Система отображения информации, создающая равномерное изображение
Изобретение относится к оптическим устройствам с подложкой, в частности к устройствам с множеством отражающих поверхностей, расположенных на общей светопропускающей подложке. Заявленная система отображения информации, создающая равномерное изображение, содержит светопроводящую подложку, характеризующуюся наличием входной апертуры, выходной апертуры, по меньшей мере двух основных поверхностей и краев; оптический элемент для ввода световых волн в светопроводящую подложку по полному внутреннему отражению; по меньшей мере одну поверхность с частичным отражением, расположенную между двумя основными поверхностями светопроводящей подложки для частичного отражения световых волн от светопроводящей подложки; и первую прозрачную пластину, характеризующуюся наличием по меньшей мере двух основных поверхностей, причем одна из основных поверхностей первой прозрачной пластины оптически соединена с основной поверхностью светопроводящей подложки, образуя плоскость раздела. При этом светоделительное покрытие нанесено на плоскость раздела между светопроводящей подложкой и первой прозрачной пластиной так, что светопроводящая подложка и первая прозрачная пластина образуют, по меньшей мере, часть световодного оптического элемента, имеющего верхнюю основную поверхность, нижнюю основную поверхность и плоскость раздела. Верхняя основная поверхность, нижняя основная поверхность и внутренняя плоскость раздела с частичным отражением параллельны друг другу. Световые волны, входящие внутрь светопроводящей подложки, частично отражаются от плоскости раздела и частично проходят через нее. При этом световые волны подвергаются множеству отражений от верхней основной поверхности и нижней основной поверхности между входной апертурой и выходной апертурой. Технический результат – упрощение конструкции и повышение эксплуатационных характеристик. 21 з.п. ф-лы, 18 ил.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам с подложкой, в частности к устройствам с множеством отражающих поверхностей, расположенных на общей светопропускающей подложке, также называемым световодным оптическим элементом (LOE).
Преимуществом настоящего изобретения является возможность осуществления большого количества систем построения изображений, например, устанавливаемых на голове дисплеев и систем отображения информации на лобовом стекле, мобильных телефонов, компактных дисплеев, стереодисплеев, компактных расширителей пучка, а также систем, не связанных с построением изображений, таких как плоские индикаторные панели, компактные осветители и сканеры.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Одной из наиболее ответственных областей применения компактных оптических элементов являются шлемы виртуальной реальности, в которых оптический модуль выполняет функцию и формирующей изображение линзы, и объединителя, и в которых двухмерное изображение отображается до бесконечности и отражается в глаза зрителя. Дисплей может быть выполнен или непосредственно из пространственного модулятора света (SLM), такого как электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), жидкокристаллического дисплея (ЖКД), органического светодиода (OLED) или сканирующего источника света и аналогичных устройств, или опосредованно с помощью промежуточной линзы или волоконно-оптического жгута. Дисплей содержит массив элементов (пикселей), фокусируемых до бесконечности коллимирующей линзой и передаваемых в глаз зрителя посредством отражающей поверхности или поверхности с частичным отражением, действующей в качестве объединителя для непрозрачных и прозрачных вариантов соответственно. Как правило, для этих целей используется традиционный оптический модуль свободного пространства. К сожалению, при увеличении требуемого поля зрения (FOV) системы такой традиционный оптический модуль становится более крупным, тяжелым и громоздким, а следовательно, непрактичным даже для устройства со средними эксплуатационными характеристиками. Это является основным недостатком для всех видов дисплеев, но особенно для шлемов виртуальной реальности, в которых система непременно должна быть как можно более легкой и компактной.
Необходимость в достижении компактности привела к созданию нескольких различных сложных решений в области оптических устройств, которые, с одной стороны, по-прежнему недостаточно компактны для большинства практических областей применения, а с другой стороны, характеризуются наличием серьезных недостатков в отношении возможности изготовления. Кроме того, выходной зрачок (ЕМВ) оптических углов зрения в этих конструкциях обычно очень мал - как правило, менее 8 мм. Следовательно, эксплуатационные характеристики оптической системы очень чувствительны даже к ее небольшим перемещениям относительно глаза зрителя, а также не позволяют зрачку двигаться в достаточной степени для удобного считывания текста с таких дисплеев.
Принципы, изложенные в публикациях №WO 01/95027, WO 03/081320, WO 2005/024485, WO 2005/024491, WO 2005/024969, WO 2005/124427, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310, WO 2006/087709, WO 2007/054928, WO 2007/093983, WO 2008/023367, WO 2008/129539, WO 2008/149339, WO 2013/175465, IL 232197, IL 235642, IL 236490 и IL 236491 на имя заявителя настоящей заявки, включены в настоящий документ посредством ссылки.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Настоящее изобретение направлено, кроме прочего, на упрощение разработки и изготовления очень компактных LOE для шлемов виртуальной реальности. Настоящее изобретение предоставляет возможность достичь относительно широких FOV, а также относительно большие значения выходного зрачка. Полученная в результате оптическая система характеризуется большим высококачественным изображением, которое также предусматривает возможность значительных движений глаза. Оптическая система, предложенная в настоящем изобретении, особенно предпочтительна, поскольку она более компактная, чем известные из уровня техники варианты реализации, и, кроме того, ее легко можно внедрить даже в оптические системы, характеризующиеся специальными конфигурациями.
