ES2620440T3

ES2620440T3 - Sistema y procedimiento de eliminación de moteado de una imagen iluminada por una fuente de luz coherente

Info

Publication number: ES2620440T3
Application number: ES09790506.1T
Authority: ES
Inventors: Michael M. Tilleman; Joseph Thomas Traynor
Original assignee: Elbit Systems of America LLC
Current assignee: Elbit Systems of America LLC
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: EP2338080B1; CA2739262A1; CA2739262C; IL211524A0; IL211524A; US20100053729A1; WO2010027563A1; EP2338080A1; US7969644B2

Abstract

Un sistema (100) de generación de imagen, que comprende: una fuente (102) óptica configurada para generar un haz (103) fuente coherente; una fibra (106) óptica posicionada para recibir el haz (103) fuente de la fuente (102) óptica coherente; un dispositivo de yuxtaposición (108) que se acopla con la fibra (106) óptica y que es operativo para modular una posición de al menos una parte de la fibra (106) óptica; una lente (110) configurada para refractar el haz (103) fuente; posicionándose una matriz (112) de microlentes para recibir el haz (103) fuente refractado desde las lentes (110) y proyectar el haz (103) fuente, incluyendo la matriz de microlentes una matriz de al menos un millar de lentes disimilares en el que los diámetros y longitudes focales de las lentes pueden variar y en el que los diámetros varían desde 50 a 100 micrómetros creando pequeños haces de luz solapados a partir del haz (103) fuente; una lente (115) de procesamiento de imagen; y un modulador espacial posicionado para recibir los pequeños haces proyectados desde el difusor (112) de microlentes y proyectar los pequeños haces a través de la lente (115) de procesamiento de imagen a una pantalla (116) objetivo que visualiza una imagen con un moteado reducido introducido por las imperfecciones en la pantalla (116) objetivo.

Description

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DESCRIPCION

Sistema y procedimiento de eliminacion de moteado de una imagen iluminada por una fuente de luz coherente Campo tecnico de la invencion

La presente invencion se refiere en general a sistemas de procesamiento de imagen y mas particularmente a un sistema y procedimiento para reducir el moteado en una imagen iluminada por una fuente de luz coherente.

Antecedentes de la invencion

Para mejorar la resolucion y brillo de sistemas de procesamiento de imagen y para proporcionar una mejor calidad de foto, pueden usarse fuentes de luz coherente tales como laseres en lugar de las fuentes de luz incoherente tales como diodos emisores de luz (LED) y lamparas. Sin embargo, la calidad de la imagen puede sufrir aun dado que las fuentes de luz coherente producen frecuentemente imagenes que tienen un notable patron subyacente a la imagen. Este patron subyacente, tambien conocido como moteado, surge debido a la elevada coherencia de la luz fuente. Los laseres, que son casi monocromaticos y coherentes, transmiten ondas de radiacion electromagnetica que estan ampliamente en fase. Debido a que la radiacion electromagnetica en fase da como resultado frentes de onda de luz que llegan a un objetivo o pantalla al mismo tiempo, tras la interaccion con la superficie del objetivo, las ondas de luz individuales interfieren entre sf Si esta superficie es rugosa e imperfectamente lisa entonces la interferencia entre las ondas de luz interfiere constructiva y destructivamente formando asf un patron de franjas de brillo y oscuridad, y la imagen puede aparecer granulosa a un observador.

El documento EP1292134 divulga un aparato de visualizacion, que incluye una fuente de luz laser para la emision de un haz de luz; un expansor del haz para la expansion del haz de luz; un modulador espacial de luz; optica de conformacion del haz para conformar el haz laser expandido para proporcionar iluminacion uniforme del modulador espacial de luz, incluyendo la optica de conformacion del haz un integrador de ojo de mosca que tiene una matriz de lentes; y un difusor movil localizado en el haz laser entre la fuente de luz laser y el modulador de luz espacial.

Sumario de la invencion

De acuerdo con la invencion, se proporciona: un sistema de generacion de imagen de acuerdo con la reivindicacion 1 y un procedimiento para la generacion de una imagen de acuerdo con la reivindicacion 12.

Sumario de la invencion

De acuerdo con una realizacion, se proporciona un procedimiento para la reduccion del moteado en una imagen producida a partir de una fuente coherente de radiacion. El procedimiento incluye el acoplamiento de un haz fuente recibido desde una fuente optica coherente en una fibra optica multimodo. Una posicion de al menos una parte de la fibra puede modularse usando un dispositivo de yuxtaposicion. El haz fuente puede refractarse en una lente despues de que se desacople de la fibra optica, de modo que el haz fuente se dirija a un difusor de microlentes. De acuerdo con una realizacion particular, el haz fuente puede proyectarse desde el difusor de microlentes sobre un modulador espacial que genera la imagen. El modulador espacial puede posicionarse para proyectar el haz fuente a traves de una lente de procesamiento de imagen, a un objetivo.

De acuerdo con otra realizacion, un sistema de generacion de imagen incluye una fibra optica multimodo posicionada para recibir un haz fuente desde una fuente optica coherente. Puede acoplarse un dispositivo de yuxtaposicion con la fibra optica para modular una posicion de al menos una parte de la fibra optica. Se configura una lente para refractar el haz fuente de modo que el haz fuente se dirija a un difusor de microlentes. De acuerdo con una realizacion particular, el difusor de microlentes se posiciona para proyectar el haz fuente sobre un modulador espacial. El modulador espacial puede posicionarse para proyectar el haz fuente a traves de una lente de procesamiento de imagen, a un objetivo.

