УСТРОЙСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области оптики, а именно к устройствам для воспроизведения стереоскопического изображения, а также воспроизведения комбинации из виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, и может применяться в приложениях расширенной реальности (augmented reality), выполненных, в том числе, в виде очков или шлема на выставках, в музеях, театрах, концертных и спортивных залах, на стадионах и спортивных площадках, в видеорекламе, в машинах, игровых и тренажерных системах и в других местах, где необходимо видеть не только виртуальное одномерное/стереоскопическое изображение, сгенерированное внутренним средством отображения (например, микродисплеем), но также изображение реальной окружающей обстановки. Таким образом, оно может быть использовано в приложениях расширенной реальности (augmented reality).

Устройства воспроизведения виртуального изображения, как правило, носят на голове и монтируют на шлем, при этом они имеют формирующую оптическую систему перед каждым глазом пользователя. Существуют также и монокуляры со встроенным дисплеем, которые имеют формирующую оптическую систему только перед одним глазом.

Известны устройства воспроизведения виртуального изображения (виртуальные дисплеи), которые могут обеспечить просмотр виртуального изображения, формируемого внутренним средством отображения (например, микродисплеем), и/или изображения окружающей обстановки.

Многие современные устройства воспроизведения стереоскопического изображения функционируют следующим образом. Средство отображения (например, микродисплей) воспроизводит разделенные по времени изображения стереопары для левого и правого глаз пользователя, а управляемая электронной схемой синхронизации оптическая система делает прозрачным только один окуляр для одного глаза пользователя во время отображения соответствующего изображения стереопары, то есть окуляр левого глаза прозрачен, а окуляр правого глаза не прозрачен при отображении левого изображения стереопары и, наоборот, при отображении правого изображения стереопары. Таким образом, при быстрой смене изображений стереопары наблюдатель видит левым и правым глазом два разных изображения, но воспринимает их как единое трехмерное изображение.

Известно устройство воспроизведения стереоскопического изображения, описанное в патентной заявке США №2002/0122145, которое содержит средство отображения, выполненное с возможностью поочередного формирования левого и правого изображений стереопары соответственно для левого и правого глаза пользователя, а также оптические системы левого и правого окуляра, каждая из которых включает в себя первый поляризатор, расположенный между средством отображения и глазом пользователя, второй поляризатор, расположенный между первым поляризатором и глазом пользователя, причем оси поляризации первого и второго поляризаторов ортогональны, а также управляемый вращатель плоскости поляризации, расположенный между первым и вторым поляризаторами и соединенный с электронной схемой синхронизации, которая подключена к средству отображения и выполнена с возможностью управления вращателями плоскости поляризации и синхронизации вращателей плоскости поляризации со средством отображения. Действие данного устройства основано на временном разделении левого и правого изображений стереопары с помощью оптических систем окуляров, которые работают синхронно со средством отображения под управлением электронной схемы синхронизации, поэтому они прозрачны для одного глаза в момент показа соответствующего изображения стереопары. Свет с изображением стереопары от средства отображения проходит в окуляр через первый поляризатор, его плоскость поляризации поворачивается (при необходимости) управляемым вращателем плоскости поляризации на 90° и поглощается вторым поляризатором (в случае, если состояние поляризации света было изменено вращателем плоскости поляризации).

Недостаток данного устройства заключается в том, что в случае использования устройства отображения с линейно поляризованным излучением (например, ЖК дисплея) при вращении очков вокруг нормали к поверхности окуляров будет происходить изменение яркости изображения. Яркость изображения будет меняться по закону косинусов в зависимости от угла между плоскостью поляризации света, выходящего из ЖК дисплея, и плоскостью поляризации света, пропущенного первым поляризатором. Таким образом, качество стереоскопического изображения воспроизводимого системой прототипа нестабильно при вращении очков вокруг нормали к поверхности окуляров.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство одновременного воспроизведения виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, описанное в патенте США №6,147,807, которое содержит средство отображения (дисплей), выполненное с возможностью формирования виртуального изображения, первую призму, которая имеет первую поверхность, выполненную с возможностью дифрагирования виртуального изображения и изображения внешней обстановки, вторую и третью поверхности, выполненные с возможностью отражения дифрагировавших виртуального изображения и изображения окружающей обстановки в зрачок глаза пользователя устройством (далее «наблюдателем»), а также вторую призму, примыкающую к первой призме и выполненную с возможностью направления изображения окружающей обстановки на первую призму. Данное устройство выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

