ES2620089T3 - Guía de ondas que incluye huecos para cambiar la dirección de la luz - Google Patents

Abstract

Guía (123) de ondas que comprende: superficies planas que incluyen una superficie plana superior (212) y una superficie plana inferior (210); superficies (202) de unión, presentando cada superficie de unión áreas superficiales planas y un número de huecos, comprendiendo cada hueco una cavidad (250), y extendiéndose desde la superficie plana superior (212) a la superficie plana inferior (210); cada superficie de unión está inclinada con un mismo ángulo con respecto a la superficie plana superior (212); cada hueco de cada superficie de unión refleja hacia fuera de la guía (123) de ondas, luz recibida por el hueco dentro de un primer intervalo de ángulos; y cada hueco de cada superficie de unión deja pasar, para su reflexión interna total por la guía (123) de ondas, luz recibida dentro de un segundo intervalo de ángulos.

Description

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DESCRIPCION

Grna de ondas que incluye huecos para cambiar la direccion de la luz Antecedentes

Las gmas de ondas se pueden usar en modulos de visualizacion, con una variedad de tamanos, por ejemplo, desde televisiones hasta modulos de visualizacion de proximidad ocular (NED)s. Un ejemplo tipico de un modulo de visualizacion de proximidad ocular es un modulo de visualizacion montable en la cabeza (HMD). En particular, uno de los tipos de gmas de ondas usa espejos internos para cambiar la direccion de una fraccion de la luz en multiples posiciones en la gma de ondas. Se han usado espejos dicroicos multi-capa. Los espejos se sintonizan de manera que sean reflectores parciales. No obstante, la fabricacion de una grna de ondas con espejos dicroicos del tipo mencionado resulta dificultosa, debido al uso de multiples recubrimientos opticos precisos para crear el espejo. Los espejos dicroicos son fragiles, presentan limitaciones en cuanto a la variedad de angulos con los que pueden trabajar, y tambien en el uso con tamanos mayores por la resistencia mecanica. Se desean gmas de ondas de calidad, duraderas, que se puedan realizar con precios orientados al consumidor.

El documento JP H05 158036 describe el guiado eficiente de toda la luz que incide desde una fuente de luz en la superficie posterior de un panel de cristal lfquido, hacia un dispositivo de iluminacion de la superficie de un sistema de retroiluminacion, que consigue que el visionado de la pantalla de cristal lfquido resulte brillante y sencillo. En la parte posterior del panel hay dispuestas de forma dispersa, a intervalos especificados, placas de control de la reflexion que forman un angulo especificado.

El documento US 2005/286266 describe un panel de guiado de luz, utilizable con una unidad de retroiluminacion, teniendo el panel la capacidad de mejorar la uniformidad del brillo y reducir las perdidas de luz. El panel de guiado de luz incluye una placa transparente uno de cuyos lados es un plano de incidencia. El interior del panel de guiado de luz esta dividido por una pluralidad de planos inclinados con respecto al plano de incidencia, y cada uno de los planos inclinados respectivos tiene un recubrimiento de reflexion parcial.

Sumario

La tecnologfa proporciona realizaciones para una grna de ondas constituida por un material opticamente transparente que tiene huecos en el material en puntos a lo largo de la grna de ondas, cambiando dichos huecos la direccion de la luz. Por ejemplo, los huecos actuan como reflectores. La grna de ondas puede incluir una serie de planos en ubicaciones situadas a lo largo de la grna de ondas. Cada plano incluye huecos que ocupan una fraccion del area del plano. Cada plano con huecos puede ser simultaneamente un reflector parcial que provoca que la luz en un primer intervalo de angulos salga de la grna de ondas, y es al mismo tiempo tambien un transmisor de luz en un segundo intervalo de angulos por la grna de ondas. La luz en el primer intervalo de angulos. La grna de ondas se puede usar en modulos de visualizacion. Algunos ejemplos de modulos de visualizacion son modulos de visualizacion de proximidad ocular (NED)s, grandes modulos de visualizacion destinados a telepresencia, o modulos de visualizacion en escaparates o de tipo heads-up.

La tecnologfa proporciona una o mas realizaciones de una grna de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz. Una realizacion de la grna de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz comprende superficies planas que discurren por un tramo de la grna de ondas que incluye una superficie plana superior. Una pluralidad de planos con huecos esta situada dentro de la grna de ondas, rodeada por las superficies planas, y cada plano con huecos se encuentra con la superficie plana superior, inclinado con un mismo angulo. Cada plano con huecos incluye un grupo de huecos que ocupan una fraccion del area del plano. Cada uno de los planos con huecos refleja parcialmente hacia fuera de la grna de ondas, luz recibida dentro de un primer intervalo de angulos, y transmite por la grna de ondas luz recibida dentro de un segundo intervalo de angulos.

La tecnologfa proporciona una o mas realizaciones de un metodo para realizar una grna de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz. Una realizacion de un metodo para realizar una grna de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz comprende formar un patron seudo-aleatorizado de cavidades en una superficie de cada una de un numero N de secciones planas opticamente transparentes. El patron puede tener aspecto de aleatorio, aunque, en la practica, es probable que se calcule cuidadosamente para evitar la repeticion de caractensticas que creanan artefactos visibles, como ondulaciones o puntos de brillo variable. La realizacion del metodo comprende ademas inclinar las N secciones planas opticamente transparentes, con cavidades, con un mismo angulo, quedando encarada cada una de las N superficies con cavidades en la misma direccion, y apilar las N secciones planas opticamente transparentes, con cavidades, inclinadas, en una pila, quedando encarada cada una de las N superficies con cavidades en la misma direccion, de modo que cada superficie con cavidades se apoya en una superficie totalmente plana de una seccion plana opticamente transparente, adyacente, respectiva. La realizacion del metodo comprende ademas unir la pila de N secciones mediante la union de partes planas sin cavidades de cada una de las N superficies con cavidades, a la superficie totalmente plana de la seccion plana opticamente transparente, adyacente, respectiva, para formar un hueco en cada una de las cavidades, rebanar la pila para formar una grna de ondas que incluye las N secciones unidas, inclinadas con el mismo angulo; y pulir superficies planas externas de la grna de ondas rebanada para cumplir criterios de planitud por reflexion interna total

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(TIR).

