ES2950835T3 - Guía de ondas funcionalizada para un sistema detector - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una guía de ondas funcionalizada para un sistema detector, en la que la guía de ondas (1) comprende un cuerpo principal transparente (6) que tiene una cara frontal (7) y una cara posterior (8). El cuerpo principal (6) tiene una región de desacoplamiento (4) parcialmente transparente y una región de desacoplamiento (5) que está separada de la misma en una primera dirección (R1). La zona de desacoplamiento (4) desvía sólo una parte de la radiación procedente de un objeto a detectar y que incide en la cara frontal (7), de tal manera que la parte desviada se propaga como radiación acoplada en el cuerpo principal (6) mediante reflexiones. hasta la zona de desacoplamiento (5) e incide en la zona de desacoplamiento (5). La región de desacoplamiento (5) desvía al menos parte de la radiación acoplada que incide sobre ella de tal manera que la parte desviada sale del cuerpo principal (6) a través de la cara frontal (7) o la cara trasera (8) para incidir. en el sistema detector (2). La extensión de la región de desacoplamiento (4) en una segunda dirección (R2) transversal a la primera dirección (R1) es mayor que la extensión de la región de desacoplamiento (5) en la segunda dirección (R2). La zona de desacoplamiento (4) presenta en la segunda dirección al menos dos estructuras de desacoplamiento difractivas diferentes, que se diferencian porque en la segunda dirección presentan una componente de desviación diferente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Guía de ondas funcionalizada para un sistema detector
La presente invención se refiere a una guía de ondas funcionalizada para un sistema detector según la reivindicación 1, revelándose otras formas de realización en las reivindicaciones dependientes.
El documento US 2016/139402 A1 muestra una guía de ondas funcionalizada para un sistema detector con una zona de acoplamiento y una zona de desacoplamiento, presentando la zona de acoplamiento al menos dos estructuras de difracción de acoplamiento diferentes que desvían la radiación del mismo campo de visión a la zona de desacoplamiento, y desviando la zona de desacoplamiento la entrada de radiación de las diferentes estructuras de difracción de acoplamiento a la misma zona angular para que incida en el sistema detector.
Los documentos US 2017/299865 A1 y DE 10 2010 041 349 A1 muestran respectivamente guías de ondas funcionalizadas.
Las superficies transparentes de vidrio o plástico, como las ventanas o los parabrisas de los automóviles, presentan un cuerpo base transparente y, por lo general, sólo sirven para proteger a las personas o los objetos de influencias ambientales como el viento, la temperatura, las partículas o la radiación.
Existe un interés creciente en facilitar un cuerpo base transparente que proporcione una funcionalidad óptica adicional. Por lo tanto, el objetivo de la invención consiste en proporcionar un cuerpo base transparente con una funcionalidad óptica adicional.
La invención se define en las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.
En la guía de ondas funcionalizada según la invención se proporcionan o forman en el cuerpo base transparente una zona de acoplamiento parcialmente transparente y una zona de desacoplamiento separada de la misma en una primera dirección. La zona de acoplamiento parcialmente transparente puede tener una estructura de difracción con la que la transparencia de la zona de acoplamiento se mantiene en un amplio rango angular y de longitud de onda durante la visualización normal. De este modo, sólo una parte de la radiación que incide en la parte frontal del cuerpo base transparente puede ser desviada por medio de la zona de acoplamiento transparente, de modo que la parte desviada se propague como radiación acoplada en el cuerpo base por reflexión hasta la zona de desacoplamiento e incida en la zona de desacoplamiento.
La transparencia de la zona de acoplamiento depende de la eficacia del acoplamiento de la radiación. A medida que aumenta la eficacia del acoplamiento, también disminuye la transparencia en la zona de acoplamiento de la guía de ondas funcionalizada. En el sentido de una mayor transparencia posible, el acoplamiento de la radiación a través de, por ejemplo, la estructura de difracción (en particular, el holograma de al menos un volumen) puede ser lo suficientemente eficiente como para que llegue suficiente potencia de radiación a la zona de desacoplamiento. La zona de acoplamiento parcialmente transparente se puede diseñar de manera que la eficacia de acoplamiento sea, por ejemplo, del 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% o 50%. En particular, la eficacia de acoplamiento puede estar comprendida entre el 2% y el 50%, de manera que la transparencia de la zona de acoplamiento esté comprendida entre el 50% y el 98%. La(s) zona(s) de acoplamiento de las demás formas de realización también pueden presentar estas eficiencias de acoplamiento o propiedades transmisivas.
La zona de acoplamiento transparente se configura preferiblemente de modo que la desviación de la parte desviada de la radiación que incide en la cara frontal del cuerpo base transparente se produzca como una desviación pura que está libre de una función óptica de reproducción de imágenes (por ejemplo, libre de un efecto de enfoque).
Las reflexiones pueden ser, especialmente, reflexiones internas totales en la parte delantera y/o trasera del cuerpo base transparente. Sin embargo, también es posible prever capas o revestimientos reflectantes o capas o revestimientos parcialmente reflectantes para este fin.
Las superficies delantera y trasera del cuerpo parcialmente transparente pueden ser superficies planas. Así, el cuerpo base parcialmente transparente se puede configurar, por ejemplo, como una placa ortogonalmente paralela.
Sin embargo, también es posible que la cara frontal y/o la cara posterior sean curvas.
El cuerpo base parcialmente transparente puede estar hecho de vidrio y/o plástico. Puede ser de una sola pieza o tener una estructura de varias capas.
En especial, el cuerpo base transparente puede ser transparente a la radiación o a la luz de la gama de longitudes de onda visibles. Además, puede ser transparente a longitudes de onda infrarrojas cercanas y/o a toda la gama de infrarrojos.
La zona de desacoplamiento del cuerpo base transparente puede desviar al menos una parte de la radiación acoplada que incide sobre la misma, de manera que la parte desviada salga del cuerpo base. Preferiblemente, esto se hace a través de la parte delantera o trasera del cuerpo base transparente.
La zona de desacoplamiento puede ser parcialmente transparente. En particular, la eficacia de acoplamiento de la zona de acoplamiento puede ser, por ejemplo, del 2%, 5%, 10%, 15%, 2o%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% o 50%. En particular, la eficacia de desacoplamiento de la zona de desacoplamiento puede estar comprendida entre el 2% y el 50%, de manera que la transparencia de la zona de desacoplamiento esté comprendida entre el 50% y el 98%. La(s) zona(s) de desacoplamiento de las realizaciones adicionales también pueden presentar estas eficiencias de desacoplamiento o propiedades transmisivas.
El diseño parcialmente transparente es ventajoso, por ejemplo, si la zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se diseñan como estructuras de difracción (por ejemplo, como hologramas de volumen). En ese caso, la zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se pueden formar, por ejemplo, en una película, lo que resulta ventajoso desde el punto de vista de la fabricación.
Sin embargo, también es posible que la zona de desacoplamiento presente una eficiencia de desacoplamiento máxima. Esto puede conseguirse, por ejemplo, mediante un reflejo (preferiblemente un reflejo completo).
La zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se pueden diseñar de forma que no provoquen ninguna función de imagen óptica además de la deflexión. Sin embargo, también es posible que la zona de acoplamiento y/o la zona de desacoplamiento provoquen una función de reproducción de imágenes ópticas además de la desviación y, de este modo, proporcionen una reproducción de imágenes ópticas. Por ejemplo, la función de imagen óptica puede realizar la función de una lente convergente o divergente, un espejo cóncavo o convexo, donde las superficies curvadas (centradas o descentradas) pueden ser superficies esféricamente curvadas o asféricamente curvadas.
La estructura de difracción de la zona de acoplamiento se puede realizar como una estructura de difracción enterrada, como una estructura de difracción entre dos sustratos o como una estructura de difracción formada en la superficie anterior o posterior.
Además, la zona de desacoplamiento puede presentar una estructura de difracción. La estructura de difracción de la zona de desacoplamiento puede configurarse a modo de estructura de difracción enterrada o de estructura de difracción formada en la superficie anterior o posterior.
Como estructura de difracción de la zona de acoplamiento o de la zona de desacoplamiento se puede prever un holograma de volumen reflectante o transmisivo. Además, es posible que la estructura de difracción de la zona de desacoplamiento o de la zona de acoplamiento consista en una rejilla de relieve transmisiva o reflectante.
La zona de desacoplamiento puede comprender además una superficie de espejo, un prisma y/o una estructura de Fresnel reflectante o transmisiva. Estas variantes se pueden prever como alternativa a la estructura de difracción o además de la estructura de difracción de la zona de desacoplamiento.
Además, se proporciona un sistema detector con una guía de ondas funcionalizada según la invención (incluyendo todas las demás formas de realización). El sistema detector, que en lo sucesivo también se define como sistema de detección, puede presentar un detector en el que incide la parte de la radiación desviada por la zona de desacoplamiento. El detector puede estar conectado a la parte delantera o trasera del cuerpo base. En particular, puede haber una conexión directa. El detector puede ser un sensor de imagen digital (por ejemplo, un sensor CCD o un sensor CMOS), un conjunto de detectores o, por ejemplo, una célula solar.
El sistema detector puede estar diseñado además de manera que en la zona entre el detector y la parte delantera o trasera se disponga al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes. El al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes puede estar diseñado, por ejemplo, como una lente, una lente refractiva o una lente refractiva de cámara. También es posible que la zona situada entre el detector y la cara anterior o posterior esté libre de elementos ópticos de reproducción de imágenes. En otras palabras, la radiación desacoplada de la zona de desacoplamiento llega al detector sin haber pasado por otros elementos ópticos de reproducción de imágenes. En este caso, resulta ventajoso que la zona de desacoplamiento presente una propiedad de reproducción de imágenes ópticas además de la de desviación.
La guía de ondas funcionalizada se puede diseñar para obtener imágenes infinitas-infinitas. Sin embargo, también es posible que realice un mapeo finito-infinito, mapeo infinito-finito o mapeo finito-finito.
Como es lógico, el sistema detector también puede diseñarse de manera que al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes esté dispuesto entre el detector y la parte delantera o trasera. El al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes sirve en particular para guiar la parte de la radiación desviada por la zona de desacoplamiento y se puede diseñar, por ejemplo, a modo de lente. El al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes puede estar formado, por ejemplo, como una lente, como una lente refractiva o como un objetivo refractivo de cámara.
En la guía de ondas funcionalizada, la extensión de la zona de acoplamiento en una segunda dirección transversal a la primera dirección puede ser mayor que la extensión de la zona de desacoplamiento en la segunda dirección. Por extensión (o, por ejemplo, anchura) de la zona de acoplamiento se entiende aquí en particular la extensión utilizada efectivamente según lo previsto o la extensión utilizada ópticamente. Se trata, por ejemplo, de la extensión de la sección de la zona de acoplamiento desde la que la radiación desviada incide en el sistema detector. Por extensión (o, por ejemplo, anchura) de la zona de desacoplamiento se entiende aquí, en particular, la extensión utilizada
efectivamente según lo previsto o la extensión utilizada ópticamente. Se trata, por ejemplo, de la extensión de la sección de la zona de desacoplamiento desde la que la radiación desviada incide en el sistema detector.
Además, la zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se pueden disponer de forma centrada entre sí en la segunda dirección.
Sin embargo, también es posible que la zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se dispongan de forma descentrada entre sí en la segunda dirección.
Se pueden prever varias zonas de desacoplamiento que se disponen unas al lado de las otras en la segunda dirección. Al menos una de las zonas de desacoplamiento puede presentar además la función de flexión transversal con respecto a la primera dirección.
Se puede realizar una adaptación del campo de visión (en lo sucesivo, "Field of View" o "FoV") de la guía de ondas funcionalizada al FoV del detector (o del detector con el al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes, por ejemplo, una lente). En especial, esto puede realizarse ajustando la distancia de la zona de acoplamiento y de la zona de desacoplamiento a lo largo de la primera dirección y la extensión de la zona de acoplamiento transversal a la primera dirección y de la extensión de la zona de desacoplamiento transversal a la primera dirección. La adaptación del FoV del detector (o del detector con al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes) al FoV de la guía de ondas funcionalizada puede realizarse adaptando la longitud focal del objetivo y/o el tamaño del detector. Preferiblemente, el FoV de la guía de ondas funcionalizada corresponde al FoV del detector (o del detector con al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes). Esto puede conseguirse mediante un ajuste específico del FoV de la guía de ondas funcionalizada y/o un ajuste específico del FoV del detector (o del detector con el al menos un elemento óptico de reproducción de imágenes).
Se proporciona además una guía de ondas funcionalizada para un sistema de iluminación y/o proyección, en el que la guía de ondas presenta un cuerpo base transparente con una cara anterior y una cara posterior. En principio, el cuerpo base transparente se puede configurar y perfeccionar de la misma manera que el cuerpo base transparente para la guía de ondas funcionalizada para el sistema detector.
Así, el cuerpo base puede presentar una zona de acoplamiento y una zona de desacoplamiento separadas en una primera dirección, desviando la zona de acoplamiento al menos una parte de la radiación procedente de la fuente de luz o imagen del sistema de iluminación y/o proyección que incide en la zona de acoplamiento, de manera que la parte desviada se propague como radiación acoplada en el cuerpo base por reflexión hasta la zona de desacoplamiento e incida en la zona de desacoplamiento. La zona de desacoplamiento puede comprender una estructura, por ejemplo, una estructura de difracción, que desvía la radiación acoplada que incide en ella de manera que la porción desviada emerja del cuerpo base a través de los lados delantero y trasero. La estructura de difracción puede estar adaptada a las longitudes de onda de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen, de manera que se refleje la mayor cantidad posible de radiación. No obstante, la estructura de difracción puede seguir teniendo la transparencia deseada, por ejemplo, cuando se mira a través de ella. Además es posible que la estructura de difracción desvíe sólo una parte de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen.
La estructura de la zona de desacoplamiento puede ser una estructura de difracción transmisiva o reflectante, un holograma de volumen transmisivo o reflectante, una superficie de espejo, un prisma o una rejilla de relieve transmisiva o reflectante.
De este modo se proporciona una zona de desacoplamiento que es transparente. La extensión de la zona de desacoplamiento en una segunda dirección transversal a la primera dirección puede ser mayor que la extensión de la zona de acoplamiento en la segunda dirección.
Se proporciona además un sistema de iluminación y/o proyección que comprende una guía de ondas funcionalizada para dicho sistema de iluminación y/o proyección, previéndose adicionalmente una fuente de luz y/o imagen, cuya luz incide en la zona de acoplamiento.
En la guía de ondas funcionalizada para un sistema detector, la zona de acoplamiento puede comprender al menos dos hologramas volumétricos, cada uno de los cuales redirige sólo una porción de la radiación procedente de un objeto a detectar que incide en la superficie frontal, de manera que la porción redirigida se propague como radiación acoplada en el cuerpo base por reflexión hasta la zona de desacoplamiento e incida en la zona de desacoplamiento. Los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento se pueden diferenciar por el hecho de que su función de deflexión tiene diferentes propiedades angulares espectrales. Esto significa que se pueden desviar diferentes longitudes de onda con el mismo ángulo de incidencia. La zona de desacoplamiento desvía al menos una parte de la radiación acoplada que incide en ella, de manera que la parte desviada salga del cuerpo base (preferiblemente por la parte delantera o trasera) para incidir en el sistema detector.
Con una guía de ondas de este tipo se pueden transmitir más colores, dado que los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento tienen diferentes propiedades angulares espectrales y, por lo tanto, redirigen diferentes longitudes de onda a los mismos ángulos de incidencia, por lo que forman parte de la radiación acoplada en el cuerpo base.
Los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento se pueden disponer adyacentes entre sí (con o sin distancia entre sí), en particular se pueden disponer adyacentes entre sí en la primera dirección. Sin embargo, también es
posible que los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento se dispongan unos encima de otros o superpuestos (es decir, preferiblemente en una dirección de apilamiento que sea transversal a la primera dirección y transversal a la segunda dirección), de modo que prácticamente se obtenga una pila de capas de hologramas de volumen. Alternativa o adicionalmente, las funciones de algunos o de todos los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento se pueden implementar en un único holograma de volumen. Este tipo de implementación también recibe el nombre de multiplexación. Estas posibles formas de realización de la zona de acoplamiento se pueden prever en cualquiera de los ejemplos de realización descritos.
La zona de desacoplamiento puede presentar para cada holograma de volumen de la zona de acoplamiento un holograma de volumen asociado que proporciona la misma propiedad angular espectral durante la redirección que el holograma de volumen correspondiente de la zona de acoplamiento. De este modo, se puede compensar la dispersión de los hologramas volumétricos de la zona de acoplamiento.