К недостатку прототипа можно отнести то, что он не позволяет наблюдать окружающую обстановку без применения дифракционной поверхности, которая снижает эффективность работы всего устройства. В случае использования дифракционной поверхности для обеспечения приемлемой яркости необходимо применять средство отображения (дисплей) с увеличенным световым потоком, что приводит к увеличению энергопотребления и веса. Кроме того, устройство прототипа не позволяет наблюдать стереоизображение.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для воспроизведения одномерного или стереоскопического виртуального изображения и изображения окружающей обстановки с повышенной эффективностью работы, с уменьшенным энергопотреблением и весом.

Для решения этой задачи были рассмотрены варианты, обеспечивающие возможность отображения стереоизображения за счет использования явления нарушения полного внутреннего отражения (далее ПВО или FTIR - frustrated total internal reflection) для чередования изображения окружающей обстановки и виртуального изображения, сформированного встроенным средством отображения (дисплеем), а именно за счет применения оптического элемента с ПВО, выполненного с возможностью поочередного присоединения к поверхности оптического элемента распределения оптического пути, при этом нарушения полного внутреннего отражения поверхности и переключения изображения окружающей обстановки и виртуального изображения или переключения изображений стереопары между правым и левым глазом.

Технический результат достигнут за счет создания устройства воспроизведения изображения, содержащего, по меньшей мере, одно средство отображения, оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом, и, по меньшей мере, один оптический элемент распределения оптического пути, причем оптический элемент с ПВО выполнен с возможностью формирования оптического пути для передачи изображения окружающей обстановки непосредственно от окружающей обстановки к, по меньшей мере, одному оптическому элементу распределения оптического пути, который выполнен с возможностью формирования оптического пути для передачи изображения окружающей обстановки от оптического элемента с ПВО, по меньшей мере, к одному глазу наблюдателя и с возможностью формирования оптического пути для передачи виртуального изображения от средства отображения к, по меньшей мере, одному глазу наблюдателя, причем оптический элемент распределения оптического пути имеет поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью полного внутреннего отражения или преломления виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, при этом привод выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО в два положения, первое и второе, причем в первом положении оптический элемент с ПВО расположен на расстоянии от поверхности с контролируемым ПВО, при этом поверхность с контролируемым ПВО за счет явления полного внутреннего отражения отражает виртуальное изображение в направлении, по меньшей мере, одного глаза наблюдателя, а во втором положении оптический элемент с ПВО примыкает к поверхности с контролируемым ПВО, нарушая ее полное внутреннее отражение, при этом поверхность с контролируемым ПВО преломляет изображение окружающей обстановки внутрь оптического элемента распределения оптического пути в направлении, по меньшей мере, одного глаза наблюдателя.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы средство отображения было выполнено в виде микродисплея.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оно дополнительно содержало держатель, выполненный с возможностью крепления устройства на голове наблюдателя.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы держатель был выполнен в виде головного убора, например шлема.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, при которой наблюдатель видит одновременно виртуальное изображение и изображение окружающей обстановки.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, по меньшей мере, пятьдесят герц.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен в виде привода, выбранного из набора приводов, включающего электромеханический привод и пьезоэлектрический привод.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был соединен со средством отображения через электронную схему синхронизации, выполненную с возможностью задания частоты переключения привода и ее синхронизации с частотой формирования виртуального изображения.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы в первом положении оптический элемент с ПВО был расположен от поверхности с контролируемым ПВО на расстоянии, предпочтительно равном длине волны.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент с ПВО был выполнен в виде оптической призмы с компенсатором оптической силы.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде трехгранной оптической призмы.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде четырехгранной оптической призмы.

