СКАНИРУЮЩЕЕ КОЛЛИМИРОВАНИЕ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ПЛОСКОЙ ЛАМПЫ
SCANNING COLLIMATION OF LIGHT BY FLAT LAMP

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многие лампы содержат источник света в корпусе, который сконфигурирован, чтобы концентрировать свет в требуемом направлении. Например, в случае прожектора или маяка концентрация такая, что свет, по сути, должен быть коллимирован, при этом лучи возникают из источника света параллельно. Во многих случаях также предпочтительно, чтобы направление коллимирования могло сканироваться. Это может быть реализовано с помощью традиционных ламп, например, посредством вращения всей лампы, или вращения линзы и зеркала вокруг источника света. Однако такие механизмы сканирования могут не подходить для использования в некоторых устройствах, таких как устройства отображения, вследствие геометрических и других факторов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, в данном документе раскрываются различные варианты осуществления, которые относятся к сканированию коллимированного света. Например, один раскрытый вариант осуществления предоставляет систему для сканирования коллимированного света, система содержит оптический клин, систему ввода света, сконфигурированную, чтобы вводить свет в оптический клин, и контроллер. Оптический клин содержит тонкий конец, толстый конец, противоположный тонкому концу, наблюдаемую поверхность, продолжающуюся, по меньшей мере, частично, между толстым концом и тонким концом, и заднюю поверхность, противоположную наблюдаемой поверхности. Толстый конец оптического клина дополнительно содержит концевой отражатель, содержащий структуру многогранной линзы. Контроллер сконфигурирован, чтобы управлять системой ввода света, чтобы управлять местоположением вдоль тонкого конца оптического клина, в котором система ввода света вводит свет.
Эта сущность изобретения предоставлена, чтобы ввести понятие выбора концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Эта сущность не предназначена для того, чтобы идентифицировать ключевые признаки или важнейшие признаки заявляемого предмета изобретения, а также не предназначена для того, чтобы быть использованной так, чтобы ограничивать область применения заявляемого предмета изобретения. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые разрешают какие-либо или все недостатки, отмеченные в любой части данного раскрытия сущности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает вариант осуществления оптической системы, сконфигурированной, чтобы сканировать коллимированный свет.
Фиг.2 - это схематичный вид сверху, показывающий вариант осуществления оптического клина.
Фиг.3 и 4 показывают треки лучей через вид в разрезе варианта осуществления на Фиг.2.
Фиг.5 показывает схематичный увеличенный вид в поперечном разрезе концевого отражателя варианта осуществления на Фиг.2.
Фиг.6 и 7 показывают треки лучей через вариант осуществления на Фиг.2, как пути через стек дубликатов варианта осуществления на Фиг.2.
Фиг.8 и 9 иллюстрируют сканирование коллимированного света посредством ввода света в оптический клин на Фиг.2 в различных местоположениях вдоль тонкого конца оптического клина.
Фиг.10 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа сканирования коллимированного света.
Фиг.11 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа использования коллимированного света, чтобы отображать открытую и конфиденциальную информацию с помощью различных режимов на устройстве отображения.
Фиг.12 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа для использования коллимированного света, чтобы отображать автостереоскопические изображения.
Фиг.13 показывает вариант осуществления системы ввода света, содержащей множество источников света.
Фиг.14 показывает вариант осуществления системы ввода света, содержащей один механически сканирующий источник света.
Фиг.15 показывает вариант осуществления системы ввода света, содержащей акустооптический модулятор, лазер и рассеивающий экран.
Фиг.16 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа использования коллимированного света, чтобы отображать различные изображения различным наблюдателям одновременно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления раскрываются в данном документе и относятся к сканированию коллимированного света посредством плоской лампы. Плоская лампа - это панель, имеющая плоскую поверхность, из которой излучается свет. Такие лампы могут быть использованы, например, в качестве задних подсветок для панелей с жидкокристаллическим дисплеем (LCD). Некоторые плоские лампы могут содержать, например, множество флуоресцентных световых трубок, содержащихся в корпусе, который содержит панель диффузора, через которую свет выходит из панели. Другие плоские лампы могут содержать оптический клин, чтобы доставлять свет от источника света в требуемое место назначения. Оптический клин - это световод, который разрешает свету, вводимому на краю оптического клина, рассеиваться в оптическом клине посредством полного внутреннего отражения до достижения критического угла для внутреннего отражения и выхода из оптического клина.
В настоящее время плоские лампы зачастую используются в качестве источников рассеянного света. Однако, в некоторых ситуациях, может быть желательным излучать коллимированный свет из плоской лампы. Например, в некоторых условиях использования может быть желательным отображать изображение через LCD-панель так, что изображение может быть видно только с определенных углов, таким образом, сохраняя отображаемую информацию конфиденциальной для целевых наблюдателей. Использование коллимированного света в качестве задней подсветки LCD-панели может допускать такую конструкцию дисплея, что изображение на дисплее может быть видно, только если лучи света проходят в глаза наблюдателя от дисплея.
Дополнительно, с таким дисплеем может быть предпочтительно, чтобы направление освещения могло быть отсканировано, так что угол, под которым изображение является видимым, может быть сдвинут. Дополнительно, если направление освещения может быстро переключаться взад и вперед между парой глаз или несколькими парами глаз, в то время как изображение на жидкокристаллической панели переключается между одной или несколькими парами видов трехмерного объекта, она может отображать трехмерное изображение. Следовательно, в данном документе раскрываются варианты осуществления, относящиеся к плоским лампам, которые излучают коллимированный свет, и которые позволяют сканировать угол коллимирования света. На сопровождающих чертежах, следует отметить, виды иллюстрированных вариантов осуществления могут быть представлены не в масштабе, и пропорции некоторых признаков могут быть преувеличены, чтобы сделать выбранные признаки или взаимосвязи более простыми для понимания.
