CZ302883B6

CZ302883B6 - Optické zarízení obsahující svetlem propustnou podložku

Info

Publication number: CZ302883B6
Application number: CZ20023902A
Authority: CZ
Inventors: Amitai@Yaakov
Original assignee: Lumus Ltd.
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2012-01-04
Also published as: DK1295163T3; PL361735A1; EP1295163B1; WO2001095027A3; KR100839574B1; PL209571B1; HU227185B1; JP2013210633A; CN100507636C; EP1295163A2; JP5698297B2; CA2411442A1; HUP0400526A3; HK1057613A1; US20030165017A1; AU2001256644B2; AU5664401A; WO2001095027A2; ES2348532T3; US6829095B2

Abstract

Optické zarízení (2) obsahuje svetlem propustnou podložku (20), mající alespon dva hlavní povrchy (26) s okraji pro zachycení spojeného svetla úplným vnitrním odrazem uvnitr svetlem prostupné podložky (20), dále obsahuje povrchy (22) s cástecným odrazem umístených soubežne a oddelene jedna od druhé uvnitr svetlem propustné podložky (20) a rozmístených v prostoru mezi hlavními povrchy (26), kde uvedené povrchy prenášejí cást spojeného svetla zatímco druhá cást svetla je odražena vne svetlem propustné podložky (20). Optické zarízení dále obsahuje optický prostredek (16) pro spojení svetla dovnitr svetlem propustné podložky (20) po dopadu svetla k jeho zachycení hlavními povrchy (26) úplným vnitrním odrazem.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká optických zařízení ovládaných podložkou a konkrétně zařízení, která obsahují více odrazných povrchů nesených společnou průsvitnou podložkou.

Vynález lze využít v řadě různých aplikací, jako jsou např. náhlavní displeje, kompaktní displeje, io kompaktní zařízení pro rozšíření paprsku a plochá panelová osvětlovací tělesa.

Dosavadní stav techniky

Jednou z nejdůležitějších aplikací kompaktních optických prvků jsou náhlavní displeje, v nichž optický modul slouží jako čočka - objektiv i kombinátor. Dvourozměrný obraz se v nich tvoří v nekonečnu a odráží se do oka pozorovatele. Zobrazení lze získat přímo na katodové trubici CRT značící „Cathode Ray Tube“, na displeji s kapalnými krystaly LCD značící „Liquid Crystal Display“, nebo nepřímo prostřednictvím reléové čočky nebo svazku optických vláken. Displej se ve standardním případě skládá z řady bodů, které jsou zobrazovány do nekonečna kolimátorem a vysílány do oka pozorovatele prostřednictvím povrchu s částečným odrazem, který funguje jako kombinátor. Pro tyto účely se obvykle používá běžný optický modul volného prostoru. Když se však požadované zorné pole - FOV, značící „fíeld-of-view“, systému rozšiřuje, optický modul těžkne, zvyšuje se jeho objem a obtížně se s tím manipuluje. To je hlavním nedostatkem náhlav25 nich aplikací, kde by systém měl být co možná nejlehčí a nejkompaktnější.

Další nedostatky stávajících konstrukcí spočívají vtom, že u těchto konstrukcí jsou optické systémy obvykle velmi komplikované a jejich výroba je nesnadná. Navíc je prostor pro pohyb očí u optických zorných úhlů těchto konstrukcí obvykle velmi malý - v běžných případech menší než

8 mm. Proto je výkon optického systému značně citlivý i na malé pohyby očního průzoru vzhledem k oku pozorovatele.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky stavu techniky jsou odstraněny optickým zařízením obsahujícím světlem prostupnou podložku, mající alespoň dva hlavní povrchy s okraji pro zachycení spojeného světla úplným vnitrním odrazem uvnitř světlem prostupné podložky, dále obsahující povrchy s částečným odrazem umístěných souběžně a odděleně jedna od druhé uvnitř světlem propustné podlož40 ky a rozmístěných v prostoru mezi hlavními povrchy, kde uvedené povrchy přenášejí část spojeného světla zatímco druhá část světlaje odražena vně světlem propustné podložky, jehož podstatou je to, že obsahuje optický prostředek pro spojem světla dovnitř světlem propustné podložky po dopadu světla k jeho zachycení hlavními povrchy úplným vnitřním odrazem, jakož i to, že povrchy s částečným odrazem nejsou souběžné s hlavními povrchy světlem propustné podložky nebo že hlavní povrchy jsou vzájemně souběžné a také že optický prostředek je umístěn ve světlem propustné podložce, nebo že optický prostředek obsahuje alespoň jeden světlo odrážející povrch.

Dále je podstatou optického zařízení to, že optický prostředek obsahuje alespoň jeden povrch, který je orientován v úhlu křížící alespoň jeden z hlavních povrchů, nebo že optický prostředek je umístěn na hlavním povrchu a rovněž, že optický prostředek zahrnuje alespoň jeden hranol.

Rovněž je pak podstatou to, že optická zařízení dále obsahuje druhé povrchy s částečným odrazem pro rozšíření bočního rozsahu spojeného světla, přičemž tyto povrchy s částečným odrazem jsou vzájemně souběžně a nejsou souběžné s prvními plochami s částečným odrazem světla,

- 1 CZ 302883 B6 jakož i to, že obsahuje zdroj elektronického displeje pro vytváření Fourierovy transformace požadovaného vyobrazení v jeho rovině, nebo že obsahuje zrcadlo ze světlo emitujících diod tvořící světelný zdroj, přičemž tento světelný zdroj je spojen ve světlem propustné podložce skrz její okraj a také že světlem propustná podložka je složena z hranolů.

Pak je podstatou i to, že na alespoň části jednoho nebo více uvedených ploch nebo okrajů světlem propustné podložky jsou aplikovány optické povlaky pro docílení jednotného vnějšího pohledu a také, že optické zařízení dále obsahuje alespoň jednu půlvlnou destičku vloženou do optické dráhy světla, jakož i to, že obsahuje zrcadlo alespoň dvou odrazných ploch umístěné vně světlem propustné podložky (20), nebo že světlem propustná podložka sestává z několika částečných podložek kombinovaných k vytvoření optického systému.

A v neposlední řadě je podstatou i to, že hlavní povrchy světlem propustné podložky jsou pokryty nejednotným povlakem, nebo že odrazivost každého z povrchů s částečným odrazem se liší pro homí část a spodní část.

Výhodou vynálezu je skutečnost, že jej lze použít pro konstrukci a výrobu podložkou ovládaných optických prvků pro displeje očních průzorů, v nichž je optický modul velmi kompaktní a snadno se používá, a to i u systémů s relativně vysokými FOV. Kromě toho je prostor pro pohyb očí optického systému relativně velký, a proto se může přizpůsobit velkému rozsahu pohybu očního průzoru. Systém podle vynálezu je zvláště výhodný, protože je do značné míry kompaktní a lze jej snadno zabudovat i do optických systémů se speciální stavbou.

Vynález rovněž umožňuje konstrukci zdokonalených náhlavních displejů - HUD značící headup display“. Počátek těchto displejů je více než třicet let starý a v této oblasti došlo ke značnému pokroku. Systémy HUD získaly takovou oblibu, že nyní hrají důležitou úlohu nejen ve všech moderních bojových letounech, ale rovněž v civilním letectví, kde hrají významnou roli při přistávacích operacích. Navíc bylo v nedávné době předloženo mnoho návrhů a designů na instalaci HUD v automobilech pro asistenci při řízení a navigaci.

Přesto má současná podoba HUD některé závažné nedostatky. Protože je nutno užívat zobrazovacích zdrojů, které musí být v určité vzdálenosti od kombinátoru, aby osvětlovaly celý jeho povrch, HUD jsou příliš objemné, velké a někdy je nebezpečné je používat.

Další důležitá aplikace vynálezu spočívá v tom, že poskytuje kompaktní HUD, které překonávají uvedené nedostatky stavu techniky. Kombinátor může být osvětlen kompaktním zdrojem, který je připojen k podložce. Proto je celý systém velmi kompaktní a může být snadno instalován a použit na různých místech a v rozličných aplikacích. Chromatická disperze displeje je kromě toho relativně malá a zdroj světla může mít široké spektrum podobné běžnému zdroji bílého světla. Zobrazovaná plocha může být kromě toho podstatně větší než plocha, která je světelným zdrojem skutečně osvětlena.

Další aplikací vynálezu je jeho využití jako kompaktního zařízení pro rozšíření paprsku. Zařízení pro rozšíření úzkého kolimovaného paprsku do paprsku o větším průměru obsahují ve standardním případě teleskopickou soustavu dvou čoček podél společné osy se společným ohniskem. Vynález poskytuje přístroj pro rozšíření paprsku, který lze použít pro monochromatické a polychromatické světlo.