Algunas realizaciones de la invencion proporcionan numerosas ventajas tecnicas. Algunas realizaciones pueden beneficiarse de algunas, ninguna o todas estas ventajas. Por ejemplo, de acuerdo con una realizacion, las fuentes de luz coherente pueden usarse para producir imagenes con un contraste de moteado mejorado. Pueden reducirse los patrones granulosos destacables subyacentes a la imagen y, por ello, pueden mejorarse la satisfaccion del observador con el sistema de procesamiento de imagen.

Espedficamente, una ventaja puede ser que pueden reducirse los moteados producidos por las propiedades inherentes de las fibras opticas multimodo. Mediante la modulacion de la posicion de la fibra optica multimodo, puede alterarse la distribucion de potencia en cada modo sostenido por la fibra optica. En realizaciones particulares, puede controlarse la modulacion de la posicion de la fibra optica mediante la yuxtaposicion usando un dispositivo de yuxtaposicion electromecanico de modo que mediante la aplicacion selectivamente de una tension, pueda dar como resultado una reduccion predecible en el contraste de moteado.

Otra ventaja mas puede ser que pueden reducirse los moteados introducidos en una imagen debidos a la rugosidad superficial del objetivo de visualizacion. Por ejemplo, puede usarse una matriz de microlentes, en realizaciones

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particulares, para proporcionar homogenizacion del haz y una conversion del perfil de iluminacion arbitraria. La matriz de microlentes puede convertir un haz de radiacion coherente en una multitud de pequenos haces que divergen para solaparse entre sf sobre la pantalla, difusor, combinador, u otra visualizacion objetivo.

El patron resultante sobre una pantalla es conocido en la tecnica como interferencias de modo o ruido modal. Tras alternar la posicion de la fibra se cambia la distribucion de potencia entre los modos, cambiando as^ la magnitud de iluminacion del modo individual. En consecuencia, se altera el patron de interferencia de modo. Por ello una modulacion de la posicion impuesta sobre la fibra da como resultado la modulacion del patron de interferencia de modo. Suponiendo que la modulacion se aplique a una frecuencia mayor que el ancho de banda de integracion del ojo, entonces la imagen moteada aparente obtenida por la interferencia de modo se reduce y puede quedar imperceptible.

Otra ventaja mas puede ser la reduccion de los moteados en las imagenes producidas por sistemas de vision frontal y/o gafas de realidad virtual. Por ejemplo, los puntos de brillo y oscuridad que estan presentes tipicamente en las lmeas, caracteres y sfmbolos que componen la foto proyectada en dichos sistemas puede reducirse. Como resultado, la imagen puede aparecer mas continua al observador, se hace posible una mayor densidad de detalles y se hacen mas evidentes objetos mas pequenos.

Otras ventajas tecnicas seran facilmente determinables por un experto en la materia.

Breve descripcion de las figuras

Para una comprension mas detallada de la invencion, y para caractensticas y ventajas adicionales, se hace referencia ahora a la descripcion que sigue a continuacion, tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los que:

la FIGURA 1 es un diagrama esquematico que ilustra un sistema para la reduccion del moteado en un sistema de procesamiento de imagen, de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion;

la FlGURA 2 es un grafico que ilustra los resultados de contrastes de moteado en funcion de la frecuencia electrica aplicada para yuxtaponeruna fibra optica, de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion; la FIGURA 3 es un grafico que ilustra los resultados de contraste de moteado realizados mediante varias tecnicas de acuerdo con una o mas realizaciones de la presente divulgacion;

la FIGURA 4 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para reducir el moteado en un sistema de procesamiento de imagen, de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion;

la FIGURA 5 es un diagrama esquematico que ilustra un sistema para la reduccion del moteado, de acuerdo con otra realizacion de la presente divulgacion; y

la FIGURA 6 es un diagrama esquematico que ilustra un sistema para la reduccion del moteado, de acuerdo con otra realizacion mas de la presente divulgacion.

Descripcion detallada de realizaciones de ejemplo

Las realizaciones particulares de la invencion y sus ventajas se entenderan mejor por referencia a las FIGURAS 1 - 6 de los dibujos, siendo usados numeros iguales para partes iguales y correspondientes de los diversos dibujos.

Cuando se proyecta para observacion un haz de luz producido por una fuente de radiacion coherente, tal como desde un laser, puede subyacer sobre la imagen proyectada un patron destacable. El patron subyacente, tambien conocido como “moteado”, no puede adaptarse facilmente por el ojo humano. Como resultado, la imagen proyectada puede aparecer granulosa al observador. Por ejemplo, cuando se usa una fuente coherente de radiacion para proyectar una imagen en un sistema de vision frontal o gafas de realidad virtual, las lmeas, caracteres y sfmbolos que componen la imagen proyectada pueden incluir puntos de brillo y oscuridad. La simbologfa proyectada puede aparecer tambien dispersa en lugar de continua.

Un patron de moteado es un patron de intensidad granular producido por la interferencia mutua de un conjunto de frentes de onda en la retina del ojo o sobre una camara debido a la superficie objetivo. Un ejemplo familiar es el patron aleatorio creado cuando un haz laser se dispersa desde una superficie rugosa de rugosidad aleatoria. Tambien, en la salida de una fibra optica multimodo, un patron de moteado es el resultado de una superposicion de patrones de campo de modo. Si las velocidades del grupo modal relativo cambian con el tiempo, el patron de moteado tambien cambiara con el tiempo. En la salida de la fibra los modos interfieran entre sf de acuerdo con su diferencia de fase produciendo de ese modo un ruido modal. Las realizaciones divulgadas descritas en la presente memoria se refieren en general al campo de la generacion laser de imagenes “libres de moteado” y proyecciones laser “libres de moteado”. Para las finalidades de la presente memoria, “libre de moteado” se refiere a una imagen que tiene relativamente bajo moteado, de modo que se obtiene una imagen de relativamente alta calidad. En realizaciones particulares, la invencion engloba procedimientos y sistemas para la formacion de imagenes relativamente lisas, libres de moteado en general, incluyendo, pero sin limitarse a, imagenes en movimiento, y/o simbologfa variable. De ese modo, puede reducirse la aparicion de artificiosidades, y pueden producirse detalles de alta resolucion. Se apreciara por los expertos en la materia que realizaciones particulares de la invencion pueden ser particularmente utiles para sistemas de vision frontal (HUD, del ingles “head-up displays”), y gafas de realidad virtual (HMD, del ingles “head-mounted displays”).