Другой задачей настоящего изобретения является предоставление компактного дисплея с широким FOV для подвижных портативных устройств, таких как мобильные телефоны. На современном рынке устройств с беспроводным доступом к Интернету для передачи полномасштабного видео можно использовать достаточную полосу пропускания. Сдерживающим фактором остается качество дисплея в устройстве конечного пользователя. Требование к мобильности ограничивает физический размер дисплеев, результатом чего является применение дисплеев непосредственного отображения с низким качеством просмотра изображений. В настоящем изобретении предлагается физически очень компактный дисплей с очень большим виртуальным изображением. Это является ключевой особенностью в мобильной связи, в частности, для доступа к мобильному Интернету, позволяя устранить одно из основных ограничений его практической реализации. Таким образом, настоящее изобретение предоставляет возможность просматривать цифровое содержимое полноформатных страниц в Интернете на небольшом портативном устройстве, таком как мобильный телефон.
Следовательно, в широком смысле целью настоящего изобретения является устранение недостатков компактных оптических устройств отображения, известных из уровня техники, и предоставление других оптических компонентов и систем, характеризующихся повышенными эксплуатационными характеристиками в соответствии с конкретными требованиями.
В соответствии с настоящим изобретением предоставляется оптическое устройство, содержащее светопроводящую подложку, характеризующуюся наличием входной апертуры, выходной апертуры, по меньшей мере двух основных поверхностей и краев, оптический элемент для ввода световых волн в подложку по полному внутреннему отражению, по меньшей мере одну поверхность с частичным отражением, расположенную между двумя основными поверхностями светопроводящей подложки для частичного отражения световых волн от подложки, первую прозрачную пластину, характеризующуюся наличием по меньшей мере двух основных поверхностей, причем одна из основных поверхностей прозрачной пластины оптически соединена с основной поверхностью светопроводящей подложки, образуя плоскость раздела, и светоделительное покрытие, нанесенное на плоскость раздела между подложкой и прозрачной пластиной, причем световые волны, входящие внутрь светопроводящей подложки, частично отражаются от плоскости раздела и частично проходят через нее.
Краткое описание фигур
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылками на несколько предпочтительных вариантов осуществления и на наглядные фигуры, после ознакомления с которыми оно станет более понятным.
На фигурах все элементы приведены исключительно в качестве наглядного примера и для описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, также они предназначены для предоставления наиболее понятного и практичного описания основных положений и концептуальных аспектов настоящего изобретения. Таким образом, элементы конструкции не показаны подробнее, чем это необходимо для фундаментального понимания изобретения. Описание, выполненное со ссылками на прилагаемые фигуры, должно рассматриваться как руководство для специалистов в области техники настоящего изобретения к осуществлению на практике нескольких его вариантов.
На фигурах представлено следующее:
на фиг. 1 показан вид сбоку приведенного в качестве примера световодного оптического элемента, известного из материалов уровня техники;
на фиг. 2А и 2В схематически показаны выносные виды в разрезе приведенной в качестве примера группы поверхностей с избирательным отражением;
на фиг. 3 схематически показан вид в разрезе отражающей поверхности с двумя разными падающими лучами в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 4 показан вид в разрезе приведенной в качестве примера группы поверхностей с избирательным отражением, где к краю подложки прикреплена прозрачная пластина;
на фиг. 5 схематически показан вид в разрезе отражающей поверхности в соответствии с настоящим изобретением, на которой показана фактическая активная апертура поверхности;
на фиг. 6 показан размер активной апертуры отражающих поверхностей в зависимости от угла поля зрения для приведенного в качестве примера LOE;
на фиг. 7 показаны выносные виды в разрезе отражения от приведенной в качестве примера группы поверхностей с избирательным отражением для трех разных углов обзора;
на фиг. 8 показано требуемое расстояние между двумя смежными отражающими поверхностями в зависимости от угла поля зрения для приведенного в качестве примера LOE;
на фиг. 9 схематически показан другой вид в разрезе отражающей поверхности с двумя разными падающими лучами в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 10 показан вид в разрезе приведенной в качестве примера группы поверхностей с избирательным отражением, где к краю подложки прикреплена прозрачная пластина;
на фиг. 11 схематически показан другой вид в разрезе отражающей поверхности с двумя разными падающими лучами в соответствии с настоящим изобретением, где два луча отражаются от двух поверхностей с частичным отражением;
на фиг. 12 схематически показан другой вид в разрезе отражающей поверхности с двумя разными падающими лучами в соответствии с настоящим изобретением, где два луча входят в LOE на удалении друг от друга и выходят из LOE рядом друг с другом;
на фиг. 13А и 13В схематически показаны виды в разрезе светоделительной поверхности, заделанной внутри световодного оптического элемента;
на фиг. 14 показан график кривых отражательной способности светоделительной поверхности в зависимости от углов падения для приведенного в качестве примера покрытия, чувствительного к s-поляризованным световым волнам;
на фиг. 15 показан другой график кривых отражательной способности светоделительной поверхности в зависимости от углов падения для приведенного в качестве примера покрытия, чувствительного к s-поляризованным световым волнам;
на фиг. 16 схематически показан вид в разрезе двух разных светоделительных поверхностей, заделанных внутри световодного оптического элемента;
на фиг. 17 схематически показан другой вид в разрезе светоделительной поверхности, заделанной внутри световодного оптического элемента, где поверхности с частичным отражением выполнены внутри прикрепленной прозрачной пластины, и
на фиг. 18А и 18В схематически показаны другие виды в разрезе вариантов осуществления светоделительной поверхности, заделанной внутри световодного оптического элемента, где вводящие и выводящие элементы представляют собой дифракционные оптические элементы.