Фиг.1 показывает вариант осуществления оптической системы в форме вычислительного устройства, содержащего дисплей, сконфигурированный, чтобы выводить коллимированный свет. Оптическая система 10 включает в себя пространственный модулятор 12 света и систему сканирования коллимированного света. Пространственный модулятор 12 света содержит матрицу пикселов, каждый из которых может быть использован, чтобы модулировать свет от задней подсветки, принимая во внимание цвет и интенсивность. В некоторых вариантах осуществления пространственный модулятор света может содержать устройство жидкокристаллического дисплея, но также могут быть использованы другие модулирующие свет устройства. Контроллер, такой как контроллер 14, может предоставлять данные отображения пространственному модулятору 12 света. Когда наблюдатель 15 находится на оптическом пути коллимированного света, и коллимированный свет модулирован пространственным модулятором 12 света с помощью изображения, доставленного от контроллера 14, изображение может быть просмотрено наблюдателем 15.
Оптическая система 10 дополнительно содержит систему 16 ввода света и оптический клин 100. Некоторые варианты осуществления могут дополнительно содержать опциональную камеру 18 отслеживания движения головы и редиректор 20 света, расположенный рядом с наблюдаемой поверхностью оптического клина 100. Как описано более подробно ниже, коллимированный свет излучается с наблюдаемой поверхности оптического клина 100, когда свет вводится в тонкий конец оптического клина 100. Коллимированный свет выходит из оптического клина 100 с небольшим углом относительно плоскости наблюдаемой поверхности оптического клина 100. Редиректор 20 света может быть использован, чтобы перенаправлять коллимированный свет на пространственный модулятор 12 света. Любая подходящая структура может быть использована в качестве редиректора 20 света. В некоторых вариантах осуществления редиректор 20 света может содержать слой призм, например.
Система 16 ввода света может быть сконфигурирована, чтобы вводить свет в одном или более местоположениях вдоль тонкого конца оптического клина 100. Изменяя местоположение, где свет вводится в тонкий конец оптического клина 100, направление коллимированного света, покидающего наблюдаемую поверхность оптического клина 100, может быть отрегулировано.
В одном примерном варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг.13, система 16 ввода света может содержать множество индивидуально управляемых источников света, таких как светоизлучающие диоды (LED) или другие подходящие источники света, расположенные рядом с тонким концом оптического клина 100. Изменение того, какой источник света светит или какие источники света одновременно светят, допускает управление направлением, в котором коллимированный свет излучается из оптического клина 100. Например, один источник 1302 света из множества источников света на Фиг.13 может светиться. В других вариантах осуществления, таких как иллюстрированный на Фиг.14, один механически сканирующий источник 1402 света может быть использован, чтобы изменять местоположение вдоль тонкого конца оптического клина, в котором вводится свет. Местоположение источника света может изменяться с одной стороны оптического клина 100, такого как местоположение 1404, на противоположную сторону оптического клина 100, такую как местоположение 1406. В еще одном варианте осуществления, таком как иллюстрированный на Фиг.15, система 16 ввода света может содержать источник 1502 света и рассеивающий экран 1504. Рассеивающий экран 1504 располагается рядом и протягивается вдоль тонкого конца оптического клина 100. Свет может вводиться в тонкий конец оптического клина 100, когда лазерный луч, сформированный источником 1502 света, направляется в рассеивающий экран 1504, и рассеянный свет отражается от рассеянного экрана 1504 на тонкий конец оптического клина 100. Источник 1502 света может включать в себя лазер и акустооптический модулятор или жидкокристаллическую голограмму для управления направлением лазерного луча. Лазерный луч может быть направлен в местоположение 1506, как показано, или лазерный луч может быть отсканирован от одной стороны рассеивающего экрана 1504, например из местоположения 1508, к противоположной стороне рассеивающего экрана 1504, например в местоположение 1510.
Поскольку оптический клин 100 сконфигурирован, чтобы коллимировать свет, ввод света из одного местоположения может предоставлять возможность коллимированному свету излучаться в одном направлении так, что спроецированное изображение видимо только в узком диапазоне углов. Это может предоставлять возможность отображать информацию в конфиденциальном режиме. С другой стороны, ввод света более чем из одного места одновременно может предоставлять возможность коллимированному свету излучаться более чем в одном направлении, что может предоставлять возможность проецируемому изображению быть видимым в более широком диапазоне углов. Такой режим отображения может называться в данном документе открытым режимом. Будет понятно, что эти примеры режимов отображения описываются с целью иллюстрации и не предназначены, чтобы быть ограничивающими каким-либо образом.
Согласно Фиг.1, контроллер 14 может быть сконфигурирован, чтобы независимо и выборочно возбуждать каждый источник света системы 16 ввода света согласно режиму системы. Таким образом, контроллер 14 может управлять местоположением вдоль тонкого конца оптического клина, в котором система 16 ввода света вводит свет. Кроме того, контроллер 14 может быть сконфигурирован, чтобы предоставлять данные отображения пространственному модулятору 12 света и принимать данные от камеры 18 отслеживания движения головы. Данные от камеры 18 отслеживания движения головы могут анализироваться контроллером 14, чтобы определять местоположение головы и/или глаз наблюдателя. Данные от камеры 18 отслеживания движения головы могут быть исходными данными изображения или могут быть предварительно обработаны, так что различные признаки изображения извлекаются, прежде чем передавать данные контроллеру 14. Контроллер 14 может также определять и сохранять режим для оптической системы 10 и управлять оптической системой 10 в соответствии с этим режимом. Контроллер 14 может быть любым вычислительным устройством, сконфигурированным, чтобы выполнять инструкции, которые могут быть сохранены на машиночитаемом носителе хранения информации, таком как память 22. Процессор 24 может быть использован, чтобы выполнять инструкции, сохраненные в памяти 22, при этом инструкции включают в себя программы, чтобы выполнять способы управления для оптической системы 10.
Понятно, что оптическая система 10 описывается в качестве примера, и что оптический коллиматор согласно настоящему изобретению может быть использован в любых подходящих условиях использования. Дополнительно, будет понятно, что оптическая система, такая как изображенная в варианте осуществления на Фиг.1, может включать в себя различные, другие, непоказанные системы и функциональные возможности, включающие в себя, но не только, основанную на зрении систему обнаружения касания.
