Оптические устройства со световодной подложкой - RU2358301C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам со световодной подложкой, в частности к устройствам, содержащим некоторое множество отражающих поверхностей на общей световодной подложке-носителе, также называемой световодом.

Изобретение может быть осуществлено для получения преимуществ в большом количестве устройств отображения информации, таких как, например, индикаторов шлемов виртуальной реальности (ИШВР) и проекционных бортовых индикаторов (ПБИ), сотовых телефонов, компактных дисплеев, трехмерных дисплеев, компактных расширителей пучка, а также для применения, не связанного с отображением информации, а именно для индикаторов индикаторных панелей, компактных осветительных приборов и сканеров.

Уровень техники

Одним из важных видов применения компактных оптических элементов является ИШВР, где оптический модуль служит в качестве объектива изображения и блоком объединения, в котором двухмерный дисплей экспонируется до бесконечности и отражается в глазах наблюдающего человека. Индикатор может быть получен непосредственно из пространственного модулятора света (ПМС), такого как электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), жидкокристаллический дисплей (ЖКД), органической светодиодной матрицы (ОСМ) или сканирующего источника и аналогичных устройств или косвенно посредством объектива переноса или оптического кабеля. Индикатор содержит матрицу элементов (пикселей), экспонируемых до бесконечности коллимирующей линзой и передаваемых в глаза наблюдающего человека посредством отражающей или частично отражающей поверхности, действующей как блок объединения для непрозрачных и прозрачных изображений соответственно. Обычно для этих целей используется хорошо известный оптический модуль открытого типа. С увеличением желательного поля зрения (ПЗ) системы такой известный оптический модуль увеличивается по размерам, массе и объему и поэтому становится непрактичным даже для устройств с невысокими эксплуатационными характеристиками. Это является главным недостатком для всех типов индикаторов, но особенно для индикаторов шлемов виртуальной реальности, где система обязательно должна быть максимально легкой и компактной.

Стремление к компактности привело к созданию нескольких сложных оптических устройств, все из которых, с одной стороны, все же недостаточно компактные для большинства устройств, используемых на практике, а с другой стороны, они имеют большие недостатки с точки зрения возможности производства. Кроме того, поле перемещения глаза (ППГ) оптических углов зрения, которые обеспечивают такие конструкции, обычно очень мало - меньше 8 мм. Поэтому эксплуатационные характеристики оптической системы очень чувствительны даже к небольшим перемещениям оптической системы относительно глаза наблюдающего человека и не позволяют зрачку перемещаться на достаточное расстояние для удобного считывания текста с таких индикаторов.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение облегчает разработку и изготовление очень компактных световодных оптических элементов (СОЭ) для, помимо других устройств, индикаторов шлемов виртуальной реальности. Изобретение обеспечивает относительно широкое ПЗ наряду с относительно высокими значениями ППГ. Оптическая система согласно изобретению обеспечивает крупное высококачественное изображение, которое также допускает перемещения глаза на большое расстояние. Оптическая система согласно настоящему изобретению обладает преимуществом в том, что она значительно более компактная, чем известные системы, и все же может быть легко интегрирована даже в оптические системы специальных конфигураций.

Изобретение также дает возможность изготовления усовершенствованных ПБИ. Проекционные бортовые индикаторы становятся популярными и сейчас играют важную роль не только в наиболее современных боевых самолетах, но и в гражданской авиации, где системы ПБИ стали одним из основных элементов систем посадки в условиях ограниченной видимости. Кроме того, в последнее время появилось много технических решений и конструкций для применения ПБИ в автомобилях, где они могут помогать водителю при вождении и выборе пути. Тем не менее, известные ПБИ обладают несколькими серьезными недостатками. Всем ПБИ известных конструкций необходим источник отображения, который должен быть смещен на значительное расстояние от блока объединения для обеспечения того, чтобы источник освещал всю поверхность блока объединения. В результате система ПБИ «блок объединения - проектор» обязательно имеет большие размеры и объем и требует значительного установочного пространства, что создает неудобства при установке и иногда даже опасность при использовании. Большая оптическая апертура известных ПБИ также является существенной проблемой с точки зрения оптической конструкции, что приводит либо к ухудшению эксплуатационных характеристик, либо к высоким затратам, если требуются высокие эксплуатационные характеристики. Особую проблему представляет хроматическое рассеивание высококачественных голографических ПБИ.

