BR112021013197A2

BR112021013197A2 - Sistema óptico

Info

Publication number: BR112021013197A2
Application number: BR112021013197-3A
Authority: BR
Inventors: Yochay Danziger; Ronen CHRIKI; Jonathan Gelberg
Original assignee: Lumus Ltd.
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2020-01-26
Publication date: 2021-09-28
Also published as: AU2020211092B2; US11934002B2; US10983264B2; MX2021008808A; JP2024054115A; US11714224B2; US20230341612A1; CA3123518C; EP3903138A1; IL293050B; EP3903138B1; CN116300087A; CN113330348A; JP7424635B2; IL293050B2; TW202034000A; US20210239898A1; US20230013376A1; KR20210118354A; AU2023203502A1

Abstract

SISTEMA ÓPTICO. Trata-se de um sistema óptico que inclui um elemento óptico-guia de luz (LOE) com o primeiro e o segundo conjuntos (204, 206) de superfícies parcialmente refletoras mutuamente paralelas em diferentes orientações. Ambos os conjuntos de superfícies parcialmente refletoras estão localizados entre as superfícies externas principais paralelas. Um terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras (202), implantado na região de acoplamento, recebe iluminação de imagem inserida a partir de um projetor (2) com uma abertura óptica que tem uma primeira largura no plano e direciona a iluminação da imagem por meio de reflexão de pelo menos parte da iluminação de imagem no terceiro conjunto de facetas pelo menos parcialmente reflexivas em direção ao primeiro conjunto de facetas parcialmente reflexivas com uma abertura óptica efetiva que tem uma segunda largura maior do que a primeira largura.

Description

“SISTEMA ÓPTICO” Campo e antecedentes da invenção

[0001] A presente invenção refere-se a sistemas ópticos e, em particular, se refere a um sistema óptico que inclui um elemento óptico-guia de luz (LOE) para alcançar a expansão da abertura óptica.

[0002] Muitos sistemas de exibição de olho próximo incluem um elemento óptico- guia de luz transparente (LOE) ou “guia de onda” colocado diante do olho do usuário, que transmite uma imagem dentro do LOE por reflexão interna e, em seguida, acopla a imagem por um mecanismo de acoplamento de saída adequado voltado para o olho do usuário. O mecanismo de acoplamento de saída pode ser baseado em refletores parciais incorporados ou “facetas”, ou pode empregar um padrão difrativo. A descrição abaixo irá se referir principalmente a um arranjo de acoplamento baseado em faceta, mas deve-se verificar que vários recursos da invenção também são aplicáveis a arranjos difrativos.

[0003] A expansão da abertura bidimensional dentro de um guia de onda que emprega facetas ortogonais internas foi descrita na Figura 13 do documento US 6829095 B2, que é aqui reproduzido como Figura 1A. Os números de referência referentes aos desenhos da técnica anterior são apresentados aqui entre parênteses. A luz do projetor (20) se propaga dentro do guia de ondas e é refletida pelas facetas (22a) a (22c) voltadas para as facetas (23), que acopla a luz voltada para um observador.

[0004] A publicação PCT WO 2019/142177 A1 divulga um conceito similar que emprega facetas não ortogonais. As Figuras 2 e 29 da publicação PCT são reproduzidas aqui como Figuras 1B e 1C, respectivamente. O primeiro conjunto de facetas, aqui denotado (32), são não ortogonais, portanto, apenas um modo de propagação é refletido. As duas configurações ilustradas diferem quanto ao fato de as regiões que contêm os dois conjuntos de facetas serem sobrepostas (Figura 1B) ou não sobrepostas (Figura 1C). Sumário da invenção

[0005] A presente invenção é um sistema óptico.

[0006] De acordo com os ensinamentos de uma modalidade da presente invenção, é fornecido um sistema óptico para direcionar a iluminação de imagem inserida em uma região de acoplamento voltada para um usuário para visualização, em que o sistema óptico compreende um elemento óptico-guia de luz (LOE) formado a partir de material transparente, em que o LOE compreende: (a) uma primeira região que contém um primeiro conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas e parcialmente refletoras que têm uma primeira orientação; (b) uma segunda região que contém um segundo conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas e parcialmente refletoras que têm uma segunda orientação não paralela à primeira orientação; (c) um conjunto de superfícies externas principais mutuamente paralelas, em que as superfícies externas principais se estendem através da primeira e da segunda regiões, de modo que tanto o primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras quanto o segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras estejam localizados entre as superfícies externas principais, em que o segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras estão em um ângulo oblíquo com as superfícies externas principais, de modo que uma parte de iluminação de imagem que se propaga dentro do LOE por reflexão interna nas superfícies externas principais da primeira região para a segunda região é acoplada fora do LOE voltado para o usuário, e em que o primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras são orientadas de modo que uma parte de iluminação de imagem que se propaga dentro do LOE por reflexão interna nas superfícies externas principais da região de acoplamento seja defletida para a segunda região, em que o sistema óptico compreende ainda um terceiro conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas, pelo menos parcialmente refletoras implantado na região de acoplamento, em que o terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras é implantado para receber a iluminação de imagem inserida a partir de um projetor com uma abertura óptica que tem uma primeira largura medida paralela às superfícies externas principais e para direcionar a iluminação de imagem através de reflexão de pelo menos parte de iluminação de imagem no terceiro conjunto de facetas pelo menos parcialmente refletoras em direção ao primeiro conjunto de facetas parcialmente reflexivas com uma abertura óptica efetiva tendo uma segunda largura medida paralela às superfícies externas principais, em que a segunda largura é maior do que a primeira largura.