Obecným cílem vynálezu je proto zmírnit nedostatky známých zařízení a poskytnout optické systémy s lepším výkonem podle konkrétních požadavků.

-2 CZ 302883 B6

Přehled obrázků na výkresech

Příkladné provedení optického zařízení obsahující světlem propustnou podložku podle vynálezu, je znázorněno na přiložených výkresech, kde představuje obr. 1 bokorys nejjednodušší formy optického zařízení ovládaného podložkou podle dosavadního stavu techniky, obr. 2 bokorys optického zařízení ovládaného podložkou podle vynálezu, obr. 3 požadované reflexní chování povrchů s částečným odrazem pro různé úhly dopadu podle vynálezu, obr. 4 křivky odrazivosti pro diachronickou vrstvu, obr. 5 schéma bokorysu odrazného povrchu podle vynálezu, obr. 6A a 6B podrobný bokorys řady povrchů s částečným odrazem, obr. 7 bokorys zařízení s využitím io půlvlnné destičky pro rotaci polarizace přicházejícího světla, obr. 8 bokorys náhlavního zobrazovacího systému podle vynálezu, obr. 9 podrobné bokorysy odrazu od řady destiček pro částečně odrazné povrchy pro tři různé zorné úhly, obr. 10 graf znázorňující výsledky simulace pro výpočet jasu projekčního zobrazení společně s vnějším prostředím, obr. 11 bokorys optického zařízení ovládaného podložkou podle dalšího provedení vynálezu, obr. 12 graf znázorňující účinnost odraženého světla jako funkci POV, obr. 13 optickou soustavu ovládanou podložkou a mající tri řady odrazných povrchů, obr. 14 trojrozměrný pohled na celkové optické zařízení ovládané podložkou, obr. 15 jiné optické zařízení ovládané podložkou se třemi řadami odrazných povrchů, obr. 16 trojrozměrné zobrazení kompaktního náhlavního displeje ovládaného podložkou, obr. 17 bokorys jiné soustavy pro rozšíření světelného paprsku, obr, 18 bokorys jiného provedení zaříze20 ní, obr. 19 a 20 modifikace provedení z obr. 17, obr. 21 další provedení vynálezu, obr. 22 a 23 další provedení využívané v brýlích, obr. 24 postup užívání zařízení s mobilním telefonem, obr. 25 systém HUD podle vynálezu, obr, 26 jiné provedení s využitím čočky s dvojnásobnou ohniskovou vzdáleností, obr. 28 postup kombinace dvou stran vnějšího pohledu v oku pozorovatele užitím zařízení podle vynálezu, obr. 29 kompaktní zařízení pro rozšíření optického paprsku ovlá25 daného podložkou pro účely osvětlení, obr. 30 křivku intenzity výstupní vlny jako funkci vzdálenosti šíření v podložce podél osy ξ, obr. 31A a 31B kompaktní konstrukci zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou, obr. 32 postup výroby řady povrchů s částečným odrazem, obr, 33 další postup pro výrobu řady povrchů s částečným odrazem, obr. 34 další postup výroby řady povrchů s částečným odrazem, obr. 35 další postupy výroby řady povrchů s částečným odrazem a obr. 36 postup vytváření nejednotné vrstvy na odrazných površích podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 představuje nejjednodušší formu zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládané podložkou, kde je optické zařízení 2 osvětlováno zdrojem 4 pro displej. Zobrazení je kolímováno kolimační čočkou 6. Světlo ze zdroje 4 pro displej je prvním odrazným povrchem 8 odváděno do optického zařízení 2, aby byl hlavní paprsek 10 rovnoběžný s rovinou podložky. Druhý odrazný povrch 12 odvádí světlo z podložky do očí pozorovatele 14. í přes svůj kompaktní charakter trpí tato soustava několika nedostatky, přičemž hlavní z nich spočívá v tom, že dosažitelné FOV je velmi omezené. Jak ukazuje obr. 1, maximální možný vnější úhel uvnitř podložky je:

arctan (T-dcyc)

2/ (1) kde

T = tloušťka podložky fyye = požadovaný průměr výstupní zornice a 1= vzdálenost mezi odraznými povrchy 8 a J_2.

-3CZ 302883 B6

Při úhlech větších než óx_rn:ix se budou paprsky odrážet od povrchu podložky ještě před dopadem na odrazný povrch 12. Pak bude odrazný povrch 12 osvícen v nesprávném směru a budou vznikat zdvojené obrazy.

Maximální FOV, jehož lze dosáhnout pro tuto konfiguraci, je proto

kde v je index lomu povrchu 8, jehož hodnota se obvykle pohybuje v rozsahu 1,5 až 1,6.

Průměr oční zornice je ve standardním případě 2 až 6 mm. Aby bylo možno se přizpůsobit pohybu displeje, je k tomu třeba větší průměr výstupní zornice. Minimální přijatelná hodnota je proto mm. Pro průměrnou hlavu má 1 hodnotu mezi 40 a 60 mm. V důsledku toho by i pro malé FOV o velikosti 8° byla požadovaná tloušťka podložky přibližně 12 mm.

V nedávné době bylo navrženo několik metod, jak překonat výše uvedený problém např. užitím zvětšovacího teleskopu v podložce, pomocí neparalelních směrů odvádění paprsků atp. Avšak i u těchto řešení s jediným povrchem pro odraz do oka existuje obdobné omezení. FOV je omezeno průměrem projekce odrazného povrchu ]_2 na rovinu podložky. Maximální FOV daný tímto omezením se zjistí snadno:

F0V„

(3) kde a,„ je úhel mezi odrazným povrchem a normálou k rovině podložky a

R_eye je vzdálenost mezi okem pozorovatele a podložkou (ve standardním typickém případě 30 až 40 mm).

Hodnota tana_5Uř nemůže v běžném případě přesáhnout 2, a proto je pro předpoklady popisované výše pro FOV 8° požadovaná tloušťka podložky přibližně 7 mm, což je již rozumnější omezení. Když se však požadované FOV zvýší, zvedne se tychle i výška podložky. Např. u požadovaného FOV 15 a 30° bude tloušťka podložky 9 a 14 mm.

Aby bylo možno překonat výše uvedená omezení, využívá vynález řadu povrchů s částečným odrazem. Obr. 2 znázorňuje bokorys optického zařízení ovládaného podložkou podle vynálezu. Optický prostředek J_6 je osvětlen kolimovaným displejem 18 z neznázoměného zdroje umístěného za zařízením. Optický prostředek 16 odráží dopadající světlo ze zdroje, takže toto světlo je celkovým vnitřním odrazem zachycováno do rovinné, světlem propustné podložky 20. Po několika odrazech uvnitř světlem propustné podložky 20. dosáhnou zachycené vlny paralelní řady povrchů 22 s částečným odrazem, které odvádějí světlo ze světlem propustné podložky 20 do oka pozorovatele 24. Za předpokladu, že je centrální vlna ze zdroje odvedena ze světlem propustné podložky 20 ve směru normály k hlavnímu povrchu 26 podložky 20 a vnější úhel odchýlené vlny v podložce 20 je a_wr2, pak je úhel ct,_ur2 mezi odraznými povrchy a normálou k rovině podložky:

(4)

-4CZ 302883 B6

Jak je vidět na obr. 2, dopadají zachycené paprsky na odrazné povrchy ze dvou různých směrů 28 a 30. V tomto konkrétním provedení dopadají zachycené paprsky na odrazný povrch z jednoho z těchto směrů 28 po sudém počtu odrazů od hlavních povrchů 26 podložky 20, přičemž úhel dopadu pomezi zachyceným paprskem a normálou k odraznému povrchu je:

řZ/H p_ref = 90° - (a_fn - a_aur2) = 90° - — ¢5)

Zachycené paprsky dopadají na odrazný povrch z druhého směru 30 po lichém počtu odrazů od hlavních povrchů 26 podložky 20, přičemž vnější úhel k ose je a',„ = 180° - a,„ a úhel dopadu io mezi zachyceným paprskem a normálou k odraznému povrchu je:

- 90° - (a'_ln - a_surZ) = 90° - (180° - a,„ - a_sur2) = - 90°

Pro prevenci nežádoucích odrazů a zdvojených odrazů je důležité, aby odrazivost pro jeden z těchto směrů 28, 30 byla zanedbatelná. Požadovaného rozlišení mezi oběma směry 28, 30 dopadu lze naštěstí dosáhnout, je-li jeden z úhlů podstatně menší než druhý. Jedním z řešení tohoto požadavku je případ, kdy β_Γ</ » 0°. Po dosazení této hodnoty do rovnice (5) získáme α,„ ~ 180°. Toto řešení evidentně není prakticky dosažitelné. Druhým řešením je případ, kdy β'η?/« 0°, z čehož plyne:

β^ζ = 60°; a_in - 60° ; a \_n - 120° ; = 30° (7)

Obr. 3 znázorňuje požadovanou odrazivost chování pro plochy s částečným odrazem. Zatímco paprsek 32. jehož vnější úhel β_Γ(./ » 60°, je částečně odrážen a odváděn z podložky 34. paprsek

36, který se šíří ve směru normály k odraznému povrchu, prochází odrazným povrchem 34 bez znatelného odrazu.

