Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ И ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЕГО СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение в целом относится к области техники формирования изображений, в частности к оптическому переключателю и системе формирования изображений, позволяющим формировать изображения высокого разрешения, и устранять «эффект решетки».

Настоящее изобретение может быть применено в тех случаях, когда необходимо обеспечить погружение пользователя в виртуальную реальность для выполнения разных задач, таких как 3D-моделирование, навигация, проектирование и т.д. Настоящее изобретение может быть также реализовано в различных, устанавливаемых на головах устройствах, таких как очки или шлемы виртуальной реальности (VR), которые в настоящее время популярны в игровой и образовательной индустриях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Этот раздел не предназначен для предоставления ключевых идей настоящего изобретения, а также какого-либо его ограничения. Единственное предназначение этого раздела состоит в том, чтобы предоставить читателю краткое описание решений из уровня техники, принадлежащих той же области техники, что и настоящее изобретение, и недостатков таких решений из уровня техники, чтобы читатель смог сформировать четкое представление о том, почему настоящее изобретение имеет важное значение.

Как известно, разрешение глаза человека ограничено значением 60 пикселей на градус, что является достаточным для того, чтобы позволить наблюдателю просматривать с комфортом визуальный контент на традиционных дисплеях смартфонов, мониторов, телевизоров. Это вызвано тем, что визуальный контент, отображаемый на этих дисплеях, просматривается глазом человека в пределах малого поля обзора (FOV).

Одна проблема возникает тогда, когда наблюдатель желает использовать устройства VR, такие как очки или шлемы VR, поскольку дисплеи устройств VR имеют оптические системы, обеспечивающие бóльшее FOV, чем традиционные оптические системы. В случае устройств VR разрешение всей системы VR не больше чем 15 пикселей на градус, что является недостаточным для глаза человека. Таким образом, изображения, формируемые устройствами VR, обычно имеют низкое разрешение.

Другая проблема состоит в том, что изображения, отображаемые устройствами VR, зачастую имеют визуальный артефакт, характеризуемый присутствием видимых четких линий, разделяющих пиксели на каждом изображении. Этот артефакт принято называть «эффектом решетки», поскольку наблюдатель чувствует себя так, как будто он/она смотрит на изображение через сетчатый экран, сформированный упомянутыми четкими линиями. «Эффект решетки» возникает, когда изображение масштабируется так сильно, что наблюдатель может видеть пространство между светодиодами (LED), формирующими пиксельную структуру дисплея. Таким образом, на изображениях, формируемых устройствами VR, также присутствует «эффект решетки».

В уровне техники существуют разные решения, предназначенные для устранения вышеуказанных проблем. Одно из них описано в документе US 20140049661 A1, который посвящен технологии формирования неподвижного кадра высокого разрешения. Согласно этой технологии, видеокамера может принимать первую конфигурацию, в которой она захватывает кадры с первым значением смещения пикселей. Затем происходит смена конфигурации видеокамеры на вторую конфигурацию, в которой видеокамера захватывает кадры со вторым значением смещения пикселей. Однако предложенная технология применима только к камере (ее не получится использовать в отношении зрительной системы). Кроме того, в указанном документе не раскрыт механизм смещения пикселей.

Другое решение, описанное в документе US 6587180 B2, относится к системе управления пучком света с использованием электропривода. Эта система имеет два варианта осуществления. Согласно первому варианту осуществления, система содержит дифракционную решетку и жидкокристаллический материал. Когда жидкий кристалл не находится в возбужденном состоянии, показатель преломления жидкого кристалла отличается от показателя преломления материала дифракционной решетки, что вызывает дифракцию света на дифракционной решетке в заданном направлении. Когда жидкий кристалл переводят в состояние, при котором его показатель преломления совпадает с показателем преломления дифракционной решетки, свет не дифрагирует на дифракционной решетке и, следовательно, будет распространяться в другом направлении, отличном от того, которое обеспечивается в невозбужденном состоянии жидкого кристалла. Согласно второму варианту осуществления, система образована электрически формируемыми решетками с использованием жидкокристаллического материала. Однако предложенная в указанном документе система является дорогостоящей и сложной в производстве.