Los hologramas de volumen de la zona de desacoplamiento se pueden disponer adyacentes entre sí (con o sin distancia entre sí), en particular se pueden disponer adyacentes entre sí en la primera dirección. Sin embargo, también es posible que los hologramas de volumen de la zona de desacoplamiento se dispongan unos encima de otros o superpuestos (es decir, preferiblemente en una dirección de apilamiento que sea transversal a la primera dirección y transversal a la segunda dirección), de modo que prácticamente se obtenga una pila de capas de hologramas de volumen. Alternativa o adicionalmente, las funciones de algunos o de todos los hologramas de volumen de la zona de desacoplamiento se pueden implementar en un único holograma de volumen. Este tipo de implementación también recibe el nombre de multiplexación. Estas posibles formas de realización de la zona de desacoplamiento se pueden prever en cualquiera de los ejemplos de realización descritos.
Los hologramas de volumen de la zona de acoplamiento se pueden diseñar como hologramas de volumen reflectantes o transmisivos. Lo mismo es válido para los hologramas de volumen de la zona de desacoplamiento.
La zona de acoplamiento puede presentar, como mínimo o exactamente, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, hasta 40, hasta 50 o hasta 100 (o cualquier valor entre 1 y 100) hologramas de volumen.
En la guía de ondas funcionalizada para un sistema detector, la zona de acoplamiento puede presentar varias estructuras de acoplamiento difractivas adyacentes en la primera dirección que se distinguen por tener diferentes campos de visión horizontales en un plano abarcado por una perpendicular en la cara anterior y una segunda dirección transversal a la primera dirección, de manera que desvíen la radiación de los diferentes campos de visión horizontales hacia la zona de desacoplamiento.
De este modo se puede captar un mayor campo de visión horizontal y dirigirlo a un detector.
Las estructuras de acoplamiento difractivo se pueden diseñar para desviar la radiación de los diferentes campos de visión horizontales hacia la zona de desacoplamiento.
De este modo se puede captar un mayor campo de visión horizontal y dirigirlo a un detector
Las estructuras de acoplamiento difractivas se pueden diseñar de manera que codifiquen la radiación de los diferentes campos de visión horizontales mediante distintas longitudes de onda desviadas durante la desviación, lo que permite el desacoplamiento y/o la detección selectivos para los diferentes campos de visión horizontales.
La zona de desacoplamiento puede presentar para la estructura de acoplamiento de difracción una estructura de desacoplamiento de difracción asignada que desvíe selectivamente la radiación con longitudes de onda de la estructura de acoplamiento de difracción activa asignada.
Las estructuras de desacoplamiento de difracción pueden desviar la radiación de las estructuras de acoplamiento asignadas de manera que incidan en zonas localmente distintas de un sistema detector.
Para al menos una zona localmente distinta del detector se puede prever un filtro de color que guíe únicamente el rango de longitud de onda correspondiente al detector.
Las estructuras de acoplamiento de difracción se pueden diseñar de manera que codifiquen la radiación de las diferentes zonas angulares de desviación, lo que permite el desacoplamiento y/o la detección selectivos para los diferentes campos de visión horizontales.
La zona de acoplamiento puede tener una abertura de sombreado delante de cada estructura de acoplamiento difractivo con una estructura laminar que define para cada estructura de acoplamiento difractivo un campo de visión vertical diferente en un plano abarcado por una perpendicular en la cara anterior y la primera dirección.
La zona de desacoplamiento puede tener para cada estructura de difracción de acoplamiento una estructura de difracción de desacoplamiento asociada que desvía selectivamente la radiación de los diferentes rangos de ángulo de desviación de las estructuras de difracción de acoplamiento asociadas. Las estructuras de difracción de desacoplamiento pueden estar dispuestas adyacentes a la primera dirección.
Cada una de las estructuras de desacoplamiento difractivas puede estar formada por un holograma de volumen reflectante o transmisivo.
La guía de ondas funcionalizada para un sistema detector se puede diseñar o perfeccionar de manera que la zona de acoplamiento presente a lo largo de la segunda dirección al menos dos estructuras de difracción de acoplamiento diferentes que se diferencian por presentar un componente de desviación distinto en la segunda dirección.
Por lo tanto, la eficiencia con respecto a la utilización de la radiación acoplada es mayor.
El componente de desviación en la segunda dirección se elige para cada una de las estructuras de acoplamiento de difracción que a lo largo de la segunda dirección están desplazadas con respecto a la zona de desacoplamiento, de modo que el desplazamiento existente se compense para la radiación acoplada.
La zona de desacoplamiento se configura para desviar la radiación acoplada desde las diferentes estructuras de acoplamiento de difracción hacia la misma zona angular.
La guía de ondas funcionalizada para un sistema detector se puede diseñar o perfeccionar de manera que la zona de acoplamiento comprenda una rejilla de acoplamiento en relieve y que la zona de desacoplamiento comprenda una rejilla de desacoplamiento en relieve.
En especial, la rejilla de acoplamiento en relieve y la rejilla de desacoplamiento en relieve pueden presentar el mismo período de rejilla.
La guía de ondas funcionalizada también se puede configurar a modo de pantalla con un cuerpo base transparente. En este caso, el cuerpo base transparente puede formar parte de una pantalla.
La pantalla puede ser, por ejemplo, la pantalla de un dispositivo portátil (como un teléfono inteligente o un ordenador portátil), una pantalla fija o cualquier otra pantalla instalada, por ejemplo, en un automóvil,
La zona de desacoplamiento se puede disponer a lo largo de la primera dirección más cerca del borde del cuerpo base que la zona de acoplamiento.
Además, la zona de acoplamiento se puede disponer en la parte trasera.
Además, la pantalla puede presentar por la parte trasera del cuerpo base una capa emisora de luz y la zona de acoplamiento se puede disponer entre el cuerpo base y la capa emisora de luz.
El sensor de imagen se puede disponer en la parte posterior del cuerpo base en una zona que sirve de zona de visualización de la pantalla y que se oscurece durante la grabación por medio del sensor de imagen.
La pantalla puede presentar adicionalmente una cámara que capta el objeto, utilizándose la captura de la cámara para recolorear una captura del objeto mediante el sensor de imagen.
La pantalla puede presentar una capa emisora de luz dispuesta en la parte posterior del cuerpo base que genera una imagen real. Para este propósito, la capa emisora de luz puede presentar, por ejemplo, píxeles emisores de luz. En este caso, la imagen real se genera en el plano de los píxeles. Los píxeles pueden presentar respectivamente un ángulo de emisión de al menos 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 100°, 110°, 120°, 130°, 140°, 150°, 160°, 170° a menos de 180°.
Dado que esta capa emisora de luz pixelada está dispuesta en la cara posterior del cuerpo base, la luz emitida por los píxeles se transmite a través del cuerpo base y llega al usuario.
Para evitar que la luz emitida por la capa emisora de luz se difracte en la estructura de difracción de la zona de acoplamiento y, por lo tanto, no llegue al usuario, la estructura de difracción de la zona de acoplamiento se puede diseñar de manera que sólo se difracte la luz con una polarización determinada y, por lo tanto, se guíe en el cuerpo base (o guía de ondas). La luz emitida por la capa emisora de luz puede presentar así una polarización ineficiente para la estructura de difracción de la zona de acoplamiento y transmitirse sin perturbaciones a través de la estructura de difracción de la zona de acoplamiento. Por lo tanto, la capa emisora de luz ya no constituye una fuente de luz falsa y ya no es necesario oscurecer o poner en blanco la capa emisora de luz pixelada en la parte de la zona de acoplamiento para evitar el acoplamiento de luz falsa durante la grabación mediante el sensor de imagen.
Las posibilidades para una polarización definida incluirían pantallas LCD o la aplicación de una lámina de polarización entre la capa emisora de luz y el cuerpo base.
La guía de ondas funcionalizada (o el sistema detector descrito) se pueden diseñar o perfeccionar de modo que se proporcionen como una luna funcionalizada (o sistema detector) para un vehículo. En el caso del vehículo se puede tratar de un automóvil, un camión, una aeronave, un vehículo motorizado o no motorizado, o cualquier otro vehículo. La luna puede ser cualquier luna del vehículo, como el parabrisas, una ventanilla lateral o una ventanilla trasera. En particular, se pueden proporcionar varias lunas (o sistemas detectores) para un vehículo. Éstas se pueden utilizar para detectar, por ejemplo, la posición de una persona u objeto dentro del vehículo. Además, se proporciona un vehículo con una o varias lunas funcionalizadas de este tipo (o con uno o varios sistemas detectores).
La zona de desacoplamiento exterior puede estar dispuesta a lo largo de la primera dirección más cerca del borde del cuerpo base que la zona de acoplamiento.
La luna así funcionalizada puede utilizarse en un sistema detector (o sistema de detección) que puede diseñarse y perfeccionarse de la manera descrita. En particular, puede proporcionarse un detector sobre el que incide la parte de
la radiación desviada por la zona de desacoplamiento. Entre la zona de desacoplamiento y el detector, el sistema de detección puede comprender al menos un elemento óptico de formación de imágenes. El al menos un elemento óptico de formación de imágenes puede ser, por ejemplo, una lente, una lente refractiva o una lente refractiva de cámara.
El cuerpo base puede comprender una zona de acoplamiento adicional y una zona de desacoplamiento adicional separada en la primera dirección, desviando la zona de acoplamiento adicional al menos una parte de la radiación procedente de una fuente de luz o de imagen que incide en la zona de acoplamiento adicional, de manera que la parte desviada se propague como radiación adicional acoplada en el cuerpo base por reflexión hacia la zona de desacoplamiento adicional e incida en la zona de desacoplamiento adicional. La zona de desacoplamiento adicional puede comprender una estructura, por ejemplo, una estructura de difracción, que redirige la radiación adicional acoplada que incide en ella de manera que la parte redirigida emerja del cuerpo base a través de la superficie delantera o trasera para efectuar la iluminación y/o proyección deseada. La estructura de difracción puede adaptarse a las longitudes de onda de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen, de modo que se refleje la mayor cantidad posible de radiación. No obstante, la estructura de difracción puede seguir teniendo la transparencia deseada, por ejemplo, cuando se mira a través de ella. Además, es posible que la estructura de difracción redirija sólo una parte de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen.
La estructura de la otra zona de desacoplamiento puede ser una estructura de difracción transmisiva o reflectante, un holograma de volumen transmisivo o reflectante, una superficie de espejo, un prisma o una rejilla de relieve transmisiva o reflectante.
De este modo se proporciona una luna que presenta dos funcionalidades ópticas adicionales.
La radiación acoplada y la radiación adicional acoplada se pueden propagar, por ejemplo, en direcciones opuestas, al menos por secciones, en la misma zona dentro del cuerpo base. De este modo, se utiliza el mismo canal de transmisión en direcciones diferentes.
Como es lógico, la radiación acoplada y la radiación acoplada adicional también se pueden propagar completamente en diferentes zonas del cuerpo base.
La zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento adicional pueden estar formadas al menos parcialmente en la misma zona del cuerpo base. Por ejemplo, se pueden configurar juntas de manera integrada, apilada y/o pueden solaparse parcialmente.
También es posible que la zona de acoplamiento y la otra zona de desacoplamiento se configuren en distintas zonas del cuerpo base.
Además, la guía de ondas funcionalizada se puede diseñar o perfeccionar a modo de luna funcionalizada para la iluminación y/o proyección, presentando el cuerpo base una zona de acoplamiento y una zona de desacoplamiento distanciada de la primera en una primera dirección. La zona de acoplamiento desvía al menos una parte de la radiación procedente de una fuente de luz o de imagen que incide en la zona de acoplamiento, de manera que la parte desviada se propague como radiación acoplada en el cuerpo base por reflexión hasta la zona de desacoplamiento e incida en la zona de desacoplamiento. La zona de desacoplamiento puede comprender una estructura, por ejemplo, una estructura de difracción, que desvía la radiación acoplada que incide en ella de manera que la parte desviada salga del cuerpo base (preferiblemente por la parte delantera o trasera) para generar la iluminación y/o proyección deseada. La estructura de difracción de la zona de desacoplamiento es preferiblemente parcialmente transparente. La estructura de difracción se puede adaptar a las longitudes de onda de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen de manera que se refleje la mayor cantidad posible de radiación. A pesar de ello, la estructura de difracción puede seguir presentando la transparencia deseada, por ejemplo, cuando se mira a través de ella. Además, es posible que la estructura de difracción desvíe sólo una parte de la radiación procedente de la fuente de luz o de imagen.
La estructura de la zona de desacoplamiento puede ser una estructura de difracción transmisiva o reflectante, un holograma de volumen transmisivo o reflectante, una superficie de espejo, un prisma o una rejilla de relieve transmisiva o reflectante.
Además, la primera zona de acoplamiento para la detección puede presentar una extensión horizontal mayor que la primera zona de desacoplamiento para la detección, y la segunda zona de desacoplamiento para la proyección y/o iluminación puede presentar una extensión horizontal mayor, así como una extensión vertical mayor que la segunda zona de acoplamiento para la proyección y/o iluminación.
En la zona superior visible del cuerpo base transparente se puede encontrar una franja holográfica para la detección (no se requiere replicación de la pupila) y una superficie holográfica para la proyección y/o iluminación, pudiendo presentar la superficie holográfica, por regla general, en dirección horizontal y vertical, una extensión horizontal y vertical mayor para el posicionamiento de los ojos que la segunda zona de acoplamiento en la zona no visible del cuerpo base transparente.
La primera zona de acoplamiento y la segunda zona de desacoplamiento pueden estar situadas en una zona visible del cuerpo base transparente (especialmente cuando la guía de ondas funcionalizada forma parte de un sistema detector y de un sistema de iluminación y/o de proyección).
Se proporciona además un sistema de iluminación y/o proyección que comprende una luna funcionalizada para la iluminación y/o proyección. El sistema de iluminación y/o proyección puede presentar además una fuente de luz o de imagen.
La guía de ondas funcionalizada se puede diseñar o perfeccionar de manera que sea adecuada no sólo para un sistema detector, sino también para un sistema de iluminación y/o proyección. Con este fin, el cuerpo base puede presentar una segunda zona de desacoplamiento que desvíe de la luz procedente de una fuente de luz o de imagen, que incide en la segunda zona de desacoplamiento, al menos una parte, de manera que la parte desviada sirva para la iluminación y/o proyección.
La segunda zona de desacoplamiento se puede diseñar y perfeccionar de la misma forma que la zona de desacoplamiento descrita hasta ahora o que la primera zona de desacoplamiento.
La guía de ondas se puede configurar de manera que el cuerpo base presente una segunda zona de acoplamiento que desvíe la luz de la fuente de luz o de imagen, de modo que la luz reflejada en el cuerpo base se propague por reflexión hasta la segunda zona de desacoplamiento e incida en ella.
Alternativa o adicionalmente, la luz procedente de la fuente de luz o de imagen puede incidir en el cuerpo base como un haz libre y, de este modo, incidir en la segunda zona de desacoplamiento, de modo que no se guíe en el cuerpo base por reflexión.
Se proporciona además un sistema de detección y un sistema de iluminación y/o proyección que comprende una guía de ondas funcionalizada para un sistema de detección, así como un sistema de iluminación y/o proyección. El sistema puede presentar la fuente de luz o de imagen.
Las diferentes formas de realización descritas de la guía de ondas funcionalizada, la pantalla funcionalizada y la luna funcionalizada pueden combinarse entre sí, en la medida en que sea técnicamente útil. También es posible intercambiar grupos de características individuales.
El sistema de detección según la invención se puede diseñar como una cámara (por ejemplo, cámara digital o videocámara).
Se entiende que las características anteriores y las que se explicarán más adelante se pueden utilizar no sólo en las combinaciones indicadas, sino también en otras combinaciones o por sí solas, sin apartarse del alcance de la presente invención.
