PL209571B1 - Urządzenie optyczne z materiałem o całkowitym wewnętrznym odbiciu światła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie optyczne z materiałem o całkowitym wewnętrznym odbiciu światła, które zawiera wiele powierzchni odbijających usytuowanych w tym samym przewodzącym światło materiale optycznym. Urządzenie według wynalazku przeznaczone jest zwłaszcza do wyświetlaczy nagłownych i wyświetlaczy przeziernych, wyświetlaczy kompaktowych, kompaktowych ekspanderów wiązki oraz płaskich iluminatorów.

Opis zgłoszenia międzynarodowego WO 99/52002 przedstawia holograficzne urządzenie optyczne służące jako zestaw soczewek obrazujących i jako sprzęgacz w wyświetlaczu osłony. Urządzenie holograficzne zawiera materiał przewodzący światło i trzy holograficzne elementy optyczne usytuowane w tym materiale. Pierwszy element holograficzny jest oświetlany przez źródło światła usytuowane za tym elementem. Światło z tego pierwszego elementu jest uwięzione wewnątrz materiału optycznego do dotarcia do drugiego elementu holograficznego uginającego światło wpływające. Rozproszone światło jest wyprowadzane z materiału optycznego przez trzeci element holograficzny.

Opis patentowy US 5 896 232 przedstawia urządzenie optyczne przeznaczone zwłaszcza do wyświetlaczy nagłownych. To urządzenie optyczne ma wiele częściowo odbijających powierzchni usytuowanych równolegle i w odległości względem siebie wewnątrz materiału optycznego o grubości kilku milimetrów. Częściowo odbijające powierzchnie są nierównoległe do głównych powierzchni materiału optycznego. Częściowo obijające powierzchnie działają jako ekspander promieni. W związku z tym, ż e sprzężone światło rozchodzi się prostopadle do głównych powierzchni materiału optycznego, wyprowadzenie światła na przeciwną stronę materiału następuje w tym samym miejscu co jego wprowadzenie. Zatem nie występuje w tym rozwiązaniu światło uwięzione wewnątrz materiału optycznego.

W opisie patentowym US 5076 664 przedstawione jest urządzenie optyczne umoż liwiające wprowadzenie kolimowanego obrazu do pola widzenia obserwatora, zawierające sprzęgacz optyczny mający co najmniej jedno zwierciadło o częściowym odbiciu. Urządzenie ma generator obrazów i układ optyczny kolimacji, który wraz z generatorem wytwarza kolimowany obraz. Kolejnym elementem optycznym jest zespół symetryzacji zestawiony z układu zwierciadeł, które odbijają część padających strumieni wejściowych. Dzielnik strumieni jest wbudowany do materiału optycznego i utworzony z szerokopasmowego zwierciadł a o częściowym odbiciu, które jest usytuowane poś rodku odległ o ś ci pomiędzy dwiema dużymi płaszczyznami materiału optycznego, zorientowanego równolegle względem tych płaszczyzn. Odbija ono częściowo padające strumienie wejściowe po wprowadzeniu ich do materiału optycznego. Strumienie wejściowe padają na czołową powierzchnię materiału optycznego pod kątem ostrym około 45 stopni lub większym, są one wyprowadzone z materiału optycznego pod stosunkowo mniejszymi kątami około 15 stopni. Opisane urządzenie nie zawiera środków optycznych służących do wprowadzania światła do materiału optycznego.

Jednym z ważniejszych zastosowań kompaktowych elementów optycznych jest ich użycie w wyświetlaczach nagłownych, w których moduł optyczny służy zarówno jako soczewka odwzorowująca obraz jak i jako sprzęgacz, w którym wyświetlany dwuwymiarowy obraz jest rzutowany w nieskończoność i odbijany do oka patrzącej osoby. Wyświetlany obraz można uzyskać bezpośrednio z monitora kineskopowego lub z wyświetlacza ciekłokrystalicznego, lub pośrednio, za pomocą soczewki przekaźnikowej lub wiązki światłowodowej. Zazwyczaj wyświetlany obraz składa się ze zbioru punktów, które są rzutowane w nieskończoność przez soczewkę kolimującą i przekazywane do oka patrzącej osoby przez częściowo odbijającą powierzchnię działającą jako sprzęgacz. Do tych celów stosuje się moduł optyczny. Wraz ze wzrostem wymaganego pola widzenia, moduł optyczny musi być większy, co stanowi problem w urządzeniach nagłownych. Ponadto pole ruchu oka dla kątów widzenia wynikających z tych konstrukcji jest zazwyczaj bardzo małe - zazwyczaj poniżej 8 mm. Stąd też parametry układu optycznego są bardzo wrażliwe nawet na niewielkie ruchy osłony twarzy względem oka osoby patrzącej.

Urządzenie optyczne z materiałem o wewnętrznym odbiciu światła według wynalazku zawiera przewodzący światło materiał optyczny, mający co najmniej dwie główne powierzchnie i powierzchnie boczne, główne powierzchnie zatrzymujące promienie świetlne wewnątrz materiału optycznego poprzez całkowite wewnętrzne odbicie. Ponadto urządzenie zawiera wiele częściowo odbijających powierzchni, usytuowanych równolegle względem siebie i w oddaleniu od siebie wewnątrz materiału optycznego w przestrzeni pomiędzy głównymi powierzchniami, pod pierwszym kątem a_sur2 względem normalnej do powierzchni materiału optycznego. Urządzenie ma również optyczne elementy sprzęgające promienie świetlne do materiału optycznego.

PL 209 571 B1

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że promienie świetlne są kolimowane i sprzęgane do materiału optycznego poprzez jedną z głównych powierzchni tego materiału, w którym elementy sprzęgające, po przyjęciu promieni świetlnych padających na materiał optyczny, sprzęgają padające promienie świetlne do tego materiału, tak że są one zatrzymywane przez główne powierzchnie poprzez całkowite wewnętrzne odbicie. Sprzęgnięte promienie świetlne są skierowane pod drugim kątem a_in względem normalnej do powierzchni materiału optycznego, tak, że sprzęgnięte promienie świetlne docierają do równoległych częściowo odbijających powierzchni, po co najmniej jednym wewnętrznym odbiciu od jednej z głównych powierzchni pod kątem padania względem częściowo odbijających powierzchni, który jest

- kątem padania e'_ref, przy którym współczynnik odbicia jest niski, albo

- innym kątem padania e_ref, pod którym częściowo odbijająca powierzchnia przekazuje pierwszą część sprzęgniętych promieni świetlnych i odbija drugą część tych promieni na zewnątrz materiału optycznego.

Na skutek tego przekazywane promienie świetlne są zatrzymywane i propagowane następnie w materiale optycznym z co najmniej częściowym odbiciem na zewnątrz przez inną częściowo odbijającą powierzchnię.

Propagowane uwięzione promienie odbite od powierzchni wewnątrz materiału docierają do pierwszej częściowo odbijającej powierzchni po odbiciu się parzystą ilość razy a inne promienie - po odbiciu się nieparzystą ilość razy.

Uwięzione promienie świetlne padają na częściowo odbijającą powierzchnię bezpośrednio po odbiciu od jednej z głównych powierzchni a na inną częściowo odbijającą powierzchnię - bezpośrednio po odbiciu od drugiej głównej powierzchni. Uwięzione promienie świetlne mają wewnątrz materiału optycznego ten sam kąt odchylenia względem normalnej do powierzchni materiału optycznego, i padają na częściowo odbijające powierzchnie z dwóch różnych kierunków.

Kąt padania pomiędzy uwięzionymi promieniami świetlnymi a normalną do częściowo odbijającej powierzchni w jednym z wymienionych kierunków padania jest mniejszy niż kąt padania w drugim kierunku.

Współczynnik odbicia od częściowo odbijających powierzchni jest niski dla jednego z wymienionych kierunków padania.

Tylko w jednym z wymienionych kierunków padania część promieni jest sprzęgana na zewnątrz materiału optycznego.

W drugim z wymienionych kierunków padania promienie świetlne są przekazywane poprzez częściowo odbijające powierzchnie bez odbicia.

Uwięzione promienie świetlne przechodzą przez co najmniej dwie różne częściowo odbijające powierzchnie pomiędzy dwoma odbiciami od tej samej głównej powierzchni materiału optycznego.

Uwięzione promienie świetlne przechodzą przez co najmniej dwie różne częściowo odbijające powierzchnie pod dwoma różnymi kątami padania.

Uwięzione promienie świetlne oświetlają cały obszar co najmniej jednej odbijającej powierzchni.

Uwięzione promienie świetlne oświetlają obszar jednej z głównych powierzchni, który jest większy niż rzut częściowo odbijającej powierzchni na jedną z głównych powierzchni.

Dla wszystkich wariantów urządzenia główne powierzchnie materiału optycznego mogą być pokryte niejednolitą powłoką o współczynniku przepuszczania różnym dla różnych współczynników odbicia częściowo odbijających powierzchni.

Dla wszystkich wariantów urządzenia współczynnik odbicia każdej z częściowo odbijającej powierzchni może być różny dla górnej i dolnej części tej częściowo odbijającej powierzchni.

Wynalazek można zastosować do zaprojektowania i wyprodukowania elementów optycznych do wyświetlaczy umieszczonych na osłonie twarzy, w których to wyświetlaczach moduł optyczny ma bardzo zwartą budowę i jest łatwy w użyciu, a nawet do układów o bardzo wysokim polu widzenia. Ponadto, pole ruchu oka układu optycznego jest stosunkowo duże i stąd może pozwalać na znaczne ruchy osłony twarzy. Układ według wynalazku jest szczególnie korzystny, ponieważ ma bardzo zwartą budowę i można go z łatwością wbudować nawet w układach optycznych o specjalistycznej konfiguracji.

Wynalazek pozwala także na zbudowanie ulepszonych wyświetlaczy przeziernych (HUD - Head-up Display) w samolotach bojowych i w samolotach cywilnych, w których systemy wyświetlaczy przeziernych odgrywają ważną rolę w operacji lądowania. Ponadto możliwe jest zainstalowania wyświetlaczy przeziernych w samochodach jako pomocy w kierowaniu samochodem i nawigacji.

PL 209 571 B1

Wynalazek umożliwia skonstruowanie wyświetlacza przeziernego o zwartej budowie. Sprzęgacz może być oświetlany przy pomocy kompaktowego źródła obrazu przymocowanego do materiału optycznego. Dzięki temu cały układ jest bardzo zwarty i można go z łatwością zainstalować i korzystać z niego w różnych miejscach i zastosowaniach. Ponadto stosunkowo mała jest chromatyczna dyspersja wyświetlanego obrazu i w związku z tym źródło światła może mieć szerokie spektrum, nawet podobne do tego jakie jest w konwencjonalnych źródłach dających światło białe.

