PT1485747E

PT1485747E - Dispositivo óptico de guia luz

Info

Publication number: PT1485747E
Application number: PT03710195T
Authority: PT
Inventors: Yaakov Amitai
Original assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2007-09-14
Also published as: EP1485747B1; US7457040B2; KR100977232B1; IL148804A; HK1081275A1; CA2479824A1; US20080158685A1; CN101013177B; US7576916B2; EP1485747A1; RU2324960C2; KR20080021150A; US8004765B2; UA81409C2; US7724441B2; DE60315606T2; EP1566682B1; SG147310A1; ZA200407814B; EP3260907B1

Description

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Descrição "Dispositivo óptico de guia luz"

Campo do invento 0 presente invento refere-se a dispositivos ópticos guiados por substratos e, em particular, a dispositivos que incluem uma pluralidade de superfícies de reflexão suportadas por um comum substrato de transmissão de luz, também referido como uma guia de luz. 0 invento pode ser implementado com vantagem num grande número de aplicações de imagem, tais como, por exemplo, dispositivos de exibição de montagem de para colocação na cabeça e de visualização frontal ("head-up"), telefones celulares, dispositivos de exibição compactos, dispositivos de exibição 3D, expansores de feixe compactos bem como aplicações sem formação de imagem, tais como indicadores de painel plano, iluminadores compactos e digitalizadores.

Antecedentes do invento

Uma das aplicações importantes dos elementos ópticos compactos é nos dispositivos de exibição para colocação na cabeça, em que um módulo óptico serve não só como uma lente de imagem mas também como um combinador, no qual um dispositivo de exibição bidimensional forma imagens para o infinito e reflectidas para o olho de um observador. 0 dispositivo de exibição pode ser obtido directamente a partir de um modulador espacial de luz (SLM), tal como um tubo de raios catódicos (CRT), um dispositivo de exibição de cristais líquidos (LCD), um agrupamento de díodos emissores de luz orgânicos (OLED), ou uma fonte de digitalização e dispositivos similares, ou indirectamente, por meio de uma lente correctora ou de um feixe de fibras ópticas. 0 dispositivo de exibição compreende um agrupamento de elementos (pixeis) que formam imagem para o infinito por uma lente de colimação e transmitidos para o olho do observador por meio de uma superfície de reflexão ou de reflexão parcial, que actua como um combinador para aplicações sem combinação de imagens real e virtual ("non-see-through") e de 2

ΕΡ 1 485 747 /PT combinação de imagens real e virtual (see-through), respectivamente. Tipicamente, é utilizado para estes fins um módulo óptico de espaço livre, convencional. Infelizmente, à medida gue o campo de visão (FOV) desejado do sistema aumenta, um tal módulo óptico convencional torna-se maior, mais pesado, mais volumoso e por conseguinte, mesmo para dispositivo de desempenho moderado, impraticável. Isto é uma grande desvantagem para todos os tipos de dispositivos de exibição mas especialmente nas aplicações colocadas na cabeça, em que o sistema tem de ser necessariamente o mais leve e compacto possível. A busca de maior compactação conduziu a várias soluções ópticas complexas diferentes, por exemplo, o documento US 5,453,877 (Thomson-CSF) refere-se a um sistema óptico de colimação que está concebido para ser montado num capacete e permite sobrepor informação sobre a paisagem externa. 0 sistema óptico compreende um dispositivo óptico que é construído por uma placa transparente que tem duas faces paralelas e dois espelhos parabólicos em extremidades opostas. A radiação colimada incide sobre o primeiro espelho parabólico atravessando uma das faces paralelas, é subsequentemente reflectido totalmente pelo primeiro espelho parabólico, sofre várias reflexões totais sobre as faces paralelas e é acoplada para fora atravessando uma das faces paralelas por meio do segundo espelho parabólico. 0 segundo espelho parabólico é parcialmente transparente para permitir a transmissão por transparência de uma radiação externa.

As soluções existentes por um lado, não ainda são suficientemente compactas para a maioria das aplicações práticas e por outro lado, sofrem de grandes desvantagens em termos viabilização de fabricação. Além disso, a caixa de mobilidade do olho dos ângulos ópticos de visão resultantes destas concepções é normalmente muito pequena, tipicamente inferior a 8 mm. Por conseguinte, o desempenho do sistema óptico é muito sensível, mesmo para pequenos movimentos do sistema óptico em relação ao olho do observador e não permite suficiente movimento da pupila para se ler texto convenientemente a partir de tais dispositivos de exibição. 3

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Descrição do invento 0 presente invento facilita a concepção e fabricação de elementos ópticos que guiam luz (LOE) muito compactos para, entre outras aplicações, dispositivos de exibição para colocação na cabeça. 0 invento permite FOV relativamente grandes juntamente com valores de caixa de mobilidade do olho relativamente grandes. 0 sistema óptico resultante oferece uma imagem grande, de alta qualidade, que também comporta grandes movimentos do olho. 0 sistema óptico oferecido pelo presente invento é particularmente vantajoso porque é substancialmente mais compacto do que as implementações do estado da técnica e ainda pode ser incorporado de imediato, mesmo em sistema ópticos que têm configurações especializadas. 0 invento também permite a construção de dispositivos de exibição de visualização frontal melhorados (HUD). Deste os primórdios de tais dispositivos de exibição há mais de três décadas, houve significativos progressos no campo. De facto, os HUD tornaram-se populares e actualmente representam um importante papel, não só nas aeronaves de combate mais modernas, mas também nas aeronaves civis, nas quais os sistemas HUD se tornaram um componente chave para a operação de aterragem com fraca visibilidade. Além disso, têm havido recentemente numerosas propostas e concepções para HUD em aplicações para automóveis onde potencialmente podem ajudar o condutor nas tarefas de condução e navegação. No entanto, os HUD do estado da técnica sofrem de várias desvantagens significativas. Todos os HUD das concepções actuais requerem uma fonte de dispositivo de exibição que tem de estar afastada uma distância significativa do combinador para assegurar que a fonte ilumina toda a superfície do combinador. Como resultado, o sistema de HUD projector e combinador é necessariamente volumoso e grande e requer um espaço de instalação considerável, o que o torna inconveniente para instalação e por vezes inseguro de utilizar. A abertura óptica grande dos HUD convencionais também representa um desafio de concepção óptica considerável, fazendo com que os HUD abram mão do desempenho, ou conduzindo a altos custos sempre que é necessário alto 4

ΕΡ 1 485 747 /PT desempenho. A dispersão cromática dos HUD holográficos de alta qualidade é de particular preocupação.

Uma aplicação importante do presente invento refere-se à sua implementação num HUD compacto, o que reduz as desvantagens mencionadas acima. Na concepção de HUD do presente invento, o combinador é iluminado por uma fonte de dispositivo de exibição compacta que pode ser fixa ao substrato. Por conseguinte, o sistema completo é muito compacto e pode ser instalado de imediato numa variedade de configurações para uma vasta gama de aplicações. Em adição, a dispersão cromática do dispositivo de exibição é desprezível e como tal, pode operar com grandes fontes espectrais, incluindo uma fonte de luz branca convencional. Em adição, o presente invento expande a imagem de modo a que a área activa do combinador possa ser muito maior do que a área que é realmente iluminada pela fonte de luz.

Outra aplicação importante do presente invento é proporcionar um ecrã grande com uma vista realmente tridimensional (3D). Desenvolvimentos progressivos em tecnologia de informação conduziram a um aumento de procura de dispositivos de exibição 3D. De facto, já está no mercado uma vasta gama de equipamento 3D. Contudo, os sistemas disponíveis requerem que os utilizadores utilizem dispositivos especiais para separar as imagens que se destinam ao olho esquerdo e ao olho direito. Tais sistemas "de ajuda visual" foram introduzidos com determinação em muitas aplicações profissionais. Contudo, a expansão para outros campos irá requerer sistemas "de visão livre" com conforto visual melhorado e maior adaptação aos mecanismos da visão binocular. As soluções do estado da técnica para este problema sofrem de várias desvantagens e ficam muito perto dos familiares dispositivos de exibição 2D em termo de qualidade de imagem e conforto visual. Contudo, utilizando o presente invento é possível implementar um verdadeiro dispositivo de exibição autoestereoscópico 3D de alta qualidade que não necessita nenhumas ajudas visuais e que pode ser fabricado de imediato com processos de fabrico ópticos padrão. 5

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Mais uma aplicação do presente invento é proporcionar um dispositivo de exibição compacto com um grande FOV para aplicações de mão, móveis tais como telefones móveis. No mercado actual de acesso à Internet sem fios, está disponível suficiente largura de banda para total transmissão de video. 0 factor limitativo permanece a qualidade do dispositivo de exibição no dispositivo do utilizador final. Os requisitos de mobilidade restringem o tamanho fisico dos dispositivos de exibição e o resultado é um dispositivo de exibição directo com uma fraca qualidade de imagem. 0 presente invento permite um dispositivo de exibição fisicamente muito compacto com uma imagem virtual muito grande. Isto é uma caracteristica chave nas comunicações móveis e especialmente para acesso à internet móvel, solucionando uma das limitações principais para a sua implementação prática.

Por esse meio o presente invento permite o visionamento do conteúdo digital de uma página de Internet em formato completo dentro de um dispositivo de mão, pequeno, tal como um telefone móvel.

Por conseguinte, o objecto lato do presente invento, é diminuir as desvantagens dos dispositivos de dispositivos de exibição ópticos compactos do estado da técnica e proporcionar outros sistemas e componentes ópticos que têm melhor desempenho, de acordo com requisitos específicos.

Por conseguinte o invento proporciona um dispositivo óptico, que compreende um substrato de transmissão de luz que tem, pelo menos, duas superfícies principais e bordos; meios ópticos localizados no dito substrato para acoplamento de ondas de luz localizadas num dado campo de visão no dito substrato por reflexão interna total e, pelo menos, uma superfície de reflexão parcial localizada no dito substrato, a dita superfície não sendo paralela às ditas superfícies principais do substrato. A superfície de reflexão parcial é uma superfície de reflexão plana angularmente selectiva e está disposta de modo que as ondas de luz localizadas no dito campo de visão cheguem a ambos os lados da dita superfície de reflexão parcial. 6

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Breve descrição dos desenhos 0 invento é descrito em ligação com certas concretizações preferidas, com referência às seguintes figuras ilustrativas de modo a que possa ser melhor compreendido.

Com referência especifica às figuras em detalhe, é salientado os particulares mostrados são só a titulo exemplificativo e para fins de discussão ilustrativa das concretizações preferidas do presente invento e são apresentados de modo a proporcionar o que se crê ser a descrição mais útil e que pode ser compreendida de imediato dos princípios e aspectos conceptuais do invento. Neste sentido, não é feita qualquer tentativa para mostrar detalhes estruturais do invento em maior detalhe do que o necessário para uma compreensão fundamental do invento. A descrição com os desenhos serve como direcção para aqueles que são peritos na técnica em relação a como as várias formas do invento podem ser concretizadas na prática.