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Mas espedficamente, realizaciones particulares de la presente invencion divulgan un procedimiento y aparato para la eliminacion del moteado de una imagen iluminada mediante una fuente coherente, tal como laser. Ciertas de estas realizaciones pueden emplear uno cualquiera o mas de entre: (i) una fibra optica multimodo, (ii) un dispositivo de yuxtaposicion mecanico, y (iii) lentes y (iv) un conjunto de matriz de microlentes. En una realizacion particular, puede acoplarse un haz fuente a una fibra optica multimodo, a continuacion desacoplarse de la fibra optica multimodo, contraerse (es decir, concentrarse) por la lente, dirigirse a la matriz de microlentes y proyectarse sobre un objetivo. En dicha realizacion, el objetivo puede incluir, pero sin limitarse a, una pantalla, difusor, o camara.

Una cierta parte de la longitud de la fibra multimodo puede fijarse sobre el dispositivo de yuxtaposicion mecanico para proporcionar desplazamiento mecanico periodico a toda o una parte de la fibra multimodo. Por ejemplo, el dispositivo de yuxtaposicion puede incluir, pero sin limitarse a, un sacudidor acustico. Como resultado, puede reducirse sustancialmente el moteado aparente, produciendo una imagen predominantemente lisa. Por ello, de acuerdo con una realizacion particular de la presente invencion, un objeto iluminado por laser puede formar una imagen sustancialmente libre de moteado.

En una realizacion particular de la invencion, la matriz de microlentes puede comprender un ENGINEERED DIFFUSER™. En dicha realizacion, el sistema de la presente divulgacion puede dar como resultado un contraste de moteado del 20 %, que se considera generalmente que es una calidad de imagen muy buena. En esta disposicion, el contraste de moteado se define como la relacion entre la diferencia y la suma de las intensidades maxima y minima en el campo optico en el objetivo.

Un fenomeno subyacente para las ensenanzas de la presente divulgacion es que un haz coherente que viaja a traves de una fibra multimodo se propaga en muchos modos sostenibles, teniendo cada uno su velocidad de grupo individual. Para una posicion dada de la fibra, cada modo recibe una fraccion de la potencia optica que se desplaza en la fibra correspondiente a un coeficiente de ponderacion, de modo que el campo electrico total asociado con la iluminacion optica es la suma ponderada de los campos electricos de modo. En la salida de la fibra los modos interfieren entre sf de acuerdo con su diferencia de fase. El patron resultante sobre una pantalla es conocido en la tecnica como interferencia de modo o ruido modal.

Tras la alteracion de la posicion de la fibra, se cambia la distribucion de potencia entre los modos, cambiando asf los coeficientes de ponderacion de modo. En consecuencia, se altera el patron de interferencia de modo. En otras palabras, una modulacion de posicion impuesta sobre la fibra da como resultado la modulacion del patron de interferencia de modo. Suponiendo que la modulacion se aplica a una frecuencia mayor que el ancho de banda de integracion del ojo, entonces la imagen moteada aparente obtenida mediante interferencia de modo se reduce convirtiendose en inapreciable, o en general “libre de moteado”.

Tambien, en ausencia de una matriz de microlentes (por ejemplo, un ENGINEERED DIFFUSER™) en la trayectoria optica, una pantalla iluminada por la luz laser que emane de la fibra multimodo yuxtapuesta da como resultado una imagen granular, moteada, debido, al menos en parte, a la rugosidad superficial de la pantalla. La contribucion de la matriz de microlentes es que cada microlente distribuye sobre su superficie un rayo incidente sobre la mayor parte de la pantalla, y la interferencia aparece como el patron granular que ocurre entre los rayos en expansion. Estos rayos constituyen ondas que se originan desde varios modos de fibra que, una vez modulados, modulan a su vez la fase de los rayos en el objetivo, lo que de nuevo lo “emborrona” para el ojo humano.

Experimentos en laboratorio sugieren que la supresion de moteado maxima puede obtenerse cuando se vibra la fibra a aproximadamente 60 - 75 Hz. La supresion del moteado se reduce gradualmente para frecuencias menores, en donde el ojo comienza a resolver los moteados. La supresion del moteado se reduce tambien gradualmente para frecuencias mas altas debido a la respuesta mecanica del dispositivo de yuxtaposicion.

Algunos otros atributos del ENGINEERED DIFFUSER™ incluyen la homogenizacion del haz y la conversion de puntos de iluminacion arbitrarios. Ambos contribuyen directamente a una imagen homogenea y una eficiencia de transmision elevada sobre el objeto que esta constituido, por ejemplo, por un modulador espacial tal como un cristal lfquido o matriz MEMS (por ejemplo, DLP). Sin la activacion del dispositivo de yuxtaposicion, puede obtenerse en el laboratorio un contraste de moteado del 65 %, que no se considera en la tecnica como una imagen de alta calidad, y la imagen puede parecer para el observador que esta dentada.

Mediante la adicion del efecto de yuxtaposicion a la fibra de iluminacion, el contraste para la imagen con la matriz de microlentes puede mejorarse hasta el 20 %. Esta es una magnitud de contraste de moteado considerada en la tecnica como una calidad de imagen sustancialmente buena.