Согласно Фиг.2, оптический клин 100 сконфигурирован, чтобы коллимировать свет от источника 102 света, расположенный рядом с тонким концом 110 оптического клина 100, так что коллимированный свет выходит из наблюдаемой поверхности 150 оптического клина 100, как показано треками лучей на Фиг.2. Выражение "наблюдаемая поверхность" указывает, что наблюдаемая поверхность 150 ближе к наблюдателю, чем задняя поверхность (невидимая на Фиг.2), которая противоположна наблюдаемой поверхности 150. Каждая из наблюдаемой и задней поверхностей ограничивается сторонами 130 и 140, тонким концом 110 и толстым концом 120. На Фиг.2 наблюдаемая поверхность 150 обращена к наблюдателю страницы, а задняя поверхность скрыта этим видом оптического клина 100.
Оптический клин 100 сконфигурирован так, что лучи света, вводимые в световую границу тонкого конца 110, рассеиваются посредством полного внутреннего отражения, когда они достигают толстого конца 120, содержащего концевой отражатель 125. В изображенном варианте осуществления концевой отражатель 125 изогнут с равномерным радиусом изгиба, имеющим центр изгиба 200, и источник света 102 вводит свет в фокальной точке концевого отражателя 125, фокальная точка находится в половине радиуса изгиба. На толстом конце 120 каждый из лучей света отражается от концевого отражателя 125 параллельно каждому из других лучей света. Лучи света движутся от толстого конца 120 к тонкому концу 110, пока лучи света не пересекают наблюдаемую поверхность 150 под критическим углом отражения наблюдаемой поверхности 150, и лучи света выходят как коллимированный свет. В альтернативном варианте осуществления концевой отражатель 125 может быть параболическим или может иметь другой подходящий изгиб для коллимированного света.
В вариантах осуществления, которые содержат множество источников света, расположенных рядом и вдоль тонкого конца 110, чтобы корректировать кривизну поля отображения и/или сферическую аберрацию, могут быть предпочтительными укороченные стороны 130 и 140 оптического клина 100, так что источник света с любой стороны от центральной линии 210 может оставаться в фокальной точке концевого отражателя 125. Укорачивание сторон 130 и 140 может делать тонкий конец 110 выпуклым, как проиллюстрировано кривой 115. Подходящий изгиб может быть найден с помощью алгоритма трассировки луча, чтобы отслеживать лучи под критическим углом отражения наблюдаемой поверхности 150 оптического клина 100 назад через оптический клин 100, пока лучи не дойдут до фокуса рядом с тонким концом 110.
Фиг.3 и 4 показывают треки лучей через схематичный вид в разрезе оптического клина 100. Фиг.3 показывает путь первого луча 300 через оптический клин 100, а Фиг.4 показывает путь второго луча 400 через оптический клин 100, при этом лучи 300 и 400 представляют лучи, расположенные на противоположных сторонах конуса света, который вводится в тонкий конец 110 оптического клина 100. Как можно видеть на Фиг.3 и 4, луч 300 выходит из наблюдаемой поверхности 150 рядом с тонким концом 110 оптического клина 100, тогда как луч 400 выходит из наблюдаемой поверхности 150 рядом с толстым концом 120 оптического клина 100.
Лучи 300 и 400 выходят из наблюдаемой поверхности 150, после того как лучи 300 и 400 пересекают наблюдаемую поверхность 150 под углом, меньшим или равным критическому углу внутреннего отражения относительно нормали наблюдаемой поверхности 150. Этот критический угол может называться в данном документе "первым критическим углом". Аналогично, лучи отражаются внутренне в оптическом клине 100, когда лучи пересекают наблюдаемую поверхность 150 под углом, большим, чем первый критический угол внутреннего отражения относительно нормали наблюдаемой поверхности 150. Дополнительно, лучи отражаются внутренне в оптическом клине 100, когда лучи пересекают заднюю поверхность 160 под углом, большим, чем критический угол внутреннего отражения относительно нормали задней поверхности 160. Этот критический угол может называться в данном документе "вторым критическим углом".
Как объяснено более подробно ниже со ссылкой на Фиг.5, может быть предпочтительно, чтобы первый критический угол и второй критический угол были различными, так что свет, падающий на заднюю поверхность 160 под первым критическим углом, отражается обратно к наблюдаемой поверхности 150. Это может способствовать предотвращению потери света через заднюю поверхность 160 и, следовательно, может увеличивать оптическую эффективность оптического клина 100. Первый критический угол является функцией коэффициента преломления оптического клина 100 и коэффициентом преломления материала, взаимодействующего с наблюдаемой поверхностью 150 (например, воздуха или слоя покрытия), в то время как второй критический угол является функцией коэффициента преломления оптического клина 100 и материала, расположенного рядом с задней поверхностью 160. В некоторых вариантах осуществления, таких как показанные на Фиг.3-4, слой покрытия 170 может быть применен только к задней поверхности 160, так что наблюдаемая поверхность 150 граничит с воздухом. В других вариантах осуществления наблюдаемая поверхность 150 может содержать слой покрытия (не показан) с коэффициентом преломления иным, чем для задней поверхности 160.
Любой подходящий материал или материалы могут быть использованы в качестве слоев покрытия для достижения требуемых критических углов внутреннего отражения для наблюдаемой и/или задней поверхностей оптического клина. В примерном варианте осуществления оптический клин 100 сформирован из полиметилметакрилата или PMMA с коэффициентом преломления 1,492. Коэффициент преломления воздуха приблизительно равен 1,000. По существу, критический угол поверхности без покрытия равен приблизительно 42,1 градусов. Аналогично, примерный слой покрытия может содержать тефлон AF (EI DuPont de Nemours & Co, Вилмингтон, штат Делавэр), аморфный фторполимер с коэффициентом преломления 1,33. Критический угол PMMA-поверхности с нанесенным тефлоном AF равен 63,0 градуса. Понятно, что эти примеры описываются для иллюстрации и не предназначены для ограничения изобретения каким-либо образом.