Таким образом, существует потребность в системе формирования изображений, способной формировать изображения высокого разрешения, на которых отсутствует «эффект решетки». Желательно, чтобы такая система была проста, удобна и дешева в производстве и чтобы ее можно было устанавливать на голову, тем самым делая возможным ее применение в приложениях VR.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в устранении или смягчении вышеупомянутых недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники, которые заключаются в низком разрешении формируемых изображений и в наличии «эффекта решетки» на этих изображениях.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен оптический переключатель, содержащий электрически управляемый оптический затвор, выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света, и массив призм, расположенный на стороне оптического затвора, которая является стороной падения лучей света или стороной, противоположной стороне падения лучей света. Призмы в массиве призм отделены друг от друга зазором и выполнены с возможностью отклонения лучей света, проходящих через оптический затвор, на заданный угол отклонения. При этом оптический затвор выполнен с возможностью функционирования в первом режиме работы и во втором режиме работы следующим образом:

- в первом режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью пропускания лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирования лучей света, падающих в направлении самих призм; и

- во втором режиме работы оптический затвор выполнен с возможностью блокирования лучей света, падающих в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускания лучей света, падающих в направлении самих призм.

В одном варианте осуществления первый режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор не подан никакой электрический сигнал, а второй режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор подан электрический сигнал. В другом варианте осуществления реализована обратная ситуация: первый режим работы соответствует поданному электрическому сигналу, а второй режим работы - отсутствию поданного электрического сигнала.

В одном варианте осуществления оптический затвор представляет собой оптико-механический затвор, электрооптический затвор или магнитооптический затвор.

В другом варианте осуществления оптический затвор выполнен в виде жидкокристаллической ячейки, состоящей из двух прозрачных подложек, слоя жидких кристаллов, расположенного между двумя прозрачными подложками, и по меньшей мере двух поляризаторов для управления светопропусканием жидких кристаллов в слое жидких кристаллов. Причем по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов расположен перед одной из двух прозрачных подложек, а по меньшей мере один другой из упомянутых по меньшей мере двух поляризаторов - после другой из двух прозрачных подложек. Массив призм при этом расположен на наружной поверхности одной из двух прозрачных подложек параллельно слою жидких кристаллов. Согласно данному варианту осуществления, в первом режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются непрозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются прозрачными для лучей света. Во втором режиме работы участки слоя жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются прозрачными для лучей света, а участки слоя жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются непрозрачными для лучей света.

В одном варианте осуществления прозрачные подложки выполнены из оптического стекла, полимера или кристалла.

В одном варианте осуществления призмы из массива призм расположены в одной из следующих компоновок: линейной, круговой, шахматной или произвольной. Призмы могут иметь клиновидную форму или могут иметь переменную толщину или показатель преломления для получения заданного угла отклонения лучей света.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложена система формирования изображений, содержащая дисплей, оптический переключатель согласно первому аспекту настоящего изобретения, по меньшей мере одну линзу и средство синхронизации. Дисплей имеет пиксельную структуру и выполнен с возможностью излучения лучей света, характеризующих заданное изображение. Оптический переключатель согласно первому аспекту настоящего изобретения предназначен для пропускания и отклонения лучей света от дисплея. Упомянутая по меньшей мере одна линза расположена между дисплеем и оптическим переключателем для перенаправления лучей света от дисплея к массиву призм. Средство синхронизации выполнено с возможностью управления работой дисплея и оптического переключателя посредством попеременного формирования и отправки на них:

- первых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие заданное изображение, и одновременно обеспечивают функционирование оптического затвора в первом режиме работы; и

- вторых электрических сигналов, которые дают дисплею команду излучать лучи света, характеризующие смещенное изображение, которое должно быть смещено относительно заданного изображения на заданную величину, и одновременно обеспечивают переход оптического затвора во второй режим работы.

В одном варианте осуществления первые и вторые электрические сигналы представляют собой синхроимпульсы.

В одном варианте осуществления средство синхронизации реализовано в виде по меньшей мере одного контроллера, предназначенного для управления работой дисплея и оптического переключателя.

В одном варианте осуществления средство синхронизации реализовано в виде комбинации двух контроллеров, один из которых предназначен для управления работой дисплея, а другой - для управления работой оптического переключателя.

В одном варианте осуществления дисплей представляет собой дисплей смартфона, мобильного телефона, планшетного компьютера или цифрового медиа-плеера.