Nos desenhos: a Fig. 1 é uma vista lateral de uma forma genérica do dispositivo óptico de dobragem da técnica anterior; a Fig. 2 é uma vista lateral de um elemento óptico de guia luz exemplificativo de acordo com o presente invento; as Figs. 3A e 3B ilustram as características de reflectância e transmitância desejadas das superfícies de reflexão selectiva, utilizadas no presente invento para duas gamas de ângulos de incidência; a Fig. 4 ilustra as curvas de reflectância como uma função do comprimento de onda para um revestimento dicróico exemplificativo; a Fig. 5 ilustra uma curva de reflectância como uma função do ângulo de incidência para um revestimento dicróico exemplificativo; 7

ΕΡ 1 485 747 /PT a Fig. 6 ilustra as curvas de reflectância como uma função do comprimento de onda para outro revestimento dicróico; a Fig. 7 ilustra uma curva de reflectância como uma função do ângulo de incidência para outro revestimento dicróico; a Fig. 8 é uma vista em corte esquemática de uma superfície reflexiva de acordo com o presente invento; as Figs. 9A e 9B são diagramas que ilustram vistas em corte detalhadas de um agrupamento exemplificativo de superfícies selectivamente reflexivas; a Fig. 10 é um diagrama que ilustra uma vista em corte detalhada de um agrupamento exemplificativo de superfícies selectivamente reflexivas em que uma camada transparente fina está cimentada ao fundo do elemento óptico de guia luz; a Fig. 11 ilustra vistas em corte detalhadas da reflectância a partir de um agrupamento exemplificativo de superfícies selectivamente reflexivas, para três ângulos de visionamento diferentes; a Fig. 12 é uma vista em corte de um dispositivo exemplificativo de acordo com o presente invento, que utiliza uma placa de meio comprimento de onda para rodar a polarização da luz que chega; a Fig. 13 mostra dois gráficos que representam cálculos simulados para a luminosidade como uma função do FOV através da imagem do dispositivo de exibição projectado e a cena externa (vista através); a Fig. 14 é um diagrama que ilustra uma configuração de elemento óptico de guia luz (LOE), que tem um agrupamento de quatro superfícies de reflexão parcial, de acordo com o presente invento; a Fig. 15 é um diagrama que ilustra uma configuração de elemento óptico de guia luz que tem um agrupamento de quatro 8 ΕΡ 1 485 747 /PT superfícies de reflexão parcial, de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Fig. 16 é um diagrama que ilustra um método para expandir um feixe ao longo de ambos os eixos que utiliza uma configuração de LOE dupla; a Fig. 17 é uma vista lateral de um dispositivo de acordo com o presente invento, que utiliza uma fonte de luz de dispositivo de exibição de cristais líquidos (LCD); a Fig. 18 é um diagrama que ilustra uma disposição óptica de um elemento óptico de dobragem e colimação de acordo com o presente invento; a Fig. 19 é um diagrama que ilustra a zona de projecção da luz, que é acoplada no substrato, sobre a superfície frontal da lente de colimação de acordo com o presente invento; a Fig. 20 é um diagrama que ilustra um diagrama de uma disposição óptica sem dobragem, equivalente de acordo com o presente invento; a Fig. 21 é um diagrama que ilustra um diagrama de uma disposição óptica de acordo com o presente invento, que utiliza dois pares de espelhos de reflexão paralelos para obter um campo de visão grande; a Fig. 22A é uma vista de cima e a 22B é uma vista lateral de uma configuração alternativa para expandir luz de acordo com o presente invento; a Fig. 23 ilustra uma concretização exemplificativa do presente invento concretizada numa armação de óculos comum; a Fig. 24 é um diagrama que ilustra um método exemplificativo para concretizar uma concretização do presente invento dentro de um dispositivo de mão móvel tal como um telefone móvel; 9

ΕΡ 1 485 747 /PT a Fig. 25 ilustra um sistema HUD exemplificativo de acordo com o presente invento; a Fig. 26 ilustra uma concretização exemplificativa do presente invento onde o elemento óptico de guia luz é iluminado por um agrupamento de fontes de dispositivo de exibição; as Figs. 27 a 29 são diagramas gue ilustram concretizações exemplificativas de um sistema de imagem, o gual projecta uma imagem tridimensional para os olhos de um observador, de acordo com o presente invento; a Fig. 30 ilustra uma concretização para implementação convencional de um dispositivo amplificador de luz estelar (SLA) ; a Fig. 31 ilustra uma concretização exemplificativa para uma implementação melhorada do amplificador de luz estelar (SLA), que utiliza os dispositivos de acordo com o presente invento; a Fig. 32 é uma vista lateral de um dispositivo de acordo com o presente invento, que utiliza uma fonte de dispositivo de exibição para dispositivo de exibição de cristais líquidos reflexivo (LCD) com um dispositivo de iluminação convencional; a Fig. 33 é uma vista lateral de um dispositivo de acordo com o presente invento, que utiliza uma fonte de dispositivo de exibição para dispositivo de exibição de cristais líquidos reflexivo (LCD), na qual é utilizado um elemento que guia luz para iluminar a fonte; a Fig. 34 é um diagrama que ilustra um método de fabrico de um agrupamento superfícies de reflexão parcial de acordo com o presente invento; a Fig. 35 é um diagrama que ilustra uma disposição de medição que utiliza dois prismas para medir a reflectância de uma placa revestida em dois ângulos diferentes e 10

ΕΡ 1 485 747 /PT a Fig. 36 é um diagrama que ilustra um sistema de medição que utiliza dois prismas para medir a reflectância de uma placa revestida em dois ângulos diferentes que emprega ainda um prisma de dobragem para alinhar o segundo feixe de saida com o feixe de entrada incidente.

Descrição detalhada de concretizações preferidas A Fig. 1 ilustra uma disposição de óptica de dobragem convencional, em que o substrato 2 é iluminado por uma fonte de dispositivo de exibição 4. 0 dispositivo de exibição é colimado por uma lente de colimação 6. A luz da fonte de dispositivo de exibição 4 é acoplada no substrato 2 por uma primeira superfície de reflexão 8, de um modo que o raio principal 10 seja paralelo ao plano do substrato. Uma segunda superfície de reflexão 12 acopla a luz para fora do substrato e para o olho de um observador 14. Apesar de maior compactação desta configuração, esta sofre de significativas desvantagens; em particular, só pode ser afectado um FOV muito limitado. Como é mostrado na Fig. 1, o ângulo máximo permitido em relação ao eixo no interior do substrato é:

arctang -l 2/ )

(D em que T é a espessura do substrato; doiho é o diâmetro de saída da pupila desejado e 1 é a distância entre as superfícies de reflexão 8 e 12.

Com ângulos maiores do que amax os raios são reflectidos a partir da superfície de substrato antes de chegarem à superfície de reflexão 12. Por conseguinte, a superfície de reflexão 12 irá ser iluminada numa direcção não desejada e aparecem imagens fantasmas.

Por conseguinte, o FOV máximo que se consegue com esta configuração é: FOVmax ~ 2v . Oíi max max (2) em que V é o índice de refracção do substrato. 11

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Tipicamente os valores do índice de refracção estão compreendidos no intervalo de 1,5 a 1,6.

De um modo comum, o diâmetro da pupila do olho é 2 a 6 mm. Para acomodar o movimento ou desalinhamento do dispositivo de exibição, é necessário um grande diâmetro de saída da pupila. Considerando o mínimo valor desejável de aproximadamente 8 a 10 mm, a distância entre o eixo óptico do olho e o lado da cabeça, 1, está, tipicamente, entre 40 e 80 mm. Consequentemente, mesmo para um FOV pequeno de 8o, a espessura do substrato desejada seria da ordem dos 12 mm.

Foram propostos métodos para ultrapassar o problema acima. Estes incluem, a utilização de um telescópio de ampliação no substrato e direcções de acoplamento não paralelas. Contudo, mesmo com estas soluções e mesmo que seja considerada só uma superfície de reflexão, a espessura do sistema permanece limitada por um valor similar. O FOV é limitado pelo diâmetro da projecção da superfície reflexiva 12 sobre o plano do substrato. Matematicamente, o FOV máximo que pode ser obtido, devido a esta limitação, é expresso como: FOVm

Ttmasur-dolho

R (3) olho em que asur é o ângulo entre a superfície reflexiva e a normal ao plano do substrato e

Roiho é a distância entre o olho do observador e o substrato (tipicamente, cerca de 30 a 40 mm).

Praticamente a tangasur não pode ser maior do que 1; por conseguinte, para os mesmos parâmetros descritos acima para um FOV de 8o, aqui a espessura do substrato necessária é na ordem de 7 mm, o que é uma melhoria em relação ao limite anterior. No entanto, à medida que o FOV desejado é aumentado, a espessura do substrato aumenta rapidamente. Por exemplo, para FOV desejados de 15° e 30° a espessura limite do substrato é 18 mm ou 25 mm, respectivamente.

Para diminuir as limitações acima, o presente invento utiliza um agrupamento de superfícies de reflexão selectiva, 12

ΕΡ 1 485 747 /PT fabricadas no interior de um elemento óptico de guia luz (LOE) . A Fig. 2 ilustra uma vista em corte de um LOE de acordo com o presente invento. A primeira superfície de reflexão 16 é iluminada por um dispositivo de exibição colimado 18 que emana a partir de uma fonte de luz (não mostrada) localizada atrás do dispositivo. A superfície de reflexão 16 reflecte a luz incidente a partir da fonte de modo que a luz fique retida no interior de um substrato plano 20 por reflexão interna total. Após várias reflexões a partir das superfícies do substrato, as ondas retidas alcançam um agrupamento de superfícies de reflexão selectiva 22, que acoplam a luz para fora do substrato para o olho de um observador 24. Assumindo que a onda central da fonte é acoplada para fora do substrato 20 numa direcção normal à superfície de substrato 26 e o ângulo da onda acoplada em relação ao eixo no interior do substrato 20 é a±n, então o ângulo asur2 entre as superfícies de reflexão e a normal ao plano do substrato é:

(4)

Como pode ser observado na Fig. 2, os raios retidos chegam às superfícies de reflexão a partir de duas direcções distintas 28, 30. Nesta concretização particular, os raios retidos chegam à superfície de reflexão a partir de uma destas direcções 28 a seguir a um número par de reflexões a partir das superfícies de substrato 26, em que o ângulo de incidência pref entre o raio retido e a normal à superfície de reflexão é:

Os raios retidos chegam à superfície de reflexão a partir da segunda direcção 30 a seguir a um número ímpar de reflexões a partir das superfícies de substrato 26, onde o ângulo com referência ao eixo é a'in = 180° - ain e o ângulo de incidência entre o raio retido e a normal à superfície de reflexão é: 90° + — (6) 2 β'reí = 90o-(ain-asur2 ) = 90o- (180°-ain-asur2) 13

ΕΡ 1 485 747 /PT A fim de impedir reflexões indesejadas e imagens fantasmas, é importante que a reflectância seja desprezível para um destas duas direcções. A discriminação desejada entre as duas direcções de incidência pode ser obtida se um ângulo for significativamente inferior ao outro. Duas soluções para este requisito, ambas explorando as propriedades de reflexão da luz polarizada S foram propostas anteriormente, contudo, ambas as soluções sofriam de várias desvantagens. A desvantagem principal da primeira solução é o número relativamente grande de superfícies de reflexão necessário para se obter um FOV aceitável. A desvantagem principal da segunda configuração é a reflectância indesejada dos raios que têm um ângulo interno de ain. Uma solução alternativa é presentemente descrita, que explora as propriedades de reflexão da luz polarizada P e em alguns casos também a luz polarizada S e que proporciona uma inclinação menor da superfície de reflexão de modo que sejam necessárias menos superfícies de reflexão para uma dada aplicação.

As características de reflexão como uma função do ângulo de incidência da luz polarizada P e S são diferentes.

Considerando por exemplo uma interface de vidro ar/coroa; enquanto ambas as polarizações reflectem 4% a incidência zero, a reflectância de Fresnel da luz polarizada S incidente sobre a fronteira aumenta de um modo monótono para alcançar 100% na incidência rasante, a reflectância de Fresnel da luz polarizada P primeiro diminui para 0% no ângulo de Brewster e só depois aumenta para 100% na incidência rasante. Consequentemente, pode-se conceber um revestimento com alta reflectância para luz polarizada S num ângulo de incidência oblíquo e reflectância perto de zero para uma incidência normal. Além disso também se podia conceber de imediato um revestimento para uma luz polarizada P com muito baixa reflectância em ângulos de incidência elevados e uma alta reflectância para ângulos de incidência reduzidos. Esta propriedade pode ser explorada para impedir reflexões indesejadas e imagens fantasma como descrito acima, ao eliminar a reflectância numa das duas direcções. Escolhendo por exemplo pref * 25° a partir das Equações (5) e (6) pode ser calculado: P'ref= 105°; ain = 130°; a'in 50°; 0ígur2 — 65 (7) 14

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Se agora for determinada uma superfície de reflexão para a qual β'^ não é reflectido mas βΓθί é, é obtida a condição desejada. As Figs. 3A e 3B ilustram o comportamento da reflectância desejado das superfícies de reflexão selectiva. Enquanto o raio 32 (Fig. 3A), que tem um ângulo com referência ao eixo de βΓθί * 25°, é parcialmente reflectido e acoplado para fora do substrato 34, o raio 36 (Fig. 3B), que chega num ângulo com referência ao eixo de p'ref ~ 75° com a superfície de reflexão (que é equivalente a 3'ref « 105°), é transmitido através da superfície de reflexão 34 sem qualquer reflexão notável. A Fig. 4 mostra as curvas de reflectância de um revestimento dicróico concebido para alcançar as características de reflectância acima, para quatro ângulos de incidência diferentes: 20°, 25°, 30° e 75°, todos para luz polarizada P. Enquanto a reflectância do raio de ângulo elevado é desprezível ao longo de todo o espectro relevante, os raios nos ângulos com referência ao eixo de 20°, 25° e 30° obtêm reflectância quase constante de 26%, 29% e 32% respectivamente, ao longo do mesmo espectro. Evidentemente, a reflectância diminui com a obliquidade dos raios incidentes. A Fig. 5 ilustra as curvas de reflectância do mesmo revestimento dicróico, como uma função do ângulo de incidência para luz polarizada P com o comprimento de onda λ = 550 nm. Evidentemente, existem duas regiões significativas neste gráfico: entre 50° e 80° onde a reflectância é muito baixa e entre 15° e 40° onde a reflectância aumenta de um modo monótono com a diminuição dos ângulos de incidência. Por conseguinte, desde que, para um dado FOV, pode-se assegurar que todo o espectro angular de β'^, onde são desejadas reflexões muito baixas, estará localizado dentro da primeira região enquanto todo o espectro angular de β^ , onde são necessárias reflexões maiores, estará localizado dentro da segunda região pode-se assegurar a reflexão de só um modo de substrato para o olho do observador e assegurar uma imagem sem fantasmas.

