ES2290437T3

ES2290437T3 - Dispositivo optico de guia de luz.

Info

Publication number: ES2290437T3
Application number: ES03710195T
Authority: ES
Inventors: Yaakov Amitai
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2008-02-16
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: CA2479824A1; US8004765B2; ZA200503985B; UA81409C2; SG139558A1; KR20080021150A; KR100954403B1; KR20060097142A; JP2005521099A; RU2324960C2; US7724441B2; AU2003214615A1; EP3260907A1; US7576916B2; US20090052046A1; KR100977232B1; BR0308749A; CN1327265C; AU2003214615B2; DE60315606D1

Abstract

Dispositivo óptico que comprende: - Un sustrato de transmisión de luz (20) que posee por lo menos dos superficies mayores (26), que son paralelas entre si, así como unos bordes; - Un medio óptico (16), dispuesto en el referido sustrato (20) para acoplar las ondas de Luz, situadas dentro de un determinado campo de visión, al interior del mencionado sustrato (20) a través de una completa reflexión interna; así como - Por lo menos una superficie de reflexión parcial (22), situada en el sustrato (20), siendo la referida superficie (22) no paralela a las mencionadas superficies mayores (26) del sustrato (20). Este dispositivo está caracterizado porque la referida superficie de reflexión parcial (22) es una superficie plana de una reflexión angularmente selectiva; así como caracterizado porque la mencionada superficie de reflexión parcial (22) está dispuesta de tal manera que las ondas de luz, situadas dentro del mencionado campo de visión, puedan llegar hasta ambos lados (42, 44) de la referida superficie de reflexión parcial (22).

Description

Dispositivo óptico de guía de luz.

Campo de aplicación

La presente invención se refiere a los dispositivos ópticos que son guiados por un sustrato y, más concretamente, se refiere a los dispositivos que comprenden una multitud de superficies de reflexión, que están sostenidas por un sustrato común de fototransmisión, también conocido como guía de luz.

La presente invención puede ser implementada convenientemente en un gran número de aplicaciones de la imagen como, por ejemplo, en los dispositivos visualizadores de techo y en unos visualizadores portátiles de cabeza; en los teléfonos celulares, en los visualizadores compactos; en los visualizadores tridimensionales y los amplificadores compactos del haz luminoso; así como en aplicaciones sin una imagen como, por ejemplo, en los indicadores de panel plano; en los iluminadores compactos y en los escáneres.

Fundamentos de la invención

Una de las aplicaciones más importantes de los elementos ópticos compactos consiste en los aparatos visualizadores portátiles de cabeza, en los que un módulo óptico sirve tanto como lente de la imagen como asimismo sirve como el elemento combinador, en el cual una visualización bidimensional es reproducida hasta la infinidad y es reflejada hacia el interior del ojo de un observador. La visualización puede ser obtenida de forma directa o de un modulador de luz espacial (SLM - spatial light modulator) como, por ejemplo, de un tubo de rayos catódicos (CRT - cathode ray tube); de un visualizador de cristal líquido (LCD - liquid crystal display); de un conjunto o forma de disposición de diodos emisores de luz orgánicos (OLED - organic light emiting diode array); o de la fuente de un escáner y de unos dispositivos similares, o bien de una manera indirecta, es decir, por medio de una lente de relé o de un haz de fibras ópticas. La visualización comprende una forma de disposición de elementos (pixeles), reproducidos hasta la infinidad por una lente de colimación y transmitidos hacia el interior del ojo del observador por medio de una superficie de reflexión o de reflexión parcial, que actúa, respectivamente, como el elemento combinador para las aplicaciones de observación por transparencia y como el elemento combinador para las aplicaciones de observación por no-transparencia, es decir, a través del cual no se mira. Para estas finalidades es empleado normalmente un convencional módulo óptico de espacio libre. Desafortunadamente, conforme sea incrementado el deseado campo de visión (FOV - field-of-view) del sistema, un módulo óptico convencional de este tipo ha de ser más grande, más pesado, más engorroso y el mismo es, por lo tanto, impracticable, incluso para los dispositivos visualizadores de una prestación más modesta. Este es el mayor inconveniente para todas las clases de visualizaciones, pero sobre todo para las aplicaciones portátiles de cabeza, en las cuales el sistema ha de ser necesariamente de la mayor ligereza y de lo más compacto
posibles.

El afán de conseguir un menor dimensionamiento del módulo ha conducido a varias soluciones ópticas, entre si distintas y muy complejas. Por ejemplo, la Patente Núm. 5.453.877 de los Estados Unidos (concedida a Thomson-CSF) se refiere a un sistema óptico de colimación, que está previsto para ser montado en un casco, y el mismo permite sobreponer la información en un paisaje externo. Este sistema óptico comprende un dispositivo óptico que está constituido por una placa transparente, que tiene dos caras paralelas así como dos espejos parabólicos por sus extremos entre si opuestos. La radiación colimada choca con el primer espejo parabólico, que atraviesa una de las caras paralelas y, por consiguiente, la radiación es reflejada completamente por el primer espejo parabólico; la radiación es sometida a varias reflexiones completas en las caras paralelas para finalmente ser desacoplada, atravesando una de las caras paralelas por medio del segundo espejo parabólico. El segundo espejo parabólico es parcialmente transparente para hacer posible una transmisión por la transparencia de una radiación externa.

Las soluciones existentes, por un lado, no son todavía lo suficientemente compactas para la mayoría de las aplicaciones prácticas y, por el otro lado, las mismas tienen sus mayores inconvenientes en la posibilidad de su fabricación. Además, el ámbito o la caja de movimiento del ojo de los ángulos ópticos de visión de estos diseños es habitualmente muy pequeña, por lo general es de menos de 8 mms. Por consiguiente, la prestación del sistema óptico es muy precario, incluso para unos pequeños movimientos del sistema óptico en relación con el ojo del observador, y esta prestación no permite un suficiente movimiento de la pupila para un conveniente texto de lectura en las visualizaciones de esta clase.

Revelación de la invención

La presente invención proporciona el diseño y la fabricación de unos muy compactos elementos ópticos de guía de luz (LOE light-guide optical elements) para - entre otras aplicaciones - los aparatos visualizadores portátiles de cabeza. La invención permite un campo de visión (FOV) relativamente amplio, conjuntamente con unos valores bastante elevados del ámbito o de la caja de movimiento del ojo. El resultante sistema óptico ofrece una imagen amplia y de gran calidad, la cual se acomoda asimismo a unos movimientos largos del ojo. El sistema óptico, proporcionado por la presente invención, resulta especialmente conveniente teniendo en cuenta que el mismo es sustancialmente más compacto que las implementaciones del estado actual de la técnica y este sistema ya puede ser fácilmente incorporado, incluso en los sistemas ópticos de unas configuraciones especiales.

La presente invención facilita, asimismo, la construcción de unos perfeccionados dispositivos visualizadores de techo (HUD - head-up-displays). Desde la introducción de este tipo de dispositivo visualizador, hace ya más de tres décadas, se ha producido un progreso significativo en este campo. En efecto, este tipo de indicador de techo se ha hecho popular, y el mismo juega ahora un papel importante, no solamente en los más modernos aviones de caza, sino también en la aviación civil, en la que los visualizadores de techo constituyen un componente clave para las maniobras de un aterrizaje con mala visibilidad. Además, últimamente se han presentado numerosas propuestas y los diseños para unos "HUD" en las aplicaciones de la automoción, en las que tos mismos le pueden ayudar potencialmente al conductor en las tareas de conducción y de navegación. Sin embargo, los visualizadores de techo o "HUD" del estado actual de la técnica tienen varios inconvenientes importantes. Todos los visualizadores de techo de un diseño actual requieren una fuente de visualización, que tiene que estar separada del elemento combinador a una distancia significativa para así asegurar que la fuente pueda iluminar toda la superficie del elemento combinador. Como consecuencia, el sistema del combinador-proyector HUD es necesariamente engorroso, ancho y necesita un considerable espacio para su ubicación, por lo cual este sistema resulta inconveniente en cuanto a la instalación, y el mismo es, a veces, incluso inseguro en su uso. La amplia apertura y apertura ópticas de los convencionales visualizadores de techo presentan también un importante reto para el diseño del elemento óptico, facilitando un visualizador de techo con una comprometida prestación, o bien pasando a un visualizador de un más elevado costo, siempre que se necesite una mayor prestación. Representa una preocupación especial la dispersión cromática de los visualizadores de techo holográficos de alta calidad.

Una importante aplicación de la presente invención está relacionada con su implementación en un visualizador de techo de tipo compacto, que alivia los inconvenientes anteriormente mencionados. Según el diseño del visualizador de techo de la presente invención, el elemento combinador está iluminado con una fuente de visualización compacta, que puede estar fijada en el sustrato. Por consiguiente, el sistema es, en su conjunto, muy compacto y puede ser instalado fácilmente en una gran variedad de configuraciones para una gama más amplia de aplicaciones. Además, la dispersión cromática de la visualización es desdeñable y, por lo tanto, se puede operar con unas amplias fuentes espectrales, inclusive con una convencional fuente de luz blanca. Adicionalmente, la presente invención amplia la imagen de tal manera, que la zona activa del elemento combinador pueda ser mucho más amplia que aquella zona, que actualmente está siendo iluminada por una fuente luminosa.

Otra importante aplicación de la presente invención consiste en facilitar una más amplia pantalla con una visión tridimensional (3-D). Los actuales desarrollos en la tecnología de información han conducido a una incrementada demanda para las visualizaciones tridimensionales. Efectivamente, una amplia gama de equipos tridimensionales se encuentra ya en el mercado. Los equipos disponibles requieren, no obstante, que los usuarios lleven unos dispositivos especiales para separar las imágenes, previstas para el ojo izquierdo, de las imágenes previstas para el ojo derecho. Estos sistemas de "visión asistida" se han establecido firmemente en muchas aplicaciones profesionales. Sin embargo, una expansión hacia otros campos requiere unos sistemas de una "visión libre", con un incrementado confort para la vista y con una más estrecha adaptación a los mecanismos de una visión binocular. Las soluciones del estado actual de la técnica en cuanto a este problema adolecen, sin embargo, de varios inconvenientes y, en lo que se refiere a la calidad de imagen y al confort de visión, estas soluciones se reducen a unas visualizaciones bidimensionales ya conocidas. No obstante, por aplicar la presente invención es posible implementar una verdadera visualización 3-dautoestereoscópica de alta calidad, la cual no requiere ninguna ayuda para la visión y la que puede ser producida fácilmente con unos normales procesos de fabricación ópticos.

Otra aplicación de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo visualizador más compacto, con un amplio campo de visión, para un empleo normal y móvil como, por ejemplo, en la telefonía celular. En el actual mercado inalámbrico y de acceso a Internet, una suficiente anchura de banda está disponible para una completa transmisión por vídeo El factor de limitación sigue siendo, sin embargo, la calidad en la visualización dentro del dispositivo del usuario final. Los requerimientos de la movilidad limitan el tamaño físico de los visualizadores, y el resultado es una visualización directa, con una pobre calidad de visión de la imagen. La presente invención hace posible una visualización, que es físicamente más compacta y que tiene una muy amplia imagen virtual. Esto constituye un aspecto clave en las comunicaciones móviles y elimina - especialmente para un acceso móvil a Internet - una de las limitaciones principales para su implementación en la práctica.

Por consiguiente, la presente invención hace posible ver el contenido digital de una página de Internet, de formato completo, mediante un pequeño dispositivo cogido con la mano como, por ejemplo, con un teléfono celular.

El amplio objeto de la presente invención consiste, por lo tanto, en eliminar los inconvenientes de los dispositivos visualizadores ópticos y compactos del estado actual de la técnica y en proporcionar otros componentes ópticos y sistemas, con una perfeccionada prestación y según unos requisitos específicos.

La presente invención proporciona, por consiguiente, un dispositivo óptico que comprende un sustrato de transmisión de luz o sustrato fototransmisor, con por lo menos dos superficies mayores y con unos bordes; con un medio óptico, dispuesto dentro del referido sustrato para acoplar las ondas luminosas, situadas dentro de un determinado campo de visión, al referido sustrato mediante una reflexión interna completa; y con por lo menos una superficie de reflexión parcial, dispuesta dentro del referido sustrato, no siendo la referida superficie paralela a las mencionadas superficies mayores del sustrato. La superficie de reflexión parcial es una superficie plana de reflexión angularmente selectiva, y la misma está dispuesta de tal manera que las ondas luminosas, situadas dentro del referido campo de visión, puedan llegar hacia los dos lados de la mencionada superficie de reflexión parcial.

Breve descripción de los planos

La presente invención está descrita en relación con unas determinadas formas de realización de preferencia y con referencia a las siguientes Figuras ilustrativas, por lo cual la misma puede ser comprendida por completo.

