BRPI0413948B1

BRPI0413948B1 - dispositivo óptico

Info

Publication number: BRPI0413948B1
Application number: BRPI0413948A
Authority: BR
Inventors: Amitai Yaakov
Original assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2019-01-02
Also published as: WO2005024969A2; RU2358301C2; AU2004271393A1; AU2004271392B2; WO2005024491A1; AU2004271393B2; IL157837A; CN1867853A; HK1099367A1; JP2007505353A; KR101065069B1; CN1867855A; US20070091445A1; BRPI0413948A; CA2538323A1; JP4628360B2; ZA200602016B; EP3223060A1; CA2538323C; EP1664898B1

Abstract

"dispositivo óptico". é provido um dispositivo óptico, tendo um substrato transmissor de luz tendo pelo menos duas superfícies principais (26) paralelas entre si e bordas; meios ópticos (16) para acoplar ondas de luz localizadas em um campo de visão dentro do substrato por reflexão interna, e pelo menos uma superfície parcialmente refletora (22) localizada no substrato a qual é não paralela às superfícies principais do substrato, caracterizado em que pelo menos uma das superfícies principais é revestida com uma camada dicróica.

Description

DISPOSITIVO ÓPTICO

Campo da invenção [0001] A presente invenção relaciona-se com dispositivos ópticos guiados por substrato, e particularmente com dispositivos que incluem uma pluralidade de superfícies refletoras carregadas por um substrato transmissor de luz comum, também referido como uma guia de luz.

[0002] A invenção pode ser implementada com vantagem em um grande número de aplicações de formação de imagem, tais como, por exemplo, displays montados na cabeça ou montados sobre a cabeça (HMD's e HUD's), telefones celulares, displays compactos, displays 3-D, expansores de feixes compactos, iluminadores e scanners compactos.

Antecedentes da invenção [0003] Uma das importantes aplicações para elementos ópticos compactos está em HMD's onde um módulo óptico serve tanto como uma lente de formação de imagem como um combinador, no qual um display bidimensional forma imagem para o infinito e é refletido no olho de um observador. O display pode ser obtido diretamente de quer um modulador de luz espacial (SLM) tal como um tubo de raios catódicos (CRT), um display de cristal liquido (LCD), um conjunto de diodos emissores de luz orgânicos (OLED), ou uma fonte de escaneamento e dispositivos similares, ou indiretamente, por meio de uma lente relé ou um feixe de fibras ópticas. O display compreende um conjunto de elementos (pixels) formando imagem para o infinito por uma lente colimadora e transmitida para dentro do olho do observador por meio de uma superfície refletora ou parcialmente refletora atuando como um combinador para aplicações de não-visão através e de visão

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2/24 através, respectivamente. Tipicamente, um módulo óptico de espaço livre, convencional, é usado para estes propósitos. À medida que o campo de visão (FOV) desejado do sistema aumenta, tal módulo óptico convencional se torna maior, mais pesado e mais volumoso e, portanto, até mesmo para dispositivos de performance moderada, impraticável. Esta é uma principal desvantagem para todos os tipos de displays, mas especialmente em aplicações montadas na cabeça, onde o sistema deve necessariamente ser tão leve e tão compacto quanto possível.

[0004] O empenho pela compacticidade tem levado a várias diferentes soluções ópticas complexas, todas as quais, por um lado, ainda não são suficientemente compactas para a maioria das aplicações práticas, e, por outro lado, sofrem maiores desvantagens em termos de fabricabilidade. Além disso, a caixa de movimento ocular (EMB) dos ângulos de visão resultantes destes designs é usualmente muito pequena, tipicamente menor que 8 mm. Portanto, a performance do sistema óptico é muito sensível, mesmo para pequenos movimentos do sistema óptico em relação ao olho do observador, e não permite suficiente movimento da pupila para convenientemente ler texto de tais displays.

Descrição da invenção [0005] A presente invenção facilita a estrutura e fabricação de elementos ópticos guias de luz (LOE) muito compactos para, entre outras aplicações, displays montados na cabeça. A invenção também permite FOV's relativamente amplos 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

Petição 870170007540, de 03/02/2017, pág. 7/38 sistema óptico oferecido pela presente invenção é particularmente vantajoso porque ele é substancialmente mais compacto do que as implementações do estado da técnica e ainda pode ser prontamente incorporado, até mesmo em sistemas ópticos tendo configurações especializadas.

[0006] A invenção também permite a construção de HUD's melhorados. HUD's têm se tornado populares e eles agora desempenham um papel importante, não somente na maioria dos aviões de combate modernos, mas também em aeronaves civis,

3/24 nas quais sistemas HUD se tornaram um componente chave para operação de aterrisagem de baixa visibilidade.

