PT665974E

PT665974E - Representacao de imagens virtuais na retina

Info

Publication number: PT665974E
Application number: PT93923232T
Authority: PT
Inventors: Joel S Kollin; Thomas A Furness Iii
Original assignee: Univ Washington
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 2000-05-31
Also published as: DE69327173T2; JPH08502372A; CA2147634A1; ATE187273T1; ES2142881T3; DK0665974T3; EP0665974B1; AU5299193A; GR3032837T3; DE69327173D1; WO1994009472A1; JP3435160B2; US5467104A; CA2147634C; EP0665974A1; US5659327A; EP0665974A4

Description

Descrição “Representação de imagens virtuais na retina” A presente invenção refere-se a um sistema de representação de imagens virtuais e, mais particularmente, à representação de imagens virtuais na retina, no qual se projectam directamente, na retina do olho, fotões modulados com informação de vídeo, para produzir uma imagem espacial sem uma imagem virtual, susceptível de ser percebida fora do olho do utilizador.

Faz-se referência à patente US 4 028 725 e aos pedidos de patente europeias N° 0 438 362 e 0 473 434, cada uma das quais apresenta aparelhos para a representação de imagens de visão directa.

Com os sistemas de apresentação de imagens virtuais conhecidos, um utilizador não observa directamente um ecrã de visualização fisico, como sucede nos ecrãs de visualização de imagens reais. Tipicamente, o visualizador virtual cria apenas uma pequena imagem física, utilizando um agregado de cristais líquidos, de díodos emissores de luz ou um tubo de raios catódicos (CRT) miniatura, sendo a imagem projectada por lentes ópticas e espelhos, de modo que a imagem aparece como uma imagem grande suspensa no mundo exterior.

Um tubo de raios catódicos miniatura pode produzir uma imagem monocromática, com uma definição média. Mas estes dispositivos são pesados e volumosos. Por exemplo, o peso típico de um CRT miniatura, com os cabos, é maior que cerca de 113 gramas (4 onças), tendo o CRT um diâmetro de 25,4 mm (1”) e um comprimento de cerca de 100 mm (4”). Além disso, estes dispositivos têm um potencial de aceleração de alta tensão, tipicamente 7 a 13 KV, que é indesejavelmente elevado para um dispositivo de visualização montado na cabeça de 2 2

um utilizador. A criação da cor com utilização de um CRT único é difícil e provoca usualmente compromissos importantes entre a definição e a luminância. Embora a imagem do CRT possa ser retransmitida através de um feixe de fibras ópticas coerente, para permitir que o CRT seja colocado afastado da óptica montada na cabeça, os meios físicos necessários para conseguir isso são também pesados e introduzem perdas de luz significativas. A cor sequencial nos campos de varrimento, utilizando-se um filtro de cor multíplexado, com substância luminescente branca, é susceptível de criar uma boa saturação de matiz da cor, mas também com uma definição reduzida. Por exemplo, é necessário produzir três campos de varrimento de cor, durante o mesmo intervalo de tempo que um campo de varrimento normal a 60 Hz, dividindo-se desse modo por três a largura da banda de vídeo para cada cor.

Um agregado de cristais líquidos pode produzir uma imagem a cores, utilizando uma tensão de operação baixa, mas ele apenas pode proporcionar uma densidade de elementos de imagem (“pixel”) marginal, isto é, inferior a 800 por 800 elementos de imagem. E conhecimento um dispositivo comercial que utiliza um agregado linear de díodos emissores de luz, através de um espelho vibratório e um simples amplificador. Embora isto seja uma alternativa de baixo custo e baixa potência, a visualização é monocromática e com uma definição de linhas limitada pelo número de elementos que podem ser incorporados no agregado linear.

Tanto o CRT como os ecrãs de cristais líquidos geram imagens reais, que são retransmitidas para os olhos através de um sistema óptico para o infinito. O sistema óptico mais simples permite ao utilizador observar a fonte da imagem através de uma simples lente de aumento. Para campos de visão maiores que 30°, esta solução conduz a um certo número de problemas, que incluem a perda de luz e as aberrações 3 /y cromáticas. Além disso, estas ópticas são volumosas e pesadas.

As concepções ópticas de projecção virtual, criam uma imagem espacial, algures no trajecto óptico, num plano de imagem, que é depois vista como uma imagem virtual direita, através de uma lente ocular ou uma lente objectiva. Esta solução aumenta a flexibilidade por meio da qual a imagem proveniente da fonte de imagem pode ser dobrada em tomo da cabeça do utilizador, para um sistema de visualização montado na cabeça, mas os campos de visão grandes exigem elementos ópticos reflectores e reffactores grandes e volumosos.

