КОМПАКТНЫЙ ВИРТУАЛЬНЫЙ ДИСПЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК G02B27/18 G02F1/13 

Изобретение относится к оптике, а более конкретно к устройствам для получения оптического увеличения изображений, и может найти применение в конструировании малогабаритных приборов, например, размещаемых на голове или шлеме оператора. Такие приборы, обеспечивающие отображение изображений за счет линз, призм, световодов, электронных трубок, жидкокристаллических матриц и т.п., относятся к одному классу - дисплеи, поэтому малогабаритные приборы, размещаемые на голове оператора, далее будем называть HMD (head mounted display).

Такие малогабаритные HMD могут располагаться либо напротив одного глаза (monocular HMD) или напротив двух глаз (binocular HMD). Они находят широкое применение, например, при работе с малыми объектами при сборке электронной аппаратуры, при хирургических операциях, в службах наблюдения и игровых симуляторах.

Из уровня техники известно достаточно большое число технических решений в указанной области. В частности, в патенте США №5790311 [1] описано миниатюрное оптическое устройство, включающее в себя три смежных оптических поверхности, промежуток между которыми заполнен прозрачной субстанцией с коэффициентом преломления выше единицы, при этом две ближайших к окуляру поверхности являются вогнутыми и между ними имеет место, по крайней мере, четыре отражения. В патенте США №5715094 [2] описан безлинзовый миниатюрный прибор, в основу которого положено применение волоконной оптики и жидкокристаллического экрана.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №5986812 [3], в котором первая поверхность объектива является полупрозрачной, падающий свет отражается третьей поверхностью, а затем первой поверхностью, после чего отраженный свет отражается второй поверхностью, выполненной в виде децентрованной отражающей поверхности, расположенной на оптической оси, проходящей через окуляр, при этом три упомянутых поверхности принадлежат объемным элементам с плоскостной симметрией, у которых нет оси вращательной симметрии.

Все перечисленные аналоги [1]-[3] имеют одинаковые недостатки, а именно, для получения виртуального изображения приемлемого размера требуется большая числовая апертура, а это приводит к существенному увеличению веса и размера прибора, делая его неудобным при длительном использовании. Кроме того, ни одно из решений не позволяет видеть одновременно проецируемое изображение и реальное окружение.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке такой конструкции прибора, которая обеспечивала бы возможность наблюдения сразу за несколькими виртуальными, т.е. спроецированными изображениями, и за реальным окружением, обладая при этом малыми размерами, малым весом и значительной прочностью.

Техническое решение достигнуто за счет того, что в конструкции прибора использовано устройство типа «микро-дисплей», состоящее из множества двумерных ячеек, выполненное с возможностью отображения изображения, набор поляризационных отражающих призм, размещенных позади указанного элемента, увеличительные отражающие поляризационные зеркала, размещенные одно за другим таким образом, что их оптические оси и ось, проходящая через указанные поляризационные отражающие призмы, совпадают, и набор модуляторов с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, размещенных между упомянутыми поляризационными отражающими призмами и упомянутыми увеличительными отражающими поляризационными зеркалами.

Существенного сокращения продольных размеров прибора удалось достигнуть, благодаря использованию отражающих поляризационных призм и зеркал, которые работают попарно-синхронно, обеспечивая широкий угол виртуального отображения информации, представленной на микро-дисплее (LCD, OLED, PLED и т.п.). При одном и том же апертурном угле заявляемый прибор в несколько раз короче известных образцов.

Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.

Фиг.1 показывает схему заявляемого прибора, где изображены: источник 10 света, осветительная (коллимационная) линза 20, набор поляризационных отражающих призм 30, набор модуляторов 40 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, поляризационные отражательные увеличивающие зеркала 50, устройство 60 отображения изображения.

Фиг.2 показывает схему заявляемого прибора в продольном разрезе, где изображены: источник 10 света, осветительная линза 20, поляризационные отражающие призмы 30-32, модуляторы 40-41 и 43-44 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации в выключенном ("OFF") состоянии, аналогичные модуляторы 42-45 во включенном ("ON") состоянии, поляризационные отражательные увеличивающие зеркала 50-52, устройство 60 отображения изображения.

Фиг.3 демонстрирует работу поляризационных отражающих линз согласно заявляемому изобретению, где изображены: (р) поляризация светового пучка 15, поляризационные отражающие призмы 30-32, модуляторы 40-42 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, при этом вид 3.1 показывает модуляторы в выключенном ("OFF") состоянии, а вид 3.2 показывает модулятор 40 во включенном ("ON") состоянии, световой пучок преобразуется в состояние (n) поляризации и проходит через набор отражающих призм.

Фиг.4 демонстрирует работу поляризационных отражательных увеличивающих зеркал, где изображены: световой пучок 15 с (n) поляризацией, поляризационные отражательные увеличивающие зеркала 50-51, модуляторы 40-41 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, при этом вид 4.1 показывает модулятор 41 во включенном ("ON") состоянии, а модулятор 40 - в выключенном ("OFF") состоянии, световой пучок 15 с (n) поляризацией приобретает (р) поляризацию и отражается от поляризационного отражательного увеличивающего зеркала 51, как пучок 16, а вид 4.2 показывает модулятор 41 в выключенном ("OFF") состоянии, а модулятор 40 - во включенном ("ON") состоянии, световой пучок 15 с (n) поляризацией приобретает (р) поляризацию и отражается от поляризационного отражательного увеличивающего зеркала 50, как пучок 17.

На Фиг.5 приведен вариант реализации прибора с уменьшенными продольными размерами согласно заявляемому изобретению, где изображено отображающее устройство 60 в виде OLED или LCD дисплея, оптическая пластина 80, набор отражающих поверхностей 70 с электрооптическим переключением, набор увеличивающих отражающих поверхностей с электрооптическим переключением.

