RU2753146C1 - Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof - Google Patents

Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2753146C1
RU2753146C1 RU2020131229A RU2020131229A RU2753146C1 RU 2753146 C1 RU2753146 C1 RU 2753146C1 RU 2020131229 A RU2020131229 A RU 2020131229A RU 2020131229 A RU2020131229 A RU 2020131229A RU 2753146 C1 RU2753146 C1 RU 2753146C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
aberrations
optical elements
diffractive optical
holographic
Prior art date
Application number
RU2020131229A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Евгеньевич Ангервакс
Николай Викторович Муравьев
Владимир Николаевич Борисов
Роман Александрович ОКУНЬ
Гаврил Николаевич Востриков
Михаил Вячеславович Попов
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2020131229A priority Critical patent/RU2753146C1/en
Priority to KR1020210025124A priority patent/KR20220039524A/en
Priority to PCT/KR2021/009665 priority patent/WO2022065658A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753146C1 publication Critical patent/RU2753146C1/en
Priority to US17/411,951 priority patent/US12124036B2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G02B27/005Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration for correction of secondary colour or higher-order chromatic aberrations
    • G02B27/0056Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration for correction of secondary colour or higher-order chromatic aberrations by using a diffractive optical element
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/32Holograms used as optical elements
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0486Improving or monitoring the quality of the record, e.g. by compensating distortions, aberrations
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B27/0172Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174Head mounted characterised by optical features holographic
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • G02B27/017Head mounted
    • G02B2027/0178Eyeglass type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

FIELD: waveguides.
SUBSTANCE: invention relates to the field of waveguide-based virtual and augmented reality apparatuses. Claimed is a method for manufacturing a waveguide with diffraction optical elements, including: providing a waveguide, fixing fragments of one or more holographic media on the waveguide; recording a diffraction optical element constituting a holographic optical element in each fragment of the holographic medium using a pre-distorted object wave containing phase-conjugated aberrations to the aberrations of the inspection wave, detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the holographic medium. Also provided is a waveguide with diffraction optical elements manufactured according to the above method, a virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and a method for operation thereof. Also proposed is a method for manufacturing a waveguide with diffraction optical elements recorded in fragments of one or more recorded diffraction media, a waveguide with diffraction optical elements manufactured according to the above method, a virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and a method for operation thereof.
EFFECT: provided is compact and cheaper virtual and augmented reality apparatus containing a waveguide with holographic and diffraction optical elements due to elimination of the need for pre- and post-processing of images introduced into the waveguide and the possibility of using non-ideal waveguides and holographic media.
54 cl, 11 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области волноводных устройств виртуальной и дополненной реальности (VR и AR), например, очкам виртуальной и дополненной реальности, дисплеям виртуальной и дополненной реальности, шлемам виртуальной и дополненной реальности, приборным панелям на ветровом стекле, индикаторам на ветровом стекле. Более конкретно, изобретение касается создания устройств виртуальной и дополненной реальности, которые располагаются вблизи глаза пользователя и с которых виртуальное изображение направляется в глаз пользователя. Еще более конкретно, изобретение касается устройств виртуальной и дополненной реальности, содержащих волновод с дифракционными и голограммными оптическими элементами, и способов изготовления подобных волноводов. The invention relates to the field of virtual and augmented reality (VR and AR) waveguide devices, for example, virtual and augmented reality glasses, virtual and augmented reality displays, virtual and augmented reality helmets, dashboards on the windshield, indicators on the windshield. More specifically, the invention relates to the creation of virtual and augmented reality devices that are located near the user's eye and from which a virtual image is directed into the user's eye. Even more specifically, the invention relates to virtual and augmented reality devices, containing a waveguide with diffractive and holographic optical elements, and methods of making such waveguides.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Технология устройств виртуальной и дополненной реальности основана на наложении виртуального изображения на реальную картину окружающей обстановки. Современные устройства виртуальной и дополненной реальности в основном основаны на технологии волноводов со структурами дифракционных или голограммных оптических элементов для направления виртуального изображения в глаз человека. Помимо широкого поля зрения (FOV), компактности, малого веса и умеренной стоимости, устройства виртуальной и дополненной реальности должны обеспечивать изображения с высоким разрешением при отсутствии аберраций.The technology of virtual and augmented reality devices is based on the superposition of a virtual image on a real picture of the environment. Modern virtual and augmented reality devices are mainly based on waveguide technology with structures of diffractive or holographic optical elements for directing a virtual image into the human eye. In addition to wide field of view (FOV), compactness, light weight and reasonable cost, virtual and augmented reality devices must provide high-resolution images without aberrations.

Чтобы обеспечить высокое качество виртуальных изображений в волноводных устройствах виртуальной и дополненной реальности с дифракционными или голограммными оптическими элементами уровня техники необходимо обратить внимание на качество волновых фронтов, передаваемых через волноводную систему. Возможные дефекты или неоднородность, присущие самим волноводным и голографическим средам, могут вызывать аберрации волновых фронтов и, тем самым, снижать качество виртуального изображения. Чтобы скорректировать такие аберрации, необходимо предпринимать специальные меры на этапе производства или эксплуатации устройств виртуальной и дополненной реальности. To provide high quality virtual images in virtual and augmented reality waveguide devices with diffractive or holographic optical elements of the prior art, it is necessary to pay attention to the quality of wavefronts transmitted through the waveguide system. Possible defects or inhomogeneities inherent in the waveguide and holographic media themselves can cause wavefront aberrations and, thus, reduce the quality of the virtual image. To correct such aberrations, it is necessary to take special measures at the stage of production or operation of virtual and augmented reality devices.

Ухудшение качества изображения в устройствах виртуальной и дополненной реальности 101 уровня техники схематически показано на фиг. 1, где прохождение изображения от проектора 102 устройства 101 виртуальной и дополненной реальности до глаза пользователя условно разбито на четыре этапа:Degradation in image quality in prior art virtual and augmented reality devices 101 is shown schematically in FIG. 1, where the passage of the image from the projector 102 of the device 101 of virtual and augmented reality to the user's eye is conventionally divided into four stages:

На этапе (I) исходное изображение 103 вводится в волновод 104 от проектора 102 изображения устройства 101 виртуальной и дополненной реальности.In step (I), the original image 103 is input into the waveguide 104 from the image projector 102 of the virtual and augmented reality device 101.

На этапе (II) выполняется передача исходного изображения 103 через структуру волновода 104 с дифракционными или голограммными оптическими элементами (106, 107, 108), которая имеет дефекты (неоднородность, неплоскостность и др.).At stage (II), the original image 103 is transmitted through the structure of the waveguide 104 with diffractive or holographic optical elements (106, 107, 108), which has defects (inhomogeneity, non-flatness, etc.).

Исходное изображение 103, проходя через дифракционные или голограммные оптические элементы 106, 107, 108, а также через сам волновод 104 до выхода в сторону глаза пользователя, приобретает аберрации, поскольку дефекты структур дифракционных или голограммных оптических элементов и волновода вызывают искажения волновых фронтов, распространяющихся через них. Например, если подать плоскую входную волну 105 на входной дифракционный или голограммный оптический элемент 106 волновода, то на выходном голограммном или дифракционном оптическом элементе 108 волновода будет получена выходная волна 109 с аберрациями, что обусловлено упомянутыми выше дефектами.The original image 103, passing through the diffractive or holographic optical elements 106, 107, 108, as well as through the waveguide 104 itself until reaching the user's eye, acquires aberrations, since defects in the structures of the diffractive or hologram optical elements and the waveguide cause distortion of wave fronts propagating through them. For example, if a plane input wave 105 is applied to the input diffractive or hologram optical element 106 of the waveguide, then the output wave 109 with aberrations will be obtained at the output hologram or diffractive optical element 108 of the waveguide due to the above-mentioned defects.

На этапе (III) показано что, при отсутствии специальных мер при подаче изображения из волновода 104 непосредственно в глаз пользователя, пользователь увидит не исходное изображение 103, а изображение 110, содержащее аберрации.In step (III), it is shown that, in the absence of special measures, when the image is fed from the waveguide 104 directly into the user's eye, the user will see not the original image 103, but the image 110 containing aberrations.

Поэтому в устройствах виртуальной и дополненной реальности уровня техники на этапе (IV) выполняется постобработка изображения, прошедшего структуру волновода 104 с дифракционными или голограммными оптическими элементами 106, 107, 108, после которой свободное от аберраций, откорректированное виртуальное изображение 111 может быть подано в глаз пользователя. Therefore, in devices of virtual and augmented reality of the prior art, at stage (IV), post-processing is performed on the image that has passed the structure of the waveguide 104 with diffractive or hologram optical elements 106, 107, 108, after which the aberration-free corrected virtual image 111 can be fed into the user's eye. ...

Общий подход к коррекции изображения в устройствах виртуальной и дополненной реальности уровня техники состоит в том, что для подачи в глаз пользователя виртуального изображения высокого качества, в составе устройства виртуальной и дополненной реальности необходимо использовать дополнительные элементы, позволяющие скорректировать аберрации изображения, прошедшего структуру волновода с дифракционными или голограммными оптическими элементами. Однако это усложняет конструкцию устройств, делает их массивнее и дороже.The general approach to image correction in prior art virtual and augmented reality devices is that in order to supply a high-quality virtual image to the user's eye, additional elements must be used as part of a virtual and augmented reality device to correct the aberrations of an image that has passed through the structure of a waveguide with diffraction or holographic optical elements. However, this complicates the design of devices, makes them more massive and more expensive.

Персонализированная коррекция и оптимизация аберраций высокого порядка человеческого глаза при использовании биноклей, оптических прицелов, телескопов, микроскопов, очков ночного видения и лазерных средств защиты глаза, вносимых оптическими элементами, раскрыта в US 8842370 B2.Personalized correction and optimization of high-order aberrations of the human eye using binoculars, telescopic sights, telescopes, microscopes, night vision goggles and laser eye protection introduced by optical elements is disclosed in US 8842370 B2.

Недостатки данного технического решения связаны с тем, что для коррекции аберраций используется дополнительный корректирующий элемент, представляющий собой трехслойную структуру из полимера, который специально изготавливается и встраивается в устройство. Корректирующий элемент имеет ограниченный срок службы.The disadvantages of this technical solution are associated with the fact that for the correction of aberrations, an additional corrective element is used, which is a three-layer structure of polymer, which is specially manufactured and built into the device. The correcting element has a limited life.

Техническое решение, раскрытое в US 8717574 B2, направлено на ослабление эффектов рассеяния в сильно мутной среде путем оптического фазового сопряжения. Детектор проходящего через мутную среду излучения содержит одно или более устройств цифрового оптического фазового сопряжения (DOPC), причем устройство цифрового оптического фазового сопряжения включает в себя датчик волнового фронта (в данном случае, ПЗС-матрицу) излучения, которое было передано через мутную среду и введено на датчик; и пространственный модулятор излучения (SLM) для вывода в ответ на входное излучение, обнаруженное датчиком, выходного излучения, которое является оптически сопряженным по фазе с входным излучением. The technical solution disclosed in US 8717574 B2 is aimed at reducing the effects of scattering in a highly turbid environment by optical phase conjugation. The detector of radiation passing through the turbid medium comprises one or more digital optical phase conjugation (DOPC) devices, and the digital optical phase conjugator includes a wavefront sensor (in this case, a CCD array) of radiation that has been transmitted through the turbid medium and introduced on the sensor; and a spatial radiation modulator (SLM) for outputting, in response to the input radiation detected by the sensor, an output radiation that is optically phase conjugate with the input radiation.

Недостаток технического решения состоит в том, что скорость обновления устройства цифрового оптического фазового сопряжения определяется скоростью используемого пространственного модулятора излучения, т.е. динамическими ограничениями использования.The disadvantage of the technical solution is that the update rate of the digital optical phase conjugator is determined by the rate of the spatial radiation modulator used, i.e. dynamic use constraints.

WO 2014/159621 A1 направлено на повышение качества изображения системы волноводного дисплея. Устройство дисплея включает в себя волновод, перестраиваемую фазовую маску и контроллер. Контроллер динамически перестраивает перестраиваемую фазовую маску, так чтобы модулировать свет дисплея в соответствии с обнаруженным положением глаза, просматривающего изображение, и/или параметром формы волновода.WO 2014/159621 A1 is directed to improving the image quality of a waveguide display system. The display device includes a waveguide, a tunable phase mask, and a controller. The controller dynamically adjusts the tunable phase mask so as to modulate the display light in accordance with the detected position of the eye viewing the image and / or the waveguide shape parameter.

Недостаток данного решения связан с тем, что система волноводного дисплея имеет специальный контроллер для электронной коррекции изображения, что усложняет конструкцию и делает ее более громоздкой.The disadvantage of this solution is associated with the fact that the waveguide display system has a special controller for electronic image correction, which complicates the design and makes it more cumbersome.

В US 2019/0260977 A1 раскрывается проецирование изображения и волнового поля через диффузные среды. Система для проецирования объектного волнового поля в проекционный объем включает в себя рассеиватель волн, проектор волнового поля, выполненный с возможностью проецирования волнового поля на рассеиватель волн, и контроллер, связанный с проектором волнового поля. Контроллер выполнен с возможностью выдавать команду проектору волнового поля проецировать волновое поле, которое при взаимодействии с рассеивателем волн (диффузионным объектом(объектами)) перенаправляется для формирования объектного волнового поля, формирующего заданный рисунок в объеме проекции.US 2019/0260977 A1 discloses the projection of an image and a wavefield through diffuse media. A system for projecting an object wave field into a projection volume includes a wave diffuser, a wave field projector configured to project the wave field onto the wave diffuser, and a controller associated with the wave field projector. The controller is configured to issue a command to the wave field projector to project the wave field, which, when interacting with the wave scatterer (diffusion object (s)), is redirected to form an object wave field that forms a given pattern in the projection volume.

Для получения неискаженного изображения в данном документе производится предварительное искажение изображения, которое затем распространяется через диффузные объекты. При этом для расчета матрицы пропускания диффузионного объекта используется специальная калибровочная процедура, что усложняет работу устройства и требует использования дополнительных элементов для корректировки изображения.To obtain an undistorted image in this document, a preliminary distortion of the image is performed, which then propagates through diffuse objects. In this case, to calculate the transmission matrix of a diffusion object, a special calibration procedure is used, which complicates the operation of the device and requires the use of additional elements to correct the image.

US 10394032 B2 относится к системам и способам передачи исходного изображения. От исходного изображения исходит излучение, имеющее спектр угла поля. Оптическая система включает в себя устройство волновода, в котором излучение может распространяться за счет полного внутреннего отражения. Оптическая система также включает дифракционное входное оптическое устройство для ввода излучения, исходящего от источника изображения, в волновод, и дифракционное оптическое выходное устройство для вывода излучения, которое распространяется в волноводе, из волновода. При этом волновод снабжен дифракционным корректирующим устройством, имеющим структуру дифракционной решетки, для коррекции аберраций волнового фронта передаваемого излучения.US 10394032 B2 relates to systems and methods for transmitting an original image. Radiation emanates from the original image, which has a field angle spectrum. The optical system includes a waveguide device in which radiation can be propagated by total internal reflection. The optical system also includes a diffractive optical input device for inputting radiation emanating from the image source into the waveguide, and a diffractive optical output device for outputting radiation that propagates in the waveguide from the waveguide. In this case, the waveguide is equipped with a diffraction correcting device having a diffraction grating structure for correcting the wavefront aberrations of the transmitted radiation.

Недостатки устройства связаны со сложной структурой устройства волновода, что обусловлено наличием специального корректирующего устройства. Кроме того, для конкретной структуры волновода и решетки должно быть рассчитано собственное корректирующее устройство.The disadvantages of the device are associated with the complex structure of the waveguide device, which is due to the presence of a special correcting device. In addition, a proper correction device must be designed for a specific waveguide and grating structure.

В US 2018/0364482 A1 раскрывается система голографического дисплея, содержащая волновод, источник излучения, выполненный с возможностью ввода излучения в волновод под контролируемым углом ввода излучения, и голограммный оптический элемент (ГОЭ), выполненный с возможностью вывода из волновода излучения, принимаемого изнутри волновода. Система дисплея может дополнительно включать в себя контроллер, выполненный с возможностью управления углом ввода излучения, а также управления корректирующим компонентом, расположенным ниже по ходу излучения от голограммного оптического элемента, для коррекции аберрации излучения голограммным оптическим элементом на основе угла ввода излучения.US 2018/0364482 A1 discloses a holographic display system comprising a waveguide, a radiation source configured to input radiation into the waveguide at a controlled radiation input angle, and a hologram optical element (HOE) configured to output radiation received from the inside of the waveguide from the waveguide. The display system may further include a controller configured to control the radiation input angle as well as control a correction component located downstream of the hologram optical element to correct the radiation aberration of the hologram optical element based on the radiation input angle.

Недостаток данного устройства связан с тем, что для компенсации аберраций излучения используется специальный корректирующий элемент на основе голограммного оптического элемента, а коррекционная обработка выполняется с использованием контроллера, что усложняет конструкцию устройства, приводит е ее удорожанию.The disadvantage of this device is associated with the fact that a special corrective element based on a hologram optical element is used to compensate for radiation aberrations, and the correction processing is performed using a controller, which complicates the design of the device and makes it more expensive.