La tecnologfa proporciona una o mas realizaciones de una gma de ondas opticamente transparente. Una de las realizaciones de la gma de ondas opticamente transparente comprende superficies planas que incluyen una superficie plana superior y una superficie plana inferior y superficies de union. Cada superficie de union tiene areas superficiales planas y una serie de huecos, y cada superficie de union discurre desde la superficie plana superior hasta la superficie plana inferior, y esta inclinada con un mismo angulo con respecto a la superficie plana superior.

Cada hueco de cada superficie de union refleja, fuera de la gma de ondas, luz recibida por el hueco dentro de un primer intervalo de angulos, y cada hueco de cada superficie de union deja pasar, para una reflexion interna total por la gma de ondas, luz recibida dentro de un segundo intervalo de angulos.

Este Sumario se proporciona para introducir una seleccion de conceptos de una manera simplificada, que se describen adicionalmente mas adelante en la Descripcion Detallada. Este Sumario no esta destinado a identificar caractensticas clave o caractensticas esenciales de la materia en cuestion reivindicada, y esta destinado a usarse como medio auxiliar en la determinacion del alcance de la materia en cuestion reivindicada.

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama de bloques de una realizacion de una gma de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz.

Las Figuras 2A y 2B son diagramas de bloques que ilustran ejemplos de patrones de cavidades o huecos que vanan en cuanto al patron y el porcentaje de cobertura superficial.

La Figura 3A es un diagrama de flujo de una realizacion de un metodo para realizar una gma de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz.

La Figura 3B es un diagrama de flujo de un ejemplo mas detallado de un metodo para realizar una gma de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz.

La Figura 3C es un diagrama de bloques que ilustra una etapa de rebanado en una realizacion de un metodo para realizar una gma de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz.

La Figura 3D es un diagrama de bloques de una vista lateral de una gma de ondas que se obtiene como resultado de la etapa de rebanado de la Figura 3B.

La Figura 4A es una vista superior de una realizacion de un modulo de visualizacion de proximidad ocular (NED) que incluye una realizacion de una gma de ondas que usa huecos, la cual esta acoplada opticamente a una unidad de generacion de imagenes en un sistema de NED.

La Figura 4B es un diagrama de bloques de componentes de hardware ejemplificativos que incluyen un sistema de ordenador dentro de circuitena de control de un dispositivo de NED.

Descripcion detallada

Tal como se ha indicado anteriormente, la tecnologfa proporciona realizaciones correspondientes a una gma de ondas constituida por un material opticamente transparente que tiene huecos en el material en puntos situados a lo largo de la gma de ondas, cambiando dichos huecos la direccion de la luz. Los huecos pueden estar al vacfo en algunos ejemplos, se pueden rellenar con aire en otros, y se pueden rellenar con gas todavfa en otros ejemplos. Asf, los huecos actuan como espejos. Un grupo de huecos puede estar rodeado por material plano en un plano, y estos planos con huecos se situan a lo largo de la gma de ondas para proporcionar un cambio fraccionario diferente de la luz fuera de la gma de ondas en dichas ubicaciones. El porcentaje de area plana ocupada por los huecos determina la fraccion de luz reflejada hacia fuera. El hecho de que la luz sea reflejada parcialmente fuera de la gma de ondas por un plano con huecos en una ubicacion, o sea transmitida, depende del angulo con el cual se aproxima a la luz al plano con huecos. Cada uno de los planos con huecos puede reflejar, de manera simultanea y parcial, fuera de la gma de ondas, luz de una superficie plana recibida dentro de un primer intervalo de angulos, y transmitir, por la gma de ondas, luz de una superficie plana, recibida dentro de un segundo intervalo de angulos.

Tal como se describe posteriormente, en algunas realizaciones, la gma de ondas puede estar constituida por secciones, por ejemplo, planos opticos, de material opticamente transparente, por ejemplo, un plastico opticamente transparente u otro material tfpico de gma de ondas. Antes de unirlas entre sf, en una superficie plana de union de cada seccion se forman cavidades, y la superficie de union con cavidades es la misma superficie de union para cada seccion. El patron de cavidades y el porcentaje de cavidades con respecto al area superficial plana en las superficies de union se puede variar para cada seccion optica con el fin de permitir un cambio fraccionario diferente de direccion de la luz a lo largo de la gma de ondas resultante. Las secciones con sus superficies de union con cavidades se inclinan con un angulo que permite una reflexion interna total para la luz recibida dentro de un intervalo de angulos mediante una superficie de union con cavidades, y que deja pasar, con una perdida minima, la luz recibida en otro

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intervalo de angulos. A continuacion, las secciones se apilan y se unen, de manera que una superficie totalmente plana de una seccion se apoya en una superficie de union con cavidades. Las areas superficiales planas de la superficie de union con cavidades se unen o funden con la superficie de apoyo totalmente plana. La superficie plana de apoyo, unida, y cada cavidad forman un hueco. A partir de la pila se rebana una grna de ondas constituida por las secciones inclinadas, unidas en las superficies de union, y la misma se pule.

Esta tecnologfa permite que no se tengan que utilizar recubrimientos opticos, una fabricacion mas sencilla, el uso de materiales duraderos, y un intervalo mas amplio de angulos. Los huecos finos que cubren una fraccion de la superficie de union pueden actuar como espejos de reflexion interna total (TIR). El efecto de TIR cubre de forma precisa un intervalo mas amplio de angulos que los espejos dicroicos recubiertos, inherentemente casi todos los angulos que puede utilizar la propia grna de ondas, mientras que el control del patron superficial permite un control preciso de las proporciones relativas de transmision y reflexion. El uso de huecos para elaborar una superficie de espejo es compatible con la fusion de material directa lo cual elimina discontinuidad o debilidades de las superficies.