Con referencia específica a unas determinadas Figuras, se quisiera hacer constar aquí que tos detalles están indicados solamente a título de ejemplo y a efectos de una descripción más concreta de las formas de realización de la presente invención, y los mismos se presentan con el objeto de proporcionar una descripción de los principios y de los aspectos conceptuales de la invención, la cual se cree sea la más útil y pueda ser comprendida fácilmente. En relación con ello, no se hace ningún intento de indicar los aspectos estructurales de la invención con más detalles que los necesarios para una comprensión básica de la misma. La descripción, efectuada en relación con los planos, ha de servir como indicación para las personas, familiarizadas con este ramo técnico, para cómo en la práctica puedan ser implementadas varias formas de realización distintas de la invención. En estos planos:

La Figura 1 muestra la vista lateral de una forma genérica de un dispositivo óptico de dobladura o fracción según el estado actual de la técnica;

La Figura 2 indica la vista lateral, a título de ejemplo, de un elemento óptico de guía de luz conforme a la presente invención;

Las Figuras 3A y 3B muestran las deseadas características de reflectancia y de transmitancia de las superficies de reflexión selectiva, empleadas en la presente invención para dos gamas de ángulos de incidencia;

La Figura 4 indica las curvas de reflectancia en función de la longitud de onda para, a título de ejemplo, un revestimiento dicroico;

La Figura 5 muestra una curva de reflectancia en función de un ángulo de incidencia para, a título de ejemplo, un revestimiento dicroico;

La Figura 6 indica las curvas de reflectancia en función de la longitud de onda de otro revestimiento dicroico;

La Figura 7 muestra una curva de reflectancia en función del ángulo de incidencia de otro revestimiento dicroico;

La Figura 8 indica la vista esquematizada de sección de una superficie de reflexión conforme a la presente invención;

Las Figuras 9A y 9B representan unos diagramas, que indican las vistas detalladas de sección de una forma de disposición - a título de ejemplo - de unas superficies de reflexión selectiva;

La Figura 10 es un diagrama que indica la vista detallada de sección de una forma de disposición - a título de ejemplo - de unas superficies de reflexión selectiva, en la que una fina capa transparente está cimentada en el fondo del elemento óptico de guía de luz;

La Figura 11 muestra unas vistas detalladas de sección de la reflectancia desde una forma de disposición - a título de ejemplo - de unas superficies de reflexión selectiva para tres diferentes ángulos de visión;

La Figura 12 representa la vista de sección de un dispositivo - a título de ejemplo - de la presente invención, el cual emplea una placa de media longitud de onda para la rotación de la polarización de la luz entrante;

La Figura 13 indica dos curvas que representan los cálculos simulados para la luminosidad en función del campo de visión (FOV) a través de la imagen de la proyectada visualización, como asimismo representan el escenario exterior (de transparencia);

La Figura 14 representa un diagrama que muestra una configuración de un elemento óptico de guía de luz (LOE), la cual posee una forma de disposición de cuatro superficies de reflexión parcial, conforme a la presente invención;

La Figura 15 es un diagrama que indica una configuración de un elemento óptico de guía de luz, la cual posee una forma de disposición de cuatro superficies de reflexión parcial, conforme a otra forma de realización de la presente invención;

La Figura 16 representa un diagrama que muestra un procedimiento para expansionar un haz de luz a to largo de ambos ejes, empleando una configuración de doble elemento óptico de guía de luz;

La Figura 17 indica la vista lateral de un dispositivo según la presente invención, el cual emplea una fuente luminosa de visualización de cristal liquido (LCD);

La Figura 18 es un diagrama que indica el diseño óptico de un elemento de colimación y de dobladura óptica según la presente invención;

La Figura 19 representa un diagrama que muestra la huella del pie de la luz que está siendo acoplada al interior del sustrato por la superficie frontal de la lente de colimación, conforme a la presente invención;

La Figura 20 es un diagrama que indica un croquis - equivalente y no doblado - de un diseño óptico según la presente invención;

La Figura 21 representa un diagrama que muestra el croquis de un diseño óptico de la presente invención, el cual emplea dos parejas de espejos paralelos de reflexión para conseguir un más amplio campo de visión;

La Figura 22A indica la vista en planta, mientras que la Figura 22B muestra la vista lateral de una configuración alternativa para expansionar la luz conforme a la presente invención;

La Figura 23 indica, a titulo de ejemplo, otra forma de realización de la presente invención, la cual está incorporada en un bastidor normal de vidrio ocular;

La Figura 24 es un diagrama que muestra, a título de ejemplo, un procedimiento para incorporar una forma de realización de la presente invención, en un dispositivo manual portátil como, por ejemplo, en un teléfono celular;

La Figura 25 muestra, a título de ejemplo, un sistema visualizador de techo "HUD" según la presente invención;

La Figura 26 indica, a título de ejemplo, una forma de realización de la presente invención, en la cual el elemento óptico de guía de luz está siendo iluminado por un conjunto de fuentes de visualización;

Las Figuras 27 hasta 29 representan unos diagramas que muestran, a título de ejemplo, la forma de realización de un sistema de reproducción de imágenes que proyecta una imagen tridimensional hacia los ojos de un observador, conforme a la presente invención;

La Figura 30 indica la forma de realización para la implementación convencional de un dispositivo amplificador de luz estelar (SLA - star's-light amplifier);

La Figura 31 muestra, a título de ejemplo, la forma de realización para una perfeccionada implementación de un amplificador de luz estelar (SLA), empleando dispositivos según la presente invención;

La Figura 32 indica la vista lateral de un dispositivo según la presente invención, el cual emplea una fuente de visualización con un visualizador de reflexión por cristal líquido (LCD) y con un dispositivo de iluminación convencional;

La Figura 33 muestra la vista lateral de un dispositivo de la presente invención, el cual emplea una fuente de visualización con un visualizador de reflexión por cristal líquido (LCD), en la que un elemento de guía de luz es empleado para iluminar la fuente;

La Figura 34 representa un diagrama, que indica un procedimiento para la fabricación de un conjunto de superficies de reflexión selectiva, conforme a la presente invención;

La Figura 35 es un diagrama, que muestra un dispositivo de medición, que utiliza dos prismas para medir la reflectancia de una revestida placa en dos ángulos diferentes; mientras que

La Figura 36 es un diagrama, que indica un sistema de medición que utiliza dos prismas para medir la reflectancia de una revestida placa en dos ángulos diferentes y el que emplea, además, un prisma de dobladura para alinear el segundo haz luminoso de salida con el incidente haz luminoso de entrada.

Descripción detallada de las preferidas formas de realización

La Figura 1 indica un convencional dispositivo óptico de dobladura, en el cual el sustrato 2 es iluminado por una fuente de visualización 4. El visualizador es colimado por una lente de coliminación 6. La luz procedente de la fuente de visualización 4 es acoplada al interior del sustrato 2 por una primera superficie de reflexión 8 y de tal manera, que el rayo principal 10 sea paralelo al plano del sustrato. Una segunda superficie de reflexión 12 conduce la luz del sustrato hacia fuera y al interior del ojo de un observador 14. A pesar de ser esta configuración de una forma compacta, la misma adolece, sin embargo, de importantes inconvenientes; sobre todo puede ser afectado solamente un muy limitado campo de visión (FOV). Tal como indicado en la Figura 1, el máximo permitido ángulo fuera del eje y dentro del sustrato es según la ecuación:

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en la que

T representa el espesor del sustrato;

d_{eye} (ojo) es el deseado diámetro de salida de la pupila; mientras que

I es la distancia entre las superficies de reflexión, 8 y 12.

Con unos ángulos más elevados que \alpha_{max} los rayos son reflejados de la superficie del sustrato antes de llegar a la superficie de reflexión 12. Por lo tanto, la superficie de reflexión 12 será iluminada en una dirección no deseada, y aparecerán unas imágenes fantasmas.

Por consiguiente, el máximo campo de visión (FOV), que con esta configuración puede ser conseguido, es:

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en la que v es el índice de refracción del sustrato.

Normalmente, los valores del índice de refracción están dentro de la gama de 1.5 hasta 1.6.

Por regla general, el diámetro de la pupila del ojo es de 2 hasta 6 mms. Para ajustar el movimiento o el desajuste de la visualización hace falta, sin embargo, un mayor diámetro de salida de la pupila. Tomando para ello un valor mínimo deseable de aproximadamente 8 hasta 10 mms., la distancia entre el eje óptico del ojo y el lateral de la cabeza I es, normalmente, entre 40 y 80 mms. Como consecuencia, el deseado espesor del sustrato sería - incluso para un más pequeño campo de visión FOV de 8 grados - del orden de 12 mms.

Ya habían sido propuestos unos procedimientos para resolver este problema. Los mismos incluyen el empleo de un telescopio de aumento dentro del sustrato y unas direcciones de acoplamiento no paralelas. Sin embargo, inclusive con estas soluciones, y aún al ser tenida en consideración solamente una superficie de reflexión, el espesor del sistema sigue siendo limitado por un valor similar. El campo de visión FOV está delimitado por el diámetro de la proyección de la superficie de reflexión 12 sobre el plano del sustrato. Matemáticamente, el máximo campo de visión FOV, que a causa de esta limitación puede ser conseguido, queda expresado en la ecuación siguiente:

\vskip1.000000\baselineskip

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en la que \alpha_{sur} es el ángulo entre la superficie de reflexión y la vertical al plano del sustrato; mientras que

R_{eye(ojo)} representa la distancia entre el ojo del observador y el sustrato (normalmente entre 30 y 40 mms.).

Prácticamente, tan\alpha_{sur} no puede ser mucho mayor que 1; por consiguiente, y con los mismos parámetros arriba descritos para un campo de visión FOV de 8 grados, el espesor necesario para el sustrato es aquí del orden de 7 mms., to cual constituye una mejora con respecto al límite anterior. No obstante, y conforme sea incrementado el deseado campo FOV, el espesor del sustrato se incrementa rápidamente. Por ejemplo, para unos deseados campos FOV de 15 y de 30 grados, el espesor limitador del sustrato es de 18 y de 25 mms., respectivamente.

Para reducir las limitaciones arriba mencionadas, la presente invención emplea un conjunto de superficies de reflexión selectiva, elaboradas dentro de un elemento óptico de guía de luz (LOE). La Figura 2 muestra la vista de sección de un tal elemento óptico LOE según la presente invención. La primera superficie de reflexión 16 está iluminada por una visualización colimada 18, que nace de una fuente luminosa (no indicada aquí), situada por detrás de este dispositivo. La superficie de reflexión 16 refleja la luz incidente, procedente de la fuente, de tal manera que la luz quede atrapada dentro de un sustrato plano 20 por una reflexión interna completa. Después de varias reflexiones desde las superficies del sustrato, las ondas de luz atrapadas llegan a un conjunto de superficies de reflexión selectiva 22 que acoplan la luz, procedente del sustrato, al interior del ojo de un observador 24. Suponiendo que la onda central de la fuente sea acoplada, procedente del sustrato 20, en una dirección normal hacia la superficie 26 del sustrato, y que el ángulo del eje excéntrico de la onda acoplada por el interior del sustrato 20 sea \alpha_{in}, entonces el ángulo \alpha_{sur2}, entre las superficies de reflexión y la vertical al plano del sustrato es:

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Tal como puede ser apreciado en la Figura 2, los rayos atrapados llegan a las superficies de reflexión, procedentes de unas distintas direcciones, 28 y 30. Según esta particular forma de realización, los rayos atrapados alcanzan la superficie de reflexión, desde una de estas direcciones 28, al término de un número par de reflexiones desde las superficies 26 del sustrato, para lo cual el ángulo de incidencia \beta{ref} entre el rayo atrapado y la vertical de la superficie de reflexión, es como sigue:

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Los rayos atrapados alcanzan la superficie de reflexión desde la segunda dirección 30 al término de un número impar de reflexiones desde las superficies 26 del sustrato para lo cual el ángulo de eje excéntrico es \alpha'_{in} = 180º -\alpha_{in} y el ángulo de incidencia entre el rayo atrapado y la vertical de la superficie de reflexión es igual a:

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Con el objeto de impedir las reflexiones no deseadas así como unas imágenes fantasmas, es importante que la reflectancia sea desdeñable para una de las dos direcciones. La deseada discriminación entre las dos direcciones incidentes puede ser conseguida si un ángulo es significativamente inferior al otro. Con anterioridad habían sido propuestas para este requisito dos soluciones, que explotan ambas las propiedades de reflexión de la luz S-polarizada; sin embargo, estas dos soluciones tienen ciertos inconvenientes. La principal desventaja de la primera solución consiste en que es necesario un número relativamente grande de superficies de reflexión para obtener un aceptable campo de visión FOV. El esencial inconveniente de la segunda solución es la indeseada reflectancia de tos rayos con un ángulo interno de \alpha_{in}. Actualmente está siendo descrita una solución alternativa, la cual explota las propiedades de reflexión de la luz P-polarizada así como en algunos casos también de la luz S-polarizada, y la misma proporciona una inclinación más llana
de la superficie de reflexión, por lo cual para una aplicación dada son necesarias menos superficies de reflexión.

Son distintas las características de reflexión en función del ángulo de incidencia de la luz S-polarizada y de la luz P-polarizada. Consideremos, por ejemplo, un punto de contacto entre aire y cristal; mientras que ambas polarizaciones reflejan un 4% a una incidencia cero, la reflectancia Fresnel de la luz S-polarizada, e incidente por los bordes, se incrementa de forma monotónica hasta alcanzar el 100% a la incidencia rasante, mientras que la reflectancia Fresnel de la luz P-polarizada se reduce, en primer lugar, al 0% a un ángulo Brewster, y solamente después se incrementa la misma al 100% a la incidencia rasante. Como consecuencia, puede ser diseñado un revestimiento con una elevada reflectancia para la luz S-polarizada a un ángulo de incidencia oblicuo, y con una reflectancia cercana a cero para una incidencia normal. Además, también puede ser diseñado fácilmente un revestimiento para una luz P-polarizada, con una muy reducida reflectancia a unos mayores ángulos de incidencia así como con una más elevada reflectancia para los reducidos ángulos de incidencia. Esta propiedad puede ser aprovechada para impedir las reflexiones no deseadas así como las imágenes fantasmas, tal como descritas anteriormente, por eliminarse la reflectancia en una de las dos direcciones. Tomando, por ejemplo, \beta_{ref} \sim 25º de las ecuaciones (5) y (6), puede ser calculado que:

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Al ser determinada ahora una superficie de reflexión por la cual \beta'_{ref} no es reflejada, pero sí es reflejada \beta_{ref} se ha conseguido la condición deseada. Las Figuras 3A y 3B indican el deseado comportamiento de reflectancia de las superficies de reflexión selectiva. Mientras que el rayo 32 (Figura 3A), con un ángulo de eje desplazado de pref - 25º, es parcialmente reflejado y desacoplado del sustrato 34, el rayo 36 (Figura 3B), sin embargo - el cual llega con un ángulo de eje desplazado de \beta_{ref} \sim 75º a la superficie de reflexión (lo cual es equivalente a \beta'_{ref} \sim 105º) - es transmitido a través de la superficie de reflexión 34 sin ninguna reflexión notable.