Até ao momento, só foi analisada luz polarizada P. Este tratamento é suficiente para um sistema que utiliza uma fonte de dispositivo de exibição polarizada, tal como um 15

ΕΡ 1 485 747 /PT dispositivo de exibição de cristais líquidos (LCD) ou para um sistema onde a luminosidade de saída não é crucial e a luz polarizada S Pode ser filtrada. Contudo, para uma fonte de dispositivo de exibição não polarizada, como um CRT ou um OLED e onde a luminosidade é crítica, a luz polarizada S não pode ser desprezada e tem de ser levada em conta durante o procedimento de concepção. Felizmente, embora seja um desafio maior do que a luz polarizada P, também é possível conceber um revestimento com o mesmo comportamento para uma luz polarizada S como discutido acima. Isto é, um revestimento que tem uma reflectância muito baixa para todo um espectro angular de β'^ e reflexões predefinidas mais elevadas para o respectivo espectro angular de pref .

As Figs. 6 e 7 ilustram as curvas de reflectância do mesmo revestimento dicróico descrito acima com referência às Figs. 4 e 5, mas agora para luz polarizada S. Aparentemente, existem algumas diferenças entre o comportamento das duas polarizações: a região de ângulos elevados onde a reflectância é muito baixa é mais estreita para a polarização S; é muito mais difícil obter uma reflectância constante para um dado ângulo ao longo de toda a largura de banda espectral para a luz polarizada S do que para a luz polarizada P; e finalmente, o comportamento monótono da luz polarizada S no espectro angular de pref , onde são requeridas reflexões maiores, é oposto ao da luz polarizada P, isto é, a reflectância para a luz polarizada S aumenta com a obliquidade dos raios incidentes. Aparentemente, este comportamento contraditório das duas polarizações no espectro angular de pref podia ser utilizado durante a concepção óptica do sistema para se obter a reflectância desejada da luz total de acordo com os requisitos específicos de cada sistema. É claro que a reflectância da primeira superfície de reflexão 16 (Fig. 2) deveria ser a mais elevada possível, de modo a acoplar o mais possível de luz a partir da fonte de dispositivo de exibição para o substrato. Assumindo que a onda central da fonte é normalmente incidente sobre o substrato, isto é, ao = 180°, então o ângulo asuri entre a primeira superfície de reflexão e a normal ao plano do substrato é: 16

ΕΡ 1 485 747 /PT Oísur 1 0 a' sur 1 (8)

As soluções para asuri e a'SUri no exemplo acima são 155° e 115°, respectivamente. A Fig. 8 apresenta uma vista em corte da superfície reflexiva 16, que acopla luz 38 a partir de uma fonte de dispositivo de exibição (não mostrada) e retém a mesma no interior do substrato 20 por reflexão interna total. Como está representado aqui, a projecção Si da superfície de reflexão sobre a superfície de substrato 40 é:

Si = T.tan(a) (9) em que T é a espessura do substrato. A solução de α = a'suri é preferida, uma vez que a área de acoplamento sobre a superfície de substrato para o exemplo acima é superior a 4,5 vezes da que é para as soluções anteriores. Uma melhoria de relação similar mantém-se para outros sistemas. Assumindo que a onda acoplada ilumina toda a área da superfície de reflexão, após a reflexão a partir da superfície 16, ilumina uma área de 2Si = 2Ttan(a) sobre a superfície de substrato. Por outro lado, a projecção de uma superfície de reflexão 22 sobre o plano do substrato, é S2 = Ttan(asur2)· Para impedir qualquer sobreposição ou intervalos entre as superfícies de reflexão, a projecção de cada superfície é adjacente à sua vizinha. Por conseguinte, o número N de superfícies de reflexão 22 através das quais cada raio acoplado passa durante um ciclo (isto é, entre duas reflexões a partir da mesma superfície do substrato) é:

N 25i S2 2r-tankaJ r.tan k„, :) (10)

Neste exemplo, onde asur2 = 65° e asuri = 115°, a solução é N = 2; isto é, cada raio passa através de duas superfícies diferentes durante um ciclo. Isto é uma mudança conceptual e uma significativa melhoria sobre as nossas descrições anteriores, onde cada raio passa através de seis superfícies diferentes durante um ciclo. A capacidade de reduzir o número 17 ΕΡ 1 485 747 /PT de superfícies de reflexão para um dado requisito de FOV refere-se à projecção da superfície de reflexão sobre o plano de visionamento - uma vez que os ângulos na presente descrição são maiores, são necessárias menos superfícies de reflexão para transpor as dimensões da imagem. Permitindo menos superfícies de reflexão simplifica a implementação do LOE e assegura uma significativa economia de custos no seu fabrico. A concretização descrita acima em relação à Fig. 8 é um exemplo de um método para acoplamento das ondas de entrada no substrato. Contudo, as ondas de entrada também podiam ser acopladas no substrato por outros meios ópticos, incluindo (mas não estando limitado a) prismas de dobragem, feixes de fibra óptica, redes de difracção e outras soluções.

Além disso, no exemplo ilustrado na Fig. 2, as ondas de entrada e as ondas de imagem estão localizadas do mesmo lado do substrato. Estão previstas outras configurações nas quais as ondas de imagem e de entrada podiam estar localizadas em lados opostos do substrato. Também é possível, em certas aplicações, acoplar as ondas de entrada no substrato através de um dos lados periféricos do substrato. A Fig. 9A é uma vista em corte detalhada de um agrupamento de superfícies selectivamente reflexivas que acoplam para fora luz retida no interior do substrato e para o olho de um observador. Como pode ser observado, em cada ciclo o raio acoplado passa através das superfícies de reflexão 42, tendo uma direcção de a'in = 130°, pelo que o ângulo entre o raio e a normal às superfícies de reflexão é * 75° e as reflexões a partir destas superfícies são desprezíveis. Em adição, o raio passa duas vezes em cada ciclo através da superfície de reflexão 44 que tem uma direcção de ain = 50°, onde o ângulo de incidência é 25° e parte da energia do raio é acoplada para fora do substrato. Assumindo que um agrupamento de duas superfícies de reflexão selectiva 22 é utilizado para acoplamento da luz ao olho de um observador, o FOV máximo é: FOVm 2rtan«wl-d, olho

R (11) olho 18

ΕΡ 1 485 747 /PT

Por conseguinte, para os mesmos parâmetros dos exemplos acima, a espessura limite do substrato para um FOV de 8o é na ordem de 2,8 mm; para FOV de 15° e 30°, a espessura limite do substrato é 3,7 mm e 5,6 mm, respectivamente. Estes são valores mais favoráveis do que a espessura limite das soluções do estado da técnica discutidas acima. Além disso, podem ser utilizadas mais do que duas superfícies de reflexão selectiva. Por exemplo, para três superfícies de reflexão selectiva 22, a espessura limite do substrato para FOV de 15° e 30° é aproximadamente 2,4 mm e 3,9 mm, respectivamente. De um modo similar podem ser introduzidas superfícies de reflexão adicionais para, entre outras vantagens, reduzir mais a espessura óptica limite.

Para configurações onde é necessário um FOV relativamente pequeno, pode ser suficiente uma única superfície de reflexão parcial. Por exemplo, para um sistema com os seguintes parâmetros: R0iho = 25 mm; asur = 72° e T = 5 mm, pode ser obtido um FOV moderado de 17° mesmo com uma única superfície de reflexão 22. Parte dos raios irá atravessar a superfície 22 várias vezes antes de ser acoplada para fora na direcção desejada. Uma vez que o ângulo de propagação mínimo no interior do substrato para se obter a condição de reflexão interna total para o material BK7 ou similar é α1η(ιηίη) = 42°, a direcção de propagação do ângulo central do FOV é ain(Cen) = 48°. Consequentemente, a imagem projectada não é normal à superfície mas sim inclinada 12° em relação ao eixo. No entanto, para muitas aplicações isto é aceitável.

Como é ilustrado na Fig. 9B, cada superfície de reflexão selectiva é iluminada por raios ópticos de diferentes intensidades. Enquanto a superfície direita 46 é iluminada por raios imediatamente após terem sido reflectidos a partir da face inferior 48 do substrato 20, a superfície esquerda 50 é iluminada por raios que já passaram através da superfície de reflexão parcial 46 e por conseguinte têm menor intensidade. Para se obterem imagens de luminosidade uniforme, é necessária compensação para as diferenças nas intensidades entre as diferentes porções da imagem. De facto, o revestimento das superfícies de reflexão com diferentes revestimentos, pelo que a reflectância da superfície 46 é 19

ΕΡ 1 485 747 /PT inferior à reflectância da superfície 50 compensa a iluminação não uniforme.

Pode ocorrer uma outra não uniformidade potencial na imagem resultante devido às diferentes sequências de reflexão de diferentes raios que alcançam cada superfície de reflexão selectiva: - alguns raios chegam directamente sem uma reflexão a partir de uma superfície de reflexão selectiva; outros raios chegam após uma ou mais de tais reflexões. Este efeito é ilustrado na Fig. 9A. Um raio intersecta a primeira superfície de reflexão selectiva 22 no ponto 52. O ângulo de incidência do raio é 25° e uma porção da energia do raio é acoplada para fora do substrato. O raio em seguida intersecta a mesma superfície de reflexão selectiva no ponto 42 num ângulo de incidência de 75° sem reflexão perceptível e em seguida intersecta novamente no ponto 54 num ângulo de incidência de 25° onde outra porção da energia do raio é acoplada para fora do substrato. Pelo contrário, o raio, mostrado na Fig. 9B, experimenta só uma reflexão a partir da mesma superfície. Nós notámos que ocorrem mais reflexões múltiplas em ângulos de incidência menores. Por conseguinte, um método para compensar a não uniformidade que resulta de tais intersecções múltiplas é conceber um revestimento onde a reflectância aumenta de um modo monótono com a diminuição do ângulo de incidência, como é mostrado na reflectividade para o intervalo 10 a 40° da Fig. 5. É difícil compensar totalmente tais diferenças em efeitos de múltiplas intersecções. No entanto, na prática, o olho humano tolera significativas variações na luminosidade que permanece imperceptível. Para dispositivos de exibição perto do olho, o olho integra toda a luz que emerge a partir de um único ângulo de visionamento e foca-a num ponto sobre a retina e uma vez que a curva de resposta do olho é logarítmica, pequenas variações, se algumas, na luminosidade do dispositivo de exibição não irão ser perceptíveis. Por conseguinte, mesmo para níveis moderados de uniformidade de luminosidade no interior do dispositivo de exibição, um olho humano experimenta uma imagem de alta qualidade. A uniformidade moderada necessária pode ser obtida de imediato com um LOE. 20

ΕΡ 1 485 747 /PT

Contudo, para os dispositivos de exibição localizados a uma distância do olho, como os dispositivos de exibição de visualização frontal, a não uniformidade devido aos efeitos de múltiplas intersecções não pode ser tolerada. Para estes casos, é necessário um método mais sistemático para ultrapassar a não uniformidade. A Fig. 10 ilustra uma abordagem possível. Uma camada transparente fina 55 com uma espessura Tadd está cimentada no fundo do LOE. Nesta disposição, o raio exemplificativo incidente a 25°, que de acordo com a Fig. 9A intersecta a primeira superfície de reflexão selectiva 22 em três pontos, intersecta esta superfície somente duas vezes e é reflectido só uma vez: no ponto 52. Deste modo, não ocorre o efeito de dupla reflexão. A espessura Tadd pode ser calculada para minimizar o efeito de dupla reflexão para todo o FOV do sistema óptico. Por exemplo, para o sistema óptico que tem os seguintes parâmetros: FOV = 24° ; asur = 64° ; aln = 52°; v = 1,51 e T = 4 mm, deve ser adicionada uma camada com uma espessura de Tadd = 2,1 mm para eliminar totalmente o efeito indesejável de dupla passagem. Evidentemente, a espessura total do LOE é agora 6,1 mm em vez de 4 mm, mas para sistemas HUD onde o combinador é relativamente grande e é necessária uma resistência mecânica para o LOE, a maior espessura não é necessariamente uma desvantagem. É possível adicionar a camada transparente no topo do LOE ou mesmo em ambos os lados do substrato, em que a configuração exacta irá ser ajustada de acordo com os requisitos específicos do sistema óptico. Para a configuração proposta, não interessa qual é a espessura Tadd, pelo menos, alguns dos raios intersectam a mesma superfície de reflexão selectiva duas vezes. Por exemplo, na Fig. 10, o raio passa uma vez através da primeira superfície de reflexão 22 no ponto 52 que tem um ângulo de incidência de 25° onde parte da energia do raio é acoplada para fora do substrato e uma vez num ângulo de incidência de 75° sem reflexão perceptível. Naturalmente, só a primeira intersecção contribui para a imagem que é formada pelo LOE.