Além disso, tem havido recentemente numerosas propostas e designs para

HUD's em aplicações automotivas onde eles podem potencialmente auxiliar motorista em tarefas de direção e de navegação. Entretanto, os HUD's do estado da técnica sofrem de várias desvantagens significativas. Todos os HUD's de designs atuais requerem uma fonte de display que deve ficar deslocada uma distância significativa do combinador para garantir que a fonte ilumine a superfície inteira do combinador. Como um resultado, o sistema HUD de combinadorprojetor é necessariamente volumoso e grande, e requer considerável espaço de instalação, tornando-o inconveniente para instalação e, às vezes, até mesmo inseguro de usar. A grande abertura óptica de HUD's convencionais também apresenta um desafio significativo de design óptico, tornando os HUD's com quer uma performance comprometedora, ou levando a alto custo sempre que alta performance for requerida. A dispersão cromática de HUD's holográficos de alta qualidade é de particular preocupação.

[0007] Uma aplicação importante da presente invenção

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4/24 relaciona-se com sua implementação em um HUD compacto, a qual alivia as desvantagens mencionadas anteriormente. No design de HUD da presente invenção, o combinador é iluminado com uma fonte de display compacta que pode ser ligada ao substrato. Logo, o sistema total é muito compacto e pode prontamente ser instalado em uma variedade de configurações para uma ampla faixa de aplicações. Em adição, a dispersão cromática do display é desprezível e, como tal, pode operar com fontes espectrais amplas, incluindo uma fonte de luz branca convencional. Em adição, a presente invenção expande a imagem tal que a área ativa do combinador pode ser muito maior do que a área que é realmente iluminada pela fonte de luz.

[0008] Uma aplicação adicional da presente invenção é prover um display compacto com um FOV amplo para aplicação de mão, móvel, tal como telefones celulares. No mercado de acesso à Internet sem fio de hoje, largura de banda suficiente está disponível para transmissão completa de video. O fator limitante permanece a qualidade do display dentro do dispositivo do usuário final. O requisito de mobilidade restringe o tamanho físico dos displays, e o resultado é um display direto com uma qualidade pobre de visão de imagem. A presente invenção permite um display fisicamente muito compacto com uma imagem virtual muito grande. É um aspecto chave em comunicações móveis, e especialmente para acesso móvel à Internet, resolver uma das principais limitações para sua implementação prática. Dessa forma, a presente invenção permite a visão do conteúdo digital de uma página de Internet de formato completo dentro de um dispositivo de mão, pequeno, tal como um telefone celular.

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5/24 [0009] Um objetivo amplo da presente invenção, portanto, é aliviar as desvantagens de dispositivos de display óptico compacto do estado da técnica e prover outros componentes e sistemas ópticos tendo performance melhorada, de acordo com requisitos específicos.

[0010] A invenção portanto provê um dispositivo óptico, compreendendo um substrato transmissor de luz tendo pelo menos duas superfícies principais paralelas entre si e bordas; meios ópticos para acoplar ondas de luz localizadas em um campo de visão dentro do citado substrato por reflexão interna, e pelo menos uma superfície parcialmente refletora localizada no citado substrato que é não paralela às citadas superfícies principais do substrato, caracterizado em que pelo menos uma das citadas superfícies principais seja revestida com uma camada dicróica.

Descrição resumida dos desenhos [0011] A invenção é descrita em conexão com certas configurações preferidas, com referência às figuras ilustrativas seguintes tal que ela possa ser mais completamente entendida.

[0012] Com referência específica às figuras em detalhes, é ressaltado que os particulares mostrados são para fins de exemplo e para propósitos de discussão ilustrativa das configurações preferidas da presente invenção somente, e são apresentadas para prover a que é acreditada a ser a descrição a mais útil e prontamente entendida dos princípios e aspectos conceituais da invenção. A este respeito, nenhuma tentativa é feita para mostrar detalhes estruturais da invenção em mais detalhes do que sejam necessários para uma compreensão fundamental da invenção. A descrição tomada com os desenhos

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6/24 serve como direção àqueles experientes na técnica de como as várias formas da invenção podem ser configuradas na prática. Nos desenhos:

[0013] A fig. 1 é uma vista lateral de um dispositivo óptico dobrável da técnica anterior;

[0014] A fig. 2 é uma vista lateral de uma configuração de um LOE, de acordo com a presente invenção;

[0015] As figs. 3A e 3B ilustram as características desejadas de refletância e transmitância de superfícies seletivamente refletoras usadas na presente invenção para duas faixas de ângulos de incidência;

[0016] A fig. 4 ilustra uma curva de refletância como uma função de comprimento de onda para uma camada dicróica exemplar para polarização-S;

[0017] A fig. 6	ilustra as curvas de refletância	como uma
função de ângulo	de	incidência	para uma	camada	dicróica
exemplar;
[0018] A fig. 7	é	um diagrama	ilustrando	vistas	de corte
detalhadas de	um	arranjo	exemplar	de superfícies

seletivamente refletivas;

[0019] A fig. 8 ilustra as curvas de refletância como uma função de ângulo de incidência para uma outra camada dicróica;

[0020] A fig. 9 ilustra uma configuração exemplar da presente invenção embutida em uma estrutura de óculos padrão, e [0021] A fig. 10 ilustra um sistema HUD exemplar de acordo com a presente invenção.