Kolejnym zastosowaniem wynalazku jest wykorzystanie go jako kompaktowego ekspandera wiązki. Ekspandery wiązki, służące do powiększania wąskiej skolimowanej wiązki do wiązki o większej średnicy, zawierają zazwyczaj zespół teleskopowy składający się z dwóch soczewek umieszczonych na wspólnej osi i mających wspólne ognisko. Wynalazek umożliwia wprowadzenie ekspandera wiązki światła, który może być stosowany zarówno przy zastosowaniu światła monochromatycznego i polichromatycznego.

Wynalazek jest przedstawiony w nawiązaniu do wybranych przykładów jego wykonania, w połączeniu z ilustrującymi go figurami.

Na poszczególnych figurach przedstawiono:

Pos. 1 - widok boczny najprostszej postaci kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego według stanu techniki;

Fig. 2 - widok boczny najprostszej postaci kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego według wynalazku;

Fig. 3 - przedstawia pożądany sposób odbicia częściowo odbijających powierzchni dla różnych kątów padania;

Fig. 4 - przedstawia krzywe obrazujące współczynnik odbicia dla powłok dichroicznych;

Fig. 5 - przedstawia schematyczny boczny widok odbijającej powierzchni według wynalazku;

Fig. 6A i 6B - przedstawiają szczegółowy widok boczny zespołu częściowo odbijających powierzchni;

Fig. 7 - przedstawia boczny widok urządzenia według wynalazku, wykorzystującego półfalówkę dla obrócenia kąta polaryzacji padającego światła;

Fig. 8 - przedstawia boczny widok układu wyświetlacza nagłownego według wynalazku;

Fig. 9 - przedstawia szczegółowy widok boczny odbicia od zespołu częściowo odbijających powierzchni, dla trzech różnych kątów widzenia;

Fig. 10 - stanowi wykres przedstawiający wyniki symulacji obliczeń jasności rzutowanego obrazu wraz ze sceną zewnętrzną;

Fig. 11 - przedstawia boczny widok kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego według innego przykładu realizacji wynalazku;

Fig. 12 - przedstawia wykres ilustrujący skuteczność odbicia światła w funkcji pola widzenia;

Fig. 13 - przedstawia konfigurację kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego mającego trzy zespoły odbijających powierzchni, według wynalazku; Fig. 14 - przedstawia perspektywiczny widok całości kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego według wynalazku;

Fig. 15 - przedstawia inny widok kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego mającego trzy zespoły odbijających powierzchni, według wynalazku; Fig. 16 - przedstawia perspektywiczny widok kompaktowego kierowanego przez materiał optyczny nagłownego urządzenia optycznego, według wynalazku;

Fig. 17 - przedstawia boczny widok alternatywnej konfiguracji do rozszerzania wiązki światła, według wynalazku;

Fig. 18 - przedstawia boczny widok innego przykładu realizacji urządzenia według wynalazku;

Fig. 19 i 20 - przedstawiają modyfikacje realizacji wynalazku z fig. 17;

Fig. 21 - przedstawia jeszcze inny przykład realizacji wynalazku;

Fig. 22 i 23 - przedstawiają jeszcze inny przykład realizacji wynalazku zastosowany w okularach;

Fig. 24 - przedstawia metodę wykorzystania urządzenia w telefonie komórkowym;

Fig. 25 - przedstawia układ przezierny według wynalazku;

Fig. 26 - przedstawia alternatywny przykład realizacji układu przeziernego o większym polu widzenia, według wynalazku;

Fig. 27 - przedstawia przykład realizacji zastosowany do soczewki o podwójnej ogniskowej, według wynalazku;

Fig. 28 - przedstawia metodę połączenia i wprowadzenia do oka osoby patrzącej dwóch elementów zewnętrznej sceny przy pomocy urządzenia według wynalazku;

PL 209 571 B1

Fig. 29 - przedstawia kompaktowy, kierowany przez materiał optyczny ekspander wiązki optycznej stosowany do oświetlania, według wynalazku;

Fig. 30 - przedstawia krzywą, ukazującą intensywność fali wychodzącej w funkcji odległości propagacji wewnątrz materiału optycznego wzdłuż osi ξ;

Fig. 31A i 31B - przedstawiają kompaktowy, kierowany przez materiał optyczny ekspander wiązki optycznej stosowany do oświetlania, według wynalazku;

Fig. 32 - przedstawia metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni według wynalazku;

Fig. 33 - przedstawia inną metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni według wynalazku;

Fig. 34 - przedstawia kolejną metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni według wynalazku;

Fig. 35 - przedstawia jeszcze inną metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni według wynalazku, oraz

Fig. 36 - przedstawia metodę uzyskiwania niejednorodnych powłok na odbijających powierzchniach, według wynalazku.

Pos. 1 przedstawia najprostszą postać kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego, według stanu techniki, w którym materiał optyczny 2 jest oświetlany przez źródło 4 wyświetlanego obrazu. Wyświetlany obraz jest kolimowany przez soczewkę kolimacyjną. Światło ze źródła 4 wyświetlanego obrazu jest wprowadzane do materiału optycznego 2 przez pierwszą odbijającą powierzchnię 8 w taki sposób, że główny promień 10 jest równoległy do powierzchni materiału optycznego. Druga odbijająca powierzchnia 12 wyprowadza światło z materiału optycznego kierując je do oka 14 osoby patrzącej. Pomimo zwartości tego układu, ma on pewne wady, z których główna polega na tym, że możliwe do uzyskania pole widzenia jest bardzo ograniczone. Jak przedstawia Pos. 1, maksymalnie dozwolone odchylenie osi wewnątrz materiału optycznego wynosi:

amax — arctan ^{T -d}eye

2l (1) gdzie:

T jest grubością materiału optycznego;

Deye jest żądaną średnicą wylotową źrenicy urządzenia, a

L jest odległością pomiędzy odbijającymi powierzchniami 8 i 12.

Dla kątów większych niż a_max promienie będą odbijane od powierzchni materiału optycznego przed dotarciem do powierzchni odbijającej 12. Stąd też powierzchnia odbijająca 12 będzie oświetlana nie pod tym kątem, który jest pożądany i pojawią się obrazy-zjawy.

Dlatego też maksymalne pole widzenia jakie jest osiągalne przy tej konfiguracji będzie:

^FOVmax ~ ^{2 va}max ⁽²⁾ gdzie:

ν jest współczynnikiem załamania światła dla powierzchni 8, który przyjmuje zazwyczaj wartość z przedziału 1,5 do 1,6.

Typowa średnica źrenicy oka wynosi 2-6 mm. Jednakże aby możliwe było dostosowanie ruchu wyświetlanego obrazu, konieczna jest większa średnica źrenicy wyjściowej. Dlatego też minimalna dopuszczalna wartość wynosi około 8 mm. Dla typowej wielkości głowy wartość 1 wynosi od 40 do 60 mm. W związku z tym nawet dla małego pola widzenia wynoszącego 8° wymagana grubość materiału optycznego będzie rzędu 12 mm.

Możliwe są sposoby pokonania tego problemu, takie jak zastosowanie powiększającego teleskopu wewnątrz materiału optycznego, nierównoległe kierunki wprowadzania/wyprowadzania światła i inne. Jednakże nawet przy zastosowaniu tych rozwiązań, zastosowanie tylko jednej powierzchni odbijającej obraz do oka daje podobne ograniczenie. Pole widzenia jest ograniczone przez średnicę projekcji powierzchni odbijającej 12 na płaszczyznę materiału optycznego. Łatwo zauważyć, że maksymalne osiągalne pole widzenia wynosi w związku z tym ograniczeniem:

FOV ^{Ttan α} sur ^{- d}eye eye (3)

PL 209 571 B1 gdzie:

a_sur jest kątem pomiędzy odbijającą powierzchnią a normalną do płaszczyzny materiału optycznego, oraz

Reye jest odległością pomiędzy okiem patrzącego a materiałem optycznym (zazwyczaj około 30-40 mm).

Zazwyczaj tana_sur nie może być większy niż 2; stąd przy tych samych założeniach jak opisano powyżej dla pola widzenia wynoszącego 8° wymagana grubość materiału optycznego jest rzędu 7 mm. Jednakże wraz ze wzrostem pożądanego pola widzenia, grubość materiału optycznego szybko się zwiększa. Na przykład przy wymaganym polu widzenia wynoszącym 15° i 30° otrzymujemy grubości materiału optycznego wynoszące, odpowiednio, 9 mm i 14 mm.

W celu pokonania wyżej wspomnianych ograniczeń wynalazek stosuje zestaw częściowo odbijających powierzchni. Fig. 2 przedstawia boczny widok kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego według wynalazku. Pierwsza odbijająca powierzchnia 16 jest oświetlona przez skolimowane promienie 18 wychodząc ze źródła (nie pokazanego), które znajduje się za urządzeniem. Odbijająca powierzchnia 16 odbija światło padające ze źródła w taki sposób, że światło zostaje uwięzione wewnątrz płaskiego materiału optycznego 20 na skutek całkowitego odbicia wewnętrznego. Po kilkakrotnym odbiciu wewnątrz materiału optycznego, uwięzione światło dociera do zespołu równoległych, częściowo odbijających powierzchni 22, które wyprowadzają to światło z materiału optycznego i kierują je do oka osoby patrzącej 24. Zakładając, że środkowy promień ze źródła jest wyprowadzany z materiału optycznego 20 w kierunku normalnym do powierzchni materiału optycznego 26, a kąt odchylenia dla promienia załamanego w materiale optycznym 20 wynosi a_in, wówczas kąt a_sur2 pomiędzy odbijającymi powierzchniami a normalną do powierzchni materiału optycznego wynosi:

asur2 = ^a2n (4)

Jak widać z Fig. 2, uwięzione promienie docierają do odbijających powierzchni z dwóch kierunków 28, 30. W tym konkretnym przykładzie wykonania, uwięzione promienie docierają do odbijających powierzchni z jednego z tych kierunków 28, po odbiciu się parzystą ilość razy od powierzchni 26 materiału optycznego, gdzie kąt padania e_ref pomiędzy promieniem padającym a normalną do odbijającej powierzchni wynosi:

_a e_ref =90°-(ain - asur2) = 90°- (5)

Uwięzione promienie docierają do odbijającej powierzchni z drugiego kierunku 30 po odbiciu się nieparzystą ilość razy od powierzchni 26 materiału optycznego, gdzie kąt odchylenia od osi wynosi a'in = 180°-ain a kąt padania pomiędzy uwięzionym promieniem a normalną do odbijającej powierzchni wynosi:

3a e_ref = 90° -(ain - asur2) = 90° - (180° - ain - asur2) = -90° + (6)

Aby zapobiec niepożądanym odbiciom i obrazom-zjawom, ważne jest, aby współczynnik odbicia był niewielki dla jednego z tych dwóch kierunków. Właściwe rozróżnienie pomiędzy dwoma kierunkami padania można osiągnąć wtedy, gdy jeden z kątów jest znacznie mniejszy niż drugi. Jednym z rozwiązań pozwalających na spełnienie tego wymogu jest przypadek, w którym e_ref ~ 0°. Wstawiając tę wartość do równania (5) otrzymujemy ain ~ 180°. Oczywiście takie rozwiązanie nie jest praktycznie osiągalne. Drugie rozwiązanie mamy w przypadku gdy e'_ref ~0°, co daje nam:

β’ι-ef =60°; ain = 60°; a'in =120°; asur2 = 30° (7)

Fig. 3 przedstawia wymagany przebieg odbicia częściowo odbijających powierzchni. O ile promień 32, mający kąt odchylenia od osi wynoszący e_ref ~ 60°, jest częściowo odbity i zostaje wyprowadzony z materiału optycznego 34, to promień 36, który dociera w kierunku normalnym do powierzchni odbijającej 34, przechodzi przez powierzchnię odbijającą 34 bez zauważalnego odbicia.