В одном варианте осуществления заданная величина, на которую смещенное изображение смещено относительно заданного изображения, выбрана таким образом, чтобы пиксели смещенного изображения находились между пикселями заданного изображения.

В одном варианте осуществления частота переключения между первыми и вторыми электрическими сигналами составляет 120 Гц и более.

Система согласно второму аспекту настоящего изобретения может быть использована в очках или шлеме виртуальной реальности.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего далее описания и просмотра сопроводительных чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает блок-схему системы формирования изображений в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2а-2г иллюстрируют примерные компоновки призм на поверхности оптического затвора;

Фиг. 3 показывает предпочтительный вариант осуществления оптического затвора в виде жидкокристаллической ячейки;

Фиг. 4а и 4б поясняют режимы работы оптического затвора;

Фиг. 5 поясняет принцип действия системы формирования изображений с Фиг. 1;

Фиг. 6-8 поясняют выбор параметров используемых призм.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство или система, раскрытая в данном документе, может быть реализована на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, указанных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, перечисленных в приложенной формуле изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.

На Фиг. 1 схематически проиллюстрирована система 1 формирования изображений в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 1 формирования изображений является примером реализации раздельного управления работой дисплея и оптического переключателя (но не ограничена им). Система 1 формирования изображений содержит дисплей 2, оптический переключатель 3, линзу 4 и средство 5 синхронизации, реализованное в виде одного или комбинации из двух процессоров или контроллеров 6 и 7. В случае реализации с одним процессором или контроллером (не показано) процессор одновременно управляет работой дисплея 2 и переключателя 3, и этот вариант является предпочтительным. В реализации с комбинацией из двух процессоров или контроллеров 6 и 7 один из процессоров или контроллеров предназначен для управления работой дисплея 2, а другой - для управления работой оптического переключателя 3. Далее будет подробно описан каждый из конструктивных элементов системы 1 формирования изображений.

Дисплей 2 имеет пиксельную структуру и выполнен с возможностью излучения лучей света, характеризующих заданное изображение, в направлении глаз пользователя (на Фиг. 1 для простоты показан только один глаз), т.е. вдоль оси 8. Дисплей 2 может представлять собой дисплей смартфона, мобильного телефона, планшетного компьютера или цифрового медиаплеера. Кроме того, дисплей 2 может реализован в виде LED-дисплея (дисплей на основе светодиодов), OLED-дисплея (дисплей на основе органических светодиодов) или LCD-дисплея (жидкокристаллический дисплей) в зависимости от конкретного применения.

Линза 4 используется для обеспечения надлежащего перенаправления лучей света от дисплея 2 к оптическому переключателю 3. Для этого она расположена между дисплеем 2 и оптическим переключателем 3. Линза 4 может быть любого типа, подходящего для коллимации лучей света, излучаемых дисплеем 2. Типы таких линз хорошо известны специалистам в данной области техники, и по этой причине их подробное описание не будет приведено в настоящем документе.

Оптический переключатель 3 предназначен для пропускания и отклонения лучей света от дисплея 2 в течение определенного промежутка времени (в частности, пока не будет отключен дисплей 2). Характерной особенностью используемого в системе 1 оптического переключателя 3 является то, что он содержит электрически управляемый оптический затвор (не показан на Фиг. 1), выполненный с возможностью попеременно пропускать и блокировать падающие на него лучи света (от дисплея 2), и массив призм (не показан на Фиг. 1) для отклонения лучей света, прошедших через оптический затвор, на заданный угол отклонения (вычисление угла отклонения будет обсуждаться позднее). Призмы могут быть расположены на стороне оптического затвора, противоположной той стороне, на которую падают лучи света, или на самой стороне падения лучей света. Кроме того, призмы должны быть отделены друг от друга постоянным или переменным зазором. Варианты компоновки призм на поверхности оптического затвора показаны на Фиг. 2. Как видно, призмы из массива призм могут быть расположены в одной из следующих компоновок: линейной (см. Фиг. 2а), круговой (см. Фиг. 2б), шахматной (см. Фиг. 2в) или произвольной (см. Фиг. 2г). Кроме того, призмы могут иметь клиновидную форму или могут иметь переменную толщину или показатель преломления для получения заданного угла отклонения лучей света.

