Светопроводящий оптический элемент

Светопроводящий оптический элемент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Настоящее изобретение связано с оптическими устройствами, имеющими светопроводящую подложку, и частично с устройствами, имеющими ряд отражающих поверхностей, поддерживаемых простой светопередающей подложкой, также называемой оптическим световодом.

Изобретение может быть применимо для создания разного рода видеоприборов, например, монтируемые на голове дисплеи, сотовые телефоны, компактные дисплеи, 3-D дисплеи, компактные расширители светового пучка, также как и не видеоприборы, например, индикаторные панели, компактные осветительные приборы и сканнеры.

Предпосылки изобретения

Одно из важных применений для компактных оптических элементов - это дисплеи, монтируемые на голове, когда оптический модуль служит одновременно и видеолинзой, и собирателем, где двухмерный дисплей передает изображение в бесконечность и отражает его в глаз наблюдателя. Видеоизображение может быть получено либо с помощью пространственно-световой модуляции (ПСМ) (spatial light modulation (SLM)), например, катодная лучевая трубка, дисплей на жидких кристаллах, матрица (ряд) из органических светодиодов (organic light emitting diode (OLED)), или сканирующий источник и подобные ему устройства, или, косвенно, с помощью передающей линзы или оптического кабеля. Дисплей являет собой матрицу элементов (пикселей), отображающихся в бесконечность с помощью коллимирующей линзы и передающихся в глаз наблюдателя посредством полного или частичного отражения от отражающих поверхностей, являющихся собирателями для случаев, где нужна или не нужна прозрачность соответственно. Обычно для этого применяется традиционный открытый (free-space) оптический модуль. К сожалению, по мере того как происходит желаемое увеличение зоны обзора (field-of-view (FOV)) системы, традиционный открытый (free-space) оптический модуль увеличивается в габаритах, в массе и, следовательно, является непрактичным. Это является основной помехой для применения всех видов дисплеев, в особенности там, где дисплеи прикрепляются к голове, когда система должна быть как можно легче и компактнее.

Стремление к миниатюризации привело разработчиков к нескольким комплексным оптическим решениям, каждое из которых, с одной стороны, все еще не обеспечивает необходимой компактности прибора и, с другой стороны, решает основные проблемы на основе технологичности. Более того, eye-motion-box углов оптического обзора, получаемое из их схем (структур), обычно очень маленькое - обычно меньше 8 мм. Значит, оптическая система очень чувствительна даже к малейшим ее перемещениям относительно глаза наблюдателя и не допускает обычных движений зрачка при чтении текста с таких дисплеев.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение помогает проектировать и изготовлять очень компактные светопроводящие оптические элементы (light-guide optical elements (LOE)) для разных других устройств, дисплеев, закрепляемых на голове. Изобретение позволяет получать относительно широкую зону обзора (FOV) при относительно больших величинах eye-motion-box (от. перев.: возм. размах (величина) колебаний (движений) глаза). Получившаяся оптическая система дает большое, высококачественное изображение, позволяя глазу двигаться в широких пределах. Разработанная оптическая система чрезвычайно удобна, полезна и выгодна из-за ее большей компактности, по сравнению с современными аналогами, и она все еще без труда может быть комбинирована, объединена, даже с оптическими системами специализированной конфигурации.

Это изобретение также включает в себя конструкцию усовершенствованных дисплеев на лобовом стекле (head-up display (HUD)). С начала использования этих дисплеев, а это три десятилетия, в этой области произошел значительный прогресс. Действительно, HUD-дисплеи приобрели большую популярность, и сейчас они играют большое значение не только в современных боевых летающих средствах, но и в гражданской авиации, где HUD-технологии стали ключевой составляющей при посадке летающих средств в условиях плохой видимости. Более того, недавно были представлены многочисленные планы и проекты по внедрению HUD-технологий в автомобильный транспорт, где такие мониторы могли бы существенно помочь водителю в управлении и навигации. Тем не менее, современные HUD-дисплеи имеют несколько существенных недостатков. Все реальные спроектированные HUD-дисплеи нуждаются в источнике изображения, который должен быть значительно смещен от собирателя для того, чтобы источник мог передавать изображение на всю поверхность собирателя. Вследствие этого собиратель-проектор HUD-системы обязательно получается громоздким, объемным и требует большого пространства для установки, что делает эту систему неудобной и иногда небезопасной в использовании. Большое оптическое окно традиционных HUD-дисплеев также обуславливает серьезные требования к оптической системе, делая HUD-дисплеи либо с какими-то компромиссными характеристиками, либо очень дорогими, когда требуются высокие характеристики. Световая дисперсия высококачественных голографических HUD-дисплеев применяется редко.

Важность данного изобретения состоит в том, что оно позволяет создавать компактные HUD-дисплеи, которые смягчили бы упомянутые выше недостатки. В HUD-дисплеях, разработанных в рамках данного изобретения, собиратель освещается компактным источником изображения, который может быть прикреплен к подложке. Поэтому такая система очень компактна, и она может быть легко установлена в различных конфигурациях в разного рода установках. Кроме того, световая дисперсия в дисплее ничтожна, и поэтому дисплей может работать с широкоспектральными источниками, включая традиционный источник белого света. Сверх того, данная разработка позволяет увеличить изображение, поэтому рабочая поверхность собирателя может быть гораздо больше, чем рабочая поверхность, действительно освещаемая источником.

Другое важное применение данного изобретения заключается в создании широкоформатного трехмерного (3D) изображения. Разработки, ведущиеся в области информационных технологий, привели к увеличению потребности 3D-дисплеев. Действительно, на рынке представлен широкий спектр 3D-оборудования. Такие системы, однако, требуют от пользователя надевать на себя специальные устройства, отделяющие изображение для правого и левого глаза. Такие системы "с вооруженным глазом" были внедрены в профессиональное употребление. Однако дальнейшее развитие данной области потребует разработку систем "с невооруженным глазом" с улучшенным комфортом зрения и более близкой адаптацией к механизму бинокулярного зрения. Современные решения этой проблемы страдают рядом различных недостатков, и они не достигают обычных 2D-дисплеев в отношении качества и удобства зрения. Однако, используя данную разработку, становится возможным получить 3D-аутостереоскопический дисплей действительно высокого качества, не требующего никаких дополнительных приспособлений, и изготовление которого можно легко наладить на базе стандартного оптического производства.

Дальнейшее применение данного изобретения направлено на получение компактного дисплея с широким полем зрения (FOV) для применения в мобильных ручных устройствах, таких как мобильный телефон. На современном рынке беспроводного доступа в сеть "Интернет" пропускная способность радиоканала достаточна для полной передачи видеоизображения. Ограничивающим фактором остается качество дисплея в соответствующем конечном устройстве пользователя. Требования к мобильности ограничивают физические размеры дисплеев, и результатом этого является дисплей с узким полем обзора и низким качеством изображения. Данное изобретение позволяет получить физически очень компактный дисплей с очень большим виртуальным изображением. Это - ключевая особенность в технологиях мобильной связи, особенно в области мобильного доступа в "Интернет", решая проблему одного из главных ограничений его практического применения. Таким образом, данная разработка позволяет получить полноформатное цифровое изображение Интернет-страницы с маленького, ручного устройства, например мобильного телефона.

Главным объектом данного исследования, поэтому является сглаживание недостатков современных компактных оптических дисплеев и обеспечение другими оптическими компонентами и системами с улучшенными характеристиками, соответствующими специальным требованиям.

Таким образом, в этом изобретении разработаны оптические устройства, включающие в себя светопередающую подложку, имеющую как минимум две главные поверхности и два ребра; оптические средства для соединения света в указанную подложку с помощью полного отражения и минимум одна частично отражательная поверхность, расположенная в этой подложке.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение описывается во взаимосвязи с определенным образом выделенными вариантами конструктивного исполнения со ссылкой на нижеследующие чертежи для более легкого изучения данной работы.

Учитывая специфичность ссылок на чертежи, это довольно неудобно, что детали показаны в качестве примера и пояснений для выделенных вариантов конструктивного исполнения только настоящего изобретения и приведены для того, чтобы показать, что понимается под самым полезным и простым в понимании описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не было сделано никаких попыток показать структурные детали этого изобретения более подробно, чем того требует фундаментальное понимание изобретения. Чертежи предназначены для специалистов, чтобы показать, как некоторые формы этого изобретения могут быть воплощены на практике.

Фиг.1 - боковой вид общей модели оптического устройства с прежним оптическим преломляющим устройством;

фиг.2 - боковой вид образцового оптического элемента в соответствие с настоящим изобретением;

фиг.3А и 3В иллюстрируют желаемые характеристики отражения и передачи селективно отражающих поверхностей, используемых в данном изобретении для двух уровней углов падения;

фиг.4 иллюстрирует кривые отражения как функции длины волны для образцового дихроичного покрытия;

фиг.5 иллюстрирует кривую отражения как функцию длины волны для образцового дихроичного покрытия;

фиг.6 иллюстрирует кривые отражения как функцию длины волны для другого дихроичного покрытия;

фиг.7 иллюстрирует кривую отражения как функцию длины волны для другого дихроичного покрытия;

фиг.8 схематичный разрез отражательной поверхности в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.9А и 9В - схема, иллюстрирующая подробные разрезы ряда образцовых селективно отражающих поверхностей;

фиг.10 - схема, иллюстрирующая подробные разрезы ряда образцовых селективно отражающих поверхностей, когда тонкая прозрачная прослойка зацементирована на основании (приклеена к основанию) с вето про водящего оптического элемента;

фиг.11 - схема, иллюстрирующая подробные разрезы ряда образцовых селективно отражающих поверхностей для трех разных углов обзора;

фиг.12 - разрез образцового устройства в соответствии с настоящим изобретением, использующего полуволновую пластину для поворота поляризации входящего света;

фиг.13 демонстрирует два графика зависимости искусственно вычисленной прозрачности от поля обзора (FOV) всего изображения проекционного дисплея, и зависимость вида снаружи от того же поля обзора;

фиг.14 - схема, иллюстрирующая устройство светопроводящего оптического элемента, обладающего рядом из четырех частично отражающих поверхностей, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.15 - схема, иллюстрирующая устройство светопроводящего оптического элемента, обладающего рядом из четырех частично отражающих поверхностей, в соответствии с другим вариантом конструктивного исполнения данного изобретения;

фиг.16 - схема, иллюстрирующая метод расширения (растягивания, вытягивания) луча вдоль обеих осей с использованием двойной конфигурации светопроводящего оптического элемента (light-guiding optical element - LOE);

фиг.17 - вид устройства сбоку с использованием жидкокристаллического дисплея (liquid crystal display - LCD) как источник света, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.18 иллюстрирует оптическую схему коллимирующего и преломляющего оптического элемента, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.19 - схема, иллюстрирующая точки падения света, соединенного в подложку, на передней поверхности коллимирующей линзы, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.20 - схема, иллюстрирующая эквивалентную оптическую схему без преломления, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.21 иллюстрирует оптическую схему, использующую две пары параллельных отражающих зеркал для получения широкого поля обзора, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.22А - вид сверху, а фиг.22В - вид сбоку альтернативной схемы для расширения света, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.23 иллюстрирует образцовый вариант конструктивного исполнения настоящего изобретения, основанный на использовании стандартной рамки окуляра;

фиг.24 - схема, иллюстрирующая образцовый метод конструктивного исполнения изобретения в качестве мобильного ручного устройства, такого как мобильный телефон;

фиг.25 иллюстрирует образцовую HUD-систему, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.26 иллюстрирует образцовый вариант конструктивного исполнения настоящего изобретения, где светопроводящий оптический элемент освещается рядом источников изображения;

фиг.27-29 иллюстрирует образцовый вариант конструктивного исполнения системы изображения, которая проектирует трехмерное изображение в глаза наблюдателя, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.30 иллюстрирует вариант конструктивного исполнения изобретения для традиционной реализации устройства усилителя звездного света (star's-light amplifier (SLA));

фиг.31 иллюстрирует вариант конструктивного исполнения для улучшенной реализации устройства усиления звездного света (SLA), в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.32 - боковой вид устройства, использующего отражающий дисплей на жидких кристаллах (LCD) как источник света с традиционным осветительным устройством, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.33 - боковой вид устройства, использующего отражающий дисплей на жидких кристаллах (LCD) как источник света, в котором светопроводящий элемент используется для освещения источника, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.34 - схема, иллюстрирующая метод производства ряда (матрицы) селективно отражающих поверхностей, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.35, 36 - схемы, иллюстрирующие измерительные системы, использующую две призмы для измерения отражательной способности пластины с покрытием на двух разных углах, применяя далее преломляющую линзу для совмещения выходного луча с падающим входным лучом.

Подробное описание выделенных вариантов конструктивного исполнения

На фиг.1 изображено удобное оптическое преломляющее устройство, в котором подложка 2 освещается источником изображения 4. Дисплей коллимируется с помощью коллимирующей линзы 6. Свет, исходящий из источника 4, передается в подложку 2 с помощью первой отражательной поверхности 8 таким образом, что главный луч 10 становится параллельным плоскости подложки. Вторая отражательная поверхность 12 выводит свет из подложки и передает его в глаз наблюдателя 14. Несмотря на компактность этой схемы, она страдает серьезными недостатками; в частности, поле обзора (FOV) здесь получается очень ограниченным. Как видно из чертежа, максимальный внеосевой угол внутри подложки составляет:

где Т - толщина подложки;

d_eye - желаемый диаметр выходного зрачка;

l - расстояние между отражающими поверхностями 8 и 12.

При углах, превышающих α_max, лучи отражаются от поверхности подложки до того, как они достигают отражательной поверхности 12. Значит, отражательная поверхность 12 будет освещаться по нежелательному направлению, и в этом случае будут появляться побочные изображения (блуждающие блики).

Следовательно, максимальным полем обзора этой схемы будет являться:

где ν - коэффициент преломления подложки.

Обычно значение коэффициента преломления лежит между 1,5 и 1,6.

Как правило, диаметр глазного зрачка равен 2-6 мм. Для того чтобы приспособиться к движению или смещению (несоосности) дисплея, диаметр выходного зрачка приходится делать больше, чем необходимо. Минимальное расстояние между оптическими осями глаза берется равным 8-10 мм, а размер головы, l, обычно находится между 40 и 80 мм. Следовательно, даже для маленького угла обзора FOV=8° толщина подложки должна быть примерно 12 мм.

В этой работе представлены методы для преодоления этой проблемы. Для этого применяются увеличительный телескоп внутри подложки и непараллельные собирательные направляющие. Но даже при этом, и еще при том, что применяется только одна отражательная поверхность, толщина системы остается примерно той же. FOV ограничивается диаметром проекции отражательной поверхности 12 на плоскость подложки. При таком ограничении максимальное поле обзора будет:

где α_sur - угол между отражательной поверхностью и нормалью к плоскости подложки;

R_eye - расстояние между глазами наблюдателя и подложкой (обычно 30-40 мм).

На практике tanα_sur не может быть больше 1; отсюда для тех же параметров, описанных выше для FOV=8°, толщина подложки будет примерно равна 7 мм, что является явным улучшением при прежних ограничениях. Тем не менее, при увеличении FOV толщина подложки быстро растет. Например, для FOV 15° и 30° толщина подложки будет 18 мм и 25 мм соответственно.

Для смягчения этих ограничений в настоящем изобретении используется ряд (матрица) селективно отражающих поверхностей, расположенных внутри светопроводящего оптического элемента (light-guiding optical element (LOE)). На фиг.2 показан разрез LOE в соответствии с настоящим изобретением. Первая отражательная поверхность 16 освещается коллимированным дисплеем 18, который в свою очередь освещается источником света (не показан), расположенным за устройством. Отражательная поверхность 16 отражает падающий из источника свет таким образом, что свет попадает в плоскую подложку 20 с помощью полного внутреннего отражения. После нескольких отражений от поверхностей подложки волны достигают ряда селективно отражающих поверхностей 22, которые выводят свет из подложки и проецируют его в глаза наблюдателя 24. Принимая то, что центральная волна источника выходит из подложки 20 в направлении нормали к поверхности подложки 26 и внеосевой угол волны в подложке равен α_m, угол между отражающими поверхностями и нормалью к поверхности подложки будет равен:

Как видно из фиг.2, лучи достигают отражающих поверхностей по двум различным направлениям 28, 30. В этом конкретном варианте исполнения лучи падают на отражательную поверхность 28 после четного количества отражений от поверхностей подложки 26, где угол падения между лучом и нормалью к отражательной поверхности равен:

Со второго направления 30 лучи достигают отражательную поверхность после нечетного количества отражений о поверхность подложки 26, где внеосевой угол равен α_in=180°-α_in и угол падения между лучом и нормалью к отражательной поверхности будет:

Для предотвращения нежелательных отражений и появления побочных изображений (блуждающих бликов) очень важно, чтобы отражение было ничтожно малым для одного из тех двух направлений. Желаемое различие между двумя направлениями падения света может быть получено, если один угол будет значительно меньше другого. Два решения этой задачи, оба из которых используют свойства отражения перпендикулярно поляризованного света (S-поляризация), были предложены ранее, но оба эти решения обладали недостатками. Главным недостатком первого решения является относительно большое число отражающих поверхностей, необходимых для обеспечения достаточного FOV. Главным недостатком второго решения является нежелательное отражение лучей с внутренним углом α_in. Альтернативное решение, описанное здесь, использует свойства отражения параллельно поляризованного света (Р-поляризация) и в некоторых случаях S-поляризованного света и обеспечивает уменьшение угла наклона отражающих поверхностей, что ведет за собой уменьшение необходимого количества отражающих поверхностей.

Характеристики отражения как функции угла падения для S- и Р-поляризованного света различны. Рассмотрим пример границы раздела стекла воздух/поверхность. Пока обе поляризации отражаются на 4% при нулевом угле падения, отражение по Френелю S-поляризованного света, падающего на границу раздела сред, монотонно повышается до уровня 100% при скользящем угле падения света, а отражение по Френелю Р-поляризованного света сначала снижается до 0% при угле Брюстера и только потом повышается до 100% при скользящем угле падения. Следовательно, существует возможность спроектировать покрытие с высокой отражающей способностью для S-поляризованного света при остром угле падения света и ненулевой отражательной способностью для нормального угла падения света. Кроме того, существует возможность легко спроектировать покрытие для Р-поляризованного света с очень низкой отражательной способностью при больших углах падения света и с высокой отражательной способностью при малых углах падения света. Эти свойства могут быть использованы для предотвращения нежелательных отражений и появлений побочных изображений (блуждающих бликов), как описывалось выше, из-за исключения отражения в одном из двух направлений. Например, при β_ref˜25° из уравнений (5) и (6) можно получить:

Теперь, когда отражательная поверхность имеет свойство отражать при β_ref и не отражать при , необходимые условия могут быть получены. На фиг.3А и 3В показано желаемое отражение селективно отражающих поверхностей. Пока луч 32 (фиг.3А) с внеосевым углом β_ref˜25° частично отражается и выводится из подложки, луч 36 (фиг.3В), который падает под углом на отражательную поверхность (что эквивалентно ), проходит сквозь отражательную поверхность 34 без какого-либо значительного отражения.

На фиг.4 показаны кривые отражения дихроичного покрытия, созданного для получения описанных выше характеристик, для четырех различных углов: 20°, 25°, 30° и 75°, все для Р-поляризованного света. Пока отражение луча с большим углом незначительно в рамках спектра, лучи, имеющие углы 20°, 25° и 30°, отражаются почти с постоянной величиной в 26%, 29% и 32% соответственно в рамках того же спектра. Очевидно, отражательная способность снижается с уменьшением угла падения лучей.

На фиг.5 показаны кривые отражения такого же дихроичного покрытия как функции от угла падения лучей для Р-поляризованного света с длиной волны λ=550 нм. Очевидно, на этом графике выделяются две важных области: между 50° и 80°, где отражательная способность очень мала, и между 15° и 40°, где отражательная способность монотонно возрастает с уменьшением угла падения. Следовательно, для данного FOV, до тех пор, пока существует возможность гарантировать, что сплошной угловой спектр , при очень низкой желаемой отражательной способности, будет находиться в пределах первой области, в то время как сплошной угловой спектр β_ref, при более высокой желаемой отражательной способности, будет находиться в пределах второй области, существует возможность гарантировать отражение только одного режима (вида) в глаз наблюдателя и обеспечить отсутствие побочного изображения.

До сих пор проводились анализы только Р-поляризованного света. Эта разработка применима к системам, использующим поляризованный источник изображения, такой как жидкокристаллический дисплей (LCD), или к системам, где выходная яркость не является определяющим фактором и S-поляризованный свет может быть отфильтрован. Однако для неполяризованных источников изображения, таких как CRT или OLED, и там, где яркость является важным фактором, S-поляризованный свет не может быть отброшен и должен быть принят в расчет при проектировании различных устройств. К счастью, несмотря на то, что это более перспективно, чем Р-поляризованный свет, существует возможность создать покрытие с подобными характеристиками для S-поляризованного света, как обсуждалось выше. Т.е. покрытие, обладающее очень низкой отражательной способностью для сплошного углового спектра и выше, предопределяет отражаемость для соответствующего углового спектра β_ref.

На фиг.6 и 7 представлены кривые отражения подобной дихроичной поверхности, описанной выше для фиг.4 и 5, но здесь рассматривается S-поляризованный свет. Несомненно, существуют некоторые различия в характеристиках этих двух поляризаций: область больших углов, где отражательная способность очень низка, для S-поляризации более узкая; здесь гораздо труднее добиться постоянной отражательной способности для данного угла в рамках сплошной спектральной полосы пропускания для S-поляризации; и, наконец. монотонная характеристика S-поляризованного света на угловом спектре β_ref, когда требуется более высокая отражательная способность, противоположна тому же для Р-поляризованного света, т.е. отражательная способность для S-поляризованного света возрастает с уменьшением угла падения лучей. Очевидно, это противоречивое поведение двух поляризаций на угловом спектре β_ref может быть использовано при проектировании оптических систем для получения желаемого отражения всего света в соответствии со специальными требованиями конкретной системы.

Ясно, что отражательная способность первой отражательной поверхности 16 (фиг.2) должна быть настолько высокой, насколько это возможно, для передачи как можно больше света от источника изображения в подложку. Принимая во внимание то, что центральная волна источника входит в подложку нормально, т.е. α₀=180°, то угол α_sur1 между первой отражательной поверхностью и нормалью к плоскости подложки будет равен:

Решения для α_sur1 и для приведенного выше примера будут 155° и 115° соответственно.

На фиг.8 представлен разрез отражательной поверхности 16, которая выводит свет 38 из источника изображения (не показан) и передает его в подложку 20 при помощи полного внутреннего отражения. Как показано, проекция S₁ отражательной поверхности на поверхность подложки 40 будет:

где Т - толщина подложки.

Решение получается, когда передающая площадь поверхности подложки для приведенного выше примера более чем в 4,5 раза больше, чем та же величина для прежних решений. Подобные улучшения происходят почти во всех других системах. Принимая во внимание то, что переданная волна освещает всю площадь отражающей поверхности, после отражения от поверхности 16 она освещает площадь 2S₁=2T·tan(α) поверхности подложки. С другой стороны, проекция отражательной поверхности 22 на плоскость подложки равна S₂=Т·tan(α_sur2). Для исключения или перекрытия, или разрывов между отражающими поверхностями проекция каждой поверхности отстраивается по отношению к соседним поверхностям. Отсюда количество N отражающих поверхностей 22, через которые проходит луч за один цикл (т.е. между двумя отражениями от одной и той же поверхности подложки), равно:

В примере при α_sur2=65° и α_sur1=115° количество отражающих поверхностен N=2, т.е. каждый луч проходит через две разные поверхности во время одного цикла. Это является концептуальным изменением и значительным улучшением данной технологии по сравнению с нашими прежними вариантами, когда каждый луч проходил через шесть разных поверхностей за один цикл. Возможность уменьшения количества отражающих поверхностей при данных требованиях к FOV связано с проектированием отражательной поверхности на плоскость обзора, т.к. углы в данном варианте больше, то требуется меньшее количество отражающих поверхностей для охвата всего изображения. Уменьшение количества отражающих поверхностей позволяет упростить реализацию LOE и обеспечить значительное снижение стоимости такого прибора.

Вариант конструктивного исполнения, описанный выше (фиг.8) является примером метода введения входных волн в подложку. Входные волны могут, однако, быть введены в подложку другими оптическими средствами, включая преломляющие призмы, волокнистые оптические кабели, дифракционные решетки и другие решения.

Также в примере, иллюстрированном на фиг.2, входные волны и волны с изображением располагаются на одной стороне подложки. Также представляются возможными другие варианты, в которых входные волны и волны с изображением могут находиться на противоположных сторонах подложки. Также возможно, в конкретных разработках, направление входных волн в подложку через одну из периферийных сторон подложки.

Фиг.9А представляет собой подробный разрез ряда селективно отражающих поверхностей, которые выводят свет из подложки и передают его в глаз наблюдателя. Как видно, в каждом цикле луч проходит сквозь отражающие поверхности 42, падая под углом , вследствие чего угол между лучом и нормалью к отражающим поверхностям равняется ˜75° и отражение от этих поверхностей пренебрежимо мало. Вдобавок, луч во время каждого цикла дважды проходит через отражающую поверхность 44 под углом α_in=50°, причем угол падения луча равен 25°, и часть энергии луча выходит из подложки. Принимая то, что один ряд, состоящий из двух селективно отражающих поверхностей 22, используется для передачи света в глаз наблюдателя, максимальное FOV будет равняться:

Следовательно, при одинаковых параметрах описанного выше примера минимальное значение толщины подложки для FOV=8° равно 2,8 мм: для FOV=15° и 30° минимальная толщина подложки будет равняться соответственно 3,7 мм и 5,6 мм. Существуют более благоприятные (предпочтительные) значения, чем минимальная толщина подложки современных решений, описанных выше. Вместе с тем, можно использовать более двух селективно отражающих подложек. Например, для трех селективно отражающих поверхностей 22 минимальная толщина подложки при FOV=15° и 30° примерно равна 2,4 мм и 3,9 мм соответственно. Такое увеличение количества отражающих поверхностей может привести, не считая других преимуществ, к уменьшению минимальной толщины оптического устройства.

Для устройств, где требуется относительно небольшое FOV, может быть достаточно применение одной частично отражающей поверхности. Например, для системы со следующими параметрами: R_eye=25 мм; α_sur=72° и Т=5 мм, среднее FOV=17° может быть получено даже при использовании одной отражающей поверхности 22. Часть лучей будет пересекать поверхность 22 несколько раз, перед тем как выйти из подложки в нужном направлении. Пока минимальный угол распространения света внутри подложки для достижения полных условий внутреннего отражения для материала ВК7 или т.п. равен α_in(min)=42°, угол направления распространения света при центральном угле FOV равен α_in(cen)=48°. Следовательно, изображение проецируется не нормально к поверхности, а немного наклонено на внеосевой угол 12°. Все же для многих случаев это допустимо.

Как показано на фиг.9В, каждая отражающая поверхность освещена оптическими лучами различной интенсивности. В то время как правая поверхность 46 освещена лучами, отражающимися от нижней поверхности 48 подложки 20, левая поверхность 50 освещена лучами, пропущенными через частично отражающую поверхность 46 и, как следствие, имеющими более низкую интенсивность. Чтобы получать изображения с однородной яркостью, необходимо компенсировать различия интенсивностей в разных частях изображения. Действительно, поверхности с разными покрытиями имеют различные коэффициенты отражения: у поверхности 46 он ниже, чем у поверхности 50, что обеспечивает компенсирующую подачу различного освещения.

Еще одна неоднородность на конечном изображении может возникнуть в результате различной последовательности лучей, которые достигают избирательно отражающих поверхностей: одни лучи идут непосредственно от отражающей поверхности, минуя трансформации, другие же подвергаются еще нескольким отражениям. Этот эффект показан на фиг.9А. Луч пересекает первую отражающую поверхность 22 в точке 52. Угол падения луча равен 25°, его энергия частично высвобождается с поверхности. Затем луч пересекает ту же отражающую поверхность в точке 42 под углом в 75° без существенного отражения, а затем - еще раз в точке 54 с углом падения 25° и очередная порция энергии частично высвобождается с поверхности. А луч, показанный на фиг.9В, напротив, испытывает только одно отражение от той же поверхности. Мы заметили, что чаще всего отражения происходят при низких углах отражения. Поэтому метод компенсации неоднородности, возникающей вследствие многочисленных пересечений, заключается в разработке такого покрытия, коэффициент отражения которого монотонно возрастал бы с уменьшением угла падения, как показано для диапазона 10-40° на фиг.5. Полностью компенсировать такие различия при эффекте многократных пересечений представляется трудным. Однако в реальных ситуациях человеческий глаз допускает значительные изменения яркости, которые остаются им незамеченными. Рассмотрим принцип действия дисплеев-очков: в глазу концентрируется поток света, который поступает под единым углом наблюдения и фокусируется в одной точке сетчатки глаза, и так как график характеристики чувствительности глаза представляет собой логарифмическую зависимость, то в любом случае небольшие колебания яркости дисплея не будут заметны. Следовательно, даже при среднем уровне освещенности дисплея для человеческого глаза изображение получается качественным. Необходимого уровня можно легко достичь с помощью светопроводящих оптических элементов.

Однако для дисплеев, удаленных от глаз наблюдателя, например для автомобильной системы индикации на лобовом стекле, неоднородность при многократном пересечении недопустима. Поэтому в подобных случаях для преодоления неоднородностей применяется более систематичный метод. Один из возможных методов показан на фиг.10. Тонкий прозрачный слой 55 толщиной T_add наносится на основание светопроводящего оптического элемента. В этом случае луч падает приблизительно под углом 25°. В соответствии с фиг.9А он пересекает первую отражающую поверхность 22 в двух точках и отражается в точке 52. Но при использовании этого способа эффект двойного отражения не возникает. Чтобы минимизировать эффект двойного отражения, нужно вычислить толщину T_add для всего поля обзора оптической системы. Например, для оптической системы с параметрами FOV=24°, α_sur=64°, α_in=52°, v=1,51 и Т=4 мм при нанесении добавочного слоя толщиной T_add=2,1 мм на основной слой эффект двойного прохода полностью исключается. Очевидно, что при этом общая толщина светопроводящего оптического элемента составит 6,1 мм вместо 4 мм. В системах с индикацией на лобовом стекле механизма суммарный слой покрытия получается несколько толще, а значит, обеспечивается механическая прочность, необходимая для светопроводящих опт