ЛИНЗА, ФОРМИРУЮЩАЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ ПОДЛОЖКИ
LENS, FORMING IMAGE UNDER CONTROL OF SUBSTRATE

Область техники
Настоящее изобретение относится к оптическим системам под управлением подложки и, в частности, к оптическим системам, которые содержат структуру отражающего оптического элемента, замедляющую пластину и отражающие поверхности на общей светопроводной подложке. Такая система также называется световодным коллимирующим элементом (LCE).
Изобретение может быть внедрено в большом количестве устройств, формирующих изображения, таких как шлемные и проекционные бортовые индикаторы, сотовые телефоны, компактные дисплеи, трехмерные дисплеи, компактные расширители пучка, а также устройства, не формирующие изображения, такие как индикаторные панели, компактные облучатели и сканеры.
Уровень техники
Одним из наиболее важных видов применения компактных оптических элементов являются шлемы-дисплеи, в которых оптический модуль служит и отражающим оптическим элементом и оптическим устройством индикации, в котором двухмерный дисплей фокусируется до бесконечности и отражается в глаз пользователя. Дисплей может быть получен или прямо из пространственного модулятора света (SLM), такой как электронно-лучевая трубка (CRT), жидкокристаллический дисплей (LCD), органическая светодиодная матрица (OLED), сканирующий источник или сходные устройства, или косвенно посредством объектива переноса или волоконно-оптического жгута. Дисплей содержит матрицу элементов (пикселей), фокусируемых до бесконечности коллимирующей линзой и передаваемых в глаз пользователя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, действующей в качестве объединителя для непрозрачных и прозрачных применений соответственно. Обычно для этих целей используют известный пространственный оптический модуль. Когда желательное поле зрения (FOV) системы увеличивается, такой известный оптический модуль становится больше, тяжелее, объемнее и поэтому даже для устройства с умеренными эксплуатационными характеристиками непрактичным. Это является основным недостатком всех типов дисплеев, но особенно шлемов-дисплеев, где система обязательно должна быть максимально легкой и компактной.
Стремление к компактности привело к разработке нескольких различных сложных оптических решений, которые все, с одной стороны, все же недостаточно компактны для большинства практических применений и, с другой стороны, имеют крупные недостатки в смысле возможности производства. Кроме того, размер выходного зрачка (eye-motion-box) (EMB) оптических углов зрения в этих конструкциях обычно очень мала - обычно меньше 8 мм. Соответственно, эксплуатационные характеристики такой оптической системы очень чувствительные даже к небольшим перемещениям оптической системы относительно глаза пользователя и не позволяют зрачку достаточно двигаться для удобного считывания текста с таких дисплеев.
Содержание публикаций WO 01/95027, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310 и PCT/IL2006/001278 на имя Заявителя включено в настоящий документ путем ссылок.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение облегчает проектирование и изготовление очень компактного устройства формирования изображений для, помимо прочих применений, дисплеев-шлемов (HMD). Изобретение позволяет получить относительно широкие FOV при относительно больших значениях EMB. Получаемая оптическая система дает большое и высококачественное изображение, которое также подходит к большим перемещениям глаза. Оптическая система, предложенная в настоящем изобретении, имеет особые преимущества, поскольку она значительно более компактная, чем системы, известные из уровня техники, и может быть легко внедрена на практике даже в оптические системы, имеющие специальные конфигурации.
Изобретение также позволяет конструировать усовершенствованные проекционные бортовые индикаторы (HUD). С момента появления таких индикаторов более трех десятилетий назад в этой области достигнут значительный прогресс. HUD стали популярными и сейчас играют важную роль не только в большинстве современных боевых самолетов, но и в гражданской авиации, где системы HUD стали одним из ключевых компонентов для работы в условиях низкой видимости. Кроме того, недавно были сделаны многочисленные предложения и разработки HUD для автомобилей, где они могут потенциально помогать водителю при вождении и навигации. Тем не менее, известные устройств HUD имеют серьезные недостатки. Все HUD известных конструкций требуют источника освещения дисплея, который должен быть смещен на значительное расстояние от объединителя для того, чтобы такой источник освещал всю поверхность объединителя. В результате этого система объединителя - проектора HUD обычно объемная, большая и требует значительного места для установки, что делает ее неудобной в установке и иногда даже небезопасной в эксплуатации. Большая оптическая апертура известных устройств HUD также предъявляет значительные требования к оптической системе, даже при ухудшении эксплуатационных характеристик HUD или увеличении стоимости, если необходимы высокие эксплуатационные характеристики. Особые проблемы относятся к хроматической дисперсии высококачественных топографических устройств HUD.
Одной основной целью настоящего изобретения поэтому является устранение недостатков известных компактных оптических устройств визуализации и создание других компонентов и систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками, соответствующих конкретным требованиям.
