ES2290437T3 - Dispositivo optico de guia de luz. - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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:
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
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:
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:
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:
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.
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:
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.
\global\parskip0.900000\baselineskip
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:
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:
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:
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:
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:
de reflexión selectiva 22 para acoplar la luz sobre el ojo del observador, el campo de visión FOV máximo es:
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.
\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:
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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 (43)
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).
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