ES2348532T3 - Dilatador de haces opticos guiado por un sustrato. - Google Patents

Abstract

Dispositivo óptico que comprende : Un sustrato transmisor de luz (20) que tiene por lo menos dos superficies mayores en paralelo (26) y unos bordes; las mencionadas dos superficies mayores atrapan - mediante una total reflexión interna dentro del referido s sustrato - los rayos de luz acoplados hacia el interior de este sustrato; Un determinado número de superficies parcialmente reflectantes (22) , situadas por el interior del mencionado sustrato de forma paralela entre si así como mutuamente distanciadas y dispuestas dentro de un espacio previsto entre las referidas superficies mayores con un primer ángulo (αsur2) en relación io con la línea normal del plano del sustrato; Dispositivo éste que está caracterizado por un medio óptico para acoplar los rayos de luz hacia el interior del mencionado sustrato a través de una de las superficies mayores del sustrato; a este efecto, el referido medio óptico acopla - después de recibir los rayos de luz que inciden en el sustrato - los rayos de luz incidentes hacia el interior del sustrato, de tal manera que los mismos queden atrapados por las mencionadas superficies mayores mediante una total reflexión interna; en este caso, los rayos de luz acoplados son dirigidos con un segundo ángulo (αin) con respecto a la línea normal del plano del sustrato, y esto de tal manera que los rayos de luz acoplados puedan llegar a una superficie parcialmente reflectante, después de por lo menos una reflexión interna por una de las superficies mayores, con un ángulo de incidencia en relación con la superficie parcialmente reflectante, el cual eso un ángulo de incidencia (β''ref), con el que la reflectancia es desdeñable, u otro ángulo de incidencia (βref) con el que la referida superficie parcialmente reflectante (22) transmite una primera parte de los mencionados rayos de luz acoplados y refleja la otra parte de los referidos rayos de luz del mencionado sustrato hacia fuera, con lo cual los rayos de luz transmitidos son atrapados más y son propagados dentro del sustrato para poder ser reflejados del referido sustrato hacia fuera, por lo menos parcialmente y a través de otra superficie parcialmente reflectante .

Description

Campo de aplicación (0001) La presente invención se refiere a dispositivos ópticos que son guiado s por un sustrato y, más concretamente, se refiere a unos dispositivos qu e comprenden un determinado número de superficies reflectantes, sostenidas

5 por un sustrato común de transmisión de luz. (0002) Esta invención puede ser implementada en un elevado número de aplicaciones como, por ejemplo, en los dispositivos visualizadores portados e n la cabeza o en visualizadores de colocación en partes superiores o en techos , en visualizadores compactos, en dilatadores de haz luminoso compactos as í

10 como en dispositivos de iluminación de paneles planos . Estado anterior de la técnic a (0003) La Patente Internacional Núm . WO 99/52002 describe un dispositiv o óptico de holografía, que sirve como lente reproductora, así como u n elemento combinador en los visualizadores de los visores o miras . Este

1s dispositivo holográfico comprende un sustrato transmisor de luz y tres elementos ópticos de holografía, sostenidos por el sustrato . Un primer elemento óptico holográfico es iluminado por un foco luminoso que se encuentra por detrás de este elemento. La luz procedente de este primer elemento queda atrapada dentro del sustrato hasta que la misma alcance e l

20 segundo elemento holográfico para la difracción de la luz entrante . Esta luz difractada es desacoplada del sustrato por el tercer elemento óptic o holográfico. (0004) La Patente Núm. 5.896.232 de tos Estados Unidos describe otro dispositivo óptico que sobre todo puede ser empleado en los visualizadore s

25 portados en la cabeza. Este dispositivo óptico comprende varias superficie s parcialmente reflectantes, situadas de forma paralela entre si así com o mutuamente distanciadas dentro de un sustrato con un grosor de vario s milímetros. Estas superficies parcialmente reflectantes no se encuentra n situadas en paralelo a las superficies mayores del sustrato . Las superficies

30 parcialmente reflectantes actúan como un dilatador de haces ópticos . Debido

al hecho de que la luz, que es acoplada hacia dentro, se propaga de forma perpendicular a las superficies mayores del sustrato, resulta que e l desacoplamiento de la luz por el lado opuesto del sustrato tiene lugar en e l mismo lugar de la entrada. No se produce ningún atrapamiento de la . luz

5 dentro del sustrato. (0005) La Patente Núm. 4.711 .512 de los Estados Unidos describe u n visualizador de colocación en techos en el cual una imagen, producida por u n

tubo de rayos catódicos controlado por ordenador, es acoplada hacia e l interior de una placa de vidrio por una rejilla de difracción de entrada . La

io imagen, acoplada hacia dentro, se propaga por una multitud de reflexione s totales en las superficies mayores de la placa de vidrio hasta llegar a un a rejilla de difracción de salida. Aquí la imagen queda desacoplada para poder ser observada. (0006) La Patente Núm . 5 .076 .664 de tos Estados Unidos se refiere a u n

is dispositivo óptico que facilita la introducción de una imagen colimada en e l campo de visión de un observador, dispositivo éste que . comprende u n elemento combinador óptico que incluye por lo menos un espejo semi-reflector. Este dispositivo óptico comprende un generador de imágenes as í como un sistema óptico de colimación que, en conjunto con el elemento de l a

20 primera posición, forma una imagen colimada . El siguiente elemento óptico es un apilamiento de simetrización, representado por una fila de espejos que reflejan parte de los rayos entrantes. Un divisor de haces se encuentra incrustado dentro del sustrato, y el mismo está constituido por un espej o semi-reflector de banda ancha que está situado a media distancia de las do s

25 caras largas del sustrato y el primero se encuentra orientado en paralelo a estas caras . Este espejo refleja parcialmente los rayos entrantes, una vez qu e éstos se hayan acoplado al interior del sustrato . Los rayos entrantes inciden e n la cara frontal del sustrato con un ángulo oblicuo de aproximadamente 45 grados (o más) ; tos mismos son desacoplados del sustrato con unos ángulos

30 relativamente reducidos, de aproximadamente 15 grados.

Fundamentos de la invenció n (0007) Una de las aplicaciones más importantes de los elementos ópticos compactados consiste en los dispositivos visualizadores portados en la cabeza , en los cuates un módulo óptico sirve como lente reproductora, al igual que

5 como elemento combinador, y en los que una imagen bi-dimensional queda reproducida hasta el infinito y es reflejada al interior del ojo de u n observador. La visualización puede ser obtenida directamente, es decir, desd e un tubo de rayos catódicos (CRT) o desde un dispositivo visualizador de crista l líquido (LCD), o bien de forma indirecta por medio de una lente de repetición

io o mediante un haz de fibras ópticas. Por regla general, la visualización se compone de una serie de puntos, enfocada a lo infinito por una lente d e colimación y transmitida al interior del ojo del observador por medio de una superficie de reflexión parcial, que actúa como elemento combinador óptico . Para estas finalidades es empleado, por regla general, un módulo óptic o

15 convencional de espacio libre . Lamentablemente, al ser incrementado el deseado campo de visión FOV (field-of-view) del sistema, este módulo óptic o se hace, sin embargo, más pesado, más engorroso así como muy complicado e n cuanto a su uso. Esto constituye un gran inconveniente para las aplicacione s de los visualizadores portados en la cabeza, en las que el sistema debería se r

20 de lo más ligero así como de lo más compacto posible . (0008) Otros inconvenientes en los diseños actuales consisten en que con esto s diseños resulta que los sistemas ópticos en su conjunto son, por regla general , muy complicados en su manejo así como difíciles de fabricar . Además, la caj a

o cavidad de movimiento del ojo de los ángulos de visión, la cual existe en

25 estos diseños, es normalmente muy pequeña y la misma es, por lo general,. inferior a 8 milímetros . Por consiguiente, la prestación del sistema óptico e s más sensible, incluso con unos pequeños movimientos del visor en relación co n el ojo del observador. Revelación de la invención

(0009) La presente invención puede ser empleada para el diseño y la

fabricación de elementos ópticos, que son guiados por sustrato, para lo s visualizadores de visores o miras en los que el módulo óptico es muy compacto así como fácil de emplear, incluso para los sistemas con un campo de visió n relativamente amplio. Además, la caja de movimiento del ojo del sistema s óptico es relativamente ancha y la misma puede, por lo tanto, permitir uno s

mayores movimientos del visor . El sistema de la presente invención e s especialmente conveniente, habida cuenta de que el mismo puede se r incorporado fácilmente en los sistemas ópticos, incluso en los sistemas de una s configuraciones especiales .

io (0010) La presente invención facilita, asimismo, la construcción de uno s perfeccionados visualizadores de colocación superior (Head-Up-Displays o HUD) . Desde la introducción de los visualizadores de este tipo, hace más d e tres décadas, ha habido un progreso significativo en este campo . En efecto, los visualizadores HUD han adquirido tanta popularidad que los mismos juegan ho y

is en día un papel importante, no solamente en los modernos aviones de combate, sino también en la aviación civil en la que los visualizadores HU D desempeñan un papel importante en las operaciones de aterrizaje . Además, últimamente ha habido numerosas propuestas y diseños para la instalación d e los visualizadores HUD en automóviles para facilitar las tareas de conducción y

20 de navegación. (0011)También los actuales diseños de los visualizadores HUD adolecen d e algunas desventajas importantes . La necesidad de emplear una fuente d e visualización, que tiene que estar situada a una determinada distancia de l elemento combinador con el fin de iluminar toda la superficie del mismo, hac e

25 que los visualizadores HUD son más pesados, engorrosos y, en algunos casos , incluso son inconvenientes así como poco seguros en su uso . (0012) Otra importante aplicación de la presente invención consiste e n proporcionar un compacto visualizador de tipo HUD que elimine lo s inconvenientes arriba mencionados. El elemento combinador puede se r

iluminado por una compacta fuente de visualización que está fijada en el

sustrato . De este modo, el sistema es, en su conjunto, muy compacto y, por l o tanto, el mismo puede ser instalado fácilmente y ser empleado en un gra n número de sitios diferentes así como con unas aplicaciones distintas. Además, la dispersión cromática de la visualización es muy pequeña y, po r

5 consiguiente, el foco luminoso puede ser de un espectro amplio, incluso el espectro de un convencional foco de luz blanca . Como añadidura, la zona de la visualización puede ser mucho más amplia que la zona que actualmente e s iluminada por un foco luminoso. (0013) Todavía otra aplicación de la presente invención consiste en

io proporcionar un compacto dilatador de haces ópticos . Los dilatadores de haces ópticos, previstos para aumentar un más estrecho haz colimado hasta un ha z óptico de un mayor diámetro, comprenden normalmente un conjunt o telescópico de dos lentes a lo largo de un eje común y con un punto d e enfoque común . La presente invención proporciona un dilatador de haces

15 ópticos que puede ser empleado tanto con una luz monocromática como co n

una luz policromática . (0014) Por consiguiente, el amplio objeto de la presente invención consiste e n eliminar los inconvenientes de los dispositivos ya conocidos y en facilitar uno s sistemas ópticos con unas perfeccionadas prestaciones, conforme a uno s

20 requisitos específicos.

