining the image of the environment and the image created by the internal display, etc.

Предлагаемая система расширения области выходного зрачка является компактной и универсальной, причем компактность и универсальность определяется использованием только одного элемента DOE/HOE) для ввода и вывода излучения, причем волновод, используемый в предлагаемой системе не должен обладать высоким качеством. За счет предлагаемой конструкции заметно уменьшаются габаритные размеры системы расширения области выходного зрачка, то есть предлагаемую систему возможно использовать в различных оптических системах, без изменения габаритных размеров этих визуальных оптических систем. The proposed system for expanding the area of the exit pupil is compact and universal, moreover, compactness and versatility is determined by using only one DOE / HOE element) for input and output radiation, and the waveguide used in the proposed system should not have high quality. Due to the proposed design, the overall dimensions of the system for expanding the area of the exit pupil are noticeably reduced, that is, the proposed system can be used in various optical systems, without changing the overall dimensions of these visual optical systems.

Выходной зрачок визуальной оптической системы – это та область, в пределах которой наблюдатель видит изображение. Другими словами, выходной зрачок – это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка визуальной оптической системы является то, что в любой его точке существуют все поле изображения. Размножая (расширяя, мультиплицируя) выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров визуальной оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры визуальной оптической системы. Применение волноводной оптики позволяет это делать без существенного увеличения габаритов визуальной оптической системы за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода.The exit pupil of the visual optical system is the area within which the observer sees the image. In other words, the exit pupil is a paraxial image of the aperture diaphragm in the image space, formed by the next part of the optical system in the direct course of the rays. This term is well-established in optics. The main property of the exit pupil of the visual optical system is that at any point there is an entire image field. By multiplying (expanding, multiplying) the exit pupil, thereby increasing its size, without resorting to increasing the longitudinal dimensions of the visual optical system. Classical optics allows you to increase the size of the exit pupil, but at the same time, the longitudinal dimensions of the visual optical system increase. The use of waveguide optics allows this to be done without a significant increase in the dimensions of the visual optical system due to the multiple reflection of beam beams inside the waveguide.

Под областью выходного зрачка понимается область, доступная обзору зрачка глаза человека с любой позиции зрачка глаза (при смещении зрачка глаза). The area of the exit pupil is understood as the area accessible to the pupil of the human eye from any position of the pupil of the eye (with the displacement of the pupil of the eye).

Под величиной поля зрения понимается угловое пространство, видимое глазом при фиксированном положении зрачка и неподвижной голове. Когда величина поля зрения большая, то глаз может видеть большую часть пространства предметов. Однако при смещении зрачка глаза, например, на несколько миллиметров в сторону, поле зрения обрезается, и кажется, что величина поля зрения уменьшилась. Это происходит из–за того, что область выходного зрачка визуальной оптической системы мала, и при смещении зрачка глаза эта область не полностью попадает в зрачок глаза или совсем не попадает. By the magnitude of the field of view is meant the angular space visible by the eye with a fixed position of the pupil and the immovable head. When the magnitude of the field of view is large, the eye can see most of the space of objects. However, when the pupil is displaced, for example, by a few millimeters to the side, the field of view is cut off, and it seems that the magnitude of the field of view has decreased. This is due to the fact that the region of the exit pupil of the visual optical system is small, and when the pupil of the eye is displaced, this region does not completely fall into the pupil of the eye or does not fall at all.

Под дифракционной эффективностью подразумевается свойство дифракционной решетки, измеряемое в процентах или в долях единицы, и представляет собой соотношение энергии, содержащейся в одном из порядков дифракции относительно энергии падающей на дифракционную решетку.By diffraction efficiency is meant a property of the diffraction grating, measured in percent or fractions of a unit, and is the ratio of the energy contained in one of the diffraction orders relative to the energy incident on the diffraction grating.

На фигуре 1 схематически показан телецентрический ход лучей в объектном пространстве, при использовании визуальной оптической системы 2 (на фигуре 1 визуальная оптическая система 2 показана условно) в общем случае, без применения предлагаемой системы расширения области выходного зрачка. The figure 1 schematically shows the telecentric path of the rays in the object space, using a visual optical system 2 (in figure 1, the visual optical system 2 is shown conditionally) in the General case, without using the proposed system to expand the area of the exit pupil.

Размер поля зрения визуальной оптической системы вычисляется по формуле:The size of the visual field of the visual optical system is calculated by the formula:

(1)

Размер выходного зрачка визуальной оптической системы вычисляется по формуле:The size of the exit pupil of the visual optical system is calculated by the formula:

(2)

S – размер объекта (выражается в миллиметрах);S is the size of the object (expressed in millimeters);

F – фокусное расстояние объектива 2 (выражается в миллиметрах);F is the focal length of lens 2 (expressed in millimeters);

FoV – величина поля зрения системы (выражается в градусах); FoV - the magnitude of the field of view of the system (expressed in degrees);

E – размер области выходного зрачка (выражается в миллиметрах); E is the size of the area of the exit pupil (expressed in millimeters);

Le – расстояние от объектива 2 визуальной оптической системы до зрачка 1a глаза 1 (выражается в миллиметрах);Le is the distance from the lens 2 of the visual optical system to the pupil 1a of eye 1 (expressed in millimeters);

D – размер апертуры объектива 2 визуальной оптической системы (выражается в миллиметрах);D is the aperture size of the lens 2 of the visual optical system (expressed in millimeters);

Из формул (1) и (2) следует, что без использования с визуальной оптической системой 2 предлагаемой системы расширения области выходного зрачка, размер E области выходного зрачка ограничен величиной FoV поля зрения, которая, в свою очередь, ограничивается фокусным расстоянием F визуальной оптической системы и размером S объекта. Чем большую область пространства предметов (то есть объект) пользователь хочет увидеть, тем больше должна быть величина FoV поля зрения. Фокусное расстояние F визуальной системы 2 также должно быть небольшим, чтобы система была компактной, что необходимо, например, в очках дополненной реальности. Согласно формулам (1) и (2), в общем случае существует обратная зависимость между величиной FoV поля зрения и величиной E области выходного зрачка. В рядовой визуальной оптической системе 2 невозможно добиться одновременно большой величины FoV поля зрения и большой величины E области выходного зрачка без использования дополнительных элементов. Таким универсальным и компактным дополнительным элементом и является предлагаемая система расширения области выходного зрачка.It follows from formulas (1) and (2) that without using the proposed system of expanding the exit pupil region with the visual optical system 2, the size E of the exit pupil region is limited by the FoV field of view, which, in turn, is limited by the focal length F of the visual optical system and the size S of the object. The larger the area of the space of objects (that is, the object) the user wants to see, the greater the FoV value of the field of view should be. The focal length F of the visual system 2 must also be small so that the system is compact, which is necessary, for example, in augmented reality glasses. According to formulas (1) and (2), in the general case, there is an inverse relationship between the magnitude FoV of the field of view and the magnitude E of the area of the exit pupil. In the ordinary visual optical system 2, it is impossible to achieve both a large FoV of the field of view and a large value of E of the area of the exit pupil without the use of additional elements. Such a universal and compact additional element is the proposed system for expanding the area of the exit pupil.

Ключевым элементом предлагаемой системы расширения области выходного зрачка является волноводная дифракционная решетка, при использовании которой дифракционные порядки существуют только в волноводе (в свободном пространстве их нет). Дифракционная решетка должна быть рассчитана под определенные углы падения излучения на данную решетку. Эти углы падения определяются апертурным углом визуальной оптической системы. Другими словами, из визуальной оптической системы выходят лучи под определенными углами к оптической оси, далее они падают на решетку под этими углами. Дифракционная решетка для системы расширения области выходного зрачка должна быть рассчитана таким образом, чтобы существовала только три порядка дифракции «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый), и чтобы эти порядки дифракции распространялись в материале волновода.A key element of the proposed system for expanding the area of the exit pupil is the waveguide diffraction grating, when using which diffraction orders exist only in the waveguide (they are not in free space). The diffraction grating must be designed for specific angles of incidence of radiation on this grating. These angles of incidence are determined by the aperture angle of the visual optical system. In other words, rays come out of the visual optical system at certain angles to the optical axis, then they fall on the grating at these angles. The diffraction grating for the exit pupil area expansion system must be designed so that there are only three diffraction orders “0” (zero), “–1” (minus the first) and “+1” (first), and that these diffraction orders propagate in the waveguide material.