Фиг.6 показывает предшествующее техническое решение, где изображены: выходной окуляр 1 оптической системы, совмещенный с входным окуляром глаза наблюдателя, зрительная ось 2 наблюдателя, отражающая поверхность 3, отражающая поверхность 4, отражающая поверхность 5, источник 6 изображения.

Виртуальный дисплей с уменьшенным продольным размером работает следующим образом.

В состав прибора входят (см. Фиг.1) источник света, за счет которого пучок света, направляемый в апертуру коллимационной линзой 20, освещает устройство 60 отображения (в данном случае, ЖК дисплей), набор поляризационных отражающих призм 30 отражает свет вдоль оси прибора, другой набор увеличивающих отражающих поляризационных зеркал 50 отражает и фокусирует свет в направлении глаза оператора (наблюдателя), наблюдатель видит увеличенное виртуальное изображение информации, освещенной на устройстве 60 отображения (дисплее). Набор модуляторов 40 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, каждый из которых помещен между упомянутыми поляризационными отражающими призмами 30 и между упомянутыми отражающими поляризационными зеркалами 50, служит для устранения перекрестных помех (cross talk) в отражениях между каждой отражающей поляризационной призмой 30 из набора и каждым отражающим поляризационным зеркалом 50 из набора.

В целях уменьшения продольных размеров виртуальный дисплей снабжен электрическим блоком для приведения в действие модуляторов 40 с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, при этом, когда модулятор 42 (см. Фиг.2) с электрическим приводом вращения плоскости поляризации включен ("ON"), поляризованный пучок света, отраженного от призмы 32, будет распространяться вдоль оптической системы дисплея без отражения от других призм, свет будет отражен лишь в том случае, если соответствующий модулятор 45 будет тоже включен ("ON").

Функционирование упомянутого модулятора 42 синхронизируют функционированием модулятора 45, другие модуляторы 41-44 и 40-43 также составляют синхронизируемые пары. Когда один из модуляторов, например модулятор 40 (см. Фиг.3.1), находится во включенном ("ON") состоянии, плоскость поляризации светового пучка 15 (р) повернется в положение поляризации (n), и световой пучок будет беспрепятственно распространяться через набор отражающих линз 31, 32 и т.д. Если ни один из модуляторов не включен, световой пучок будет отражаться в призмах (Фиг.3.2).

Увеличивающие отражающие поляризационные зеркала функционируют аналогичным образом: если модулятор 41 включен (Фиг.4.1), то световой пучок 15 с поляризацией (n) будет преобразован в световой пучок с поляризацией (р) и отразится от зеркала 51 как световой пучок 16, если во включенном состоянии находится модулятор 40 (Фиг.4. 2), то световой пучок с поляризацией (n) будет преобразован в световой пучок с поляризацией (р) и отразится от зеркала 50 как световой пучок 17.

Следует отметить, что роль поляризационных увеличивающих зеркал могут исполнять также и голографические фокусирующие элементы.

Кроме того, важно, чтобы в конструкцию прибора был включен вычислительный блок, выполненный с возможностью синхронизации работы модуляторов и устройства отображения (микродисплея).

Система привода модуляторов выполнена с возможностью программирования различных операционных алгоритмов.

Уменьшенные продольные размеры виртуального дисплея в предпочтительном варианте обеспечиваются за счет применения различных принципов модуляции отражения, в частности, Фиг.5 демонстрирует прибор с электрооптическим или оптическим приводом активных элементов 70 и 50 модуляции отражения. При этом для обеспечения прохождения пучка света между элементами 70 и 50 использована оптическая пластина 80, выполняющая роль волновода.

Заявляемое изобретение может найти применение в конструировании компактных приборов, например, размещаемых на голове или шлеме оператора (наблюдателя).

Компактный виртуальный дисплей включает устройство, состоящее из множества двумерных ячеек, выполненное с возможностью отображения изображения, набор поляризационных отражающих призм, размещенных позади указанного устройства, набор увеличительных отражающих поляризационных зеркал, размещенных одно за другим таким образом, что их оптические оси и оси, проходящие через указанные поляризационные отражающие призмы, совпадают, набор модуляторов с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, размещенных между упомянутыми поляризационными отражающими призмами и упомянутыми увеличительными отражающими поляризационными зеркалами. Технический результат - уменьшение размера и веса. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Компактный виртуальный дисплей, включающий в себя:
- устройство, состоящее из множества двумерных ячеек, выполненное с возможностью отображения изображения,
- набор поляризационных отражающих призм, размещенных позади указанного устройства,
- набор увеличительных отражающих поляризационных зеркал, размещенных одно за другим таким образом, что их оптические оси и оси, проходящие через указанные поляризационные отражающие призмы, совпадают,
- набор модуляторов с электрическим приводом вращения плоскости поляризации, размещенных между упомянутыми поляризационными отражающими призмами и упомянутыми увеличительными отражающими поляризационными зеркалами.

2. Компактный виртуальный дисплей по п.1, отличающийся тем, что в нем содержится устройство, выполненное с возможностью осуществления электрического привода модуляторов.

3. Компактный виртуальный дисплей по п.2, отличающийся тем, что в его состав включен вычислительный блок, выполненный с возможностью синхронизации работы модуляторов и устройства, отображающего изображение.

4. Компактный виртуальный дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптическая связь между наборами призм и зеркал обеспечивается путем размещения их в оптической пластине-волноводе.

5. Компактный виртуальный дисплей по п.1, отличающийся тем, что зеркала имеют асферическую поверхность.

6. Компактный виртуальный дисплей по п.1, отличающийся тем, что функцию зеркал выполняют голографические фокусирующие элементы.