Таким образом, существует потребность в разработке более простых по конструкции и дешевых устройств, обеспечивающих сохранение качества передаваемого по волноводу изображения. Thus, there is a need for the development of simpler and cheaper devices that ensure the preservation of the quality of the image transmitted through the waveguide.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, предлагаемое изобретение будет далее описано в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на описание и чертежи, представленные ниже.In view of the above technical problems, the present invention will now be described by way of example and not limitation, with reference to the description and drawings below.

Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантов осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объясняться ниже, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.This Summary of the Invention precedes the detailed description of specific exemplary embodiments to provide an overview of aspects of the claimed invention that will be further explained below, and is in no way intended to define or limit the scope of the present invention in any way.

Задачей настоящего изобретения является сохранение качества передаваемого по волноводу изображения при использовании вносящих аберрации (неидеальных) волноводов и дифракционных и голографических сред и без использования оптической/электронной пред- и постобработки изображений. The object of the present invention is the preservation of the quality of the image transmitted through the waveguide when using aberration-introducing (non-ideal) waveguides and diffraction and holographic media and without the use of optical / electronic pre- and post-processing of images.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение компактного и более дешевого устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего такой волновод, благодаря исключению необходимости пред- и постобработки изображений, вводимых в волновод, и возможности использования неидеальных волноводов и дифракционных и голографических сред. The technical result of the present invention is to provide a compact and cheaper virtual and augmented reality device containing such a waveguide, due to the elimination of the need for pre- and post-processing of images entered into the waveguide and the possibility of using non-ideal waveguides and diffractive and holographic media.

В одном аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, содержащий:In one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a holographic optical element waveguide, comprising:

- обеспечение волновода,- providing a waveguide,

- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред; - fixation on the waveguide of fragments of one or more holographic environments;

- запись в каждом фрагменте голографической среды голограммного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды. - recording in each fragment of the holographic environment holographic optical element using a predistorted object wave containing phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave, detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the holographic medium.

Согласно одному варианту осуществления инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды.In one embodiment, an inspection wave is passed through each local structure formed by a waveguide and a piece of holographic medium.

Согласно одному варианту осуществления аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, может быть детектирована с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы. In one embodiment, aberrations of an inspection wave that have passed through a local structure formed by a waveguide and a fragment of a holographic medium can be detected using a Shack-Hartmann wavefront sensor, a CCD, or a CMOS sensor.

Согласно еще одному варианту осуществления фазово-сопряженные аберрации могут быть вычислены с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии. In another embodiment, the phase conjugate aberrations can be calculated using the phase and amplitude values of the inspection wave obtained by phase shifting interferometry.

Согласно еще одному варианту осуществления после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации могут быть сохранены на машиночитаемом носителе данных.In yet another embodiment, once computed, the phase conjugate local aberrations can be stored on a computer-readable storage medium.

Согласно еще одному варианту осуществления предыскаженная объектная волна может быть сформирована путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.According to another embodiment, the predistorted object wave can be generated by distorting the object wave with micromirror, liquid crystal, or acousto-optic space-time light modulators based on the calculated phase conjugate aberrations.

Согласно еще одному варианту осуществления запись голограммного оптического элемента осуществляются предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной. In another embodiment, the holographic optical element is recorded with a predistorted object wave and an undistorted reference wave .

Согласно еще одному варианту осуществления фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектирования аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, и при записи голограммного оптического элемента в фрагменте голографической среды.According to another embodiment, the phase-conjugate aberrations compensate for aberrations that occur when the object wave travels along the same optical path that was used to detect aberrations by an inspection wave that passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium, and when the holographic optical element was recorded in fragment of the holographic environment.

Согласно еще одному варианту осуществления голографические среды могут включать в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.In another embodiment, the holographic media may include photopolymers, photothermoplastics, photochromic materials, photothermorefractive materials, photoresists, silver halide photographic materials, or dichromated gelatin.

Согласно еще одному варианту осуществления фрагмент голографической среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. According to another embodiment, the fragment of the holographic medium can be in the form of a film or layer of a given thickness and geometric shape.

Согласно еще одному варианту осуществления каждый голограммный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, в которой записан оптический элемент. According to another embodiment, each holographic optical element is recorded so that it deflects and / or guides waves propagating along the waveguide and compensates for aberrations caused by the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium in which the optical element is recorded.

Согласно еще одному варианту осуществления голограммный оптический элемент может представлять собой пропускающий или отражательный голограммный элемент.In another embodiment, the hologram optical element may be a transmissive or reflective hologram element.

Согласно еще одному варианту осуществления инспекционная волна может быть плоской или сферической, или иметь специально подобранную форму волнового фронта, при этом опорная волна является плоской или сферической, или имеет специально подобранную форму волнового фронта.In yet another embodiment, the inspection wave may be plane or spherical, or have a specially selected wavefront shape, wherein the reference wave is plane or spherical, or has a specially selected wavefront shape.

Согласно еще одному варианту осуществления инспекционная волна может податься под произвольным углом к поверхности волновода.In another embodiment, the inspection wave can be applied at an arbitrary angle to the surface of the waveguide.

Согласно еще одному варианту осуществления предыскаженная объектная волна при записи оптического элемента может податься под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.According to another embodiment, the predistorted object wave during recording of the optical element can be applied at an arbitrary angle to the waveguide surface, while the angle of incidence of the predistorted object wave on the waveguide surface is equal to the angle of incidence of the inspection wave on the waveguide surface when detecting aberrations.

Согласно еще одному варианту осуществления каждый из упомянутых голограммных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.According to another embodiment, each of said holographic optical elements is fixed to a waveguide at a predetermined location.

Согласно еще одному варианту осуществления волновод и фрагменты упомянутой одной или более голографических сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.In another embodiment, the waveguide and fragments of said one or more holographic media may have defects that cause aberrations as waves propagate through them.

Согласно еще одному варианту осуществления волновод может быть плоским или изогнутым.In another embodiment, the waveguide can be flat or curved.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше. In another aspect of the present invention, there is provided a holographic optical element waveguide fabricated by the method described above.

Согласно одному варианту осуществления упомянутые голограммные оптические элементы могут содержать один или более входных голограммных оптических элементов для ввода изображения в волновод, один или более размножающих голограммных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и один или более выходных голограммных оптических элементов для вывода изображения из волновода. According to one embodiment, said hologram optical elements may comprise one or more input hologram optical elements for inputting an image into a waveguide, one or more multiplying hologram optical elements configured to increase the geometric dimensions of the transmitted image, and one or more output hologram optical elements for outputting images from the waveguide.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предусмотрено устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше. In yet another aspect of the present invention, there is provided a virtual and augmented reality device comprising a holographic optical waveguide fabricated in the manner described above.

Согласно одному варианту осуществления устройство может быть выполнено с возможностью ввода в волновод исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода в глаз пользователя виртуального изображения свободного от аберраций.According to one embodiment, the device can be configured to input the original image from the image source into the waveguide, increase the geometric dimensions of the image, and output a virtual image free from aberrations from the waveguide to the user's eye.

Согласно еще одному варианту осуществления устройство может быть выполнено с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с голограммными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с голограммными оптическими элементами.According to another embodiment, the device can be configured to compensate for aberrations caused by local structures of the waveguide with holographic optical elements when transmitting an image over the waveguide with holographic optical elements.

Согласно еще одному варианту осуществления источником изображения может служить проектор.In another embodiment, the image source can be a projector.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами, причем способ содержит:In yet another aspect of the present invention, there is provided a method for operating a virtual and augmented reality device comprising a waveguide with holographic optical elements, the method comprising:

- подачу исходного изображения в волновод с голограммными оптическими элементами от источника изображения, - supply of the original image to the waveguide with holographic optical elements from the image source,

- передачу изображения по волноводу с голограммными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с голограммными оптическими элементами, - image transmission over a waveguide with holographic optical elements with compensation for aberrations caused by local structures of a waveguide with holographic optical elements,

- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с голограммными оптическими элементами в глаз пользователя.- output of a virtual image, free from aberrations, from a waveguide with holographic optical elements into the user's eye.

Согласно еще одному варианту осуществления способ может содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу.In another embodiment, the method may comprise increasing the geometric dimensions of the image while transmitting the image over the waveguide.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:In another aspect of the present invention, there is provided a method of making a waveguide with diffractive optical elements, comprising:

- обеспечение волновода,- providing a waveguide,

- фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред; - fixation on the waveguide of fragments of one or more recorded diffraction media;

- запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды. - recording in each fragment of the recorded diffraction medium a diffractive optical element using a predistorted object wave containing phase conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the recorded diffractive medium.

В одном варианте осуществления записываемые дифракционные среды могут включать в себя дифракционные структуры и голографические среды.In one embodiment, the recording diffractive media may include diffractive structures and holographic media.

В еще одном дополнительном варианте осуществления упомянутые дифракционные структуры включают в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах.In yet another further embodiment, said diffractive structures include diffractive structures on photoresists and diffractive structures on chalcogenide materials.

В одном варианте осуществления голографические среды могут включать в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.In one embodiment, the holographic media may include photopolymers, photothermoplastics, photochromic materials, photothermorefractive materials, photoresists, silver halide photographic materials, or dichromated gelatin.

В одном варианте осуществления инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды.In one embodiment, an inspection wave is passed through each local structure formed by a waveguide and a piece of a recorded diffractive medium.

В одном варианте осуществления аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, могут быть детектированы с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы. In one embodiment, aberrations of an inspection wave that have passed a local structure formed by a waveguide and a fragment of a recorded diffractive medium can be detected using a Shack-Hartmann wavefront sensor, CCD, or CMOS sensor.

В одном варианте осуществления фазово-сопряженные аберрации могут быть вычислены с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии. In one embodiment, phase conjugate aberrations can be calculated using phase and amplitude values of the inspection wave obtained by phase shifting interferometry.

В еще одном дополнительном варианте осуществления после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации могут быть сохранены на машиночитаемом носителе данных.In yet another further embodiment, once computed, the phase conjugate local aberrations may be stored on a computer-readable storage medium.

В еще одном варианте осуществления предыскаженная объектная волна может быть сформирована путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.In yet another embodiment, the predistorted object wave can be generated by distorting the object wave with micromirror, liquid crystal, or acousto-optic space-time light modulators based on the calculated phase conjugate aberrations.

В одном варианте осуществления запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной. In one embodiment, the diffractive optical element is recorded with a predistorted object wave and an undistorted reference wave .

В дополнительном варианте осуществления фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектировании аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, и при записи дифракционного оптического элемента в фрагменте записываемой дифракционной среды.In a further embodiment, phase-conjugate aberrations compensate for aberrations that occur when the object wave travels along the same optical path that was used to detect aberrations by an inspection wave that passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the recorded diffractive medium, and when the diffractive optical element was recorded in fragment of the recorded diffraction medium.

В дополнительном варианте осуществления фрагмент записываемой дифракционной среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. In an additional embodiment, the portion of the recorded diffractive medium may be in the form of a film or layer of a given thickness and geometry.

В дополнительном варианте осуществления каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, в которой записан оптический элемент. In a further embodiment, each diffractive optical element is recorded so that it deflects and / or guides waves propagating along the waveguide and compensates for aberrations caused by the local structure formed by the waveguide and the fragment of the recorded diffractive medium in which the optical element is recorded.

В дополнительном варианте осуществления дифракционный оптический элемент может представлять собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.In a further embodiment, the diffractive optical element may be a transmissive or reflective diffractive element.

В еще одном дополнительном варианте осуществления инспекционная волна может быть плоской или сферической, или иметь специально подобранную форму волнового фронта, причем опорная волна является плоской или сферической, или имеет специально подобранную форму волнового фронта.In yet another additional embodiment, the inspection wave can be plane or spherical, or have a specially selected wavefront shape, the reference wave being plane or spherical, or has a specially selected wavefront shape.

В еще одном дополнительном варианте осуществления инспекционная волна может подаваться под произвольным углом к поверхности волновода.In yet another additional embodiment, the inspection wave can be applied at an arbitrary angle to the surface of the waveguide.

В еще одном дополнительном варианте осуществления предыскаженная объектная волна при записи дифракционного оптического элемента может подаваться под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.In another additional embodiment, the predistorted object wave during recording of the diffractive optical element can be applied at an arbitrary angle to the waveguide surface, while the angle of incidence of the predistorted object wave on the waveguide surface is equal to the angle of incidence of the inspection wave on the waveguide surface when detecting aberrations.

В еще одном дополнительном варианте осуществления каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.In yet another additional embodiment, each of said diffractive optical elements is fixed to the waveguide at a predetermined location.

В еще одном дополнительном варианте осуществления волновод и фрагменты упомянутой одной или более записываемых дифракционных сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.In yet another further embodiment, the waveguide and portions of said one or more recordable diffractive media may have defects that cause aberrations as waves propagate therethrough.

В еще одном дополнительном варианте осуществления волновод может быть плоским или изогнутым. In yet another additional embodiment, the waveguide can be flat or curved.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.In another aspect of the present invention, there is provided a diffractive optical element waveguide fabricated by the method described above.

В дополнительном варианте осуществления упомянутые дифракционные оптические элементы могут содержать: один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод, один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода. In a further embodiment, said diffractive optical elements may comprise: one or more input diffractive optical elements for inputting an image into a waveguide, one or more multiplying diffractive optical elements configured to increase the geometric dimensions of the transmitted image, and one or more output diffractive optical elements for image output from the waveguide.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрено устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, как указано выше.In another aspect of the present invention, there is provided a virtual and augmented reality device comprising a diffractive optical element waveguide fabricated in the manner described above.

В дополнительном варианте осуществления устройство виртуальной и дополненной реальности может быть выполнено с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения свободного от аберраций.In an additional embodiment, the virtual and augmented reality device can be configured to input the original image from the image source into the waveguide with diffractive optical elements, increase the geometric dimensions of the image and output a virtual image free from aberrations from the waveguide with diffractive optical elements into the user's eye.

В дополнительном варианте осуществления устройство виртуальной и дополненной реальности может быть выполнено с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.In an additional embodiment, the virtual and augmented reality device may be configured to compensate for aberrations caused by local structures of the diffractive optical element waveguide when the image is transmitted over the diffractive optical element waveguide.

Согласно еще одному варианту осуществления источником изображения может служить проектор.In another embodiment, the image source can be a projector.

В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, причем способ содержит:In another aspect of the present invention, there is provided a method for operating a virtual and augmented reality device comprising a waveguide with diffractive optical elements, the method comprising:

- подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами от источника изображения, - supply of the original image to the waveguide with diffractive optical elements from the image source,

- передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, - image transmission through a waveguide with diffractive optical elements with compensation for aberrations caused by local structures of a waveguide with diffractive optical elements,

- вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.- output of a virtual image, free from aberrations, from a waveguide with diffractive optical elements into the user's eye.

Согласно еще одному варианту осуществления упомянутый способ может содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами. According to another embodiment, said method may comprise increasing the geometric dimensions of an image during image transmission through a waveguide with diffractive optical elements .

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Исходя из изложенных выше задачи настоящего изобретения и его аспектов, далее будут подробно описаны конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, которые следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами и которые ни в коей мере не предназначены для определения или ограничения объема изобретения, а только раскрывают конкретные примеры его осуществления. Специалистам будут очевидны другие варианты осуществления, модификации или эквивалентные замены на основе данного описания, и все такие варианты осуществления, модификации и эквивалентные замены считаются включенными в настоящее изобретение.Based on the above objectives of the present invention and its aspects, specific exemplary embodiments of the claimed invention will now be described in detail, which should be considered in conjunction with the accompanying drawings and which are in no way intended to define or limit the scope of the invention, but only to disclose specific examples of it. implementation. Other embodiments, modifications, or equivalent substitutions will be apparent to those of skill in the art based on this disclosure, and all such embodiments, modifications, and equivalent substitutions are intended to be included in the present invention.

Чертежи предоставлены исключительно с целью иллюстрации в качестве помощи при чтении и для понимания описания, и их не следует никоим образом рассматривать как определяющие или ограничивающие объем изобретения. На чертежах изображено следующее:The drawings are provided solely for the purpose of illustration as an aid to reading and to understand the description, and should not be construed in any way as defining or limiting the scope of the invention. The drawings show the following:

Фигура 1 показывает схему прохождения изображения от проектора до глаза пользователя в устройстве виртуальной и дополненной реальности уровня техники. Figure 1 shows a diagram of the passage of an image from a projector to a user's eye in a prior art virtual and augmented reality device.

Фигура 2 показывает схему прохождения изображения от проектора до глаза пользователя в устройстве виртуальной и дополненной реальности по настоящему изобретению. Figure 2 shows a diagram of the passage of an image from a projector to a user's eye in a virtual and augmented reality device according to the present invention.