[0007] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, o terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras tem uma primeira sequência de refletividades sucessivamente crescentes em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge, e em que o primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras tem uma segunda sequência de refletividades que aumentam sucessivamente em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge, em que a segunda sequência começa em uma refletividade menor do que uma última refletividade da primeira sequência.

[0008] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, uma última refletividade da primeira sequência de refletividades que aumentam sucessivamente é maior do que 90%.

[0009] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, a maior parte da iluminação de imagem direcionada ao primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras sofre exatamente uma reflexão do terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras.

[0010] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, a maior parte da iluminação de imagem direcionada ao primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras sofre duas reflexões do terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras.

[0011] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, o terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras é integrado como parte do LOE e localizado entre as superfícies externas principais.

[0012] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, o terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras está paralelo ao primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

[0013] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, o terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras não está paralelo ao primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

[0014] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, um espaçamento entre superfícies do terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras é menor do que um espaçamento entre superfícies do primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

[0015] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, uma área de superfície de cada superfície pelo menos parcialmente refletora do terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras é menor do que uma área de superfície de cada superfície parcialmente refletora do primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

[0016] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, a primeira região e a segunda região não se sobrepõem.

[0017] De acordo com um outro recurso de uma modalidade da presente invenção, também é fornecido um projetor de imagem para projetar uma imagem colimada que tem um campo de visão angular em torno de um eixo geométrico óptico, em que o projetor de imagem é opticamente acoplado ao LOE de modo a apresentar a imagem colimada no LOE por meio do terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras na região de acoplamento como uma imagem de propagação propagando-se dentro do LOE por reflexão interna nas superfícies externas principais, em que a imagem de propagação é parcialmente refletida pelo primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras para gerar uma imagem de propagação defletida que se propaga dentro do LOE por reflexão interna nas superfícies externas principais, em que a imagem de propagação defletida é parcialmente refletida pelo segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras para gerar uma imagem acoplada direcionada para fora a partir de uma das superfícies externas principais voltada para o usuário. Breve descrição dos desenhos

[0018] A invenção é descrita no presente documento, apenas a título de exemplo,

com referência aos desenhos anexos, em que:

[0019] a Figura 1A, discutida acima, corresponde à Figura 13 da Patente no. US

6.829.095 B2;

[0020] as Figuras 1B e 1C, discutidas acima, correspondem às Figuras 2 e 29 da Publicação de Pedido de Patente PCT nº WO 2019/142177 A1, respectivamente;

[0021] as Figuras 2A e 2B são vistas isométricas esquemáticas de um sistema óptico implementado com o uso de um elemento óptico-guia de luz (LOE), construído e operativo de acordo com os ensinamentos da presente invenção, ilustrando uma configuração de inserção de cima para baixo e lateral, respectivamente;

[0022] as Figuras 3A e 3B são ilustrações esquemáticas dos efeitos de diferentes espaçamentos de superfícies internas parcialmente refletoras no redirecionamento da iluminação de imagem de um projetor com uma dada largura de abertura óptica a partir de uma primeira direção para uma segunda direção dentro de um substrato;

[0023] a Figura 4A é uma vista frontal esquemática de um elemento óptico-guia de luz (LOE) de acordo com os ensinamentos de uma modalidade da presente invenção, que ilustra a expansão de três estágios de uma abertura óptica de um projetor para iluminação acoplada voltada para um expectador;

[0024] as Figuras 4B e 4C são representações isométricas esquemáticas de duas implementações do LOE da Figura 4A que usam superfícies internas parcialmente refletoras que são ortogonais e oblíquas, respectivamente, para os primeiros dois estágios de expansão de abertura;

[0025] as Figuras 5A e 5B são vistas frontais e isométricas esquemáticas, respectivamente, de uma implementação variante do LOE da Figura 4A em que superfícies internas parcialmente refletoras para realizar dois estágios de expansão de abertura óptica são implantadas em regiões que são pelo menos parcialmente sobrepostas;

[0026] a Figura 6 é uma representação esquemática no espaço angular (coordenadas polares) das direções relativas da iluminação de imagem através de vários estágios de propagação através do LOE da Figura 4C;

[0027] as Figuras 7A e 7B são vistas frontais esquemáticas de duas outras implementações variantes do LOE da Figura 4A que ilustram opções para inserção lateral de iluminação de imagem;

[0028] a Figura 8A é uma representação esquemática de uma sequência de produção para o LOE da Figura 4A;

[0029] a Figura 8B é uma representação esquemática de uma sequência de produção para o LOE da Figura 5A;

[0030] a Figura 9 é uma vista frontal esquemática de uma implementação variante adicional do LOE da Figura 4A em que a forma geométrica das regiões de LOE é modificada;

[0031] as Figuras 10A e 10B são vistas esquemáticas frontais e isométricas, respectivamente, de uma implementação variante adicional do LOE da Figura 4A que emprega uma seção de guia de onda retangular para um estágio preliminar de expansão de abertura óptica;

[0032] as Figuras 11A e 11B são vistas isométricas esquemáticas antes e depois da montagem, respectivamente, de uma implementação variante adicional do LOE da Figura 4A que emprega uma placa com facetas refletoras pelo menos parcialmente internas para um estágio preliminar de expansão de abertura óptica sem luz guiada por TIR; e

[0033] as Figuras 12A e 12B são vistas isométricas esquemáticas antes e depois da montagem, respectivamente, de uma implementação variante adicional do LOE da Figura 4A que emprega uma placa com facetas internas, pelo menos parcialmente refletoras, para um estágio preliminar de expansão de abertura óptica com luz guiada por superfícies não paralelas com as principais superfícies do LOE. Descrição das modalidades preferidas

[0034] Certas modalidades da presente invenção fornecem um sistema óptico que inclui um elemento óptico-guia de luz (LOE) para alcançar a expansão de abertura óptica para o propósito de um visor frontal, tal como um visor próximo ao olho,

que pode ser um visor de realidade virtual, ou com mais preferência uma tela de realidade aumentada.

