ES2295807T3

ES2295807T3 - Aparatos opticos, en especial para la observacion a distancia.

Info

Publication number: ES2295807T3
Application number: ES04405568T
Authority: ES
Inventors: Yaakov Amitai
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: EP1515173B1; WO2005024485A1; DE602004009258T2; ATE374955T1; DE602004009258D1; EP1515173A1; WO2005024485B1; US7021777B2; IL157836A; US20050078388A1

Abstract

Aparato óptico para transmitir luz dentro de un campo de visión dado, el cual comprende: Una abertura de entrada (20) para la entrada de las ondas luminosas al aparato; Una abertura de salida, situada de forma alejada de la referida abertura de entrada (20) y de tal manera, que las ondas luminosas -que se encuentran dentro del campo de visión y que entran en el aparato óptico a través de la mencionada abertura de entrada (20)- puedan salir del aparato óptico por la referida abertura de salida; Una parte central, que se extiende entre las referidas aberturas de entrada y abertura de salida de tal modo, que los rayos de luz puedan atravesar esta parte central desde la abertura de entrada hacia salida sin ninguna reflectancia; como asimismo comprende este aparato: Unas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b; 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b), representando las referidas superficies de reflexión por lo menos una pareja de superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b); Aparato éste que está caracterizado porque: Por cada una de las parejas -ó por lo menos por una pareja- una primera de las referidas superficies de la pareja está dispuesta en un primer lado de la mencionada parte central, mientras que una segunda de las referidas superficies de esta pareja está situada en un segundo lado de la mencionada parte central, de forma opuesta al primer lado; Cada una de las referidas parejas -ó por lo menos una pareja- de las superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) está dispuesta con un determinado ángulo en relación con el eje óptico; así como Una primera superficie de la mencionada pareja de superficies de reflexión paralela es convergente hacia el referido eje óptico, mientras que una segunda superficie de esta pareja de superficies de reflexión paralelas es divergente desde el eje óptico y en dirección de la abertura de salida, con lo cual una parte de las referidas ondas luminosas -que están situadas dentro del mencionado campo de visión y que entran en el aparato a través de la abertura de entrada (20)pasa directamente hacia la abertura de salida, sin ser reflejada por la referida pareja de las superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 60a, 60b), mientras que otra parte de las ondas luminosas -que se encuentran dentro del mencionado campo de visión y que entran en el aparato a través de la abertura de entrada (20)- llega a la abertura de salida después de haber sido reflejada dos veces por la referida pareja de superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b).

Description

Aparatos ópticos, en especial para la observación a distancia.

Campo de aplicación

La presente invención se refiere a los aparatos ópticos y, en especial, a los aparatos mediante los cuales un objeto puede ser observado a distancia, con un amplio campo de visión (Field Of View - FOV), y en los que el sistema de apertura está delimitado por varias restricciones.

La presente invención puede ser implementada, de una manera conveniente, con un gran número de aplicaciones de la imagen como, por ejemplo, en forma de periscopios y como unos visualizadores, portados en la cabeza, ó visualizadores de colocación en partes superiores ó techos.

Fundamentos de la invención

Existen distintas aplicaciones en las cuales es necesaria una observación a distancia; primero, cuando el objeto, que ha de ser observado, se encuentra dentro de un entorno hostil para el observador y, segundo, al ser el objeto inaccesible para el observador, por no querer originar un daño inaceptable al entorno del objeto. Los periscopios para unas aplicaciones militares pertenecen al primer campo, mientras que los endoscopios, los colonoscopios, los laringoscopios así como los otoscopios -todos ello para aplicaciones médicas- pertenecen al segundo campo. Un tipo adicional representan los sistemas para formar unas imágenes con penetración de la vista como, por ejemplo, en los visualizadores portados en la cabeza (HMD) ó Head Mounted Displays) y en los visualizadores, colocados en partes superiores ó en techos, en los cuales el combinador óptico está situado en frente del ojo del observador, mientras que la fuente de visualización se encuentra situada a una determinada distancia, con el fin de impedir el bloqueo de la visión externa. Para cada una de estas aplicaciones se precisa una instrumentación para recoger la luz del objeto, para transportar la luz hacia un lugar más favorable para la observación así como para dispensar la luz sobre los instrumentos de observación ó sobre el ojo del observador. Hoy en día están siendo aplicadas, de forma general, varias técnicas para el transporte de imágenes. Un posible método de transporte consiste en tomar la imagen con una cámara y transportar los datos electrónicamente hacia una fuente de visualización, que luego proyecta la imagen.