La Figura 4 muestra las curvas de reflectancia de un revestimiento dicroico, diseñado para conseguir las características de reflectancia arriba mencionadas para cuatro distintos ángulos de incidencia: 20º, 25º, 30º y 75º, todos ellos para una luz P-polarizada. Mientras que la reflectancia del rayo del gran ángulo es desdeñable por todo el espectro relevante, los ángulos de eje desplazado de 20º, de 25º y de 30º consiguen una reflectancia casi constante del 26%, del 29% y del 32%, respectivamente, por el mismo espectro. Es evidente que la reflectancia se reduce con la oblicuidad de los rayos incidentes.

La Figura 5 indica las curvas de reflectancia del mismo revestimiento dicroico en función del ángulo de incidencia para la luz P-polarizada, con una longitud de onda \lambda = 550 nm. Evidentemente, en este gráfico hay dos regiones significantes, es decir, entre 50º y 80º, en la que la reflectancia es muy baja, así como entre 15º y 40º, en la cual la reflectancia se incrementa de forma monotónica, con la reducción simultánea en los ángulos de incidencia. Por consiguiente, durante el tiempo en el que, para un campo de visión FOV dado, pueda ser asegurado que el completo espectro angular de \beta'_{ref} - dentro del cual son deseadas unas reflexiones muy bajas - esté situado en la primera región, mientras que el completo espectro angular de \beta_{ref}, para el cual son deseadas unas reflexiones más elevadas, se encuentre dentro de la segunda región, entonces podrá ser garantizada la reflexión de solamente un tipo de sustrato hacia el ojo del observador, como asimismo queda asegurada una imagen exenta de fantasmas.

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Hasta ahora ha sido analizada solamente la luz P-polarizada. Este tratamiento es suficiente para un sistema, que emplea una fuente de visualización polarizada como, por ejemplo, un visualizador por cristal líquido (LCD), o bien para un sistema cuya luminosidad de salida no es crucial y en el cual la luz S-polarizada puede ser eliminada mediante filtración. Sin embargo, para una fuente de visualización no polarizada - como, por ejemplo, para un tubo de rayo catódico (CRT) y para un conjunto de diodos emisores orgánicos de luz (OLED) - en la cual es crítica la luminosidad, la luz S-polarizada no puede ser desdeñada y tiene que ser tenida en cuenta durante el procedimiento del diseño. Afortunadamente, aunque ella represente un mayor reto que la luz P-polarizada, también existe la posibilidad de diseñar un revestimiento con el mismo comportamiento para la luz S-polarizada, tal como anteriormente indicado. Es decir, un revestimiento que tenga una muy reducida reflectancia para un completo espectro angular de \beta'_{ref} y unas más elevadas reflexiones, previamente definidas, para el correspondiente espectro angular de \beta_{ref}.

Las Figuras 6 y 7 muestran las curvas de reflectancia del mismo revestimiento dicroico anteriormente descrito con referencia a las Figuras 4 y 5, pero ahora para una luz S-polarizada. Existen, aparentemente, algunas diferencias entre el comportamiento de las dos polarizaciones: La región de los ángulos más elevados, en la que la reflectancia es muy baja, es mucho más estrecha para la polarización S; resulta mucho más difícil conseguir una reflectancia constante para un determinado ángulo por toda la anchura de banda espectral para la luz S-polarizada que para la luz P-polarizada y, finalmente, el comportamiento monotónico de la luz S-polarizada dentro del espectro angular de \beta_{ref} - en el cual son necesarias unas reflexiones más altas - es opuesto al comportamiento de la luz P-polarizada, es decir, la reflectancia de la luz S-polarizada se incrementa con la oblicuidad de los rayos incidentes. Por lo visto, este comportamiento contradictorio de las dos polarizaciones dentro del espectro angular de \beta_{ref} podría ser empleado, en el diseño del sistema óptico, para conseguir la deseada reflectancia de la luz en su conjunto, de acuerdo con los requisitos específicos de cada sistema.

Está claro, que la reflectancia de la primera superficie de reflexión 16 (Figura 2) debe ser de lo más elevado posible, con el fin de acoplar el máximo de luz desde la fuente de visualización al sustrato. Suponiendo que la onda central de la fuente sea de una incidencia normal sobre el sustrato, es decir, \alpha_{0} = 180º, entonces el ángulo \alpha_{sur1}, entre la primera superficie de reflexión y la vertical al plano del sustrato, es como sigue:

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Las soluciones para \alpha_{sur1} y \alpha'_{sur1} en el ejemplo arriba indicado son 155º y 115º, respectivamente.

La Figura 8 indica la vista de sección de la superficie de reflexión 16, que acopla la luz 38 desde una fuente de visualización (no indicada aquí) y la atrapa por el interior del sustrato mediante una completa reflexión interna. Tal como trazado aquí, la proyección S_{1} de la superficie de reflexión sobre la superficie 40 del sustrato es:

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siendo T el espesor del sustrato.

La solución de \alpha = \alpha'_{sur1} es preferida, habida cuenta de que la zona de acoplamiento en la superficie del sustrato es, para el ejemplo arriba indicado, más de 4,5 veces mayor que para las soluciones anteriores. Una similar relación de mejora se presenta para otros sistemas. En el supuesto de que ta onda acoplada ilumine toda la zona de la superficie de reflexión, la misma ilumina - después de la reflexión desde la superficie 16 - una zona de 2S_{1} = 2Ttan_{(\alpha)} en la superficie del sustrato. Por el otro lado, la proyección de una superficie de reflexión 22 sobre el plano del sustrato es
S_{1} = Ttan_{(\alpha sur2)}. Para evitar tanto una solapadura como unos huecos entre las superficies de reflexión, la proyección de cada superficie es adyacente a la proyección de su superficie colindante. Por consiguiente, el número N de las superficies de reflexión 22 - por las cuales pasa, durante un ciclo, cada rayo acoplado - es decir, entre dos reflexiones procedentes de la misma superficie del sustrato, es igual a:

109

Según este ejemplo, en el cual \alpha_{sur2} = 65º y \alpha_{sur1} = 115º, la solución es N = 2; quiere decir esto que cada rayo pasa, durante un ciclo, por dos superficies diferentes. Esto representa un cambio conceptual así como una mejora significativa con respecto a nuestras revelaciones anteriores, en las que cada rayo pasa durante un ciclo por seis superficies diferentes. La capacidad de reducir - para un requisito dado de un campo de visión FOV - el número de superficies de reflexión están en relación con la proyección de la superficie de reflexión sobre el plano de observación; como quiera que los ángulos de la presente revelación son mayores, se necesitan ahora menos superficies de reflexión para trazar las dimensiones de la imagen. El hecho de permitir menos superficies de reflexión simplifica la implementación del elemento óptico de guía de luz (LOE) y asegura unos importantes ahorros en la fabricación del mismo.

\global\parskip1.000000\baselineskip

La forma de realización anteriormente descrita en relación con la Figura 8 representa un ejemplo de un procedimiento para acoplar las ondas de entrada al interior del sustrato. No obstante, las ondas de entrada también podrían ser acopladas al interior del sustrato a través de otros medios ópticos, incluyendo (pero no limitado a) los prismas de dobladura, las haces de fibras ópticas, la rejillas de difracción así como otras soluciones.

Asimismo, y según el ejemplo indicado en la Figura 2, las ondas de entrada y las ondas de imagen están situadas por el mismo lado del sustrato. Están consideradas también otras configuraciones, en las que las ondas de entrada y las ondas de imagen podrían estar situadas por los lados opuestos del sustrato. Para ciertas aplicaciones existe igualmente la posibilidad de acoplar las ondas de entrada al interior del sustrato a través de uno de los lados periféricos del sustrato.

La Figura 9A muestra una vista detallada de sección de un conjunto o forma de disposición de unas superficies de reflexión selectiva, que acoplan la luz - atrapada por el interior del sustrato - hacia fuera y al interior del ojo de un observador. Según puede ser apreciado, el rayo acoplado pasa, en cada ciclo, por la superficie de reflexión 42, con una dirección de \alpha'_{in} = 130º, con la cual el ángulo entre el rayo y la vertical a la superficie de reflexión es de \sim 75º, y pueden ser desdeñadas las reflexiones desde estas superficies. Además, el rayo pasa, en cada ciclo, dos veces por la superficie de reflexión 44, con una dirección de \alpha_{in} = 50º, por lo que el ángulo de incidencia es de 25º y parte de la energía del rayo es acoplada del sustrato hacia fuera. En el supuesto de que sea empleada una forma de disposición con dos superficies
de reflexión selectiva 22 para acoplar la luz sobre el ojo del observador, el campo de visión FOV máximo es:

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Por consiguiente, y para los mismos parámetros de los ejemplos anteriores, el espesor de limitación del sustrato para un campo de visión FOV de 8º es del orden de 2,8 mms.; para los campos de visión de 15º y de 30º, este espesor de limitación del sustrato es de 3,7 mms. y de 5,6 mms., respectivamente. Estos son unos valores más favorables que los valores del espesor de limitación de las anteriormente discutidas soluciones del estado de la técnica. Además, pueden ser empleadas más de dos superficies de reflexión selectiva. Por ejemplo, para tres superficies de reflexión selectiva 22, el espesor de limitación del sustrato para unos campos de visión de 15º y de 30º es de más o menos 2,4 mms. y 3,9 mms., respectivamente. De forma similar, pueden ser introducidas unas adicionales superficies de reflexión para reducir - entre otras ventajas - aún más el espesor óptico de limitación.

Para aquellas configuraciones, en las cuales sea deseado un campo de visión relativamente pequeño, puede ser suficiente una sola superficie de reflexión parcial. Por ejemplo, para un sistema con los siguientes parámetros de R_{eye(ojo)} = 25 mms; \alpha_{sur} = 72º y de T = 5 mms., un moderado campo de visión FOV de 17º puede ser conseguido incluso con una sola superficie de reflexión 22. Una parte de los rayos atravesará la superficie 22 varias veces, antes de ser acoplada hacia fuera en la dirección deseada. Como quiera que el ángulo mínimo de propagación por el interior del sustrato, al objeto de conseguir la condición de una completa reflexión interna para el material de tipo BK7 o similar, es \alpha_{in(min)} = 42º, la dirección de propagación del ángulo central del campo de visión FOV es \alpha_{in(cen)} = 48º. Como consecuencia, la imagen proyectada no está vertical a la superficie, sino la misma está inclinada en 12º de eje desplazado. Esto es, sin embargo, aceptable para muchas aplicaciones.

Tal como indicado en la Figura 9B, cada superficie de reflexión selectiva está iluminada por unos rayos ópticos con distintas intensidades. Mientras que la superficie derecha 46 está iluminada por los rayos, inmediatamente después de que los mismos hayan sido reflejados desde la superficie inferior 48 del sustrato 20, la superficie izquierda 50 está iluminada por los rayos que ya han pasado por la superficie de reflexión parcial 46 y son, por lo tanto, de una intensidad más reducida. Con el fin de conseguir imágenes de una luminosidad uniforme, se requiere una compensación de las diferencias en intensidad entre las distintas partes de la imagen. En efecto, la desigual iluminación queda compensada por cubrir las superficies de reflexión con distintos recubrimientos o revestimientos, por lo cual la reflectancia de la superficie 46 es inferior a la reflectancia de la superficie 50.

Otra posible falta de uniformidad en ta imagen resultante se puede presentar a causa de las distintas secuencias de reflexión de los diferentes rayos, que llegan hacia cada superficie de reflexión selectiva; algunos rayos llegan directamente, sin ninguna reflexión desde una superficie de reflexión selectiva, y otros rayos llegan al término de una o de varias de estas reflexiones. Este efecto está reflejado en la Figura 9A. Un rayo atraviesa la primera superficie de reflexión selectiva 22 en el punto 52. El ángulo de incidencia de este rayo es de 25º, y una parte de la energía del rayo es acoplada del sustrato hacia fuera. A continuación, el rayo atraviesa la misma superficie de radiación selectiva en el punto 42 y con un ángulo de incidencia de 75º, pero sin una reflexión notable, y este rayo atraviesa la superficie de nuevo en el punto 54, con un ángulo de incidencia de 25º, y aquí otra parte de la energía del rayo es desacoplada del sustrato. Como contraste, el rayo indicado en la Figura 9B experimenta solamente una reflexión desde la misma superficie. Podemos observar que, con unos más reducidos ángulos de incidencia, se producen más reflexiones múltiples. Por consiguiente, un procedimiento para compensar la falta de uniformidad, que resulta de estas intersecciones múltiples, consiste en diseñar un revestimiento cuya reflectancia se incremente de manera monotónica con el decrecimiento del ángulo de incidencia, tal como esto está indicado en la reftectividad para la gama de 10º hasta 40º de la Figura 5. Es difícil compensar por completo las diferencias de los efectos de una intersección múltiple. En la práctica, sin embargo, el ojo humano puede tolerar unas variaciones importantes en la luminosidad, las cuales permanecen desapercibidas. Para unas visualizaciones cercanas del ojo, el ojo integra toda la luz, que emerge desde un solo ángulo de visión, y la enfoca sobre un punto en la retina; teniendo en cuenta que la curva de respuesta del ojo es logarítmica, unas pequeñas variaciones - si es que éstas se producen en la luminosidad de la visualización - no podrán ser notadas. Por lo tanto, e incluso para unos moderados niveles de uniformidad de iluminación dentro de la visualización, el ojo humano experimenta una imagen de alta calidad. La necesaria moderada uniformidad puede ser alcanzada fácilmente con un elemento óptico de guía de luz LOE.