Obr. 4 znázorňuje křivky odrazu od dichroické vrstvy určené k dosažení požadovaného cíle, a to pro čtyři různé úhly dopadu: 0°, 52°, 60° a 68°. Zatímco odrazivost normálového paprsku lze řídit pres celé odpovídající spektrum, paprsky ve vnějším úhlu 60° mají v témže spektru téměř konstantní odrazivost 20 %. Odrazivost evidentně roste s větší šikmostí úhlu dopadajících paprsků.

Je zřejmé, že by odrazivost od prvního odrazného povrchu měla být co možná největší, aby bylo odvedeno pokud možno co nejvíce světla ze zdroje zobrazení na podložku. Za předpokladu, že centrální vlna ze zdroje dopadá na podložku po normálně, tzn. a„ = 180°, pak je úhel a.^ mezi prvním odrazným povrchem a normálou k rovině podložky:

a,» + ao , a'm + ao

Řešení pro a_w/ a a _surt je ^v tomto případě 120 a 150°.

-5CZ 302883 B6

Obr. 5 představuje boční pohled na paprsek 36, který odvádí světlo 38 z neznázoměného zdroje a světlo 38 se zachycuje ve světlem propustné podložce 20 celkovým vnitřním odrazem. Jakje zde znázorněno, projekce S, odrazného povrchu do povrchu 40 podložky 20 je:

Si = r.tan(a) ¢9) přičemž T je tloušťka podložky 20.

Je zřejmé, že bude preferováno řešení a = a_xurh protože příslušná plocha na povrchu 40 podložky 20 je třikrát větší než v případě dalších řešení. Za předpokladu, že spojená vlna osvětluje celou plochu odrazného povrchu, osvětluje po odrazu od odrazného povrchu 36' plochu 2S_} = 2Jtan(a) na povrchu 40 podložky 20. Na druhé straně je projekce odrazného povrchu 36' v rovině podložky S₂ = nan(a_5Hr2). Pro vyloučení dalšího prekiývání nebo mezer mezi odraznými povrchy 361 přiléhá projekce každého povrchu k sousednímu povrchu. Proto je počet N odrazných povrchů 36', jimiž prochází během jednoho cyklu (tj. mezi dvěma odrazy od stejného povrchu podložky) každý z uvedených paprsků:

_{n =} 2Si ₌ 27^(0^11 ₍₁₀₎

S2 7\tan(ow2)

V tomto příkladu, kde a,_ur2 = 30° a a_xur/ - 120°, je řešení N = 6, tzn. každý paprsek 36 prochází během jednoho cyklu šesti různými povrchy.

Je důležité uvést, že výše popisované provedení vztahující se k obr. 5 je příkladem postupu pro odvádění vstupních vln do podložky 20. Vstupní vlny by však rovněž mohly být odvedeny do položky 20 jiným optickým zařízením mimo jiné včetně rozkladného hranolu, svazku optických vláken, difrakčních mřížek a dalších.

Také v příkladu znázorněném na obr. 2 jsou vstupní vlny a obrazové vlny umístěny na stejné straně podložky 20. Jsou povoleny i jiné konfigurace, v nichž by vstupní a obrazové vlny mohly být umístěny na opačných stranách podložky 20. Mohou dokonce existovat aplikace, v nichž by vstupní vlny mohly být odvedeny do podložky 20 před jeden z bočních okrajů podložky 20.

Na obr. 6A je detailní bokorys řady povrchů s částečným odrazem, která odvádí světlo zachycené uvnitř podložky 20 ven do oka pozorovatele. Jak lze vidět na obrázku, odvedené světlo v každém cyklu prochází přes čtyři odrazné povrchy 42 ve směru ⁼ 120°, paprsek dopadá na povrchy po normále a odrazy od těchto odrazných povrchů 42 jsou zanedbatelné. Paprsek kromě toho prochází dvěma odraznými povrchy 44 o směrech oy_ur2 = 60°, přičemž úhel dopadu je 60° a část energie paprsku je odváděna z podložky 20. Za předpokladu, že se k odvedení světla od oka pozorovatele použije jen jedna řada šesti povrchů 22 s částečným odrazem, bude maximální FOV:

2T tan - dcy

Re ve (11)

Proto je za předpokladů uvedených výše požadovaná tloušťka podložky 30 pro FOV 8° asi 4mm ajsou-li požadována FOV 15 a 30°, je tloušťka podložky 5,3 a 8,2 mm. Je přirozené, že toto jsou vhodnější hodnoty než hodnota uvedená výše pro další konfigurace. Navíc lze použít více než jednu řadu povrchů 22 s částečným odrazem. Je jasné, že při užití dvou řad povrchů 22 s dvanácti povrchy s částečným odrazem bude požadovaná tloušťka podložky 20 pro FOV 15 a 30° přibližně 2,6 a 4,1 mm.

-6CZ 302883 B6

Jak ukazuje obr. 6B, každý částečně odrazný povrch je osvětlen optickými paprsky s různými energiemi. Zatímco horní polovina 46 povrchu je osvětlena paprsky okamžitě po jejich odrazu od horního povrchu 48 podložky 20, spodní polovina 50 každého povrchu je osvětlena paprsky, které již prošly jedním povrchem s částečným odrazem 22, a mají proto nižší energii. V důsledku toho je jas světla, které se odráží od spodní poloviny 50 povrchu, nižší než jas světla odráženého od horní poloviny 46. Tento problém by se měl evidentně řešit proto, aby se dosáhlo zobrazení s jednotným jasem. Problém by se mohl řešit pokrytím odrazného povrchu dvěma různými vrstvami, kdy by odrazivost honí poloviny 46 byla slabší než odrazivost spodní poloviny 50, čímž by i o se kompenzovalo nerovnoměrné osvětlení. Je-li např. požadovaná nominální odrazivost 20 %, horní polovina 46 bude mít tuto hodnotu, zatímco spodní polovina 50 bude mít odrazivost 25 %. Ve většině případů však lze uvedený problém zcela zanedbat. Není-li podložka 20 příliš silná, pak pro každý zorný úhel přichází světlo odrážené do oka z několika odrazných povrchů. Např. pro d_eytí = 4 mm a T = 4 mm, kde d_eye je průměr zornice, je oko osvětleno přibližně dvěma odraz15 nými povrchy pro každý zorný úhel. Protože oko spojuje veškeré světlo vycházející z jednoho zorného úhlu a soustřeďuje je do jednoho bodu na sítnici a křivka reakce oka je logaritmická, očekává se, že i když se v jasu zobrazení vyskytnou malé odchylky, nebudou pozorovatelné.

Dalším jevem, který je třeba vzít v úvahu, je polarizace světla. Je známo, že je jednodušší zkon20 strnovat a vyrobit odrazné povrchy pro S-polarizované světlo než pro nepolarizované světlo nebo Ppolarizované světlo. Některé z kompaktních zdrojů, např. nematické displeje s kapalnými krystaly, jsou lineárně polarizované. Jsou však případy, kdy je displej zobrazení orientován tak, že přicházející světlo je P—polarizováno ve vztahu k odrazným povrchům. Tento problém je možno snadno vyřešit užitím půl vinné destičky. Jak ukazuje obr. 7, světlo vystupující ze zdroje 4 pro displej je lineárně P-polarizované. Užitím půlvlnné destičky 52 je možno rotovat s polarizací tak, aby světlo bylo S-polarizováno ve vztahu k povrchu 22 s částečným odrazem pro odvedení paprsku.

Další důležitou položkou je jednotný jas jako funkce FOV. Jak ukazuje obr. 4, odrazivost kazdé30 ho odrazného povrchu se zvyšuje se zorným úhlem. Naštěstí je oční zornice poměrně malá, a proto lze tento problém řešit. Obr, 8 ukazuje boční pohled na náhlavní zobrazovací systém vycházející z navrhované konfigurace. Rovinná vlna 54, představující konkrétní zorný úhel 56, osvětluje pouze část celé řady povrchů 22 s částečným odrazem. Pro každý povrch 22 s částečným odrazem je tak definován nominální zorný úhel a podle tohoto úhluje navržena odrazivost.