La Figura 1 es un diagrama de bloques de una realizacion de una grna 123 de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz. Se ilustra una parte representativa de la grna de ondas. Tal como se indica mediante las lmeas de trazos que se extienden desde las superficies planas 210 y 212, la grna de ondas continua en las dos direcciones. La luz, que se ilustra mediante un rayo central representativo 204, tal como luz de una imagen proveniente de una unidad de generacion de imagenes de un sistema de visualizacion, se acopla a la grna 123 de ondas, por ejemplo mediante una ventana de entrada (no mostrada). La luz llena la grna de ondas, rebotando desde los lados inferior y superior, de manera que hay muchos trayectos de los rayos que podnan ilustrarse. Cualquier rayo dado se aproximara a algunas superficies de union en sentido descendente, tal como se ilustra para el rayo que pasa a traves de la superficie 202a de union, y se aproximara a algunas superficies de union en sentido ascendente, tal como se ilustra para el rayo que pasa a traves de la superficie 202b de union. En cualquier momento dado, cada superficie de union tiene rayos que se originan a partir de la imagen, los cuales pueden estar llegando desde la superficie superior o la superficie inferior de la grna de ondas con una variedad de angulos. Por tanto, cada superficie de union tfpicamente esta tratando la mitad de su luz sobre trayectos provenientes de la parte superior, mientras que, al mismo tiempo, la mitad de la luz se encuentra sobre trayectos que se reflejan desde debajo. Con fines ilustrativos, se muestra el procesado de un rayo 204 de luz ejemplificativo.

Secciones de grnas de ondas representativas del material opticamente transparente 208a y 208b estan unidas por la superficie 202a de union con cavidades, y secciones 208b y 208c de material opticamente transparente estan unidas por la superficie 202b de union con cavidades. (Posteriormente se describen ilustraciones de superficies con cavidades). Algunos ejemplos de material opticamente transparente son video, plastico y cuarzo. Cada una de las superficies 202a y 202b de union esta en un plano respectivo que se encuentra con la superficie plana superior y esta inclinada con un mismo angulo. Se ilustran dos superficies planas 210 y 212 que discurren a lo largo de la grna de ondas, y las mismas se forman puliendo las superficies exteriores de la grna de ondas formada a partir de las secciones. La grna de ondas tendna por lo menos dos superficies planas que reflejan luz, por ejemplo, en una grna de ondas con forma rectangular. El numero de superficies planas puede variar en otras configuraciones de grnas de ondas. En esta realizacion, la superficie 202a de union con cavidades refleja, para darle salida desde la grna de ondas, luz del rayo representativo 204 recibido en un primer intervalo de angulos, mientras que la superficie 202b de union con cavidades deja pasar por la grna de ondas luz proveniente de una superficie plana, recibida en un segundo intervalo de angulos. Estos intervalos de angulos son el resultado de reflexiones internas totales alternativas desde las superficies planas de la grna de ondas.

En este ejemplo, el primer intervalo 205 de angulos esta centrado en torno a un angulo 0, que es el angulo de inclinacion formado por cada superficie de union con cavidades con un plano normal que esta en interseccion con las superficies planas 212 y 210. Un plano normal es un plano perpendicular. Uno de los angulos de inclinacion preferidos es treinta (30) grados con respecto a la normal, ya que la luz con ese angulo sera perpendicular tanto al surgir como al pasar a traves de los huecos cuando los mismos tengan un grosor de un cuarto de longitud de onda. El primer intervalo 205 de angulos para la reflexion parcial incluye angulos con una desviacion angular con respecto al angulo 0. La desviacion angular se determina en parte basandose en el material opticamente transparente usado. Los materiales con un mdice de refraccion mayor permiten una desviacion angular ligeramente mas amplia. Por ejemplo, el vidrio o plastico con un mdice de refraccion de 1,7 puede permitir una desviacion angular de mas o menos 24 grados con respecto al angulo 0 (para un angulo 0 de 30 grados, el primer intervalo de angulos sena aproximadamente de 6 a 54 grados). Para un material de vidrio o plastico con un mdice de refraccion de 1,5, la desviacion angular puede ser mas o menos 20 grados con respecto al angulo 0. El segundo intervalo 203 de angulos con el cual se dejara pasar a traves la luz recibida desde una superficie plana, para su reflexion interna total por la grna de ondas, es 90 grados con respecto a la superficie de union mas o menos la misma desviacion angular. Por tanto, los angulos centrales en el intervalo difieren, pero la magnitud de cada uno de entre el primer y el segundo intervalos de angulos es la misma debido a que se usa la misma desviacion angular.

En esta realizacion, la luz de una imagen dentro de un intervalo de angulos de aproximadamente 54 grados a 60 grados centrados en torno al angulo 0 formado entre la superficie 202a de union con cavidades y la superficie plana 212, se encuentra en el primer intervalo 205 de angulos, y sera reflejada por la superficie 202a de union con cavidades, tal como se indica por medio del rayo central 206b de salida, el cual va dirigido fuera dela pagina. La

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superficie 202b de union con cavidades deja pasar luz recibida desde la superficie plana 210 en el segundo intervalo de angulos centrado en torno a 90 grados.

Antes de describir patrones de huecos, en cada superficie, se describen algunas propiedades de los propios huecos. Los lados de cada hueco que comparten el angulo de inclinacion con la superficie de union son paralelos. Por ejemplo, si al lado formado por la superficie plana de apoyo se le denomina lado frontal del hueco, el lado posterior formado mediante el proceso de realizacion de cavidades es paralelo al lado frontal. Preferentemente, la separacion entre el lado posterior y el lado frontal es un cuarto de longitud de onda. Tal como se describe posteriormente, los bordes o lfmites del hueco pueden adoptar formas diferentes.