Para unas visualizaciones, situadas a una determinada distancia del ojo como son, por ejemplo, los visualizadores de techo o dispositivos HUD, no puede ser tolerada, sin embargo, una falta de uniformidad a causa de los efectos de una intersección múltiple. En estos casos es necesario un procedimiento más sistemático para vencer esta no-uniformidad. La Figura 10 muestra un posible intento. Una fina capa transparente 55, con un espesor T_{add}, está cimentada en la base o fondo del elemento óptico de guía de luz LOE. Según esta forma de realización, resulta que el rayo con la incidencia de, por ejemplo, 25º, el cual atraviesa, según lo indicado en la Figura 9A, la primera superficie de reflexión selectiva 22 en tres puntos, este rayo atraviesa esta superficie ahora tan solamente dos veces, para luego ser reflejado tan sólo una vez, concretamente en el punto 52. De este modo, no se puede presentar el efecto de la doble reflexión. El espesor T_{add} puede ser calculado para reducir al mínimo el efecto de la doble reflexión para el completo campo de visión FOV del sistema óptico. Por ejemplo, para un sistema óptico con los siguientes parámetros de FOV = 24º; \alpha_{sur} = 64º;
\alpha_{in} = 52º; v = 1.51 y T = 4 mms., una capa con un espesor T_{add} = 2,1 mms., habría de ser añadida para eliminar por completo el indeseable efecto de un doble paso. Evidentemente, el espesor total del elemento óptico LOE es ahora de 6,1, en lugar de 4 mms., pero para los sistemas HUD, en los cuales el elemento combinador es relativamente grande y es necesaria una robustez para el elemento óptico, este incrementado espesor no debe constituir necesariamente un inconveniente. Es posible añadir la capa transparente por la parte superior del elemento óptico o incluso por ambos lados del sustrato; en este caso, la configuración exacta será fijada en función de los requisitos específicos del sistema óptico. Según la configuración propuesta, así como con independencia del espesor T_{add}, por lo menos algunos de los rayos atraviesan dos veces la misma superficie de reflexión selectiva. En la Figura 10, por ejemplo, el rayo pasa una vez por la primera superficie de reflexión 22, concretamente en el punto 52, y esto con un ángulo de incidencia de 25º, aquí parte de la energía del rayo es desacoplada del sustrato, una vez con un ángulo de incidencia de 75º y sin ninguna reflexión notable. Es evidente que solamente la primera intersección contribuya a la imagen, que está siendo formada por el elemento óptico de guía de luz LOE.

Teniendo en consideración los ángulos de visión que las distintas partes de la imagen resultante originan en diferentes zonas de las superficies de reflexión parcial, la Figura 11 ilustra este efecto: Se muestra la vista de sección de un sistema compacto de visualización de un dispositivo LOE, basado en la configuración propuesta. En este caso, una sola onda plana 56, que representa un particular ángulo de visión 58, ilumina solamente parte de todo un conjunto de superficies de reflexión parcial 22. Por consiguiente, para cada punto en la superficie de reflexión parcial está definido un ángulo de visión nominal, y la reflectancia está prevista en función de este ángulo.

El diseño de los revestimientos de las distintas superficies de reflexión parcial del elemento óptico LOE está realizado de la siguiente manera: Para cada ángulo particular, un rayo es trazado (teniendo en cuenta la refracción a causa de la Ley de Snell) desde el centro de la designada pupila 60 del ojo hasta la superficie de reflexión parcial. La dirección calculada es fijada como la dirección de incidencia nominal, y el revestimiento es diseñado conforme a esta dirección por también tener en cuenta la reflectancia previa, relacionada con este particular ángulo de visión. Por consiguiente, para cada ángulo de visión la reflectancia media desde las superficies relevantes estaría muy cerca de la reflectancia deseada. Adicionalmente, al ser necesario, una capa con un espesor T_{add} será añadida al elemento óptico de guía de luz LOE.

Un elemento óptico LOE, con unas superficies de reflexión selectiva no idénticas entre si, puede tener dos consecuencias. En los sistemas de observación por transparencia como, por ejemplo, en los visualizadores de cabeza para pilotos, en los que el observador debe observar el escenario exterior a través del dispositivo LOE, la reflectancia de las superficies de reflexión selectiva ha de ser relativamente elevada. Como quiera que aquí el coeficiente de reflectancia no es el mismo para todas las superficies de reflexión selectiva, existe el peligro de que esto podría implicar también una imagen no-uniforme del escenario exterior, observado a través del sustrato. Afortunadamente, esta falta de uniformidad es bastante reducida y puede ser desdeñada en muchos casos. En otras situaciones, en las que una tal potencial no-uniformidad puede ser crucial, sobre la superficie exterior del sustrato podría ser añadido un revestimiento complementario de no-uniformidad para así compensar la falta de uniformidad del sustrato y para conseguir la vista de una luminosidad uniforme por todo el campo de visión FOV.

En los sistemas de observación por no-transparencia - como, por ejemplo, en los sistemas visualizadores de realidad virtual - el sustrato es opaco, y la transmitancia del sistema no es relevante. En un tal caso, sin embargo, la reflectancia puede ser bastante más elevada que anteriormente y, en este sentido, se ha de tener cuidado con el fin de asegurar que una suficiente intensidad pueda pasar por la primera superficie de reflexión para así conseguir una luminosidad o brillantez uniforme por todo el campo de visión FOV. Otro problema, que debería ser tenido en cuenta, es la polarización de la luz. Tal como mencionado anteriormente, para el revestimiento de la superficie de reflexión selectiva es preferida una luz P-polarizada. Afortunadamente, algunas de las fuentes de visualización compacta (como, por ejemplo, los visualizadores de cristal líquido neumático) están polarizadas de forma lineal. Esto también podría ser aplicado en los casos en los que la fuente de visualización esté orientada de tal manera, que la luz entrante sea S-polarizada en relación con las superficies de reflexión. En estos casos existe la posibilidad o de diseñar un revestimiento para la luz S-polarizada o, como alternativa, cambiar la polarización de la fuente mediante una placa de media onda. Tal como indicado en la Figura 12, la luz que emerge de la fuente de visualización 4 está S-polarizada de forma lineal. Por emplear una placa de media onda 62, la polarización es cambiada o girada de tal manera, que la deseada luz P-polarizada pueda incidir en la superficie reflectante 22 para el acoplamiento.

Para ilustrar la prestación esperada de un típico sistema de observación por transparencia, ha sido realizada una simulación de ordenador que calcula la luminosidad, tanto de la visualización proyectada como del escenario exterior. Este sistema tiene los siguientes parámetros: T = 4,3 mms.; T_{add} = 0; \alpha_{in} = 50º; FOV = 24º; R_{eye(ojo)} = 25 mms.; v = 1,51; la fuente de visualización es S-polarizada; existen dos superficies de reflexión selectiva, y la reflectancia nominal es del 22%. La Figura 13 muestra los resultados de la simulación, los cuales están normalizados a los deseados valores nominales. En ambos gráficos existen algunas pequeñas fluctuaciones, pero estos cambios no podrían ser notados en las aplicaciones cercanas al ojo.

Hasta ahora ha sido solamente el campo de visión FOV a lo largo del eje \xi. También debería de ser tenido en consideración el campo de visión FOV a lo largo del eje ortogonal \eta. El campo de visión FOV a lo largo del eje \eta no depende del tamaño o del número de las superficies de reflexión selectiva, sino el mismo está en función de la dimensión lateral a lo largo del eje \eta de las ondas de entrada, acopladas al interior del sustrato. El máximo campo de visión FOV, que puede ser conseguido a lo largo del eje \eta, está representado por la ecuación:

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en la que D\eta representa la dimensión lateral a lo largo del eje \eta de la ondas de entrada, acopladas al interior del sustrato.

Quiere decir esto que, si el deseado campo de visión FOV es de 30º, entonces la dimensión lateral de limitación ha de ser de 42 mms., aplicando los mismos parámetros como arriba descritos. Con anterioridad se había demostrado, que la dimensión longitudinal a lo largo del eje \xi de las ondas de entrada, acopladas al interior del sustrato, queda determinada por S_{1} = T tan(\alpha_{in}). Con un espesor del sustrato de T = 4 mms. Se alcanza S_{1} = 8.6 mms. Por lo que parece, la extensión lateral del elemento óptico LOE es cinco veces mayor que la dimensión longitudinal. Incluso para una relación de aspecto de la imagen de 4 : 3 (como en los visualizadores de vídeo normalizados), y con el campo de visión FOV teniendo 22º en el eje \eta, la necesaria dimensión lateral es de aproximadamente 34 mms., es decir, todavía cuatro veces mayor que la dimensión longitudinal. Esta asimetría es problemática: Son necesarias o una lente de colimación con una elevada apertura numérica o bien una fuente de visualización muy grande. En cualquier caso, con unos valores numéricos de este tipo para las dimensiones es imposible conseguir el deseado sistema compacto.

Un procedimiento alternativo para resolver este problema está representado en la Figura 14. En lugar de emplear un conjunto de superficies de reflexión 22 solamente a lo largo del eje \xi, otro conjunto de superficies de reflexión, 22a, 22b, 22c y 22d, está posicionado a lo largo del eje \eta. Estas superficies de reflexión están situadas de forma vertical al plano del sustrato 20, a lo largo del bisector de los ejes \xi y \eta. La reflectancia de estas superficies queda definida de tal manera, que se puedan conseguir unas ondas de salida uniformes. Para cuatro superficies de reflexión, por ejemplo, la reflectancia de las superficies ha de ser del 75%, del 33%, del 50% y del 100%, o sea, para la primera superficie 22a, para la segunda superficie 22b, para la tercera superficie 22c y para la cuarta superficie 22d, respectivamente. Con esta forma de disposición es conseguida una secuencia de los frentes de onda, cada uno al 25% de la intensidad de entrada. Por regla general, una forma de disposición de este tipo para las superficies de reflexión puede ser diseñada fácilmente para una luz S-polarizada. De una manera conveniente, la luz que, en comparación con las superficies de reflexión parcial, 22a hasta 22d, es S-polarizada, será P-polarizada en comparación con las superficies de reflexión parcial 22. Por consiguiente, al estar la extensión vertical de la imagen en el eje \eta afectada por la luz S-polarizada, no existe ninguna necesidad de una placa de media longitud de onda para cambiar la polarización de la luz hacia los difusores horizontales en el eje \xi. Las formas de disposición, indicadas para los conjuntos de las superficies de reflexión, 22 y 22a hasta 22d, representan solamente unos ejemplos. De acuerdo con el sistema óptico y con los parámetros deseados, para incrementar las dimensiones laterales de las ondas ópticas por ambos ejes, \xi y \eta), también son posibles otras formas de realización, algunas de las cuales están descritas a continuación.

La Figura 15 representa un procedimiento alternativo para prolongar el haz de luz a lo largo del eje \eta. Según esta configuración, la reflectancia de Las superficies 22a, 22b y 22c es del 50% para la luz S-polarizada, mientras que la superficie 22d es un sencillo espejo del 100%. Si bien la dimensión lateral de la expansión vertical es, para esta solución, mayor que en la anterior configuración, la misma requiere, sin embargo, solamente un sencillo revestimiento de reflexión selectiva, y esta configuración es, vista en su conjunto, de una fabricación más fácil. Para cada sistema óptico específico, el procedimiento exacto para prolongar el haz luminoso a lo largo del eje \eta puede, por lo general, ser elegido en función de tos requisitos particulares del sistema.

Suponiendo una lente simétrica de colimación 6, la dimensión lateral a lo largo del eje \eta y después de la reflexión desde las superficies de reflexión, 22a hasta 22d, queda definida por la ecuación S_{\eta} = NTtan(\alpha_{in}), en la que N representa el número de las superficies de reflexión. El campo de visión FOV máximo, que ahora puede ser conseguido a lo largo del eje \eta, es como sigue:

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Habida cuenta de que el conjunto de reflexión, 22a hasta 22d, puede estar situado más cerca del ojo, es esperado que la distancia I entre las superficies de reflexión será ahora más reducida que en los ejemplos anteriores. En el supuesto de que I = 40 mms., y eligiendo los parámetros siguientes de T = 4 mm.; N = 4; \alpha_{in} = 65º; R_{eye(ojo)} = 25 mms., así como v = 1,5,a el campo de visión FOV resultante será:

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Esto representa una mejora con respecto a los anteriores valores, arriba obtenidos.

La Figura 16 muestra otro procedimiento para expandir el haz luminoso a lo largo de ambos ejes, empleando para ello la configuración de un doble elemento óptico LOE. Por la primera superficie de reflexión 16a, la onda de entrada es acoplada al interior del primer elemento óptico LOE 20a, para después ser propagada a lo largo del eje \xi. Las superficies de reflexión parcial 22a desacoplan la luz del elemento óptico 20a, y la misma es luego acoplada al interior del segundo elemento óptico LOE 20b por la superficie de reflexión 16b. Seguidamente, la luz es propagada a lo largo del eje \eta, para luego ser desacoplada por las superficies de reflexión selectiva 22b. Tal como aquí indicado, el haz de luz primitivo es expandido a lo largo de ambos ejes, y la expansión total queda determinada por la relación entre las dimensiones laterales de los elementos, 16a y 22b, respectivamente. La configuración indicada en la Figura 16 representa solamente un ejemplo para un arreglo con dos elementos ópticos de tipo LOE. Son posibles, asimismo, otras configuraciones en las que dos o aún más elementos ópticos de guía de luz LOE están combinados entre si para constituir unos más complicados sistemas ópticos. A título de ejemplo, tres diferentes sustratos - cuyo respectivo revestimiento está previsto para uno de los tres colores básicos - pueden estar combinados entre si para producir un sistema de visualización a tres colores. En este caso, cada sustrato es transparente en relación con los otros dos colores. Un sistema de esta clase puede ser apropiado para las aplicaciones en las cuales sea necesario la combinación de tres distintas fuentes de visualización monocromática con el objeto de formar la imagen final. Existen otros muchos ejemplos, en los que varios sustratos puedan ser combinados entre si para así constituir un sistema más
complicado.

