BR112017009652B1

BR112017009652B1 - Sistema óptico

Info

Publication number: BR112017009652B1
Application number: BR112017009652-8A
Authority: BR
Inventors: Yaakov Amital; Yuval Ofir; Elad Mor
Original assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2022-06-07
Also published as: US20170336636A1; BR112017009652A2; CA2966851A1; CN107111132B; US10520731B2; RU2017116184A; CN111856753A; CN111856753B; KR20170080695A; KR102323870B1; US10782532B2; US11543661B2; IL235642B; US20200089001A1; JP2017535825A; SG11201703507PA; CA2966851C; RU2017116184A3; EP3654085B1; US20210003849A1

Abstract

SISTEMA ÓPTICO. É provido um sistema óptico, incluindo um substrato transmissor de luz (20) tendo pelo menos duas superfícies maiores e bordas externas, um elemento óptico para o acoplamento de ondas de luz dentro do substrato (20) por meio de reflexão interna, pelo menos uma superfície de reflexão parcialmente localizada no substrato (20) para acoplamento de ondas de luz fora do substrato (20), pelo menos uma película de afastamento transparente (110) incluindo uma base (112) e uma estrutura hiperfina (111) definindo uma formação em relevo, construída sobre a base, sendo que a película de afastamento é anexada a uma das superfícies maiores do substrato (20) com a formação em relevo voltada para o substrato (20) definindo um plano de interface (58), de modo que as ondas de luz acopladas dentro do substrato (20) sejam, de forma substancial e total, refletidas a partir do plano de interface (58).

Description

Campo de invenção

[0001] A presente invenção refere-se a dispositivos ópticos de substrato guiado e, particularmente, a dispositivos que incluem uma pluralidade de superfícies refletivas transportadas por um substrato transmissor de luz comum, também referido como um elemento de guia de luz. Antecedentes da invenção

[0002] Uma aplicação importante para os elementos ópticos compactos é em mostradores montados na cabeça (HMDs), sendo que um módulo ótico serve tanto como uma lente de imagem e um combinador, onde uma fonte de imagem bidimensional é representada por imagem ao infinito e refletida para o olho de um observador. A fonte de exibição pode ser obtida diretamente a partir de tanto um modulador de luz espacial (SLM), tal como um tubo de raios catódicos (CRT), um mostrador de cristal líquido (LCD), um conjunto de diodos emissores de luz orgânicos (OLED), uma fonte de varrimento ou dispositivos semelhantes, ou indiretamente, por meio de uma lente de retransmissão (“relay lens”) ou um feixe de fibras ópticas. A fonte de exibição compreende um conjunto de elementos (pixels) representado ao infinito por uma lente de colimação e é transmitida para o olho do observador por meio de uma superfície refletora ou parcialmente refletora atuando como um combinador para aplicações de visualização transparente e não transparente, respectivamente. Tipicamente, um módulo óptico livre de espaço convencional é usado para estes fins. Conforme o campo de visão (FOV) desejado do sistema aumenta, no entanto, tal módulo óptico convencional torna-se maior, mais pesado e mais volumoso e, consequentemente, mesmo para um dispositivo de desempenho moderado, tal como um sistema, é impraticável. Esta é uma grande desvantagem para todos os tipos de mostradores e, especialmente, em aplicações montadas na cabeça, onde o sistema deve ser necessariamente o mais leve e o mais compacto possível.

[0003] O esforço para compacidade levou a várias soluções ópticas complexas diferentes, todas as quais por um lado ainda não são suficientemente compactas para a maioria das aplicações práticas, e por outro lado, sofrem grandes desvantagens em termos de fabricação. Além disso, a caixa de movimento ocular (EMB) dos ângulos de visualização ópticos resultantes desses modelos é normalmente muito pequena, tipicamente inferior a 8 mm. Assim, o desempenho do sistema óptico é muito sensível, mesmo para pequenos movimentos do sistema óptico em relação ao olho do observador e não permitindo o movimento suficiente da pupila para a leitura confortável de texto a partir de tais mostradores.

[0004] Os ensinamentos incluídos nas Publicações Nos. WO 01/95027, WO 03/081320, WO 2005/024485, WO 2005/024491, WO 2005/024969, WO 2005/124427, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310, WO 2006/087709, WO 2007/054928, WO 2007/093983, WO 2008/023367, WO 2008/129539, WO 2008/149339, WO 2013/175465 e IL 232197, todas em nome da Requerente, são aqui embutidos por referência.

Divulgação da invenção

[0005] A presente invenção facilita a exploração de um elemento óptico de guia de luz (LOE) muito compacto para, entre outras aplicações, os HMDs. A invenção permite FOVs relativamente largos junto com valores de EMB relativamente grandes. O sistema óptico resultante oferece uma imagem grande, de alta qualidade, que também acomoda grandes movimentos do olho. O sistema óptico oferecido pela presente invenção é particularmente vantajoso porque é substancialmente mais compacto do que as implementações do estado da técnica e ainda, pode ser facilmente embutido, mesmo em sistemas ópticos tendo configurações especializadas.