В одном варианте осуществления оптический затвор может быть реализован в виде оптико-механического затвора, электрооптического затвора или магнитооптического затвора. Все эти типы оптических затворов хорошо известны специалистам в данной области техники. В частности, принцип работы оптико-механических затворов основан на перекрывании лучей света посредством механического перемещения шторок, зеркал, призм и т.п. Действие электрооптического затвора основано на использовании линейного (эффекта Поккельса) или квадратичного (эффекта Керра) электрооптического эффекта, т.е. зависимости двулучепреломления среды от напряженности приложенного к ней электрического поля. Такой электрооптический затвор, как правило, состоит из электрооптической ячейки, помещенной между двумя параллельными (или скрещенными) поляризаторами. Управление электрооптическим затвором осуществляется за счет подачи на электрооптическую ячейку соответствующего напряжения. Что касается магнитооптического затвора, то принцип его работы основан на линейном магнитооптическом эффекте (эффекте Фарадея), т.е. зависимости угла поворота плоскости поляризации света, распространяющегося в среде, от напряженности магнитного поля, приложенного к ней. Магнитооптический затвор содержит ячейку Фарадея (оптическая среда, находящаяся в магнитном поле соленоида), которая установлена между двумя скрещенными поляризаторами. Управление затвором осуществляется изменением тока соленоида. Таким образом, в настоящем изобретении может использоваться любой из вышеуказанных оптических затворов.

В то же время, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, оптический затвор выполнен в виде жидкокристаллической ячейки 9, как схематически показано на Фиг. 3. В частности, жидкокристаллическая ячейка 9 состоит из двух прозрачных подложек 10 и 11, слоя 12 жидких кристаллов, расположенного между двумя прозрачными подложками 10 и 11, и двух поляризаторов 13 и 14 для управления светопропусканием жидких кристаллов в слое жидких кристаллов. При этом один из упомянутых поляризаторов расположен до слоя жидких кристаллов, а другой - после слоя жидких кристаллов. Как должно быть очевидно специалисту в данной области техники, число поляризаторов может быть и больше двух, в зависимости от конкретного применения и конкретных требований, предъявляемых к системе формирования изображений. Прозрачные подложки 10 и 11 могут быть выполнены из оптического стекла, полимера или кристалла. В показанном предпочтительном варианте осуществления массив 15 призм расположен на наружной поверхности одной из двух прозрачных подложек (в данном случае - на поверхности подложки 10) параллельно слою 12 жидких кристаллов. Жидкокристаллическая ячейка 9 дополнительно содержит группы прозрачных электродов 16 и 17 для приложения электрического поля к слою 12 жидких кристаллов. Группы прозрачных электродов могут быть выполнены, например, из материала ITO (оксид индия-олова) или из сплава IZO (оксид индия-цинк).

Согласно настоящему изобретению, оптический затвор, используемый в системе 1 формирования изображений, должен быть выполнен с возможностью функционирования в двух режимах работы. В первом режиме работы оптический затвор пропускает лучи света, падающие в направлении зазоров между призмами из массива призм, и блокирует лучи света, падающие в направлении самих призм. Во втором режиме работы наблюдается обратная ситуация: оптический затвор блокирует лучи света, падающие в направлении зазоров между призмами из массива призм, и пропускает лучи света, падающие в направлении самих призм. Применительно к варианту осуществления оптического затвора, показанному на Фиг. 3, вышесказанное означает, что в первом режиме работы участки слоя 12 жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются непрозрачными для лучей света, а участки слоя 12 жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются прозрачными для лучей света (см. Фиг. 4а); во втором режиме работы участки слоя 12 жидких кристаллов, находящиеся под призмами, являются прозрачными для лучей света, а участки слоя 12 жидких кристаллов, соответствующие зазорам между призмами, являются непрозрачными для лучей света (см. Фиг. 4б). При этом первый режим работы может соответствовать случаю, когда на оптический затвор не подан никакой электрический сигнал от средства 5 синхронизации (т.е. контроллера 6), а второй режим работы соответствует случаю, когда на оптический затвор подан электрический сигнал от средства 5 синхронизации (т.е. контроллера 7), или наоборот.

