ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СО СВЕТОПРОВОДЯЩЕЙ ПОДЛОЖКОЙ Российский патент 2020 года по МПК G02B27/01 G02B27/14 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам со светопроводящей подложкой, а в частности, к устройствам, содержащим множество отражающих поверхностей, выполненных на светопропускающей подложке, также называемого светопроводящим элементом.

Известный уровень техники

Важной областью применения компактных оптических элементов являются видеошлемы (HMD - head-mounted display), где оптический модуль служит в качестве изображающей линзы и индикатора, при этом двумерный источник изображения отображается в бесконечность и отражается в глазах наблюдателя. Источник отображения можно получить непосредственно из пространственного модулятора света (SLM - spatial light modulator), например, такого как электронно-лучевая трубка (CRT - cathode ray tube), жидкокристаллический дисплей (LCD - liquid crystal display), органическая светоизлучающая диодная (OLED - organic light emitting diode) матрица, сканирующий источник или аналогичные устройства, или косвенно посредством промежуточной линзы или волоконно-оптического жгута. Источник отображения содержит матрицу элементов (пикселей), отображаемых в бесконечность с помощью коллимирующей линзы и направляемых в глаз наблюдателя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, служащей индикатором в тех областях применения, где требуется непрозрачность или прозрачность для наблюдения, соответственно. Как правило, для этих целей используют обычный оптический модуль со свободным пространством. Однако, по мере того как требуемое поле зрения (FOV - field-of-view) системы возрастает, размеры такого оптического модуля увеличиваются, он становится более тяжелым и громоздким, и, следовательно, его использование даже в устройстве с невысокими характеристиками непрактично. Это основной недостаток всех видов дисплеев, особенно используемых в видеошлемах, где система непременно должна быть как можно легче и компактнее.

Стремление к компактности привело к появлению нескольких различных сложных оптических решений, однако все они, с одной стороны, по-прежнему недостаточно компактны для большинства практических областей применения, а с другой стороны, имеют серьезные недостатки в отношении возможности их производства. Кроме того, поле движения глаз (ЕМВ - eye-motion-box) для оптических углов зрения, предусмотренных этими конструкциями, обычно очень мало и составляет менее 8 мм. Поэтому характеристики оптической системы очень чувствительны даже к небольшим перемещениям оптической системы относительно глаза наблюдателя и не позволяют обеспечить необходимое движение зрачка для удобного считывания текста с таких дисплеев.

Содержание патентных заявок № WO 01/95027, WO 03/081320, WO 2005/024485, WO 2005/024491, WO 2005/024969, WO 2005/124427, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310, WO 2006/087709, WO 2007/054928, WO 2007/093983, WO 2008/023367, WO 2008/129539, WO 2008/149339, WO 2013/175465, IL 232197 и IL 235642, поданных на имя заявителя, включено в настоящий патентный документ посредством ссылок.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение, наряду с другими областями практического применения, облегчает использование очень компактного светопроводящего оптического элемента (LOE - light-guide optical element) для видеошлемов. Изобретение обеспечивает относительно широкое поле зрения наряду с относительно высокими значениями поля движения глаз. Получаемая в результате оптическая система позволяет воспроизводить изображение высокого качества, также она учитывает значительные перемещения глаза. Оптическая система, предлагаемая в настоящем изобретении, обладает отличительным преимуществом, поскольку она значительно более компактна, чем существующие варианты реализации, еще она может легко интегрироваться в оптические системы, имеющие специализированные конфигурации.

Таким образом, общая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить недостатки известных из предшествующего уровня техники компактных оптических устройств визуализации и предложить другие оптические элементы и системы, обладающие лучшими характеристиками, в соответствии с конкретными требованиями.

Изобретение может быть реализовано с целью получения полезного эффекта в широком диапазоне прикладных задач визуализации, таких как портативные DVD-плееры, сотовые телефоны, мобильные ТВ-приемники, видеоигры, портативные мультимедийные проигрыватели или любые другие мобильные устройства отображения.