Descrição detalhada de configurações preferidas [0022] A fig. 1 ilustra um arranjo de elementos ópticos

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7/24 dobrável convencional, onde o substrato 2 é iluminado por uma fonte de display 4. 0 display é colimado por uma lente colimadora 6. A luz de fonte de display 4 é acoplada no substrato 2 por uma primeira superfície refletora 8, de modo tal que o raio principal 10 seja paralelo ao plano do substrato. Uma segunda superfície refletora 12 acopla a luz fora do substrato e dentro do olho de um observador 14.

Apesar da compacticidade desta configuração, ela sofre desvantagens significativas; em particular somente um FOV muito limitado pode ser afetado. Como mostrado na fig. 1, o ângulo máximo de deslocamento axial permitido dentro do substrato é:

(D onde T é a espessura do substrato;

d_oiho θ o diâmetro desejado da pupila de saída, e é a distância entre as superfícies refletoras 8 e 12.

[0023] Com ângulos maiores que OCmax os raios são refletidos da superfície do substrato antes de chegar na superfície refletora 12. Portanto, a superfície refletora 12 será iluminada em uma direção não desejada e imagens fantasmas aparecerão.

[0024] Portanto, o FOV máximo alcançável com esta configuração é:

F O V_max ~ 2v flmax , ( 2 ) onde v é o índice de refração do substrato.

[0025] Tipicamente os valores de índice de refração ficam na faixa de 1,5-1,6.

[0026] Comumente, o diâmetro da pupila do olho é de 2-6 mm. Para acomodar o movimento ou desalinhamento do display,

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8/24 um diâmetro de pupila de saída maior é necessário. Tomando o valor mínimo desejável em aproximadamente 8 a 10 mm, a distância entre o eixo óptico do olho e o lado da cabeça, 1, tem, tipicamente, entre 40 e 80 mm. Conseqüentemente, mesmo para um FOV pequeno de 8², a espessura desejada do substrato será da ordem de 12 mm.

[0027] Métodos foram propostos para superar o problema acima. Estes incluem utilizar um telescópio ampliador dentro do substrato e direções de acoplamento não paralelas. Mesmo com estas soluções, entretanto, e até mesmo se somente uma superfície refletora for considerada, a espessura do sistema permanece limitada por um valor similar. O FOV é limitado pelo diâmetro da projeção da superfície refletiva 12 sobre o plano do substrato. Matematicamente, o máximo FOV alcançável, devido a esta limitação, é expresso como:

_ΡΖΊΤΖ ^Tt8^~d_olho (3)

-^Kolho onde a_sup é o ângulo entre a superfície refletora e a normal ao plano do substrato, e

Rolho é distância entre o olho do observador e o substrato (tipicamente, cerca de 30-40 mm).

[0028] Praticamente a tga_sup não pode ser muito maior do que 1; logo, para os mesmos parâmetros descritos acima para um FOV de 8², a espessura requerida do substrato aqui é da ordem de 7 mm, o que é uma melhoria sobre o limite anterior. Contudo, à medida que o FOV desejado é aumentado, a espessura do substrato aumenta rapidamente. Por exemplo, para FOVs desejados de 15² e 30² a espessura limitante do substrato é 18 mm e 25 mm respectivamente.

[0029] Para aliviar as limitações acima, a presente

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9/24 invenção utiliza um arranjo de superfícies seletivamente refletoras, fabricadas com um LOE. A fig. 2 ilustra uma vista em corte de um LOE de acordo com a presente invenção. A primeira superfície refletora 16 é iluminada por uma onda plana de entrada colimada 18, emanando de uma fonte de luz de display (não mostrada) localizada atrás do dispositivo, sendo que a onda plana 18 é uma de um conjunto de ondas de luz localizadas dentro de um dado FOV a serem acopladas no LOE. A superfície refletora 16 reflete a luz incidente a partir da fonte tal que a luz seja retida dentro de um substrato plano 20 por reflexão interna total. Após várias reflexões a partir das superfícies do substrato, a onda retida alcança um arranjo de superfícies seletivamente refletoras 22, as quais acoplam a onda de luz 23 fora do substrato dentro da EMB 24 de um observador. Para evitar imagens fantasmas, a onda de luz de saída 23 deve ser uma onda plana, caso contrário, diferentes raios representando um único ponto na fonte de display chegarão na EMB 24 do observador em diferentes ângulos de incidência e imagens fantasmas que interferem com a imagem primária serão vistas pelo observador. Para evitar este fenômeno, a onda de luz de saída 23, e logo a onda de entrada 18, devem ser ondas planas. Isto é, o desvio angular entre dois raios diferentes localizados na mesma onda de luz deve ser menor que a_reSr onde a_res é a resolução angular do dispositivo óptico. Usualmente, para a maioria dos sistemas visuais, Oíres é ~l-2 mílirradianos, mas dispositivos diferentes podem produzir diferentes resoluções angulares.