El grosor o separacion entre el lado frontal y el lado posterior del hueco puede ser de un cuarto de longitud de onda en muchos ejemplos, debido a su propiedad antirreflectante. Un hueco desde vidrio o plastico a aire o al vado o un gas u otro relleno del hueco cambia la direccion de la luz, por ejemplo, crea reflexion o difraccion. En este ejemplo se hace uso de la reflexion. Existe una reflexion parcial de la luz que entra en el hueco, y una reflexion parcial de la luz que sale del hueco. Con el vidrio, cada una de esas reflexiones parciales (Fresnel) es del orden del 5%. Esto se acabana acumulando, y provocana nuevamente luz parasita, luz no deseada, que retrocede en la direccion incorrecta. No obstante, con un grosor del hueco de un cuarto de longitud de onda, las reflexiones de entrada y salida se cancelan entre sf lo cual suprime la reflexion inversa. Asf, una separacion o grosor de un cuarto de longitud de onda proporciona una buena propiedad antirreflectante. Otras longitudes de onda en multiplos de la mitad de longitud de onda con respecto al cuarto de longitud de onda, como % de longitud de onda, y 1 y cuarto, tambien presentan esta propiedad. Debido a esta propiedad, se reduce la reflexion de Fresnel no deseada, aunque puede tolerarse cierta reflexion de Fresnel.

El fino hueco de un cuarto de longitud de onda significa que la relacion TIR sera menor del 100%, puesto que parte de la energfa pasa a traves del hueco por medio de una onda evanescente. Como resultado pueden alcanzarse perdidas del 17% al 30%, en funcion del color y el angulo de incidencia. No obstante, la reduccion no es problematica, en la medida en la que los huecos se estan utilizando para la reflexion parcial.

El uso de huecos con un cuarto de longitud de onda en una fraccion pequena de area de la superficie de union es tambien muy beneficioso para cruces de superficie transmisivos, por ejemplo, segun se ilustra en la referencia 202b. Por ejemplo, para una superficie de union con cavidades, con un 90%, o un valor similar, plano y despejado, y un 10% de la superficie 202b con cavidades para incluir los huecos, la parte con cavidades de la superficie transmite > 95% de luz debido al cuarto de onda antirreflectante, lo cual significa que se refleja menos de un 3% del 5% de luz, <0,5%. Esa relacion de perdidas es suficientemente baja para permitir muchos cruces transmisivos.

El cuarto de longitud de onda se puede fijar basandose en un ancho de banda para un color de la luz de imagen acoplada. Por ejemplo, el cuarto de longitud de onda se puede fijar para el color verde, para el cual presenta la mayor sensibilidad el ojo. Tampoco va muy mal una cancelacion de cuarto de onda para azul y para rojo. Tres cuartos de longitud de onda o 1 y %, dara como resultado un cambio mas agresivo a traves del espectro; en algunos lugares se reflejara mas, en otros se reflejara menos. El cuarto de longitud de onda usado realmente se puede escoger para obtener un compromiso de obtencion de cancelacion de la reflexion por el espectro completo. Para el color verde, la cancelacion de la reflexion sera casi completa ya que el cuarto de longitud de onda esta fijado para el mismo.

Podnan usarse huecos mas gruesos como % y 1 y 1/4, eliminando la evanescencia aunque incrementando reflexiones inversas en las superficies transmisivas de union, con cavidades. En algunos dispositivos podna preferirse este compromiso.

Si la variacion en la transmision por el color constituye un problema, afortunadamente se trata de una variacion gradual por color y por angulo, y, por tanto, el resultado neto es una variacion predecible sobre la imagen resultante. Esto se puede compensar usando una gradacion en la iluminacion fuente y multiplicadores compensadores de la intensidad de los pfxeles de una fuente de imagenes que proporcione la luz de la imagen.

Cada uno de los planos con huecos, como las superficies de union a lo largo de la grna de ondas, implementa una reflexion parcial. Si no, la luz no viajara por la grna de ondas mas alla de los primeros espejos, incluso cuando se considere la transmision debida a la onda evanescente. Para viajar a traves de muchos planos con huecos o superficies de union, por ejemplo, 40 superficies en una grna de ondas de un modulo de visualizacion de proximidad ocular (NED), solamente una fraccion del plano de la superficie de union tiene huecos. Tal como se describe para realizaciones posteriormente, en una superficie de union se forman cavidades para realizar los huecos. El porcentaje de una superficie de union como la 202a en el que se forman cavidades, en algunos ejemplos, puede ser aproximadamente el inverso del numero de superficies de union que reflejaran parcialmente luz recibida dentro de un primer intervalo de angulos, fuera de la grna de ondas, antes de llegar a un plano con huecos o superficie de union con cavidades. El angulo de entrada con el cual se acopla en una grna de ondas la luz para su visualizacion, esta predeterminado, y el trayecto correspondiente a la luz de ese angulo de entrada a traves de los planos con huecos o superficies de union puede predeterminarse, con lo que el numero de reflexiones parciales que se producen en cada ubicacion a lo largo de la grna de ondas se puede identificar de manera fiable a partir de parametros de diseno.

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El aumento de la fraccion de huecos con respecto a la superficie plana mantiene casi constante la intensidad de la reflexion en la medida en la que la luz de visualizacion progresa y se refleja adicionalmente a lo largo de la gma de ondas. En algunos ejemplos, la fraccion de areas con cavidades variara lentamente hasta los ultimos espejos. Por ejemplo, si fueran a utilizarse 20 superficies de union con cavidades, de manera que diez reflejasen parcialmente en cada dos superficies de union para luz acoplada con el angulo de entrada, entonces la cobertura en porcentaje de los huecos en una primera superficie de union, con cavidades, parcialmente reflectante, puede ser aproximadamente de 1/10, o del 10%. La relacion de cobertura se incrementa a medida que quedan menos superficies, con lo que la siguiente superficie con cavidades, parcialmente reflectante, tiene una cobertura de 1/9, a continuacion la siguiente superficie en cuestion tiene una cobertura de 1/8 o del 12,5%, y asf sucesivamente hasta que la ultima superficie que actua como reflector parcial puede ser realmente un espejo del 100%. En la ultima superficie reflectante se pueden formar cavidades para obtener un 100% de reflexion, o la misma se puede realizar con otro material. Por ejemplo, puede ser un espejo aluminizado. En muchas realizaciones, el area plana total de cada plano con huecos o el area superficial de cada superficie de union es aproximadamente la misma.