Основной физический принцип работы светопроводящего оптического элемента заключается в том, что световые волны направляют внутрь подложки с помощью полных внутренних отражений от внешних поверхностей светопроводящего оптического элемента. Однако существуют ситуации, когда необходимо присоединить другой оптический элемент по меньшей мере к одной из внешних поверхностей. В таком случае необходимо убедиться, что, с одной стороны, отражение световых волн от внешних поверхностей не будет ухудшаться из-за этого присоединения, а с другой стороны, оптические устройства для ввода световых волн в светопроводящий оптический элемент и их вывода не будут подвергаться воздействию возмущений. В результате, на внешние поверхности необходимо добавить отражающее оптическое устройство чувствительное к углу, с одной стороны, полностью отражающее все световые волны, направляемые внутрь светопроводящего оптического элемента и падающие на поверхности под определенными углами наклона, а с другой стороны, пропускающее световые волны, падающие на поверхность близко к направлению нормали.

В предыдущих изобретениях (например, в патенте WO 2005/024491) было представлено отражательное оптическое устройство, отличающееся тем, что на поверхности светопроводящего оптического элемента нанесено тонкопленочное диэлектрическое покрытие, обладающее чувствительностью к углу. В настоящем изобретении в альтернативном отражающем оптическом устройстве используются прозрачные диэлектрические материалы, имеющие очень низкий коэффициент преломления.

Таким образом, в изобретении предлагается оптическая система, содержащая светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две внешние основные поверхности и края, оптический элемент для ввода световых волн в подложку посредством полного внутреннего отражения, по меньшей мере одну частично отражающую поверхность, расположенную внутри подложки для вывода световых волн из подложки и по меньшей мере один прозрачный слой, имеющий коэффициент преломления значительно более низкий по сравнению с коэффициентом преломления светопропускающей подложки, оптически присоединенный по меньшей мере к одной из основных поверхностей подложки, определяющий плоскость раздела, причем световые волны, попадающие внутрь подложки, полностью отражаются от плоскости раздела между основной поверхностью подложки и прозрачным слоем.

Краткое описание чертежей

Для обеспечения более полного понимания изобретение раскрывается на примере некоторых целесообразных вариантов исполнения со ссылкой на следующие пояснительные чертежи.

При конкретной ссылке на подробные чертежи подчеркивается, что подробные сведения приведены исключительно в качестве примера и для наглядного рассмотрения вариантов исполнения настоящего изобретения и представлены для обеспечения наиболее полезного и доступного описания принципов и концептуальных особенностей изобретения. В связи с этим конструктивные детали изобретения не показаны более подробно, чем это необходимо для понимания принципов изобретения. Описание вместе с чертежами должно служить в качестве руководства для специалистов в данной области техники в том, как можно реализовать отдельные формы изобретения на практике.

На чертежах:

на Фиг. 1 показан вид сбоку характерного, известного из предшествующего уровня техники светопроводящего оптического элемента;

на Фиг. 2 показано схематическое изображение, иллюстрирующее известное из предшествующего уровня техники оптическое устройство для коллимирования световых волн от источника света для отображения;