A continuación, la invención se explicará con más detalle a la vista de ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que también revelan características esenciales para la invención. Estos ejemplos de realización tienen únicamente fines ilustrativos y no deben interpretarse como limitativos. Por ejemplo, la descripción de un ejemplo de realización con una pluralidad de elementos o componentes no debe interpretarse en el sentido de que todos estos elementos o componentes son necesarios para la implementación. Más bien, otros ejemplos de realización pueden incluir elementos y componentes alternativos, menos elementos o componentes, o elementos o componentes adicionales. Los elementos o componentes de diferentes ejemplos de realización se pueden combinar, a menos que se indique lo contrario. Las modificaciones y variaciones descritas para uno de los ejemplos de realización también se pueden aplicar a otros ejemplos de realización. Para evitar repeticiones, los elementos idénticos o correspondientes en diferentes figuras se identifican con los mismos números de referencia y no se explican más de una vez. Las figuras muestran:
Figura 1 una vista lateral de una forma de realización del sistema detector según la invención;
Figura 2 una vista sobre la guía de ondas 1 de la figura 1;
Figura 3 una vista desde arriba sobre la guía de ondas 1;
Figura 4 una representación esquemática de la eficacia de deflexión resuelta espectralmente y dependiente del ángulo del holograma de volumen reflectante de la zona de acoplamiento 4;
Figura 5 una representación esquemática de la eficacia de desviación para tres ángulos de incidencia diferentes en función de la longitud de onda;
Figura 6 una vista en sección ampliada de una vista lateral para explicar la promediación a través de un rango angular definido causada por los píxeles del detector;
Figuras 7A-7C vistas en planta de la guía de ondas para explicar las diferentes relaciones de anchura entre las zonas de acoplamiento y desacoplamiento;
Figura 7D una vista desde arriba para explicar la posible limitación del campo de visión horizontal en un sistema detector 2 con objetivo 1;
Figuras 8A y 8B otros ejemplos de realización de la guía de ondas 1 según la invención;
Figura 8C una vista lateral ampliada de la zona de desacoplamiento de la guía de ondas 1 para explicar una posible reducción del campo de visión vertical;
Figuras 9A y 9B ilustraciones que explican la producción de un holograma de volumen para la zona de acoplamiento; Figura 10 una vista sobre la guía de ondas según otro ejemplo de realización;
Figuras 11A-F vistas laterales de la zona de acoplamiento de la guía de ondas de la figura 10;
Figura 12 una representación esquemática de la eficacia de desviación resuelta espectralmente y dependiente del ángulo de la zona de acoplamiento según la figura 10;
Figura 13A-13C esquemáticamente, la eficacia de desviación de diferentes ángulos de incidencia en función de la longitud de onda;
Figura 14A-F vistas laterales esquemáticas para explicar la zona de desacoplamiento de la guía de ondas según la figura 10;
Figura 15 representación esquemática de la eficacia de desviación resuelta espectralmente y dependiente del ángulo para la zona de acoplamiento de una guía de ondas con 40 hologramas de volumen diferentes;
Figura 16 una vista sobre una guía de ondas según la invención de acuerdo con otro ejemplo de realización;
Figura 17 una vista desde arriba de la guía de ondas de la figura 16;
Figuras 18A, 18B vistas laterales de la zona de acoplamiento para explicar el funcionamiento de la guía de ondas de las figuras 16 y 17;
Figuras 19A-19C esquemáticamente, la eficacia dependiente del ángulo de incidencia y del espectro de los hologramas de volumen de acoplamiento desplazados lateralmente de la guía de ondas según la figura 16;
Figura 20 esquemáticamente, el espectro dependiente del ángulo espectral de los hologramas de desacoplamiento de la realización según la figura 16, incluido el filtrado espectral;
Figuras 21 y 22 vistas sobre dos guías de ondas diferentes 1 para explicar otro ejemplo de realización;
Figura 23 una vista lateral de otra forma de realización de la guía de ondas según la invención;
Figura 24 una representación esquemática del espectro geométrico de transmisión de la guía de ondas según la figura 23;
Figura 25 una vista lateral ampliada de la zona de desacoplamiento de la guía de ondas de la figura 23;
Figura 26 una representación esquemática del espectro geométrico de transmisión con viñeteado a través de la pupila de entrada del sistema detector;
Figura 27 esquemáticamente, una sección transversal simulada de un período de rejilla de la rejilla de acoplamiento enterrada de la guía de ondas según la figura 23;
Figura 28 esquemáticamente, la eficacia de difracción de la rejilla en relieve en dependencia de la longitud de onda; Figura 29 la vista en planta de otro ejemplo de realización;
Figura 30 una vista lateral del ejemplo de realización de la figura 29;
Figura 31 otro ejemplo de realización;
Figura 32 la vista lateral de la figura 31;
Figura 33 una representación esquemática de un sistema óptico;
Figura 34 el sistema óptico según la figura 33 con una guía de ondas según la invención;
Figura 35 otro ejemplo de realización de la guía de ondas según la invención que se puede utilizar especialmente para la proyección y/o iluminación;
Figura 36 la vista lateral de la guía de ondas de la figura 35;
Figura 37 la vista desde arriba de la guía de ondas de la figura 35;
Figuras 38-40 esquemáticamente, la iluminación o proyección con una guía de ondas;
Figuras 41A-41 C la iluminación o proyección en la que se produce una trayectoria de haz libre desde la fuente de luz/iluminación hasta la zona de desacoplamiento, utilizándose la zona de desacoplamiento de forma reflectante; Figuras 42A-42C la disposición correspondiente según las figuras 41A-41C, cuando la zona de desacoplamiento se utiliza de forma transmisiva;
Figuras 43A-43C una variante de la combinación de la detección con la proyección o iluminación;
Figuras 44A-44C otra variante de la combinación de la detección con la proyección o iluminación;
Figuras 44D-44F otra variante de la combinación de la detección con la iluminación o proyección;
Figura 45 un ejemplo de realización en el que la guía de ondas se utiliza en un microscopio;
Figuras 46-46D ejemplos de la integración de la guía de ondas o configuración de la guía de ondas en un parabrisas de un vehículo, y
Figuras 47A-47C variantes de la integración de la guía de ondas según la invención en una ventanilla lateral de un turismo.
Las vistas según las figuras 1 a 3 muestran una forma de realización de la guía de ondas 1 según la invención junto con un sistema detector 2 para la realización de una cámara 3.
Para este propósito, la guía de ondas 1 comprende una zona de acoplamiento 4 y una zona de desacoplamiento 5 distanciada de ésta y, como se muestra en las figuras 1 a 3, se puede formar sobre una placa plana paralela 6 con una cara anterior plana 7 y una cara posterior plana 8. La placa plana paralela 6, que también puede denominarse cuerpo base 6, se forma de un material transparente como, por ejemplo, vidrio o plástico.
El sistema detector 2 y la parte inferior de la placa 6 con la zona de desacoplamiento 5 pueden estar dispuestos en una carcasa G representada esquemáticamente sólo en la figura 1, por lo que un usuario no puede reconocer a primera vista que se trata de una cámara 3.
Con la cámara 3 se puede reproducir un objeto 9 de manera que los haces de luz L1, L2, L3 procedentes del objeto 9 entren en la placa 6 a través de la cara anterior 7 y sean desviados por la zona de acoplamiento 4 de modo que incidan en la cara anterior 7 con un ángulo apto para provocar una reflexión interna total. De este modo, los haces de luz L1, L2 y L3 son guiados por reflexión interna total en la cara anterior 7 y en la cara posterior 8 hasta la zona de desacoplamiento 5, lo que provoca una desviación en la dirección de la cara anterior 7, por lo que los haces de luz L1 - L3 salen de la placa a través de la cara anterior 7. Por lo tanto, los haces de luz L1 - L3 se propagan en la guía de ondas 1 a lo largo de una primera dirección R1 (aquí dirección y) desde la zona de acoplamiento hasta la zona de desacoplamiento 4, 5.
Por medio de un objetivo 10 del sistema detector 2, los haces de luz L1 - L3 se enfocan entonces en un detector 11 del sistema detector 2, de manera que la imagen deseada del objeto 9 se pueda captar por medio del detector 11. La zona de acoplamiento 4 se configura como holograma de volumen reflectante que presenta una selectividad de longitud de onda dependiente del ángulo de incidencia, por lo que posee una alta transparencia para una amplia gama angular y de longitud de onda (como se indica mediante el haz de luz transmitido L1' en la figura 1; no se han dibujado otros haces de luz transmitidos para simplificar la ilustración). Esto significa que sólo una parte de los haces de luz L1 - L3 procedentes del objeto 9, que inciden en la zona de acoplamiento 4, se desvía de la manera descrita. Los demás haces luminosos procedentes del objeto 9 se propagan a través de la zona de acoplamiento 4 y salen de la placa 6 por la cara posterior 8. Por lo tanto, la zona de acoplamiento 4 se puede definir como parcialmente transparente.
En la figura 4 se representa esquemáticamente la eficiencia de deflexión resuelta espectralmente y dependiente del ángulo para el holograma de volumen reflectante de la zona de acoplamiento 4 en función del ángulo de incidencia del haz de luz correspondiente, indicándose a lo largo del eje x la longitud de onda en μm y a lo largo del eje y el ángulo de incidencia en °. En la figura 5 se ilustra la eficiencia de deflexión para los ángulos de incidencia 20°, 0° y - 20°, indicándose la longitud de onda en nm a lo largo del eje x y la eficiencia a lo largo del eje y.
De las figuras 4 y 5 se desprende que, para un ángulo de incidencia de - 20°, el holograma de volumen reflectante de la zona de acoplamiento 4 desvía la radiación del intervalo espectral de 392 nm a 398 nm (Acentral = 395 nm ± 3 nm) con alta eficiencia y, por lo tanto, se acopla a la placa plana-paralela 6. Para el ángulo de incidencia de 0°, la alta eficiencia está presente para el rango espectral de 528 nm a 536 nm (Acentral = 532 nm ± 4 nm) y para el ángulo de incidencia de 20°, la alta eficiencia de acoplamiento se obtiene para el rango espectral de 600 nm a 610 nm (Acentral = 605 nm ± 5 nm).
Dado que la guía de ondas 1 según las figuras 1 a 3 está formada de manera que ni la zona de acoplamiento 4 ni la zona de desacoplamiento 5 tengan una función de imagen, existe una configuración infinita-infinita de la guía de ondas 1. También se puede decir que la guía de ondas 1 realiza una formación de imágenes infinita-infinita. Como consecuencia, la eficacia de deflexión espectral y dependiente del ángulo del holograma de volumen reflectante de la zona de acoplamiento 4 da lugar a que cada ángulo de campo (y, por lo tanto, cada punto del objeto reproducido 9) después del acoplamiento mediante la zona de acoplamiento 4, consista únicamente en una pequeña zona espectral, como se explica en referencia a las figuras 4 y 5. Como resultado se obtiene una imagen resuelta espectralmente en la zona de acoplamiento 4, que en el detector 11 provoca, en definitiva, una imagen con progresión espectral (o progresión cromática). Los haces de luz L1 - L3 desacoplados por medio de la zona de desacoplamiento 5 se desacoplan, por lo tanto, con un espectro angular que se convierte en una distribución espacial en el detector 11 por medio del objetivo 10. El detector 11 puede ser, por ejemplo, un detector CCD o un detector CMOS.
Dado que la zona de acoplamiento 4 presenta el holograma de volumen reflectante, el acoplamiento mediante el holograma de volumen reflectante da lugar a una dispersión dentro de la zona espectral acoplada para cada ángulo. Si la zona de desacoplamiento 5 presenta un holograma de volumen reflectante configurado de la misma manera que la zona de acoplamiento 4, la dispersión causada por la zona de acoplamiento 4 se compensa y todos los componentes espectrales se desvían hacia el ángulo correspondiente.
Como alternativa a la configuración infinita-infinita descrita de la guía de ondas 1, la zona de acoplamiento 4 y/o la zona de desacoplamiento 5 pueden tener, por ejemplo, una función de formación de imágenes en forma de función de lente o función de espejo cóncavo. De este modo, mediante la guía de ondas 1 se pueden realizar configuraciones de imagen finitas-infinitas, infinitas-finitas o finitas-finitas. En el caso de la zona de acoplamiento 4, éstas se pueden utilizar, por ejemplo, para captar un objeto 9 situado tan cerca de la guía de ondas 1 que ya no pueda suponerse ópticamente por un objeto que se encuentra a una distancia infinita. En el caso de la zona de desacoplamiento 5, la implementación de una función de lente o espejo cóncavo de este tipo permite convertir inmediatamente el espectro angular desacoplado en una distribución espacial en el plano focal de esta función de lente o espejo implementada. En este caso, se puede prescindir, por ejemplo, del objetivo 9. En este caso, se puede decir que el sistema detector 2 presenta el detector 11 y la función de lente y/o espejo cóncavo de la zona de desacoplamiento 5. Dado que el objetivo 10 se puede omitir, el detector 11 se puede colocar y/o fijar, por ejemplo, directamente en la cara anterior 7 de la guía de ondas 1, consiguiéndose así un grado de integración muy elevado, un volumen mínimo y una gran robustez.
Como ya se ha explicado, la distribución angular resuelta espectralmente tras el desacoplamiento por medio de la zona de desacoplamiento 5 se convierte en una distribución espacial en el detector 11 por medio del objetivo 10 o de una función de formación de imágenes integrada en la zona de desacoplamiento 5. Dicho detector 11 presenta una discretización en forma de píxeles. Según la representación de la figura 6, en la que se muestra el sistema de guía de ondas desplegado del lado del detector, cada píxel PX promedia de este modo, a través de un intervalo angular definido determinado por el tamaño del píxel PG, su distancia con respecto al eje óptico Ap y la distancia focal Fak del objetivo 10 o la función de reproducción de la zona de desacoplamiento 5.
De acuerdo con las ilustraciones de las figuras 4 y 5, el registro de un rango angular también está asociado a la integración a través de un rango espectral. El ancho de banda espectral viene dado por el ángulo máximo (a2, figura 4) y el ángulo mínimo (ai, figura 4) registrados por un píxel, que se pueden calcular como sigue:
siendo n el número del respectivo píxel (0 ^ sobre el eje ópt., n < 0 ^ por debajo del eje ópt., n > 0 ^ por encima del eje ópt.), PG el tamaño del píxel y f la distancia focal del sistema óptico.
Con la ayuda de estos ángulos límite, el ancho de banda sobre el que se integra cada píxel puede calcularse, por ejemplo, sobre la base de la teoría de ondas acopladas de Kogelnik, por ejemplo. Así, el espectro total detectado por un píxel se compone de los espectros dentro del rango angular detectado, lo que da como resultado el ensanchamiento de los espectros que se muestran en la figura 5. Para el caso de que el detector 11 conste de un solo píxel al que se transmiten todos los rangos angulares, se registraría una información de imagen con todos los componentes espectrales.
Mientras que la posición de la pupila (apertura limitadora del haz o lugar donde se cruzan los haces principales de todos los ángulos de campo) en la configuración infinita-infinita de la guía de ondas 1 viene determinada por la relación entre la anchura B1 (extensión transversal a la primera dirección R1 a lo largo de una segunda dirección R2, que aquí corresponde a la dirección x) de la zona de acoplamiento 4 (figura 2) con respecto a la anchura B2 de la zona de desacoplamiento 5, el campo de visión de la guía de ondas 1 en la dirección R2 depende adicionalmente de la distancia D de la zona de acoplamiento 4 con respecto a la zona de desacoplamiento 5 a lo largo de la dirección de propagación R1 o de la primera dirección R1 en la guía de ondas 1.
Ciertamente, las dimensiones o medidas de la zona de acoplamiento 4 y de la zona de desacoplamiento 5 pueden restringirse mediante aberturas. Aquí siempre se parte de la dimensión o anchura ópticamente utilizada. En lo sucesivo también se definirán como anchuras efectivas.
En las figuras 7A, 7B y 7C, se representan tres relaciones de anchura fundamentalmente diferentes de las zonas de acoplamiento y de desacoplamiento 4, 5. En el análisis de la posición de la pupila sólo se consideran los ángulos de campo no viñeteados.
En la figura 7A se aprecia que para la relación B1/B2 > 1, la zona de desacoplamiento 5 de la guía de ondas 1 actúa como pupila. Así, todos los ángulos se ajustan a cada punto de la zona de desacoplamiento 5.
En el caso especial B1/B2 = 1 (figura 7B), sólo el ángulo de campo central se propaga sin viñeteado a través de la guía de ondas 1. En este caso, tanto la zona de acoplamiento 4, como también la zona de desacoplamiento 5 forman la pupila.
Con una relación de B1/B2 < 1 (figura 7C), la zona de acoplamiento 4 es la pupila de la guía de ondas 1, por lo que se acoplan y desacoplan diferentes rangos angulares en cada punto de la zona de desacoplamiento 5.
Además, se puede hacer una distinción fundamental entre un campo de visión (en lo sucesivo también denominado FoV) de la guía de ondas 1 y un campo de visión (en lo sucesivo también denominado FoV) del sistema detector 2. El menor de los dos campos de visión (o los dos FoV) determina el campo de visión del sistema global.
El FoV horizontal (en la dirección x) captado por la guía de ondas 1 y desacoplado de nuevo en la configuración infinitoinfinito de la guía de ondas 1 viene determinado por las anchuras B1, B2 de la zona de acoplamiento 4 y de la zona de desacoplamiento 5, así como por su distancia D entre sí (independientemente de si la pupila está situada en la zona de acoplamiento 4 y/o en la zona de desacoplamiento 5). El FoV del sistema detector 2 viene dado en una primera aproximación por la longitud focal del objetivo 10 (o la función de lente contenida en la zona de desacoplamiento 5) y por el tamaño del detector 11 en la dirección del FoV horizontal.