(0015) De este modo, la presente invención proporciona un dispositivo óptic o tal como el mismo queda definido en la reivindicación 1) . Breve descripción de los planos (0016) A continuación, la presente invención está descrita en relación co n

25 determinadas formas preferidas para su realización, haciendo para ello referencia a las siguientes Figuras ilustrativas, de tal modo que la invenció n pueda ser comprendida más exhaustivamente. (0017) Con especial referencia a estas detalladas Figuras, se quiere aquí hace r constar que las particularidades de las mismas se indican solamente a título d e

30 ejemplo y con el fin de describir mejor las preferidas formas de realización de

la presente invención, y estos detalles se presentan con la idea de aportar l o que se cree sea la descripción más útil y más comprensible de los principios d e la invención y de los aspectos de su concepción . En relación con ello, no se hace ningún intento para indicar [os detalles estructurales de la present e

5 invención más allá de lo estrictamente necesario para una comprensió n fundamental de la misma . La descripción, efectuada en relación con Los plano s adjuntos, ha de servir como guía para las personas - familiarizadas con est e ramo técnico - de cómo pueden ser llevadas a la práctica las distintas forma s de realización .

io (0018) En estos planos: La Figura 1 indica la vista lateral de la forma más sencilla de un dispositiv o óptico, guiado por un sustrato, según el anterior estado de la técnica ; La Figura 2 muestra la vista lateral de un dispositivo óptico, guiado por u n sustrato, conforme a la presente invención ;

15 La Figura 3 indica el deseado comportamiento de reflectancia de la superficie parcialmente reflectante para varios ángulos de incidencia ; La Figura 4 muestra las curvas de reflectancia para un recubrimiento dicroico ; La Figura 5 indica la vista lateral esquematizada de una superficie reflectant e conforme a la presente invención;

20 Las Figuras 6A y 6B son esquemas que indican unas detalladas vistas laterales de una forma de disposición de una serie o un conjunto de superficie s parcialmente reflectantes; La Figura 7 muestra la vista lateral de un dispositivo según la present e invención, el cual emplea una placa de media longitud de onda para hace r

25 girar la polarización de la luz entrante ; La Figura 8 indica la vista lateral de un sistema visualizador portado en l a cabeza, conforme a la presente invención ; La Figura 9 muestra una detallada vista lateral de la reflectancia desde una serie de superficies parcialmente reflectantes para tres distintos ángulos d e

30 visión;

La Figura 10 indica una curva con los resultados de unas simulaciones qu e calculan la luminosidad de la proyectada visualización, conjuntamente con e l escenario exterior; La Figura 11 muestra la vista lateral de un dispositivo óptico, guiado por u n

s sustrato, según otra forma de realización de la presente invención; La Figura 12 representa una curva que indica la eficiencia de la luz reflejad a en función del campo de visión FOV ; La Figura 13 es un diagrama que muestra una configuración del dispositiv o óptico, que es guiado por un sustrato y la misma comprende tres series d e

io superficies reflectantes, conforme a la presente invención ; La Figura 14 representa un diagrama que indica una vista tridimensional de l conjunto del dispositivo óptico, guiado por un sustrato, conforme a la presente invención; La Figura 15 es un diagrama que muestra otra vista de un dispositivo óptico ,

15 guiado por un sustrato, el cual comprende tres series de superficies reflectantes según la presente invención ; La Figura 16 muestra la vista tridimensional de un compacto visualizado r portado en la cabeza, el cual está guiado por un sustrato y conforme a la presente invención ;

20 La Figura 17 indica la vista lateral de una alternativa de configuración para la expansión de la luz y según la presente invención ; La Figura 18 muestra la vista lateral de otra forma de realización de l dispositivo según la presente invención ; La Figura 19 y 20 indican los diagramas de unas modificaciones de la forma d e

25 realización indicada en la Figura 17; La Figura 21 representa un diagrama de otra forma de realización de l a presente invención; La Figura 22 y 23 muestran todavía otra forma de realización de la present e invención, la cual es empleada en unas gafas ;

La Figura 24 es un diagrama que indica un procedimiento para emplear el

dispositivo en conjunto con un teléfono móvil ; .

La Figura 25 muestra un sistema de visualizador tipo HUD conforme a l a presente invención; La Figura 26 representa un diagrama que muestra una forma de realización

5 alternativa de un sistema de visualizador tipo HUD con un mayor campo d e visión total conforme a la presente invención ; La Figura 27 indica una forma de realización para implementar una lente co n una doble longitud de enfoque según la presente invención ; La Figura 28 es un diagrama que indica un procedimiento para combinar do s

io aspectos del escenario exterior sobre el ojo del observador, empleando par a ello un dispositivo según la presente invención ; La Figura 29 representa un diagrama que muestra un compacto dilatador d e haces ópticos de tipo SGOD (Substrate-Guided Optical Device o dispositivo óptico guiado por sustrato) para las finalidades de iluminación y conforme a la

is presente invención ; La Figura 30 muestra una curva que indica la intensidad de la onda de salid a en función de la distancia de propagación dentro del sustrato y a lo largo de l

eje ; Las Figuras 31A y 31B representan unos diagramas que muestran las

20 configuraciones de un compacto dilatador de haces ópticos tipo SGOD para la s finalidades de iluminación conforme a la presente invención ; La Figura 32 es un diagrama que indica un procedimiento para fabricar un a serie o forma de disposición de las superficies parcialmente reflectantes segú n la presente invención ;

25 La Figura 33 representa un diagrama que muestra otro procedimiento par a fabricar una serie de superficies parcialmente reflectantes según la present e invención ; La Figura 34 es un diagrama que indica otro procedimiento más para fabrica r una serie de superficies parcialmente reflectantes según la present e

30 invención;

La Figura 35 representa un diagrama que muestra todavía otro procedimient o más para fabricar una serie de superficies parcialmente reflectantes según l a presente invención; mientras que La Figura 36 es un diagrama que indica un procedimiento para conseguir uno s

s recubrimientos no uniformes en las superficies parcialmente reflectante s según la presente invención . Descripción detallada de las preferidas formas de realizació n (0019) La Figura 1 muestra la forma más sencilla de un dispositivo óptic o guiado por sustrato, en la que el sustrato 2 queda iluminado por una fuente d e

io visualización 4. La visualización está colimada por una lente de colimación 6 . La luz procedente de la fuente de visualización 4 es acoplada hacia el interior del sustrato 2 por medio de una primera superficie reflectante 8 y de tal mod o que el rayo principal 10 sea paralelo al plano del sustrato . Una segunda superficie reflectante 12 desacopla la luz del sustrato y la pasa hacia e l

15 interior del ojo de un observador 14. A pesar de lo compacto de esta configuración, la misma tiene, sin embargo, algunos inconvenientes graves , consistiendo el inconveniente principal en el hecho de que está muy limitad o el campo de visión que aquí puede ser conseguido . Tal como indicado en l a Figura 1, el máximo ángulo permitido por fuera del eje y dentro del sustrat o

20 es :

T-clty,*

a,,,,,, = arc

(l

21 ' )

en la que T representa el grosor del sustrato ;

25 deye(ojo) es el deseado diámetro de salida de la pupila, mientras que 1 es la distancia entre las superficies reflectantes, 8 y 12 . (0020) Con unos ángulos mayores que am ax, los rayos serán reflectantes desd e la superficie del sustrato antes de llegar a la superficie reflectante 12. Por consiguiente, la superficie reflectante 12 será iluminada en una dirección n o

deseada y se producirán unas imágenes fantasmales .

(0021) De este modo, el máximo campo de visión FOV, que puede ser conseguido con esta configuración, es el siguiente :

FOV,,,. Ps 2vam .

(2 )

en la que v representa et índice de refracción de la superficie 8, el qu e normalmente tendrá unos valores dentro de la gama de 1 .5 hasta 1 .6 . (0022) El diámetro de la pupila de un ojo es normalmente de 2 hasta 6 mms. Sin embargo, con el fin de permitir un movimiento del visualizador, hace falta

10 un mayor diámetro de salida de la pupila. El valor mínimo aceptable es, por consiguiente, de 8 mms., aproximadamente. Para un promedio de cabeza, 1 está entre 40 y 60 mms . Como consecuencia, e incluso para un más pequeñ o

campo de visión FOV de 8°, el deseado grosor del sustrato será del orden de 12 mms.

15 (0023) Recientemente, para solventar el problema arriba mencionado, se han propuesto algunos procedimientos como, por ejemplo, emplear un telescopi o de aumento dentro del sustrato, unas direcciones de acoplamiento n o paralelas y otras medidas más . Sin embargo, incluso con estas soluciones, e l empleo de solamente una superficie reflectante individual sobre el ojo tendrá

20 por resultado una Limitación similar . El campo de visión FOV queda limitado por el diámetro de la proyección de la superficie reflectante 12 sobre el plano del sustrato. Se puede apreciar fácilmente que el máximo campo de visió n FOV, que con esta limitación puede ser conseguido, es igual a :

T tana,,,r —deje

25 FOV--� (3)

n

R

en la que representa el ángulo entre la superficie reflectante y la línea

asur

con el plano del sustrato; mientras que Reye(ojo) es la distancia entre el ojo del observador y el sustrato (normalmente

30 de unos 30 hasta 40 mms .) .

(0024) Normalmente, tanasur no puede ser mayor que 2; por consiguiente, para las mismas suposiciones como anteriormente descritas para un campo de visió n FOV de 8°, el deseado grosor del sustrato es del orden de 7 mms ., lo cual constituye una limitación más razonable . Sin embargo, al ser incrementado e l

5 deseado campo de visión FOV, el grosor del sustrato se hace rápidament e mayor. Por ejemplo, unos campos de visión FOV deseados de 15° y 30 ° alcanzan unos grosores del sustrato de 9 mms . y 14 mms ., respectivamente . (0025) Con el fin de eliminar las limitaciones arriba mencionadas, la presente invención emplea una serie de superficies parcialmente reflectantes. La Figura

io 2 muestra la vista lateral de un dispositivo óptico, guiado por sustrato y conforme a la presente invención . La primera superficie reflectante 16 est á iluminada por un rayo colimado 18, procedente de una fuente (no indicad a aquí) que está situada por detrás del dispositivo. Esta superficie reflectante 1 6 refleja la luz incidente desde la fuente, de tal manera que la luz quede

i5 atrapada dentro de un sustrato plano 20 por. una reflexión interna total. Al término de algunas reflexiones dentro del sustrato, la luz alcanza una serie d e disposición paralela de las superficies parcialmente reflectantes 22 qu e desacoplan la luz del sustrato para pasarla hacia el interior del ojo de u n observador 24 . Suponiendo que el rayo central de la fuente sea desacoplado .