Еще одна цель настоящего изобретения относится к его осуществлению в компактном HUD с устранением вышеуказанных недостатков. В конструкции HUD настоящего изобретения объединитель освещается компактным устройством освещения дисплея, который может быть прикреплен к подложке. Отсюда вся система очень компактная и может быть легко установлена в разные конфигурации для широкого диапазона применения. Кроме того, хроматическая дисперсия дисплея пренебрежимо мала и как таковая может работать с широкими спектральными источниками, включая традиционный источник белого света. Далее, настоящее изобретение расширяет изображение так, что активная зона объединителя может быть намного больше, чем зона, фактически освещаемая источником света.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание компактного дисплея с широким FOV для мобильного применения в ручных устройствах, таких как сотовые телефоны. На сегодняшнем рынке беспроводного доступа в Интернет имеется достаточный диапазон для передачи полнопотокового видео. Ограничивающим фактором остается качество дисплея в устройстве конечного пользователя. Требование к мобильности ограничивает физический размер дисплеев, и результатом является прямой дисплей с плохим качеством изображения. Настоящее изобретение предлагает физически очень компактный дисплей с очень большим виртуальным изображением. Это является одной из ключевых функций в мобильной связи, особенно для мобильного доступа в Интернет, и устраняет одно из главных ограничений для его осуществления на практике. Поэтому настоящее изобретение дает возможность просматривать цифровое содержание полноформатной страницы Интернета на небольшом ручном устройстве, таком как мобильный телефон, или любом устройстве для развлечения.
В соответствии с изобретением поэтому предлагается оптическая система, содержащая подложку, имеющую по меньшей мере одну главную поверхность и края, оптический элемент для направления света в упомянутую подложку путем полного внутреннего отражения, по меньшей мере одну отражающую поверхность на упомянутой подложке и по меньшей мере одну замедляющую пластину, отличающуюся по меньшей мере одним отражающим оптическим элементом, причем упомянутая замедляющая пластина расположена между по меньшей мере частью главной поверхности подложки и упомянутым отражающим оптическим элементом.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящее изобретение описано ниже в связи с определенными лучшими вариантами осуществления со ссылками на прилагаемые иллюстративные чертежи.
При конкретных ссылках на детальные чертежи подчеркивается, что приведенные данные даны только для примера и иллюстративного обсуждения лучших вариантов осуществления настоящего изобретения и представляют собой то, что считается наиболее полезным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается попытки представить конструкционные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для понимания основ изобретения. Описание вместе с чертежами должно служить указанием для специалистов в данной области техники, как несколько форм изобретения могут быть осуществлены на практике.
На чертежах:
ФИГ.1 является схемой, иллюстрирующей оптическую систему для коллимирования входных световых волн от источника освещения дисплея в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.2 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в световодный оптический элемент (LOE) в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.3 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования входных световых волн от источника освещения дисплея на жидких кристаллах на кремнии (LCOS) в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.4а, 4b и 4с являются схемами, иллюстрирующими способы коллимирования и расширения входных волн от источника освещения дисплея в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.5 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования входных световых волн от источника освещения дисплея путем использования полевой линзы и коллимирующей линзы в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.6 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования входных световых волн от источника освещения дисплея путем использования двух линз в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.7 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования входных световых волн от источника освещения дисплея LCOS путем использования двух линз в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.8а и 8b являются схемами, иллюстрирующими способы коллимирования входных световых волн от источников освещения дисплея (a) LCD и (b) LCOS путем использования трех линз в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.9 является схемой, иллюстрирующей способ коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея LCOS в LOE, использующий две линзы, в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.10 является графиком, иллюстрирующим оптические характеристики коллимирующей линзы, известной из уровня техники;
ФИГ.11 является графиком, иллюстрирующим оптические характеристики коллимирующей линзы в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.12 является схемой, иллюстрирующей оптическую систему для ввода поляризованных входных волн в световодный оптический элемент путем связи с чувствительной к поляризации отражающей поверхностью в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.13 является схемой, иллюстрирующей оптическую систему для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE путем связи с чувствительной к поляризации отражающей поверхностью в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.14 иллюстрирует два боковых луча, которые вводят в LOE путем связи с известной отражающей поверхностью;
ФИГ.15 иллюстрирует два боковых луча, которые вводят в LOE путем связи с чувствительной к поляризации отражающей поверхностью в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.16 является схемой, иллюстрирующей еще один способ ввода входных волн в LOE, в котором кроме того используют коллимирующую линзу в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.17 иллюстрирует два боковых луча, которые вводят в LOE путем связи с чувствительной к поляризации отражающей поверхностью с использованием коллимирующей линзы в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.18 является схемой, иллюстрирующей еще один вариант осуществления для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.19 является схемой, иллюстрирующей еще один вариант осуществления для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE с использованием двух линз в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.20 является схемой, иллюстрирующей еще один вариант осуществления для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE с использованием углового чувствительного покрытия в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.21 и 22 являются графиками, иллюстрирующими кривые коэффициента отражения как функцию угла падения для примера углового чувствительного покрытия для s- и р-поляризованных световых волн соответственно;