(3)

n1 – показатель преломления перед системой расширения области выходного зрачка;n1 is the refractive index in front of the system for expanding the area of the exit pupil;

n2 – показатель преломления волновода;n2 is the refractive index of the waveguide;

М – количество порядков дифракции;M is the number of diffraction orders;

d – период решетки;d is the lattice period;

ϴ – углы падения излучения на данную решетку, а именно – ϴ₁ – угол падения на решетку, ϴ₂ – угол дифракции – угол, на который отклонится излучение внутри волновода для М–го порядка;ϴ - angles of incidence of radiation on a given grating, namely ϴ ₁ - angle of incidence on a grating, ϴ ₂ - angle of diffraction - angle by which radiation inside the waveguide is deflected for the Mth order;

λ – длина волны излучения, падающего на дифракционную решетку;λ is the wavelength of radiation incident on the diffraction grating;

T –частота дифракционной решетки – величина, обратная периоду Т=1/d,(штрих/мм), если d выражено в мм)T is the frequency of the diffraction grating — the reciprocal of the period T = 1 / d, (stroke / mm), if d is expressed in mm)

Согласно формуле (3), рассчитывается плоская дифракционная решетка для задачи расширения области выходного зрачка. Подбор параметров дифракционной решетки, таких как период решетки (постоянный или переменный), глубина рельефа, тип профиля (штрихов), ориентация штрихов, происходит под конкретную функцию, которую должна выполнять дифракционная решетка в устройстве, в данном случае функция состоит в расширении области выходного зрачка. Параметры дифракционной решетки зависят от:According to formula (3), a plane diffraction grating is calculated for the problem of expanding the area of the exit pupil. The selection of the parameters of the diffraction grating, such as the grating period (constant or variable), the relief depth, the type of profile (strokes), the orientation of the strokes, takes place under the specific function that the diffraction grating in the device should perform, in this case, the function is to expand the area of the exit pupil . The parameters of the diffraction grating depend on:

– углов падения излучения от визуальной оптической системы на дифракционную решетку, - angles of incidence of the radiation from the visual optical system onto the diffraction grating,

– материала волновода, на котором располагается дифракционная решетка,- the material of the waveguide on which the diffraction grating is located,

– требуемой величины области расширения выходного зрачка.- the required size of the area of expansion of the exit pupil.

Необходимо заметить, что функционал дифракционной решетки определяется:It should be noted that the functional of the diffraction grating is determined by:

– для голографического способа записи конфигурацией схемы записи, пространственным расположением источников записи относительно друг друга и соотношением мощностей их излучения;- for the holographic recording method by the configuration of the recording circuit, the spatial arrangement of the recording sources relative to each other and the ratio of their radiation powers;

– для литографического способа записи заранее известной структурой дифракционной решетки, определенной из моделирования и расчета. - for the lithographic method of recording a previously known structure of the diffraction grating, determined from modeling and calculation.

Согласно предварительному теоретическому и компьютерному моделированию параметры решетки и волновода должны оказаться согласованными, чтобы совокупность этих элементов работала на расширение области выходного зрачка.According to preliminary theoretical and computer modeling, the lattice and waveguide parameters must be consistent so that the combination of these elements works to expand the area of the exit pupil.

То есть, для системы расширения области выходного зрачка параметры дифракционной решетки рассчитываются таким образом, чтобы существовало только три порядка дифракции «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый), и чтобы эти порядки дифракции распространялись в материале волновода с минимум одним отражением от поверхности волновода в условии полного внутреннего отражения (ПВО), исключая нулевой порядок дифракции. Излучение, содержащееся в нулевом порядке, претерпевает преломление на границе материала волновода и воздуха и выходит из расширителя.That is, for the system of expansion of the exit pupil area, the diffraction grating parameters are calculated so that there are only three diffraction orders “0” (zero), “–1” (minus the first) and “+1” (first), and that these orders diffraction propagated in the material of the waveguide with at least one reflection from the surface of the waveguide under the condition of total internal reflection (TIR), excluding the zero diffraction order. Radiation contained in the zeroth order undergoes refraction at the boundary of the waveguide material and air and leaves the expander.

Ключевым элементом предлагаемой системы расширения области выходного зрачка является волновод, позволяющий получить волноводный режим распространения падающего излучения. Достижение волноводного режима заключается в соблюдении условия, при котором угол падающего излучения от «–1» и «+1» порядков дифракции равен или больше угла полного внутреннего отражения (ПВО). Существует зависимость между параметрами волновода и его функционалом, в лучшем исполнении волновод должен быть тонким, чтобы излучение, выходящее из него, располагалось однородно, тогда область расширения выходного зрачка будет более однородной.A key element of the proposed system for expanding the area of the exit pupil is the waveguide, which allows to obtain a waveguide mode of propagation of incident radiation. Achieving the waveguide regime consists in observing the condition under which the angle of incident radiation from “–1” and “+1” diffraction orders is equal to or greater than the angle of total internal reflection (TIR). There is a relationship between the parameters of the waveguide and its functional; in the best version, the waveguide should be thin so that the radiation emerging from it is uniform, then the area of expansion of the exit pupil will be more uniform.

Таким образом, чтобы получилось свойство расширения области выходного зрачка, параметры волновода и дифракционной решетки должны быть согласованы, чтобы получилось такое новое свойство расширения диапазона выходного зрачка. Thus, in order to obtain the property of expanding the area of the exit pupil, the parameters of the waveguide and the diffraction grating must be consistent in order to obtain such a new property of expanding the range of the exit pupil.

Из уровня техники хорошо известны методы создания дифракционных решеток, например, рельефные дифракционные решетки наносятся травлением через маски или наноимпринтингом, голографические дифракционные решетки записываются интерференционной картиной и т.п.Methods for creating diffraction gratings are well known in the art, for example, relief diffraction gratings are applied by etching through masks or nanoimprinting, holographic diffraction gratings are recorded by an interference pattern, etc.

В настоящем изобретении может использоваться как планарный волновод, так и не планарный волновод, на котором записана/нанесена дифракционная решетка.In the present invention, both a planar waveguide and a non-planar waveguide on which a diffraction grating is recorded / applied can be used.

Необходимо отметить, что дифракционная решетка в общем случае выполняется на волноводе при изготовлении системы расширения области выходного зрачка. Для получения эффекта, состоящего в мультипликации падающих на такую систему лучей без изменения их свойств, параметры дифракционной решетки и волновода должны быть согласованы при изготовлении. Запись происходит на подложке, на которую нанесен фоторезистивный материал. Данная подложка может уже по сути выполнять функцию волновода, тогда решетка записывается сразу на подложке из нужного материала и нужной толщины, то есть рассчитанных под визуальную оптическую систему, в которой планируется использовать систему расширения области выходного зрачка, и параметры этой подложки согласованы с параметрами записываемой на ней дифракционной решетки. Либо после записи на фоторезистивном материале проявляют полученный рельеф решетки и копируют, перенося этот рельеф на фотополимер, по сути тонкую пленку. Далее фотополимер любым известным способом наносится на нужный волновод. При этом параметры волновода и решетки должны быть согласованы, как описано выше, что позволяет решить задачу расширения области выходного зрачка.It should be noted that the diffraction grating is generally performed on a waveguide in the manufacture of a system for expanding the area of the exit pupil. To obtain the effect of multiplying the rays incident on such a system without changing their properties, the parameters of the diffraction grating and the waveguide must be agreed upon during manufacture. Recording takes place on a substrate on which photoresistive material is applied. This substrate can already essentially perform the function of a waveguide, then the lattice is recorded immediately on the substrate from the desired material and the desired thickness, that is, designed for a visual optical system in which it is planned to use the expansion system of the exit pupil area, and the parameters of this substrate are consistent with the parameters recorded on her diffraction grating. Or, after recording on a photoresistive material, the resulting lattice relief is displayed and copied, transferring this relief to the photopolymer, essentially a thin film. Next, the photopolymer is applied in any known manner to the desired waveguide. In this case, the parameters of the waveguide and the grating should be consistent, as described above, which allows us to solve the problem of expanding the area of the exit pupil.