Конфигурация оптического клина 100 и концевого отражателя 125 может быть сконфигурирована, чтобы равномерно освещать большую часть наблюдаемой поверхности 150, когда равномерный свет вводится в тонкий конец 110, а также заставлять большую часть вводимого света выходить из наблюдаемой поверхности 150. Как упомянуто выше, оптический клин 100 сужается по своей длине так, что лучи, введенные вдоль тонкого конца 110, передаются к концевому отражателю 125 за счет полного внутреннего отражения. Концевой отражатель 125 содержит структуру многогранной линзы, сконфигурированную, чтобы уменьшать угол луча относительно нормали к каждой из наблюдаемой поверхности 150 и задней поверхности 160. Кроме того, уменьшение толщины оптического клина 100 от толстого конца 120 к тонкому концу 110 заставляет углы ориентации лучей уменьшаться относительно нормали каждой поверхности, когда лучи движутся по направлению к тонкому концу 110. Когда луч падает на наблюдаемую поверхность 150 с меньшим углом, чем первый критический угол, луч будет выходить из наблюдаемой поверхности 150.
В некоторых вариантах осуществления источник 102 света может быть расположен в фокальной точке концевого отражателя 125. В таких вариантах осуществления концевой отражатель 125 может быть искривлен с радиусом изгиба, который вдвое больше длины оптического клина 100. В варианте осуществления на Фиг.3-4 угол сужения оптического клина 100 сконфигурирован так, что угол на толстом конце 120 и наблюдаемой поверхности 150 содержит прямой угол, и угол на толстом конце 120 и задней поверхности 160 содержит прямой угол. Когда тонкий конец 110 находится в фокальной точке концевого отражателя 125, тонкий конец 110 равен половине толщины толстого конца 120. В других вариантах осуществления каждая из этих структур может иметь любую другую подходящую конфигурацию.
В изображенном варианте осуществления концевой отражатель 125 сферически выгнут от края 130 к краю 140 и от наблюдаемой поверхности 150 к задней поверхности 160. В других вариантах осуществления концевой отражатель 125 может быть цилиндрически выгнут с постоянным радиусом изгиба от наблюдаемой поверхности 150 и задней поверхности 160 и центра изгиба, где наблюдаемая поверхность 150 и задняя поверхность 160 пересекаются в случае продолжения. Цилиндрически изогнутый концевой отражатель может сопротивляться изгибу сильнее, чем сферически изогнутый концевой отражатель 125, что может быть предпочтительно в приборах большого формата. Другие подходящие искривления могут быть использованы для концевого отражателя 125, такие как параболическое искривление, например. Дополнительно, искривление концевого отражателя 125 в плоскости, перпендикулярной сторонам 130 и 140, может отличаться от искривления концевого отражателя 125 в плоскости, параллельной сторонам 130 и 140.
Как описано выше, может быть предпочтительно, чтобы критические углы отражения наблюдаемой поверхности 150 и задней поверхности 160 были различными, чтобы способствовать предотвращению потери света через заднюю поверхность 160. Это проиллюстрировано на Фиг.5, которая показывает схематичный увеличенный вид в разрезе концевого отражателя 125 варианта осуществления оптического клина по Фиг.2-4. Концевой отражатель 125 содержит структуру многогранной линзы, содержащую множество граней, размещенных под углом относительно поверхности толстого конца 120. Множество граней чередуются между гранями, обращенными к наблюдаемой поверхности 150, такими как грань 530, и гранями, обращенными к задней поверхности 160, такими как грань 540. Концевой отражатель 125 соответствует общему изгибу, как описано выше, с нормалью 542 концевого отражателя и нормалью 532 концевого отражателя, продолжающимися к центру изгиба. Каждая из множества граней имеет высоту и угол относительно нормали к поверхности концевого отражателя. Например, одна из граней, обращенных к наблюдаемой поверхности 150, имеет высоту 538 и угол 536 относительно нормали 532 концевого отражателя и нормали 534 грани. В качестве другого примера, одна из граней, обращенных к задней поверхности 160, имеет высоту 548 и угол 546 относительно нормали 542 концевого отражателя и нормали 544 грани.
Высота каждой из множества граней может влиять на равномерность и яркость коллимированного света, выходящего из наблюдаемой поверхности 150. Например, большее число граней может создавать оптические пути, которые отличаются от идеального фокусного расстояния, что может вызывать полосатость (сегментацию) Френеля. По существу, в вариантах осуществления, где такая полосатость может вызывать проблемы, может быть предпочтительным делать высоту каждой из множества граней меньшей чем, например, 500 микрон, так что такая полосатость менее заметна.
Аналогично, угол каждой из множества граней также может влиять на равномерность и яркость коллимированного света, выходящего из наблюдаемой поверхности 150. Луч 500 иллюстрирует то, как углы граней могут влиять на путь луча сквозь оптический клин 100. Луч 500 вводится в тонкий конец 110, движется сквозь оптический клин 100 и достигает концевого отражателя 125. Половина луча 500 достигает грани 530, обращенной к наблюдаемой поверхности 150. Часть луча 500, достигающая грани 530, отражается как луч 510 по направлению к наблюдаемой поверхности 150. Луч 510 пересекает наблюдаемую поверхность 150 под углом, меньшим или равным первому критическому углу внутреннего отражения относительно нормали к наблюдаемой поверхности 150, и, таким образом, выходит из наблюдаемой поверхности 150 как луч 512.