Фигура 3 показывает последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами согласно варианту осуществления настоящего изобретения.Figure 3 shows a manufacturing sequence of a waveguide with holographic optical elements according to an embodiment of the present invention.

Фигура 4 показывает различные варианты осуществления блока детектирования волнового фронта и фазового сопряжения. Figure 4 shows various embodiments of a wavefront and phase conjugation unit.

Фигура 5 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором используется фоточувствительный волновод.Figure 5 illustrates a manufacturing sequence for a holographic optical element waveguide using a photosensitive waveguide.

Фигура 6 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с голограммными оптическими элементами на основе голографических сред с очень низким порогом записи.Figure 6 illustrates the manufacturing sequence of a waveguide with holographic optical elements based on holographic media with a very low recording threshold.

Фигура 7 представляет собой схематическое изображение волновода с голограммными оптическими элементами, изготовленного способом согласно настоящему изобретению.Figure 7 is a schematic representation of a holographic optical element waveguide manufactured by the method of the present invention.

Фигура 8 иллюстрирует случай компенсации аберраций при использовании тонкой голографической среды.Figure 8 illustrates a case of aberration compensation using a thin holographic medium.

Фигура 9 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы могут быть записаны в дифракционных структурах на фоторезистах и в дифракционные структуры в халькогенидных материалах.Figure 9 illustrates the manufacturing sequence of a waveguide with diffractive optical elements, where the diffractive optical elements can be written in diffractive structures on photoresists and in diffractive structures in chalcogenide materials.

Фигура 10 иллюстрирует последовательность изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы могут быть записаны в дифракционных структурах на фоторезистах и в дифракционных структурах в халькогенидных материалах.Figure 10 illustrates the manufacturing sequence of a waveguide with diffractive optical elements, where the diffractive optical elements can be written in diffractive structures on photoresists and in diffractive structures in chalcogenide materials.

Фигура 11 представляет собой схематическое изображение устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, где дифракционные оптические элементы включают в себя дифракционные оптические элементы, записанные в дифракционных структурах на фоторезистах, дифракционные оптические элементы, записанные в дифракционных структурах в халькогенидных материалах и голограммные оптические элементы (т.е. дифракционные оптические элементы, записанные в голографических средах).Figure 11 is a schematic representation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with diffractive optical elements, where the diffractive optical elements include diffractive optical elements recorded in diffractive structures on photoresists, diffractive optical elements recorded in diffractive structures in chalcogenide materials, and holographic optical elements (i.e., diffractive optical elements recorded in holographic media).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Настоящее изобретение было создано с учетом ряда известных решений, продемонстрированных выше, и направлено, в частности, на устранение и/или смягчение по меньшей мере некоторых недостатков этих известных решений. The present invention was made in view of a number of known solutions demonstrated above, and is directed, in particular, to eliminate and / or mitigate at least some of the disadvantages of these known solutions.

В частности, варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, содержащий: обеспечение волновода, фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред; запись в каждом фрагменте голографической среды голограммного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод с голограммными оптическими элементами, и способ работы этого устройства.In particular, embodiments of the present invention provide a method for manufacturing a waveguide with holographic optical elements, comprising: providing a waveguide, fixing fragments of one or more holographic environments; recording in each fragment of the holographic medium holographic optical element using a predistorted object wave containing phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave, detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the holographic medium. In addition, embodiments of the claimed invention provide a holographic optical waveguide manufactured by the above method, a virtual and augmented reality device comprising such a holographic optical waveguide, and a method for operating the device.

В дополнение к этому варианты осуществления настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий: обеспечение волновода, фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред; запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный упомянутым выше способом, устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее такой волновод с дифракционными оптическими элементами, и способ работы этого устройства.In addition, embodiments of the present invention provide a method for manufacturing a waveguide with diffractive optical elements, comprising: providing a waveguide, fixing fragments of one or more recorded diffraction media; recording in each fragment of the recorded diffraction medium a diffractive optical element using a predistorted object wave containing phase conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the recorded diffractive medium. In addition, embodiments of the claimed invention provide a diffractive optical element waveguide manufactured by the above method, a virtual and augmented reality device comprising such a diffractive optical element waveguide, and a method for operating the device.

Специалистам в области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления не следует ни в коем случае истолковывать как определяющие или ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть предусмотрены другие материальные и технические средства, эквивалентные или явно аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для определения или ограничения объема заявляемого изобретения, которое следует определять только посредством ссылки на прилагаемую формулу изобретения.It will be understood by those skilled in the art that the various exemplary embodiments are not to be construed in any way as defining or limiting the scope of the claimed invention, and that other material and technical means, equivalent or explicitly similar to those listed below, may be provided by those skilled in the art to perform various operations. , functions, method steps, etc., described below. The present detailed description is not intended to define or limit the scope of the claimed invention, which should be determined only by reference to the appended claims.

Термин «дифракционный оптический элемент, ДОЭ» используемый в настоящем документе, означает оптический элемент, осуществляющий преобразование проходящего (отраженного) оптического излучения в результате дифракции на его микроструктуре с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.The term "diffractive optical element, DOE" used in this document means an optical element that converts transmitted (reflected) optical radiation as a result of diffraction on its microstructure with a constant or variable period according to a given law.

Термин «пропускающий дифракционный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент.The term "transmissive diffractive optical element" as used herein means a diffractive optical element that converts incident optical radiation as it passes through the element.

Термин «отражательный дифракционный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.The term "reflective diffractive optical element" as used herein means a diffractive optical element that converts incident optical radiation as it is reflected from the element.

Термин «голограммный оптический элемент; ГОЭ», используемый в настоящем документе, означает дифракционный оптический элемент, изготавливаемый как методами интерференции световых волн, так и методами лазерной и электронной литографии.The term "holographic optical element; "GOE" used in this document means a diffractive optical element, manufactured both by methods of interference of light waves, and by methods of laser and electron lithography.

Термин «пропускающий голограммный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает голограммный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент.The term "transmissive holographic optical element" as used herein means a holographic optical element that converts incident optical radiation as it passes through the element.

Термин «отражательный голограммный оптический элемент», используемый в настоящем документе, означает голограммный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.The term "reflective hologram optical element" as used herein means a holographic optical element that converts incident optical radiation as it is reflected from the element.

Термин «инспекционная волна», используемый в настоящем документе, означает слабую низкоэнергетическую волну, используемую для детектирования аберраций, приобретаемых этой волной при ее распространении через один или более объектов, физические свойства которых приводят к возникновению этих аберраций.The term "inspection wave" as used herein means a weak, low-energy wave used to detect aberrations acquired by this wave as it propagates through one or more objects whose physical properties give rise to these aberrations.

Термин «объектная волна», используемый в настоящем документе, означает одну из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммного оптического элемента, в которой содержится информация, предназначенная для воспроизведения или преобразования. В случае пропускающего голограммного элемента объектная волна формируется излучением, прошедшим через объект; в случае отражательного голограммного элемента - отраженным от объекта.The term "object wave" used in this document means one of the waves forming an interference pattern when obtaining a holographic optical element, which contains information intended for reproduction or transformation. In the case of a transmissive hologram element, the object wave is formed by radiation transmitted through the object; in the case of a reflective hologram element, reflected from an object.

Термин «опорная волна», используемый в настоящем документе, означает одну из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммного оптического элемента, которая обычно используется для восстановления объектной волны. Как правило, опорная волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, например, плоскую или сферическую.The term "reference wave" as used herein means one of the waves that form an interference pattern when obtaining a holographic optical element, which is usually used to reconstruct an object wave. As a rule, the reference wave has a simple and easily reproducible shape, for example, flat or spherical.

Термин «дифракционная среда» или среда «среда для записи (формирования) дифракционного оптического элемента», используемый в настоящем документе, означает материальный носитель с определенными физическими свойствами, на поверхности или в объеме которого формируется микроструктура с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом. The term "diffractive medium" or "medium for recording (forming) a diffractive optical element" used in this document means a material carrier with certain physical properties, on the surface or in the volume of which a microstructure with a constant or variable period is formed.

Термин «голографическая среда», используемый в настоящем документе, означает среду, в которой путем воздействия света происходит изменение ее некоторых оптических характеристик (коэффициента пропускания, показателя преломления или других), которое сохраняется в среде достаточно продолжительное время до момента, когда с этой среды произойдет восстановление записанных данных, или в течение более продолжительного времени. Характерной особенностью среды записи голограмм является высокая пространственная разрешающая способность, позволяющая непосредственно записывать интерференционные картины, которые представляют собой голограммы.The term "holographic medium" used in this document means an environment in which, by exposure to light, a change in some of its optical characteristics (transmittance, refractive index, or others) occurs, which remains in the environment for a sufficiently long time until the moment when this environment occurs recovering the recorded data, or for a longer time. A characteristic feature of the hologram recording medium is a high spatial resolution, which makes it possible to directly record interference patterns, which are holograms.

Термин «голографическая среда с очень низким порогом записи», используемый в настоящем документе, означает голографическую среду, свойства которой начинают изменяться даже при облучении ее слабой низкоэнергетической волной.The term "very low recording threshold holographic medium" as used herein means a holographic medium whose properties begin to change even when it is irradiated with a weak low energy wave.

Термин «тонкая голографическая среда», используемый в настоящем документе, означает голографическую среду, в которой формируются голограммные оптические элементы, при рассмотрении которых можно пренебречь эффектами, связанными с их конечной толщиной. The term "thin holographic medium" used in this document means a holographic medium in which holographic optical elements are formed, when considering them, the effects associated with their finite thickness can be neglected...

Термин «фоточувствительный волновод», используемый в настоящем документе, означает волновод, изготовленный из материала с такими физическими свойствами, что на поверхности или в объеме волновода формируется микроструктура с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.The term "photosensitive waveguide" used in this document means a waveguide made of a material with such physical properties that a microstructure with a constant or variable period is formed on the surface or in the volume of the waveguide.

Термин «пространственно-временной модулятор света, ПВМС», используемый в настоящем документе, означает устройство, позволяющее менять параметры светового излучения (амплитуду, фазу, поляризацию) во времени и пространстве. The term "space-time light modulator, PVMS" used in this document means a device that allows you to change the parameters of light radiation (amplitude, phase, polarization) in time and space.

Термин «микрозеркальный пространственно-временной модулятор света, МПВМС», используемый в настоящем документе, означает микроэлектромеханическую систему (МЭМС), которая создает изображение матрицей микроскопических зеркал с отклоняющими пьезоэлементами, при этом каждое зеркало представляет собой один пиксель в проецируемом изображении. The term "micromirror space-time light modulator, MPVMS" as used herein means a microelectromechanical system (MEMS) that creates an image of an array of microscopic mirrors with deflecting piezoelectric elements, with each mirror representing one pixel in the projected image.

Термин «жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света, ЖК ПВМС», используемый в настоящем документе, означает систему на основе прозрачных или отражающих ЖК-микродисплеев. ЖК ПВМС осуществляет модуляцию амплитуды или фазы света на основе изменения показателя преломления оптической среды, например в результате переориентации молекул жидкого кристалла или в результате фазовых переходов в жидких кристаллах. The term "liquid crystal space-time light modulator, LCD PVMS" as used herein means a system based on transparent or reflective LCD microdisplays. LC PVMS modulates the amplitude or phase of light based on a change in the refractive index of the optical medium, for example, as a result of reorientation of liquid crystal molecules or as a result of phase transitions in liquid crystals.

Термин «акустооптический пространственно-временной модулятор света, АО ПВМС», используемый в настоящем документе, означает устройство для отклонения светового пучка, вследствие его дифракции на решетке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной. Принцип действия АО ПВМС основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединенный к стеклянной пластине. Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решетка. Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесенных в пространстве под равными углами относительно друг друга. При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные.The term "acousto-optic space-time light modulator, AO PVMS" as used herein means a device for deflecting a light beam due to its diffraction by a grating formed in glass as a result of spatial modulation of the refractive index by an acoustic wave. The principle of operation of AO PVMS is based on the diffraction of light by a traveling ultrasonic wave in an optically transparent material (glass). A traveling ultrasonic wave is created by a piezoelectric transducer attached to a glass plate. Due to the appearance of areas of compression and tension that appear in the glass and differ in the refractive index, a diffraction grating is formed in the medium. The light beam, diffracted by the grating, forms several output beams (diffraction orders), spaced apart in space at equal angles relative to each other. With the help of the aperture, the first maximum is selected from all output beams, which exists only in the presence of a sound wave in the modulator, and all the others are blocked.

Термин «машиночитаемый носитель данных» используемый в настоящем документе, означает любое средство или группу средств, которые могут хранить данные и/или команды в течение некоторого периода времени. Машиночитаемые носители данных могут содержать, без ограничения, запоминающие носители, такие как запоминающее устройство с прямым доступом (например, накопитель на жестком диске или гибкий диск), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, накопитель на магнитных лентах), компакт-диск, CD-ROM, DVD, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и/или флеш-память; а также средства коммуникации, такие как провода, оптические волокна и другие электромагнитные и/или оптические носители; и/или любые комбинации вышеупомянутых устройств.The term "computer readable storage medium" as used herein means any means or group of means that can store data and / or instructions for a period of time. Computer-readable media may include, without limitation, storage media such as direct access storage (such as a hard disk drive or floppy disk), sequential access storage (such as magnetic tape), compact disc, CD -ROM, DVD, random access memory (RAM), read only memory (ROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM) and / or flash memory; as well as communication media such as wires, optical fibers and other electromagnetic and / or optical media; and / or any combination of the above devices.

Далее со ссылкой на Фиг. 2 будет показано прохождение изображения 203 от проектора 202 до глаза пользователя в устройстве 201 виртуальной и дополненной реальности, содержащем волновод с голограммными оптическими элементами (206, 207, 208) согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Next, referring to FIG. 2 will show the passage of an image 203 from a projector 202 to a user's eye in a virtual and augmented reality device 201 comprising a waveguide with holographic optical elements (206, 207, 208) according to an embodiment of the present invention.

На этапе (I) исходное неискаженное изображение 203 вводится в волновод 204 от источника изображения 202 (проектора) устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.In step (I), the original undistorted image 203 is input into the waveguide 204 from the image source 202 (projector) of the virtual and augmented reality device 201.

На этапе (II) выполняется передача изображения через волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208. В отличие от традиционного подхода по мере передачи изображения по волноводу 204 происходит компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами голографической среды, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208, за счет использования волновода с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу.In step (II), the image is transmitted through the waveguide 204 with holographic optical elements 206, 207, 208. In contrast to the traditional approach, as the image is transmitted through the waveguide 204, aberrations caused by local structures formed by the waveguide 204 and fragments of the holographic medium are compensated for. which recorded holographic optical elements 206, 207, 208, due to the use of a waveguide with holographic optical elements 206, 207, 208, made according to the proposed in this application, the method.

Например, если подать плоскую входную волну 205 на входной голограммный оптический элемент 206 волновода 204, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу, то на выходном голограммном оптическом элементе 208 волновода 204 будет получена плоская выходная волна 209, не содержащая аберраций. For example, if a plane input wave 205 is applied to the input hologram optical element 206 of the waveguide 204 made according to the method proposed in this application, then the output hologram optical element 208 of the waveguide 204 will produce a plane output wave 209 that does not contain aberrations.

На этапе (III) из волновода 204 в глаз пользователя подают виртуальное изображение 210, свободное от аберраций.In step (III), a virtual image 210 free of aberrations is supplied from the waveguide 204 to the user's eye.

Таким образом, в устройстве 201 виртуальной и дополненной реальности, содержащем волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 согласно настоящему изобретению, не требуется этап (IV) постобработки изображения, прошедшего волноводную структуру. При этом волновод 204 согласно настоящему изобретению не является идеальным (т.е. может быть неплоским, неоднородным, содержать дефекты, которые могут вызвать аберрации волновых фронтов, распространяющихся через него), кроме того, фрагменты одной или более голографических сред, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208, также не являются идеальными. Причем устройство виртуальной и дополненной реальности выполнено с возможностью ввода в волновод 204 исходного изображения 203 от источника изображения 102, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода 204 в глаз пользователя виртуального изображения 210 свободного от аберраций.Thus, in a virtual and augmented reality device 201 comprising a waveguide 204 with holographic optical elements 206, 207, 208 according to the present invention, the post-processing step (IV) of the image that has passed through the waveguide structure is not required. In this case, the waveguide 204 according to the present invention is not ideal (i.e., it can be non-planar, non-uniform, contain defects that can cause aberrations of wave fronts propagating through it), in addition, fragments of one or more holographic media in which holographic optical elements 206, 207, 208 are also not ideal. Moreover, the virtual and augmented reality device is configured to input the original image 203 from the image source 102 into the waveguide 204, increase the geometric dimensions of the image and output a virtual image 210 free of aberrations from the waveguide 204 into the user's eye.

Таким образом, для изготовления устройств виртуальной и дополненной реальности по настоящему изобретению могут быть использованы серийные волноводы и стандартные голографические среды, которые не являются идеальными по своим свойствам и могут вносить аберрации в волновые фронты.Thus, for the manufacture of virtual and augmented reality devices according to the present invention, commercial waveguides and standard holographic media can be used, which are not ideal in their properties and can introduce aberrations in wave fronts.