Considerando os ângulos de visionamento diferentes porções da imagem resultante têm origem em diferentes porções das superfícies de reflexão parcial, a Fig. 11 ilustra este efeito: uma vista em corte de um sistema de dispositivo de exibição LOE compacto com base na configuração proposta. Aqui 21

ΕΡ 1 485 747 /PT uma única onda plana 56, que representa um ângulo de visionamento particular 58, ilumina só parte do agrupamento total das superfícies de reflexão parcial 22. Deste modo, para cada ponto sobre a superfície de reflexão parcial, é definido um ângulo de visionamento nominal e a reflectância é projectada de acordo com este ângulo. A concepção dos revestimentos das várias superfícies parcialmente reflexivas do LOE é realizada como se segue: para cada ângulo particular, um raio é representado (tendo em conta a refracção devido à lei de Snell) a partir do centro da pupila do olho considerado 60 para a superfície de reflexão parcial. A direcção calculada é definida como a direcção incidente nominal e o revestimento particular é concebido de acordo com aquela direcção, tendo também em conta a reflectância anterior relacionada com este ângulo de visionamento particular. Por conseguinte, para cada ângulo de visionamento, a reflectância média a partir das superfícies relevantes irá estar muito perto da reflectância desejada. Em adição, se for necessário, irá ser adicionada ao LOE uma camada de espessura Tadd.

Um LOE com superfícies de reflexão selectiva não idênticas tem duas consequências. Em sistemas de combinação de imagens real e virtual ("see-through"), tais como os dispositivos de exibição para colocação na cabeça para pilotos, em que o observador deve ver a cena externa através do LOE então a reflectância das superfícies de reflexão selectiva deve ser relativamente elevada. Uma vez que aqui o coeficiente de reflectância não é o mesmo para todas as superfícies de reflexão selectiva, existe um perigo de isto também implicar uma imagem não uniforme da cena externa observada através do substrato. Felizmente, esta não uniformidade é bastante pequena e pode ser desprezada em muitos casos. Noutras situações, onde tal potencial não uniformidade é crucial, podia ser adicionado um revestimento complementar não uniforme sobre a superfície externa do substrato, para compensar a não uniformidade do substrato e se obter uma vista de luminosidade uniforme ao longo de todo o fov . 22

ΕΡ 1 485 747 /PT

Em sistemas sem combinação de imagens real e virtual ("non-see-through"), tais como dispositivos de exibição de realidade virtual, o substrato é opaco e a transmitância do sistema não tem importância. Contudo, num tal caso, a reflectância pode ser um pouco mais elevada do que anteriormente e tem de se ter cuidado a fim de assegurar que passa suficiente intensidade através da primeira superfície de reflexão a fim de se obter uma luminosidade uniforme através de todo o FOV. Uma outra questão que deve ser tida em conta é a polarização da luz. Como foi discutido acima, para o revestimento da superfície de reflexão selectiva, é preferida luz polarizada P. Felizmente, algumas das fontes de dispositivo de exibição compactas (por exemplo, dispositivos de exibição de cristais liquidos nemáticos) são polarizadas linearmente. Isto também se aplicaria a situações onde a fonte de dispositivo de exibição está orientada de modo que a luz que entra seja polarizada S em relação às superfícies reflexivas. Em tais casos é possível conceber revestimentos para a luz polarizada S, ou, alternativamente rodar a polarização da fonte com uma placa de meia onda. Como é ilustrado na Fig. 12, a luz que emerge da fonte de dispositivo de exibição 4 é polarizada S linearmente. Ao utilizar uma placa de meia onda 62, a polarização é rodada de modo que a luz polarizada P desejada seja incidente sobre a superfície de reflexão de acoplamento 22.

Para ilustrar o desempenho esperado de um sistema típico de combinação de imagens real e virtual ("see-through"), foi realizada uma simulação de computador, que calcula a luminosidade não só do dispositivo de exibição projectado mas também da cena externa. 0 sistema tem os seguintes parâmetros: T = 4,3 mm; Tadd = 0; ain = 50°; FOV = 24° ; R0ih0 = 25 mm; v = 1,51; a fonte de dispositivo de exibição é polarizada S, existem duas superfícies de reflexão selectiva e a reflectância nominal é 22%. A Fig. 13 mostra os resultados da simulação, normalizados para os valores nominais pedidos. Existem algumas flutuações pequenas em ambos os gráficos, mas estas alterações não seriam perceptíveis em aplicações perto do olho.

Até agora, só foi discutido o FOV ao longo do eixo ξ. O FOV ao longo do eixo η ortogonal também deveria ser 23 ΕΡ 1 485 747 /PT considerado. O FOV ao longo do eixo η não está dependente do tamanho ou número das superfícies de reflexão selectiva, mas em vez disso, da dimensão lateral ao longo do eixo η das ondas de entrada acopladas no substrato. O FOV máximo, que pode ser obtido ao longo do eixo η, é: FOVm D η ddho Ro,ko+l/(VÚnain) (12) em que ϋη é a dimensão lateral ao longo do eixo η das ondas de entrada acopladas no substrato.

Isto é, se o FOV desejado for 30°, então ao utilizar os mesmos parâmetros descritos acima, a dimensão lateral de limite é 42 mm. Foi demonstrado anteriormente que a dimensão longitudinal ao longo do eixo ξ das ondas de entrada acopladas no substrato é fornecida por Si = Ttan(ain). Uma espessura de substrato de T = 4 mm produz Si = 8,6 mm. Aparentemente, a extensão lateral do LOE é cinco vezes maior do que a dimensão longitudinal. Mesmo para uma relação de aspecto de imagem de 4: 3 (como com um dispositivo de exibição de vídeo comum) e o FOV no eixo η sendo 22°, a dimensão lateral requerida é aproximadamente 34 mm, ainda quatro vezes maior do que a dimensão longitudinal. Esta assimetria é problemática: - é necessária uma lente de colimação com uma abertura numérica elevada, ou uma fonte de dispositivo de exibição muito grande. Em qualquer caso, com tais valores numéricos de dimensão, é impossível obter o sistema compacto desejado.

Um método alternativo para solucionar este problema é apresentado na Fig. 14. Em vez de utilizar um agrupamento de superfícies de reflexão 22 só ao longo do eixo ξ, um outro agrupamento de superfícies de reflexão 22a, 22b, 22c, 22d está posicionado ao longo do eixo η. Estas superfícies de reflexão estão localizadas normais ao plano do substrato 20 ao longo do bissector dos eixos ξ e η . A reflectância destas superfícies é determinada de modo a se obter ondas de saída uniformes. Por exemplo, para quatro superfícies de reflexão, a reflectância das superfícies deveria ser 75%, 33%, 50% e 100% para a primeira superfície 22a, a segunda superfície 22b e a terceira superfície 22c e a quarta superfície 22d, 24 ΕΡ 1 485 747 /PT respectivamente. Esta disposição produz uma sequência de frentes de onda, cada a 25% da intensidade de chegada. Tipicamente, uma tal matriz de superfícies de reflexão pode ser concebida de imediato para luz polarizada S. Felizmente, a luz que é polarizada S comparada com as superfícies de reflexão parcial 22a a 22d, irá ser polarizada P comparada com as superfícies de reflexão parcial 22. Por conseguinte, se a expansão vertical da imagem no eixo η for afectada com luz polarizada S, não há necessidade de uma placa de meio comprimento de onda rodar a polarização da luz sobre os expansores horizontais no eixo ξ. As disposições mostradas nas montagens de matriz 22 e 22a a 22d são só exemplos. São possíveis outras disposições para aumentarem as dimensões laterais das ondas ópticas em ambos os eixos, de acordo com o sistema óptico e os parâmetros desejados, algumas das quais são descritas abaixo. A Fig. 15 ilustra um método alternativo para expandir o feixe ao longo do eixo η. Nesta configuração a reflectância das superfícies 22a, 22b e 22c é 50% para luz polarizada S onde 22d é um simples espelho 100%. Embora a dimensão lateral da expansão vertical para esta solução seja maior do que na configuração anterior, requer somente um simples revestimento de reflexão selectiva e a configuração geral é mas fácil de fabricar. No geral, para cada sistema óptico específico o método exacto para expandir o feixe ao longo do eixo η pode ser escolhido de acordo com os requisitos particulares do sistema.

Assumindo uma lente de colimação simétrica 6, a dimensão lateral ao longo do eixo η após a reflexão a partir das superfícies reflexivas 22a a 22d, é fornecida por Ξη. = NTtan(ain), em que N é o número das superfícies de reflexão. O FOV máximo que se pode obter ao longo do eixo η é agora:

FOV n max

R η ^oiko Ro,ho +//(vsina J NTtm{a;n)-dolho Roiho+U{vs™ain) (13)

Uma vez que o agrupamento de reflexão 22a a 22d pode ser localizado perto do olho, é esperado que a distância 1 entre as superfícies de reflexão seja menor do que nos exemplos anteriores. Assumindo que 1 = 40 mm e escolhendo os 25 ΕΡ 1 485 747 /PT parâmetros: T = 4 mm; N = 4; ain = 65° ; R0iho = 25 mm e v = 1,5, o FOV resultante irá ser: FOvVx * 300 (14)

Isto é uma melhoria em relação aos valores anteriores obtidos acima. A Fig. 16 ilustra outro método para expandir o feixe ao longo de ambos os eixos que utiliza uma configuração de duplo LOE. A onda de entrada é acoplada para dentro do primeiro LOE 20a pela primeira superfície de reflexão 16a e em seguida propaga-se ao longo do eixo ξ. As superfícies de reflexão parcial 22a acoplam a luz para fora de 20a e em seguida a luz é acoplada para dentro do segundo LOE 20b pela superfície de reflexão 16b. A luz em seguida propaga-se ao longo do eixo η e em seguida é acoplada para fora pelas superfícies de reflexão selectiva 22b. Como é mostrado, o feixe original é expandido ao longo de ambos os eixos onde a expansão geral é determinada pela relação entre as dimensões laterais dos elementos 16a e 22b respectivamente. A configuração fornecida na Fig. 16 é só um exemplo de uma configuração de LOE duplo. Também são possíveis outras configurações onde dois ou mais LOE são combinados juntos para formarem sistema ópticos complicados. Por exemplo, os três substratos diferentes, tendo sido o revestimento de cada concebido para uma das três cores básicas, pode ser combinado para produzir um sistema de dispositivo de exibição de três cores. Nesse caso, cada substrato é transparente em relação às outras duas cores. Um tal sistema pode ser útil para aplicações nas quais é necessária uma combinação de três fontes de dispositivo de exibição monocromáticas diferentes a fim de criar a imagem final. Existem muitos outros exemplos nos quais vários substratos podem ser combinados juntos para formar um sistema mais complicado.

Outra questão a ser abordada é a luminosidade do sistema. Esta questão é importante para aplicações de combinação de imagens real e virtual ("see-through"), onde é desejado que a luminosidade do dispositivo de exibição seja comparável à da cena externa, para permitir razão de contraste aceitável e visionamento conveniente através do 26

ΕΡ 1 485 747 /PT combinador. Não é possível assegurar que a perda de inserção da maioria dos sistemas seja pequena. Por exemplo, como foi descrito acima para o combinador de quatro superfícies da Fig. 14, devido à necessária expansão do feixe ao longo do eixo η, a luminosidade das ondas ópticas é reduzida quatro vezes. No geral para N superfícies de reflexão a luminosidade é reduzida de um factor de N. Em princípio fontes de dispositivo de exibição de luminosidade elevada podem compensar esta dificuldade, mas esta abordagem necessariamente tem uma limitação prática. Não só as fontes de dispositivo de exibição de luminosidade elevada são muito dispendiosas, mas também têm elevado consumo de energia com as associadas correntes eléctricas muito elevadas. Além disso, na maioria dos dispositivos de exibição existe uma limitação inerente quanto à luminosidade máxima que pode ser obtida. Como um exemplo, para LCD de transmissão, que actualmente são a fonte mais abundante para pequenos dispositivos de exibição, a potência da luz de retro- iluminação está limitada para impedir efeitos indesejados como o brilho que diminui a resolução e a razão de contraste do dispositivo de exibição. Por conseguinte, são necessárias outras abordagens para optimizar a utilização da luz disponível a partir da fonte.

