ES2244792T3 - Dispositivo y procedimiento para la proyeccion por laser de imagenes de alta resolucion sobre la retina del ojo, superpuesta con el contenido de imagen del campo de vision. - Google Patents

Abstract

Procedimiento óptico para proyectar datos de imagen electrónicos, por ejemplo de imágenes de video, mediante una disposición óptica sobre la retina (11) del ojo del observador con el cristalino (10), en el que todos los rayos de luz, que inciden en la retina del ojo en un punto de imagen, a) pasan por una óptica correctora (5), a través de la cual es producido un haz de rayos convergentes para penetrar en una abertura de entrada (1) de la disposición óptica, y a continuación recorren un espejo de desviación de dos ejes, o b) son producidos por una imagen primaria sobre una superficie de pantalla curvada y difusora (3), en la que los conos de luz dispersada divergente que parten de cada punto de imagen son focalizados por un sistema de lentes esféricas acromáticas (13) en haces de rayos convergentes que recorren una abertura de entrada (1) de la disposición óptica situada dentro del sistema de lentes esféricas acromáticas (13), son reflejados por un separador de rayos (8), se intersectan enun punto focal, a continuación inciden perpendicularmente sobre un espejo cóncavo (9), del que son reflejados total o parcialmente, pasan por el separador de rayos (8) y finalmente alcanzan una abertura de salida (2) de la disposición óptica, por lo que el sistema compuesto por el separador de rayos (8) y el espejo cóncavo (9) efectúa una reproducción de la abertura de entrada (1) en la abertura de salida (2), de manera que los rayos de luz de todos los puntos de imagen han de pasar por la retina (11) del ojo del observador a través de la abertura de entrada (1) y de la abertura de salida (2), situándose la lente (10) y la pupila del ojo del observador a una distancia S mayor o igual a cero delante de la abertura de salida (2).

Description

Dispositivo y procedimiento para la proyección por láser de imágenes de alta resolución sobre la retina del ojo, superpuestas con el contenido de imagen del campo de visión.

La invención se refiere a una disposición óptica y un procedimiento para la proyección de imágenes de vídeo mono- o policromáticas en la retina del ojo con la ayuda de un rayo de luz (por ejemplo, mezcla de rayos láser) modulado en la luminosidad de sus componentes de color, que a través de uno o varios espejos desviadores (escáneres de espejo) eléctricos gobernados, en su ángulo de desviación, es guiado bidimensionalmente en sobre la retina, para la formación nítida y secuencial de los puntos de imagen. Según su uso, únicamente se proyectará sobre la retina la imagen de vídeo (caso de utilización: gafas de vídeo), o bien la imagen de vídeo superpuesta con la imagen del campo visual del ojo del observador (caso de utilización: gafas de pilotos).

Según el estado actual de la técnica son conocidas diversas disposiciones ópticas para la resolución de este problema, por ejemplo:

1.

"Helmet-Mounted-Displays and Sights", Mordekhai Velger, Artech House, Boston/London, 1998.

2.

"Der Fernseher in der Brille", Elektronik S. 18,20, 1999.

3.

Pat. US nº 6 140 979, Microvision Inc, 31.10.2000. En todos los sistemas de proyección actuales, a consecuencia de los defectos de formación de la imagen óptica y de las disposiciones de estos sistemas, con frecuencia sólo se consigue en las diagonales de la imagen pequeños ángulos máximos de imagen de vídeo comprendidos entre 20-40º, con una nitidez de imagen que no es suficientemente satisfactoria. En el antecedente 2. se muestra, por ejemplo, la disposición clásica de la formación de una superficie de imagen con un espejo cóncavo sobre la retina del ojo. En el mismo está muy presente el defecto de apertura del espejo cóncavo y deteriora considerablemente la nitidez de la imagen en la retina. El trayecto de imagen se diferencia sensiblemente de la disposición básica de esta invención (véase disposición de la figura 1).