Далее со ссылкой на Фиг. 3 будет описана последовательность изготовления волновода 204 с голограммными оптическими элементами согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.Next, referring to FIG. 3, a sequence of manufacturing a holographic optical element waveguide 204 in accordance with one embodiment of the present invention will be described.

Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 3 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 212’ одной или более голографических сред, которые также могут обладать аберрациями. При этом каждый фрагмент 212’ голографической среды закрепляют на определенном месте волновода 204 в зависимости от того, какую общую структуру должен иметь волновод 204 с этим фрагментом 212’ голографической среды, и какую функцию должен выполнять в дальнейшем голограммный оптический элемент 212, записанный в этом фрагменте. По сути, место фиксации каждого фрагмента 212’ голографической среды на волноводе определяется конструкцией устройства виртуальной и дополненной реальности.A waveguide 204 is provided that may be flat or curved and may have aberrations, and as shown in FIG. 3 a), fix (fix) fragment (s) 212 'on it with one or more holographic media, which may also have aberrations. In this case, each fragment 212 'of the holographic medium is fixed at a certain place of the waveguide 204, depending on what general structure the waveguide 204 should have with this fragment 212' of the holographic medium, and what function the holographic optical element 212 recorded in this fragment should perform in the future. ... In fact, the location of fixation of each fragment 212 'of the holographic medium on the waveguide is determined by the design of the virtual and augmented reality device.

Далее, как показано на фиг. 3 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. При этом инспекционная волна может быть плоской, сферической или иметь специально подобранную форму волнового фронта. Специально подобранная форма волнового фронта инспекционной волны может быть задана посредством традиционных или дифракционных оптических элементов, или с помощью пространственно-временных модуляторов света, или их комбинацией.Further, as shown in FIG. 3 b), detection of aberrations created by the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium is performed using the inspection wave 313. In this case, the inspection wave can be plane, spherical, or have a specially selected wavefront shape. The specially selected shape of the wavefront of the inspection wave can be specified by means of traditional or diffractive optical elements, or using space-time light modulators, or a combination of both.

При детектировании аберраций инспекционная волна 313 однократно проходит локальную структуру, образованную волноводом 204 со своими аберрациями и фрагментом 212’ голографической среды со своими аберрациями, и искажается в соответствии с локальными аберрациями волновода 204 и голографической среды 212’. When detecting aberrations, the inspection wave 313 once passes the local structure formed by the waveguide 204 with its aberrations and the fragment 212 'of the holographic medium with its aberrations, and is distorted in accordance with the local aberrations of the waveguide 204 and the holographic medium 212'.

Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, приобретает аберрации. Эти аберрации инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру, детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого будет более подробно описана ниже. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии, в блоке 314 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру, полученные данные сохраняют на машиночитаемом носителе данных для использования на следующем этапе осуществления способа. The inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212' of the holographic medium, acquires aberrations. These aberrations of the inspection wave 313 'passing through the said local structure are detected by the wavefront detection and phase conjugation unit 314, the operation of which will be described in more detail below. Then, using the values of the phase and amplitude of the inspection wave obtained by the method of phase-shifting interferometry, in block 314, phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'that have passed the said local structure are calculated, the obtained data is stored on a computer-readable storage medium for use in the next stage of the method.

Как дополнительно показано на фиг. 3 г) и 3 д), на этапе детектирования аберраций, изображенном на фиг. 3 б), инспекционная волна 313 может подаваться под произвольным углом α к поверхности волновода 204. As further shown in FIG. 3d) and 3 e), at the stage of detecting aberrations shown in Fig. 3 b), the inspection wave 313 can be applied at an arbitrary angle α to the surface of the waveguide 204.

Инспекционная волна 313, падающая под произвольным углом α к поверхности волновода 204, проходит через локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, и приобретает аберрации в соответствии с конкретным путем прохождения через эту локальную структуру.An inspection wave 313, incident at an arbitrary angle α to the surface of the waveguide 204, passes through the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium, and acquires aberrations in accordance with a specific path through this local structure.

Таким образом, аберрации волновода 204 и фрагмента 212’ голографической среды обнаруживаются для инспекционных волн, распространяющихся под разными углами α1, α2, … αn, через локальную структуру, в которой будет записываться и работать голограммный оптический элемент 212. Thus, aberrations of the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium are detected for inspection waves propagating at different angles α 1 , α 2 , ... α n , through the local structure in which the hologram optical element 212 will be recorded and operated.

Измерения с помощью упомянутого выше метода фазосдвигающей интерферометрии основаны на регистрации нескольких интерферограмм, формируемых в плоскости фотоприемника (например, ПЗС-матрицы блока 314) двумя пучками света: неискаженным (эталонным, опорным) и искаженным, прошедшим через возмущающую среду (пучок, приобретший аберрации). Фаза опорной волны изменяется ступенчато с известным фазовым сдвигом, и полученные интерференционные полосы обрабатываются с помощью компьютера по специальному алгоритму для получения искомого распределения комплексной амплитуды искаженной волны.Measurements using the above-mentioned method of phase-shifting interferometry are based on the registration of several interferograms formed in the plane of the photodetector (for example, the CCD matrix of block 314) by two beams of light: undistorted (reference, reference) and distorted, which passed through the disturbing medium (a beam that acquired aberrations) ... The phase of the reference wave changes stepwise with a known phase shift, and the resulting interference fringes are processed by a computer using a special algorithm to obtain the desired distribution of the complex amplitude of the distorted wave.

Далее, как показано на фиг. 3 в), посредством блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения выполняют запись голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды, так чтобы скомпенсировать аберрации, возникающие при эксплуатации волновода 204 с фрагментом 212’ голографической среды, за счет технологии записи этого оптического элемента. Для этого полученная информация об искажениях инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, используется при записи голограммного оптического элемента 212 в этом же самом фрагменте 212’ голографической среды. Это обеспечивается путем формирования предыскаженной объектной волны 315’, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ может быть достигнуто путем подачи объектной волны 315 в блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, где в объектную волну 315 могут быть внесены предыскажения с помощью микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.Further, as shown in FIG. 3 c), by means of the unit 314 for detecting the wavefront and phase conjugation, the hologram optical element 212 is recorded in the fragment 212 'of the holographic medium, so as to compensate for the aberrations arising from the operation of the waveguide 204 with the fragment 212' of the holographic medium, due to the recording technology of this optical element ... For this, the obtained information about the distortions of the inspection wave 313 ', which has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212' of the holographic medium, is used when recording the holographic optical element 212 in the same fragment 212 'of the holographic medium. This is achieved by generating a predistorted object wave 315 'containing phase conjugate aberrations to aberrations of the inspection wave 313' that has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium. The formation of the predistorted object wave 315 'can be achieved by supplying the object wave 315 to the wavefront detection and phase conjugation unit 314, where the object wave 315 can be predistorted using micromirror, liquid crystal or acousto-optic space-time light modulators (SPMM) according to the calculated phase conjugate aberrations.

При записи голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316, которая может иметь плоскую, сферическую форму или специально подобранную форму волнового фронта. При этом специально подобранная форма волнового фронта опорной волны может быть задана посредством традиционных или дифракционных оптических элементов, или с помощью пространственно-временных модуляторов света, или их комбинацией. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 212’ голографической среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций. При соблюдении такого условия фазово-сопряженные аберрации будут компенсировать аберрации, возникающие при прохождении объектной волны 315 по тому же оптическому пути, который был использован при детектирования аберраций инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, и при записи голограммного оптического элемента 212 в фрагменте 212’ голографической среды. Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором возможность коррекции аберраций обеспечивается на стадии производства.When recording the holographic optical element 212 in the fragment 212 'of the holographic medium, a predistorted object wave 315' is used, containing the mentioned phase conjugate aberrations, and an undistorted reference wave 316, which can have a plane, spherical shape or a specially selected wavefront shape. In this case, a specially selected shape of the wavefront of the reference wave can be set by means of traditional or diffractive optical elements, or by means of space-time light modulators, or their combination. During recording, as well as during further operation of the waveguide 204, each fragment 212 'of the holographic medium must remain fixed in the same place on the waveguide 204 as at the stage of detecting aberrations. If this condition is met, the phase-conjugate aberrations will compensate for the aberrations arising from the passage of the object wave 315 along the same optical path that was used to detect the aberrations of the inspection wave 313 'that passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212' of the holographic medium, and when recording the holographic optical element 212 in the fragment 212 'of the holographic medium. Thus, the present invention provides a method for manufacturing a waveguide with holographic optical elements, in which the ability to correct aberrations is provided at the manufacturing stage.

На фиг. 3 е) показан набор записанных голограммных оптических элементов 212, зафиксированных на участке волновода 204, причем для записи голограммных оптических элементов 212 могут быть использованы фрагменты одной или более голографических сред, например, фрагменты двух разных голографических сред. FIG. 3 e) shows a set of recorded holographic optical elements 212 fixed on a section of waveguide 204, and fragments of one or more holographic media can be used to record holographic optical elements 212, for example, fragments of two different holographic media.

На фиг. 4, проиллюстрированы варианты осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения для реализации способа изготовления волновода с голограммными оптическими элементами согласно настоящему изобретению. Блок 314 может быть реализован в виде единого блока, совмещающего две функции: детектирование волнового фронта и фазовое сопряжение, или может быть реализован в виде отдельных подблоков, каждый из которых выполняет свою функцию.FIG. 4, embodiments of the wavefront detection and phase conjugation unit 314 for implementing the method for manufacturing a waveguide with holographic optical elements according to the present invention are illustrated. Block 314 can be implemented as a single block combining two functions: wavefront detection and phase conjugation, or can be implemented as separate sub-blocks, each of which performs its own function.

На фиг. 4 а) схематически показан вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего датчик 417 волнового фронта Шака-Гартмана, компьютеризированное устройство управления 418 и пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419. FIG. 4 a) is a schematic illustration of an embodiment of a wavefront detection and phase conjugation unit 314 comprising a Shack-Hartmann wavefront sensor 417, a computerized controller 418, and a space-time light modulator (SPMM) 419.

Блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения работает следующим образом.The wavefront and phase conjugation unit 314 operates as follows.

Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, детектируется помощью датчика 417 волнового фронта Шака-Гартмана, затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляются фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Далее с использованием плоской объектной волны 315 и вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ осуществляется посредством ПВМС 419. The inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212' of the holographic medium, is detected by the Shack-Hartmann wavefront sensor 417, then the phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'that have passed the local structure are calculated by the computerized controller 418 formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium. Then, using the plane object wave 315 and the calculated phase-conjugate aberrations, a predistorted object wave 315 'is formed, containing the phase-conjugate aberrations to the detected aberrations of the inspection wave 313', which has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium. The formation of the predistorted object wave 315 'is carried out by means of the PMS 419.

На фиг. 4 б) схематически показан другой вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего компьютеризированное устройство управления 418, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419, электрооптический модулятор (ЭО) 420, ПЗС-матрицу 421 и делитель пучка 422.FIG. 4 b) schematically shows another embodiment of a wavefront and phase conjugation unit 314 comprising a computerized control device 418, a space-time light modulator (SPM) 419, an electro-optical modulator (EO) 420, a CCD matrix 421, and a beam splitter 422.

Блок 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения работает следующим образом. The wavefront and phase conjugation unit 314 operates as follows.

Инспекционная волна 313 и инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, образуют интерференционную картину в плоскости ПЗС-матрицы 421. При этом инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, направляется в сторону ПЗС-матрицы 421 посредством делителя пучка 422. Относительная фаза между инспекционными волнами 313 и 313’ регулируется электрооптическим модулятором (ЭО) 420. При этом амплитуда и фаза инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212 голографической среды, могут быть однозначно определены с помощью описанного выше метода фазосдвигающей интерферометрии. Затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’. Далее с использованием делителя 422 плоская объектная волна 315 подается на пространственно-временной модулятор света 419, посредством которого с использованием вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. The inspection wave 313 and the inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212' of the holographic medium, form an interference pattern in the plane of the CCD matrix 421. In this case, the inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium is directed towards the CCD matrix 421 by means of a beam splitter 422. The relative phase between the inspection waves 313 and 313' is controlled by an electro-optical modulator (EO) 420. In this case, the amplitude and phase of the inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the holographic medium fragment 212 can be uniquely identified using the phase-shifting interferometry method described above. Then, by means of the computerized controller 418, the phase conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'are calculated. Then, using the divider 422, the plane object wave 315 is fed to the space-time light modulator 419, by means of which, using the calculated phase-conjugate aberrations, a predistorted object wave 315 'is formed, containing the phase-conjugate aberrations to the detected aberrations of the inspection wave 313' that has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium.

На фиг. 4 в) схематически показан вариант осуществления блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, содержащего компьютеризированное устройство управления 418, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 419, КМОП-матрицу 423 высокого разрешения, фазовый ЖК ПВМС 424 и процессор 425. Совместное использование ЖК ПВМС 424, КМОП-матрицы 423 и процессора 425 позволяет обеспечить более чем 100-кратное улучшение пространственного разрешения по сравнению с датчиком Шака-Гартмана. FIG. 4 c) schematically shows an embodiment of the wavefront detection and phase conjugation unit 314, containing a computerized control device 418, a space-time light modulator (SPMM) 419, a high-resolution CMOS matrix 423, a phase LC PMS 424 and a processor 425. Sharing the LCD The 424 PVMS, 423 CMOS and 425 processor provide more than 100-fold improvement in spatial resolution compared to the Shack-Hartmann sensor.

При этом блок 314 работает следующим образом. Инспекционную волну 313’, прошедшую локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212 голографической среды, подают на ЖК ПВМС 424. ЖК ПВМС 424 модулирует поданную волну с помощью нескольких случайно-заданных шаблонов, и производятся измерения интенсивности прошедшей через ЖК ПВМС 424 волны с помощью КМОП-матрицы 423. Затем полученные данные обрабатываются процессором 425 с использованием вычислительного алгоритма фазового поиска, который вычисляет комплексную амплитуду инспекционной волны 313’, падающей на КМОП-матрицу 423. Затем посредством компьютеризированного устройства управления 418 вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру. Далее с использованием плоской объектной волны 315 и вычисленных фазово-сопряженных аберраций формируют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую фазово-сопряженные аберрации к детектированным аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды. Формирование предыскаженной объектной волны 315’ обеспечивается посредством пространственно-временного модулятора света 419.In this case, block 314 operates as follows. The inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 of the holographic medium, is fed to the LC PMS 424. The LC PMS 424 modulates the supplied wave using several randomly specified templates, and the intensity of the wave transmitted through the LC PMS 424 is measured using CMOS Arrays 423. The resulting data is then processed by a processor 425 using a computational phase search algorithm that calculates the complex amplitude of the inspection wave 313 'incident on the CMOS Array 423. The computerized controller 418 then calculates the phase conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'that has passed the local structure. Then, using the plane object wave 315 and the calculated phase-conjugate aberrations, a predistorted object wave 315 'is formed, containing the phase-conjugate aberrations to the detected aberrations of the inspection wave 313', which has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium. The formation of the predistorted object wave 315 'is provided by the space-time light modulator 419.

Таким образом, при записи голограммного оптического элемента 212 аберрации, которыми обладают волновод 204 и фрагмент 212’ голографической среды, учитываются с обратным знаком. Thus, when recording the holographic optical element 212, the aberrations possessed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium are taken into account with the opposite sign.

Все фрагменты 212’ голографической среды, которые должны использоваться для создания волноводной структуры для предполагаемого устройства виртуальной и дополненной реальности 201, могут быть записаны подобным образом и размещены в соответствующих областях волновода.All fragments 212 'of the holographic medium that are to be used to create a waveguide structure for the intended virtual and augmented reality device 201 can be recorded in a similar way and placed in the corresponding regions of the waveguide.

Число и структура голограммных оптических элементов 212 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 3, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности. Могут быть использованы голограммные оптические элементы 212, записанные в фрагментах одной голографической среды, или могут быть использованы голограммные оптические элементы 212, записанные в фрагментах разных голографических сред.The number and structure of the hologram optical elements 212 are not limited to the configuration shown in FIG. 3, and may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device. Holographic optical elements 212 recorded in fragments of one holographic medium can be used, or holographic optical elements 212 recorded in fragments of different holographic media can be used.

При этом каждый из голограммных оптических элементов 212 должен быть записан с соблюдением предлагаемой технологии, т.е. с детектированием предыскажений и внесением этих предыскажений в записываемый голограммный оптический элемент 212 на этапе записи. Moreover, each of the holographic optical elements 212 must be recorded in compliance with the proposed technology, i.e. with detecting predistortion and introducing this predistortion into the recordable hologram optical element 212 during the recording step.

