ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО К ПРИКОСНОВЕНИЮ И ОБЪЕКТАМ ДИСПЛЕЯ
LIGHTING DEVICE FOR TOUCH- AND OBJECT-SENSITIVE DISPLAY

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основанные на видении системы ввода упрощают людям взаимодействие с компьютерами. В частности, способность компьютера распознавать касание и идентифицировать объекты позволяет реализовать широкий спектр естественных, интуитивных механизмов ввода. В соответствии с этим, дальнейшее развитие технологий ввода на основе видения может создать практическую альтернативу механизмам ввода с помощью клавиатуры и мыши. Благодаря более высокой функциональности, компактности и универсальности конструкции система ввода на основе видения может находиться в одной области с системой отображения, такой как плоскопанельная система отображения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается объединенная система видения и отображения. Система включает в себя слой формирования отображаемого изображения, выполненный с возможностью передачи отображаемого изображения для просмотра сквозь поверхность отображения. Система также включает в себя детектор изображения, выполненный с возможностью визуализации инфракрасного излучения в узком диапазоне углов относительно нормали к поверхности отображения. При этом визуализируемое инфракрасное излучение включает в себя отражение от одного или более объектов, расположенных на поверхности отображения или вблизи нее. Система также включает в себя осветительное устройство системы видения, содержащее излучатель системы видения и пропускающий видимое и инфракрасное излучение световод. Излучатель системы видения выполнен с возможностью излучения инфракрасного излучения для освещения одного или более объектов. Световод выполнен с возможностью приема инфракрасного излучения от излучателя системы видения. Световод проводит инфракрасное излучение посредством полного внутреннего отражения и проецирует инфракрасное излучение на упомянутый один или более объектов за пределами узкого диапазона углов относительно нормали к поверхности отображения.
Следует понимать, что приведенная выше сущность изобретения приведена для того, чтобы ввести в упрощенном виде некоторые из понятий, которые дополнительно описываются в подробном описании, следующим ниже. Она не предполагает выявления основных или существенных признаков заявляемого объекта изобретения, объем которого определяется формулой изобретения, следующая за подробным описанием. Кроме того, заявляемый объект изобретения не ограничивается реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, упомянутые выше или в какой-либо части данного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показаны особенности автоматизированного рабочего места в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3-10 представляют собой схематические виды в разрезе, на которых показаны особенности соединительных структур в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг.11 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы в другом варианте осуществления настоящего изобретения.
На фиг.12 показан график облученности в зависимости от расстояния поперек световода в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
R
На фиг.13 показан график отражательной способности  слоя фильтра, как функция длины волны для двух диапазонов углов падения, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.14 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы в другом варианте осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описывается объект настоящего изобретения со ссылкой на некоторые примеры осуществления. Компоненты, которые могут быть по существу одинаковыми в двух или более вариантах осуществления, обозначаются согласованно и описываются с минимальными повторами. Однако следует отметить, что компоненты, обозначаемые согласованно в различных вариантах осуществления, могут отличаться, по меньшей мере, частично. Кроме того, следует отметить, что входящие в описание чертежи являются схематичными. Иллюстрированные варианты осуществления, как правило, не вычерчиваются в масштабе; соотношения сторон, размеры элементов и количества элементов могут быть специально изменены, чтобы отдельные признаки или соотношения легче воспринимались.
На фиг.1 показаны особенности автоматизированного рабочего места 10 в одном примерном варианте осуществления. Автоматизированное рабочее место включает в себя крупноформатную чувствительную к прикосновению и объектам поверхность 12 отображения, которая может быть ориентирована горизонтально. При такой ориентации один или более человек могут стоять или сидеть рядом с автоматизированным рабочим местом, чтобы видеть поверхность отображения и взаимодействовать с ней сверху. Ниже поверхности отображения располагается оптическая система 14. Оптическая система может быть выполнена с возможностью обеспечения функций отображения, а также функций ввода на основе видения автоматизированного рабочего места. В соответствии с этим, оптическая система может содержать объединенную систему видения и отображения.
Для обеспечения функций отображения оптическая система 14 может быть выполнена с возможностью проецирования видимого изображения сквозь поверхность 12 отображения. Для обеспечения функций ввода на основе видения оптическая система может быть выполнена с возможностью захвата, по меньшей мере, частичного изображения одного или более объектов 16, расположенных на поверхности отображения или вблизи нее - например, пальцев, фишек, электронных устройств, бумажных карт, пищи или напитков. В соответствии с этим, оптическая система может быть выполнена с возможностью освещения объектов и детектирования излучения, отраженного от объектов. Таким образом, оптическая система может регистрировать положение, площадь вертикальной проекции или иное свойство объектов, расположенных на поверхности отображения или вблизи нее.
На фиг.1 показан компьютер 18, скрытый в автоматизированном рабочем месте 10 и функционально связанный с оптической системой 14. В других вариантах осуществления компьютер может быть расположен и/или распределен удаленно и подсоединен к оптической системе посредством проводной или беспроводной линии связи. Независимо от своего расположения компьютер может быть выполнен с возможностью передачи отображаемых данных на оптическую систему и приема входных данных с оптической системы. Дополнительно, компьютер может быть выполнен с возможностью обработки входных данных для выдачи разного рода информации.
Фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы 14 в одном примере осуществления. Оптическая система включает в себя подсветку жидкокристаллического дисплея (LCD) 20, размещаемую для проецирования видимого излучения на управляющий слой 22 LCD и частично сквозь него. Подсветка LCD и управляющий слой LCD в совокупности размещаются для формирования отображаемого изображения, видимого сквозь поверхность 12 отображения.
Подсветка LCD 20 может содержать любой источник света, надлежаще выполненный с возможностью использования в системе отображения на основе LCD; она может содержать подходящую повышающую яркость пленку, ограничивающую угол пленку или иную структуру и один или более профилирующих освещение слоев. В одном варианте осуществления подсветка LCD может содержать один или более компактных цилиндрических люминесцентных (CCFL) источников света. В другом варианте осуществления подсветка LCD может содержать один или более светодиодов (LED) - красных, зеленых и синих светодиодов или, например, встроенных белых светодиодов.