Другая половина луча 500 достигает грани 540, обращенной к задней поверхности 160. Часть луча 500, достигающая грани 540, отражается как луч 520 по направлению к задней поверхности 160. Вследствие разницы между критическими углами наблюдаемой поверхности 150 и задней поверхности 160 луч 520 пересекает заднюю поверхность 160 под углом, большим, чем второй критический угол внутреннего отражения, относительно нормали к задней поверхности 160, и, таким образом, отражается как луч 522 по направлению к наблюдаемой поверхности 150. Луч 522 затем пересекает наблюдаемую поверхность 150 под углом, меньшим или равным первому критическому углу внутреннего отражения, относительно нормали наблюдаемой поверхности 150, и, таким образом, выходит как луч 524. Таким образом, большая часть света (в некоторых вариантах осуществления, по существу, весь свет), которая отражается от концевого отражателя 125, выходит из наблюдаемой поверхности 150.
Вследствие того, что свет отдельно отражается гранями, обращенными к наблюдаемой поверхности 150, и гранями, обращенными к задней поверхности 160, перекрывающиеся, наложенные первое и второе изображения, размещенные в ориентации "голова-хвост", формируются на наблюдаемой поверхности 150, когда свет отражается от задней поверхности, чтобы выходить из наблюдаемой поверхности. Степень перекрытия между этими изображениями может быть определена посредством углов граней 530 и 540. Например, два изображения полностью перекрываются, когда каждая грань имеет угол относительно нормали к поверхности концевого отражателя, равный трем восьмым разности между девяноста градусами и первым критическим углом отражения, как объяснено более подробно ниже. В этом примере, по существу, весь свет, введенный в оптический клин 100, выходит из наблюдаемой поверхности 150. Отклонение граней от этого значения уменьшает величину наложения между изображениями, так что только одно или другое из двух изображений отображается, где углы граней равны 1/4 или 1/2 разности между 90 градусами и первым критическим углом отражения. Дополнительно, изменение углов граней от трех восьмых разности между девяноста градусами и первым критическим углом отражения также заставляет некоторую часть света выходить из тонкого конца оптического клина 100, а не с наблюдаемой поверхности 150. Когда углы граней равны 1/4 или 1/2 разности между 90 градусами и первым критическим углом отражения, наблюдаемая поверхность также может быть равномерно освещена, но половина света выходит из тонкого конца оптического клина 100 и, следовательно, теряется. Будет понятно, что, в зависимости от требуемых условий использования, может подходить использование углов граней, отличных от трех восьмых разности между девяноста градусами и первым критическим углом отражения, чтобы создавать коллимированный свет. Такие условия использования могут включать в себя, но не только, условия, в которых области неперекрывающегося света (которые будут казаться имеющими более низкую интенсивность относительно перекрывающихся областей) не находятся в области просмотра, наблюдаемой пользователем, но также и условия, где приемлема уменьшенная интенсивность света.
В альтернативном варианте осуществления структура многогранной линзы концевого отражателя 125 может содержать дифракционную решетку. Уравнение решетки может быть использовано, чтобы вычислять угол дифракции для данного угла падения и данной длины волны света. Поскольку угол дифракции зависит от длины волны света, концевой отражатель, содержащий дифракционную решетку, может быть предпочтительным, когда вводимый свет является монохромным.
Фиг.6 и 7 иллюстрируют движение света сквозь оптический клин 100 в качестве путей лучей сквозь стек оптических клиньев, каждый оптический клин является дубликатом варианта осуществления оптического клина 100, чтобы дополнительно иллюстрировать концепции, показанные на Фиг.5. Трассировка лучей сквозь стек дубликатов оптического клина оптически эквивалентна трассировке пути луча в оптическом клине. Таким образом, в этом способе каждое внутреннее отражение луча показано как прохождение луча сквозь границу от одного оптического клина к соседнему оптическому клину. На Фиг.6 наблюдаемая поверхность показана как наблюдаемая поверхность 620 самого верхнего клина в стеке оптических клиньев 600. Задняя поверхность показана как задняя поверхность 630 самого нижнего клина в стеке оптических клиньев 600. Толстые концы стека оптических клиньев 600 соединены в форму, которая приблизительно является кривой 640 с центром на оси 610, где все поверхности сходятся в одну точку.
Фиг.6 также изображает два луча света 650 и 660, находящиеся на противоположных сторонах конуса света, который вводится в тонкий конец стека 600 оптических клиньев. Для каждого луча 650 и 660, после отражения от концевого отражателя, половина луча испускается поблизости от толстого конца стека 600 оптических клиньев (и, следовательно, из представленного оптического клина), как показано сплошными линиями 652 и 662, а половина луча испускается из тонкого конца стека оптических клиньев, как показано пунктирными линиями 654 и 664. Лучи, введенные под любым углом между этими двумя пределами, также будут делиться посредством многогранной структуры в концевом отражателе и испускаться из наблюдаемой поверхности и задней поверхности оптического клина аналогичным образом. Лучи, выходящие из наблюдаемой поверхности 620 параллельно лучам 652 и 662, представлены заштрихованной областью 602. Как упомянуто выше, понятно, что лучи, показанные как испускаемые через заднюю поверхность 630 оптического клина, могут вместо этого отражаться задней поверхностью и затем выходить из наблюдаемой поверхности за счет покрытия (не показано) на задней поверхности оптического клина, которое имеет более низкий коэффициент преломления, чем покрытие (не показано), использованное на наблюдаемой поверхности оптического клина. Таким образом, по существу, весь свет, который введен в тонкий конец такого оптического клина, может испускаться из наблюдаемой поверхности оптического клина.