Estas proporciones son aproximadas, y los productos reales pueden usar proporciones ligeramente diferentes segun se determine mediante simulaciones numericas detalladas y mediciones reales, para adaptarse a otros factores del sistema, tales como la evanescencia y las perdidas de la gma de ondas. Para la luz externa que pasa verticalmente, la gma de ondas parecera casi como translucida puesto que dicha luz se encuentra solamente con una reflexion fraccionaria. La luz externa que se refleja saldra en su mayor parte sobre un trayecto paralelo por las superficies de union vecinas. Esta combinacion de fraccion pequena y continuacion paralela debena minimizar las perdidas o la borrosidad de la luz externa.

Las Figuras 2A y 2B son diagramas de bloques que ilustran ejemplos de patrones de cavidades que vanan en cuanto al patron y el porcentaje de cobertura superficial. La Figura 2A es un ejemplo de un patron 220 de cavidades seudoaletorizado que usa cavidades o huecos 250, cada uno de ellos con un lfmite circular que indica los bordes de cada hueco. Las cavidades o huecos ocupan aproximadamente el 10% del area superficial de la superficie de union con cavidades, en este ejemplo la superficie 202a de union con cavidades, parcialmente reflectante. Solamente se ha rotulado un hueco para evitar la saturacion del dibujo. En la Figura 2B, las cavidades 252 de este patron seudo- aleatorizado 240 tambien presentan lfmites circulares. Se han formado cavidades o huecos aproximadamente en un 1/5 o el 20% de la superficie correspondiente a la superficie 202j de union. Algunos ejemplos de otras formas de los lfmites de cada cavidad incluyen cuadradas o anulares. Los bordes o lfmites de las cavidades son una fuente de difraccion, y la difraccion crea luz parasita que deteriora la imagen. Un drculo presenta la relacion mas baja de lfmite con respecto al area.

Las cavidades deben ser suficientemente amplias para ser eficaces como espejos clasicos, y no ser muy difrangentes. En algunos ejemplos, una cavidad es de por lo menos 30 micras a lo ancho. Para una relacion de reflexion del 5%, esto implica que hay por termino medio una cavidad por cada 110 micras de separacion lineal. Puede resultar posible ir incluso mas alla. El compromiso en cuanto al tamano de las cavidades es controlar la luz parasita de la difraccion al mismo tiempo que evitar la estructura visible.

Para un modulo de visualizacion, es deseable que la vision recibida por la pupila del ojo de un observador se origine a partir de varias cavidades, de manera que el ojo reciba una cantidad bastante uniforme de luz proveniente de una imagen aparentemente infinita. En el contexto de un modulo de visualizacion, tal como una television a la cual mira el usuario desde al menos unos pocos pies de distancia o un valor por el estilo, las cavidades o huecos pueden ser relativamente grandes, por ejemplo, podnan ser de como un milfmetro o un valor por el estilo. No obstante, en un modulo de visualizacion de proximidad ocular en donde se encuentran aproximadamente a un centfmetro del ojo del observador, el tamano de las cavidades debe ser suficientemente pequeno para que la pupila del observador abarque varias de estas cavidades. A medida que el ojo del observador se mueva de un lado a otro, el mismo saldra de la region de un haz proveniente de una cavidad, y comenzara a captar el haz de luz proveniente de otra cavidad. El numero de cavidades se determina en funcion de conseguir que esa experiencia sea bastante uniforme, de manera que, sin importar en la direccion en la que este mirando el observador, este ultimo vea una seleccion promedio de cavidades. Considerando la pupila del ojo humano de aproximadamente 2.000 micras, un tamano de cavidad de aproximadamente 30 micras a 200 micras sobre la superficie de union con una separacion de aproximadamente 110 micras con respecto al siguiente hueco o cavidad en la superficie, funcionara para un modulo de visualizacion de proximidad ocular.

Los patrones 220 y 240 de cavidades se han seudo-aleatorizado deliberadamente y se ha hecho que presenten diferentes patrones seudo-aleatorios entre ellos tambien deliberadamente. El patron de las cavidades es una fuente de difraccion. Por ejemplo, un patron regular crea una difraccion regular la cual puede crear cosas como iridiscencias e imagenes con angulos no deseados. Tambien pueden disenarse patrones para garantizar que superficies con cavidades, adyacentes, presenten interacciones mmimas y libres de patrones, unas con respecto a otras, debido a la oclusion sistematica de la luz transmitida o reflejada proveniente de superficies cercanas.

Puede producirse cierta borrosidad del frente de ondas debido al desplazamiento de fase de la fraccion de luz que pasa, por una onda evanescente, lo cual puede imprimir una ondulacion en el frente de ondas, que conserva el patron de la forma de los lfmites de las cavidades. No obstante, esta borrosidad puede tener un efecto del 0,5% de la luz por incidencia reflectante en el peor de los casos, variando segun el angulo y el color. No obstante, la imagen

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se mantendra puesto que todas las cavidades produciran un desplazamiento de fase similar. De este modo, se preve la creacion de un cambio sutil de colores y brillo de un lado de la gma de ondas con respecto al otro. No obstante, el ojo humano no percibira los cambios de color y brillo a no ser que se encuentre en el centro de la vista, por ejemplo, a lo largo del eje optico de un modulo de visualizacion. Por lo tanto, el cambio se puede medir para identificar su efecto cuando se mira a la parte de la gma de ondas en la direccion de la parte de la imagen que se esta calculando. Puede aplicarse una correccion en un pixel fuente, la cual debena equilibrar los cambios correspondientes a esa zona. El cambio se produce gradualmente con lo que no es necesario que la correccion sea exacta. Las correcciones se pueden medir en un laboratorio, y a continuacion se copia a todos los sistemas de visualizacion.