Возвращаясь вновь к Фиг. 1 и дополнительно рассматривая Фиг. 5, средство 5 синхронизации предназначено для управления работой дисплея 2 и оптического переключателя 3 посредством попеременного формирования и отправки на них первых электрических сигналов и вторых электрических сигналов в форме, например, синхроимпульсов. Первые электрические сигналы могут давать дисплею команду излучать лучи света, характеризующие заданное изображение (с низким разрешением), и одновременно обеспечивать функционирование оптического затвора в упомянутом первом режиме работы (например, не подавая никакого электрического сигнала на оптический затвор). Вторые электрические сигналы могут давать дисплею команду излучать лучи света, характеризующие смещенное изображение, которое должно быть смещено относительно заданного изображения на заданную величину, и одновременно обеспечивать переход оптического затвора во второй режим работы. В одном варианте осуществления средство 5 синхронизации может быть выполнено с возможностью переключения между первыми и вторыми электрическими сигналами с частотой 120 Гц и более. Таким образом, глаза пользователя будут видеть поочередно то заданное изображение, то смещенное изображение, которые в совокупности будут давать результирующее изображение с увеличенным разрешением (повышенным количеством пикселей - на фиг. 5 пиксели показаны маленькими черными квадратиками).

Что касается упомянутой заданной величины, на которую смещенное изображение должно быть смещено относительно заданного изображения, то она выбирается в зависимости от того, во сколько раз необходимо увеличить разрешение результирующего изображения, причем смещение может происходить в разных направлениях (по диагонали, по горизонтали и по вертикали) на одну величину (полпикселя, треть пикселя и т.д.). Например, если разрешение результирующего изображения необходимо увеличить в два раза, то необходимо смещать на полпикселя; если в три раза, то вначале необходимо смещать на 1/3 пикселя, потом на 2/3; если в 4 раза, то последовательно на 1/4, 1/2, 3/4. При увеличении разрешения в 3, 4 и т.д. раз необходимо добавить соответственно 2-й, 3-й и т.д. тип призм, отличающихся углом наклона или ориентации наклонной грани призмы, при этом угол наклона определяет величину смещения 1/4,1/2, 3/4 пикселя, а положение наклонной грани - направление смещения. Далее со ссылкой на Фиг. 6-8 будет пояснен способ выбора размеров и форм призм, необходимых для реализации настоящего изобретения. Размер призмы, обозначенный «a» на Фиг. 6, должен быть в несколько раз меньше размера зрачка глаза, чтобы одновременно можно было наблюдать смещенное и несмещенное (заданное) изображение. Размер зрачка изменяется примерно в диапазоне 3-8 мм. Поэтому размер призмы должен составлять 0,2-1,0 мм.

Обозначим угол отклонения лучей света буквой «σ». Он связан с преломляющим углом призмы θ соотношением (в случае малых углов падения, которое имеет место быть в рассматриваемом случае):

,

где n - показатель преломления материала призмы.

Из данной формулы можно определить угол θ, зная требуемый угол отклонения σ, который, в свою очередь, определяется по формуле:

σ=tg(s/f'),

где s - расстояние, равное половине расстояния между пикселями, f' - фокусное расстояние линзы 4 (см. Фиг. 7 и 8; на Фиг. 8 ① - это исходное положение пикселей, ② - смещенное на полпикселя положение пикселя, s - расстояние между исходным и смещенным положениями пикселя).

Описанным выше способом можно определить все необходимые параметры призм, используемых в настоящем изобретении.

Таким образом, была предложена система формирования изображений, позволяющая увеличить разрешение изображений и тем самым снизить или даже устранить «эффект решетки». Для этого в системе применяется оптический переключатель, содержащий электрически управляемый оптический затвор, описанный со ссылками на Фиг. 1, 3-5, и массив пространственно разнесенных призм, расположенный на стороне оптического затвора, противоположной стороне падения лучей света, и описанный со ссылками на Фиг. 2, 6-8. Предложенная система может быть использована в устройствах VR, AR, таких как очки и шлемы VR и AR.

Дополнительные аспекты изобретения станут очевидными после рассмотрения чертежей и представленного описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения и что некоторые элементы настоящего изобретения могут быть изменены в ряде аспектов, не отступая от идеи изобретения. Таким образом, чертежи и описание должны рассматриваться в качестве иллюстрации, а не ограничения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.