P.K. MANHART ET AL., "A COMPACT, SOLID SCHMIDT OPTICAL RELAY FOR HELMET MOUNTED DISPLAYS", PROCEEDINGS OF THE VIRTUAL REALITY ANNUAL INTERNATIONAL SYMPOSIUM, SEATTLE, SEPT. 18-22, 1993; NEW YORK, IEEE, US, BD. SYMP. 1, 18 de SEPTIEMBRE 1993, PAGINAS 234 ff., allí en especial la figura 3 muestra una disposición de Schmidt en la que se produce, por ejemplo mediante un tubo de rayos catódicos, una imagen primaria que se refleja mediante un separador de rayos contra un espejo cóncavo reflectante, recorriendo nuevamente el separador de rayos y desciende sobre la pupila del ojo del observador. Este telescopio de Schmidt usual posee un eje óptico que pasa perpendicularmente a través del centro de la placa de Schmidt por la abertura de entrada del telescopio. La placa de Schmidt está calculada de tal manera que para los rayos paraxiales corrige los errores de apertura del espejo esférico, y se produce un punto de imagen nítido en el eje óptico. Los rayos de entrada paralelos, que inciden oblicuamente respecto del eje óptico, recorren de todos modos también oblicuamente la placa de Schmidt, de manera que para estos rayos oblicuos la placa de Schmidt no puede corregir correctamente los errores de apertura del espejo esférico. Por tanto, una cámara de Schmidt tiene ciertamente una buena nitidez de imagen, pero a pesar de ello todavía presenta diferencias de nitidez entre el centro y el borde de la imagen.

El documento US 5.467.104, en especial la figura 3, muestra una unidad desviadora de dos ejes con dos espejos monoaxiales colocados uno detrás de otro, en la que está prevista una óptica entre el escáner horizontal y el vertical con el fin de producir un guiado satisfactorio del rayo y mantener dentro de límites las variaciones de color ópticas y pérdidas de nitidez.

Por tanto, es un objetivo de esta invención crear un sistema óptico que con un campo de imagen de vídeo y un campo visual superpuesto en las diagonales de la imagen consiga en cada caso hasta 60º de ángulo de imagen y a pesar de ello tenga una nitidez de imagen extremadamente elevada en los límites físicos de la óptica, es decir, que únicamente se vea limitada por la agudeza visual del ojo del observador y por el límite de difracción del rayo de luz (rayo láser). Se consigue este objetivo mediante un procedimiento según la reivindicación 1 y una disposición óptica según la reivindicación 11. En las reivindicaciones secundarias se expone ejecuciones ventajosas y en la siguiente descripción se explica la invención mediante algunos ejemplos y la correspondiente construcción óptica básica, su trayecto de los rayos y sus diversas variantes están representados esquemáticamente en las figuras 1 a 3.

En la figura 1 se muestra la disposición básica del sistema para la proyección con alta resolución de puntos de imagen sobre la retina (11) del ojo del observador. El ojo del observador está representado en las figuras 1 a 3 por una lente fina ideal (10) y una retina plana (11). Los rayos de luz (se muestra en cada caso tres rayos, el central y los dos rayos marginales) pertenecientes a un punto de imagen sobre la retina (11) pasan de forma convergente por la abertura de entrada (1) del sistema.

Con un ojo de observador de vista normal y una distancia del objeto virtual en una proyección de imagen infinita, la abertura de entrada (1) está alejada en el recorrido óptico R=2f del espejo cóncavo esférico (9) (f=distancia focal, R=radio del espejo cóncavo (9)), es decir, en un punto medio esférico virtual del espejo cóncavo (9) producido por un separador de rayos plano (8).