Управляющий слой 22 LCD является формирующим отображаемое изображение слоем, выполненным с возможностью передачи отображаемого изображения для просмотра сквозь поверхность 12 отображения; он содержит двумерную матрицу стробоскопических элементов, выполненных с возможностью пространственного и временного модулирования интенсивности света от подсветки 20 LCD. В одном варианте осуществления стробоскопические элементы могут быть поляризационными элементами LCD, связанными с красными, зелеными и синими окнами прозрачности. В одном варианте осуществления управляющий слой LCD и подсветка LCD могут быть функционально подсоединены к компьютеру 18 и выполнены с возможностью приема от него отображаемых данных.
Далее, в соответствии с фиг.2, оптическая система 14 содержит формирующую оптику 24 и детектор 26 изображения. Формирующая оптика может иметь клиновидную форму и практически плоские противолежащие верхнюю и нижнюю поверхности, которые определяют клиновидность величиной один градус или меньше. Верхняя поверхность формирующей оптики может быть выполнена с возможностью пропускания излучения, отражаемого от одного или более объектов 16, расположенных на поверхности 12 отображения или вблизи нее. Нижняя поверхность может содержать отклоняющую пленку, выполненную с возможностью отклонения отражаемого излучения в направлении к искривленной поверхности грани формирующей оптики. Искривленная поверхность грани может поддерживать отражающую структуру Френеля, выполненную с возможностью фокусирования и отражения излучения в направлении к детектору 26 изображения. В одном варианте осуществления излучение, отражаемое от объектов на поверхности отображения, может распространяться в направлении к искривленной поверхности грани, и от нее, посредством полного внутреннего отражения (TIR) от верхней и нижней поверхностей формирующей оптики.
Детектор 26 изображения может быть выполнен с возможностью формирования изображения отражения от одного или более объектов 16, расположенных на поверхности 12 отображения или вблизи нее. Детектор изображения может быть выполнен с возможностью захвата, по меньшей мере, частичного изображения объектов и выдачи соответствующих данных изображения в компьютер 18. В соответствии с этим, компьютер может быть выполнен с возможностью приема и обработки данных изображения от детектора изображения и при этом реагировать на положение объектов. В одном варианте осуществления детектор изображения может содержать цифровую камеру.
Детектор 26 изображения может формировать изображения некоторых отражений от объектов 16 и исключать остальные. В частности, отражения, сформированные детектором изображения, могут быть ограничены узким (например, ±10 градусов) диапазоном углов относительно нормали к поверхности отображения, т.е. направления, перпендикулярного к поверхности 12 отображения. Такое ограничение может обеспечиваться ввиду, по меньшей мере, трех конструктивных признаков показанной конфигурации. Во-первых, детектор изображения может включать в себя апертуру, выполненную с возможностью пропускания излучения в пределах ограниченного по углам «поля зрения» детектора изображения и блокирования излучения вне поля зрения. Во-вторых, клиновидная форма формирующей оптики 24 может по своей сути ограничивать входную угловую апертуру излучения, поступающего с верхней поверхности, относительно узким диапазоном углов (например, от 2 до 3 градусов). Поскольку формирующая оптика является по существу телецентрической с точки зрения направляющего угла входной угловой апертуры в зависимости от положения по ширине оптики, изменение направляющего угла может происходить в пределах 10 градусов относительно нормали к поверхности в любом месте по всей верхней поверхности. В-третьих, формирующая оптика может быть выполнена с возможностью отображения пространства положений во входном окне в пространство углов в выходном окне, в котором может размещаться линза детектора изображения. Ввиду отображения положения в угол, осуществляемого формирующей оптикой и линзой (которая преобразует угловую информацию на входном окне назад в пространственную информацию на детекторе изображения), изображение поверхности отображения может быть сформировано в детекторе изображения; при этом поле зрения, формируемое детектором изображения, содержит изображение поверхности отображения. Поскольку отражения от объектов 16 на поверхности 12 отображения или вблизи нее могут быть по существу рассеивающими и имеющими большой (например, ламбертовский) стягиваемый угол, излучение, отражаемое от оптики вниз, практически перпендикулярно поверхности 12 отображения, может изображаться, а излучение с большей величиной угла падения относительно поверхности отображения может не изображаться. Такая конфигурация может помочь избежать нежелательного снижения контраста в захваченном изображении из-за рассеяния излучения вниз от осветительного устройства системы видения, как дополнительно описывается ниже.
Детектор 26 изображения может включать в себя один или более светофильтров - например, цветных или интерференционных - расположенных перед апертурой для ограничения отклика детектора изображения одной или более полос длин волн. Светофильтры могут включать в себя высокочастотные, низкочастотные или полосовые фильтры; они могут, например, пропускать инфракрасное излучение, поглощать видимое излучение и/или отражать видимое излучение. В одном варианте осуществления один или более оптических фильтров может быть выполнен с возможностью ограничения отклика детектора изображения узкой полосой длин волн излучения, испускаемого осветительным устройством системы видения, как дополнительно описывается ниже.
На фиг.2 показан лишь один вариант осуществления оптической системы 14. В других вариантах осуществления формирующая оптика 24 и детектор 26 изображения могут быть заменены мозаикой из детекторов изображения с уменьшенным шагом, каждый из которых захватывает изображение с ограниченной части поверхности 12 отображения. В соответствии с этим, компьютер 18 может быть выполнен с возможностью приема изображения от каждого из детекторов изображения и собирать из них суммарное изображение. Еще в одном варианте осуществления может использоваться конфигурация формирования изображения со смещенной осью для получения изображения объектов, расположенных на поверхности отображения или вблизи нее.
Далее, в соответствии с фиг.2, оптическая система 14 включает в себя осветительное устройство 28 системы видения. Осветительное устройство системы видения выполнено с возможностью освещения объектов, расположенных на поверхности отображения или вблизи нее, тем самым подавая излучение, которое регистрируется, как описано выше, после отражения от объектов. В показанном варианте осуществления осветительное устройство системы видения содержит излучатель 30 системы видения, световод 32 и соединительную структуру 34.
Излучатель 30 системы видения может быть выполнен с возможностью испускания инфракрасного излучения. В одном варианте осуществления излучатель системы видения может испускать излучение в узкой полосе длин волн с центром на 850 нанометров. В соответствии с этим, излучатель системы видения может содержать матрицу инфракрасных (ИК) светодиодов, размещаемых вдоль одной или более сторон или боковых поверхностей световода 32. В одном варианте осуществления ИК светодиоды могут размещаться вдоль одной боковой поверхности световода и отстоять друг от друга на расстоянии 10-20 миллиметров, хотя предусматриваются также и другие расстояния; в другом варианте осуществления матрица ИК светодиодов может быть распределена вдоль противоположных боковых поверхностей световода.