[0006] Um amplo objetivo da presente invenção é, consequentemente, moderar os inconvenientes dos dispositivos de visualização óptica compactos da técnica anterior e prover outros sistemas e componentes ópticos tendo desempenho melhorado, de acordo com exigências específicas.

[0007] A invenção pode ser implementada com vantagem em um grande número de aplicações de imagem, tais como DVDs portáteis, telefones celulares, receptores de TV móvel, jogos de vídeo, aparelhos de reprodução de mídia portáteis ou quaisquer outros dispositivos de visualização móveis.

[0008] O princípio físico principal da operação do LOE é que as ondas de luz sejam capturadas dentro do substrato por reflexões internas totais a partir das superfícies externas do LOE. No entanto, existem situações onde é necessário anexar outro elemento óptico a pelo menos uma das superfícies externas. Nesse caso, é essencial para confirmar que, por um lado, a reflexão das ondas de luz a partir das superfícies externas não irá ser degradada por esta anexação e, por outro lado, que os mecanismos de desacoplamento e de acoplamento das ondas de luz a partir de e para o LOE não serão interrompidos. Como um resultado, é necessário adicionar nas superfícies externas de um mecanismo refletivo sensitivo angular que irá, substancialmente, refletir todas as ondas de luz que estão acopladas dentro do LOE e incidem sobre as superfícies em ângulos oblíquos e, substancialmente, transmitir as ondas de luz que incidem sobre as superfícies próximas a uma incidência perpendicular.

[0009] Em invenções anteriores (por exemplo, descrita na Publicação WO 2005/024491), um mecanismo refletivo, onde uma película fina sensitiva angular de revestimento dielétrico é aplicada às superfícies do LOE, foi ilustrada. De acordo com a presente invenção, é apresentado um mecanismo refletivo alternativo que utiliza uma película de afastamento (“air gap film”), que compreende uma estrutura de olhos de mariposa (“moth-eye”). Os olhos da mariposa têm uma propriedade incomum: suas superfícies estão cobertas com uma película nano estruturada natural que elimina reflexos. Isso permite que a mariposa veja bem no escuro, sem reflexos, que dão a sua localização longe de predadores. A estrutura consiste de um padrão hexagonal de saliências, cada uma com aproximadamente 200 nm de altura e os seus centros estão afastados cerca de 300 nm. Este tipo de revestimento antirrefletivo funciona uma vez que as saliências são menores do que o comprimento de onda da luz visível, de modo que a luz “vê” a superfície como tendo um gradiente de índice refletivo contínuo entre o ar e o meio, o que diminui a reflexão, através da remoção, de forma eficaz, da interface lentes-ar. Películas antirrefletivas convenientes foram feitas por humanos usando esse efeito, sendo uma forma de bio-imitação. Réplicas de olho de mariposa mostram que a refletância para a luz incidente normalmente é, de forma completa e virtual, eliminada para estas estruturas. Os experimentos e modelagem ópticos com outras formas e dimensões de tais estruturas periódicas hiperfinas desiguais densas provam que é possível suprimir a reflexão na faixa de comprimento de onda mais amplo (a partir de UV para IR) e ângulos de incidência de luz mais amplos (0 + 60 graus).

[0010] De acordo com a presente invenção, a película de olhos de mariposa, ou qualquer estrutura hiperfina semelhante, não é utilizada coma película de antirreflexo. Ao contrário, a estrutura hiperfina especial é explorada como o mecanismo refletivo sensitivo angular requerido. Quando é necessário para anexar um elemento óptico à superfície externa do LOE, uma película de afastamento é colada ao elemento óptico, de tal modo que a estrutura hiperfina se volta para o LOE após a fixação. Portanto, quando as ondas de luz acopladas dentro do LOE incidem sobre a estrutura hiperfina em diferentes ângulos oblíquos, elas “vêem” apenas a parte externa da estrutura periódica. O índice refrativo atual, o que é “visto” pelas ondas de luz óptica chegando é, portanto, próximo do índice refrativo do ar, e o mecanismo de reflexão interna total é preservado. Por outro lado, a película de afastamento é substancialmente transparente para as ondas de luz entrando a partir da cena externa ou para as ondas de luz que estão acopladas fora do LOE.

[0011] Consequentemente, a invenção proporciona um sistema óptico, incluindo um substrato transmissor de luz tendo pelo menos duas superfícies maiores externas e bordas, um elemento óptico para o acoplamento das ondas de luz dentro do substrato através da reflexão interna, pelo menos uma superfície refletindo parcialmente localizada no substrato, para acoplamento das ondas de luz fora do substrato, pelo menos uma película de afastamento transparente incluindo uma base e uma estrutura hiperfina definindo uma formação em relevo, construída sobre a base, sendo que a película afastamento está anexada a uma das superfícies maiores do substrato, com a formação em relevo voltada para o substrato definindo um plano de interface, de modo que as ondas de luz acopladas dentro do substrato sejam, de forma substancial e total, refletidas a partir do plano de interface.

Breve descrição dos desenhos

[0012] A invenção é descrita em conexão com certas concretizações preferidas, com referência às figuras ilustrativas a seguir, de modo que possa ser mais completamente compreendida.