Los haces de rayos convergentes perteneciente a un punto de imagen en la retina que salen de la abertura de entrada (1) se reflejan mediante el separador de rayos (8) en el espejo cóncavo (9), cortándose en cada caso en un punto que se encuentra alejado en el recorrido óptico f=R/2 de la superficie del espejo cóncavo (9), e inciden pues divergentemente sobre el espejo cóncavo (9). El rayo central perteneciente a un punto de imagen de la retina incide en cada caso perpendicularmente sobre la superficie del espejo cóncavo esférico (9). En el mismo los haces de rayos se reflejan como rayos paralelos, pasan por el separador de rayos (8) y recorren la abertura de salida (2) que se encuentra en el punto medio esférico del espejo cóncavo (9) y que es la imagen de la abertura de entrada (1) producida por el espejo cóncavo (9) y el separador de rayos (8). Una vez que todos los rayos de luz pertenecientes a un punto de imagen en la retina discurran paralelamente entre el espejo cóncavo (9) y la abertura de salida (2) y su rayo central pase a través del punto medio esférico del espejo cóncavo (9), los respectivos haces de rayos de todos los puntos de imagen de la retina con respecto al espejo cóncavo (9) son haces de rayos paraxiales, independientemente de su ángulo de incidencia en el ojo del observador. Por consiguiente, el espejo cóncavo (9) tiene para los haces de rayos de todos los puntos de imagen de la retina el mismo error de apertura, y éste es muy pequeño debido a la baja relación de apertura (=diámetro del rayo/f).

El separador de rayos (8) permanece en el trayecto de rayos paralelo y ocasiona únicamente asimetría del rayo, pero no errores de curvatura del campo de la imagen o errores cromáticos en la imagen sobre la retina (11). El cristalino (10) se encuentra colocado típicamente en la abertura de salida (2) o ligeramente por delante a la distancia S (S mayor o igual que cero). Cuando es grande la sección transversal del rayo en la pupila de salida (2) y cuando S>0 es también posible la proyección de la imagen sobre la retina (11) al moverse el ojo, sin que sea necesaria una compensación del movimiento del ojo por el sistema de proyección.

Caso de que la imagen proyectada sobre la retina se superponga también con la imagen del campo de visión (caso de utilización: gafas de pilotos), entonces el espejo cóncavo (9) será realizado como espejo parcialmente transparente.

Para producir una distancia de objeto final virtual para la imagen de retina proyectada o para corregir la visión defectuosa del ojo del observador, se desplaza ligeramente la abertura de entrada (1) a lo largo de su eje óptico desde el punto medio esférico virtual del espejo cóncavo (9). Esto produce para el haz de luz reflejado por el espejo (9) la pequeña divergencia o convergencia de rayo necesaria del haz de luz antes de la entrada en el cristalino (10).

La figura 2 muestra una disposición típica para la proyección de imágenes de vídeo sobre la retina (11) del ojo del observador. Supongamos un rayo de luz mono- o policromático paralelo (por ejemplo, una mezcla de rayos láser) cuyas componentes de color son moduladas en su luminosidad por los datos de punto de imagen en serie de una señal de vídeo. Supongamos también un aparato de mando electrónico que a partir de las señales de sincronización de líneas y de imagen de la señal de vídeo o de otros datos de coordenadas de punto de imagen produce las señales de mando necesarias para gobernar, por ejemplo, un espejo desviador de dos ejes (escáner de espejo) cardánicamente suspendido (7), de manera que el rayo de luz para cada punto de imagen de la señal de vídeo sea desviado en el ángulo azimutal y de elevación necesario, de forma que el punto de imagen se forme en la retina (11) del ojo del observador en el lugar deseado en la imagen proyectada.

El rayo de luz paralelo, modulado corre desde el lugar de acoplamiento (14) eventualmente mediante un filtro de acoplamiento (4) a través de un sistema de convergencia de una o varias lentes (5) para producir el necesario haz de rayos convergentes, que es conducido eventualmente a través del espejo desviador (6) al espejo desviador (7) de dos ejes, eléctricamente gobernado, el cual está colocado en la abertura de entrada (1) del sistema de proyección. El espejo desviador (7) está representado en la figura 2 simultáneamente para tres posiciones angulares diferentes con los respectivos haces de rayos reflejados.

El sistema de lentes (5) produce la convergencia deseada del haz de rayos, pero puede asumir también la eliminación de los pequeños errores de reproducción del espejo cóncavo esférico (9), ya que estos errores en la disposición del sistema de proyección independientemente de la posición angular del espejo desviador (7) son iguales para todos los puntos de imagen de la retina.