Otro problema, que ha de ser enfocado, es la luminosidad del sistema. Este problema es de gran importancia para las aplicaciones de observación por transparencia, en las cuales es deseado que la luminosidad o el brillo de la visualización sea comparable con la luminosidad del escenario exterior, con el fin de permitir una aceptable relación de contraste así como una apropiada observación a través del elemento combinador. No es posible asegurar, en la mayoría de los sistemas, que sea pequeña la pérdida de inserción. Por ejemplo, y tal como descrito más arriba para el elemento combinador de cuatro superficies de la Figura 14, a causa de la deseada expansión del haz de luz a lo largo del eje \eta, la luminosidad de las ondas ópticas es reducida cuatro veces. De forma general para las superficies N-reflectantes, la luminosidad se reduce por un factor de N. Como principio, las fuentes de visualización de alta luminosidad pueden apartar esta dificultad, pero este acercamiento tiene necesariamente sus limitaciones en la práctica. No solamente son las fuentes visualizadoras de alta luminosidad muy caras, sino las mismas tienen también un alto consumo en energía, con las correspondientes corrientes eléctricas, que también son muy elevadas. Además, en la mayor parte de los visualizadores existe una inherente limitación para la luminosidad máxima, que pueda ser conseguida. A título de ejemplo, para la transmisión en las visualizaciones de cristal líquido LCD - que representan actualmente la fuente más conocida para tos visualizadores pequeños - está limitada la luz de la retro-iluminación para impedir unos efectos perjudiciales como son la luz de destellos, que reducen la resolución y la relación de contraste de la visualización. Por consiguiente, se necesitan otros intentos para optimizar el uso de la luz disponible de la fuente.

Otro posible procedimiento para mejorar la luminosidad de la visualización, que llega al ojo de un observador, consiste en controlar la reflectancia de las superficies de reflexión 22 del elemento óptico LOE, en conformidad con el ámbito o caja de movimiento del ojo (EMB - Eye-motion-box) del observador. Tal como indicado en la Figura 11, cada superficie de reflexión de la totalidad del conjunto de las superficies de reflexión selectiva 22 está iluminada por solamente una parte del campo de visión FOV completo. Por consiguiente, la reflectancia de cada superficie puede ser ajustada para optimizar la luminosidad de todo el campo de visión FOV. Por ejemplo, la reflectancia de la superficie derecha 22a de la Figura 11 podría estar prevista con una mayor reflectancia posible por el lado derecho del campo de visión, y con la menor reflectancia posible para el lado izquierdo del campo de visión FOV, mientras que la superficie izquierda 22 tenga una mayor reflectancia para el lado izquierdo de este campo de visión. Un proceso de diseño similar puede ser aplicado para un sistema de expansión bidimensional. En el supuesto de que \eta sea el eje vertical en la Figura 16, la reflectancia de tas superficies de reflexión 22a podría ser prevista de tal manera, que las superficies inferiores tengan una mayor reflectancia posible por la parte inferior del campo de visión FOV y tengan la menor reflectancia posible por la parte superior del campo de visión, mientras que las superficies superiores sean de una mayor reflectancia por la parte superior de este campo de visión FOV. Por lo tanto, el factor, por el cual es reducida la luminosidad a causa de la expansión lateral, puede ser mucho más reducido que R, siendo R la relación entre la zona de la superficie de acoplamiento de entrada 16a y las superficies de desacoplamiento o de acoplamiento de salida 22a.

Otro procedimiento para mejorar la luminosidad de conjunto del sistema consiste en controlar la luminosidad de la fuente de visualización sin modificar la energía de entrada. Tal como indicado por el lado superior de la Figura 11, una gran parte de la energía, acoplada al sustrato 20 por el espejo reflectante 16, es reflejada hacia la cercanía de la pupila 60 del ojo. Sin embargo, para aumentar la luminosidad al máximo posible también es conveniente que hacia el interior del sustrato sea acoplada la mayor parte de la luz, que emerge de la fuente de visualización.

La Figura 17 indica un ejemplo para un visualizador del tipo de sustrato, en el cual la fuente de visualización es un visualizador de cristal líquido LCD de transmisión. La luz - que emerge de la fuente luminosa 64 y que es colimada por una lente 66 - ilumina un visualizador de cristal líquido LCD 68. La imagen procedente del LCD es colimada para ser reflejada por los componentes ópticos 70 sobre el sustrato 20. La Figura 18 muestra un diseño óptico de la lente de colimación y dobladura 70, mientras que la Figura 19 indica las huellas de pie de la luz, que está siendo acoplada al interior del sustrato 20, en la superficie frontal 72 de la lente 70. Normalmente existe, en la mayoría de las fuentes de visualización, una distribución de tipo lambertiano de la luz, que emerge del visualizador. Quiere decir esto que la energía está siendo distribuida de una manera uniforme por todo el espectro angular de 2 \pi estereorradianes. Sin embargo, y tal como esto puede ser apreciado en las Figuras 18 y 19, solamente una pequeña parte de la luz, que emerge de la fuente de visualización, está siendo acoplada efectivamente al interior del sustrato 20. Desde cada punto de fuente en la superficie de visualización, tan sólo un pequeño cono de luz - de aproximadamente 20 hasta 30º - ilumina efectivamente la huella de pie en la superficie frontal 72 y acopla la luz al interior del sustrato 20. Por consiguiente, un significativo incremento en la luminosidad puede ser conseguido si la luz, emergente del visualizador, está siendo concentrada por el interior de este cono.

Otro procedimiento para conseguir un direccionamiento de esta clase en la fuente de iluminación consiste en emplear un difusor selectivo especial para el visualizador de cristal líquido LCD. Normalmente, un difusor convencional desparrama la luz de una manera uniforme en todas las direcciones. Como alternativa, un difusor selectivo puede esparcir la luz de tal manera, que la luz, procedente de cada punto de fuente, pueda divergir en un deseado cono angular. En este caso, permanece invariada la energía que ilumina la superficie del visualizador LCD. Para un cono de 20 hasta 30º, el ángulo de divergencia de la luz para cada punto de la fuente es reducido por un factor de más de 50, comparado con los 7r estereorradianes de la fuente lambertiana, y la luminosidad de la luz se incrementa por el mismo factor. De este modo, una mejora significativa de la luminosidad del sistema puede ser conseguida con un mínimo en diseño así como en costos de fabricación, y sin aumentar el consumo de energía del sistema.

Una solución alternativa - que no es apropiada solamente para los visualizadores de cristal líquido LCD, sino también para otras fuentes de visualización - consiste en emplear una forma de disposición de un conjunto de micro-lentes, que se encuentran en alineación con los pixeles de la fuente de visualización. Para cada pixel, una micro-lente estrecha el haz de luz divergente, que emerge de este pixel, hacia el interior del deseado cono angular. En efecto, esta solución es solamente eficiente si el factor de relleno de los pixeles es de un reducido número. Una perfeccionada versión de esta solución consiste en diseñar la función emisora de distribución de los pixeles dentro de la propia forma de disposición de los pixeles para así conseguir que cada pixel pueda divergir hacia el ángulo deseado. En los visualizadores OLED, por ejemplo, se realizan normalmente esfuerzos para aumentar el ángulo de divergencia de los individuales diodos emisores de luz (LED) con el fin de permitir una observación desde un ángulo más amplio. Para nuestra específica aplicación de visualización de un elemento óptico LOE, sin embargo, resulta más conveniente mantener este ángulo de divergencia pequeño - del orden de 20 hasta 30º - con el objeto de optimizar la luminosidad del sistema.

Tal como anteriormente descrito en relación con las Figuras 14 y 15, también es posible conseguir un amplio campo de visión FOV a lo largo de la dirección vertical \eta, sin por ello aumentar de una manera importante el volumen del sistema. Existen, no obstante, situaciones en las que esta solución resulta insuficiente. Este es sobre todo el caso en los sistemas con un muy amplio campo de visión FOV y con una reducción en la distancia I, entre la superficie reflectante de acoplamiento de entrada 16 y las superficies selectivamente reflectantes de desacoplamiento 22. La Figura 20 muestra un sistema óptico no doblado, con los parámetros siguientes: I = 70 mms.; T = 4 mms.; \alpha_{in} = 65º; R_{eye(ojo)} = 24 mms.; v = 1,51; el ámbito o caja de movimiento de ojo (EMB) es de 10 mms, y el deseado campo de visión FOV vertical es de 42º. Si trazamos los rayos desde la caja de movimiento del ojo EMB 74, observamos que la luz pasa, a través de la proyección de EMB, sobre los elementos ópticos de desacoplamiento 22, mientras que 76, 78 y 80 representan las proyecciones de los ángulos superior, central e inferior, respectivamente, del campo de visión FOV. Esto significa que, para conseguir el deseado campo de visión, la necesaria abertura de acoplamiento de entrada 82 es de 65 mms.; esta es de una abertura muy grande, que necesariamente hace aumentar el tamaño de todo el sistema, incluso si el sustrato sigue siendo una placa fina. Como alternativa, y al ser permitida una más pequeña abertura 84 de solamente 40 mms., el campo de visión FOV vertical 86, que puede ser conseguido, baja a 23º, lo cual es aproximadamente la mitad del deseado campo de visión FOV.

La Figura 21 indica una posible solución a este problema. En lugar de emplear una sencilla placa rectangular 20, los dos bordes horizontales de las placas están sustituidos por dos parejas de superficies de reflexión paralela, 88a y 88b así como 90a y 90b, respectivamente. Mientras que la parte central del campo de visión FOV se proyecta directamente a través de la abertura 84 como anteriormente, los rayos procedentes de la parte inferior del campo de visión FOV son reflejados desde las superficies 88a y 88b, y los rayos procedentes de la parte superior del campo de visión FOV son reflejados desde las superficies, 90a y 90b. Por regla general, los ángulos entre los rayos, atrapados por el interior del sustrato y por las superficies de reflexión, 88 y 90, son lo suficientemente largos como para afectar la totalidad de las reflexiones internas, por lo que para estas superficies no hace falta ningún revestimiento de reflexión especial. Como quiera que todos los rayos o se desplazan directamente desde la abertura de entrada o bien son reflejados dos veces desde una pareja de superficies paralelas, es mantenida la dirección primitiva de cada rayo, y la imagen primitiva no se ve afectada.

En efecto, es importante asegurar que cada rayo, que está siendo reflejado por la superficie 88a, también sea reflejado por la superficie 88b, antes de que el mismo choque con la abertura 84. Para confirmar esto es suficiente comprobar dos caminos de los rayos: El rayo marginal del ángulo extremo 92, que incide sobre la superficie 88a en el punto 94, tiene que chocar con la superficie 88b, a la derecha de la intersección de ésta con la superficie 90a; además, el rayo marginal 96, que incide sobre la superficie 88a - cerca de su intersección 98 con la superficie 90b - tiene que chocar con la superficie 88b, antes de que el mismo atraviese la abertura 84. Al ser cumplido este requisito por ambos rayos marginales, todos los rayos procedentes del campo de visión FOV - los cuales inciden sobre la superficie 88a - chocarán necesariamente también con la superficie 88b. El presente ejemplo facilita un campo de visión FOV de 42º, con una abertura de entrada 84, que está reducida de forma significativa; 40 mms. Es evidente que, en los casos en que la distancia I es extremadamente grande, puede ser empleada una cascada de dos o de más superficies de reflexión para obtener el deseado campo de visión, manteniéndose al mismo tiempo una aceptable abertura de entrada.

La forma de realización de la Figura 21 representa, concretamente, el ejemplo para una sencilla implementación de este procedimiento. El empleo de unas parejas de superficies de reflexión paralela - con el fin de reducir la abertura del sistema para un campo de visión FOV dado o, de forma alternativa, para incrementar el campo de visión útil para una abertura determinada - no está limitado a los elementos ópticos del tipo de sustrato, y las mismas pueden ser empleadas también en otros sistemas ópticos, incluyendo - sin estar limitado a los mismos - los sistemas de espacio libre como son, por ejemplo, los visualizadores de techo, los episcopios o los periscopios.

Por lo visto, y tal como descrito anteriormente con referencia a la Figura 21, la dimensión lateral de la abertura de entrada del sustrato es de 40 mms. a lo largo del eje \eta, y la misma es de 8,5 mms. a lo largo del eje \xi. Las Figuras 22A y 22B indican una forma de realización alternativa a la configuración arriba descrita en relación con las Figuras 14 y 15. Este acercamiento implica un ajuste entre una lente de colimación simétrica 6 y una abertura de entrada asimétrica. Se supone que las dimensiones laterales de la abertura de entrada sean D y 4D a lo largo de los ejes, respectivamente. Una lente 6, con una abertura 2D colima la imagen sobre el sustrato. La mitad frontal de la luz colimada es acoplada hacia el interior del sustrato por el espejo 16a. Dos parejas de superficies de reflexión paralela, 22a y 22b así como 22c y 22d, dividen la luz acoplada hacia fuera y luego reflejan la luz de retorno hacia su dirección primitiva. La parte trasera de la luz colimada atraviesa el sustrato 20, y la misma es luego doblada o quebrada por el prisma 99, en retorno hacia el interior del sustrato. Un segundo espejo 16b acopla la luz quebrada sobre el sustrato 20. Evidentemente, las medidas laterales de la abertura de entrada son D y D4 a lo largo de los dos respectivos ejes, tal como deseado.

Existen algunas ventajas del intento o acercamiento, arriba descrito en relación con la Figura 22. El sistema es simétrico por el eje \eta y, lo que es más importante, no se produce ninguna pérdida en la intensidad de la luz. Este acercamiento representa solamente un ejemplo, y son posibles otros procedimientos similares para convertir el haz de entrada simétrica en un haz de luz acoplada de forma asimétrica. Una apropiada configuración para prolongar la imagen a lo largo del eje \eta requiere un cuidadoso análisis de las especificaciones del sistema.

Por lo general, todas las distintas configuraciones, anteriormente tenidas en consideración para los elementos ópticos de guía de luz, ofrecen varias ventajas importantes con respecto a los alternativos elementos ópticos compactos para las aplicaciones de visualización; ventajas éstas que comprenden:

1) La fuente de entrada de visualización puede estar situada muy cerca del sustrato, de tal modo que el sistema óptico pueda ser, en su conjunto, muy compacto y de poco peso, proporcionando el factor de una conformación no- paralela.