ФИГ.23а и 23b иллюстрируют варианты осуществления для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE с использованием различных замедляющих пластин в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.24 иллюстрирует вариант осуществления для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в LOE с использованием двух прозрачных пластин, имеющих угловое чувствительное покрытие, в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.25 иллюстрирует вариант осуществления для коллимирования входных световых волн от одного источника освещения дисплея в два разных изображения в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.26 иллюстрирует еще один вариант осуществления для коллимирования входных световых волн от одного источника освещения дисплея в два разных изображения в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.27 иллюстрирует еще один вариант осуществления для коллимирования входных световых волн от одного источника освещения дисплея в два разных изображения в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.28 иллюстрирует оптическую систему для коллимирования и ввода входных волн от источника освещения дисплея в два разных LOE в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.29 иллюстрирует еще одну оптическую систему для коллимирования и ввода входных волн, имеющих однородную поляризацию, от источника освещения дисплея в два разных световодных оптических элемента в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.30 иллюстрирует еще одну оптическую систему для коллимирования и ввода входных волн, имеющих однородную поляризацию, от источника освещения дисплея в два разных световодных оптических элемента в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.31 иллюстрирует вариант осуществления системы дисплея, вмонтированной в стандартную оправу для очков, в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ.32 иллюстрирует вид спереди варианта осуществления системы дисплея, вмонтированной в стандартную оправу для очков, в соответствии с настоящим изобретением, и
ФИГ.33 иллюстрирует оптическую систему, имеющую фокусирующую линзу, в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание лучших вариантов осуществления
Теперь будет описан один из лучших способов конструирования более компактных линз, чем линзы, известные из уровня техники, которые имеют требуемую планарную форму, в то же время сохраняя желательные оптические свойства системы согласно настоящему изобретению.
Этот способ, которым выполняются эти два кажуще противоречащие друг другу требования и который использует тот факт, что в большинстве источников освещения микродисплеев, таких как LCD или LCOS, свет поляризован линейно, проиллюстрирован на ФИГ.1. Как показано, s-поляризованные входные световые волны 18 от источника 112 освещения дисплея 112 вводятся в подложку 114 первой отражающей поверхностью 116. После полного внутреннего отражения с нижней поверхности 118 подложки волны отражаются от поляризующего светоделителя 120 и выводятся из подложки. Затем волны проходят через четвертьволновую замедляющую пластину 122 и прозрачную поверхность 123, затем коллимируются отражающим оптическим элементом 124, например линзой, на его отражающей поверхности 126, возвращаются для повторного прохода через замедляющую пластину 122 и повторно входят в подложку 114 через нижнюю поверхность 118. Теперь р-поляризованные световые волны проходят через поляризующий светоделитель 120 и выходят из подложки через верхнюю поверхность 128.
ФИГ.2 иллюстрирует, как LCE 129 может быть объединен со световодным оптическим элементом (LOE) 20 для образования требуемой оптической системы. Такой LOE обычно содержит по меньшей мере две главные поверхности и края, по меньшей мере одну частично отражающую поверхность и оптический элемент для подачи света внутрь. Выходные волны 130 из LCE 129 входят в LOE через его нижнюю поверхность 26. Входящие волны (в LOE) отражаются от поверхности 16 и захватываются в LOE таким же образом, как показано на ФИГ.2. Теперь LCE 129, содержащий источник 112 освещения дисплея, складывающуюся призму 114, замедляющую пластину 122 и коллимирующий отражающий оптический элемент 124, может быть легко интегрирован в один механический модуль, который может быть собран независимо от LOE с достаточно свободными механическими допусками. Кроме того, замедляющая пластина 122 и коллимирующий отражающий оптический элемент 124 могут быть соединены для образования одного элемента.
Альтернативно, для объединения их в один элемент могут использоваться и другие способы, такие как нанесение четвертьволновой пленки на переднюю поверхность коллимирующего отражающего оптического элемента 124.
Еще одно преимущество предлагаемого способа формирования изображений, иллюстрируемого здесь, проявляется при использовании устройства LCOS в качестве источника освещения дисплея. Как и панели LCD, панели LCOS содержат двухмерную матрицу ячеек, заполненных жидкими кристаллами, которые закручиваются и выравниваются в ответ на управляющие напряжения. В случае LCOS, однако, жидкокристаллические элементы трансплантируются непосредственно на отражающий кремниевый чип. Когда жидкие кристаллы закручиваются, поляризация света или изменяется, или не изменяется после отражения зеркальной поверхности ниже. Это, вместе с поляризующим светоделителем, приводит к модулированию света и создает изображение. Кроме того, отражающая технология означает, что световые лучи освещения и формирования изображения делят одно и то же пространство. Оба этих фактора обуславливают добавление специального светоделительного элемента к оптическому модулю для того, чтобы обеспечить возможность одновременной работы функций освещения и формирования изображения. Добавление такого элемента обычно усложняет оптический модуль, и при использовании LCOS в качестве источника освещения дисплея некоторые конфигурации, использующие фронтальный вводящий элемент или складывающуюся призму, становятся даже больше. Для способа формирования изображения, проиллюстрированного на ФИГ.1, однако, можно легко добавить освещающий блок к оптическому модулю без значительного увеличения объема системы.