Подробное раскрытие вариантов осуществления
На фиг. 1 показан вид в разрезе световодного оптического элемента (LOE) в соответствии с настоящим изобретением. Первая отражающая поверхность 16 освещается коллимирующим дисплеем 18, волны которого испускаются источником света (не показан), расположенным за устройством. Падающий свет от источника отражается от отражающей поверхности 16 так, что свет захватывается внутри плоской подложки 20 посредством полного внутреннего отражения. После нескольких отражений от поверхностей 26, 27 подложки захваченные световые волны доходят до группы поверхностей 22 с частичным отражением, которые выводят свет из подложки в глаз 24 со зрачком 25 пользователя. В этом документе под входной поверхностью LOE следует понимать поверхность, через которую входные световые волны входят в LOE, а под выходной поверхностью LOE следует понимать поверхность, через которую захваченные световые волны выходят из LOE. Более того под входной апертурой LOE следует понимать часть входной поверхности, через которую входные световые волны фактически проходят во время входа в LOE, а под выходной апертурой LOE следует понимать часть выходной поверхности, через которую выходные световые волны фактически проходят во время выхода из LOE. В LOE, показанном на фиг.1, и входная, и выходная поверхности совпадают с нижней поверхностью 26, однако также предусмотрены другие конфигурации, в которых входные световые волны и световые волны изображения могут быть расположены на противоположных сторонах подложки или на одном из краев LOE. Если предположить, что центральная световая волна источника выходит из подложки 20 перпендикулярно поверхности 26 подложки, поверхности 22 с частичным отражением являются плоскими, и угол отклонения от оси световой волны внутри подложки 20 составляет αin, в этом случае угол αsur2 между отражающими поверхностями и нормалью к плоскости подложки составляет:
Как видно на фиг. 1, захваченные лучи попадают на отражающие поверхности по двум разным направлениям 28, 30. В соответствии с этим вариантом осуществления захваченные лучи попадают на поверхность 22 с частичным отражением из одного из этих направлений 28 после четного количества отражений от поверхностей 26 и 27 подложки, причем угол падения βref между захваченным лучом и нормалью к отражающей поверхности составляет: 
Захваченные лучи попадают на отражающую поверхность из второго направления 30 после нечетного количества отражений от поверхностей 26 и 27 подложки, причем угол отклонения от оси составляет α'in=180°-αin, а угол падения между захваченным лучом и нормалью к отражающей поверхности составляет:
где знак минус означает, что захваченный луч падает на другую сторону поверхности 22 с частичным отражением.
Как показано на фиг. 1, для каждой отражающей поверхности каждый луч сначала попадает на поверхность из направления 30, а некоторые лучи снова падают на поверхность из направления 28. Для того чтобы предотвратить нежелательные отражения и формирование фантомных изображений, необходимо, чтобы отражательная способность для лучей, падающих на поверхность со вторым направлением 28, была пренебрежимо мала.
Одним из важных нюансов, который необходимо учитывать, является фактическая активная область каждой отражающей поверхности. Потенциальная неоднородность в получаемом в результате изображении может возникать в результате разных последовательностей отражения разных лучей, каждый из которых достигает поверхности с избирательным отражением: некоторые лучи попадают без предварительного взаимодействия с поверхностью с избирательным отражением, другие лучи попадают после одного или нескольких частичных отражений. Это явление показано на фиг.2А. Если предположить, что, например, αin,=50°, тогда луч 80 пересекает первую поверхность 22 с частичным отражением в точке 82. Угол падения луча составляет 25°, а часть энергии луча выходит из подложки. Затем луч пересекает ту же поверхность с частичным избирательным отражением в точке 84 под углом падения 75° без заметного отражения, а затем снова пересекает ее в точке 86 под углом падения 25°, при этом другая часть энергии луча выходит из подложки. В отличие от этого луч 88, показанный на фиг. 2В, отражается 90 от той лее поверхности только один раз. Другие многочисленные отражения происходят на других поверхностях с частичным отражением.
На фиг. 3 это явление неравномерности показано на выносном виде в разрезе поверхности 22 с частичным отражением, из которой выходит свет, захваченный внутри подложки, и поступает в глаз 24 пользователя. Как видно, луч 80 отражается от верхней поверхности 27, расположенной рядом с линией 100, которая представляет собой пересечение отражающей поверхности 22 и верхней поверхности 27. Поскольку этот луч не падает на отражающую поверхность 22, его яркость не меняется, а его первое падение на поверхность 22 происходит в точке 102 после двукратного отражения от обеих внешних поверхностей. В этой точке световая волна частично отражается, а луч 104 выходит из подложки 20. Для остальных лучей, таких как луч 88, находящийся под лучом 80, первое падение на поверхность 22 происходит до того, как он коснется верхней поверхности 27 в точке 106, при этом световая волна частично отражается, а луч 108 выходит из подложки. Следовательно, когда он снова упадет на поверхность 22 в точке 110 после двукратного отражения от внешних поверхностей 26, 27, яркость вышедшего луча будет ниже, чем у смежного луча 104. Как следствие, все лучи с одинаковым углом 80 входа, которые попадают на поверхность 22 слева от точки 102, имеют более низкую яркость. Следовательно, для этого входного угла отражательная способность от поверхности 22 на самом деле «темнее» слева от точки 102.