[0035] Uma implementação exemplificativa de um dispositivo na forma de um visor próximo ao olho, geralmente designado 10, que emprega um LOE 12 de acordo com os ensinamentos de uma modalidade da presente invenção, é ilustrada esquematicamente nas Figuras 2A e 2B. O visor próximo ao olho 10 emprega um projetor de imagem compacto (ou “POD”) 14 opticamente acoplado de modo a inserir uma imagem em LOE (indistintamente referido como um “guia de ondas”, um “substrato” ou uma “placa”) 12 dentro do qual a luz de imagem é capturada em uma dimensão por reflexão interna em um conjunto de superfícies externas planas mutuamente paralelas. A luz incide de um conjunto de superfícies parcialmente refletoras (alternadamente denominadas “facetas”) que são paralelas entre si e inclinadas obliquamente para a direção de propagação da luz de imagem, em que cada faceta sucessiva desvia uma proporção da luz de imagem em uma direção defletida, também presa/guiada pela reflexão interna dentro do substrato. Este primeiro conjunto de facetas não é ilustrado individualmente nas Figuras 2A e 2B, mas estão localizados em uma primeira região do LOE designado 16. Esta reflexão parcial em facetas sucessivas atinge uma primeira dimensão de expansão de abertura óptica.

[0036] Em um primeiro conjunto de exemplos preferidos mas não limitantes da presente invenção, o conjunto de facetas acima mencionado é ortogonal às superfícies externas principais do substrato. Neste caso, tanto a imagem inserida quanto seu conjugado passando por reflexão interna à medida que se propaga dentro da região 16 são defletidos e se tornam imagens conjugadas que se propagam em uma direção defletida. Em um conjunto alternativo de exemplos preferidos, mas não limitantes, o primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras são obliquamente anguladas em relação às superfícies externas principais do LOE. No último caso, a imagem inserida ou o seu conjugado formam a imagem defletida desejada propagando-se dentro do LOE, enquanto a outra reflexão pode ser minimizada, por exemplo, empregando-se revestimentos angularmente seletivos nas facetas que os tornam relativamente transparentes para a faixa de ângulos incidentes apresentados pela imagem cujo reflexo não é necessário.

[0037] O primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras desvia a iluminação da imagem de uma primeira direção de propagação capturada por reflexão interna total (TIR) dentro do substrato para uma segunda direção de propagação, também capturada por TIR dentro do substrato.

[0038] A iluminação de imagem defletida, então, passa para uma segunda região de substrato 18, que pode ser implementada como um substrato distinto adjacente ou como uma continuação de um único substrato, em que um arranjo de saída de acoplamento (seja um outro conjunto de facetas parcialmente reflexivas ou um elemento óptico difrativo) acopla progressivamente uma proporção da iluminação de imagem voltada para o olho de um observador localizado dentro de uma região definida como a caixa de movimento do olho (EMB), alcançando assim uma segunda dimensão de expansão de abertura óptica. O dispositivo global pode ser implementado separadamente para cada olho e é, de preferência, apoiado em relação à cabeça de um usuário com cada LOE 12 voltado para um olho correspondente do usuário. Em uma opção particularmente preferida, conforme ilustrado no presente documento, um arranjo de apoios é implementado como uma armação de óculos com lados 20 para apoiar o dispositivo em relação às orelhas do usuário. Outras formas de arranjo de apoios também podem ser usadas, incluindo, mas sem limitação, faixas para a cabeça, viseiras ou dispositivos suspensos de capacetes.

[0039] É um recurso particularmente preferido de certas modalidades da presente invenção que o sistema óptico inclua ainda um terceiro conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas, pelo menos parcialmente refletoras (“facetas”) implantado na região de acoplamento. O terceiro conjunto de facetas não é mostrado individualmente nas Figuras 2A e 2B, mas é designado pela região 15. O terceiro conjunto de facetas é implantado para receber iluminação de imagem inserida a partir do projetor 14 com uma abertura óptica que tem uma primeira largura medida paralela às superfícies externas principais do LOE 12 e para direcionar a iluminação de imagem por meio da reflexão de pelo menos parte da iluminação de imagem pelas facetas na região 15 voltada para o primeiro conjunto de facetas parcialmente reflexivas na região 16 com uma abertura óptica eficaz que tem uma segunda largura maior medida paralela às superfícies externas principais do LOE. O significado desta expansão de abertura será discutido mais abaixo.

[0040] O terceiro conjunto de facetas 15 é interposto no caminho óptico entre o projetor 14 e o primeiro conjunto de facetas 16 na região de acoplamento. A frase “na região de acoplamento” é usada no presente documento para abranger tanto um caso em que o terceiro conjunto de facetas é incorporado ao LOE na região de acoplamento e onde o terceiro conjunto de facetas é externo ao LOE, com ambas as opções sendo exemplificadas em detalhes abaixo.

[0041] É feita referência no presente documento aos desenhos e reivindicações a um eixo geométrico X que se estende horizontalmente (Figura 2A) ou verticalmente (Figura 2B), na direção extensional geral da primeira região do LOE, e um eixo geométrico Y que se estende perpendicular ao mesmo, isto é, verticalmente na Figura 2A e horizontalmente na Figura 2B.