Как показано на ФИГ.3, вместо использования одного отражающего зеркала, входные световые волны 18 от LCOS 112 отражаются поляризующим светоделителем 132. Завершающая призма 134 добавлена к подложке 114 для образования параллелепипеда 136. Здесь р-поляризованные световые волны 138, исходящие из источника света 140, проходят через поляризующий светоделитель 132 и освещают переднюю поверхность LCOS 112. Поляризация отраженного света от "световых" пикселей обращается в s-поляризацию, и световые волны затем отражаются от светоделителя 132, как сказано выше в ссылке на ФИГ.1. Если источник света 140 неполяризован, невозможно добавить поляризатор 142, который пропускает только желаемую поляризацию. Очевидно, что LCE 129 остается компактным и сохраняет свою планарную форму.
Как сказано выше, одним из основных параметров, определяющих объем коллимирующей линзы, является ее выходная апертура. Обычно увеличение выходной апертуры соответственно увеличивает объем линзы. На ФИГ.4а, 4b и 4с, однако, показаны способы увеличения выходной апертуры LCE 129 на коэффициент два путем небольшого увеличения объема линзы. Как показано на ФИГ.4а, завершающая призма 144 добавлена к подложке 114 для образования параллелограмма 145. Выходные волны 130 от коллимирующего отражающего оптического элемента 124 проходят через четвертьволновую замедляющую пластину 146, частично отражаются полуотражающей поверхностью 148, возвращаются для прохода через верхнюю поверхность 128, повторно входя в подложку 145. Теперь s-поляризованные световые волны отражаются от поляризующего светоделителя 122. Затем, после полного внутреннего отражения от верхней поверхности 128 подложки, волны отражаются и выводятся от отражающей поверхности 150. Очевидно, что выходная апертура выводящейся световой волны 130 вдвое больше показанной на ФИГ.1. Одной проблемой, которую остается решить, является однородность поляризации выходной световой волны 130. Хотя правая сторона 130R волны имеет круговую поляризацию, левая сторона 130L является линейно s-поляризованной. На ФИГ.4b показан один способ решения этой неоднородности. Четвертьволновая замедляющая пластина 152 добавлена на левой стороне выходной апертуры, причем ориентация главной оси замедляющей пластины 152 повернута на 90° по отношению к оси пластины 146. В этом случае выходная световая волна 130 имеет круговую поляризацию. На ФИГ.4с показан другой способ, где четвертьволновая замедляющая пластина 154 добавлена на правой стороне выходной апертуры, что дает линейно s-поляризованную выходную световую волну 130. В этом случае ориентация главной оси замедляющей пластины 154 параллельна главной оси пластины 146.
В системах, показанных на ФИГ.1-4с, используется только одна сферическая собирающая линза. Для некоторых оптических систем этого может быть достаточно. Для других систем с широкими FOV и большими входными апертурами может, однако, потребоваться более хорошее оптическое качество. Одним подходом к улучшению оптических свойств системы является использование асферических или даже асферических-дифракционных линз. Еще один подход заключается в использовании более одного отражающего оптического элемента.
На ФИГ.5 показана оптическая система, в которой полевая линза 156 введена между источником освещения дисплея и подложкой 114. Эта линза может использоваться для коррекции хроматических, а также полевых аберраций оптической системы.
На ФИГ.6 показана оптическая система, использующая более крупную подложку 160, содержащую два введенных в нее поляризующих светоделителя 162 и 164, четвертьволновую замедляющую пластину 166 и две собирающие линзы 168 и 170. Как показано, р-поляризованная входная световая волна 18 проходит через первый поляризующий светоделитель 162, затем отражается, частично собирается и изменяется на s-поляризованный свет замедляющей пластиной 166 и первой линзой 168. Затем она отражается от первого поляризующего светоделителя 162, нижней поверхности 172 призмы и затем от второго поляризующего светоделителя 164. Затем она отражается, полностью коллимируется и изменяется обратно на р-поляризованный свет замедляющей пластиной 166 и второй линзой 170. Волна затем проходит через второй поляризующий светоделитель 164 и выходит из подложки через верхнюю поверхность 128. Входящая волна (в LOE) теперь может быть захвачена в LOE таким же образом, как показано на ФИГ.2. В том случае, если источник освещения дисплея является устройством LCOS, способ освещения будет отличаться от описанного выше со ссылкой на ФИГ.3.
Как показано на ФИГ.7, освещающие световые волны 174 от источника 176 освещения дисплея проходят через s-поляризатор 178 и вводятся в подложку 180 первой отражающей поверхностью 182. После полного внутреннего отражения от верхней поверхности 184 подложки полны отражаются и выводятся из поляризующего светоделителя 162 для освещения источника 112 освещения дисплея LCOS. Естественно, количество элементов, которые можно использовать в LCE 129, не ограничено двумя.