Přesná detailní konstrukce vrstev různých povrchů 22 s částečným odrazem se provádí následovně: pro každý konkrétní povrch je vynesen paprsek, s uvážením lomu podle Snellova zákona, od centra povrchu do centra zornice 58 stanoveného oka. Vypočítaný směr je stanoven jako nominální směr dopadu a podle tohoto směru se stanoví konkrétní vrstva. Pro každý zorný úhel se proto bude průměrná odrazivost od příslušných povrchů velmi blížit požadované odrazivosti.

Obr. 9 představuje podrobný bokoiys odrazu od řady povrchů 22 s částečným odrazem pro tři různé zorné úhly: úhel pro povrch 60 zcela vpravo, centrální povrch 62 a úhel pro povrch 64 zcela vlevo. Jak je vysvětleno výše, projekce každého povrchu přiléhá k sousední straně, aby se předešlo překrývání nebo mezerám mezi odraznými povrchy. Toto však platí pouze pro zorný úhel pro centrální povrch 62. Pro zorný úhel pro povrch 60 zcela vpravo jsou zde mezi odrazy mezery 66, zatímco mezi odrazy u úhlu pro povrch 64 nejvíce vlevo vzniká překrytí 68. Tento problém lze vyřešit nastavením různých vzdáleností mezi každým párem sousedních povrchů 22. Vzdálenosti tedy budou menší pro povrch 60 v pravé části a větší pro povrch 64 v levé části. Pro většinu aplikací však toto řešení může být zbytečné, protože pro většinu požadovaných FOV budou mezery 66 a překrytí 68 spíše menší, zorné úhly na obr. 8 jsou za účelem ilustrace tohoto problému záměrně nadneseny, a jsou vyjádřeny poměrně malým zvýšením odražené intenzity na levé straně, nebo snížením na pravé straně. Kromě toho, jak je popsáno výše, existuje opačný trend vyšších odrazů pro pravé povrchy 60. Tyto dva jevy se proto mohou alespoň částečně navzájem kompenzovat.

-7CZ 302883 Β6

Další záležitost, kterou je třeba vzít v úvahu, jsou systémy zobrazení s poměrně širokými FOV, kde by měly být použity alespoň dvě řady povrchů 22 s částečným odrazem. V tomto případě vlny, které se odrazily od druhé řady, již prošly odraznými povrchy první řady a z podložky 20 byla odvedena alespoň část energie. S tímto jevem by se mělo počítat pro dvě různá použití.

V průhledných systémech, jako jsou např. náhlavní displeje pro piloty, kde by měl pozorovatel vidět vnější prostředí a odrazí vost povrchů by neměla být příliš velká, by se při konstrukci vrstvy druhé řady měla brát v úvahu energie ztracená v první řadě. Tzn. odrazí vost ve druhé řadě by měla být vyšší, aby bylo možno dosáhnout jednotného jasu po celém FOV. Protože koeficient odrazívosti už není konstantní, mohlo by toto řešení mít nežádoucí následek v nejednotném odrazu okolí zobrazovaném přes podložku 20. Tato nejednotnost je naštěstí poměrně malá. Jak můžeme vidět na obr. 4, odrazivost každého odrazného povrchu se zvyšuje se zorným úhlem. Protože se očekává, že odchylky úhlu dopadu mezi zornými úhly od obou řad budou alespoň 10°, ztráta bude poměrně malá. Je-li např. odrazivost při úhlu dopadu 70° 22 %, pak odrazivost paprsku s úhlem dopadu 60° by měla být zhruba 6 až 7 % a celková ztráta menší než 15 %. Změna v průchodu podložkou 20 v důsledku nutné korekce je zanedbatelná. Např. změna v odrazu z 22 na 25 % vyvolává snížení průchodnosti ze 78 na 75 %. Pro systémy, kde je podstatná uniformita vnějšího prostředí, by mohla být k vnějšímu povrchu podložky 20 připojena případná speciální nejednotná vrstva ke kompenzaci nejednotného charakteru podložky 20 a dosažení jednotného jasu na celém FOV.

V neprůhledných systémech, jakými jsou displeje pro virtuální realitu, je podložka 20 neprůsvitná a průchod systémem je nevýznamný. Avšak v takovém případě může být odrazivost vyšší a je třeba zajistit, aby první řadou prošlo dostatečné množství energie pro zobrazení sjednotným jasem pres celý FOV.

Pro ilustraci očekávaného výkonu typického průhledného systému byla provedena počítačová simulace s výpočtem jasu pro oba promítané displeje a vnější prostředí. Systém má následující parametry: T = 4 mm; a,„ = 60°; FOV = 30°; R_eye = 40 mm; v = 1,5, přičemž počet řad je dvě a nominální odrazivost je 22 %. Obr. 10 ukazuje výsledky těchto výpočtů normalizované na požadovanou nominální hodnotu. V obou grafech existují určité malé odchylky, ale očekává se, že tyto změny budou neznatelné.

Jiná konstrukční metoda spočívá v použití odrazů od paprsků s druhým úhlem odrazu, konkrétně paprsků s vnějším úhlem cť,„ = 180° - Po dosažení parametrů z rovnice (7) do rovnice (4) vychází:

(Zm 120

2~

60° (12)

Obr. 11 ilustruje bokorys této alternativní konstrukční metody. První odrazný povrch 22 je osvětlován kolimovaným displejem 4, 6 — viz obr. 1, který je umístěn za prvkem. Odrazný povrch 22 odráží dopadající světlo ze zdroje, takže světlo je zachycováno v podložce 20 úplným vnitřním odrazem. Po několika odrazech v podložce 20 dojdou zachycené vlny až k paralelní řadě povrchů 22' s Částečným odrazem, která odvádí světlo z podložky 20 do oka pozorovatele.

Hlavní nedostatek této konstrukce spočívá v nežádoucím odrazu paprsků o vnitrním úhlu a,„. Bod na displeji, ktetý je kolimován do vstupního směru ε uvnitř podložky 20, se odráží do směrů a,„ + ε a a + ε uvnitř podložky 20. Zatímco paprsek o směru α'α,„ + ε je odrážen povrchy s částečným odrazem do výstupního směru ε, paprsek 70 o směru a_in + ε je odrážen povrchy 22' s Částečným odrazem do nežádoucího výstupního směru a,„ - ε. Paprsek 72 se pak odráží v nežádoucím směru —ε, Čímž vzniká zdvojený obraz. Přestože v nežádoucím směru se odráží jen malá

-8CZ 302883 B6 část paprsku 72, tento efekt je výraznější při zvýšení FOV. Pak může pozorovatele rušit, zejména na okrajích FOV.

Přestože výše uvedená nežádoucí odrazy nelze eliminovat, problém zdvojených obrazuje možno vyřešit změnou úhlu prvního odrazného povrchu 22. Změní-li se např. tento úhel na ct_SUfi = 63°, další parametry systému budou:

β. , = 27°; <x_ín = 54°; cO _in = 136°; a_sur2 = 63^c(13)

Je-li tedy FOV systému 16° a úhel lomu podložky 20 je 1,5, maximální vnější úhel obrazu uvnitř podložky 20 je 60°, směr nežádoucího odrazuje 66° a výstupní úhel bude 18°, což je evidentně mimo FOV, a tak při správné konstrukci nebude osvětlena výstupní zornice.

Výše uvedené řešení se týká pouze problému zdvojených obrazů. Část energie se bude stále odrážet v nežádoucích směrech, čímž se může snížit efektivita i kvalita zobrazení. Tato alternativní konstrukční metoda však má některé výhody: za prvé je průřez každého částečně odrazného povrchu 22' daleko větší, než tomu bylo v předcházejícím provedení. Pro daný FOV je proto třeba menší množství povrchů. Za druhé: nejenže jsou požadované optické vrstvy jednodušší, ale požadovaného odrazuje rovněž možno dosáhnout na základě Fresnelových odrazů od povrchu. Tzn. místo pokrývání povrchů lze mezi nekryté povrchy vložit tenkou vzduchovou mezeru. Ačkoli tento postup není optimální, je jím možno docílit přijatelných výsledků i při jednodušším výrobním procesu.

Obr. 12 znázorňuje optickou účinnost systému jako funkci FOV pro dva typy zdrojů: jeden s nepolarizovaným světlem a jeden s S-polarizovaným světlem. Ačkoli účinnost v obou případech není jednotná, tento problém lze vyřešit vložením proměnného děliče napětí vedle displeje. Tak lze dosáhnout jednotné efektivity 10 % pro nepolarizované světlo a 15 % pro Spolarizované světlo.