[0030] Assumindo que a onda central da fonte seja acoplada fora do substrato 20 em uma direção normal à superfície de substrato 26, e o ângulo de deslocamento da onda acoplada

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10/24 dentro do substrato 20 seja a_ínr então o ângulo a_sup2 entre as superfícies refletoras do plano do substrato é:

„ -Eèl (4) ^Msup2 ^- 2 [0031] Como pode ser visto na fig. 2, os raios retidos chegam nas superfícies refletoras a partir de duas direções distintas 28, 30. Nesta particular configuração, os raios retidos chegam na superfície refletora a partir de uma destas direções 28 após um número par de reflexões a partir das superfícies de substrato 26, sendo que o ângulo de incidência p_ref entre o raio aprisionado e a normal à superfície refletora é:

(5) [0032] Os raios retidos chegam na superfície refletora a partir da segunda direção 30 após um número impar de reflexões a partir das superfícies de substrato 26, onde o ângulo de deslocamento é a' _in = 180² - ai_n e o ângulo de incidência entre o raio retido e a normal à superfície refletora é:

Λ, =180·-α_Λ-α„₂ =180'-^ ^<6) [0033] Para evitar reflexões indesejadas e imagens fantasmas, a refletância para uma destas duas direções deve ser desprezível. A discriminação desejada entre as duas direções de incidência pode ser alcançada se um ângulo for significativamente menor do que o outro. É possível prover uma camada com refletância muito baixa em ângulos de incidência grandes e uma alta refletância para ângulos de incidência pequenos. Esta propriedade pode ser explorada para

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11/24 evitar reflexões indesejadas e imagens fantasmas eliminando a refletância em uma das duas direções. Por exemplo, escolhendo p_ref~25- a partir das Equações (5) e (6) pode ser calculado que:

β'ref = 105³; ain = 50^B; a'in = 130^B; a_sup2 = 25^B (7) [0034] Se agora uma superfície refletora for determinada para a qual p_ref não é refletido, mas p_ref é, a condição desejada é alcançada. As figs. 3A e 3B ilustram o comportamento desejado da refletância de superfícies seletivamente refletoras. Enquanto o raio 32 (fig. 3A), tendo um ângulo de deslocamento de p_ref~25², é parcialmente refletido e é acoplado fora do substrato 34, o raio 36 (fig. 3B) , que chega em um ângulo de deslocamento de p'_ref~75² em relação à superfície refletora (o qual é equivalente a P'ref~105²), é transmitido através da superfície refletora 34 sem qualquer reflexão notável.

[0035] As figs. 4 e 5 mostram as curvas de refletância de uma camada dicróica projetada para alcançar as características de refletância acima, para quatro diferentes ângulos de incidência: 20², 25², 30² e 75², com luz polarizada-P e polarizada-S respectivamente, Embora a refletância do raio de ângulo grande seja desprezível em relação a todo o espectro relevante, os raios em ângulos de deslocamento de 20², 25² e 30², obtêm refletância quase constante de

26%,

29% e

32% respectivamente, para luz polarizada-P, e 32%, 28% e 25% respectivamente, para luz polarizada-S, através de todo o espectro. Evidentemente, a refletância diminui com a obliqüidade dos raios incidentes para luz polarizada-P e aumenta para luz polarizada-S.

[0036] A fig. 6 ilustra as curvas de refletância da mesma

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12/24 camada dicróica, como uma função do ângulo de incidência para ambas polarizações em comprimento de onda λ=550 nm. Existem duas regiões significativas neste gráfico: entre

65² e 80² onde a refletância é muito baixa, e entre 15²

40² onde a refletância muda monotonicamente com ângulos de incidência diminuindo (aumentando para luz polarizada-P diminuindo para luz polarizada-S). Portanto, que todo o espectro angular de dede que se possa garantir

P'ref, onde reflexões muito baixas são desejadas, estará localizado dentro da primeira região, enquanto todo o espectro angular de p_refz onde reflexões mais altas são requeridas, estará localizado dentro da segunda região, para um dado FOV, pode-se garantir a reflexão de somente um modo de substrato dentro do olho do observador e uma imagem sem fantasmas.

[0037] Existem algumas diferenças entre os comportamentos das duas polarizações. As principais diferenças são que a região com ângulos grandes, onde a refletância é muito baixa, é muito mais estreita para a polarização-S e que é muito mais difícil conseguir uma refletância constante para um dado ângulo através de toda a largura de banda espectral para a luz polarizada-S do que para a luz polarizada P. É portanto preferível projetar o LOE somente para a luz polarizada-P. Isto seria satisfatório para um sistema usando uma fonte de display polarizada, tal como um LCD, ou para um sistema onde o brilho de saída não seja crucial e a luz polarizada-S possa ser filtrada para fora. Entretanto, para uma fonte de display polarizada, como um CRT ou um OLED, ou para um sistema onde o brilho é critico, a luz polarizada-S não pode ser desprezada e deve ser levada em conta durante o procedimento de projeto. Uma outra diferença é que o comportamento monotônico da luz

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13/24 polarizada-S no espectro angular de p_ref, onde reflexões maiores são requeridas, é oposto àquele da luz polarizada-P, isto é, a refletância para a luz polarizada-S aumenta com a obliqüidade dos raios incidentes. Este comportamento contraditório das duas polarizações do espectro angular de Pref pode ser utilizado durante o projeto óptico do sistema para conseguir a refletância desejada da luz total de acordo com os requisitos específicos de cada sistema.