Во втором варианте устройства воспроизведения изображения, которое связано с вышеописанным вариантом единым изобретательским замыслом, технический результат достигнут за счет создания устройства воспроизведения изображения, содержащего средство отображения, выполненное с возможностью поочередного формирования правого и левого изображения стереопары, оптический элемент распределения оптического пути, выполненный с возможностью распределения потока излучения с изображением стереопары вдоль оптического пути для правого глаза и вдоль оптического пути для левого глаза, а также оптическую систему правого окуляра, расположенную с одной стороны от оптического элемента распределения оптического пути, и оптическую систему левого окуляра, расположенную с другой стороны от оптического элемента распределения оптического пути, при этом оптический элемент распределения оптического пути содержит поверхность с контролируемым полным внутренним отражением (ПВО), которая имеет первую и вторую часть, причем первая часть выполнена с возможностью полного внутреннего отражения изображения стереопары в оптическую систему правого окуляра, а вторая часть с возможностью полного внутреннего отражения потока излучения с изображением в оптическую систему левого окуляра, причем оптическая система правого окуляра выполнена с возможностью направления изображения стереопары из оптического пути для правого глаза на правый глаз и оптическая система левого окуляра выполнена с возможностью направления изображения стереопары из оптического пути для левого глаза на левый глаз, при этом устройство дополнительно содержит оптический элемент с ПВО и привод оптического элемента с ПВО, который соединен со средством отображения через схему синхронизации, причем оптический элемент с ПВО выполнен из светопоглощающего материала с возможностью примыкания к первой части поверхности с контролируемым ПВО в первом положении и ко второй части поверхности с контролируемым ПВО во втором положении, а привод оптического элемента с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО в первое и второе положение с частотой формирования изображений стереопары, при этом схема синхронизации выполнена с возможностью синхронизации работы средства отображения с приводом оптического элемента с ПВО, при которой привод переключает оптический элемент с ПВО в первое положение, когда средство отображения формирует правое изображение стереопары, и во второе положение, когда средство отображения формирует левое изображение стереопары, причем в первом положении используют явление нарушения полного внутреннего отражения первой части поверхности с контролируемым ПВО, в связи с чем часть правого изображения стереопары проходит через первую часть поверхности с ПВО и затем поглощается в оптическом элементе с ПВО, а остальная часть правого изображения стереопары отражается за счет эффекта полного внутреннего отражения от второй части поверхности с контролируемым ПВО, затем проходит через оптическую систему правого окуляра и падает на правый глаз наблюдателя, а во втором положении используют явление нарушения полного внутреннего отражения второй части поверхности с контролируемым ПВО, в связи с чем часть левого изображения стереопары проходит через вторую часть поверхности с контролируемым ПВО и затем поглощается в оптическом элементе с ПВО, а остальная часть левого изображения стереопары отражается за счет эффекта полного внутреннего отражения от первой части поверхности с ПВО, затем проходит через оптическую систему левого окуляра и падает на левый глаз наблюдателя, при этом привод оптического элемента с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, при которой наблюдатель видит одновременно правое и левое изображения стереопары.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы средство отображения было выполнено в виде микродисплея.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оно дополнительно содержало держатель, выполненный с возможностью крепления устройства на голове наблюдателя.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы держатель был выполнен в виде головного убора, например шлема.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен в виде привода, выбранного из набора приводов, включающего электромеханический привод и пьезоэлектрический привод.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод оптического элемента с ПВО был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, по меньшей мере, в пятьдесят герц.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, четыре поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от средства отображения, на вторую поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на третью и четвертую преломляющие поверхности, каждая из которых выполнена с возможностью преломления изображения стереопары, на соответствующую оптическую систему окуляра.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптическая система окуляра была выполнена в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от оптического элемента распределения оптического пути, на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары на третью отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары обратно на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на глаз наблюдателя.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент с ПВО был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, две поверхности, первую примыкающую поверхность, выполненную с возможностью примыкания к первой и второй части поверхности с контролируемым ПВО, и вторую поглощающую поверхность, выполненную из светопоглощающего материала с возможностью поглощения потока излучения и изображением стереопары.

Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от средства отображения, на вторую поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, на третью преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, на оптическую систему окуляра, выполненную в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от третьей поверхности оптического элемента распределения оптического пути, на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары на третью отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары обратно на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на глаз наблюдателя, а оптический элемент с ПВО выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, две поверхности, первую примыкающую поверхность, выполненную с возможностью примыкания к первой и второй части поверхности с контролируемым ПВО, и вторую поглощающую поверхность, выполненную из светопоглощающего материала с возможностью поглощения потока излучения и изображением стереопары.

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

Фиг.1 - схема варианта выполнения устройства для воспроизведения изображения (как виртуального, так и окружающей обстановки) с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде четырехгранной призмы согласно изобретению:

1.1 - в положении, при котором оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО) примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути;

1.2 - в положении, при котором оптический элемент с ПВО не примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути.

Фиг.2 - схема варианта выполнения устройства для воспроизведения изображения (как виртуального, так и окружающей обстановки) с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде трехгранной призмы согласно изобретению:

2.1 - в положении, при котором оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО) примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути;

2.2 - в положении, при котором оптический элемент с ПВО не примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути.

Элементы на Фиг.1 и Фиг.2:

11 - средство отображения

12 - преломляющая поверхность

13 - оптический элемент распределения оптического пути

14 - поверхность с полным внутренним отражением

15 - преломляющая поверхность

16 - глаз наблюдателя

17 - поверхность с полным внутренним отражением

18 - поверхность с контролируемым полным внутренним отражением

19 - оптический элемент с полным внутренним отражением

20 - привод оптического элемента с полным внутренним отражением.

Фиг.3 - схема выполнения устройства воспроизведения стереоскопического изображения согласно изобретению.

Заявленное устройство для воспроизведения моноизображения (Фиг.1-2) содержит средство отображения 11, выполненное в виде микродисплея, оптический элемент 13 распределения оптического пути с поверхностью 18 контролируемого полного внутреннего отражения (ПВО) и двумя преломляющими поверхностями 12, 15, оптического элемента 19 с ПВО, который имеет или не имеет компенсатор оптической силы. Дополнительные оптические элементы перед микродисплеем, глазом или оптическим элементом 19 с ПВО предпочтительно использовать при необходимости улучшения качества изображения в зависимости от выполняемых задач. Описанные элементы расположены перед каждым глазом. Когда происходит полное внутреннее отражение (Фиг.1.1), оптический элемент 19 с ПВО приводится в движение механическим (пьезоэлектрическим, электромеханическим и т.д.) приводом.

Рассмотрим варианты выполнения заявленного устройства для воспроизведения моноизображения с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде четырехгранной и трехгранной призм согласно изобретению, представленные на Фиг.1 и Фиг.2. Устройство содержит средство 11 отображения, выполненное в виде микродисплея, оптический элемент 19 с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом 20, и оптический элемент 13 распределения оптического пути, выполненный в виде четырехгранной призмы. Оптический элемент 13 распределения оптического пути имеет поверхность 18 с контролируемым ПВО, а также две преломляющие поверхности 12 и 15 и поверхность 15 с полным внутренним отражением. Привод 20 оптического элемента 19 с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента 19 с ПВО в два положения, первое и второе. В первом положении (Фиг.1.1 и Фиг.2.1) оптический элемент 19 с ПВО расположен на расстоянии от поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом поверхность 18 с контролируемым ПВО за счет явления полного внутреннего отражения отражает виртуальное изображение в направлении, по меньшей мере, одного глаза 16 наблюдателя. Во втором положении (Фиг.1.2 и Фиг.2.2) оптический элемент 19 с ПВО примыкает к поверхности 18 с контролируемым ПВО, нарушая ее полное внутреннее отражение, при этом поверхность 18 с контролируемым ПВО преломляет изображение окружающей обстановки внутрь оптического элемента 13 распределения оптического пути в направлении, по меньшей мере, одного глаза 16 наблюдателя. Лучи от средства отображения 11 распространяются через оптический элемент 13 распределения оптического пути с преломлением на поверхности 12. Затем они отражаются от поверхностей 17, 14, 18 с ПВО оптического элемента 13 распределения оптического пути. Далее лучи отражаются от поверхности 15 элемента 13. Полное внутреннее отражение происходит, когда оптический элемент 19 с ПВО отходит от поверхности 18 с контролируемым ПВО на расстояние, близкое к длине волны. Поэтому необходимо сдвинуть оптический элемент 19 с ПВО всего на несколько микрон. Когда полное внутреннее отражение нарушается, наблюдателю доступно изображение окружающей обстановки, при этом изображение проходит через оптический элемент 19 с ПВО и оптический элемент 13 распределения оптического пути. Дополнительное уменьшение энергопотребления заявленного устройства может быть достигнуто за счет применения средства отображения в виде дисплея с импульсной подсветкой. Дисплей излучает свет, когда происходит полное внутреннее отражение, и выключен, когда полное внутреннее отражение нарушено.