En el caso ideal, el FoV de la guía de ondas 1 y del sistema detector 2 son idénticos. De este modo se obtiene una resolución óptima en todo el FoV de la guía de ondas 1. Mientras que el FoV del sistema detector 2 sea mayor que el FoV de la guía de ondas 1, el FoV horizontal de todo el sistema vendrá dado por la anchura de la zona de acoplamiento 4, la anchura de la zona de desacoplamiento 5 y la distancia D entre la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5. De este modo se registra de forma ventajosa todo el FoV. Sin embargo, se produce una resolución reducida. Para el caso de que el FoV horizontal del sistema detector 2 sea menor que el FoV de la guía de ondas 1, el FoV de todo el sistema queda limitado por el FoV del sistema detector. De este modo se obtiene una mayor resolución, ya que sólo se registra una parte del FoV de la guía de ondas 1. Cuando se utiliza el objetivo 10, puede ocurrir en ocasiones que la distancia entre el sistema detector 2 y la guía de ondas 1 limite el FoV, ya que las zonas angulares exteriores ya no pueden ser captadas por el objetivo 10, como se indica en la figura 7D.
Una adaptación deseada del FoV de la guía de ondas 1 al FoV del sistema detector 2 puede lograrse ajustando B1, B2 y D. Una adaptación deseada del FoV del sistema detector 2 al FoV de la guía de ondas 1 puede conseguirse ajustando la longitud focal del objetivo y/o el tamaño del detector.
Como se ha expuesto antes, la relación entre la anchura B1 de la zona de acoplamiento 4 y la anchura B2 de la zona de desacoplamiento 5 determina la posición de la pupila de la guía de ondas 1. En consecuencia, la forma de la distribución angular aplicada a la zona de desacoplamiento 5 cambia. Esto da lugar a propiedades ventajosas para determinadas disposiciones y aplicaciones.
Si se da el caso B1/B2 > 1, la zona de desacoplamiento 5 forma la pupila de la guía de ondas 1. Por lo tanto, cuando se consideran todos los haces no viñeteados, todos los ángulos de campo están presentes en cualquier punto de la zona de desacoplamiento 5. Como consecuencia, todos los ángulos de campo, es decir, el FoV completo de la guía de ondas 1, pueden registrarse con un solo sistema detector 2 con un FoV suficientemente grande y una pupila de entrada suficientemente grande. Para conseguir un gran FoV de la guía de ondas 1, resulta ventajoso configurar la zona de acoplamiento 4 más ancha que la zona de desacoplamiento 5. También se considera conveniente que la distancia entre la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5 sea reducida.
En la representación según la figura 7A se parte de la base de que hay una disposición simétrica horizontal de la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5, lo que resulta en un FoV simétrico de la guía de ondas 1. Sin embargo, también es posible desplazar la zona de desacoplamiento 5 lateralmente (en la dirección x), como se indica en la figura 8A. Como consecuencia se produce un desplazamiento del FoV horizontal. Sin una corrección correspondiente de la zona de desacoplamiento 5, esta distribución angular con el correspondiente desplazamiento se producirá también desplazada en el detector 11 por el desplazamiento. Esto podría dar lugar a una superación del FoV del sistema detector 2 y, por lo tanto, a una limitación del FoV total. Esto se puede modificar implementando una función de desviación adicional (como un prisma, un espejo inclinado, una rejilla lineal, etc.) en la zona de desacoplamiento 5. De este modo se puede compensar (o simetrizar) el desplazamiento del espectro angular desacoplado y alinear de nuevo el FoV de desacoplamiento con el FoV del sistema detector 2. Alternativamente, también es posible inclinar el sistema detector 2 de acuerdo con el desplazamiento angular. Si se prevén, no sólo una zona de desacoplamiento desplazada 5, sino varias zonas de desacoplamiento 51, 52 situadas unas al lado de otras, incluyendo una compensación correspondiente y un sistema de detección adaptado 2, se puede generar un FoV horizontal ampliado compuesto por distintos FoV (figura 8B).
Con esta forma de realización se puede conseguir el caso límite de que la anchura de todas las zonas de desacoplamiento 5 juntas sea igual a la anchura de la zona de acoplamiento 4. Sin embargo, lo esencial es que cada una de las zonas de desacoplamiento 5 se considere por separado con respecto a la zona de acoplamiento 4. Mientras que para cada zona de desacoplamiento 5 la relación de la anchura sea B1/B2 > 1, cada zona de desacoplamiento 5 sigue siendo la pupila del sistema, por lo que las relaciones descritas siguen siendo válidas.
Las relaciones descritas para el ejemplo de la posición horizontal de la pupila y el FoV horizontal también se pueden referir a la posición vertical de la pupila y del FoV vertical, para lo cual debe tenerse en cuenta el plegamiento de la trayectoria del haz en esta dirección. En la dirección vertical, sin embargo, surgen las siguientes características especiales, considerándose también los haces de rayos viñeteados.
El FoV vertical captado por un hipotético sistema de guía de ondas infinitamente extendido y propagado a la superficie de desacoplamiento viene dado por el ángulo crítico de reflexión interna total de la guía de ondas 1 y el ángulo de propagación de menos de 90° con respecto a la perpendicular de la interfaz de la guía de ondas o de la parte anterior 7 y la parte posterior 8 para la configuración de la guía de ondas 1 infinitamente extendida. Sin embargo, para las guías de ondas 1 realistas finitamente extendidas, debe realizarse un ángulo de propagación inferior a 80° con respecto a la perpendicular de la cara anterior 7 o de la cara posterior 8, a fin de garantizar que los haces L1 - L3 se propaguen desde un gran intervalo angular hacia la zona de desacoplamiento 5 y no la sobrepasen. Para un índice de refracción habitual de 1,5, se propaga así en la guía de ondas 1 un rango angular comprendido entre 40° y 80° con
respecto a la perpendicular de la cara anterior 7 o de la cara posterior 8, siendo desacoplado de nuevo por la zona de desacoplamiento 5.
Al igual que el FoV horizontal, el FoV vertical de todo el sistema (guía de ondas 1 junto con el sistema detector 2) también puede estar limitado por el FoV vertical del sistema detector 2. Como resultado de la división espectral del rango angular acoplado y desacoplado, la sensibilidad espectral del detector 11 también puede tener un efecto limitador sobre el FoV vertical. Si, por ejemplo, el detector 11 no es sensible a la radiación de onda especialmente larga y/o corta, se reduce la expansión efectiva del detector 11 y, por lo tanto, el FoV vertical del sistema detector 2 (figura 8C).
En los ejemplos de realización descritos, la imagen presenta en el detector el gradiente de color descrito, por lo que no se puede transmitir ni registrar ninguna imagen a todo color por medio de la guía de ondas 1.
Los hologramas de volumen reflectantes descritos para la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5 se pueden fabricar, por ejemplo, exponiendo un material holográfico de volumen fotosensible 12 integrado en la guía de ondas 1 a una onda de referencia 13 con una longitud de onda de 532 nm que incide con un ángulo de incidencia de 0° en la cara anterior 7 y una onda de señal 14 con la misma longitud de onda que incide con un ángulo de incidencia de 60° en la cara posterior 8, como se muestra en la figura 9A, procediendo la onda de referencia 13 y la onda de señal 14 del mismo láser, con lo que se crea un campo de interferencia o volumen de interferencia sobre el material holográfico de volumen fotosensible y se pueden formar en el mismo las correspondientes modificaciones del índice de refracción.
Los materiales holográficos de volumen fotosensibles pueden ser vidrios fotosensibles, gelatinas dicromatadas o fotopolímeros. Éstos se pueden aplicar, por ejemplo, a una película de PC (película de policarbonato) y exponerse de forma correspondiente. A continuación, la película puede aplicarse mediante laminación a un sustrato para la guía de ondas 1 para producir la guía de ondas 1. Por ejemplo, la película puede laminarse sólo en la zona de la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5. Como alternativa, es posible laminar toda la superficie de la guía de ondas, en cuyo caso las funciones de acoplamiento y desacoplamiento quedan expuestas en las zonas de acoplamiento y desacoplamiento. Para proteger los hologramas de volumen, resulta útil aplicar otro sustrato sobre el holograma de volumen laminado. Por consiguiente, se realiza una pila de capas con la siguiente estructura básica: sustrato transparente, capa de masilla o adhesiva, holograma de volumen, capa de masilla o adhesiva, sustrato transparente.
Debido a la dependencia del ángulo espectral ya descrita, el rango espectral de 605 nm ± 5 nm de una onda plana incidente W1 (figura 9B), que incide en el holograma de volumen reflectante en el material con un ángulo de 20°, se desvía hacia la cara anterior 7, de manera que la onda desviada W1 incida en la cara anterior 7 con un ángulo G1 de aproximadamente 40°. Para las longitudes de onda restantes de la onda plana W1, el holograma de volumen reflectante de la zona de acoplamiento 4 es transparente.
En una onda plana W2 que incide en el holograma de volumen reflectante con un ángulo de 0°, las longitudes de onda de la zona de 532 nm ± 4 nm se reflejan de manera que incidan en la cara anterior 7 con un ángulo U2 de aproximadamente 60°. Las longitudes de onda restantes de la onda plana W2 atraviesan el holograma de volumen reflectante de manera que el holograma de volumen reflectante sea transparente para estas longitudes de onda de la onda plana W2.
A partir de una onda plana W3 que incide en el material con un ángulo de - 20° en el holograma de volumen reflectante, las longitudes de onda de 395 nm± 3 nm se reflejan hacia la cara anterior de manera que incidan en la cara anterior con un ángulo U3 de aproximadamente 80°. Las restantes longitudes de onda de la onda plana W3 atraviesan el holograma de volumen reflectante, de modo que para estas longitudes de onda el holograma de volumen reflectante sea transparente.
Para realizar la transmisión de información angular (información de imagen desde el infinito) a través de la guía de ondas 1 en una gama espectral lo más amplia posible, el espectro dependiente del ángulo mostrado en la figura 4 puede mejorarse gracias a que la zona de acoplamiento 4 no presenta un único holograma de volumen reflectante, sino que presenta varios hologramas de volumen reflectantes 41, 42, 43, 44 y 45 dispuestos unos debajo de otros, como se muestra en la figura 10 y en las figuras 11A-F. Los hologramas de volumen 41 - 45 se diferencian en que éstos presentan diferentes selectividades angulares espectrales, por lo que, con un mismo ángulo de incidencia, los hologramas de volumen 41 - 45 reflejan diferentes longitudes de onda. Debido a esta selectividad angular, los hologramas situados por debajo 42 - 45 no influyen (o sólo influyen ligeramente) en la radiación que se acopla en la guía de ondas 1, por ejemplo, desde el holograma de volumen 41 mediante la reflexión hacia la cara anterior 7, de manera que la radiación acoplada pueda propagarse (en gran medida) sin influencias a la zona de desacoplamiento 5.
Los hologramas de volumen 41 - 45 también pueden disponerse unos encima de otros en la dirección z, de manera que se forme una pila de capas en la guía de ondas. Además, es posible la implementación de las funciones de los cinco hologramas en un solo holograma (u holograma de volumen), también denominada multiplexación.
Las diferentes propiedades angulares espectrales pueden conseguirse, por ejemplo, mediante el uso de diferentes longitudes de onda para la onda de referencia 12 y la onda de señal 13 con el mismo ajuste angular que en la figura
9A. Alternativamente, es posible utilizar las mismas longitudes de onda para todos los hologramas de volumen 4i - 45, variando adecuadamente el ángulo de incidencia de la onda de referencia 12 y de la onda de señal 13.
Los hologramas de volumen reflectantes 41 - 45 se registraron con la configuración de exposición según la figura 9A con diferentes longitudes de onda. Así, la longitud de onda de exposición para el holograma de volumen 41 fue de 900 nm (negro), para el holograma de volumen 42 fue de 660 nm (rojo), para el holograma de volumen 43 fue de 532 nm (verde), para el holograma de volumen 44 fue de 400 nm (azul) y para el holograma de volumen 45 fue de 370 nm (violeta).
En las figuras 11B-11F se representa esquemáticamente el acoplamiento de la gama angular mediante el ángulo mínimo de - 20°, el ángulo máximo de 20° y el ángulo central de incidencia de 0° para cada uno de los hologramas de volumen 41 - 45. En este caso, por debajo de 0° cada holograma de volumen reflectante 41 - 45 desvía y acopla respectivamente la gama espectral en la longitud de onda central con la que se realizó la exposición del respectivo holograma de volumen reflectante 41 - 45.
En la figura 12 se muestra, del mismo modo que en la figura 4, el espectro total simulado acoplado en la guía de ondas 1 por los cinco hologramas de volumen reflectantes 41 - 45. Por consiguiente, cada holograma de volumen reflectante 41 - 45 contribuye con una gama espectral diferente en cada ángulo de incidencia. Si se considera la totalidad de todos los hologramas de volumen reflectantes 41 - 45, se aumenta el ancho de banda espectral en los distintos ángulos y finalmente se garantiza en total una formación de imágenes de banda ancha a través de todos los ángulos de incidencia.
Además, la figura 12 muestra el desplazamiento del espectro acoplado en la dirección de longitudes de onda más cortas con ángulos de incidencia crecientes, y el desplazamiento del espectro acoplado en la dirección de longitudes de onda más largas para ángulos de incidencia decrecientes.
La figura 13A muestra a modo de ejemplo el espectro acoplado con un ángulo de incidencia de 0°. La figura 13B muestra el espectro correspondiente para el ángulo de incidencia de 20° y en la figura 13C se representa el espectro acoplado para el ángulo de incidencia de -20°. En todas las representaciones según las figuras 13A - 13C, la longitud de onda en μm se representa a lo largo del eje x y la eficacia de acoplamiento se representa a lo largo del eje y en el rango de 0 (sin acoplamiento) a 1 (acoplamiento completo). Una comparación con la representación según la figura 5 muestra que, en comparación con un único holograma de volumen reflectante, hay una exploración considerablemente mejorada del espectro acoplado como consecuencia del uso de un mayor número (cinco hologramas de volumen reflectante en comparación con un holograma de volumen reflectante) de hologramas de volumen grabados específicamente.
En la figura 14 se muestran los correspondientes hologramas de volumen reflectantes 51 - 55 para el desacoplamiento. La altura total de los hologramas de volumen reflectantes 51 - 55 se elige preferiblemente para que sea similar a la pupila de entrada 14 del sistema detector 2, a fin de poder detectar tanta luz como sea posible.
Al igual que en el caso de los hologramas de acoplamiento, los hologramas de volumen 51 - 5s también pueden disponerse para el desacoplamiento unos encima de otros en la dirección z, de manera que en la guía de ondas se forme una pila de capas. Además, es posible la implementación de las funciones de los cinco hologramas en un holograma o un holograma de volumen, también llamada multiplexación.
Por ejemplo, para poder acoplar en cada ángulo un espectro casi continuo en la guía de ondas 1, con lo que se garantiza la transmisión de información de imagen a todo color, pueden disponerse unos encima de otros, por ejemplo, cuarenta hologramas de volumen reflectantes específicamente expuestos. En la figura 15 se representa una simulación correspondiente del espectro de acoplamiento dependiente del ángulo. Las longitudes de onda de exposición para la grabación de los distintos hologramas de volumen reflectantes de acuerdo con la configuración de exposición de la figura 9A pueden seleccionarse, por ejemplo, como sigue, indicándose respectivamente la longitud de onda en nm: 358, 368, 378, 389, 400, 411, 421, 432, 443, 454, 464, 474, 487, 498, 509, 519, 532, 544, 556, 568, 583, 598, 613, 629, 645, 662, 679, 696, 715, 735, 755, 775, 795, 815, 835, 855, 875, 896, 917 y 940.
Alternativamente, los hologramas de volumen reflectantes pueden grabarse también con una longitud de onda y ángulos de exposición adaptados de las ondas de referencia y de señal 12, 13.
Después de la propagación de la radiación en la guía de ondas 1 hasta la zona de desacoplamiento 5, todos los ángulos y el espectro completo suelen estar presentes en una superficie relativamente grande en cada ubicación de esta zona de desacoplamiento 5 ampliada. En tal caso, el desacoplamiento puede realizarse con los correspondientes hologramas de volumen reflectantes, tal como se ha descrito hasta ahora. Preferiblemente, se generan los mismos cuarenta hologramas de volumen que están presentes en la zona de acoplamiento 4.