[0042] Em termos muito aproximados, o primeiro LOE, ou primeira região 16 do LOE 12, pode ser considerado alcançar a expansão de abertura na direção X, enquanto o segundo LOE, ou segunda região 18 do LOE 12, atinge a expansão de abertura na direção Y. Deve-se observar que a orientação, conforme ilustrado na Figura 2A, pode ser considerada como uma implementação “de cima para baixo”, onde a iluminação de imagem que entra na principal (segunda região) do LOE entra pela borda superior, enquanto a orientação ilustrada na Figura 2B pode ser considerada como uma implementação de “inserção lateral”, onde o eixo geométrico aqui referido como o eixo geométrico Y é implantado horizontalmente. Nos desenhos restantes, os vários recursos de certas modalidades da presente invenção serão ilustrados no contexto de uma orientação “de cima para baixo”, similar à Figura 2A. No entanto, deve-se verificar que todos esses recursos são igualmente aplicáveis a implementações de inserção lateral, que também se enquadram no escopo da invenção. Em certos casos, outras orientações intermediárias também são aplicáveis e estão incluídas no escopo da presente invenção, exceto onde explicitamente excluídas.

[0043] O POD empregado com os dispositivos da presente invenção é configurado de preferência para gerar uma imagem colimada, isto é, na qual a luz de cada pixel de imagem é um feixe paralelo, colimado ao infinito, com uma direção angular correspondente à posição do pixel. A iluminação de imagem, portanto, abrange uma gama de ângulos que correspondem a um campo de visão angular em duas dimensões.

[0044] O projetor de imagem 14 inclui pelo menos uma fonte de luz, normalmente implantada para iluminar um modulador de luz espacial, tal como um chip LCOS. O modulador de luz espacial modula a intensidade projetada de cada pixel da imagem, gerando assim uma imagem. Alternativamente, o projetor de imagem pode incluir um arranjo de varreduras, tipicamente implementado com o uso de um espelho de varredura rápida, que varre a iluminação de uma fonte de luz laser através de um plano de imagem do projetor enquanto a intensidade do feixe é variada de forma síncrona com o movimento em uma base de pixel por pixel, projetando assim uma intensidade desejada para cada pixel. Em ambos os casos, a óptica de colimação é fornecida para gerar uma imagem projetada de saída que é colimada ao infinito. Alguns ou todos os componentes acima são tipicamente dispostos em superfícies de um ou mais cubos divisores de feixe de polarização (PBS) ou outro arranjo de prisma, conforme é bem-conhecido na técnica.

[0045] O acoplamento óptico do projetor de imagem 14 ao LOE 12 pode ser alcançado por qualquer acoplamento óptico adequado, tal como, por exemplo, através de um prisma de acoplamento com uma superfície de entrada obliquamente angular, ou através de um arranjo de acoplamento reflexivo, através de uma borda lateral e/ou uma das superfícies externas principais do LOE. Onde o terceiro conjunto de facetas 15 é externo ao LOE, o terceiro conjunto de facetas é de preferência integrado ao arranjo de acoplamento, conforme será exemplificado abaixo com referência às Figuras 11A a 11C, abaixo. Detalhes adicionais da configuração de acoplamento não são críticos para a invenção e são mostrados aqui apenas esquematicamente.

[0046] Será verificado que o visor próximo ao olho 10 inclui vários componentes adicionais, tipicamente incluindo um controlador 22 para acionar o projetor de imagem 14, normalmente empregando energia elétrica de uma pequena bateria a bordo (não mostrada) ou alguma outra fonte de energia adequada. Será verificado que o controlador 22 inclui todos os componentes eletrônicos necessários, tal como pelo menos um processador ou circuito de processamento para acionar o projetor de imagem, tudo conforme é conhecido na técnica.

[0047] Voltando-se agora para as Figuras 3A e 3B, ilustra-se esquematicamente a geometria de iluminação de imagem de um projetor que tem uma certa largura de abertura óptica com o primeiro conjunto de superfícies internas parcialmente refletoras. A fim de obter iluminação de luz uniforme, a largura da abertura do projetor 100 deve ser tal que os raios refletidos a partir de uma faceta sejam contíguos com os raios refletidos a partir da próxima faceta para evitar linhas pretas na tela. Em alguns casos, é desejável que haja sobreposição suficiente para que cada direção de visualização receba um reflexo de duas ou mais facetas e, com mais preferência, de um número constante de facetas através da abertura, aumentando assim a uniformidade da imagem visualizada. As Figuras 3A e 3B ilustram casos em que diferentes números de facetas (102 e 109) são iluminados por um feixe do projetor 2 com largura de abertura 100. A luz refletida (104, 106, 110 e 108) se propaga em direção às outras facetas (não mostradas nesta figura). De preferência, um número completo e constante de facetas é iluminado. Na Figura 3A, o número varia entre 2 e 3, enquanto na Figura 3B é constante, com duas facetas contribuindo para a saída em toda a abertura. Quanto maior a abertura 100, mais facetas são iluminadas e mais uniforme é a imagem transmitida.

[0048] Para um espaçamento de faceta predefinido, a largura da abertura deve ser modificada em conformidade para gerar uma imagem uniforme. Um grande espaçamento entre facetas, portanto, exige o uso de uma grande abertura. O espaçamento estreito das facetas ao longo do guia de ondas aumenta a complexidade e o custo da produção. Por outro lado, produzir um projetor de grande abertura aumenta o tamanho do projetor. Essas considerações de projeto conflitantes são reconciliadas de acordo com um aspecto da presente invenção, realizando um estágio preliminar de expansão de abertura óptica entre o projetor e o que foi referido acima como o primeiro conjunto de facetas. Isso é obtido usando um conjunto adicional de facetas (referido no presente documento como o “terceiro conjunto de superfícies internas pelo menos parcialmente refletoras”).