Um método possível para melhorar a luminosidade do dispositivo de exibição que chega ao olho do observador é controlar a reflectância das superfícies de reflexão 22 do LOE de acordo com a caixa de mobilidade do olho (EMB) do observador. Como é ilustrado na Fig. 11, cada superfície de reflexão, do agrupamento geral das superfícies de reflexão selectiva 22, é iluminada somente por parte do FOV geral. Por conseguinte, a reflectância de cada superfície pode ser ajustada para optimizar a luminosidade de todo o FOV. Por exemplo, a reflectância da superfície direita 22a na Fig. 11 podia ser projectada para ter maior reflectância para a parte direita do FOV e a menor reflectância possível para a parte esquerda do FOV, enquanto a superfície esquerda 22b tem maior reflectância para a parte esquerda do FOV. Pode ser aplicado um método de concepção similar a um sistema de expansão bidimensional. Assumindo que η é o eixo vertical na Fig. 16, a reflectância das superfícies de reflexão 22a podia ser projectada de modo que as superfícies inferiores tenham maior 27

ΕΡ 1 485 747 /PT reflectância para a parte inferior do FOV e a menor reflectância possível para a parte superior do FOV, enquanto as superfícies superiores têm maior reflectância para a parte superior do FOV. Por conseguinte, o factor de que a luminosidade é reduzida devido à expansão lateral pode ser muito menor do que R, onde R é a razão entre a área da superfície de acoplamento de entrada 16a e das superfícies de acoplamento de saída 22b.

Um outro método para melhorar a luminosidade geral do sistema é ao controlar a luminosidade da fonte de dispositivo de exibição sem alterar a potência de entrada. Como é mostrado na Fig. 11 acima, uma grande porção da energia acoplada no substrato 20 pelo espelho de reflexão 16 é reflectida para a vizinhança da pupila do olho 60. Contudo, para maximizar a luminosidade que se pode obter, também é desejável que a maior parte da luz que emerge da fonte de dispositivo de exibição seja acoplada no substrato. A Fig. 17 ilustra um exemplo de um dispositivo de exibição em modo de substrato onde a fonte de dispositivo de exibição é um LCD de transmissão. A luz emerge da fonte de luz 64 e é colimada por uma lente 66, ilumina um LCD 68. A imagem a partir do LCD é colimada e reflectida pelos componentes ópticos 70 sobre o substrato 20. A Fig. 18 ilustra uma disposição óptica da lente de colimação/dobragem 70, enquanto a Fig. 19 ilustra a zona de projecção da luz, que é acoplada no substrato 20, sobre a superfície frontal 72 da lente 70. Normalmente, para a maioria das fontes de dispositivo de exibição, existe uma distribuição Lambertiana da luz, que emerge a partir do dispositivo de exibição. Isto é, a energia é distribuída uniformemente sobre todo o espectro angular de 2n esterorradianos. Contudo, como pode ser observado nas Figs. 18 e 19, somente uma pequena porção da luz que emerge da fonte de dispositivo de exibição é realmente acoplada no substrato 20. A partir de cada fonte pontual sobre a superfície do dispositivo de exibição, só um pequeno cone de luz de * 20 a 30° realmente ilumina a zona de projecção sobre a superfície frontal 72 e acopla no substrato 20. Por conseguinte, pode ser obtido um significativo aumento na luminosidade se a luz que emerge do dispositivo de exibição for concentrada no interior deste cone. 28

ΕΡ 1 485 747 /PT

Um método para se obter tal direccionalidade na iluminação da fonte é utilizar um difusor selectivo especial para o LCD. Normalmente, um difusor convencional espalha a luz uniformemente em todas as direcções. Alternativamente, um difusor selectivo pode espalhar a luz de um modo tal que a luz a partir de cada fonte pontual diverge num cone angular pretendido. Neste caso a energia que a superfície de LCD ilumina permanece a mesma. Para um cone de 20 a 30°, o ângulo de divergência da luz para cada fonte pontual é reduzido de um factor de mais do que 50 quando comparado com os π esterorradianos da fonte Lambertiana, a luminosidade da luz aumenta o mesmo factor. Por conseguinte, pode ser obtida uma significativa melhoria na luminosidade do sistema com um minimo esforço de projecto e fabrico e sem aumentar o consumo de energia do sistema.

Uma solução alternativa, que é apropriada não só para LCD mas também para outras fontes de dispositivo de exibição, é utilizar um agrupamento de microlentes que está alinhado com os pixeis da fonte de dispositivo de exibição. Para cada pixel uma microlente estreita o feixe divergente que emerge a partir daquele pixel no cone angular desejado. De facto, esta solução é eficiente só se o factor de forma dos pixeis for um número pequeno. Uma versão melhorada desta solução é conceber a função de distribuição de emissão dos pixeis no agrupamento dos pixeis para fazer cada pixel divergir com o ângulo pretendido. Por exemplo, nos dispositivos de exibição OLED, normalmente são feitos esforços para aumentar o ângulo de divergência dos LED únicos a fim de permitir a visão a partir de um ângulo grande. Contudo, para a nossa aplicação especifica de dispositivo de exibição LOE, é vantajoso manter este ângulo de divergência pequeno, na ordem dos 20 a 30°, para optimizar a luminosidade do sistema.

Como é descrito acima, com referência às Figs. 14 e 15, é possivel obter um FOV maior também ao longo da direcção vertical η sem aumentar o volume do sistema significativamente. Contudo, existem situações onde esta solução não é suficiente. Isto é verdade especialmente para sistemas com um FOV muito grande e um constrangimento sobre a distância, 1, entre a superfície reflexiva de acoplamento de entrada 16 e as superfícies de reflexão selectiva de 29

ΕΡ 1 485 747 /PT acoplamento de saída 22. A Fig. 20 ilustra um sistema óptico sem dobragem com os seguintes parâmetros : 1 = 70 mm ; T = 4 mm; aln = 65° ; R0iho = 24 mm ; v = 1,51, a caixa de mobilidade do olho (EMB) é 10 mm e o FOV vertical pretendido é 42°. Se seguirmos os raios a partir da EMB 74, vamos descobrir que a luz passa através da projecção da EMB sobre a óptica de acoplamento de saída 22, onde 76, 78 e 80 são as projecções dos ângulos superior, central e inferior, respectivamente do FOV. Isto significa que para se obter o FOV desejado a abertura de acoplamento de entrada necessária 82 é 65 mm; isto é uma abertura muito grande que necessariamente aumenta o tamanho de todo o sistema, mesmo que o substrato permaneça uma placa fina. Alternativamente, se só for permitida uma abertura mais pequena 84 de 40 mm, o FOV vertical que se pode obter 86 cai para 23° o que é quase metade do FOV pretendido. A Fig. 21 ilustra uma solução possível para este problema. Em vez de utilizar uma simples placa rectangular 20, os dois bordos horizontais das placas são substituídos por dois pares de superfícies de reflexão paralelas, 88a, 88b e 90a, 90b respectivamente. Enquanto a parte central do FOV se projecta directamente através da abertura 84 como antes, os raios da parte inferior do FOV são reflectidos a partir das superfícies 88a e 88b, enquanto os raios da parte superior do FOV são reflectidos a partir das superfícies 90a e 90b. Tipicamente, os ângulos entre os raios retidos no interior do substrato e as superfícies de reflexão 88 e 90 são suficientemente grandes para afectar as reflexões internas totais, deste modo não é necessário nenhum revestimento de reflexão especial para estas superfícies. Uma vez que todos os raios se deslocam directamente a partir da abertura de entrada ou são reflectidos duas vezes a partir de um par de superfícies paralelas, a direcção original de cada raio é mantida e a imagem original não é afectada.

De facto, é importante assegurar que cada raio que é reflectido pela superfície 88a também seja reflectido pela superfície 88b antes de incidir na abertura 84. Para confirmar isto, é suficiente verificar dois trajectos de raios: - o raio marginal do ângulo extremo 92, incidente sobre a superfície 88a no ponto 94, tem de incidir na superfície 88b para a direita da sua intersecção com a 30

ΕΡ 1 485 747 /PT superfície 90a; em adição, o raio marginal 96, incidente sobre a superfície 88a a seguir à sua intersecção 98 com a superfície 90b, tem de incidir na superfície 88b antes de atravessar a abertura 84. Uma vez gue ambos os raios marginais cumprem o requisito, necessariamente todos os raios a partir do FOV que são incidentes sobre a superfície 88a também irão incidir na superfície 88b. O presente exemplo proporciona um FOV de 42° com uma abertura de entrada significativamente reduzida 84: 40 mm. Naturalmente, em casos onde 1 é extremamente grande, pode ser utilizada uma cascata de dois ou mais pares de superfícies de reflexão para se obter o FOV desejado enquanto se mantém uma abertura de entrada aceitável. A concretização da Fig. 21 é só um exemplo que ilustra uma implementação simples deste método. A utilização de pares de superfícies de reflexão paralelas a fim de diminuir a abertura do sistema para um dado FOV, ou alternativamente para aumentar o FOV que pode ser utilizado para uma dada abertura, não está limitada às ópticas de modo de substrato e pode ser utilizada em outros sistemas ópticos incluindo, mas não estando limitado a, sistemas de espaço livre como dispositivos de exibição de visualização frontal, episcópios ou periscópios.

Aparentemente, como foi descrito acima com referência à Fig. 21, a dimensão lateral da abertura de entrada do substrato é 40 mm ao longo do eixo η e 8,5 mm ao longo do eixo ξ. As Figs. 22A e 22B ilustram uma concretização alternativa à descrita acima com referência às Figs. 14 a 15. Esta abordagem envolve um ajuste entre uma lente de colimação simétrica 6 e uma abertura de entrada assimétrica. As dimensões laterais da abertura de entrada são assumidas serem D e 4D ao longo dos dois eixos respectivamente. Uma lente 6 com uma abertura de 2D colima a imagem no substrato. A metade frontal da luz colimada é acoplada no substrato pelo espelho 16a. Dois pares de superfícies de reflexão paralelas, 22a; 22b e 22c; 22d dividem a luz acoplada para fora e em seguida reflectem-na de volta para a sua direcção original. A parte traseira da luz colimada passa através do substrato 20 e em seguida é feita a dobragem pelo prisma 99 de volta para dento do substrato. Um segundo espelho 16b acopla a luz de dobragem 31

ΕΡ 1 485 747 /PT no substrato 20. Evidentemente, as dimensões laterais da abertura de entrada são D e 4D ao longo dos dois eixos respectivamente, como pretendido.

Existem algumas vantagens para a abordagem descrita acima com referência à Fig. 22. O sistema é simétrico em volta do eixo η e mais importante, não existe perda de intensidade de luz. Esta abordagem é só um exemplo e são possíveis outros métodos similares para converter o feixe de entrada simétrico num feixe de luz acoplado assimétrico. Uma configuração adequada para expandir a imagem ao longo do eixo η requer análise cuidadosa das especificações do sistema.