На ФИГ.8а и 8b показана коллимирующая линза, имеющая в качестве источников освещения дисплеев LCD и LCOS соответственно, причем к оптической цепочке добавлена третья линза 186. В общем, для каждой конкретной системы количество и типы линз в оптическом коллимирующем модуле будут определяться исходя из требуемых оптических параметров, желаемых эксплуатационных характеристик и допустимого объема.
На ФИГ.9 показаны размеры оптического модуля, описанного выше со ссылкой на ФИГ.6. Оптические параметры такие же, как сказано выше для систем, имеющих вводящие элементы и использующие складывающуюся призму, например призму, показанную на ФИГ.23 в публикации WO 2006/013565. Даже если источником освещения дисплея является устройство LCOS, система, показанная на ФИГ.9, имеет намного меньший объем, чем вышеуказанная система.
На ФИГ.10 и 11 показаны характеристики функции передачи модуляции (MTF) вышеописанных систем. Как показано, оптический модуль не только содержит две сферические линзы вместо двух дифракционных-асферических элементов бывших систем, но и имеет превосходные эксплуатационные характеристики.
Способ, в котором входные волны и выходные волны расположены на одной и той же стороне подложки, используя тот факт, что в большинстве источников освещения микродисплеев, таких как LCD и LCOS, свет является линейно поляризованным, показан на ФИГ.12. Основным отличием между вариантом изобретения, показанным здесь, и уровнем техники заключается в том, что вместо использования однородного отражающего зеркала в качестве вводящего элемента поляризующий светоделитель 206 вмонтирован в LOE 20. То есть поверхность 206 пропускает р-поляризованный и отражает s-поляризованный свет. Как показано, входной луч 130 от LCE является р-поляризованным и поэтому пропускается через поверхности 206. После выхода из LOE 20 через верхнюю поверхность 27 световой луч падает на четвертьволновую замедляющую пластину 208, преобразующую входящий луч в свет с круговой поляризацией. Пропускаемый луч затем отражается обратно через четвертьволновую пластину 208 плоским отражающим зеркалом 210. Отраженный луч 212, теперь s-поляризованный, входит в LOE 20 через верхнюю поверхность 27 и отражается поляризующим светоделителем 206. Отраженные лучи 214 захватываются внутри LOE 20 полным внутренним отражением. Понятно, что замедляющая пластина 208 и отражающая поверхность 210 могут быть соединены для образования одного элемента. Альтернативно, могут использоваться и другие способы их объединения в один элемент, такие как нанесение отражающего покрытия на поверхность задней стороны замедляющей пластины 208 или нанесение четвертьволновой пленки на переднюю поверхность отражающей поверхности 210.
На ФИГ.13 показана полная структура LOE 20 с механизмом ввода, описанным на ФИГ.3. Этот LOE выполняет два требования: входные волны и выходные волны расположены на одной и той же стороне подложки, и вводящая отражающая поверхность 16 ориентирована параллельно частично отражающим выводящим элементам 22. Поэтому эта структура может быть осуществлена в конфигурациях очков и изготовлена с использованием сравнительно простой процедуры.
in1
Еще одним вопросом, который необходимо рассмотреть, является выходная апертура LCE 129, которая определяется требуемой входной апертурой LOE 20. На ФИГ.14 показана апертура известного LOE 20, где вводящим элементом является простое отражающее зеркало 16. Как показано, входная апертура определяется боковыми лучами двух наибольших углов FOV системы. Лучи 216 и 218 являются левым и правым боковыми лучами левого и правого углов FOV соответственно. Их точки пересечения с нижней поверхностью 26 LOE 20 определяют входную апертуру S LOE.
in2
in1
in2
in1
in2
На ФИГ.15 показана требуемая входная апертура для LOE, у которого вводящим элементом является поляризующий светоделитель 206, как сказано выше со ссылкой на ФИГ.12. Поскольку два боковых луча 216 и 218 теперь должны пересекать дополнительную толщину Т LOE перед обратным отражением поверхностью 210, длина оптического пути, требующегося до падения на вводящий элемент, больше, чем раньше. Соответственно, требуемая входная апертура S больше, чем раньше. Различие между S и S зависит от различных параметров оптической системы. Например, в системе, имеющей горизонтальное FOV 24 градуса, толщину пластины 2,5 мм и показатель преломления 1,51, разница между S и S составляет 1 мм.