Las ensenanzas de la presente divulgacion son particularmente aplicables, pero sin limitarse, sistemas de vision frontal con superficies parcialmente transmisoras usadas como un objetivo, conocido en la tecnica como un “combinador”. En otra realizacion, una o mas de las realizaciones divulgadas pueden ser particularmente aplicables a, pero sin limitarse a, gafas de realidad virtual con superficies parcialmente transmisoras usadas como un objetivo, conocido en la tecnica como un “combinador”. En otra realizacion mas, las ensenanzas de la presente divulgacion pueden ser particularmente adecuadas para proyeccion laser.

La FIGURA 1 es un diagrama esquematico que ilustra una aproximacion para la reduccion del moteado en un

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sistema 100 de procesamiento de imagen. El sistema 100 incorpora aspectos de la presente divulgacion y se describe con mas detalle a continuacion. Con referencia a la FlGURA 1, por ejemplo, una fuente de radiacion coherente (por ejemplo, un laser 102) emite un haz 103 fuente colimado acoplado por el acoplador 104 del haz a la fibra 106 multimodo. La fibra 106 multimodo de la FIGURA 1 se monta sobre un dispositivo de yuxtaposicion 108. Fuera de la fibra 106 multimodo, el haz 103 se desacopla por las lentes 110 y se dirige sobre la matriz 112 de microlentes. A continuacion, el haz se propaga hasta una distancia preseleccionada, de diseno al modulador 114 espacial. El modulador 114 espacial es proyectado a traves de la lente 115 de procesamiento de imagen sobre la pantalla 116 objetivo.

La fibra 106 multimodo puede ser una fibra optica que comprende un nucleo y un revestimiento en el que el nucleo de fibra 106 optica tiene un mdice de refraccion mas alto que el revestimiento de la fibra optica. Como resultado, la radiacion electromagnetica es guiada en el nucleo de la fibra a lo largo de su longitud. En otra realizacion particular, la fibra 106 optica puede consistir en una fibra optica hueca. En otra realizacion mas, la fibra 106 optica puede constituir una grna de luz.

En realizaciones preferidas, sin embargo, la fibra 106 multimodo puede soportar muchas trayectorias de propagacion o modos transversales. Las fibras multimodo tienen un diametro mayor que las fibras monomodo. Por ejemplo, mientras que el diametro del nucleo de una fibra optica monomodo puede ser del orden de 4-10 micrometros, el diametro del nucleo de una fibra multimodo puede ser del orden de 50 micrometros a 1 milfmetro Un incremento en el diametro del nucleo de la fibra multimodo incrementa aproximadamente de modo cuadratico el numero de modos sostenidos por la fibra optica. En una realizacion particular, la fibra 106 optica multimodo puede incluir una fibra de mdice escalonado que tiene un diametro del nucleo del orden de 105 a 400 micrometros.

Mientras que las perdidas asociadas con una fibra multimodo pueden ser muy bajas y la disrupcion de la fase de la luz que pasa a traves de la fibra 106 optica puede ser muy sutil, cada modo soportado por la fibra 106 optica multimodo puede propagarse con una velocidad de grupo ligeramente diferente. En consecuencia, el modo fundamental puede salir de la fibra 106 optica a la velocidad mas rapida, y cada modo mas elevado sucesivo puede retardar su salida desde la fibra 106 optica. Como resultado, las emanaciones de los diversos modos sobre una pantalla o un difusor pueden interferir entre sf de acuerdo con su diferencia de fase. La imagen proyectada da como resultado una interferencia de modo o ruido modal, que tambien se denomina “moteado”.

Para una posicion ffsica dada de la fibra optica, sin embargo, cada modo en una fibra 106 optica multimodo transporta una parte de la potencia optica que se desplaza en la fibra 106 optica. La fraccion asociada con cada modo corresponde a un coeficiente de ponderacion de modo que el campo electrico total asociado con la iluminacion optica es la suma ponderada de los modos. Debido a que la fibra 106 optica es flexible, la posicion de la fibra 106 optica puede variarse en el espacio. Por ejemplo, la fibra 106 optica puede devanarse sobre un carrete, alisarse en toda su longitud, o fijarse en bucles, tal como se muestra en la FIGURA 1.

El dispositivo de yuxtaposicion 108 proporciona desplazamiento mecanico periodico de la fibra 106 optica. Por ello, el dispositivo de yuxtaposicion 108 impone una modulacion de posicion sobre al menos una parte de la fibra 106 optica. En realizaciones particulares, el dispositivo de yuxtaposicion 108 puede incluir una etapa de yuxtaposicion que actua sobre un sacudidor acustico. El dispositivo de yuxtaposicion 108 hace vibrar la fibra 106 optica para alterar continuamente la posicion de la fibra 106 optica en el espacio.

De acuerdo con una realizacion particular de la presente divulgacion, el sistema de la FIGURA 1, sin la matriz 112 de microlentes o modulador 114 espacial, y con el dispositivo de yuxtaposicion 108 inactivo, puede generar una imagen sobre la pantalla 116 objetivo que tiene un contraste de moteado de aproximadamente el 88 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 1, sin la matriz 112 de microlentes o modulador 114 espacial, pero con el dispositivo de yuxtaposicion 108 activo realizado mediante un diafragma acustico hecho vibrar a una frecuencia de 70 Hz, puede generar una imagen sobre la pantalla 116 objetivo que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 85 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 1, que usa la matriz de microlentes pero sin el modulador 114 espacial, y con el dispositivo de yuxtaposicion 108 inactivo, puede generar una imagen sobre la pantalla 116 objetivo que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 65 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 1, sin el modulador 114 espacial, pero con el dispositivo de yuxtaposicion 108 activo realizado mediante un diafragma acustico hecho vibrar a una frecuencia de 70 Hz, puede generar una imagen sobre la pantalla 116 objetivo que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 20 %.