[0013] Com referência específica às figuras em detalhe, sublinha-se que as particularidades mostradas são a título de exemplo e para fins de discussão ilustrativa das concretizações preferidas da presente invenção apenas, e são apresentadas na causa de fornecer o que se acredita ser a descrição mais útil e facilmente compreendida dos princípios e aspectos conceituais da invenção. Neste aspecto, nenhuma tentativa é feita para mostrar detalhes estruturais da invenção em mais detalhes do que é necessário para uma compreensão fundamental da invenção. A descrição feita com os desenhos se destina a servir como orientação para os técnicos no assunto sobre a forma como as diversas formas da invenção podem ser concretizadas na prática.

Nos desenhos:

[0014] A Figura 1 é uma vista lateral de um exemplo de LOE da técnica anterior;

[0015] A Figura 2 é um diagrama esquemático ilustrando um dispositivo óptico da técnica anterior para colimar entrada das ondas de luz a partir de uma fonte de luz de exibição;

[0016] A Figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando um sistema da técnica anterior para a colimação e acoplamento da entrada de ondas de luz a partir de uma fonte de luz da exibição dentro de um LOE;

[0017] A Figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando outro sistema da técnica anterior para a colimação e acoplamento da entrada de ondas de luz a partir de uma fonte de luz da exibição dentro de um substrato, onde o módulo de colimação está anexado ao substrato;

[0018] A Figura 5 ilustra um exemplo de concretização da presente invenção, onde uma lente negativa está anexada a uma superfície externa do elemento óptico de guia de luz, de acordo com a presente invenção;

[0019] A Figura 6 ilustra um exemplo de concretização da presente invenção, onde as lentes positiva e negativa estão anexadas às superfícies externas do elemento óptico de guia de luz, de acordo com a presente invenção;

[0020] As Figuras 7a e 7b são vistas esquemáticas bi e tri dimensionais de um exemplo de concretização de uma película de afastamento, onde uma estrutura periódica hiperfina de material dielétrico transparente disposta em um pequeno afastamento mais curto do que os comprimentos de onda da região de visão em luz clara, é construída sobre um substrato transparente plano;

[0021] As Figuras 8a e 8b ilustram, respectivamente, uma vista lateral e uma vista de topo de um exemplo de película de afastamento;

[0022] As Figuras 9a e 9b ilustram, respectivamente, uma vista lateral e uma vista de topo de um exemplo de película de afastamento para uma corte transversal interno que está próximo da base;

[0023] As Figuras 10a e 10b ilustram, respectivamente, uma vista lateral e uma vista de topo de um exemplo de película de afastamento para uma corte transversal externo que está próximo ao ar;

[0024] A Figura 11 ilustra uma vista lateral de uma onda de luz incidindo sobre o lado superior de uma estrutura hiperfina em um ângulo oblíquo, de acordo com a presente invenção;

[0025] A Figura 12 ilustra uma película de afastamento que está anexada à superfície externa de um LOE, onde uma onda de luz acoplada se incide sobre a superfície da interface entre o LOE e a película, de acordo com a presente invenção;

[0026] As Figuras 13a e 13b ilustram, respectivamente, uma vista frontal de um sistema de óculos e uma vista de topo de um LOE embutido entre duas lentes ópticas e montado dentro da armação do óculos, de acordo com a presente invenção;

[0027] As Figuras 14a, 14b e 14c ilustram, respectivamente, um elemento óptico não monolítico compreendendo um LOE embutido entre uma lente positiva frontal e uma lente negativa traseira, montadas ao mesmo tempo dentro de uma armação sem adesivo, de acordo com a presente invenção;

[0028] As Figuras 15a, 15b e 15c ilustram, respectivamente, um método alternativo para a incorporação de um LOE entre duas lentes ópticas, utilizando uma técnica de colagem periférica, de acordo com a presente invenção;

[0029] As Figuras 16a, 16b e 16c ilustram, respectivamente, um método alternativo para a incorporação, de forma monolítica, de um LOE entre duas lentes ópticas, de acordo com a presente invenção;

[0030] As Figuras 17a, 17b e 17c ilustram, respectivamente, um LOE embutido entre dois substratos planos e montado dentro de uma armação, de acordo com a presente invenção;

[0031] A Figura 18 ilustra um exemplo de concretização da presente invenção, onde os elementos de acoplamento bem como de desacoplamento são elementos ópticos difrativos; e

[0032] A Figura 19 ilustra um exemplo de concretização da presente invenção, onde o módulo óptico é embutido em um sistema de exibição portáteis.