20 del sustrato 20 en una dirección normal a la superficie 26 del sustrato, y qu e el ángulo por fuera del eje del rayo reflejado por el interior del sustrato 2 0 sea igual a a;,,, entonces el ángulo asurZ entre las superficies reflectantes y l a normal al plano del sustrato es igual a :

25 a,n (4)

a.wx

Z

(0026) Tal como esto puede ser observado en la Figura 2, los rayos atrapado s llegan a las superficies reflectantes desde dos direcciones distintas, 28 y 30 . Según esta particular forma de realización, los rayos atrapados llegan a l a

30 superficie reflectante desde solamente una de estas direcciones, la direcció n

28, al término de un número par de reflexiones desde las superficies 26 de l sustrato; en este caso, el ángulo de incidencia Bre f entre el rayo atrapado y l a línea normal con la superficie reflectante es igual a :

s

fi_. =90° -(ah, a.,hr2) = 90° ' 2 (5)

lo

(0027) Los rayos atrapados llegan a la superficie reflectante desde un a segunda dirección 30 al término de un número impar de reflexiones desde l a superficie 26 del sustrato ; en este caso, el ángulo por fuera del eje es a' i„ = 180° -ai ,,, mientras que el ángulo de incidencia entre el rayo atrapado y la línea normal de la superficie reflectante es igual a :

fi',°1=90°-*a'M-a,ar2)=90°-(180°-ah,-)°-90°f3Z

(6)

15 20

(0028) Con el fin de evitar tanto unas indeseadas reflexiones así como las imágenes fantasmales, es importante que la reflectancia sea desdeñable par a una de estas dos direcciones . La deseada discriminación entre las dos direcciones de la incidencia puede ser conseguida, afortunadamente, si uno de los ángulos es significativamente más pequeño que el otro ángulo . Un a solución para este requisito es el caso de (3ref– 0°. Introduciendo este valor e n la ecuación (5), se consigue ai „ – 180°. Es evidente que esta solución no es prácticamente posible . La segunda solución en el caso de 5'ref– O° se consigu e por:

25

.6,YJ =60° ; ata = 60° ; a',,,=120° ; a _ .2 =30° (7)

30

(0029) La Figura 3 indica el deseado comportamiento de reflectancia de las superficies parcialmente reflectantes . Mientras que el rayo 32 - que tiene u n ángulo fuera del eje de pret.– 60° - es reflejado parcialmente y es desacoplad o del sustrato 34, el rayo 36, que llega de forma normal a la superfici e

reflectante, es transmitido a través de la superficie reflectante 34 sin ningun a reflexión notable . (0030) La Figura 4 muestra las curvas de reflectancia de un recubrimiento dicroico, previsto para conseguir la finalidad deseada, y esto para cuatro

s ángulos de incidencia distintos: 0°, 52°, 60° y 68°. Mientras que la reflectancia del rayo normal es desdeñable por todo el espectro relevante, los rayos con u n ángulo fuera del eje de 60° consiguen una reflectancia casi constante del 20 % por el mismo espectro . La reflectancia aumenta, evidentemente, con t a oblicuidad dedos rayos incidentes .

lo (0031) Es evidente que la reflectancia de la primera superficie reflectante ha de ser la más elevada posible con el objeto de acoplar la máxima luz posibl e desde la fuente de visualización sobre el sustrato . En el supuesto de que el rayo central de la fuente incida de forma normal en el sustrato, es decir, ao = 180°, entonces el ángulo ¡3ref— 0° ., entonces el ángulo asurl, entre la primera

1s superficie reflectante y la línea normal del plano del sustrato, es como sigue :

aa,+.a0 a';, + (8)

asvrl = asur]=

2 2

En este caso, la solución para asura y a'surl consiste en 120° y en 150°,

20 respectivamente . (0032) La Figura 5 indica la vista lateral de la superficie reflectante 36 qu e acopla la luz 38 procedente de una fuente de visualización (no indicada aquí) y la atrapa dentro del sustrato 20 por una reflexión interna total. Tal como trazada aquí, la proyección S I de la superficie reflectante sobre la superfici e

25 40 del sustrato es como sigue :

S, =T • tan(a) , (9)

en la que T representa el grosor del sustrato . 30 (0033) La solución de a = asuri es claramente la solución preferida, habid a

cuenta de que la zona de acoplamiento de la superficie del sustrato es tre s veces mayor que en el caso de la otra solución . En el supuesto de que la lu z acoplada esté iluminando la zona completa de la superficie reflectante , después de la reflexión desde la superficie 36, la misma ilumina una zona d e 5 2S1 = 2Ttan(a) en la superficie del sustrato . Por el otro lado, la reflexión de una superficie reflectante 36 sobre el plano del sustrato es igual a S 2 = Ttan(asur2)• Con el fin de evitar tanto un solapamiento como unos huecos entr e Las superficies reflectantes es así que la proyección de cada superficie e s colindante con la de su superficie vecina . Por consiguiente, el número N de la s

lo superficies reflectantes 36, a través de las cuales pasa cada rayo acoplado durante un ciclo (es decir entre dos reflexiones desde la misma superficie de l sustrato) es igual a :

2SI 2T•tan(a u., )

y=.—= Si T ' taaCa..,i) (10)

15

Según este ejemplo, y mientras que asur2 = 30° y asurs = 120°, la solució n consiste en N = 6; quiere decir esto que cada rayo pasa por seis superficie s diferentes durante un ciclo . (0034) Es importante tener en consideración que la forma de realización ,

20 anteriormente descrita en relación con la Figura 5, representa el ejemplo d e un procedimiento para acoplar la luz entrante al interior del sustrato . No obstante, esta luz entrante también puede ser acoplada al sustrato con otros medios ópticos, incluyendo (sin estar limitados a ellos) unos prismas d e repliegue, los haces de fibra óptica, las rejillas de difracción así como otro s

25 medios más . (0035) Asimismo, según el ejemplo indicado en la Figura 2, la luz de entrada y la luz de imagen se encuentran por el mismo lado del sustrato . Se permiten otras configuraciones siempre que la luz entrante y la luz de la imagen esté n situadas por unos lados entre si opuestos del sustrato . Incluso puede habe r

30 aplicaciones en las que la luz de entrada puede estar acoplada al interior de l

sustrato a través de uno de los bordes laterales del sustrato . (0036) La Figura 6A muestra una vista detallada de una serie de superficies parcialmente reflectantes que desacoplan la Luz, atrapada dentro del sustrato , hacia el interior del ojo de un observador. Según puede ser apreciado aquí ,

5 durante cada ciclo pasa el rayo acoplado por cuatro superficies reflectantes 42 con una dirección de a's ur2= 120°, con lo cual el rayo incide normalmente .en las . superficies y aquí son desdeñables las reflexiones desde estas superficies . Además, el rayo también pasa por las dos superficies reflectantes 44 con un a dirección de asure = 60°; en este caso, el ángulo de incidencia es de 60°, y una

lo parte de la energía del rayo es desacoplada del sustrato . En el supuesto de

que para acoplar la luz sobre el ojo del observador sea empleada solamente una serie de seis superficies parcialmente reflectantes 22, el campo de visió n FOV máximo es como sigue :

2T tana„,l

-dese

15 FOT

12,e

(0037) Por lo tanto, para los mismos supuestos como anteriormente mencionados, el deseado grosor del sustrato para un campo de visión FOV de 8° es del orden de 4 mms.; para el caso de que los campos de visión FOV 20 deseados son de 15° y de 30°, se consiguen unos grosores del sustrato de 5,3 mms. y de 8,2 mms., respectivamente. Estos son, evidentemente, unos valores más razonables que los valores obtenidos anteriormente con las otras forma s de realización. También puede ser empleada más de una serie de la s superficies. parcialmente reflectantes . Se puede apreciar claramente que po r

25 emplear dos series de superficies 22, que comprenden doce superficie s parcialmente reflectantes, el deseado grosor del sustrato para los campos d e visión FOV de 15° y de 30° será del orden de 2,6 mms . y de 4,1 mms . , respectivamente. (0038) Tal como indicado en la Figura 6B, cada superficie parcialment e

30 reflectante queda iluminada por los rayos ópticos de distintas energías .

Mientras que la mitad superior de cada superficie 46 está iluminada por lo s rayos, inmediatamente después de que los mismos sean reflejados por l a superficie superior 48 del sustrato 20, la mitad inferior de cada superficie queda iluminada por los rayos que ya han pasado por una de las superficie s s parcialmente reflectantes 46 y los mismos son, por consiguiente, de una energía menor . Como consecuencia, la luminosidad de la luz, reflejada por la parte inferior de la superficie 50, es inferior a la luminosidad de la luz que e s reflejada por la parte superior 46 de la misma . Aparentemente, este problem a debería ser resuelto con el objeto de conseguir una visualización con un a lo luminosidad uniforme. En efecto, este problema podría ser resuelto mediante un revestimiento de la superficie reflectante con dos recubrimientos distintos , con lo cual la reflectancia de la parte superior 46 será inferior a la reflectancia de la parte inferior 50 con el fin de compensar una iluminació n desigual. Si, por ejemplo, la deseada reflectancia nominal es del 20%, la parte 15 superior tendrá esta misma reflectancia, mientras que ta parte inferior será d e una reflectancia del 25% . En la mayoría de los casos, sin embargo, este problema puede ser desdeñado por completo . Si el sustrato no es demasiad o grueso, resulta que para cada ángulo de observación la luz, que es reflejad a sobre el ojo, procede de unas pocas superficies reflectantes: Para, por

20 ejemplo, deye(o)o) = 4 mms . y T = 4 mms ., siendo deye(olo) el diámetro de l a pupila, el ojo es iluminado por aproximadamente dos superficies reflectante s por cada ángulo de observación. Teniendo en cuenta que el ojo integra toda la luz que emerge con un individual ángulo de observación y la enfoca en u n punto de la retina, y dado que es logarítmica la curva de la respuesta del ojo ,

25 se puede esperar que no sean notables las pequeñas variaciones, si es qu e éstas existen en la luminosidad de la visualización . (0039) Otro problema que habría de ser tenido en consideración es l a polarización de la luz. Es bien conocido que es más fácil diseñar y fabricar la s superficies reflectantes para una luz S-polarizada que para una luz no

30 polarizada o una luz P-polarizada .Afortunadamente, algunas de las fuentes de

visualización compactas (como, por ejemplo, las visualizaciones nemáticas d e cristal líquido) están polarizadas de forma lineal. No obstante, existen caso s en los cuales la fuente de visualización está orientada de tal manera que la luz entrante esté P-polarizada en relación con las superficies de reflexión. Este 5 problema puede ser resuelto fácilmente por emplear una placa de medi a longitud de onda. Según lo indicado en la Figura 7, la luz emergente de l a fuente de visualización 4 está P-polarizada de forma lineal . Por emplearse un a placa de media longitud de onda 52 existe la posibilidad de hacer. girar la polarización, de tal modo que la luz quede S-polarizada en relación con la

lo superficie de reflexión 52 del acoplamiento . (0040) Todavía otro importante problema consiste en la uniformidad de l a luminosidad en función del campo de visión FOV. Tal como esto está indicad o en la Figura 4, la reflectancia de cada superficie reflectante qued a incrementada con el ángulo de observación. Como quiera que la pupila del ojo

15 humano es relativamente pequeña, este problema puede ser resuelto, afortunadamente. La Figura 8 muestra la vista lateral de un sistema d e visualización que es portado en la cabeza y que está basado en la propuesta forma de realización . Una sola onda plana 54, que representa un determinado ángulo de observación 56, ilumina solamente parte del conjunto de la serie de