Sin embargo, dado que la zona de desacoplamiento 5 a menudo no tiene que ser transparente en absoluto, también es posible cualquier otro tipo de desacoplamiento de la radiación propagada a la zona de desacoplamiento 5. Así, una superficie de espejo inclinada, un prisma, rejillas metalizadas, rejillas de transmisión y/o estructuras de Fresnel de varios órdenes pueden utilizarse en la transmisión o reflexión. En este punto de la guía de ondas 1, es posible el uso de superficies ópticas no transparentes, ya que de todos modos se prevé un detector 11 no transparente.
Naturalmente, esta posibilidad de configurar la zona de desacoplamiento 5 también es válida para los ejemplos de realización ya descritos y para los ejemplos de realización que se describirán más adelante.
La superficie de espejo inclinada y la estructura de Fresnel de varios órdenes en reflexión o transmisión presentan ventajosamente una alta eficiencia y no introducen ninguna dispersión adicional en la desviación. Sin embargo, éstas tampoco dan lugar a una compensación de la dispersión. Las rejillas metalizadas y las rejillas de transmisión para el desacoplamiento pueden realizar una corrección de la dispersión deseada. No obstante, éstas presentan una menor eficacia. Un prisma tiene una alta eficiencia, pero puede aumentar la dispersión de forma perjudicial. En la formación de los hologramas de volumen reflectantes, la corrección de la dispersión deseada está presente de forma ventajosa, dado que cada canal de longitud de onda se desacopla a través de un holograma de volumen reflectante separado. Sin embargo, hay una eficacia relativamente baja, ya que la superficie de la zona de desacoplamiento 5 debe dividirse por el número de los distintos hologramas de volumen reflectantes.
En las figuras 16 a 18B se muestra un ejemplo de realización de la guía de ondas 1 en el que se amplía el FoV horizontal (es decir, el FoV en el plano x-z). En este caso se parte de la base de que el FoV del sistema detector 2 no limita el FoV de la guía de ondas 1.
La zona de acoplamiento 4 comprende tres hologramas de volumen reflectantes 41, 42 y 43 de igual anchura que se disponen unos encima de otros (en la dirección y) y que cubren diferentes rangos angulares en el plano x-z y, por lo tanto, diferentes campos de visión horizontales, como se representa especialmente en la vista desde arriba de la figura 17 en el espacio angular.
Alternativamente a la disposición de los hologramas 41, 42 y 43 unos encima de otros en la dirección y, éstos también se pueden disponer unos encima de otros en la dirección z, de manera que se forme una pila de capas en la guía de ondas. Además, es posible la implementación de las distintas funciones holográficas de los tres hologramas en un holograma (u holograma de volumen), también llamada multiplexación.
Por ejemplo, el segundo holograma de volumen reflectante 42 puede cubrir el intervalo angular Yo ± Y1 en el plano x-z y, por consiguiente, cubrir un campo de visión central para Yo = 0. En este caso, el campo de visión central viene dado, por ejemplo, por la anchura del segundo holograma de volumen 42, por la anchura del segundo holograma de desacoplamiento 52 correspondientemente asignado y por la distancia entre los dos hologramas de volumen 42, 52. El primer holograma de volumen reflectante 41 presenta, en comparación con el segundo holograma de volumen reflectante 42, una función de desviación unidimensional adicional en la dirección horizontal (en el plano x-z). El campo de visión horizontal asignado al primer holograma de volumen 41 se desplaza, por lo tanto, en la magnitud de la función de desviación marcada (desplazamiento angular) en el rango angular, siendo ésta Yo - 2 • Y1 ± Y1. Una función de desviación marcada correspondiente para el tercer holograma de volumen reflectante 43 da lugar a un campo de visión horizontal de Yo 2 • Y1 Y1. De este modo, con cada holograma de volumen 41 - 43 en combinación con el correspondiente holograma de volumen 51 - 53 para el desacoplamiento, se puede transmitir un FoV horizontal diferente. Con la ayuda de la magnitud y la dirección de la función de desviación respectivamente marcada (desplazamiento angular), se puede influir específicamente en el FoV total. Así pueden generarse, por ejemplo, FoV totales simétricos o asimétricos, así como FoV con FoV parciales que se solapan o huecos entre los FoV parciales.
Para conseguir el mayor FoV horizontal simétrico posible sin huecos de acuerdo con la figura 17, las funciones de desviación implementadas deben elegirse de acuerdo con la prescripción en la sección anterior, de manera que los rangos angulares sean adyacentes entre sí y se solapen lo menos posible.
En el ejemplo de realización aquí descrito, todos los rangos angulares horizontales se propagan en el mismo canal horizontal después del acoplamiento, como se indica en la figura 16. Esto también es necesario para garantizar la detección con un solo sistema detector 2. Si todos los hologramas de acoplamiento 41 - 43 se graban de forma idéntica, excepto la función de desviación, también se produce una superposición en la dirección vertical de acuerdo con la figura 18A. Por consiguiente, después del desacoplamiento todos los FoV horizontales se superpondrían en el detector 11. Para la diferenciación de los distintos rangos angulares horizontales, el ejemplo de realización aquí descrito prevé una codificación de los rangos angulares horizontales en un número correspondiente de rangos angulares verticales según la figura 18B. En este caso, se ha procurado que la zona de acoplamiento 4 permanezca transparente en un amplio rango angular y de longitud de onda durante la visualización normal. La codificación de los rangos angulares horizontales en rangos angulares verticales puede realizarse de manera que los hologramas de volumen reflectantes 41 a 43 se formen de modo que se desvíen en diferentes rangos angulares de propagación vertical dentro de la guía de ondas 1. Para ello pueden utilizarse hologramas de volumen reflectante con propiedades de desviación adecuadas. Alternativamente puede colocarse una estructura laminar (almas) no mostrada delante de cada holograma de volumen reflectante 41 - 43 para limitar el FoV vertical respectivo. Sin embargo, de esta forma se restringe considerablemente la transparencia en la zona de acoplamiento 4.
Con esta diferenciación de los diferentes rangos angulares de propagación verticales, la radiación de cada holograma de volumen de acoplamiento 41 - 43 y, por lo tanto, cada FoV horizontal se propaga en un FoV vertical diferente. Tras el desacoplamiento, los distintos FoV verticales se convierten en distribuciones espaciales contiguas superpuestas lateralmente en el detector 11. Así es posible grabar un FoV horizontal ampliado, reduciéndose el FoV vertical en el factor de ampliación del FoV horizontal.
En una variante alternativa puede emplearse la separación espectral y dependiente del ángulo por el lado del detector del FoV horizontal codificado en el FoV vertical que se explica a continuación más detalladamente.
Si cada FoV horizontal se acopla con un holograma de volumen configurado de forma idéntica excepto por la función de desviación (desplazamiento angular), cada FoV horizontal se propaga en el mismo rango angular vertical y rango espectral a través de la guía de ondas 1. El resultado para cada FoV horizontal es aproximadamente, por ejemplo, el espectro dependiente del ángulo de incidencia mostrado en la figura 4. En tal caso ya no es posible una separación por el lado del detector.
Alternativamente, cada FoV horizontal puede, sin embargo, acoplarse con un holograma de volumen especial en diferentes direcciones en la guía de ondas 1, grabándose cada holograma de volumen 41 - 43 en una configuración diferente (ángulo de exposición y/o longitud de onda).
En las figuras 19A, 19B y 19C se representan las eficiencias dependientes del ángulo de incidencia y del espectro de los hologramas de volumen de acoplamiento 41, 42 y 43 desplazados lateralmente (figura 18B). En la siguiente consideración se parte de la base de que el rango angular acoplado verticalmente está limitado a ± 20° como consecuencia de la reflexión total en la guía de ondas. Además, el detector 11 sólo presenta una sensibilidad espectral de 400 nm a 700 nm. Naturalmente, el procedimiento también se puede transferir a otros rangos angulares verticales y sensibilidades del detector.
De acuerdo con la representación en la figura 19B, el primer holograma de volumen 41 acopla un rango angular de incidencia de entre 6,67° y 20° en un rango espectral de entre 400 nm y 440 nm en la guía de ondas 1. A diferencia del primer holograma de volumen 41, el segundo holograma de volumen 42 acopla en la guía de ondas 1 la radiación procedente de todo el rango angular de incidencia en un espectro de 400 nm a 650 nm. El tercer holograma de volumen 4s acopla el rango angular de incidencia de entre - 6,67° y - 20° en la guía de ondas 1 en un rango espectral de 565 nm a 700 nm. Por consiguiente, cada campo de visión horizontal se acopla a la guía de ondas 1 mediante un holograma de volumen 41 - 43 especial con propiedades diferentes. Estas propiedades se aprovechan después del desacoplamiento para la separación de los FoV horizontales.
Los hologramas 41, 42 y 43 también pueden disponerse unos encima de otros en la dirección z, de manera que se forme una pila de capas en la guía de ondas. Además, es posible la implementación de las distintas funciones holográficas de los tres hologramas en un holograma (u holograma de volumen), también llamada multiplexación.
En la zona de desacoplamiento 5 cabe esperar que el espectro angular espectral acoplado por todos los hologramas de volumen de acoplamiento 41 - 43 esté presente en cada ubicación. En la zona de desacoplamiento 5, los hologramas de volumen 51, 52, 53 con un comportamiento idéntico al acoplamiento vertical se disponen lateralmente desplazados unos encima de otros. En tal caso, cada uno de estos hologramas 51 - 53 se encarga del desacoplamiento de la radiación acoplada por el correspondiente holograma de volumen de acoplamiento 41 - 43 con la distribución angular espectral representada de acuerdo con las figuras 19A - 19C.
Al igual que en la zona de acoplamiento, los hologramas 51, 52, 5s se pueden disponer alternativamente unos encima de otros en la dirección z, de manera que en la guía de ondas se forme una pila de capas. Además, es posible la implementación de las distintas funciones holográficas de los tres hologramas en un holograma (u holograma de volumen), también llamada multiplexación.
Después del desacoplamiento se lleva a cabo la separación de todo el campo, de manera que se puedan detectar individualmente los distintos FoV horizontales. Con esta finalidad, la superficie de detección del detector 11 se divide en primer lugar verticalmente. Aquí, cada sección de superficie corresponde a un rango angular vertical. En este caso, el número de secciones de superficie (rangos angulares verticales) es idéntico al número de FoV horizontales diferentes. Normalmente, la superficie del detector (rango angular vertical total) se divide en secciones de superficie de igual tamaño (también es posible una división en secciones de superficie de diferentes tamaños). Sin embargo, de acuerdo con la figura 19C, se produce, como consecuencia del comportamiento típico en los hologramas de volumen de reflexión, una superposición espectral dentro de los distintos rangos angulares, de manera que finalmente se superpondrían diferentes FoV horizontales con FoV verticales iguales. Para evitarlo, se pueden prever filtros espectrales para cada zona parcial del detector 11, es decir, para cada zona angular vertical, que realizan una supresión de componentes espectrales no deseados en un rango angular correspondiente. Como resultado, los diferentes FoV horizontales pueden asignarse claramente a diferentes zonas del detector (es decir, rangos angulares verticales/FoV). Como consecuencia se lleva a cabo una asignación inequívoca de los diferentes FoV horizontales a diferentes FoV verticales de acuerdo con la figura 18b.
Alternativamente al uso de filtros espectrales, también es posible el uso de hologramas de volumen de desacoplamiento especiales que lleven a cabo un desacoplamiento sólo en el rango espectral requerido.
Después de la aplicación de los filtros espectrales o del uso de los hologramas de volumen de desacoplamiento adaptados espectralmente, resulta el espectro dependiente del ángulo representado en la figura 20. Por consiguiente, ya no se produce ninguna superposición espectral de diferentes FoV horizontales y, por lo tanto, se produce una asignación inequívoca del FoV horizontal al FoV vertical correspondiente.
De este modo se incrementa el FoV horizontal detectable. No obstante, esto da lugar simultáneamente a una reducción del FoV vertical.
La ventaja de la codificación espectral descrita del FoV horizontal en el FoV vertical en comparación con la codificación angular del FoV horizontal en el FoV vertical consiste sobre todo en la mayor transparencia en un amplio rango angular y espectral durante la visualización normal a través de la zona de acoplamiento 4.
Un inconveniente de la codificación espectral es que cada FoV horizontal capta una banda espectral diferente y, por lo tanto, puede perderse información si, por ejemplo, no se produce ninguna radiación en el rango espectral correspondiente en un FoV horizontal determinado o si ésta es escasa. Este déficit puede compensarse mediante la colocación de varias zonas de desacoplamiento con los correspondientes espectros de acoplamiento desplazados espectralmente para los distintos FoV horizontales. Sin embargo, en este caso también se requiere un número correspondiente de sistemas detectores 2.
En el diseño general de todo el sistema de la guía de ondas 1 y en el diseño de los hologramas de volumen de acoplamiento y desacoplamiento deben tenerse en cuenta especialmente los siguientes aspectos:
Para la realización de n FoV horizontales diferentes se requieren n hologramas de volumen de acoplamiento y desacoplamiento distintos, así como n rangos angulares (zonas de detector), incluidas las correspondientes funciones de filtro de banda o de canto. N rangos angulares horizontales se transforman en n rangos angulares verticales. Las distintas curvas de eficiencia de los hologramas de volumen no deben presentar solapamientos espectrales dentro del mismo rango angular, dado que de lo contrario ya no es posible ninguna separación espectral del FoV vertical y, por consiguiente, tampoco del FoV horizontal. A pesar del filtrado espectral, se produciría una superposición de componentes de radiación de diferente FoV horizontal.
Para absorber la mayor potencia de radiación posible, cada holograma de volumen debe concebirse de manera que se cubra el mayor rango espectral posible en el rango angular respectivamente cubierto. Sin embargo, también debe tenerse en cuenta la sensibilidad espectral del detector. Al comparar las curvas de eficiencia dependientes del ángulo y de la longitud de onda en las figuras 19B y 19C, queda claro que en el rango angular de entre 6,67° y 20° sólo se utiliza un ancho de banda de la radiación de 40 nm. Mediante una configuración debidamente optimizada del holograma de volumen sería posible aumentar este ancho de banda y acoplar así una potencia de radiación potencialmente mayor. Al contrario que en el rango angular de entre 6,67° y 20°, en el rango angular de entre -6,67° y -20° se acopla un rango espectral de 135 nm.
La división del FoV horizontal está acoplada a las propiedades espectrales del holograma de volumen. Normalmente, todos los FoV parciales verticales tienen el mismo tamaño. No obstante, dependiendo de la aplicación, se pueden realizar diferentes tamaños del FoV vertical para los diferentes FoV horizontales. Esta opción requiere un diseño apropiado de los hologramas de volumen en combinación con el filtrado delante de las distintas zonas de detector. En la figura 21 se muestra un ejemplo de realización de la guía de ondas 1 en la que la zona de acoplamiento 4 es más ancha que la zona de desacoplamiento 5, realizándose la zona de acoplamiento 4 mediante un holograma de volumen reflectante. La zona de desacoplamiento 5 también puede presentar un holograma de volumen reflectante. En este caso, el FoV viene dado por el tamaño de estas superficies y su distancia unas respecto a otras. En el ejemplo de realización descrito en combinación con la figura 22 se parte de la base de que el FoV del sistema detector 2 no limita el FoV de la guía de ondas 11.
El principio según la figura 22 para el aumento de la eficiencia de detección prevé dividir la zona de acoplamiento 4 verticalmente (a lo largo de la segunda dirección) en tres subáreas de acoplamiento 41, 42 y 43. Mientras que la zona de acoplamiento central (o el holograma de volumen reflectante central 41) sólo contiene una función para desviar la radiación en la primera dirección (sólo en la dirección y sin un componente x) hacia la zona de desacoplamiento 5, en la subárea de acoplamiento derecha 42 se integra adicionalmente una función de desviación horizontal (o un componente x de la desviación) a lo largo de la segunda dirección (hacia el holograma de volumen central 41), tal como se indica esquemáticamente en la figura 22. Una función de desviación horizontal correspondiente a lo largo de la segunda dirección (hacia el holograma de volumen central 41) también se integra en la subárea de acoplamiento izquierda 43.
Sin esta función de desviación, el FoV para la superficie de acoplamiento 42 y la zona de desacoplamiento 5 resultaría de los tamaños de las superficies, de su distancia, así como de la descentración (a lo largo de la segunda dirección) de la superficie de acoplamiento 42 con respecto a la zona de desacoplamiento 5 (lo mismo se aplicaría a la combinación de la superficie de acoplamiento izquierda 43 y la zona de desacoplamiento). Este FoV tiene un desplazamiento angular relativo con respecto al FoV central (proporcionado por la superficie de acoplamiento central 41 y la superficie de desacoplamiento 5). En suma, resulta un FoV ampliado dado por la anchura total de las dos superficies de acoplamiento.