Con el fin de permitir un movimiento del ojo, con bajas secciones del haz de rayos a través del cristalino (10) durante la proyección de imágenes de vídeo sobre la retina (11), se dispone alrededor del espejo desviador (7) en el plano de la abertura (1) un detector de luz de resolución local (12) (sensor de imagen o detector multisegmentos). El espejo cóncavo (9) reproduce sobre sí la superficie del ojo del observador. A partir de las señales del detector (12) se puede determinar la posición de la pupila del ojo del observador y producir así señales de mando eléctricas para motores de arrastre para elementos de ajuste bidimensionales, con los que se desplaza horizontal y verticalmente toda la disposición óptica, compuesta de los elementos (14), (4), (5), (6), (7), (12), (8), (9), de manera que la abertura de salida (2) (véase figura 1) siga la pupila movida del ojo del observador. Adicionalmente, a partir de las señales del detector (12) se puede medir también la intensidad de iluminación en la superficie del ojo, producida por el campo de visión observado a través del espejo cóncavo parcialmente transparente (9), y ajustar sobre la retina la necesaria luminosidad de proyección de la imagen de vídeo.

A partir de las señales del detector (12) se puede determinar también la dirección visual correspondiente del ojo del observador, lo que se puede utilizar para el servicio de menú gobernado por el ojo en la selección del contenido deseado de la proyección de imágenes de vídeo.

Para evitar el seguimiento de todo el sistema de proyección durante el movimiento del ojo son necesarias grandes secciones de rayo en el plano del cristalino (10). Esto puede conseguirse bien sea con un espejo desviador de gran superficie (7) en la figura 2, o según la figura 3 produciendo una imagen primaria sobre una superficie de la pantalla de imagen de dispersión (3), cuyos anchos conos de luz dispersada que parten de cada punto de imagen, son focalizados por un sistema de lentes (13) (por ejemplo, lente cónica acromática) en haces de rayos convergentes, cuyos puntos de intersección se sitúan sobre una superficie esférica con el radio R/2, y que se puede ver en la figura 3 desde una abertura virtual con gran sección transversal, que coincide con la abertura de entrada (1) del sistema de proyección según la figura 1. Por consiguiente, se reproduce la imagen primaria sobre la retina (11). En la figura 3 de manera aleatoria cada rayo central perteneciente a los puntos de imagen de la retina no discurre exactamente perpendicular a la superficie del espejo cóncavo (9). De esta manera son tolerables pequeñas desviaciones, sin gran pérdida de agudeza en la imagen sobre la retina (11).

La producción de la imagen primaria sobre la superficie de la pantalla de imagen (3) puede realizarse del siguiente modo:

1.

La imagen primaria se inscribe por un rayo de luz modulada en intensidad sobre la superficie (3) con ayuda de un sistema de espejo desviador de dos ejes (escáner de espejo).

2.

La superficie de la pantalla de imagen difusora (3) es la superficie de salida de una placa de fibra óptica, en cuyo lado de entrada la imagen primaria

a.

se inscribe por un rayo de luz modulada en su intensidad con ayuda de un sistema de espejo desviador de dos ejes (escáner de espejo),

b.

se acopla por un tubo de rayos catódicos, una pantalla de cristal líquido o de plasma,

y es conducida por las fibras conductoras de luz en el lado de salida (3) de la placa de fibras e irradiada de manera dispersa.

Claims (17)

1. Procedimiento óptico para proyectar datos de imagen electrónicos, por ejemplo de imágenes de vídeo, mediante una disposición óptica sobre la retina (11) del ojo del observador con el cristalino (10), en el que todos los rayos de luz, que inciden en la retina del ojo en un punto de imagen,

a)

pasan por una óptica correctora (5), a través de la cual es producido un haz de rayos convergentes para penetrar en una abertura de entrada (1) de la disposición óptica, y a continuación recorren un espejo de desviación de dos ejes, o

b)

son producidos por una imagen primaria sobre una superficie de pantalla curvada y difusora (3), en la que los conos de luz dispersada divergente que parten de cada punto de imagen son focalizados por un sistema de lentes esféricas acromáticas (13) en haces de rayos convergentes que recorren una abertura de entrada (1) de la disposición óptica situada dentro del sistema de lentes esféricas acromáticas (13),