Для наблюдаемой поверхности, которая должна быть равномерно освещена (например, где изображения, отраженные от граней 530 и 540, полностью перекрываются), луч, введенный в тонком конце и проходящий горизонтально по направлению к концевому отражателю, совпадает с нормалью концевого отражателя, отражается от грани, обращенной к наблюдаемой поверхности, и движется к центру наблюдаемой поверхности, пересекая наблюдаемую поверхность под критическим углом наблюдаемой поверхности. Фиг.7 показывает схематичное изображение пути такого луча сквозь стек оптических клиньев 700. Луч 710 вводится в тонком конце 702 оптического клина и отражается от концевого отражателя 704 как луч 715. Луч 715 движется к центру наблюдаемой поверхности 706, пересекает наблюдаемую поверхность 706 под критическим углом отражения 730 относительно нормали 720 к наблюдаемой поверхности. Сумма углов 732 и 734 равна разности 90 градусов и критического угла отражения 730. Когда тонкий конец оптического клина равен половине толщины толстого конца оптического клина, центральная точка клина равна трем четвертым толщины оптического клина. С помощью параксиального приближения угол 732 равен трем четвертым разности 90 градусов и критического угла отражения 730. Горизонтальная линия 722 параллельна введенному лучу 710, таким образом угол 740 равен углу 732. Из закона отражения угол падения равен углу отражения, таким образом угол грани может быть половиной угла 740. Следовательно, для наблюдаемой поверхности, которая должна быть равномерно освещена, каждая грань, обращенная к наблюдаемой поверхности, может формировать угол относительно нормали к поверхности концевого отражателя, равный трем восьмым разности между 90 градусами и критическим углом отражения 730, как упомянуто выше.
Фиг.8 и 9 показывают, как направление коллимированного света может быть изменено посредством ввода света в оптический клин на Фиг.2 в различных местоположениях вдоль тонкого конца оптического клина. В частности, направление коллимирования может быть смещено влево посредством сдвига местоположения ввода света вправо и наоборот. На каждом чертеже видимое положение одного пиксела коллимированного света, обозначенного соответственно 800 и 900 на Фиг.8 и 9, иллюстрируется для ясности. Дополнительно, линии показаны проходящими из светового пучка в углы границы раздела света оптического клина, а центральная линия 810 показана, чтобы иллюстрировать перемещение светового пучка относительно оптического клина более подробно, когда местоположение ввода света сдвигается.
На Фиг.8 свет вводится от источника 802 света в первом местоположении в правую сторону тонкого конца 110. Направление коллимированного света направлено влево от центральной линии 810, как проиллюстрировано пикселом в видимой позиции 800. На Фиг.9 свет вводится от источника 902 света во втором местоположении в левую сторону тонкого конца 110. Направление коллимированного света направлено вправо от центральной линии 810, как проиллюстрировано пикселом в видимой позиции 900. Понятно, что коллимированный свет может сканироваться, плавно или шагами любого требуемого размера, посредством изменения местоположения ввода света на тонкой стороне оптического клина 100 с требуемой длительностью интервала. Такой режим отображения может упоминаться здесь как режим сканирования.
Фиг.10 показывает блок-схему последовательности операций примерного способа сканирования коллимированного света посредством оптического волновода. Оптический волновод может содержать первый конец, второй конец, противоположный первому концу и содержащий концевой отражатель, наблюдаемую поверхность, протягивающуюся между первым концом и вторым концом, и заднюю поверхность, противоположную наблюдаемой поверхности. В одном варианте осуществления оптический волновод является оптическим клином по Фиг.2, где тонкий конец оптического клина является первым концом оптического волновода, а толстый конец оптического клина является вторым концом оптического волновода. В альтернативном варианте осуществления оптический волновод может иметь постоянную толщину, например первый конец и второй конец имеют одинаковую толщину. Оптический волновод может включать в себя покрытие на наблюдаемой и/или задней поверхности с коэффициентом преломления, который изменяется линейно между первым концом и вторым концом. Этот вариант осуществления будет аналогичен оптическому клину, когда свет вводится в первый конец оптического волновода. В еще одном варианте осуществления оптический волновод может иметь постоянную толщину, коэффициент преломления, который изменяется линейно между первым концом и вторым концом, и покрытия на наблюдаемой и/или задней поверхности с постоянным коэффициентом преломления. Этот вариант осуществления также будет аналогичен оптическому клину, когда свет вводится в первый конец оптического волновода.
Согласно Фиг.10, способ 1000 начинается на этапе 1010 вводом света в первый конец оптического волновода. Как описано выше, свет может вводиться источником света, сконфигурированным, чтобы механически перемещаться, например, вдоль первого конца оптического волновода. В другом варианте осуществления множество источников света могут быть размещены вдоль первого конца оптического волновода, каждый источник света сконфигурирован, чтобы вводить свет в первый конец оптического волновода в различном местоположении вдоль первого конца оптического волновода. Свет может вводиться одним или более источниками света из множества источников света. В еще одном варианте осуществления свет может вводиться посредством сканирования лазерным лучом через рассеивающий экран, расположенный рядом и протягивающийся вдоль первого конца оптического волновода.
Далее, на этапе 1020, введенный свет доставляется к концевому отражателю посредством полного внутреннего отражения. На этапе 1030 свет может быть внутренне отражен от концевого отражателя. Свет, внутренне отраженный от концевого отражателя, может быть отражен от первого набора граней и второго набора граней, каждая грань из первого набора граней имеет нормаль, которая ориентирована, по меньшей мере, частично к наблюдаемой поверхности, и каждая грань из второго набора граней имеет нормаль, которая ориентирована, по меньшей мере, частично к задней поверхности. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, каждая из первого набора граней может иметь угол, равный трем восьмым разности между 90 градусами и критическим углом отражения, и каждая из второго набора граней может иметь угол, равный трем восьмым разности между 90 градусами и критическим углом отражения. В других вариантах осуществления грани могут иметь другие подходящие углы, которые не вызывают неприемлемые изменения в интенсивностях света. В еще одном варианте осуществления концевой отражатель может включать в себя дифракционную решетку.
Вследствие угла, на который наклонены грани концевого отражателя, на этапе 1040, часть света может испускаться из наблюдаемой поверхности, причем эта часть света пересекает наблюдаемую поверхность под критическим углом отражения. Далее, на этапе 1050, местоположение на первом конце оптического волновода, в котором свет вводится в оптический волновод, может быть изменено. В одном варианте осуществления местоположение на первом конце оптического волновода может быть изменено посредством механического перемещения источника света в требуемое местоположение, и затем свет может вводиться в требуемом месте источником света. В другом варианте осуществления местоположение на первом конце оптического волновода может быть изменено посредством выборочного свечения источника света из множества источников света, размещенных вдоль первого конца оптического волновода. В еще одном варианте осуществления местоположение на первом конце оптического волновода может быть изменено посредством сканирования лазером через рассеивающий экран, расположенный рядом и продолжающийся вдоль первого конца оптического волновода. Изменяя местоположение ввода света, направление коллимированного света может быть изменено. Как проиллюстрировано на Фиг.8 и 9, ввод света в левую сторону тонкого конца 110 оптического клина 100 может приводить к излучению коллимированного света в направлении вправо от оптического клина 100 и наоборот.
