RU2689255C2

RU2689255C2 - Компактная нашлемная система индикации, защищенная сверхтонкой структурой

Info

Publication number: RU2689255C2
Application number: RU2017116184A
Authority: RU
Inventors: Яаков АМИТАИ; Юваль ОФИР; Элад МОР
Original assignee: Лумус Лтд.
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2019-05-24
Also published as: EP3654085A1; WO2016075689A1; JP6759224B2; BR112017009652B1; KR20170080695A; US20210003849A1; RU2017116184A3; EP3218751B1; CA2966851C; US20200089001A1; EP3654085B1; KR102323870B1; CN107111132A; JP2017535825A; EP3218751A1; CN111856753A; US10520731B2; US20170336636A1; US10782532B2; CN107111132B

Abstract

Изобретение относится к оптическим устройствам, применяемым в нашлемных системах индикации. Оптическая система включает светопроводящую подложку (20), имеющую как минимум две внешние основные поверхности и кромки, оптический элемент для ввода световых волн в подложку (20) посредством внутреннего отражения, как минимум одну частично отражающую поверхность, расположенную в подложке (20), для вывода световых волн из подложки (20), как минимум одну прозрачную пленку с воздушным зазором (110), включающую основание и сверхтонкую структуру (111), определяющую рельефное образование, установленное на основании. Пленка с воздушным зазором крепится к одной из основных поверхностей подложки (20), а рельефное образование обращено к подложке (20), определяющей плоскость стыка таким образом, чтобы световые волны соединенные внутри подложки (20) полностью отражались от плоскости стыка. Технический результат – уменьшение габаритов, повышение качества изображения. 32 з.п. ф-лы, 19 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам, расположенным на подложке, и в частности, к устройствам, содержащим множество отражающих поверхностей, удерживаемых общей светопропускающей подложкой, также называемой световодным элементом.

Уровень техники

Компактные оптические элементы широко применяются в нашлемных системах индикации НСИ (HMD), причем оптический модуль служит как в качестве изображающей линзы, так и оптического индикатора, при этом источник двухмерного изображения отображается до бесконечности и отражается в глазах пользователя. Источник отображения получают непосредственно из пространственного модулятора света ПМС (SLM), такого как электронно-лучевой трубки ЭЛТ (CRT), жидкокристаллического дисплея ЖКД (LCD), органической светодиодной матрицы ОСДМ (OLED), источника сканирования или подобных устройств, или косвенно посредством оборачивающей линзы или волоконно-оптического жгута. Источник отображения содержит ряд элементов (пикселей), отображаемых до бесконечности при помощи коллимирующей линзы, и передается в глаз пользователя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, выступающей в качестве оптического индикатора косвенного и непосредственного применения, соответственно. Как правило, типичный оптический модуль свободного пространства используют именно для этих целей. Поскольку желаемое поле обзора ПО (FOV) системы возрастает, тем не менее, такой типичный оптический модуль становится более крупным, тяжелым и громоздким, и, таким образом, даже для устройства с умеренной производительностью, такого как данная система, он является непрактичным. Это является основным недостатком всех видов дисплеев, особенно в случае применения нашлемной индикации, причем эта система должна быть обязательно как можно более легкой и компактной.

Стремление добиться компактности привело к нескольким различным комплексным оптическим решениям, которые, с одной стороны, все еще недостаточно компактны для большинства практических применений, и, с другой стороны, имеют серьезные недостатки с точки зрения технологичности. Кроме того, блок движения глаза БДГ (ЕМВ) оптических углов обзора, предусмотренных в данных конструкциях, обычно малых размеров, как правило, менее 8 мм. Таким образом, производительность оптической системы достаточно нестабильна, даже при небольших движениях оптической системы относительно глаза пользователя, и вследствие значительного движения зрачка такие дисплеи являются некомфортными для чтения.

Принципы, описанные в публикациях WO 01/95027, WO 03/081320, WO 2005/024485, WO 2005/024491, WO 2005/024969, WO 2005/124427, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310, WO 2006/087709, WO 2007/054928, WO 2007/093983, WO 2008/023367, WO 2008/129539, WO 2008/149339, WO 2013/175465 и IL 2014/232197 от лица Заявителя включены в настоящий документ посредством ссылок.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение способствует разработке очень компактного световодного оптического элемента СОЭ (LOE) для использования, помимо других применений, в НСИ. Данное изобретение предусматривает достаточное широкое ПО, а также сравнительно крупные размеры БДГ. Полученная в результате оптическая система обеспечивает масштабное высококачественное изображение, предусматривающее обширные движения глаза. Оптическая система, предлагаемая в настоящем изобретении, является невероятно эффективной, поскольку она намного более компактна, чем предложенные в новейших разработках, тем не менее, ее можно с легкостью использовать даже в системах со сложной структурой.

Таким образом, общей целью настоящего изобретения является устранение недостатков предшествующих устройств с компактным оптическим дисплеем и внедрение других оптических компонентов и систем с улучшенными характеристиками в соответствии с особыми требованиями.

Данное изобретение можно успешно реализовать во многих системах воспроизведения изображений, таких как портативных DVD, мобильных телефонах, передвижных телевизорах, видеоиграх, портативных медиаплеерах и других мобильных устройств с дисплеем.

Основным принципом работы СОЭ является то, что оптические волны попадают в подложку за счет полного внутреннего отражения от внешних поверхностей СОЭ. Тем не менее, есть ситуации, когда как минимум к одной из внешней поверхности необходимо прикрепить другой оптический элемент. В данном случае необходимо отметить, что, с одной стороны, отражение световых волн от внешних поверхностей при таком креплении другого оптического элемента не будет нарушаться, и, с другой стороны, это не повлияет на механизмы вывода и ввода световых волн из и в СОЭ. В результате, необходимо будет прикрепить угловой чувствительный отражающий механизм на внешних поверхностях, который по сути и будет отражать все световые волны, соединенные внутри СОЭ и падающие на поверхность под наклонным углом, а также будет передавать световые волны, отражающиеся на поверхности непосредственно перед нормальным падением.

В предыдущих изобретениях (таких как описанные в публикации WO 2005/024491) представлен отражающий механизм, причем на поверхность СОЭ нанесено угловое чувствительное тонкопленочное диэлектрическое покрытие. В настоящем изобретении представлен альтернативный отражающий механизм, в котором используют пленку с воздушным зазором с покрытием с эффектом "moth-eye" («глаза ночной бабочки»). Такое покрытие обладает необычным свойством: на его поверхность наносят натуральную наноструктурированную пленку, предотвращающую отражение. Это позволяет бабочке хорошо видеть в темноте без отражений, благодаря чему хищники ее не замечают. Такая структура представляет собой гексагональную решетку, каждая из ячеек которой составляет примерно 200 нм в высоту, а их центры размещены в 300 нм друг от друга. Такое противоотражающее покрытие оправдывает себя, поскольку размеры таких ячеек меньше, чем длина волны видимого света, поэтому свет "видит" поверхность как обладающую непрерывным градиентом показателя преломления между воздухом и средой, что уменьшает отражение за счет эффективного смещения поверхности воздух-линза. Практичные противоотражающие пленки были разработаны посредством использования эффекта, представляющего собой форму биомимикрии. Имитирование глаза ночной бабочки указывает на то, что отражение падающего света в обычных условиях практически полностью исключается при использовании таких структур. Оптическое моделирование и эксперименты с другими формами и размерами таких компактных неравномерных сверхтонких периодических структур доказывают, что можно подавить отражение при более широком диапазоне длины волны (от УФ до ИК) и более широких углах падения света (0±60 градусов).

В соответствии с настоящим изобретением покрытие с эффектом глаза ночной бабочки или любая другая подобная сверхтонкая структура не используются в качестве противоотражающего покрытия. Вместо этого используется специальная сверхтонкая структура в качестве необходимого углового чувствительного отражающего механизма. При необходимости фиксации оптического элемента к внешней поверхности СОЭ пленка с воздушным зазором крепится к оптическому элементу таким образом, чтобы сверхтонкая структура была обращена к СОЭ после такого крепления. Таким образом, когда соединенные световые волны внутри СОЭ падают на сверхтонкую структуру под различными наклонными углами, они "видят" только внешнюю часть периодической структуры. Таким образом, фактический показатель преломления, который "замечают" входящие оптические световые волны, близок к показателю преломления воздуха, и сохраняется общий внутренний отражающий механизм. С другой стороны, пленка с воздушным зазором снаружи достаточно прозрачна для входящих световых волн или для световых волн, которые выходят из СОЭ.

Таким образом, изобретение предусматривает оптическую систему, включающую светопроводящую подложку, содержащую как минимум две главные внешние поверхности и кромки, оптический элемент для введения световых волн в подложку за счет внутреннего отражения, как минимум одну частично отражающую поверхность, расположенную в подложке, для вывода световых волн из подложки, как минимум одну прозрачную пленку с воздушным зазором, состоящую из основания и сверхтонкой структуры, определяющей рельефное образование, расположенное на основании, причем пленка с воздушным зазором крепится к одному из основных поверхностей подложки, при этом рельефное образование обращено к подложке, определяющей плоскость стыка таким образом, чтобы световые волны, соединенные внутри подложки, практически полностью отражались от плоскости стыка.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение представлено вместе с определенными предпочтительными вариантами, с ссылкой на следующие схематические фигуры для более полного понимания.

На конкретном примере, детально описанном в данных фигурах, подчеркивается, что описанные элементы приводятся в качестве примера и для описания предпочтительных вариантов только данного изобретения, и представлены в форме, которая считается наиболее приемлемым и понятным описанием принципов и концептуальных аспектов данного изобретения. В связи с этим, не предпринимаются попытки описания более конкретных структурных элементов изобретения, чем это необходимо для понимания принципов данного изобретения. Описание, данное в чертежах, служит руководством для специалистов в данной области, чтобы показать, как можно воплотить некоторые формы данного изобретения на практике.

На чертежах:

Фиг. 1 представляет собой вид сбоку предшествующего СОЭ, приводимый в качестве примера;

Фиг. 2 представляет собой схематический чертеж, иллюстрирующий предшествующее оптическое устройство, направляющее световые волны на входе из индикаторного источника света;

Фиг. 3 представляет собой схематический чертеж, иллюстрирующий предшествующую систему, направляющую и соединяющую световые волны на входе из индикаторного источника света в СОЭ;

Фиг. 4 представляет собой схематический чертеж, иллюстрирующий другую предшествующую систему, направляющую и соединяющую световые волны на входе из индикаторного источника света в подложке, причем коллимирующий модуль крепится к подложке;

Фиг. 5 иллюстрирует примерный вариант осуществления данного изобретения, причем в соответствии с настоящим изобретением отрицательная линза крепится к внешней поверхности световодного оптического элемента;

Фиг. 6 иллюстрирует примерный вариант осуществления данного изобретения, причем в соответствии с настоящим изобретением отрицательные и положительные линзы крепятся внешним поверхностям световодного оптического элемента;

Фиг. 7а и 7б представляют собой двух- и трехмерные схематические изображения примерного варианта пленки с воздушным зазором, причем сверхтонкая периодическая структура прозрачного диэлектрического материала, расположенного на небольшом отрезке, меньшем чем длина волн световой зоны, расположена на плоской прозрачной подложке;

Фиг. 8а и 8б, соответственно, иллюстрируют вид сбоку и вид сверху пленки с воздушным зазором, приводимой в качестве примера;

Фиг. 9а и 9б, соответственно, иллюстрируют вид сбоку и вид сверху пленки с воздушным зазором, приводимой в качестве примера, внутреннего поперечного сечения, расположенного близко к основанию;

Фиг.10а и 10б, соответственно, иллюстрируют вид сбоку и вид сверху пленки с воздушным зазором, приводимой в качестве примера, внешнего поперечного сечения, расположенного близко к воздушной среде;

Фиг. 11 иллюстрирует вид сбоку световой волны, падающей на верхнюю поверхность сверхтонкой структуры под наклонным углом, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 12 иллюстрирует пленку с воздушным зазором, которая крепится к внешней поверхности СОЭ, причем в соответствии с настоящим изобретением соединенная световая волна падает на поверхность стыка между СОЭ и пленкой;

Фиг. 13а и 13б, соответственно, иллюстрируют вид спереди системы линз и вид сверху СОЭ, расположенного между двумя оптическими линзами и установленного внутри оправы, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 14а, 14б и 14в, соответственно, иллюстрируют немонолитный оптический элемент, содержащий СОЭ, расположенный между передней положительной линзой и задней отрицательной линзой, установленных внутри оправы без использования связывающего материала, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 15а, 15б и 15в, соответственно, иллюстрируют альтернативный метод установки СОЭ между двумя оптическими линзами с использованием технологии периферийного соединения, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 16а, 16б и 16в, соответственно, иллюстрируют альтернативный метод монолитной установки СОЭ между двумя оптическими линзами, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 17а, 17б и 17в, соответственно, иллюстрируют СОЭ, расположенный между двумя плоскими подложками и установленный внутри оправы, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 18 иллюстрирует примерный вариант осуществления данного изобретения, причем элементы ввода и вывода являются дифракционными оптическими элементами, а также

Фиг. 19 иллюстрирует примерный вариант осуществления данного изобретения, причем оптический модуль расположен в системе ручной индикации.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует вид в разрезе предшествующей оптической системы, состоящей из плоской подложки 20 и ее соответствующих компонентов (далее также именуемые "СОЭ"), используемые в настоящем изобретении. Оптические средства, такие как отражающая поверхность 16, освещаются световыми волнами 18, которые коллимируются от индикатора источника света (не показано на фигуре). Отражающая поверхность 16 отражает падающие световые волны от источника таким образом, что световые волны попадают внутрь плоской подложки 20 СОЭ за счет полного внутреннего отражения. После нескольких отражений главной нижней и верхней поверхностей 26, 28 подложки 20, захваченные волны достигают множества выборочных частично отражающих поверхностей 22, которые выводят свет из подложки в зрачке 25 глаза 24 пользователя. Здесь входная поверхность СОЭ рассматривается в качестве поверхности, через которую вводимые световые волны попадают в СОЭ, а выходная поверхность СОЭ рассматривается в качестве поверхности, через которую захваченные волны выходят из СОЭ. В случае СОЭ, проиллюстрированного на Фиг. 1, входная и выходная поверхности расположены на нижней поверхности 26. Тем не менее, предусмотрены другие конфигурации, в которых входные и отображающие волны могут располагаться на противоположных сторонах подложки 20, или в которых свет вводится в СОЭ через скошенный край подложки.

Как показано на Фиг. 2, s-поляризованные световые волны на входе 2 из индикаторного источника света 4 вводятся в коллимирующий модуль 6 через его нижнюю поверхность 30, модуль которой обычно состоит из материала, передающего световые волны. После завершения отражения поляризующего светоделителя 31, световые волны выводятся из подложки через поверхность 32 коллимирующего модуля 6. После этого световые волны проходят через четвертьволновую фазовую пластину 34, отраженную отражающим оптическим элементом 36, таким как плоское зеркало, затем возвращаются, чтобы снова пройти через фазовую пластину 34, и снова поступают в коллимирующий модуль 6 через поверхность 32. Теперь р-поляризованные световые волны проходят через поляризующий светоделитель 31 и выводятся из световода через поверхность 38 коллимирующего модуля 6. Затем световые волны проходят через вторую четвертьволновую фазовую пластину 40, коллимированную компонентом 42, таким как линза, на отражающей поверхности 44, затем возвращаются, чтобы снова пройти через фазовую пластину 34, и снова поступают в коллимирующий модуль 6 через поверхность 38. Теперь s-поляризованные световые волны отражаются от поляризующего светоделителя 31 и выходят из коллимирующего модуля через верхнюю поверхность 46. Отражающие поверхности 36 и 44 могут выполняться из металлического или диэлектрического покрытия.

Фиг. 3 иллюстрирует, как коллимирующий модуль 6, состоящий из компонентов, детально рассмотренных в описании к Фиг. 2, можно использовать вместе с подложкой 20 для формирования оптической системы. Световые волны 48, выходящие из коллимирующего модуля 6, попадают в подложку 20 через нижнюю поверхность 26. Световые волны, попадающие в подложку 20, отражаются от оптического элемента 16 и затем попадают в подложку, как показано на Фиг. 2. Теперь коллимирующий модуль 6, состоящий из индикаторного источника света 4, складных призм 52 и 54, поляризующего светоделителя 31, фазовых пластин 34 и 40 и отражающих оптических элементов 36 и 42, можно легко интегрировать в один механический модуль и установить отдельно от подложки, даже при неточных механических доступах. Кроме того, фазовые пластины 34 и 40 и отражающие оптические элементы 36 и 42, соответственно, можно соединить для образования единых элементов.

Целесообразно было бы прикрепить различные компоненты коллимирующего модуля 6 к подложке 20 для образования единого компактного элемента, что приведет к упрощению механического модуля. На Фиг. 4 показан такой модуль, причем верхняя поверхность 46 коллимирующего модуля 6 крепится на плоскости стыка 58 к нижней поверхности 26 подложки 20. Основной проблемой такой конфигурации является то, что такое крепление не допускает существовавший ранее воздушный зазор 50 (как показано на Фиг. 3) между подложкой 20 и коллимирующим модулем 6. Такой воздушный зазор необходим для захватывания входных световых волн 48 внутри подложки 20. Захваченные световые волны 48 должны отражаться в точках 62 и 64 плоскости стыка 58. Поэтому на этой плоскости необходимо использовать отражающий механизм, либо на главной поверхности 26 подложки 20, либо на верхней поверхности 46 коллимирующего модуля 6. Тем не менее, не так легко нанести простое отражающее покрытие, поскольку такие поверхности должны быть прозрачными для световых волн, входящих и выходящих из подложки 20 в примерных точках 66. Световые волны должны проходить через плоскость 48 в малых углах падения и отражать на больших углах падения. Как правило, проходящие углы падения составляют 0°-15°, а отражающие углы падения составляют 40°-80°.

В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения изображение, собранное в СОЭ, коллимируется в бесконечность. Тем не менее, иногда переданное изображение должно быть сфокусировано на более близком расстоянии, например, для людей, страдающих близорукостью, которые не могут четко видеть изображения на большом расстоянии. Фиг. 5 иллюстрирует оптическую систему, использующую линзу, в соответствии с настоящим изобретением. Изображение 80 из бесконечности соединяется в подложке 20 за счет отражающей поверхности 16, и затем отражается посредством множества частично отражающих поверхностей 22 в глаз 24 пользователя. (Плоско-вогнутая) линза 82 фокусирует изображение на удобном расстоянии и дополнительно корректирует другие аберрации глаза пользователя, включая астигматизм. Линзу 82 можно прикрепить к плоской поверхности 84 подложки. Как уже объяснялось в описании к Фиг. 4, между линзой и подложкой необходимо сохранить небольшой воздушный зазор для обеспечения захвата световых волн 80 изображения внутри подложки за счет полного внутреннего отражения.

Кроме того, в большинстве случаев применения данного изобретения предполагается, что наружная сторона находится в бесконечности, однако существуют случаи применения данного изобретения для профессиональных или медицинских целей, когда наружная сторона находится на более близком расстоянии. Фиг. 6 иллюстрирует оптическую систему с вариантом применения двойной линзы на основании данного изобретения. Световые волны 80 изображения из бесконечности соединяются в подложке 20 посредством отражающей поверхности 16 и затем отражаются за счет множества частично отражающих поверхностей 22 в глаз 24 пользователя. Другое изображение 86 из более близкого расстояния коллимируется в бесконечность за счет линзы 88 и затем проходит через подложку 20 в глаз 24 пользователя. Линза 82 фокусирует изображения 80 и 86 на удобном расстоянии, как правило (но не всегда), первоначальное изображение находится на наружной стороне, и при необходимости корректирует другие аберрации глаза пользователя.

Как показано на Фиг. 5 и 6, линзы 82 и 88 представляют собой обычные плоско-вогнутые и плоско-выпуклые линзы, соответственно, однако для сохранения плоской формы подложки вместо них можно использовать линзы Френеля, которые могут быть выполнены из тонких пластиковых пластин с тонкими ступенчатыми выступами. Кроме того, альтернативный метод выполнения линз 82 или 88, вместо использования фиксированных линз, как описано выше, состоит в том, чтобы использовать электронные динамические линзы. В определенных случаях пользователь не только сможет увидеть неколлимированное изображение, но и динамически контролировать фокус изображения. Было показано, что пространственный модулятор света (ПМС) с высоким разрешением можно использовать для формирования голографического элемента. В настоящее время наиболее популярными источниками для этих целей является ЖКР-устройства, однако можно использовать и другие динамические ПМС устройства. Существуют динамические линзы с высоким разрешением с разрешающей способностью в несколько сотен лин/мм. В настоящем изобретении такой вид линз с электрооптическим управлением можно использовать в качестве необходимых динамических элементов вместо фиксированных линз, рассмотренных выше в описании к Фиг. 5 и 6. Таким образом, пользователь в режиме реального времени может определить и установить точные фокальные плоскости как виртуального изображения, спроецированного подложкой, так и реального изображения внешнего вида.

Как показано на Фиг. 6, целесообразно было бы прикрепить линзы 82 и 88 к подложке 20 для образования единого компактного и упрощенного механического модуля. Очевидно, что основной проблемой, как было описано выше, является то, что такое крепление не допускает существовавший ранее воздушный зазор между подложкой 20 и линзами 82 и 88, зазоры которых необходимы для захвата световых волн 80 изображения внутри подложки 20. Захваченные световые волны 80 изображения должны отражаться в точке 90 плоскости стыка 84 и передаваться в ту же плоскость в точке 92. Таким образом, аналогичный частично отражающий механизм, как было рассмотрено выше в описании к Фиг. 4, необходимо установить на этой плоскости.

Для получения необходимого частично отражающего механизма можно нанести угловое чувствительное тонкопленочное покрытие на основные поверхности подложки, однако реализация такого варианта осуществления данного изобретения может оказаться сложным и дорогостоящим. Альтернативным способом получения необходимого частично отражающего механизма является применение прозрачной пленки 110 с воздушным зазором к основным поверхностям подложки, как показано на Фиг. 7а и 7б. Термин пленка с воздушным зазором относится к оптическому устройству, на поверхности которого размещена сверхтонкая периодическая структура 111 прозрачного диэлектрического материала, расположенного на небольшом отрезке, меньшем чем длина волн световой зоны, например, такое оптическое устройство, как покрытие с эффектом глаза ночной бабочки, имеющее компактную (неравномерную) сверхтонкую периодическую структуру 111 (далее именуемую "рельефное образование"), расположенную на плоской прозрачной подложке 112 (далее именуемой "основание" 112 или "пленочная основа" 112). Предпочтительная высота рельефного образования (но не обязательно всегда) должна быть менее 1 мкм.

Как видно из Фиг. 8а и 8б, любое поперечное сечение 121, расположенное параллельно поверхности пленки с воздушным зазором 110, имеет периодическое образование, причем пропорциональная часть диэлектрического материала 123 в рельефном образовании постепенно изменяется в зависимости от самой пленки.

Как видно из Фиг. 9а, 9б и 10а и 10б, во внутреннем поперечном сечении 124, выполненном близко к пленочной основе 112, т.е. нижней части сверхтонкой структуры 111, пропорциональная часть диэлектрического материала 125 в рельефном образовании 126 максимальна и близка к 1, а во внешнем поперечном сечении 127, близко к верхней части сверхтонкой структуры 111, пропорциональная часть диэлектрического материала 128 в рельефном образовании 129 минимальна, а именно, значительно ниже, чем в материале 125, и, по существу, равна нулю.

Как правило, когда световые волны проходят через оптическое устройство, имеющее периодическую структуру, происходит дифракция света, и значительно снижается яркость цвета нулевого порядка дифрагированного света, т.е. света, который передается через устройство без дифракции. Однако, когда отрезок сверхтонкой периодической структуры намного короче, чем длина волны входящих световых волн, дифракция не происходит. Вместо этого, могут приобретаться активные противоотражающее свойства, поскольку оптические волны "видят" среду, имеющую показатель преломления, который является средним для материалов, содержащихся в данной среде.

С другой стороны, как показано на Фиг. 11, когда световые волны 130 падают на периодическую сверхтонкую структуру 111 в верхней части структуры под наклонным углом, они "видят" только внешнюю часть периодической структуры, причем пропорциональная часть прозрачного материала очень низкая. Таким образом, фактический показатель преломления, который "видят" входящие оптические волны, близок к показателю преломления воздушного пространства 131.

В результате, как показано на Фиг. 12, когда такая пленка с воздушным зазором крепится к внешней поверхности 28 подложки 20, соединенные световые волны 130 падают на поверхность стыка 132 между подложкой и пленкой под углом выше, чем критический угол, воздушное пространство 131 между пленкой и подложкой обеспечивает оптическую изоляцию вследствие воздухоподобного показателя преломления на граничной поверхности. Поэтому будет сохраняться полное внутреннее отражение световых волн на входе из внешней поверхности, и световые волны будут находиться внутри подложки.

Геометрические характеристики сверхтонкой структуры, такие как высота, полный размах и ширина, как правило, находятся в пределах 10-800 нм. Кроме того, форма сверхтонкой структуры не обязательно должна быть в виде глаза ночной бабочки. Можно использовать любую другую форму наноструктуры, такую как пирамиды, призмы, конуса и т.д.. Более того, сверхтонкая структура не обязательно должна быть периодической, хотя, как правило, периодическую структуру легче выполнить. Тем не менее, такая сверхтонкая структура должна отвечать следующим требованиям: с одной стороны, структура должна быть достаточно прочной, чтобы не разрушиться во время крепления, и, с другой стороны, пропорциональная часть диэлектрического материала во внешнем поперечном сечении структуры должна по существу равняться нулю, чтобы сохранить общее внутреннее отражение внутри подложки. Кроме того, основные элементы сверхтонкой структуру не должны быть слишком крупными, чтобы избежать эффекта дифракции. Однако уменьшение толщины сверхтонкой структуры до размера, меньше чем 100 нм, может привести к проникновению захваченных волн через пленку с воздушным зазором и нарушению общего внутреннего отражения. Поэтому обычная толщина сверхтонкой структуры должна составлять от 200 до 300 нм.

Фиг. 13а иллюстрирует вид спереди системы линз 140, а Фиг. 13б вид сверху подложки 20, установленной между двумя оптическими линзами 141, 142 и расположенной внутри оправы 143 для линз. Как видно, кроме оптических элементов оправа должна содержать другие вспомогательные средства, такие как камеру 144, микрофон 145, наушники 146, USB-разъемы, карты памяти, инерциальный измерительный блок ИИБ (IMU) и др.

Фиг. 14а, 14б и 14в иллюстрируют немонолитный оптический элемент 150, состоящий из подложки 20, установленной между передней положительной линзой 151 и задней отрицательной линзой 152, которые размещаются внутри оправы 154 без использования связывающего материала. Пленки с воздушным зазором 110 (Фиг. 14в) размещают или крепят между подложкой 20 и линзами 151, 152, причем сверхтонкие структуры 111, соответственно обращены к внешним поверхностям 26 и 28 подложки 20. Пленки с воздушным зазором 110 можно нанести непосредственно на плоские поверхности оптических линз 151 и 152, используя самоклеящийся материал СКМ (PSA), или прикрепить к линзам посредством тиснения, литьевого прессования, литья, механической обработки, легкой литографии или другого метода непосредственного изготовления. Встроенный оптический элемент 150 устанавливают внутри оправы 154 с использованием технологии давления или цементирования.

Альтернативный метод монолитной установки подложки 20 между двумя оптическими линзами проиллюстрирован на Фиг. 15а, 15б и 15в. Подложку 20 устанавливают между оптическими линзами, используя технологию периферийного соединения. Передняя линза 151 и задняя линза 152 крепятся к наружным кромкам подложки 20 с использованием неоптического связывающего материала или другого высоковязкого адгезива 156, который соединяет все компоненты вместе. Вязкость адгезива должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить просачивание адгезива в воздушные карманы 131, расположенные между пленкой 110 и подложкой 20. Такое просачивание может разрушить воздушный зазор, который необходим для сохранения полного внутреннего отражения световых волн от внешних поверхностей подложки. В качестве адгезива 156 можно использовать OP-67-LS или любой другой силикон, вулканизованный при комнатной температуре ВКТ (RTV).

Другой альтернативный метод монолитной установки подложки 20 между двумя оптическими линзами проиллюстрирован на Фиг. 16а, 16б и 16в. Процедура изготовления встроенного элемента состоит в следующем: пленку с воздушным зазором 110, содержащую сверхтонкие структуры 111, размещают таким образом, чтобы она была обращена к внешним поверхностям 26 и 28 подложки 20; используют такую технику крепления, как контактная электризация; изготавливают форму 160, имеющую необходимую форму внешнего элемента; в эту форму вставляют подложку 20; полимер заливают или впрыскивают в форму, затем производят вулканизацию полимера посредством УФ-излучения или изменения температуры полимера, и наконец, извлекают встроенный элемент из формы. Как уже объяснялось выше в описании к Фиг. 15а-15в, также важно, чтобы сверхтонкие области были изолированы от инжектируемого материала при использовании способа литья под давлением для предотвращения просачивания материала в воздушные карманы 131 между подложкой 20 и пленкой с воздушным зазором 110.

Фиг. 13а-16в иллюстрируют различные методы выполнения оптического компонента, содержащего подложку, размещенную между двумя оптическими линзами, однако в некоторых случаях необходимо прикрепить плоские элементы к внешним поверхностям подложки. Пример такого варианта осуществления изобретения проиллюстрирован на Фиг. 4, причем коллимирующий элемент 6 крепится к подложке 20. Другой причиной крепления плоского элемента к подложке является механическая защита подложки для повышения безопасности для глаз пользователя, а нанесение покрытия на внешнюю поверхность плоского элементы способствует приобретению таких характеристик, как фотохромная реакция, стойкость к царапанию, супергидрофобность, тонированное (цветное) изображение, поляризация, защита от отпечатков пальцев и др.

Подложка 20, установленная между двумя плоскими подложками 162 и 164 и расположенная внутри оправ 166, 167, проиллюстрирована на Фиг. 17а, 17б и 17в. Установку подложки и плоских подложек 20 выполняют посредством механического крепления, периферийного цементирования или монолитного изготовления. Установка может производиться только в виде крепления одного элемента к одной из внешних поверхностей подложки или за счет объединения различных элементов, таких как плоские подложки и изогнутые линзы.

Во всех описанных вариантах осуществления настоящего изобретения элемент для вывода световых волн из подложки представляет собой как минимум одну плоскую частично отражающую поверхность, расположенную в данной подложке, на которую обычно наносят частично отражающее диэлектрическое покрытие, и которая расположена не параллельно основным поверхностям данной подложки. Тем не менее, специальный отражающий механизм в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать для других технологий вывода. Фиг. 18 иллюстрирует подложку 20, причем элемент 170 ввода или элемент 172 вывода представляют собой дифракционные элементы. Кроме того, можно использовать другие элементы вывода, такие как изогнутая частично отражающая поверхность и другие стредства.

Варианты, представленные на Фиг. 13-17, являются всего лишь примерами, иллюстрирующими обычный процесс установки настоящего изобретения. Поскольку расположенный на подложке оптический элемент, составляющий ядро системы, очень компактный и легкий, его можно установить в различных конфигурациях. Возможны и другие варианты осуществления настоящего изобретения, включая шлем, складной дисплей, монокль и многое другое. Данный вариант осуществления изобретения предназначен для таких случаев использования, когда дисплей должен находиться близко к глазам; при этом его должны устанавливать на голове и таким образом использовать. Тем не менее, в некоторых случаях дисплей устанавливают иначе, например, на руке для мобильного применения в таких устройствах, как смартфон или умные часы. Основной проблемой таких интеллектуальных устройств является несоответствие малого размера и объема желаемому высокому качеству изображения.

Фиг. 19 иллюстрирует альтернативный метод на основании данного изобретения, который исключает несоответствие между небольшим размером мобильных устройств и необходимостью просматривать цифровой контент на полноформатном дисплее. Такой ручной дисплей РД (HHD) отвечает требованиям, которые ранее считались противоречивыми, что позволяет при небольших размерах мобильных устройств просматривать цифровой контент на полноформатном дисплее за счет непосредственного проецирования высококачественных изображений в глаз пользователя. Оптический модуль, включающий источник отображения 4, складную и коллимирующую оптическую систему 190 и подложку 20 встроен в корпус интеллектуального устройства 210, где подложка 20 заменяет существующую защитную крышку телефона. В частности, объем поддерживающих компонентов, включая источник 4 и оптическую систему 190, достаточно мал, чтобы вместить необходимые компоненты современного интеллектуального устройства. Для просмотра полного экрана, передаваемого устройством, окошко устройства расположено перед глазом 24 пользователя, просматривающего изображение, с широким ПО, крупным блоком движения глаза и комфортным фокусным расстоянием. Также можно просматривать все ПО на большем фокусном расстоянии, наклонив устройство для просмотра различных частей изображения. Кроме того, поскольку оптический модуль работает в прозрачной конфигурации, возможно двойное управление устройством; а именно, можно сохранить типичный дисплей 212 в неизменном состоянии. Таким образом, стандартный дисплей можно просматривать через подложку 20, когда источник 4 отображения выключен. Во втором, виртуальном режиме, предназначенного для масштабного интернет-серфинга или высококачественных видео операций, типичный дисплей 212 выключен, в то время как источник 4 отображения проецирует необходимое изображение широкого ПО в глаз пользователя через подложку 20. Как правило, в большинстве ручных интеллектуальных устройств пользователь может управлять таким устройством с помощью сенсорного экрана, установленного на переднем окне устройства. Как показано на Фиг. 19, сенсорный экран 220 можно прикрепить к интеллектуальному устройству зачет его непосредственного крепления на пленки 110 с воздушным зазором на внешней поверхности, расположенному на подложке 20.

Claims

1. Оптическая система, содержащая:

светопроводящую подложку, имеющую как минимум две внешние основные поверхности и кромки;

оптический элемент для ввода световых волн в подложку за счет внутреннего отражения;

как минимум одну частично отражающую поверхность, расположенную в подложке, для вывода световых волн из подложки;

как минимум одну прозрачную пленку с воздушным зазором, включающую основание и сверхтонкую структуру, определяющую рельефное образование, расположенное на основании;

причем пленка с воздушным зазором крепится к одной из основных поверхностей подложки, а рельефное образование обращено к подложке, определяющей плоскость стыка таким образом, чтобы световые волны, введенные в подложку, по существу полностью отражались от плоскости стыка.

2. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что пленка с воздушным зазором образует воздушные карманы между рельефным образованием и подложкой.

3. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что рельефное образование включает диэлектрический материал.

4. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что пропорциональная часть рельефного образования в поперечном сечении, параллельном основанию, постепенно изменяется в зависимости от расстояния поперечного сечения от основания.

5. Оптическая система по п. 3, отличающаяся тем, что пропорциональная часть диэлектрического материала рельефного образования в поперечном сечении, расположенном близко к основанию, максимальна.

6. Оптическая система по п. 3, отличающаяся тем, что пропорциональная часть диэлектрического материала рельефного образования во внутреннем поперечном сечении, расположенном близко к основанию, по существу равна единице.

7. Оптическая система по п. 3, отличающаяся тем, что пропорциональная часть диэлектрического материала рельефного образования во внешнем поперечном сечении, расположенном близко к плоскости стыка, минимальна.

8. Оптическая система по п. 7, отличающаяся тем, что пропорциональная часть диэлектрического материала рельефного образования во внешнем поперечном сечении, расположенном близко к плоскости стыка, по существу равна нулю.

9. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что показатель преломления рельефного образования во внешнем поперечном сечении, расположенном близко к плоскости стыка, по существу равен показателю преломления воздуха.

10. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что рельефное образование является периодическим.

11. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что рельефное образование имеет конфигурацию moth-eye («глаз ночной бабочки»).

12. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что рельефное образование выбрано из группы множества призм, конусов и пирамид.

13. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что высота рельефного образования составляет менее 1 мкм.

14. Оптическая система по п. 1, дополнительно включающая как минимум один оптический элемент, имеющий по меньшей мере одну плоскую внешнюю поверхность, обращенную к подложке, причем основание оптически крепится к внешней поверхности данного элемента и рельефное образование обращено к подложке.

15. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что оптический элемент представляет собой плоскую прозрачную подложку.

16. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что оптический элемент представляет собой коллимирующий модуль.

17. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что оптический элемент представляет собой линзу.

18. Оптическая система по п. 1, дополнительно включающая вторую пленку с воздушным зазором, прикрепленную ко второй основной поверхности прозрачной подложки, при этом рельефное образование обращено к поверхности подложки.

19. Оптическая система по п. 18, дополнительно включающая две линзы, каждая из которых имеет как минимум одну плоскую поверхность, причем основания первой и второй пленки с воздушным зазором крепят к плоским поверхностям линз.

20. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что подложка и оптический элемент смонтированы внутри оправы для линз.

21. Оптическая система по п. 20, отличающаяся тем, что подложка и оптический элемент устанавливаются вместе внутри оправы без использования связывающего материала.

22. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что подложка и оптический элемент устанавливаются вместе посредством технологии периферийного соединения.

23. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что производят монолитную совместную установку подложки и оптического элемента.

24. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой плоскую поверхность.

25. Оптическая система по п. 24, отличающаяся тем, что на частично отражающую поверхность для вывода световых волн из подложки наносят частично отражающее диэлектрическое покрытие.

26. Оптическая система по п. 24, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки не параллельна основным поверхностям данной подложки.

27. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что оптический элемент для ввода световых волн в подложку посредством внутреннего отражения представляет собой дифракционный элемент.

28. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой дифракционный элемент.

29. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой изогнутую поверхность.

30. Оптическая система по п. 14, отличающаяся тем, что подложка и оптический элемент установлены внутри интеллектуального устройства.

31. Оптическая система по п. 30, отличающаяся тем, что интеллектуальным устройством является смартфон.

32. Оптическая система по п. 30, отличающаяся тем, что интеллектуальным устройством являются умные часы.

33. Оптическая система по п. 30, отличающаяся тем, что оптическим элементом является сенсорный экран.