Lamentablemente, y de forma adicional a unos costos relativamente elevados del sistema electrónico, la resolución -tanto de la cámara como de la fuente de visualización- es normalmente inferior en comparación con la resolución del ojo humano. Otro procedimiento consiste en transportar el patrón de luz mediante un haz de fibras ópticas coherentes. Este método sin embargo, es solamente apropiado para los sistemas con unas aperturas ó aberturas muy pequeñas. Además, la resolución de un haz de fibras ópticas es incluso inferior a la resolución del anteriormente mencionado sistema electrónico para formar imágenes. Un procedimiento alternativo consiste en transportar el patrón de luz mediante una lente de repetición ó con una serie de lentes de repetición. Si bien el procedimiento, mencionado en último lugar, es el método más empleado para muchas aplicaciones y puede proporcionarle al usuario una imagen nítida y luminosa, el mismo tiene, sin embargo, todavía algunos inconvenientes. En primer lugar, el módulo óptico resulta ser complicado y costoso, sobre todo para los sistemas ópticos que requieren una prestación más elevada.

La Patente Alemana Núm. DE-AS 1 422 172 (C.W. Kopperschmidt) revela un periscopio, que consiste en un prisma rómbico de 45 grados. La configuración del cuerpo principal del periscopio comprende unas biseladas superficies inferiores y superiores, con unos recubrimientos reflectantes. Las ondas de luz entran en el cuerpo principal por una abertura de entrada, prevista en una de las caras longitudinales, y las ondas salen del cuerpo principal a través de una abertura de salida, situada por la cara longitudinal opuesta. Por detrás de estas aberturas, el cuerpo principal está provisto de las superficies de reflexión consistentes en unos cristales de espejo, ligeramente transparentes y orientados de forma paralela al eje óptico del dispositivo. Todas las ondas de luz entran en el cuerpo principal por pasar por una primera de las referidas superficies de reflexión; las ondas luminosas son reflejadas en forma de arco por la superficie superior, para luego salir del cuerpo principal por la segunda de las mencionadas superficies de reflexión, después de haber sido reflejadas por la superficie inferior, algunas de las ondas luminosas son sometidas a dos reflexiones adicionales, golpeando la cara interior de las superficies de reflexión, previstas por las aberturas. Este periscopio suministra dos imágenes -una imagen del remoto campo de visión y la otra del campo de visión más cercano- que pueden ser percibidas de forma separada entre si.

Sin embargo, muchas veces no es deseado que de unos distintos campos de visión sean formadas unas imágenes por separado. Además, para obtener un determinado incremento en el campo de visión, es necesaria cierta longitud mínima del periscopio revelado.

Revelación de la invención

La presente invención facilita la estructura y la fabricación de unos módulos ópticos muy sencillos y de altas prestaciones - para los periscopios, aparte de otras aplicaciones. La invención permite obtener unos sistemas de un campo de visión FOV relativamente amplio manteniendo estos módulos, no obstante, de una forma compacta y sencilla. El sistema óptico, ofrecido por la presente invención, es especialmente conveniente, teniendo en cuenta que el mismo puede ser incorporado fácilmente en los sistemas ópticos, incluso en los sistemas de unas configuraciones especiales.

La presente invención facilita, asímismo, la construcción de unos perfeccionados visualizadores de colocación superior para los aviones, al igual que para los vehículos de tierra, en los que estos visualizadores pueden ayudarle al piloto ó al conductor en las tareas de navegación y de conducción, respectivamente. Desde luego, los visualizadores de colocación superior del estado de la técnica tienen desventajas significativas. Como quiera que la detención del sistema -la que normalmente está situada en la superficie exterior de la lente de colimación- se encuentra posicionada de forma alejada de los ojos del observador, resulta que el campo de visión visión instantáneo (IFOV) queda reducido de una manera importante. Por consiguiente, con el fin de conseguir un campo de visión instantáneo IFOV más conveniente, es necesaria una gran lente de colimación,de no ser así se obtiene un más pequeño campo de visión instantáneo IFOV. Como consecuencia, los actuales sistemas visualizadores de colocación superior son tanto engorrosos como grandes; requieren un espacio considerable para su instalación, lo cual es un inconveniente más, y los mismos son, a veces, poco fiables ó adolecen de unas limitadas prestaciones.

Una aplicación importante de la presente invención se refiere a la implementación de la misma en un compacto visualizar de colocación superior, la cual alivia los inconvenientes anteriormente mencionados. Según el diseño del visualizador de colocación superior de la presente invención, el volúmen total del sistema queda reducido de una manera significativa siendo mantenido, no obstante, el campo de visión total TFOV, que puede ser obtenido. Por consiguiente, el sistema es -en su conjunto- muy compacto y puede ser instalado fácilmente en una gran variedad de configuraciones así como para una amplia gama de usos.