20 superficies parcialmente reflectantes 22. De este modo, para cada superfici e parcialmente reflectante queda definido un ángulo nominal de observación y la reflectancia está diseñada en conformidad con este ángulo . (0041) El exacto y detallado diseño de los recubrimientos de las distinta s superficies parcialmente reflectantes es llevado a efecto de la manera

25 siguiente: Para cada una de las superficies es trazado un rayo (teniendo en cuenta la refracción según la Ley de Snell), desde el centro de la superfici e hasta el centro de la designada pupila 58 del ojo. La dirección calculada es tomada como la dirección de incidencia nominal y el respectivo recubrimient o es diseñado de acuerdo con esta dirección . Por consiguiente, para cada ángul o

30 de observación la reflectancia media desde las superficies relevantes estará

muy cerca de la reflectancia deseada . (0042) La Figura 9 indica una detallada vista lateral de la reflectancia desd e una serie de superficies parcialmente reflectantes para tres distintos ángulo s de observación: La reflectancia de la extrema derecha 60, la reflectanci a

5 central 62 y la reflectancia de la extrema izquierda 64 . Tal como explicado más arriba, la proyección de cada superficie es colindante con la proyecció n de la superficie vecina con el fin de impedir tanto un solapamiento como unos huecos entre las superficies reflectantes . Esto, sin embargo, es solamente válido para el caso del ángulo de observación central . Para un ángulo de

lo observación más hacia la derecha existen unos huecos 66 entre las reflexiones, mientras que con un ángulo de observación más hacia la izquierda existen uno s solapamientos 68 entre estas reflexiones . Este problema puede ser resuelto por ajustar unas diferentes distancias entre cada pareja de las superficie s colindantes 22. Esto quiere decir que las distancias serán más pequeñas para

1s la parte derecha 60 y más grandes para la parte izquierda 64 . Sin embargo , para la mayoría de las aplicaciones puede ser innecesaria esta solució n teniendo en cuenta que, para un gran número de los campos de visión FOV deseados, serán bastante reducidos, tanto los huecos como los solapamiento s (los ángulos de observación en la Figura 8 son en gran medida exagerados par a

20 hacer ver mejor este problema), y los mismos se ponen de manifiesto con u n incremento bastante pequeño (por el lado izquierdo) o con un correspondient e decrecimiento (por el lado derecho) de la intensidad de reflexión . Adicionalmente, y tal como arriba descrito, existe una opuesta tendencia d e unas más elevadas reflexiones para las superficies derechas 60 . Por

25 consiguiente, estos dos fenómenos pueden ser compensados mutuamente, por

lo menos en parte . (0043) Otro problema a tener en consideración. se refiere a los sistema s visualizadores con un campo de visión FOV relativamente amplio, en los cuale s deben ser empleadas por lo menos dos series de las superficies parcialment e

30 reflectantes 22. En este caso, la luz que es reflejada desde la segunda serie ya ha pasado por las superficies reflectantes de la primera serie y por lo meno s una parte de la energía ha sido desacoplada del sustrato . Este problema ha d e ser tenido en cuenta para dos empleos diferentes . (0044) En los sistemas de visión directa - como, por ejemplo, los visualizadore s

5 portados en la cabeza de pilotos, en los que el observador ha de ver e l escenario exterior - la reflectancia de las superficies no debe ser muy elevad a y el diseño del recubrimiento de la segunda serie de superficies parcialment e reflectantes ha de tener en cuenta la pérdida de energía en la primera serie . Quiere decir esto que la reflectancia de la segunda serie debe ser más elevad a

lo con el fin de conseguir una luminosidad uniforme por todo el campo de visió n FOV. Debido a que el coeficiente de reflectancia ya no es constante, u n indeseable resultado de esta solución se puede poner de manifiesto en un a imagen no-uniforme del escenario que está siendo observado a través de l sustrato. Afortunadamente, esta falta de uniformidad es bastante reducida .

15 Tal como puede ser apreciado en la Figura 4, la reflectancia de cada superfici e reflectante se incrementa con el ángulo de observación . Por consiguiente, y dado que se espera que la desviación del ángulo de incidencia entre lo s ángulos de observación desde las dos series de superficies parcialment e reflectantes sea de por lo menos 10 la pérdida será bastante pequeña . Si,

20 por ejemplo, la reflectancia de un ángulo de incidencia de 70° es de un 22%, l a reflectancia de un rayo, que tiene un ángulo de incidencia de 60 0, debe ser del orden de un 6 hasta un 7%, y la pérdida total será menos de un 15% . El cambio en la transmitancia del sustrato a causa de la necesaria corrección es , efectivamente, desdeñable . Por consiguiente, un cambio en las reflectancia s

25 del 22% hasta el 25% produce un decrecimiento en la transmitancia desde e l 78% al 75%. En cualquier caso, para los sistemas en los que es crucial la uniformidad del escenario exterior, un especial recubrimiento de no-uniformidad podría ser añadido sobre la superficie exterior del sustrato par a así compensar la no-uniformidad del sustrato y conseguir una vista d e

30 luminosidad uniforme por todo el campo de visión FOV .

(0045) En tos sistemas de visión indirecta - corno, por ejemplo, lo s

visualizadores de realidad virtual. - el sustrato es opaco y la transmitancia de l

sistema no tiene ninguna importancia. En estos casos, sin embargo, la

reflectancia puede ser bastante más elevada que anteriormente, y se ha d e

tener cuidado con el fin de asegurar que la suficiente cantidad de energía pas e

por la primera serie al objeto de conseguir una visualización que tenga un a

luminosidad uniforme por todo el campo de visión FOV .

(0046) Para ilustrar la esperada prestación de un típico sistema de visión

directa, se ha llevado a efecto una simulación por ordenador, calculando l a

lo

luminosidad tanto de la proyectada visualización como del escenario exterior.

Este sistema tiene los siguientes parámetros T = 4 mms . ; ain = 60°; FOV = 30

R eye(°)°l = 40 mms . ; v=1 .5; el número de las series es dos, y la reflectancia

nominal es del 22% . La Figura 10 muestra los resultados de estos cálculos ,

normalizados a tos valores nominales requeridos . Existen algunas pequeña s

15

fluctuaciones en ambos gráficos, pero se espera que estos cambios serán

desdeñables.

(0047) Un procedimiento de diseño alternativo consiste en emplear la s

reflexiones procedentes de los rayos que tienen el segundo ángulo d e

reflexión, concretamente los rayos con el ángulo fuera del eje, es decir crin =

20

180° ain . Por introducirlos parámetros de la ecuación (7) en la ecuación (4)

se obtiene :

120° _ 60 2 2 (12)

25

(0048) La Figura 11 indica la vista lateral de este procedimiento de diseño

alternativo. La primera superficie reflectante 22 queda iluminada por un a

visualización colimada, 4 y 6 (Figura 1), que está situada por detrás de l

elemento. Esta superficie reflectante refleja la luz incidente, procedente d e

la fuente, de tal manera que la luz quede atrapada dentro del sustrato por un a

30

total reflexión interna . Al término de unas pocas reflexiones por el interior del

sustrato, la luz atrapada alcanza una forma de disposición paralela de la s superficies, parcialmente reflectantes 22', la que desacopla la luz del sustrat o para pasarla hacia el ojo del observador . (0049) El mayor inconveniente de esta configuración consiste en la indeseable

5 reflectancia de los rayos que tienen un ángulo interno de din. Aparentemente, el punto dentro de la fuente de visualización, el cual está colimado en la dirección de entrada E dentro del sustrato, es reflejado en las direcciones din + Ey a'in + Epor el interior del sustrato . Mientras que el rayo de la dirección a'i„

+ E es reflejado por las superficies parcialmente reflectantes en la dirección

io de salida E, el rayo 70 de la dirección a ir + E está siendo reflejado por las superficies parcialmente reflectantes 22' en la indeseada dirección de salid a ain -E . El rayo 72 es entonces reflejado en una indeseada dirección -E para así producir una imagen fantasmal . Si bien solamente una pequeña parte del ha z de luz es reflejada en la dirección no deseada, el efecto de ello se hace má s

15 significativo, toda vez que es incrementado el campo de visión FOV; esto puede molestar al observador, en especial por los bordes del campo de visió n FOV . (0050) Aunque las anteriormente mencionadas reflexiones no deseadas n o puedan ser impedidas, el problema de las imágenes fantasmales, sin embargo ,

20 puede ser resuelto por cambiar el ángulo de la primera superficie de reflexión

22 . Si, por ejemplo, este ángulo es cambiado a asura = 63°, los otros parámetro s del sistema pasan a ser :

(3* =27° ; a=54° ; '=136° ; , =63° (13 )

25

Por consiguiente, al ser el campo de visión FOV de 16° y el índice de refracció n del sustrato es 1 .5, el máximo ángulo fuera del eje de la imagen es, dentro del sustrato, de 60°; la dirección de la indeseada reflexión es de 66° y el ángulo d e salida será de 18°, lo cual evidentemente está por fuera del campo de visió n

30 FOV, y con un diseño apropiado no será iluminada la pupila de salida .

(0051) La solución anteriormente descrita resuelve solamente el problema de las imágenes fantasmales . Parte de la energía seguirá siendo reflejada en la s direcciones no deseadas, lo cual puede mermar tanto la eficiencia como l a calidad de una visualización . No obstante, este procedimiento del diseñ o 5 alternativo tiene también algunas ventajas. En primer lugar, la sección transversal de cada superficie parcialmente reflectante 22' es mucho mayo r que en las formas de realización anteriores . Por consiguiente, un campo d e visión FOV dado requiere un menor número de superficies . En segundo lugar, no solamente son ahora más sencillos los necesarios recubrimientos ópticos , io sino también las deseadas reflexiones pueden ser conseguidas con las reflexiones Fresnel desde las superficies . Quiere decir esto que, en lugar de u n revestimiento de las superficies, una fina rendija de aire puede estar prevista entre las superficies sin recubrimiento . Si bien este procedimiento deja de se r el óptimo, unos resultados aceptables pueden ser conseguidos con un proces o

15 de fabricación que es mucho más sencillo. (0052) La Figura 12 indica las eficiencias ópticas del sistema en función del campo de visión FOV y para dos tipos de fuentes : Una fuente con una luz no-polarizada y la otra fuente con una luz S-polarizada. Si bien las eficiencias no son uniformes en ambos casos, este problema puede, no obstante, ser resuelt o

20 por introducir un elemento atenuador cerca de la fuente de visualización. De este modo, puede ser conseguida una eficiencia uniforme del 10% para la lu z no polarizada y del 15% para la luz S-polarizada . (0053) Es fácilmente posible diseñar los recubrimientos ópticos para l a obtención de una iluminación uniforme por todo el campo de visión FOV . Si se

25 emplean, por ejemplo, tres superficies parcialmente reflectantes, la reflexió n de las mismas puede ser diseñada para tener una reflectancia del 20%, del 25 % y del 33%, respectivamente, con lo cual se conseguirá una eficiencia uniform e del 20% por todo el campo de visión FOV . (0054) Hasta ahora se ha descrito solamente el campo de visión FOV a lo larg o

30 de su eje g. También habría de tenerse en consideración el campo de visión

FOV a lo largo del eje ortogonal rI . El campo de visión FOV a lo largo del eje r I

no está en función del tamaño o del número de las superficies parcialment e

reflectantes, sino el mismo depende de la dimensión lateral a lo largo del ej e

i de las ondas de entrada, acopladas hacia el interior del sustrato . El máximo

5

campo de visión FOV, que puede ser conseguido en cuanto al eje TI, es el

siguiente:

FOT/�A, -�cte. ,Rece + 1 /(v sin a;,, ) ' (14)

io

en la que Di es la dimensión lateral a lo Largo del eje rI de las ondas d e

entrada acopladas hacia el interior del sustrato .