El desplazamiento angular descrito puede compensarse mediante la integración de la función de desviación descrita en las dos superficies de acoplamiento laterales 42 y 43. El holograma de volumen de acoplamiento descentrado 42, 43 cubre, en combinación con el holograma de volumen de desacoplamiento 5, el mismo FoV que el holograma de volumen de acoplamiento central 41. Sin embargo, la radiación procedente del holograma de volumen de acoplamiento descentrado 42, 43 se propaga en dirección horizontal en la guía de ondas con un desplazamiento angular horizontal y se acopla a ésta fuera de la guía de ondas 1. De este modo, el mismo FoV se registra, uno al lado del otro, después del desacoplamiento. Utilizando un sistema detector 2 con un FoV suficientemente grande se pueden grabar estos
FoV idénticos adyacentes. Así aumenta la potencia de radiación detectada para el FoV horizontal, pero no la densidad de potencia relevante para la relación de señal ruido.
Para lograrlo, la superficie de desacoplamiento 5 se configura con la ayuda de hologramas de volumen de manera que ésta desacople la radiación acoplada por el holograma de volumen de acoplamiento central 41, así como la radiación acoplada por los hologramas de volumen de acoplamiento descentrados 42, 4s en el mismo rango angular.
Esto se consigue gracias a que la zona de desacoplamiento 5 presenta diferentes funciones de desacoplamiento de exposición única. En este caso, cada función de desacoplamiento sólo es eficaz para la radiación del correspondiente holograma de volumen de acoplamiento 41 - 43 (selectividad angular del holograma de volumen), de modo que, en definitiva, la radiación que se propaga desde diferentes direcciones en la zona de desacoplamiento 5 se desacople en la zona angular idéntica mediante la función de desacoplamiento correspondiente. La intensidad de la selectividad angular puede ajustarse mediante el grosor y la modulación del índice de refracción del material holográfico de volumen y la configuración de exposición.
Una de estas funciones corresponde a la función de desacoplamiento original y sólo proporciona un desacoplamiento vertical de la radiación. Todas las demás funciones implementadas presentan una selectividad angular especialmente adaptada, por lo que sólo son eficientes para un rango angular horizontal alrededor del respectivo desplazamiento angular horizontal, propagándose desde la correspondiente superficie de acoplamiento descentrada 42, 43 en la dirección de la superficie de desacoplamiento 5. Esta función de desacoplamiento incluye, además de la función de desacoplamiento vertical, una compensación del desplazamiento angular horizontal, de manera que el FoV generado por las superficies de acoplamiento descentradas 42, 43 se superponga al FoV generado por la superficie de acoplamiento centrada 41. Como consecuencia, se produce un aumento de la densidad de potencia dentro del FoV y, por lo tanto, una mejora de la relación señal ruido.
El procedimiento aquí descrito también puede denominarse reducción de pupila en un sentido óptico (compárese la replicación de la pupila o la expansión de la pupila en la formación de imágenes = trayecto de luz invertido). De este modo, en la zona de acoplamiento 4 la potencia puede captarse en una superficie grande y desacoplarse por una superficie pequeña en la zona de desacoplamiento 5.
Así es posible realizar una zona de acoplamiento 4 con una eficiencia muy baja y, por consiguiente, una alta transmisión. De este modo, se posibilita una grabación de luz intensa de información de imagen a través de una superficie de acoplamiento 4 con la mayor transmisión posible.
Por otra parte, la zona de acoplamiento también puede realizarse, por ejemplo, con una transmisión apenas aceptable, es decir, con una alta eficiencia de acoplamiento, a fin de concentrar tanta potencia de radiación como sea posible en una zona de desacoplamiento muy pequeña. En la zona de desacoplamiento podría colocarse, por ejemplo, una célula solar muy pequeña para convertir la energía de radiación en energía eléctrica. También es posible que el desacoplamiento tenga lugar en un conjunto de detectores.
La implementación de diferentes funciones de desacoplamiento es posible con un material holográfico de volumen suficientemente grueso con una modificación del índice de refracción suficientemente alto. Esta implementación de diferentes funciones en una sola superficie holográfica también se denomina multiplexación de funciones. Alternativamente, las distintas funciones de desacoplamiento también pueden exponerse en varias láminas holográficas de volumen apiladas unas sobre otras.
Debe tenerse en cuenta que esto conlleva un acoplamiento espectral dependiente del ángulo en la dirección horizontal, así como en la dirección vertical, por lo que también existe una curva espectral dependiente del ángulo en la dirección horizontal. Sin embargo, dado que la información espectral se pierde de todos modos debido a la distribución espectral en la dirección vertical, este gradiente de color no representa ningún inconveniente significativo del procedimiento.
No obstante, como puede verse en la figura 22, el aumento de la eficiencia con la división vertical de la zona de acoplamiento 4 y la misma anchura de la zona de acoplamiento se asocia con una reducción del FoV horizontal. Este inconveniente puede compensarse mediante una combinación con la variante según las figuras 16 a 18, resultando, sin embargo, una reducción del FoV vertical.
Si, por el contrario, se realiza una división horizontal de la zona de acoplamiento de la figura 21 según la figura 16, se puede ampliar la FoV original de un solo holograma de volumen de acoplamiento (figura 21). No obstante, con la misma superficie del holograma de volumen de acoplamiento no se consigue un aumento global de la potencia de radiación acoplada. Sin embargo, si se aumenta la superficie de cada holograma de volumen de acoplamiento, se puede mejorar una eficacia del sistema con la ayuda del procedimiento antes descrito.
En principio, los hologramas de volumen de acoplamiento se pueden distribuir libremente en la guía de ondas 1. En ese caso debe tenerse en cuenta el efecto en el FoV respectivo con respecto al holograma de volumen de acoplamiento, así como una corrección debidamente adaptada de las zonas angulares desacopladas.
En la figura 23 se muestra un ejemplo de realización en el que se configura una rejilla en relieve tanto en la zona de acoplamiento 4, como también en la zona de desacoplamiento 5. Las reglas para determinar el periodo de rejilla son fundamentalmente las mismas que para un holograma de volumen. Se requiere un ángulo de difracción para el que esté garantizada la reflexión total en la guía de ondas 1. Además, resulta ventajoso utilizar rejillas simétricas para el acoplamiento y desacoplamiento. Si se desea, puede aplicarse opcionalmente una función de imagen a la rejilla de
acoplamiento y/o a la rejilla de desacoplamiento. De este modo, los objetos que están a sólo 50 cm de distancia de la guía de ondas 1, por ejemplo, también pueden visualizarse nítidamente.
La ventaja de la configuración de las rejillas de acoplamiento y desacoplamiento como estructuras en relieve en comparación con los hologramas de volumen consiste en una menor selectividad angular y de longitud de onda. Como ya se ha descrito, si se utilizan hologramas de volumen, un ángulo de observación está vinculado a una gama limitada de longitudes de onda. Sin el diseño según la figura 11, los huecos en el espectro de iluminación dan lugar a ángulos de observación verticales muertos. La mayor aceptación de longitudes de onda y ángulos de las estructuras en relieve puede evitar estos fallos.
La rejilla de acoplamiento 20 puede moldearse sobre la superficie derecha 21 de la placa izquierda 22 con el espesor d1 de la figura 23, por ejemplo, mediante una resina epoxi o un polímero UV que se endurece. En este caso, los polímeros típicos presentan índices de refracción n de aproximadamente 1,5.
A continuación, la rejilla de acoplamiento 20 se recubre con una fina capa dieléctrica 23 altamente refractiva. Los índices de refracción típicos son n > 2,0. Como espesor para la capa 23 se pueden utilizar, por ejemplo, valores de entre 10 y 100 nm. En este cao resulta especialmente ventajoso recubrir no sólo la rejilla de acoplamiento 20, sino toda la placa izquierda 22 con la capa delgada altamente refractiva 23, a fin de conseguir una impresión de transmisión uniforme por toda la superficie.
Acto seguido, la segunda placa 24 (con un grosor d2) se pega a la rejilla de acoplamiento 20, así como a la placa correspondiente 22 con un grosor d1 utilizando una resina epoxi o un polímero UV que se endurece. La rejilla de acoplamiento en relieve 20 queda así enterrada en el sustrato formado por las dos placas 22 y 24 y, debido a su fina capa altamente refractiva, actúa como una rejilla de reflexión 20 con eficiencias de difracción de entre el 5% y el 20%.
Para la rejilla de desacoplamiento 25 se utiliza una rejilla del mismo número de barra (período de rejilla), pero formada en la superficie exterior 7 de la placa izquierda 22 o en la superficie exterior 8 de la segunda placa 24. En el ejemplo de realización mostrado en la figura 23, la rejilla de desacoplamiento 25 se moldea en el lado delantero 7. Esta rejilla 25 se metaliza con aluminio después del moldeado, a fin de obtener una elevada eficacia de desacoplamiento. En este caso se alcanzan valores de eficiencia de alrededor del 50% en un amplio espectro de longitudes de onda y angular.
La guía de ondas 1 con la rejilla de acoplamiento 20 y con la rejilla de desacoplamiento 25 tiene dos aberturas, dado que los bordes de la rejilla de acoplamiento 20, así como los bordes de la rejilla de desacoplamiento 25 actúan respectivamente como una abertura que corta la trayectoria del haz. En la representación según la figura 23 sólo se muestra un haz para exactamente una longitud de onda. La rejilla de acoplamiento 20 desvía otras longitudes de onda procedentes del mismo punto objeto hacia otros ángulos en la guía de ondas 1. Esta relación entre la longitud de onda y el ángulo de propagación en la guía de ondas 1 es continua, aunque no lineal.
Así, para guías de onda 1 largas con muchas (por ejemplo, 10, 20, etc.) reflexiones, existe la posibilidad de que la zona de la rejilla de acoplamiento 20 (vista en sección vertical) coincida exactamente con la rejilla de acoplamiento 25. En este caso se transmite mucha luz. Sin embargo, también puede ocurrir que la abertura de la rejilla de acoplamiento 20 se visualice sólo una vez por debajo y una vez por encima de la rejilla de desacoplamiento 25, de modo que no se desacople ninguna luz en la rejilla de desacoplamiento 25.
El espectro transmitido se divide así en zonas eficientes e ineficientes que se alternan casi periódicamente. Este espectro de transmisión puramente geométrico se muestra en la figura 24, indicándose a lo largo del eje x la longitud de onda en nm y a lo largo del eje y la eficiencia de transmisión entre 0 (ninguna transmisión de luz incidente en la rejilla de acoplamiento 20) y 1 (toda la luz incidente en la rejilla de acoplamiento 20 se desacopla a través de la rejilla de desacoplamiento 25, despreciando la eficiencia de difracción de la rejilla). Esta eficacia de transmisión se muestra para un ángulo de incidencia de -15° que cubre la gama de longitudes de onda de 400 a 530 nm (línea discontinua), para un ángulo de incidencia de 0° que cubre la gama de longitudes de onda de 440 a 645 nm (línea continua) y para un ángulo de incidencia de 15° que cubre la gama de longitudes de onda de 555 nm a 690 nm (línea de puntos). Las limitaciones espectrales resultan, por una parte, de la condición para la reflexión total y, por otra, del ángulo de desviación tras el acoplamiento, bajo el cual la rejilla de desacoplamiento sólo recibe el impacto (sin reflexión interna total en las superficies de desacoplamiento). Esto demuestra que el intervalo espectral transmitido se desplaza con el ángulo de incidencia. El intervalo espectral transmitido se hace mayor a medida que aumenta el índice de refracción de la guía de ondas 1.
En la figura 25, el viñeteado causado por la pupila de entrada EP del sistema detector 2 se muestra esquemáticamente. De este modo, una parte de los haces desacoplados no puede incidir en el detector 11, lo que conduce a un espectro de transmisión condicionado geométricamente como se muestra esquemáticamente en la figura 26. La ilustración de la figura 26 corresponde a la representación de la figura 24. Como es de esperar, este viñeteado conduce a espectros de transmisión peores para los ángulos de incidencia -15° y 15°.
La rejilla de acoplamiento 20 puede diseñarse como una rejilla de diente de sierra, es decir, la forma del perfil de cada período de rejilla sigue al menos aproximadamente una forma de diente de sierra. La figura 27 muestra una sección transversal simulada a través de un período de rejilla de la rejilla de acoplamiento enterrada, en la que se ha supuesto un ligero redondeo del perfil de la rejilla. A lo largo del eje x se traza la extensión lateral de 0 a 430 nm y a lo largo del eje y se traza la sección de perfil en el rango de 0 a 300 nm, lo que da como resultado un espesor de capa de unos
60 nm con una profundidad de capa de unos 120 nm. Gracias a esta estructura, es posible acoplar una amplia gama de longitudes de onda en la guía de ondas 1 con una eficacia de entre el 10 y el 15%. La eficacia de difracción resultante (reflectancia) se representa en la figura 28 para la gama de longitudes de onda de 400 a 650 nm (que se representa a lo largo del eje x). Las curvas RE0 y RM0 muestran la reflectancia para la reflexión de orden cero para el campo s-polarizado (RE) y el campo p-polarizado (RM). Las curvas RM1 y RE1 muestran la reflectancia para la difracción de primer orden negativo para el campo s-polarizado (RE) y el campo p-polarizado (RM).
Para la rejilla de desacoplamiento 25, se puede utilizar una forma de perfil similar a la de la figura 27. Sin embargo, en este caso se utiliza un revestimiento metálico en lugar del dieléctrico altamente refractivo.
En las figuras 29 y 30 se muestra un ejemplo de realización en el que la guía de ondas 1 está integrada en una pantalla o visualizador 30. El visualizador 30 puede ser una pantalla de visualización de datos. La pantalla puede ser una pantalla de un dispositivo de consumo móvil (como un teléfono móvil o un ordenador portátil). También puede ser la pantalla de un ordenador fijo.
Como se puede ver en las ilustraciones de las figuras 29 y 30, la zona de acoplamiento 4 está provista por la cara posterior 8 del holograma de volumen reflectante que provoca la desviación del haz, de manera que los haces desviados sean guiados dentro de la pantalla, por ejemplo, por reflexión interna total hasta que inciden en la zona de desacoplamiento 5 con el holograma de volumen de desacoplamiento que causa la desviación en la dirección del sensor de la cámara 11. La imagen tomada de esta manera es efectivamente guiada por el holograma de volumen reflectante. La imagen tomada de esta forma es casi una vista frontal del usuario B que mira directamente a la zona de acoplamiento 4. La imagen corresponde así a una fotografía tomada con un sensor de cámara situado en la zona de acoplamiento 4. La solución de las figuras 29 y 30 puede describirse, por tanto, como un sensor de imagen transparente que se integra en la pantalla sin afectar a la función de visualización de la misma. Así, las imágenes o secuencias de imágenes se pueden capturar en la ubicación de la pantalla 30 y se obtiene una vista frontal de la escena que se va a reproducir.
Esta característica se puede utilizar ventajosamente, por ejemplo, para aplicaciones como la videotelefonía o la toma de autorretratos (los denominados selfies), ya que la dirección de visión del usuario B hacia la pantalla coincide con el centro de la imagen tomada por la cámara. Esto permite, por ejemplo, que ambas partes mantengan el contacto visual durante la videotelefonía, lo que antes no era posible porque las cámaras correspondientes siempre estaban instaladas en el borde de la pantalla. Este contacto visual da lugar a una experiencia de conversación más natural e inmersiva. Por ejemplo, al hacerse un autorretrato, el usuario puede seguir la previsualización en directo de la imagen que va a tomar sin tener que apartar los ojos de la cámara y dirigirlos a la pantalla.
Además de la función de desviación, la rejilla de desacoplamiento 5 puede tener, por ejemplo, una función de formación de imágenes, de manera que ya no sean necesarias ópticas adicionales delante del sensor de la cámara 11. De esta forma se puede maximizar el grado de integración de la cámara en la pantalla 30.
Debido a la pronunciada selectividad angular y de longitud de onda de la eficiencia de difracción típica de los hologramas de volumen y a la posibilidad de adaptar la eficiencia de difracción, la parte de la pantalla 30 cubierta por la rejilla de acoplamiento parece en gran medida transparente y los contenidos mostrados en la pantalla permanecen visibles para el usuario. Para conseguirlo, la eficacia de la rejilla de acoplamiento 4 debe ser, por un lado, lo suficientemente grande como para permitir que el sensor de la cámara 11 capte la imagen. Por otro lado, la eficacia de la rejilla de acoplamiento debe ser lo suficientemente baja como para mantener la transparencia y no causar efectos molestos para el usuario. La transparencia resultante del holograma de volumen aplicado en la zona de acoplamiento depende también de la sensibilidad a la luz del sensor de la cámara 11 utilizado.