[0049] A Figura 4A mostra esquematicamente uma vista frontal de um guia de ondas de acordo com este aspecto da presente invenção. A abertura do projetor 2 é pequena. As duas setas originadas deste projetor representam os raios de luz das bordas desta abertura. A luz deste projetor é acoplada à seção de guia de ondas 200 com facetas 202 (que são o conjunto preliminar, adicional e “terceiro” conjunto de facetas). Conforme a luz se propaga nesta seção 200, sua dimensão de abertura lateral (“largura”) no plano do LOE se expande à medida que é parcialmente redirecionada por reflexos de facetas sucessivas 202 voltadas para a seção 207 que inclui as facetas 204 (referidas acima como “primeiro” conjunto de facetas). A luz refletida a partir das facetas 204 é redirecionada para a seção 209 que inclui as facetas 206 (referidas acima como o “segundo” conjunto de facetas), para ser acoplado em direção ao visualizador.

[0050] A Figura 4B mostra a vista isométrica da Figura 4A. Aqui pode ser visto que a seção 200 tem a mesma largura (espessura do guia de ondas) que 207 e 209, de modo que as seções 200, 207 e 209 sejam integradas dentro de um LOE contíguo, prensado entre as superfícies externas mutuamente paralelas. A orientação ao longo dessas seções é por reflexão interna total (TIR) dessas superfícies externas. A transmissão de luz entre as seções é, de preferência, sem perturbação ou descontinuidade, e as linhas de separação mostradas entre as seções em várias vistas (por exemplo, as vistas frontais das Figuras 4A, 5A, 7A, 7B e 9) são para facilitar a compreensão.

[0051] As facetas 206 são projetadas para transmitir luz de cenário, permitindo ao expectador uma visão direta de uma cena externa além do LOE e, portanto, têm refletividade relativamente baixa, normalmente abaixo de 50%. Em algumas configurações, as facetas 204 também são projetadas para transmitir luz de cenário e, portanto, também têm refletividade relativamente baixa, normalmente abaixo de 50%. Em outras configurações onde as facetas 204 não fazem parte da “área de visualização” do LOE, refletividades mais altas podem ser usadas. As facetas 202 estão, de preferência, fora da área de visualização do LOE e, portanto, não precisam transmitir cenário. A alta refletividade é, portanto, usada, de preferência, para obter alta eficiência de transmissão de luz. De preferência, a última faceta 211 na região 200 tem uma alta refletividade de pelo menos 90% e, de preferência, 100% de refletividade. Uma vez que a seção 200 não é projetada para transmitir a luz de cenário, a mesma é, de preferência, coberta (não mostrada) para que nenhuma luz externa passe através dela. Alternativamente, esta seção 200 do guia de ondas é revestida com um revestimento reflexivo, tal como prata.

[0052] A fim de fornecer intensidade de iluminação de imagem relativamente uniforme através da abertura óptica, um ou mais dos conjuntos de superfícies parcialmente refletoras, e, de preferência, cada conjunto, com mais preferência tem uma sequência de refletividades que aumentam sucessivamente em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge. A título de exemplo, para a região de guia de ondas 200, uma sequência de 3 facetas com 33%, 50% e 100% de refletividade são eficazes para refletir cerca de um terço da iluminação incidente de cada superfície sucessiva. Similar a uma sequência de 4 facetas, os valores de 25%, 33%, 50% e 100% são eficazes para refletir cerca de um quarto da iluminação incidente a partir de cada superfície. Para facetas que estão dentro de uma área de visualização através da qual o espectador observa uma cena externa, os valores de refletividade são mais baixos e o aumento proporcional entre as facetas é menor, mas o conceito subjacente da sequência crescente para compensar uma proporção menor de intensidade de iluminação restante dentro da propagação de iluminação de imagem permanece a mesma. (Onde os valores de refletividade ideais para facetas sucessivas são relativamente próximos, duas ou mais facetas sucessivas em uma região do LOE podem ser implementadas com o mesmo valor de refletividade como uma simplificação de fabricação, mas a sequência ainda é referida como “aumentando sucessivamente” visto que é monotonicamente crescente, para fornecer o efeito acima de uniformidade aprimorada). Assim, por exemplo, as facetas 204 têm uma segunda sequência de refletividades sucessivamente crescentes em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge, onde a segunda sequência começa em uma refletividade menor do que uma última refletividade da primeira sequência (de facetas 204).

[0053] Na configuração da Figura 4A, a maior parte da iluminação de imagem voltada para as facetas 204 sofre exatamente um reflexo das facetas 202. O espaçamento das facetas 202 é próximo, garantindo a continuidade da iluminação de imagem redirecionada para as facetas 204 através de uma abertura efetiva expandida, conforme ilustrado pelas setas limitadoras mostradas na seção de LOE 207. Isso permite o uso de um espaçamento maior para as facetas 204, reduzindo assim a complexidade de produção e os custos para a porção maior do guia de ondas. Por exemplo, se as facetas 202 expandirem a abertura por um fator de 3 (usando 3 facetas com refletividade crescente progressiva), então, as facetas 204 poderão ter aproximadamente três vezes o espaçamento em comparação com a seção 200. Em termos mais gerais, o espaçamento de facetas 204 é normalmente maior do que o espaçamento de facetas 202. Além disso, a área de superfície das facetas 202 é tipicamente menor do que a das facetas 204. Como resultado, apenas um volume relativamente pequeno de facetas estreitamente espaçadas precisa ser produzido, enquanto a complexidade e os custos de produção para a maioria das estruturas de LOE são reduzidos.