(0055) Esto quiere decir que, si el deseado campo de visión FOV es de 30°, po r

aplicarse los mismos parámetros como anteriormente, se observa que la

necesaria dimensión lateral es de 42 mms . Con anterioridad, se había

15

demostrado que la dimensión lateral a lo largo del eje 1 de Las ondas de

entrada, acopladas al sustrato, queda determinada por SI = Ttan(a; n ) . U n

grosor de sustrato de T = 4 mms. consigue que S I = 6.8 mms. Según parece,

existe un factor mayor que 6 entre las dimensiones laterales a lo largo d e

ambos ejes . Incluso al ser supuesto que exista una relación de aspecto de 4 :

20

3 (en cuanto a una visualización por video) y que el campo de visión FOV sea ,

en el eje r, de 22°, La necesaria dimensión lateral es de 34 mms. ,

aproximadamente, y existe todavía un factor de 5 entre los dos ejes . Esta

discrepancia crea algunos problemas, inclusive produce la necesidad d e

emplear una lente de colimación con una elevada apertura numérica o bie n

25

una muy amplia fuente de visualización. En cualquier caso, con estas

dimensiones resulta imposible conseguir el deseado sistema óptico de tip o

compacto .

(0056) Un procedimiento alternativo para resolver este problema está indicad o

en la Figura 13 . En lugar de emplear una serie o forma de disposición de la s

30

superficies reflectantes 22, situadas a lo largo del eje i;, se emplea otra serie

de superficies reflectantes 22a, 22b y 22c, posicionadas a lo largo del eje 11 . Estas superficies reflectantes están dispuestas en relación con el plano de l sustrato 20 y a lo largo del bisector de los ejes 1 así como 11 . Las reflectancias de estas superficies quedan determinadas con el objeto de conseguir una s 5 ondas de salida uniformes . Quiere decir esto que, al ser empleadas tre s superficies reflectantes, las reflectancias han de ser ajustadas entonces par a ser del 33%, del 50% y del 100% para la primera superficie 22a, para la segund a superficie 22b y para la tercera superficie 22c, respectivamente . Es importante tener en cuenta que los ajustes indicados en los conjunto s

io colocados en serie, 22 así como 22a hasta 22c, representan solamente unos ejemplos. También pueden ser previstos otros ajustes para aumentar las dimensiones laterales de las ondas ópticas por ambos ejes, en conformida d con el sistema óptico y con los deseados parámetros. (0057) La Figura 14 indica la vista tridimensional de la configuración óptica en

is su conjunto, la cual está guiada por el sustrato. La luz reflejada es dilatada en primer lugar a lo largo del eje y luego a lo largo del eje 1. Como quiera qu e aquí la proyección de la luz entrante en el plano del sustrato está girada e n 90° en relación con lo indicado en la Figura 2, la dimensión lateral Si a lo larg o del. eje ri de la onda central queda determinada - después de su acoplamient o

20 al interior del sustrato - por Si = 2S ) = 2Ttan(ai„ ) . Con el fin de conseguir un a onda acoplada de forma simétrica, es preferible elegir una configuración co n la que la onda acoplada tendrá l a. misma dimensión en el eje g . En este caso, y dado que la dimensión lateral a lo largo del eje rl de las ondas de entrada es , previo al acoplamiento, de S l = Ttan(ain), existirá un factor de 2 entre las do s

25 dimensiones. Sin embargo, este factor es normalmente aceptable. Al término de la reflexión desde las superficies reflectantes, 22a hasta 22c, la dimensió n lateral a lo largo del eje n es determinada por Sri = 2NTtan(a i„ ) ; aquí N representa el número de las superficies reflectantes . El máximo campo de visión FOV, que puede ser conseguido a lo largo del eje TI, está basado en :

30

S,1 —d° , 2NTtan(au,) — FO7r;x — (15 )

Roe +1/(vsina;,,) Rey, + 1/(v sinah,)

(0058) Teniendo en cuenta que la serie de las superficies reflectantes, 22a

s hasta 22c, puede ser colocada más cerca del ojo, se espera que la distancia 1 entre las superficies reflectantes será más pequeña que anteriormente . Suponiendo que 1 = 30 mms. y eligiendo los parámetros T = 4 mms .; N = 3 ; ai„ = 600; 40 mms., y v = 1.5, el campo de visión FOV resultante será el

Reye(ojo)

siguiente : la FOV 30° . (16)

Este resultado es mejor que el resultado obtenido anteriormente . (0059) Como consecuencia de la necesaria expansión o dilatación de haces

15 ópticos, la luminosidad de la luz ha sido reducida por un factor N. Sin embargo, este efecto puede ser reducido al mínimo por el mismo procedimiento como anteriormente descrito. Según lo indicado en la Figura 15, los ángulos de incidencia de la parte inferior 76 del campo de visión FOV , la que debe ser reflejada desde la primera superficie reflectante 22a, so n

20 mayores que los ángulos de reflexión de la parte superior 78 del campo de visión FOV, la que ha de ser reflejada principalmente por la última superfici e reflectante 22c . En este caso, existe la posibilidad de diseñar, tal com o anteriormente, un recubrimiento reflectante que tenga unos mayore s coeficientes de reflectancia para unos más elevados ángulos de incidencia .

25 Teniendo en cuenta que la pérdida de energía de la parte superior 78 del campo de visión FOV puede ser mucho más reducida, se pueden elegir uno s mayores coeficientes de reflectancia para la primera superficie reflectante

22a y así sería más pequeña la reducción en la luminosidad . Los detalles exactos del requerido diseño están en función de distintos parámetros de cad a

30 sistema particular .

(0060) No es necesaria una limitación al empleo de un solo sustrato d e transmisión de luz 20, por lo que pueden ser empleados unos sustrato s adicionales. Por ejemplo, tres diferentes sustratos parciales ; el recubrimiento de cada uno de ellos puede estar diseñado para uno de los tres colores s básicos, y los mismos pueden ser combinados entre si para producir un sistem a visualizador tricolor . En este caso, cada sustrato parcial es transparente e n relación con los otros dos colores . Un sistema visualizador de este tipo pued e ser conveniente para aplicaciones en las que sea necesaria una combinació n entre tres distintas fuentes de visualización monocromática con el fin d e

io producir la imagen final . Existen, además, muchos otros ejemplos en to s cuales varios sustratos parciales pueden ser combinados entre si par a constituir un sistema más complicado . (0061) La Figura 16 muestra una configuración compacta de un visualizado r que es portado en la cabeza y está guiado por el sustrato y está construid o

15 conforme a la presente invención . La configuración representada se compone de tres series de superficies reflectantes. La primera superficie reflectante 22 acopla la luz que emerge de la fuente de visualización de entrada 4 y la mism a es colimada por la lente 6 hacia el interior de un sustrato 20 en el que l a distribución de luz es dilatada en una dirección . La segunda serie de las

20 superficies parcialmente reflectantes 22a, 22b y 22c refleja los rayos, y la distribución de luz es dilatada luego en la otra dirección . La tercera serie d e superficies reflectantes 22d, 22e y 22f desacopla la luz del sustrato par a pasarla hacia dentro de tos ojos del observador 24 .

(0062) La Figura 17 indica un procedimiento alternativo para dilatar los hace s

25 ópticos en la dirección rl . En este caso, la dilatación es llevada a efecto fuera del sustrato 20, en vez de dentro del mismo. Un divisor de haces ópticos 80 divide la luz, procedente de la fuente de visualización 4, en dos partes ; una parte es transmitida directamente hacia el sustrato 20, mientras que la otra parte es reflejada hacia un espejo 82 para luego ser reflejada también hacia e l

30 sustrato 20. A continuación, ambas partes de la luz - las que ahora constituyen

un haz óptico que es más amplio que el haz óptico primitivo - son acoplada s por la superficie reflectante 84 hacia el interior del sustrato . Puede se r empleado un mayor número, tanto de divisores de haces ópticos de espejos , para ampliar el rayo entrante en la dirección 11 . Una lente de colimación 8 1

s puede estar prevista entre la fuente de visualización 4 y el divisor de hace s ópticos 80. (0063) La Figura 18 muestra una versión ligeramente modificada de l a configuración de la Figura 17 . Ya es sabido que es más sencillo diseñar y fabricar las superficies reflectantes para una luz S-polarizada que para una lu z

io no-polarizada o una luz P-polarizada. Si la luz, procedente de la fuente de visualización 4, está, efectivamente, S-polarizada existe la posibilidad d e efectuar las reflexiones en las direcciones apropiadas por introducir una s placas de media longitud de onda 86 en los caminos ópticos, tal como est o está indicado en la Figura .

is (0064) En lugar de estar la fuente de visualización 4 orientada de form a paralela al sustrato 20, la misma también puede estar orientada de form a normal al sustrato, tal como indicado en las Figuras 19 y 20 . (0065) Otra posible forma para la realización está representada en la Figur a

21 . La fuente de visualización 4 está orientada de forma normal al sustrato 20 ,

20 y la luz puede ser pasada al interior del primer espejo de acoplamiento po r emplear un espejo deflector o un prisma reflectante 83 . Este espejo deflector

o el prisma reflectante 83 pueden tener su potencia óptica en la superfici e reflectante y/o en las caras del prisma reflectante, lo cual hace posible que s e efectúen las operaciones de colimación, por lo que queda eliminada la

25 necesidad de emplear otro elemento de colimación . (0066) Las ventajas de este sistema visualizador de visor o mira, guiado por el sustrato, son las siguientes : 1) Habida cuenta de que la fuente de visualización de entrada puede esta r situada muy cerca del sustrato, la configuración puede ser, en su conjunto ,

30 muy compacta y de poco peso .

2) De forma contraria a otras configuraciones de sistemas visualizadores d e visor, aquí existe una gran flexibilidad por el hecho de que la fuente d e visualización de entrada puede estar posicionada en relación con la part e ocular final . Por consiguiente, queda evitada la usual configuración del ej e

s desplazado, y las aberraciones del campo pueden ser compensadas de un a manera relativamente fácil y eficiente . 3) Los coeficientes de reflectancia de las superficies parcialmente reflectante s son casi constantes por el completo espectro relevante. Por consiguiente, n o solamente las fuentes de luz monocromática, sino también de lu z

io policromática pueden ser empleadas como fuentes de visualización, por lo cual se puede conseguir una visualización a color, portada en la cabeza . 4) Dado que cada punto de la visualización de entrada es transformado en un a onda plana que es reflejada hacia el interior del ojo. del observador desde una amplia parte de la serie de superficies reflectantes, 22d hasta 22f, es así qu e

15 las tolerancias acerca de un exacto posicionamiento del ojo pueden ser

ignoradas en gran parte . En este caso, el observador puede observar e l completo campo de visión FOV, y la caja de movimiento del ojo puede se r significativamente más amplia que en otras configuraciones de sistema s visualizadores de visor .