La Figura 3A es un diagrama de flujo de una realizacion de un metodo para realizar una gma de ondas que usa huecos con el fin de cambiar de direccion la luz. En la etapa 302, en una superficie de cada una de un numero N de secciones planas opticamente transparentes, se forma un patron seudo-aleatorizado de cavidades. Por ejemplo, pueden usarse tecnicas de impresion por contacto, o de fresado. La impresion por contacto implica un moldeo a presion contra una plantilla. En algunas realizaciones, el fresado puede ser un fresado plasmaionico o electroqmmico en donde se transfiere un patron mediante ataque qmmico con un ion electrico. En la etapa 304, las N secciones planas opticamente transparentes, con cavidades, se inclinan con un mismo angulo, quedando encarada cada una de las N superficies con cavidades en la misma direccion, y en la etapa 306, las N secciones planas opticamente transparentes, con cavidades, inclinadas, se apilan con cada una de las N superficies con cavidades encaradas en la misma direccion, de manera que cada superficies con cavidades se apoya en una superficie totalmente plana de una seccion plana opticamente transparente, adyacente, y respectiva. En la etapa 308, las N secciones se unen uniendo partes planas sin cavidades de cada una de las N superficies con cavidades, a la superficie totalmente plana de la seccion plana opticamente transparente, adyacente, respectiva para formar un hueco en cada una de las cavidades. En la etapa 3l0, las superficies planas externas de las N secciones unidas se pulen para satisfacer los criterios de planitud por reflexion interna total (TIR).

La Figura 3B es un diagrama de flujo de un ejemplo mas detallado de un metodo para realizar una gma de ondas que usa huecos con el fin de cambiar de direccion la luz. La realizacion del metodo se puede llevar a cabo en un entorno al vado para huecos en los que se ha hecho el vado, o en un gas no reactivo, limpio, tal como nitrogeno. Las etapas 322, 324 y 326 proporcionan una forma ejemplificativa de impresion de cavidades en un lado de secciones opticamente transparentes, que, en este ejemplo, son planos de calidad optica. La Figura 3C ilustra ejemplos de planos 356 de calidad optica. Unicamente se rotula un plano para evitar la saturacion del dibujo. Para la soldadura al vado posteriormente, en la etapa 320, los planos opticos se calientan para lograr una temperatura suficientemente alta para moldear las cavidades y permitir una soldadura al vado de las superficies despues del apilamiento.

Algunos ejemplos de procesos que se pueden utilizar para llevar a cabo la impresion son ataque qmmico, fresado o estampacion por contacto, proceso bien desarrollado para su uso en la fabricacion de discos opticos tales como DVDs. En la etapa 322, se inicializa un contador de bucle y se fija un lfmite de iteraciones para N, que es un numero predeterminado de planos de calidad optica en los que se esta realizando la impresion. En la etapa 324, se fija un patron de cavidades (i) correspondiente al plano actual de calidad optica (i) por medio de la maquinaria de fabricacion con el fin de realizar la impresion en el plano optico actual (i). En la etapa 326, el patron de cavidades fijado (i) se imprime en un lado del plano de calidad optica (i), por ejemplo, usando estampacion por contacto. En la etapa 328, el contador de bucle realiza una iteracion segun i = i+1. En el bucle final designado de la etapa 330, se determina si este es el ultimo plano optico N. El bucle continua hasta que la totalidad de los N planos opticos se haya imprimido con sus patrones aleatorizados individualmente.

Los planos opticos 356 se pueden haber producido con superficies limpias que se pueden unir. Alternativamente, de manera opcional, en la etapa 332, las superficies impresas con cavidades, de los planos de calidad optica, se pueden tratar con un surfactante para activar las superficies con cavidades. Durante todo el proceso antes de la etapa de enfriamiento, los planos opticos se pueden mantener a una temperatura que permita la soldadura al vado. En otros ejemplos, los planos se pueden calentar nuevamente a dicha temperatura cuando esten preparados para la etapa de apilamiento.

En la etapa 334, los N planos opticos se inclinan con un angulo, preferentemente 30 grados con respecto a la normal. En la etapa 336, mientras los planos opticos con cavidades se encuentran a una temperatura que permite la soldadura al vado, los planos opticos inclinados 356 se apilan. La Figura 3C ilustra un ejemplo de los planos opticos apilados. En la etapa 337, las partes planas sin cavidades de cada superficie de union con cavidades se sueldan al vado, con una superficie totalmente plana de un plano optico de apoyo de la pila. Tfpicamente, las superficies que se sueldan al vado estan muy limpias. En la etapa 338, la pila de planos opticos soldados al vado se enfna de manera uniforme y lenta para mantener la alineacion de los planos soldados. La soldadura al vado es limpia, transparente, fuerte y duradera.

En la etapa 340, despues de que la pila cumpla los criterios de enfriamiento para permitir el rebanado, por ejemplo, con sierras, un numero predeterminado de los planos soldados al vado, apilados, se rebana horizontalmente para constituir una gma de ondas, tal como la correspondiente ilustrada en la Figura 3D. En la etapa 342, las superficies externas de la gma de ondas rebanada se pulen para cumplir los criterios de planitud por reflexion interna total (TIR),

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correspondientes a las superficies externas. Un ejemplo de dichos criterios es una planitud de superficie especular.

La Figura 3C es un diagrama de bloques que ilustra una etapa de rebanado en una realizacion de un metodo para realizar una grna de ondas que usa huecos para cambiar la direccion la luz. Las lmeas 352 y 354 ilustran lmeas de una rebanada que cruzan los N planos opticos, con cavidades, inclinados, apilados y unidos, mediante soldadura al vado, 356. La Figura 3D es un diagrama de bloques de una vista del lado de visualizacion de una grna de ondas desde la cual se dirige luz de una imagen hacia un observador, y que es el resultado de la etapa de rebanado de la Figura 3C. En este ejemplo, cada superficie de union tiene una misma area superficial total uniforme que incluye sus secciones con cavidades y sin cavidades. Solamente se ha rotulado una superficie 360 de union con cavidades, para evitar la saturacion del dibujo.