in3
in1
in1
ФИГ.16 иллюстрирует способ значительного уменьшения требуемой входной апертуры. Вместо использования плоской отражающей поверхности 210, показанной на ФИГ.15, плосковыпуклая линза 220 помещена после замедляющей пластины 208. Теперь, для того чтобы вводить коллимированные волны в LOE, волны 130, которые входят в LOE через нижнюю поверхность 26, должны быть расходящимися. Эти расходящиеся волны коллимируются линзой 220 и путем отражения от отражающей задней поверхности 222 линзы. Затем они захватываются внутри LOE образом, аналогичным способу, описанному выше со ссылкой на ФИГ.12. Как сказано выше, замедляющая пластина 208 может быть сцементирована или нанесена на переднюю плоскую поверхность 224 линзы 100. Как показано на ФИГ.17, входная апертура S, определенная двумя боковыми лучами 216 и 218, теперь меньше, чем S. Величина, на которую эта апертура меньше, чем S, зависит от оптической мощности коллимирующей линзы 220. Естественно, оптический модуль, показанный на ФИГ.15, может рассматриваться как частный случай модуля, показанного на ФИГ.16, где оптическая мощность линзы 220 уменьшена до нуля.
Путем использования коллимирующей линзы вместо плоской отражающей поверхности не только можно получить намного меньшую входную апертуру, но и весь оптический модуль может стать намного более компактным, чем раньше. На ФИГ.18 в качестве примера показана полная оптическая схема системы, использующей вышеописанный способ. Складывающаяся призма 228 используется для ввода света от источника освещения дисплея 112 в LOE 20. Входные волны 18 от источника 112 освещения дисплея вводятся в призму первой отражающей поверхностью 230 и затем выводятся второй отражающей поверхностью 232 в LOE, где они коллимируются и захватываются внутри LOE 20 тем же образом, который описан выше со ссылкой на ФИГ.16. Поскольку конечная собирающая линза теперь расположена рядом с вводящим элементом 206 LOE 20, оптическая система, показанная на ФИГ.18, может быть даже более компактной, чем системы, использующие коллимирующие модули, описанные выше со ссылкой на ФИГ.1-8b.
Подобно описанному выше со ссылкой на ФИГ.5-8b, здесь также количество элементов, которые могут использоваться в коллимирующем модуле, не ограничено одним. На ФИГ.19 показан коллимирующий модуль, у которого к оптической цепочке добавлена вторая линза. Здесь завершающая призма 233 добавлена к подложке 228, причем две главные поверхности 234 и 235 объединенной подложки 236 параллельны. Также вместо использования простого отражающего зеркала поляризующий светоделитель 237 из проволочной сетки вмонтирован между подложкой 228 и призмой 233, причем главная ось сетки повернута на 90° по сравнению с показанной на ФИГ.1. То есть здесь поляризующий светоделитель ориентирован на отражение р-поляризации и пропускание s-поляризации. Как показано, s-поляризованная входная волна 18 проходит через первый поляризующий светоделитель 237 и через правую часть LOE 20. Затем она отражается, частично собирается и изменяется на р-поляризованный свет замедляющей пластиной 208 и первой линзой 238, имеющей отражательную заднюю поверхность 239. Затем она отражается первым поляризующим светоделителем 237, верхней поверхностью 234 призмы и затем вторым поляризующим светоделителем 232. Затем она проходит через поляризующий светоделитель 206, отражается, полностью коллимируется и изменяется обратно на s-поляризованный свет замедляющей пластиной 208 и второй линзой 220. Волна затем захватывается в LOE таким же образом, как описано выше со ссылкой на ФИГ.16.
Как сказано выше со ссылкой на ФИГ.1 и в конфигурации, показанной на ФИГ.19, замедляющая пластина 208 и передняя поверхность отражающих линз 220 и 238 могут быть сцементированы вместе для образования одного элемента. Было бы выгодно, однако, сцементировать все различные компоненты LCE вместе, а именно подложку 234, замедляющую пластину 208 и линзы 220 и 238, с LOE 20 для образования одного компактного элемента с намного более простым механическим модулем.
На ФИГ.20 показан модуль, в котором верхняя поверхность 234 подложки 236 сцементирована на плоскости 240 сопряжения с нижней поверхностью 26 LOE 20 и в котором замедляющая пластина 208, которая уже сцементирована с линзами 220 и 238, также сцементирована на плоскости 242 сопряжения с верхней поверхностью 27 LOE 20. Основная проблема предложенной конфигурации заключается в том, что процесс цементирования устраняет ранее существовавшие воздушные зазоры между LOE 20 и подложкой 234 и замедляющей пластиной 208. Эти воздушные зазоры очень важны для захвата входных волн 18 в подложке 234 и выходных волн 212 в LOE 20. Как показано на ФИГ.20, захваченные световые волны 18 должны отражаться в точках 244 и 246 от плоскости 240 сопряжения, и захваченные световые волны 212 должны отражаться в точках 248 и 250 от плоскости 242 сопряжения. Поэтому на эти плоскости должно быть нанесено соответствующее отражающее покрытие либо на главных поверхностях 26 и 27 LOE 20, либо на верхнюю поверхность 236 подложки 236 и замедляющей пластины 208. Простое отражающее покрытие, однако, не может быть легко нанесено, поскольку эти поверхности должны также быть прозрачными для световых волн, которые входят и выходят из LOE 20, например, в точках 252. Световые волны должны проходить через плоскости 240 и 242 под малыми углами падения и отражаться под более высокими углами падения. В показанном примере проходящие углы падения равны 0-15° и отражающие углы падения равны 50-80°.