Otra aplicación más de la presente invención proporciona una visualización más compacta, con un amplio campo de visión, para los visualizadores llevados en la cabeza (HMD); aplicación esta en la cual el módulo óptico es empleado tanto como la lente de la imagen como asimismo como el combinador óptico, y se toman a la infinidad la las imágenes de una visualización bidimensional, las que luego son reflejadas al interior del ojo de un observador. La visualización puede ser obtenida directamente, sea desde un tubo de rayos catódicos (CRT) ó desde un visualizador de cristal líquido (LCD) ó de forma indirecta, por medio de una lente de repetición ó mediante un haz de fibras ópticas. Por regla general, la visualización se compone de una serie de puntos, enfocada a la infinidad por una lente de conlimación y transmitida al interior del ojo del observador por medio de una superficie de reflexión parcial, que actúa como el combinador óptico. Para estas finalidades es empleado normalmente un módulo óptico convencional de de espacio libre. Lamentablemente, al ser incrementado el deseado campo de visión FOV del sistema, este módulo óptico se hace, sin embargo, más pesado, más engorroso y muy complicado en su uso. Esto representa un gran inconveniente en las aplicaciones de visualizadores montados en la cabeza, en las que el sistema debería de ser lo más ligero y lo más compacto posible.

Existen aún más inconvenientes en los sistemas actuales. Por lo general, los sistemas ópticos son, en su conjunto muy complicados y difíciles de fabricar con estos diseños.

Además la caja ó cavidad de movimiento del ojo de los ángulos ópticos de visión, la cual resulta de estos diseños, es normalmente muy pequeña, por regla general, es la misma inferior a 8 mms. Por consiguiente, la prestación del sistema óptico es muy sensible, incluso a unos pequeños movimientos del visor en relación con el ojo del observador.

La presente invención facilita la estructura y la fabricación de unos muy compactos visualizadores llevados en la cabeza ó HMDs. La invención permite unos campos de visión FOV bastante amplios, conjuntamente con unos valores relativamente elevados de la cavidad de movimiento del ojo EMB. El resultante sistema óptico ofrece una gran imagen de alta calidad, que permite también unos movimientos más largos del ojo.

Para todas las potenciales aplicaciones, la presente invención resulta especialmente conveniente para unas configuraciones del tipo con sustrato, es decir, para una configuración que comprende un sustrato transmisor de luz que posee por lo menos dos superficies mayores y bordes; con los medios ópticos para acoplar la luz -procedente del módulo de formar la imagen- al interior del sustrato a través de una completa reflexión interna; como asímismo posee esta configuración por lo menos una superficie de reflexión parcial, que esta ubicada dentro del sustrato para acoplar la luz sobre el ojo del observador. La combinación de la presente invención con una configuración del tipo con sustrato puede conseguir un sistema óptico conveniente y muy compacto, en conjunto con un amplio campo de visión instantáneo IFOV y con una más apila cavidad de movimiento del ojo.

Por este motivo, el principal objeto de la presente invención consiste en aliviar los inconvenientes de los dispositivos ó aparatos ópticos del estado de la técnica, en particular de los dispositivos visualizadores de una observación a distancia, así como en proporcionar unos aparatos ópticos y sistemas con unas perfeccionadas prestaciones. La presente invención queda definida, básicamente, por la reivindicación de patente 1), y la misma proporciona un aparato óptico para transferir la luz, que está dentro de un determinado campo de visión; este aparato comprende una abertura de entrada para que las ondas luminosas puedan entrar en el mismo; comprende unas superficies de reflexión; una abertura de salida, situada a una determinada distancia de la referida abertura de entrada; como asímismo comprende este aparato un eje óptico, que se extiende entre la mencionada abertura de entrada y la referida abertura de salida, de tal manera que las ondas luminosas que se encuentran dentro del campo de visión y que entran en el aparato óptico por medio de la mencionada abertura de entrada - puedan salir del aparato óptico a través de la referida abertura de salida, estando las mencionadas superficies de reflexión constituidas por al menos una pareja de unas superficies de reflexión paralelas; de la referida y por lo menos una pareja de estas superficies, una primera superficie está situada por el primer lado del mencionado eje óptico, mientras que la segunda de las referidas superficies de esta pareja está situada por el segundo lado del mencionado eje óptico, de forma opuesta al mencionado primer lado. Cada pareja de las referidas superficies de reflexión paralelas está dispuesta, con respecto al mencionado eje óptico, a un ángulo tal que una primera superficie de la referida pareja de las superficies de reflexión paralelas esté convergente hacia el eje óptico, mientras que una segunda superficie de la mencionada pareja de superficie de reflexión paralelas esté divergente desde el eje óptico en dirección hacia la abertura de salida. Una parte de las referidas ondas de luz -que se encuentran dentro del mencionado campo de visión y que entran por la abertura de entrada- pasan directamente hacia la abertura de salida, sin ser reflejadas por al menos una de las parejas de las superficies de reflexión paralelas, mientras que otra parte de las ondas luminosas, que se encuentran dentro de este campo de visión y que entran a través de la abertura de entrada, estas onda, pues, alcanzan la abertura de salida después de haber sido reflejada dos veces por al menos una pareja de las superficies de reflexión paralelas. Por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión paralelas está dispuesta a un determinado ángulo en relación con el eje óptico del aparato.