Принцип функционирования заявленного устройства отображения заключается в чередовании изображения окружающей обстановки и изображения, сформированного встроенным устройством отображения (например, дисплеем). Скорость чередования должна быть настолько высокой, чтобы человеческий глаз воспринимал два изображения как единое изображение. В заявленном изобретении для быстрого чередования изображений предложено использовать явление нарушения полного внутреннего отражения. Человеческий глаз наблюдает изображение, сформированное встроенным дисплеем, когда работает оптический элемент с ПВО, и изображение окружающей обстановки, когда полное внутреннее отражение нарушается. Также возможна обратная ситуация. Элемент, который нарушает полное внутреннее отражение, содержит поверхности для компенсации оптической силы следующих оптических элементов. Компенсация оптической силы может быть также необходима при дальнозоркости или близорукости глаза. В этом случае требуемая компенсация оптической силы формируется поверхностями элемента с ПВО. Компенсацию оптической силы можно обеспечить с помощью линзы, расположенной после или до элемента с ПВО.

Вариант устройства воспроизведения стереоскопического изображения представлен на Фиг.3. Устройство содержит средство 11 отображения, оптический элемент 13 распределения оптического пути, а также оптическую систему 21 правого окуляра, оптическую систему 22 левого окуляра, оптический элемент 19 с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом 20, и схему 23 синхронизации, соединенную с приводом 20 и средством 11 отображения. Средство 11 отображения выполнено в виде микродисплея. Элемент 13 распределения оптического пути выполнен в виде оптической призмы, которая имеет четыре поверхности, первую преломляющую поверхность 12, вторую поверхность 18 с контролируемым ПВО, которая имеет первую и вторую часть, третью преломляющую поверхность 24 и четвертую преломляющую поверхность 25. Каждая оптическая система 21, 22 окуляра выполнена в виде оптической призмы и имеет три поверхности, первую преломляющую поверхность 26, вторую отражающую поверхность 27 и третью отражающую поверхность 28. Оптический элемент 19 с ПВО выполнен в виде оптической призмы и имеет две поверхности, первую примыкающую поверхность 29 и вторую поглощающую поверхность 30.

На Фиг.3 показано состояние заявленного устройства воспроизведения стереоскопического изображения, в котором средство 11 отображения формирует правое изображение стереопары, оптический элемент 19 с ПВО примыкает ко второй части поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом происходит нарушение полного внутреннего отражения второй части поверхности 18 с контролируемым ПВО. В данном состоянии правое изображение стереопары преломляется первой преломляющей поверхностью 12 на поверхность 18 с контролируемым ПВО. Одна часть правого изображения стереопары проходит через первую часть поверхности 18 с контролируемым ПВО, через примыкающую поверхность 29 и затем поглощается поглощающей поверхностью 30. Другая часть правого изображения стереопары отражается второй частью поверхности 18 с контролируемым ПВО за счет эффекта полного внутреннего отражения на третью преломляющую поверхность 24, которая преломляет правое изображение стереопары на оптическую систему 21 правого окуляра. После чего, правое изображение стереопары проходит через поверхности 26-28 оптической системы 21 правого окуляра и падает на правый глаз 16 наблюдателя. Во втором состоянии устройства средство 11 отображения формирует левое изображение стереопары, оптический элемент с ПВО примыкает к первой части поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом левое изображение стереопары проецируется на левый глаз 16 наблюдателя. Быстрое переключение устройства между первым и вторым состоянием приводит к возникновению стереоэффекта.

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