Трудно полностью компенсировать отличия многократных пересечений, тем не менее на практике глаз человека приспосабливается к значительным отклонениям яркости, которые остаются незаметными. В окулярных минидисплеях глаз интегрирует свет, испускаемый под одним углом обзора, и фокусирует его в одной точке на сетчатке, а поскольку кривая чувствительности глаза является логарифмической, небольшие отклонения яркости дисплея, если они есть, заметны не будут. Поэтому даже на средних уровнях равномерности освещения в дисплее глаз человека видит изображение в высоком качестве. Элемент, показанный на фиг. 1, обеспечивает требуемую среднюю равномерность. Для систем с большими FOV, а также для систем, в которых требуется большой ЕМВ, для того чтобы обеспечить требуемую выходную апертуру, необходимо сравнительно большое количество поверхностей с частичным отражением. Как следствие, неравномерность ввиду многократных пересечений с большим количеством поверхностей с частичным отражением становится преобладающей, особенно для дисплеев, расположенных на расстоянии от глаза, таких как дисплеи отображения информации на лобовом стекле, и неравномерность становится недопустимой. В этих случаях для устранения неравномерности необходим более систематический подход.
Поскольку «более темные» участки поверхностей 22 с частичным отражением в меньшей степени способствуют выводу захваченных световых волн из подложки, их влияние на оптические характеристики LOE могут быть только отрицательными, а именно, в выходной апертуре системы будут более темные участки, а на изображении появятся темные полоски. Однако прозрачность каждой из отражающих поверхностей равномерная относительно световых волн из внешнего изображения. Поэтому, если для компенсации более темных участков в выходной апертуре между отражающими поверхностями задано перекрытие, лучи из внешнего изображения, пересекающие эти перекрывающиеся области, будут подвержены двойному ослаблению, а во внешнем изображении будут образовываться темные полоски. Это явление существенно снижает производительность не только дисплеев, расположенных на расстоянии от глаза, таких как дисплеи отображения информации на лобовом стекле, но и окулярных минидисплеев, следовательно, его нельзя использовать.
На фиг. 4 показан вариант осуществления для устранения этой проблемы. Внутри подложки заделаны только «яркие» участки поверхностей 22а, 22b и 22с с частичным отражением, в частности, отражающие поверхности 22а, 22b и 22с больше не пересекаются с нижней основной поверхностью 26, а заканчиваются рядом с этой поверхностью. Поскольку концы отражающих поверхностей находятся рядом друг с другом по всей длине LOE, в проецируемом изображении не будет пробелов, а поскольку между поверхностями нет перекрытия, во внешнем изображении не будет пробелов. Существует несколько способов создать такой LOE, один из которых предусматривает прикрепление прозрачной пластины 120 толщиной Т, предпочтительно посредством оптического приклеивания, к активной области подложки. Для того чтобы правильно использовать только активные области отражающих поверхностей 22, важно рассчитать фактическую активную область каждой поверхности с частичным отражением и требуемую толщину Г пластины 120.
Как показано на фиг. 5, яркая апертура Dn отражающей поверхности 22п в плоскости внешней поверхности 26 в зависимости от угла входа αin составляет:
Поскольку захваченный уголιν может меняться в зависимости от FOV, важно знать, с каким углом связывать каждую отражающую поверхность 22n для того, чтобы рассчитать ее активную апертуру.
На фиг. 6 показана активная апертура в зависимости от угла поля зрения для таких параметров системы: толщина подложки d=2 мм, коэффициент преломления подложки ν=1,51, угол поверхности с частичным отражением αsur=64°. С учетом углов обзора следует отметить, что разные участки получаемого изображения происходят из разных участков поверхностей с частичным отражением.
На фиг. 7, на которой показан вид в разрезе компактной системы отображения с LOE на основе предложенной конфигурации, проиллюстрирован этот эффект. Одноплоскостная световая волна 112, представляющая конкретный угол 114 обзора, освещает только часть всей группы поверхностей 22а, 22b и 22с с частичным отражением. Таким образом, для каждой точки на поверхности с частичным отражением определяется номинальный угол обзора, и в соответствии с этим углом рассчитывается требуемая активная область отражающей поверхности. Точная и детальная конструкция активной области различных поверхностей с частичным отражением выполняется следующим образом: для каждой конкретной поверхности прокладывают луч (с учетом отражения по закону Снеллиуса) от левого края поверхности к центру обозначенного зрачка 25 глаза. Рассчитанное направление устанавливают как номинальное направление падения, и в соответствии с этим направлением рассчитывают конкретную активную область.
Как видно на фиг. 5, точные значения активных областей отражающих поверхностей можно использовать для определения разных расстояний Г между левым краем 102 яркого участка каждой отражающей поверхности 22n и нижней поверхностью 26. Чем больше расстояния активных областей, тем меньше расстояние внутри поверхности. Это расстояние представляет собой толщину пластины 120 (фиг. 7), которая должна быть прикреплена к нижней поверхности LOE. Как показано на фиг. 5, расстояние T в зависимости от угла входа αin составляет:
На фиг. 8 показана требуемая толщина Т пластины 120 в зависимости от угла поля зрения для таких же параметров, что и для фиг. 6. Для того чтобы гарантировать устранение появления на изображении темных полосок, необходимо задать толщину Т как максимальное рассчитанное значение. Слишком большая толщина пластины 120 приведет к противоположному эффекту, в частности, на изображении появятся яркие полоски.
Как показано на фиг. 9, два световых луча 122 и 124 входят внутрь подложки 20.