2) A diferencia de otras configuraciones de visualización compacta, la presente invención ofrece una flexibilidad para colocar la fuente de entrada de visualización en relación con la parte del ojo. Esta flexibilidad - combinada con la posibilidad de ubicar la fuente cerca del prolongado sustrato - eliminan la necesidad de emplear una configuración óptica de eje desplazado, la cual es común en otros sistemas de visualización. Adicionalmente, y como quiera que la abertura del elemento óptico de guía de luz LOE es mucho más pequeña que la zona activa de la abertura de salida, la apertura numérica de la lente de colimación 6 es mucho más pequeña que la apertura necesaria para un comparable sistema de reproducción de imágenes de tipo convencional. Como consecuencia, puede ser implementado un sistema óptico significativamente más conveniente, y las numerosas dificultades, relacionadas con los elementos ópticos de eje desplazado, así como las lentes con una elevada apertura numérica - como, por ejemplo, con unas aberraciones cromáticas o de campo - pueden ser compensadas de una manera relativamente fácil y eficiente.

3) Los coeficientes de reflectancia de las superficies de reflexión selectiva de la presente invención son principalmente idénticos entre si por todo el espectro relevante. Como fuentes de visualización pueden ser empleadas, por consiguiente, todas las fuentes de luz, tanto monocromáticas como policromáticas. El elemento óptico de guía de luz LOE tiene una dependencia de la longitud de onda, la cual es desdeñable, y el mismo asegura unas visualizaciones de color, de alta calidad y de gran resolución.

4) Teniendo en cuenta que, desde la visualización de entrada, cada punto es transformado en una onda plana, que es reflejada hacia el interior del ojo del observador desde una gran parte de la forma de disposición de reflexión, las tolerancias respecto a la ubicación del ojo pueden ser atenuadas de una manera importante. El observador puede ver el campo de visión completo, y la caja de movimiento del ojo puede ser significativamente más amplia que en otras configuraciones de visualización compactas.

5) Como quiera que gran parte de la intensidad, procedente de la fuente de visualización, está siendo acoplada al interior del sustrato, y dado que una gran parte de esta energía acoplada es "reciclada" y desacoplada al interior del ojo del observador, puede ser conseguida una visualización con una luminosidad relativamente elevada, incluso con unas fuentes de visualización de un reducido consumo de energía.

La Figura 23 muestra una forma de realización de la presente invención, en la que el elemento óptico de guía de luz LOE 20 se encuentra incrustado en un marco o montura 100 de un monóculo. La fuente de visualización 4, la lente de colimación 6 y la lente de dobladura 70 están ensambladas por el interior de las partes de brazo 102 de esta montura, justamente cerca del borde del elemento óptico LOE 20. Para el caso de que la fuente de visualización sea un elemento electrónico - como, por ejemplo, una unidad pequeña de tubo de rayos catódicos (CRT), de visualizador de cristal líquido (LCD) o de un conjunto de diodos emisores de luz orgánicos (OLED) - los elementos electrónicos impulsores 104 de la fuente de visualización pueden estar ensamblados por el interior de la parte trasera del brazo 102. Una interfase de datos y de suministro de energía 106 puede estar conectada al brazo 102 mediante un conductor 108 o por otro medio de comunicación, incluyendo una transmisión óptica o por radio. Como alternativa, en la montura del monóculo pueden estar integrados una batería así como los elementos electrónicos de miniatura de enlace para datos.

La forma de realización anteriormente descrita puede ser aplicada tanto en los sistemas ópticos de observación por transparencia como asimismo en los sistemas ópticos de observación por no-transparencia, es decir, a través de los cuales no se miran. En este último caso, unas capas opacas están colocadas por delante del elemento óptico de guía de luz LOE. No es necesario tapar todo el elemento óptico LOE; por regla general, la oclusión comprende solamente la zona activa, en la que la visualización está visible. Como tal, el dispositivo puede asegurar que sea mantenida la visión periférica del usuario, y el mismo reproduce así la experiencia de visión de la pantalla de un ordenador o televisor, en la que la visión periférica de este tipo sirve como una importante función perceptiva. De forma alternativa, un filtro variable puede estar colocado por delante del sistema, de tal manera que el observador pueda controlar el nivel de luminosidad de la luz procedente del escenario exterior. Este filtro variable podría ser o un dispositivo de control mecánico como, por ejemplo, un filtro de dobladura, o dos polarizadores giratorios, un dispositivo de control electrónico o incluso un dispositivo automático, mediante el cual la transmitancia del filtro queda determinada por la luminosidad del fondo exterior.

Existen algunas alternativas con respecto a la forma concreta, en la que un elemento óptico de guía de luz puede ser utilizado según esta forma de realización. La opción más sencilla consiste en emplear un solo elemento para un ojo. Otra opción es la de emplear un elemento y una fuente de visualización para cada ojo, pero con una misma imagen. Como alternativa es posible proyectar dos partes distintas de la misma imagen, con alguna solapadura entre los dos ojos, facilitando así un campo de visión más amplio. Todavía otra posibilidad consiste en proyectar dos escenarios diferentes, uno para cada ojo, con el objeto de proporcionar una imagen estereoscópica. Con esta alternativa son posibles unas implementaciones atractivas, incluyendo las películas tridimensionales, una más avanzada realidad virtual, unos sistemas de entrenamiento así como otras aplicaciones más.

La forma de realización de la Figura 23 representa, concretamente, un ejemplo para una sencilla implementación de la presente invención. Habida cuenta de que el elemento óptico de guía por sustrato, el cual constituye el núcleo del sistema, es muy compacto y de poco peso, el mismo puede ser instalado en una amplia variedad de arreglos o de sistemas. Por consiguiente, también son posibles otras formas de realización, incluyendo un visor, un visualizador doblado o fraccionado, un monóculo y otras muchas más. Esta forma de realización está prevista para las aplicaciones en las que el visualizador ha de estar situado cerca del ojo, es decir, montado en la cabeza, llevado en la cabeza o sostenido por la cabeza. Existen, sin embargo, otras aplicaciones en las cuales esta visualización puede estar ubicada de forma distinta. Un ejemplo para una aplicación de este tipo sería un dispositivo para aplicación manual, el cual es cogido por la mano como es, por ejemplo, un teléfono celular. Se calcula que estos dispositivos puedan realizar en el futuro próximo unas operaciones novedosas, que requieren la resolución de una gran pantalla, entre ellas el vídeo de voz, la conexión a Internet, el acceso al correo electrónico e incluso la transmisión de radiodifusión y televisión de alta calidad por satélite. Con las tecnologías existentes, sin embargo, en el teléfono móvil puede estar incorporada actualmente sólo una pequeña visualización, y un visualizador de este tipo puede proyectar o los datos de vídeo de baja calidad
o solamente pocas líneas de Internet o de datos de correo electrónico, y esto directamente hacia el ojo del observador.

La Figura 24 muestra un procedimiento alternativo, basado en la presente invención, el cual elimina el actual compromiso entre el reducido tamaño de los dispositivos móviles o portátiles y el deseo de ver un contenido digital en la visualización de un formato completo, y esto por el hecho de proyectar unas imágenes de alta calidad directamente al interior del ojo del usuario. Un módulo óptico - que comprende la fuente de visualización 6, los elementos ópticos de dobladura y colimación 70 así como el sustrato 20 - está integrado en el cuerpo de un teléfono celular 110, en el cual el sustrato 20 sustituye la existente tapadera/ventana protectora del teléfono móvil. De una manera conveniente, el volumen de los componentes de soporte - aquí incluyendo la fuente 6 y los elementos ópticos 70 - es lo suficientemente reducido como para estar adaptado al interior de un volumen aceptable para los modernos aparatos celulares. Para poder observar la pantalla completa, que es transmitida por el dispositivo, el usuario posiciona la ventana, situada delante de su ojo 24, para poder observar convenientemente la imagen con un vasto campo de visión FOV, con una amplia caja de movimiento del ojo así como un cómodo relieve de visión. También es posible ver todo el campo de visión FOV a un mayor relieve de visión por inclinarse el dispositivo para visualizar así distintas partes de la imagen. Además, y como quiera que este módulo óptico puede funcionar en la configuración de una observación por transparencia, existe aquí la posibilidad de una doble operación del dispositivo; concretamente y como una opción, es posible mantener intacta la convencional visualización celular 112. De esta manera, resulta que la visualización normal de baja resolución puede ser observada a través del elemento óptico LOE al estar desconectada la fuente de visualización 6. Según un segundo modo de funcionamiento, previsto para lectura de los correos electrónicos, para el surfing por Internet o para las operaciones de vídeo, el visualizador convencional 112 puede estar desconectado, mientras que la fuente de visualización 6 proyecte - a través del elemento óptico LOE - la deseada imagen de un amplio campo de visión FOV hacia el interior del ojo del observador. La forma de realización, descrita en la Figura 23, es solamente un ejemplo que demuestra que pueden ser materializadas unas aplicaciones distintas a las de unos visualizadores montados en la cabeza. Otras posibles formas de disposición pueden comprender los ordenadores de miniatura; unas pequeñas visualizaciones incrustadas en relojes de pulsera; un visualizador de bolsillo con un tamaño y con un peso de una tarjeta de crédito; así como otras muchas aplicaciones más.

Las formas de realización arriba descritas se refieren a sistemas ópticos mono-oculares, es decir, a una imagen que es proyectada sobre un ojo. Existen, no obstante, aplicaciones - como, por ejemplo, los visualizadores de techo (HUD) -
en las cuales es deseado proyectar una imagen sobre los dos ojos. Hasta hace poco tiempo, los sistemas HUD habían sido empleados principalmente en los modernos aviones de combate y de aviación civil. Después había numerosos diseños y proyectos para instalar un tal visualizador de techo en frente del conductor de un vehículo automóvil, con el fin de ayudar en la navegación o para proyectar una imagen térmica al interior del ojo del conductor durante las condiciones de poca visibilidad. Los actuales sistemas HUD de la aeronáutica son muy caros, siendo el precio de una sola unidad del orden de cientos de miles de Dólares. Como añadidura, los sistemas existentes son muy grandes, pesados y engorrosos, además, son demasiado complicados para su instalación en un avión pequeño, más aún en un vehículo automóvil. Los sistemas visualizadores de techo HUD, basados en los elementos ópticos de guía de luz LOE, pueden proporcionar las posibilidades para un HUD muy compacto e independiente, que puede ser instalado fácilmente en unos espacios más reducidos. Este sistema simplifica, asimismo, la construcción y la fabricación del sistema óptico relacionado con el visualizador de techo y, por consiguiente, el mismo es potencialmente apropiado tanto para perfeccionar los HUDs en la aeronáutica como asimismo, para presentar una versión compacta y barata de consumidor para la industria de automoción.

La Figura 25 indica un procedimiento para materializar un sistema de visualizador de techo HUD, que se basa en la presente invención. La luz, procedente de una fuente de visualización 4, es colimada hasta la infinidad por una lente 6, y la misma es acoplada - mediante la primera superficie de reflexión 16 - al interior del sustrato 20. Después de su reflexión por un segundo conjunto reflectante (no indicado aquí), las ondas ópticas inciden en una tercera superficie de reflexión 22, que desacopla la luz para introducirla en tos ojos 24 del observador. El sistema en su conjunto puede ser muy compacto y de poco peso; el mismo es del tamaño de una ancha tarjeta postal, con un espesor de pocos milímetros. La fuente de visualización, que tiene un volumen de pocos centímetros cúbicos, puede estar fijada en una de las esquinas del sustrato, y un conductor eléctrico puede aportar la energía y los datos al sistema. Se piensa que la instalación de este sistema HUD presentado no será más complicada que la instalación de un sencillo sistema audio de tipo comercial. Además, y como quiera que no existe la necesidad de una fuente de visualización externa para la proyección de la imagen, queda eliminada la necesidad de instalar unos componentes en lugares poco
seguros.

Teniendo en cuenta que la pupila de salida de un típico sistema HUD es mucho más grande que la de un sistema visualizador, sostenido en la cabeza, se cree que una configuración con una matriz o forma de disposición de
tres - tal como anteriormente descrita con referencia a las Figuras 14 hasta 16 - será necesaria para conseguir el deseado campo de visión FOV. No obstante, puede haber algunos casos especiales que comprenden sistemas con unos pequeños campos de visión verticales o con un conjunto de diodos emisores de luz verticales como la fuente de visualización o bien por emplearse unas parejas de espejos de reflexión paralela (tal como anteriormente descritas con referencia a la Figura 21), para las cuales podría ser suficiente la configuración de un conjunto de dos.

Las formas de realización, representadas en la Figura 25, pueden ser implementadas - aparte de para los sistemas HUD en vehículos - también en otras muchas aplicaciones. Un posible empleo de estas formas de realización consiste en aplicarlas, como un visualizador plano, en los ordenadores o televisores. La principal característica particular de una visualización de este tipo consiste en que la imagen no está ubicada en el plano de la pantalla, sino está enfocada a la infinidad o a una distancia similarmente conveniente. Uno de los principales inconvenientes de las existentes visualizaciones de ordenadores es el hecho de que el usuario ha de enfocar sus ojos a una distancia bastante reducida, entre 40 y 60 cms., siendo el enfoque natural de un ojo sano la infinidad. Muchas personas sufren de dolores de cabeza al término de trabajar durante un tiempo prolongado en un ordenador. Muchas otras personas, que trabajan frecuentemente con ordenadores, tienden a desarrollar miopía. Además, algunas personas, que sufren tanto miopía como hiperopía, necesitan unas gafas especiales para trabajar con un ordenador. Un visualizador plano, basado en la presente invención, podría ser una solución apropiada para las personas que sufren los problemas arriba indicados y que no desean trabajar con un visualizador, que es portado en la cabeza. La presente invención permite, además, una reducción importante del tamaño físico de la pantalla. Habida cuenta de que la imagen formada por el elemento óptico de guía de luz LOE es más grande que el dispositivo, existe la posibilidad de implementar unas pantallas mayores sobre unos marcos más pequeños. Esto es especialmente importante para las aplicaciones móviles como, por ejemplo, en los ordenadores de sobremesa y en los ordenadores de miniatura.