При изготовлении система расширения области выходного зрачка рассчитывается под определенные углы падения, определяемые апертурным углом визуальной оптической системы. Одна и та же система расширения области выходного зрачка может быть интегрирована и корректно работать в разных визуальных оптических системах, если апертурной угол этих визуальных оптических систем не превышает или равен апертурному углу, для которого был рассчитана система расширения области выходного зрачка, этим определяется универсальность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка. То есть у системы расширения области выходного зрачка есть угловой диапазон, в котором она может функционировать корректно. Этот диапазон – размер выходного апертурного угла визуальной оптической системы.In manufacturing, the system for expanding the area of the exit pupil is calculated for specific incidence angles determined by the aperture angle of the visual optical system. The same exit pupil area expansion system can be integrated and work correctly in different visual optical systems if the aperture angle of these visual optical systems does not exceed or equal the aperture angle for which the exit pupil area expansion system was calculated, this determines the universality of the proposed system expanding the area of the exit pupil. That is, the system for expanding the area of the exit pupil has an angular range in which it can function correctly. This range is the size of the output aperture angle of the visual optical system.

Пример. Example.

Система расширения области выходного зрачка была рассчитана для системы с апертурным углом 60°. Такая система расширения области выходного зрачка может быть также использована в системе с угловым полем меньше 60° (например, 40°). Но если у визуальной оптической системы поле больше 60°, то система расширения области выходного зрачка с апертурным углом 60° не может применятся в этой системе, так как она будет функционировать некорректно.The exit pupil expansion system was designed for a system with an aperture angle of 60 °. Such a system for expanding the area of the exit pupil can also be used in a system with an angular field of less than 60 ° (for example, 40 °). But if the visual optical system has a field greater than 60 °, then the system for expanding the area of the exit pupil with an aperture angle of 60 ° cannot be used in this system, since it will function incorrectly.

На фиг. 2a показан ход лучей в предлагаемой системе 5 расширения области выходного зрачка. На фиг. 2b показано применение системы 5 расширения области выходного зрачка для расширения области 7 (фиг. 2b) выходного зрачка визуальной оптической системы 2 (фиг. 2b). Излучение от визуальной оптической системы (на фигурах 2a и 2b для наглядности показан тонкий параллельный пучок a и тонкий параллельный пучок b), попав на дифракционную решетку 3 распространяется в трех направлениях, при этом формируются «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый) порядки дифракции. In FIG. 2a shows the course of the rays in the proposed system 5 to expand the area of the exit pupil. In FIG. 2b shows the use of the exit pupil region expansion system 5 for expanding the exit pupil region 7 (FIG. 2b) of the visual optical system 2 (FIG. 2b). The radiation from the visual optical system (Figs. 2a and 2b show a thin parallel beam a and a thin parallel beam b for clarity), hitting the diffraction grating 3 propagates in three directions, and “0” (zero), “–1” are formed ( minus the first) and “+1” (first) diffraction orders.

«0» порядок дифракции, пройдя волновод 4, полностью выходит из волновода 4 со стороны поверхности 6, противоположной поверхности, на которую нанесена дифракционная решетка 3, не отражаясь от поверхности 6, поскольку не удовлетворяет условию полного внутреннего отражения (ПВО). Набор «0» порядков дифракции от каждого параллельного пучка a и b собирается, как показано на фиг. 2b в области зрачка глаза 1a и, как показано на фиг. 2a, формирует 1–ю единицу выходного зрачка всей области 7 выходного зрачка, которая обведена на фиг. 2b окружностью и показана на фиг. 2a, как «1я единица». The “0” diffraction order, having passed through the waveguide 4, completely leaves the waveguide 4 from the side of the surface 6 opposite to the surface on which the diffraction grating 3 is deposited, without being reflected from the surface 6, since it does not satisfy the condition of total internal reflection (AA). A set of “0” diffraction orders from each parallel beam a and b is collected, as shown in FIG. 2b in the region of the pupil of the eye 1a and, as shown in FIG. 2a, forms the 1st unit of the exit pupil of the entire area 7 of the exit pupil, which is circled in FIG. 2b with a circle and shown in FIG. 2a, as the "1st unit."

Порядок дифракции «–1» проходит в волноводе 4 до поверхности 6, противоположной поверхности, на которую нанесена дифракционная решетка 3 и, за счет полного внутреннего отражения (ПВО) отражается от поверхности 6, проходит через волновод 4 обратно к дифракционной решетке 3, поскольку удовлетворяет условию ПВО. Попадая на дифракционную решетку 3 порядок дифракции «–1» делится на части. Здесь необходимо заметить, что, как указывалось выше, дифракционная решетка рассчитана таким образом, что при падении на нее луча под некоторым углом γ, этот луч раскладывается на три порядка дифракции, то есть «0» – выходит из волновода, «+1» и «–1» – отклоняются на угол α внутри волновода и пройдя волновод излучение от «+1» и «–1» порядков падает на ту же самую дифракционную решетку под углом α, следовательно, согласно свойствам дифракционной решетки, она отклонит падающий под углом α луч, на угол γ, при этом других порядков в случае падения под углом α на решетку не будет. То есть происходит распределенное взаимодействие излучения с дифракционной решеткой, что характерно для волноводного режима распространения. Выходные лучи при таком взаимодействии в точности соответствуют падающим лучам, то есть пространственно на выходе системы получаются те же самые волны, что были на входе системы. Итак, одна часть порядка дифракции «–1» откланяется от дифракционной решетки 3 и для этой части нарушается условие ПВО, поэтому эта часть выходит со стороны поверхности 6. Эта вышедшая из волновода 4 часть излучения будет участвовать в формировании 2–ой единицы выходного зрачка. Другая часть порядка дифракции «–1» дифрагирует на дифракционной решетке 3 и излучение продолжает распространяться в волноводе, как видно на фигуре 2a. После второго отражения от поверхности 6 часть излучения опять дифрагирует на дифракционной решетке, опять нарушается условие ПВО, и следующая вышедшая часть излучения будет участвовать в формировании 4–ой единицы выходного зрачка (на фигуре 2b не показана). Это же справедливо и для порядка «+1», из которого формируется, в частности 3–я единица выходного зрачка, как показано на фиг. 2a и 2b.The diffraction order “–1” passes in the waveguide 4 to the surface 6 opposite to the surface on which the diffraction grating 3 is deposited and, due to total internal reflection (IR), is reflected from the surface 6, passes through the waveguide 4 back to the diffraction grating 3, since it satisfies air defense condition. Once on the diffraction grating 3, the diffraction order “–1” is divided into parts. It should be noted here that, as mentioned above, the diffraction grating is designed in such a way that when a beam is incident on it at a certain angle γ, this beam is decomposed into three diffraction orders, that is, “0” leaves the waveguide, “+1” and “–1” - they are deflected by an angle α inside the waveguide and after passing the waveguide the radiation from “+1” and “–1” orders of magnitude falls on the same diffraction grating at an angle α, therefore, according to the properties of the diffraction grating, it will deflect incident at an angle α beam, at an angle γ, while there will be no other orders in the case of incidence at an angle α on the lattice. That is, a distributed interaction of radiation with a diffraction grating occurs, which is characteristic of the waveguide propagation mode. The output rays in this interaction exactly correspond to the incident rays, that is, spatially at the output of the system the same waves are obtained that were at the input of the system. So, one part of the diffraction order “–1” departs from the diffraction grating 3 and for this part the air defense condition is violated, therefore this part extends from the side of surface 6. This part of the radiation emerging from the waveguide 4 will participate in the formation of the second unit of the exit pupil. The other part of the diffraction order “–1” diffracts on the grating 3 and the radiation continues to propagate in the waveguide, as can be seen in figure 2a. After the second reflection from surface 6, part of the radiation is again diffracted by the diffraction grating, the air defense condition is again violated, and the next emerging part of the radiation will participate in the formation of the 4th unit of the exit pupil (not shown in figure 2b). The same is true for the order “+1”, from which, in particular, the 3rd unit of the exit pupil is formed, as shown in FIG. 2a and 2b.