Световод 32 может содержать пластинчатый или клиновидный монолит, имеющий противоположные верхнюю и нижнюю поверхности и выполненный с возможностью приема инфракрасного излучения от излучателя 30 системы видения. На следующих чертежах, на которых световод показан более детально, ссылочная позиция 36 используется для обозначения пластинчатого световода, а ссылочная позиция 38 используется для обозначения клиновидного световода. Далее, в соответствии с фиг.2, световод может быть выполнен из материала, пропускающего в одном или более инфракрасных диапазонах длин волн и в одном или более видимых диапазонов длин волн. В частности, материал может пропускать, по меньшей мере, на некоторых длинах волн, испускаемых излучателем 30 системы видения, и, по меньшей мере, на некоторых длинах волн, испускаемых подсветкой LCD 20. Световод может быть выполнен с возможностью проведения инфракрасного излучения посредством TIR от верхней и нижней поверхностей и проецирования инфракрасного излучения на объекты 16 за пределами узкого диапазона углов, допускаемых детектором 26 изображения.
Соединительной структурой 34 может быть любой узел коллимирующих оптических средств, выполненный с возможностью частичного сведения излучения и ввода его от излучателя 30 системы видения в световод 32. Ниже со ссылкой на фиг.3-10 описаны несколько вариантов осуществления соединительной структуры. В каждом варианте осуществления относительное расположение и свойства материалов излучателя системы видения, соединительной структуры и световода могут выбираться таким образом, чтобы расходящийся световой поток от излучателя системы видения собирался и вводился в световод.
Далее, в соответствии с фиг.2, оптическая система 14 включает в себя защитный слой 40. Защитный слой может содержать лист, выполненный из пропускающего видимое и инфракрасное излучение материала, по существу, так же, как описано для световода 32. В показанном варианте осуществления верхняя поверхность защитного слоя содержит малорассеивающий слой 42, выполненный с возможностью ослабления зеркального отражения окружающего освещения. В других вариантах осуществления защитный слой может содержать любое подходящее просветляющее покрытие. В показанном варианте осуществления защитный слой 40 связан с управляющим слоем 22 LCD через среднерассеивающий слой 44, который выполнен с возможностью маскирования или затемнения различных внутренних компонентов оптической системы от просмотра сквозь поверхность 12 отображения. В одном варианте осуществления среднерассеивающий слой может обеспечивать угловое расхождение подсветки дисплея порядка 35-45 градусов на уровне половины максимума, делая внутренние компоненты оптической системы менее заметными для зрителя.
Как показано на фиг.2, управляющий слой 22 LCD может быть нанесен между световодом 32 и поверхностью 12 отображения. Однако понятно, что иные конфигурации, полностью согласующиеся с описанием, могут дать иную конфигурацию слоев. В частности, световод может быть выполнен в виде слоя между образующим отображаемое изображение слоем и поверхностью отображения, например световод может располагаться над управляющим слоем LCD для сокращения потерь на освещение от управляющего слоя LCD, как дополнительно описывается ниже. А в некоторых вариантах осуществления любой из слоев - защитного слоя 40 и рассеивающих слоев 42 и 44 - или все они могут быть исключены из оптической системы, при этом функции этих слоев переходят к другим компонентам оптической системы.
Фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительной структуры в одном примеренном варианте осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46 и уголковую призму 48. Поверхность гипотенузы уголковой призмы оптически присоединена впритык к нижней поверхности световода 32 вблизи края нижней поверхности световода и параллельно ей. Стержневая линза выровнена по основной плоскости уголковой призмы под световодом и параллельна кромке нижней поверхности световода. По отношению к основной поверхности уголковой призмы излучатель 30 системы видения располагается на диаметрально противоположной стороне стержневой линзы. В одном варианте осуществления стержневая линза и уголковая призма могут быть выполнены из акрилового полимера или поликарбоната. Стержневая линза может, например, представлять собой экструдированный стержень из акрилового полимера диаметром 3 миллиметра.
В данном и последующих вариантах осуществления стержневая линза 46 выполнена с возможностью сужения светового конуса, излучаемого излучателем 30 системы видения с тем, чтобы значительная часть света передавалась через горизонтальную плоскость симметрии световода 32 и почти параллельно ей при относительно небольшом числе отражений от верхней и нижней поверхностей световода. В некоторых вариантах осуществления та же стержневая линза может служить для ввода излучения от множества излучателей системы видения в световод. Такая конфигурация лучше видна на фиг.4, на которой показана горизонтальная проекция данного варианта осуществления снизу. В одном варианте осуществления стержневая линза может перекрывать кромку нижней поверхности световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя стержневую линзу и уголковую призму, ориентированные вдоль каждого из двух противолежащих краев нижней поверхности световода. В вариантах осуществления, которые включают в себя стержневую линзу, только излучение практически в направлении, перпендикулярном горизонтальной плоскости световода, собирается с уменьшением расходимости, так что боковое рассеяние излучения в горизонтальной плоскости происходит на небольшом оптическом пути, что в ряде случаев может оказаться полезным для достижения высокой равномерности на кратчайшем оптическом пути вдоль световода. В других вариантах осуществления, в которых выпуклые линзы обеспечивают фокусировку (см. ниже), излучение собирается в двух направлениях и при этом может потребовать более длинного оптического пути вдоль световода, перед тем как достичь близкого уровня равномерности в поперечном направлении световода.
Фиг.5 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительных структур другого варианта осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46 и призму Френеля 50. Призма Френеля оптически соединена впритык к нижней поверхности световода 32 вблизи края нижней поверхности световода и параллельно ей. Стержневая линза расположена под световодом, параллельна кромке нижней поверхности световода и выполнена с возможностью ввода излучения в призму Френеля. В одном варианте осуществления стержневая линза может перекрывать кромку нижней поверхности световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя стержневую линзу и призму Френеля, ориентированные вдоль каждого из двух противолежащих краев нижней поверхности световода. В других вариантах осуществления вместо призмы Френеля может использоваться призматическая решетка. В других вариантах осуществления призматическая решетка может быть дополнена линзовой решеткой для суммирования оптической мощности.