Важной областью применения настоящего изобретения является его использование в компактном ПБИ, которое устраняет вышеупомянутые недостатки. В конструкции ПБИ согласно настоящему изобретению блок объединения освещается компактным источником отображения, который может быть соединен с подложкой. Поэтому вся система очень компактная и может легко устанавливаться в различные конфигурации для разных применений. Кроме того, хроматическое рассеяние отображения ничтожно мало и поэтому может работать с источниками широкого спектра, включая известный источник белого света.

Также настоящее изобретение расширяет изображение так, что активная область блока объединения может быть значительно больше, чем область, фактически освещаемая источником света.

Еще одной областью применения настоящего изобретения является создание компактного дисплея с широким ПЗ для мобильных портативных устройств, таких как сотовые телефоны. На сегодняшнем рынке беспроводного доступа в Интернет имеется достаточная полоса частот для передачи полноразмерного видео. Ограничивающим фактором остается качество отображения в устройстве конечного пользователя. Требование мобильности ограничивает физические размеры дисплеев, и результатом является прямое отображение с плохим качеством изображения. Настоящее изобретение дает возможность создать физически очень компактный дисплей с очень крупным виртуальным изображением. Это является одним из главных факторов в мобильной связи, особенно для мобильного доступа в Интернет, устраняя одно из главных ограничений для его практического применения. Этим настоящее изобретение дает возможность наблюдать цифровое содержание полноформатной Интернет-страницы на небольшом ручном устройстве, таком как сотовый телефон.

Поэтому целью настоящего изобретения в широком смысле является устранение недостатков известных компактных устройств оптического отображения и создание других оптических компонентов и систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками в соответствии с конкретными требованиями.

Поэтому изобретение предлагает оптическое устройство, содержащее световодную подложку, имеющую по меньшей мере две главных поверхности, параллельные друг к другу и краям; оптическое средство для ввода световых волн, находящихся в поле зрения, в упомянутую подложку путем внутреннего отражения и по меньшей мере одну частично отражающую поверхность, расположенную в упомянутой подложке, которая не параллельна упомянутым главным поверхностям подложки, причем упомянутое оптическое устройство отличается тем, что по меньшей мере одна из упомянутых главных поверхностей имеет дихроичное покрытие.

Краткое описание чертежей

Описание изобретения содержит некоторые предпочтительные варианты осуществления со ссылками на фигуры прилагаемых чертежей для облегчения его понимания.

При конкретной ссылке на подробные фигуры чертежей необходимо подчеркнуть, что все детали показаны только для примера и для целей обсуждения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения путем иллюстраций, все детали представлены в случае изложения того, что считается наиболее полезным и легко понимаемым описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается попыток представить конструкционные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для понимания основ изобретения. Описание, взятое вместе с чертежами, должно служить в качестве указания специалисту в данной области техники, как можно осуществить на практике несколько форм изобретения.

На чертежах:

Фиг.1 является видом сбоку известного складывающегося оптического устройства;

Фиг.2 является видом сбоку варианта осуществления световодных оптических элементов в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3А и Фиг.3В иллюстрируют желательные характеристики отражательной способности и пропускаемости селективно отражающих поверхностей, используемых в настоящем изобретении для двух диапазонов углов падения;

на Фиг.4 показаны кривые отражательной способности как функция длины волны для представительного дихроичного покрытия для параллельной поляризации;

на Фиг.5 показана кривая отражательной способности как функция длины волны для представительного дихроичного покрытия для перпендикулярной поляризации;

на Фиг.6 показаны кривые отражательной способности как функция угла падения для представительного дихроичного покрытия;

на Фиг.7 показана схема, иллюстрирующая подробные сечения представительной матрицы селективно отражающих поверхностей;

на Фиг.8 показаны кривые отражательной способности как функция угла падения для другого дихроичного покрытия;

на Фиг.9 представлен представительный вариант осуществления настоящего изобретения, установленный в стандартную оправу очков, и

на Фиг.10 показана представительная система ПБИ в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения

На Фиг.1 показана известная конструкция складывающегося оптического устройства, в котором подложка 2 освещается индикаторным источником 4. Индикатор коллимируется коллимирующей линзой 6. Свет от индикаторного источника 4 вводится в подложку 2 первой отражающей поверхностью 8 таким образом, что главный луч 10 параллелен плоскости подложки. Вторая отражающая поверхность 12 выводит свет из подложки в глаз наблюдающего человека 14. Несмотря на компактность данной конфигурации она обладает значительными недостатками, в частности может быть задействовано только очень ограниченное ПЗ. Как показано на Фиг.1, максимально разрешенный угол смещения оси в подложке равен:

где Т - толщина подложки;

d_eye - желательный диаметр выхода-зрачка;

l - расстояние между отражающими поверхностями 8 и 12.