Breve descripción de los planos

La presente invención está descrita en relación con determinadas formas preferidas para la realización, haciendo para ello referencia a las siguientes Figuras ilustrativas, por lo que la invención puede ser comprendida por completo.

Con especial referencia a estas detalladas Figuras, se quisiera hacer constar aquí que las particularidades de las mismas se indican solamente a título de ejemplo y al objeto de describir las preferidas formas de realización de la presente invención y se presentan estos detalles con el fin de aportar lo que se cree sea la descripción más útil y más comprensible de los principio de la invención y de los aspectos de su concepción. En relación con ello, no se hace ningún intento para indicar los detalles estructurales de la invención más allá de lo estrictamente necesario para una comprensión fundamental de la invención. Las descripciones, efectuadas en relación con los planos adjuntos, han de servir como guía para las personas -familiarizadas con este ramo técnico- de cómo pueden ser llevadas a la práctica las distintas formas de realización de la invención.

En estos planos:

La Figura 1 muestra una vista lateral de la forma más sencilla de la estructura de un periscopio según el estado de la técnica;

La Figura 2 indica un diagrama, que representa el diseño óptico no refraccionado de la estructura de un periscopio según el estado de la técnica;

La Figura 3 muestra la vista lateral de un aparato óptico refraccionado del tipo con sustrato para los visualizadores de colocación superior HUD y los visualizadores llevados en la cabeza HMD según el estado de la técnica;

La Figura 4 indica un diagrama que representa un diseño óptico según la presente invención, el cual emplea dos parejas de espejos de reflexión paralelos para conseguir un más amplio campo de visión FOV;

La Figura 5 muestra un diagrama, que representa un aparato óptico refraccionado del tipo con sustrato para los visualizadores HUD y HMD, conforme a la presente invención; mientras que

Las Figuras 6A y 6B representan, respectivamente, la vista lateral y la vista en planta de un aparato óptico conforme a la presente invención, indicándose la forma en la que las ondas de luz están siendo acopladas al interior de un elemento del tipo con sustrato.

Descripción detallada de unas preferidas formas de realización

Los sistemas ópticos de observación a distancia, en particular los periscopios, son unos sistemas ópticos diseñados para puentear el punto de referencia del espacio del objeto con el punto de referencia del espacio del ojo. Esto le permite al observador ver por encima ó alrededor de un obstáculo, dispuesto por medio, ú observar los objetos en un lugar ó un entorno peligroso, mientras que el observador se encuentra en un lugar ó en un entorno más seguro. El periscopio de un submarino es un ejemplo típico; no obstante, también pueden ser enfocadas otras aplicaciones, tanto de uso militar como de uso civil.

La Figura 1 indica la forma más sencilla de un periscopio 2 del estado de la técnica, el cual posee una pareja de elementos ópticos, 4 y 6 como, por ejemplo, una pareja de espejos de refracción que son empleados para permitir al observador ver por encima de un obstáculo cercano. La geometría básica de esta forma de realización establece unas limitaciones en las prestaciones del sistema. Esto se refiere especialmente a los sistemas con un muy amplio campo de visión FOV y con una restricción en la distancia, l, entre el elemento óptico de refracción de entrada 4 y el elemento óptico de refracción de salida 6.

La Figura 2 muestra un sistema óptico, sin refracción, con los parámetros siguientes: l = 400 mms, R_{eye(ojo)}; la distancia entre el ojo del observador ó, mejor aún entre la caja ó cavidad de movimiento del ojo (EMB) 8 y la abertura de salida 10, es de 60 mms; la cavidad de movimiento del ojo EMB 8 es de 50 mms, mientras que el deseado campo de visión vertical es de 42 grados. Al ser trazados los rayos procedentes de la cavidad EMB 8, se puede apreciar que la luz pasa, a través de la proyección de la cavidad de movimiento del ojo EMB, sobre la abertura de salida 10, representando las referencias 12, 14 y 16 las proyecciones de los ángulos superior, central e inferior, respectivamente, del campo de visión FOV. Esto quiere decir que, para obtener el deseado campo de visión FOV, la necesaria abertura de entrada 18 ha de ser de 325 mms. Esta es una abertura relativamente grande, que necesariamente hace aumentar el tamaño del sistema en su conjunto. Al ser empleada, sin embargo, una abertura de entrada más pequeña 20, con solamente 200 mms, el campo de visión vertical FOV 22, que puede ser obtenido, se reduce a 23 grados, lo cual es casi la mitad del campo de visión deseado.