Фиг.6 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительной структуры в другом примере осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46 и уголковую призму 52, имеющую посеребренную поверхность гипотенузы. Основная плоскость уголковой призмы расположена впритык к краевой поверхности световода 32. Стержневая линза выровнена по смежной основной плоскости уголковой призмы под световодом и параллельна кромке нижней поверхности световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя две стержневые линзы и две уголковые призмы, ориентированные вдоль противолежащих краевых поверхностей световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя призму, поверхность гипотенузы которой не является посеребренной и в которой используется TIR на границе. В таком случае расходимость светового потока может быть низкой с целью сохранения высокой эффективности соединения.
Фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительной структуры в другом примере осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46 и трапецеидальную призму 54, имеющую посеребренные наклонные плоскости. Длинная основная плоскость трапецеидальной призмы содержит противолежащие первую и вторую концевые зоны. Первая концевая зона длинной основной плоскости расположена впритык к краевой поверхности световода 32. Вторая концевая зона длинной основной плоскости выровнена по стержневой линзе под световодом и параллельна кромке нижней поверхности световода. В одном варианте осуществления трапецеидальная призма может быть выполнена из акрилового полимера или поликарбоната. В одном варианте осуществления стержневая линза может перекрывать кромку нижней поверхности световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя стержневую линзу и трапецеидальную призму, ориентированные вдоль каждого из двух противолежащих краевых поверхностей световода. В другом варианте осуществления соединительная структура может включать в себя трапецеидальную призму, наклонные плоскости которой не являются посеребренными.
Фиг.8 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительной структуры в другом примере осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46. Ось стержневой линзы может лежать в горизонтальной плоскости симметрии световода 32 и быть ориентированной параллельно краевой поверхности световода. В одном варианте осуществления стержневая линза может перекрывать краевую поверхность световода. Другие варианты осуществления могут включать в себя стержневую линзу, ориентированную вдоль каждого из двух противолежащих краевых поверхностей световода.
Фиг.9 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности соединительной структуры в другом примере осуществления. Показанная соединительная структура содержит стержневую линзу 46 и линзообразную решетку 56. Стержневая линза может быть ориентирована вблизи наклонной краевой поверхности световода 38 и параллельно ей. В одном варианте осуществления линзообразная решетка может быть встроена в пленку, которая прикрепляется к наклонной краевой поверхности световода. В других вариантах осуществления стержневая линза может быть заменена коллектором в виде одномерного сложного параболического концентратора (1D-CPC). В других вариантах осуществления линзообразная решетка может быть заменена коллектором в виде 1D-CPC для суммирования оптической мощности, а в одном варианте осуществления 1D-CPC может заменять как стержневую линзу, так и линзообразную решетку.
Соединительная структура, показанная на фиг.9, может использоваться, в том числе, для ввода излучения в наклонную краевую поверхность клиновидного световода 38 таким образом, чтобы излучение, введенное в световод, выходило через верхнюю плоскость, как показано на чертеже. В данной конфигурации пространственная неравномерность излучения, выходящего из верхней плоскости, связана с угловой равномерностью излучения, вводимого в наклонную краевую поверхность. Поэтому желательно, чтобы соединительная структура обеспечивала очень равномерный ввод излучения как функцию от угла падения. В варианте осуществления, изображенном на фиг.9, это достигается выбором линзообразной решетки 56 и/или 1D-CPC, который проецирует излучение в ограниченном диапазоне углов и с высокой угловой равномерностью. Кроме того, стержневая линза 46 может выбираться для собирания излучения в диапазоне углов несколько более острых, чем выходная угловая апертура линзообразной решетки.
Описанные выше варианты осуществления соединительной структуры включают в себя коллимирующие оптические средства (стержневые линзы, призмы, линзообразные решетки, коллекторы в виде 1D-CPC и решетки), имеющие оптическую мощность только в одном направлении. В соответствии с этим упомянутые коллимирующие оптические средства собирают излучение от излучателя 30 системы видения только в одном направлении. Поэтому она может перекрывать полную длину края световода с тем, чтобы собирать излучение от множества излучателей системы видения, размещенных на кромке, как показано на примере в изображенной на фиг.4 горизонтальной проекции. Однако в других вариантах осуществления соединительная структура может включать в себя аналогичные коллимирующие оптические средства, имеющие оптическую мощность в двух направлениях, например выпуклые линзы и 2D-CPC. В таких вариантах осуществления соединительная структура может включать в себя набор коллимирующих оптических средств, связанный с соответствующими наборами излучателей системы видения и далее связанный со световодом 32. Такая конфигурация показана, например, на фиг.10, на которой коллимирующие оптические средства 58 выполнены в виде двумерных коллимирующих оптических средств.
Следует отметить, что хотя различные упомянутые выше коллимирующие оптические средства могут предусматривать повышенную эффективность ввода в световод, она может требоваться не во всех случаях. Например, при соединении на кромке световода 32 высокая эффективность ввода может быть достигнута без использования коллимирующих оптических средств, но ввиду более высокой угловой расходимости вводимого излучения слой сбора рассеянного излучения (см. ниже) должен предусматривать значительно меньшую интенсивность рассеяния по сравнению со случаем, в котором излучение собирается с меньшей расходимостью. Однако в конфигурациях, в которых излучение вводится с нижней стороны световода, могут возникнуть потери ввода, когда излучение не собирается при очень малой расходимости.
В соответствии с фиг.9, клиновидный световод 38 содержит практически плоские и противоположные верхнюю и нижнюю поверхности. Верхняя и нижняя поверхности определяют клиновидность, которая в некоторых примерах может составлять от нуля до одного градуса. Противоположные первая и вторая краевые поверхности неодинаковой высоты расположены рядом с верхней и нижней поверхностями. Как показано на фиг.9, инфракрасное излучение от излучателя системы 30 видения входит в световод через соединительную структуру и распространяется по световоду посредством TIR. Излучение проводится от первой краевой поверхности в направлении ко второй краевой поверхности, встречается с верхней или нижней поверхностью с докритическим углом падения и преломляется из верхней поверхности световода в значительной степени коллимированным.