Fig. 4 przedstawia krzywe współczynnika odbicia dla dichroicznej powłoki mającej za zadanie osiągnąć pożądany cel, przy czterech różnych kątach padania 0°, 52°, 60°, 68°. O ile współczynnik odbicia promienia normalnego jest znikomy dla całego zakresu stosowanego widma, promienie odPL 209 571 B1 chylone o kąt 60° osiągają niemalże stały współczynnik odbicia wynoszący 20% dla tego samego widma. Jak widać, współczynnik odbicia wzrasta ze wzrostem nachylenia kąta padania promieni. Jest rzeczą oczywistą, że współczynnik odbicia pierwszej powierzchni odbijającej powinien być możliwie jak najwyższy, aby wprowadzić jak najwięcej światła ze źródła wyświetlanego obrazu do materiału optycznego. Przyjmując, że środkowy promień ze źródła pada na materiał optyczny w kierunku normalnym, tj. α₀ = 180°, wówczas kąt a_sur1 zawarty pomiędzy pierwszą odbijającą powierzchnią a normalną do powierzchni materiału optycznego wyniesie:

^asur1 ^ain +^α0 ^a'sur1 a in + ^α0 (8)

W tym przypadku rozwiązanie da wartości asur1 i a'sur1 odpowiednio 120° i 150°.

Fig. 5 przedstawia boczny widok powierzchni odbijającej 36, która wyprowadza światło 38 ze źródła obrazu (nie pokazanego) i prowadzi do jego uwięzienia w materiale optycznym na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. Jak przedstawiono na rysunku, rzut S1 powierzchni odbijającej na powierzchnię 40 materiału optycznego wynosi:

S1 = Ttan(a) (9) gdzie:

T stanowi grubość materiału optycznego.

Oczywiście rozwiązanie a jest równe asur jest rozwiązaniem preferowanym, ponieważ powierzchnia odbierająca obraz na powierzchni materiału optycznego jest wówczas trzykrotnie większa niż dla innego rozwiązania. Przyjmując, że odebrany promień oświetla całą powierzchnię odbijającą, wówczas po odbiciu od powierzchni 36 oświetlona zostaje powierzchnia materiału optycznego o wielkości 2S1 = Ttan(a). Aby uniknąć zachodzenia na siebie odbijających powierzchni lub przerw pomiędzy nimi, obraz rzutowany z każdej powierzchni przylega do sąsiedniego. Stąd ilość N odbijających powierzchni 36, przez które przechodzi każdy odebrany promień podczas jednego cyklu (tj. pomiędzy dwoma odbiciami od tej samej powierzchni materiału optycznego) wynosi:

N = ^2S1 = ^2Ttan(asur1) (10) ^S2 ^Ttan(a sur2)

W tym przykładzie, gdzie asur2 =30° a asur1 - 120° mamy rozwiązanie N = 6, tzn. każdy promień przechodzi przez sześć różnych powierzchni podczas jednego cyklu. Należy zwrócić uwagę na fakt, że opisany powyżej przykład realizacji wynalazku przedstawiony na Fig. 5 stanowi przykład metody wprowadzania światła wejściowego do materiału optycznego. Jednakże światło wejściowe może być wprowadzane do materiału optycznego inną metodą optyczną, m.in. za pomocą pryzmatów, wiązek światłowodowych, siatek dyfrakcyjnych i innych.

Ponadto w przykładzie przedstawionym na Fig. 2 światło wejściowe i światło obrazu znajdują się po tej samej stronie materiału optycznego. Jednakże dopuszczalne są także inne konfiguracje, w których światło wejściowe i światło obrazu mogą znajdować się po przeciwnych stronach materiału optycznego. Możliwe są także zastosowania, w których światło wejściowe może być wprowadzane do materiału optycznego poprzez jego boczne krawędzie.

Fig. 6A to szczegółowy widok boczny zespołu częściowo odbijających powierzchni, które wprowadzają światło zatrzymane w materiale optycznym do oka osoby patrzącej. Jak widać, w każdym cyklu odebrany promień świetlny przechodzi przez cztery odbijające powierzchnie 42 ustawione pod kątem asur2 = 120°, na skutek czego promień pada normalnie do powierzchni a odbicia od tych powierzchni są do pominięcia. Ponadto promień przechodzi przez dwie odbijające powierzchnie 44 o kierunku asur2 = 60°, gdzie kąt padania wynosi 60° a część energii promienia zostaje wyprowadzona z materiału optycznego. Zakładając, że tylko jeden zespół sześciu częściowo odbijających powierzchni 22 zostanie użyty do wprowadzenia światła do oka osoby patrzącej, maksymalne pole widzenia wyniesie:

FOV ^{2T tan α} sur1 ^{- d}eye ^Reye (11)

PL 209 571 B1

Stąd też, przy tych samych założeniach, dla pola widzenia wynoszącego 8° wymagana będzie grubość materiału optycznego 4 mm; w przypadku gdy wymagane jest pole widzenia wynoszące 15° i 30°, materiał optyczny osią gnie grubość, odpowiednio, 5,3 mm i 8,2 mm. Są to oczywiście rozsą dniejsze wartości niż te, które uzyskuje się przy innych konfiguracjach. Ponadto, można zastosować więcej niż jeden zespół częściowo odbijających powierzchni. Widać wyraźnie, że stosując dwa zespoły powierzchni 22, zawierające 12 częściowo odbijających powierzchni, wymagana grubość materiału optycznego wyniesie dla pola widzenia 15° i 30°, odpowiednio, około 2,6 mm i 4,1 mm.

Jak pokazano na Fig. 6B, każda częściowo odbijająca powierzchnia jest oświetlona przez promienie optyczne o różnych energiach. O ile górna połowa każdej powierzchni 46 jest oświetlana przez promienie bezpośrednio po ich odbiciu od górnej powierzchni 48 materiału optycznego 29, to dolna połowa 50 każdej powierzchni jest oświetlana przez promienie, które już przeszły przez jedną częściowo odbijającą powierzchnię 46 i dlatego mają one niższą energię. Na skutek tego jasność światła, które jest odbijane od dolnej części powierzchni 50 jest mniejsza niż jasność światła, które jest odbijane od jej górnej części 46. Oczywiście problem ten należy rozwiązać aby wyświetlany obraz osiągnął równomierną jasność. W rzeczywistości problem ten można rozwiązać przez pokrycie odbijającej powierzchni dwiema różnymi powłokami, na skutek czego współczynnik odbicia górnej części 46 będzie niższy niż współczynnik odbicia dolnej części 50, tak by skompensować niejednakowe oświetlenie. Jeśli na przykład wymagany nominalny współczynnik odbicia wynosi 20%, wówczas górna część będzie miała ten właśnie współczynnik odbicia podczas gdy współczynnik odbicia części dolnej wyniesie 25%. Jednakże w większości przypadków problem ten można zupełnie pominąć. Jeśli materiał optyczny nie jest zbyt gruby wówczas dla każdego kąta widzenia światło odbijane do oka dochodzi z kilku odbijających powierzchni. Na przykład dla deye = 4 mm i T = 4 mm, gdzie deye jest średnicą źrenicy, oko oświetlane jest przez, w przybliżeniu, dwie odbijające powierzchnie dla każdego kąta widzenia. Ponieważ oko scala promienie światła, które dochodzą z danego kąta widzenia i ponieważ oko reaguje na światło logarytmicznie, oczekuje się, że małe różnice w jasności wyświetlanego obrazu, jeśli takie w ogóle wystąpią, nie będą zauważalne.

Inną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę jest polaryzacja światła. Wiadomo, że prościej jest zaprojektować i wytworzyć powierzchnie odbijające dla światła o polaryzacji S niż dla światła o polaryzacji P. Niektóre z kompaktowych źródeł obrazu (np. wyświetlacze z ciekłych kryształów nematycznych) są spolaryzowane liniowo. Jednakże są takie przypadki, w których wyświetlany obraz jest tak zorientowany, że przychodzące światło ma polaryzację P (równoległą) w stosunku do powierzchni odbijających. Problemowi temu można łatwo zaradzić przez zastosowanie półfalówki. Jak pokazano na Fig. 7, światło wychodzące ze źródła obrazu 4 jest spolaryzowane liniowo i ma polaryzację P. Dzięki zastosowaniu półfalówki 52 możliwe jest obrócenie polaryzacji w taki sposób, że światło będzie miało polaryzację S (prostopadłą) w stosunku do przekazującej światło odbijającej powierzchni 22.

Dalszą ważną kwestią jest równomierność jasności jako funkcja pola widzenia. Jak pokazano na Fig. 4, współczynnik odbicia każdej odbijającej powierzchni wzrasta wraz ze wzrostem kąta widzenia. Na szczęście, dzięki temu że źrenica oka jest stosunkowo mała, problem ten można rozwiązać. Fig. 8 przedstawia boczny widok układu wyświetlacza nagłownego opartego na proponowanej konfiguracji. Pojedyncza płaska fala 54, reprezentująca określony kąt widzenia, oświetla jedynie część całego zespołu częściowo odbijających powierzchni 22. Stąd więc dla każdej odbijającej powierzchni określony zostaje nominalny kąt widzenia i współczynnik odbicia dobierany jest w zależności od tego kąta.