Как видно из фиг. 2b область 7 выходного зрачка (для наглядности обведена окружностью) представляет собой совокупность единиц выходного зрачка. Количество единиц выходного зрачка может быть любым необходимым для используемого устройства. Количество единиц выходного зрачка подбирается в зависимости от As can be seen from FIG. 2b, the exit pupil region 7 (circled for clarity) is a set of exit pupil units. The number of exit pupil units may be any necessary for the device used. The number of exit pupil units is selected depending on

а) величины получаемой единицы зрачка без системы расширения области выходного зрачка; a) the value of the obtained pupil unit without a system for expanding the area of the exit pupil;

б) требуемой величины области выходного зрачка для корректной эксплуатации визуальной оптической системы. b) the required area of the exit pupil for the correct operation of the visual optical system.

Таким образом, изменением параметров дифракционной решетки и волновода, то есть, параметров системы расширения области выходного зрачка, можно добиться необходимого числа единиц выходного зрачка для необходимого увеличения (расширения) области выходного зрачка. Thus, by changing the parameters of the diffraction grating and the waveguide, that is, the parameters of the system for expanding the area of the exit pupil, it is possible to achieve the required number of units of the exit pupil for the necessary increase (expansion) of the area of the exit pupil .

Количество единиц выходного зрачка (степени мультипликации) регулируется толщиной волновода и углами дифракции. Расстояние между единицами выходного зрачка определяется толщиной, материалом волновода. Интенсивность излучения в каждой единице области расширения выходного зрачка зависит от дифракционной интенсивности решетки. Правильно рассчитанная и смоделированная система расширения области выходного зрачка позволяет получить заранее определенное количество единиц выходного зрачка. Таким образом можно регулировать степень мультипликации уже на этапе изготовления системы расширения области выходного зрачка.The number of exit pupil units (the degree of animation) is governed by the thickness of the waveguide and the diffraction angles. The distance between the units of the exit pupil is determined by the thickness, the material of the waveguide. The radiation intensity in each unit of the area of expansion of the exit pupil depends on the diffraction intensity of the grating. A correctly calculated and simulated system for expanding the area of the exit pupil allows you to get a predetermined number of units of the exit pupil. Thus, it is possible to control the degree of animation already at the stage of manufacturing a system for expanding the area of the exit pupil.

Материалами волновода для предлагаемой системы расширения области выходного зрачка могут служить, например, оптическое бесцветное стекло, показатель преломления которого выбирается в зависимости от того, какое количество единиц выходного зрачка нужно получить, чем выше показатель преломления (флинтовые марки стекла), тем больше угол ПВО, тем дальше друг от друга будут разнесены единицы выходного зрачка. Чем ниже показатель преломления (кроновые марки стекла), тем меньше угол ПВО, тем ближе друг к другу будут расположены единицы выходного зрачка).The waveguide materials for the proposed system for expanding the area of the exit pupil can be, for example, optical colorless glass, the refractive index of which is selected depending on how many units of the exit pupil you need to get, the higher the refractive index (flint grades of glass), the greater the angle of air defense, the further apart the exit pupil units will be spaced apart. The lower the refractive index (crown grades of glass), the smaller the angle of defense, the closer the exit pupil units will be located to each other).

Описанный принцип распространения излучения соблюдается для каждого отдельного тонкого параллельного пучка излучения (пучки a и b на фигурах 2a и 2b), падающего на предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка. The described principle of radiation propagation is observed for each individual thin parallel beam of radiation (beams a and b in figures 2a and 2b) incident on the proposed system 5 to expand the area of the exit pupil.

Необходимо заметить, что предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка не чувствительна к смещениям (на фиг. 2b смещение обозначено, как «var») относительно визуальной оптической системы 2 и повороту относительно оптической оси 8 (оси визирования), поскольку изменение расстояния «var» не влияет на углы падения излучения от визуальной оптической системы 2 на систему 5 расширения области выходного зрачка, а именно от упомянутых углов зависит дальнейшее поведение излучения в расширителе – дифракция на решетке. С другой стороны, визуальные оптические системы, в которые интегрируется система расширения области выходного зрачка, формируют изображение на бесконечности, Вращение вокруг оптической оси также не влияет на упомянутые углы падения. Параметры системы расширения области выходного зрачка рассчитываются под углы падения, которые определяет визуальная оптическая система, эти углы находятся в диапазоне апертурного угла.It should be noted that the proposed system 5 of expanding the area of the exit pupil is not sensitive to displacements (in Fig. 2b, the offset is indicated as “var”) relative to the visual optical system 2 and to rotation relative to the optical axis 8 (sight axis), since the change in distance is “var” does not affect the angles of incidence of the radiation from the visual optical system 2 to the system 5 of expansion of the exit pupil area, namely, the further behavior of the radiation in the expander — diffraction by the grating — depends on the mentioned angles. On the other hand, visual optical systems, into which the system of expanding the exit pupil area is integrated, form an image at infinity. Rotation around the optical axis also does not affect the mentioned angles of incidence. The parameters of the system for expanding the area of the exit pupil are calculated at the angles of incidence, which are determined by the visual optical system, these angles are in the range of the aperture angle.

Расширение (мультиплицирование или повторение) области выходного зрачка в самом общем случае происходит следующим образом (показано на фиг. 2b). Объект рассматривается с помощью визуальной оптической системы 2, например, такой как устройство дополненной реальности, или окуляр микроскопа, телескопа, прицела и т.п., причем изображение объекта направляется в глаз 1, на сетчатке которого строится изображение этого предмета. То есть, параллельный пучок лучей, отраженных от объекта, проходит визуальную оптическую систему 2 и, попадая в зрачок 1a, фокусируется на сетчатке глаза 1. Для расширения области выходного зрачка визуальной оптической системы 2 на выходе визуальной оптической системы 2 по ходу параллельного пучка лучей устанавливается предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка, которая делит параллельный пучок лучей на по меньшей мере два параллельных пучка лучей, каждый из которых участвует в формировании отдельной единицы выходного зрачка, тем самым увеличивая (расширяя) область выходного зрачка визуальной оптической системы 2. The expansion (multiplication or repetition) of the area of the exit pupil in the most general case occurs as follows (shown in Fig. 2b). An object is examined using a visual optical system 2, for example, such as an augmented reality device, or the eyepiece of a microscope, telescope, sight, etc., whereby the image of the object is directed to the eye 1, on the retina of which an image of this object is built. That is, a parallel beam of rays reflected from the object passes through the visual optical system 2 and, getting into the pupil 1a, focuses on the retina 1. To expand the area of the exit pupil of the visual optical system 2, the output of the visual optical system 2 is set along the parallel beam of rays the proposed system 5 of expanding the area of the exit pupil, which divides the parallel beam of rays into at least two parallel beam of rays, each of which is involved in the formation of a separate unit of the exit pupil, thereby increasing (expanding) the area of the exit pupil of the visual optical system 2.

Предлагаемая система расширения области выходного зрачка может применяться с оптическими приборами (визуальными оптическими системами), которые строят изображение в пределах от расстояния наилучшего зрения до бесконечности. На фиг. 2b показана предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка, интегрированная в визуальную оптическую систему 2. The proposed system for expanding the area of the exit pupil can be used with optical devices (visual optical systems) that build an image ranging from the distance of the best view to infinity. In FIG. 2b shows the proposed exit pupil area expansion system 5 integrated into the visual optical system 2.