В показанном на фиг.9 варианте осуществления угол падения вводимого излучения относительно противоположных верхней и нижней поверхностей после каждого отражения сокращается на два половинных угла конусности. Отсюда следует, что угол падения на краевые поверхности, на которой излучение входит, отображается в положение вдоль верхней или нижней поверхности, из которой излучение выходит. Поскольку из световода выходит только излучение, нарушающее условие TIR, все излучение, проецируемое из световода, выходит под разными углами, обычно в пределах нескольких градусов относительно критического угла, что определяется коэффициентом преломления среды световода, коэффициентами преломления среды, окружающей световод (например, воздуха), углом излучения на входной краевой поверхности, а для более высокого порядка - толщиной клина и вертикальным местоположением входного излучения на поверхности сопряжения клина. В соответствии с этим, упомянутые параметры могут выбираться таким образом, чтобы значительная часть излучения выходила из световода при относительно большом угле выхода. Обеспечение большого угла выхода целесообразно, поскольку он минимизирует интенсивность рассеянного излучения от осветительного устройства системы видения, которое может пропускаться в детектор 26 изображения. Кроме того, можно доказать, что пространственное распределение светового потока, выходящего из верхней поверхности световода при больших значениях θ, контролируется угловым распределением светового потока, вводимого в световод, как отмечалось выше.
Фиг.11 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы в другом примеренном варианте осуществления. Оптическая система 60 включает в себя пластинчатый световод 36 и соединительную структуру 34, как показано на фиг.8. В показанном на фиг.11 варианте осуществления световод может быть выполнен из толстого листа стекла В270 толщиной приблизительно 3 миллиметра - продукта компании Shott Glass, Inc. Данный продукт имеет коэффициент пропускания от 54 до 50 процентов на метр длины пути на 850 нанометрах.
Световод 36 содержит практически плоские и противоположные верхнюю и нижнюю поверхности и противоположные первую и вторую краевые поверхности практически одинаковой высоты, прилегающие к верхней и нижней поверхностям. Инфракрасное излучение от излучателя 30 системы видения проводится от первой краевой поверхности в направлении ко второй; за счет отражения от противоположных поверхностей инфракрасное излучение, вводимое в световод, распространяется через световод посредством TIR. Как дополнительно описывается ниже, условие TIR может срываться (т.е. нарушаться) различными путями, приводящими к различным режимам обнаружения прикосновения и/или объекта на верхней или нижней поверхности.
Например, наложение пальца на верхнюю поверхность световода 36 или защитного слоя 44, с которым световод оптически связан, может нарушить условие TIR, позволяя излучению выходить из световода и отражаться от пальца. Отраженное излучение может затем распространяться назад через световод при относительно небольшом угле относительно нормали к поверхности и регистрироваться детектором 26 изображения. Далее, поскольку поток отраженного излучения зависит от площади контакта между пальцем и верхней поверхностью световода, компьютер, функционально связанный с детектором изображения, может быть выполнен с возможностью реагирования на увеличивающуюся или уменьшающуюся площадь контакта между упомянутым одним или более объектами и поверхностью отображения. Таким образом, компьютер может определять давление, оказываемое на поверхность, и предпринимать соответствующее действие - увеличивать громкость звука, увеличивать изображение и т.д. - в ответ на факт прикосновения и/или продолжительное внешнее давление.
Описанные выше режимы контактного восприятия основываются на том, что поверхность световода оптически «смочена» соприкасающимся объектом. Однако многие объекты ввиду свойств их материалов или топологии не будут надежно смачивать поверхность, с которой они приводятся в соприкосновение. Кроме того, может оказаться желательным, чтобы система видения обладала способностью воспринимать объект, который находится вблизи, но не касается поверхности отображения. Поэтому предполагаются более универсальные режимы восприятия, которые могут быть установлены вместо добавления описанного выше контактного восприятия. Как дополнительно описывается ниже, условие TIR может быть нарушено в контролируемой степени в отсутствие какого-либо прикосновения обнаруживаемого объекта. В соответствии с этим, описанные здесь оптические системы могут быть выполнены с возможностью обеспечения контактного восприятия на основе прикосновения и на основе видения, а также восприятия и отслеживания объектов вблизи поверхности отображения.
В соответствии с этим, в оптической системе 60 рассеивающий 62 слой расположен на верхней поверхности световода 36 параллельно верхней и нижней поверхностям. Светорассеивающий слой частично нарушает условие TIR на границе раздела между верхней поверхностью световода и слоем над ним - защитным слоем 44 в показанном варианте осуществления. Благодаря взаимодействию со светорассеивающим слоем некоторая часть излучения, которая в других случаях была бы проведена через световод посредством TIR, требует закритического угла, который позволяет ему выходить из световода. Выходящее излучение может распространяться вверх и вниз относительно границы раздела, на которой нарушается условие TIR. Излучение, которое распространяется вверх, может освещать один или более объектов 16, расположенных на поверхности 12 отображения или вблизи нее.
Нарушение условия TIR и выход излучения вверх из световода 36 могут происходить независимо от того, находится ли рассеивающий слой 62 на нижней поверхности или на верхней поверхности. В вариантах осуществления, в которых рассеивающий слой расположен на нижней поверхности световода, может использоваться воздушный зазор или иной слой с низким коэффициентом преломления, чтобы обеспечить распространение нарушения условия TIR на достаточно малые углы падения, чтобы оптически изолировать световод и предотвратить потери ввода излучения в нижележащие слои. Расположение рассеивающего слоя на нижней поверхности световода дает преимущество в уменьшении потери контраста для видимого отображаемого излучения, поскольку слабый рассеивающий эффект снижения контраста отображения уменьшается с сокращением расстояния рассеивателя от слоя отображения. Кроме того, при использовании рассеивающего слоя типа поверхностного рельефа, расположенного на нижней поверхности световода, одним значительным преимуществом является направленное смещение выходящего излучения. В частности, поток излучения, выходящего по направлению к верхней поверхности, может быть на 20-30 процентов больше по сравнению с потоком, выходящим в противоположном направлении. Таким образом, выходящее излучение может более эффективно освещать объекты на поверхности 12 отображения.
В одном варианте осуществления рассеивающий слой 62 может быть выполнен в виде рассеивающего слоя объемного типа, в котором множество рассеивающих элементов распределено в трехмерном объеме на световоде 36 или в нем. В одном примере рассеивающий слой объемного типа может быть выполнен в виде гибкой пленки, имеющей контролируемую плотность центров рассеяния света, таких как частицы, распределенные в ней и закрепленные неподвижно. Гибкая пленка может быть прикреплена к верхней или нижней поверхности световода посредством клеящего вещества с согласованным коэффициентом преломления или каким-либо иным подходящим способом. Одним примером рассеивающего слоя пленки объемного типа является продукт ADF0505 компании Fusion Optix Corporation.