Dokładne, szczegółowe projektowanie powłok dla różnych częściowo odbijających powierzchni przeprowadza się w następujący sposób: dla każdej konkretnej powierzchni wykreśla się promień (na podstawie odbicia wyznaczonego z prawa Snella) ze środka powierzchni do środka określonej źrenicy oka 58. Wyliczony kierunek określa się jako nominalny kierunek padania a poszczególne powłoki projektuje się według tego kierunku. Stąd więc dla każdego kąta widzenia średnia wartość współczynnika odbicia od określonej powierzchni będzie bardzo bliska wymaganego współczynnika odbicia.

Fig. 9 przedstawia szczegółowy boczny widok odbicia od zespołu częściowo odbijających powierzchni dla trzech różnych kątów widzenia. Dla kąta kierunku patrzenia odchylonego najbardziej w prawą stronę występują przerwy pomię dzy odbiciami, podczas gdy w przypadku kierunku patrzenia najbardziej odchylonego w lewą stronę, odbicia zachodzą na siebie. Przyjęcie różnych odległości pomiędzy każdą parą sąsiednich powierzchni 22 może temu problemowi zaradzić. To znaczy, odległości będą mniejsze dla części znajdującej się po prawej stronie 60 i mniejsze dla części po lewej stronie 64. Jednakże w większości zastosowań rozwiązanie takie może nie być konieczne, ponieważ dla więkPL 209 571 B1 szości wymaganych kątów pola widzenia przerwy pomiędzy odbiciami czy ich zachodzenie na siebie będzie raczej niewielkie (kąty widzenia na Fig. 8 są mocno przesadzone w celu zilustrowania problemu) i wyrażają się bardzo niewielkim wzrostem (po lewej stronie) lub spadkiem (po prawej stronie) intensywności światła odbitego. Ponadto, jak opisano powyżej, występuje przeciwna tendencja do występowania większego odbicia dla powierzchni znajdujących się po prawej stronie 60. Te dwa zjawiska mogą się więc wzajemnie kompensować, przynajmniej częściowo.

Inna kwestia, którą należy rozważyć odnosi się do układów wyświetlaczy mających stosunkowo szerokie pole widzenia, gdzie należy użyć co najmniej dwóch zespołów częściowo odbijających powierzchni 22. W tym przypadku światło, które jest odbijane od drugiego zespołu, przeszło już przez odbijające powierzchnie pierwszego zespołu i przynajmniej część energii została wyprowadzona z materiał u optycznego. Kwestię tę należ y rozpatrzyć dla dwóch róż nych zastosowań .

W systemach przeziernych, takich jak montowane na głowie wyświetlacze dla pilotów, w których osoba patrząca powinna widzieć obraz znajdujący się poza wyświetlaczem, odbicie nie powinno być zbyt silne, budowa powłok na drugim zespole powinna uwzględniać stratę energii na pierwszym zespole. Oznacza to, że współczynnik odbicia drugiego zespołu powinien być wyższy, aby uzyskać jednolitą jasność w obrębie całego pola widzenia. Ponieważ współczynnik odbicia nie jest już stały, niepożądanym skutkiem tego rozwiązania mógłby być niejednorodny obraz sceny widzianej przez materiał optyczny. Ta niejednorodność jest raczej niewielka. Jak widać z Fig. 4, współczynnik odbicia każdej odbijającej powierzchni wzrasta wraz ze wzrostem kąta widzenia. Dlatego też, ponieważ oczekuje się, że odchylenie kąta padania pomiędzy kątami padania z dwóch zespołów powierzchni wyniesie co najmniej 10°, strata będzie raczej niewielka. Jeśli przykładowo współczynnik odbicia dla kąta padania 70° wynosi 22%, wówczas współczynnik odbicia dla promienia mającego kąt padania 60° powinien być rzędu 6-7% a całkowita strata będzie poniżej 15%. Zmiana współczynnika przepuszczania materiału optycznego ze względu na konieczną poprawkę jest do pominięcia. Na przykład zmiana współczynnika odbicia z 22% na 25% da zmniejszenie współczynnika przepuszczania z 78% do 75%. W każ dym razie w ukł adach, w których jednolitość zewnę trznej sceny jest istotna, należ y nał o ż y ć specjalną niejednorodną powłokę na powierzchni materiału optycznego dla skompensowania nierównomierności materiału optycznego i osiągnięcia równomiernej jasności dla całego pola widzenia.

W ukł adach nieprzeziernych, takich jak wyświetlacze rzeczywistoś ci wirtualnej, materiał optyczny jest nieprzeźroczysty i współczynnik przepuszczania układu nie ma znaczenia. Jednakże w takim przypadku współczynnik odbicia może być raczej wyższy niż poprzednio i należy zachować ostrożność, aby zapewnić, by dostateczna ilość energii przeszła przez pierwszy zespół, aby zapewnić równomierną jasność wyświetlanego obrazu w obrębie całego pola widzenia.

Dla zilustrowania oczekiwanych parametrów typowego układu przeziernego przeprowadzono symulację komputerową, obliczając jasność zarówno rzutowanego obrazu jak i sceny widzianej na zewnątrz. Układ ma następujące parametry: T = 4 mm; a_in =60°; kąt pola widzenia = 30°; R_eye = 40 mm; ν = 1,5; liczba zespołów częściowo odbijających powierzchni = 2, nominalny współczynnik odbicia = 22%. Fig. 10 przedstawia wyniki tych obliczeń na obydwu wykresach, jednakże oczekuje się, że zmiany będą niezauważalne.

Alternatywną metodą projektowania jest zastosowanie odbić promieni mających drugi kąt odbicia, a mianowicie promieni, których kąt odchylenia od osi a'_in =1800-a_in. Wstawiając parametry z równania (7) do równania (4) otrzymujemy:

_a ^a in = ¹²⁰ = o a_Sur2 = -2^ = -^- = 60 (12)

Fig. 11 przedstawia boczny widok wymienionej alternatywnej konstrukcji. Pierwsza odbijająca powierzchnia 22 jest oświetlona przez skolimowany obraz 4, 6 (fig. 1) który jest umieszczony za tym elementem. Odbijająca powierzchnia odbija światło padające ze źródła w taki sposób, że światło zostaje zatrzymane w materiale optycznym na skutek całkowitego odbicia wewnętrznego. Po kilkakrotnym odbiciu wewnątrz materiału optycznego zatrzymane światło dociera do zespołu równoległych, częściowo odbijających powierzchni 22', które wprowadzają światło z materiału optycznego do oka osoby patrzącej.

Podstawową wadą tej konfiguracji jest niepożądane odbicie promieni mających wewnętrzny kąt ain. Oczywiście punkt źródła obrazu który jest kolimowany do nadchodzącego kierunku ε w materiale optycznym jest odbijany w kierunkach ain + ε oraz a'in + ε wewnątrz materiału optycznego. O ile

PL 209 571 B1 promień mający kierunek a_in + ε jest odbijany przez częściowo odbijające powierzchnie w kierunku wyjściowym ε, to promień 70 o kierunku a'_in + ε jest odbijany przez częściowo odbijające powierzchnie w niepożądanym kierunku wyjściowym a_in - ε. Promień 72 jest wówczas odbijany w niepożądanym kierunku -ε tworząc obraz-zjawę. Chociaż tylko niewielka część wiązki jest odbijana w niepożądanym kierunku, skutek tego zjawiska staje się bardziej znaczący ze wzrostem kąta pola widzenia; może dojść do zakłócenia obrazu odbieranego przez patrzącego, szczególnie na obrzeżu pola widzenia.

Chociaż nie da się uniknąć opisanych powyżej niepożądanych odbić, to problem obrazów-zjaw można rozwiązać przez zmianę kąta pierwszej odbijającej powierzchni. Jeśli przykładowo kąt ten zmieni się i przyjmie wartość asur1 - 63°, wówczas pozostałe parametry układu przyjmą wartości:

eref = 27°; ain = 54°; a'i_n = 136°; asur2 = 63° (13)

Stąd, jeśli kąt pola widzenia układu wynosi 16° a współczynnik załamania materiału optycznego wynosi 1,5, wówczas maksymalna wartość kąta odchylenia od osi dla obrazu w materiale optycznym wynosi 60°, kierunek niepożądanego odbicia wyniesie 66°, a kąt promienia wychodzącego wyniesie 18°, co oczywiście leży poza polem widzenia i przy odpowiedniej konstrukcji nie oświetli wyjściowej źrenicy wyjściowej.

Powyższe rozwiązuje nie tylko problem obrazów-zjaw. Część energii będzie nadal odbijana w niepożądanych kierunkach, co może zmniejszyć skuteczność i jakość odwzorowania obrazu. Jednakże ta alternatywna konstrukcja ma także pewne zalety: po pierwsze, dany kąt pola widzenia wymaga mniejszej liczby powierzchni. Po drugie, wymagane powłoki optyczne są nie tylko prostsze ale poza tym, pożądane odbicia można uzyskać przez odbicia Fresnela od tych powierzchni. To znaczy, zamiast pokrywać powierzchnie powłokami, można utworzyć cienką szczelinę powietrza pomiędzy niepokrytymi powierzchniami. Chociaż procedura ta nie jest optymalna, dostatecznie zadowalające wyniki można osiągnąć w dużo prostszym procesie produkcyjnym.

Fig. 12 przedstawia sprawność optyczną układu w funkcji kąta pola widzenia dla dwóch rodzajów źródeł: źródła o świetle niespolaryzowanym i źródła światła o polaryzacji S. Chociaż wydajności nie są w obydwu przypadkach takie same, problem ten można rozwiązać umieszczając nastawny tłumik obok źródła wyświetlanego obrazu. Tak więc można uzyskać jednorodną wydajność dla światła niespolaryzowanego oraz 15% wydajność dla światła o polaryzacji S.

Łatwo można zaprojektować powłoki optyczne pozwalające osiągnąć równomierne oświetlenie w całym zakresie pola widzenia. Jeśli na przykład stosowane są trzy częściowo dobijające powierzchnie, można je tak zaprojektować, by wartość ich współczynników odbicia wynosiła 20%, 25% i 33%, co da jednolitą sprawność wynoszącą 20% w zakresie całego pola widzenia.