Pro dosažení jednotného osvětlení pres celý FOV se optické vrstvy vytvoří snadno. Použijí-li se např. tři odrazné povrchy 22a, 22b, 22c odraz lze navrhnout v jednotlivých případech tak, aby odrazivost činila 20,25 a 33 %, čímž bude dosaženo po celém FOV jednotné účinnosti 20 %.

Dosud byl diskutován pouze FOV podél osy ξ. Měli bychom rovněž uvažovat o FOV kolem ortogonální osy η. FOV podél osy η nezávisí na velikosti nebo počtu povrchů s částečným odrazem, ale na bočním rozměru vstupních vln odváděných z podložky 20 kolem osy η. Maximální FOV, kterého lze dosáhnout kolem osy η, je:

FOV,

D η — deve

Re ,e + //(vsina») (14)

Kde D_n je boční rozměr vstupních vln odváděných do podložky 20 kolem osy η.

Tzn. je-li požadovaný FOV 30°, pak užitím stejných parametrů jako v předchozím případě vychází potřebný boční rozměr 42 mm. Jak bylo dříve ukázáno, boční rozměr vstupních vln odvedených do podložky 20 podél osy ξ je dán vztahem 5) - T tan(a_in). Při tloušťce T= 4 mm podložky 20 je Λ) = 6,8 mm. Je zřejmé, že mezi bočními rozměry podél obou os je faktor větší než 6. I když se předpokládá, že stranový poměr je 4:3, jako u videodispleje a FOV u osy η je 22°, potřebný boční rozměr je asi 34 mm a mezi oběma osami je přesto faktor 5. Z tohoto rozdílu vyplývají některé problémy, např. je nutno užívat kolimátory s velkou numerickou aperturou nebo s velmi velkým displejem. V každém případě nelze u takových rozměrů dosáhnout požadovaného kompaktní konstrukce systému.

-9CZ 302883 B6

Další metoda řešení tohoto problému je na obr. 13. Místo užití řady odrazných povrchů 22 jen podél osy ξ je podél osy η umístěna další řada odrazných povrchů 22a, 22b, 22c. Tyto odrazné povrchy 22a. 22b. 22c jsou umístěny na normále vzhledem k rovině podložky 20 podél osy úhlu ξ a η. Odrazivost od těchto odrazných povrchů 22a. 22b. 22c je stanovena tak, aby bylo možno dosáhnout jednotných výstupních vln. Tzn. používají-li se tři odrazné povrchy 22a, 22b, 22c, jsou odrazy pro první plochu 22a, druhou plochu 22b a třetí plochu 22c nastaveny postupně na 33, 50 a 100 %. Je důležité uvést, že uspořádání uvedená v sestavách 22 a 22a až 22c jsou pouze příklady. Jsou možné i jiné konstrukce pro zvýšení bočních rozměrů optických vln v obou směrech v souladu s optickým systémem a požadovanými parametry.

Obr. 14 představuje trojrozměrný pohled na celkovou konstrukci sestavy ovládané podložkou 20. Paprsek po difrakci je rozšířen nejprve po ose η, a pak po ose ξ. Protože projekce vstupní vlny na rovině podložky 20 je otočena o 90° vzhledem k uspořádání na obr. 2, boční rozměr Sr| podél osy η centrální vlny po odvedení do podložky 20 je dán vztahem = 25, = 2Ttan(cti_n). Aby bylo možno dosáhnout symetrické vlny, preferuje se výběr takové konfigurace, kde odváděná vlna bude mít stejný rozměr na ose ξ. V tomto případě platí, že protože boční rozměr vstupní vlny podél osy η před odvedením S] = T tan(a_in), bude zde mezi oběma rozměry faktor 2. Tento faktor je však obvykle přijatelný. Po odrazu od odrazných povrchů 22a až 22c je boční rozměr podél osy η dán vztahem 5_η - 2ATtan(cx_iri), kde N je počet odrazných povrchů. Maximální FOV podél osy η, jehož lze dosáhnout, je tedy:

Fov,„. » --^NTtanfrs,)-^ ₍₁₅₎

Re ye + l /(v Stll 66«) Re + / /(v SIR 66«)

Protože odrazné povrchy 22a až 22c mohou být umístěny blíže oku, očekává se, že vzdálenost 1 mezi odraznými povrchy 22a až 22c bude menší než v předchozím případě. Při 1 =30 mm a parametrech T= 4 mm, V- 3, a_in = 60°, 7ř_eye = 40 mm a v = 1,5 bude výsledné FOV:

« 30^G (16}

To je lepší výsledek, než jakého bylo dosaženo v předchozím případě.

V důsledku požadovaného rozšíření paprsku byl jas optických vln snížen faktorem N. Tento efekt však lze minimalizovat stejným způsobem, jaký je uveden výše. Jak ukazuje obr. 15, úhly dopadu spodní části 76 FOV, která by se měla odrážet od prvního odrazného povrchu 22a. jsou větší než úhel odrazu větší části 78 FOV, která by se měla odrážet hlavně od posledního odrazného povrchu 22c. V tomto případě je možné stejně jako v předchozím případě zkonstruovat vrstvu s vyššími koeficienty odrazívosti pro vyšší úhly dopadu. Protože energetická ztráta vyšší části 78 FOV může být daleko menší, vyšší odrazné koeficienty by mohly být zvoleny pro první odrazný povrchy 22a a snížení jasu by bylo menší. Přesné detaily o požadované konstrukci závisí na různých parametrech konkrétního systému.

Není nutné omezovat se na použití pouze jediné průsvitné podložky 20, lze použít i další podložky. Je možno např. zkombinovat tři různé podložky 20, přičemž vrstva na každé z nich bude navržena pro jednu ze tří základních barev, čímž vznikne troj barevný systém. V tomto případě bude každá podložka 20 průsvitná vzhledem k dalším dvěma barvám. Tento systém by mohl být vhodný pro aplikace, v nichž je třeba k vytvoření konečného obrazu použít kombinaci tří různých monochromatických zdrojů. Kromě toho existuje mnoho dalších případů, v níž lze zkombinovat několik podložek 20 a vytvořit tak složitější systém.

- 10CZ 302883 B6

Obr. 16 znázorňuje sestavu s kompaktním náhlavním displejem zkonstruovanou podle vynálezu. Znázorněná sestava se skládá ze tří řad odrazných povrchů 22a až 22c. První odrazný povrch 22 odvádí světlo vycházející ze vstupního zdroje 4 pro displej, kolimované kolimační čočkou 6 do podložky 20, kde je rozložení světla v jednom směru rozšířeno. Druhá řada částečně odrazných povrchů 22a, 22b, 22c odvádí světlo z podložky 20 do očí pozorovatele 24.

Obr. 17 znázorňuje další metodu rozšíření paprsku ve směru η. Zde se rozšíření provádí zvnějšku, a nikoli uvnitř podložky 20. Dělič 80 paprsku rozděluje světlo ze zdroje 4 pro displej na dvě části: jedna část je přenášena přímo do podložky 20, zatímco druhá část se odráží do zrcadla 82, a pak zpět do podložky 20. Obě části světla, které nyní tvoří širší paprsek než je původní paprsek, jsou pak odváděny odrazným povrchem 84 do podložky 20. Ke zvětšení paprsku ze směru η lze využít větší množství děličů 80 paprsku a zrcadel 82. Mezi zdroj 4 pro displej a dělič 80 paprskuje možno zavést kolimátor 81..

Obr. 18 znázorňuje mírně modifikovanou verzi obr. 17. Je dobře známo, že je jednodušší zkonstruovat a vyrobit odrazné povrchy pro S-polar i zované světlo než pro nepolarizované nebo Ppolarizované světlo. Je-li světlo ze zdroje 4 pro displej skutečně S-polarizováno, je možné docílit odrazů ve správných směrech vložením půl vinných destiček 86 do optických drah, jak znázorňuje obrázek.

Místo orientace paralelně s podložkou 20 může být zdroj 4 pro displej umístěn i ve směru normály k podložce 20, jak znázorňují obr. 19 a 20.

Další možné provedení je znázorněno na obr. 21. Zdroj 4 pro displej je orientován ve směru normály k podložce 20 a světlo může vstupovat do prvního spojovacího zrcadla užitím skládacího zrcadla nebo odrazného hranolu 83. Toto skládací zrcadlo nebo odrazný hranol 83 může mít optický zdroj na odrazném povrchu, případně na čelních stěnách odrazného hranolu 83, aby umožňoval provádění ko li mační ch funkcí bez nutnosti užívat další kolimační prvek.