Una grna de ondas resultante puede tener un grosor de varios milfmetros (mm) para un modulo de visualizacion pequeno. Para un modulo de visualizacion de proximidad ocular, la grna de ondas puede tener un grosor de solamente un par de milfmetros en la direccion de profundidad a partir del ojo del observador. No obstante, la grna de ondas se puede realizar con tamanos diferentes. En un tamano grande para paneles de dimensiones tipo television que muestran lo que parece ser una imagen distante, se puede utilizar una grna de ondas de un grosor de un centimetro hasta unos pocos centimetros.

Tal como se ilustra en la Figura 3C, las juntas se apilanan bastante proximas, quizas con una separacion que fuese la mitad (1^) en comparacion con el grosor de la grna de ondas. Esto garantiza que el observador ve una contribucion uniforme desde multiples superficies de union con cavidades. En un ejemplo, una grna de ondas tema 40 superficies de union con cavidades.

La Figura 4A es una vista superior de una realizacion de un modulo de visualizacion de proximidad ocular (NED) 14r que incluye una realizacion de una grna 123 de ondas que usa huecos, la cual esta acoplada opticamente a una unidad 120 de generacion de imagenes en un dispositivo 2 de NED. En la grna 123 de ondas se rotula una superficie 270 de union con cavidades, inclinada, representativa. El modulo de visualizacion de proximidad ocular se presenta en un factor de forma correspondiente a unas gafas. Para mostrar dos componentes del sistema optico 14 de visualizacion, en este caso 14r para el ojo derecho, no se representa una parte de una seccion de armazon que cubre el modulo 14r de visualizacion y la unidad 120 de generacion de imagenes. La flecha 142 representa un eje optico del sistema optico 14l de visualizacion. El espacio 140 para los ojos constituye una aproximacion de la posicion del ojo de un usuario cuando este ultimo esta llevando el dispositivo 2.

En esta realizacion, los modulos 14r de visualizacion son modulos opticos de visualizacion, transparentes, aunque en otras realizaciones, pueden ser un modulo de visualizacion para ver video (video/sea). El modulo 14r de visualizacion incluye una grna 123 de ondas que incluye planos con cavidades, como las superficies 270 de union con cavidades. Solamente se ha rotulado una superficie de union para evitar la saturacion del dibujo. La ventana 207 de entrada recibe luz de imagen colimada proveniente de la unidad 120 de generacion de imagenes, por medio de una lente colimadora 122 de acoplamiento optico. La grna 123 de ondas dirige la luz recibida de la imagen hacia el espacio 140 de los ojos del usuario, aunque tambien permite que luz proveniente del mundo real pase a traves de ella en direccion al espacio de los ojos del usuario, permitiendo asf que el usuario tenga una vision directa real del espacio que esta delante del dispositivo 2 de NED, ademas de ver una imagen de una caractenstica virtual de la unidad 120 de generacion de imagenes.

En la realizacion ilustrada, la unidad 120 de generacion de imagenes se encuentra en un alojamiento lateral derecho 130r que tambien sustenta una camara 113r encarada al exterior, la cual recoge datos de imagenes de la escena situada delante del usuario. El alojamiento 130r es sustentado tambien por una patilla 102r de las gafas. La unidad 120 de generacion de imagenes incluye uno o mas LEDs, y una micropantalla que produce la luz de la imagen. En esta realizacion, el puente 104 sustenta un microfono 110 y circuitena 136 de control. Dentro del armazon de las gafas se proporcionan conexiones electricas (no mostradas).

La Figura 5B es un diagrama de bloques de componentes de hardware ejemplificativos que incluyen un sistema de ordenador dentro de circuitena de control de un dispositivo de NED. La circuitena 136 de control proporciona una electronica diversa que sirve de apoyo a los otros componentes del dispositivo 2 de visualizacion de proximidad ocular, montable en la cabeza. En este ejemplo, la circuitena 136 de control para el dispositivo 2 de visualizacion comprende una unidad 210 de procesado, una memoria 244 accesible para la unidad 210 de procesado con el fin de almacenar instrucciones y datos legibles por procesador, un modulo 137 de comunicaciones acoplado comunicativamente a la unidad 210 de procesado, que puede actuar como interfaz de red para conectar el dispositivo de NED a otro sistema de ordenador. Una fuente 239 de alimentacion aporta alimentacion para los componentes de la circuitena 136 de control y los otros componentes del dispositivo 2 de visualizacion, como los dispositivos 113 de captura, el microfono 110, otras unidades sensoras, y para componentes que consumen alimentacion destinados a visualizar datos de imagenes en el modulo 14 de visualizacion, tales como fuentes de luz y circuitena electronica asociadas a una unidad de generacion de imagenes, tal como una micropantalla, y una unidad 222 de iluminacion en la unidad 120 de generacion de imagenes.

La unidad 210 de procesado puede comprender uno o mas procesadores que incluyen una unidad de procesado central (CPU) y una unidad de procesado grafico (GPU). La memoria 244 es representativa de los diversos tipos de

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memoria que pueden ser utilizados por el sistema, tales como una memoria de acceso aleatorio (RAM) para el uso de aplicaciones durante su ejecucion, memorias intermedias para datos de sensores, incluyendo datos de imagenes capturadas y datos de visualizacion, una memoria de solo lectura (ROM) o Flash para instrucciones y datos del sistema, y otros tipos de memoria no volatil para almacenar otros elementos, algunos de cuyos ejemplos son aplicaciones para las cuales se genera luz de imagenes que representa datos de imagenes. En este ejemplo, una conexion electrica de un bus 270 de datos conecta las unidades sensoras 257, el controlador 246 de visualizacion, la unidad 210 de procesado, la memoria 244, y el modulo 137 de comunicaciones. El bus 270 de datos tambien obtiene alimentacion a partir de la fuente 239 de alimentacion, a traves de un bus 272 de alimentacion al cual se conectan todos los elementos ilustrados de la circuitena de control para extraer alimentacion.