[0038] Assumindo que a onda acoplada ilumine a área inteira da superfície refletora, após a reflexão a partir da superfície 16, ela ilumina uma área de 2Sj=2Ttg (a) sobre a superfície do substrato. Por outro lado, a projeção de uma superfície de reflexão 22 sobre o plano do substrato, é S2=Ttg (a_sup2) . Para evitar qualquer sobreposição ou folgas entre as superfícies refletoras, a projeção de cada superfície é adjacente a sua vizinha. Portanto, o número N de superfícies refletoras 22 através das quais cada raio acoplado passa durante um ciclo (isto é, entre duas reflexões a partir da mesma superfície do substrato) é:

W^²⁵¹ = ^2T'^COtg(asupl) (8)

S₂ T.cotg(a_sup2) [0039] Neste exemplo, onde a_sup2 = 25² e a_supi = 25², a solução é N = 2; isto é, cada raio passa por duas superfícies diferentes durante um ciclo.

[0040] A configuração descrita acima com relação à fig. 7 é um exemplo de um método para acoplar as ondas de entrada dentro do substrato. As ondas de entrada poderiam, entretanto, também ser acopladas no substrato por outros meios ópticos, incluindo, mas não limitados a, prismas dobráveis, feixes ópticos de fibras, grelhas de difração, e

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14/24 outras soluções.

[0041]

Também, no exemplo ilustrado na fig. 2, as ondas de entrada e as ondas de imagem estão localizadas no mesmo lado do substrato. Outras configurações são previstas nas quais as ondas de entrada e da imagem poderíam estar localizadas em lados opostos do substrato. Também é possível, em certas aplicações, acoplar as ondas de entrada dentro do substrato através de um dos lados periféricos do substrato.

[0042] A fig. 7 é uma vista de corte detalhada de um arranjo de superfícies seletivamente refletivas as quais acoplam luz, retida dentro do substrato, para fora e para dentro do olho de um observador. Como pode ser visto, em cada ciclo o raio acoplado passa pelas superfícies refletoras 43, em um ângulo de a'i_n=130², através do que o ângulo entre o raio e a normal às superfícies refletoras é ~75². As reflexões a partir destas superfícies são desprezíveis. Em adição, o raio passa duas vezes pela superfície refletora 44, em cada ciclo, em um ângulo de OCin=50², onde o ângulo de incidência é 25². Parte da energia do raio é acoplada fora do substrato. Assumindo que um arranjo de duas superfícies seletivamente refletoras 22 seja usado para acoplar a luz sobre o olho de um observador, o FOV máximo é:

2T.^gOf_supl d_o0m (9)

[0043]

Portanto, para os mesmos parâmetros dos exemplos acima, a espessura limitante do substrato para um FOV de 8² é da ordem de 2,8 mm; para FOVs de 15² e 30², a espessura limitante do substrato é 3,7 mm e 5,6 mm, respectivamente. Estes são valores mais favoráveis do que a espessura limitante das soluções do estado da técnica discutidas acima.

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Além disso, mais do que duas superfícies seletivamente refletoras podem ser usadas. Por exemplo, para três superfícies seletivamente refletoras 22, a espessura limitante do substrato para FOVs de 15² e 30² é aproximadamente 2,4 mm e 3,9 mm, respectivamente. Similarmente superfícies refletoras adicionais podem ser introduzidas para, entre outras vantagens, reduzir a espessura óptica limitante adicionalmente.

[0044] Para configuração onde um FOV relativamente pequeno é requerido, uma única superfície parcialmente refletora pode ser suficiente. Por exemplo, para um sistema com os seguintes parâmetros: R_oiho= 25 mm; a_sup= 72² e T = 5 mm, um FOV moderado de 17² pode ser alcançado mesmo com uma única superfície refletora 22. Parte dos raios cruzará a superfície 22 várias vezes antes de serem acoplados fora na direção desejada. Uma vez que o ângulo de propagação mínima dentro do substrato para alcançar a condição de reflexão interna total para material BK7 ou similar é (Xin(min)= 42², a direção de propagação do ângulo central do FOV é a_in(_Cen) = 48². Conseqüentemente, a imagem projetada não é normal à superfície, mas ao contrário é inclinada 12² fora do eixo geométrico. Contudo, para muitas aplicações isto é aceitável. [0045] Infelizmente, esta solução não é sempre factível. Para muitas outras aplicações há uma restrição de que a imagem projetada deve ser normal à superfície do substrato. Um outro problema, que está associado com a condição de reflexão interna total, é o FOV máximo da imagem que pode ser retida dentro do substrato. Infelizmente, é muito difícil alcançar refletância muito baixa para ângulos de deslocamento excedendo 82². Assumindo que o ângulo do FOV requerido dentro

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16/24 do substrato seja oc_FOV, o ângulo de incidência máximo entre a onda central e a normal à superfície refletora é

(10) [0046]

Assumindo um FOV externo de 30², que corresponde a

0C_FOv~20² dentro do substrato, produz P'_ref= 72². Inserindo este valor na Eq. (6) produz a_in

48² e, portanto, o ângulo mínimo requerido da onda retida é —= 38° in (min) in (11) [0047]

Claramente, este ângulo não pode ser retido dentro de BK7 ou outros materiais similares.