[0054] A Figura 4B mostra as facetas nas seções 200 e 207 perpendiculares às superfícies externas principais do guia de ondas. A Figura 4C mostra uma implementação alternativa de acordo com a qual as facetas de ambas as seções 200 e 207 do guia de ondas estão em um ângulo oblíquo em relação às principais superfícies do LOE, referidas aqui como “facetas torcidas”.

[0055] As Figuras 5A e 5B são análogas às Figuras 4A e 4C, mas ilustram que as facetas 204 e 206 podem, opcionalmente, ser implementadas em regiões pelo menos parcialmente sobrepostas do guia de ondas, de uma maneira análoga às opções correspondentes ensinadas no documento WO 2019/142177 A1, referido acima. A seção de expansão de abertura de entrada 200 é, de preferência, implementada de modo a abranger a maior parte, e, de preferência, a espessura total, do LOE, conforme mostrado na Figura 5B.

[0056] A Figura 6 ilustra os reflexos de imagem para as facetas no espaço angular. Esta descrição é para facetas torcidas, conforme descrito na Figura 4C e na Figura 5. A luz é acoplada ao guia de ondas 200 como 1930A em uma das imagens 6L ou 6R. Essas duas imagens representam a reflexão de TIR para frente e para trás das principais superfícies do LOE, conforme a iluminação de imagem se propaga ao longo da seção de expansão de abertura 200. A reflexão pelas facetas 202 é representada como 1938 em 4R e 4L. Estas são as imagens que se propagam por TIR ao longo da seção 207. Nesta configuração não limitante, mas particularmente preferida, as facetas 202 são paralelas às facetas 204, de modo que a reflexão pelas facetas 204 em direção à seção 209 é também ao longo de 1938 de 4R a 6L. Aqui, 6L e 6R também representam imagens que se propagam ao longo da seção 209. Em outras palavras, as imagens que se propagam nas seções 200 e 209 são aqui iguais em espaço angular. A reflexão pelas facetas 206 dentro da seção 209 acoplando para fora em direção ao observador é representada como 1934 a partir da imagem guiada 6R para a imagem acoplada de saída 8.

[0057] Os círculos 39 representam o corte de TIR do guia de ondas e são paralelos ao plano do guia de ondas. É evidente que as imagens 4L e 4R são diagonais ao plano do guia de ondas, isto é, com os lados da imagem retangular no espaço angular paralelo e perpendicular às principais superfícies do substrato, enquanto as imagens 6L e 6R estão alinhadas paralelamente às superfícies do guia de ondas. Praticamente, é tipicamente mais conveniente construir um projetor 2 para acoplamento paralelo do que diagonal. Como resultado, o acoplamento através da seção de guia de onda 200 contribui para a simplificação da implementação do projetor e pode, portanto, ser uma vantagem mesmo através de um pequeno número de facetas de alta refletividade que não necessariamente expandem significativamente a abertura óptica efetiva do projetor.

[0058] A consideração ergonômica pode ditar a inserção da imagem do lado do guia de ondas, conforme mostrado nas Figuras 7A e 7B. Neste caso, uma primeira faceta 210 é vantajosamente implementada com uma alta refletividade, a fim de alcançar uniformidade aproximada entre a iluminação de imagem transmitida pela primeira faceta e aquela refletida pelas facetas subsequentes. Por exemplo, se houver apenas duas facetas na seção 200, a primeira faceta terá 50% de refletividade e a segunda 100%. No entanto, se houver quatro facetas, a primeira terá 75% de refletividade (25% de transmitância), a segunda 33%, a terceira 50% e a última (210) 100%. Alternativamente, a faceta 210 pode ser implementada com 100% de modo que toda a transmissão para a seção 207 seja a partir das facetas subsequentes.

[0059] A configuração apresentada na Figura 7A é baseada no acoplamento de 1930B (referindo-se à ilustração do espaço angular da Figura 6) na faceta 210 que reflete 1938 para 6L. A propagação posterior é conforme descrito anteriormente.

[0060] A Figura 7B mostra uma configuração equivalente em que as facetas na seção 200 estão em uma orientação oposta para permitir diferentes posições do projetor 2.

[0061] Nos casos de inserção lateral, a primeira faceta 210 funciona principalmente como uma faceta de acoplamento e é uma exceção às refletividades sucessivamente crescentes das facetas ao longo da sequência de facetas, com a “sequência” começando a partir da segunda faceta. Nesses casos, a maior parte da iluminação de imagem voltada para as facetas 204 sofre duas reflexões a partir das facetas 202.

[0062] A Figura 8A ilustra esquematicamente um método para integrar um guia de ondas com seções, conforme descrito nas Figuras 4A a 4C. Um conjunto de placas revestidas 253 é colado para formar uma pilha 254 e fatiado 255a para gerar a seção de faceta necessária para a seção 207. Um conjunto de placas revestidas 250 é colado para formar uma pilha 251 e fatiado diagonalmente para gerar a seção de faceta necessária para a seção 209, mostrada como 252a, e um terceiro conjunto de placas revestidas 256 é colado para formar uma pilha 257 que é fatiada para gerar a seção 258a (as facetas necessárias para a seção 200). As três seções são combinadas 260a e coladas 262a. A cola é indexada ao guia de ondas, de modo que perturbação mínima seja introduzida na luz à medida que ela passa entre as seções. Uma cobertura de vidro fina 264 é, de preferência, colada em ambos os lados do guia de ondas e, opcionalmente, ainda mais polida, para gerar o guia de ondas 266a com superfícies de TIR paralelas lisas.