При углах больше α_max лучи отражаются от поверхности подложки до прихода на отражающую поверхность 12. Отсюда, отражающая поверхность 12 будет освещаться в нежелательном направлении, и возникнут фантомные изображения.

Поэтому максимально достижимое ПЗ при этой конфигурации равно:

где ν является коэффициентом преломления подложки.

Обычно значения коэффициента преломления находятся в диапазоне 1,5-1,6.

Диаметр зрачка глаза обычно составляет 2-6 мм. Для аккомодации перемещения или смещения индикатора необходим больший диаметр выхода-зрачка. Если взять минимальное желательное значение приблизительно 8-10 мм, расстояние между оптической осью глаза и боковой стороной головы, l, будет обычно составлять 40-80 мм. Следовательно, даже для небольшого ПЗ 8° желательная толщина подложки должна составлять порядка 12 мм.

Для преодоления вышеизложенной проблемы были предложены различные методы. Они включают использование увеличивающего телескопа в подложке и не параллельные направления ввода и вывода. Даже при этих технических решениях, однако, и даже если рассматривать только одну отражающую поверхность, толщина системы останется ограниченной сходным значением. ПЗ ограничено диаметром проекции отражающей поверхности 12 на плоскость подложки. С математической точки зрения максимально достижимое ПЗ из-за этого ограничения выражается следующим образом:

где α_sur - угол между отражающей поверхностью и нормалью к плоскости подложки;

R_eye - расстояние между глазом наблюдающего человека и подложкой (обычно приблизительно 30-40 мм).

Практически tanα_sur не может быть намного больше 1; отсюда, для тех же параметров, указанных выше для ПЗ 8°, требуемая здесь толщина подложки должна быть порядка 7 мм, что лучше вышеуказанного предельного значения. Тем не менее, когда желательное ПЗ увеличивается, толщина подложки быстро увеличивается. Например, для желательных ПЗ 15° и 30° ограничивающая толщина подложки будет равна 18 мм или 25 мм соответственно.

Для устранения вышеуказанных ограничений настоящее изобретение использует матрицу селективно отражающих поверхностей, изготовленную в световодном оптическом элементе. На Фиг.2 показано поперечное сечение световодного оптического элемента согласно настоящему изобретению. Первая отражающая поверхность освещается коллимированной входной плоской волной 18, исходящей из индикаторного светового источника (не показан), расположенного позади устройства, где плоская волна 18 является одной из набора световых волн, расположенных в данном ПЗ для ввода в световодный оптический элемент. Отражающая поверхность 16 отражает падающий свет от источника так, что этот свет захватывается в плоской подложке 20 общим внутренним отражением. После нескольких отражений с поверхностей подложки захваченная волна достигает матрицы селективно отражающих поверхностей 22, которые выводят световую волну 23 из подложки в поле 24 перемещения глаза наблюдающего человека. Для того чтобы избежать фантомных изображений, выходная световая волна 23 должна быть плоской, иначе различные лучи, представляющие одну точку на индикаторном источнике, будут поступать в поле 24 перемещения глаза наблюдающего человека под разными углами падения, и он будет видеть фантомные изображения, смешивающиеся с первичным изображением. Для предотвращения этого явления выходная световая волна 23, а отсюда и входная волна 18 должны быть плоскими. То есть угловое отклонение между двумя разными лучами, расположенными на одной световой волне, должно быть меньше α_res, где α_res является угловым разрешением оптического устройства. Обычно для большинства визуальных систем α_res составляет приблизительно 1-2 миллирадиана, но разные устройства могут давать разное угловое разрешение.

Предполагая, что центральная волна источника выводится из подложки 20 в направлении, перпендикулярном поверхности 26 подложки, и что угол отклонения от оси введенной волны в подложке 20 составляет α_in, то угол α_sur2 между отражающими поверхностями и плоскостью подложки равен:

Как можно видеть на Фиг.2, захваченные лучи поступают на отражающие поверхности с двух различных направлений 28, 30. В данном конкретном варианте осуществления захваченные лучи поступают на отражающую поверхность с одного из этих направлений 28 после четного числа отражений от поверхностей 26 подложки, где угол падения β_ref между захваченным лучом и нормалью к отражающей поверхности равен:

Захваченные лучи поступают на отражающую поверхность с второго направления 30 после нечетного числа отражений от поверхностей 26 подложки, где угол отклонения от оси равен α'_in=180°-α_in, и угол падения между захваченным лучом и нормалью к отражающей поверхности равен:

Для того чтобы предотвратить нежелательные отражения и фантомные изображения, отражательная способность одного из этих направлений должна быть ничтожно малой. Желательное разграничение между двумя направлениями падения может быть достигнуто, если один угол будет значительно меньше другого угла. Можно обеспечить покрытие с очень низкой отражательной способностью при больших углах падения и с высокой отражательной способностью при малых углах падения. Это свойство должно использоваться для предотвращения нежелательных отражений и фантомных изображений путем устранения отражательной способности по одному из двух направлений. Например, выбрав β_ref≈25° из уравнений (5) и (6), можно вычислить, что:

Если теперь будет определена отражающая поверхность, для которой β′_ref не отражается, а β_ref отражается, то желательное условие достигнуто. На Фиг.3А и Фиг.3В показаны желательные характеристики отражательной способности селективно-отражающих поверхностей. Пока луч 32 (Фиг.3А), имеющий угол отклонения от оси β_ref≈25°, частично отражается и выводится из подложки 34, луч 36 (Фиг.3В), который поступает под углом отклонения от оси β′_ref≈75° на отражающую поверхность (которая эквивалентна β′_ref≈105°), передается через отражающую поверхность 34 без какого-либо заметного отражения.

На Фиг.4 и Фиг.5 представлены кривые отражательной способности дихроичного покрытия, рассчитанного на достижение вышеуказанных характеристик отражательной способности, для четырех разных углов падения: 20°, 25°, 30° и 75° при параллельно поляризованном и перпендикулярно поляризованном свете соответственно. Когда отражательная способность луча под большим углом ничтожно мала во всем соответствующем спектре, лучи под углами отклонения от оси 20°, 25° и 30° получают почти постоянную отражательную способность 26%, 29% и 32% соответственно для параллельно поляризованного света и 32%, 28% и 25% соответственно для перпендикулярно поляризованного света во всем спектре. Очевидно, что отражательная способность уменьшается вместе с углом наклона падающих лучей для параллельно поляризованного света и возрастает для перпендикулярно поляризованного света.

На Фиг.6 показаны кривые отражательной способности того же дихроичного покрытия как функция угла падения для поляризации обоих типов при длине волны λ=550 нм. На представленном графике есть два значительных региона: между 65° и 80°, где отражательная способность очень низкая, и между 15° и 40°, где отражательная способность изменяется монотонно с уменьшением углов падения (увеличиваясь для параллельно поляризованного света и уменьшаясь для перпендикулярно поляризованного света). Отсюда, поскольку можно обеспечить, чтобы весь угловой спектр β′_ref, где желательны очень низкие отражения, был расположен в первом регионе, а весь угловой спектр β_ref, где требуются более высокие отражения, был расположен во втором регионе, для данного ПЗ можно обеспечить отражение только одного режима подложки в глаз наблюдающего человека и отсутствие фантомных изображений.

Существуют некоторые различия между характеристиками этих двух типов поляризации. Главные различия заключаются в том, что регион больших углов, где отражательная способность очень низкая, намного уже для перпендикулярной поляризации, и что намного труднее достигнуть постоянной отражательной способности для какого-то данного угла во всей полосе частот спектра для перпендикулярно поляризованного света, чем для параллельно поляризованного света. Поэтому предпочтительно разрабатывать световодный элемент только для параллельно поляризованного света. Этого будет достаточно для системы, в которой используется поляризованный индикаторный источник, такой как жидкокристаллический дисплей, или для системы, где выходная яркость не имеет решающего значения, и перпендикулярно поляризованный свет может быть отфильтрован. Однако для неполяризованного индикаторного источника, например ЭЛТ или органической светодиодной матрицы, или для системы, для которой яркость является очень важной, перпендикулярно поляризованным светом нельзя пренебрегать, и он должен приниматься во внимание в ходе разработки. Еще одним отличием является то, что монотонные характеристики перпендикулярно поляризованного света при угловом спектре β_ref, где требуются более высокие отражения, противоположны характеристикам параллельно поляризованного света, то есть отражательная способность для перпендикулярно поляризованного света возрастает вместе с прозрачностью падающих лучей. Эти противоположные друг другу характеристики двух типов поляризации при угловом спектре β_ref могут использоваться при разработке оптических компонентов системы для достижения желательной отражательной способности всего света в соответствии с конкретными требованиями к каждой системе.