При таком подходе каждый голограммный оптический элемент 212 может выполнять двоякую функцию: отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и, одновременно, компенсация аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 212’ голографической среды, в которой записан оптический элемент 212. Кроме того, голограммный оптический элемент 212 может быть выполнен как пропускающий или отражательный голограммный элемент. Например, будучи записанным как пропускающий голограммный элемент, голограммный оптический элемент 212 будет осуществлять преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент, будучи записанным как отражательный голограммный элемент, голограммный оптический элемент 212 будет осуществлять преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента. With this approach, each holographic optical element 212 can perform a double function: deflection and / or direction of waves propagating along the waveguide, and, at the same time, compensation for aberrations caused by the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 212 'of the holographic medium in which the optical element is recorded 212. In addition, the hologram optical element 212 can be configured as a transmissive or reflective hologram element. For example, when recorded as a transmissive hologram element, the hologram optical element 212 will convert the incident optical radiation as it passes through the element, while being recorded as a reflective hologram element, the hologram optical element 212 will convert the incident optical radiation as it is reflected from this element.

Благодаря такому совмещению функций можно изготовить волновод, позволяющий сохранить качество при передаче изображения и создать более компактную и дешевую конструкцию устройства виртуальной и дополненной реальности, поскольку в данном случае могут быть использованы неидеальные голографические среды и волноводы, исключается потребность в дополнительных компонентах устройства, реализующих пред- или постобработку изображений.Thanks to this combination of functions, it is possible to manufacture a waveguide that allows maintaining the quality during image transmission and creating a more compact and cheaper design of a virtual and augmented reality device, since in this case imperfect holographic media and waveguides can be used, eliminating the need for additional components of the device that implement or post-processing of images.

В качестве голографических сред могут быть использованы следующие материалы: фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину. Причем фрагмент голографической среды может иметь форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. Толщина и геометрическая форма могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности.The following materials can be used as holographic media: photopolymers, photothermoplastics, photochromic materials, photothermorefractive materials, photoresists, silver halide photographic materials, or dichromated gelatin. Moreover, a fragment of a holographic medium can have the form of a film or a layer of a given thickness and geometric shape. Thickness and geometric shape may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device.

Могут быть использованы стеклообразные, стеклокерамические, кристаллические, полимерные и другие среды, обладающие достаточным пропусканием света в видимой области спектра и возможностью формирования в них микроструктур с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом, чтобы на этих структурах могла осуществляться дифракция света, и чтобы эти микроструктуры сохранялись в среде длительное (желательно бесконечно) время. Среды могут быть напыленными пленками/слоями, выращенными пленками/слоями; пленками/слоями, посаженными на оптический контакт; приклеенными пленками/слоями. Glassy, glass-ceramic, crystalline, polymer and other media can be used that have sufficient transmission of light in the visible region of the spectrum and the possibility of forming microstructures in them with a constant or varying period according to a given law, so that light diffraction can be carried out on these structures, and that these microstructures were preserved in the medium for a long (preferably infinite) time. Media can be sprayed films / layers, grown films / layers; films / layers planted on optical contact; glued films / layers.

В варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами, в котором используется фоточувствительный волновод. An embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a holographic optical element waveguide using a photosensitive waveguide.

Этот случай отличается от случая, представленного на фиг. 3 тем, что не требуется использовать фрагменты одной или более голографических сред и, соответственно, фиксировать их на волноводе, т.к. запись голограммных оптических элементов осуществляется непосредственно в самом волноводе. Что касается осуществления остальных операций, они выполняются подобно тому, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4.This case is different from the case shown in FIG. 3 by the fact that it is not required to use fragments of one or more holographic media and, accordingly, to fix them on the waveguide, since holographic optical elements are recorded directly in the waveguide itself. With regard to the implementation of the remaining operations, they are carried out in the same way as described above with reference to FIG. 3, 4.

Как показано на фиг. 5 а), при осуществлении этого способа обеспечивают фоточувствительный волновод 504, который может плоским или изогнутым и может обладать аберрациями. As shown in FIG. 5 a), this method provides a photosensitive waveguide 504 that can be flat or curved and can have aberrations.

С помощью инспекционной волны 513 выявляют локальные аберрации фоточувствительного волновода 504, для чего с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения выявляют аберрации инспекционной волны 513’, прошедшей через локальную структуру волновода 504, в которой будет записываться голограммный оптический элемент 512, и вычисляют фазово-сопряженные аберрации.Using the inspection wave 513, local aberrations of the photosensitive waveguide 504 are detected, for which the aberrations of the inspection wave 513 ', passed through the local structure of the waveguide 504, in which the hologram optical element 512 will be recorded, are detected using the wavefront detection and phase conjugation unit 314, and the phase -conjugate aberrations.

Как показано на фиг. 5 б), запись голограммного оптического элемента 512 осуществляют непосредственно в фоточувствительном волноводе 504 с помощью предыскаженной объектной волны 515’, содержащей упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и опорной волны 516. При этом, как показано на фиг. 5 б) и 5 в), каждый голограммный оптический элемент 512 должен быть записан в той же локальной структуре 526 волновода 504, для которой проводилось детектирование аберрации инспекционной волны 513’, прошедшей через эту локальную структуру. Число и структура голограммных оптических элементов 512 не ограничены и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности. As shown in FIG. 5 b), the hologram optical element 512 is recorded directly in the photosensitive waveguide 504 using a predistorted object wave 515 'containing the mentioned phase conjugate aberrations and a reference wave 516. In this case, as shown in FIG. 5 b) and 5 c), each hologram optical element 512 must be recorded in the same local structure 526 of the waveguide 504, for which the aberration of the inspection wave 513 'passed through this local structure was detected. The number and structure of the holographic optical elements 512 are not limited and may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device.

Сам волновод 504 может быть изготовлен из светочувствительного материала, в котором возможно формирование голограммного оптического элемента. Например, это может быть кристаллический материал (фотохромный или фототерморефрактивный кристалл и т.д.), стекло (фотохромное или фототерморефрактивное стекло и т.д.), стеклокерамика, фотополимерный материал (ПММА и другие фотополимеры.). Таким образом, в данном случае не требуется наносить голографическую среду на сам волновод 504, поскольку он играет роль и конструктивного элемента, и является голографической средой.The waveguide 504 itself can be made of a photosensitive material in which a holographic optical element can be formed. For example, it can be a crystalline material (photochromic or photothermorefractive crystal, etc.), glass (photochromic or photothermorefractive glass, etc.), glass ceramics, photopolymer material (PMMA and other photopolymers.). Thus, in this case, it is not required to apply the holographic medium to the waveguide 504 itself, since it plays the role of both a structural element and is a holographic medium.

В варианте осуществления предусмотрен способ изготовления волновода с голограммными оптическими элементами на основе голографических сред с очень низким порогом записи. Примерами таких сред являются, например, фототерморефрактивные кристаллы, фотохромные материалы, галоидосеребряные фотографические материалы, бихромированная желатина.In an embodiment, a method is provided for manufacturing a waveguide with holographic optical elements based on very low recording threshold holographic media. Examples of such environments are, for example, photothermorefractive crystals, photochromic materials, silver halide photographic materials, dichromated gelatin.

В этом случае использование инспекционной волны на этапе детектирования аберраций локальной структуры, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, становится невозможным, т.к. использование даже слабой низкоэнергетической волны может привести к засветке голографической среды, используемой для записи голограммного оптического элемента. In this case, the use of the inspection wave at the stage of detecting aberrations of the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium becomes impossible, since the use of even a weak low-energy wave can lead to the illumination of the holographic medium used to record the holographic optical element.

Как показано на фиг. 6 а), б), при осуществлении этого способа обеспечивают волновод 604, который может плоским или изогнутым и может обладать аберрациями. В данном случае не используется инспекционная волна. Локальные аберрации волновода 604 выявляют с помощью плоской объектной волны 615, для чего с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения детектируют аберрации объектной 615’, прошедшей через локальную структуру волновода 604, которая дополнительно показана на фиг. 6 б) как область 626), и вычисляют фазово-сопряженные аберрации. As shown in FIG. 6 a), b), when implementing this method, a waveguide 604 is provided, which can be flat or curved and can have aberrations. In this case, the inspection wave is not used. Local aberrations of waveguide 604 are detected using a flat object wave 615, for which the unit 314 for detecting the wavefront and phase conjugation detects aberrations of the object 615 ', passed through the local structure of the waveguide 604, which is additionally shown in FIG. 6b) as region 626), and the phase-conjugate aberrations are calculated.

Затем осуществляют запись голограммного оптического элемента 612 в фрагменте голографической среды с очень низким порогом записи с помощью предыскаженной объектной волны 615’’, содержащей упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и опорной волны 616. Далее голограммный оптический элемент 612, записанный в фрагменте голографической среды, должен быть зафиксирован на той же самой области 626 волновода 604, для которой проводилось детектирование аберрации с помощью объектной волны 615. Т.е. в отличие от случая, представленного на фиг. 3, когда фрагмент голографической среды заранее фиксируется на волноводе, в данном случае фиксация фрагментов среды к волноводу осуществляется после записи голограммного оптического элемента 612 в соответствующем фрагменте голографической среды. Число и структура голограммных оптических элементов 612 не ограничены и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства виртуальной и дополненной реальности. Могут быть использованы голограммные оптические элементы 612, записанные в фрагментах одной голографической среды, или могут быть использованы фрагменты разных голографических сред.Then, the holographic optical element 612 is recorded in a fragment of the holographic medium with a very low recording threshold using a predistorted object wave 615 '' containing the aforementioned phase conjugate aberrations and a reference wave 616. Further, the hologram optical element 612 recorded in the fragment of the holographic medium should be fixed on the same region 626 of the waveguide 604 for which the aberration was detected with the object wave 615. in contrast to the case shown in FIG. 3, when a fragment of the holographic medium is previously fixed on the waveguide, in this case, the fixation of the fragments of the medium to the waveguide is carried out after the holographic optical element 612 is recorded in the corresponding fragment of the holographic medium. The number and structure of the holographic optical elements 612 are not limited and may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device. Holographic optical elements 612 recorded in fragments of the same holographic medium can be used, or fragments of different holographic media can be used.

Что касается операций по формированию предыскаженной волны 615’’ и записи голограммного оптического элемента 612, они выполняются подобно тому, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4.With regard to the operations of generating the predistorted wave 615 '' and recording the hologram optical element 612, they are performed in the same way as described above with reference to FIG. 3, 4.

На фиг. 7 схематически показан волновод с голограммными оптическими элементами, изготовленный способом, описанным, например, применительно к фиг. 3.FIG. 7 schematically shows a waveguide with holographic optical elements, manufactured by the method described, for example, in relation to FIG. 3.

Волновод 704 содержит зафиксированные на нем голограммные оптические элементы 706, 707, 708, записанные в соответствующих фрагментах голографических сред. Причем голограммный оптический элемент 706 является входным голограммным оптическим элементом для ввода изображения в волновод 704, голограммный оптический элемент 707 является размножающим голограммным оптическим элементом, выполненным с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, голограммный оптический элемент 708 является выходным голограммным оптическим элементом для вывода изображения из волновода. Число и структура голограммных оптических элементов 706, 707, 708 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 7, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.Waveguide 704 contains holographic optical elements 706, 707, 708 fixed on it, recorded in corresponding fragments of holographic media. Moreover, the hologram optical element 706 is an input hologram optical element for inputting an image into the waveguide 704, the hologram optical element 707 is a multiplying hologram optical element made with the possibility of increasing the geometric dimensions of the transmitted image, the hologram optical element 708 is an output hologram optical element for outputting an image from the waveguide ... The number and structure of the hologram optical elements 706, 707, 708 are not limited to the configuration shown in FIG. 7, and may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device 201.

Волновод согласно настоящему изобретению работает в составе устройства виртуальной и дополненной реальности 201 следующим образом.The waveguide according to the present invention operates in a virtual and augmented reality device 201 as follows.

Исходное неискаженное изображение 703 вводится в волновод 704 от проектора 202 изображения устройства виртуальной и дополненной реальности 201 через один или более входных голограммных оптических элементов 706. The original undistorted image 703 is input into the waveguide 704 from the image projector 202 of the virtual and augmented reality device 201 through one or more hologram input optical elements 706.

При прохождении изображения через локальные структуры, образованные волноводом и фрагментами голографических сред, в которых записаны голограммные оптические элементы 706, 707, 708, происходит компенсации аберраций, вызываемых этими локальными структурами. When the image passes through the local structures formed by the waveguide and fragments of the holographic media in which the holographic optical elements 706, 707, 708 are recorded, the aberrations caused by these local structures are compensated.

В частности, это показано на примере распространения волнового фронта 727, восстановленного голограммным оптическим элементом 706. Волновой фронт 727 имеет аберрации, фазово-сопряженные с аберрациями, вносимыми локальной структуры, образованной волноводом 704 и фрагментом голографической среды, в котором записан голограммный оптический элемент 706, и проходит по тому же оптическому пути через эту локальную структуру, как и при записи голограммного оптического элемента 706.In particular, this is shown by the example of the propagation of the wavefront 727, reconstructed by the hologram optical element 706. The wavefront 727 has aberrations that are phase conjugated with aberrations introduced by the local structure formed by the waveguide 704 and a fragment of the holographic medium in which the hologram optical element 706 is recorded, and follows the same optical path through this local structure as when recording the hologram optical element 706.

Фазово-сопряженные и фазово-несопряженные аберрации компенсируют друг друга при распространении волнового фронта 727 через волновод. Поэтому полученная реконструированная волна 727’ не содержит аберраций.Phase-conjugate and phase-non-conjugate aberrations cancel each other out as the wavefront 727 propagates through the waveguide. Therefore, the resulting reconstructed wave 727 'does not contain aberrations.

Такой подход к компенсации аберраций может быть использован для любого числа голограммных оптических элементов, зафиксированных на волноводе 704, и, таким образом, из волновода в глаз пользователя может быть выведено изображение 710, не содержащее аберраций.This aberration compensation approach can be used for any number of holographic optical elements fixed to the waveguide 704, and thus an aberration-free image 710 can be output from the waveguide to the user's eye.

Это дополнительно поясняется на примере прохождения считывающей волны 728 через голограммный оптический элемент 706, который записан с возможностью компенсации аберраций, вносимых локальной структурой, образованной волноводом 704 и соответствующим фрагментом голографической среды, в котором записан голограммный оптический элемент 706. Считывающая волна 728’, прошедшая эту структуру, не содержит аберраций. This is further illustrated by the example of the passage of the read wave 728 through the hologram optical element 706, which is recorded with the possibility of compensating for aberrations introduced by the local structure formed by the waveguide 704 and the corresponding fragment of the holographic medium in which the hologram optical element 706 is recorded. structure, does not contain aberrations.

При использовании в составе устройства виртуальной и дополненной реальности волновода с голограммными оптическими элементами по настоящему изобретению, волновод освещается считывающей волной 728, имеющей ту же длину волны, которая использовалась при записи голограммных оптических элементов.When a waveguide with holographic optical elements is used as part of a virtual and augmented reality device according to the present invention, the waveguide is illuminated with a readout wave 728 having the same wavelength that was used when recording the holographic optical elements.

При этом волновой фронт, восстановленный голограммными оптическими элементами, имеет аберрации, фазово-сопряженные с аберрациями локальных структур, образованных волноводом и фрагментами голографических сред, и следует по тому же оптическому пути через волновод и голографическую среду, обладающие аберрациями, который был использован при записи, т.к. при таком распространении через волновод фазово-сопряженные и несопряженные аберрации компенсируют друг друга.In this case, the wavefront reconstructed by holographic optical elements has aberrations that are phase conjugated with aberrations of local structures formed by the waveguide and fragments of holographic media, and follows the same optical path through the waveguide and holographic medium, which have aberrations, which was used for recording. since with this propagation through the waveguide, the phase-conjugate and non-conjugate aberrations cancel each other out.

Это можно проиллюстрировать довольно простым способом.This can be illustrated in a fairly simple way.

Пусть пространственно-изменяющийся амплитудный коэффициент пропускания τ(x, y) волновода и фрагмента голографической среды, обладающих аберрациями, равен:Let the spatially varying amplitude transmittanceτ(x, y) a waveguide and a fragment of a holographic medium with aberrations is equal to:

τ(x, y) = exp((x, y)), τ ( x, y ) = exp ( ( x, y )) ,

где φ(x, y) - фазовый сдвиг, являющийся случайной функцией положения с координатами x, y в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;where φ ( x, y ) is the phase shift, which is a random function of the position with coordinates x , y in the plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through the waveguide and a fragment of the holographic medium that have aberrations;

где х - координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;where x is the coordinate in the Cartesian coordinate system in the plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through the waveguide and a fragment of the holographic medium with aberrations;

где у - вторая координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод и фрагмент голографической среды, обладающих аберрациями;where y is the second coordinate in the Cartesian coordinate system in the plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through the waveguide and a fragment of the holographic medium with aberrations;

j - мнимая единица. j is the imaginary unit.