[0063] A Figura 8B mostra um processo de fabricação similar adequado para a arquitetura descrita nas Figuras 5A e 5B. As seções 252b, 255b e 258b são produzidas da mesma maneira conforme mostrado na Figura 8A, mas onde 258b tem duas vezes a espessura das outras. 252b e 255b são empilhadas enquanto 258B é colocada lateralmente, conforme mostrado em 260b. As seções são coladas umas às outras 262b e os vidros transparentes 264 são colados como tampas, opcionalmente com polimento adicional, para gerar um único guia de ondas 266b.

[0064] Se for desejado incorporar dois conjuntos de facetas sobrepostos dentro de uma única camada, isso pode ser feito de acordo com a técnica explicada no documento WO 2019/142177 A1 acima referido com referência à Figura 11, onde a seção de guia de ondas resultante que contém dois conjuntos de facetas é combinada com a seção 258b (correspondendo às facetas de seção 200) fixada ao lado antes da adição das folhas de cobertura.

[0065] Embora mostrado até agora como seções de guia de ondas retangulares, deve-se notar que o formato das seções pode mudar de acordo com a propagação da luz guiada. A título de exemplo não limitante, dependendo da geometria da propagação de imagem, a expansão da iluminação de imagem dentro do guia de ondas pode, em alguns casos, exigir o ampliamento das seções 200 e 207 ao longo do caminho de propagação, resultando em uma forma de guia de ondas, conforme ilustrado na Figura 9.

[0066] Embora ilustrado até agora como uma parte integrada de um LOE guiado em uma dimensão, o estágio preliminar de expansão de abertura pode, opcionalmente, ser implementado em várias configurações adicionais que são não guiadas, guiadas em eixos diferentes ou guiadas em duas dimensões, conforme será agora exemplificado pelos exemplos não limitantes das Figuras 10A a 12B.

[0067] No exemplo não limitante das Figuras 10A e 10B, a seção 200 é implementada como uma seção de guia de onda retangular 270 que orienta a iluminação de imagem em duas dimensões durante a expansão da abertura preliminar, antes da inserção da iluminação de imagem de abertura expandida na seção de guia de onda 107. Uma folga de ar 295 ou alguma camada óptica emulando uma folga de ar é, de preferência, fornecida para manter a reflexão interna dentro da seção de guia de ondas 270, exceto onde acoplado para fora. Exemplos de tais estruturas de guia de ondas 2D podem ser encontrados na Patente no. US 10.133.070 e não serão descritos aqui em detalhes.

[0068] As Figuras 11A e 11B ilustram uma outra opção de acordo com a qual as facetas de expansão de abertura de acoplamento são fornecidas sem orientação da iluminação de imagem por TIR. Neste caso, as facetas 202 são fornecidas em uma primeira seção 280, que é mais larga do que o restante do guia de ondas

207. Nesta configuração, a luz em 280 não é guiada e se propaga por 280 enquanto se expande em ambas as dimensões. Nesta configuração, o acoplamento ao guia de ondas 207 é, de preferência, alcançado por meio de um prisma de acoplamento 285. A Figura 11A mostra 280 separada de 285 para maior clareza. A orientação angular de 280 e o prisma de acoplamento 285 facilitam a iluminação uniforme ao longo da dimensão de espessura (vertical, conforme mostrado) de 207. A Figura 11B mostra 280 após a fixação ao prisma de acoplamento 285.

[0069] A Figura 12A mostra uma outra implementação variante de acordo com a qual o primeiro estágio de expansão de abertura através de facetas 202 é fornecido em uma primeira seção 290 que é guiada em uma dimensão que não é paralela ao guia de ondas 207. A Figura 12B mostra a colocação de seção 290 no topo de um prisma de acoplamento 285, onde uma folga de ar 295 é fornecida a fim de preservar a orientação de TIR dentro da seção 290.

[0070] Em todos os aspectos além daqueles explicitamente descritos aqui, o arranjo do primeiro conjunto de superfícies internas parcialmente refletoras 204 e o segundo conjunto de superfícies internas parcialmente refletoras 206 dentro de um guia de onda comum podem ser implementados de acordo com a faixa de opções descritas em paralelo ao pedido de patente de PCT no. PCT/IB2019/157572, que é não publicado na data de depósito deste pedido e não constitui técnica anterior.

[0071] Em todas as vistas frontais ilustradas no presente documento, a expansão de abertura da presente invenção é representada esquematicamente por setas paralelas indicando a extensão da abertura óptica para uma dada direção de raio correspondente a um pixel central no eixo geométrico óptico de uma imagem colimada. O eixo óptico não está realmente dentro do plano XY, mas tem um componente Z na página escolhida de modo que toda a gama de ângulos na dimensão de profundidade do campo de visão (FOV) sofra reflexão interna total nas principais superfícies do substrato. Para simplificação de apresentação, as representações gráficas do presente documento, e a descrição das mesmas, se referem apenas ao componente no plano (XY) das direções de propagação de raios de luz, referidas neste documento como o “componente no plano” ou o “componente paralelo às superfícies externas principais do LOE”.

[0072] Conforme acima mencionado, no contexto da Figura 3B, todos os princípios acima também podem ser aplicados a configurações “laterais”, onde uma imagem é inserida a partir de um POD localizado lateralmente fora da área de visualização e é espalhada por um primeiro conjunto de facetas verticalmente e, em seguida, por um segundo conjunto de facetas horizontalmente para acoplamento no olho do usuário. Todas as configurações e variantes descritas acima devem ser entendidas como aplicáveis também em uma configuração de inserção lateral.