Предполагая, что связанная волна освещает всю площадь отражающей поверхности, после отражения с поверхности 16 она освещает площадь 2S₁=2Т tan(α) на поверхности подложки. С другой стороны, проекция отражающей поверхности 22 на поверхности подложки равна S₂=Т tan(α_sur2). Для того чтобы избежать перекрывания или промежутков между отражающими поверхностями, проекция каждой поверхности примыкает к соседней. Отсюда, количество N отражающих поверхностей 22, через которые каждый связанный луч проходит в течение одного цикла (т.е. между двумя отражениями от одной и той же поверхности подложки), составляет:

В этом примере, где α_sur2=25° и α_sur1=25°, N=2, т.е. каждый луч проходит через две разные поверхности в течение одного цикла.

Вышеописанный вариант осуществления в отношении Фиг.7 является примером способа ввода входных волн в подложку. Входные волны, однако, также могут вводиться в подложку другими оптическими средствами, включающими, но не ограничивающимися, складывающиеся призмы, световодные кабели, дифракционные решетки и другие технические решения.

Также в примере, проиллюстрированном на Фиг.2, входные волны и изображающие волны расположены на одной стороне подложки. Предусматриваются и другие конфигурации, в которых входные волны и изображающие волны могут быть расположены на противоположных сторонах подложки. Также возможно, в некоторых областях применения, вводить входные волны в подложку через одну из периферийных сторон подложки.

На Фиг.7 показано подробное сечение матрицы селективно отражающих поверхностей, которые выводят свет, захваченный в подложке, наружу и в глаз наблюдающего человека. Как можно видеть, в каждом цикле связанный луч проходит через отражающие поверхности 43 под углом α′_in=130°, в связи с чем угол между лучом и нормалью к отражающим поверхностям составляет приблизительно 75°. Отражения от этих поверхностей ничтожно малы. Кроме того, луч проходит дважды через отражающую поверхность 44 в каждом цикле под углом α_in=50° при угле падения 25°. Часть энергии луча выводится из подложки. Предполагая, что одна матрица из двух отражающих поверхностей 22 используется для направления света в глаз наблюдающего человека, максимальное ПЗ будет равно:

Отсюда, при тех же параметрах, что и в примерах выше ограничивающая толщина подложки для ПЗ 8° будет составлять порядка 2,8 мм; для ПЗ 15° и 30° ограничивающая толщина подложки будет составлять 3,7 мм и 5,6 мм соответственно. Это более благоприятные значения, чем ограничивающая толщина в известных технических решениях, обсуждавшихся выше. Более того, можно использовать больше двух селективно отражающих поверхностей. Например, при трех отражающих поверхностях 22 ограничивающая толщина подложки для ПЗ 15° и 30° будет составлять приблизительно 2,4 мм и 3,9 мм соответственно. Подобно этому, могут быть введены дополнительные отражающие поверхности для, помимо других преимуществ, дальнейшего уменьшения ограничивающей толщины подложки.

Для конфигурации, в которой требуется относительно небольшое ПЗ, может быть достаточно одной частично отражающей поверхности. Например, для системы со следующими параметрами: R_eye=25 мм; α_sur=72° и Т=5 мм умеренное ПЗ 17° может быть достигнуто даже с одной отражающей поверхностью 22. Часть лучей будет пересекать поверхность 22 несколько раз перед их выводом в желательном направлении. Так как минимальный угол распространения внутри подложки для достижения состояния суммарного внутреннего отражения для материала ВК7 или аналогичного составляет α_in(min)=42°, направление распространения центрального угла ПЗ составляет α_in(cen)=48°. Следовательно, проецируемое изображение является не перпендикулярным к поверхности, а скорее наклонено до угла отклонения от оси 12°. Тем не менее, для многих областей применения это приемлемо.