En realizaciones particulares, el dispositivo de yuxtaposicion 108 puede controlarse electricamente usando una tension aplicada selectivamente para dar como resultado una reduccion predecible en el contraste de moteado. La FIGURA 2 representa un grafico 200 que ilustra los resultados del contraste de moteado en funcion de la frecuencia electrica aplicada para modular la fibra 106 optica. Espedficamente, se aplicaron al dispositivo de yuxtaposicion 108 frecuencias de vibracion entre 0 y 115 Hz para modular la fibra 106 optica. Donde no se aplico tension electrica y no se modulo la fibra optica en absoluto, el contraste de moteado es del orden de aproximadamente 0,90 (90 %). Sin embargo, cuando se aplico una tension electrica mayor de 25 Hz para modular la fibra 106 optica, se redujo el contraste de moteado. Como se muestra en la FIGURA 2, la reduccion de contraste de moteado significativa tiene lugar donde la tension electrica esta entre 30 y 100 Hz. A dichas frecuencias, el contraste de moteado puede reducirse a un valor que es menor de o cercanamente menor de 0,2 (20 %).

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Como puede verse en la FIGURA 2, la supresion de moteado en la imagen se reduce gradualmente para frecuencias mas bajas (menores de 60 Hz), en donde el ojo comienza a resolver los moteados. La supresion de moteado se reduce tambien gradualmente para frecuencias mas altas (mayores de 100 Hz) debido a la respuesta mecanica del dispositivo de yuxtaposicion 108. Sin embargo, el intervalo optimo de yuxtaposicion optica de la fibra 106 para dar como resultado la reduccion mayor en el contraste de moteado puede tener lugar con una tension electrica del orden de aproximadamente 60 a 75 Hz. Por ello, puede usarse la manipulacion selectiva de la tension electrica para reducir el contraste de moteado a un nivel predecible y manejable.

La FIGURA 3 representa un grafico 300 que ilustra los resultados del contraste de moteado realizado mediante varias tecnologfas para la reduccion del moteado que se han explicado anteriormente. Mas espedficamente, la FIGURA 3 es un grafico de barras del contraste de moteado que puede obtenerse con fibras estaticas y yuxtapuestas, con y sin matriz de microlentes. Incluye una comparacion del contraste de moteado para sistemas similares o identicos al sistema de la FIGURA 1, con y sin un ENGINEERED DIFFUSER™. El moteado puede introducirse en la imagen como resultado de las propiedades inherentes de tanto la fibra multimodo como de un objetivo de visualizacion imperfecto.

La barra 302 ilustra los resultados de contraste de moteado en donde no se usa un dispositivo de yuxtaposicion 108 para vibrar mecanicamente la fibra 106 optica multimodo. Como se muestra, puede observarse un contraste de moteado de aproximadamente el 88 %. Por el contrario, la barra 304 ilustra los resultados de contraste de moteado cuando se usa un dispositivo de yuxtaposicion 108 para vibrar mecanicamente la fibra 106 optica multimodo. Aunque el contraste de moteado en dichos sistemas es menor que en el sistema en donde no se modula la fibra optica, el contraste de moteado observado de aproximadamente el 85 % no puede considerarse por sf mismo una mejora sustancial en donde se introduce un moteado adicional a la imagen mediante una visualizacion objetivo imperfecta.

Al contrario que los escenarios previos, la barra 306 ilustra los resultados de contraste de moteado en donde se usa una matriz 112 de microlentes, tal como un ENGINEERED DIFFUSER™, sin la inclusion adicional de un dispositivo de yuxtaposicion 108 para hacer vibrar mecanicamente la fibra 106 optica multimodo. Como se muestra, el contraste de moteado en dicho escenario no es apreciablemente diferente de un sistema que incluye ni un dispositivo de yuxtaposicion 108 ni una matriz 112 de microlentes. Sin embargo, la barra 308 ilustra los resultados de contraste de moteado en donde se usan tanto una matriz 112 de microlentes como un dispositivo de yuxtaposicion 108 para una reduccion del moteado combinada. Como puede verse, cuando se anaden ambos componentes al sistema, se reduce el contraste de moteado a un valor que es menor del 20 %. En consecuencia, si estan presentes multiples fuentes de moteado en una imagen, el contraste de moteado puede mejorarse mas cuando el sistema incorpora tanto el dispositivo de yuxtaposicion 108 como la matriz 112 de microlentes. Puede ser deseable, por lo tanto, proporcionar un sistema de procesamiento de imagen que incluya tanto un dispositivo de yuxtaposicion 108 como una matriz 112 de microlentes para reducir el efecto de moteado observable en una imagen.

La matriz 112 de microlentes incluye un componente optico que incluye multiples lentes formadas en una matriz monodimensional o multidimensional sobre un sustrato de soporte. En diversas realizaciones, la matriz 112 de microlentes puede incluir de millares a millones de lentes miniatura muy pequenas que tienen un diametro del orden de aproximadamente 50 a 100 micrometros.

En una realizacion particular, la matriz 112 de microlentes puede incluir un ENGINEERED DIFFUSER™ tal como los ofrecidos por Thorlabs. El ENGINEERED DIFFUSER™ esta compuesto de una matriz de lentes disimilares en donde el diametro y longitudes focales de las lentes pueden variar. El ENGINEERED DIFFUSER™ puede seleccionarse para crear una huella deseada de la radiacion coherente. Por ejemplo, tal como se desea para un sistema de procesamiento de imagen particular, el ENGINEERED DIFFUSER™ puede seleccionarse para generar haces que sean rectangulares, cuadrados, circulares, o de otra forma. Un ENGINEERED DIFFUSER™ configurado para generar haces de una forma cuadrada pueden ser adecuados para su uso con sistemas de vision frontal o gafas de realidad virtual, en realizaciones particulares.