Голограммный оптический элемент, записанный предыскаженной объектной волной, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, и неискаженной опорной волной, имеет амплитудный коэффициент пропускания, который равен τ*(x, y), где звездочка обозначает комплексное сопряжение. При считывании голограммного оптического элемента освещающий объект от проектора изображения имеет комплексное амплитудное распределение A(x, y) в плоскости голограммного оптического элемента. После прохождения через голограммный оптический элемент, записанный в фрагменте голографической среды, а затем через волновод, обладающих аберрациями, распределение света, дифрагированного на голограммном оптическом элементе, происходит следующим образом:A hologram optical element recorded by a predistorted object wave containing phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave detected after the inspection wave has passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium and an undistorted reference wave has an amplitude transmittance equal to τ * (x , y) , where the asterisk denotes complex conjugation. When reading the hologram optical element, the illuminating object from the image projector has a complex amplitude distribution A (x, y) in the plane of the hologram optical element. After passing through a holographic optical element recorded in a fragment of a holographic medium, and then through a waveguide with aberrations, the distribution of light diffracted on the holographic optical element occurs as follows:

τ*(x, y)τ(x, y)A(x, y) = A(x, y).τ * (x, y) τ (x, y) A (x, y) = A (x, y).

Поэтому изображение объекта после прохождения фрагмента голографической среды и волновод, обладающих аберрациями, не должно содержать искажений. Если все голограммные оптические элементы, зафиксированные на волноводе, записаны подобным образом и учитывают аберрации, вносимые упомянутыми локальными структурами и волноводом, то полученное выходное виртуальное изображение будет свободным от аберраций за счет устранения аберраций волновода и голографической среды.Therefore, the image of the object after passing through a fragment of the holographic medium and the waveguide with aberrations should not contain distortions. If all the holographic optical elements fixed on the waveguide are recorded in a similar way and take into account the aberrations introduced by the mentioned local structures and the waveguide, then the resulting output virtual image will be free of aberrations due to the elimination of aberrations of the waveguide and the holographic medium.

Кроме того, со ссылкой на фиг. 8 будет рассмотрен случай компенсации аберраций при использовании тонкой голографической среды, который относится к варианту осуществления способа изготовления волновода с голограммными оптическими элементами.In addition, with reference to FIG. 8, the case of aberration compensation when using a thin holographic medium will be discussed, which relates to an embodiment of a method for manufacturing a waveguide with holographic optical elements.

В случае тонкой голографической среды можно не вносить предыскажения, содержащие фазово-сопряженные аберрации, в объектную волну и сразу записывать искажения, обусловленные локальной структурой волновода, в виде голограммного оптического элемента, при этом в фрагменте тонкой голографической среды записывают только аберрации от волновода, а фазовое сопряжение не выполняется. Настоящий вариант основан на том, что фазово-сопряженная функция аберраций волновода непосредственно записывается в голограммном оптическом элементе при его формировании, и при прохождении считывающего голограммный оптический элемент волнового фронта через ту же область волновода с аберрациями происходит их компенсация. Но этот вариант возможен только для случая записи голограммного оптического элемента в фрагменте тонкой голографической среде. Это обусловлено тем, что при дифракции оптического излучения на голограммном оптическом элементе, записанном в фрагменте в тонкой голографической среды, образуются как минимум несколько восстановленных волн (минус первый порядок, нулевой и первый порядок дифракции), одна из которых содержит информацию о фазово-сопряженной функции аберраций волновода. Таким образом, фазово-сопряженная функция аберраций волновода будет присутствовать в записанном голограммном оптическом элементе при прохождении через него считывающего волнового фронта, благодаря чему и будет происходить компенсация аберраций, вызванных соответствующей локальной структурой волновода, для которой производилась запись с использованием объектной волны, прошедшей эту локальную структуру волновода.In the case of a thin holographic medium, it is possible not to pre-distort the object wave containing phase-conjugate aberrations and immediately record the distortions caused by the local structure of the waveguide in the form of a holographic optical element, while in the fragment of the thin holographic medium only aberrations from the waveguide are recorded, and the phase pairing fails. The present version is based on the fact that the phase-conjugate function of waveguide aberrations is directly recorded in the hologram optical element during its formation, and when the wavefront that reads the hologram optical element passes through the same region of the waveguide with aberrations, they are compensated. But this option is possible only for the case of recording a holographic optical element in a fragment of a thin holographic medium. This is due to the fact that during the diffraction of optical radiation on a holographic optical element recorded in a fragment in a thin holographic medium, at least several reconstructed waves are formed (minus the first order, zero and first diffraction orders), one of which contains information about the phase conjugate function waveguide aberrations. Thus, the phase-conjugate function of waveguide aberrations will be present in the recorded hologram optical element when the reading wavefront passes through it, due to which the aberrations caused by the corresponding local structure of the waveguide, for which the recording was performed using the object wave that passed this local waveguide structure.

Математически может быть показано, что одна из волн, восстановленных с голограммного оптического элемента, записанного в фрагменте тонкой голографической среды, действительно будет содержать неискаженное комплексное амплитудное распределение изображения, прошедшего через волновод с аберрациями.It can be shown mathematically that one of the waves reconstructed from a holographic optical element recorded in a fragment of a thin holographic medium will indeed contain an undistorted complex amplitude distribution of the image passed through the aberrated waveguide.

На этапе записи (I) голограммного оптического элемента в фрагменте тонкой голографической среды неискаженная плоская объектная волна 815 проходит через локальную структуру волновода 804 с аберрациями (где аберрации описываются функцией фазовой аберрации волновода Φ(x, y)), приобретает в результате этого аберрации согласно аберрациям волновода 804, и отображается в плоскость записываемого голограммного оптического элемента 812, где она интерферирует с внеосевой плоской опорной волной 816 (R(x, y)).At the stage of recording (I) of a holographic optical element in a fragment of a thin holographic medium, an undistorted plane object wave 815 passes through the local structure of the waveguide 804 with aberrations (where the aberrations are described by the phase aberration function of the waveguide Φ ( x, y )), as a result of this , it acquires aberrations according to aberrations waveguide 804, and is mapped into the plane of the recording holographic optical element 812, where it interferes with the off-axis plane reference wave 816 ( R ( x, y )).

Пусть пространственно-изменяющаяся функция фазовой аберрации волновода с аберрациями Φ(x, y) равна:Let the spatially varying function of the phase aberration of the waveguide with aberrations Φ ( x, y ) be equal to:

Φ(x, y)=exp((x, y)), Φ ( x, y ) = exp ( ( x, y )) ,

где φ(x, y) - фазовый сдвиг, являющийся случайной функцией положения с координатами x, y в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод, обладающий аберрациями;where φ ( x, y ) is the phase shift, which is a random function of the position with coordinates x , y in the plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through the waveguide with aberrations;

где х - координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через волновод, обладающий аберрациями;where x is the coordinate in the Cartesian coordinate system in the plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through the waveguide with aberrations;

где у - вторая координата в декартовой системе координат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волнового фронта через, обладающий аберрациями;where y is the second coordinate in the Cartesian coordinate system in a plane perpendicular to the direction of propagation of the wave front through, which has aberrations;

j - мнимая единица. j is the imaginary unit.

Амплитуда опорной волны 816 (R(x, y)) задается как: The amplitude of the reference wave 816 (R(x, y)) is given as:

R(x, y) = exp (j2πγy), R(x, y) = exp (j2πγy),

где γ = sinα/λ, where γ = sinα / λ,

α - угол в направлении y между двумя записывающими пучками,α is the angle in the y direction between two recording beams,

λ - длина волны записывающего голограммный оптический элемент излучения. λ -wavelength recording a hologram optical element of radiation.

Результирующая интенсивность интерференционной картины в плоскости записываемого голограммного оптического элемента 812 описывается следующим образом:The resulting intensity of the interference pattern in the plane of the recorded hologram optical element 812 is described as follows:

Figure 00000001
.
Figure 00000001
...

Предположим, что пропускание H(x, y) голограммного оптического элемента 812 пропорционально интенсивности экспонирования:

Figure 00000002
,Suppose that the transmission H ( x, y ) of the hologram optical element 812 is proportional to the exposure intensity:
Figure 00000002
,

где κ - коэффициент пропорциональности.where κ is the coefficient of proportionality.

При считывании (II) голограммного оптического элемента 812 при работе устройства дополненной и виртуальной реальности считывающая волна 828 от проектора изображения, имеющая комплексное амплитудное распределение A’(x, y) в плоскости волновода 804, проходит через локальную структуру волновода 804, обладающего аберрациями, к голограммному оптическому элементу 812. Амплитудное распределение считывающей волны 828 в плоскости голограммного оптического элемента 812 равно

Figure 00000003
, а после прохождения голограммного оптического элемента 812 равно:When reading (II) the hologram optical element 812 during the operation of the augmented and virtual reality device, the reading wave 828 from the image projector, having a complex amplitude distribution A ' ( x, y ) in the plane of the waveguide 804, passes through the local structure of the waveguide 804, which has aberrations, to hologram optical element 812. The amplitude distribution of the read wave 828 in the plane of the hologram optical element 812 is equal to
Figure 00000003
, and after passing through the hologram optical element 812 is equal to:

Figure 00000004
.
Figure 00000004
...

После голограммного оптического элемента 812 возникает три дифрагированные волны, две из которых (829 и 830) показаны на фиг. 8. Нас интересует дифрагированная волна 830, содержащая фазово-сопряженную функцию аберраций волновода

Figure 00000005
. Принимая во внимание вид функции пропускания H(x, y) голограммного оптического элемента 812 получаем:Three diffracted waves occur after holographic optical element 812, two of which (829 and 830) are shown in FIG. 8. We are interested in the diffracted wave 830, which contains the phase conjugate function of waveguide aberrations
Figure 00000005
... Taking into account the form of the transmission function H ( x, y ) of the hologram optical element 812, we obtain:

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

т.е. в дифрагированной волне 830, распространяющейся в направлении использованной при записи опорной волны 816, мы получаем неискаженное изображение объекта.those. in the diffracted wave 830, propagating in the direction of the reference wave 816 used in the recording, we get an undistorted image of the object.

Далее со ссылкой на фиг. 2, 7 будет описан способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами по настоящему изобретению.Next, referring to FIG. 2, 7, a method of operation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with holographic optical elements according to the present invention will be described.

На первом этапе способа исходное изображение 203 подают в волновод 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) от источника 202 изображения. In the first step of the method, the original image 203 is fed into a waveguide 204 with holographic optical elements 206, 207, 208 (706, 707, 708) from an image source 202.

На втором этапе способа передают изображение 203 по волноводу 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами голографической среды, в которых записаны голограммные оптические элементы 206, 207, 208 (706, 707, 708). At the second stage of the method, an image 203 is transmitted through a waveguide 204 with hologram optical elements 206, 207, 208 (706, 707, 708) with compensation for aberrations caused by local structures formed by the waveguide 204 and fragments of the holographic medium in which the holographic optical elements 206 are recorded, 207, 208 (706, 707, 708).

На третьем этапе способа выводят виртуальное изображение 210, свободное от аберраций, из волновода с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708) в глаз пользователя.At the third stage of the method, a virtual image 210 free of aberrations is output from the waveguide with holographic optical elements 206, 207, 208 (706, 707, 708) into the user's eye.

При этом способ может дополнительно содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу 204 с голограммными оптическими элементами 206, 207, 208 (706, 707, 708).The method may further comprise increasing the geometric dimensions of the image in the process of transmitting the image through the waveguide 204 with holographic optical elements 206, 207, 208 (706, 707, 708).

В целом, функционирование устройств виртуальной и дополненной реальности возможно не только с волноводами, снабженными голограммными оптическими элементами (ГОЭ), но и с волноводами, снабженными дифракционными оптическими элементами (ДОЭ), а также в смешанной конфигурации, когда в устройстве совместно используются оба типа элементов. При этом необходимо отметить следующее.In general, the operation of virtual and augmented reality devices is possible not only with waveguides equipped with holographic optical elements (HOE), but also with waveguides equipped with diffractive optical elements (DOE), as well as in a mixed configuration, when both types of elements are used together in the device. ... In this case, the following should be noted.

Термин «дифракционный оптический элемент» охватывает широкий класс оптических элементов, одним из частных случаев которых являются «голограммные оптические элементы». При этом среди дифракционных оптических элементов можно дополнительно выделить типы элементов, которые при определенных условиях их записи также будут способны выполнять в устройстве виртуальной и дополненной реальности двоякую роль - работать в качестве элементов для перенаправления волн в волноводе, и корректировать локальные аберрации по мере передачи этих волн по волноводу. В частности, это относится к дифракционным оптическим элементам на основе дифракционных структур на фоторезистах и дифракционных структур в халькогенидных материалах. Дифракционные среды на основе структур в этих материалах являются записываемыми и в них могут быть записаны дифракционные оптические элементы согласно способу по настоящему изобретению.The term "diffractive optical element" covers a wide class of optical elements, one of the special cases of which is "holographic optical elements". At the same time, among the diffractive optical elements, it is possible to additionally single out the types of elements that, under certain conditions of their recording, will also be able to perform a dual role in a virtual and augmented reality device - to work as elements for redirecting waves in a waveguide, and to correct local aberrations as these waves are transmitted. along the waveguide. In particular, this applies to diffractive optical elements based on diffractive structures on photoresists and diffractive structures in chalcogenide materials. Diffractive media based on structures in these materials are recordable and diffractive optical elements can be recorded therein according to the method of the present invention.

На волноводе устройства виртуальной и дополненной реальности могут быть зафиксированы одновременно оба типа элементов (ГОЭ и ДОЭ), которые будут выполнять одни и те же функции при преобразования проходящего (отраженного) оптического излучения, при этом расположение на волноводе голограммных и дифракционных оптических элементов в определенной конфигурации позволит учесть в конструкции устройства виртуальной и дополненной реальности более высокую дифракционную эффективность дифракционных оптических элементов (то есть более высокую интенсивность дифрагированного излучения) или их способность лучше сопрягаться (по спектру и по угловым характеристикам) с источником излучения (проектором). Both types of elements (HOE and DOE) can be simultaneously fixed on the waveguide of a virtual and augmented reality device, which will perform the same functions when converting transmitted (reflected) optical radiation, while the location of hologram and diffractive optical elements on the waveguide in a certain configuration will allow to take into account in the design of a virtual and augmented reality device the higher diffraction efficiency of diffractive optical elements (that is, a higher intensity of diffracted radiation) or their ability to better match (in spectrum and angular characteristics) with the radiation source (projector).

Способы изготовления волновода с упомянутыми выше типами дифракционных оптических элементов или волновода в смешанной конфигурации дифракционных и голограммных оптических элементов аналогичны описанному выше способу изготовления волноводов с голограммными оптическими элементами. Methods for manufacturing a waveguide with the aforementioned types of diffractive optical elements or a waveguide in a mixed configuration of diffractive and holographic optical elements are similar to the method described above for producing waveguides with holographic optical elements.

Далее со ссылкой на Фиг. 9 будет описана последовательность изготовления волновода 204 с дифракционными оптическими элементами согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где дифракционные оптические элементы представляют собой записываемые дифракционные оптические элементы на основе дифракционных структур на фоторезистах, дифракционных структур в халькогенидных материалах.Next, referring to FIG. 9, a sequence will be described for manufacturing a diffractive optical element waveguide 204 according to an embodiment of the present invention, wherein the diffractive optical elements are writeable diffractive optical elements based on diffractive structures on photoresists, diffractive structures in chalcogenide materials.

Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 9 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 912’ одной или более записываемых дифракционных сред (или сред для записи (формирования) ДОЭ). Упомянутые одна или более записываемых дифракционных сред могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах.A waveguide 204 is provided that may be flat or curved and may have aberrations, and as shown in FIG. 9 a), fix (fix) fragment (s) 912 'on it with one or more recorded diffraction media (or media for recording (forming) DOE). The one or more recordable diffractive media may include diffractive structures on photoresists and diffractive structures on chalcogenide materials.

Далее, как показано на Фиг. 9 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды. При этом инспекционная волна может быть плоской, сферической или иметь специально подобранную форму волнового фронта. Further, as shown in FIG. 9 b), detection of aberrations created by the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 912 'of the recorded diffraction medium is performed using the inspection wave 313. In this case, the inspection wave can be plane, spherical, or have a specially selected wavefront shape.

При детектировании аберраций инспекционная волна 313 однократно проходит локальную структуру, образованную волноводом 204 со своими аберрациями и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды со своими аберрациями, и искажается в соответствии с локальными аберрациями волновода 204 и фрагмента 912’ записываемой дифракционной среды. Причем, как дополнительно показано на фиг. 3 г) и 3 д), инспекционная волна 313 может подаваться под произвольным углом α к поверхности волновода 204. When detecting aberrations, the inspection wave 313 once passes the local structure formed by the waveguide 204 with its aberrations and the fragment 912 'of the recorded diffractive medium with its aberrations, and is distorted in accordance with the local aberrations of the waveguide 204 and the fragment 912' of the recorded diffractive medium. Moreover, as shown additionally in FIG. 3d) and 3 e), the inspection wave 313 can be applied at an arbitrary angle α to the surface of the waveguide 204.

Инспекционная волна 313’, прошедшая локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды, приобретает аберрации, которые детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого подробно описана выше. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей упомянутую локальную структуру. The inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 912' of the recorded diffractive medium, acquires aberrations, which are detected by the wavefront and phase conjugation unit 314, the operation of which is described in detail above. Then, using the phase and amplitude values of the inspection wave obtained by the phase-shifting interferometry method in block 314, the phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'that have passed the local structure are calculated.

При записи дифракционного оптического элемента 912 в фрагменте 912’ записываемой дифракционной среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую упомянутые фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316, которая может иметь плоскую, сферическую форму или специально подобранную форму волнового фронта. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 912’ записываемой дифракционной среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций. При соблюдении такого условия фазово-сопряженные аберрации будут компенсировать аберрации, возникающие при прохождении объектной волны 315 по тому же оптическому пути, который был использован для детектирования аберраций инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 912’ записываемой дифракционной среды, а также для записи дифракционного оптического элемента 912 в фрагменте 912’ записываемой дифракционной среды. When recording a diffractive optical element 912 in a fragment 912 'of the recorded diffractive medium, a predistorted object wave 315' is used, containing the mentioned phase conjugate aberrations, and an undistorted reference wave 316, which can have a plane, spherical or specially selected wavefront shape. During recording, as well as during further operation of the waveguide 204, each fragment 912 'of the recorded diffractive medium must remain fixed in the same place on the waveguide 204 as at the stage of detecting aberrations. If this condition is met, the phase-conjugate aberrations will compensate for the aberrations arising from the passage of the object wave 315 along the same optical path that was used to detect the aberrations of the inspection wave 313 ', which passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 912' of the recorded diffractive medium. and also for recording the diffractive optical element 912 in the fragment 912 'of the recorded diffractive medium.

При записи на поверхности или в объеме указанных выше фрагментов 912’ записываемой дифракционной среды с помощью оптического излучения формируются микроструктуры с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом. When recording on the surface or in the volume of the above fragments 912 'of the recorded diffraction medium using optical radiation, microstructures with a constant or with a period varying according to a given law are formed.

На фиг. 9 е) показан набор записанных дифракционных оптических элементов 912, зафиксированных на участке волновода 204, причем для записи дифракционных оптических элементов 912 могут быть использованы фрагменты разных записываемых сред. FIG. 9 e) shows a set of recorded diffractive optical elements 912 fixed on a portion of the waveguide 204, and fragments of different recording media can be used to record the diffractive optical elements 912.

Последовательность изготовления волновода 204 в смешанной конфигурации, когда в устройстве совместно используются оба типа элементов (голограммные и дифракционные), отличается от последовательности, изображенной на фиг. 9, только тем, что на волноводе фиксируют фрагменты одной или более записываемых дифракционных сред. Упомянутые одна или более записываемых дифракционных сред могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах. Соответственно, при записи в дифракционной структуре на фоторезистах или в дифракционной структуре в халькогенидных материалах будет формироваться дифракционный оптический элемент, при записи в голографической среде будет формироваться голограммный оптический элемент.The manufacturing sequence of waveguide 204 in a mixed configuration, when both types of elements (holographic and diffractive) are used together in the device, differs from the sequence depicted in FIG. 9, only in that fragments of one or more recorded diffraction media are recorded on the waveguide. The one or more recordable diffractive media may include diffractive structures on photoresists and diffractive structures on chalcogenide materials. Accordingly, when recording in a diffractive structure on photoresists or in a diffractive structure, a diffractive optical element will be formed in chalcogenide materials; when recording in a holographic medium, a holographic optical element will be formed.

В остальном выполняется та же последовательность действий, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, 4 и 9.Otherwise, the same sequence of actions is performed as described above with reference to FIG. 3, 4 and 9.

Далее со ссылкой на Фиг. 10 будет кратко описана последовательность изготовления волновода 204 в упомянутой смешанной конфигурации.Next, referring to FIG. 10, the sequence of manufacturing the waveguide 204 in this mixed configuration will be briefly described.

Обеспечивают волновод 204, который может быть плоским или изогнутым и может обладать аберрациями, и, как показано на фиг. 10 а), фиксируют (закрепляют) на нем фрагмент(ы) 1012’ одной или более записываемых дифракционных сред, которые могут включать в себя дифракционные структуры на фоторезистах, дифракционные структуры в халькогенидных материалах и голографические среды. A waveguide 204 is provided that may be flat or curved and may have aberrations, and as shown in FIG. 10 a), the fragment (s) 1012 'of one or more recordable diffractive media, which may include diffractive structures on photoresists, diffractive structures in chalcogenide materials, and holographic media, are fixed (fixed) thereon.

Далее, как показано на Фиг. 10 б), с помощью инспекционной волны 313 выполняют детектирование аберраций созданных локальной структурой, образованной волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, которая прошла локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды. Further, as shown in FIG. 10 b), detection of aberrations created by the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 1012 'of the recorded diffraction medium is performed using the inspection wave 313. Then, using the phase and amplitude values of the inspection wave obtained by the phase-shifting interferometry method in block 314, phase-conjugate aberrations to aberrations of the inspection wave 313 'are calculated, which has passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 1012' of the recorded diffractive medium.

Аберрации инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды, детектируют с помощью блока 314 детектирования волнового фронта и фазового сопряжения, работа которого подробно описана выше. Затем с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии в блоке 314, вычисляют фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны 313’, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом 204 и фрагментом 1012’ записываемой дифракционной среды. The aberrations of the inspection wave 313 ', having passed the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 1012' of the recorded diffractive medium, are detected by the wavefront and phase conjugation unit 314, the operation of which is described in detail above. Then, using the values of the phase and amplitude of the inspection wave obtained by the phase-shifting interferometry method in block 314, phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave 313 'passed through the local structure formed by the waveguide 204 and the fragment 1012' of the recorded diffractive medium are calculated.

При записи дифракционного оптического элемента 1012 в фрагменте 1012’ записываемой дифракционной среды используют предыскаженную объектную волну 315’, содержащую соответствующие фазово-сопряженные аберрации, и неискаженную опорную волну 316. В процессе записи, а также при дальнейшей работе волновода 204 каждый фрагмент 1012’ записываемой дифракционной среды должен оставаться зафиксированным на том же месте на волноводе 204, что и на этапе детектирования аберраций. When recording a diffractive optical element 1012 in a fragment 1012 'of the recorded diffractive medium, a predistorted object wave 315' containing the corresponding phase conjugate aberrations and an undistorted reference wave 316 are used. of the medium must remain fixed in the same place on the waveguide 204 as in the aberration detection step.

Передача изображения в устройстве виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами 1012, происходит таким же образом, как описано со ссылками на фиг. 2, 7 для устройства дополненной реальности содержащего волновод с голограммными оптическими элементами.Image transmission in a virtual and augmented reality device comprising a diffractive optical element waveguide 1012 occurs in the same manner as described with reference to FIG. 2, 7 for an augmented reality device containing a waveguide with holographic optical elements.

На фиг. 11 схематически показано устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом, описанным выше со ссылкой на фиг. 10.FIG. 11 is a schematic diagram of a virtual and augmented reality device comprising a diffractive optical element waveguide fabricated in the manner described above with reference to FIG. ten.

Волновод 204 содержит зафиксированные на нем дифракционные оптические элементы 1106, 1107, 1108, записанные в соответствующих фрагментах записываемых дифракционных сред. Причем дифракционный оптический элемент 1106 является входным дифракционным оптическим элементом для ввода изображения в волновод 204, дифракционный оптический элемент 1107 является размножающим дифракционным оптическим элементом, выполненным с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, дифракционный оптический элемент 1108 является выходным дифракционным оптическим элементом для вывода изображения из волновода 204. Число и структура дифракционных оптических элементов 1106, 1107, 1108 не ограничены конфигурацией, показанной на Фиг. 11, и могут варьироваться в зависимости от архитектуры устройства 201 виртуальной и дополненной реальности.Waveguide 204 contains fixed on it diffractive optical elements 1106, 1107, 1108, recorded in the corresponding fragments of the recorded diffractive media. Moreover, the diffractive optical element 1106 is an input diffractive optical element for inputting an image into the waveguide 204, the diffractive optical element 1107 is a multiplying diffractive optical element made with the possibility of increasing the geometric dimensions of the transmitted image, the diffractive optical element 1108 is an output diffractive optical element for outputting an image from the waveguide 204. The number and structure of the diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 are not limited to the configuration shown in FIG. 11, and may vary depending on the architecture of the virtual and augmented reality device 201.

Волновод согласно настоящему изобретению работает в составе устройства виртуальной и дополненной реальности 201 следующим образом.The waveguide according to the present invention operates in a virtual and augmented reality device 201 as follows.

Исходное неискаженное изображение 203 вводится в волновод 204 от проектора 202 изображения устройства 201 виртуальной и дополненной реальности через один или более входных дифракционных оптических элементов 1106. The original undistorted image 203 is input into the waveguide 204 from the image projector 202 of the virtual and augmented reality device 201 through one or more input diffractive optical elements 1106.

При прохождении изображения 203 через локальные структуры, образованные волноводом и фрагментами записываемых дифракционных сред, в которых записаны дифракционные оптические элементы 1106, 1107, 1108, происходит компенсации аберраций, вызываемых этими локальными структурами. When the image 203 passes through the local structures formed by the waveguide and fragments of the recorded diffractive media, in which the diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 are recorded, the aberrations caused by these local structures are compensated.

Например, если подать плоскую входную волну 1105 на входной дифракционный оптический элемент 1106 волновода 204, изготовленного согласно предлагаемому в настоящей заявке способу, то на выходном дифракционном оптическом элементе 1108 волновода 204 будет получена плоская выходная волна 1109, не содержащая аберраций. For example, if a plane input wave 1105 is applied to the input diffractive optical element 1106 of the waveguide 204 made according to the method proposed in this application, then the output diffractive optical element 1108 of the waveguide 204 will produce a plane output wave 1109 that does not contain aberrations.

Далее из волновода 204 в глаз пользователя подают виртуальное изображение 210, свободное от аберраций.Next, a virtual image 210 free of aberrations is supplied from the waveguide 204 to the user's eye.

Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, аналогичен способу работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с голограммными оптическими элементами, представленному выше со ссылкой на фиг. 2, 7.The method of operation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with diffractive optical elements is similar to the method of operation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with holographic optical elements described above with reference to FIG. 2, 7.

На первом этапе способа исходное изображение 203 подают в волновод 204 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 от источника изображения 202. In the first step of the method, the original image 203 is supplied to the waveguide 204 with diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 from the image source 202.

На втором этапе способа передают изображение по волноводу 1104 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами, образованными волноводом 204 и фрагментами записываемых дифракционных сред, в которых записаны дифракционными оптические элементы 1106, 1107, 1108. At the second stage of the method, an image is transmitted through a waveguide 1104 with diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 with compensation for aberrations caused by local structures formed by the waveguide 204 and fragments of the recorded diffractive media, in which the diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 are recorded.

На третьем этапе способа выводят виртуальное изображение 210, свободное от аберраций, из волновода 204 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108 в глаз пользователя.In the third step of the method, a virtual image 210 free of aberrations is output from the waveguide 204 with diffractive optical elements 1106, 1107, 1108 into the user's eye.

При этом способ может дополнительно содержать увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу 1104 с дифракционными оптическими элементами 1106, 1107, 1108.The method may further comprise increasing the geometric dimensions of the image in the process of transmitting the image through the waveguide 1104 with diffractive optical elements 1106, 1107, 1108.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не указано иное, в дополнение к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу объекта, любая комбинация признаков, относящихся к различным объектам, также считается раскрытой в настоящей заявке. Однако все признаки могут быть объединены с обеспечением синергетических эффектов, которые представляют собой нечто большее, чем простое суммирование признаков.It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to various objects. However, one of ordinary skill in the art will understand from the above and the following description that, unless otherwise indicated, in addition to any combination of features related to one type of object, any combination of features related to different objects is also considered disclosed in this application. However, all features can be combined to provide synergistic effects that are more than a simple sum of features.

Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, эти чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничительные. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предусмотреть и осуществить на практике другие вариации раскрытых вариантов осуществления в результате изучения чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения.Although the invention has been illustrated in the drawings and described in detail in the foregoing description, these drawings and description are to be considered as illustrative or exemplary and not restrictive. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Specialists in the art will be able to envisage and practice other variations of the disclosed embodiments as a result of examination of the drawings, the disclosure and the dependent claims.

В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или компонентов, а единственное число не исключает множественного числа. Сам факт того, что некоторые меры упоминаются во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or components, and the singular does not exclude the plural. The mere fact that some measures are mentioned in mutually different dependent claims does not mean that a combination of these measures cannot be used to their advantage. Any reference designations in the claims should not be construed as limiting their scope.

Claims (75)

1. Способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:1. A method of manufacturing a waveguide with diffractive optical elements, comprising: - обеспечение волновода;- providing a waveguide; - фиксацию на волноводе фрагментов одной или более голографических сред; - fixation on the waveguide of fragments of one or more holographic environments; - запись в каждом фрагменте голографической среды дифракционного оптического элемента, представляющего собой голограммный оптический элемент, с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом голографической среды. - recording in each fragment of the holographic environment a diffractive optical element, which is a holographic optical element, using a predistorted object wave containing phase-conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the holographic medium. 2. Способ по п. 1, причем инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды.2. The method according to claim 1, wherein the inspection wave is passed through each local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium. 3. Способ по п. 1 или 2, причем аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, детектируют с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы. 3. A method according to claim 1 or 2, wherein the aberrations of the inspection wave that have passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium are detected using a Shack-Hartmann wavefront sensor, a CCD or CMOS matrix. 4. Способ по любому из пп. 1-3, причем фазово-сопряженные аберрации вычисляют с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии. 4. A method according to any one of claims. 1-3, wherein the phase-conjugate aberrations are calculated using the phase and amplitude values of the inspection wave obtained by the phase-shifting interferometry method. 5. Способ по п. 4, причем после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации сохраняют на машиночитаемом носителе данных.5. The method of claim 4, wherein after the calculation, the phase conjugate local aberrations are stored on a computer-readable storage medium. 6. Способ по любому из пп. 1-5, причем предыскаженную объектную волну формируют путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.6. The method according to any one of claims. 1-5, where the predistorted object wave is generated by distorting the object wave by means of micromirror, liquid crystal or acousto-optic space-time light modulators based on the calculated phase-conjugate aberrations. 7. Способ по любому из пп. 1-6, причем запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной. 7. A method according to any one of claims. 1-6, wherein the recording of the diffractive optical element is performed with a predistorted object wave and an undistorted reference wave . 8. Способ по любому из пп. 1-7, причем фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован для детектирования аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом голографической среды, и для записи дифракционного оптического элемента в фрагменте голографической среды.8. The method according to any one of claims. 1-7, and the phase-conjugate aberrations compensate for the aberrations arising from the passage of the object wave along the same optical path that was used to detect aberrations by the inspection wave that passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium, and to record the diffractive optical element in fragment of the holographic environment. 9. Способ по любому из пп. 1-8, причем голографические среды включают в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.9. A method according to any one of claims. 1-8, with holographic media include photopolymers, photothermoplastics, photochromic materials, photothermorefractive materials, photoresists, silver halide photographic materials, or dichromated gelatin. 10. Способ по любому из пп. 1-9, причем фрагмент голографической среды имеет форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. 10. The method according to any one of claims. 1-9, and the fragment of the holographic medium has the form of a film or layer of a given thickness and geometric shape. 11. Способ по любому из пп. 1-10, причем каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом голографической среды, в которой записан оптический элемент. 11. The method according to any one of claims. 1-10, each diffractive optical element being recorded so that it deflects and / or guides waves propagating along the waveguide and compensates for aberrations caused by the local structure formed by the waveguide and a fragment of the holographic medium in which the optical element is recorded. 12. Способ по любому из пп. 1-11, причем дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.12. The method according to any one of claims. 1-11, wherein the diffractive optical element is a transmissive or reflective diffractive element. 13. Способ по любому из пп. 1-12, причем инспекционная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта,13. The method according to any one of claims. 1-12, where the inspection wave is plane or spherical or has a specially selected wavefront shape, причем опорная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта.moreover, the reference wave is plane or spherical, or has a specially selected wavefront shape. 14. Способ по любому из пп. 1-13, причем инспекционную волну подают под произвольным углом к поверхности волновода.14. The method according to any one of claims. 1-13, wherein the inspection wave is fed at an arbitrary angle to the surface of the waveguide. 15. Способ по любому из пп. 1-14, причем предыскаженную объектную волну при записи дифракционного оптического элемента подают под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.15. The method according to any one of claims. 1-14, wherein the predistorted object wave is supplied at an arbitrary angle to the waveguide surface when recording the diffractive optical element, and the angle of incidence of the predistorted object wave on the waveguide surface is equal to the angle of incidence of the inspection wave on the waveguide surface when aberrations are detected. 16. Способ по любому из пп. 1-15, причем каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.16. The method according to any one of paragraphs. 1-15, each of said diffractive optical elements being fixed to the waveguide at a predetermined location. 17. Способ по любому из пп. 1-16, причем волновод и фрагменты упомянутой одной или более голографических сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.17. The method according to any one of paragraphs. 1-16, wherein the waveguide and fragments of said one or more holographic media may have defects that cause aberrations when waves propagate through them. 18. Способ по любому из пп. 1-17, причем волновод является плоским или изогнутым. 18. The method according to any one of claims. 1-17, wherein the waveguide is flat or curved. 19. Волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом по любому из пп. 1-18, 19. Waveguide with diffractive optical elements, made by the method according to any one of paragraphs. 1-18, причем дифракционные оптические элементы представляют собой голограммные оптические элементы.wherein the diffractive optical elements are holographic optical elements. 20. Волновод по п. 19, причем упомянутые дифракционные оптические элементы содержат:20. A waveguide according to claim 19, wherein said diffractive optical elements comprise: один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод, one or more input diffractive optical elements for inputting an image into the waveguide, один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможность увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и one or more multiplying diffractive optical elements made with the possibility of increasing the geometric dimensions of the transmitted image, and один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода. one or more output diffractive optical elements for outputting an image from the waveguide. 21. Устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп.19-20, причем дифракционные оптические элементы представляют собой голограммные оптические элементы.21. A virtual and augmented reality device comprising a waveguide with diffractive optical elements according to any one of claims 19 to 20, wherein the diffractive optical elements are holographic optical elements. 22. Устройство по п. 21, выполненное с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с голограммными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения, свободного от аберраций.22. The device according to claim 21, configured to input the original image from the image source into the waveguide with diffractive optical elements, increase the geometric dimensions of the image and output a virtual image free from aberrations from the waveguide with holographic optical elements into the user's eye. 23. Устройство по п. 21 или 22, выполненное с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.23. A device according to claim 21 or 22, configured to compensate for aberrations caused by local structures of a waveguide with diffractive optical elements when transmitting an image through a waveguide with diffractive optical elements. 24. Устройство по любому из пп. 21-23, причем источником изображения служит проектор.24. Device according to any one of paragraphs. 21-23, and the source of the image is a projector. 25. Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп. 21-24, причем способ содержит:25. A method of operation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with diffractive optical elements, according to any one of claims. 21-24, and the method contains: - подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами, представляющими собой голограммные оптические элементы, от источника изображения, - supply of the original image to the waveguide with diffractive optical elements, which are holographic optical elements, from the image source, - передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, - image transmission through a waveguide with diffractive optical elements with compensation for aberrations caused by local structures of a waveguide with diffractive optical elements, - вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.- output of a virtual image, free from aberrations, from a waveguide with diffractive optical elements into the user's eye. 26. Способ по п. 25, содержащий увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами. 26. The method according to claim 25, comprising increasing the geometric dimensions of the image in the process of image transmission through a waveguide with diffractive optical elements... 27. Способ изготовления волновода с дифракционными оптическими элементами, содержащий:27. A method for manufacturing a waveguide with diffractive optical elements, comprising: - обеспечение волновода,- providing a waveguide, - фиксацию на волноводе фрагментов одной или более записываемых дифракционных сред, - fixation on the waveguide of fragments of one or more recorded diffraction media, - запись в каждом фрагменте записываемой дифракционной среды дифракционного оптического элемента с использованием предыскаженной объектной волны, содержащей фазово-сопряженные аберрации к аберрациям инспекционной волны, детектированным после прохождения инспекционной волной локальной структуры, образованной волноводом и этим фрагментом записываемой дифракционной среды. - recording in each fragment of the recorded diffraction medium a diffractive optical element using a predistorted object wave containing phase conjugate aberrations to the aberrations of the inspection wave detected after the inspection wave passes the local structure formed by the waveguide and this fragment of the recorded diffractive medium. 28. Способ по п. 29, причем записываемые дифракционные среды включают в себя дифракционные структуры и голографические среды.28. The method of claim 29, wherein the recording diffractive media includes diffractive structures and holographic media. 29. Способ по п. 27 или 28, причем упомянутые дифракционные структуры включают в себя дифракционные структуры на фоторезистах и дифракционные структуры в халькогенидных материалах. 29. The method of claim 27 or 28, wherein said diffractive structures include diffractive structures on photoresists and diffractive structures in chalcogenide materials. 30. Способ по п. 28, причем голографические среды включают в себя фотополимеры, фототермопластики, фотохромные материалы, фототерморефрактивные материалы, фоторезисты, галоидосеребряные фотографические материалы или бихромированную желатину.30. The method according to claim 28, wherein the holographic media include photopolymers, photothermoplastics, photochromic materials, photothermorefractive materials, photoresists, silver halide photographic materials, or dichromated gelatin. 31. Способ по любому из пп. 27-30, причем инспекционную волну пропускают через каждую локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды.31. The method according to any of paragraphs. 27-30, wherein the inspection wave is passed through each local structure formed by the waveguide and the fragment of the recorded diffractive medium. 32. Способ по любому из пп. 27-31, причем аберрации инспекционной волны, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, детектируют с помощью датчика волнового фронта Шака-Гартмана, ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы. 32. The method according to any one of paragraphs. 27-31, wherein the aberrations of the inspection wave that have passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the recorded diffractive medium are detected using a Shack-Hartmann wavefront sensor, a CCD or CMOS matrix. 33. Способ по любому из пп. 27-32, причем фазово-сопряженные аберрации вычисляют с использованием значений фазы и амплитуды инспекционной волны, полученных методом фазосдвигающей интерферометрии. 33. The method according to any one of paragraphs. 27-32, wherein the phase conjugate aberrations are calculated using the phase and amplitude values of the inspection wave obtained by phase shifting interferometry. 34. Способ по п. 33, причем после вычисления фазово-сопряженные локальные аберрации сохраняют на машиночитаемом носителе данных.34. The method of claim 33, wherein after the calculation, the phase conjugate local aberrations are stored on a computer-readable storage medium. 35. Способ по любому из пп. 27-34, причем предыскаженную объектную волну формируют путем искажения объектной волны посредством микрозеркальных, жидкокристаллических или акустооптических пространственно-временных модуляторов света по вычисленным фазово-сопряженным аберрациям.35. The method according to any one of paragraphs. 27-34, where the predistorted object wave is generated by distorting the object wave by means of micromirror, liquid crystal or acousto-optic space-time light modulators based on the calculated phase-conjugate aberrations. 36. Способ по любому из пп. 27-35, причем запись дифракционного оптического элемента осуществляют предыскаженной объектной волной и неискаженной опорной волной. 36. The method according to any one of paragraphs. 27-35, wherein the recording of the diffractive optical element is performed with a predistorted object wave and an undistorted reference wave . 37. Способ по любому из пп. 27-36, причем фазово-сопряженные аберрации компенсируют аберрации, возникающие при прохождении объектной волны по тому же оптическому пути, который был использован при детектировании аберраций инспекционной волной, прошедшей локальную структуру, образованную волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, и при записи дифракционного оптического элемента в фрагменте записываемой дифракционной среды.37. The method according to any one of paragraphs. 27-36, and the phase-conjugate aberrations compensate for the aberrations arising during the passage of the object wave along the same optical path that was used in the detection of aberrations by the inspection wave that passed the local structure formed by the waveguide and a fragment of the recorded diffractive medium, and when recording a diffractive optical element in a fragment of the recorded diffraction medium. 38. Способ по любому из пп. 27-37, причем фрагмент записываемой дифракционной среды имеет форму пленки или слоя заданной толщины и геометрической формы. 38. The method according to any one of paragraphs. 27-37, and the fragment of the recorded diffraction medium has the form of a film or layer of a given thickness and geometric shape. 39. Способ по любому из пп. 27-38, причем каждый дифракционный оптический элемент записывают так, что он обеспечивает отклонение и/или направление волн, распространяющихся по волноводу, и компенсацию аберраций, вызываемых локальной структурой, образованной волноводом и фрагментом записываемой дифракционной среды, в которой записан оптический элемент. 39. The method according to any one of paragraphs. 27-38, each diffractive optical element being recorded so that it deflects and / or guides waves propagating through the waveguide and compensates for aberrations caused by the local structure formed by the waveguide and a fragment of the recorded diffractive medium in which the optical element is recorded. 40. Способ по любому из пп. 27-39, причем дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающий или отражательный дифракционный элемент.40. The method according to any one of paragraphs. 27-39, wherein the diffractive optical element is a transmissive or reflective diffractive element. 41. Способ по любому из пп. 27-40, причем инспекционная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта,41. The method according to any one of paragraphs. 27-40, and the inspection wave is plane or spherical or has a specially selected wavefront shape, причем опорная волна является плоской или сферической или имеет специально подобранную форму волнового фронта.moreover, the reference wave is plane or spherical, or has a specially selected wavefront shape. 42. Способ по любому из пп. 27-41, причем инспекционную волну подают под произвольным углом к поверхности волновода.42. The method according to any of paragraphs. 27-41, wherein the inspection wave is applied at an arbitrary angle to the surface of the waveguide. 43. Способ по любому из пп. 27-42, причем предыскаженную объектную волну при записи дифракционного оптического элемента подают под произвольным углом к поверхности волновода, при этом угол падения предыскаженной объектной волны на поверхность волновода равен углу падения инспекционной волны на поверхность волновода при детектировании аберраций.43. The method according to any of paragraphs. 27-42, wherein the predistorted object wave when recording the diffractive optical element is fed at an arbitrary angle to the waveguide surface, while the angle of incidence of the predistorted object wave on the waveguide surface is equal to the angle of incidence of the inspection wave on the waveguide surface when detecting aberrations. 44. Способ по любому из пп. 27-43, причем каждый из упомянутых дифракционных оптических элементов фиксируют к волноводу в заданном месте.44. The method according to any one of paragraphs. 27-43, each of said diffractive optical elements being fixed to the waveguide at a predetermined location. 45. Способ по любому из пп. 27-44, причем волновод и фрагменты упомянутой одной или более записываемых дифракционных сред могут иметь дефекты, вызывающие аберрации при распространении волн через них.45. The method according to any one of paragraphs. 27-44, wherein the waveguide and fragments of said one or more recorded diffractive media may have defects that cause aberrations when waves propagate through them. 46. Способ по любому из пп. 27-45, причем волновод является плоским или изогнутым. 46. The method according to any one of paragraphs. 27-45, wherein the waveguide is flat or curved. 47. Волновод с дифракционными оптическими элементами, изготовленный способом по любому из пп. 27-46.47. A waveguide with diffractive optical elements, made by the method according to any one of paragraphs. 27-46. 48. Волновод по п. 47, причем упомянутые дифракционные оптические элементы содержат:48. A waveguide according to claim 47, wherein said diffractive optical elements comprise: один или более входных дифракционных оптических элементов для ввода изображения в волновод, one or more input diffractive optical elements for inputting an image into the waveguide, один или более размножающих дифракционных оптических элементов, выполненных с возможностью увеличения геометрических размеров передаваемого изображения, и one or more multiplying diffractive optical elements made with the possibility of increasing the geometric dimensions of the transmitted image, and один или более выходных дифракционных оптических элементов для вывода изображения из волновода. one or more output diffractive optical elements for outputting an image from the waveguide. 49. Устройство виртуальной и дополненной реальности, содержащее волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп.47-48.49. A virtual and augmented reality device containing a waveguide with diffractive optical elements, according to any one of claims 47-48. 50. Устройство по п. 49, выполненное с возможностью ввода в волновод с дифракционными оптическими элементами исходного изображения от источника изображения, увеличения геометрических размеров изображения и вывода из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя виртуального изображения, свободного от аберраций.50. The device according to claim 49, configured to input the original image from the image source into the waveguide with diffractive optical elements, increase the geometric dimensions of the image and output a virtual image free from aberrations from the waveguide with diffractive optical elements into the user's eye. 51. Устройство по п. 49 или 50, выполненное с возможностью компенсации аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, при передаче изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами.51. A device according to claim 49 or 50, adapted to compensate for aberrations caused by local structures of a waveguide with diffractive optical elements when transmitting an image through a waveguide with diffractive optical elements. 52. Устройство по любому из пп. 49-51, причем источником изображения служит проектор.52. Device according to any one of paragraphs. 49-51, and the source of the image is a projector. 53. Способ работы устройства виртуальной и дополненной реальности, содержащего волновод с дифракционными оптическими элементами, по любому из пп. 49-52, причем способ содержит:53. A method of operation of a virtual and augmented reality device containing a waveguide with diffractive optical elements, according to any one of claims. 49-52, and the method contains: - подачу исходного изображения в волновод с дифракционными оптическими элементами от источника изображения, - supply of the original image to the waveguide with diffractive optical elements from the image source, - передачу изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами с компенсацией аберраций, вызываемых локальными структурами волновода с дифракционными оптическими элементами, - image transmission through a waveguide with diffractive optical elements with compensation for aberrations caused by local structures of a waveguide with diffractive optical elements, - вывод виртуального изображения, свободного от аберраций, из волновода с дифракционными оптическими элементами в глаз пользователя.- output of a virtual image, free from aberrations, from a waveguide with diffractive optical elements into the user's eye. 54. Способ по п. 53, содержащий увеличение геометрических размеров изображения в процессе передачи изображения по волноводу с дифракционными оптическими элементами. 54. The method according to claim 53, comprising increasing the geometric dimensions of the image in the process of image transmission through a waveguide with diffractive optical elements...
RU2020131229A 2020-09-22 2020-09-22 Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof RU2753146C1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131229A RU2753146C1 (en) 2020-09-22 2020-09-22 Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof
KR1020210025124A KR20220039524A (en) 2020-09-22 2021-02-24 Holographic waveguide with aberration compensation element and display apparatus including the same
PCT/KR2021/009665 WO2022065658A1 (en) 2020-09-22 2021-07-26 Holographic waveguide, method of producing the same, and display device including the holographic waveguide
US17/411,951 US12124036B2 (en) 2020-09-22 2021-08-25 Holographic waveguide, method of producing the same, and display device including the holographic waveguide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131229A RU2753146C1 (en) 2020-09-22 2020-09-22 Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753146C1 true RU2753146C1 (en) 2021-08-12

Family

ID=77349131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131229A RU2753146C1 (en) 2020-09-22 2020-09-22 Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20220039524A (en)
RU (1) RU2753146C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105487170A (en) * 2016-01-19 2016-04-13 东南大学 Holographic optical waveguide and holographic optical waveguide display device
US20180364482A1 (en) * 2017-06-15 2018-12-20 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic display system
US10394032B2 (en) * 2015-12-17 2019-08-27 Carl Zeiss Ag Optical system and method for transmitting a source image
RU2719568C1 (en) * 2019-07-12 2020-04-21 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Augmented reality device and method of its operation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10394032B2 (en) * 2015-12-17 2019-08-27 Carl Zeiss Ag Optical system and method for transmitting a source image
CN105487170A (en) * 2016-01-19 2016-04-13 东南大学 Holographic optical waveguide and holographic optical waveguide display device
US20180364482A1 (en) * 2017-06-15 2018-12-20 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic display system
RU2719568C1 (en) * 2019-07-12 2020-04-21 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Augmented reality device and method of its operation

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220039524A (en) 2022-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI839351B (en) Display device
CN115309021B (en) Head-up display
US6842285B2 (en) Method and apparatus for generating a phase-modulated wave front of electromagnetic radiation
US20230393320A1 (en) Spatially Varying Skew Mirrors
Jang et al. Waveguide holography for 3D augmented reality glasses
US11428939B2 (en) Light-guiding plate, light-guiding plate manufacturing method, and video display device
Bruder et al. Diffractive optics in large sizes: computer-generated holograms (CGH) based on Bayfol HX photopolymer
Yang et al. Design of off-axis reflective imaging systems based on freeform holographic elements
Zhao et al. Design of a waveguide eye-tracking system operating in near-infrared with holographic optical elements
Jang et al. Waveguide holography: Towards true 3d holographic glasses
US12124036B2 (en) Holographic waveguide, method of producing the same, and display device including the holographic waveguide
Kodatskiy et al. Fourier holography in holographic optical sensors
Hofmann et al. Angle-compensated holographic wave front printing for the fabrication of holographic optical elements operating in the infrared
RU2753146C1 (en) Waveguide with holographic and diffraction optical elements, method for manufacture thereof, virtual and augmented reality apparatus containing such waveguide, and method for operation thereof
Gavril'eva et al. Approaches to cross-talk noise reduction in modal holographic wavefront sensors
Wang et al. Ultra-simplified and low-cost head-up display system enabled by freeform holographic element
JPH08262962A (en) Three-dimensional display method and three-dimensional display device
JP6614636B2 (en) Method for manufacturing hologram screen
González et al. High-speed single-pixel digital holography
JP3477760B2 (en) Hologram manufacturing method
RU2780511C1 (en) Augmented reality device based on a curved waveguide, method for operation of the said device, augmented reality glasses based on the said device
Zhang et al. Self-addressed diffractive lens schemes for the characterization of LCoS displays
Akhmetov et al. Modeling and optimization of optical designs with composite holographic elements
Georgiou et al. A holographic near-eye display with glass form factor and spectacle-free operation
US20240184246A1 (en) Method and apparatus for holographic recording