El procedimiento más usual para conseguir tanto una abertura pequeña como un campo de visión amplio consiste en transmitir el patrón de luz desde la abertura de refracción de entrada hacia el interior de la abertura de refracción de salida, y esto a través de una lente de repetición ó de una serie de lentes de repetición, que normalmente tiene una unidad de amplificación. Mientras que este método es empleado para muchas aplicaciones y le puede proporcionar al usuario normalmente una imagen nítida y luminosa el método tiene sin embargo, todavía alguno inconvenientes, en especial para los sistemas en los cuales se requieren unas elevadas prestaciones. En primer lugar, es deseable reducir al mínimo el número de las fases de repetición dentro de la serie de repeticiones, tanto para aumentar la transmitancia como para reducir al mínimo la curvatura del campo, la cual se produce por el elevado número de lentes positivas. En segundo lugar, el diámetro exterior de la serie de repeticiones es normalmente limitado, lo cual puede establecer algunas limitaciones graves para el diseño óptico del sistema. En tercer lugar, unas consideraciones económicas hacen que sea deseable reducir al mínimo el número total de los elementos ópticos. En cuarto lugar, es conveniente mantener las imágenes internas bien separadas de aquellas superficies ópticas, en las cuales el polvo y unos rasguños pueden poner oscuras algunas partes de la imagen, lo cual complica, sin embargo, el diseño mecánico así como la fabricación del aparato. En quinto lugar, la cantidad de las fases de repetición ha de ser de un número impar ó de un número par para asegurar la deseada orientación de salida de la imagen, lo cual representa un añadido o la complejidad del diseño óptico. Visto en su conjunto, los sistemas ópticos actuales ó son pesados, engorrosos y caros ó bien ofrecen unas prestaciones pobres.

Por consiguiente, al ser diseñado un sistema óptico de observación a distancia, normalmente ha de ser encontrado un compromiso entre unas buenas prestaciones, por una parte, y un tamaño compacto y un reducido costo, por la otra parte.

La Figura 3 indica el esquema de una convencional forma de disposición óptica de refracción -tanto para los visualizadores expuestos en una parte superior, HUD_{S}, como para los visualizadores llevados en la cabeza HMDS_{s}- en la cual el sistema óptico 2 está siendo iluminado por una fuente de visualización 24. La visualización ó la imagen es colimada por una lente de colimación 26. La luz, procedente de la fuente de visualización 24, es refractada por un primer elemento óptico de reflexión 4, mientras que un segundo elemento óptico de reflexión 6 refracta la luz saliente hacia el interior de la cavidad de movimiento del ojo EMB 8 de un observador. A pesar de lo compacto de esta configuración, la misma tiene, sin embargo, unos inconvenientes significativos, sobre todo tiene un reducido campo de visión FOV. Tal como esto puede ser apreciado en la Figura, el máximo ángulo de desplazamiento de eje permitido a dentro del sustrato es según la fórmula

(1)\alpha_{max} = arctan \left(\frac{T - d_{eye(ojo)}}{2l}\right)

en la que T indica el espesor del sustrato;

d_{eye(ojo)} representa el deseado diámetro de salida de la pupila, mientras que l representa la distancia entre los elementos de reflexión, 4 y 6.

Esta configuración esquematizada es aplicable tanto para los visualizadores de parte superior HUD_{S} como para los visualizadores llevados en la cabeza HMD_{S} y solamente la escala es diferente, es decir, las distancias para los visualizadores HUD_{S} son del orden de unas pocas centésimas de milímetro, mientras que las distancias para los visualizadores HMD_{2} son del orden de unas pocas décimas de milímetro. Sin embargo, en ambos casos existe la limitación de que el combinador óptico ha de estar situado por delante de los ojos del observador, mientras que la fuente de visualización y la lente de colimación deben estar dispuestas más lejos para evitar un bloqueo con el escenario exterior.

La Figura 4 indica, conforme a la presente invención, una solución a este problema.

En lugar de emplear una sencilla caja rectangular, dos de los bordes horizontales del cuerpo mecánico de un periscopio convencional están sustituidos por dos parejas de superficies de reflexión paralelas, 28a, 28b y 30a, 30b, respectivamente. Las superficies de reflexión 28a y 30a son convergentes entre si, mientras que las superficies de reflexión 28b y 30b son divergentes entre si en dirección de la abertura de salida 20. Estas dos parejas constituyen una superficie continua; concretamente los bordes de las superficies 30a y 28b y de las superficies 28a y 30b, respectivamente, entran en contacto entre si para formar dos superficies contiguas en su vista de sección transversal en la configuración de una pajarita.

Tal como puede ser apreciado, la parte central del aparato es un medio de espacio libre, y los rayos atraviesan este medio desde la abertura de entrada hasta la abertura de salida 20 sin ninguna reflectancia.