Výhody této konstrukce zobrazení ovládaného podložkou 20 jsou následující:

1. Protože vstupní displej lze umístit velmi blízko podložky 20, celková konstrukce může být velmi kompaktní a lehká.

2. Na rozdíl od jiných konstrukcí očního průzoru zde existuje větší flexibilita v umístění vstupního displeje vzhledem ke koncovému okuláru. Díky tomu není třeba mít pravidelnou konstrukcí kolem osy a lze poměrně snadno a efektivně kompenzovat odchylky.

3. Odrazívost u povrchů s Částečným odrazem je téměř stálá přes celé relevantní spektrum. Proto lze jako zdrojové displeje pro barevné náhlavní displeje použít nejen monochromatické, ale i polychromatické zdroje světla.

4. Protože každý bod vstupního displeje je transformován do rovinné vlny, která se odráží od oka pozorovatele z velké části odrazné řady 22d až 22f, tolerance přesného umístění oka může být významně zvýšena. Pozorovatel tedy uvidí přes celé zorné pole a prostor pro pohyb očí může být podstatně větší než u jiných konstrukcí průzoru.

5. Protože velká část energie odvedené do zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 20 je „recyklována“ a odváděna do oka pozorovatele, lze dosáhnout zobrazení s poměrně vysokým jasem.

Obr. 22 a 23 znázorňují provedení vynálezu, v němž jsou podložky 90 přimontovány do rámu brýlí 92. Zdroj pro displej 4, kolimační Čočka 6 a skládací zrcadlo 82 jsou instalovány v rámečku 94 brýlí u okraje optické podložky 90. V případě, kdy je displej v elektronické formě, např. CRT nebo LCD, by pohonná elektronika 93 pro displej mohla být sestavena v zadní části rámečku 94. Napájecí zdroj 96 lze připojit k rámečku 94 řetízkem 97.

Protože vstupní vlny zavedené do podložky 90 jsou obvykle kolimované rovinné vlny, pro vytvoření požadovaného displeje by mohly být použity některé nové metody. Jedním z možných displejů je virtuální sítnicový displej - VRD, což je systém, kde je rychle snímána rovinná vlna a vytváří se obraz přímo na sítnici pozorovatele. Další možný displej by mohl vycházet z podobné myšlenky holografie na základě Fourierovy transformace. Na základě tohoto principu nevytváří LCD přímo obraz, ale Fourierovu transformaci požadovaného obrazu. Když je LCD osvětlen koherentní rovinnou vlnou vycházející z malé laserové diody, vznikne na LCD rovině kolimovaný obraz požadovaného obrazce. Tento obraz by se mohl použít jako vstup pro zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládané podložkou 90.

Výše uvedené provedení může sloužit v průhledných systémech i neprůhledných systémech, v nichž jsou před optické prvky umístěny neprůsvitné lasery. Jiná metoda spočívá ve využití proměnného filtru před systémem takovým způsobem, že pozorovatel může kontrolovat úroveň jasu a světla vycházejícího z vnějšího prostředí. Tento proměnný filtr by mohl být mechanicky kontrolovaným zařízením, jako je např. skládací filtr, nebo by se mohlo jednat o dva otáčející se polarizátory, elektronicky řízené zařízení nebo automatické zařízení, přičemž průsvitnost filtru bude stanovena jasem vnějšího pozadí.

Existují určité alternativy, s jakou přesností lze využít zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou v tomto provedení. Nejjednodušší je použít pro jedno oko jediný prvek. Další možností je použít jeden prvek a displej pro každé oko, ale se stejným obrazem. Další verze této možnosti spočívá v projekci dvou různých částí téhož obrazu se stejným překrytím mezi oběma očima, což umožňuje dosáhnout širšího FOV. Nej složitější je projekce dvou různých prostředí, každého pro jedno oko, čímž vznikne stereoskopický obraz. Tato alternativa umožňuje atraktivní realizaci včetně trojrozměrného kina, virtuální reality na pokročilé úrovni, trenažérů atp.

Je důležité zdůraznit, že provedení na obr. 22 a 23 jsou pouze příklady ilustrující jedno provedení vynálezu. Protože optický prvek ovládaný podložkou 90, tvořící jádro systému, je velmi kompaktní a lehký, mohl by být instalován v řadě provedení. Proto je možné realizovat mnoho dalších provedení včetně očního průzoru, skládacího displeje, monoklu a mnohých dalších.

Provedení znázorněné na obr. 22 a 23 je určeno pro aplikace, kde by displej mohl být instalován nebo nesen na hlavě. Existují však i aplikace, kde displej může být na jiném místě. Příkladem takového využití je mobilní telefon, od něhož se v blízké budoucnosti očekávají nové funkce včetně použití jako videofonu, připojení na Internet, přístupu k elektronické poště a dokonce i přenosu televizního satelitního vysílání vysoké kvality, U stávajících technologií by mohl být v telefonu zabudován malý displej, v současné době však tento displej může promítat buď videodata nízké kvality, nebo jen několik řádků Internetu či e-mailová data přímo do oka.

Obr. 24 ukazuje další postup na základě vynálezu, jak promítat obrazy vysoké kvality přímo do oka uživatele. Skládací zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládané podložkou 98 je pevně připojeno k hlavní části mobilního telefonu 100 obdobným způsobem, jako se připojuje mikrofon telefonu. Malý displej 102 zabudovaný do mobilního telefonu 100 promítá videoobraz 104, kteiý je přenášen přes optické relé 106 např. ve formě skládacího zrcadla, malého hranolu, svazku optických vláken nebo jiného typu relé do zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 98. Takto může při obsluze uživatel zařízení rozložit, umístit jej před oči a vhodně zobrazit požadovaný obraz.

Je důležité poznamenat, že provedení popisované na obr. 24 je jen příkladem, znázorňujícím, že existují i jiné aplikace než náhlavní displej. Mezi další možné „příruční“ konstrukce patří malé displeje začleněné do náramkových hodinek, kapesní displej o velikosti a hmotnosti kreditní karty a mnoho dalších.

- 12CZ 302883 B6

Výše popisovaná provedení jsou monokulámí optické systémy, tzn. obraz je promítán jen do jednoho oka. Existují však aplikace, jako jsou např. náhlavní displeje - HUD, kde je žádoucí promítat obraz do obou očí. Až donedávna se systémy HUD používaly zejména v bojových a civilních letadlech moderního typu. V poslední době se objevila řada návrhů a konstrukcí na ins5 talaci HUD před řidiče automobilu pro pomoc při navigaci a řízení nebo při projekci tepelného obrazu do očí, ve tmě nebo v případě jinak ztížené viditelnosti. Hlavní problém u stávajících leteckých systémů spočívá v tom, že jsou velmi nákladné, přičemž cena za jednotku je v řádu stovek nebo tisíců dolarů. Je zřejmé, že tato cena se musí snížit řádově tisíckrát, aby se přiblížila spotřebitelskému trhu osobních vozů. Stávající systémy jsou kromě toho velmi velké, těžké a objemné a jejich instalace v automobilu je značně komplikovaná. HUD pro spotřebitele by měly být velmi kompaktní, nenákladné a měly by se snadno instalovat do stávajících vozidel.

Obr. 25 znázorňuje postup realizace systému HUD na základě vynálezu. Světlo ze zdroje 4 pro displej je kolimováno kolimační čočkou 6 do nekonečna a je odváděno prvním odrazným povrchem 22 do podložky 20. Po odrazu na druhém neznázoměném odrazném povrchu narazí optické vlny na třetí odrazný povrch 22', který odvádí světlo do očí 24 pozorovatele. Celý systém může být velmi kompaktní a lehký, o velikosti velké pohlednice s tloušťkou několika milimetrů. Displej o objemu několika krychlových centimetrů lze připojit k jednomu z rohů podložky 20, kde může elektrický vodič přenášet do systému výkon i data. Očekává se, že instalace prezento20 váného systému HUD nebude složitější než instalace jednoduchého komerčního audiosystému. Navíc mizí potřeba vnějšího zdroje projekce obrazu a není nutno instalovat komponenty na místech, která nejsou bezpečná.

Protože vzdálenost mezi očima a povrchem a průměr výstupní zornice je daleko větší než u monokulámích displejů, očekává se, že k dosažení požadovaného FOV je třeba větší počet odrazných povrchů 22' a nebo silnější podložka 20. Na obr. 26 je ilustrován alternativní postup pro systémy HUD s větším FOV pro daný systém. Místo definice výstupní zornice systému na označeném místě očí 24 pozorovatele je definována virtuální výstupní zornice 108 o menším průměru v bližší vzdálenosti u podložky 20. Jak lze vidět, pravá část 110 FOV je vidět pouze levým okem, zatímco levá část 112 FOV je vidět pouze pravým okem. Centrální část 114 FOV je vidět oběma očima. Takové řešení je velmi vítáno u vojenských systémů HUD, kde je zornice optického systému umístěna u kolimátoru a okamžitý FOV - IFOV je menší než plný FOV TFOV. U takovéto konstrukce vidí každé oko jinou část TFOV s překrytím ve středu TFOV, Celkové zorné pole nazírané oběma očima 24 je podstatně větší než pri nazírání jedním okem.