Фиг.11 показывает блок-схему последовательности операций примерной процедуры, которая может быть использована для выполнения способа использования коллимированного света, чтобы отображать открытую и конфиденциальную информацию во время различных режимов на одной и той же оптической системе, такой как оптическая система 10. Прежде чем описывать Фиг.11, должно быть понятно, что использование термина "клин" в описаниях Фиг.11-12 и 16 не предназначено, чтобы ограничивать применимость этого варианта осуществления световодами с оптическим клином, и что световод с изменяющимся коэффициентом преломления, как описано выше, также может быть использован.
Согласно Фиг.11, на этапе 1110 определяется режим отображения оптического устройства. Если режим отображения является открытым режимом, программа переходит от этапа 1110 к этапу 1150. Если режим отображения является конфиденциальным режимом, программа переходит к этапу 1120.
Когда режим отображения является конфиденциальным, на этапе 1120, может быть определена позиция наблюдателя. Позиция наблюдателя может быть определена контроллером 14 с помощью данных отслеживания движения головы, принятых от камеры 18 отслеживания движения головы, или можно допустить, что позиция находится, например, непосредственно перед оптической системой 10. На этапе 1130 позиция наблюдателя может быть ассоциирована с одним или более местоположениями вдоль тонкого конца оптического клина. Местоположения вдоль тонкого конца оптического клина могут выбираться так, что наблюдатель находится на оптическом пути коллимированного света, излучаемого из оптической системы 10, когда свет вводится в каждом из местоположений, например. На этапе 1140 свет может вводиться в одном или более местоположениях вдоль тонкого конца оптического клина. Ввод света в одном местоположении от одного источника света может обеспечивать самое узкое поле обзора оптической системы 10. Однако может быть предпочтительно расширять поле обзора посредством ввода света в более чем одном местоположении. Расширение поля обзора может предусматривать допустимый предел, если вычисленная позиция наблюдателя неточна, например, если алгоритм определения положения головы является медленным по сравнению со скоростью перемещений наблюдателя, например. Будет понятно, что поле обзора может управляться пользователем дисплея, так что конфиденциальное изображение может быть отображено любому числу пользователей, расположенных в любой подходящей позиции(ях) вокруг дисплея. Процедура заканчивается после этапа 1140.
Способ 1100 может непрерывно повторяться в цикле, так что позиция наблюдателя может обновляться, если наблюдатель перемещается. Обновляя позицию наблюдателя и ассоциированное местоположение вдоль тонкого конца оптического клина, коллимированный свет из оптической системы 10 может следовать за наблюдателем, когда наблюдатель перемещается.
Когда режим отображения является открытым, на этапе 1150, широкое поле обзора может быть ассоциировано с множеством местоположений вдоль тонкого конца оптического клина. Например, в некоторых ситуациях, все источники света могут освещаться одновременно, или подмножество источников света может освещаться одновременно. В любом случае, как проиллюстрировано на этапе 1160, свет вводится во множестве мест вдоль тонкого конца оптического клина, и изображение может отображаться с широким полем обзора.
Открытый режим отображения может использоваться различными способами, чтобы отображать изображение различному числу наблюдателей. Например, может быть предпочтительным отображать изображение любому наблюдателю, который может иметь непосредственный обзор экрана дисплея. В этом случае широкое поле обзора может быть получено посредством освещения всех источников света из множества источников света, размещенных вдоль тонкого конца оптического клина. С другой стороны, некоторые использования открытого режима могут показывать отдельные характеристики конфиденциального отображения. Например, дисплей может быть сконфигурирован так, что банковский служащий и клиент, каждый, могут видеть изображение, которое может быть скрыто для наблюдателей с другим углом дисплея, отличным от угла для банковского служащего или клиента. В таком режиме направления, в которых направляется коллимированный свет, могут быть предварительно определены на основе сидячего/стоящего положения целевых наблюдателей, или могут быть определены камерой или посредством другого подходящего способа.
Фиг.16 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую другой вариант осуществления, который использует коллимированный свет, чтобы отображать конфиденциальные изображения (одни и те же или различные изображения) множеству наблюдателей одновременно. Способ 1600 начинается на этапе 1610, где определяется максимальное число наблюдателей. На этапе 1620 текущий наблюдатель устанавливается в качестве первого наблюдателя. На этапе 1630 номер текущего наблюдателя и максимальное число наблюдателей сравниваются. Если номер текущего наблюдателя превышает максимальное число наблюдателей, процедура закончится. Если номер текущего наблюдателя меньше или равен максимальному числу наблюдателей, процедура может продолжаться на этапе 1640.
На этапе 1640 определяется позиция текущего наблюдателя. Позиция может быть определена с помощью данных отслеживания движения головы, позиция может быть предварительно определенной (например, число и/или местоположения позиций могут управляться и/или задаваться пользователем или администратором) и т.д. На этапе 1650 изображение ассоциируется с текущим наблюдателем. Изображение может также быть ассоциировано с другими наблюдателями, так что множество наблюдателей могут видеть одинаковое изображение. Местоположение вдоль тонкого конца 110 оптического клина 100 может также быть ассоциировано с текущим наблюдателем на этапе 1650. Местоположение вдоль тонкого конца 110 может быть выбрано так, что текущий наблюдатель будет находиться на оптическом пути коллимированного света, испускаемого оптической системой 10, когда свет вводится в местоположении вдоль тонкого конца 110 оптического клина 100. На этапе 1660 изображение может быть модулировано в пространственном модуляторе 12 света. На этапе 1670 система 16 ввода света может быть использована, чтобы вводить свет в тонкий конец 110 оптического клина 100, таким образом, представляя изображение текущему наблюдателю. На этапе 1680 ввод света в тонкий конец 110 оптического клина 100 прекращается. На этапе 1690 номер текущего наблюдателя получает приращение, и способ продолжается на этапе 1630.