Два луча частично отражаются от поверхности 22а в точках 126 и 128, соответственно. Однако только луч 122 падает на вторую поверхность 22b в точке 130 и частично отражается там, а луч 124 проходит по поверхности 22b, не отражаясь. Как следствие, яркость луча 124, падающего на поверхность 22 с в точке 134, выше, чем у луча 122 в точке 132. Таким образом, яркость луча 138, вышедшего из точки 134, выше, чем у луча 136, вышедшего из точки 132, и на изображении появится яркая полоска. Следовательно, во избежание появления на изображении темных или ярких полосок необходимо выбрать точное значение толщины Т.
Как показано на фиг. 10, возможный вариант осуществления для получения требуемой структуры, когда толщина Т пластины 120 зависит от угла обзора, предусматривает построение клиновидной подложки 20', в которой две основные поверхности не параллельны. Комплементарную клиновидную пластину 120' прикрепляют к подложке, предпочтительно оптическим приклеиванием, таким образом, чтобы объединенная структура образовывала законченный прямоугольный параллелепипед, т.е. чтобы две внешние основные поверхности конечного LOE проходили параллельно друг другу. Однако у такого способа есть свои недостатки. Во-первых, процесс изготовления клиновидного LOE сложнее и более трудоемкий, чем для параллельного элемента. Кроме того, это решение является эффективным для систем, характеризующихся небольшим ЕМВ, в которых предусмотрено удовлетворительное соответствие между углом обзора и боковым положением на плоскости подложки. Тем не менее, для систем, характеризующихся большим ЕМВ, а именно, для систем, в которых предусмотрена возможность значительного движения глаза вдоль поперечной оси, удовлетворительное согласование между углом обзора и фактической толщиной пластины 120' отсутствует. Таким образом, на изображении могут быть видны темные или светлы полосы.
Появление темных или светлых полос, обусловленное структурой поверхностей с частичным отражением в LOE, не ограничено поверхностью, которая вызывает это явление. Как показано на фиг.3, яркость выходящего луча 88, отраженного дважды от поверхности 22а, ниже в точке 110, чем яркость луча 80, отраженного только один раз от поверхности 22а в точке 102. В результате яркость отраженной волны 112 ниже, чем яркость смежного луча 104. Однако, как показано на фиг.11, отличается не только яркость волны, отраженной от поверхности 22а, но и яркость проходящих лучей 140 и 142. В результате яркость лучей 144 и 146, отраженных от поверхности 22b в точках 148 и 150 соответственно, будет отличаться аналогичным образом, а также в этом участке изображения образуется темная полоса. Естественно, это отличие между лучами будет распространяться в LOE до следующих поверхностей с частичным отражением. Как следствие, поскольку каждая поверхность с частичным отражением образует свои собственные темные или светлые полосы, в соответствии с точным углом падения в LOE, характеризующемся наличием большого количества поверхностей с частичным отражением, большое количество темных и светлых полос будет собираться на дальнем крае выходной апертуры LOE, и, следовательно, качество изображения будет серьезно ухудшено.
Другой источник неоднородности может представлять собой неравномерность волн изображения, входящих в LOE. Обычно, когда два края источника света характеризуются незначительно отличающимися интенсивностями, это очень сложно, если вообще возможно, заметить наблюдателю. Эта ситуация в корне отличается для изображения, входящего внутрь подложки и постепенно выходящего из нее, как в LOE. Как показано на фиг.12, два луча 152 и 154 расположены на краях плоской волны 156, возникающей из одной точки в источнике изображения (не показан). При условии, что яркость луча 152 ниже, чем яркость луча 154, вследствие неидеальности системы формирования изображения, это отличие будет сложно увидеть при непосредственном просмотре плоской волны 156 из-за удаленности лучей друг от друга. Однако после входа луча в LOE 20 это условие изменяется. В то время как луч 154 освещает отражающую поверхность 16 непосредственно справа от линии 156 раздела между отражающей поверхностью 16 и нижней основной поверхностью 26, правый луч 152 отражается от поверхности 16, полностью отражается от верхней поверхности 27, а затем падает на нижнюю поверхность 26 непосредственно слева от линии 158 раздела. В результате два луча 152 и 154 распространяются внутри LOE 20 рядом друг с другом. Два выходных луча 160 и 162, происходящих из лучей 152 и 154 соответственно и отраженных от поверхности 22а, соответственно характеризуются различными значениями яркости. Однако в отличие от входной световой волны 156, два разных луча проходят рядом друг с другом, и это отличие будет отчетливо видно в виде темной полосы на изображении. Эти два луча 164, 165 продолжают распространяться вместе, рядом друг с другом, внутри LOE и образуют темную полосу в каждой точке, в которой они выходят вместе. Естественно, наилучший способ избежать этой неоднородности заключается в том, чтобы обеспечить равномерную яркость всех световых волн, входящих в LOE, в пределах всей входной апертуры для всего FOV. Это требование очень сложно удовлетворить в системах, характеризующихся большим FOV, а также широкими входными апертурами.