Преимущество волноводного режима состоит в том, что потери излучения, распространяющегося в волноводе очень малы. Таким образом, поскольку в предлагаемой системе дифракционная решетка используется как для ввода, так и для вывода излучения и используется волноводный режим, то потери излучения сводятся к практически нулю, то есть все излучение от визуальной оптической системы участвует в формировании единиц выходного зрачка, составляющих область выходного зрачка. Кроме того, на выходе визуальной оптической системы должен быть параллельный пучок, так как приемником излучения является глаз. В глаз должен попадать параллельный пучок, который фокусируется хрусталиком (по сути собирающей линзой) на сетчатку, и человек четко видит объект. Если на выходе визуальной оптической системы образуется не параллельный пучок, изображение на сетчатке глаза будет размыто. То есть изображение будет построено не на сетчатке глаза, а перед сетчаткой глаза или за сетчаткой глаза. После прохождения излучения в виде параллельных пучков от визуальной оптической системы через предлагаемую систему расширения области выходного зрачка пучки излучения остаются параллельными.The advantage of the waveguide mode is that the loss of radiation propagating in the waveguide is very small. Thus, since the diffraction grating in the proposed system is used both for input and output of radiation and the waveguide mode is used, the radiation loss is reduced to almost zero, i.e., all radiation from the visual optical system is involved in the formation of exit pupil units that make up the exit pupil area pupil. In addition, there should be a parallel beam at the output of the visual optical system, since the eye is the radiation receiver. A parallel beam should enter the eye, which is focused by the lens (essentially a collecting lens) on the retina, and the person clearly sees the object. If a non-parallel beam is formed at the output of the visual optical system, the image on the retina of the eye will be blurred. That is, the image will not be built on the retina, but in front of the retina or behind the retina. After radiation in the form of parallel beams from the visual optical system passes through the proposed system for expanding the area of the exit pupil, the radiation beams remain parallel.

Предлагаемая система 5 расширения области выходного зрачка может быть использована для визуальных систем, использующих как моноспектральное излучение, так и многоспектральное излучение, которое формирует цветное изображение, поскольку используется одна дифракционная решетка на ввод излучения внутрь волновода и на вывод излучения из волновода, и выполняются условия волноводного режима. То есть входное и выходное излучения, как описано выше, согласованы, т.е. что было на входе мультиплицируется, не меняя своих свойств. The proposed system 5 of expanding the area of the exit pupil can be used for visual systems that use both monospectral radiation and multispectral radiation, which forms a color image, since one diffraction grating is used to input radiation into the waveguide and to output radiation from the waveguide, and the conditions of the waveguide mode. That is, the input and output radiation, as described above, are consistent, i.e. what was input is multiplied without changing its properties.

Необходимо отметить, что предлагаемая система расширения области выходного зрачка может работать как на просвет, как описано выше и показано на фиг. 2b, так и на отражение. It should be noted that the proposed system for expanding the area of the exit pupil can operate as a lumen, as described above and shown in FIG. 2b and reflection.

На фиг. 2c схематично показана работа системы 5 расширения области выходного зрачка на отражение отражательной дифракционной решетки. Принцип работы состоит в следующем:In FIG. 2c schematically shows the operation of the system 5 of expanding the area of the exit pupil to reflect the diffraction grating. The principle of operation is as follows:

Входное излучение (параллельный пучок лучей) от визуальной оптической системы 2 падает на поверхность 6 волновода 4, противоположную поверхности волновода 4, на которую нанесена дифракционная решетка 3.The input radiation (parallel beam of rays) from the visual optical system 2 falls on the surface 6 of the waveguide 4, opposite the surface of the waveguide 4, on which the diffraction grating 3 is deposited.

Преломленный в волноводе 4 параллельный пучок лучей падает под углом на дифракционную решетку 3 отражательного типа.Refracted in the waveguide 4, a parallel beam of rays falls at an angle on the diffraction grating 3 of the reflective type.

Пучок лучей, попав на отражательную дифракционную решетку 3, распространяется в трех направлениях, при этом формируются «0» (нулевой), «–1» (минус первый) и «+1» (первый) порядки дифракции.A beam of rays hitting a reflective diffraction grating 3 propagates in three directions, while “0” (zero), “–1” (minus the first), and “+1” (first) diffraction orders are formed.

«0» порядок дифракции, пройдя волновод 4, полностью выходит из волновода 4 со стороны поверхности 6, не отражаясь, поскольку не удовлетворяет условию полного внутреннего отражения (ПВО).The “0” diffraction order, having passed through the waveguide 4, completely leaves the waveguide 4 from the side of the surface 6, without being reflected, since it does not satisfy the condition of total internal reflection (TIR).

Набор «0» порядков дифракции от каждого параллельного пучка излучения собирается в области зрачка глаза 1a и формирует 1–ю единицу выходного зрачка всей области выходного зрачка (аналогично работе системы на просвет).A set of “0” diffraction orders from each parallel beam of radiation is collected in the region of the pupil of the eye 1a and forms the 1st unit of the exit pupil of the entire region of the exit pupil (similar to the system’s work in the light).

«+1» и «–1» порядки дифракции удовлетворяют условию ПВО и распространяются в волноводном режиме (как было описано для системы, работающей на просвет). “+1” and “–1” diffraction orders satisfy the air defense condition and propagate in the waveguide mode (as was described for a system operating in transmission).

После первого отражения от поверхности 6 волновода 4, части излучения от «+1» и «–1» порядков дифракции снова попадают на дифракционную решетку 3, условие ПВО нарушается, и вышедшие из волновода 4 пучки излучения участвуют в формировании дополнительных единиц выходного зрачка. При этом часть излучения от этих порядков продолжает распространение в волноводе 4.After the first reflection from the surface 6 of the waveguide 4, parts of the radiation from the “+1” and “–1” diffraction orders again fall on the diffraction grating 3, the air defense condition is violated, and the radiation beams emerging from the waveguide 4 participate in the formation of additional units of the exit pupil. In this case, part of the radiation from these orders continues to propagate in waveguide 4.

После второго отражения от поверхности волновода 6 часть излучения снова попадает на дифракционную решетку 3, условие ПВО нарушается, и вышедшие из волновода 4 пучки участвуют в формировании дополнительных единиц выходного зрачка (как это было описано для работы системы на просвет). Часть продолжает распространение по волноводу 4.After the second reflection from the surface of the waveguide 6, part of the radiation again falls on the diffraction grating 3, the air defense condition is violated, and the beams emerging from the waveguide 4 participate in the formation of additional units of the exit pupil (as was described for the system to work in the light). Part continues to propagate along waveguide 4.

Также, как и для работы системы расширения области выходного зрачка на просвет, область выходного зрачка представляет собой совокупность единиц выходного зрачка. Как было указано выше, количество единиц выходного зрачка может быть любым, то есть, таким, которое необходимо для используемой визуальной оптической системы, что позволяет регулировать степень мультипликации. Как видно принцип распространения излучения в системе расширения области выходного зрачка, в которой используется дифракционная решетка отражательного типа, аналогичен принципу распространения, рассмотренному выше и показанному на фигурах 2a и 2b, где использовалась дифракционная решетка, работающая на просвет, отличие заключается лишь в ориентации системы расширения области выходного зрачка по ходу лучей визуальной оптической системы. В случае использования дифракционной решетки, работающей на просвет, излучение сначала проходит через дифракционную решетку 3, и область выходного зрачка формируется за системой 5 расширения области выходного зрачка (см. фиг. 2b). В случае использования отражательной дифракционной решетки 3 излучение сначала проходит через волновод 4, преломляясь, и попадает на дифракционную решетку 3, а область выходного зрачка формируется перед системой 5 расширения области выходного зрачка (см. фиг. 2с). As well as for the operation of the system for expanding the area of the exit pupil into the lumen, the area of the exit pupil is a set of units of the exit pupil. As mentioned above, the number of units of the exit pupil can be any, that is, one that is necessary for the used visual optical system, which allows you to adjust the degree of animation. As you can see the principle of radiation propagation in the expansion system of the area of the exit pupil, which uses a reflective diffraction grating, is similar to the propagation principle discussed above and shown in figures 2a and 2b, where a diffraction grating operating in light was used, the only difference is in the orientation of the expansion system areas of the exit pupil along the rays of the visual optical system. In the case of the use of a diffraction grating operating in the light, the radiation first passes through the diffraction grating 3, and the region of the exit pupil is formed behind the system 5 of expansion of the region of the exit pupil (see Fig. 2b). In the case of using a reflective diffraction grating 3, the radiation first passes through the waveguide 4, refracting, and enters the diffraction grating 3, and the exit pupil region is formed in front of the exit pupil expansion system 5 (see Fig. 2c).