La circuitena de control comprende ademas un controlador 246 de visualizacion para seleccionar datos de control digitales, por ejemplo, bits de control, con el fin de representar datos de imagenes, pudiendo ser descodificados dichos datos de control digital por la circuitena 259 de micropantalla y diferentes controladores de componentes activos de la unidad 120 de generacion de imagenes como una unidad 122 de iluminacion. Un ejemplo de un controlador de componente activo es un controlador 247 de iluminacion de visualizacion que convierte datos de control digital en senales analogicas para controlar una unidad 222 de iluminacion que incluye una o mas fuentes de luz, tales como uno o mas diodos emisores de luz (LEDs). En la memoria 244 se pueden almacenar correcciones que se aplicaran en pfxeles fuente, tales como correcciones para ajustar los cambios de color y brillo medidos para datos de imagenes en diferentes zonas de la grna 123 de ondas, por parte de multiplicadores de compensacion de la intensidad de los pfxeles con vistas a la graduacion de la iluminacion, y las mismas pueden ser aplicadas por el controlador 247 de iluminacion de visualizacion bajo el control de la circuitena 136 de control que tiene acceso a la memoria 244.

La circuitena 136 de control puede incluir otras unidades de control no ilustradas en la presente, pero relacionadas con otras funciones de un dispositivo de NED, tales como la provision de salida de audio, la identificacion de orientacion de la cabeza, e informacion de localizacion.

Aunque la materia en cuestion se ha descrito con un lenguaje espedfico de caractensticas estructurales y/o acciones metodologicas, debe entenderse que la materia en cuestion definida en las reivindicaciones adjuntas no se limita necesariamente a las caractensticas o acciones espedficas que se han descrito anteriormente. Las caractensticas y acciones espedficas antes descritas se dan a conocer mas bien como formas ejemplificativas de implementacion de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. 5

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   REIVINDICACIONES

   1. - Grna (123) de ondas que comprende:

   superficies planas que incluyen una superficie plana superior (212) y una superficie plana inferior (210);

   superficies (202) de union, presentando cada superficie de union areas superficiales planas y un numero de huecos, comprendiendo cada hueco una cavidad (250),

   y extendiendose desde la superficie plana superior (212) a la superficie plana inferior (210);

   cada superficie de union esta inclinada con un mismo angulo con respecto a la superficie plana superior (212);

   cada hueco de cada superficie de union refleja hacia fuera de la grna (123) de ondas, luz recibida por el hueco dentro de un primer intervalo de angulos; y

   cada hueco de cada superficie de union deja pasar, para su reflexion interna total por la grna (123) de ondas, luz recibida dentro de un segundo intervalo de angulos.
2. 2. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, en la que el mismo angulo con el que esta inclinada cada superficie de union con respecto a la superficie plana superior (212) es treinta (30) grados con respecto a un plano normal a la superficie plana superior (212).
3. 3. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, que comprende ademas:

   cada superficie de union tiene un porcentaje de area superficial ocupado por el numero respectivo de huecos, y una fraccion de luz recibida por la superficie de union respectiva dentro del primer intervalo de angulos que se refleja fuera de la grna (123) de ondas por la superficie de union respectiva se determina en funcion del porcentaje de area superficial ocupado por el numero respectivo de huecos.
4. 4. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, en la que cada hueco en una superficie de union esta formado por una cavidad respectiva en la superficie de union y una superficie totalmente plana, adyacente, unida a las areas superficiales planas de la superficie de union.
5. 5. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 4, en la que la superficie totalmente plana, adyacente, unida a las areas superficiales planas de la superficie de union estan soldadas al vado.
6. 6. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, en la que los huecos tienen un grosor de aproximadamente un cuarto de longitud de onda.
7. 7. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 3, en la que el porcentaje del area superficial de la respectiva superficie de union, parcialmente reflectante hacia fuera, ocupado por el numero respectivo de huecos, se basa en un inverso de un numero de superficies de union a las que atraviesa la luz antes de llegar a la superficie de union respectiva.
8. 8. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, que comprende ademas que los huecos de cada superficie de union estan posicionados en un patron seudo-aleatorizado, y que cada superficie de union tiene un patron de huecos seudo-aleatorizado diferente.
9. 9. - Grna (123) de ondas de la reivindicacion 1, que comprende ademas que cada uno de los huecos tiene un lfmite marginal circular en la superficie correspondiente a la superficie de union.
10. 10. - Metodo de realizacion de una grna (123) de ondas que usa huecos para cambiar de direccion la luz, que comprende:

    formar (302) un patron de cavidades seudo-aleatorizado en una superficie de cada una de un numero N de secciones planas opticamente transparentes;

    inclinar (304) las N secciones planas opticamente transparentes, con cavidades, con un mismo angulo, quedando encarada cada una de las N superficies con cavidades, en la misma direccion;

    apilar (306) las N secciones planas opticamente transparentes, inclinadas, con cavidades, en una pila, quedando encarada cada una de las N superficies con cavidades en la misma direccion, de modo que cada superficie con cavidades se apoya en una superficie totalmente plana de una seccion plana opticamente transparente, adyacente, respectiva;

    unir (308) la pila de N secciones mediante la union de partes planas sin cavidades de cada una de las N superficies con cavidades, a la superficie totalmente plana de la seccion plana opticamente transparente, adyacente, respectiva, para formar un hueco en cada una de las cavidades;

    rebanar (310) la pila para formar una gma de ondas que incluye las N secciones unidas, inclinadas con el mismo angulo, y

    pulir (312) superficies planas externas de la gma de ondas rebanada para cumplir criterios de planitud por reflexion interna total (TIR).