К сожалению, это техническое решение не всегда осуществимо. Для многих других областей применения существует ограничение, заключающееся в том, что проецируемое изображение должно быть перпендикулярным к поверхности подложки. Еще одной проблемой, которая связана с состоянием суммарного внутреннего отражения, является максимальное ПЗ изображения, которое может быть захвачено в подложке. К сожалению, очень трудно достичь очень низкой отражательной способности для углов отклонения от оси, превышающих 82°. Предполагая, что требуемый угол ПЗ в подложке составляет α_ПЗ, максимальный угол падения между центральной волной и нормалью к отражающей поверхности составляет:

Предположим, что наружное ПЗ 30°, которое соответствует α_ПЗ~20° в подложке, дает β'_куа=72°. Подстановка этого значения в уравнение (6) дает α_in=48°, и отсюда минимальный требуемый угол захваченной волны составляет:

Понятно, что этот угол не может быть захвачен в ВК7 или других аналогичных материалах. Верно то, что существуют кремневые оптические материалы с более высоким показателем преломления, который может превышать 1.8, но прозрачность этих материалов обычно недостаточно высокая для оптических элементов на подложке. Еще одно возможное решение заключается в нанесении покрытия на поверхности подложки, используя не обычные противоотражающие покрытия, а чувствительные к углу отражающие покрытия, которые захватывают все ПЗ в подложке даже при меньших углах, чем критический угол. Необходимо отметить, что даже для непрозрачных применений, где одна из поверхностей подложки может быть непрозрачной и, следовательно, может быть покрыта обычной отражающей поверхностью, другая поверхность, которая расположена рядом с глазами наблюдающего человека, должна быть прозрачной, по меньшей мере для углов требуемого наружного ПЗ. Поэтому требуемое отражающее покрытие должно иметь очень высокую отражательную способность для региона углов меньше критического и очень высокую отражательную способность для всего ПЗ изображения.

На Фиг.8 приведены кривые отражательной способности дихроичного покрытия, рассчитанного на достижение вышеупомянутых характеристик отражательной способности, как функция угла падения для поляризации обоих типов при длине волны λ=550 нм, где угол измеряется в воздухе. Очевидно, что на этом графике существуют два значительных региона: между 30° и 90° (эквивалентно 20°-42° в подложке), где отражательная способность очень высокая, и между 0° и 22° (эквивалентно 0°-15° в подложке), где отражательная способность очень низкая. Следовательно, поскольку можно обеспечить, чтобы весь угловой спектр α_in, где желательны очень высокие отражения, был расположен в первом регионе, тогда как весь угловой спектр наружного ПЗ, где требуются по существу нулевые отражения, был расположен во втором регионе, и для любого ПЗ можно обеспечить, чтобы все ПЗ было захвачено в подложке внутренними отражениями, чтобы наблюдающий человек мог видеть все изображение. Важно отметить, что так как процесс изготовления световодного элемента обычно включает цементирование оптических элементов, и так как требуемое чувствительное к углу отражающее покрытие наносится на поверхность подложки только после завершения создания тела световодного элемента, невозможно использовать обычные способы нанесения покрытий в горячем состоянии, так как можно повредить цементированные площади. К счастью, новые тонкопленочные технологии, способы ионного нанесения покрытий также могут использоваться для холодной обработки. Устранение необходимости нагрева деталей позволяет безопасно наносить покрытия на цементированные части, такие как световодные элементы.

Говоря в общем, световодные элементы предлагают несколько существенных преимуществ над альтернативными компактными оптическими средствами для применения в устройствах отображения информации; эти преимущества следующие.

1. Входной индикаторный источник может быть расположен очень близко к подложке, так что вся оптическая система будет очень компактной и легкой, что является не имеющим параллелей фактором формы.

2. В противоположность другим компактным индикаторным конфигурациям, настоящее изобретение предлагает гибкость в отношении расположения входного индикаторного источника относительно глаз. Эта гибкость в сочетании со способностью располагать такой источник близко к расширяющей подложке устраняет необходимость использования оптической конфигурации с отклонением от оси, что является обычным для других систем отображения информации. Кроме того, так как входная апертура световодного элемента намного меньше активной области выходной апертуры, числовая апертура коллимирующей линзы 6 намного меньше, чем требуется для сопоставимой традиционной системы формирования изображений. Следовательно, может быть осуществлена значительно более удобная оптическая система, и многие проблемы, связанные с оптикой с отклонением от оси и линзами с большими числовыми апертурами, такие как полевые или хроматические аберрации, могут быть компенсированы относительно легко и эффективно.

3. Коэффициенты отражения селективно отражающих поверхностей в настоящем изобретении в сущности одинаковы во всем соответствующем спектре.

Следовательно, в качестве индикаторных источников могут использоваться как монохроматические, так и полихроматические источники света. Световодные элементы имеют ничтожно малую зависимость от длины волны, обеспечивая высококачественное цветное изображение высокого разрешения.

4. Так как каждая точка с входного индикатора преобразуется в плоскую волну, которая отражается в глазе наблюдающего человека от крупной части отражающей матрицы, допуски на точное местонахождение глаза могут быть значительно увеличены. Как таковой, наблюдающий человек может видеть все ПЗ, и поле перемещения глаза может быть значительно большим, чем в других компактных индикаторных конфигурациях.