La matriz 112 de microlentes puede funcionar tambien para redirigir los diversos vectores con el haz de modo que los pequenos haces diverjan para crear una luz incidente solapada sobre la pantalla 116, u otro difusor, combinador, u otro visualizador objetivo. En una realizacion particular, en la que las lentes de la matriz 112 de microlentes incluyen lentes positivas y tienen un diametro del orden de 50 a 100 micrometros, la longitud focal de dichas lentas puede ser de unos pocos centenares de micrometros. Los pequenos haces salen de la matriz 112 de microlentes y divergen a puntos solapados sobre la longitud focal de la matriz 112 de microlentes. Por ello, cuando los pequenos haces se enfocan sobre la pantalla 116 posicionada a una distancia de la matriz 112 de microlentes que es mayor que la distancia de la longitud focal, los pequenos haces divergentes se solapan entre sf sobre la pantalla 116. Debido a que los pequenos haces se solapan entre sf, la combinacion incluye la diferencia entre las diferentes fases promedio y amplitudes promedio de los pequenos haces. La combinacion de vectores recibidos por la retina es dinamica, sin embargo se promedia a lo largo del tiempo de interaccion del ojo y da como resultado una percepcion reducida del moteado por el observador.

En esta forma, la matriz 112 de microlentes puede reducir adicionalmente el contraste de moteado en la imagen resultante proyectada sobre la pantalla 116 en donde puede introducirse moteado por imperfecciones en la pantalla

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116. Cuando se combina esta tecnica con la yuxtaposicion de la fibra 106 optica, los vectores modulados por la matriz 112 de microlentes corresponden con la yuxtaposicion de la fibra para reducir sustancialmente el patron de moteado en la imagen.

La FIGURA 4 ilustra un procedimiento 400 para reducir el moteado en una imagen generada por un sistema de generacion de imagen. El procedimiento comienza en la etapa 402 en el que se genera un haz fuente. El haz fuente puede originarse a partir de cualquier fuente de radiacion coherente. Por ejemplo, en una realizacion particular de la presente divulgacion, la fuente coherente de radiacion puede comprender una fuente laser de radiacion electromagnetica, un amplificador laser superradiador, u otra fuente coherente de radiacion. En algunas realizaciones, la radiacion coherente puede ser del orden de entre 400 y 750 nanometros de modo que sea visible por el ojo humano. En otros, la radiacion coherente puede ser mayor de 750 nanometros de modo que no sea visible por el ojo humano.

En la etapa 404, el haz fuente se acopla a una fibra optica. Toda, o una parte de la fibra optica puede acoplarse con un dispositivo de yuxtaposicion para imponer una modulacion de posicion sobre la misma, por ejemplo en la etapa 406.

A continuacion, en la etapa 408, el haz fuente se desacopla de la fibra optica y se refracta por una lente en la etapa 410. De esta forma, el haz fuente es dirigido a un difusor de microlentes en la etapa 412. El difusor de microlentes puede comprender un ENGINEERED DIFFUSER™. El difusor de microlentes se posiciona para proyectar el haz fuente sobre un modulador espacial que atribuye un patron objeto al haz en la etapa 414, estando posicionado el modulador espacial para proyectar el haz fuente sobre un objetivo en la etapa 416.

La FIGURA 5 es un diagrama esquematico que ilustra un sistema 500 HUD con un sistema para la reduccion del moteado en su sistema de procesamiento de imagen, de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion.

Con referencia a la FIGURA 5, por ejemplo, una fuente de radiacion coherente (por ejemplo, un laser 502) emite un haz 504 fuente colimado acoplado por el acoplador 506 del haz a la fibra 508 optica multimodo. La fibra 508 optica multimodo de la FIGURA 5 se monta sobre un dispositivo de yuxtaposicion 510. A partir de la fibra 508 multimodo, el haz 504 se acopla por las lentes 514 y dirige sobre la matriz 516 de microlentes. A continuacion, el haz se propaga a una distancia preseleccionada, de diseno al modulador 518 espacial. El modulador 518 espacial envfa la imagen a traves de la lente 520 de procesamiento de imagen sobre la pantalla objetivo, por ejemplo el difusor 522. En realizaciones particulares, la fibra 508 multimodo puede soportar muchas trayectorias de propagacion o modos transversales. En otra realizacion, la fibra 508 optica multimodo puede incluir una fibra de mdice escalonado que tiene un diametro del nucleo del orden de 105 a 400 micrometres.

Cada modo soportado por la fibra 508 optica multimodo puede propagarse en una velocidad de grupo que es ligeramente diferente. En consecuencia, el modo fundamental puede salir de la fibra 508 optica a la velocidad mas rapida, y cada modo mas elevado sucesivo puede retardar su salida desde la fibra 508 optica. Como resultado, las emanaciones de los diversos modos sobre el difusor 522 pueden interferir entre sf de acuerdo con su diferencia de fase. La imagen proyectada da como resultado interferencia de modo o ruido modal, que tambien se denomina “moteado”.

Para una posicion ffsica dada de la fibra optica, sin embargo, cada modo en una fibra 508 optica multimodo transporta una fraccion de la potencia optica que se desplaza en la fibra 508 optica. La fraccion asociada con cada modo corresponde a un coeficiente de ponderacion de modo que el campo electrico total asociado con la iluminacion optica es la suma ponderada de los modos. Debido a que la fibra 508 optica es flexible, la posicion de la fibra 508 optica puede variarse en el espacio. Por ejemplo, la fibra 508 optica puede bobinarse sobre un carrete, alinearse en toda su longitud, o fijarse en bucles, tal como se muestra en la FIGURA 5.

El dispositivo de yuxtaposicion 510 proporciona desplazamiento mecanico periodico de la fibra 508 optica. Por ello, el dispositivo de yuxtaposicion 510 impone una modulacion de posicion sobre al menos una parte de la fibra 508 optica. En realizaciones particulares, el dispositivo de yuxtaposicion 510 puede incluir una etapa de yuxtaposicion que funciona sobre un sacudidor acustico. El dispositivo de yuxtaposicion 510 hace vibrar la fibra 508 optica para alterar continuamente la posicion de la fibra 508 optica en el espacio.