É verdade que existem materiais ópticos de sílex com índices de refração mais altos, os quais podem exceder 1,8, entretanto, transparência destes materiais é usualmente não alta o suficiente para elementos ópticos de modo de substrato. Uma outra solução possível é revestir as superfícies do substrato não com revestimentos anti-reflexão regulares, mas com revestimentos refletores sensíveis à angulação que retêm todo o FOV dentro do substrato mesmo para ângulos menores do que o ângulo critico. Deve ser notado que mesmo para aplicação não de visão através, onde uma das superfícies do substrato pode ser opaca e portanto pode ser refletida com uma superfície refletora convencional, a outra superfície, aquela que está próxima aos olhos do observador, deve ser transparente, pelo menos para os ângulos do FOV externo requerido. Portanto, a camada refletora requerida deve ter refletância muito alta para a região de ângulos menores do que o ângulo critico e refletância muito alta para todo o FOV da imagem.

[0048] A fig. 8 mostra as curvas de refletância de uma

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17/24 camada dicróica projetada para conseguir as características de refletância acima, como uma função do ângulo de incidência, para ambas polarizações no comprimento de onda de λ = 550 nm, onde o ângulo é medido ao ar. Evidentemente, existem duas regiões significativas neste gráfico: entre 30²e 90² (equivalente a 20²-42² dentro do substrato) onde a refletância é muito alta; e entre O² e 22² (equivalente a 0²15² dentro do substrato) onde a refletância é muito baixa. Portanto, desde que se possa garantir que o espectro angular inteiro de ai_n, onde reflexões muito altas são desejadas, estará localizado dentro da primeira região, enquanto o espectro angular inteiro do FOV externior, onde reflexões essencialmente zero são requeridas, estará localizado dentro da segunda região, para um dado FOV, pode-se garantir que o FOV inteiro estará retido dentro do substrato pelas reflexões internas e que o observador pode ver a imagem inteira. É importante notar que uma vez que o processo de fabricação do LOE usualmente envolve cimentar elementos ópticos e uma vez que a camada refletora sensível à angulação requerida é aplicada à superfície do substrato somente após o corpo do LOE estar completo, não é possível utilizar os procedimentos convencionais de revestimento a quente que podem danificar as áreas cimentadas. Felizmente, novas tecnologias de película fina, como procedimentos de revestimento assistido por íons, também podem ser usadas para processamento a frio. Eliminar a necessidade de aquecer partes permite partes cimentadas, tais como LOEs, serem revestida com segurança.

[0049] Em geral, LOE oferece várias vantagens importantes em relação a elementos ópticos compactos alternativos para aplicações de display, as quais incluem:

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1) A fonte de display de entrada pode ser localizada muito próxima do substrato, tal que o sistema óptico total seja muito compacto e leve, oferecendo um fator de forma sem paralelos.

2) Em contraste com outras configurações de display compacto, a presente invenção oferece flexibilidade quanto à localização da fonte de display em relação ao visor. Esta flexibilidade, combinada com a capacidade de localizar a fonte próxima ao substrato expansor, alivia a necessidade de usar uma configuração óptica fora de eixo que é comum para outros sistemas de display. Em adição, de entrada do LOE é muito menor do uma vez que a abertura que a área ativa da abertura de saída, a abertura numérica da lente colimadora 6 é muito menor do que requerida para um sistema de formação de imagem convencional comparável. Conseqüentemente um sistema óptico significativamente mais conveniente pode ser implementado e muitas dificuldades associadas com elementos ópticos deslocados e lentes de abertura numérica alta, tais como aberrações de campo ou cromáticas podem ser compensadas relativamente facilmente e eficientemente.

3)

Os coeficientes de refletância das superfícies seletivamente refletoras na presente invenção são essencialmente idênticos através de todo o espectro relevante. Portanto, fontes de luz tanto monocromáticas quanto policromáticas podem ser usadas como fontes de display. 0 LOE tem uma dependência de comprimento de onda desprezível garantindo displays em cores de alta qualidade com altas resoluções.

4) Uma vez que cada ponto do display de entrada é transformado em uma onda plana que é refletida no olho do

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19/24 observador a partir de uma grande parte do arranjo refletor, as tolerâncias sobre a localização exata do olho podem ser significativamente relaxadas. Como tal, o observador pode ver o FOV inteiro, e o EMB pode ser significativamente maior do que em outras configurações de display compacto.

5) Uma vez que uma grande parte da intensidade a partir da fonte de display é acoplada dentro do substrato, e uma vez que uma grande porção desta energia acoplada é reciclada e acoplada para fora no olho do observador, um display de brilho comparativamente alto pode ser conseguido mesmo com fontes de display com baixo consumo de energia.