20 5) Como quiera que una gran parte de la energía - que es acoplada hacia e l interior del dispositivo óptico, guiado por el sustrato - es "reciclada" y desacoplada para pasar hacia el ojo del observador, resulta que puede se r conseguida una visualización de una luminosidad relativamente elevada . (0067) Las Figuras 22 y 23 indican una forma de realización de la present e

25 invención en la que los sustratos 90 están dispuestos, en forma de sustrato s parciales, dentro de una montura de gafas 92 . La fuente de visualización 4, la lente de colimación 6 y el espejo deflector 82 están montados dentro de la s partes de patilla 94 de las gafas, justamente cerca del borde del sustrat o óptico 90. En el supuesto de que la fuente de visualización sea un element o

30 electrónico - como, por ejemplo, un pequeño tubo de rayos catódicos (CRT) o un visualizador de cristal líquido (LCD) - los elementos electrónicos impulsores 93 para la fuente de visualización pueden estar dispuestos dentro de la part e dorsal de la pantalla 94. Un suministro de energía 96 puede estar conectado a la patilla 94 mediante un cable 97 .

5 (0068) Teniendo en cuenta que la luz de entrada, acoplada hacia el interio r del sustrato, está constituida habitualmente por unas ondas planas colimadas , también pueden ser aplicadas unas técnicas novedosas para el empleo de esta s ondas como la necesaria fuente de visualización . Otra posible visualización consiste en una virtual . visualización de retina (VRD), es decir, un sistema en e l

lo que una onda plana es escaneada rápidamente para generar una image n directamente en la retina del observador. Otra posible visualización podría estar basada en una idea similar a la holografía de transformación de Fourier . Empleando este principio, un dispositivo visualizador de cristal líquido (LCD ) produce la transformación Fourier de la imagen deseada, en lugar de l a

1s imagen propia . Al ser el visualizador de cristal líquido iluminado por un a coherente onda plana, que emerge de un pequeño diodo Laser, una image n colimada de la figura deseada será formada dentro del plano del visualizador de cristal líquido. Esta imagen podría ser empleada como la entrada para el dispositivo óptico, guiado por sustrato (SGOD) .

20 (0069) La forma de realización anteriormente descrita puede ser aplicad a tanto en los sistemas de una visión directa como en los sistemas de una visió n indirecta, en los cuales unas capas están dispuestas en frente de los elemento s ópticos. Un procedimiento alternativo consiste en emplear un filtro variabl e en frente del sistema, de tal manera que el observador pueda controlar e l

25 nivel de luminosidad de la luz procedente del escenario exterior . Este filtro variable puede estar constituido o por un dispositivo de control mecánic o como, por ejemplo, un filtro plegado o bien por dos elementos polarizadore s rotatorios, por un dispositivo de control electrónico o incluso por u n dispositivo automático, con lo cual la transmitancia del filtro qued a

30 determinada por la luminosidad del escenario exterior .

(0070) Existen algunas alternativas en cuanto a la forma exacta en la que e l dispositivo óptico, guiado por sustrato, puede ser empleado en esta configuración . La opción más sencilla consiste en emplear un solo element o para cada ojo . Otra opción consiste en emplear un elemento y una fuente d e s visualización para cada ojo, pero con la misma imagen. Todavía otra versión de esta opción consiste en proyectar dos partes diferentes de una mism a imagen, con algunos solapamientos entre los dos ojos, lo cual hace posibl e conseguir un campo de visión FOV más amplio . La posibilidad más complicada consiste en proyectar dos escenarios diferentes, uno para cada ojo, con el fi n

io de producir una imagen estereoscópica . Con estas alternativas son posible s unas implementaciones atractivas, incluyendo las películas tridimensionales , unas avanzadas realidades virtuales, unos sistemas de entrenamiento así com o otras implementaciones más . (0071) Es importante subrayar aquí que la forma de realización de las Figuras

15 22 y 23 representa justamente un ejemplo que muestra una sencilla implementación de la presente invención . Teniendo en cuenta que e l elemento óptico - que está guiado por el sustrato y que constituye la part e central del sistema - es muy compacto y de poco peso, por lo que el mism o puede estar instalado en una gran variedad de dispositivos . Por consiguiente ,

20 también son posibles otras formas de realización con este elemento óptico, incluyendo la de un visor o mira, de un visuatizador plegado, de un monócul o así como otras muchas formas de realización . (0072) La forma de realización indicada en las Figuras 22 y 23 está previst a para unas aplicaciones en las cuales la visualización ha de estar dispuesta en l a

25 cabeza o ser portada en la misma. No obstante, también puede habe r aplicaciones en las que la visualización debe estar situada en otro lugar . U n ejemplo de este tipo de aplicación es un teléfono móvil del cual se esper a para el futuro que pueda realizar prestaciones nuevas, incluyendo l a videofonía, la conexión a Internet, el acceso al correo electrónico e incluso l a

30 transmisión de emisiones de televisión de alta calidad por satélite . Con las

tecnologías existentes, un pequeño dispositivo visualizador puede esta r incrustado dentro del teléfono ; en la actualidad, sin embargo, un tal dispositivo visualizador solamente puede proyectar los datos de video de poca calidad o algunas líneas de Internet o los datos de correo electrónico ,

5 directamente al interior del ojo. (0073) La Figura 24 muestra, en base a la presente invención, u n procedimiento alternativo para proyectar unas imágenes de alta calida d

directamente al interior del ojo del usuario . Un dispositivo óptico plegado y guiado por sustrato SGOD 98 está íntegramente fijado en el cuerpo de u n lo teléfono móvil 100, en una manera similar a la que normalmente está fijada l a parte del micrófono. Una pequeña fuente de visualización 102, incrustada dentro del teléfono, proyecta una imagen de video 104 que es transmitida a través de un reté óptico 106 - que puede ser, por ejemplo, un espej o deflector, un prisma pequeño, un haz de fibras ópticas o cualquier otro tipo de

is reté - hacia el dispositivo SGOD 98 . De este modo resulta que, durante l a operación, el usuario puede desplegar del dispositivo SGOD 98, colocarl o delante de sus ojos y ver cómodamente la imagen deseada . (0074) Es importante tener en consideración que la forma de realización , indicada en la Figura 24, representa solamente un ejemplo que pone d e

20 manifiesto que también pueden ser materializadas unas aplicaciones distintas a las de un dispositivo visualizador portado en la cabeza . Otras posibles formas de realización, en las que el dispositivo visualizador es cogido con la mano, pueden incluir unos pequeños dispositivos visualizadores incrustados en u n reloj de pulsera, un dispositivo visualizador de bolsillo, el cual tiene el tamañ o

y el peso de una tarjeta de crédito, así como otras muchas formas de realización distintas . (0075) Las formas de realización, descritas anteriormente, se refieren a los sistemas ópticos monoculares, es decir, en los mismos la imagen es proyectad a

hacia solamente un ojo. Existen, sin embargo, otras aplicaciones - como, por 30 ejemplo, los dispositivos visualizadores dispuestos en partes altas o en techos

25

(HUD) - en las cuales es deseado proyectar una imagen sobre ambos ojos . Hasta hace poco tiempo, los sistemas de tipo HUD han sido empleado s principalmente en los avanzados aviones de combate y de aviación civil . Posteriormente, ha habido numerosas propuestas y diseños para instalar un ta l s dispositivo HUD por delante de un conductor de automóvil con el fin d e ayudarte en las tareas de conducción o de proyectar - en la oscuridad o en la s condiciones de poca visibilidad - una imagen térmica sobre los ojos del mismo . El problema principal de los sistemas de tipo IR consiste en que los mismos so n muy caros; el precio de una sola unidad es del orden de varios centenares de io miles de Dólares. Es obvio que este precio ha de ser reducido por un factor de tres, en orden de magnitud, con el fin de hacerlo compatible con el mercad o de los automóviles de turismo. Además, los sistemas actuales son muy grandes, pesados y engorrosos, aparte de ser demasiado complicados para s u instalación en un automóvil. Los dispositivos candidatos para los visualizadore s

15 HUD de gran consumo han de ser más compactos, más baratos y, además , pueden ser instalados fácilmente en los vehículos existentes . (0076) La Figura 25 indica un procedimiento para materializar un sistema HU D basado en la presente invención. La luz, procedente de una fuente de visualización 4, es colimada por una tente 6 al infinito y es acoplada por l a

20 primera superficie reflectante 22 hacia el interior del sustrato 20 . Después de su reflexión en una segunda serie de superficies reflectantes (no indicada s aquí), la luz incide en una tercera serie de superficies reflectantes 22', qu e desacopla la luz para pasarla al interior de los ojos 24 del observador. El

conjunto del sistema puede ser muy compacto y ligero, del tamaño de una

25 gran tarjeta postal y con un grosor de pocos milímetros . La fuente de visualización, que tiene un volumen de pocos centímetros cúbicos, puede esta r fijada en una de las esquinas del sustrato; en este caso, un cable eléctrico puede transmitir la energía y los datos hacia el sistema. Se confía que la instalación del presente sistema de tipo HUD no será más complicada que l a

30 instalación de un sencillo sistema de audio de tipo comercial . Además, habida

cuenta de que no existe ninguna necesidad de una fuente de visualización externa para la proyección de la imagen queda eliminada la necesidad de instalar las partes componentes en unos lugares inseguros . (0077) Teniendo en cuenta que la distancia entre los ojos y la superficie así

s como el diámetro de la pupila de salida son aquí mucho más grandes que en e l caso de unos visualizadores monoculares, se calcula que un mayor número d e superficies reflectantes 22' y/o un sustrato más grueso 20 serán necesario s para conseguir el deseado campo de visión FOV . En la Figura 26 está representado un procedimiento alternativo para materializar un dispositivo de

io tipo HUD con un mayor campo de visión FOV para un determinado sistema . En vez de definir la pupila de salida del sistema en el lugar previsto de los ojos del observador, se ha definido una pupila de salida virtual 108 que tiene u n diámetro más pequeño y que está situado en un lugar más cerca del sustrato . Tal como puede ser apreciado aquí, la parte derecha 110 del campo de visión

15 FOV puede ser vista con el ojo izquierdo solamente, mientras que la part e izquierda 112 del campo de visión FOV es observada solamente por el oj o derecho. La parte central 114 del campo de visión FOV es vista por ambos ojos . Una solución de este tipo es ampliamente aceptada en los sistemas HU D de uso militar, en los que la pupila del sistema óptico está situada cerca de l a

20 lente de colimación, de tal manera que el campo de visión instantáneo (IFOV) sea más pequeño que el campo de visión total (TFOV) . Según este tipo d e configuración, resulta que cada ojo puede observar una parte distinta de l campo de visión total TFOV, con un solapamiento por el centro del campo d e

visión total TFOV . El conjunto del campo de visión FOV, visto por ambos ojos ,

25 es mucho mayor que el campo de visión FOV visto por cada ojo individual . En relación con la forma de realización de la Figura 26, el sitio y el tamañ o exactos de la virtual pupila de salida serán definidos en conformidad con uno s parámetros específicos y con las prestaciones deseadas para cada sistem a particular.