Рассеивающий слой 62 объемного типа имеет особое преимущество при размещении на верхней поверхности световода 36. При размещении рассеивающего слоя объемного типа упомянутым способом световод может быть прикреплен непосредственно к данному слою над ним без какого-либо воздушного зазора. Исключение воздушного зазора может оказаться нецелесообразным для рассеивающих слоев типа поверхностного рельефа (см. ниже), чьи рассеивающие свойства могут быть уменьшены посредством оптического смачивания. Исключение воздушного зазора полезно с точки зрения проектирования; кроме того, оно может уменьшить некоторые оптические артефакты, вызываемые френелевскими отражениями окружающего освещения в многослойной структуре. Однако следует отметить, что даже если рассеивающий слой наслаивается непосредственно на верхнюю поверхность световода, все еще может использоваться воздушный зазор между нижней поверхностью и средним рассеивателем (на фиг.11 не показан), который может наслаиваться на верхнюю поверхность управляющего слоя 22 LCD. В этом случае могут использоваться просветляющие покрытия на любой из различных границ раздела с воздухом оптической системы, помогающие уменьшить потери контраста из-за отражений окружающего освещения.
В другом варианте осуществления рассеивающий слой 62 может быть выполнен в виде рассеивающего слоя типа поверхностного рельефа, в котором множество светорассеивающих элементов размещается на двумерной поверхности на световоде 36 или в нем. Например, рассеивающий слой может содержать периодические или апериодические решетки вогнутых и выпуклых элементарных линз, лунок или выступов. Они могут использоваться в качестве собирающих элементов, дающих точное управление выходящим излучением. В одном варианте осуществления поверхностные элементы могут быть сформованы непосредственно на световоде. К подходящим методам формования относятся, например, термическое формование и УФ-лакирование. В другом варианте осуществления пленка, имеющая такие элементы, может наслаиваться на поверхность световода, накатываться на него (например, накаткой горячим прессом) или формироваться трафаретной печатью. Трафаретная печать, в частности, является примером варианта, который может дать низкие предварительные расходы, а также низкую стоимость серийного производства. В таких случаях можно избежать проблематичных расходов на переоснащение, связанных с некоторыми технологиями рассеивателя. Кроме того, трафаретная печать, накатка и аналогичные способы могут сократить на единицу число наслоений, которое потребовалось бы в альтернативных способах. Поверхностные элементы, которые могут наноситься накаткой или трафаретной печатью, включают в себя белые точки, нарушающие TIR, микроточки или рассеивающие накладки. В других вариантах осуществления точки, микроточки или рассеивающие накладки могут быть прозрачными в видимом диапазоне, но отражающими в инфракрасном диапазоне, например, покрытый дихроичным зеркалом поверхностный рельеф, встроенный в световод.
При покрытии просветляющим покрытием рассеивающий слой, размещаемый на нижней поверхности, может оказаться менее склонным к рассеянию окружающего освещения, обеспечивая поверхность отображения, имеющую общий более ровный и менее молочный вид. В связи с этим, следует понимать, что контрастность изображения на дисплее может уменьшаться, если перед поверхностью отображения помещается какой-либо рассеивающий слой. Потеря контрастности изображения на дисплее может увеличиваться, поскольку заданный рассеиватель помещается в плоскости, находящейся еще дальше от поверхности отображения. Кроме того, при заданном зазоре потеря контрастности изображения на дисплее увеличивается с увеличением степени рассеяния рассеивающего слоя. Чтобы помочь сократить потерю контрастности из-за рассеянного окружающего освещения в противоположность прямому ухудшению качества изображения, вызываемому наблюдением слоя отображения сквозь рассеиватель, просветляющее покрытие может наноситься с обеих сторон воздушного зазора - на нижнюю поверхность рассеивателя (наслоенную или сформованную на нижней поверхности световода) и на верхнюю поверхность среднего рассеивателя, помещенную или наслоенную на нижнюю поверхность световода. При использовании рассеивателя типа поверхностного рельефа, помещенного на нижнюю поверхность световода, одним существенным преимуществом является направленное смещение рассеянного излучения по направлению кверху не менее чем на 30% по сравнению со световой энергией, выходящей вниз, благодаря чему повышается эффективность использования проецируемого излучения в направлении к объектам на нижней поверхности 12 отображения или вблизи нее.
Рассеяние излучения от рассеивающих слоев типа объемного и поверхностного рельефа может быть описано математически. При моделировании такого рассеяния принято представлять характер практически плоского рассеивающего слоя распределением Гаусса, осесимметричным в пространстве направляющих косинусов и имеющим ширину, определяемую интенсивностью рассеяния σ. В соответствии с этим, требуемый показатель σ может быть связан с ожидаемым требуемым нормальным профилем распределения переданного излучения, как описано ниже.