Em geral, todas as configurações diferentes dos elementos ópticos que guiam luz considerados acima, oferecem várias vantagens importantes sobre as ópticas compactas alternativas para aplicações de dispositivos de exibição, as quais incluem: 1) A fonte de dispositivo de exibição de entrada pode ser localizada muito perto do substrato, de modo a que o sistema óptico geral seja muito compacto e leve, oferecendo um factor de forma inigualável. 2) Em contraste com outras configurações de dispositivo de exibição compactas, o presente invento oferece flexibilidade quanto à localização da fonte de dispositivo de exibição de entrada em relação à ocular. Esta flexibilidade, combinada com a capacidade de localizar a fonte perto do substrato de expansão, diminui a necessidade de utilizar uma disposição óptica fora de eixo que é comum a outros sistemas de dispositivo de exibição. Em adição, uma vez que a abertura de entrada do LOE é muito inferior à área activa da abertura de saída, a abertura numérica da lente de colimação 6 é muito inferior à necessária para um sistema de imagem convencional comparável. Consequentemente pode ser implementado um sistema óptico significativamente mais conveniente e as muitas dificuldades associadas a ópticas fora de eixo e lentes de elevada abertura numérica, tais como aberrações 32

ΕΡ 1 485 747 /PT cromáticas ou de campo podem ser compensadas de um modo relativamente fácil e eficientemente. 3) Os coeficientes de reflectância das superfícies selectivamente reflectivas no presente invento são essencialmente idênticas ao longo de todo o espectro relevante. Por conseguinte, podem ser utilizadas como fontes de dispositivo de exibição fontes de luz, não só monocromática mas também policromática. O LOE tem uma dependência de comprimento de onda desprezível que assegura dispositivos de exibição a cores de alta qualidade com resoluções elevadas. 4) Uma vez que cada ponto do dispositivo de exibição de entrada é transformado numa onda plana que é reflectida para o olho do observador a partir de uma grande parte do agrupamento de reflexão, as tolerâncias quanto à localização exacta do olho podem ser significativamente alargadas. Como tal, o observador pode ver todo o campo de visão e a caixa de mobilidade do olho pode ser significativamente maior do que noutras configurações de dispositivo de exibição compactas. 5) Uma vez que uma grande parte da intensidade da fonte de dispositivo de exibição é acoplada no substrato e uma vez que uma grande porção desta energia acoplada é "reciclada" e acoplada para fora para o olho do observador, pode ser obtido um dispositivo de exibição de luminosidade comparativamente elevada mesmo com fontes de dispositivo de exibição com baixo consumo de energia. A Fig. 23 ilustra uma concretização do presente invento na qual o LOE 20 está incorporado numa armação de óculos 100. A fonte de dispositivo de exibição 4, a lente de colimação 6 e a lente de dobragem 70 estão montados no interior das porções de haste 102 da armação dos óculos, mesmo a seguir ao bordo do LOE 20. Para um caso no qual a fonte de dispositivo de exibição é um elemento electrónico tal como um pequeno CRT, LCD, ou OLED, a electrónica de accionamento 104 para a fonte de dispositivo de exibição pode ser montada no interior da porção traseira da haste 102. Uma fonte de alimentação e 33

ΕΡ 1 485 747 /PT interface de dados 106 pode estar ligada à haste 102 por um fio condutor 108 ou outro meio de comunicação incluindo transmissão por rádio ou óptica. Alternativamente, uma bateria e electrónica de ligação de dados miniatura pode ser integrada dentro da armação dos óculos. A concretização descrita acima pode servir não só para sistemas de combinação de imagens real e virtual ("see-through") mas também sem combinação de imagens real e virtual ("non-see-through"). No último caso estão localizadas camadas opacas em frente ao LOE. Não é necessário ocluir todo o LOE, tipicamente só a área activa, onde o dispositivo de exibição é visivel necessita de ser bloqueada. Como tal, o dispositivo pode assegurar que a visão periférica do utilizador é mantida, copiando a experiência visual de um ecrã de computador ou de televisão, no qual tal visão periférica desempenha uma importante função cognitiva. Alternativamente, pode ser colocado um filtro variável em frente do sistema de uma modo tal que o observador possa controlar o nível de luminosidade da luz que emerge da cena externa. Este filtro variável podia ser um dispositivo controlado mecanicamente tal como um filtro de dobragem, ou dois polarizadores rotativos, um dispositivo controlado electronicamente, ou mesmo um dispositivo automático, pelo que a transmitância do filtro é determinada pela luminosidade do fundo externo.

Existem algumas alternativas quanto ao modo preciso que um LOE pode ser utilizado nesta concretização. A opção mais simples é utilizar um único elemento para um olho. Outra opção é utilizar um elemento e uma fonte de dispositivo de exibição para cada olho, mas com a mesma imagem: Alternativamente é possível projectar duas partes diferentes da mesma imagem, com alguma sobreposição entre os dois olhos, permitindo um FOV maior. Ainda outra possibilidade é projectar duas cenas diferentes, uma para cada olho, a fim de criar uma imagem estereoscópica. Com esta alternativa, são possíveis implementações atractivas, incluindo filmes tridimensionais, realidade virtual avançada, sistemas de treino e outros. A concretização da Fig. 23 é só um exemplo que ilustra a simples implementação do presente invento. Uma vez que o 34

ΕΡ 1 485 747 /PT elemento óptico guiado por substrato, que constitui o núcleo do sistema, é muito compacto e leve, podia ser instalado numa vasta variedade de disposições. Por conseguinte, também são possíveis muitas outras concretizações incluindo um dispositivo de exibição, um dispositivo de exibição de dobragem, um monóculo e muitas mais. Esta concretização é concebida para aplicações onde o dispositivo de exibição deverá estar perto do olho; colocado na cabeça, utilizado na cabeça ou transportado pela cabeça. Contudo, existem aplicações onde o dispositivo de exibição é localizado de modo diferente. Um exemplo de uma tal aplicação é um dispositivo de mão para aplicação móvel, tal como por exemplo um telefone móvel. Espera-se que estes dispositivos num futuro próximo realizem novas operações, que requerem a resolução de um grande ecrã, incluindo telefone vídeo, ligação de Internet, acesso ao correio electrónico e mesmo a transmissão de televisão por satélite de alta qualidade. Com as tecnologias existentes, um pequeno dispositivo de exibição podia ser incorporado no interior do telefone, contudo, actualmente, um tal dispositivo de exibição só pode projectar dados vídeo de fraca qualidade, ou algumas linhas de dados de Internet ou correio electrónico directamente para o olho. A Fig. 24 ilustra um método alternativo, com base no presente invento, que elimina o compromisso actual entre o tamanho pequeno dos dispositivos móveis e o desejo de ver conteúdo digital num dispositivo de exibição de formato completo, ao projectar-se imagens de alta qualidade directamente para o olho do utilizador. Um módulo óptico que inclui a fonte de dispositivo de exibição 6, as ópticas de colimação e dobragem 70 e o substrato 20 está integrado dentro do corpo de um telefone móvel 110, onde o substrato 20 substitui a janela de cobertura protectora do telefone. Especificamente, o volume dos componentes de suporte que incluem a fonte 6 e as ópticas 70 é suficientemente pequeno para se montar dentro de um volume aceitável para os dispositivos de telefone móvel modernos. Para observar todo o ecrã transmitido pelo dispositivo o utilizador posiciona a janela em frente do seu olho 24, para convenientemente observar a imagem com elevado FOV, uma grande caixa de mobilidade do olho e um afastamento de pupila confortável. Também é possível observar todo o FOV a um afastamento de 35

ΕΡ 1 485 747 /PT pupila maior ao inclinar o dispositivo para exibir diferentes porções da imagem. Além disso, uma vez que o módulo óptico pode operar em configuração de combinação de imagens real e virtual ("see-through"), é possivel uma operação dupla do dispositivo; nomeadamente é possivel opcionalmente manter intacto o convencional dispositivo de exibição de telefone móvel 112. Deste modo o dispositivo de exibição de baixa resolução, comum, pode ser observado através do LOE quando a fonte de dispositivo de exibição 6 é desligada. Num segundo modo, concebido para ler correio electrónico, pesquisa na internet, ou operação video, o dispositivo de exibição convencional 112 é desligado enquanto a fonte de dispositivo de exibição 6 projecta a imagem de grande FOV pretendida para o olho do observador através do LOE. A concretização descrita na Fig. 24 é só um exemplo, que ilustra que podem ser materializadas outras aplicações diferentes dos dispositivos de exibição para colocação na cabeça. Outras possíveis disposições portáteis incluem computadores de bolso, pequenos dispositivos de exibição incorporados em relógios de pulso, um dispositivo de exibição que pode ser transportado num bolso que tem o tamanho e peso remanescente de um cartão de crédito e muitos mais.

As concretizações descritas acima são sistemas ópticos monoculares, isto é, a imagem é projectada num único olho. Contudo, existem aplicações, tais como dispositivos de exibição de visualização frontal (HUD), em que se deseja projectar uma imagem em ambos os olhos. Até recentemente, os sistemas HUD foram utilizados principalmente em aeronaves civis e de combate avançadas. Existiram numerosas propostas e concepções, dos últimos, para instalar um HUD em frente a um condutor de automóvel para ajudar na navegação ao conduzir ou para projectar uma imagem térmica nos seus olhos durante condições de baixa visibilidade. Os sistemas HUD aeroespaciais actuais são muito dispendiosos, o preço de uma única unidade sendo na ordem das centenas de milhar de dólares. Em adição, os sistemas existentes são muito grandes, pesados e volumosos e também são complicados de instalar numa aeronave pequena quanto mais num carro. Os HUD com base em LOE potencialmente proporcionam as possibilidades de um HUD autónomo, muito compacto, que pode ser instalado de imediato em espaços confinados. Também simplifica a construção e 36

ΕΡ 1 485 747 /PT fabrico dos sistemas ópticos relacionados com o HUD e por conseguinte é potencialmente adequado não só para melhorar os HUD aeroespaciais, bem como para introduzir uma versão de consumo, pouco dispendiosa, compacta para a indústria automóvel. A Fig. 25 ilustra um método de materialização de um sistema HUD com base no presente invento. A luz de uma fonte de dispositivo de exibição 4 é colimada por uma lente 6 para o infinito e acoplada através da primeira superfície de reflexão 16 no substrato 20. A seguir à reflexão, num segundo agrupamento de reflexão (não mostrado), as ondas ópticas incidem numa terceira superfície de reflexão 22, a qual acopla a luz para fora para os olhos 24 do observador. O sistema geral pode ser muito compacto e leve, do tamanho de um postal grande que tem uma espessura de alguns milímetros. A fonte de dispositivo de exibição, que tem um volume de alguns centímetros cúbicos, pode ser fixa a um dos cantos do substrato, onde um fio eléctrico pode transmitir a energia e dados para o sistema. Espera-se que a instalação do sistema HUD apresentado não seja mais complicado do que a instalação de um simples sistema áudio comercial. Além disso, uma vez que não existe a necessidade de uma fonte de dispositivo de exibição externa para a projecção da imagem, é evitada a necessidade de instalar componentes em locais pouco seguros.

Uma vez que a saída de pupila de um sistema HUD típico é muito maior do que a de um sistema colocado na cabeça, espera-se ser necessário uma configuração de três matrizes, como foi descrito acima com referência às Figs. 14 a 16, para se obter o FOV desejado. Contudo, poderão existir alguns casos especiais, que incluem sistemas com pequenos FOV verticais, ou com um agrupamento de LED vertical como uma fonte de dispositivo de exibição, ou explorando pares de espelhos de reflexão paralelos (como foi descrito acima com referência à Fig. 21), nos quais seria suficiente uma configuração de duas matrizes.

As concretizações ilustradas na Fig. 25 podem ser implementadas para outras aplicações, em adição aos sistemas HUD para veículos. Uma utilização possível destas concretizações é um dispositivo de exibição plano para um 37

ΕΡ 1 485 747 /PT computador ou televisão. A única caracteristica principal de um tal dispositivo de exibição é que a imagem não esteja localizada no plano do ecrã, mas que seja focada para o infinito ou para uma distância igualmente conveniente. Uma das desvantagens principais dos dispositivos de exibição de computador existentes é que o utilizador tem de focar os seus olhos a uma distância muito curta compreendida entre 40 e 60 cm, enquanto o foco natural de um olho saudável é para o infinito. Muitas pessoas sofrem de dores de cabeça após trabalharem durante um longo período de tempo num computador. Muitos outros que frequentemente trabalham com computadores tendem a desenvolver miopia. Em adição, algumas pessoas, que sofrem não só de miopia mas também de hipermetropia, necessitam de óculos especiais para trabalhar com um computador. Um dispositivo de exibição plano, com base no presente invento, podia ser uma solução apropriada para pessoas que sofrem dos problemas descritos acima e não desejam trabalhar com um dispositivo de exibição colocado na cabeça. Além disso, o presente invento permite uma significativa redução no tamanho físico do ecrã. Uma vez que a imagem formada pelo LOE é maior do que o dispositivo, seria possível implementar ecrãs grandes em armações mais pequenas. Isto é particularmente importante para aplicações móveis tais como computadores de bolso e portáteis.