Além das limitações na definição, os sistemas correntes têm também deficiências de largura de banda. A largura de banda é uma medida da rapidez com que o sistema de visualização pode endereçar, modular ou alterar as emissões de luz dos elementos de visualização da fonte da imagem. A largura de banda da fonte de imagem de visualização é calculada com base no número de elementos que têm de ser endereçados durante um dado intervalo de tempo. O endereçamento de elementos temporalmente é necessário para refrescar ou manter uma luminância percepcionada de cada elemento, tendo em conta a dinâmica de integração da luz dos receptores retinianos e a velocidade a que é provável que a informação mude. A taxa de refrescamento é função do estado do olho para adaptação à luz, da luminância da representação e da persistência dos elementos de imagem, isto é o intervalo de tempo durante o qual o elemento de imagem produz luz, depois de ter sido endereçado. Além disso, é necessária uma frequência de actualizações de pelo menos 30 Hz, para haver a percepção do movimento contínuo, numa visualização dinâmica ou numa apresentação na qual a imagem visualizada é estabilizada, como resultado dos movimentos da cabeça. Refrescar sequencialmente, isto é, um 4 elemento de cada vez, 40 milhões de elementos de imagem à frequência de 60 MHz exigiria uma largura de banda de vídeo de 2,4 GHz. Podem reduzir-se as necessidades de largura de banda pelo entrelaçamento, que ilude o olho na sua percepção da cintilação, mas que ainda exige que todos os elementos da fonte de imagem sejam endereçados para conseguir uma frequência mínima de actualização com uma frequência de 30 Hz ou 1,2 GHz.

As larguras de banda típicas na televisão com a qualidade da radiotelevisão são cerca de 8 MHz, ou duas ordens de grandeza menores que 1,2 GHz. Os terminais de computador de grande definição têm 1 400 por 1 100 elementos de imagem, que são endereçados com uma frequência de 70 Hz, sem entrelaçamento, o que equivale a uma largura de banda de cerca de 100 MHz.

De acordo com a presente invenção, os inconvenientes dos sistemas anteriores de representação de imagens virtuais foram ultrapassados. A representação de imagens virtuais na retina da presente invenção utiliza a geração e a manipulação de fotões para criar uma imagem virtual a cores, panorâmica, de elevada definição, que é projectada directamente na retina do olho. A pupila de entrada do olho e a pupila de saída ou abertura do visor para representação de imagens virtuais na retina estão acopladas de modo que a luz modulada, proveniente de um gerador de fotões, é transmitida por varrimento directamente para a retina, produzindo a percepção de uma imagem virtual direita, sem um plano de imagem fora do olho do utilizador, não havendo qualquer imagem real nem espacial que seja observada por via de um espelho ou uma óptica.

Mais particularmente, o sistema de representação de imagens virtuais na retina da presente invenção inclui uma fonte de fotões, modulada com informação de 5 vídeo, sendo os fotÕes transmitidos, por exploração por varrimento, directamente para a retina do olho do utilizador. O gerador de fotões utilizado produz luz não corrente. Pode incluir geradores de luz de cores, tais como díodos emissores de luz vermelha, verde e azul, que é modulada com informação de vídeo “RGB”. Se não se dispuser de uma fonte de luz azul, pode utilizar-se um díodo emissor de luz ou um laser que emitam luz amarela. Os fotões coloridos modulados são combinados e depois transferidos para a retina por exploração por varrimento.

Os sinais de vídeo modulados são de preferência explorados por varrimento, tanto na direcção horizontal como na vertical, de modo a produzir uma trama de luz modulada, que é projectada directamente para o olho do utilizador por uma óptica de projecção. A óptica de projecção pode incluir um elemento óptico toroidal ou esférico, tal como uma lente, um espelho, um elemento holográfico, etc., refractores. Além disso, este elemento óptico pode ser um elemento oclusor da luz ou pode ser transmissor da luz. Um elemento óptico transmissor da luz permite ao visor de imagens virtuais na retina da presente invenção ser um visor transparente, no qual a imagem virtual visualizada é percebida pelo utilizador como estando sobreposta ao mundo real. Além disso, a transmissividade do elemento óptico pode ser variável, activa ou passivamente. O sistema de representação de imagens virtuais retinadas da presente invenção inclui ainda uma informação de profundidade para formação de imagens 3 D, de modo a reduzir os problemas de “doença do simulador” que podem ocorrer com os sistemas de visualização estereoscópica. Mais particularmente, a informação de profundidade varia a focagem, isto é, a convergência ou divergência dos fotões explorados para controlar rapidamente a profundidade percebida pelo utilizador. 6 para cada elemento da imagem. A informação de profundidade pode ser armazenada numa memória tampão do eixo Z, ou similar, numa memória de vídeo, além de da informação horizontal e vertical tipicamente armazenada numa memória tampão de tramas de vídeo.

Pode utilizar-se um sistema de seguimento dos movimentos da pupila para deslocar a posição da trama de luz projectada no olho, de modo a coincidir aproximadamente com a pupila de entrada do olho do utilizador. Esta característica aumenta a definição da representação das imagens virtuais na retina e ainda aumenta o campo de visão, para proporcionar um ambiente imersivo, de modo que, quando o olho se move para um lado, possa ser apresentada uma visão correspondente a esse sentido. Isso consegue-se pela utilização da posição detectada da pupila, para posicionar uma “janela visível” na informação de vídeo armazenada na memória tampão de tramas. A memória tampão de tramas pode, por exemplo, armazenar informação de vídeo que representa uma vista panorâmica, determinando a posição da janela visível qual a parte da vista que o utilizador está a perceber, caindo a informação de vídeo no interior da janela visível que está a ser utilizada para modular a luz proveniente do gerador de fotões. O sistema de representação de imagens visuais da presente invenção pode também dividir a informação de vídeo em sectores ou zonas e utilizar a geração e a modulação de fotões em paralelo, para obter a definição da densidade de elementos de imagem ideal através de campos de visão muito amplos. Além disso, ao permitir--se que a densidade global de elementos de imagem se divida por zonas exploradas separadamente, reduz-se a largura de banda pelo número de zonas, de modo a eliminar os problemas de largura de banda dos sistemas anteriores.

O sistema de representação de imagens virtuais na retina, da presente invenção, produz uma apresentação com um campo de visão amplo, que pode atingir horizontalmente 140°, em função das dimensões e da proximidade do elemento óptico final, relativamente à pupila de entrada do olho. Além disso, o sistema de representação de imagens virtuais na retina, da presente invenção, tem dimensões, e peso muito pequenos e ocupa pouco espaço, visto que não é necessário produzir nem imagem real, nem uma imagem espacial. Devido às suas dimensões reduzidas, bem como ao seu peso e compacidade reduzidos, o sistema de representação de imagens virtuais na retina é idealmente apropriado para montar na cabeça do utilizador. Várias características e vantagens da presente invenção serão mais completamente compreendidas a partir da descrição seguinte de formas de realização da mesma, feita a título de exemplo, e na qual se faz referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam. A fíg. 1, um esquema de blocos de um sistema de representação de imagens virtuais na retina, de acordo com uma forma de realização da presente invenção; A fíg. 2, um esquema de blocos que ilustra uma primeira forma de realização do sistema de representação de imagens virtuais na retina, da fíg. I; A fíg. 3, uma segunda forma de realização do sistema de representação de imagens virtuais na retina da fíg. 1, que utiliza a cor; A fíg. 4, um esquema de blocos que ilustra uma outra forma de realização de um sistema de representação de imagens virtuais a cores, de acordo com a presente invenção; A fíg. 5, um esquema de um agregado de LED, utilizado numa outra forma de realização da presente invenção, que utiliza geração e modulação de fotões em 8 8

paralelo; A fig. 6, uma ilustração de um agregado em fase de laseres; A fig. 7, uma ilustração de um dispositivo miniatura de exploração por varrimento, utilizado de acordo com a presente invenção; e A fig. 8, uma ilustração de um outro dispositivo miniatura de exploração por varrimento. O sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina, da presente invenção, como se representa na fig. 1, utiliza a geração e manipulação de fotões, capazes de crias uma imagem a cores panorâmica e de grande definição, a qual é projectada directamente no olho de um utilizador, não havendo qualquer imagem espacial ou plano de imagem fora do olho que seja observada pelo utilizador. O sistema de representação de imagens virtuais na retina não utiliza um ecrã que gere uma imagem real, tal como um CRT, agregado de LCD ou de LED, como nos sistemas de representação de imagens virtuais anteriores. O sistemas de representação de imagens virtuais na retina (10) também não precisa dos espelhos e ópticas necessárias nos sistemas de representação de imagens virtuais na retina anteriores, para gerar uma imagem espacial. Em vez disso, projecta-se numa exploração por varrimento de uma informação de vídeo directamente para a retina (22) do olho (20) de um utilizador, para produzir a percepção de uma imagem virtual direita. Devido ao facto de o sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina não utilizar a representação de uma imagem real, nem os espelhos ou ópticas necessários para geral uma imagem espacial, o sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina tem dimensões e peso menores, sendo portanto apropriado para ser facilmente montado na cabeça do utilizador, como um visor montado na 9 cabeça.

Mais particularmente, como se mostra na fíg. 1, os fotões provenientes de um gerador de fotões (12) são modulados com a informação de vídeo por um modulador (14). Os fotões modulados são explorados por varrimento, numa primeira direcção e numa segunda direcção, geralmente perpendicular à primeira direcção, por meio de um explorador por varrimento (16), para criar uma trama de fotões que é projectada directamente para a retina (22) do olho (20) do utilizador, pela óptica de projecção (18), para produzir a percepção de uma imagem virtual direita, sem qualquer imagem espacial ou plano de imagem fora do olho, que seja vista ou percebida pelo utilizador. Embora não seja necessário, é desejável utilizar um sistema (24) seguidor do movimento do olho para reposicionar a trama de luz projectada por varrimento, quando a pupila (26) do olho (20) se mover de modo que os feixes de raios luminosos fiquem coincidentes com a pupila de entrada do olho. O sistema (24) seguidor do movimento do olho pode também ser usado como sinal de retroacção para modificar a imagem ou a focagem da imagem projectada por varrimento para a retina, quando o olho se move, de modo que o utilizador perceba que está a focar uma porção diferente da cena panorâmica quando desloca o seu olho. Nota-se que as linhas a tracejado, representadas a entrar no olho (20), na fig. 1, bem como nas figuras seguintes representam o intervalo de exploração e não o feixe de raios instantâneo. O gerador de fotões (12) pode gerar luz coerente, tal como um laser, ou luz não coerente, tal como a utilização de um ou mais LED. Além disso podem modular-se feixes de luz vermelha, verde e amarela ou luz azul, por meio de sinais de vídeo RGY ou RGB, para projectar fotões de cores directamente para o olho do 10 utilizador. Para reduzir a largura de banda da representação de imagens virtuais na retina, podem modular-se e projectar-se por varrimento, em paralelo, para a retina feixes monocromáticos múltiplos ou grupos múltiplos de feixes coloridos, onde a informação de vídeo usada para modular os fotões é dividida por diferentes sectores ou zonas, associando-se cada um dos feixes ou grupos de feixes de cor comum sector diferente de informação de vídeo, como se descreve mais adiante. Nota-se ainda que as funções desempenhadas por um ou mais de entre: o gerador de fotões (12), o modulador (14), o explorador por varrimento (16) e a óptica de projecção (18), podem combinar-se para ser executadas por meios elementos, dependendo dos componentes usados efectivamente no sistema. Por exemplo, um deflector acústico--óptico pode ser usado tanto para modular a luz proveniente do gerador de fotões (12) como para explorar por varrimento a luz modulada, em pelo menos uma direcção. Além disso, um agregado de laser em fase pode ser usado para desempenhar as funções do gerador de fotões, do modulador e de um, ou possivelmente dois, exploradores por varrimento, como mais adiante se discute.

Os componentes do sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina podem ser feitos pequenos, compactos e leves de modo que o sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina possa ser facilmente montado na cabeça de um utilizador sem á necessidade de um capacete ou de uma montagem elaborada para a cabeça, para suporte estrutural. Além disso, o gerador de fotões (12) e o modulador (14) podem ser separados do explorador por varrimento (16) e da óptica de projecção (18), de modo que apenas o explorador por varrimento (16) e a óptica (18) precisem de ser montados na cabeça de um utilizador, sendo os fotões modulados acoplados ao explorador por varrimento através de uma ou mais fibras 11 ópticas monofílamento. Numa forma de realização preferida da invenção, utilizam--se exploradores de varrimento miniatura, para a exploração por varrimento dos fotões, sendo esses exploradores por varrimento miniatura pequenos, delgados e flectidos para explorar os fotões, em resposta a um accionamento eléctrico ou um sinal de deflexão. O gerador de fotões, o modulador e o explorador por varrimento podem portanto ser feitos muito pequenos, por exemplo com cerca de 38 mm de altura por 38 mm de largura e 6,4 mm de espessura ou menos, com um peso inferior a 28 g (uma onça), de modo a facilitar a montagem para o sistema (10) de representação de imagens virtuais na retina.

De acordo com uma forma de realização da presente invenção, como se representa na fig. 2, utilizam-se exploradores de varrimento de grande definição para deflectir um feixe de luz, quer horizontal, quer verticalmente, num padrão de linhas de varrimento bidimensional. Não se utiliza qualquer lente para focar o feixe para formar uma imagem real na frente do olho. Em vez disso, o cristalino (29) do olho foca o feixe num ponto atrás da retina, explorando a posição do ponto do feixe a retina quando o explorador de varrimento (16) explora os fotões modulados. O ângulo de deflexão dos feixes de luz colimados corresponde à posição da mancha fixada na retina, para qualquer posição dada do olho, precisamente como se fosse explorada uma imagem a uma distância infinita do observador. A intensidade da luz é modulada pelo sinal de vídeo, para criar uma imagem com o contraste desejado. Portanto, quando o olho do utilizador se move, o utilizador perceberá uma imagem fixa enquanto ele olhar para partes diferentes da cena. A extensão lateral da imagem é proporcional ao ângulo de exploração por varrimento. Utilizam-se ópticas anamórficas, como for necessário, para alinhar os fotões explorados e ajustar a 12 escala da imagem percebida. Por formação de uma imagem reduzida da abertura do explorador por varrimento, proporciona-se um ângulo de exploração proporcionalmente maior. Diferentemente, a dimensão da imagem do explorador por varrimento é irrelevante desde que a luz entre no olho.

Mais precisamente, como se mostra na fig. 2, a luz ou os fotões provenientes do gerador de fotões (12) são projectadas através de uma lente cilíndrica (30) e uma lente esférica (32), numa primeira direcção ou direcção horizontal. A lente cilíndrica dispersa o feixe luminoso proveniente do gerador de fotões (12) horizontalmente, de modo que ele preenche a abertura do deflector acústico-óptico (34). A lente esférica (32) colina horizontalmente a luz que incide no deflector acústico-óptico (34). O deflector acústico-óptico (34) é sensível a um sinal de vídeo numa linha (36), que é aplicado como um sinal de excitação a um transdutor do deflector acústico-óptico (34), para modular a intensidade dos fotões ou da luz provenientes do gerador (12) e para explorar a luz modulada proveniente do gerador de fotões (12), numa primeira direcção ou horizontalmente. O sinal de vídeo na linha (36) é proporcionado por um sistema de excitação de vídeo com a referência genérica (38), que inclui um controlador de vídeo (42). O controlador de vídeo (42) pode incluir um gerador de vídeo, tal como uma memória tampão de tramas (40), que fornece sinais de vídeo, pela linha (56), e os respectivos sinais de sincronização horizontal e de sincronização vertical. O controlador de vídeo (42) pode também incluir um microprocessador, que opera de acordo com programas armazenados numa memória ROM (46) ou similar e utiliza uma memória RAM (48) para apagar a memória de enchimento. O sinal de sincronização horizontal proveniente do gerador de vídeo (40) é convertido num sinal em rampa, por um gerador (50) do sinal em rampa. 13 13

sendo o sinal em rampa de sincronização horizontal aplicado a um oscilador controlado por tensão (52), que proporciona um sinal em resposta à entrada do sinal em rampa, com uma frequência que varia de modo que aumenta a amplitude. A saída do oscilador controlado em tensão (52) é aplicada a um amplificador (54), cujo ganho varia em função do sinal de dados de vídeo (56) proveniente do gerador de vídeo (40), de modo que o sinal de vídeo (36) na saída do amplificador (54) tem uma amplitude que varia de acordo com a informação de vídeo na linha (56) e que tem uma frequência que varia de uma maneira em forma de impulsos curtos. O sinal de vídeo na linha (36) é aplicado a um transdutor de comando do deflector acústico--óptico (34). A variação da amplitude do sinal de comando na linha (36) com a informação de vídeo faz com que o deflector acústico-óptico (34) module a intensidade da luz proveniente do gerador de fotões (12), com a informação de vídeo. A variação da frequência do sinal de ataque na linha (36), por impulsos, faz com que o deflector acústico-óptico varie o ângulo segundo o qual a luz é deflectida, para desse modo explorar por varrimento a luz, numa primeira direcção ou direcção horizontal.

Um par de lentes esféricas (64) e (68) trata a imagem da luz ou dos fotões explorados horizontalmente, para um explorador de varrimento vertical (62), onde uma lente cilíndrica (68) dispersa a luz verticalmente para preencher a abertura do explorador de varrimento vertical (62). O explorador de varrimento vertical (62) pode ser, por exemplo, um galvanómetro. O sinal de sincronização vertical que sai do gerador de vídeo (40) é convertido num sinal em rampa, por meio de um gerador de rampa (58), e amplificado por um amplificador (60), para comandar o explorador de varrimento vertical (62). A velocidade de exploração por varrimento do

explorador por varrimento vertical (62) é menor que a velocidade de exploração por varrimento do explorador horizontal (34), de modo que a saída do explorador por varrimento vertical (62) é uma trama de fotões. Esta trama de fotões é projectada directaimente para o olho (20) do utilizador, pela óptica de projecção, que toma a forma de um elemento óptico (72) de forma toroidal ou esférica, por exemplo uma lente refractora, um espelho, um elemento holográfíco, etc. O elemento óptico toroidal ou esférico (72) proporciona a formação de uma imagem e a redução dos fotões explorados por varrimento. Mais particularmente, o elemento óptico toroidal ou esférico retransmite os fotões explorados por varrimento de modo que eles estão coincidentes junto da entrada da pupila (26) do olho (20). Devido à imagem reduzida da abertura do explorador por varrimento que se forma, os ângulos de deflexão são multiplicados, de acordo com o invariante de Lagrange, sendo o campo de visão e as dimensões da imagem inversamente proporcionais. Como as dimensões dos fotões explorados por varrimento, isto é, a abertura de saída da representação da imagem virtual na retina são reduzidas, o campo de visão da imagem percebida pelo olho aumenta. O elemento óptico (72) pode ser um elemento oclusivo, que não transmite luz do exterior do sistema de visualização. Em alternativa, o elemento óptico (72) pode ser feito transmissor da luz, para permitir que o utilizador veja o mundo real do elemento (72), percebendo o utilizador a imagem virtual explorada por varrimento gerada pelo visor (10) sobreposta ao mundo real. Além disso, o elemento óptico (72) pode ser feito transmissivo de maneira variável, para manter o contraste entre o mundo exterior e a imagem virtual visualizada. Um elemento (72) transmissor da luz, de maneira passiva e variável, pode ser formado intercalando em sanduíche no 15 mesmo um material fotocrómico, que é sensível à luz para modificar a transmissividade da luz do elemento em função da luz do ambiente. Um elemento (72) transmissivo da luz de maneira activa e variável pode incluir um material de cristais líquidos. Pode usar-se um fotossensor com um tal elemento para detectar a quantidade da luz ambiente, variando-se uma tensão de polarização aplicada ao material de cristais líquidos em função da luz detectada, para variar de maneira activa a transmissividade do elemento (72). 0 sistema que se acaba de descrever com referência à fig. 2 é monocular. Para proporcionar um sistema estereoscópico, pode utilizar-se um segundo sistema de representação de imagens virtuais na retina (10’), em paralelo com o primeiro sistema de representação de imagens virtuais na retina (10), projectando o segundo sistema virtual de representação de imagens virtuais na retina (10’) fotões explorados por varrimento, modulados com a informação de vídeo apropriada, directamente no segundo olho (20’) do utilizador. Isso proporciona um meio para informação em relevo binocular, de modo que os objectos visualizados aparecem em profundidades diferentes. Cada elemento de imagem do objecto aparece, no entanto, à mesma distância do utilizador, o que pode criar um possível conflito entre a informação estereoscópica e a informação monocular, quando a informação estereoscópica trata do posicionamento do objecto relativamente a cada um dos olhos e a informação monocular trata da focagem da luz do objecto cuja imagem está a ser formada na retina. Mais particularmente, em sistemas de representação de imagens virtuais anteriores, cada plano de imagem monocular era tipicamente focada no infinito óptico, fazendo com que cada um dos elementos de imagem, no interior da imagem virtual, apareça a uma certa distância. Porém, a combinação de 16 dois sistemas monoculares da técnica anterior para formar uma visão binocular um possível conflito entre as informações de distância e de focagem ou acomodação. A representação e imagens virtuais na retina da presente invenção ultrapassa este problema, pela utilização de uma informação de acomodação (70), tanto no sistema de representação de imagens virtuais na retina (10) como no sistema de representação de imagens virtuais na retina (10’). A informação de acomodação (70) é uma informação de focagem ou de profundidade, que é controlada por forma a variar a focagem de convergência ou divergência dos fotões explorados, rapidamente para controlar a profundidade percebida por cada elemento de imagem da imagem virtual. Portanto, de acordo com a presente invenção, a percepção da verdadeira profundidade é obtida modulando cada elemento de imagem individualmente, relativamente à profundidade, por exemplo controlando a focagem, isto é, por convergência ou divergência do elemento de imagem individual. O dispositivo para a informação de acomodação (70) inclui uma superfície reflectora que muda de forma rapidamente. Por exemplo, pode usar-se um espelho miniatura, com uma membrana deformável, cuja forma é alterada quando a membrana é carregada e descarregada, para formar a informação de acomodação. A deformação da membrana é assim alterada por um sinal de comando eléctnco para controlar a convergência ou divergência de cada elemento de imagem relativamente à profundidade. O comando da informação de acomodação (70) é proporcionado por um controlador de vídeo (42), que pode, por exemplo, armazenar numa memória tampão de informação de vídeo, no eixo dos 2, na memória (48), ou no gerador de vídeo (40), além da informação de vídeo bidimensional, numa memória tampão de tramas típica. 17

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Na fig. 3 está ilustrada uma outra forma de realização do sistema de representação de imagens virtuais na retina (10) da presente invenção para a projecção, por exploração de varrimento, de fotões de cor, directamente para a retina do olho do utilizador. Como mostra a fig. 3, o gerador de fotões (12) inclui laseres ou LED de cor, por exemplo um gerador de fotões vermelhos (80), um gerador de fotões verdes (82) e um gerador de fotões azuis (84). Se não se dispuser de um gerador de fotões azuis, pode usar-se um gerador de fotões amarelos. Os fotões de cor provenientes dos geradores (80, 82, 84) são modulados relativamente à informação RGB respectiva, a partir do gerador de vídeo (40) e depois combinados por um combinador/pré-compensador de dispersão (85). A saída do combinador/pré--compensador de dispersão (86) é projectada no explorador de varrimento horizontal (34), pela lente cilíndrica (30) e a lente esférica (32). Nota-se que o explorador por varri mento horizontal pode ser diferente do explorador de varrimento acústico--óptico representado na fig. 2. Por exemplo, pode usar-se, como explorador por varrimento horizontal, um explorador mecânico ressonante ou vários tipos de micro--exploradores de varrimento, como adiante se discuta. Os fotões modulados de cor, na saída do explorador por varrimento (34), são projectados para um compensador (88), cuja saída é projectada para um prisma, antes de ser projectada para o explorador de varrimento (62), pelo par de lentes esféricas (64) e (68). A trama de fotões de cor, como foi explorada por varrimento proveniente de saída do explorador de varrimento vertical (62), é projectada por uma lente esférica (92) para um espelho de desvio (96), que é movido pelo seguidor dos movimentos do olho (106), de modo a posicionar a trama de fotões directamente na pupila de entrada (26) do olho (20), quando a pupila se move. Numa forma de realização, um 18 18

separador de feixes (100) dirige uma imagem reflectida da cómea do olho (20) para uma lente (102), e o díodo sensor de posição (104), acoplado ao seguidor do movimento do olho (106), detecta a posição da pupila (26). Em resposta à posição detectada da pupila, o seguidor do movimento do olho posiciona correctamente o ou os espelhos de desvio (96), de modo que a pupila de saída ou abertura de saída do sistema de representação de imagens virtuais na retina fica aproximadamente alinha com a pupila de entrada do olho e/ou para ajustar o ângulo de exploração por varrimento para reflectir a informação de vídeo alterada, como se descreve mais adiante. A posição instantânea da pupila (26), tal como é determinada pelo seguidor do movimento do olho (106) é também comunicada ao controlador de vídeo (42), de modo que o microprocessador (44) pode orientar a informação de vídeo para modular a luz de cor, reflectindo a informação de vídeo uma alteração da direcção da vista do utilizador. Mais particularmente, a posição detectada da pupila é usada pelo microprocessador (44) posicionar uma “janela visível” na informação de vídeo armazenada na memória tampão de tramas (40). A memória tampão de tramas (40) pode, por exemplo, armazenar informação de vídeo que representa uma vista panorâmica, e a posição da janela visível determina qual a parte da vista que o utilizador deve perceber, caindo a informação de vídeo no interior da janela visível que está a ser usada para modular a luz proveniente do gerador de fotões (12).

Nota-se que, devido ao facto de o deflector acústico-óptico (34) diíractar a luz vermelha mais que a luz verde e a luz verde mais que a luz azul, tem de compensar-se esta diferença de difracção. De acordo com a presente invenção, esta variação da difracção pode ser compensada por meio de um atraso apropriado, feito 19 19

através de circuitos de atraso (108, 110, 112), dos sinais de vídeo que estão acoplados aos geradores de protões respectivos vermelhos, verdes e azuis (80, 82, 84), para modular os fotoes vermelhos, verdes e azuis com a informação de vídeo de vermelho, verde e azul apropriada.

Numa outra forma de realização do sistema de representação de imagens virtuais na retina da presente invenção, representada na fíg. 4, recebem-se sinais de vídeo compósitos ou sinais de vídeo RGB, por meio de um conversor (120) de exploração por varrimento de vídeo digital, e separam-se em compartimentos múltiplos que representam sectores ou zonas de uma imagem a explorar por varrimento. Utilizam-se sinais de comando de vídeo múltiplos, saídos dos amplificadores de vídeo (124), que representam cada um dos sectores, para modular a luz que vem do gerador de fotões (12), em paralelo. O gerador de fotões pode consistir, ou em agregados de díodos que tomam visível a luz (“lasing díodes”) ou agregados de díodos emissores de luz, de elevada luminância. os feixes múltiplos de luz vermelha, verde e amarela, ou azul, são modulados com os sinais de vídeo, em paralelo para cada um dos sectores ou zonas divididos, e são retransmitidos, directamente por fibras ópticas monofilamento (131), para um micro-explorador por varrimento (16). O micro-explorador por varrimento (16) desempenha essencialmente duas funções. Primeira, o micro-explorador explora por varrimento os feixes múltiplos de cor, associados com cada sector ou zona, em dois eixos, para cnar uma trama de luz na retina e não uma imagem espacial, não havendo qualquer plano de imagem entre o gerador de fotões (12) e o olho (20). Segunda, o micro--explorador (16) funciona para posicionar a luz por exploração por varrimento, relativamente à pupila de entrada instantânea (26) do olho, tal como é detectada pelo 20 seguidor do movimento do olho (24).

Mais particularmente, o explorador por varrimento (16) inclui um primeiro micro-explorador por varrimento (132), que responde a um sinal de deflexão no eixo dos X de saída de um amplificador de deflexão (136), para explorar por varrimento os feixes de cor numa direcção horizontal, sendo o amplificador (136) accionado pelo sinal de sincronização horizontal proveniente de um gerador de exploração por varrimento (122). Um segundo micro-explorador por varrimento (134) responde a um sinal de deflexão Y proveniente dos amplificadores de deflexão (136), accionados pelo comando de sincronização ou deflexão vertical proveniente do gerador de exploração por varrimento (122), para explorar por varrimento os fotÒes de cor explorados por varrimento horizontalmente, na direcção vertical. Uma lente de colimação de exploração por varrimento (140) recebe um campo de luz modulada bidimensionalmente, que se projecta num combinador tricolor (142). O combinador (142), por sua vez, projecta a luz explorada por varrimento num sistema óptico de visão maxwelliana (148). O sistema óptico (148) projecta os fotões de cor explorados por varrimento no deflector da posição da trama, que pode mcluir espelhos galvanométricos de dois eixos que, por sua vez, projectam a luz explorada por varrimento sobre um elemento óptico toroidal, tal como o combinador (152), que tem um revestimento tricrómico, projectando o combinador (152) toroidal os fotões de cor explorados por varrimento, directamente para o olho (20).

Para seguir os movimento do olho, o seguidor dos movimentos do olho (24) inclui uma fonte de luz infravermelha, que ilumina a superfície do olho com luz infravermelha de baixa intensidade, directa ou indirectamente, como está representado. A superfície do olho é vista através do deflector da posição da trama 21 (150), através do combinador (142), de uma lente (140) e um dispositivo de acoplamento de cargas (CCD) num agregado (146). Os sinais provenientes do sensor CCD (146) sao processados por um processador da posição da pupila (154), para gerar sinais de zero, ΔΗ e AV, que são acoplados a amplificadores de deflexão de cores respectivos (158), de modo a fazer com que os fotões explorados por varrimento sigam a pupila do olho (20) do utilizador.

Na fig. 5 está ilustrado um exemplo de um agregado de díodos emissores de luz, apropriado para ser usado na presente invenção. Se considerarmos que uma trama visual X-Y é constituída por um agregado de 2 000 x 2000 manchas ou elementos de imagem resolúveis, as manchas têm de ser refrescadas 50 vezes por segundo, de modo a ter uma largura de banda de informação de cerca de 200 MHz. Os LED de brilho elevado têm tipicamente uma curva da largura de banda de energia que começa a flectir, acima dos 2 MHz. Este resultado é essencialmente uma limitação do produto RC, relacionado com a capacidade de difusão da junção p-n com forte polarização no sentido da condução. Para satisfazer os requisitos de largura de banda do sistema, utilizam-se um agregado linear de 50 x 100 LED para elementos de imagem, para cada cor. Utilizando-se o esquema de LED vermelhos, verdes e azuis, seriam necessários 50-100 LED para cada um dessas cores. Como mostra a fig. 5, um agregado (200) inclui micropastilhas de LED (201), (202), (203--n), incluindo cada micropastilha de LED uma área activa de LED (205). A área de LED activos pode incluir uma liga de GaAsP e uma camada sobrejacente dieléctrica de S13N4.

Um agregado de laser em fase, como se ilustra na fig. 6, funciona para efectuar a geração de fotões, a modulação de vídeo e a exploração por varrimento 22 em pelo menos uma direcção. Esse agregado inclui um guia de ondas de película fina (210), eléctrodos. moduladores de fase (212), uma cavidade limpa acoplada (214) e cavidade de laser (216), emitindo o agregado um feixe coerente com uma potência de cerca de 10 mW.

Quando se fabricam dois laseres a uma distância pequena na mesma micropastilha de material, os seus campos ópticos ficam acoplados de modo que os processos de emissão óptica nos dois dispositivos estão correlacionados e são coerentes. O resultado é uma frente com fase definida, emitida a partir do par de laseres. Num agregado (220) de laseres em fase, com um número de cavidades de laser (216), o feixe óptico é de fase coerente se os laseres estiverem espaçados uns dos outros, dentro de 10 micrómetros. Esta definição pode ser obtida por técnicas fotolitográficas. O modulador eléctrico-óptico funciona por modificação do índice de reffacçào do meio do guia de ondas (210) através do qual o feixe óptico tem de passar, antes de ser lançado no espaço livre. Pela separação dos contactos eléctricos (212), para cada modulador, pode a fase relativa de cada um dos laseres individuais ser modificada pelo modulador. Para uma série apropriada de tensões de modulação, a frente de fase do feixe acoplado pelo agregado de laseres pode ser modificada de modo que o feixe emitido seja lançado segundo um certo ângulo com a direcção de saída normal. Com a série apropriada de tensões de modulação, o feixe de raios laser pode ser explorado por varrimento numa direcção dada. É possível construir um agregado de laseres em fase com dois eixos, de modo que não seja necessária uma exploração por varrimento adicional para explorar por varrimento o laser numa direcção perpendicular.

Na fíg. 7 está ilustrado um exemplo de um micro-explorador (132-134) para 23 a exploração de fotões por varrimento. O micro-explorador inclui um actuador (230). O actuador (230) é um cantiléver piezoeléctrico bimórfico, que é capaz de executar um movimento tridimensional, em resposta a um sinal de comando eléctiico. Controlando-se a deflexão do actuador cantiléver com sinais de comando apropriados. O actuador (230) deflecte os fotões incidentes no mesmo para explorar por varrimento os fotões.

Na fig. 8 representa-se um outro exemplo de um micro-explorador por varrimento, que pode ser feito extremamente pequeno, tendo o micro-explorador uma superfície reflectora curva que faz uma translação para explorar por varrimento a luz que nela incide, numa direcção. Mais particularmente, o micro-explorador (240) inclui uma base ou actuador (242), formada por um material piezoeléctrico, com um substrato formado no actuador (242), tendo o substrato (244) uma superfície reflectora curva (246). Em resposta a um sinal de comando variável, o actuador piezoeléctrico e o substrato (244) realizam uma translação na direcção das setas (248), de modo a explorar por varrimento a luz que incide na superfície (246) do substrato, numa primeira direcção genericamente perpendicular à direcção (248) de translação. Um segundo micro-explorador (250) explora por varrimento a luz que nele incide, numa segunda direcção perpendicular à primeira direcção, de modo a explorar por varrimento a imagem da trama directamente para a retina do olho de um utilizador.

Claims

Reivindicações 1. Sistema para a representação de imagens virtuais na retina, que compreende uma fonte de fotões (12), modulada com informação de vídeo, para produzir uma imagem virtual percebida por um utilizador, caracterizado por a fonte de fotões ser uma fonte de luz não coerente e o sistema incluir um explorador por varrimento (16) para explorar por varrimento essa luz não coerente directamente para a retina do olho do utilizador.
2. Sistema de representação de acordo com a reivindicação 1, adaptado para ser montado na cabeça do utilizador.
3. Sistema de representação de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual a fonte de fotões inclui geradores de luz de cor.
4. Sistema de representação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a fonte de fotões mclui um agregado de elemento emissores de luz não coerente.
5. Sistema de representação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores que inclui um detector da posição do olho, para detectar a posição de uma pupila de entrada do olho do utilizador, e um deflector dos fotões, para deslocar a referida luz explorada por varrimento para que coincida aproximadamente com a referida pupila de entrada.
6. Sistema de representação de acordo com a reivindicação 5, que inclui uma fonte de informação de vídeo que responde ao movimento da referida posição da pupila para variar a informação de vídeo com que os fotões são modulados.
7. Sistema de representação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a informação de vídeo representa uma pluralidade de elementos 2 de imagem de uma imagem de vídeo e no qual o sistema de exploração por varrimento inclui meios para fazer variar a focagem da luz explorada por varrimento para controlar a profundidade percebida, para cada elemento de imagem da referida imagem de vídeo.
8. Sistema de representação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a informação de vídeo inclui uma pluralidade de sinais de vídeo que representam uma pluralidade de zonas de uma imagem de vídeo, sendo os fotões modulados pela referida pluralidade de sinais de vídeo em paralelo e explorados por varrimento em paralelo.
9. Sistema de representação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores no qual uma fibra óptica monofílamento única (131) faz o acoplamento da fonte (12) com o sistema de exploração por varrimento. Lisboa, 24 de Fevereiro de 2000 O Agente Oficio! da Propriedade industriei