n
Для рассеивающего слоя объемного типа свертка  одинаковых гауссианов дает
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mn>...</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>n</mi><msup><mi>θ</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo></mrow></msqrt></mrow>
θ
θ
θ
n
c
i
eff
p
где  - полная ширина на половине максимума (FWHM) профиля углового рассеяния каждого слоя,  представляет собой ту же угловую ширину при допущении, что все рассеивающие слои являются одинаковыми, а  - результирующий эффективный профиль углового рассеяния для  смежных слоев, имеющих одинаковый профиль рассеяния. Внутри рассеивающей среды оптический путь увеличивается относительно нормали к поверхности в  раз, где
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>a</mi><mi>v</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow></mfrac></mrow>
θ
n
avg
а  - среднее из гауссианов. Для рассеивающего слоя объемного типа оптический путь удваивается, поэтому
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><msubsup><mi>θ</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
и, кроме того,
<mrow><msub><mi>θ</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow></msqrt></mrow>
При моделировании с помощью любой подходящей программы построения хода луча угловая расходимость определяется исходя из гауссиана, имеющего ширину, определяемую σ. В таком случае величина σ может быть преобразована в эффективную угловую ширину FWHM с использованием следующего соотношения:
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn></mrow></msqrt><mi>σ</mi><mo>,</mo></mrow>
а соответствующая эффективная угловая ширина в воздухе может оцениваться следующим образом:
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Следовательно, требуемый профиль выхода по нормали в воздухе рассеивающего слоя объемного типа
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow></msqrt></mrow>
Таким образом, рассеивающий характер показателя (определяемый σ) для достижения заданной выходной равномерности на выходной поверхности световода может вычисляться для заданной толщины световода, длины взаимодействия, потерь на поглощение в материал, а также направления и расходимости вводимого излучения. Далее, результирующая величина σ может быть преобразована в более физический конструктивный показатель для выбора соответствующего рассеивающего слоя, поскольку некоторые рассеиватели характеризуются профилем углового рассеяния при нормальном падении и в воздухе. Наконец, следует отметить, что поскольку в приведенном выше анализе рассматриваются гауссовы профили, значительное отклонение профиля углового рассеяния от гауссова может повлиять на эффективную угловую ширину, используемую выше при моделировании. В таком случае, как рассеивающий слой объемного типа, профиль может более соответствующим образом описываться профилем Хеньи-Гринстейна и при этом иметь такой профиль, чтобы половина энергии в данном профиле существовала в пределах угловой ширины, которая находится несколько за пределами FWHM профиля, вследствие чего необходим дополнительный коэффициент, основанный на распределении энергии. Однако считается, что если показатель σ определяется путем оптимизации модели, такое преобразование значения сигмы, как описано выше, может дать достаточно близкое описание рассеивающего характера, требуемого от рассеивающего слоя, при нормальном падении и в воздухе, чтобы можно было выбирать подходящий рассеивающий слой для световода.
Аналогичным образом, для рассеивающего слоя типа поверхностного рельефа
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mn>...</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>θ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>.</mo></mrow>
Для модели внутри среды используем измеренную полную ширину на половине максимума отраженного излучения при среднем угле
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>a</mi><mi>v</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow></mfrac><msub><mi>θ</mi><mi>m</mi></msub><mo>.</mo></mrow>
Теперь определим ожидаемую передаточную функцию при нормальном падении
<mrow><msub><mi>θ</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>m</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Наконец, получается следующее соотношение:
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mi>r</mi></msub><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>T</mi><mo>,</mo></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
где
Применение изложенной выше теории дает методологические принципы преобразования соответствующих значений σ в физически значимые значения ширины профиля углового рассеяния для рассеивающих слоев 62 в различных предполагаемых здесь вариантах осуществления. В одном примере при использовании показанной на фиг.3 соединительной структуры расчетное оптимальное значение σ для получения равномерного освещения от световода сильно зависит от внутренних углов уголковой призмы, причем упомянутое значение изменяется от 0,035 для смежной стержневой линзы 46 с внутренним углом 60 градусов до 0,06 для внутреннего угла 75 градусов.
t
L
L
К дополнительным параметрам, влияющим на равномерность распределения на выходной поверхности световода, относятся: толщина  световода, длина  области взаимодействия рассеивателя, поглощение материала на длине волны (длинах волн) излучателя системы видения и угловое распределение излучения, вводимого в световод. Как можно было бы ожидать, интенсивность собирания излучения повышается на заданном расстоянии с увеличением числа отражений на границе раздела световод/рассеивающий слой. При этом более тонкий световод характеризуется большим числом отражений на заданном расстоянии по сравнению с более толстым световодом, требуя при этом менее сильнорассеивающего слоя. По тем же причинам взаимодействие в более длинной области  потребует менее сильнорассеивающего слоя. Кроме того, ослабление из-за поглощения в материале вызывает потери излучения при повышенной интенсивности собирания на заданном расстоянии и поэтому потребует менее сильнорассеивающего слоя для сохранения равномерности. Угловая информация излучения, вводимого в световод, влияет на число отражений, претерпеваемых излучением, для заданной толщины и поэтому обуславливает необходимость в более слабом рассеивателе в вариантах осуществления, в которых рассеивающий слой связан с нижней поверхностью световода. При этом для более высоких значений входных углов необходима меньшая интенсивность рассеяния с целью сохранения равномерности на входной поверхности.
В одном варианте осуществления рассеивающий слой 62 может быть равномерно рассеивающим в зависимости от расстояния от одного или более элементов коллимирующих оптических средств в соединительной структуре, например, от стержневой линзы 46 на фиг.11. Он может содержать равномерно сформированный рассеивающий слой объемного типа, в котором лунки, точки, элементарные линзы и т.п. имеют одинаковый размер, фокальные свойства и/или интенсивность рассеяния и располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга. В таких вариантах осуществления световой поток, выходящий из верхней поверхности световода 36, максимален вблизи соединительной структуры и экспоненциально спадает с увеличением расстояния от соединительной структуры.
В вариантах осуществления, в которых используется такой рассеивающий слой и в которых излучение вводится в одну краевую поверхность световода 36, освещение может быть интенсивнее по направлению к краю световода, на котором принимается излучение. В вариантах осуществления, в которых используется такой рассеивающий слой, но в которых излучение вводится в две противолежащие краевые поверхности световода, результирующее освещение может быть более равномерным, а в некоторых областях применения может быть удовлетворительно равномерным.
Однако для обеспечения освещения с еще более высокой равномерностью предполагаются варианты осуществления, в которых интенсивность рассеяния света σ рассеивающего слоя изменяется в зависимости от расстояния от соединительной структуры. Например, интенсивность рассеяния света может возрастать с увеличением расстояния от соединительной структуры; рассеивающий слой может быть минимально рассеивающим вблизи соединительной структуры и может становиться все более рассеивающим с увеличением расстояния от соединительной структуры. Градиентный рассеивающий слой такого рода может содержать неоднородно сформированный рассеивающий слой объемного типа с центрами рассеяния, плотность которых возрастает с увеличением расстояния от соединительной структуры, или рассеивающий слой типа поверхностного рельефа, в которых лунки, точки, элементарные линзы и т.д. встроены в ряд с увеличивающимся размером, увеличивающейся рассеивающей способностью или увеличивающимся шагом по мере увеличения расстояния от соединительной структуры. В вариантах осуществления, в которых излучение вводится в противоположные края световода, интенсивность рассеяния излучения рассеивающего слоя может быть слабее вблизи противолежащих краев и сильнее в средней части световода. В некоторых случаях изменение интенсивности рассеяния, требуемое для достижения высокой равномерности на выходной поверхности световода, может иметь гауссову форму, имеющую ненулевое смещение.