5. Так как большая часть интенсивности от индикаторного источника вводится в подложку, и поскольку большая часть этой связанной энергии «рециркулирует» и выводится в глаз наблюдающего человека, можно достичь относительно высокой яркости отображения даже для индикаторных источников с низким потреблением электроэнергии.

На Фиг.9 показан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором световодный элемент 20 вмонтирован в оправу 58 очков. Индикаторный источник 4, коллимирующая линза 6 и складывающаяся линза 60 собраны внутри дужек 62 оправы очков, непосредственно рядом с краем световодного элемента 20. В случае, если индикаторным источником является электронный элемент, такой как небольшая ЭЛТ, ЖКД или органическая светодиодная матрица, электронное устройство 64 возбуждения может быть собрано внутри задней части дужки 62. Источник питания и интерфейс 66 данных соединяются с дужкой 62 проводником 68 или другим средством связи, включая средство радио- или оптической передачи. Альтернативно, аккумулятор и миниатюрное электронное устройство передачи данных могут быть расположены в оправе очков.

Вышеописанный вариант осуществления может использоваться как в прозрачных, так и в непрозрачных системах. В последнем случае непрозрачные слои расположены перед световодным элементом. Необязательно закрывать весь световодный элемент, обычно необходимо блокировать только активную область видимого дисплея. Как таковое, такое устройство может обеспечивать сохранение периферийного зрения пользователя, воспроизводя опыт экрана компьютера или телевизора, где такое периферийное зрения выполняет важную познавательную функцию. Альтернативно, перед системой может быть размещен перестраиваемый фильтр так, чтобы наблюдающий человек мог управлять уровнем яркости света, поступающего снаружи. Этот перестраиваемый фильтр может быть механически управляемым устройством, например складывающимся фильтром, или двумя вращающимися поляризаторами, устройством с электронным управлением или даже автоматическим устройством, посредством которого коэффициент пропускания фильтра определяется яркостью наружного фона. Один способ получения требуемого фильтра с переменным коэффициентом пропускания заключается в использовании электрохромных материалов для обеспечения электрического управления оптическим пропусканием, причем материалы с оптическими свойствами, управляемыми электрическими средствами, вводятся в ламинированные структуры.

Существует несколько альтернатив точному способу использования световодного элемента в данном варианте осуществления. Простейшим вариантом является использование одного элемента для одного глаза. Еще одним вариантом является использование элемента и индикаторного источника для каждого глаза, но с одинаковым изображением. Альтернативно, можно проецировать две разные части одного изображения при некотором перекрывании между двумя глазами, что дает более широкое ПЗ. Еще одна возможность заключается в проецировании двух различных сцен, по одной в каждый глаз, для создания стереоскопического изображения. С этой альтернативой возможны интересные варианты исполнения, включая трехмерные кинофильмы, современные способы отображения виртуальной реальности, системы обучения и т.д.

Вариант осуществления, представленный на Фиг.9, является только примером, иллюстрирующим простое исполнение настоящего изобретения. Так как оптический элемент со световодной подложкой, составляющий главную часть системы, очень компактный и легкий, он может устанавливаться в самые разные конструкции. Следовательно, возможны многие другие варианты осуществления, включая козырек, например, шлема, складывающийся дисплей, монокль и многие другие. Этот вариант осуществления предназначен для таких случаев применения, когда дисплей должен быть расположен рядом с глазом, устанавливаться на голову, носиться на голове или переноситься на голове.

Вышеописанный вариант осуществления является монокулярной оптической системой, т.е. изображение проецируется в один глаз. Существуют, однако, варианты применения, такие как проекционные бортовые индикаторы, где желательно проецировать изображение на оба глаза. До недавнего времени системы проекционных бортовых индикаторов использовались главным образом в современных боевых самолетах и гражданской авиации. В последнее время были представлены многочисленные предложения и разработки по установке проекционных индикаторов перед водителем автомобиля для помощи в ориетировании при движении или для проецирования теплового изображения в его глаза в условиях низкой видимости. Существующие системы проекционных бортовых индикаторов очень дорогие, стоимость одного блока составляет порядка нескольких сотен тысяч долларов. Кроме того, существующие системы очень большие по размерам и объему, тяжелые и слишком сложные для установки в небольшой самолет, не говоря уже об автомобиле. ПБИ на базе световодных элементов потенциально предоставляют возможности для создания очень компактного автономного ПБИ, который может быть легко установлен в ограниченное пространство. Он также упрощает разработку и производство оптических систем, относящихся к ПБИ, и поэтому потенциально пригоден как для усовершенствования авиационного ПБИ, так и для разработки компактной, дешевой товарной версии для автомобильной промышленности.