Проведенные эксперименты показывают, что благодаря применению предлагаемой системы расширения области выходного зрачка для визуальной оптической системы область выходного зрачка можно увеличить более чем в пять раз по сравнению с областью выходного зрачка визуальной оптической системы, в которой не применялась предлагаемая система расширения области выходного зрачка, при этом величина поля зрения визуальной оптической системы не уменьшается. Кроме того, поскольку в предлагаемой системе расширения области выходного зрачка излучение распространяется на очень короткие расстояния в волноводе, то потери энергии излучения минимальны.The experiments show that due to the application of the proposed exit pupil area expansion system for the visual optical system, the exit pupil area can be increased by more than five times in comparison with the exit pupil area of the visual optical system, in which the proposed exit pupil area expansion system was not used. the field of view of the visual optical system does not decrease. In addition, since in the proposed system for expanding the region of the exit pupil, the radiation propagates over very short distances in the waveguide, the radiation energy loss is minimal.

Высокая дифракционная эффективность предлагаемой системы расширения области выходного зрачка позволяет выполнить однородное заполнение области 7 выходного зрачка. The high diffraction efficiency of the proposed system for expanding the area of the exit pupil allows you to perform a uniform filling of the area 7 of the exit pupil.

На Фиг. 3a показано неоднородное (дискретное) заполнение области 7 выходного зрачка. При таком заполнении области 7 выходного зрачка параллельными пучками 9, прошедшими визуальную оптическую систему 2 образуются «слепые зоны» 10, то есть зоны, при попадании в которые глаз не увидит границы отдельных единиц области выходного зрачка, так как в данной зоне отсутствует единица выходного зрачка. Дискретность области выходного зрачка зависит от двух параметров:In FIG. 3a shows a non-uniform (discrete) filling of the exit pupil region 7. With such filling of the exit pupil region 7 with parallel beams 9 that have passed through the visual optical system 2, “blind zones” 10 are formed, that is, zones where the eye does not see the boundaries of individual units of the exit pupil region, since there is no exit pupil unit in this zone . The resolution of the exit pupil area depends on two parameters:

– от угла дифракции дифракционной решетки 3 (то есть угла ввода излучения в волновод) и- from the diffraction angle of the diffraction grating 3 (i.e., the angle of input of radiation into the waveguide) and

– от толщины и материала волновода (то есть от угла полного внутреннего отражения).- from the thickness and material of the waveguide (that is, from the angle of total internal reflection).

Комбинацией этих двух параметров можно регулировать повторяемость отражений в волноводе 4 и в конечном счете влиять на степень дискретности. Как показано на фиг. 3b, когда единиц выходного зрачка достаточно много, то есть, когда происходит заполнение области 7 выходного зрачка совокупностью единиц 11 выходного зрачка, дискретность пропадает, и область выходного зрачка становиться однородной. By combining these two parameters, one can control the frequency of reflections in waveguide 4 and ultimately influence the degree of discreteness. As shown in FIG. 3b, when there are a lot of exit pupil units, that is, when the exit pupil region 7 is filled with a set of exit pupil units 11, the discreteness disappears, and the exit pupil region becomes homogeneous.

Для того, чтобы изображение было однородным, энергия излучения в каждой единице выходного зрачка должна быть одинаковой, иначе в одном положении глаз будет видеть очень яркое изображение, а в другом положении глаз будет видеть очень тусклое изображение.In order for the image to be uniform, the radiation energy in each unit of the exit pupil must be the same, otherwise in one position the eye will see a very bright image, and in another position the eye will see a very dim image.

Выравнивание энергии излучения в каждой единице выходного зрачка достигается путем оптимизации параметров дифракционной решетки 3, для этого при изготовлении подбирают период дифракционной решетки таким образом, чтобы лучи на входе системы расширения области выходного зрачка и на выходе из нее были согласованы, при этом высота рельефа решетки подбирается таким образом, чтобы каждая единица выходного зрачка была равнояркой и одномерной. Система расширения области выходного зрачка имеет угловой диапазон, в котором она может функционировать корректно. Этот диапазон – размер выходного углового поля визуальной системы.Equalization of the radiation energy in each unit of the exit pupil is achieved by optimizing the parameters of the diffraction grating 3, for this, during the manufacturing, the period of the diffraction grating is selected so that the rays at the entrance to the expansion system of the area of the exit pupil and at the exit from it are matched, while the height of the relief of the grating is selected so that each unit of the exit pupil is uniformly bright and one-dimensional. The system for expanding the area of the exit pupil has an angular range in which it can function correctly. This range is the size of the output angular field of the visual system.

Пример. Example.

Система расширения области выходного зрачка рассчитана для визуальной оптической системы с угловым выходным полем 60°. Такая система расширения области выходного зрачка может быть также использована в системе с угловым полем меньше 60° (например, 40°). Но если у визуальной оптической системы поле больше 60° рассматриваемая система расширения области выходного зрачка уже не может применятся в такой системе, так как система расширения области выходного зрачка в этом случае будет функционировать некорректно.The system of dilating the area of the exit pupil is designed for a visual optical system with an angular exit field of 60 °. Such a system for expanding the area of the exit pupil can also be used in a system with an angular field of less than 60 ° (for example, 40 °). But if the visual optical system has a field greater than 60 °, the considered system of expanding the area of the exit pupil can no longer be applied in such a system, since the system of expanding the area of the exit pupil in this case will not function correctly.

На фигуре 4 показана пространственная схема устройства дополненной реальности, в которой используется предлагаемая система расширения области выходного зрачка.The figure 4 shows a spatial diagram of the device of augmented reality, which uses the proposed system to expand the area of the exit pupil.

Излучение от источника F изображения попадает на комбайнер 12, объединяющий изображение окружающей среды и изображение, созданное источника F изображения (например, внутренним дисплеем). Комбайнер 12 формирует величину поля зрения устройства дополненной реальности и перенаправляет излучение на систему 5 расширения области 7 выходного зрачка. Система 5 расширения области выходного зрачка расширяет область 7 выходного зрачка устройства дополненной реальности, как описано выше. Необходимо отметить, что различные зоны (a, b, c, d на фиг. 4) системы 5 расширения области выходного зрачка перенаправляют излучение в глаз 1 под различными углами, полностью и однородно заполняя область 7 выходного зрачка совокупностью единиц 11 выходного зрачка, полученной за счет прохождения излучения системы дополненной реальности через предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка. В данном случае система 5 расширения области выходного зрачка для устройства дополненной реальности является двумерной, поскольку используется двумерная дифракционная решетка, то есть расширение области выходного зрачка возможно в двух взаимоперпендикулярных направлениях, но в одной плоскости.The radiation from the source F of the image falls on the combiner 12, combining the image of the environment and the image created by the source F of the image (for example, an internal display). The combiner 12 forms the magnitude of the field of view of the augmented reality device and redirects the radiation to the expansion system 5 of the exit pupil region 7. The exit pupil region expansion system 5 expands the exit pupil region 7 of the augmented reality device as described above. It should be noted that the various zones (a, b, c, d in Fig. 4) of the exit pupil area expansion system 5 redirect the radiation into the eye 1 at various angles, completely and uniformly filling the exit pupil region 7 with the totality of exit pupil units 11 obtained for due to the passage of radiation from the augmented reality system through the proposed system 5 of expanding the area of the exit pupil. In this case, the system of expanding the area of the exit pupil for the augmented reality device is two-dimensional, since a two-dimensional diffraction grating is used, that is, the expansion of the area of the exit pupil is possible in two mutually perpendicular directions, but in the same plane.

Известно, что комбайнеры на основе голографического оптического элемента (HOE комбайнер) имеют малую область выходного зрачка, поэтому для расширения области выходного зрачка такого комбайнера полезно использовать предлагаемую систему 5 расширения области выходного зрачка.It is known that combiners based on a holographic optical element (HOE combiner) have a small exit pupil area, therefore, to expand the exit pupil area of such a combiner, it is useful to use the proposed exit pupil area expansion system 5.

На фигурах 5a и 5b показана интеграция системы 5 расширения области выходного зрачка в устройство очков дополненной реальности с HOE–комбайнером (объединителем) 13. Figures 5a and 5b show the integration of the system 5 of expanding the area of the exit pupil into the device of augmented reality glasses with a HOE-combiner (combiner) 13.