De acuerdo con una realizacion particular de la presente divulgacion, el sistema de la FIGURA 5, sin la matriz 516 de microlentes o modulador 518 espacial, y con el dispositivo de yuxtaposicion 510 inactivo, puede generar una imagen sobre el difusor 522 que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 88 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 5, sin la matriz 516 de microlentes o modulador 518 espacial, pero con el dispositivo de yuxtaposicion 510 activo realizado mediante un diafragma acustico hecho vibrar a una frecuencia de 70 Hz, puede generar una imagen sobre el difusor 522 que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 85 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 5, usando la matriz de microlentes pero sin el modulador 518 espacial, y con el dispositivo de yuxtaposicion 510 inactivo, puede generar una imagen sobre el difusor 522 que tenga un contraste de moteado de aproximadamente el 65 %. En otra realizacion, el sistema de la FIGURA 5, sin el modulador 518 espacial, pero con un dispositivo de yuxtaposicion 510 activo realizado mediante un diafragma acustico hecho vibrar a la frecuencia 70 Hz, puede generar una imagen sobre el difusor 522 que tenga un contraste de moteado de

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aproximadamente el 20 %.

Con referencia a la FIGURA 5, el difusor 522 emana rayos opticos que contienen el contenido espacial generado por el modulador 518 espacial que propaga a un grupo 524 de lentes de retransmision. Los rayos 526 retransmitidos se curvan mediante un prisma 528 dirigidos as^ hacia, y parcialmente reflejados desde, un combinador 530 que, en tanto que transmite la mayor parte de la luz incidente desde el lado izquierdo de la FIGURA 5 propagandose al lado derecho, refleja la mayor parte de los rayos 526 proyectados hacia los ojos 540 del observador 542. En una realizacion preferida el prisma 528 comprende una pieza plana por ejemplo un prisma Fresnel o un prisma holografico. En una realizacion, el combinador 530 refleja al menos el 65 % de los rayos 526 de luz incidente.

La FIGURA 6 es un diagrama esquematico que ilustra un sistema 600 de gafas de realidad virtual (HDM) con un subsistema para la reduccion del moteado en su sistema de procesamiento de imagen, de acuerdo con una realizacion de la presente divulgacion.

Con referencia a la FIGURA 6, por ejemplo, una fibra optica multimodo embebida en un cable 602 gma la radiacion coherente (por ejemplo, un laser) al interior de una unidad 604 de generacion de imagen en la que se incluyen los elementos desde 514 a 528 descritos en la FIGURA 5. La fibra optica se monta sobre un dispositivo de yuxtaposicion 603. Las dos unidades 604 de generacion de imagen montadas sobre un sombrero o casco 606 se usan para la proyeccion de datos visuales a cada uno de los dos ojos del observador. En una realizacion, el cable 602 puede incluir conductos electricos que conducen datos electronicos a un modulador espacial. La unidad 604 de generacion de imagen emana rayos 608 opticos que contienen contenido espacial dirigido hacia, y parcialmente reflejados desde, un combinador 610 visor que, mientras transmite la mayor parte de la luz incidente desde el lado izquierdo de la FIGURA 6 que se propaga al lado derecho, refleja la mayor parte de los rayos 608 proyectados hacia los ojos 612 del observador. En una realizacion, el combinador 610 visor refleja al menos el 65 % de los rayos 608 de luz incidente.

Aunque se ha descrito en detalle la presente invencion, debena entenderse que pueden realizarse varios cambios, sustituciones y alteraciones a la misma sin apartarse del espmtu y alcance de la invencion tal como se define por la reivindicacion adjunta. Adicionalmente, los sistemas y procedimientos que incorporan alguna o una combinacion de las tecnicas anteriormente descritas pueden beneficiarse de algunas, ninguna, o todas las ventajas siguientes. Por ejemplo, de acuerdo con una realizacion, pueden usarse fuentes de luz coherente para producir imagenes con contraste de moteado mejorado. Pueden reducirse notablemente los patrones de granulado subyacentes a la imagen, y por ello, puede mejorarse la satisfaccion del observador con el sistema de procesamiento de imagen.

Espedficamente, puede reducirse el moteado provocado por las propiedades inherentes de las fibras opticas multimodo. Mediante la alteracion de la posicion de la fibra optica multimodo, por ejemplo, puede alterarse la distribucion de potencia en cada modo soportado por la fibra optica. De ese modo, la modulacion de la posicion de la fibra optica puede controlarse electricamente usando una tension aplicada selectivamente para dar como resultado una reduccion predecible en el contraste de moteado.

Adicional o alternativamente, puede reducirse el moteado introducido en una imagen debido a rugosidad superficial, ralladuras, excavados y otras imperfecciones en la superficie de visualizacion. Por ejemplo, puede usarse una matriz de microlentes, en realizaciones particulares, para mejorar la homogenizacion del haz y la conversion de iluminacion arbitraria. La matriz de microlentes puede transformar un haz de radiacion coherente en una multitud de pequenos haces que divergen para solaparse entre sf sobre la pantalla, difusor, combinador u otro visualizador objetivo. Debido a que los pequenos haces se solapan entre sf, la combinacion de los vectores recibidos por la retina es dinamica pero se promedia sin embargo a lo largo del tiempo de interaccion del ojo y dan como resultado la percepcion reducida de moteado por el observador.