[0073] Ao longo da descrição acima, foi feita referência ao eixo geométrico X e ao eixo geométrico Y, conforme mostrado, onde o eixo geométrico X é horizontal ou vertical e corresponde à primeira dimensão da expansão de abertura óptica, e o eixo geométrico Y é o outro principal eixo geométrico que corresponde à segunda dimensão de expansão. Neste contexto, X e Y podem ser definidos em relação à orientação do dispositivo quando montado na cabeça de um usuário, em uma orientação que é tipicamente definida por um arranjo de apoios, tal como a armação de vidro acima mencionada das Figuras 3A e 3B.

[0074] Embora a invenção tenha sido ilustrada até agora no contexto de um exemplo preferido, mas não limitante de um visor próximo ao olho, deve-se verificar que modalidades de vários aspectos da invenção podem ser usadas com vantagem em outra aplicação, incluindo, mas sem limitação, visores frontais (HUDs). Um subconjunto de HUDs de interesse particular são os HUDs para veículos.

[0075] Será verificado que as descrições acima se destinam apenas a servir como exemplos, e que muitas outras modalidades são possíveis dentro do escopo da presente invenção, conforme definido nas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema óptico, para direcionar a iluminação de imagem inserida em uma região de acoplamento em direção a um usuário para visualização, em que o sistema óptico é caracterizado pelo fato de compreender um elemento óptico-guia de luz (LOE) formado a partir de material transparente, em que o dito LOE compreende: (a) uma primeira região que contém um primeiro conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas e parcialmente refletoras que têm uma primeira orientação; (b) uma segunda região que contém um segundo conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas e parcialmente refletoras que têm uma segunda orientação não paralela à dita primeira orientação; (c) um conjunto de superfícies externas principais mutuamente paralelas, em que as ditas superfícies externas principais se estendem através das ditas primeira e segunda regiões, de modo que tanto o dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras quanto o dito segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras estejam localizados entre as ditas superfícies externas principais, em que o dito segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras estão em um ângulo oblíquo em relação às ditas superfícies externas principais, de modo que uma parte da iluminação de imagem que se propaga dentro do dito LOE por reflexão interna nas ditas superfícies externas principais da dita primeira região para a dita segunda região é acoplada fora do dito LOE em direção ao usuário, e em que o dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras é orientado de modo que uma parte da iluminação de imagem que se propaga dentro do dito LOE por reflexão interna nas ditas superfícies externas principais da dita região de acoplamento seja desviada para a dita segunda região, em que o sistema óptico compreende ainda um terceiro conjunto de superfícies planas, mutuamente paralelas, pelo menos parcialmente refletoras implantadas na dita região de acoplamento, em que o dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras é implantado para receber iluminação de imagem inserida a partir de um projetor com uma abertura óptica que tem uma primeira largura medida paralela às ditas superfícies externas principais e para direcionar a iluminação de imagem através da reflexão de pelo menos parte da iluminação de imagem no dito terceiro conjunto de facetas pelo menos parcialmente refletoras em direção ao dito primeiro conjunto de facetas parcialmente refletoras com uma abertura óptica eficaz que tem uma segunda largura medida paralela às ditas superfícies externas principais, em que a dita segunda largura é maior do que a dita primeira largura.

2. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras ter uma primeira sequência de refletividades sucessivamente crescentes em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge, e em que o dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras tem um segunda sequência de refletividades que aumentam sucessivamente em uma ordem em que a iluminação de imagem as atinge, em que a dita segunda sequência começa em uma refletividade menor do que uma última refletividade da dita primeira sequência.

3. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de uma última refletividade da dita primeira sequência de refletividades sucessivamente crescentes ser maior do que 90%.

4. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a maior parte da iluminação de imagem direcionada ao dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras sofrer exatamente uma reflexão a partir do dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras.

5. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a maior parte da iluminação de imagem direcionada ao dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras sofrer duas reflexões a partir do dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras.

6. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras ser integrado como parte do dito LOE e localizado entre as ditas superfícies externas principais.

7. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras ser paralelo ao dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

8. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras não estar paralelo ao dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

9. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um espaçamento entre superfícies do dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras ser menor do que um espaçamento entre superfícies do dito primeiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras.

10. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma área de superfície de cada superfície pelo menos parcialmente refletora do dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras ser menor do que uma área de superfície de cada superfície parcialmente refletora do dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras.

11. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a dita primeira região e a dita segunda região não se sobreporem.

12. Sistema óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sistema óptico compreender ainda um projetor de imagem para projetar uma imagem colimada que tem um campo de visão angular em torno de um eixo geométrico óptico, em que o dito projetor de imagem é opticamente acoplado ao dito LOE de modo a introduzir a imagem colimada no dito LOE através do dito terceiro conjunto de superfícies pelo menos parcialmente refletoras na dita região de acoplamento como uma propagação de imagem de propagação dentro do dito LOE por reflexão interna nas ditas superfícies externas principais, em que a dita imagem de propagação é parcialmente refletida pelo dito primeiro conjunto de superfícies parcialmente refletoras para gerar uma imagem de propagação defletida que se propaga dentro do dito LOE por reflexão interna nas ditas superfícies externas principais, em que a dita imagem de propagação defletida é parcialmente refletida pelo dito segundo conjunto de superfícies parcialmente refletoras para gerar uma imagem acoplada direcionada para fora de uma das ditas superfícies externas principais para o usuário.