На ФИГ.21 и 22 показано соответственно для s- и р-поляризации, кривые коэффициента отражения как функций углов падения для трех типичных длин волн в фотопическом диапазоне: 460 нм, 550 нм и 640 нм. Как показано на ФИГ.21, можно получить требуемые характеристики высокой отражательной способности (свыше 95%) при больших углах падения и низкой отражательной способности (ниже 5%) при малых углах падения для s-поляризованных световых волн. Для р-поляризованного света, однако, как показано на ФИГ.22, невозможно получить высокую отражательную способность при углах падения в интервале от 50 до 70° из-за близости к углу Брюстера.
На ФИГ.23а и 23b показаны два способа преодоления этой проблемы. Для обоих способов световые волны от источника освещения дисплея являются линейно р-поляризованными, и главная ось сетки повернута на 90° по сравнению с таковой на ФИГ.19 и 20. То есть поляризующий светоделитель здесь ориентирован на отражение s-поляризации и пропускание р-поляризации. Теперь отраженные волны, которые падают на точки 244 и 246, являются s-поляризованными, и можно получить требуемую отражательную способность. ФИГ.23а иллюстрирует способ, в котором четвертьволновая замедляющая пластина 254 введена между отражающей поверхностью 232 и подложкой 236. Здесь при прохождении через пластину 254 дважды и отражении от поверхности 232 поляризация световой волны обращается, и теперь р-поляризованные световые волны вводятся в LOE 20 таким же образом, как сказано выше со ссылкой на ФИГ.19. На ФИГ.23b показан способ, в котором полуволновая замедляющая пластина 256 введена между верхней поверхностью 234 подложки 236 и нижней поверхностью 26 LOE 20. Здесь при прохождении через пластину 256 поляризация световой волны обращается, и теперь р-поляризованные световые волны вводятся в LOE.
Трудность, все еще существующая в конфигурациях, показанных на ФИГ.23а и 23b, заключается в том, что LOE, а также подложка 236, собраны из нескольких разных компонентов. Поскольку процесс изготовления обычно содержит цементирование оптических элементов и поскольку требуемое чувствительное к углу отражающее покрытие обычно наносят только на поверхность подложки после завершения изготовления LOE 20 и подложки 234, невозможно использовать традиционные способы нанесения горячих покрытий, которые могут повредить цементированные участки. Новые тонкопленочные технологии и способы ионно-лучевого нанесения покрытий также могут использоваться для холодной обработки. Устранение необходимости в нагреве деталей позволяет безопасно наносить покрытия на сцементированные детали. Альтернативный способ показан на ФИГ.24. Здесь прозрачные пластины 258 и 260 помещены в плоскости 240 и 242 сопряжения соответственно. Теперь требуемое покрытие может быть просто нанесено на наружные поверхности этих подложек с использованием способов нанесения горячих покрытий, и затем они могут быть сцементированы в требуемых местах. Для нижней подложки 258 можно нанести покрытие на нижнюю поверхность 262, верхнюю поверхность 264 или даже на обе поверхности. Для верхней подложки 260 предпочтительной является нижняя поверхность 266, которая прилегает к LOE.
До сих пор предполагалось, что источник освещения дисплея линейно поляризованный. Однако существуют оптические системы, такие как OLED, в которых источник освещения дисплея неполяризованный и где важна максимально возможная эффективность. В этих случаях можно разделять входные световые волны от источника освещения дисплея на два разных изображения.
На ФИГ.25 показано оптическое устройство, в котором второй LCE 270 прикреплен к LCE 129, который показан на ФИГ.1. Вместо использования простого отражающего зеркала 116, поляризующий светоделитель 272 с проволочной сеткой вмонтирован между LCE 129 и 270. Как показано, хотя s-поляризованные входные световые волны отражаются и коллимируются таким же образом, как сказано выше со ссылкой на ФИГ.1, р-поляризованная входная волна 274 проходит через первый поляризующий светоделитель 272, затем отражается, собирается и изменяется на s-поляризованный свет замедляющей пластиной 278 и второй собирающей линзой 280, имеющей отражательную заднюю поверхность 282. Затем отражается первым поляризующим светоделителем 272, верхней поверхностью 284 LCB 270 и затем отражающей поверхностью 285.