30 (0078) Como quiera que la pupila de salida de un típico sistema HUD es mucho

mayor que la pupila de salida de un sistema visualizador que es portado en l a cabeza, se espera que una configuración de tres series de superficie s reflectantes - tal como anteriormente descrita en relación con la Figura 14 será necesaria para conseguir el deseado campo de visión FOV, incluso para l a s configuración anteriormente descrita en relación con la Figura 26 . No obstante, puede haber algunos casos especiales - incluyendo los sistemas co n unos pequeños campos de visión FOV verticales o con una forma de disposició n vertical de dispositivos emisores de luz LED como la fuente de visualización en los que podría ser suficiente una configuración con dos series de la s io superficies reflectantes (tal como anteriormente descritas en relación con l a

Figura 2) . (0079) Aparte de para los sistemas HUD para vehículos, las formas d e realización de las Figuras 25 y 26 también pueden ser implementadas par a otras aplicaciones . Otra posible aplicación de estas formas de realizació n

15 consiste en un visualizador plano para un ordenador o un televisor . La principal característica única de un visualizador de esta clase consiste en e l hecho de que la imagen no está situada dentro del plano de la pantalla, sino l a misma está enfocada al infinito o a una conveniente distancia similar . Uno de los mayores inconvenientes de los visualizadores existentes para ordenadore s

20 consiste en el hecho de que el usuario tiene que enfocar sus ojos a una mu y reducida distancia, entre 40 y 60 cros., mientras que el enfoque natural de u n ojo sano se extiende hasta el infinito . Muchas personas sufren de dolores de cabeza después de trabajar un tiempo prolongado con el ordenador . Otras muchas personas, que trabajan frecuentemente con ordenadores, tienden a

25 desarrollar miopía. Además, algunas personas, que sufren tanto miopía com o hiperopía, necesitan unas gafas especiales para su trabajo con el ordenador. Un dispositivo visualizador plano, basado en la presente invención, podrí a representar una solución apropiada para las personas que sufren de los problemas arriba descritos y que no desean trabajar con un dispositiv o

30 visualizador portado en la cabeza .

(0080) Otra ventaja del dispositivo visualizador de la presente invenció n consiste en su configuración que es muy plana, incluso en comparación con lo s existentes dispositivos visualizadores de papel plano . Es verdad que, a diferencia de los dispositivos visualizadores convencionales, el dispositiv o 5 visualizador de la presente invención tiene una limitada caja de movimiento de la cabeza dentro de la cual puede ser observada la imagen completa . No obstante, una tal limitada caja de movimiento de la cabeza puede se r

suficiente para una operación conveniente por un solo usuario . (0081) Otra posible forma de realización de la presente invención consiste e n

io su empleo como un proyector de texto para un locutor de radio o de televisión cuando se supone que éste haya de mirar a su audiencia y tenga que lee r simultáneamente un texto . Aplicando la presente invención, el locutor podrí a emplear una placa transparente, que es mantenida cerca de su cara par a proyectar el deseado texto hacia sus ojos y sin que esto pueda ser advertido

15 por la audiencia . (0082) Todavía otra posible implementación de esta forma de realización consiste en una pantalla para una personal asistencia digital (PDA) . El tamaño de las pantallas convencionales existentes, que son empleadas actualmente , es de aproximadamente 10 cms . Habida cuenta de que la distancia mínima, a

20 la que estas visualizaciones pueden ser leídas, es del orden de 40 cms ., el campo de visión FOV, que puede ser obtenido, es de aproximadamente 15° ; por consiguiente, es bastante limitada la información proyectada por esto s dispositivos visualizadores . Una mejora significativa del proyectado campo d e visión FOV puede ser conseguida mediante la forma de realizació n

25 representada en las Figuras 25 y 26. Teniendo en cuenta que la imagen es colimada hasta el infinito, la pantalla puede estar situada mucho más cerca d e los ojos del observador . Además, y como quiera que cada ojo . solamente puede ver una parte respectiva del campo de visión total TFOV, con un solapamient o por el centro, se puede conseguir así otro incremento en el campo de visión

30 total TFOV . De esta manera puede ser obtenida fácilmente una visualización con un campo de visión FOV de 40° o más . (0083) En todas las formas de realización anteriormente descritas para l a presente invención es así que la imagen, que ha sido transmitida por e l dispositivo SGOD, tiene su origen en una fuente de visualización electrónic a

s como, por ejemplo, en un tubo de rayos catódicos (CRT) o en un dispositiv o visualizador de cristal líquido (LCD). Existen, sin embargo, otras aplicaciones en las cuales la imagen transmitida puede constituir parte de un escenario e n directo como, por ejemplo, en las gafas para las personas que sufren tanto d e miopía como de hiperopía y cuyos problemas no son siempre solucionados d e

io manera conveniente por las convencionales gafas bi-focales o multi-focales. Una solución alternativa consiste en el empleo de unas lentes oftálmicas qu e tengan varias longitudes focales . Estas lentes producen unas imágene s múltiples en la retina del observador . El cerebro se acomoda, en este caso, a la imagen más nítida.

15 (0084) La Figura 27 indica un procedimiento para implementar una lente que tiene una doble longitud focal, el cual está basado en la presente invención . Una imagen de escenario 114 del infinito es acoplada al interior de un sustrat o 20 por una superficie reflectante 22, y la misma es luego reflejada - por medi o de una serie de superficies parcialmente reflectantes 22' - hacia el interior de l

20 ojo 24 del observador . Otra imagen de escenario 116, de una distancia más cercana, es colimada al infinito por una lente 118, y la imagen es luego pasad a al interior del ojo tras pasar por el sustrato 20 . La lente oftálmica 120 enfoca las imágenes, 114 y 116, a una distancia conveniente y la misma corrige la s posibles otras aberraciones del ojo del observador, incluyendo el

25 astigmatismo . Al encontrarse el escenario exterior cerca del observador, el escenario 116 tendrá una imagen nítida en la retina, mientras que el escenario 114 será borrosa . Por consiguiente, el cerebro se acomodará automáticamente a la imagen nítida del escenario 116 ; en cambio, al estar el escenario exterio r más alejado, la imagen 114 será la más nítida y el cerebro se acomodar á

30 entonces a la misma.

(0085) La presente invención también puede ser empleada para combina r entre si dos escenarios que son totalmente distintos . Existen numerosa s aplicaciones en las cuales puede ser útil un dispositivo de esta clase, aqu í inclusive el caso de pilotos o conductores que quieren ver simultáneamente los s escenarios frontales y traseros; el caso de un deportista que quiere tener distintas vistas de un campo; el caso de un pintor que desea combinar su pintura con un escenario real; el caso de un estudiante que copia el texto de una pizarra, así como otras muchas aplicaciones más . La Figura 28 muestra un procedimiento para combinar, en conformidad con la presente invención, do s io partes distintas de un escenario exterior dentro del ojo del observador . Una

imagen de escenario 120, procedente de una dirección oblicua, es desplegad a

- por ejemplo, por un prisma o por cualquier otro medio óptico 122 - para se r

acoplada al interior del sustrato 20 mediante una superficie reflectante 22,

y

esta imagen es luego reflejada por una serie de superficies parcialment e

is

reflectantes 22' hacia el interior del ojo 24 del observador, punto éste en e l

cual esta imagen es combinada con el escenario normal 124 .

(0086) Como quiera que las ondas ópticas, 114 y 120, que son acopladas a l

interior del dispositivo SGOD y que proceden del infinito, no tienen que se r

enfocadas por una lente o por otro elemento óptico similar, para las formas d e

20

realización, descritas en relación con las Figuras 27 y 28, es importante tener

en cuenta que las dimensiones laterales de las ondas acopladas carecen d e

importancia . Por consiguiente, puede ser empleado un dispositivo SGOD más

sencillo, que tiene solamente dos series de superficies reflectantes, tal com o

descritas en laFigura- 2, en lugar de la forma de realización más complicada

25

de la Figura 14, la cual comprende tres de estas series.

(0087) Las formas de realización descritas en relación con las Figuras 27 y 2 8

representan meramente unos ejemplos que indican las posibilidades para l a

implementación de la presente invención. Existe la posibilidad de combinar

dos distintas imágenes dadas con un dispositivo SGOD ; imágenes éstas qu e

30

pueden proceder de unos escenarios vivos, de visualizaciones derivadas de

electrónica (como, por ejemplo, por combinarse una cámara de video con u n dispositivo de imágenes térmicas) o bien de cualquier otra combinació n posible. (0088) Según todas las formas de realización anteriormente descritas, el

5 dispositivo SGOD es empleado para transmitir unas ondas luminosas para l a finalidad de producir imágenes . Sin embargo, la presente invención n o solamente puede ser empleada para la generación de imágenes, sino tambié n para unas aplicaciones que no generan imágenes, principalmente para sistemas de iluminación en los que la calidad óptica de la onda de salida no e s

io crucial y los parámetros importantes son la intensidad y una luminosida d uniforme. Esta invención puede ser empleada, por ejemplo, para iluminar desde atrás los dispositivos visualizadores de paneles planos, en la mayoría d e los casos se trata de sistemas visualizadores de cristal líquido en los cuales e s necesario - con el fin de generar una imagen - iluminar la placa con una luz

15 tan luminosa y uniforme como sea posible . Otras posibles aplicaciones de est e tipo comprenden - aunque no estén limitadas a ello - los elementos sustitutivos planos y baratos para la iluminación de locales o para las luces d e pasillos, elementos de iluminación para escáneres de huellas dactilares as í como las ondas de lectura para los hologramas visualizadores tridimensionales .

20 (0089) La Figura 29 muestra la configuración compacta de un dispositivo SGO D como dilatador de haces ópticos, el cual está construido conforme a l a presente invención . La configuración representada se compone de una primera superficie reflectante 126, de una segunda superficie reflectante 128 así cóm o de una tercera superficie reflectante 130 . La onda de entrada 132 es una onda

25 plana que normalmente incide en el sustrato 20, mientras que la onda d e salida 134 es una onda plana con un diámetro que es significativamente mayo r que el diámetro de la onda de entrada . Un sistema de este tipo puede se r implementado en forma de un dispositivo de iluminación compacto para unas zonas relativamente amplias, el cual es muy delgado .