Um problema potencial que pode surgir com um LOE de dispositivo de exibição grande refere-se à sua luminosidade. Idealmente, para maior compactação é vantajoso utilizar uma fonte de dispositivo de exibição miniatura, mas isto reduz necessariamente a luminosidade do dispositivo de exibição devido ao grande aumento na área activamente iluminada do LOE quando comparado com a área activamente iluminada da fonte. Por conseguinte, mesmo após estarem disponíveis as medidas especiais descritas anteriormente, espera-se uma redução na luminosidade, mesmo para aplicações sem combinação de imagens real e virtual ("non-see-through"). Esta redução na luminosidade pode ser anulada ao aumentar a luminosidade da fonte, ou tendo disponível mais do que uma fonte. Isto é, LOE pode ser iluminado com um agrupamento de fontes de dispositivo de exibição e suas lentes de colimação associadas. A Fig. 26 ilustra um exemplo deste método. A mesma imagem é gerada a partir de um agrupamento de 4 fontes 38

ΕΡ 1 485 747 /PT de dispositivo de exibição 4a a 4d, cada uma colimada por um agrupamento de lentes 6a a 6d relacionado para formar uma única imagem colimada, que é acoplada ao LOE 20 pela superfície de reflexão 16. À primeira vista parece que esta solução pode ser muito dispendiosa. Aqui qualquer aumento no custo do sistema através do aumento nos seus componentes e à necessidade de coordenar as imagens das fontes com electrónica especial é anulado pelo inerente baixo custo dos próprios microdispositivos de exibição e à capacidade de reduzir a abertura numérica das lentes de colimação. Também não existe necessidade de nenhum expansor lateral nesta disposição; é bastante exequível incluir só um LOE expansor de imagem de uma dimensão e aumentar a luminosidade consequentemente. É importante notar que as fontes de dispositivo de exibição não têm de ser necessariamente idênticas umas às outras e pode ser utilizado um sistema mais complicado com umas fontes de dispositivo de exibição diferentes como explicado a seguir.

Outra vantagem do dispositivo de exibição de LOE do presente invento é a sua forma muito plana, mesmo comparado com os dispositivos de exibição de painel plano existentes. Outra diferença é um ângulo de visão significativamente mais direccional: o dispositivo de exibição de LOE pode ser observado a partir de um intervalo angular significativamente limitado quando comparado ao dispositivo de exibição de painel plano comum. Tal caixa de mobilidade da cabeça limitada é suficiente para conveniente operação por um único utilizador e oferece as vantagens adicionais de privacidade em muitas situações.

Além disso, a imagem do ecrã com base no LOE está localizada num plano distante atrás da superfície do dispositivo de exibição e não sobre a sua superfície física. A sensação da imagem é similar a observá-la através de uma janela. Esta configuração é particularmente adequada para implementação de dispositivos de exibição tridimensionais.

Desenvolvimentos progressivos em tecnologia de informação conduziram a um aumento de procura de dispositivos de exibição 3D. De facto, já está no mercado uma vasta gama de equipamento 3D. Contudo, os sistemas disponíveis sofrem da 39

ΕΡ 1 485 747 /PT desvantagem dos utilizadores terem de utilizar dispositivos especiais para separar as imagens que se destinam ao olho esquerdo e ao olho direito. Tais sistemas "de ajuda visual" foram implementados com determinação em muitas aplicações profissionais. Contudo, a expansão para outros campos irá requerer sistemas "de visão livre" com conforto visual melhorado e maior adaptação aos mecanismos da visão binocular. As soluções actuais para este problema sofrem de várias desvantagens e ficam atrás dos familiares dispositivos de exibição 2D em termo de qualidade de imagem e conforto de visão.

As Figs. 27A e 27B ilustram uma vista da frente e uma vista de cima, respectivamente, de uma configuração possível, com base no presente invento para materializar um dispositivo de exibição realmente 3D. Em vez de uma única fonte de dispositivo de exibição, um agrupamento 114 de n fontes de dispositivo de exibição diferentes 114i 114n, está localizada na porção inferior do substrato 20, onde cada fonte de dispositivo de exibição projecta imagens obtidas em diferentes perspectivas da mesma cena. A imagem a partir de cada fonte de dispositivo de exibição é acoplada no substrato do mesmo modo que foi descrito acima com referência à Fig. 26. Quando o observador está a observar o dispositivo de exibição, os seus olhos direito 24a e esquerdo 24b vêem as imagens projectadas a partir das fontes de dispositivo de exibição 114i e 114j, respectivamente. Consequentemente o observador vê com cada olho a mesma cena a partir de uma perspectiva diferente. A experiência quase lembra a experiência visual quando se observa um objecto realmente 3D através de uma janela. Como é ilustrado nas Figs. 28a a 28b, quando o observador move o seu olhar horizontalmente os seus olhos vêm as imagens que são projectadas a partir de diferentes fontes de dispositivo de exibição 114k e 114i ; o efeito é similar a mover a cabeça através de uma janela enquanto se olha para uma cena externa. Quando o observador move o seu olhar verticalmente, como é ilustrado nas Figs. 29A a 29B, os olhos vêm pontos no ecrã que estão localizados mais abaixo do que antes. Uma vez que estes pontos estão localizados mais perto das fontes de dispositivo de exibição 114, o observador vê imagens que emergem de diferentes fontes de dispositivo de exibição 114g e 114h, que estão localizadas 40

ΕΡ 1 485 747 /PT mais perto do centro do agrupamento 114 do que antes. Como resultado, a sensação do observador é similar a ver uma cena, que está mais perto da janela. Isto é, a cena através do substrato é vista como um panorama tridimensional onde a parte inferior da cena está mais perto do observador. A concretização descrita acima com relação às Figs. 27 a 29 é só um exemplo. Também são possíveis outras disposições para realizar um dispositivo de exibição realmente 3D, com diferentes aberturas, número de pontos de aspecto e mais ao utilizar o presente invento.

Outra concretização possível do invento é a sua implementação como um teleponto, tal como o utilizado para projectar texto para um orador ou locutor de TV; como o teleponto é transparente, a audiência pensa que o orador está a ter contacto visual com a mesma enquanto ele está realmente a ler o texto. Utilizando um LOE, o teleponto pode ser implementado com uma pequena fonte, fixa à montagem óptica, evitando a necessidade de localizar um grande ecrã na vizinhança do dispositivo.

Ainda outra implementação possível desta concretização é como um ecrã para um assistente digital pessoal (PDA). O tamanho dos ecrãs convencionais existentes, que são utilizados actualmente, é inferior a 10 cm. Uma vez que a distância mínima a que estes dispositivos de exibição podem ser lidos anda na ordem dos 40 cm, o FOV que se obtém é inferior a 15° ; por conseguinte, o conteúdo de informação, especialmente no que diz respeito a texto, nestes dispositivos de exibição é limitado. Pode ser realizada uma significativa melhoria no FOV projectado com a concretização ilustrada na Fig. 24. A imagem é focada para o infinito e o ecrã pode estar localizado mais perto dos olhos do observador. Em adição, uma vez que cada olho vê uma parte diferente do campo de visão total (TFOV), com uma sobreposição no seu centro, pode ser obtido outro aumento no TFOV. Por conseguinte, é exequível um dispositivo de exibição com um FOV de 40° ou superior.

Em todas as concretizações do invento descritas acima, a imagem que era transmitida pelo substrato 20, era originada a 41

ΕΡ 1 485 747 /PT partir de uma fonte de dispositivo de exibição electrónica tal com um CRT ou LCD. Contudo, existem aplicações onde a imagem transmitida pode ser uma parte de uma cena ao vivo, por exemplo, quanto é requerido acoplar uma cena ao vivo num sistema óptico. A Fig. 30 ilustra uma aplicação de um amplificador de luz estelar (SLA) 116 onde esta implementação é pretendida. A imagem a partir da cena externa é focada pelo colimador 118 no SLA onde o sinal electrónico da imagem é amplificado para criar uma imagem sintética que é projectada através de uma ocular 120 no olho do observador. A configuração ilustrada é razoavelmente popular para aplicações militares, paramilitares e civis. Esta configuração normalmente utilizada necessariamente sobressai para a frente em frente do utilizador e torna-a inconveniente para utilização prolongada numa configuração colocada na cabeça. O dispositivo é relativamente pesado e em adição à sua interferência física com objectos na vizinhança do utilizador e exerce um momento vigoroso sobre a cabeça e pescoço do utilizador.

Uma configuração mais conveniente é ilustrada na Fig. 31. Aqui, o dispositivo não está localizado à frente do utilizador mas de lado da cabeça, onde o centro de gravidade do SLA está alinhado ao longo do eixo principal da cabeça. A direcção do dispositivo é invertida, isto é, o colimador 118 está localizado na traseira e a ocular 120 está localizada na frente. Agora, a imagem a partir da cena externa frontal é acoplada para dentro do colimador 118 ao utilizar um LOE 20a, onde a imagem a partir da ocular 120 é acoplada para dentro do olho do observador ao utilizar-se outro LOE 20b. Embora sejam adicionados dois elementos ópticos adicionais, 20a e 20b, ao dispositivo original, o peso destes elementos é desprezível comparado com o peso do SLA e a configuração geral é muito mais conveniente do que antes. Além disso, como a tolerância de montagem destes dispositivos é de longe mais exigente, é exequível que estes dois elementos sejam configurados como módulo de modo a que possam ser mudados da sua posição ou mesmo removidos pelo utilizador. Deste modo o observador de SLA pode ser reconfigurado para conveniente localização para operação colocada na cabeça com o LOE 42

ΕΡ 1 485 747 /PT montado, ou para montar em sítios de armas normalizados ou outros dispositivos de mira para ser utilizado sem o módulo LOE. Também é possível mudar o LOE de modo a acomodar a utilização do dispositivo com qualquer olho.

Em todas as concretizações acima, o LOE é utilizado para transmitir ondas de luz para fins de imagem. Contudo, o presente invento, pode ser aplicado não só para imagem, mas também para aplicações sem imagem, principalmente sistemas de iluminação, nos quais a qualidade óptica da onda de saída não é crucial e os parâmetros importante são a intensidade e a luminosidade uniforme. 0 invento pode ser aplicado, por exemplo, em retro-iluminação de dispositivos de exibição de painel plano, a maioria sistemas de LCD, nos quais, a fim de construir uma imagem, é necessário iluminar a placa com uma luz o mais brilhante e uniforme possível. Outras tais aplicações possíveis incluem, não está limitado a, substitutos planos e não dispendiosos para iluminação de salas ou para holofotes, iluminadores para digitalizadores de impressões digitais e leitores de ondas para hologramas de exibição tridimensional.

Uma das utilizações de iluminação que pode ser melhorada consideravelmente ao utilizar-se um dispositivo de LOE é para um LCD reflexivo. A Fig. 32 ilustra um exemplo de um dispositivo de exibição em modo de substrato onde a fonte de dispositivo de exibição é um LCD de reflexão. A luz gerada por um iluminador 122 passa através de um polarizador 124, colimada por uma lente 126, reflectida por um separador de feixe de polarização 128 e ilumina um LCD 130. A polarização da luz que é reflectida a partir do LCD é rodada em 90° por uma placa de 1/4 de comprimento de onda, ou alternativamente pelo próprio material de LCD. A imagem a partir do LCD passa através do separador de feixe para ser colimada e reflectida pela lente 132 sobre o substrato 20. Como resultado da configuração de separador de feixe, todo o sistema de iluminação é grande e incómodo, e certamente não compacto o suficiente para sistemas para colocação na cabeça. Além disso, devido ao separador de feixe 128 a lente de colimação 132 está localizada mais longe da fonte de dispositivo de exibição, enquanto para minimizar as aberrações é necessário 43

ΕΡ 1 485 747 /PT que as lentes de campo estejam localizadas o mais perto possível da superfície do dispositivo de exibição.

Uma versão melhorada da configuração de iluminação é ilustrada na Fig. 33. A luz a partir da fonte de luz 122 é acoplada para dentro de outro LOE 134, o qual ilumina a superfície do LCD 130, onde as superfícies parcialmente reflexivas são sensíveis à polarização. Aparentemente, todo o sistema aqui é muito mais compacto do que o ilustrado na Fig. 32 e a lente 132 está localizada muito mais perto da superfície do LCD. Em adição, uma vez que a abertura de entrada do LOE 134 é muito mais pequena do que a do separador de feixe 128, a lente de colimação 126 pode agora ser muito mais pequena do que antes e por conseguinte ter um número f maior. A disposição de iluminação mostrada na Fig. 32 é só um exemplo. Também são permitidas outras disposições para a iluminação de um LCD reflexivo ou de transmissão, ou para ser utilizado em qualquer outro fim de iluminação de acordo com o sistema óptico e os parâmetros desejados.