Основным недостатком варианта осуществления, показанного на ФИГ.25, является то, что фокусное расстояние собирающих линз 124 и 280 не может быть идентичным, изображения от LCE 129 и 270 различные. На ФИГ.26 показана модифицированная конфигурация, в которой в LCE 270 использованы две различные собирающие линзы. Объединенная мощность линз 286 и 288 рассчитана так, чтобы быть идентичной мощности отражающего оптического элемента 124. Следовательно, изображения двух LCE теперь могут быть идентичными. На ФИГ.27 показана еще одна модификация расположения, показанного на ФИГ.25. Здесь собирающие линзы 124 и 280 заменены двумя простыми отражающими поверхностями 292 и 294 соответственно. Две идентичные коллимирующие линзы 296 и 298 помещены рядом с верхней главной поверхностью для получения оптической системы с двумя идентичными изображениями 300L и 300R соответственно.
На ФИГ.28 показана оптическая система, в которой двойное изображение 300L и 300R от LCE 129 и 270 вводится в два разных LOE, 20L и 20R соответственно. Как показано, изображения 300L и 300R имеют р-поляризацию и s-поляризацию соответственно. Это может являться недостатком для систем, в которых для обоих изображений требуется одинаковая поляризация.
На ФИГ.29 показана оптическая система, в которой полуволновая замедляющая пластина 301 введена между левым LCE 129 и левым LOE 20L для создания двух идентичных линейно s-поляризованных изображений, 300L и 300R.
Еще один модифицированный вариант компоновки для двойного изображения показан на ФИГ.30. Здесь LOE введены между двумя идентичными коллимирующими линзами 302L и 302R и четвертьволновыми замедляющими пластинами 304L и 304R, причем световые волны изображений коллимируются и вводятся в LOE таким же образом, как сказано выше со ссылкой на ФИГ.16. В этом способе ввода предпочтительно, чтобы световые волны, вводимые в LOE, были р-поляризованными. Следовательно, полуволновая замедляющая пластина 301 теперь введена между правым LCE 272 и правым LOE 20R для создания двух идентичных линейно р-поляризованных входных волн 300L и 300R. Как показано на ФИГ.31, эта оптическая конфигурация может быть собрана в оправе 305 очков для создания оптического устройства, в котором одно и то же изображение проецируется на оба глаза 24L и 24R путем использования только одного источника 112 освещения дисплея, который расположен между двумя стеклами очков. Обычно носовая перегородка обычной оправы очков расположена в нескольких миллиметрах выше глаз.
ФИГ.32 иллюстрирует способ надлежащего введения изображений в глаза пользователя. Здесь центр источника 112 освещения дисплея расположен немного выше центров коллимирующих линз 302L и 302R, которые расположены немного выше центров глаз 24L и 24R. В результате изображения проецируются в глаза, причем главные оси изображений наклонены на несколько градусов над горизонтом. Как показано на ФИГ.31 и 32, оптический модуль, который может быть добавлен к любой традиционной оправе, может быть очень компактным и легким без неудобства для пользователя.
Во всех оптических системах, которые были описаны выше со ссылками на ФИГ.25-32, LCE коллимируют неполяризованные световые волны. Тем не менее, такие микродисплеи, как LCD или LCOS, где возникающий свет является линейно поляризованным, также могут использоваться в качестве источника освещения дисплея. Это может быть сделано путем поворота линейной поляризации световых волн источника освещения дисплея на 45° или путем ее преобразования в круговую поляризацию.
Во всех оптических системах, которые были описаны выше со ссылками на ФИГ.1-32, LCE работает в качестве коллиматора. То есть реальное изображение от источника освещения дисплея фокусируется до бесконечности. Кроме того, главной целью для материализации LCE было создание коллимируемых световых волн в качестве входного сигнала для оптической системы на основе LOE. Понятно, что устройство LCE можно использовать для различных оптических операций и многих других применений. То есть LCE может фокусировать изображение на другое расстояние, чем бесконечность, и может быть введен в другие системы, где желательно получить хорошие эксплуатационные характеристики при сохранении компактности и небольшой массы системы.
На ФИГ.33 показана оптическая система, в которой LCE действует в качестве фокусирующего объектива для фотокамеры. Здесь р-поляризованный компонент входной волны 306 от внешней сцены проходит через верхнюю поверхность 307 LCE 129 и через поляризующий светоделитель 308. Затем он отражается, собирается и изменяется на s-поляризованный свет замедляющей пластиной 310 и фокусирующим объективом 312, имеющим отражательную заднюю поверхность 314. Затем он отражается поляризующим светоделителем 308, нижней поверхностью 316 LCE 129 и затем отражающей поверхностью 318. Собираемая световая волна выходит из LCE через нижнюю поверхность 318 и фокусируется на детекторной плоскости 320. К этому устройству может быть добавлен механизм фокуса путем возможности боковой трансляции фотокамеры или фокусирующего объектива по оси Z по отношению к нижней плоскости 316.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено подробностями вышеприведенных примеров вариантов осуществления и может быть осуществлено в других конкретных формах без отхода от его сути или существенных признаков. Приведенные варианты осуществления поэтому должны считаться во всех отношениях иллюстративными и не ограничительными, а объем изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения, а не в вышеприведенном описании, и все изменения, которые подпадают под значение и серию эквивалентов пунктов формулы, поэтому считаются охваченными ими.