Una aplicacion posible, pero no limitativa para dichas tecnicas incluyen los sistemas de vision frontal y/o gafas de realidad virtual. En donde las aproximaciones anteriormente descritas se usan para reducir el moteado de las imagenes producidas por dichos sistemas, pueden reducirse sustancialmente o eliminarse los puntos de brillo y oscuridad que estan presentes tfpicamente en las lmeas, caracteres, y sfmbolos que componen la foto proyectada en los sistemas. Como resultado, la imagen puede aparecer mas continua para el observador. Adicionalmente, debido a que no se manipula la visualizacion objetivo, el sistema de visualizacion requiere pocas partes moviles, conductos electricos, y controladores asociados con la visualizacion objetivo. Como resultado, los componentes del combinador u otro visualizador pueden reducirse en tamano, o miniaturizarse.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) de generacion de imagen, que comprende:

una fuente (102) optica configurada para generar un haz (103) fuente coherente;

una fibra (106) optica posicionada para recibir el haz (103) fuente de la fuente (102) optica coherente;

un dispositivo de yuxtaposicion (108) que se acopla con la fibra (106) optica y que es operativo para modular una

posicion de al menos una parte de la fibra (106) optica;

una lente (110) configurada para refractar el haz (103) fuente; posicionandose una matriz (112) de microlentes para recibir el haz (103) fuente refractado desde las lentes (110) y proyectar el haz (103) fuente, incluyendo la matriz de microlentes una matriz de al menos un millar de lentes disimilares en el que los diametros y longitudes focales de las lentes pueden variar y en el que los diametros vanan desde 50 a 100 micrometros creando pequenos haces de luz solapados a partir del haz (103) fuente; una lente (115) de procesamiento de imagen; y

un modulador espacial posicionado para recibir los pequenos haces proyectados desde el difusor (112) de microlentes y proyectar los pequenos haces a traves de la lente (115) de procesamiento de imagen a una pantalla (116) objetivo que visualiza una imagen con un moteado reducido introducido por las imperfecciones en la pantalla (116) objetivo.
2. El sistema (100) de la reivindicacion 1, en el que la fuente (102) optica coherente comprende un laser.
3. El sistema de la reivindicacion 1, en el que el difusor de microlentes proporciona homogenizacion del haz y conversion arbitraria del perfil de iluminacion.
4. El sistema (100) de la reivindicacion 1, en el que la fibra (106) optica comprende una fibra de mdice escalonado que tiene un diametro del nucleo de uno cualquiera de entre 105 micrometros, 200 micrometros, 400 micrometros o cualquier otro entre 105 micrometros y 500 micrometros.
5. El sistema (100) de cualquiera de la reivindicacion 1 a la reivindicacion 4, en el que el dispositivo de yuxtaposicion (108) comprende una etapa de vibracion mecanica.
6. El sistema (100) de cualquiera de la reivindicacion 1 a la reivindicacion 5, en el que el dispositivo de yuxtaposicion (108) se modula a 30 Hz o mas.
7. El sistema (100) de cualquiera de la reivindicacion 1 a la reivindicacion 6, en el que la pantalla (116) objetivo comprende uno cualquiera de entre una pantalla, un difusor (522) y una camara.
8. El sistema (100) de cualquiera de la reivindicacion 1 a la reivindicacion 7, en el que el difusor (112) de microlentes se posiciona antes del modulador (114) espacial.
9. El sistema (100) de cualquiera de la reivindicacion 1 a la reivindicacion 8, que comprende adicionalmente:

un grupo (524) de lentes de retransmision posicionado para retransmitir los rayos opticos propagados desde un difusor (522); y

un prisma (528) que se configura para curvar los rayos opticos retransmitidos y dirigir los rayos retransmitidos hacia la pantalla (116) objetivo, siendo la pantalla (116) objetivo un combinador (530).
10. El sistema (100) de cualquiera desde la reivindicacion 1 a la reivindicacion 9, en el que se embebe una fibra (106) optica en un cable, siendo operativa la fibra (106) optica para guiar el haz fuente desde una pluralidad de unidades (604) de generacion de imagen que se acoplan a un casco (606); comprendiendo cada unidad de generacion de imagen la lente (110), el difusor (112) de microlentes, y el modulador (114) espacial posicionado para proyectar el haz (103) fuente, a traves de las lentes (115) de procesamiento de imagen, a un combinador (610) visor que se acopla con el casco (606).
11. Un procedimiento para la generacion de una imagen, que comprende:

acoplar un haz (103) coherente recibido desde una fuente (102) optica en una fibra (106) optica; modular una posicion de al menos una parte de la fibra (106) optica usando un dispositivo de yuxtaposicion (108);

refractar el haz (103) fuente en una lente (110) despues de que se desacople de la fibra (106) optica, de modo que el haz (103) fuente se dirija a una matriz (112) de microlentes; y

proyectar el haz (103) fuente desde la matriz (112) de microlentes sobre un modulador (114) espacial, incluyendo la matriz de microlentes una matriz de al menos un millar de lentes disimilares en el que los diametros y longitudes focales de las lentes vanan y en el que los diametros vanan desde 50 a 100 micrometros creando pequenos haces de luz que se solapan desde el haz (103) fuente; y

posicionar el modulador (114) espacial para proyectar los pequenos haces a traves de una lente (115) de procesamiento de imagen a una pantalla (116) objetivo visualizando la imagen con moteado reducido introducido por imperfecciones en la pantalla (116) objetivo.
12. El procedimiento de la reivindicacion 11, que comprende adicionalmente la visualizacion de una imagen formada por el haz (103) fuente proyectado sobre la pantalla (116) objetivo, apareciendo la imagen con un contraste de moteado de al menos el 20 %.
13. El procedimiento de la reivindicacion 11, en el que la fuente (102) optica coherente comprende un laser, y que 5 comprende adicionalmente propagar la fuente (102) optica coherente en un intervalo de longitudes de onda de uno

cualquiera de 400-500 nanometros, 510-550 nanometros y 590-700 nanometros.