Un problema potencial, que se podría presentar en relación con una visualización más ancha, se refiere a la luminosidad de la imagen. En el caso ideal, y para conseguir unas dimensiones más reducidas, es conveniente emplear una fuente de visualización de miniatura, pero esto merma necesariamente la luminosidad de la visualización, debido al gran incremento de la zona activamente iluminada del elemento óptico LOE, en comparación con la zona de la fuente, la cual es activamente iluminada. Por consiguiente, e incluso al haber sido adoptadas las medidas especiales anteriormente descritas, se ha de calcular con una reducción en la luminosidad, también para las aplicaciones de una observación por no-transparencia. Esta merma en la luminosidad puede ser eliminada o por incrementar la luminosidad de la fuente o por desplegar más de una fuente. Quiere decir esto que el elemento óptico LOE puede estar iluminado por un conjunto de fuentes de visualización así como por las correspondientes lentes de colimación. La Figura 26 muestra un ejemplo de este procedimiento. La misma imagen es generada desde una forma de disposición de cuatro fuentes de visualización, 4a hasta 4d, cada una colimada por un correspondiente conjunto de lentes, 6a hasta 6d, para formar una sola imagen, que es acoplada al interior del elemento óptico LOE 20 a través de la superficie de reflexión 16. A primera vista, parece que esta solución puede ser bastante costosa. En este caso, sin embargo, cualquier incrementado costo del sistema, debido al aumento de sus componentes y a la necesidad de coordinar las imágenes de la fuente con unos elementos electrónicos especiales, queda eliminado por el costo inherentemente bajo de los propios micro-visuatizadores así como por la posibilidad de reducir la abertura numérica de las lentes de colimación. En esta forma de realización tampoco existe la necesidad de una prolongación lateral; es fácilmente factible incluir solamente un elemento óptico LOE, que prolongue la imagen en una dimensión y que incremente la luminosidad de forma correspondiente. Es importante tener en cuenta que las fuentes de visualización no han de ser necesariamente idénticas entre si, y que puede ser empleado un sistema más complicado con unas distintas fuentes de visualización, tal como esto es explicado a continuación.

Otra ventaja de la visualización del elemento óptico LOE de la presente invención consiste en una forma muy plana de este visualizador, incluso en comparación con los visualizadores de panel plano ya existentes. Otra diferencia es un ángulo de visión, que es significativamente más direccional: La visualización del elemento óptico LOE puede ser observada desde una gama de ángulos mucho más estrechos, comparados con los ángulos de un visualizador normal de panel plano. Un ámbito tan limitado para el movimiento de la cabeza es suficiente para una operación conveniente por parte de un usuario individual, y ello ofrece la ventaja adicional de cierta privacidad en muchas ocasiones.

Además, la imagen de la pantalla, basada en el elemento óptico LOE, está visible en un plano distante, situada por detrás de la superficie de visualización, y no en la superficie física del elemento óptico. La sensación de ver la imagen es similar a la de observar la misma a través de una ventana. Esta configuración es especialmente apropiada para la implementación de unas visualizaciones tridimensionales.

Los actuales desarrollos en la tecnología de información han conducido a una creciente demanda para los visualizadores tridimensionales. En efecto, una amplia gama de equipos 3-D se encuentran ya en el mercado. Los sistemas disponibles tienen, no obstante, el gran inconveniente de que los usuarios tienen que llevar consigo unos dispositivos especiales para separar las imágenes previstas para el ojo izquierdo de las imágenes previstas para el ojo derecho. Estos sistemas de "observación asistida", se han firmemente establecido en muchas aplicaciones profesionales. Sin embargo, una expansión hacia otros campos hará necesarios unos sistemas de "observación libre", con un perfeccionado confort en la visión y con una más estrecha adaptación a los mecanismos de una visión binocular. Las actuales soluciones a este problema tienen varias desventajas, y las mismas se quedan por detrás de los conocidos visualizadores 2-D, en términos de calidad de imagen y de confort de visión.

Las Figuras 27A y 27B muestran, respectivamente, una vista frontal y una vista en planta de una posible forma de realización, basada en la presente invención para materializar un verdadero visualizador tridimensional. En lugar de una sola fuente de visualización, se ha colocado aquí un conjunto 114 del número n de distintas fuentes de visualización, 114_{t} -114_{n}, en la parte inferior del sustrato 20; conjunto éste del cual cada fuente de visualización proyecta las imágenes, obtenidas con distintas perspectivas de un mismo escenario. La imagen procedente de cada fuente de visualización es acoplada al interior del sustrato, en la misma manera como anteriormente descrita con referencia a la Figura 26. Al estar el usuario observando la visualización, el ojo derecho 24a y el ojo izquierdo 24b del mismo ven las imágenes proyectadas desde las fuentes de visualización, 114_{i} y 114_{j} respectivamente. Como consecuencia, el observador ve con cada ojo el mismo escenario, pero desde distintas perspectivas. Esta sensación se asemeja mucho a la experiencia de visión al observarse un verdadero objeto 3-D a través de una ventana. Tal como indicado en las Figuras 28a y 28b, al mover el observador su mirada horizontalmente, los ojos del mismo ven las imágenes que son proyectadas desde distintas fuentes de visualización, 114_{k} y 114_{l}; este efecto es similar a mover la cabeza a través de una ventana al ser observado un escenario exterior. Al desplazar el observador su mirada en el sentido vertical, tal como indicado en las Figuras 29A y 29B, los ojos del mismo ven unos puntos en la pantalla, los cuales están situados ahora más abajo que antes. Como quiera que estos puntos se encuentran situados más cerca de las fuentes de visualización 114, el usuario observa unas imágenes que parten de distintas fuentes de visualización, 114_{g} y 114_{h}, que están dispuestas más cerca que anteriormente del centro del conjunto 114. Por lo tanto, la sensación del observador es similar a la sensación de ver un escenario, que se encuentra más cerca de la ventana. Quiere decir esto que el escenario es observado, a través del sustrato, como un panorama tridimensional en el que la parte inferior del escenario está situada más cerca del observador.

La forma de realización, anteriormente descrita en relación con las Figuras 27 hasta 29, representa solamente un ejemplo. Por aplicarse la presente invención, también son posibles otros arreglos para conseguir una verdadera visualización tridimensional, con diferentes aberturas, distintos números de puntos de aspecto, etc., etc.

Otra posible forma de realización de la presente invención consiste en implementar la misma como un "teleprompter", tal como éste es empleado en proyectar el texto para un locutor de radiodifusión o de televisión; habida cuenta de que este "teleprompter" es transparente, la audiencia tiene la sensación de que el locutor esté manteniendo un contacto visual con ellos, si bien el mismo es efectivamente leyendo el texto. Empleando el elemento óptico de guía de luz LOE, el "teleprompter" puede estar implementado con una pequeña fuente, fijada en el conjunto óptico, evitando así la necesidad de colocar una pantalla en la cercanía del dispositivo.

Todavía otra implementación de esta forma de realización consiste en una pantalla para un asistente personal digital (PDA). El tamaño de Las pantallas convencionales existentes y actualmente en uso es de menos de 10 cms. Como quiera que la distancia mínima, a la que estos visualizadores pueden ser leídos, es del orden de 40 cms., el campo de visión FOV, que puede ser obtenido, es de menos de 15º, por consiguiente, el contenido de información, sobre todo al estar implicados unos textos, queda limitado en estos visualizadores. Un significativo perfeccionamiento en el proyectado campo de visión FOV puede ser conseguido con la forma de realización representada en la Figura 24. La imagen está enfocada al infinito, y la pantalla puede estar ubicada más cerca de los ojos del observador. Además, teniendo en cuenta que cada ojo observa una parte distinta del campo de visión total (TFOV), con una solapadura por la parte central puede ser obtenido otro incremento en el campo de visión total (TFOV). De este modo, es factible una visualización con un campo de visión FOV de 40º o más.

En todas las formas de realización anteriormente descritas de la presente invención, la imagen, que ha sido transmitida por el sustrato 20, procedía de una fuente de visualización electrónica como, por ejemplo, de un tubo de rayo catódico (CRT) o de un visualizador de cristal líquido (LCD). Pueden existir, sin embargo, otras aplicaciones en las que la imagen transmitida puede formar parte de un escenario en vivo, por ejemplo, al ser necesario acoplar una escena real a un sistema óptico.

La Figura 30 muestra la aplicación de un amplificador de luz estelar (SLA) 116, en la cual puede estar empleada la referida implementación. La imagen, procedente de un escenario exterior, es enfocada - mediante el colimador 118 - sobre el amplificador SLA, en el que la señal electrónica de la imagen es ampliada para formar una imagen sintética que, a su vez, es proyectada sobre el ojo del observador a través de un anteojos 120. La configuración aquí representada es bastante popular para las aplicaciones militares, para-militares y civiles. Esta comúnmente empleada configuración sobresale necesariamente de la parte frontal del usuario hacia delante, lo cual hace que la misma sea inconveniente para su empleo más recogido en una configuración de montaje en la cabeza. El dispositivo es relativamente pesado y el mismo ejerce - adicionalmente a su interferencia física con los objetos en la cercanía del usuario - un fatigoso momento de fuerza sobre la cabeza y la nuca del usuario.

Una forma de realización más conveniente está representada en la Figura 31. En este caso, el dispositivo no está situado por delante del usuario, sino el mismo se encuentra en la parte lateral de la cabeza, en la que el centro de gravedad del amplificador SLA está en alineación a lo largo del eje principal de la cabeza. La dirección del dispositivo está invertida, es decir, el colimador 118 está ubicado por la parte trasera, mientras que el anteojos 120 se encuentra situado por la parte frontal. Ahora, la imagen procedente del escenario exterior frontal es acoplada al interior del colimador 118, empleando un elemento óptico LOE 20a, por lo que la imagen procedente del anteojos 120 está siendo acoplada al interior del ojo del usuario. Usando para ello otro elemento óptico LOE 20b. Aunque al dispositivo original sean añadidos aquí dos elementos ópticos adicionales, 20a y 20b, el peso de estos elementos puede ser desdeñado en comparación con el peso del amplificador SLA, y la configuración de conjunto resulta ahora más conveniente que antes. Además, y como quiera que la tolerancia de montaje de estos dispositivos es mucho menos que exigente, es factible que estos dos elementos estén configurados como unos módulos, de tal manera que los mismos o puedan ser desplazados de su posición o incluso ser quitados por el usuario. De este modo, el usuario del amplificador de luz estelar SLA puede disponer de una configuración a efectos de una conveniente colocación para la operación con el elemento óptico LOE montado en la cabeza o para el montaje del amplificador SLA en las normales ubicaciones de rifles o de otros dispositivos de puntería, para su uso sin los módulos LOE. Existe también la posibilidad de desplazar los elementos ópticos LOE entre si, con el fin de preparar el dispositivo para ser usado con cualquier ojo. En todas las formas de realización anteriormente descritas, el elemento óptico de guía de luz LOE es empleado para transmitir las ondas de luz a efectos de reproducir unas imágenes. Sin embargo, la presente invención no solamente puede ser empleada para reproducir imágenes, sino también para unas aplicaciones sin formar una imagen, principalmente para los sistemas de iluminación, en los que la calidad óptica de la onda de salida no es crucial y los parámetros importantes son la intensidad y una luminosidad uniforme. La presente invención puede ser empleada, por ejemplo, para las retro-iluminaciones de los visualizadores de panel plano, principalmente en los sistemas de visualización de cristal líquido LCD en los que, para construir una imagen, es necesario iluminar la placa con una luz de to más brillante y uniforme posible. Otras posibles aplicaciones de este tipo comprenden - sin estar limitadas a ellos - los sustitutos planos y baratos para el alumbrado de las casas o para la iluminación con proyectores; los elementos iluminadores para escáneres de huellas dactilares así como las ondas de salida de lectura para hologramas de visualización tridimensional. Uno de los empleos de iluminación, que puede ser considerado como mejorado por usarse un elemento óptico LOE, es un dispositivo visualizador de reflexión de cristal líquido. La Figura 32 muestra el ejemplo de un visualizador del tipo de sustrato, en el cual la fuente de visualización es un dispositivo de visualización de reflexión de cristal líquido LCD. La luz, generada por un elemento iluminador 122, pasa por un polarizador 124; la misma es coliminada por una lente 126 y es reflejada por un divisor de haz de polarización 128 e ilumina luego un dispositivo visualizador de cristal líquido LCD 130. La polarización de la luz - que está siendo reflejada por el dispositivo visualizador LCD - es girada en 90º por una placa de de onda de luz o, como alternativa, por el propio material del dispositivo visualizador LCD. La imagen, procedente del LCD, pasa ahora por el divisor de haz para ser colimada y ser reflejada - por la lente de 132 - sobre el sustrato 20. Como resultado de una configuración con un divisor del haz, todo el sistema de iluminación resulta engorroso e incómodo y, ciertamente, el mismo no es lo suficientemente compacto para unos sistemas que se portan en la cabeza. Además, a causa del divisor de haz 128, la lente de colimación 132 está situada aún más lejos de la fuente de visualización, mientras que a los efectos de reducir al mínimo las aberraciones, es necesario que la lente del campo esté ubicada lo más cerca posible de la superficie de visualización.

Una perfeccionada versión de la forma de iluminación está indicada en la Figura 33. La luz, procedente de la fuente luminosa 122, es acoplada al interior de otro elemento óptico LOE 134, que ilumina la superficie del dispositivo visualizador de cristal líquido 130, en el que las superficies de reflexión parcial son sensibles a una polarización. Por lo visto, todo el sistema es aquí mucho más compacto que el sistema indicado en la Figura 32, y la lente 32 está situada ahora mucho más cerca de la superficie del dispositivo visualizador LCD. Además, y como quiera que la abertura de entrada del elemento óptico de guía de luz 143 es bastante más pequeña que la abertura de entrada del divisor de haz 128, la lente de colimación 126 puede ahora ser mucho más pequeña que anteriormente y puede ser, por consiguiente, de un mayor índice f. La forma de realización de la iluminación, indicada en la Figura 32, representa solamente un ejemplo. Asimismo, pueden ser admitidos otros arreglos o formas para iluminar un dispositivo visualizador de cristal líquido, de reflexión o de transmisión, a efectos de su empleo en cualquier otra finalidad de iluminación, en función del sistema óptico y de los parámetros deseados.