На фигуре 5a изображен НОЕ–комбайнер 13, работающий на просвет. Изображение строится за НОЕ–комбайнером 13, то есть со стороны противоположной той, с которой НОЕ–комбайнер 13 подсвечивают. Система 5 расширения области выходного зрачка устанавливается за НОЕ–комбайнером 13, который находится ближе к глазу 1. Излучение от источника изображения F попадает на НОЕ–комбайнер 13, и поле зрения системы формируется наклонными параллельными пучками, далее пучки попадают в систему 5 расширения области выходного зрачка, идет формирование дополнительных единиц выходного зрачка, как описано выше. Лучи проходят второй раз через НОЕ–комбайнер 13 без взаимодействия с НОЕ–комбайнером 13, при этом НОЕ–комбайнер 13 не влияет на ход этих уже мультиплицированных лучей.Figure 5a shows a NOE-combiner 13 operating in light. The image is built behind the NOE-combiner 13, that is, from the opposite side with which the NOE-combiner 13 is highlighted. The exit pupil area expansion system 5 is installed behind the NOE-combiner 13, which is closer to the eye 1. The radiation from the image source F is incident on the NOE-combiner 13, and the field of view of the system is formed by inclined parallel beams, then the beams fall into the output area expansion system 5 pupil, there is the formation of additional units of the exit pupil, as described above. The rays pass a second time through the NOE-combiner 13 without interacting with the NOE-combiner 13, while the NOE-combiner 13 does not affect the course of these already multiplied rays.

На фигуре 5b изображен НОЕ–комбайнер 13, работающий на отражение, то есть изображение строится перед НОЕ–комбайнером 13, с той же стороны что и подсветка НОЕ–комбайнера 13. В этом случае система 5 расширения области выходного зрачка устанавливается перед НОЕ–комбайнером 13, и при этом система расширения области выходного зрачка находится ближе к глазу 1 Также НОЕ–комбайнер 13 сначала формирует поле зрения, затем происходит расширение области выходного зрачка с помощью системы 5 расширения области выходного зрачка за счет образование дополнительных единицу выходного зрачка.Figure 5b shows a NOE-combiner 13 operating on reflection, that is, the image is built in front of the NOE-combiner 13, on the same side as the backlight of the NOE-combiner 13. In this case, the system 5 to expand the area of the exit pupil is installed in front of the NOE-combiner 13 and at the same time, the exit pupil area expansion system is closer to the eye 1 Also, the NOE-combiner 13 first forms a field of view, then the exit pupil area is expanded using the exit pupil area expansion system 5 due to the formation of an additional exit pupil unit.

Поскольку предлагаемая система расширения области выходного зрачка имеет компактные размеры, то ее легко интегрировать в устройство дополненной реальности, практически не изменив при этом габаритные размеры и вес устройства дополненной реальности.Since the proposed system for expanding the area of the exit pupil has compact dimensions, it is easy to integrate it into an augmented reality device, practically without changing the overall dimensions and weight of the augmented reality device.

В случае использования одномерной дифракционной решетки, как показано на фигуре 6 в системе расширения области выходного зрачка, излучение от визуальной оптической системы 2 попадает на одномерную дифракционную решетку 3 и дифрагирует на ней. Прошедший и дифрагированные лучи лежат в одной плоскости. Как описано выше «0» порядок дифракции проходит, «+1» и «–1» порядки дифракции распространяются по направлению оси Х по волноводу 4 за счет явления ПВО, снова попадают на дифракционную решетку 3, нарушается условие ПВО, и лучи выходят из системы 5 расширения области выходного зрачка, формируя дополнительные единицы выходного зрачка вдоль одной оси Х, то есть область 7 выходного зрачка визуальной оптической системы расширяется только в одном направлении.In the case of using a one-dimensional diffraction grating, as shown in FIG. 6 in the system for expanding the area of the exit pupil, the radiation from the visual optical system 2 enters and diffracts onto the one-dimensional diffraction grating 3. Passed and diffracted rays lie in the same plane. As described above, “0” the diffraction order passes, “+1” and “–1” diffraction orders propagate along the X axis along the waveguide 4 due to the ADR phenomenon, again fall on the diffraction grating 3, the ADR condition is violated, and the rays exit the system 5 of the expansion of the exit pupil region, forming additional units of the exit pupil along one X axis, that is, the exit pupil region 7 of the visual optical system expands in only one direction.

В отличие от одномерной дифракционной решетки в двумерной дифракционной решетке штрихи нанесены в двух ортогональных направлениях. В случае использования двумерной дифракционной решетки в системе расширения области выходного зрачка, как показано на фигуре 7, излучение от визуальной оптической системы 2 попадает на двумерную дифракционную решетку 3 и дифрагирует на ней в двух направлениях (по Х и по У). Дальше повторяется принцип работы, как и для одномерной дифракционной решетки, только расширение области 7 выходного зрачка происходит по двум направлениям, и область 7 выходного зрачка расширяется не по одной координате, а по двум.Unlike a one-dimensional diffraction grating, in a two-dimensional diffraction grating, strokes are plotted in two orthogonal directions. In the case of using a two-dimensional diffraction grating in the expansion system of the exit pupil area, as shown in FIG. 7, the radiation from the visual optical system 2 enters the two-dimensional diffraction grating 3 and diffracts on it in two directions (along X and Y). The principle of operation is further repeated, as for a one-dimensional diffraction grating, only the expansion of the exit pupil region 7 occurs in two directions, and the exit pupil region 7 expands not in one coordinate, but in two.

В одном из вариантов воплощения изобретения, как показано на фиг. 8 дифракционная решетка 3 может быть расположена внутри волновода 4. В этом случае излучение дифрагирует на дифракционной решетке 3, расположенной внутри волновода 4, и разделяется на две части. Одна часть излучения распространяется в части a волновода 4, расположенной по ходу лучей после дифракционной решетки 3, далее снова попадает на дифракционную решетку 3, нарушается условие ПВО, излучение выходит из системы 5, и формируются единицы выходного зрачка, также как и в случае расположения дифракционной решетки 3 на поверхности волновода 4. Другая часть излучения также испытывает дифракцию на дифракционной решетке 3, но распространяется в части b волновода, расположенной по ходу лучей до дифракционной решетки 3, затем снова дифрагирует на дифракционной решетке 3, и формируются дополнительные единицы выходного зрачка, позволяющие более однородно заполнить область 7 выходного зрачка.In one embodiment, as shown in FIG. 8, the diffraction grating 3 can be located inside the waveguide 4. In this case, the radiation diffracts on the diffraction grating 3 located inside the waveguide 4, and is divided into two parts. One part of the radiation propagates in part a of the waveguide 4, located along the rays after the diffraction grating 3, then again falls on the diffraction grating 3, the air defense condition is violated, the radiation leaves the system 5, and units of the exit pupil are formed, as in the case of the location of the diffraction gratings 3 on the surface of waveguide 4. Another part of the radiation also experiences diffraction on grating 3, but propagates in part b of the waveguide located along the rays to grating 3, then diffracts again on grating 3, and additional units of the exit pupil are formed, allowing more uniformly fill the area 7 of the exit pupil.

На фигуре 9b показано, что система 5 расширения области выходного зрачка может представлять собой изогнутый волновод 4 с нанесенной на него дифракционной решеткой 3 (DOE/HOE). Благодаря изменению формы системы 5 расширения области выходного зрачка система 5 будет работать только для определенного угла падения, под который изогнутость системы 5 должна быть рассчитана, то есть осуществляется селективность по углу падения. Как показано на фиг. 9a, если на обычную неизогнутую дифракционную решетку 3 на плоском волноводе 4 будут падать лучи под разными углами, например, полезное излучение по углом

и паразитная засветка под углом

, то дифракция будет в обоих случаях, причем от паразитной засветки не будет единиц выходного зрачка, будет видно «радужное» пятно (рис. 9а). Такое явление может наблюдаться при использовании системы расширения области выходного зрачка в очках дополненной реальности с небольшой областью выходного зрачка. В этом случае, как показано на фигуре 9a, если сквозь визуальную оптическую систему будет виден дополнительный источник освещения (например, уличный фонарь, фара автомобиля и др), то излучение от этого дополнительного источника будет претерпевать дифракцию (но не мультипликацию) и появиться посторонняя засветка (в виде спектра («радуги»), например). Figure 9b shows that the system 5 to expand the area of the exit pupil can be a curved waveguide 4 with a diffraction grating 3 (DOE / HOE) deposited on it. Due to the change in the shape of the system for expanding the area of the exit pupil, system 5 will only work for a certain angle of incidence, at which the curvature of system 5 should be calculated, that is, selectivity is made according to the angle of incidence. As shown in FIG. 9a, if rays at different angles, for example, useful radiation at an angle, fall on a conventional non-curved diffraction grating 3 on a plane waveguide 4

and spurious illumination at an angle

, then there will be diffraction in both cases, and there will be no units of the exit pupil from parasitic exposure, a “rainbow” spot will be visible (Fig. 9a). This phenomenon can be observed when using the system for expanding the area of the exit pupil in augmented reality glasses with a small area of the exit pupil. In this case, as shown in figure 9a, if an additional light source (for example, a street lamp, a car headlight, etc.) is visible through the visual optical system, the radiation from this additional source will undergo diffraction (but not animation) and an extraneous illumination will appear (in the form of a spectrum (“rainbow”), for example).