Mientras que la parte central del campo de visión FOV es proyectada directamente a través de la abertura 20. Tal como indicado en la Figura 2, los rayos procedentes de la parte inferior del campo de visión FOV son reflejados desde la superficies, 28a y 28b, y los rayos procedentes de la parte superior del campo de visión FOV son reflejados desde las superficies, 30a y 26b. Teniendo en cuenta que los rayos, que entran en la cavidad de movimiento del ojo EMB 8, ó están pasando directamente desde la abertura de entrada ó bien reflejados dos veces desde una pareja de superficies paralelas, está siendo mantenida la dirección original de cada rayo, y no queda afectada la imagen original. Según puede ser observado, la imagen de entrada en la cavidad de movimiento del ojo EMB 8 se compone de tres partes: Una parte central de las ondas ópticas, la cual no está siendo reflejada por ninguna de las parejas de superficies de reflexión paralelas, y dos partes laterales que son reflejadas dos veces por las superficies 28a, 28b; 30a, 30b. Estas tres partes tienen que ser combinadas entre si de manera apropiada para formar una imagen refinada en los ojos del observador, sin ninguna raya ni imagen fantasma.

A efectos de una simplificación, la dirección de los rayos es invertida desde la cavidad de movimiento del ojo EMB 8 hasta la abertura de entrada 10. Cada rayo, que es reflejado por las superficie, 28a y 30b, es también reflejado por la superficie 28b y, respectivamente, por la superficie 30a antes de que el mismo choque con la abertura de salida 20. Para confirmar esto, es suficiente comprobar el recorrido de dos rayos: El rayo marginal del ángulo extremo 32 del campo de visión FOV, el cual incide en la superficie 28a por el punto 34, tiene que incidir en la superficie 28b más allá de su intersección con la superficie 30a, mientras que el rayo marginal 36, que en la superficie 28a incide cerca de su intersección 38 con la superficie 30b, tiene que incidir en en la superficie 28b antes de que el mismo se cruce con la abertura de entrada 20. Como quiera que los dos rayos cumplen este requisito, resulta que todos los rayos -procedente del campo de visión FOV, los cuales inciden en la superficie 28a- incidirán necesariamente también en la superficie 28b. Por consiguiente, al ser de nuevo invertida la dirección de los rayos, un rayo -que está situado dentro del campo de visión FOV y que incide en la cavidad de movimiento del ojo EMB con un determinado ángulo dentro del campo de visión- entra necesariamente con el mismo ángulo de abertura de entrada. El presente ejemplo está previsto para un campo de visión FOV de 42 grados y con una abertura de entrada 20 significativamente reducida de
180 mms.

Es evidente que en los casos en los que la distancia l es extremadamente amplia, se puede emplear una cascada de dos ó de más parejas de superficies de reflexión para obtener el deseado campo de visión FOV manteniendo, no obstante, un tamaño aceptable de la abertura de entrada.

Las dos parejas de superficies de reflexión paralelas, representadas en la Figura 4, son idénticas y simétricas entre si según el eje óptico del aparato; no obstante, estas dos parejas de superficies de refleción paralelas no tienen porque ser necesariamente idénticas entre si, y también un sistema asimétrico, con parejas distintas, puede ser empleado en función de los deseados ángulos superior e inferior del campo de visión FOV. Además, para los sistemas en los que solamente uno de los campos de visión ha de ser incrementado (ó el superior ó bien el inferior), es necesaria solamente una pareja de las superficies de reflexión paralelas para obtener el deseado campo de visión, igualmente, mediante este procedimiento no puede ser incrementado solamente el campo de visión vertical. Existen sistemas -especialmente para la navegación y/ó conducción de vehículos- en los que es más importante el campo de visión horizontal, por lo cual puede ser incrementado el mismo. Asimismo, el campo de visión puede ser incrementado tanto por el eje horizontal como por el eje vertical; sin embargo, ha de tomarse una precaución especial para impedir unas interferencias.

La finalidad del aparato óptico de la presente invención consiste en transmitir la luz dentro de un campo de visión FOV de determinados ángulos, es decir, entre un ángulo mínimo \alpha_{min} y un ángulo máximo \alpha_{max}. Este aparato óptico comprenden una abertura de entrada, una abertura de salida, situada a cierta distancia de la referida abertura de entrada y de tal manera que una onda de luz, situada dentro del mencionado campo de visión, pueda entrar en el aparato óptico a través de la abertura de entrada, es decir, con un ángulo de incidencia a tal que \alpha_{min} < a < \alpha_{max} y pueda salir del mencionado aparato óptico a través de la abertura de salida; y este aparato comprende por lo menos una pareja de superficies de reflexión paralelas. Una parte de las ondas luminosas, situadas dentro del campo de visión FOV, la cual entra por la abertura de entrada, pasa directamente -dentro de un espacio libre- hacia la abertura de salida, sin ser reflejada, mientras que otra parte de las ondas luminosas, que entran por la abertura de entrada dentro del campo de visión FOV, alcanza la abertura de salida después de haber sido reflejada dos veces por la pareja de las superficies de reflexión paralelas.