Как показано на фиг. 13А и 13В, эта связанная с неоднородностью проблема может быть устранена путем прикрепления прозрачной пластины к одной из основных поверхностей LOE, как описано выше со ссылкой на фиг. 4. Однако в этом варианте осуществления светоделительное покрытие 166 нанесено на плоскость 167 раздела между LOE 20 и прозрачной пластиной 120. Как показано на фиг. 13А, два световых луча 168 и 170 входят внутрь подложки 20. Только луч 168 падает на первую поверхность 22а с частичным отражением в точке 172 и частично отражается от нее, при этом луч 170 не попадает на поверхность 22а и, следовательно, не отражается от нее. В результате при условии, что два луча характеризуются одинаковой яркостью, когда входят в LOE, луч 170, который отражается вверх от нижней основной поверхности 26, ярче, чем луч 168, который отражается вниз от верхней поверхности 27. Эти два луча пересекаются друг с другом в точке 174, которая расположена в плоскости 167 раздела. Вследствие наличия нанесенного светоделительного покрытия каждый из двух пересекающихся лучей частично отражается и частично проходит через покрытие. Следовательно, два луча обмениваются энергией друг с другом, и лучи 176 и 178, выходящие из точки 174 пересечения, характеризуются одинаковой яркостью, которая, по существу, представляет собой среднюю яркость двух падающих лучей 168 и 170. Кроме того, лучи обмениваются энергией с двумя другими лучами (не показаны) в точках 180 и 182 пересечения. В результате этого обмена энергией два луча 184 и 186, отраженных от поверхности 22b, будут характеризоваться по существу одинаковой яркостью, и эффект светлой полосы будет существенно улучшен.
Аналогично, как показано на фиг. 13 В, два световых луча 188 и 190 входят внутрь подложки 20. Однако только луч 188 падает на первую поверхность 22а с частичным отражением в точке 192 и частично отражается от нее перед отражением от верхней поверхности 27. В результате при условии, что два луча характеризуются одинаковой яркостью, когда входят в LOE, луч 190, который отражается вниз от верхней основной поверхности 27, ярче, чем луч 188. Тем не менее эти два луча пересекаются друг с другом в точке 194, которая расположена в плоскости 167 раздела и обмениваются энергией. Кроме того, эти два лучи пересекаются с другими лучами в точках 196 и 198, которые расположены на светоделительной поверхности 167. В результате лучи 200 и 202, которые отражаются от поверхности 22а, и, следовательно, лучи 204 и 206, которые отражаются от поверхности 22b, будут характеризоваться по существу одинаковой яркостью, и, таким образом, эффект темных полос будет существенно уменьшен. Эта улучшенная равномерность яркости применима также для темных и светлых полос, появление которых вызвано неравномерным освещением во входной апертуре LOE. В результате, распределение яркости оптических волн, захваченных внутри LOE, по существу более равномерно в пределах выходной апертуры LOE, чем в пределах входной апертуры.
Как показано на фиг. 13А, световые лучи 184, 186, которые отражаются от поверхности 22а, пересекаются со светоделительной поверхностью 167 перед выходом из LOE. В результате простое отражающее покрытие нельзя просто нанести на поверхность 167, поскольку эта поверхность также должна пропускать световые волны, выходящие из подложки 20, а также пропускать световые волны из внешнего изображения для прозрачных применений, то есть световые волны должны проходить через плоскость 167 под небольшими углами падения и частично отражаться под более высокими углами падения. Обычно углы падения при прохождении составляют от 0° до 15°, и углы падения при частичном отражении составляют от 40° до 65°. Кроме того, поскольку световые лучи пересекают поверхность 167 раздела множество раз при распространении внутри LOE, поглощением покрытия следует пренебречь. В результате простое металлическое покрытие нельзя использовать, но следует использовать диэлектрическое тонкопленочное покрытие, характеризующееся высоким коэффициентом пропускания.
На фиг. 14 показана s-поляризация кривых отражательной способности в зависимости от углов падения для трех типичных длин волн в области дневного зрения: 470 нм, 550 нм и 630 нм. Как показано, для s-поляризованных световых волн можно достичь требуемых значений частичной отражательной способности (от 45% до 55%) при более высоких углах падения от 40° до 65° и низкой отражательной способности (менее 5%) при небольших углах падения. Для р-поляризованных световых волн вследствие близости к углу Брюстера невозможно достичь существенной отражательной способности при углах падения от 40° до 65°. Поскольку поляризация, которая обычно используется для систем формирования изображения на основе LOE, представляет собой s-поляризацию, можно достаточно просто нанести необходимый светоделитель. Однако поскольку светоделительное покрытие должно по существу пропускать световые волны из внешнего изображения, которые падают на поверхность раздела под низкими углами падения и которые по существу неполяризованы, покрытие должно характеризоваться низкой отражательной способностью (ниже 5%) под небольшими углами падения также и для р-поляризованных световых волн.
По-прежнему существует сложность, связанная с тем, что LOE 20 собран из нескольких различных компонентов. Поскольку процесс изготовления обычно предусматривает приклеивание оптических элементов, и поскольку требуемое покрытие с отражением в зависимости от угла наносят на световодную поверхность только после завершения сборки основной части LOE 20, невозможно использовать традиционные методы нанесения покрытия горячим способом, которые могут повредить приклеенные области. Новые тонкопленочные технологии, а также методы ионного нанесения покрытия также могут использоваться для обработки холодным способом. Они устраняют необходимость в нагреве частей, что позволяет нанести покрытие на приклеенные части безопасным образом. Альтернативным вариантом является возможность простого нанесения требуемого покрытия на прозрачную пластину 120, расположенную смежно с LOE 20, с использованием традиционных методов нанесения покрытия горячим способом с последующим приклеиванием на требуемом месте. Очевидно, что этот альтернативный подход можно использовать только в том случае, если прозрачная пластина 120 не является слишком тонкой, и, следовательно, не деформируется во время процесса нанесения покрытия.
Также существует несколько проблем, которые следует учитывать при проектировании светоделительного механизма, представленного выше.