на Фиг. 3 показано схематическое изображение, иллюстрирующее систему для коллимирования и введения входящих световых волн от источника света для отображения в светопроводящий оптический элемент в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 4 показано схематическое изображение, иллюстрирующее другой вариант исполнения для коллимирования и введения входящих световых волн от источника света для отображения в подложку, где к подложке присоединен коллимирующий модуль, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 5 показан характерный вариант исполнения, где к внешней поверхности светопроводящего оптического элемента присоединена рассеивающая линза, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 6 показан характерный вариант исполнения, где к внешним поверхностям светопроводящего оптического элемента присоединены рассеивающая и собирающая линзы, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 7 показан характерный вариант исполнения, где к внешней поверхности светопроводящего оптического элемента приклеивают рассеивающую линзу с использованием клеящего вещества с низким коэффициентом преломления, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 8 показан характерный вариант исполнения, где к внешней поверхности светопроводящего оптического элемента оптически присоединена подложка, выполненная из материала с низким коэффициентом преломления, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 9 показан характерный вариант исполнения, где к внешним поверхностям светопроводящего оптического элемента приклеивают рассеивающую и собирающую линзы с использованием двух прозрачных слоев, в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 10 показан график, иллюстрирующий кривую отражательной способности для (а) неприклеенного светопроводящего оптического элемента; (б) светопроводящего оптического элемента, приклеенного к подложке из материала с низким коэффициентом преломления и покрытого антибликовым покрытием, и (в) светопроводящего оптического элемента, приклеенного к подложке из материала с низким коэффициентом и покрытого чувствительным к углу отражающим покрытием в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 11 показан характерный вариант исполнения настоящего изобретения, где элементы для ввода и вывода представляют собой дифракционные оптические элементы; и

на Фиг. 12 показан характерный вариант исполнения настоящего изобретения, где в наручную систему отображения встраивается оптический модуль.

Подробное описание вариантов исполнения

На Фиг. 1 показан вид в разрезе подложки 20 известной из предшествующего уровня техники и соответствующих элементов (далее также называемых светопроводящим оптическим элементом), используемых в настоящем изобретении. Оптические средства, например, отражающая поверхность 16, освещается коллимированными световыми волнами 18 отображения, излучаемыми источником света (не показан). Отражающая поверхность 16 отражает падающие световые волны от источника таким образом, что световые волны попадают внутрь плоской подложки 20 светопроводящего оптического элемента за счет полного внутреннего отражения. После нескольких отражений от основных нижней и верхней поверхностей 26, 28 подложки 20, захваченные световые волны достигают матрицы селективных отражающих поверхностей 22, направляющих световые волны из подложки в глаз 24 наблюдателя, имеющий зрачок 25. Здесь входная поверхность светопроводящего оптического элемента будет рассматриваться как поверхность, через которую входящие световые волны попадают в светопроводящий оптический элемент, а выходная поверхность светопроводящего оптического элемента будет рассматриваться как поверхность, через которую захваченные световые волны выходят из светопроводящего оптического элемента. В случае светопроводящего оптического элемента, показанного на Фиг. 1, входная и выходная поверхности расположены на нижней поверхности 26. Однако предусмотрены и другие конструкции, где входящие и изображающие световые волны могут располагаться на противоположных сторонах подложки 20 или где световые волны вводят в светопроводящий оптический элемент через скошенный край подложки.

Как показано на Фиг. 2, s-поляризованные входящие световые волны 2 от источника 4 света для отображения вводят в коллимирующий модуль 6, обычно выполненный из материала, пропускающего световые волны, через нижнюю поверхность 30. После отражения от поляризационного светоделителя 31 световые волны выводят из подложки через поверхность 32 коллимирующего модуля 6. Затем световые волны проходят через четвертьволновую замедляющую пластину 34, отражаются отражающим оптическим элементом 36, например, плоским зеркалом, возвращаются, чтобы снова пройти через замедляющую пластину 34, и повторно входят в коллимирующий модуль 6 через поверхность 32. Теперь р-поляризованные световые волны проходят через поляризационный светоделитель 31 и выходят через светопроводящую поверхность 38 коллимирующего модуля 6. Световые волны проходят через вторую четвертьволновую замедляющую пластину 40, сводятся в параллельный пучок элементом 42, например, линзой, на отражающей поверхности 44, возвращаются, чтобы снова пройти через замедляющую пластину 40, и повторно входят в коллимирующий модуль 6 через поверхность 38. Теперь s-поляризованные световые волны отражаются от поляризационного светоделителя 31 и выходят из коллимирующего модуля через верхнюю поверхность 46. На отражающие поверхности 36 и 44 может наноситься металлическое или диэлектрическое покрытие.