Descrição detalhada das concretizações

[0033] A Figura 1 ilustra uma vista em corte de um sistema óptico da técnica anterior incluindo um substrato plano 20 e componentes associados (daqui em diante também referido como um “LOE”), utilizável na presente invenção. Um meio óptico, por exemplo, uma superfície refletora 16, é iluminada por ondas de luz 18, as quais são colimadas a partir de uma exibição de uma fonte de luz (não mostrado). A superfície refletora 16 reflete as ondas de luz incidente a partir da fonte, de tal modo que as ondas de luz são capturadas dentro do substrato plano 20 do LOE, por reflexão interna total. Após várias reflexões das principais superfícies superior e inferior 26, 28 do substrato 20, as ondas capturadas alcançam um conjunto de superfícies refletoras parcialmente seletivas 22, que acoplam a luz fora do substrato dentro de uma pupila 25 de um olho 24 de um observador. Aqui, a superfície de entrada do LOE será considerada como a superfície através da qual as ondas de luz de entrada entram no LOE, e a superfície de saída do LOE será considerada como a superfície através da qual as ondas capturadas saem do LOE. No caso do LOE ilustrado na Figura 1, ambas superfícies de entrada e de saída estão sobre a superfície inferior 26. Outras configurações, no entanto, são previstas nas quais as ondas de imagem e de entrada poderiam estar localizadas em lados opostos do substrato 20, ou quando a luz está acoplada dentro do LOE através de uma borda inclinada do substrato.

[0034] Conforme ilustrado na Figura 2, as ondas de luz de entrada s-polarizadas 2 a partir de uma fonte de luz da exibição 4 são acopladas a um módulo de colimação 6 através da sua superfície inferior 30, módulo o qual é geralmente composto de um material transmissor de ondas de luz. Seguindo a livre reflexão de um divisor de feixe de polarização 31, as ondas de luz são acopladas fora do substrato através da superfície 32 do módulo de colimação 6. As ondas de luz em seguida passam através de uma placa de retardamento de quarto de comprimento de onda 34, refletidas por um elemento óptico de reflexão 36, por exemplo, um espelho plano, retornando a passar novamente através da placa de retardamento 34, e reentrando no módulo de colimação 6 através da superfície 32. As ondas de luz p-polarizadas agora passam através do divisor de feixe de polarização 31 e estão acopladas fora do guia de luz através da superfície 38 do módulo de colimação 6. As ondas de luz, em seguida, passam através de uma segunda placa de retardamento de quarto de comprimento de onda 40, colimada por um componente 42, por exemplo, uma lente, na sua superfície refletora 44, retornando a passar novamente através da placa de retardamento 34, e reentrando no módulo de colimação 6 através da superfície 38. As ondas de luz s- polarizada agora refletem fora do divisor de feixe de polarização 31 e saem do módulo de colimação através da superfície superior 46. As superfícies refletoras 36 e 44 podem ser materializadas por qualquer um revestimento metálico ou um dielétrico.

[0035] A Figura 3 ilustra como um módulo de colimação 6, constituído pelos componentes detalhados com relação à Figura 2, pode ser combinado com um substrato 20, de modo a formar um sistema óptico. A saída das ondas de luz 48 a partir do módulo de colimação 6 entram no substrato 20 através da sua superfície inferior 26. As ondas de luz que entram no substrato 20 são refletidas a partir de elemento óptico 16 e capturadas no substrato, conforme ilustrado na Figura 2. Agora, o módulo de colimação 6, compreendendo a fonte de luz de exibição 4, os prismas de dobragem 52 e 54, o divisor de feixe de polarização 31, as placas de retardamento 34 e 40 e os elementos ópticos refletores 36 e 42, podem facilmente ser integrados dentro de um único módulo mecânico e montados de forma independente do substrato, mesmo com tolerâncias mecânicas não precisas. Adicionalmente, as placas de retardamento 34 e 40 e os elementos ópticos refletores 36 e 42 podem ser cimentados juntos, respectivamente, para formar elementos individuais.

[0036] Seria vantajoso fixar todos os vários componentes do módulo de colimação 6 ao substrato 20, para formar um único elemento compacto resultante em um módulo mecânico simplificado. A Figura 4 ilustra tal módulo, onde a superfície superior 46 do módulo de colimação 6 é fixada ao plano de interface 58, na superfície inferior 26 do substrato 20. O principal problema desta configuração é que o procedimento de fixação elimina a afastamento 50 previamente existente (ilustrada na Figura 3) entre o substrato 20 e o módulo de colimação 6. Este afastamento é essencial para capturar a entrada das ondas de luz 48 dentro do substrato 20. As ondas de luz capturadas 48 devem ser refletidas nos pontos 62 e 64 do plano de interface 58. Deste modo, um mecanismo de reflexão deve ser aplicado neste plano, tanto na superfície principal 26 do substrato 20, quanto na superfície superior 46 do módulo de colimação 6. Um simples revestimento refletor não pode, no entanto, ser facilmente aplicado, uma vez que estas superfícies também devem ser transparentes para as ondas de luz que entram e saem do substrato 20 nos pontos demonstrativos 66. As ondas de luz devem passar através do plano 48 em ângulos de incidência pequenos, e refletir em ângulos de incidência maiores. Normalmente, os ângulos de incidência de passagem estão entre 0° e 15° e os ângulos de incidência refletores estão entre 40° e 80°.