30 (0090) La configuración de un dispositivo tipo SGOD como dilatador de haces

ópticos es similar a la configuración anteriormente descrita para otras forma s de realización de la presente invención . No obstante, existen algunas diferencias entre los sistemas de generación de imágenes y los sistemas que n o generan imágenes. En primer lugar porque en los sistemas de no-generación de s imágenes no existe la necesidad de preocuparse de unas "imágenes fantasmales", y las ondas de entrada pueden estar acopladas de form a paralela al plano del sustrato ; por consiguiente, cada plano parcialment e reflectante puede ser iluminado de manera . uniforme. En segundo lugar, en lo s sistemas que no generan imágenes no tiene ninguna importancia l a

io transmitancia del sustrato y, por lo tanto, solamente habría de ser tenida e n consideración la distribución de la reflectancia . (0091) Además, en lugar del objetivo del diseño de un campo de visión FO V

uniforme en los sistemas de generación de imágenes, el objetivo del diseño de los sistemas de no-generación de imágenes consiste en obtener una intensida d is más uniforme de la onda de salida. Con el fin de conseguir esto, la reflectancia de la serie de superficies parcialmente reflectantes 130 s e incrementa gradualmente a lo largo del eje g, de tal manera que durante cad a reflexión pueda ser desacoplada solamente una parte de la energía de la s atrapadas ondas ópticas . La Figura 30 indica la intensidad de la onda de salida ,

20 la reflectancia de las superficies así como la cantidad de energía dejad a dentro del sustrato en función de la distancia de propagación dentro de l sustrato y a lo largo del eje g para un típico dilatador de haces ópticos, guiad o por el sustrato . (0092) Teniendo en cuenta que, en los dispositivos de iluminación, la lu z

25 puede ser acoplada de forma paralela al plano del sustrato, resulta que l a misma puede ser acoplada a través de uno de los bordes del sustrato . Además, aquí no hace falta limitar el empleo a una sola fuente de luz, sino se puede n

emplear muchos puntos luminosos . Como añadidura, en estos dispositivos n o es necesario que las ondas luminosas sean colimadas . Las Figuras 31A y 31 B 30 muestran dos posibles configuraciones para unas finalidades de iluminación ;

una de ellas tiene dos series de superficies parcialmente reflectantes (Figur a 31A), mientras que la otra configuración comprende solamente una tal seri e (Figura 31B) . Según estas configuraciones, la fuente de luz está formada po r una serie de dispositivos emisores de luz LED 136, y la luz es colimada por un a

s serie de lentillas 138 para ser acoplada al interior del sustrato a través de uno de los bordes del sustrato, produciendo así una iluminación de luz uniform e que es desacoplada por la serie de superficies reflectantes 140 . (0093) La Figura 32 indica un procedimiento para fabricar la serie de la s superficies parcialmente reflectantes . En primer lugar, es formado un . grupo

io de prismas 142 como una pluralidad de elementos transparentes que tienen la s dimensiones deseadas . Estos prismas pueden ser fabricados a partir de unos materiales basados en silicato como, por ejemplo, BK-7, mediante las técnica s convencionales de amoladura y pulimentado o, como alternativa, los mismo s pueden estar hechos de polímeros o de materiales de gel o coloide líquido ,

is aplicando las técnicas de fundición o de moldeo inyectado . A continuación, las superficies apropiadas de estos prismas son revestidas con los deseados imagen1 recubrimientos ópticos 144. Finalmente, los prismas son pegados entre si para constituir el deseado dispositivo óptico guiado por sustrato, SGOD. En aquellas aplicaciones, en las cuales es crítica la calidad de las superficies ópticas ,

20 puede ser añadida al proceso la fase final de pulimentar las superficies

exteriores 146 . (0094) La Figura 33 muestra otro procedimiento para fabricar la serie de las superficies parcialmente reflectantes . Dos elementos transparentes en form a de diente y entre si similares 148 son fabricados - como lá . pluralidad de

25 elementos transparentes - mediante fundición o por el moldeo inyectado . Los deseados recubrimientos 150 son aplicados sobre las superficies apropiadas d e uno de los elementos, y las dos piezas son luego pegadas entre si para forma r el deseado dispositivo de tipo SGOD 152 . (0095) La Figura 34 indica otra versión más del procedimiento representado e n

30 la Figura 33 para fabricar la serie de las superficies parcialmente reflectantes .

En lugar de revestir los elementos conformados 148 con el recubrimiento 150 , el recubrimiento es aplicado sobre una lámina de polímeros 154 que es mu y fina y flexible . Esta lámina es introducida entre los elementos conformado s 148 que luego son pegados entre si para formar el deseado dispositivo SGO D

5 156 . (0096) La Figura 35 muestra todavía otro procedimiento más para fabricar un a serie de las superficies parcialmente reflectantes . Las superficies de u n determinado número de placas planas transparentes 158 - como la pluralida d de elementos transparentes - son revestidas con los deseados recubrimientos l0 160 y, a continuación, las placas son pegadas entre si con el fin de obtene r una configuración cúbica 162. Seguidamente, un segmento 164 es recortado de la forma cúbica mediante corte, amoladura y pulimentado para conseguir e l deseado dispositivo óptico guiado por sustrato, SGOD . (0097) Existen casos en los cuales no resulta crítica la uniformidad de la luz d e 15 salida. En estos casos, en lugar de recubrir las superficies reflectantes, exist e ta posibilidad de dejar unos huecos de aire entre las mismas, lo cual permite que la luz pueda ser desacoplada de las superficies mediante unas reflexione s de tipo Fresnel. En este supuesto, sin embargo, puede presentarse un

problema en cuanto a la uniformidad de la intensidad de salida, pero est e 20 problema puede ser resuelto por emplearse dos placas que son iluminada s desde las direcciones opuestas. Otra posible solución consiste en revestir tos

bordes opuestos y la superficie exterior con un recubrimiento reflectante .

(0098) Tal como anteriormente descrito, existen aplicaciones en las cuales e s importante tener en las superficies reflectantes unos recubrimientos no25 uniformes. La Figura 36 indica un procedimiento para conseguir este requisito . Dos series diferentes de superficies parcialmente reflectantes son fabricada s mediante uno de los procedimientos anteriormente descritos o por cualquie r otro procedimiento, y en las mismas la reflectancia de la serie inferior 168 es más elevada que la reflectancia de la serie superior 170 . A continuación, las

30 dos series de las superficies parcialmente reflectantes son pegadas entre si

para constituir el deseado dispositivo SGOD 172. (0099) Para las personas familiarizadas con este ramo técnico será evident e que la presente invención no está limitada a los detalles de las formas d e realización anteriormente descritas y que esta invención podrá se r

s materializada también en otras formas específicas dentro del alcance de la presente invención, tal como el mismo queda definido por las reivindicaciones , en lugar de por la descripción anteriormente relacionada, y, por consiguiente , se pretende que todos los cambios, que entran en la interpretación y en el campo de equivalencias de las reivindicaciones, estén incluidas en las mismas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1 a .- Dispositivo óptico que comprende : Un sustrato transmisor de luz (20) que tiene por lo menos dos superficies mayores en paralelo (26) y unos bordes; las mencionadas dos superficie s mayores atrapan - mediante una total reflexión interna dentro del referido

   s sustrato - los rayos de luz acoplados hacia el interior de este sustrato ; Un determinado número de superficies parcialmente reflectantes (22) , situadas por el interior del mencionado sustrato de forma paralela entre si así como mutuamente distanciadas y dispuestas dentro de un espacio previst o entre las referidas superficies mayores con un primer ángulo (as„r2) en relación

   io con la línea normal del plano del sustrato ; Dispositivo éste que está caracterizado por un medio óptico para acoplar lo s rayos de luz hacia el interior del mencionado sustrato a través de una de la s superficies mayores del sustrato; a este efecto, el referido medio óptico acopla - después de recibir los rayos de luz que inciden en el sustrato - lo s

   15 rayos de luz incidentes hacia el interior del sustrato, de tal manera que los mismos queden atrapados por las mencionadas superficies mayores mediant e una total reflexión interna; en este caso, los rayos de luz acoplados son dirigidos con un segundo ángulo (a;,,) con respecto a la línea normal del plan o del sustrato, y esto de tal manera que los rayos de luz acoplados puedan llega r

   20 a una superficie parcialmente reflectante, después de por lo menos una reflexión interna por una de las superficies mayores, con un ángulo d e incidencia en relación con la superficie parcialmente reflectante, el cual es o un ángulo de incidencia (j3'ref), con el que la reflectancia es desdeñable, u otro ángulo de incidencia (f3ref) con el que la referida superficie parcialment e

   25 reflectante (22) transmite una primera parte de los mencionados rayos de luz acoplados y refleja la otra parte de los referidos rayos de luz del mencionad o sustrato hacia fuera, con lo cual los rayos de luz transmitidos son atrapado s más y son propagados dentro del sustrato para poder ser reflejados del referido sustrato hacia fuera, por lo menos parcialmente y a través de otr a

   30 superficie parcialmente reflectante .

   2a .- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual un rayo de lu z atrapado y propagado (28, 30), reflejado por las superficies dentro de l sustrato, llega a la primera superficie parcialmente reflectante (22) despué s de un número par de reflexiones, mientras que otro rayo de luz llega a esta

   5 superficie después de un número impar de reflexiones . 3a.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual el rayo de lu z atrapado llega a una superficie parcialmente reflectante inmediatament e

   después de una reflexión desde una de las referidas superficies mayores, y este rayo de luz llega a otra superficie parcialmente reflectant e

   io inmediatamente después de una reflexión desde otra de las mencionada s superficies mayores . 4a .- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual los rayos d e luz atrapados, que dentro del sustrato tienen el mismo ángulo con respecto a l eje, llegan a las superficies parcialmente reflectantes (22) desde do s

   15 direcciones distintas .

   5a.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que el ángulo de incidencia entre el rayo de luz atrapado y la Línea normal con respecto a l a superficie parcialmente reflectante es, en una dirección, más pequeño que e l angulo de incidencia de la otra dirección .

   20 6a .- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que la reflectanci a de las referidas superficies parcialmente reflectantes es desdeñable para un a de las dos direcciones mencionadas . 7a .- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que - en solament e una de lasdistintas direcciones referidas una parte de los rayos de luz e s

   25 desacoplada del sustrato . 8a.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que - en un a segunda de las distintas direcciones - los rayos de luz son transmitidos a travé s de las superficies parcialmente reflectantes y sin ninguna reflexión notable . 9a .- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que el rayo de lu z

   30 atrapado pasa a través de por lo menos dos diferentes superficies

   parcialmente reflectantes (22) entre dos reflexiones efectuadas desde l a misma superficie mayor (26) del referido sustrato . 10a.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 9) en el que e l mencionado rayo de luz atrapado pasa a través de las mencionadas dos

   5 superficies parcialmente reflectantes con dos ángulos de incidenci a

   diferentes. 1V.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que los rayos d e luz atrapados iluminan la zona completa de por lo menos una superficie reflectante .

   io 12a.- Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que los rayos d e luz atrapados iluminan una zona en una de las referidas superficies mayore s del sustrato, la cual es mayor que la proyección de una superficie parcialmente reflectante en una de las superficies mayores del sustrato . 13a.- Dispositivo óptico conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 )

   15 hasta 12) y en el que las mencionadas superficies mayores del sustrato está n revestidas de un recubrimiento no uniforme; en este caso, la transmitancia del referido recubrimiento no-uniforme está en función de la reflectancia de la s mencionadas superficies parcialmente reflectantes. 14a.- Dispositivo óptico conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 )

   20 hasta 13) y en el que la reflectancia de cada una de las referidas superficie s parcialmente reflectantes es distinta en las diferentes partes de las mencionadas superficies parcialmente reflectantes para así conseguir u n campo de visión con una luminosidad uniforme y previamente determinada .