[0050] A fig. 9 ilustra uma configuração da presente invenção na qual o LOE 2 0 está embutido em uma armação de óculos 58. A fonte de display 4, a lente colimadora 6, e a lente dobrável 60 são montadas dentro das porções das hastes 62 da armação dos óculos, bem próximas da borda do LOE 20. Para um caso no qual a fonte de display é um elemento eletrônico tal com um pequeno CRT, LCD, ou OLED, os eletrônicos motrizes 64 para a fonte de display poderíam ser montados dentro da porção posterior da haste 62. Um suprimento de energia e interface de dados 66 é conectável à haste 62 por um terminal 68 ou outro meio de comunicação incluindo transmissão por rádio ou óptica. Alternativamente, uma batería e eletrônicos de ligação de dados em miniatura podem ser integrados na armação de óculos.

[0051] A configuração descrita acima pode servir tanto para sistemas de visão através quanto de não visão através. No último caso camadas opacas são localizadas na frente do LOE. Não é necessário ocluir todo o LOE, tipicamente somente a área ativa, onde o display é visível necessita ser

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20/24 bloqueada. Como tal, o dispositivo pode garantir que a visão periférica do usuário seja mantida, replicando a experiência de visão de uma tela de computador ou de televisão, na qual tal visão periférica serve para uma função cognitiva importante.

Alternativamente, um filtro variável pode ser colocado na frente do sistema de modo tal que o observador possa controlar o nível de brilho da luz emergindo da cena externa. Este mecanicamente filtro variável pode ser quer um dispositivo controlado tal como um filtro dobrável, ou dois polarizadores rotativos, um dispositivo controlado eletronicamente, ou até mesmo um dispositivo automático, através do qual a transmitância do filtro seja determinada pelo brilho do fundo externo. Um método para conseguir o filtro de transmitância variável requerido é usar materiais eletrocrômicos para prover controle elétrico da transmitância óptica, onde materiais com propriedades ópticas eletricamente controláveis são incorporados em estruturas laminadas.

[0052]

Existem outras alternativas quanto ao modo preciso no qual um LOE pode ser utilizado nesta configuração. A opção mais simples é usar um elemento único para um olho. Uma outra opção é usar um elemento e uma fonte de display para cada olho, mas com a mesma imagem.

Alternativamente é possível projetar duas partes diferentes da mesma imagem, com alguma sobreposição entre os dois olhos, permitindo um FOV mais amplo. Ainda uma outra possibilidade é projetar duas cenas diferentes, uma para cada olho, para criar uma imagem estereoscópica.

Com esta alternativa, implementações atrativas são possíveis, incluindo filmes tridimensionais, realidade virtual avançada, sistemas de treinamento e outros.

[0053]

A configuração da fig. 9 é só um exemplo ilustrando

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21/24 a implementação mais simples da presente invenção. Uma vez que o elemento óptico guiado por substrato, constituindo o núcleo do sistema, é muito compacto e leve, ele pode ser instalado em uma variedade de arranjos. Portanto, muitas outras configurações também são possíveis incluindo um visor, um display dobrável, um monóculo, e muito mais. Esta configuração é projetada para aplicações onde o display possa ficar próximo ao olho: montado na cabeça, vestido na cabeça ou carregado pela cabeça.

[0054] A configuração descrita acima é um sistema óptico monocular, isto é, a imagem é projetada sobre um único olho. Existem, entretanto, aplicações, tais como displays montados sobre a cabeça (HUD), onde é desejado projetar uma imagem sobre ambos olhos. Até recentemente, os sistemas HUD têm sido usados principalmente em aeronaves avançadas de combate e civis. Existem numerosas propostas e designs, os últimos, de instalar um HUD na frente de um motorista de carro para auxiliar na navegação de direção ou para projetar uma imagem térmica em seus olhos durante condições de baixa visibilidade. Os sistemas HUD aeroespaciais atuais são muito caros, o preço de uma única unidade sendo da ordem de centenas de milhares de dólares. Em adição, os sistemas existentes são muito grandes, pesados, e volumosos, e são tão incômodos para instalação em uma pequena aeronave quanto mais em um carro. O HUD baseado em LOE potencialmente provê as possibilidades de um HUD independente, muito compacto, que pode ser prontamente instalado em espaços confinados. Ele também simplifica a construção e fabricação dos sistemas ópticos relacionados com o HUD e, portanto, é potencialmente adequado para tanto melhorar HUD's aeroespaciais, quanto

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22/24 introduzir uma versão para consumidor, barata, compacta, para a indústria automotiva.

[0055] A fig. 10 ilustra um método para materializar um sistema HUD baseado na presente invenção. A luz da fonte de display 14 é colimada por uma lente 6 para o infinito e acoplada pela primeira superfície refletora 16 dentro do substrato 20. Após reflexão em um segundo arranjo refletor (não mostrado) , as ondas ópticas incidem sobre uma terceira superfície refletora 22, a qual acopla a luz fora dos olhos 24 do observador. O sistema completo pode ser muito compacto e leve, do tamanho de um cartão postal grande tendo uma espessura de poucos milímetros. A fonte de display, tendo um volume de uns poucos centímetros cúbicos, pode ser instalada em um dos cantos do substrato, onde um fio elétrico pode transmitir a energia e dados para o sistema. É esperado que a instalação do sistema HUD apresentado não seja mais complicada do que a instalação de um simples sistema de áudio comercial. Além do mais, uma vez que não há necessidade de uma fonte de display externa para projeção de imagem, a necessidade de instalar componentes em lugares inseguros é evitada.