Las superficies de reflexión 28a, 28b, 30a y 30b, que están indicadas en la Figura 4, representan unos sencillo espejos que cumplen la primera Ley de Snell, es decir, que el ángulo de incidencia es igual al ángulo reflejado en la superficie. Existen casos, sin embargo, en los que es preferible emplear, en lugar de los espejos, dos rejillas de difracción paralelas, en las cuales el ángulo reflejado por la superficie no es igual al ángulo de incidencia. Es verdad que, para un ángulo de incidencia dado, el ángulo reflejado está en función de la longitud de onda del rayo incidente. Sin las funciones de difracción de las dos rejillas son, sin embargo, idénticas entre si, entonces resulta que el ángulo reflejado por la segunda superficie de reflexión será, para todas las longitudes de onda, igual al ángulo de incidencia en la primera superficie de reflexión.

La forma de realización de la Figura 4 representa un ejemplo para una sencilla implementación de éste método. El empleo de unas pareja de superficies de reflexión paralelas para reducir la abertura del aparato para un campo de visión dado ó, de forma alternativa, para incrementar el campo de visión útil para una abertura dada, este empleo no está limitado a los periscopios, y estas parejas de superficies pueden ser usadas también en otros aparatos ópticos, en los cuales la abertura de entrada se encuentra muy alejada de las aberturas de salida, incluyendo sin estar limitado a ellos - los sistemas de espacio libre como son, por ejemplo, los visualizadores de colocación en una parte superior HUD_{S}, los visualizadores portados en la cabeza, otros dispositivos similares.

Tal como indicado en la Figura 5, el campo de visión FOV del sistema óptico puede ser incrementado por emplearse la misma estructura como la descrita en relación con la Figura 3, añadiendo a esta estructura dos parejas de espejos paralelos, 42a 44b, 44a y 42b, según lo indicado en la Figura 4.

Las Figuras 6A y 6B muestran una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un aparato óptico de tipo con sustrato 46 según la presente invención, el cual comprende un sustrato transmisor de luz 48 que tiene por lo menos dos superficies paralelas mayores, 20 y 52, y unos bordes laterales, 54 y 56, así como un elemento óptico 4 para acoplar la luz -procedente de la fuente de visualización 24 y a través de una lente de colimación 26- al interior del sustrato 48 mediante una total reflexión interna; como asimismo comprende este aparato uno ó varios elementos ópticos 6, por lo menos de una reflexión parcial y situado dentro del sustrato para acoplar la luz hacia el interior de la cavidad de movimiento del ojo EMB 8 de un observador. Sin embargo, en lugar de emplear una sencilla placa rectangular de sustrato, las partes de los dos bordes laterales, 54 y 56, del sustrato 48 pueden estar provistas de dos parejas de superficies paralelas de reflexión parcial, 58a, 58b, 60a y 60b similares a las dos parejas de espejos paralelos 28a, 28b y 30a, 30b de la Figura 4. Normalmente, los ángulos entre los rayos -atrapados dentro del sustrato 48- y las superficies de reflexión 58a, 58b, 60a, 60b son lo suficientemente grandes como para efectar la completa reflexión interna. En este caso, no se necesita ningún revestimiento especial de reflexión para estas superficies, que, son sencillamente unas superficies pulimentadas. Por combinarse la presente invención con una configuración del tipo con sustrato, se consigue un sistema óptico compacto y conveniente, con unas satisfactorias prestaciones ópticas y con un amplio campo de visión FOV.

La forma de realización de las Figuras 6A y 6B es un ejemplo de un procedimiento para acoplar las ondas de entrada al interior del sustrato. No obstante, las ondas entrantes también podrían ser acopladas al interior del sustrato a través de otros medios ópticos incluyendo -sin estar limitados a ellos- los prismas de refracción, las haces de fibras ópticas, las rejillas de difracción y otros dispositivos.

Además, si bien en la forma de realización de las Figuras 6A y 6B las ondas de entrada y las ondas de la imagen se encuentran por el mismo lado del sustrato, se han de tener en consideración, no obstante, otras configuraciones en las que las ondas entrantes y las ondas de la imagen están situadas en los lados entre si opuestos del sustrato. Por incluso aplicaciones en las cuales las ondas de entrada pueden ser acopladas al interior del sustrato a través de uno de los bordes laterales del sustrato.

Para las personas familiarizadas con este ramo técnico será evidente que la presente invención no está limitada a los detalles de las formas de realización anteriormente descritas y que esta invención y puede ser realizada también de otras formas específicas, sin por ello apartarse de la idea y de los atributos esenciales de la misma. Por consiguiente, las formas de realización aquí representadas han de ser consideradas, en todos sus aspectos, en el sentido ilustrativo y no como una limitación; el alcance de la presente invención queda puesto de manifiesto en las reivindicaciones adjuntas, en lugar de por la descripción anterior, y, por lo tanto, todas las variaciones que se puedan presentar en la interpretación y se encuentren dentro del ámbito de equivalencia de las reivindicaciones, han de ser consideradas como incluídas en las mismas.