А. Поскольку лучи, которые захвачены внутри LOE, не только полностью отражаются от основных поверхностей 26 и 27, но также от внутренней плоскости 167 раздела с частичным отражением, важно, чтобы все три поверхности были параллельны друг другу: это необходимо для того, чтобы обеспечить сохранение исходного направления ввода выходящих лучей внутри LOE.
Б. Как показано на фиг.13А и 13В, прозрачная пластина 120 тоньше, чем исходный LOE 20. В отличие от соображений, приведенных в отношении пластины без покрытия, показанной на фиг. 7-10, в которой толщина пластины 120 важна для оптимизации равномерности, в данном случае толщина пластины с покрытием может быть выбрана в соответствии с другими соображениями. С одной стороны, пластину большей толщины проще изготавливать, наносить на нее покрытие и клей. С другой стороны, при использовании пластины меньшей толщины эффективный объем LOE 20, который фактически выводит световые волны из подложки, больше для такой толщины подложки. Кроме того, точное отношение между толщиной пластины 120 и LOE 20 может повлиять на процесс обмена энергией внутри подложки.
В. Обычно для светоделителей, которые рассчитаны на полноцветные изображения, для того чтобы исключить хроматическую абберацию, кривая отражения должна быть максимально равномерной по всей области дневного зрения. Однако поскольку в конфигурациях, которые представлены в настоящем изобретении, различные лучи многократно пересекаются друг с другом перед выходом из LOE 20, это требование больше не является обязательным. Естественно, в светоделительном покрытии должен учитываться спектр всех длин волн получающегося изображения, но хроматическая сглаженность кривой частичного отражения может быть скомпенсирована в соответствии с различными параметрами системы.
Г. Отношение отражательной способности к пропускающей способности светоделительного покрытия не обязательно должно составлять 50%:50%. Могут быть использованы другие отношения для достижения необходимого обмена энергией между более темными и более яркими лучами. Более того, как показано на фиг. 15, можно использовать более простое светоделительное покрытие, в котором отражательная способность постепенно увеличивается от 35% при угле падения 40° до 60% при угле падения 65°.
Д. Количество светоделительных поверхностей, которые могут быть нанесены на LOE, не ограничено одним. Как показано на фиг. 16, другая прозрачная пластина 208 может быть приклеена к верхней поверхности LOE, причем аналогичное светоделительное покрытие нанесено на плоскость 210 раздела между LOE 20 и верхней пластиной 208 с образованием оптического устройства с двумя светоделительными поверхностями. В данном случае два неодинаковых луча 212 и 214 пересекаются друг с другом в точке 215 на покрытой плоскости 210 раздела, а также пересекаются с другими лучами в точках 216 и 217. И это вдобавок к пересечениям на нижней светоделительной плоскости 167 раздела. В результате ожидается, что равномерность отраженных лучей 218 и 220 будет еще лучше, чем равномерность в вариантах осуществления, изображенных на фиг.13А и 13 В. Естественно, способ изготовления LOE, содержащего две светоделительные плоскости раздела, сложнее, чем способ изготовления LOE только с одной плоскостью. Таким образом, этот способ следует рассматривать только для систем, испытывающих серьезную проблему с неравномерностью. Как и ранее, важно, чтобы все четыре отражающие поверхности и плоскости 26, 27, 167 и 210 были параллельны друг другу.
Е. Прозрачная пластина 120 не обязательно должна быть изготовлена из того же оптического материала, что и LOE 20. Кроме того, LOE может быть изготовлен из материала на основе силиката, в то время как в целях защиты глаза прозрачный слой может быть изготовлен из материала на основе полимера. Естественно, следует обеспечить оптические качества внешних поверхностей и избегать деформации прозрачной пластины.
Ж. До настоящего момента предполагалось, что прозрачная пластина является совершенно сплошной. Однако, как показано на фиг. 17, поверхности 222а и 222b с частичным отражением могут быть изготовлены внутри пластины 120 для увеличения используемого объема LOE. Эти поверхности могут быть строго параллельны существующим поверхностям 22а и 22b и характеризоваться в точности аналогичной ориентацией.
Все различные параметры вышеуказанных вариантов осуществления, такие как толщина и оптический материал пластины 120, точные свойства светоделительного покрытия, количество светоделительных поверхностей и место расположения поверхности с частичным отражением внутри LOE, могут иметь множество различных возможных значений. Точные значения этих факторов определяются в соответствии с различными параметрами оптической системы, а также конкретными требованиями к оптическому качеству и стоимости изготовления.
До настоящего момента предполагалось, что световые волны выходят из подложки посредством поверхностей с частичными отражением, которые ориентированы под косым углом относительно основных поверхностей и обычно покрыты диэлектрическим покрытием. Однако, как показано на фиг. 18А, существуют системы, в которых световые волны входят в подложку и выходят из нее посредством дифракционных элементов 230 и 232 соответственно. Те же проблемы неравномерности, которые были описаны выше, также относятся к этой конфигурации. Как показано, два луча 234 и 236 из одной точки в источнике отображения входят в подложку 238 и разнесены друг от друга на двух краях вводящего элемента 230. Лучи выводятся посредством выводящего элемента 232, расположенного рядом с ним. Таким образом отличия между лучами будут легко видны в выходной волне. Кроме того, для проверки равномерного выходного изображения коэффициент дифракции выводящего элемента 232 повышают постепенно. В результате различные лучи из одного точечного источника могут проходить через различные участки в элементе 232 перед выходом из элемента и, следовательно, будут характеризоваться разной яркостью в изображении. Другой источник неоднородности может быть обусловлен тем, что луч 234 частично преломляется и выходит из подложки на правом краю 240 решетки 232, в то время как луч 236 падает на нижнюю поверхность немного левее решетки и, таким образом, не преломляется там. В результате во всех выходных участках в решетке 232, что касается двух смежных лучей 234 и 236, луч 236 будет характеризоваться более высокой яркостью, и это отличие будет отчетливо видно.