Dotychczas omówiono pole widzenia wzdłuż osi ξ. Należy także rozważyć pole widzenia wzdłuż osi ortogonalnej η. Pole widzenia wzdłuż osi η, nie zależy od wielkości i ilości częściowo odbijających powierzchni tylko od wymiarów wzdłuż osi η fal wejściowych wprowadzanych do materiału optycznego. Maksymalne możliwe do osiągnięcia pole widzenia wzdłuż osi η wynosi:

FOV

Dn ^deye Reye + 1/(ν sin ain) (14) gdzie:

Dn jest poprzecznym wymiarem wzdłuż osi η fal wejściowych wprowadzanych do materiału optycznego.

To znaczy, że gdy wymagane pole widzenia wynosi 30°, wówczas stosując te same parametry co poprzednio, otrzymujemy dla wymaganego wymiaru poprzecznego wartość 42 mm. Wcześniej wykazano, że poprzeczne wymiary wzdłuż osi η fal wejściowych wprowadzanych do materiału optycznego określone są przez zależność Sl = Ttan(ain). Przy grubości materiału optycznego T = 4 mm otrzymujemy Sl = 6,8 mm. Oczywiście stosunek poprzecznych wymiarów wzdłuż obydwu osi wynosi 6. Nawet jeśli przyjmie się, że stosunek kształtu wynosi 4:3 (jak w wyświetlaczach wideo) oraz, że pole widzenia wzdłuż osi η wynosi 22°, wymagany poprzeczny wymiar wynosi około 34 mm a stosunek pomiędzy obydwoma osiami nadal będzie wynosił 5. Ta rozbieżność stwarza pewne problemy, między innymi sprawia konieczność stosowania soczewki kolimacyjnej o wysokiej aperturze liczbowej, lub stosowanie bardzo silnego źródła. W każdym razie przy takich wymiarach niemożliwe jest osiągnięcie poszukiwanego zwartego układu.

PL 209 571 B1

Alternatywną metodę rozwiązania tego problemu przedstawiono na Fig. 13. Zamiast stosować zestaw odbijających powierzchni 22 tylko wzdłuż osi ξ, inny zestaw odbijających powierzchni 22a, 22b, 22c umieszcza się wzdłuż osi η. Te odbijające powierzchnie umieszcza się normalnie do płaszczyzny materiału optycznego 20 wzdłuż dwusiecznej ξ, i η. Współczynniki odbicia tych powierzchni są tak dobrane aby osiągnąć równomierne fale wyjściowe. To znaczy, jeśli użyjemy trzech odbijających powierzchni wówczas ustalone będą współczynniki odbicia 33%, 50% i 100%, odpowiednio dla powierzchni 22a, 22b i 22c. Należy zwrócić uwagę, że układy przedstawione na układach zestawów powierzchni 22 i 22a-22c stanowią jedynie przykłady. Dopuszczalne są także inne układy pozwalające na zmniejszenie poprzecznych wymiarów fal światła na obydwu osiach stosownie do układu optycznego i wymaganych parametrów.

Fig. 14 przedstawia perspektywiczny widok całej konfiguracji kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego. Ugięte światło zostaje najpierw rozszerzone wzdłuż osi η a następnie wzdłuż osi ξ. Ponieważ rzut światła wejściowego na płaszczyznę materiału optycznego jest obrócony o 90° w stosunku do układu przedstawionego na. Fig. 2, to poprzeczny wymiar S_n wzdłuż osi η fali środkowej po przekazaniu jej na materiał optyczny dany jest wzorem S_n = 2T tan(a_in). By osiągnąć symetryczną falę sprzężoną, najlepiej wybrać konfigurację, w której wprowadzana fala będzie miała te same wymiary dla osi ξ. W tym przypadku, jako że poprzeczny wymiar wzdłuż osi η przed wprowadzeniem fali dany jest wzorem Sl = 2T tan(ain), stosunek pomiędzy dwoma wymiarami wyniesie 2. Jednakże taka wartość stosunku jest zwykle do przyjęcia. Po odbiciu od odbijających powierzchni 22a-22c, poprzeczny wymiar wzdłuż osi η dany jest wzorem S_n, = 2 NT tan(a_in), gdzie N jest liczbą odbijających powierzchni. Maksymalne osiągalne pole widzenia dla osi η wyniesie teraz:

FOV ^Sn ^deye Reye + l/(v sin ain) ²NT^tan(ain) ^deye Reye + l/(v sin ain) (15)

Ponieważ odbijające powierzchnie 22a-22c można umieścić bliżej oka, oczekuje się, że odległość l pomiędzy odbijającymi powierzchniami będzie mniejsza niż poprzednio. Przyjmując, że l = 30 mm, i dobierając parametry T= 4 mm; N = 3; ain = 60°; Reye = 40 mm oraz v = 1,5, otrzymamy pole widzenia wynoszące:

FOV_max= 30° (16)

Jest to lepszy wynik niż uzyskany poprzednio.

W wyniku wymaganego rozszerzenia wiązki optycznej, jasność światła została zmniejszona N-krotnie. Jednakże efekt ten można zmniejszyć w ten sam sposób jak to opisano powyżej. Jak pokazano na Fig. 15, kąty padania dla niższej części 76 pola widzenia, które powinny być odbite od pierwszej odbijającej powierzchni 22a, są większe niż kąt odbicia dla wyższej części 78 pola widzenia, które powinny być odbite głównie od ostatniej odbijającej powierzchni 22c. W tym przypadku możliwe jest zaprojektowanie, podobnie jak poprzednio, odbijającej powłoki o wyższych współczynnikach odbicia dla większych kątów padania. Ponieważ strata energii dla górnej części 78 pola widzenia może być dużo mniejsza, można wybrać wyższe współczynniki odbicia dla pierwszego zestawu odbijających powierzchni 22a a wówczas spadek jasności będzie mniejszy. Dokładne szczegóły wymaganej konstrukcji zależą od różnych parametrów każdego poszczególnego układu.

Nie musimy ograniczać się do stosowania wyłącznie jednego przewodzącego światło materiału optycznego 20; można zastosować dodatkowe materiały optyczne. Na przykład można połączyć trzy różne materiały optyczne, dla których powłoki zostaną zaprojektowane dla jednego z trzech podstawowych kolorów w celu osiągnięcia układu trójbarwnego wyświetlania. W takim przypadku każdy materiał optyczny jest przeźroczysty dla pozostałych dwóch barw. Układ taki może być użyteczny dla zastosowań, w których dla uzyskania ostatecznego obrazu wymagane jest połączenie trzech różnych monochromatycznych źródeł wyświetlanego obrazu. Ponadto jest wiele innych przykładów, w których można połączyć kilka materiałów optycznych dla uzyskania bardziej złożonych układów.

Fig. 16 przedstawia konfigurację kompaktowego kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego zbudowanego według wynalazku. Przedstawiona konfiguracja składa się z trzech zestawów odbijających powierzchni. Pierwszy zestaw odbijających powierzchni 22 przekazuje światło wychodzące ze źródła wyświetlanego obrazu 4, kolimowane przez soczewkę 6 na materiał optyczny 20, gdzie rozsył światła zostaje rozszerzony w jednym kierunku. Drugi zestaw częściowo odbijających powierzchni 22a,

PL 209 571 B1

22b, 22c odbija promienie i wówczas rozsył światła zostaje rozszerzony w innym kierunku. Trzeci zestaw

22d, 22e, 22f wyprowadza światło z materiału optycznego na zewnątrz do oka 24 osoby patrzącej.

Fig. 17 przedstawia alternatywną metodę rozszerzenia wiązki w kierunku η. W tym przypadku rozszerzenie wiązki dokonuje się na zewnątrz a nie wewnątrz materiału optycznego 20. Dzielnik wiązki 80 dzieli wiązkę ze źródła 4 wyświetlanego obrazu na dwie części; jedna część jest przekazywana bezpośrednio na materiał optyczny 20, podczas gdy druga część odbijana do zwierciadła 82 a następnie odbijana ponownie do materiału optycznego 20. Obydwie części światła, które tworzą teraz wiązkę szerszą od pierwotnej, są następnie skierowywane przez odbijającą powierzchnię 84 na materiał optyczny. Aby powiększyć wiązkę nadchodzącą w kierunku η można zwiększyć ilość dzielników wiązki i zwierciadeł. Można umieścić soczewkę kolimacyjną 81 pomiędzy źródłem wyświetlanego obrazu a dzielnikiem wiązki 80.

Fig. 18 przedstawia nieco zmodyfikowaną wersję z Fig. 17. Powszechnie wiadomo, że łatwiej jest zaprojektować i wyprodukować powierzchnie odbijające dla światła o polaryzacji S niż dla światła niespolaryzowanego lub dla światła o polaryzacji P. Jeśli światło ze źródła wyświetlanego obrazu 4 ma rzeczywiście polaryzację S, wówczas możliwe jest jego odbicie w odpowiednich kierunkach przez umieszczenie półfalówek 86 na drodze optycznej, jak przedstawiono to na rysunku.

Zamiast równoległego ustawienia źródła 4 wyświetlanego obrazu w materiale optycznym 40, może być ono również ustawione w kierunku normalnym do materiału optycznego 20, jak to przedstawiono na Fig. 19 i Fig. 20.

Inną możliwą realizację wynalazku przedstawiono na Fig. 21. Źródło 4 wyświetlanego obrazu jest zorientowane w kierunku normalnym do materiału optycznego 20 a światło może być wprowadzone do pierwszego przekazującego światło zwierciadła przez zastosowanie składanego zwierciadła lub odbijającego pryzmatu 83. To składane zwierciadło lub odbijający pryzmat 83 mogą mieć moc optyczną na powierzchni odbijającej i/lub na powierzchniach czołowych odbijającego pryzmatu, co pozwala mu na przeprowadzenie kolimacji, przez co unikamy konieczności stosowania dodatkowego elementu kolimacyjnego.

Taka konfiguracja prowadzonego w materiale optycznym wyświetlacza osłony twarzy ma następujące zalety:

1) Ponieważ źródło wejściowego obrazu może być umieszczone bardzo blisko materiału optycznego, cała konfiguracja urządzenia może być bardzo zwarta i lekka.

2) W przeciwieństwie do konfiguracji wyświetlaczy umieszczanych w osłonie twarzy, mamy tutaj dużą elastyczność w zakresie miejsca, w którym znajdzie się źródło wyświetlanego obrazu w stosunku do końcowego elementu wprowadzającego obraz do oczu. Skutkiem tego unikamy tu typowej konfiguracji z odchyleniem od osi i możemy stosunkowo łatwo i skutecznie skompensować aberrację pola.

3) Współczynniki odbicia częściowo odbijających powierzchni są prawie stałe dla całego stosowanego spektrum. Stąd też jako źródła wyświetlanego obrazu możemy stosować nie tylko monochromatyczne lecz również polichromatyczne źródła światła, osiągając w ten sposób kolorowy nagłowny wyświetlacz.

4) Ponieważ każdy punkt z wejściowego obrazu jest transformowany na falę płaską, która jest odbijana do oka patrzącej osoby z dużej części zespołu odbijających powierzchni 22d-22f, tolerancja odnośnie dokładnego położenia oka może być znacząco złagodzona. W tej sytuacji patrzący widzi całe pole widzenia a pole ruchu oka może być znacznie większe niż w przypadku innych konfiguracji wyświetlaczy umieszczonych w osłonie twarzy.

5) Ponieważ znaczna część energii przekazywanej do kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego jest odzyskiwana i kierowana do oka osoby patrzącej możliwe jest uzyskanie wyświetlacza o stosunkowo dużej jasności.

Fig. 22 i fig. 23 stanowią ilustrację realizacji wynalazku, w której materiał optyczny jest montowany w oprawie 92 okularów. Źródło 4 wyświetlanego obrazu, soczewka kolimacyjna 6 i składane zwierciadło 82 są zamontowane w ramieniu 94 okularów. Zasilanie 96 można podłączyć do ramienia 94 za pomocą przewodu 97. Światło wejściowe wprowadzane do materiału optycznego jest zwykle skolimowanymi falami płaskimi, dlatego też można zastosować nowe techniki jako wymagane źródło wyświetlanego obrazu. Jedną z możliwości stanowi siatkówkowy wyświetlacz wirtualny (VRJD), tj. układ, w którym fala płaska jest szybko przemiatana w celu wytworzenia obrazu bezpośrednio na siatkówce patrzącego. Inna możliwość wyświetlania może zostać oparta na pomyśle podobnym do holografii wykorzystującej transformację fourierowską. Korzystając z tej zasady, wyświetlacz ciekłokrystaliczny wytwarza transformację Fouriera danego obrazu a nie sam obraz. Gdy wyświetlacz ciePL 209 571 B1 kłokrystaliczny zostanie podświetlony przez spójną falę płaską pochodzącą z małej diody laserowej, na płaszczyźnie wyświetlacza ciekłokrystalicznego zostanie utworzony skolimowany obraz danej figury. Obraz ten może zostać wykorzystany jako sygnał wejściowy dla kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego.

Opisany powyżej przykład realizacji wynalazku może służyć zarówno w układach przeziernych jak i nieprzeziernych, w których nieprzeźroczyste warstwy są umieszczone przed elementami optycznymi. Alternatywną metodą jest umieszczenie przed tym układem zmiennego filtru w taki sposób, aby patrzący mógł sterować poziomem jasności światła dochodzącego ze sceny zewnętrznej. Taki zmienny filtr mógłby być albo mechanicznie sterowanym urządzeniem, takim jak filtr składany, lub dwoma obracającymi się polaryzatorami, urządzeniem sterowanym elektronicznie lub nawet urządzeniem automatycznym, za pomocą którego współczynnik przepuszczania filtra byłby wyznaczany przez jasność tła zewnętrznego.

Możliwe są alternatywne zastosowania dokładnego sposobu w jaki kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne może być wykorzystane w tym przypadku realizacji wynalazku. Najprostszą możliwością będzie wykorzystanie pojedynczego elementu dla jednego oka. Druga możliwość polega na użyciu elementu i źródła wyświetlanego obrazu dla każdego oka, ale z tym samym obrazem. Inna wersja tej opcji polega na rzutowaniu dwóch różnych części tego samego obrazu, przy czym pomiędzy oczyma będzie zachodziło pewne nakładanie się obrazów, co pozwoli na uzyskanie szerszego pola widzenia. Najbardziej złożona możliwość polega na rzutowaniu dwóch różnych scen, każdej do innego oka, dla uzyskania obrazu stereoskopowego. Przy tej opcji możliwe są atrakcyjne zastosowania, włącznie z trójwymiarowymi filmami, zaawansowaną rzeczywistością wirtualną, systemami szkoleniowymi i innymi zastosowaniami.

Należy podkreślić, że realizacje wynalazku przedstawione na fig. 22 i fig. 23 są tylko przykładami. Ponieważ kierowany przez materiał optyczny element optyczny, stanowiący główny element tego układu, jest bardzo zwarty w budowie i lekki, może być on użyty w bardzo rozmaitych konfiguracjach. Stąd też możliwych jest wiele innych przypadków realizacji tego wynalazku, włącznie z osłoną, składanym wyświetlaczem, monoklem i wieloma innymi.

Przykład realizacji przedstawiony na Fig. 22 i 23 jest przeznaczony do zastosowań, w których wyświetlacz powinien być typu nagłownego bądź noszony na głowie.

Jednakże są zastosowania, w których wyświetlacz powinien być noszony w innym miejscu. Przykładem takiego zastosowania może być telefon komórkowy, który spełnia nowe funkcje, działając jako wideofon, zapewniając połączenie z Internetem, dostęp do poczty elektronicznej a nawet zapewniał transmisję wysokiej jakości obrazów telewizyjnych nadawanych satelitarnie. Przy istniejących technologiach możliwe jest wbudowanie małego wyświetlacza do telefonu, jednakże w chwili obecnej wyświetlacz może albo rzutować dane video o jedynie bardzo słabej jakości lub kilka linijek danych z Internetu lub poczty elektronicznej bezpośrednio do oka.

Fig. 24 przedstawia alternatywny sposób oparty na obecnym wynalazku, polegający na rzutowaniu wysokiej jakości obrazów bezpośrednio do oka osoby patrzącej. Składane kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne 98 jest integralnie przymocowane do obudowy telefonu komórkowego 100, w sposób podobny do tego, w jaki mocowana jest część mikrofonowa. Małe źródło 102 wyświetlanego obrazu, wbudowane do telefonu, rzutuje obraz wideo 104, który jest przekazywany do kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego 98 przez przekaźnik optyczny 106, którym może być składane zwierciadło, mały pryzmat, wiązka światłowodowa lub inny przekaźnik. Tym sposobem, podczas posługiwania się urządzeniem, użytkownik może rozłożyć kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne 98, umieścić go przed swoimi oczyma i w dogodny sposób oglądać żądany obraz.

Ważne jest, aby zwrócić uwagę na to, że realizacja wynalazku przedstawionego na Fig. 24 stanowi jedynie przykład tego, że można zrealizować zastosowania inne niż nagłowne. Do innym możliwych noszonych w ręce układów należą małe wyświetlacze wbudowane w zegarki naręczne, kieszonkowe wyświetlacze o rozmiarach i ciężarze karty kredytowej, i wiele innych.

Opisane powyżej przykłady realizacji wynalazku stanowią jednooczne układy optyczne, tzn. obraz rzutowany jest tylko do jednego oka. Jednakże są takie zastosowania, jak na przykład wyświetlacze przezierne, w których pożądane jest rzutowanie obrazu do obydwu oczu. Do niedawna układy przezierne stosowane były głównie w zaawansowanych technologicznie samolotach wojskowych i cywilnych. Pojawiło się ostatnio wiele propozycji i konstrukcji zainstalowania wyświetlaczy przeziernych przed kierowcą samochodu dla wspomożenia nawigacji przy kierowaniu lub dla rzutowania do

PL 209 571 B1 oczu kierowcy obrazu termicznego (w podczerwieni) podczas prowadzenia w ciemności lub przy innych warunkach słabej widoczności. Ponadto istniejące układy są bardzo duże, ciężkie i zajmują wiele miejsca oraz są zbyt skomplikowane do zainstalowania w samochodzie. Urządzenie kandydujące do konsumenckich wyświetlaczy przeziernych powinno mieć zwartą konstrukcję, być niedrogie i łatwe do zainstalowania wewnątrz istniejących obecnie pojazdów.

Fig. 25 przedstawia metodę zrealizowania układu wyświetlacza przeziernego opartą na obecnym wynalazku. Światło pochodzące ze źródła wyświetlanego obrazu 4 jest kolimowane przez soczewkę 6 tworząc obraz w nieskończoności i kierowane jest przez pierwszą odbijającą powierzchnię 22 na materiał optyczny 20. Po odbiciu na drugim zespole odbijających powierzchni (nie pokazanym), światło pada na trzeci zespół odbijających powierzchni 22' który skierowuje światło do oczu 24 osoby patrzącej. Całość układu może być bardzo zwarta i lekka, wielkości dużej kartki pocztowej i mieć grubość kilku milimetrów. Źródło wyświetlanego obrazu, mające objętość kilku centymetrów sześciennych, może zostać przymocowane do jednego z naroży materiału optycznego, gdzie przewód elektryczny doprowadza zasilanie i dane do układu. Oczekuje się, że zainstalowanie obecnego układu przeziernego wyświetlacza nie będzie bardziej skomplikowane niż zainstalowanie prostego komercyjnego systemu audio. Ponadto, z racji tego, że do rzutowania obrazu nie potrzeba zewnętrznego źródła wyświetlanego obrazu, unika się instalowania komponentów w niebezpiecznych miejscach.

Odległość pomiędzy okiem a powierzchnią oraz średnica źrenicy wyjściowej układu są dużo większe niż w przypadku wyświetlaczy jednoocznych i dlatego sądzi się, że do wytworzenia wymaganego pola widzenia konieczne będzie zastosowanie dużej ilości odbijających powierzchni 22' i grubszego materiału optycznego 20. Alternatywną metodą realizacji układu wyświetlacza przeziernego o dużym polu widzenia dla danego układu przedstawiono na fig. 26. Zamiast określać źrenicę wyjściową układu dla wyznaczonego miejsca, w którym znajdują się oczy patrzącego, definiuje się wyjściową źrenicę wirtualną 108, której średnica jest mniejsza w położeniu bliższym materiału optycznego. Jak widać, prawa część 110 pola widzenia widziana jest tylko przez lewe oko, podczas gdy lewa część 112 pola widzenia jest widziana tylko przez prawe oko. Środkowa część 114 pola widzenia jest widziana przez obydwoje oczu. Rozwiązanie takie jest powszechnie przyjęte w wojskowych układach wyświetlaczy przeziernych, w których źrenica układu optycznego jest umiejscowiona przy soczewce kolimacyjnej, w tej sytuacji chwilowe pole widzenia (IFOV) jest mniejsze niż całkowite pole widzenia (TFOV). W tego typu konfiguracji każde oko widzi inną cześć całkowitego pola widzenia, przy czym w środkowej części pola widzenia mamy nakładanie się pól widzenia. Całe pole widzenia widziane przez obydwoje oczu jest dużo większe niż pole widziane przez każde oko z osobna. W przypadku realizacji wynalazku z Fig. 26, dokładne położenie i rozmiar wirtualnej źrenicy wyjściowej jest ustalany według szczegółowych parametrów i żądanych wyników jakie ma osiągać określony układ.

Jako że źrenica wyjściowa typowego wyświetlacza przeziernego jest dużo większa niż w przypadku układu nagłownego, sądzi się, że do uzyskania wymaganego pola widzenia potrzebny będzie układ mający trzy zestawy, jak opisano powyżej przy omawianiu Fig. 14, nawet w przypadku konfiguracji opisanej powyżej przy omawianiu Fig. 26. Jednakże mogą być pewne szczególne przypadki, obejmujące układy z małym pionowym polem widzenia lub z zespołem diod świecących jako źródłem wyświetlanego obrazu, w którym wystarczyłaby konfiguracja z dwoma zespołami powierzchni (jak opisano powyżej przy omawianiu Fig. 2).

Realizacja wynalazku przedstawiona na Fig. 25 i Fig. 26 może zostać wdrożona do innych zastosowań, poza układami przeziernymi do pojazdów. Jedną z możliwości wykorzystania tych przykładów realizacji wynalazku jest płaski wyświetlacz do komputera lub telewizora. Podstawową niepowtarzalną cechą takiego wyświetlacza jest to, że obraz nie jest umiejscowiony na płaszczyźnie ekranu, lecz jest ogniskowany w nieskończoności lub innej odpowiednio dogodnej odległości. Jedną z głównych wad obecnie stosowanych wyświetlaczy komputerowych jest to, że użytkownik musi ogniskować swój wzrok na bardzo niewielką odległość, pomiędzy 40 cm a 60 cm, podczas gdy naturalna dla zdrowego oka odległość ogniskowania leży w nieskończoności. Wiele osób cierpi na bóle głowy po długotrwałej pracy przy komputerze. U wielu innych, którzy często pracują przy komputerze dochodzi do krótkowzroczności. Ponadto wiele osób, które cierpią na krótkowzroczność i dalekowzroczność, potrzebuje specjalnych okularów do pracy przy komputerze. Płaski wyświetlacz oparty na obecnym wynalazku mógłby być właściwym rozwiązaniem dla osób cierpiących na opisane powyżej dolegliwości i nie chcą pracować z wyświetlaczem nagłownym.

Inną zaletą wyświetlacza według wynalazku jest to, że jest on płaski, nawet w porównaniu z obecnymi płaskimi wyświetlaczami. Prawdą jest, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych wyPL 209 571 B1 świetlaczy, wyświetlacz według wynalazku ma ograniczone pole ruchu głowy, w którym cały obraz może być widziany. Jednakże takie ograniczone pole ruchu głowy może być wystarczające dla wygodnego korzystania przez jednego użytkownika.

Inny możliwy przykład realizacji wynalazku polega na użyciu projektora tekstu dla mówcy lub spikera telewizyjnego, który musi patrzeć na swoją publiczność a równocześnie czytać tekst. Przy wykorzystaniu wynalazku, mówiący mógłby posługiwać się przeźroczystą płytką trzymaną w pobliżu twarzy, rzutującą potrzebny tekst do jego oczu w sposób niewidoczny dla publiczności.

Jeszcze innym możliwym przykładem realizacji wynalazku jest ekran osobistej pomocy cyfrowej (PDA). Rozmiary obecnie stosowanych konwencjonalnych ekranów wynoszą około 10 cm. Ponieważ minimalna odległość z jakiej wyświetlacze takie mogą być odczytywane wynosi około 40 cm, uzyskuje się pole widzenia około 15°; stąd informacje przekazywane z tych wyświetlaczy są dość ograniczone. Znaczną poprawę rzutowanego pola widzenia można uzyskać za pomocą realizacji wynalazku przedstawionej na Fig. 25 i Fig. 26. Jako że obraz jest kolimowany do nieskończoności, ekran może zostać umieszczony dużo bliżej patrzącego. Ponadto, z uwagi na to że każde oko widzi inną część całkowitego pola widzenia, przy zachodzeniu nakładania się w środkowej części, można uzyskać dalsze zwiększenie pola widzenia. Stąd też łatwo można uzyskać pole widzenia wynoszące 40° i więcej.

We wszystkich opisanych powyżej przypadkach realizacji wynalazku, obraz, który był przekazywany przez kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne pochodził z elektronicznego źródła wyświetlanego obrazu, np. z kineskopu lub wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Jednakże są takie zastosowania, w których przekazywany obraz może być częścią rozgrywającej się na żywo sceny, na przykład w okularach osób cierpiących na dalekowzroczność i krótkowzroczność, i których problemy nie zawsze są w sposób konwencjonalny rozwiązywane przez konwencjonalne okulary o podwójnej ogniskowej (bifokale) lub okulary o wielu ogniskowych. Alternatywnym rozwiązaniem jest stosowanie soczewek oftalmicznych, które mają kilka ogniskowych. Soczewki takie wytwarzają kilka obrazów na siatkówce patrzącego. Mózg przeprowadza następnie akomodację do najostrzejszego obrazu.

Fig. 27 przedstawia metodę realizacji soczewki mającej podwójną ogniskową w oparciu o obecny wynalazek. Obraz 114 sceny pochodzący z nieskończoności jest przekazywany do materiału optycznego 20 za pomocą odbijającej powierzchni 22 a następnie jest odbijany przez zespół częściowo odbijających powierzchni 22' do oka 24 osoby patrzącej. Inny obraz 116 sceny z bliższej odległości jest kolimowany do nieskończoności przez soczewkę 118 a następnie jest przekazywany przez materiał optyczny 20 do oka. Soczewka oftalmiczna 120 skupia obrazy 114 i 116 na dogodną odległość i koryguje inne aberracje oka osoby patrzącej, łącznie z astygmatyzmem. Gdy zewnętrzna scena znajduje się blisko patrzącego, scena 116 da ostry obraz na siatkówce, podczas gdy scena 114 da obraz nieostry. Stąd też oko automatycznie przeprowadza akomodację do ostrzejszego obrazu ze sceny 116; i przeciwnie, gdy zewnętrzna scena jest odległa, obraz 114 będzie obrazem najostrzejszym i mózg przeprowadzi akomodację do niego.

Obecny wynalazek można także zastosować do połączenia dwóch różnych scen. Istnieją liczne zastosowania, w których urządzenie takie może być użyteczne, między innymi dla pilotów i kierowców, którzy chcą równocześnie widzieć scenę znajdującą się z przodu i z tyłu, dla sportowca, który chce widzieć różne części pola, malarza, który chce połączyć scenę rzeczywistą ze sceną na obrazie, dla ucznia lub studenta, który przepisuje tekst z tablicy i dla wielu innych. Fig. 28 przedstawia metodę łączenia dwóch różnych części zewnętrznej sceny wprowadzanych do oka patrzącego, według wynalazku. Obraz sceny 120 z kierunku ukośnego zostaje złożony, tj. przez pryzmat lub inną metodą optyczną 122, przekazany do materiału optycznego 20 przez odbijające powierzchnie 22 a następnie odbijany przez zespół częściowo odbijających powierzchni 22' do oka 24 osoby patrzącej, w którym to punkcie zostaje połączony z normalnie widzianą sceną 124.

Należy zwrócić uwagę, że w przypadku realizacji wynalazku przedstawionych na Fig. 27 i Fig. 28, z racji tego ż e fale optyczne 114 i 120, które są przekazywane do kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego pochodzą z nieskończoności i nie muszą być skupiane przez soczewkę ani przez inny podobny element optyczny, poprzeczne wymiary przekazywanych fal są bez znaczenia. Dlatego też można zastosować prostsze kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne, mające tylko dwa zespoły odbijających powierzchni, taki jak przedstawiono na Fig. 2, zamiast bardziej złożonego przykładu realizacji z Fig. 14, mającego trzy zespoły powierzchni.

Przykłady realizacji wynalazku opisane przy omawianiu Fig. 27 i Fig. 28 stanowią tylko ilustrację możliwości realizacji wynalazku. Możliwe jest połączenie dwóch różnych obrazów za pomocą kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego, obrazów pochodzących ze scen rozgrywają16

PL 209 571 B1 cych się na żywo, z elektronicznych wyświetlaczy (np. połączenia kamery video z kamerą termowizyjną) lub jakiejkolwiek innej możliwej kombinacji.

We wszystkich opisanych powyżej realizacjach wynalazku, kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne jest wykorzystywane do przekazania fal świetlnych w celu odwzorowania obrazu. Jednakże obecny wynalazek może być stosowany nie tylko do odwzorowywania obrazu, lecz również do zastosowań nie związanych z odwzorowaniem obrazu, a mianowicie do układów oświetlających, w których jakość optyczna fali wychodzącej nie jest istotna a ważnymi parametrami są intensywność i równomierna jasność. Wynalazek może być na przykład stosowany do podświetlania od tyłu płaskich wyświetlaczy, głównie układów ciekłokrystalicznych, w których w celu wytworzenia obrazu konieczne jest oświetlenie płytki w sposób maksymalnie jasny i równomierny. Inne podobne możliwe zastosowania obejmują, między innymi, płaskie i niedrogie substytuty dla oświetlania pomieszczeń lub do reflektorów, iluminatory do skanerów linii papilarnych, oraz fale do odczytywania trójwymiarowych hologramów.

Fig. 29 stanowi ilustrację kompaktowej konfiguracji ekspandera wiązki do celów oświetlania, opartego na prowadzonym przez materiał optyczny urządzeniu optycznym. Przedstawiona konfiguracja składa się z pierwszej odbijającej powierzchni 126, drugiego zespołu odbijających powierzchni 128 i trzeciego zespołu odbijających powierzchni 130. Fala wejściowa 132 jest falą płaską padającą w kierunku normalnym na materiał optyczny 20, podczas gdy fala wyjściowa 134 jest falą płaską mającą znacznie większą średnicę niż fala wejściowa. Układ taki można zastosować jako bardzo cienkie, kompaktowe urządzenie podświetlające dla stosunkowo dużych powierzchni.

Działanie ekspandera wiązki opartego na prowadzonym przez materiał optyczny urządzeniu optycznym jest podobne do opisanego dla innych konfiguracji tego wynalazku. Niemniej jednak, istnieją pewne różnice pomiędzy układami odwzorowującymi obraz i nie odwzorowującymi obrazu. Po pierwsze, z racji tego, że nie ma potrzeby obawiania się, że pojawią się obrazy-zjawy, w urządzeniach nie odwzorowujących obrazu, fale wejściowe mogą być przekazywane równolegle na płaszczyznę materiału optycznego i stąd każda częściowo odbijająca powierzchnia może być równomiernie oświetlona. Po drugie, w układach nie odwzorowujących obrazu, przepuszczalność optyczna materiału optycznego nie ma znaczenia i należy brać pod uwagę jedynie rozkład współczynnika odbicia.

Ponadto, celem konstrukcyjnym nie jest równomierne pole widzenia; celem w nie odwzorowujących obrazu układach jest osiągnięcie równomiernej intensywności wychodzącego światła. Aby to osiągnąć, współczynnik odbicia zespołu 130 częściowo odbijających powierzchni wzrasta stopniowo wzdłuż osi ξ w taki sposób, że podczas każdego odbicia, tylko część energii uwięzionej fali jest przekazywana na zewnątrz. Fig. 30 przedstawia intensywność fali wyjściowej, współczynnik odbicia powierzchni oraz ilość energii pozostającej w materiale optycznym w funkcji odległości propagacji wewnątrz materiału optycznego wzdłuż osi ξ dla typowego prowadzonego w materiale optycznym ekspandera wiązki.

Jako że światło może być przekazywane równolegle do powierzchni materiału optycznego w urządzeniach oświetlających, może być ono przekazywane przez krawędź materiału optycznego. Ponadto nie jest konieczne ograniczanie się do pojedynczego źródła światła; można stosować wiele źródeł. Ponadto w takich urządzeniach nie jest konieczne by fale świetlne były kolimowane. Rozbieżne wiązki wejściowe mogą być stosowane do wytworzenia rozbieżnej fali wyjściowej. Fig. 21A i Fig. 31B przedstawiają dwie możliwe konfiguracje dla celów oświetleniowych, jedną mającą dwa zespoły częściowo odbijających powierzchni (Fig. 31A) i drugą mającą jeden taki zespół (Fig. 31B). W tych konfiguracjach źródło światła ma zespół diod świecących 136 kolimowanych przez zestaw soczewek a światło jest przekazywane do materiału optycznego przez jeden z brzegów materiału optycznego dając równomierne oświetlenie, które jest przekazywane przez zestaw 140.

Fig. 32 przedstawia metodę wytwarzania zespołu częściowo równoległych powierzchni. Najpierw wytwarzana jest grupa pryzmatów 142 mających żądane wymiary. Pryzmaty te mogą być wytworzone z materiału opartego na dwutlenku krzemu, takim jak BK-7 za pomocą konwencjonalnych technik szlifowania, polerowania lub, alternatywnie, mogą być one wykonane z polimeru lub materiałów typu zol-żel przy zastosowaniu techniki modelowania przez wstrzykiwanie lub technikami odlewania. Odpowiednie powierzchnie tych pryzmatów są następnie pokrywane wymaganą powłoką optyczną 144. Na końcu pryzmaty są sklejane dla wytworzenia odpowiedniego kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego. W zastosowaniach, w których jakość powierzchni optycznych ma decydujące znaczenie w procesie wytwarzania można uwzględnić ostateczny etap polerowania zewnętrznych powierzchni 146.

PL 209 571 B1

Fig. 33 przedstawia inną metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni. Dwie podobne, piłokształtne przeźroczyste bryły 148 są wytwarzane przez formowanie drogą wstrzykiwania lub przez odlewanie. Wymagane powłoki 150 są stosowane do odpowiednich powierzchni jednej z brył i obydwie bryły są następnie sklejane aby wytworzyć wymagane kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne 152.

Fig. 34 przedstawia jeszcze inną wersję metody opisanej na Fig. 33, służącej do wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni. Zamiast pokrywania brył 148 powłoką 150, powłoka jest nakładana na cienki i elastyczny arkusz polimerowy 154. Następnie arkusz ten jest wkładany pomiędzy bryły 148, które są następnie sklejane dla osiągnięcia wymaganego kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego 156.

Fig. 35 przedstawia jeszcze inną metodę wytwarzania zespołu częściowo odbijających powierzchni. Powierzchnie licznych przeźroczystych płaskich płytek 158 są pokrywane odpowiednią powłoką 160 a następnie płytki są sklejane w celu wytworzenia formy przestrzennej 162. Następnie płaski segment 164 jest odkrawany od formy przestrzennej, szlifowany i polerowany w celu wytworzenia żądanego kierowanego przez materiał optyczny urządzenia optycznego 166.

Są przypadki, w których jednorodność światła wychodzącego nie ma decydującego znaczenia. W takich przypadkach, zamiast pokrywania powłokami powierzchni odbijających, można pozostawić szczeliny wypełnione powietrzem, pozwalając, aby światło zostało wyprowadzone z powierzchni przez odbicia Fresnela. Jednakże w takim przypadku może wystąpić problem z jednorodnością intensywności wychodzącego światła, jednakże problem ten można rozwiązać przez zastosowanie dwóch płytek oświetlonych z przeciwnych kierunków.

Jak opisano powyżej, są takie zastosowania, w których ważne jest aby uzyskać nierównomierne powłoki na odbijających powierzchniach. Fig. 36 przedstawia metodę która pozwala to osiągnąć. Dwa różne zestawy częściowo odbijających powierzchni są wytwarzane przy pomocy dowolnej z opisanych powyżej metod lub za pomocą jakiejkolwiek innej metody, przy czym współczynnik odbicia dolnego zestawu 168 jest wyższy niż w przypadku górnego zestawu 170. Obydwa zestawy są następnie sklejane aby wytworzyć wymagane kierowane przez materiał optyczny urządzenie optyczne 172.

Claims (14)

1. Urządzenie optyczne z materiałem optycznym o całkowitym wewnętrznym odbiciu światła, zawierające przewodzący światło materiał optyczny, mający co najmniej dwie główne powierzchnie i powierzchnie boczne, główne powierzchnie zatrzymujące promienie świetlne wewnątrz materiału optycznego poprzez całkowite wewnętrzne odbicie w tym materiale, ponadto zawierające wiele częściowo odbijających powierzchni, usytuowanych równolegle względem siebie i w oddaleniu od siebie wewnątrz materiału optycznego w przestrzeni pomiędzy głównymi powierzchniami pod pierwszym kątem a_sur2 względem normalnej do powierzchni materiału optycznego, mające również optyczne elementy sprzęgające promienie świetlne do materiału optycznego, znamienne tym, że

- promienie świetlne są kolimowane i sprzęgane do materiału optycznego (20) poprzez jedną z głównych powierzchni (26) tego materiału (20), w którym elementy sprzęgające, po przyjęciu promieni świetlnych padających na materiał optyczny (20), sprzęgają padające promienie świetlne do tego materiału (20), tak że są one zatrzymywane przez główne powierzchnie (26) poprzez całkowite wewnętrzne odbicie,

- na skutek czego sprzęgnięte promienie świetlne są skierowane pod drugim kątem (a_in) względem normalnej do powierzchni materiału optycznego (20),

- tak, że sprzęgnięte promienie świetlne docierają do równoległych częściowo odbijających powierzchni (22), po co najmniej jednym wewnętrznym odbiciu od jednej z głównych powierzchni (26) pod kątem padania względem częściowo odbijających powierzchni (22), który jest

- kątem padania (e'_ref), przy którym współczynnik odbicia jest niski, albo

- innym kątem padania (p_ref), pod którym częściowo odbijająca powierzchnia (22) przekazuje pierwszą część sprzęgniętych promieni świetlnych i odbija drugą część tych promieni na zewnątrz materiału optycznego (20), na skutek czego przekazywane promienie świetlne są zatrzymywane i propagowane następnie w materiale optycznym (20) z co najmniej częściowym odbiciem na zewnątrz przez inną częściowo odbijającą powierzchnię (22).

PL 209 571 B1

2. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że propagowane uwięzione promienie (28, 30) odbite od powierzchni wewnątrz materiału (20) docierają do pierwszej częściowo odbijającej powierzchni (22) po odbiciu się parzystą ilość razy a inne promienie - po odbiciu się nieparzystą ilość razy.

3. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne padają na częściowo odbijającą powierzchnię (22) bezpośrednio po odbiciu od jednej z głównych powierzchni (26) a na inną częściowo odbijającą powierzchnię (22) - bezpośrednio po odbiciu od drugiej głównej powierzchni (26).

4. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne mają wewnątrz materiału optycznego (20) ten sam kąt odchylenia względem normalnej do powierzchni materiału optycznego (20), i padają na częściowo odbijające powierzchnie (22) z dwóch różnych kierunków.

5. Urządzenie optyczne według zastrz. 4, znamienne tym, że kąt padania pomiędzy uwięzionymi promieniami świetlnymi a normalną do częściowo odbijającej powierzchni (22) w jednym z wymienionych kierunków padania jest mniejszy niż kąt padania w drugim kierunku.

6. Urządzenie optyczne według zastrz. 4, znamienne tym, że współczynnik odbicia od częściowo odbijających powierzchni (22) jest niski dla jednego z wymienionych kierunków padania.

7. Urządzenie optyczne według zastrz. 4, znamienne tym, że tylko w jednym z wymienionych kierunków padania część promieni jest sprzęgana na zewnątrz materiału optycznego (20).

8. Urządzenie optyczne według zastrz. 4, znamienne tym, że w drugim z wymienionych kierunków padania promienie świetlne są przekazywane poprzez częściowo odbijające powierzchnie (22) bez odbicia.

9. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne przechodzą przez co najmniej dwie różne częściowo odbijające powierzchnie (22) pomiędzy dwoma odbiciami od tej samej głównej powierzchni (26) materiału optycznego (20).

10. Urządzenie optyczne według zastrz. 9, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne przechodzą przez co najmniej dwie różne częściowo odbijające powierzchnie (22) pod dwoma różnymi kątami padania.

11. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne oświetlają cały obszar co najmniej jednej odbijającej powierzchni (22).

12. Urządzenie optyczne według zastrz. 1, znamienne tym, że uwięzione promienie świetlne oświetlają obszar jednej z głównych powierzchni (26), który jest większy niż rzut częściowo odbijającej powierzchni (22) na jedną z głównych powierzchni (26).

13. Urządzenie optyczne według jednego z zastrz. od 1 do 12, znamienne tym, że główne powierzchnie materiału optycznego (26) są pokryte niejednolitą powłoką o współczynniku przepuszczania różnym dla różnych współczynników odbicia częściowo odbijających powierzchni (22).

14. Urządzenie optyczne według jednego z zastrz. od 1 do 13, znamienne tym, że współczynnik odbicia każdej z częściowo odbijającej powierzchni (22) jest różny dla górnej (46) i dolnej (50) części tej częściowo odbijającej powierzchni (22).