[0056] As configurações ilustradas na fig. 10 podem ser implementadas para outras aplicações, em adição a sistemas HUD para veículos. Uma possível utilização destas configurações é um display plano para um computador ou televisão. A característica única principal de tal display é que a imagem não é localizada no plano da tela, mas é focalizada no infinito ou para uma distância similarmente conveniente. Uma das principais desvantagens de displays de computador existentes é que o usuário tem que focalizar seus

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23/24 olhos em uma distância muito próxima entre 40 e 60 cm, enquanto o foco natural de um olho saudável é para o infinito. Muitas pessoas sofrem de dores de cabeça após trabalhar por um longo tempo em um computador. Muitos outros que trabalham freqüentemente com computadores tendem a desenvolver miopia. Em adição, algumas pessoas, que sofrem tanto de miopia quanto de hiperopia, necessitam óculos especiais para trabalhar com um computador. Um display plano, baseado na presente invenção, pode ser uma solução apropriada para pessoas que sofrem dos problemas acima descritos e não desejam trabalhar com um display montado na cabeça. Além disso, a presente invenção permite uma redução significativa no tamanho físico da tela. Como a imagem formada pelo LOE é maior do que o dispositivo, seria possível implementar grandes telas em armações pequenas. Isto é particularmente importante para aplicações móveis tais como computadores de colo ou de mão.

[0057] Ainda uma outra implementação possível desta configuração é como uma tela para um assistente digital pessoal (PDA). O tamanho das telas convencionais existentes que são usadas atualmente, é menor que 10 cm. Uma vez que a distância mínima onde estes displays podem ser lidos é da ordem de 4 0 cm, o FOV obtenível é abaixo de 15 ²; logo o teor de informação, especialmente até o ponto onde texto esteja envolvido, nestes displays é limitado. Uma melhoria significativa no FOV projetado pode ser produzida com a configuração ilustrada na fig. 10. A imagem é focalizada no infinito, e a tela pode ser localizada muito mais próxima dos olhos do observador. Em adição, uma vez que cada olho vê uma parte diferente do campo de visão total (TFOV), com uma

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24/24 sobreposição em seu centro, um outro aumento no TFOV pode ser alcançado. Portanto, um display com um FOV de 40² ou maior é factível.

[0058] Será evidente àqueles experientes na técnica que a invenção não está limitada aos detalhes das configurações ilustradas anteriores e que a presente invenção pode ser configurada em outras formas especificas sem se desviar do espirito ou atributos essenciais da mesma. As presentes configurações devem portanto ser consideradas em todos os aspectos como ilustrativas e não restritivas, o escopo da invenção sendo indicado pelas reivindicações anexas ao invés de pela descrição anterior, e todas as mudanças que venham dentro do significado e faixa de equivalência das reivindicações devem portanto estar abrangidas nelas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo óptico, compreendendo:

um substrato transmissor de luz tendo pelo menos duas superfícies principais paralelas entre si e bordas;

um primeiro elemento óptico para acoplar ondas de luz localizadas em um campo de visão dentro do citado substrato por reflexão interna.

Um segundo elemento óptico para acoplar ondas de luz fora do citado substrato, o citado dispositivo óptico sendo caracterizado pelo fato de pelo menos uma das citadas superfícies principais (26) ser revestida com uma camada sensível à angulação.
2. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado primeiro elemento óptico ser uma superfície refletora de ondas.
3. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado primeiro elemento óptico ser um prisma dobrável.
4. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado primeiro elemento óptico, para acoplamento de ondas de luz dentro de citado substrato a serem nele transmitidas pela reflexão interna, ser uma grelha de difração.
5. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado segundo elemento óptico ser localizado em citado substrato.
6. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma das citadas superfícies principais (26) ter uma reflexão desprezível para uma parte de um espectro angular e uma reflexão

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2/3 significativa para as outras partes do espectro angular.
7. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma das citadas superfícies principais (26) ter uma baixa refletância em ângulos de incidência pequenos e uma alta refletância em ângulos de incidência grandes.
8. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a citada camada sensível à angulação fazer o campo de visão ficar retido dentro do citado substrato por reflexões internas.
9. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as duas superfícies principais (26) serem revestidas com um revestimento sensível à angulação.
10. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de as duas superfícies principais (26) serem revestidas com o mesmo revestimento sensível à angulação.
11. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o segundo elemento óptico fazer o campo de visão sair do citado substrato em uma localização predeterminada para alcançar pelo menos um olho de um observador.
12. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a citada camada sensível à angulação ser formada utilizando um procedimento de revestimento assistido por íons.
13. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender uma fonte de luz de display.

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14. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado substrato ser parcialmente transparente, para permitir operação de visão através dele.
15. Dispositivo óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado dispositivo ser montado em uma armação de óculos (58).
16. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado dispositivo ser localizado em um display acima da cabeça.