Pokud jde o provedení na obr. 26, přesné místo a velikost virtuální výstupní zornice bude stanovena podle konkrétních parametrů a požadované výkonnosti konkrétního systému.

Protože výstupní zornice typického systému HUD je daleko větší než u náhlavního systému, očekává se, že k dosažení požadovaného FOV bude třeba sestava se třemi řadami, popisovaná výše pro obr. 14 i pro konstrukci na obr. 26. Mohou však existovat některé zvláštní případy včetně systémů s malými vertikálními FOV nebo s řadou vertikálních LED jako displejem, v nichž by postačovala sestava o dvou řadách, popisované drive pro obr. 2.

Provedení znázorněná na obr. 25 a 26 lze kromě systémů HUD pro vozidla použít i pro jiné apli45 kace. Jedno z možných použití těchto provedení je plochý displej pro počítač nebo televizory. Hlavní jednoznačná charakteristika tohoto systému spočívá v tom, že obraz není umístěn v rovině obrazovky, ale má ohnisko v nekonečnu nebo v obdobné vhodné vzdálenosti. Jeden z hlavních nedostatků stávajících počítačových displejů spočívá v tom, že uživatel musí zaostřit oči na velmi krátkou vzdálenost mezi 40 a 60 cm, zatímco přirozené ohnisko zdravého oka leží v nekonečnu.

Mnoho lidí, kteří dlouhou dobu pracují u počítače, trpí bolestmi hlavy. Mnozí lidé, kteří často pracují s počítačem, mají sklon ke krátkozrakosti. Navíc mnozí ti, kteří trpí krátkozrakostí a dalekozrakostí, potřebují pro práci s počítačem zvláštní brýle. Plochý displej, vycházející z vynálezu, by mohl být vhodným řešením pro lidi, kteří trpí výše uvedenými problémy a nechtějí pracovat s náhlavním displejem.

-13CZ 302883 B6

Další výhodou displeje podle vynálezu je velmi plochý displej i v porovnání se stávajícími plochými panelovými displeji. Je pravda, že na rozdíl od běžných displejů má displej podle vynálezu omezený prostor pro pohyb očí, jímž lze pozorovat celý obraz. Takový omezený prostor pro pohyb očí však může pro obsluhu jediným uživatelem postačovat.

Další možné provedení vynálezu spočívá ve využití jako textového projektoru pro moderátora nebo televizního hlasatele, který se má současně dívat na obecenstvo i číst text. Užitím tohoto vynálezu by hlasatel mohl používat průhlednou desku u obličeje, kterou se mu požadovaný text promítá do očí, aniž by to posluchači pozorovali.

Dalším možným využitím tohoto provedení je obrazovka pro osobní digitální asistenci — PDA. Velikost běžných obrazovek, které se používají v současné době, je asi 10 cm. Protože minimální vzdálenost, odkud tyto displeje lze přečíst, je 40 cm, lze získat FOV přibližně 15°, a proto jsou informace získávané z těchto displejů poměrně limitované. Významné zdokonalení v promítaném FOV může být realizováno u provedení znázorněného na obr. 25 a 26. Protože obraz je kolimován do nekonečna, obrazovku je možno umístit daleko blíže očím pozorovatele. Jelikož kromě tohoto každé oko vidí jinou část TFOV s překrytím v centru, lze dosáhnout dalšího zvýšení TFOV. Proto je možno snadno dosáhnout zobrazení FOV v hodnotě 40° a vyšší.

Ve všech výše uvedených provedeních vynálezu vycházel obraz, který byl přenášen zařízením pro rozšíření optického paprsku ovládaným podložkou, z elektronického displeje, jako je např. CRT nebo LCD. Existují však aplikace, kde vyslaný obraz může být součástí živé scény, např. u brýlí lidí trpících krátkozrakostí a dalekozrakostí, jejichž problémy se vždy vhodně neřeší běžnými bifokálními ani multífokálními skly. Jiné řešení spočívá v užití kontaktních čoček s různými ohniskovými vzdálenostmi. Tyto čočky vytvářejí na sítnici pozorovatele vícenásobné obrazy. Mozek se pak akomoduje na nej ostřejší obraz.

Obr. 27 znázorňuje postup pro využití čočky s dvojnásobnou ohniskovou vzdáleností podle vynálezu. Obraz 114 prostředí z nekonečna je veden do podložky 20 odrazným povrchem 22, a pak je odrážen řadou částečně odrazných povrchů 22' do oka 24 pozorovatele. Další obraz 116 prostředí z blízké vzdálenosti je kolimován do nekonečna čočkou 118, a pak prochází podložkou 20 do oka 24, Objektiv 120 soustřeďuje obrazy 114 a 116 prostředí do vhodné vzdálenosti a provádí korekci dalších odchylek oka 24 pozorovatele včetně astigmatismu. Když je vnější prostředí blízko pozorovatele, obraz 116 prostředí na sítnici bude ostrý, zatímco obraz 114 bude zamlžen. Mozek se tedy automaticky přizpůsobí ostrému obrazu 116 prostředí, A naopak, když bude vnější prostředí dostatečně daleko, bude obraz 114 prostředí nej ostřejší a mozek se mu pak přizpůsobí.

Vynález lze rovněž použít ke zkombinování dvou naprosto odlišných prostředí. Zařízení může být vhodné pro řadu aplikací i pro piloty a řidiče, kteří chtějí vidět současně dopředu i dozadu, a sportovce, kteří potřebují různé úhly pohledu, malíře, který chce zkombinovat svůj obraz se skutečným pohledem, studenta, který kopíruje texty z tabule a pro mnohé další. Obr. 28 znázorňuje postup kombinace dvou různých částí vnějšího pohledu do oka 24 pozorovatele podle vynálezu. Obraz 120' prostředí ze šikmého směruje rozložen např. pomocí hranolu nebo jiného optického zařízení 122, je odveden do podložky 20 odrazným povrchem 22, a pak se odráží řadou povrchů s částečným odrazem 22' do oka 24 pozorovatele, přičemž v tomto bodu se kombinuje se skutečný výjev 124.

Je důležité poznamenat, že protože pro provedení na obr. 27 a 28 přicházejí optické vlny obrazů 114 a 120' prostředí odváděné do zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 20 z nekonečna a nemusí být soustřeďovány Čočkou 118 nebo jiným optickým prvkem, nejsou důležité boční rozměry spojených vln. Proto lze místo složitějšího provedení z obr. 14 se třemi povrchy použít jednodušší zařízení, které má pouze dva odrazné povrchy, jak je znázorněno na obr. 2.

-14CZ 302883 B6

Provedení popisovaná na obr. 27 a 28 jsou pouhými příklady, které ilustrují možnosti realizace vynálezu. Je možné kombinovat libovolné dva různé obrazy ze zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 20 s obra2y vznikajícími v živém pohledu, obrazy z elektronických displejů, např. kombinací videokamery s tepelným zobrazovacím zařízením, nebo provést jinou možnou kombinaci.

Ve všech výše popisovaných zařízeních se zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládané podložkou 20 využívá pro přenos světelných vln pro účely zobrazování. Vynález je však možno aplikovat nejen pro zobrazování, ale rovněž pro účely, které se zobrazování netýkají, zejména v osvětlovacích systémech, v nichž optická kvalita výstupní vlny není podstatná a důležitými parametry je intenzita a jednotný jas. Vynález lze aplikovat např. pro zadní osvícení plochých panelových displejů, zejména systémů LCD, v nichž je k vytvoření obrazu třeba osvětlit desku co možná nejjasnějším a nejjednotnějším světlem. Mezi další možné aplikace patří např. ploché a levné systémy pro osvětlení místností nebo světlomety, osvětlení pro snímací zařízení otisků prstů a „redout“' vln pro trojrozměrné hologramy.

Obr. 29 znázorňuje kompaktní konstrukci zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 20 pro účely osvětlení sestrojené podle vynálezu. Znázorněná sestava se skládá z prvního odrazného povrchu 126, druhé řady odrazných povrchů 128 a třetí odrazné rady 130. Vstupní vlna 132 ie rovinná vlna, která je dopadající na podložku 20, zatímco výstupní vlna 134 je rovinná vlna mající podstatně větší průměr než vstupní vlna 132. Takový systém je možno realizovat jako velmi tenké kompaktní osvětlovací zařízení pro srovnatelně velké plochy.