son reflejados por un separador de rayos (8), se intersectan en un punto focal, a continuación inciden perpendicularmente sobre un espejo cóncavo (9), del que son reflejados total o parcialmente, pasan por el separador de rayos (8) y finalmente alcanzan una abertura de salida (2) de la disposición óptica, por lo que el sistema compuesto por el separador de rayos (8) y el espejo cóncavo (9) efectúa una reproducción de la abertura de entrada (1) en la abertura de salida (2), de manera que los rayos de luz de todos los puntos de imagen han de pasar por la retina (11) del ojo del observador a través de la abertura de entrada (1) y de la abertura de salida (2), situándose la lente (10) y la pupila del ojo del observador a una distancia S mayor o igual a cero delante de la abertura de salida (2).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el rayo central perteneciente a cada punto de imagen en la retina (11) del ojo del observador, es decir, el rayo que discurre en cada caso por el centro de la abertura de salida (2), desde la abertura de entrada (1) incide perpendicularmente o casi perpendicularmente en el espejo cóncavo (9).

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza un espejo cóncavo esférico (9), y los rayos de luz convergentes, pertenecientes a un punto de imagen sobre la retina (11) desde la abertura de entrada (1) se intersectan antes de alcanzar el espejo cóncavo esférico (9) cuyo radio esférico es R, en un punto que

(a)

para un ojo de observador con vista normal la distancia óptica R/2 está alejada de la superficie del espejo (9),

(b)

una distancia óptica está alejada escasamente más o menos de R/2 de la superficie del espejo (9), con el fin de producir la necesaria divergencia o convergencia de rayos en la abertura de salida (2) que se necesita para corregir la deficiencia visual del ojo del observador para formar una imagen nítida en la retina (11).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el espacio libre que rodea a la abertura de entrada (1) se ha dispuesto un detector de luz de resolución local (12), por ejemplo, un sensor de imagen o detector multisegmentos, en el que se reproduce total o parcialmente la superficie del ojo a través del separador de rayos (8) y espejo (9), de manera que a partir de las señales del detector (12), cuando se mueve el ojo del observador, se producen señales de mando para motores de regulación que desplazan toda la disposición óptica compuesta por los componentes (14), (4), (5), (6), (7), (12), (8), (9) de manera que la abertura de salida (2) siga el movimiento de la pupila del ojo del observador.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un rayo de luz mono- o policromático, por ejemplo, una mezcla de rayos láser de diferente color, que se modula secuencialmente en la intensidad de sus componentes de color en el contenido de los puntos de imagen individuales de una señal de vídeo, atraviesa un sistema óptico de una o varias lentes (5) para producir la necesaria convergencia del rayo en la abertura de entrada (1), y el rayo de luz es desviado entonces en dos ejes de giro por un sistema desviador de espejo (7), colocado en la abertura de entrada (1), siendo gobernado el sistema desviador de espejo (7) por señales eléctricas de manera que el rayo de luz sea desviado para cada punto de imagen en el ángulo necesario, con el fin de que en la construcción de la imagen sobre la retina (11) cada punto de imagen se focalice en el lugar deseado dentro de la imagen sobre la retina (11).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la imagen a proyectar sobre la retina (11) del ojo del observador es producida primeramente sobre una superficie de pantalla difusora (3) que está realizada como vidrio esmerilado o lado de salida de una placa de fibras.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4 y 6, caracterizado porque el plano principal en el lado de salida del sistema de lentes esféricas acromáticas (13) se sitúa en la abertura de entrada (1) de la disposición óptica.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la imagen primaria se escribe en el lado frontal o posterior de la superficie de pantalla difusora, eventualmente transparente (3) por un espejo desviador de dos ejes con un rayo de luz mono- o policromático, por ejemplo, un escáner de espejo.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque a partir de las señales del detector de luz de resolución local (12) se determina la intensidad de iluminación de la superficie del ojo y según este valor de medida se ajusta la luminosidad deseada de la proyección de imágenes de vídeo.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque a partir de las señales del detector de luz (12) se determina la dirección visual del ojo del observador y observando diferentes campos angulares, definidos en la proyección de vídeo como "teclas de menú ópticas", el observador puede influir en el contenido de imágenes de vídeo proyectadas mediante el control de los ojos.