En la construcción más sencilla de la zona de acoplamiento 4 y de la zona de desacoplamiento 5 según la forma de realización de las figuras 1 a 3, se transmite para cada ángulo una gama de longitudes de onda diferente al detector 11 o al sensor de la cámara 11, por lo que se produce una imagen con un gradiente de color vertical. A continuación, esta imagen puede convertirse en una imagen monocromática. Por ejemplo, para obtener una imagen multicolor natural, la imagen monocromática se puede volver a colorear en tiempo real con información de imagen captada por otra cámara frontal. De este modo, se puede proporcionar una imagen natural a través de la función de cámara implementada holográficamente en volumen con la ventaja antes mencionada de la vista frontal.
Alternativamente, la funcionalidad de color de la función de cámara de volumen implementada holográficamente se puede poner en práctica de acuerdo con el ejemplo de realización de las figuras 10 a 15. Esto eliminaría la necesidad de una función de cámara de volumen implementada holográficamente de forma adicional. De este modo se eliminaría la necesidad de una cámara frontal adicional y del coloreado posterior.
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras 29 y 30 se ha supuesto que la zona de desacoplamiento 5, así como el sensor de cámara 11 se encuentran por debajo de una zona de no visualización 31 de la pantalla 30, ya que de lo contrario la luz emitida por la pantalla también incidiría en el sensor de cámara 11. Esto interferiría en la grabación de la imagen.
Sin embargo, si se utiliza una pantalla 30 que en caso de inactividad es transparente, el sensor de la cámara también puede disponerse por debajo de la zona realmente utilizada por la pantalla, como se muestra en el ejemplo de realización según las figuras 31 y 32.
Cuando se captura una imagen, la zona relevante de la pantalla 30 se oscurece de forma que sólo la luz procedente de la zona de desacoplamiento 5 incida en el sensor de la cámara 11. De este modo, la pantalla 30 puede utilizarse por completo para la visualización cuando la función de cámara no está activada. Si la función de cámara está activada, sólo se oscurece una parte de la pantalla 30. Por lo tanto, la zona de visualización sólo se restringe cuando es necesario y sólo en las proximidades del borde.
En múltiples aplicaciones se puede generar un valor añadido considerable si se puede introducir radiación adicional en los canales de haz de un sistema óptico y/o se puede detectar radiación sin influir significativamente en la funcionalidad óptica real del sistema óptico. En la detección de la radiación, ésta se refleja fuera de la trayectoria del haz en un punto adecuado y se dirige a un sensor. Cuando se introduce radiación en el sistema, se utiliza la trayectoria de luz opuesta y se introducen componentes de radiación adicionales. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para iluminar el espacio del objeto o para introducir información adicional.
De manera conocida, se utilizan para este fin sustratos 40 parcialmente metalizados, como se muestra esquemáticamente en la figura 33, en la que se dibujan esquemáticamente dos lentes 41 y 42 para el sistema óptico. Se trata del así llamado principio combinador. Sin embargo, esto requiere un espacio de instalación suficiente en el sistema óptico, que viene dado por el tamaño del sustrato inclinado 40 o el diámetro del haz proyectado en el lugar de la reflexión hacia dentro o hacia fuera. Además, la introducción, así como la detección de la radiación en el mismo lugar de la trayectoria del haz sólo es posible con un gran esfuerzo (revestimientos especiales, óptica compleja para la superposición de haces).
También en este caso se puede utilizar la guía de ondas 1 según la invención ya descrita que permite la introducción y/o detección de radiación con escasos requisitos de espacio de instalación, como se muestra esquemáticamente en la figura 34.
Además de la introducción y detección de la radiación, el enfoque también ofrece la posibilidad de influir específicamente en las propiedades espectrales de la radiación introducida o emitida por medio de filtrado.
Gracias a la gran transparencia de la guía de ondas 1, estos componentes multifuncionales pueden utilizarse en casi cualquier lugar de un sistema óptico (en caso necesario, incluso en el eje óptico). Además, las propiedades físicas especiales de los hologramas de volumen permiten la implementación de estas funciones prácticamente en la misma posición.
Por los sistemas ópticos mencionados se entienden sistemas ópticos técnicos, pero también superficies transparentes, como ventanas, lunas de automóviles, etc. En la mayoría de los casos, reflejar información hacia dentro o hacia fuera a través de un sustrato inclinado y parcialmente metalizado no es una solución aceptable. Sin embargo, el principio de la guía de ondas 1 descrita permite implementar estas funcionalidades directamente en el propio sustrato transparente (ventanillas, parabrisas de automóviles, etc.) sin afectar significativamente a la transparencia, es decir, a la trayectoria original del haz. Como resultado, surgen casos de uso completamente nuevos para superficies que normalmente sólo sirven para proteger a personas u objetos de influencias ambientales como, por ejemplo, el viento, la temperatura, las partículas o la radiación.
Así, el principio descrito de la guía de ondas 1 también puede servir para la iluminación y/o proyección. Para ello, la trayectoria de la luz en la guía de ondas 1 se utiliza en la dirección opuesta y se emplea una fuente de luz estática o dinámica (o una fuente de imagen iluminante correspondiente) en lugar del detector. De este modo, la anterior zona de desacoplamiento se convierte en la zona de acoplamiento 4 y la anterior zona de acoplamiento se convierte en la zona de desacoplamiento 5, como se muestra en las figuras 35, 36 y 37. La radiación procedente de la fuente de luz 32 se acopla a la guía de ondas 1 a través de la zona de acoplamiento 4 y se conduce hasta la zona de desacoplamiento 5, a través de la cual se produce el desacoplamiento hacia el espacio o hacia un sistema óptico correspondiente conectado detrás del mismo.
Desde un punto de vista físico, no existen diferencias fundamentales entre la proyección y la iluminación, ya que en ambos casos la radiación se proporciona generalmente de una forma predeterminada (distribución angular y/o espacial) en el espacio o en una trayectoria de haz. La iluminación de un objeto se representa esquemáticamente en la figura 38. La figura 39 muestra esquemáticamente la proyección de una imagen virtual para un usuario B. En la figura 40 se muestra esquemáticamente la proyección de una imagen real (aquí la letra F). La proyección de una imagen real es idéntica a la iluminación.
Dado que la zona de acoplamiento 4 y la zona de desacoplamiento 5 se pueden realizar con hologramas de volumen (preferiblemente hologramas de volumen reflectantes), es posible realizar fuentes de luz casi transparentes o dispositivos de proyección casi transparentes debido a la alta selectividad angular y de longitud de onda de los hologramas de volumen. De este modo, se pueden conseguir una alta eficacia de transferencia desde el acoplamiento hasta el desacoplamiento, la generación de una característica de radiación definida (es decir, distribución angular o espacial), así como las composiciones espectrales deseadas.
Para el sistema de detección, la extensión de la superficie de acoplamiento y desacoplamiento 4, 5 en dirección horizontal puede adaptarse al FoV requerido. En la dirección vertical (o en la primera dirección), el tamaño de las zonas viene dado por el tamaño de la apertura del sistema de detección. Para obtener un FoV ampliado, es preferible seleccionar una extensión mayor de la zona de acoplamiento 4 en la dirección horizontal (o en la segunda dirección) que la extensión de la zona de desacoplamiento 5. Se produce una franja de acoplamiento.
Para un sistema de proyección, se prefiere una réplica de pupila 2D para proporcionar la información de imagen o iluminación sobre una zona extendida (eyebox). En este caso, la pupila que se acopla al sustrato se replica en las direcciones horizontal y vertical. La superficie de desacoplamiento es, por lo tanto, una superficie cuya expansión en las direcciones horizontal y vertical difiere de la expansión de la superficie de acoplamiento (lo que constituye una diferencia respecto al sistema de detección descrito anteriormente).
Cuando los sistemas de detección y proyección están conectados, la zona de acoplamiento de la detección con las extensiones descritas anteriormente y la zona de desacoplamiento de la proyección con las extensiones descritas anteriormente se encuentran en la zona visible de la guía de ondas.
Lógicamente, también se pueden asignar funciones ópticas de formación de imágenes a la zona de acoplamiento y/o a la zona de desacoplamiento 4, 5 en el caso de la guía de ondas 1 para la proyección y/o iluminación. De este modo pueden realizarse de nuevo configuraciones finitas-infinitas, infinitas-finitas, finitas-finitas o infinitas-infinitas de la guía de ondas 1. De este modo, se puede influir de forma más específica en la propagación de la radiación, así como en la distribución angular y/o la distribución en un lugar definido durante el acoplamiento y/o el desacoplamiento. Además, o en lugar de funciones de imagen óptica en forma de, por ejemplo, funciones de lente y/o de espejo cóncavo, también se pueden introducir funciones difusoras o de transformación del haz en las superficies de acoplamiento y/o desacoplamiento, con lo que también se puede influir específicamente en la propagación de la radiación.
Al igual que en la configuración de detección, en la configuración de la iluminación/proyección el tamaño efectivo de la superficie de acoplamiento y de desacoplamiento 4, 5 también tiene una influencia significativa en el rango angular aceptado o emitido transportado por la guía de ondas funcionalizada 1.
Como fuente de luz 32 se pueden utilizar LEDs, un láser, etc. y las fuentes de imagen pueden ser pantallas (por ejemplo, pantallas DMD, pantallas LCD, etc.). Mediante el uso de fuentes de luz dinámicas o fuentes de imagen dinámicas, se pueden generar distribuciones angulares o espaciales variables en el tiempo. Esto permite realizar soluciones de iluminación adaptables, por ejemplo, en microscopios, o introducir información variable (contenido de imagen virtual o real) en las trayectorias de los haces.
Como alternativa a la solución basada en guía de ondas, también se pueden realizar funciones de iluminación y/o proyección con una alta transparencia en un amplio rango angular y de longitud con una transparencia normal en una estructura de haz libre basada en hologramas de volumen de reflexión según las figuras 41A, 41B y 41C o basada en hologramas de volumen de transmisión según las figuras 42A, 42B y 42C.
Como ya se ha explicado varias veces, los hologramas de volumen muestran una sensibilidad espectral dependiente del ángulo. Como consecuencia de esta propiedad, la radiación dentro de un rango definido de longitudes de onda sigue siendo eficientemente desviada en un cierto ángulo y, por ejemplo, acoplada en la guía de ondas 1. Mientras que este efecto resulta bastante desfavorable para aplicaciones generales de detección e iluminación, se puede utilizar ventajosamente, por ejemplo, para aplicaciones de detección o iluminación espectral.
En el campo de la iluminación, este comportamiento del holograma de volumen puede utilizarse para filtrar una gama espectral definida de radiación que incide de forma dirigida. Así se pueden realizar, por ejemplo, fuentes de luz de banda estrecha con coherencia parcial que, a diferencia de los láseres, son especialmente adecuadas para la proyección holográfica de contenidos de imágenes virtuales o reales. En el caso de radiación convergente o divergente, es posible influir en el espectro de longitudes de onda desviado por el holograma de volumen con hologramas de volumen grabados adecuadamente mediante la distribución angular aplicada al holograma de volumen.
La sensibilidad espectral dependiente del ángulo del holograma de volumen también se puede utilizar para aplicaciones de detección. De acuerdo con el ángulo de incidencia simulado y la eficiencia espectral dependiente según la figura 4, un rango espectral diferente es eficientemente desviado para cada ángulo de incidencia y acoplado, por ejemplo, verticalmente en una guía de ondas 1. En la configuración más sencilla de la cámara, como se muestra en las figuras 1 a 3, se utiliza un holograma de volumen de desacoplamiento 5 correspondiente al holograma de volumen de acoplamiento 4, que se encarga del desacoplamiento de los ángulos que se propagan en la guía de ondas 1, consistiendo cada ángulo en un rango espectral definido debido al filtrado o acoplamiento. A continuación, la distribución angular se transfiere mediante una función de imagen en el holograma de volumen de desacoplamiento 5 o mediante un objetivo en una distribución espacial al detector 11, correspondiendo cada posición en la dirección vertical a una gama espectral definida. Mediante una exploración angular en dirección vertical y una detección sincrónica de la intensidad en el detector 11, se pueden determinar paralelamente en dirección horizontal informaciones espectrales dependientes del ángulo.
Un sistema de este tipo puede montarse, por ejemplo, en la parte inferior de una aeronave. Conociendo el sistema de detección 2, la velocidad aerodinámica y la posición de la aeronave, se puede obtener información espectral sobre la zona sobrevolada, registrándose los datos de forma paralela en sentido horizontal.
En los ejemplos de realización descritos hasta ahora se han presentado posibilidades para funcionalizar superficies transparentes, siendo posible mantener una alta transparencia de estas superficies en un amplio rango de ángulos y longitudes de onda con una transparencia normal. La radiación en la zona transparente se acopla con hologramas de volumen especiales 4 en el caso de la detección en la guía de ondas 1 y se desacopla de la guía de ondas 1 en el caso de la iluminación/proyección. La propagación entre esta zona transparente de detección o emisión se basa en la reflexión total dentro del sustrato o de la guía de ondas. No obstante, también es posible la reflexión basada en un
revestimiento reflectante adecuado. La electrónica óptica (detectores y fuentes de control) se puede montar en una posición ventajosa en términos de diseño o función. De este modo, la posición de detección o emisión de la radiación ya no está vinculada a la posición de la optoelectrónica.
La gran transparencia de las funciones descritas, introducidas holográficamente en el volumen, permite realizarlas prácticamente en el mismo lugar, ya que las funciones no influyen unas en otras, o sólo lo hacen de manera no significativa, si los hologramas de volumen se han diseñado adecuadamente.
En la práctica, esto se puede llevar a cabo, colocando los hologramas de volumen en los que se implementan las funciones individuales, por ejemplo, unos encima de otros (como una pila). Alternativamente (con una modificación suficientemente grande del índice de refracción máximo del material holográfico de volumen), también pueden exponerse varias funciones ópticas en un holograma de volumen. La transparencia de la guía de ondas funcionalizada 1 se mantiene si los hologramas de volumen 4, 5 están diseñados adecuadamente. En combinación con el transporte del haz, basado en la guía de ondas y el reducido tamaño de construcción, se pueden realizar superficies altamente funcionalizadas y transparentes, por ejemplo, ventanas. Por otra parte, el enfoque permite ampliar considerablemente la funcionalidad de los sistemas ópticos mediante una intervención relativamente pequeña en la trayectoria del haz.
La figura 43D muestra un ejemplo de funcionalización de una ventana 40 en la que la función de iluminación (figura 43A), la función de detección (figura 43B) y la función de proyección (figura 43C) se introducen mediante holografía de volumen, y el transporte de radiación se realiza sobre la base de guías de ondas. Los diferentes hologramas de volumen para la zona de acoplamiento y la zona de desacoplamiento se distinguen por el índice: 41, 42, etc., 51, 52, etc.
Alternativamente, algunas de las funciones también se pueden implementar sin basarse en guías de ondas (es decir, mediante enfoques de propagación de haz libre).
Esto se muestra en la figura 44A esquemáticamente para la iluminación, en la figura 44B esquemáticamente para la detección y en la figura 44C esquemáticamente para la proyección. Sin embargo, en estos ejemplos de realización, la ventaja de espacio de instalación generada por la guía de ondas se pierde de nuevo (al menos parcialmente). Las figuras 44A - 44C muestran las formas de realización descritas con las respectivas configuraciones de haz libre con hologramas de volumen de reflexión. En las figuras 44D, 44E y 44F éstos se muestran junto con hologramas de volumen de transmisión. Todas las funciones no implementadas por propagación de haz libre se basan en las figuras 44A - 44F en la guía de ondas.
La extensión de la funcionalidad de un sistema óptico se muestra en la figura 45 usando el ejemplo de iluminación y detección en un microscopio 45 con el propósito de registrar una vista general de la muestra. En este caso, la radiación se acopla en una guía de ondas 1 y se conduce a la superficie de desacoplamiento holográfica de volumen 5, que a continuación se encarga del desacoplamiento de la radiación en el espacio de proyección (portamuestras 46). La radiación retrodispersada desde la muestra 47 se acopla de nuevo a la guía de ondas 1 mediante otro holograma de volumen 4' que transporta la radiación hasta el detector 11.