Способ 1600 может быть помещен в цикл и может повторяться, так что одно или более изображений могут быть представлены одному или более наблюдателям одновременно. Если процедура повторяется достаточно быстро, например частота обновления является достаточно высокой, глаза наблюдателя могут объединять мультиплексированные по времени изображения, ассоциированные с этим наблюдателем, в немерцающее изображение. Каждый наблюдатель имеет различные возможности восприятия, но желательны частоты обновления больше 60 Гц.
Фиг.12 показывает блок-схему последовательности операций примерной процедуры, используемой, чтобы выполнять способ отображения автостереоскопических изображений посредством коллимированного света. Такой режим отображения может упоминаться здесь как автостереоскопический режим. На этапе 1210 определяются позиция первого глаза и позиция второго глаза наблюдателя. На этапе 1220 первое изображение и первое местоположение вдоль тонкого конца оптического клина ассоциируются с первым глазом наблюдателя. Первое изображение может быть видом трехмерного объекта, который наблюдается, например, левым глазом наблюдателя. Левый глаз может находиться на оптическом пути коллимированного света, испускаемого оптической системой 10, когда свет вводится в первом местоположении вдоль тонкого конца оптического клина. На этапе 1230 первое изображение модулируется в пространственном модуляторе 12 света, и на этапе 1240 свет вводится в первом местоположении вдоль тонкого конца оптического клина, таким образом, представляя первое изображение первому глазу пользователя.
На этапе 1250 ввод света в первом местоположении вдоль тонкого конца оптического клина прекращается, и на этапе 1260 второе изображение и второе местоположение вдоль тонкого конца оптического клина ассоциируется со вторым глазом наблюдателя. Второе изображение может быть видом трехмерного объекта, который наблюдается, например, правым глазом наблюдателя. Правый глаз может находиться на оптическом пути коллимированного света, испускаемого оптической системой 10, когда свет вводится во втором местоположении вдоль тонкого конца оптического клина, например. На этапе 1270 второе изображение может быть модулировано в пространственном модуляторе 12 света. На этапе 1280 свет может быть введен во втором местоположении вдоль тонкого конца оптического клина, таким образом, представляя второе изображение второму глазу пользователя.
На этапе 1290 ввод света во втором местоположении вдоль тонкого конца оптического клина прекращается. Способ 1200 может затем повторяться, так что первый набор изображений отображается одному глазу, а второй набор изображений отображается другому глазу. Если процедура повторяется достаточно быстро, например частота обновления высокая, глаза наблюдателя могут объединять мультиплексированные по времени изображения в немерцающую сцену. Каждый наблюдатель имеет различные возможности восприятия, но желательны частоты обновления больше 60 Гц.
Трехмерный эффект может быть усилен, если наблюдатель может двигать голову и видеть, что изображение изменяется соответствующим образом. Чтобы создать этот эффект, множество расположенных рядом изображений могут отображаться в быстрой последовательности, так что каждое изображение наблюдается под слегка отличающимся углом зрения. Например, в одном варианте осуществления, множество расположенных рядом изображений могут включать в себя 32 изображения, представляющих 32 вида трехмерной сцены. Поскольку каждый глаз наблюдателя видит отображение под слегка отличающимся углом, каждый глаз может видеть различное изображение, и сцена выглядит трехмерной. Кроме того, множество наблюдателей также могут видеть трехмерное изображение, когда каждому глазу представляется различное изображение.
Чтобы наблюдатель видел изображение, свет от изображения должен сводиться в глаз наблюдателя. Оптическая система 10 на Фиг.1 может обеспечивать автостереоскопический просмотр, когда пространственный модулятор 12 света является небольшим, например размером со зрачок. Когда размер пространственного модулятора 12 света увеличивается, оптическая система 10 может содержать дополнительные оптические элементы, такие как линза Френеля, рядом с пространственным модулятором 12 света.
Понятно, что вычислительные устройства, описанные в данном документе, могут быть любыми подходящими вычислительными устройствами, сконфигурированными, чтобы выполнять программы, описанные в данном документе. Например, вычислительные устройства могут быть универсальным компьютером, персональным компьютером, портативным компьютером, переносным цифровым помощником (PDA), беспроводным телефоном с функциональностью компьютера, сетевым вычислительным устройством или другим подходящим вычислительным устройством и могут быть соединены друг с другом через компьютерные сети, такие как Интернет. Эти вычислительные устройства типично включают в себя процессор и ассоциированную энергозависимую и энергонезависимую память и сконфигурированы, чтобы исполнять программы, сохраненные в энергонезависимой памяти, используя части энергозависимой памяти и процессор. Как используется в данном документе, термин "программа" ссылается на компоненты программного обеспечения или микропрограммного обеспечения, которые могут быть выполнены или использованы одним или более вычислительными устройствами, описанными в данном документе, и предназначается, чтобы охватывать отдельные файлы или группы исполняемых файлов, файлов данных, библиотек, драйверов, скриптов, записей баз данных и т.д. Будет понятно, что могут быть предоставлены машиночитаемые носители хранения информации, имеющие программные инструкции, сохраненные на них, которые при исполнении вычислительным устройством заставляют вычислительное устройство выполнять способы, описанные выше, и вызывают работу систем, описанную выше.
Понятно, что конкретные конфигурации и/или подходы, описанные в данном документе для сканирования коллимированного света, представлены с целью примера, и что эти конкретные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в ограничивающем смысле, поскольку возможны многочисленные вариации. Сущность настоящего изобретения включает в себя все новые и неявные комбинации и вспомогательные комбинации различных процессов, систем и конфигураций, и другие признаки, функции, действия и/или свойства, раскрытые в данном документе, а также любые или все их эквиваленты.