В случае же искривленного волновода 4, показанного на фиг. 9b, лучи, падающие под полезным углом

, будут всегда направлены перпендикулярно поверхности волновода, поскольку у волновода появится дополнительный параметр, а именно – кривизна, который можно изменять и подбирать нужным образом под требуемый диапазон падающих углов (диапазон падающих углов задан визуальной системой, в которой планируется применение расширителя), следовательно, только для одного угла падения

будет осуществляться расширение области 7 выходного зрачка. In the case of a curved waveguide 4 shown in FIG. 9b, rays incident at a useful angle

will always be directed perpendicular to the surface of the waveguide, since the waveguide will have an additional parameter, namely, the curvature, which can be changed and selected as needed for the desired range of incident angles (the range of incident angles is set by the visual system in which the expander is planned to be used), therefore, only for one angle of incidence

will expand the area 7 of the exit pupil.

В случае использования волновода 4, имеющего изогнутую форму, можно использовать дифракционные решетки Брэгга. Их преимущество состоит в том, что они имеют высокую дифракционную эффективность, они селективны по углу и длине волны. Дифракционные решетки Брэгга можно применять и в случае планарного волновода, если нужно повысить эффективность излучения, падающего под углом (на краю углового поля визуальной системы), так для луча, падающего перпендикулярно такой дифракционной решетке, на выходе получается излучение с минимальными потерями по энергии, а для луча, падающего под углом, в случае плоской дифракционной решетки потери будут большие. Если применять объемные Брэгговские решетки, то эффективность прохождения излучения, падающего под углом, через расширитель можно повысить.In the case of using a waveguide 4 having a curved shape, Bragg gratings can be used. Their advantage is that they have high diffraction efficiency, they are selective in angle and wavelength. Bragg diffraction gratings can also be used in the case of a planar waveguide, if it is necessary to increase the efficiency of radiation incident at an angle (at the edge of the angular field of the visual system), so for a beam incident perpendicular to such a diffraction grating, output with minimal energy loss is obtained, and for a beam incident at an angle, in the case of a planar diffraction grating, the losses will be large. If bulk Bragg gratings are used, then the efficiency of the passage of radiation incident at an angle through the expander can be increased.

Основное преимущество применения искривленного волновода в том, что расширитель с таким волноводом может быть внедрен в визуальные системы с очень большим угловым полем на выходе. Существует предел по углам падения на плоский расширитель, если угловое поле визуальной системы превышает угловой рабочий предел расширителя, выходной зрачок не будет корректно мультиплицироваться. Таким образом, при применении планарного волновода можно использовать дифракционные решетки любого типа, тогда система расширения области выходного зрачка может использоваться для систем с малым полем зрения; а при применении искривленного волновода можно использовать дифракционные решетки Брэгга, тогда система расширения области выходного зрачка может использоваться для широкопольных систем.The main advantage of using a curved waveguide is that an expander with such a waveguide can be embedded in visual systems with a very large angular field at the output. There is a limit on the angles of incidence on a flat expander, if the angular field of the visual system exceeds the angular working limit of the expander, the exit pupil will not be correctly multiplied. Thus, when using a planar waveguide, any type of diffraction grating can be used, then the system for expanding the area of the exit pupil can be used for systems with a small field of view; and when using a curved waveguide, Bragg diffraction gratings can be used, then the exit pupil expansion system can be used for wide-field systems.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применений в оптических приборах в качестве компактного и удобного дополнительного элемента, расширяющего область выходного зрачка оптических приборов.The present invention can find wide applications in optical devices as a compact and convenient additional element that expands the area of the exit pupil of optical devices.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.Although the invention has been described in connection with some illustrative embodiments, it should be understood that the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, it is assumed that the invention includes all alternatives, corrections and equivalents that may be included in the essence and scope of the claims.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.In addition, the invention retains all equivalents of the claimed invention, even if the claims change during the review process.

Claims

1. A system for expanding the area of the exit pupil of the visual optical system, comprising:

waveguide;

a diffraction grating located on the surface of the waveguide;

moreover, the parameters of the diffraction grating are consistent with the parameters of the waveguide in such a way that:

the diffraction grating is configured to:

- the formation, due to the diffraction of each of the radiation beams incident on the diffraction grating from the visual optical system, of at least two diffraction orders, and

- dividing each of the radiation beams returning to the diffraction grating due to total internal reflection from the surface of the waveguide opposite the diffraction grating into at least two radiation beams;

the waveguide is configured to:

- exit from the side of the surface of the waveguide opposite the diffraction grating, each of the at least two diffraction orders from the diffraction grating and at least two radiation beams from the diffraction grating with the formation of exit pupil units forming a set of multiplied rays in the area of the output pupil of the visual optical systems;

- return of the remaining radiation beams due to total internal reflection from the waveguide surface opposite the diffraction grating to the diffraction grating.

2. The system of claim 1, wherein the visual optical system is an augmented reality device.

3. The system according to claim 1, in which the visual optical system is one of the devices, which are: a microscope, telescope, sight, augmented reality device, a device in which the image is formed at infinity.

4. The system of claim 1, wherein the diffraction grating is reflective.

5. The system of claim 1, wherein the diffraction grating is transmission.

6. The system according to any one of paragraphs. 1-3, in which the diffraction grating is a diffractive optical element.

7. The system according to any one of paragraphs. 1-3, in which the diffraction grating is a holographic optical element.

8. The system of claim 1, wherein the diffraction grating is one-dimensional.

9. The system of claim 1, wherein the diffraction grating is two-dimensional.

10. The system of claim 1, wherein the waveguide has a curved shape.

11. The system of claim 1, wherein the diffraction grating is a Bragg grating.

12. A visual optical system comprising a system for expanding the area of the exit pupil according to any one of paragraphs. 1–11.

13. The visual optical system according to claim 12, in which the system for expanding the area of the exit pupil is located at the output of the visual optical system.

14. The visual optical system according to any one of paragraphs. 12, 13, in which the visual optical system emits multispectral radiation.

15. The visual optical system according to any one of paragraphs. 12, 13, in which the visual optical system emits monospectral radiation.

16. The visual optical system according to claim 12, in which the system for expanding the area of the exit pupil works in the lumen.

17. The visual optical system according to claim 12, in which the system of expanding the area of the exit pupil works on reflection.

18. The method of operation of the system to expand the area of the exit pupil according to any one of paragraphs. 1-11, containing stages in which:

- feed the radiation beams from the visual optical system to the expansion system of the exit pupil area;

- form due to the diffraction of each of the radiation beams incident on the diffraction grating from the visual optical system, at least two diffraction orders so that:

one of the at least two diffraction orders mentioned extends from the side of the waveguide surface opposite to the diffraction grating and forms a unit of the exit pupil of the visual optical system;

while the remaining radiation beams:

undergo complete internal reflection from the surface of the waveguide, opposite the diffraction grating, and

return to the diffraction grating,

each of the radiation beams returning to the diffraction grating is separated by the diffraction grating into at least two radiation beams, one of which extends from the side of the waveguide surface opposite to the diffraction grating, forming a unit of the exit pupil of the visual optical system;

moreover, the formed units of the exit pupil of the visual optical system form a set of multiplied rays in the area of the exit pupil of the visual optical system.