На Фиг.10 представлен способ реализации системы ПБИ на базе настоящего изобретения. Свет от индикаторного источника 4 коллимируется линзой 6 до бесконечности и вводится первой отражающей поверхностью 16 в подложку 20. После отражения на второй отражающей матрице (не показана) оптические волны падают на третью отражающую поверхность 22, которая выводит свет в глаза наблюдающего человека. Вся система может быть очень компактной и легкой, размером с большую почтовую открытку, имея толщину несколько миллиметров. Индикаторный источник, имеющий объем несколько кубических сантиметров, может быть прикреплен к одному из углов подложки, откуда по электропроводу питание и данные могут передаваться в систему. Предполагается, что установка представленной системы ПБИ будет не более сложной, чем установка простой товарной аудиосистемы. Более того, так как для проецирования изображений не нужен наружный индикаторный источник, устанавливать компоненты в небезопасных местах нет необходимости.

Варианты осуществления, представленные на Фиг.10, могут быть реализованы, помимо систем ПБИ для автомобилей, и в других областях. Одним возможным вариантом реализации является плоский дисплей для компьютера или телевизора. Главная и уникальная характеристика такого дисплея заключается в том, что изображение не находится на плоскости экрана, а фокусируется при бесконечности или до аналогичного удобного расстояния. Одним из главных недостатков существующих компьютерных дисплеев является то, что пользователь должен фокусировать свое зрение на очень близком расстоянии от 40 до 60 см, тогда как естественная фокусировка здорового глаза осуществляется до бесконечности. Многие люди страдают от головных болей после длительной работы за компьютером. Многие другие, которые часто работают на компьютере, проявляют тенденцию к развитию близорукости. Кроме того, некоторые люди, которые страдают близорукостью и дальнозоркостью одновременно, нуждаются в специальных очках для работы на компьютере. Плоский дисплей на базе настоящего изобретения может представлять приемлемое решение для людей, которые страдают от вышеуказанных проблем и не хотят работать с дисплеем, устанавливаемым на голове. Кроме того, настоящее изобретение позволяет значительно уменьшить физический размер экрана. Так как изображение, формируемое световодным элементом, больше устройства, можно будет помещать большие экраны в меньшие рамы. Это особенно важно для мобильных устройств, таких как ноутбуки и карманные компьютеры («палм-топы»).

Еще одна возможная реализация данного варианта осуществления заключается в создании экрана «электронного помощника» (PDA). Размер существующих экранов, которые обычно используются в настоящее время, меньше 10 см. Так как минимальное расстояние, с которого можно считывать информацию с этих дисплеев, составляет порядка 40 см, получаемое ПЗ составляет меньше 15°, следовательно, объем информации, особенно текстовой, на этих дисплеях ограничен. Значительного усовершенствования проецируемого ПЗ можно добиться с помощью варианта осуществления, представленного на Фиг.10. Изображение фокусируется в бесконечности, и экран может быть расположен намного ближе к глазам наблюдающего человека. Кроме того, так как каждый глаз видит свою часть общего поля зрения (ОПЗ) с перекрыванием в центре, можно достичь еще большего увеличения ОПЗ. Поэтому дисплей с ПЗ 40° и больше становится осуществимым.

Для специалиста в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено подробностями вариантов осуществления, описанных выше, и что настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных формах без отхода от его сути или существенных признаков. Изложенные варианты осуществления должны поэтому считаться во всех аспектах иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем изобретения определяется формулой изобретения, а не вышеприведенным описанием, и все изменения, подпадающие под смысл и диапазон эквивалентности пунктов формулы изобретения, считаются включенными в них.

Реферат

Представлено оптическое устройство, содержащее световодную подложку, имеющую по меньшей мере две поверхности, параллельные друг другу, оптическое средство для ввода световых волн в подложку путем внутреннего отражения и по меньшей мере одну частично отражающую поверхность, расположенную в подложке, которая не параллельна указанным двум поверхностям подложки, при этом одна из двух указанных поверхностей имеет селективное покрытие по углу падения. Технический результат: создание индикаторной компактной системы с улучшенными эксплуатационными характеристиками. 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула