Световодный оптический элемент с многоосным расширением внутренней апертуры
LIGHT GUIDE OPTICAL ELEMENT WITH MULTI-AXIS EXPANSION OF INTERNAL APERTURE

Область техники
Настоящее изобретение в целом имеет отношение к расширению оптической апертуры.
Предпосылки создания изобретения
В наголовном дисплее дополненной реальности используется проектор, имеющий небольшую апертуру и световод, увеличивающий (расширяющий) эту небольшую апертуру для проецирования апертуры большего размера для освещения желаемой фокальной зоны. Если проецируемая апертура широкая, то расширение происходит в одном измерении. Если проецируемая апертура небольшая (например, в случае двумерного (2D) световода), то расширение световода происходит в двух измерениях.
Сущность изобретения
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предложен световодный оптический элемент с расширением внутренней апертуры по меньшей мере в двух измерениях. Таким образом, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено оптическое устройство, содержащее (а) световод, имеющий: (i) первую пару внешних поверхностей, параллельных одна другой, и (ii) по меньшей мере два набора граней, при этом каждый из наборов: (А) включает в себя множество частично отражающих граней, параллельных одна другой, и (В) расположен между упомянутой первой парой внешних поверхностей, и (b) при этом в каждом из упомянутых наборов граней соответственные грани расположены (i) под косым углом относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей, и (ii) непараллельно относительно другого из упомянутых наборов граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый световод содержит полностью два из упомянутых наборов граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения световод содержит полностью три из упомянутых наборов граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере первый набор из упомянутых наборов граней обеспечивает сплошное перекрывание при наблюдении в направлении обзора соответствующего участка размещения упомянутого первого набора граней, так что по меньшей мере часть света в упомянутом направлении обзора проходит через по меньшей мере одну грань из по меньшей мере двух наборов граней в упомянутом световоде.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения каждый из упомянутых наборов граней заполняет участок перекрывания, при этом упомянутое заполнение представляет собой участок размещения каждого из упомянутых наборов граней, и при этом упомянутые участки перекрывания двух из упомянутых наборов граней по меньшей мере частично перекрываются.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения световод представляет собой односекционный световод, включающий в себя: (а) первый набор из упомянутых наборов граней, и
(b) второй набор из упомянутых наборов граней, причем упомянутые первый и второй наборы перекрываются в одной плоскости по толщине упомянутого световода, при этом упомянутая толщина определяется между упомянутой первой парой внешних поверхностей.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения (а) упомянутый световод имеет толщину, определяемую между упомянутой первой парой внешних поверхностей, (b) грани первого из упомянутых наборов граней простираются по упомянутой толщине так, что охватывают первый слой от первого значения толщины до второго значения толщины, и
(c) грани второго из упомянутых наборов граней простираются по упомянутой толщине так, что охватывают второй слой от третьего значения толщины до четвертого значения толщины.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый первый слой и упомянутый второй слой охватывают перекрывающиеся слои.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый первый слой и упомянутый второй слой охватывают одну и ту же толщину слоев.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый первый слой и упомянутый второй слой не перекрываются.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения секция граней ограничена ограничивающей парой поверхностей, параллельных упомянутой первой паре внешних поверхностей, или совпадающих с ней, при этом упомянутая секция содержит по меньшей мере один из упомянутых наборов граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый световод является односекционным световодом, включающим в себя первую секцию из упомянутой секции граней, при этом упомянутая первая секция содержит два из упомянутых наборов граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый световод является двухсекционным световодом, включающим в себя: (а) первую секцию из упомянутой секции граней, содержащую первую ограничивающую пару поверхностей, и (b) вторую секцию из упомянутой секции граней, содержащую вторую ограничивающую пару поверхностей, при этом одна поверхность упомянутой первой ограничивающей пары поверхностей прилегает к одной поверхности упомянутой второй ограничивающей пары поверхностей, при этом упомянутые первая и вторая ограничивающие пары поверхностей являются параллельными.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый световод является трехсекционным световодом, также включающим в себя третью секцию из упомянутой секции граней, содержащую третью ограничивающую пару поверхностей, при этом одна поверхность упомянутой третьей ограничивающей пары поверхностей прилегает к одной поверхности либо упомянутой первой ограничивающей пары поверхностей, либо упомянутой второй ограничивающей пары поверхностей, и при этом упомянутая третья ограничивающая пара ограничивающих поверхностей параллельна упомянутым первой и второй ограничивающим парам поверхностей.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый световод включает в себя (а) первую секцию из упомянутой секции граней, содержащую первую ограничивающую пару поверхностей, и (b) вторую секцию из упомянутой секции граней, содержащую вторую ограничивающую пару поверхностей, (с) при этом упомянутые первая и вторая ограничивающие пары поверхностей являются параллельными; и (d) по меньшей мере одну поверхность контакта, при этом каждая упомянутая поверхность контакта (i) находится по меньшей мере частично между двумя секциями, и (ii) параллельна упомянутой первой паре внешних поверхностей, (е) при этом упомянутой поверхностью контакта является по меньшей мере одна поверхность, выбранная из группы, которую составляют: (i) частично отражающая поверхность, (ii) частично отражающее оптическое покрытие, (iii) переходной участок от материала одной из секций к иному материалу другой из упомянутых секций, (iv) покрытие, изменяющее поляризацию, и (v) гибкий промежуточный слой.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения второй из упомянутых наборов граней выполнен так, чтобы осуществлять выведение света из упомянутого световода, при этом упомянутый второй набор граней, имеющий фиксированное количество граней, перекрывается по оптической оси в направлении заданной точки наблюдения выведения света из упомянутого световода через одну из упомянутой первой пары внешних поверхностей.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложено (а) устройство ввода, выполненное так, чтобы направлять свет в упомянутый световод так, чтобы упомянутый свет распространялся посредством внутреннего отражения от упомянутой первой пары внешних поверхностей через упомянутый световод в направлении распространения первой составляющей в плоскости, и (b) при этом в каждом из упомянутых наборов граней соответствующие грани ориентированы для преломления части упомянутого света, направляемого посредством внутреннего отражения упомянутого световода для распространения по упомянутому световоду в направлении распространения второй составляющей в плоскости, непараллельной упомянутой первой составляющей в плоскости.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое устройство ввода представляет собой второй световод, включающий в себя: (а) вторую пару внешних поверхностей, параллельных одна другой, и (b) набор граней.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения в по меньшей мере одном из упомянутых наборов граней расстояние между каждой из упомянутых частично отражающих граней выполнено таким, чтобы в поле обзора изображения, отражаемого упомянутым одним из упомянутых наборов граней, шаг, с которым происходит распространение двойного отражения по упомянутому световоду, не совпадал с целым значением упомянутого расстояния.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения первый угол упомянутых частично отражающих граней в первом наборе из упомянутых по меньшей мере двух наборов граней, отличается от второго угла упомянутых частично отражающих граней во втором наборе из упомянутых по меньшей мере двух наборов граней, при этом упомянутые углы заданы относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения первый угол упомянутых частично отражающих граней в первом наборе из упомянутых по меньшей мере двух наборов граней по существу такой же, как и второй угол упомянутых частично отражающих граней во втором наборе из упомянутых по меньшей мере двух наборов граней, при этом упомянутые углы заданы относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей, и упомянутый первый набор повернут относительно упомянутого второго набора.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения также предложен (а) источник света, обеспечивающий введение освещения в упомянутый световод, и (b) модулятор изображения, отражающий распространяемый свет, генерируемый упомянутым световодом из упомянутого введенного освещения, при этом отражение создает отраженный свет изображения, который пересекает упомянутый световод.
В соответствии с идеями одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ производства оптического устройства, при этом упомянутое оптическое устройство содержит световод, имеющий: (i) по меньшей мере два набора граней между первой парой внешних поверхностей, (ii) упомянутые внешние поверхности параллельны одна другой, (iii) каждый из упомянутых наборов граней содержит множество частично отражающих граней, параллельных один другому, и при этом в каждом из упомянутых наборов граней упомянутые соответствующие грани располагаются: под косым углом относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей, и непараллельно относительно другого из упомянутых наборов граней, при этом способ включает: (а) обеспечение наличия первого массива частично отражающих граней, (b) обеспечение наличия второго массива частично отражающих граней, и (с) оптическое соединение упомянутого первого массива и упомянутого второго массива так, чтобы грани упомянутого первого массива и грани упомянутого второго массива были под косым углом относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей, и были непараллельны одна другой.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое оптическое соединение выполняется прижатием одного к другому упомянутых первого и второго массивов с мастикоподобным клеем между упомянутыми первым и вторым массивами.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения первый угол упомянутых частично отражающих граней в упомянутом первом массиве отличается от второго угла упомянутых частично отражающих граней в упомянутом втором массиве, при этом упомянутые углы заданы относительно соответствующих внешних поверхностей упомянутых массивов.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения первый угол упомянутых частично отражающих граней в упомянутом первом массиве по существу такой же, как и второй угол упомянутых частично отражающих граней в упомянутом втором массиве, при этом упомянутые углы заданы относительно соответствующих внешних поверхностей упомянутых массивов, и упомянутый первый массив повернут относительно упомянутого второго массива перед оптическим соединением упомянутых массивов.
Также в соответствии с идеями одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ производства оптического устройства, которое содержит световод, имеющий: (i) по меньшей мере два набора граней между первой парой внешних поверхностей, (ii) упомянутые внешние поверхности параллельны одна другой, (iii) каждый из упомянутых наборов граней содержит множество частично отражающих граней, параллельных одна другой, и при этом в каждом из упомянутых наборов граней упомянутые соответствующие грани располагаются под косым углом относительно упомянутой первой пары внешних поверхностей, и непараллельно относительно другого из упомянутых наборов граней, при этом упомянутый метод включает: (а) обеспечение наличия множества прозрачных плоских окон, имеющих частично отражающие поверхности; (b) оптическое соединение упомянутых окон между собой так, чтобы образовывать первый пакет, (с) разрезание упомянутого первого пакета для образования множества первых плоских массивов, при этом упомянутое разрезание выполняют через множество упомянутых окон и под косым углом относительно по меньшей мере двух пар противолежащих сторон упомянутого первого пакета, (d) оптическое соединение между собой множества упомянутых первых плоских массивов так, чтобы образовывался пакет массивов, и (е) разрезание упомянутого пакета массивов для образования по меньшей мере одного упомянутого световода, при этом упомянутое разрезание выполняют через множество упомянутых первых плоских массивов и под косым углом относительно по меньшей мере двух пар противолежащих сторон упомянутого пакета массивов.
В соответствии с другой отличительной особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутые первые плоские массивы полируют и наносят покрытие перед оптическим соединением для образования упомянутого пакета массивов.
Также в соответствии с идеями одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предоставлен способ расширения оптической апертуры в двух измерениях путем получения изображения введением света в вышеуказанное оптическое устройство.
Краткое описание фигур
Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже исключительно в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - приведенное в качестве примера схематическое изображение, иллюстрирующее эффект расширения пучка в световоде, имеющем два перекрывающихся набора частично отражающих внутренних граней;
Фиг. 2 - схематическое изображение приведенного в качестве примера варианта исполнения световода;
Фиг. 3 - вид сбоку схемы распространения света в световоде;
Фиг. 4 - график зависимости отражательной способности от угла для различных покрытий, имеющих различный диапазон изменения отражательной способности;
Фиг. 5 - геометрические оптические свойства световода в зависимости от углового расположения;
Фиг. 6 - угловое расположение граней световода;
Фиг. 7 - геометрические оптические свойства второго набора граней;
Фиг. 8 - схема углового расположения граней и границ покрытий в альтернативном варианте исполнения;
Фиг. 9 - еще один вариант исполнения световода, в котором части первой секции и второй секции перекрываются по толщине световода с образованием односекционного световода, имеющего пересекающиеся грани;
Фиг. 10 - способ производства двухсекционного световода;
Фиг. 11 - приведенный в качестве примера способ производства односекционного световода;
Фиг. 12А - освещение с боковых сторон;
Фиг. 12В - освещение сверху, этот вариант исполнения уменьшает затемнение бокового периферийного обзора;
Фиг. 12С - освещение из центра (между двумя световодами), где аппаратные части проекторов (правого и левого) могут быть объединены для уменьшения габаритов и веса;
Фиг. 12D - освещение сверху, что обеспечивает почти полный периферийный незатемненный обзор;
Фиг. 12Е - освещение под углом ниже расположения глаза;
Фиг. 13 - вариант показанных выше конструкций;
Фиг. 14А и Фиг. 14В - схематические изображения расположения световода с использованием конструкции, показанной на Фиг. 13;
Фиг. 15 - схематическое изображение распространения света в световоде;
Фиг. 16А - график отражательной способности (отражающий профиль) покрытия грани, выполненного так, чтобы отражать лучи света, падающие под большим углом;
Фиг. 16В - угловое расположение конструкции в приведенном в качестве примера решении;
Фиг. 17 - схематическое изображение распространения света перевернутого изображения;
Фиг. 18А - схематическое изображение направлений отражений при распространении лучей света в световоде 173;
Фиг. 18В - схематическое изображение вида спереди комбинированного световода 173, в котором объединены три секции граней;
Фиг. 18С - схематическое изображение направлений отражений при распространении лучей света в световоде 173 в еще одном варианте исполнения трех секций граней;
Фиг. 19А - круговая диаграмма альтернативного направления ввода света в световод;
Фиг. 19В - схематическое изображение световода, в котором используется круговая диаграмма, показанная на Фиг. 19А;
Фиг. 19С - схема распространения лучей в упомянутом световоде;
Фиг. 20 - круговая диаграмма альтернативного варианта исполнения с гранями с другой стороны изображения;
Фиг. 21 - гибридная система, в которой отражающие грани объединены с дифракционными решетками;
Фиг. 22А - секции, разделенные покрытием с частичным отражением;
Фиг. 22В - альтернативное компактное оптическое устройство;
Фиг. 22С - альтернативный вариант исполнения с полупрозрачным отражателем;
Фиг. 23 - схематическое изображение распространения света в световоде с неоптимальным расширением;
Фиг. 24А - приведенные в качестве примера две одинаковые пересекающиеся секции граней, имеющие соединительную призму, используемую для ввода входного пучка в световод;
Фиг. 24В - вариант исполнения, в котором световод отполирован под углом и к отшлифованной плоскости сверху присоединена призма;
Фиг. 24С - вариант исполнения с присоединением призмы к вертикальному торцу световода;
Фиг. 24D - объединение призмы с генератором изображения с использованием поляризационного разделителя луча;
Фиг. 25 - предохранительный связующий элемент между секциями;
Фиг. 26А и Фиг. 26В - соответственно виды сбоку и спереди двухмерного (2D) световода, обеспечивающего ввод в двухсекционный световод;
Фиг. 27А и Фиг. 27В - соответственно виды сбоку и спереди одномерного (1D) световода с вводом в двухсекционный световод;
Фиг. 28 - круговая диаграмма нежелательного изображения, перекрывающего виртуальное изображение;
Фиг. 29А - козырек, предотвращающий попадание в световод света, падающего под большим углом;
На Фиг. 29В показано покрытие со свойствами, зависящими от угла, для предотвращения попадания в световод света, падающего под большим углом;
Фиг. 30 - альтернативное расположение секций;
Фиг. 31 - вид сбоку приведенного в качестве примера световодного оптического элемента (LOE), выполненого так, чтобы использовать в упомянутом варианте исполнения;
Фиг. 32А - схематическое изображение вида сбоку приведенной в качестве примера системы освещения;
на Фиг. 32В приведено схематическое изображение вида спереди приведенной в качестве примера системы освещения.
Подробное описание первого варианта осуществления настоящего изобретения, показанного на Фиг. 1-32В
Составные части и работа системы в соответствии с настоящим вариантом осуществления настоящего изобретения могут быть лучше поняты при обращении к фигурам и сопровождающему их описанию. Настоящее изобретение представляет собой систему для расширения оптической апертуры. В целом, проектор изображений, имеющий небольшую апертуру, проецирует входной пучок, который расширяется световодом, имеющим более чем один набор параллельных частично отражающих поверхностей, или "граней", предпочтительно имеющих оптимизированные покрытия. В альтернативных вариантах исполнения используется комбинация граней и дифракционных элементов. Это снижает потребность в расширении апертуры за пределы прозрачного световода, и уменьшает габариты и вес системы.
Оптическое устройство включает в себя световод, имеющий первую пару внешних поверхностей, параллельных одна другой, и по меньшей мере два набора граней. Каждый из наборов включает в себя множество частично отражающих граней, параллельных одна другой, расположенных между первой парой внешних поверхностей. В каждом из наборов граней соответствующие грани находятся под косым углом относительно первой пары внешних поверхностей и непараллельны относительно другого из наборов граней.
На Фиг. 31 показан вид сбоку приведенного в качестве примера световодного оптического элемента (LOE) 903, выполненого так, чтобы использовать в упомянутом варианте исполнения. Первая отражающая поверхность 916 освещается входящим направленным световым лучом 4 (входным пучком), исходящим из источника света 2. В контексте настоящего описания источник света 2 также именуется как "проектор". Для наглядности на прилагаемых фигурах в целом изображен только один луч света, входящий луч света, входящий пучок 4, также именуемый как "пучок" или "входящий луч". В целом, везде, где изображение представлено в данном описании световым пучком, следует отметить, что пучок является дискретным пучком изображения, обычно образованного множеством расходящихся пучков, каждый из которых соответствует точке или пикселю изображения. За исключением конкретного обозначения края изображения, изображенные пучки обычно представляют собой среднюю точку изображения. Иначе говоря, свет соответствует изображению, и центральный луч представляет собой центральный луч из центра изображения или центрального пикселя изображения.
Первая зона 954 является близкой ко входному пучку 4, где освещение изображения вводится в световод 920. Отражающая поверхность 916 по меньшей мере частично отражает падающий свет входного пучка 4 из источника 2 так, что свет захватывается внутри световода 920 внутренним отражением, как правило, полным внутренним отражением (TIR). Световод 920 обычно представляет собой прозрачную подложку, и при этом именуется как "плоская подложка", "светопропускающая подложка" и волновод. Световод 920 включает в себя по меньшей мере две (основные, внешние) поверхности, обычно параллельные одна другой, показанные на упомянутой фигуре в виде задней (основной) поверхности 926 и фронтальной (основной) поверхности 926А. Следует отметить, что обозначения "фронтальный" и "задний" по отношению к основным поверхностям (926, 926А) приведены для удобства пользования. Ввод в световод 920 может осуществляться через различные поверхности, такие как фронтальная, задняя, боковые грани или любая другая желаемая поверхность ввода.
Входной пучок 4 входит в подложку световода на ближнем конце подложки (правая сторона фигуры). Свет распространяется через световод 920 и одну или несколько граней, обычно через по меньшей мере множество граней и обычно через несколько граней, по направлению к дальнему концу световода 920 (левая сторона фигуры). Световод 920 обычно направляет лучи распространяющегося света в подложку посредством внутреннего отражения от внешних поверхностей.
Факультативно после отражения от внутренних поверхностей подложки 920 захваченные волны достигают набора избирательно отражающих поверхностей (граней) 922, которые выводят свет из подложки в глаз 10 наблюдателя. На упомянутой приведенной в качестве примера фигуре захваченный луч последовательно выводится из подложки 920 двумя разными частично отражающими поверхностями 922 в точках 944.
Внутренние частично отражающие поверхности, такие как набор избирательно отражающих поверхностей 922, в целом именуются "гранями" в контексте настоящего описания. Для применения в приборах дополненной реальности грани являются частично отражающими, что позволяет свету из окружающего пространства проходить через фронтальную поверхность 926А, проходить через подложку, содержащую грани, и выходить из подложки через заднюю поверхность 926 в глаз 10 наблюдателя. Приведенный в качестве примера луч 942 показывает свет входного пучка 4, частично отраженный от отражающей поверхности 916, и приведенный в качестве примера луч 941 показывает свет входного пучка 4, частично прошедший сквозь отражающую поверхность 916.
Внутренние частично отражающие поверхности 922 в целом по меньшей мере частично пересекают световод 920 под косым углом (т.е. непараллельно - ни параллельно, ни перпендикулярно) к направлению протяженности световода 920. Частичное отражение может быть осуществлено различными методами, включая, но без ограничения ими, пропускание части света или использование поляризации.
Световод 920 факультативно имеет вторую пару внешних поверхностей (не показана на упомянутом виде сбоку), параллельных друг другу и непараллельных первой паре внешних поверхностей. В некоторых вариантах исполнения вторая пара внешних поверхностей является перпендикулярной первой паре внешних поверхностей. Обычно каждая из граней расположена под косым углом ко второй паре внешних поверхностей. В других случаях, когда отражения от внешних поверхностей световода нежелательны, упомянутые внешние поверхности, как правило, оставляют неотполированными и/или наносят на них светопоглощающее (например, черное) покрытие для минимизирования нежелательных отражений.
На Фиг. 1 показано приведенное в качестве примера схематическое изображение, иллюстрирующее эффект расширения пучка в световоде 3, содержащем два перекрывающихся разнонаправленных набора частично отражающих внутренних граней, в которых пучок распространяется двумя методами с помощью граней в пределах световода 3. Проектор 2 проецирует изображение в световод 3 в виде входящего пучка 4. Один набор граней (первый набор граней, показанный на приложенных фигурах) непрерывно отклоняет часть входного пучка (проецируемого изображения) 4 в первые направляемые пучки (проецируемое изображение) 6. В соответствии с некоторыми наиболее предпочтительными вариантами исполнения этот набор первых граней расположен под углом так, что как падающие лучи изображения входящего пучка 4, так и отраженные лучи изображения первых направляемых пучков 6, находятся в пределах диапазонов углов, которые захватываются внутренним отражением на основных поверхностях подложки (внешних поверхностях) световода 3 и, следовательно, направляются светопроводом (также называемым "подложкой" или "волноводом") световода 3. Более предпочтительным в отношении перекрывания с первым набором граней является другой, второй, набор граней, встроенный в этот же светопровод под углом, отличным от угла первого набора граней. Второй набор граней отклоняет часть первых направляемых пучков 6 (проецируемое изображение) во вторые направляемые пучки 8 (проецируемое изображение) 8. Вторые направляемые пучки 8 выводятся из световода 3 обычно в глаз 10 наблюдателя.
На Фиг. 2 показано схематическое изображение приведенного в качестве примера варианта исполнения световода 3. В первой группе неограничивающих исполнений световод 3 содержит два слоя с разным расположением внутренних граней. Каждая из первой секции 14 и второй секции 12 может являться LOE 903, как описано выше. Поэтому первая и вторая секции именуются в контексте настоящего описания как первый и второй LOE, или первый и второй слои, или первая и вторая секции граней, соответственно. Каждая секция содержит соответствующий набор граней. Первая секция 14 содержит первый набор 32 граней, а вторая секция 12 содержит второй набор 36 граней. Первая и вторая секции (14, 12) развернуты в соответствии с перекрыванием по отношению к направлению обзора пользователя (глаз 10 пользователя). В этом примере второй слой 12 перекрывает первый слой 14 для получения матрицы перекрывающихся граней на выходе световода 16. Следует отметить, что ориентации, изображенные на прилагаемой фигуре, показаны просто и схематически для наглядности описания. Поскольку световод 16 имеет по меньшей мере два набора граней, которые по меньшей мере частично перекрываются в направлении обзора пользователем, световод 16 также именуется "перекрывающимся световодом".
Каждый набор граней обеспечивает видимость определенного участка размещения секции, содержащей набор граней. По меньшей мере первый набор граней обеспечивает постоянную видимость, если смотреть в направлении обзора соответствующего участка размещения первого набора граней. Участок размещения набора граней включает участок (пространство) между гранями. Предпочтительная конфигурация граней может быть представлена экстраполяцией линий пересечения граней с поверхностью световода. При наличии первого набора линий пересечения между плоскостями первого набора граней с плоскостью внешней поверхности и при наличии второго набора линий пересечения между плоскостями второго набора граней с той же плоскостью (внешней поверхностью световода) первый и второй наборы линий являются непараллельными.
Рассмотрение факторов для определения ориентаций граней в этих слоях описано ниже. Следует отметить, что на Фиг. 1 изначально показан световод 3 в общем виде, а на Фиг. 2 показан световод 16 с элементами внутренней структуры (первая и вторая секции). Световод 16 с двумя наборами (параллельных) граней может быть охарактеризован как имеющий "две оси", а световод с произвольным количеством наборов граней (более чем одна) можно охарактеризовать как световод с "несколькими осями". В этом контексте каждая "ось" является направлением расширения луча в световоде 3, направлением в световоде 3, в котором расположен массив граней.
На Фиг. 3 показан вид сбоку схемы распространения света в световоде 16. Первый слой 14 включает в себя первый набор граней 32 (также именуемых гранями первой секции или первыми гранями). Аналогично, второй слой 12 включает в себя второй набор граней 36 (также называемый гранями второй секции или вторыми гранями). Световод 16 имеет толщину 16Т между первой внешней гранью (поверхностью) 22 и второй внешней гранью (поверхностью) 24 (соответственно, аналогично между задней поверхностью 926 и фронтальной поверхностью 926А). Обычно первый слой 14 и второй слой 12 оптически соединены, поэтому свет проходит между этими слоями без отражения. Направление света, внутреннего в каждом слое, достигается внутренним отражением, обычно с помощью механизма полного внутреннего отражения (TIR), от внешних граней световода 16. На данной фигуре проектор 2 выполнен с помощью оптического устройства 20. Призма 16Р является частью устройства ввода в световод 16. Оптическое устройство 20 освещает световод 16 с помощью вводимого изображения (входной пучок 4), коллимированного до бесконечности (например, как описано в WO 2015/162611 заявителя "LUMUS Ltd."). При распространении света 5 внутри световода 3, распространяющийся свет 5 отражается внутренним отражением от первой внешней грани 22 и второй внешней грани 24 световода 16. Показанные на прилагаемой фигуре первая внешняя грань 22 и вторая внешняя грань 24 световода 16 соответственно подобны показанным на Фиг. 31 фронтальной поверхности 926А и задней поверхности 926 LOE 903.
Первая секция 14 световода 16 включает в себя внутренние грани, отражающие распространяющийся свет 5 в поперечном направлении (изменение направления, не показанное на виде сбоку на прилагаемой фигуре) в качестве первых направляемых пучков 6. Вторая секция 12 включает в себя грани, отражающие распространяющийся свет 4А в качестве вторых направляемых пучков 8 в направлении глаза 10 наблюдателя. Грани в каждой секции предпочтительно перекрываются (в смысле, определенном в патентной заявке PCT/IL2018/050025 заявителя "LUMUS Ltd.", которая в полном объеме включена в это описание), а свет в направлении глаза 10 наблюдателя проходит через более чем одну грань в каждой последовательности граней для повышения равномерности освещенности изображения.
Свет направляется в световод 16 обычно с помощью устройства ввода, например, оптического устройства 20 и призмы 16Р. Устройство ввода и/или проектор изображений выполнены так, чтобы направлять свет в световод 16 так, чтобы распространяющийся свет 5 распространялся посредством внутреннего отражения от внешних поверхностей (22, 24) по световоду 16 в направлении распространения с первой составляющей в плоскости. (Составляющая вне плоскости меняет направление при каждом внутреннем отражении от основных внешних поверхностей световода). По меньшей мере первый набор граней 32 направлен для отклонения части света, направляемой внутренним отражением световода 16 для распространения по световоду 16 с направлением распространения со второй составляющей в плоскости, непараллельной первой составляющей в плоскости. Такое перенаправление света изображения путем частичного отражения в последовательности граней приводит к увеличению апертуры в первом измерении в пределах световода. Устройство вывода обычно рассчитано на вывод по меньшей мере части света, распространяющегося со второй составляющей в плоскости. Устройство вывода обычно является вторым (или третьим) набором частично отражающих граней 36, приводящим к дополнительному увеличению апертуры во втором направлении в плоскости.
Вторая секция 12 (с гранями вывода) предпочтительно находится ближе к глазу 10 наблюдателя, поэтому не будет препятствовать выходящему свету (второму направляемому пучку 8), хотя обращенный вариант исполнения также включен в объем настоящего изобретения, и может быть предпочтительным в некоторых применениях настоящего изобретения.
В данном описании рассмотрен вариант исполнения световода 16, в котором используется стекло, имеющее коэффициент преломления 1,5955, и которым выводится (передается) прямоугольное изображение с углом раскрытия 40 градусов.
На Фиг. 4 показан график зависимости отражательной способности от угла для различных покрытий, имеющих различный диапазон изменения отражательной способности. Предпочтительно покрытие граней должно быть выполнено так, чтобы была получена максимальная эффективность и минимальная энергия, связанная с паразитными изображениями. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения отражение изображения происходит при углах падения 0-55 градусов от нормали к поверхности, а покрытие является практически прозрачным при углах падения 55-87 градусов (за исключением покрытия с высоким коэффициентом отражательной способности, которое является прозрачным до 72 градусов) от нормали к поверхности. Эти характеристики покрытий определяют угол наклона грани. Эта характеристика покрытий практически одинакова для всего видимого спектра, следовательно, один световод будет пропускать все цвета (обычно именуемые RGB, или красный, зеленый и синий). Грани, находящиеся на большем расстоянии (по направлению к дальнему концу световода) от входа света в световод (ближний конец световода), предпочтительно выполняют с покрытиями с более высоким коэффициентом отражательной способности.
На Фиг. 5 показаны геометрические оптические свойства световода 16 в зависимости от углового расположения. Пределы критического угла TIR обеих внешних поверхностей (первая внешняя поверхность 22 и вторая внешняя поверхность 24) представлены в виде окружностей А30, где лучи, направленные внутрь этих окружностей, будут выходить из подложки, а лучи, направленные за пределы этих окружностей, будут оставаться захваченными внутри подложки. Свет изображения, введенный в световод 16, входной пучок 4, имеет прямоугольное угловое распределение. Входной пучок 4 отражается туда и обратно между внешними поверхностями (первая внешняя поверхность 22 и вторая внешняя поверхность 24) и показан в виде квадратов 4L и 4R (сопряженные изображения, отраженные основными поверхностями подложки, что эквивалентно входному пучку 4 показанному на Фиг. 1).
На Фиг. 6 показана ориентация граней световода 16. Входной пучок 4 света изображения сначала встречает первый набор граней 32 первой секции 14 световода 16. Ориентация первого набора граней 32 показана в виде плоскости, обозначенной окружностью А32. Эти грани 32 первой секции имеют покрытие, имеющее угловую отражательную способность, как показано на Фиг. 4. Угол, под которым покрытие является прозрачным (55 градусов в данном примере), обозначен окружностями А34. Следовательно, любое изображение, показанное (снаружи) между этими окружностями (т.е. с углами наклона относительно нормали к граням более чем 55 градусов, такое как 4L на прилагаемой фигуре), будет проходить сквозь грань с покрытием с минимальным отражением. Изображения, которые попадают в эти окружности (т.е. с углами наклона относительно нормали к этим граням менее чем 55 градусов, такое как 4R на прилагаемой фигуре), будут частично отражаться. Угол отражения будет обратным относительно угла грани А32. Следовательно, изображение 4R отражается (как показано стрелкой 600) для генерирования сопряженного изображения 6L (которое соответствует первым направленным пучкам 6). По мере распространения изображения в световоде 16, часть света будет отражаться туда и обратно между 4R и 6L, тем самым улучшая равномерность освещенности конечного изображения.
На Фиг. 7 показаны геометрические оптические свойства второго набора граней 36. Свет изображения 6L отражается от внешних поверхностей (22, 24) световода 16 для генерирования сопряженного изображения 6R. Изображения 6L и 6R распространяются, отражаясь от упомянутых поверхностей (22, 24) и встречающихся граней (грани 36 второй секции) второй секции 12, для которых ориентация обозначена в этом описании как А36. Покрытие на гранях 36 второй секции также имеет прозрачный диапазон (как А34 на Фиг. 6), и границы прозрачного диапазона показаны в виде окружностей А38.
Изображения 6L, 4L и 4R находятся в пределах прозрачного диапазона (между окружностями А38) и, следовательно, не будут в значительной степени отражаться вторыми гранями 36 второй секции 12. Однако изображение 6R находится в пределах 55 градусов, и, следовательно, будет частично отражаться вторыми гранями 36, попадающими в диапазон углов, исходя из внутреннего отражения основных поверхностей подложки, и выводится (как показано стрелкой 700) за пределы световода 16 в виде изображения 8 (вторые направляемые пучки 8) в направлении глаза 10 наблюдателя.
На Фиг. 8 показана диаграмма угла растворения альтернативного исполнения граней и покрытия граней. Изображения 4L и 4R не отражаются вторыми гранями 36 второй секции 12 (в пределах границы А38, представляющей угол>55 градусов). При этом изображения 4L и 6R не отражаются первыми гранями 32 первой секции 14 (в пределах границ А34).
В приведенном в качестве примера варианте исполнения, принимая, что первое изображение, введенное в световод 16, является изображением 4L, изображения соединяются в следующем порядке:
1. Изображение 4L: вводится в световод 16 с помощью оптической системы 20 проектора.
2. Изображение 4R: генерируется как сопряженное с изображением 4L внутренним отражением в световоде 16.
3. Изображение 6L: генерируется путем отражения изображения 4R первыми гранями 32.
4. Изображение 6R: генерируется как сопряженное с изображением 6L внутренним отражением в световоде 16.
5. Изображение 8: генерируется путем отражения изображения 6R вторыми гранями 36.
Могут быть использованы различные варианты углового расположения, имеющие такие же основные свойства соединения той же последовательности изображений, как описано выше. Следует отметить, что как входящие изображения 4R, попадающие на первые грани 32, так и отраженные изображения 6L, приходящие от вторых граней 36, находятся в пределах углов отражения внутренними основными поверхностями [внешними поверхностями (22, 24)] подложки, и поэтому направляются подложкой. Внутреннее отражение через внешние поверхности (22, 24) световода 16 аналогично внутреннему отражению через основные поверхности (926, 926А) подложки 920 LOE 903.
Хотя предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, показанные в этом описании, выполнены так, чтобы оптимизировать углы каждого изображения по отношению к каждой грани, так чтобы изображения избирательно частично отражались или пропускались с минимальным отражением в соответствии с зависящими от угла избирательными свойствами покрытий граней, следует отметить, что такая оптимизация не является обязательной. В некоторых случаях может быть приемлемым использование неоптимизированных углов и/или неоптимизированных покрытий, что приводит к генерированию различных нежелательных мод (соответствующих паразитным изображениям), при условии, что паразитные изображения представляют либо моды с относительно низкой энергией, либо падают за пределы поля зрения желаемого выходного изображения.
На Фиг. 9 показан еще один вариант исполнения световода 16, где участки первой секции 14 и второй секции 12 перекрываются по толщине световода для получения односекционного световода 40 с пересекающимися гранями. Другими словами, наборы граней, в данном случае первый набор граней 32 и второй набор граней 36, перекрываются и образовывают (создают) массив в одной и той же плоскости световода. Односекционный световод 40 имеет толщину 40Т между первой внешней поверхностью 22 и второй внешней поверхностью 24. Способ получения такого световода описан ниже. Углы граней в односекционном световоде 40 аналогичны описанным выше граням для двухсекционного световода 16, показанным на Фиг. 4 и Фиг. 8.
На Фиг. 10, а также Фиг. 2 и Фиг. 3, показан способ производства двухсекционного световода 16. На окна 50 первого первого набора наносят покрытие, складывают их в стопку и скрепляют между собой для получения первого пакета 51. В этом контексте термин "окно" относится к прозрачной плоской пластинке. Первый пакет 51 разрезают под углом для получения первого массива отражающих поверхностей 52. Аналогично, на окна 54 второго набора (другого набора, отличного от первого набора окон 50) наносят покрытие, складывают их в стопку и скрепляют между собой для получения второго пакета 55. Второй пакет 55 разрезают под вторым углом (другой угол, отличный от угла, использованного для разрезания первого пакета 51) для получения второго массива отражающих поверхностей 56. Два массива (первый массив 52 и второй массив 56) соединяют вместе 60 под соответствующим относительным углом (например, скрепляют или склеивают между собой под заданным углом). Перекрывающиеся массивы обрезают 61 для придания требуемой формы световоду 16. В некоторых вариантах исполнения факультативные покрытия 62 приклеивают как внешние поверхности готового двухсекционного световода 64. Каждый этап может включать факультативное разрезание, шлифование и полирование одной или более поверхностей. Из каждого пакета может быть изготовлено более одного массива в соответствии с фактическим размером окон и желаемым размером световода 64.
Существенное снижение затрат может быть достигнуто путем использования одних и тех же массивов (пластин граней) для обеих секций световода 16. Например, стекло ВК7 используется для получения двух массивов (первый массив 52), каждый из которых имеет грани, расположенные под углом 26 градусов. Это отличается от приведенного выше описания производства двух массивов (первый массив 52 и второй массив 56, каждый из которых имеет грани, расположенные под разными углами). Затем два массива соединяют 60 с поворотом на 115 градусов один относительно другого. Этот приведенный в качестве примера вариант расположения позволяет передавать изображение, имеющее 38 градусов при соотношении полей 16:9.
На Фиг. 11 показан приведенный в качестве примера способ производства односекционного световода 40. Аналогично показанному на Фиг. 10 способу производства двухсекционного световода 16, на окна 50 первого набора наносят покрытие и складывают их в стопку для получения первого пакета 51. Пакет разрезают на множество первых массивов 52. Срезы первого массива 52 шлифуют, наносят покрытие и складывают их в стопку для получения пакета 70 массивов. Этот пакет 70 массивов может быть подобен первому пакету 51, однако в этом случае в пакете 70 массивов имеются дополнительные слои с покрытием. Теперь пакет 70 массивов разрезают для получения срезов массива 71, имеющих два набора параллельных граней внутри одного и того же световода. Факультативно могут быть добавлены внешние окна 62 для получения завершенного односекционного световода 72 (односекционный световод 40, показанный на Фиг. 9). Углы каждого разреза и углы каждого складывания в стопку могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга и определяются требованиями к готовому световоду 16.
На Фиг. 12А-12Е показаны различные приведенные в качестве примера варианты конструкции освещения с использованием проекторов 2 для освещения световода 16. На Фиг. 12А показано освещение с боков. Распространение освещения, обозначенное стрелками 800А1 и 800А2, показывает наибольшее расширение вниз, а часть расширения выполняется вверх, вызванное перекрестной обратной связью от 6L до 4R (см. Фиг. 6).
На Фиг. 12В показано освещение сверху, этот вариант исполнения уменьшает затенение периферийного поля обзора.
На Фиг. 12С показано освещение из центра (между двумя световодами), где аппаратные части проекторов (правого и левого) могут быть объединены для уменьшения габаритов и веса.
На Фиг. 12D показано освещение сверху, при котором обеспечивается почти полное незатемненное периферийное поле обзора.
На Фиг. 12Е показано освещение под углом ниже расположения глаза. Таким способом проектор изображения для удобства расположен за пределами периферийного поля обзора.
На Фиг. 13 показаны варианты описанных выше конструкций. Варианты включают различные углы граней и изображений. Сравните прилагаемую фигуру с Фиг. 8. На прилагаемой фигуре угол А32 первого набора граней 32 такой, что угол А32 расположен с противоположной стороны от углов изображения 6R, обеспечивая тем самым передачу изображения большего размера. Окружности А39 показывают внутренние углы отражения двух внешних поверхностей, где изображение, проецируемое в пределах этих окружностей, будет выходить из световода. Например, изображение 8 отображается за пределами окружностей и будет отражаться внутри световода как сопряженное изображение, где сопряжение изображения представляет собой изображение, отраженное от внешней стороны световода. Многократные отражения от внешних граней вдоль световода создают два сопряженные друг с другом изображения.
На Фиг. 14А и Фиг. 14В показаны схематические изображения расположения световода с использованием конструкций, показанных на Фиг. 13. На Фиг. 14А показан проектор 2, который вводит свет изображения в световод 16. Ширина вводимого света определяется апертурой проектора. Две стрелки показывают ширину проецируемых световых пучков 100 (4L и/или 4R на Фиг. 13) для конкретной точки в поле обзора (т.е. в конкретном направлении). Предпочтительно это описание относится к центру поля проецируемого изображения. Грани 102 (показанные как ориентация А32 на Фиг. 13) отражают свет в вертикальных направлениях 104 и 106. Вертикальное отражение 104 и вертикальное отражение 106 имеют одинаковое направление (6R и/или 6L на Фиг. 13), но различное расположение вдоль пучка 100. Очевидно, что пучки вертикального отражения 104 отражаются тремя гранями 102, тогда как пучки вертикального отражения 106 отражаются лишь двумя гранями 102. Следовательно, отраженное изображение не будет иметь равномерного распределения интенсивности.
На Фиг. 14В, грани 109 расположены так, что вдоль направлений отражения (направление 108 отражения и направление 110 отражения) будет иметь место постоянное количество отражений (в данном случае два) от введенного пучка 100. Количество граней в гранях 109, выполненных для отражения, может составлять одну, две или более граней. Геометрические критерии для получения заданного количества граней, осуществляющих вклад в отраженный луч, определяются расстоянием между гранями, углом граней относительно луча проецируемого изображения и шириной апертуры с использованием несложной тригонометрии.
Второй набор граней 36 второй секции 12 (см. Фиг. 3 и угол А36 на Фиг. 13) предпочтительно перекрываются для улучшения однородности изображения.
На Фиг. 15 показано схематическое изображение распространения света в пределах световода 16. Необходимый размер комбинированного световода определяется направлением распространения света в пределах световода и в открытом пространстве в направлении глаза наблюдателя. На прилагаемой фигуре направляемое распространение света показано пунктирными линиями, а распространение света в открытом пространстве - сплошными линиями. Оба распространения света не находятся в одной плоскости, но для наглядности показаны на прилагаемой фигуре схематически в одной плоскости. Для наглядности изменение угла при преломлении также не показано.
Проектор 2 вводит изображение, имеющее ширину поля (различные углы лучей). Границы данного поля представлены лучами 115 и 116 (размер 4R на Фиг. 13). Лучи 115 и 116 отражаются в точках 118 первыми гранями 32 (угол А32 на Фиг. 13) в лучи 117А и 117В в другом направлении (вниз на прилагаемой фигуре, 6L на Фиг. 13).
Два луча 117А и 117В распространяются на другие расстояния в новом направлении до отражения в точках 120 вторыми гранями 36 (угол А36 на Фиг. 13) в направлениях 122 (изначально 116) и 124 (изначально 115) в глаз 10 наблюдателя.
Очевидно, что высота 126 световода 16 не может быть меньше расширения 115 с 116 и 122 с 124
В показанном варианте исполнения вторые грани 36 для вывода (угол А36 на Фиг. 13) будут начинаться только в верхней точке 120 (как изображено на прилагаемой фигуре). Вторые грани 36 не должны быть выше верхней точки 120, поскольку наблюдатель (глаз 10 наблюдателя) не увидит проецируемое поле полностью.
На Фиг. 16А, Фиг. 16В и Фиг. 17 показан подход, также позволяющий уменьшить высоту световода по сравнению с описанными выше вариантами исполнения.
На Фиг. 16А представлен график зависимости коэффициента отражательной способности (отражающий профиль) покрытия грани, выполненного так, чтобы отражать лучи света, падающие под большим углом (по сравнению с коэффициентами отражательной способности, показанными на Фиг. 4). Этот отражающий профиль применяется для обращения угла распространения светового пучка, когда распространяющийся свет выходит из световода.
На Фиг. 16В представлена угловая конструкция приведенного в качестве примера упомянутого подхода. Изображение вводится как 130L, выводится 1600 через внешнюю поверхность в 130R, затем углом граней А132 (из набора граней А132, описанного ниже) с покрытием как показано на Фиг. 16А выводится 1602 изображение в 134R. Затем внешняя грань отражает 1604 распространяющийся свет в виде изображения 134L, отражающегося 1606 углом граней А136 с аналогичным покрытием (из набора граней 136, описанного ниже) из световода к наблюдателю в виде перевернутого изображения 138. Очевидно, что нижняя часть изображения 130L и 130R становится верхней частью перевернутого изображения 138, т.е. изображение является перевернутым.
На Фиг. 17 показано схематическое изображение распространения света перевернутого изображения 138. Проектор 2 вводит изображение, имеющее поле обзора, ограниченное лучами 140 и 142 (углы 130L и/или 130R). Отражение в точках 144 осуществляется набором граней 132 в соответствующие лучи 146 и 148 (изображения 134L и/или 134R). Точки отражения 150 представляют отражение набором граней 136 в соответствующие лучи 152 и 154. Очевидно, что направление в вертикальной плоскости лучей 152 и 154 противоположно направлению лучей 140 и 142. Следовательно, общая высота 156 световода меньше высоты 126 на Фиг. 15.
На Фиг. 18А, Фиг. 18В и Фиг. 18С показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором три набора граней объединены для получения световода 16. На Фиг. 18А представлено схематическое изображение направлений отражений распространения световых лучей в световоде 173. На Фиг. 18 В представлено схематическое изображение вида спереди комбинированного световода 173, в котором объединены три секции граней. Набор граней 174 имеет заранее заданную ориентацию, отличающуюся от граней 176 и отличающуюся от выводящих граней 178. Проектор 2 вводит луч 180 в световод 173. В точке 182 набор граней 174 частично отражает луч 180 в направлении 184. Следует заметить, что все точки представляют процессы отражения (через соответствующие наборы граней), распределенные по световоду. В некоторой точке 186 распространяющийся луч 184 отражается одним из наборов граней 174 в направлении первоначального луча 180. В точке 191 луч выводится набором граней 178 в виде луча 193 в направлении глаза 10 наблюдателя. Другой путь расширения создается гранями 176. Луч от проектора 2 отражается в точке 187 набором граней 176 в направлении 188. В некоторой точке 190 луч 188 отражается назад в направлении 180 и в точке 192 выводится набором граней 178 в виде луча 195 в направлении глаза 10 наблюдателя.
На Фиг. 18С показано схематическое изображение направлений отражений распространения световых лучей в световоде 173 в еще одном варианте исполнения трех секций граней. На прилагаемой фигуре показан еще один вариант объединения трех секций граней в единый световод для получения расширения апертуры.
На Фиг. 19А показана круговая диаграмма альтернативного направления введения света в световод. В целом возможно введение световых лучей входного изображения в любое из сопряженных распространяющихся изображений для получения расширения апертуры. Например, угловая диаграмма, показанная на Фиг. 8, может быть изменена на прилагаемой фигуре для введения 1900 освещения изображения в 6L или 6R (где изображения отражаются 1902 как сопряженные изображения). Свет также отражается туда и обратно 1908 к 4L, т.е. сопрягается 1906 с 4R. Эти изображения распространяются в другом направлении (тем самым расширяя распределение лучей в световоде) до возвращения 1908 к исходному направлению, и в итоге вывода 1904 в 8, как показано на прилагаемой фигуре.
На Фиг. 19 В показано схематическое изображение световода с использованием угловой диаграммы, показанной на Фиг. 19А. Проектор 2 изображений вводит изображение в комбинацию диагональных граней 202 (изображенных на прилагаемой фигуре диагонально, работающих аналогично первому набору граней 32) и соединительных граней 203 (нарисованных на прилагаемой фигуре вертикально, работающих аналогично второму набору граней 36).
На Фиг. 19С показана схема распространения луча в упомянутом световоде. На прилагаемой фигуре пунктирными линиями 1920 показан введенный луч (эквивалентный 6R и 6L) из проектора изображения 2. Штрих-пунктирными линиями 1922 показаны лучи при их распространении в стороны для расширения апертуры (эквивалентные 4R и 4L). Сплошными стрелками 1924 показан выходящий луч (эквивалентный 8). Следует отметить, что при использовании упомянутого варианта исполнения, ввод изображения в световод в виде изображений 6R или 6L осуществляется под более крутым углом (показанным как угол этих изображений относительно плоскости внутреннего отражения А39) относительно изображений 4R и 4L. Следовательно, для получения заполнения по толщине световода достаточно меньшей апертуры проектора.
На Фиг. 20 показана угловая диаграмма альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения с гранями с другой стороны изображения. На упомянутой диаграмме второй набор граней 36 находится с другой стороны изображения 6L (т.е. как 6L, так и 6R, находятся с одной стороны относительно второго набора граней 36). Двойные линии (1930А, 1930В) являются альтернативными для ввода изображения в световод. Изображение вводится как 6L, 6R, 4L или 4R. Аналогично предыдущим вариантам осуществления настоящего изобретения изображения 4R и 4L являются сопряженными 1936 изображениями, которые выводятся 1938 туда и обратно в 6L, которое сопрягается 1932 с 6R. Изображение 6R также отражается 1934 как изображение 8 в направлении наблюдателя.
В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения для отражения граней могут использоваться различные варианты исполнения, включая:
изображения и сопряженные изображения с разных сторон грани (Фиг. 13);
изображения и сопряженные изображения с одной стороны грани (Фиг. 20).
В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться различные покрытия, включая:
отражение изображения под углом, близким к углу грани (Фиг. 16А);
отражение изображения под углом, отличающимся от угла грани (Фиг. 4).
В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы различные варианты введения изображения в световод, включая:
направление непосредственно к выводу (6R, 6L на Фиг. 20);
направление следует изменить перед выводом (4L, 4R на Фиг. 20).
На Фиг. 21 показана гибридная система, в которой преломляющие грани объединены с дифракционными решетками для получения возможности расширения апертуры почти так же, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Применение дифракционных решеток требует использования по меньшей мере двух решеток с полярным оптическим преломлением, так что хроматическая дисперсия может быть нейтрализована. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на прилагаемой фигуре, дифракционная решетка 210 используется для ввода входного света в световод, тогда как дифракционная решетка 212 используется для вывода света из световода. Расширение апертуры в поперечном направлении достигается перекрытием диагональных граней 214, которые выводят распространяющийся туда и обратно свет в поперечном направлении без внесения хроматической аберрации. В этом случае набор перекрывающихся диагональных граней 214 развернут для перенаправления первой направляемой моды (внутреннее отражение на главных поверхностях подложки) во вторую направленную моду (внутреннее отражение на главных поверхностях подложки).
На Фиг. 22А-22С показаны различные варианты осуществления настоящего изобретения для смешивания лучей во время распространения. Смешивание распространяющихся лучей в пределах световода 16 может быть достигнуто различными исполнениями. Например, введением частичного отражения между первым набором граней 32 в первой секции 14 и вторым набором граней 36 во второй секции 12.
На Фиг. 22А показаны секции, разделенные частично отражающим покрытием. Первая секция 14 и вторая секция 12 разделены по поверхности контакта 250 частично отражающим покрытием. Входное оптическое устройство 20 подает входной пучок 4 в световод 16. Поверхность контакта 250 и, следовательно, частично отражающее покрытие, являются параллельными внешним поверхностям (первая внешняя поверхность 22 и вторая внешняя поверхность 24). В этом исполнении все лучи будут удерживаться в первоначальных направлениях распространяющихся лучей света 5 (показаны темными стрелками), несмотря на многократные разделения и отражения распространяющихся лучей 5. На прилагаемой фигуре для наглядности изображено разделение только одного луча. Из данного описания специалист в этой области техники поймет, что происходящие множественные разделения также улучшают однородность выходного изображения.
Альтернативно первая секция 14 и вторая секция 12 могут быть выполнены из различных материалов (например, стекла и пластмассы или разных типов стекла), тем самым вызывая отражения Френеля на поверхности контакта 250. Поверхность контакта 250 может альтернативно и/или дополнительно вызывать вращение поляризации (этот эффект будет вызван диэлектрическим изменением на поверхности контакта), что также улучшит однородность выходного изображения.
На Фиг. 22В показано альтернативное компактное оптическое устройство 20В. Стоимость системы может быть снижена путем уменьшения габаритов проектора изображения (оптическое устройство 20 на Фиг. 22А). Однако для равномерного освещения изображения требуется освещение всего входа световода 16 проектором изображения. На прилагаемой фигуре увеличенное сопряжение, вызванное отражающей поверхностью контакта 250, обуславливает возможность использования компактного проектора 252 изображения для оптического устройства 20В с меньшими размерами по сравнению с оптическим устройством 20.
На Фиг. 22С показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения с частичным отражателем. Поддержание параллельности поверхности контакта 250 с внешними поверхностями (первой внешней поверхностью 22 и второй внешней поверхностью 24) может быть технически затруднительным. На прилагаемой фигуре показан используемый небольшой параллельный отражатель 254. Небольшой параллельный отражатель 254 выполнен как поверхность контакта 250 только в части поверхности контакта между первой секцией 14 и второй секцией 12. Этот небольшой отражатель 254 обеспечивает разделение входных объединенных лучей (входной пучок 4), так что весь световод 16 освещен равномерно. Предпочтительно отражательная способность небольшого отражателя 254 (поверхность контакта 250) постепенно уменьшается вдоль световода (от ближнего до дальнего конца), тем самым улучшая однородность выходного изображения. Такое постепенное уменьшение отражательной способности верхней секции (первой секции 14) можно использовать для компенсации увеличенной отражательной способности граней (грани на большем удалении от проектора имеют более высокую отражательную способность для поддержания постоянной яркости изображения), тем самым создавая иллюзию постоянной прозрачности сквозь световод.
На Фиг. 23 приведено схематическое изображение распространения света в световоде с неоптимальным расширением. Расширение апертуры в поперечном направлении может быть выполнено созданием неоптимальных лучей (также именуемых "паразитными изображениями") и обратной связи с этими паразитными изображениями. Однако этот метод менее эффективен и может вызвать ухудшение изображения по сравнению с оптимальными методами распространения луча, описанными выше. Этот метод осуществляют использованием перекрещенных граней (как показано на Фиг. 2), но без оптимизации покрытия (как показано на Фиг. 8). Следовательно, 4L и 4R также отражаются вторым набором граней 36, тем самым создавая нежелательные изображения. Однако при правильном выборе углов граней (проектирование с применением метода последовательных приближений в угле растворения, как показано на Фиг. 8) эти паразитные изображения будут находиться за пределами поля зрения наблюдателя.
На прилагаемой фигуре показано, как эти "паразитные изображения" используют для расширения изображения в еще одном поперечном направлении. Проектор 2 вводит лучи в направлении 260. После отражения первым набором граней 32 первой секции 14 распространяющийся свет отклоняется в направлении 262. После отражения вторым набором граней 36 второй секции 12 распространяющийся свет отклоняется от световода в направлении 264. Предшествующее расширение осуществлялось в одном поперечном направлении. Входящие лучи в направлении 260 также могут быть отражены гранями второй секции 12 в направлении 266, которое противоположно направлению 264. Повторное взаимодействие с вторым набором граней 36 второй секции 12 отражает распространяющиеся лучи от направления 266 обратно к исходному направлению 260, но со смещением вбок. Аналогично приведенному выше описанию направления 260, распространяющийся луч в направлении 260 отражается первым набором граней 32 в направлении 262 и вторым набором граней 36 отражается из световода в направлении 264.
На Фиг. 24А показаны приведенные в качестве примера две одинаковые пересекающиеся секции граней, имеющие соединительную призму 270, используемую для ввода входного пучка 4 в световод 16. Единичный главный луч 2400 (центр поля и центр апертуры) показан как луч, разделяемый гранями секций. Этот ввод в световод может быть выполнен различными способами.
На Фиг. 24В и Фиг. 24С приведены схематические изображения поперечных сечений устройств ввода. Поперечное сечение выполнено вдоль плоскости главного луча 2400, показанного на Фиг. 24А.
На Фиг. 24В показан вариант исполнения, в котором световод 16 отшлифован под углом, и призма 2410 присоединена сверху к отшлифованной плоскости. Этот вариант исполнения обеспечивает возможность полного отражения от нижней части (как показано на фигуре) световода 16.
На Фиг. 24С показан вариант исполнения с присоединением призмы 2420 к вертикальному торцу световода 16. Этот вариант исполнения обеспечивает возможность получения более длинной соединительной секции (проходящей из прямоугольной формы световода 16). Этот вариант исполнения также обеспечивает возможность использования различных показателей преломления для призмы 2420 и для световода 16.
На Фиг. 24D показан вариант исполнения с объединением призмы и генератора изображений с использованием поляризационного разделителя лучей. Этот вариант исполнения позволяет уменьшить габариты.
Различные расположения граней внутри двух секций будут приводить к изменению поляризации лучей в световоде 16. Следовательно, предпочтительным может быть ввод неполяризованного света. Неполяризованный свет может быть получен из по сути неполяризованного проектора (например, на основе TI DLP, "Texas Instruments Digital Light Processing") или после размещения деполяризатора перед поляризованным проектором (монокристаллическое кварцевое окно волновода).
На Фиг. 25 показан предохранительный связующий элемент между секциями. В случае разлома световода 16 (стекла или пластмассы световода) осколки должны оставаться соединенными вместе и сохранять целостность конструкции для избегания травмы наблюдателя. Такое сохранение целостности световода может быть достигнуто различными способами, например, введением подходящего клея или пластиковой пленки между двумя секциями (между первой секцией 14 и второй секцией 12), показанными на прилагаемой фигуре как промежуточный слой 280. Поэтому, в случае разрушения одной или нескольких секций, получившиеся осколки останутся прикрепленными к световоду 16, а не рассеются, тем самым уменьшив вероятность травмирования пользователя. Оптические свойства промежуточного слоя 280 могут варьировать, включая, но без ограничения ими, свойства, рассмотренные выше в отношении поверхности соприкосновения 250. Промежуточный слой 280 может быть согласован коэффициентом преломления с коэффициентом преломления секций, либо коэффициент преломления промежуточного слоя 280 может отличаться от коэффициента преломления секций для получения отражений, как показано на Фиг. 22.
На Фиг. 26А и Фиг. 26В, показаны соответственно вид сбоку и спереди двухмерного (2D) световода, обеспечивающего ввод в двухсекционный световод 16. Расширение апертуры в поперечном направлении может быть выполнено с помощью одномерного (1D) световода поверх другого одномерного (1D) световода, с помощью двухмерного (2D) световода поверх одномерного (1D) световода или с помощью одномерного (1D) с перекрыванием (несколько осей) описанного выше световода. Комбинируя эти способы, можно получить равномерную интенсивность изображения, производимого световодом и проектором изображения с минимальными габаритами.
На Фиг. 26А показан вид сбоку двухмерного (2D) световода 310, расширяющего апертуру в поперечном направлении со следующим за ним световодом 320 (вариант волновода 16 с перекрыванием). Как показано на прилагаемой фигуре, световод 320 представляет собой двухосный световод, который расширяет апертуру по вертикали, и, как показано на Фиг. 26 В, расширяет апертуру в поперечном направлении.
Расширение апертуры в поперечном направлении с помощью двухмерного (2D) световода может быть выполнено различными способами, как описано в PCT/IL2017/051028, поданной 12 сентября 2017 г., и в PCT/IL2005/000637 (US 7,643,214), обе от "Lumus Ltd." Двухосевой световод может иметь любое из вышеуказанных исполнений. Предпочтительно последующее выравнивание и соединение выполняют путем включения перекрывающихся граней, как описано в PCT/IL2018/050025, поданной "Lumus Ltd." 8 января 2018 г.
На Фиг. 27А и Фиг. 27В показаны соответственно виды сбоку и спереди одномерного (1D) световода, обеспечивающего ввод в двухсекционный световод 16. На Фиг. 27А показан вид сбоку одномерного (1D) световода 410, который расширяет апертуру в поперечном направлении со следующим за ним световодом 320.
Световод наголовного дисплея пропускает свет "виртуального" изображения из проектора 2 в глаз 10 наблюдателя с увеличением проецируемой апертуры. Упомянутое прохождение через световод 16 включает отражения посредством встроенных отражателей (граней) или дифракцию на решетках.
Световод 16 является прозрачным для "внешнего мира", и предпочтительно не должен вносить каких-либо отражений внешнего мира в направлении глаза 10 наблюдателя.
Многие варианты исполнения световодов вносят некоторые отражения падающего под большим углом света в направлении глаза 10. Покрытие граней (или дифракционную эффективность решеток) можно оптимизировать для снижения отражательной способности на таких углах падения. Однако источники света высокой интенсивности, такие как лампа (в темной окружающей обстановке) или солнце, могут отражать свет значительной интенсивности в направлении наблюдателя.
На Фиг. 28 показана круговая диаграмма нежелательного изображения, перекрывающего виртуальное изображение. В прилагаемой фигуре используется диаграмма, показанная на Фиг. 13, однако на прилагаемой фигуре показана только одна точка в поле. Свет из внешнего источника попадает в световод и генерирует нежелательное изображение, перекрывающее виртуальное изображение.
Внешний источник обозначен как 8Is (например, солнце под большим углом над наблюдателем). Свет из внешнего источника 8Is, передаваемый в световод 16, отражается вторым набором граней 36 под углом в 4Rs (перекрывание 4R на Фиг. 13), из этой точки нежелательное изображение следует по пути изображения: 4Rs, 6Ls, 6R и к наблюдателю 8s.
Очевидно, что 4Rs направляется, следовательно, изображение будет передаваться наблюдателю. Однако под другими углами свет от внешнего источника 8Is будет поступать на 4Rs, который не будет направляться внутренним отражением, следовательно, нежелательное изображение не будет генерироваться.
Паразитный свет также может попадать в световод через изображение 4Rs, когда это изображение находится за пределами TIR (в пределах одной из окружностей). Этот свет (помеха) проникает с другой стороны световода (со стороны наблюдателя). Для предотвращения попадания паразитного света 8Is или 4Rs сверху световода может быть установлен козырек, как показано на Фиг. 29А.
На Фиг. 29А показан козырек, предотвращающий попадание в световод света под большим углом. Козырек 1009 устанавливается, преимущественно блокируя (от световода 16) паразитный свет 2900, падающий под большим углом спереди и сзади. Свет, падающий под меньшим углом 1007А, не будет освещать фокальную зону 1007В и, следовательно, не будет виден.
На Фиг. 29В показано покрытие со свойствами, зависящими от угла, для предотвращения попадания в световод света с большим углом падения. Покрытие 1011 выполняется со свойствами, зависящими от угла. Это покрытие 1011 отражает падающие под большим углом лучи 2900 света (относительно зенита), и в то же время пропускает свет 1007А с меньшим углом, как показано на фигуре.
На Фиг. 30 показано альтернативное расположение секций. На прилагаемой фигуре две секции (первая секция 14 и вторая секция 12) объединены в единый одномерный (1D) световод 1020. Этот световод 1020 имеет две секции, прилегающие с использованием другой боковой поверхности, по сравнению с прилегающими поверхностями перекрывающегося световода 16, показанного на Фиг. 2. Секции световода 1020 объединены в виде надстройки, где распространяющийся свет, являющийся направляемым (два изображения 4L и 4R, показанные на Фиг. 13), отражается сперва первым набором граней 32 в первой секции 14 (4R - первым набором граней 32, показанным на Фиг. 13) и затем вторым набором граней 36 во второй секции 12 (6R - вторым набором граней 36, показанным на Фиг. 13). Следует отметить, что согласно данному варианту исполнения грани не являются перпендикулярными наружным поверхностям световода. Поэтому, лишь одно изображение отражается в основном направлении к глазу 10. Например, на 6L отражается только 4R, а не 4R на 6R одновременно с 4L на 6L. Этим единственным основным направлением смягчаются требования к точности выравнивания, которые существуют в конструкциях с разделением лучей.
На Фиг. 32А показано схематическое изображение вида сбоку приведенной в качестве примера системы освещения. Световод 16 может быть использован для системы освещения, обеспечивающей неокрашенное равномерное освещение проекторов изображений. Источник 3200 света обеспечивает входное освещение, освещающее световод 16. При распространении света 3202 в световоде 16 свет 3202 отражается 3204 гранями световода 16 на модулятор изображений 3215. Например, модулятор изображений 3215 может быть жидкокристаллическим на кремниевом основании (LCOS). Отраженный свет 3206 изображения проходит через волновод и затем, как правило, отображается с помощью оптической системы 3220. Преимущественно свойства покрытия граней зависят от поляризации, поэтому световод 16 действует как разделитель поляризационного пучка. Для наглядности в данном описании и фигуре поляризаторы и вращатели плоскости поляризации пропущены.
На Фиг. 32В приведено схематическое изображение вида спереди приведенной в качестве примера системы освещения, показывающее вид спереди световода 16. Источник 3200 света проецирует свет 3202 непосредственно (или через светопровод) в световод 16, где пересечение (перекрывание) граней вызывает расширение апертуры источника в поперечном направлении в пределах световода 16 и проецирует свет из световода 16.
Следует отметить, что описанные выше примеры, использованные числовые значения и примеры расчетов направлены на содействие в описании вариантов осуществления настоящего изобретения. Непреднамеренные опечатки, математические ошибки и/или использование упрощенных расчетов не приуменьшают полезности и основных преимуществ изобретения.
Поскольку прилагаемая формула изобретения была составлена без множественных зависимостей, следует иметь в виду, что это было сделано только для учета формальных требований в юрисдикциях, не допускающих таких множественных зависимостей. Следует отметить, что все возможные комбинации признаков, которые будут подразумеваться при придании формуле изобретения множественной зависимости, в явной форме предусмотрены и должны считаться частью изобретения.
Следует иметь в виду, что приведенные выше описания вариантов осуществления настоящего изобретения предназначены только для того, чтобы служить примерами, и что возможны многие другие варианты осуществления настоящего изобретения в пределах объема настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.