11. Disposición óptica para la proyección de datos de imagen electrónicos, sobre la retina (11) del ojo del observador con el cristalino (10), cuya disposición presenta los siguientes componentes,

a)

una óptica correctora (5), a través de la cual es producido un haz de rayos convergentes para penetrar en la abertura de entrada (1) de la disposición, y un espejo desviador de dos ejes que sigue en el trayecto de los rayos,

b)

una superficie de imagen curvada y difusora (3) para producir una imagen primaria, y un sistema de lentes cónicas sucesivas, acromáticas (13) para focalizar el cono de luz de dispersión divergente que parte del punto de luz de la superficie de pantalla a través de la abertura de entrada (1) de la disposición en haces de rayos convergentes,

un separador de rayos (8) posconectado en el trayecto de los rayos para reflejar los rayos de manera que se intersecten en un punto focal, un espejo cóncavo sucesivo (9) que está realizado/dispuesto de manera que los rayos incidan sobre el mismo de forma perpendicular o casi perpendicular y sean después total o parcialmente reflejados sobre el separador de rayos (8), y una abertura de salida (2) de la disposición, en el que el sistema compuesto por el separador de rayos (8) y el espejo cóncavo (9) está realizado/dispuesto de manera que efectúe una reproducción de la abertura de entrada (1) en la abertura de salida (2) de la disposición de forma que los rayos de luz recorran todos los puntos de imagen sobre la retina (11) del ojo del observador a través de la abertura de entrada (1) y la abertura de salida (2).

12. Disposición según la reivindicación 11, caracterizada porque el espejo cóncavo (9) consiste en un espejo esférico y la abertura de salida (2) se encuentra en el punto medio esférico del espejo cóncavo (9).

13. Disposición según la reivindicación 11 ó 12, caracterizada porque en el espacio libre existente alrededor de la abertura de entrada (1) se ha dispuesto un detector de luz de resolución local (12), en el que se reproduce total o parcialmente la superficie del ojo por medio del separador de rayos (8) y el espejo (9), cuyo detector de luz está previsto para producir las señales de mando para motores de regulación, los cuales desplazan toda la disposición óptica, compuesta por los componentes (14), (4), (5), (6), (7), (12), (8), (9), de manera que la abertura de salida (2) siga el movimiento de la pupila del ojo del observador.

14. Disposición según una de las reivindicaciones 11 a 13 para el tratamiento de un rayo de luz mono- o policromático o haz de rayos de luz que es modulado secuencialmente en la intensidad de sus componentes de color por el contenido de los puntos de imagen individuales de una señal de vídeo, caracterizado por un sistema óptimo de una o varias lentes (5) para producir la exigida convergencia del rayo en la abertura de entrada (1), y un sistema desviador de espejo, por ejemplo escáner de espejo (7), que está colocado en la abertura de entrada (1) y es desviable alrededor de dos ejes de giro.

15. Disposición según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizada porque la superficie de pantalla difusora (3) es el lado de salida de una placa de fibras en cuyo lado de entrada se puede escribir la imagen primaria con uno de los siguientes sistemas productores de imagen:

a)

tubos de rayos catódicos, con placa de fibras integrada,

b)

pantalla de cristal líquido iluminada,

c)

pantalla de plasma,

d)

rayo de luz desviado por un espejo desviador de dos ejes (escáner de espejo)

16. Disposición según la reivindicación 15, caracterizada porque la placa de fibras posee en la entrada y en la salida superficies curvadas.

17. Disposición según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizada porque el espejo cóncavo (9) consiste es un espejo esférico parcialmente transparente para superponer la imagen de vídeo proyectada sobre la retina (11) con el campo de visión que es observado por el ojo del observador a través del espejo parcialmente transparente (9).