Obsluha zařízení pro rozšíření optického paprsku ovládaného podložkou 20 je obdobná výše uvedenému postupu pro jiné konstrukce podle vynálezu. Existují však některé rozdíly mezi systémy zobrazovacího typu a nezobrazovacího typu. Za prvé: protože není třeba řešit zdvojené obrazy v nezobrazovacích systémem, je možno odvést vstupní vlny 132 rovnoběžně s rovinou podložky 20, a proto lze jednotně osvětlit každou rovinu s částečným odrazem. Za druhé: v nezobrazovacích systémech není průchod světla podložkou 20 důležitý, a proto je třeba zvážit pouze rozložení odrazívosti.

Kromě toho je u nezobrazovacích systémů konstrukčním cílem dosáhnout jednotné intenzity výstupní vlny 134, a nikoli jednotného FOV. Proto se odrazivost třetí odrazné řady 130 s částečným odrazem zvyšuje postupně podél osy ξ, takže v průběhu každého odrazu je odvedena jen Část energie zachycených optických vln. Obr. 30 znázorňuje intenzitu výstupní vlny 134. odrazivost povrchů a množství energie, která zůstává v podložce 20, jako funkci vzdálenosti šíření v podložce 20 podél osy ξ pro typické zařízení pro rozšíření paprsku ovládané podložkou 20.

Protože světlo může být u osvětlovacích zařízení odváděno rovnoběžně s rovinou podložky 20, lze jej odvádět jedním z okrajů podložky 20. Kromě toho není nutné se omezovat na použití jediného světelného zdroje a lze používat více zdrojů. V takových zařízeních není navíc třeba světelné vlny kolimovat. K vytvoření divergentní výstupní vlny lze použít divergentní výstupní paprsky. Obr. 31A a 31B znázorňují dvě možné konstrukce pro osvětlovací účely - jednu se dvěma řadami povrchů s plochami s částečným odrazem - viz obr. 31A a jednu s jednou takovou řadou - viz obr, 31B. V těchto konstrukcích je zdroj světla řadou LED 136 kolimovaných řadu bez čoček 138 a odváděnou podložkou jedním z okrajů podložky, čímž se vytváří jednotné osvětlení, které je odváděno řadou 140.

Obr. 32 znázorňuje postup výroby řady částečně odrazných povrchů. Nejprve se vyrobí skupina hranolů 142 o požadovaných rozměrech. Tyto hranoly 142 mohou být vyrobeny ze silikátových materiálů, např. BK-7, běžnými postupy broušení a leštění nebo mohou být v jiném případě zhotoveny z polymerů nebo gelových materiálů užitím injekčního vstřikování nebo odléváním. Příslušné povrchy těchto hranolů 142 jsou pak pokryty požadovaným optickým povlakem 144. Nakonec jsou hranoly 142 slepeny, čímž vzniknou požadovaná zařízení pro rozšíření optického

-15CZ 302883 B6 paprsku ovládaná podložkou. V aplikacích, kde je podstatná kvalita optických povrchů, je možno k procesu připojit konečný krok leštění vnějších povrchů 146.

Obr. 33 znázorňuje další postup výroby řady částečně odrazných povrchů. Injekčním vstřikováním nebo odléváním se vytvoří dvě obdobné průhledné zubaté formy 148. Na příslušné povrchy jedné z forem se aplikují požadované vrstvy 150 a obě formy 148 se pak slepí dohromady, čímž vznikne požadované zařízení 152.

Obr. 34 znázorňuje další verzi postupu popisovaného na obr. 33 na výrobu řady povrchů s částečným odrazem. Místo pokrytí forem 148 vrstvou 150 se vrstva aplikuje na velmi tenký a pružný plát 154. Plát 154 se pak vloží mezi formy 148, které jsou slepeny, čímž vznikne požadované zařízení 156.

Obr. 35 znázorňuje další postup výroby řady částečně odrazných povrchů. Povrchy skupiny průsvitných plochých desek 158 jsou pokryty požadovanými vrstvami 160 a desky 158 jsou pak slepeny, aby vytvořily krychli 162. Z krychle 162 je pak oddělen uříznutím, broušením a leštěním segment 164, čímž vznikne požadované zařízení 166.

V některých případech není jednotný charakter vystupuj ícího světla podstatný. V těchto případech je místo pokrytí odrazných povrchů možné ponechat mezi nimi vzduchové mezery, díky čemuž může být světlo odváděno Fresnelovými odrazy od povrchů. Tehdy by však mohl vzniknout problém s jednotnou výstupní intenzitou, který lze vyřešit užitím dvou desek osvětlovaných z opačných stran. Dalším možným řešením je pokryt opačné okraje a vnější povrch odraznými povrchy.

Jak je popsáno výše, existují aplikace, v nichž je důležité, aby na odrazných površích byla nejednotná vrstva. Obr. 36 znázorňuje postup, jak lze tento požadavek splnit. Některou z výše popisovaných metod nebo některým jiným postupem se vyrobí dvě různé řady částečně odrazných povrchů, přičemž odrazivost ve spodní řadě 168 je vyšší než v horní řadě 170. Obě řady 168, 170 jsou pak slepeny, čímž vznikne požadované zařízení 172.

Odborníkům v oboru bude zřejmé, že vynález se neomezuje na podrobnosti výše znázorněných provedení a může být součástí jiných konkrétních forem, aniž by bylo třeba odchýlit se od jeho myšlenky nebo základních vlastností. Uvedená provedení je proto nutno chápat po všech stránkách jako ilustrativní, která vynález nijak neomezují, přičemž rozsah vynálezu ukazují připojené nároky, a nikoli výše uvedený popis. Veškeré změny, které spadají do významu a rozsahu ekvivalence nároků, budou proto tvořit jeho součást.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Optické zařízení (2) obsahující světlem prostupnou podložku (20), mající alespoň dva hlavní povrchy (26) s okraji pro zachycení spojeného světla úplným vnitřním odrazem uvnitř světlem prostupné podložky (20), dále obsahující povrchy (22) s částečným odrazem umístěných souběžně a odděleně jedna od druhé uvnitř světlem propustné podložky (20) a rozmístěných v prostoru mezi hlavními povrchy (26), kde uvedené povrchy přenášejí část spojeného světla zatímco druhá část světla je odražena vně světlem propustné podložky (20), vyznačující se tím , že obsahuje optický prostředek (16) pro spojení světla dovnitř světlem propustné podložky (20) po dopadu světla kjeho zachycení hlavními povrchy (26) úplným vnitřním odrazem.

- 16CZ 302883 B6
2. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrchy (22) sčástečným odrazem nejsou souběžné s hlavními povrchy (26) světlem propustné podložky (20).
3. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní povrchy (26) jsou 5 vzájemně souběžné.
4. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prostředek je umístěn ve světlem propustné podložce (20).

i o
5. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prostředek (16) obsahuje alespoň jeden světlo odrážející povrch.
6. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prostředek (16) obsahuje alespoň jeden povrch, který je orientován v úhlu křížící alespoň jeden z hlavních

15 povrchů (26).
7. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prostředek (16) je umístěn na hlavním povrchu (26).

20
8. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prostředek (16) zahrnuje alespoň jeden hranol.
9. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje druhé povrchy (22') s částečným odrazem pro rozšíření bočního rozsahu spojeného světla, přičemž tyto

25 povrchy (22') s částečným odrazem jsou vzájemně souběžné a nejsou souběžné s prvními plochami (22) s částečným odrazem světla.
10. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje zdroj elektronického displeje pro vytváření Fourierovy transformace požadovaného vyobrazení, v jeho

30 rovině.
11. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje zrcadlo ze světlo emitujících diod tvořící světelný zdroj, přičemž tento světelný zdroj je spojen ve světlem propustné podložce (20) skrz její okraj.
12. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že světlem propustná podložka (20) je složena z hranolů.
13. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že na alespoň Části jednoho 40 nebo více uvedených ploch nebo okrajů světlem propustné podložky (20) jsou aplikovány optické povlaky (144) pro docílení jednotného vnějšího pohledu.
14. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje alespoň jednu půlvlnnou destičku (52) vloženou do optické dráhy světla.
15. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje zrcadlo alespoň dvou odrazných ploch umístěné vně světlem propustné podložky (20).
16. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že světlem propustná pod50 ložka (20) sestává z několika částečných podložek (20) kombinovaných k vytvoření optického systému.
17. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní povrchy (26) světlem propustné podložky (20) jsou pokryta nejednotným povlakem.

- 17CZ 302883 B6
18. Optické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že odrazivost každého z povrchů (22) s částečným odrazem se lisí pro horní část (46) a spodní část (50).