Con un diseño apropiado del sistema de iluminación del microscopio 45, el sistema basado en la guía de ondas 1 puede permanecer en la trayectoria del haz, por ejemplo, como buscador de muestras, sin interferir con la trayectoria del haz de iluminación de luz transmitido. Como alternativa a la disposición mostrada en la figura 45, el sistema de iluminación y formación de imágenes basado en la guía de ondas (guía de ondas 1) también puede montarse por encima de la muestra 47. Sin embargo, por regla general, el espacio de instalación entre el objetivo 48 del microscopio 45 y la muestra 47 está muy limitado en los microscopios.
En ambas variantes, la característica de que la iluminación y la detección se encuentran en el mismo lugar, así como en el eje óptico del microscopio 45, tiene un efecto positivo en la funcionalidad global del sistema. Gracias a la iluminación vertical de la muestra 47 y a la detección vertical de la radiación, se puede lograr una eficiencia relativamente alta (potencia de detección / potencia de iluminación). Al mismo tiempo, se proporciona una función de proyección. En los sistemas ópticos convencionales, esto sólo puede conseguirse con gran esfuerzo y/o mucho espacio de instalación. En el caso de la ventana funcionalizada 40 o de la guía de ondas funcionalizada 1, una propiedad comparable sólo sería posible con fuentes de radiación y detectores transparentes.
Las formas de realización descritas de la guía de ondas 1 se pueden utilizar en el ámbito de los vehículos (por ejemplo, automóviles, camiones, motocicletas, etc.).
Para poder vigilar u observar el entorno exterior y el interior de los vehículos, se están instalando cada vez más sistemas de proyección óptica, como cámaras, tanto en el interior como en el exterior. En el transcurso del cambio del control puramente manual del vehículo por el ser humano a la conducción asistida y autónoma, cabe suponer que en el futuro se vayan a utilizar en el automóvil detectores cada vez más potentes para garantizar una tecnología de sensores completa y segura. Sin embargo, éstos no deben obstaculizar los requisitos estéticos, especialmente en el sector de la automoción. Lo ideal sería que la tecnología de sensores no fuera visible para el cliente o el usuario del automóvil.
Actualmente, los sistemas ópticos de detección se integran en zonas no transparentes, como la columna B. En ese caso, sólo se dispone de una pequeña abertura para el objetivo. Para aumentar la libertad de diseño y ofrecer a los ocupantes una mejor visión del exterior, en el futuro se reducirán las zonas no transparentes de la carrocería. Los
sensores basados en enfoques convencionales que son obligatorios en determinadas zonas ya no se podrán integrar de forma casi invisible. Este fenómeno ya es evidente en los sistemas ópticos de reconocimiento de señales de tráfico y de carriles que deben montarse necesariamente en la zona media superior del parabrisas para poder determinar correctamente los datos de medición. Cuando se utilizan sistemas ópticos clásicos, se crea una zona no transparente en el parabrisas que puede restringir la visión del conductor y repercutir negativamente en el aspecto del coche. Con la guía de ondas descrita, en el futuro será posible equipar todos los parabrisas de los coches con superficies detectoras sin mermar significativamente la transparencia. En este caso, la radiación procedente de la zona de acoplamiento prevista en el parabrisas puede acoplarse en el parabrisas y transportarse mediante guías de ondas hasta el detector que, en este caso, se puede montar en una zona no transparente del automóvil.
En las figuras 46A, 46B, 46C y 46D se ilustran esquemáticamente diferentes variantes de realización de la guía de ondas 1 en el parabrisas 50 de un automóvil 51. La zona de acoplamiento 4 puede colocarse en el lugar deseado del parabrisas 50, ya que no afecta significativamente a la transparencia del parabrisas en este lugar. La radiación acoplada a través de la zona de acoplamiento 4 es guiada por reflexiones en el parabrisas 50 hasta la zona de desacoplamiento 5, que puede situarse en una zona que ya no se utilice para la transparencia. En esta zona se puede situar igualmente el sistema detector 2 (no representado).
En la variante según la figura 46A, la zona de desacoplamiento 5 se encuentra en la zona del techo del vehículo. En la variante según la figura 46B, la zona de desacoplamiento se encuentra en la zona del capó o del salpicadero. Naturalmente, también es posible un acoplamiento lateral, como se muestra en las figuras 46C y 46D, de manera que la zona de desacoplamiento 5 se posicione, por ejemplo, en la zona de la columna A derecha (figura 46C) o izquierda (figura 46D). De este modo, el parabrisas 50 (o cualquier otra superficie transparente) puede funcionalizarse con ayuda de estructuras holográficas (de volumen) y/o estructuras microópticas en relieve para no influir significativamente en la transparencia de esta superficie durante la visión normal en un amplio rango de ondas y ángulos. Mediante la implementación funcional descrita, la radiación procedente del entorno o del interior del vehículo de motor se acopla al parabrisas 50. En tal caso, éste sirve de guía de ondas y, mediante, por ejemplo, la reflexión total, garantiza una propagación de la radiación hasta la zona de desacoplamiento que a su vez desacopla la radiación hacia el sistema detector 2. Por consiguiente, la superficie fundamentalmente transparente del parabrisas puede utilizarse como superficie de detección, mientras que el detector 11 puede colocarse en una posición ventajosa desde el punto de vista del diseño y/o funcional. Como consecuencia, la posición de la detección de radiación o de la grabación de la radiación ya no está vinculada a la posición del detector 11. Esto resulta especialmente ventajoso si la detección de la radiación debe tener lugar necesariamente en un lugar determinado que, sin embargo, debe presentar al mismo tiempo una gran transparencia.
El sistema de guía de ondas descrito en combinación con las figuras 46A - 46D también puede utilizarse en la trayectoria inversa de la luz para la iluminación de un espacio de objeto o con fines de proyección. En esta configuración, la radiación emitida por una fuente estática o dinámica (por ejemplo, una fuente de luz y/o una fuente de imagen) se acopla, a través de la zona de desacoplamiento, que ahora sirve como zona de acoplamiento y que se encuentra en la zona no transparente del vehículo, a la guía de ondas, es decir, a la luna 50, y se desacopla de nuevo con la ayuda de la zona de acoplamiento 4 que ahora sirve como zona de desacoplamiento y que se encuentra en la zona transparente.
Naturalmente también es posible combinar la detección descrita, así como la proyección o iluminación descritas y, a continuación, configurar las zonas de acoplamiento y desacoplamiento dispuestas en la zona transparente del parabrisas una al lado de otra o una encima de otra, como ya se ha descrito. Se puede conseguir una detección optimizada para una adaptación específica de la iluminación a la detección, especialmente espectral y dependiente del ángulo.
En la construcción más sencilla de la guía de ondas 1 (configuración infinita-infinita, grabada en una longitud de onda) debe tenerse en cuenta que en la dirección de plegado/guía de ondas en cada ángulo sólo se acopla una determinada banda espectral en la guía de ondas y finalmente se desacopla de nuevo. Si, por ejemplo, las zonas de acoplamiento y desacoplamiento 4, 5 se disponen una encima de otra, como se muestra en las figuras 46A y 46B, resulta un gradiente de color dependiente del ángulo o de la ubicación relativamente con respecto a la carretera en la dirección vertical. Si la disposición se gira ± 90° (como se representa en las figuras 46C y 46D), el gradiente de color se dirige en dirección horizontal (es decir, paralelamente a la carretera). Por consiguiente, la alineación de la zona de acoplamiento con respecto a la zona de desacoplamiento 4, 5 debe seleccionarse cuidadosamente de acuerdo con de la tarea respectiva. En este caso también deben tenerse en cuenta las diferentes características del FoV de las dos direcciones perpendiculares (dadas por la relación de tamaño y la distancia de la zona de acoplamiento con respecto a la zona de desacoplamiento 4, 5 y la sensibilidad espectral del detector).
En el diseño de la zona de acoplamiento debería tenerse en cuenta además la inclinación de la respectiva luna 50 y la posición esperada del objeto a detectar. Por ejemplo, durante la observación del conductor con la ayuda de la zona de acoplamiento 4 introducida en el parabrisas, debe aplicarse un desplazamiento angular del FoV vertical en forma de una función de desviación correspondiente, de manera que el eje óptico en la dirección vertical coincida aproximadamente con la zona de la cara del conductor y no se detecte, por ejemplo, el torso del conductor. Por consiguiente, mediante un diseño especial de la zona de acoplamiento 4 puede llevarse a cabo una adaptación al objeto esperado y a su proyección. Resulta la misma relación para el uso del sistema de guía de ondas como iluminación. Aquí, la zona de desacoplamiento 5 debe adaptarse a la iluminación deseada del espacio del objeto.
La configuración descrita en combinación con las figuras 10 a 15 para proporcionar una funcionalidad RGB resulta ventajosa para la tecnología de sensores en el sector del automóvil, a fin de evitar fallos de detección en los distintos rangos angulares como consecuencia de la ausencia de componentes espectrales. De este modo se garantiza que en cada ángulo se pueda detectar una señal en un rango espectral definido (en un caso ideal la sensibilidad espectral del detector). Además, la seguridad contra fallos de detección debidos a la insensibilidad espectral de la zona de acoplamiento 4 también se puede aumentar mediante la implementación de las zonas de acoplamiento y desacoplamiento 4, 5 con la ayuda de las estructuras superficiales en relieve descritas.
La variante de la guía de ondas descrita en combinación con las figuras 16 a 20 para el aumento del FoV horizontal, en la que el FoV horizontal se aumenta mediante la codificación en el FoV vertical, puede utilizarse ventajosamente en el sector del automóvil, dado que aquí se requiere a menudo un FoV horizontal fundamentalmente mayor que el FoV vertical.
La variante descrita en combinación con las figuras 21 y 22 para el aumento de la eficacia de detección puede utilizarse ventajosamente en el sector del automóvil, ya que están disponibles grandes superficies en forma de lunas para la zona de acoplamiento 4. Por lo tanto, la potencia de haz se puede dirigir en la mayor medida posible al sistema detector 2, siendo también posible grabar información de imagen en condiciones de poca luz.
Además, también existe la posibilidad de acoplar radiación fuera del rango espectral visual, por ejemplo, la radiación del infrarrojo cercano. Si se utiliza un sistema detector adecuado, es posible grabar información de imagen en condiciones de iluminación deficientes para las personas.
Como se ha descrito en combinación con las figuras 33 a 45, las guías de ondas funcionalizadas 1 pueden funcionalizarse no sólo para el registro de la radiación, sino también para la iluminación del espacio del objeto o para la proyección. Con esta finalidad se utiliza la trayectoria de luz opuesta en comparación con las disposiciones de detección descritas mediante la guía de ondas 1. De este modo, la zona exterior y/o interior del vehículo pueden iluminarse de forma selectiva para garantizar una detección fiable incluso en condiciones de iluminación deficientes. Por ejemplo, pueden evitarse fallos de detección en los distintos rangos angulares, como los que se pueden producir en la realización más simple de la guía de ondas 1 en ausencia de distintos rangos espectrales. En este caso deben coordinarse la iluminación artificial y la sensibilidad espectral dependiente del ángulo de la superficie de acoplamiento.
En el caso de los parabrisas 50 y las ventanillas traseras de los vehículos de motor ya existe en la actualidad una demanda especialmente elevada de configurar las superficies de detección, que se encuentran en lugares definidos, lo más transparentes posible y de desplazar los correspondientes detectores o sistemas detectores 2 a zonas no transparentes dentro de la carrocería. Esto permite una visión libre para el conductor y, al mismo tiempo, una integración de sensores ópticos para los sistemas de asistencia al conductor, con lo que se puede aumentar la seguridad en el tráfico rodado. Además de la detección en la zona exterior, la funcionalización antes descrita también permite la grabación de información de imagen en el interior del vehículo. Con las secuencias de imágenes así obtenidas se pueden implementar, en combinación con los procesamientos de datos adecuados, otros sistemas de seguridad como, por ejemplo, una detección de somnolencia o un control de gestos. De este modo también es posible la identificación del conductor y/o de los pasajeros sin un orificio visible para una cámara.
Al igual que en el parabrisas y la ventanilla trasera, las superficies de desacoplamiento y los detectores también pueden alojarse en las lunas laterales fijas en las zonas de la carrocería que forman un marco. Aquí, la funcionalización adicional también puede servir para el registro de información de imágenes en las zonas interior y exterior sin influir sustancialmente en la transparencia de la superficie.
También es posible la integración de varios sistemas detectores en diferentes lunas de un vehículo. De este modo, la posición de personas y objetos en el espacio se puede determinar como en un sistema de coordenadas de 3 dimensiones (palabra clave: tomografía y, por consiguiente, medición desde varias perspectivas).
La disposición de las superficies funcionalizadas y del detector también puede trasladarse a la construcción de iluminación. Sin embargo, en este caso la superficie de desacoplamiento, es decir, la superficie emisora, se encuentra en la zona transparente y la superficie de acoplamiento, incluida la fuente de radiación, se encuentra en la zona no transparente.
Con un diseño adecuado del sistema de detección y/o iluminación, la superficie de desacoplamiento del sistema de iluminación puede coincidir con la superficie de acoplamiento del sistema detector.
En comparación con las lunas fijas, la disposición de la superficie de desacoplamiento en caso de lunas desplazables se elige preferiblemente de manera que la misma esté situada en zonas que no se encuentren dentro de la carrocería o no dentro de una zona no transparente incluso durante o después del procedimiento. Además, el sistema detector debe estar unido firmemente a la luna desplazable, a fin de garantizar la función de detección también durante o después del procedimiento. En las figuras 47A - 47C se representan diversas disposiciones de las zonas de acoplamiento y desacoplamiento en el ejemplo de una luna lateral desplazable.
Claims (12)
1. Guía de ondas funcionalizada para un sistema detector,
presentado la guía de ondas (1) un cuerpo base (6) transparente con una cara anterior (7) y una cara posterior (8), presentando el cuerpo base (6) una zona de acoplamiento (4) parcialmente transparente y una zona de desacoplamiento (5) separada de la misma en una primera dirección (R1),
desviando la zona de acoplamiento (4) únicamente una parte de la radiación procedente de un objeto que debe detectarse y que incide en la cara anterior (7), de manera que la parte desviada se propague como radiación acoplada en el cuerpo base (6) por reflexión hasta la zona de desacoplamiento (5) e incida en la zona de desacoplamiento (5), desviando la zona de desacoplamiento (5) al menos una parte de la radiación acoplada que incide en ella de modo que la parte desviada salga del cuerpo base (6) a través de la cara anterior (7) o posterior (8) para incidir en el sistema detector (2), siendo la extensión de la zona de acoplamiento (4) en una segunda dirección (R2) transversal a la primera dirección (R1) mayor que la extensión de la zona de desacoplamiento (5) en la segunda dirección (R2), presentando la zona de acoplamiento (4) a lo largo de la segunda dirección al menos dos estructuras de acoplamiento de difracción diferentes que desvían la radiación del mismo campo de visión y que se diferencian por presentar un componente de desviación diferente en la segunda dirección,
eligiéndose el componente de desviación en la segunda dirección para cada una de las estructuras de difracción de acoplamiento desplazadas a lo largo de la segunda dirección con respecto a la zona de desacoplamiento (5), de manera que el desplazamiento existente se compense para la radiación acoplada y que la radiación acoplada incida, por lo tanto, en la zona de desacoplamiento, y
configurándose la zona de desacoplamiento (5) de manera que desvíe la radiación acoplada por las diferentes estructuras de acoplamiento de difracción en el mismo rango angular.
2. Guía de ondas según la reivindicación 1, en la que cada una de las estructuras de acoplamiento de difracción está formada por un holograma de volumen reflectante o transmisivo.
3. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de desacoplamiento (5) presenta un holograma de volumen reflectante o transmisivo.
4. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de desacoplamiento (5) presenta una superficie de espejo o un prisma.
5. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de desacoplamiento (5) presenta una rejilla en relieve reflectante o transmisiva.
6. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de desacoplamiento (5) presenta una estructura de Fresnel reflectante o transmisiva.
7. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de acoplamiento (4) y/o la zona de desacoplamiento (5) tienen adicionalmente una función óptica de formación de imágenes, además de la desviación del haz.
8. Guía de ondas según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la zona de acoplamiento (4) transmite una parte de la radiación procedente del objeto que debe detectarse y que incide en la cara anterior (7) de manera que salga del cuerpo base a través de la cara posterior (8).
9. Sistema detector con una guía de ondas funcionalizada según una de las reivindicaciones que anteceden.
10. Sistema detector según la reivindicación 9, presentando el sistema detector un detector en el que incide la parte de la radiación desviada por la zona de desacoplamiento.
11. Sistema detector según la reivindicación 10, conectándose el detector (11) a la cara anterior o posterior (7, 8) del cuerpo base (6).
12. Sistema detector según la reivindicación 10 u 11, en el que no se dispone ningún elemento óptico de imagen separado entre el detector (11) y la cara anterior o posterior (7, 8).
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