Uma questão importante que devia ser referenciada é o processo de fabrico do LOE, em que o componente crucial é o agrupamento de superfícies de reflexão selectiva 22. A Fig. 34 ilustra um método possível de fabrico de um agrupamento de superfícies de reflexão parcial. As superfícies de uma pluralidade de placas planas transparentes 138 são revestidas com os revestimentos necessários 140 e em seguida as placas são cimentadas juntas de modo a criar uma forma empilhada 142. Um segmento 144 é então cortado em fatia a partir da forma empilhada por corte, esmerilagem, e polimento, para criar a desejado agrupamento de superfícies de reflexão 146, que pode ser montada com outros elementos para materializar todo o LOE. Pode ser fabricada mais do que um agrupamento 146 a partir de cada segmento 144, de acordo com o tamanho real das placas revestidas 138 e o tamanho pretendido do LOE. Como foi descrito nas Figs. 4 a 7, os revestimentos pretendidos das superfícies de reflexão selectiva devem ter uma resposta espectral e angular específica a fim de assegurar uma operação apropriada do LOE. Por conseguinte, é essencial medir de forma precisa o desempenho real dos revestimentos antes da fabricação final do LOE. Como foi explicado acima, existem duas regiões angulares que deviam ser medidas - os 44

ΕΡ 1 485 747 /PT ângulos de incidência elevados (normalmente entre 60° e 85°) onde a reflectância é muito baixa e os ângulos de incidências reduzidos (normalmente entre 15° e 40°), onde a reflectância das superfícies é utilizada para acoplamento de parte das ondas retidas para fora do LOE. Naturalmente, o revestimento deveria ser medido nestas duas regiões. O problema principal do procedimento de teste é que é muito difícil medir com o equipamento de teste existente a reflectância (ou alternativamente a transmissão) para ângulos de incidência muito elevados, normalmente acima de 60°, para revestimentos que estão localizados, como no nosso caso, entre duas placas transparentes. A Fig. 35 ilustra um método proposto para medir a reflexão de uma superfície revestida 150 em ângulos de incidência muito elevados. Inicialmente dois prismas 152 com um ângulo α são fixos à placa revestida. O feixe de chegada 154 incide na placa revestida num ângulo de incidência a. Parte do feixe 156 continua na direcção original e a sua intensidade Ta pode ser medida. Por conseguinte, tendo em conta as reflexões de Fresnel a partir da superfície externa, a reflectância do revestimento medido num ângulo α pode ser calculada como Ra = 1-Ta. Em adição, a outra parte do feixe é reflectida a partir da superfície revestida, reflectida novamente por reflexão interna total a partir da superfície externa do prisma inferior, embate na superfície revestida novamente num ângulo 3a, reflectida novamente a partir da superfície externa do prisma superior por reflexão interna total e em seguida reflectida pela superfície revestida num ângulo α e acoplada para fora do prisma. Aqui, a intensidade do feixe de saída 158 pode ser medida. Tendo em conta as reflexões de Fresnel, a intensidade do feixe de saída é (Κα)2*Τ3θί. Por conseguinte, sabendo a reflectância Ra a partir da etapa anterior, a reflectância num ângulo 3a pode ser consequentemente calculada. Existem equipamentos de teste onde o feixe de saída tem de estar localizado no mesmo eixo que o feixe de chegada. A Fig. 36 ilustra um prisma de dobragem 160 utilizado para movimento de translação do feixe no do feixe original. O resíduo do raio original 154 pode ser bloqueado utilizando uma camada de bloqueio ou máscara adequada 162. 45

ΕΡ 1 485 747 /PT

Evidentemente, cada par de prismas pode medir a reflectância em dois ângulos -a e 3a. Por exemplo, se o ângulo principal for 25° então a reflectância em 25° e 75° pode ser medida simultaneamente. Por conseguinte, normalmente é necessário um pequeno número de pares de prismas (2 ou 3) para uma medição apropriada das placas revestidas. Naturalmente, a configuração mostrada aqui pode ser utilizada para medir a reflectância destes dois ângulos em diferentes comprimentos de onda bem como para as duas polarizações, se necessário.

Será evidente para os peritos na técnica, que o invento não está limitado aos detalhes das concretizações, ilustradas acima, e que o presente invento pode ser concretizado noutras formas especificas. As presentes concretizações são por conseguinte para serem consideradas em todos os aspectos como ilustrativas e não restritivas, sendo o âmbito do invento indicado pelas reivindicações em anexo em vez da descrição anterior e todas as alterações que possam estar dentro do significado e extensão de equivalência das reivindicações destinam-se por conseguinte a ser abrangidas pelas mesmas.

Lisboa

Claims

ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 1/7 REIVINDICAÇÕES 1 - Dispositivo óptico, que compreende: um substrato de transmissão de luz (20) que tem, pelo menos, duas superfícies principais (26), paralelas entre si, e bordos; meios ópticos (16) localizados no dito substrato (20) para acoplamento de ondas de luz, localizadas num dado campo de visão no dito substrato (20) por reflexão interna total, e pelo menos, uma superfície de reflexão parcial (22), localizada no substrato (20), não sendo a dita superfície (22) paralela às ditas superfícies principais (26) do substrato (20), caracterizado por a dita superfície de reflexão parcial (22) ser uma superfície de reflexão angularmente selectiva e plana, e por a dita superfície de reflexão parcial (22) estar disposta de tal modo que as ondas de luz, localizadas no dito campo de visão chegam a ambos os lados (42, 44) da dita superfície de reflexão parcial (22).
2 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 1, em que os ditos meios ópticos (16) para acoplamento de luz no dito substrato (20) estão dispostos com um ângulo em relação às ditas superfícies principais (26) para provocar que, pelo menos, parte dos raios de luz da dita luz acoplada intersectem a dita superfície de reflexão parcial (22), pelo menos, duas vezes com dois ângulos de incidência diferentes, antes de serem acoplados fora do dito substrato (20).
3 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a dita superfície de reflexão (22) está disposta no interior do dito substrato (20) com um ângulo maior do que o ângulo em relação ao eixo das ondas de luz acopladas no substrato (20), pelo que os raios das ditas ondas de luz acopladas incidem num lado (42) da superfície (22) com um ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 2/7 primeiro ângulo de incidência e raios das ditas ondas de luz acopladas incidem num segundo lado (44) da dita superfície (22) num segundo ângulo de incidência menor.
4 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, em gue a dita superfície de reflexão parcial e angularmente selectiva (22) provoca uma pequena reflexão para uma parte do espectro angular e uma grande reflexão para as outras partes do espectro angular.
5 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 4, em que a dita superfície de reflexão parcial e angularmente selectiva (22) provoca uma baixa reflectância com ângulos de incidência elevados e uma grande reflectância com ângulos de incidência reduzidos.
6 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 3, em que a dita superfície de reflexão parcial e angularmente selectiva (22) provoca uma pequena reflexão para um dos ditos ângulos de incidência e uma reflexão significativamente maior para o segundo dos ditos ângulos de incidência.
7 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 3, em que o dito primeiro ângulo de incidência, que tem uma pequena reflectância, é maior do que o dito segundo ângulo de incidência.
8 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, em que é proporcionado um agrupamento de duas ou mais superfícies de reflexão parcial (22), caracterizado por as ditas superfícies de reflexão parcial (22) serem paralelas entre si e não serem paralelas a qualquer dos bordos das ditas superfícies principais (26) do substrato (20).
9 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, em que os ditos meios ópticos (16) são constituídos por uma superfície de reflexão de ondas, localizada no dito substrato (20).
10 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, em que a dita, pelo menos, uma ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 3/7 superfície de reflexão parcial (22) acopla a luz retida por reflexão interna total fora do dito substrato (20).
11 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, que compreende ainda meios para produção de ondas de luz de saída a partir de ondas de luz de entrada, em que as ditas ondas de luz de entrada e as ondas de luz de saída estão localizadas do mesmo lado do dito substrato (20).
12 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, que compreende ainda meios para produção de ondas de luz de saída a partir de ondas de luz de entrada, em que as ditas ondas de luz de entrada estão localizadas num lado do dito substrato (20) e as ditas ondas de luz de saída estão localizadas no outro lado do dito substrato (20)
13 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, que compreende ainda meios para produção de ondas de luz de saída a partir de ondas de luz de entrada, em que as ditas ondas de luz de entrada são acopladas no dito substrato (20) através de um dos seus bordos.
14 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 8, em que a reflectância de cada uma das ditas superfícies de reflexão parcial (22) não é idêntica através das superfícies de reflexão (22).
15 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, em que a dita superfície de reflexão parcial (22) tem um revestimento para luz polarizada P.
16 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, em que a dita superfície de reflexão parcial (22) tem um revestimento para uma luz polarizada S.
17 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, em que a dita superfície de reflexão parcial (22) tem um revestimento para uma luz não polarizada. ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 4/7
18 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 17, que compreende ainda um segundo conjunto de uma ou mais superfícies de reflexão ou de reflexão parcial, localizado no dito substrato (20), sendo as ditas superfícies de reflexão parcial do segundo conjunto paralelas entre si e não sendo paralelas à dita, pelo menos, uma superfície de reflexão parcial (22) .
19 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 18, em que o dito segundo conjunto de superfícies de reflexão ou de reflexão parcial altera a direcção de propagação da luz acoplada no dito substrato (20) por reflexão interna total.
20 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 18 ou 19, em que a reflectância da dita segunda pluralidade de superfícies de reflexão parcial produz um campo de visão que tem um perfil de luminosidade uniforme.
21 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 20, que compreende ainda, pelo menos, um par de superfícies de reflexão suportado pelo dito substrato (20), sendo as ditas superfícies de reflexão do par paralelas entre si e sendo parte dos bordos do dito substrato (20).
22 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 21, em que o dito, pelo menos, um par de superfícies de reflexão altera a direcção de propagação da luz, acoplada no dito substrato (20) por reflexão interna total e, em seguida, reflecte a mesma de novo para o seu sentido original.
23 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 22, que compreende ainda, pelo menos, dois substratos diferentes combinados entre si.
24 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 23, que compreende uma fonte de luz de dispositivo de exibição (4; 4a ... 4d; 64; 122) .
25 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 24, em que a dita fonte de luz de dispositivo de exibição é um dispositivo de exibição de cristais líquidos (LCD) (130) . ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 5/7
26 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 25, em que um difusor selectivo angular está localizado entre uma fonte de luz (122) e o cristal líquido (130) do dito LCD.
27 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 24, em que a dita fonte de luz de dispositivo de exibição é um dispositivo de exibição de diodos emissores de luz orgânicos (OLED), que tem um ângulo de divergência.
28 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 24 a 27, que compreende ainda um agrupamento de microlentes alinhado lateralmente com a dita fonte de luz de dispositivo de exibição.
29 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 28, em que o dito substrato (20) é parcialmente transparente, para permitir operação de visionamento através de si.
30 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 29, que compreende ainda uma superfície opaca, localizada sobre ou no dito substrato (20), de modo a bloquear a entrada da luz que atravessa o substrato a partir de uma cena externa.
31 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 30, que compreende ainda uma superfície de transmitância variável, localizada de modo a atenuar a entrada de luz que atravessa o substrato (20), para controlar a luminosidade da luz que passa através do dito dispositivo a partir de uma cena externa.
32 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 31, que compreende um dispositivo automático para controlo automático da transmitância da dita superfície de transmitância variável, pelo que a transmitância do filtro é determinada pela luminosidade da luz dirigida para atravessar o substrato (20).
33 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 32, em que a dita, pelo menos, uma superfície de reflexão parcial (22) reflecte as ondas de luz retidas num sentido para alcançar um olho de um observador. ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 6/7
34 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 32, em que a dita, pelo menos, uma superfície de reflexão parcial (22) reflecte as ondas retidas num sentido para alcançarem ambos os olhos de um observador.
35 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 34, que compreende ainda uma pluralidade de fontes de luz de dispositivo de exibição (4a ... 4d) .
36 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 35, em que as imagens vindas da dita pluralidade de fontes de luz de dispositivo de exibição (4a ... 4d) diferem entre si.
37 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 36, em que o dito dispositivo (16) acopla a luz a partir da cena externa no dito substrato (20).
38 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 37, que compreende ainda um amplificador de luz estelar (116).
39 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 33 a 38, no qual o dispositivo está configurado para ser disposto no lado da cabeça do observador, com a objectiva localizada atrás e a ocular à frente.
40 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 39, em que o dito dispositivo está montado numa armação de óculos (100) .
41 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 39, em que o dito dispositivo está localizado dentro de um dispositivo de comunicações móvel
• 42 - Dispositivo óptico de acordo com uma das reivindicações 1 a 32, em que a dita, pelo menos, uma superfície de reflexão parcial (22) reflecte as ondas de luz retidas numa direcção para iluminar um objecto. ΕΡ 1 485 747/ΡΤ 7/7
43 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 42, em que o dito objecto é um dispositivo de exibição de cristais líquidos (130) . Lisboa,