Claims

1. Aparato óptico para transmitir luz dentro de un campo de visión dado, el cual comprende:

Una abertura de entrada (20) para la entrada de las ondas luminosas al aparato;

Una abertura de salida, situada de forma alejada de la referida abertura de entrada (20) y de tal manera, que las ondas luminosas -que se encuentran dentro del campo de visión y que entran en el aparato óptico a través de la mencionada abertura de entrada (20)- puedan salir del aparato óptico por la referida abertura de salida;

Una parte central, que se extiende entre las referidas aberturas de entrada y abertura de salida de tal modo, que los rayos de luz puedan atravesar esta parte central desde la abertura de entrada hacia salida sin ninguna reflectancia; como asimismo comprende este aparato:

Unas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b; 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b), representando las referidas superficies de reflexión por lo menos una pareja de superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b);

Aparato éste que está caracterizado porque:

Por cada una de las parejas -ó por lo menos por una pareja- una primera de las referidas superficies de la pareja está dispuesta en un primer lado de la mencionada parte central, mientras que una segunda de las referidas superficies de esta pareja está situada en un segundo lado de la mencionada parte central, de forma opuesta al primer lado;

Cada una de las referidas parejas -ó por lo menos una pareja- de las superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) está dispuesta con un determinado ángulo en relación con el eje óptico; así como

Una primera superficie de la mencionada pareja de superficies de reflexión paralela es convergente hacia el referido eje óptico, mientras que una segunda superficie de esta pareja de superficies de reflexión paralelas es divergente desde el eje óptico y en dirección de la abertura de salida, con lo cual una parte de las referidas ondas luminosas -que están situadas dentro del mencionado campo de visión y que entran en el aparato a través de la abertura de entrada (20)- pasa directamente hacia la abertura de salida, sin ser reflejada por la referida pareja de las superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 60a, 60b), mientras que otra parte de las ondas luminosas -que se encuentran dentro del mencionado campo de visión y que entran en el aparato a través de la abertura de entrada (20)- llega a la abertura de salida después de haber sido reflejada dos veces por la referida pareja de superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b).

2. Aparato óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual otra parte de las ondas luminosas llega a la referida abertura de salida en la misma dirección en la que llega también a la abertura de entrada (20).

3. Aparato óptico conforme a las reivindicaciones 1) ó 2) en el cual por lo menos una pareja de las mencionadas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) cambia la dirección de propagación de por lo menos una parte de las referidas ondas luminosas para luego reflejar esta parte de ondas en retorno hacia su dirección primitiva.

4. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 3) en el cual la posición y la orientación de por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) así como de la mencionada abertura de salida producen el campo de visión para una abertura de entrada (20) dada.

5. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 4) en el cual la posición y la orientación de por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) así como de la mencionada abertura de salida producen la referida abertura de entrada (20) para un campo de visión dado.

6. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 5) en el cual por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) refleja las mencionadas ondas luminosas en una dirección calculada para alcanzar un ojo de un observador.

7. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 6) en el cual por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) refleja las mencionadas ondas luminosas en una dirección calculada para alcanzar ambos ojos de un observador.

8. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 7) en el cual una primera superficie (28b, 30b, 42b, 44b, 58b, 60b) de las referidas superficies de reflexión es convergente en relación con la mencionada parte central, mientras que una segunda superficie (28a, 30a, 42a, 44a, 58a, 60a) de las mencionadas superficies de reflexión es divergente en relación con la referida parte central.

9. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 8) el cual comprende por lo menos dos parejas de superficies de reflexión paralelas (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b).

10. Aparato óptico conforme a la reivindicación 9) en el cual las referidas dos parejas de superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) son idénticas entre si.

11. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 10) en el cual por lo menos una pareja de las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) está dispuesta de forma simétrica alrededor de la parte central del aparato.

12. Aparato óptico conforme a la reivindicación 9) en el cual una primera superficie de reflexión (28b, 30b, 42b, 44b, 58b, 60b) de cada pareja es convergente con respecto a la superficie de la otra pareja, mientras que una segunda superficie de reflexión (28a, 30a, 42a, 44a, 58a, 60a) de cada pareja es divergente con respecto a la superficie de la otra pareja en dirección hacia la abertura de salida.

13. Aparato óptico conforme a la reivindicación 12) en el cual dos parejas de superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) están en contacto entre si para constituir dos superficies contiguas.

14. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 13) en el cual las referidas superficies de reflexión (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b) son espejos.

15. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1 hasta 13) en el cual las superficies de reflexión (58a, 58b, 60a, 60b) están sin revestimiento.

16. Aparato óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 13) en el cual las referidas dos superficies de reflexión son rejillas de difracción.

17. Aparato óptico conforme a la reivindicación 16) en el cual las funciones de reticulación de las rejillas de difracción son idénticas entre si.