В вариантах осуществления, в которых интенсивность рассеяния излучения рассеивающего слоя 62 изменяется в зависимости от расстояния от соединительной структуры, это изменение может быть непрерывным в результате непрерывного изменения плотности центров рассеяния, свойств элементов поверхностного рельефа и т.д. В других вариантах осуществления изменение интенсивности рассеяния излучения может осуществляться дискретными шагами в результате ступенчатого изменения этих свойств. Например, на фиг.12 показан график данных по облученности для световода, содержащего ступенчато изменяющийся рассеивающий слой, нанесенный на нижнюю поверхность. В данном примере рассеивающий слой содержит десять зон в форме полос равной ширины, расположенных параллельно противолежащим краевым поверхностям световода, из которых излучение вводится в световод. При этом интенсивность рассеяния излучения σ зон в форме полос увеличивается в последовательности 0,075, 0,076, 0,088, 0,110, 0,140 от края к середине световода, затем уменьшается в последовательности 0,140, 0,110, 0,088, 0,076 и 0,075 к другой кромке. На приведенном на фиг.12 графике относительная интенсивность излучения, проецируемого из световода, нанесена по вертикальной оси, а расстояние в зонах рассеяния поперек световода нанесено по горизонтали. Отметим, что хотя средняя интенсивность поперек световода достаточно постоянна, наблюдаются провалы интенсивности, связанные с переходами между зонами. В случае если интенсивность поперек световода изменяется непрерывно, в противоположность ступенчатому изменению, выходная равномерность поперек световода может быть дополнительно улучшена.
В соответствии с фиг.11, рассеивающий слой 62, как правило, приводит к выходу излучения из световода 36 с сопоставимыми величинами потока вверх и вниз. Несмотря на то, что выходной угол выходящего излучения может быть достаточно большим, а поле зрения детектора 26 изображения достаточно малым, чтобы избежать значительных потерь контраста из-за рассеянного вниз излучения, достигающего детектора изображения, остается верным, что в отсутствие какой-либо меры по сбору такого излучения оно будет потеряно. Поэтому в некоторых вариантах осуществления световод может содержать слой отражающего или пропускающего фильтра, расположенный параллельно рассеивающему слою и на стороне рассеивающего слоя, противолежащей поверхности отображения. Слой фильтра может быть более отражающим и менее пропускающим для излучения с большими углами падения, чем для излучения с меньшими углами падения. Кроме того, слой фильтра может быть более отражающим и менее пропускающим для инфракрасного излучения, чем для видимого излучения.
R
В соответствии с этим, показанный на фиг.11 вариант осуществления содержит слой фильтра 64, размещаемый на нижней поверхности световода 36. Слой фильтра может быть выполнен таким образом, чтобы иметь коэффициент пропускания и коэффициент отражения с избирательностью по длине волны, как описано выше. В частности, слой фильтра может быть практически прозрачным, например, в одном или более видимых диапазонах длин волн, но значительно более отражающим для падающего излучения при относительно небольших углах падения. Такие свойства показаны, например, на фиг.13, на которой изображена отражательная способность какфункция длины волны для двух диапазонов углов падения. Нанесенный на нижнюю поверхность световода слой фильтра может увеличивать эффективность освещения объектов на 50-100 процентов за счет перенаправления рассеиваемого вниз излучения, которое в противном случае выходило бы из нижней поверхности световода и было бы бесполезным для освещения объектов 16 на поверхности 12 отображения.
Слой 64 фильтра может быть выполнен в виде интерференционного покрытия. В одном варианте осуществления слой фильтра может иметь структуру дихроичного фильтра, в котором множество тонких (10 - 100 нанометров) слоев с контролируемым коэффициентом преломления укладываются друг на друга. В другом варианте осуществления слой фильтра может иметь структуру складчатого фильтра, в котором коэффициент преломления материала непрерывно изменяется контролируемым образом. В одном варианте осуществления слой фильтра может быть выполнен таким образом, что он имеет совпадение по фазе на поверхности световода, на которую он нанесен, поэтому френелевские отражения минимизируются. В этом случае световод 36 может наслаиваться на другую подложку при сохранении условия TIR на многослойной поверхности. Благодаря объединению слоя фильтра с многослойным материалом можно обеспечить высококонтрастное отображаемое изображение при повышении эффективности осветительного устройства системы видения. Кроме того, многослойный материал может повысить жесткость многослойной оптической системы, обеспечивая в целом более тонкую конструкцию и тем самым улучшая точность системы видения.
Фиг.14 представляет собой схематический вид в разрезе, на котором показаны особенности оптической системы в другом варианте осуществления. В оптической системе 66 пластинчатый световод 36 сам по себе служит в качестве защитного слоя. В данном варианте осуществления световод размещается над управляющим слоем 22 LCD. Рассеивающий слой 62 типа поверхностного рельефа размещается на нижней поверхности световода для эффективного освещения объектов на поверхности 12 отображения или вблизи нее, при этом для оптической изоляции световода предусматривается тонкий оптический зазор.
Далее, в соответствии с фиг.14, среднерассеивающий слой 44 наслаивается на верхнюю поверхность управляющего слоя 22 LCD, а система видения, по существу, как описано выше, размещается под управляющим слоем LCD. Ввиду, по меньшей мере, трех конструктивных аспектов, каждый из которых описан выше применительно к другим вариантам осуществления, показанная на фиг.14 конфигурация обеспечивает высокоэффективное освещение объектов, размещенных на поверхности 12 отображения или вблизи нее. Во-первых, управляющий слой LCD размещается вне пути освещения световода, где он не вызывает ослабления проецируемого излучения. Во-вторых, рассеивающий слой 62 типа поверхностного рельефа размещается на нижней поверхности световода, на которой он может сместить освещение по направлению к поверхности отображения. В-третьих, слой 64 фильтра размещается под рассеивающим слоем и выполнен с возможностью перенаправления значительной части излучения, которое не рассеивается по направлению вниз, поэтому оно становится полезным для освещения объектов.
Наконец, понятно, что описанные здесь изделия, системы и способы являются по своему характеру иллюстративными и что упомянутые конкретные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в смысле ограничения, поскольку предполагаются многочисленные модификации. В соответствии с этим, настоящее изобретение включает в себя все новые и неочевидные комбинации различных описанных здесь систем и способов, а также любые или все их варианты.