[0037] Nas concretizações acima descritas da presente invenção, a imagem que é acoplada dentro do LOE é colimada para o infinito. Existem aplicações, no entanto, onde a imagem transmitida deve ser focada a uma distância mais próxima, por exemplo, para pessoas que sofrem de miopia e não podem ver corretamente imagens localizadas em longas distâncias. A Figura 5 ilustra um sistema óptico utilizando uma lente, de acordo com a presente invenção. Uma imagem 80 a partir do infinito é acoplada em um substrato 20 por uma superfície refletora 16, e depois refletida por um conjunto de superfícies parcialmente refletoras 22 dentro do olho 24 do observador. O (plano-côncavo) da lente 82 foca as imagens a uma distância conveniente e, opcionalmente, corrige outras aberrações do olho do observador, incluindo astigmatismo. A lente 82 pode ser anexada à superfície do substrato na sua superfície plana 84. Como explicado acima em relação à Figura 4, um pequeno afastamento deve ser preservada entre a lente e o substrato, para garantir a captura das ondas de luz 80 da imagem dentro do substrato através da reflexão interna total.

[0038] Adicionalmente, na maioria das aplicações relacionadas com a presente invenção, supõe-se que a cena externa está localizada no infinito, no entanto, existem aplicações profissionais ou médicas onde a cena externa está localizada a uma distância mais próxima. A Figura 6 ilustra um sistema óptico para a implementação de uma configuração de lente dupla, com base na presente invenção. As ondas de luz 80 da imagem a partir do infinito são acopladas dentro de um substrato 20 por uma superfície refletora 16 e, em seguida, refletidas por um arranjo de superfícies parcialmente refletoras 22 dentro do olho 24 do observador. Outra imagem 86 a partir de uma cena de distância mais próxima é colimada ao infinito por uma lente 88 e, em seguida, passada através do substrato 20 dentro do olho 24 de um observador. A lente 82 foca nas imagens 80 e 86 a uma distância conveniente, geralmente (mas não necessariamente sempre) a distância original da imagem da cena externa e corrige outras aberrações do olho do observador, se necessário.

[0039] As lentes 82 e 88 mostradas nas Figuras 5 e 6 são lentes plano-côncavas e plano-convexas simples, respectivamente, no entanto, para manter a forma plana do substrato, é possível ao contrário de utilizar lentes de Fresnel, que podem ser feitas de placas finas de plástico moldado com pequenos degraus. Além disso, uma forma alternativa para materializar as lentes 82 ou 88, ao contrário de utilizar lentes fixas como descrito acima, é a utilização de lentes dinâmicas controladas eletronicamente. Existem aplicações onde o usuário irá não só ser capaz de ver uma imagem não colimada, mas também controlar dinamicamente o foco da imagem. Demonstrou-se que um modulador de luz espacial (SLM) de alta resolução pode ser utilizado para formar um elemento holográfico. Atualmente, as fontes mais populares para essa finalidade são dispositivos LCD, mas outros dispositivos SLM dinâmicos podem ser também usados. Lentes dinâmicas de alta resolução tendo várias centenas de linhas/mm são conhecidas. Este tipo de lentes controladas eletro-opticamente pode ser utilizado como os elementos dinâmicos desejados na presente invenção, ao contrário das lentes fixas acima descritas ao mesmo tempo com as Figuras 5 e 6. Consequentemente, em tempo real, um usuário pode determinar e definir os planos focais exatos de ambas a imagem virtual projetada pelo substrato e a imagem real da vista externa.

[0040] Conforme ilustrado na Figura 6, seria vantajoso fixar as lentes 82 e 88 ao substrato 20, para formar um único módulo mecânico compacto simplificado. Claramente, o principal problema, conforme anteriormente descrito, é que o processo de fixação elimina a afastamento pré-existente entre o substrato 20 e as lentes 82 e 88, cujos espaços são essenciais para a captura das ondas de luz 80 da imagem dentro do substrato 20. As ondas de luz 80 da imagem retidas devem ser refletidas no ponto 90 do plano de interface 84 e transmitidas através do mesmo plano no ponto 92. Deste modo, um mecanismo de reflexão parcial semelhante ao descrito acima em relação à Figura 4 deve ser aplicado a este plano.

[0041] Para alcançar o mecanismo de reflexão parcial necessário, é possível aplicar um revestimento de película fina sensível angular nas superfícies principais do substrato, no entanto, a fabricação desta concretização pode ser complicada e cara. Uma forma alternativa para concretizar o mecanismo de reflexão parcial requerido é anexar uma película de afastamento transparente 110 nas superfícies maiores do substrato, tal conforme ilustrado nas Figuras 7a e 7b. O termo película de afastamento refere-se a um dispositivo óptico que tem na sua superfície uma estrutura periódica hiperfina 111 de material dielétrico transparente disposta em um pequeno afastamento mais curto do que os comprimentos de onda da região fotóptica, por exemplo, um dispositivo óptico tal como película olho de mariposa tendo uma densa (irregular) estrutura periódica hiperfina 111 (daqui em diante referida como “formação em relevo”), a qual é construída sobre um substrato transparente plano 112 (daqui em diante referido como “base” 112 ou “película de base” 112). A altura da formação em relevo deve preferivelmente (mas não necessariamente sempre) ser inferior a 1 mícron.

[0042] Como visto nas Figuras 8a e 8b, qualquer corte transversal 121 paralelo à superfície da película de afastamento 110 tem uma formação periódica, onde a parte proporcional do material dielétrico 123 na formação em relevo é alterada gradualmente conforme uma função da própria película.

[0043] Como ainda visto nas Figuras 9a, 9b e 10a e 10b, no corte transversal interno 124, que está próximo da película base 112, ou seja, a parte inferior da estrutura hiperfina 111, a parte proporcional do material dielétrico 125 na formação em relevo 126 é máxima e substancialmente próxima a 1, enquanto que no corte transversal externo 127, ou seja, próximo da parte superior da estrutura hiperfina 111, a parte proporcional do material dielétrico 128 na formação em relevo 129 é mínima, isto é, significativamente mais baixa do que no material 125, e praticamente igual a zero.

[0044] Tipicamente, quando as ondas de luz passam através de um dispositivo óptico tendo uma estrutura periódica, a difração de luz ocorre e o brilho da ordem zero da luz difratada, ou seja, a luz que é transmitida através do dispositivo sem qualquer difração, é consideravelmente reduzida. Quando o afastamento da estrutura periódica hiperfina é, no entanto, consideravelmente mais curto do que o comprimento de onda das ondas de luz de entrada, nenhuma difração ocorre. Ao contrário, uma vez que as ondas ópticas “vêem” um meio tendo um índice de refração que é a média dos materiais contidos neste meio, as propriedades antirreflexo eficazes podem ser obtidas.

[0045] Por outro lado, conforme ilustrado na Figura 11, quando as ondas de luz 130 colidem sobre a estrutura hiperfina periódica 111 no lado superior da estrutura em ângulos oblíquos, elas “vêem” apenas a parte externa da estrutura periódica, onde a parte proporcional do material transparente é muito baixa. Consequentemente, o índice de refração real, o qual é “visto” pelas ondas ópticas de entrada, é próximo ao índice de refração do ar 131.

[0046] Como um resultado, e conforme ilustrado na Figura 12, quando tal película de afastamento é anexada à superfície externa 28 do substrato 20, as ondas de luz acopladas 130 colidem sobre a superfície de interface 132 entre o substrato e a película em ângulos maiores do que o ângulo crítico, o ar 131 confinado entre a película e o substrato proporciona um isolamento óptico devido ao índice de refração semelhante ao ar na superfície de limite. Portanto, os fenômenos de reflexão interna total das ondas de luz acopladas a partir da superfície externa será preservada e as ondas de luz irão ser contidas dentro do substrato.

[0047] A característica geométrica da estrutura hiperfina, tal como a altura, pico-a-pico e largura da mesma, pode geralmente estar entre 10 a 800 nanômetros. Além disso, a forma exata da estrutura hiperfina não deve ser, necessariamente, aquela do olho de mariposa. Qualquer outra forma de nanoestrutura, tal como pirâmides, prismas, cones e outras, pode ser utilizada. Além disso, a estrutura hiperfina não deve necessariamente ser especificamente periódica, embora uma estrutura periódica é geralmente mais fácil de fabricar. Esta estrutura hiperfina, no entanto, deve preencher os seguintes requisitos: por um lado, a estrutura deve ser sólida o suficiente para não colapsar durante o processo de fixação e, por outro lado, a parte proporcional do material dielétrico no corte transversal externo da estrutura, deve ser substancialmente igual a zero, para manter o fenômeno de reflexão interna total dentro do substrato. Além disso, o tamanho dos elementos básicos da estrutura hiperfina não deve ser muito grande, a fim de evitar os efeitos de difração. Uma redução da espessura da estrutura hiperfina para abaixo de 100 nm, no entanto, pode, de forma indesejável, permitir a penetração das ondas capturadas através da película de afastamento e a deterioração do fenômeno de reflexão interna total. Como um resultado, um valor requerido típico para a espessura da estrutura hiperfina está entre 200 e 300 nm.

[0048] A Figura 13a ilustra uma vista frontal de um sistema de óculos 140 e a Figura 13b uma vista de topo de um substrato 20, o qual está embutido entre duas lentes ópticas 141, 142 e montado dentro da armação do óculos 143. Como visto, em adição aos elementos ópticos, a armação pode conter outros acessórios incluindo uma câmara 144, um microfone 145, fones de ouvido 146, conectores USB, cartões de memória, uma unidade de medição de inercia (IMU), e semelhantes.

[0049] As Figuras 14a, 14b e 14c ilustram um elemento óptico não monolítico 150 compreendendo um substrato 20 embutido entre a lente positiva frontal 151 e a lente negativa traseira 152, montadas ao mesmo tempo dentro de uma armação 154 sem adesivo. As películas de afastamento 110 (Figura 14C) são colocadas ou coladas entre o substrato 20 e as lentes 151, 152, onde as estruturas hiperfinas 111, voltadas, respectivamente, para as superfícies externas 26 e 28 do substrato 20. As películas de afastamento 110 podem ser diretamente coladas nas superfícies planas das lentes ópticas 151 e 152 usando adesivo sensível à pressão (PSA), ou podem ser fabricadas diretamente como uma parte integrante das lentes utilizando gravação, moldagem por injeção, fundição, usinagem, litografia leve ou qualquer outro método de fabricação direto. O elemento óptico embutido 150 pode ser montado dentro da armação 154 utilizando pressão ou técnicas de cimentação.

[0050] Um método alternativo para a incorporação, de modo monolítico, do substrato 20 entre as duas lentes ópticas é ilustrado nas Figuras 15a, 15b e 15c. O substrato 20 é embutido entre as lentes ópticas utilizando uma técnica de colagem periférica. A lente frontal 151 e a lente traseira 152 são coladas nas bordas periféricas do substrato 20 usando adesivo não-óptico ou qualquer outro adesivo de alta viscosidade 156 que monta todos os componentes ao mesmo tempo. A viscosidade do adesivo deve ser suficientemente elevada de modo a evitar vazamentos do adesivo dentro das bolsas de ar 131, que estão confinadas entre a película 110 e o substrato 20. Tal vazamento pode eliminar a afastamento que é necessária para preservar a reflexão interna total das ondas de luz a partir das superfícies externas do substrato. O adesivo necessário 156 pode, por exemplo, ser OP-67-LS ou qualquer silicone (RTV) de vulcanização em temperatura ambiente.

[0051] Outro método alternativo para a incorporação, de modo monolítico, do substrato 20 entre as duas lentes ópticas é ilustrado nas Figuras 16a, 16b e 16c. O processo de produção do elemento embutido é como segue: colocando a película de afastamento 110, com as estruturas hiperfinas 111 voltadas para as superfícies externas 26 e 28 do substrato 20 utilizando técnicas de fixação, tais como, eletricidade estática, a preparação de um molde 160 tendo a forma externa requerida do elemento, inserindo o substrato 20 no molde, fundindo ou injetando o polímero dentro do molde, curando o polímero por UV ou alterando a temperatura do polímero e, finalmente, ejetando o elemento embutido do molde. Como explicado acima em relação às Figuras 15a a 15c, também é importante que as regiões hiperfinas sejam isoladas do material injetado durante o processo de moldagem por injeção, a fim de evitar um vazamento do material dentro das bolsas de ar 131 entre o substrato 20 e a película de afastamento 110.

[0052] As Figuras 13a a 16c ilustram métodos diferentes para a formação de um componente óptico compreendendo um substrato embutido entre duas lentes ópticas, no entanto, existem concretizações onde é necessário anexar elementos planos nas superfícies externas do substrato. Um exemplo para tal concretização é ilustrado na Figura 4, onde o elemento de colimação 6 está anexado ao substrato 20. Outras razões para a fixação de um elemento plano a um substrato pode ser para a proteção mecânica do substrato para aumentar a segurança do olho do usuário, ou a aplicação de um revestimento sobre a superfície externa do elemento plano para alcançar várias características, tais como, resposta fotocrômica, resistência a arranhões, super-hidrofobicidade, visão (colorido) sombreada, polarização, impressão anti-digital, e as semelhantes.

[0053] Um substrato 20 embutido entre duas superfícies planas 162 e 164 e montado dentro das armações 166, 167 é ilustrado nas Figuras 17a, 17b e 17c. O processo de incorporação do substrato e das superfícies planas 20 pode ser materializado utilizando fixação mecânica, cimentação periférica ou fabricação monolítica. Os processos de incorporação podem incluir apenas a anexação de um único elemento a uma das superfícies externas do substrato ou a combinação de elementos diferentes, tais como, substratos planos, bem como lentes curvadas.

[0054] Em todas as concretizações ilustradas até agora o elemento para o acoplamento das ondas de luz fora do substrato é, pelo menos, uma superfície de reflexão parcialmente plana localizada no referido substrato, que é geralmente revestido com um revestimento dielétrico de reflexão parcial e não sendo paralelo às superfícies maiores do referido substrato. No entanto, o mecanismo refletor particular de acordo com a presente invenção pode ser também explorado para outras tecnologias de acoplamento de saída. A Figura 18 ilustra um substrato 20, onde o elemento de acoplamento de entrada 170 ou o elemento de acoplamento de saída 172 são elementos difrativos. Além disso, outros elementos de acoplamento de saída, tal como uma superfície de reflexão parcialmente curvada, e outros meios, podem ser utilizados.

[0055] As concretizações das Figuras 13-17 são apenas alguns exemplos ilustrando a simples aplicação da presente invenção. Uma vez que o elemento óptico de substrato guiado, constituindo o núcleo do sistema, é muito compacto e leve, podendo ser instalado em uma grande variedade de arranjos. Muitas outras concretizações são também possíveis, incluindo um visor, um mostrador dobrável, um monóculo, e muitas mais. Esta concretização é designada para aplicações onde o mostrador deve ser próximo-ao-olho, montado na cabeça, vestido na cabeça ou carregado na cabeça. Existe, no entanto, aplicações onde o mostrador está localizado de forma diferente. Um exemplo de tal aplicação é um dispositivo portáteis para aplicação móvel, tal como, por exemplo, um aparelho ou smartwatch. O principal problema destes dispositivos inteligentes é a contradição entre o tamanho pequeno necessário e o volume e a imagem de alta qualidade desejada.

[0056] A Figura 19 ilustra um método alternativo, com base na presente invenção, que elimina o compromisso atual necessário entre o tamanho reduzido de dispositivos móveis e o desejo de ver o conteúdo digital em um mostrador de formato completo. Esta aplicação é um mostrador portátil (HHD) que resolve os requisitos previamente opostos, de alcançar pequenos dispositivos móveis, e o desejo de visualizar o conteúdo digital em um mostrador de formato completo, projetando imagens de alta qualidade diretamente no olho do usuário. Um módulo óptico incluindo a fonte de exibição 4, a óptica de dobragem e colimação 190 e o substrato 20 está integrado no corpo de um dispositivo inteligente 210, onde o substrato 20 substitui a janela de cobertura protetiva existente do telefone. Especificamente, o volume dos componentes de suporte, incluindo a fonte 4 e óptica 190, é suficientemente pequeno para caber dentro do volume aceitável para o dispositivo inteligente moderno. A fim de visualizar o mostrador completo, transmitido pelo dispositivo, a janela do dispositivo é posicionada na frente do olho do usuário 24, observando a imagem com alto FOV, uma grande caixa de movimento ocular e um confortável relevo de olho. Também é possível visualizar todo o FOV a um relevo de olho maior ao inclinar o dispositivo para exibir diferentes partes da imagem. Além disso, uma vez que o módulo óptico pode operar em configuração transparente, uma operação dupla do dispositivo é possível, ou seja, não é uma opção para manter o mostrador convencional 212 intacto. Desta forma, o mostrador padrão pode ser visto através do substrato 20 quando a fonte de exibição 4 é desligada. Em um segundo modo virtual, designado pela maciça navegação na internet, ou operações de vídeo de alta qualidade, a visualização convencional 212 é desligada, enquanto a fonte de exibição 4 projeta a imagem FOV larga necessária no olho do observador por meio do substrato 20. Geralmente, na maioria dos dispositivos inteligentes portáteis, o usuário pode operar o dispositivo inteligente utilizando uma tela sensível ao toque que é incorporada na janela frontal do dispositivo. Conforme ilustrado na Figura 19, a tela sensível ao toque 220 pode ser anexada a um dispositivo inteligente pela sua cimentação diretamente sobre as películas de afastamento da superfície externa 110, que estão localizadas no substrato 20.

Claims

1. Sistema óptico, compreendendo: - um substrato transmissor de luz (20) tendo pelo menos duas superfícies principais externas e bordas;; - um elemento óptico (16) para acoplamento de ondas de luz (48) dentro do substrato (20) por reflexão interna; - pelo menos uma superfície de reflexão parcial (22), localizada no substrato (20), para acoplamento de ondas de luz (48) fora do substrato (20), caracterizado pelo fato de pelo menos uma película de afastamento de ar transparente (110) incluindo uma base (112) e uma estrutura hiperfina (111) definindo uma formação em relevo, construída sobre a base (112); dita película de afastamento de ar transparente (110) sendo ligada a uma das superfícies principais do substrato, com a formação em relevo voltada para o substrato definindo um plano da interface, de modo que as ondas de luz (48) acopladas do lado de dentro do substrato (20), substancial e totalmente refletidas a partir do plano da interface.

2. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a película de afastamento de ar (110) formar bolsas de ar entre a formação em relevo e o substrato (20).

3. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a formação em relevo incluir material dielétrico.

4. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma parte proporcional da formação em relevo, em um corte transversal paralelo à base (112), mudar gradualmente conforme uma função da distância entre o corte transversal a partir da base (112).

5. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de uma parte proporcional do material dielétrico da formação em relevo ser máxima em um corte transversal interno próximo da base (112).

6. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de uma parte proporcional do material dielétrico da formação em relevo ser substancialmente igual a um em um corte transversal interno próximo da base (112).

7. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de uma parte proporcional do material dielétrico da formação em relevo ser mínima em um corte transversal externo próximo ao plano de interface.

8. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de uma parte proporcional do material dielétrico da formação em relevo ser substancialmente igual a zero em um corte transversal externo próximo ao plano de interface.

9. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um índice de refração da formação em relevo ser substancialmente igual a um índice de refração de ar em um corte transversal externo próximo ao plano de interface.

10. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a formação em relevo ser uma formação em relevo periódica.

11. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a formação em relevo ter uma configuração de olho de mariposa e/ou ser selecionada a partir do grupo de arranjos de prismas, cones e pirâmides. 2.

12. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a característica geométrica da estrutura hiperfina (111), ser selecionada a partir do grupo consistindo de: (a) menor que o comprimento de onda recebido das ondas de luz (48); (b) uma película nanoestruturada; e (c) entre 10 a 800 nanômetros.

13. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de altura da formação em relevo ser menor que 1 mícron.

14. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda: - pelo menos um elemento óptico (16) tendo pelo menos uma superfície externa plana voltada ao substrato (20), sendo a base opticamente cimentada à superfície externa do elemento e da formação em relevo voltada ao substrato (20).

15. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma segunda película de afastamento de ar transparente ligada a uma segunda superfície principal do substrato transparente, com a formação em relevo voltada ao substrato.

16. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender duas lentes tendo cada uma pelo menos uma superfície plana, sendo que as bases da primeira e da segunda película de afastamento de ar são cimentadas às superfícies planas das lentes.

17. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a superfície de reflexão parcial para acoplamento das ondas de luz (48) fora dos substrato (20) é uma superfície curvada.