На фиг. 18В показан аналогичный подход для устранения этих проблем. Как показано, прозрачная пластина 242 приклеена к верхней поверхности 244 подложки 238, при этом поверхность 246 раздела покрыта светоделительным покрытием, аналогичным вышеописанным покрытиям.
1. Система отображения информации, создающая равномерное изображение, содержащая:
светопроводящую подложку (20), характеризующуюся наличием входной апертуры, выходной апертуры, по меньшей мере двух основных поверхностей и краев;
оптический элемент (16, 230) для ввода световых волн в светопроводящую подложку (20) по полному внутреннему отражению;
по меньшей мере одну поверхность (22) с частичным отражением, расположенную между двумя основными поверхностями светопроводящей подложки (20) для частичного отражения световых волн от светопроводящей подложки (20);
первую прозрачную пластину (120, 208), характеризующуюся наличием по меньшей мере двух основных поверхностей, причем одна из основных поверхностей первой прозрачной пластины (120, 208) оптически соединена с основной поверхностью светопроводящей подложки (20), образуя плоскость раздела (167, 210), и
отличающаяся тем, что светоделительное покрытие нанесено на плоскость раздела (167, 210) между светопроводящей подложкой (20) и первой прозрачной пластиной (120, 208) так, что светопроводящая подложка (20) и первая прозрачная пластина (120, 208) образуют, по меньшей мере, часть световодного оптического элемента, имеющего верхнюю основную поверхность (27), нижнюю основную поверхность (26) и плоскость раздела (167, 210), причем верхняя основная поверхность (27), нижняя основная поверхность (26) и внутренняя плоскость раздела (167, 210) с частичным отражением параллельны друг другу,
а световые волны, входящие внутрь светопроводящей подложки (20), частично отражаются от плоскости раздела (167, 210) и частично проходят через нее, при этом световые волны подвергаются множеству отражений от верхней основной поверхности (27) и нижней основной поверхности (26) между входной апертурой и выходной апертурой.
2. Система по п. 1, в которой световые волны, выходящие из светопроводящей подложки (20) по поверхности (22) с частичным отражением, по существу проходят через плоскость раздела (167) без существенного отражения.
3. Система по п. 1, в которой светоделительное покрытие характеризуется существенной отражательной способностью под большими углами падения и низкой отражательной способностью под небольшими углами падения.
4. Система по п. 3, в которой светоделительное покрытие характеризуется низкой отражательной способностью под углами падения от 0° до 15° и существенной отражательной способностью под углами падения более 40°.
5. Система по п. 3, в которой светоделительное покрытие характеризуется отражательной способностью выше 35% под углами падения более 40° и отражательной способностью ниже 10% под углами падения менее 15°.
6. Система по п. 1, в которой светоделительное покрытие нанесено на основную поверхность светопроводящей подложки (20).
7. Система по п. 1, в которой светоделительное покрытие нанесено на одну из поверхностей первой прозрачной пластины (120, 208).
8. Система по п. 3, в которой отражательная способность светоделительного покрытия по существу постоянная под углами падения более 40° и менее 60°.
9. Система по п. 3, в которой отражательная способность светоделительного покрытия непостоянная под углами падения более 40°.
10. Система по п. 9, в которой отражательная способность светоделительного покрытия увеличивается в зависимости угла падения под углами падения более 40°.
11. Система по п. 3, в которой отражательная способность светоделительного покрытия под большими углами падения по существу равномерная по всей области дневного зрения.
12. Система по п. 1, в которой прозрачная пластина (120, 208) тоньше, чем светопроводящая подложка (20).
13. Система по п. 1, дополнительно содержащая вторую прозрачную пластину (208), которая оптически соединена с другой основной поверхностью светопроводящей подложки (20) с образованием второй плоскости раздела (210).
14. Система по п. 13, в которой светоделительное покрытие нанесено на вторую плоскость раздела (210).
15. Система по п. 14, в которой светоделительное покрытие характеризуется существенной отражательной способностью под большими углами падения и низкой отражательной способностью под небольшими углами падения.
16. Система по п. 1, в которой светопроводящая подложка (20) и прозрачная пластина (120, 208) изготовлены из двух различных оптических материалов.
17. Система по п. 1, в которой прозрачная пластина (120, 208) изготовлена из материала на основе полимера.
18. Система по п. 1, в которой оптический элемент для ввода световых волн в указанную светопроводящую подложку (20) представляет собой дифракционный элемент (230).
19. Система по п. 1, в которой по меньшей мере одна поверхность с частичным отражением, расположенная между двумя основными поверхностями светопроводящей подложки (20), представляет собой дифракционный элемент (232).
20. Система по п. 1, в которой по меньшей мере одна поверхность (22) с частичным отражением, расположенная между двумя основными поверхностями светопроводящей подложки (20), ориентирована под косым углом относительно основных поверхностей светопроводящей подложки (20).
21. Система по п. 20, в которой по меньшей мере одна поверхность (22) с частичным отражением покрыта диэлектрическим покрытием.
22. Система по п. 1, в которой распределение яркости оптических волн, входящих внутрь светопроводящей подложки (20), по существу более равномерное в пределах выходной апертуры светопроводящей подложки (20), чем в пределах входной апертуры.