Un importante problema, que debería ser abordado, es el proceso de fabricación, en el que el componente clave es el conjunto o la forma de disposición de las superficies de reflexión selectiva 22. La Figura 34 muestra un posible procedimiento de fabricar un tal conjunto de superficies de reflexión parcial. Las superficies de una multitud de placas planas transparentes 138 son cubiertas con el deseado revestimiento 140, y las placas son después cementadas entre si al objeto de constituir una configuración apilada 142. Un segmento 144 es luego separado del apilamiento mediante un corte, el amolado y un pulimentado para constituir la deseada forma de disposición de las superficies de reflexión 146, que pueden ser ensambladas con otros elementos para así formar el completo elemento óptico de guía de luz LOE. De cada segmento 144 puede ser fabricado - en función del tamaño efectivo de las placas revestidas 138 y del tamaño deseado del elemento óptico LOE - más de un tal conjunto 146. Tal como descrito en relación con las Figuras 4 hasta 7, el necesario revestimiento de las superficies de reflexión selectiva ha de ser de unas características específicas en cuanto al ángulo y al espectro, con el fin de asegurar el funcionamiento adecuado del elemento óptico LOE. Por consiguiente, es esencial determinar de una manera exacta la prestación efectiva de los revestimientos antes de proceder a la fabricación final de los elementos ópticos LOE. Según se ha explicado anteriormente, existen dos zonas angulares que deben ser medidas, es decir, la de los elevados ángulos de incidencia (normalmente entre 60 y 85º), a los cuales es muy baja la reflectancia, y la de los reducidos ángulos de incidencia (normalmente entre 15 y 40º, con los que la reflectancia de las superficies es aprovechada para desacoplar del elemento óptico LOE parte de las ondas atrapadas. Es evidente que el revestimiento ha de ser medido dentro de estas dos zonas. El problema principal del procedimiento de ensayo consiste en el hecho de que es muy difícil medir, con los equipos de ensayo existentes, la reftectancia (o, como alternativa, la transmisión) de los ángulos de incidencia muy elevados, normalmente de más de 60º, para los revestimientos que están dispuestos, tal como en nuestro caso, entre dos placas transparentes.

La Figura 35 indica un procedimiento, previsto para medir la reflexión de una superficie revestida 150 con unos muy elevados ángulos de incidencia. Dos prismas 154, con un ángulo \alpha, son fijados inicialmente en la placa revestida. El haz de entrada 154 tropieza con la placa revestida, con un ángulo de incidencia a. Parte del haz 156 continúa en la dirección primitiva, y la intensidad T_{\alpha} del mismo puede ser medida. Por consiguiente, teniendo en cuenta las reflexiones Fresnel, procedentes de la superficie exterior, la reflectancia del revestimiento medido, a un ángulo \alpha, puede ser calculada según R_{\alpha} = 1- T_{\alpha}. Además, la otra parte del haz es reflejada desde la superficie revestida; la misma es reflejada otra vez por una completa reflexión interna desde la superficie exterior del prisma inferior, ella incide de nuevo en la superficie revestida con un ángulo 3\alpha; es reflejada otra vez desde la superficie externa del primer prisma por una completa reflexión interna, para luego ser reflejada por la superficie revestida, con un ángulo \alpha, y ser desacoplada del prisma. Aquí puede ser medida la intensidad del haz de salida 158. Teniendo en consideración las reflexiones Fresnel, la intensidad del haz de salida es (R_{\alpha})^{2\text{*}}T_{3\alpha}. Por lo tanto, conociendo la reflectancia R\alpha de la fase anterior, la reflectancia a un ángulo 3\alpha puede ser calculada en el mismo eje del haz de entrada. La Figura 36 muestra un prisma de dobladura 160, que es empleado para trasladar el haz al prisma del haz primitivo. El resto del rayo primitivo 154 puede ser bloqueado, empleando una máscara apropiada o una capa de bloqueo 162.

Evidentemente, cada pareja de prisma puede medir la reflectancia a dos ángulos, es decir, a a y a 3a. Por ejemplo, al ser el ángulo principal de 25º, pueden ser medidas, simultáneamente, las reflectancias a 25º y a 75º. Por consiguiente, para unas apropiadas mediciones de las placas revestidas es necesario normalmente un reducido número de parejas de prismas (2 o 3). Es evidente, que el arreglo aquí indicado pueda ser empleado para medir la reflectancia de estos dos ángulos a unas distintas longitudes de onda, y también para las dos polarizaciones si esto hace falta. Para las personas familiarizadas con este ramo técnico será evidente que la presente invención no está limitada a los detalles de las formas de realización anteriormente descritas, y que esta invención pueda ser realizada también de otras formas específicas. Por consiguiente, las formas de realización aquí presentadas han de ser consideradas, en todos sus aspectos, solamente como ilustración y no como una restricción; el alcance de la presente invención queda fijado por tas reivindicaciones del anexo, más que por la descripción anteriormente relacionada y, por lo tanto, todos los cambios que puedan ser efectuados en la interpretación y en el ámbito de equivalencias de las reivindicaciones, son considerados como incluidos en las mismas.

Claims

1. Dispositivo óptico que comprende:

- Un sustrato de transmisión de luz (20) que posee por lo menos dos superficies mayores (26), que son paralelas entre si, así como unos bordes;

- Un medio óptico (16), dispuesto en el referido sustrato (20) para acoplar las ondas de Luz, situadas dentro de un determinado campo de visión, al interior del mencionado sustrato (20) a través de una completa reflexión interna; así como

- Por lo menos una superficie de reflexión parcial (22), situada en el sustrato (20), siendo la referida superficie (22) no paralela a las mencionadas superficies mayores (26) del sustrato (20).

Este dispositivo está caracterizado porque la referida superficie de reflexión parcial (22) es una superficie plana de una reflexión angularmente selectiva; así como caracterizado porque la mencionada superficie de reflexión parcial (22) está dispuesta de tal manera que las ondas de luz, situadas dentro del mencionado campo de visión, puedan llegar hasta ambos lados (42, 44) de la referida superficie de reflexión parcial (22).

2. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1), en el cual el referido medio óptico (16) para acoplar la luz al interior del mencionado sustrato (20) está dispuesto a un ángulo tal con respecto a la referida superficie mayor (26) para causar que por lo menos una parte de los rayos de luz de la mencionada luz acoplada pueda atravesar la referida superficie de reflexión parcial (22) por lo menos dos veces y con dos ángulos de incidencia distintos, antes de ser desacoplada del mencionado sustrato (20).

3. Dispositivo óptico conforme a las reivindicaciones 1) o 2), en el cual la referida superficie de reflexión (22) está dispuesta por el interior del mencionado sustrato (20) y a un ángulo que es mayor que el ángulo de eje desplazado de las ondas de luz, acopladas al interior del sustrato (20), por lo cual algunos rayos de las referidas ondas de la luz acoplada chocan con un lado (42) de la superficie (22) con el primer ángulo de incidencia, mientras que otros rayos de las mencionadas ondas de la luz acoplada chocan con el segundo lado (44) de la referida superficie (22), con un segundo ángulo de incidencia que es menor que el primero.

4. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 3), en el cual la referida superficie parcialmente reflectante y angularmente selectiva (22) produce una pequeña reflexión para una parte del espectro angular y produce una mayor reflexión para las otras partes del espectro angular.

5. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4), en el cual la referida superficie parcialmente reflectante y angularmente selectiva (22) produce una reducida reflectancia a los elevados ángulos de incidencia y produce una mayor reflectancia a unos más reducidos ángulos de incidencia.

6. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 3), en el cual la referida superficie parcialmente reflectante y angularmente selectiva (22) produce una pequeña reflexión para uno de los mencionados ángulos de incidencia y produce una reflexión significativamente mayor para el segundo de los referidos ángulos de incidencia.

7. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 3), en el cual el referido primer ángulo de incidencia, que tiene una reducida reflectancia, es mayor que el mencionado segundo ángulo de incidencia.

8. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 7), en el cual está prevista una forma de disposición de dos o más superficies de reflexión parcial (22), y el mismo está caracterizado porque las referidas superficies de reflexión parcial (22) son paralelas entre si y no están en paralelo con ninguno de los bordes de las mencionadas superficies mayores (26) del sustrato (20).

9. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 8), en el cual el referido medio óptico (16) es una superficie de reflexión de ondas que está situada en el mencionado sustrato (20).

10. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 9), en el cual por lo menos una de las superficies de reflexión parcial (22) desacopla la luz - atrapada mediante una completa reflexión interna - del referido sustrato (20).

11. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 10), el cual comprende, además, unos medios para producir de las ondas de luz de entrada unas ondas de luz de salida y en el cual las referidas ondas de luz de entrada y las ondas de luz de salida están situadas por el mismo lado del mencionado sustrato (20).

12. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 10), el cual comprende, además, unos medios para producir de las ondas de luz de entrada unas ondas de luz de salida y en el cual las referidas ondas de luz de entrada están situadas por un lado del mencionado sustrato (20), mientras que las referidas ondas de luz de saluda están situadas por el otro lado del mencionado sustrato (20).

13. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 10), el cual comprende, además, unos medios para producir de las ondas de luz de entrada unas ondas de luz de salida y en el cual las referidas ondas de luz de entrada son acopladas al interior del mencionado sustrato (20) a través de uno de los bordes del mismo.

14. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 8), en el cual las reflectancias de cada una de las referidas superficies de reflexión parcial (22) no son idénticas entre si por todas las superficies de reflexión (22).

15. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 14), en el cual la referida superficie de reflexión parcial (22) comprende un revestimiento para una luz P-polarizada.

16. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 14), en el cual la referida superficie de reflexión parcial (22) comprende un revestimiento para una luz S-polarizada.

17. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 14), en el cual la referida superficie de reflexión parcial (22) comprende un revestimiento para una luz no polarizada.

18. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 17), el cual comprende, además, un segundo conjunto de una o más superficies de reflexión o de reflexión parcial, que están situadas en el referido sustrato (20); en el mencionado segundo conjunto de superficies de reflexión parcial, las mismas son paralelas entre si, pero no están en paralelo con la referida y por lo menos una superficie de reflexión parcial (22).

19. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 18), en el cual el segundo conjunto de las superficies de reflexión o de reflexión parcial cambia la dirección de propagación de la luz, que al interior del referido sustrato (20) está siendo acoplada mediante una completa reflexión interna.

20. Dispositivo óptico conforme a las reivindicaciones 18) o 19), en el cual la reflectancia de la referida segunda multitud de superficies de reflexión parcial produce un campo de visión, que tiene el perfil de una luminosidad uniforme.

21. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 20), el cual comprende, además, por lo menos una pareja de superficies de reflexión que están sostenidas por el referido sustrato (20) y en la mencionada pareja de superficies de reflexión, las mismas son paralelas entre si y forman parte de los bordes del referido sustrato (20).

22. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 21), en el cual por to menos una pareja de las superficies de reflexión cambia la dirección de propagación de la luz - que al interior del mencionado sustrato (20) está siendo acoplada por una completa reflexión interna - y esta pareja refleja luego la luz en retorno hacia su dirección primitiva.

23. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 22), el cual comprende, además, dos sustratos diferentes que están combinados entre si.

24. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 23), el cual comprende, además, una fuente de luz de visualización (4; 4a...4d; 64; 122).

25. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 24), en el cual la referida fuente de luz de visualización es un visualizador de cristal líquido (LCD) (130).

26. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 25), en el cual un difusor angular selectivo está situado entre una fuente de luz (122) y el cristal líquido (130) del referido visualizador de cristal líquido.

27. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 24), en el cual la referida fuente de luz de visualización es un visualizador orgánico de emisor de luz (OLED - forma de disposición de diodo orgánico emisor de luz), que tiene un ángulo de divergencia.

28. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 24) hasta 27), el cual comprende, además, un conjunto de micro-lentes, que están lateralmente alineadas con la referida fuente de luz de visualización.

29. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 28), en el cual el referido sustrato (20) es parcialmente transparente para permitir una observación por transparencia.

30. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 29), el cual comprende, además, una superficie opaca situada sobre o dentro del referido sustrato (20) con el fin de bloquear la entrada de luz, que atraviesa el sustrato desde un escenario exterior.

31. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 30), el cual comprende, además, una superficie de transmitancia variable, situada de tal modo que quede atenuada la entrada de Luz, que atraviesa el sustrato (20), para así controlar la luminosidad de la luz que pasa por el referido dispositivo desde un escenario exterior.

32. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 31), el cual comprende un elemento automático para controlar automáticamente la transmitancia de la referida superficie de transmitancia variable, con lo cual la transmitancia del filtro queda determinada por la luminosidad de la luz, que está dirigida para atravesar el sustrato (20).

33. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 32), en el cual la referida - y por to menos una - superficie de reflexión parcial (22) refleja las ondas de luz, que están atrapadas, en una dirección para que las mismas lleguen hacia un ojo de un observador.

34. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 32), en el cual la referida - y por lo menos una - superficie de reflexión parcial (22) refleja las ondas de luz, que están atrapadas, en una dirección para que las mismas lleguen hacia ambos ojos de un observador.

35. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 34), el cual comprende, además, una multitud de fuentes de luz de visualización (4a hasta 4d).

36. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 35), en el cual las imágenes procedentes de la referida pluralidad de fuentes de luz de visualización (4a hasta 4d) son diferentes entre si.

37. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 36), en el cual el referido elemento (16) acopla la luz, procedente de un escenario interior, al interior del mencionado sustrato (20).

38. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 37), el cual comprende, además, un amplificador de luz estelar (116).

39. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 33) hasta 38), el cual está configurado para estar dispuesto al lado de la cabeza del observador, con el objetivo situado hacia la espalda y la parte de mira situada hacia delante.

40. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 39), el cual está dispuesto en una montura de monóculo (100).

41. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 39), el cual se encuentra incorporado en un aparato de comunicación móvil.

42. Dispositivo óptico conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 32), en el cual por lo menos una superficie de reflexión parcial (22) refleja las ondas de luz, que están atrapadas, en una dirección para iluminar un objeto.

43. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 42), en el cual el referido objeto es un visualizador de cristal líquido (130).