На Фиг. 3 показано, каким образом коллимирующий модуль 6, состоящий из элементов, подробно описанных со ссылкой на Фиг. 2, можно соединить со светопроводящим оптическим элементом, чтобы сформировать оптическую систему. Выходящие световые волны 48 из коллимирующего модуля 6 попадают в подложку 20 через нижнюю поверхность 26. Набегающие световые волны (по отношению к подложке 20) отражаются от оптического элемента 16 и направляются в подложку, как показано на Фиг. 2. Теперь коллимирующий модуль 6, содержащий источник 4 света, складывающиеся призмы 52 и 54, поляризационный светоделитель 31, замедляющие пластины 34 и 40 и отражающие оптические элементы 36 и 42, может быть интегрирован в единый конструктивный модуль, собираемый независимо от подложки с довольно нестрогими механическими допусками. Кроме того, для формирования единых элементов можно склеить замедляющие пластины 34 и 40 и отражающие оптические элементы 36 и 42 вместе.

Целесообразно присоединить все элементы коллимирующего модуля 6 к подложке 20, чтобы сформировать единый компактный элемент с гораздо более простым конструктивным модулем. На Фиг. 4 показан такой модуль, где верхняя поверхность 46 коллимирующего модуля 6 прикрепляется на плоскости раздела 58 к нижней поверхности 26 светопроводящего оптического элемента. Основная проблема этой конструкции заключается в том, что процедура присоединения устраняет ранее существовавший воздушный зазор 50 (показанный на Фиг. 3) между светопроводящим оптическим элементом и коллимирующим модулем 6. Этот воздушный зазор необходим для ввода входящих световых волн 48 внутрь светопроводящего оптического элемента 20. Как показано на Фиг. 4, захваченные световые волны 48 должны отражаться в точках 62 и 64 на плоскости раздела 58. Поэтому на эту плоскость, или на основную поверхность 26 светопроводящего оптического элемента, или на верхнюю поверхность 46 коллимирующего модуля 6 должно быть помещено отражающее оптическое устройство. Однако здесь нельзя использовать простое отражающее покрытие, поскольку эти поверхности также должны оставаться прозрачными для световых волн, входящих и выходящих из светопроводящего оптического элемента в характерных точках 66. Световые волны должны проходить через плоскость 64 при малых углах падения и отражаться при более высоких углах падения. Обычно углы падения пропускаемой волны составляют от 0 до 15°, а углы падения отражаемой волны составляют от 38 до 80°.

Во всех описанных выше вариантах исполнения настоящего изобретения изображение, вводимое в светопроводящий оптический элемент, коллимируют на бесконечность. Однако существуют области применения, где передаваемое изображение должно быть сфокусировано на более близком расстоянии, например, для людей, страдающих близорукостью и неспособных четко видеть изображения, расположенные на больших расстояниях.

На Фиг. 5 показан способ реализации линзы на основе настоящего изобретения. Изображение 80 из бесконечности направляют в подложку 20 с помощью отражающей поверхности 16, а затем изображение отражается с помощью матрицы частично отражающих поверхностей 22 в глаз 24 наблюдателя. Очковая линза 82 фокусирует изображения на требуемом расстоянии и при необходимости корректирует другие аберрации глаза наблюдателя, включая астигматизм. Плосковогнутая линза 82 может прикрепляться к поверхности подложки в месте расположения ее плоской поверхности 84. Как было раскрыто выше со ссылкой на Фиг. 4, между линзой 82 и подложкой 20 необходимо сохранить узкий воздушный зазор, чтобы обеспечить ввод лучей изображения внутрь подложки путем полного внутреннего отражения.

Кроме того, в большинстве областей применения, связанных с настоящим изобретением, предполагается, что внешняя сцена расположена на бесконечности. Однако существуют такие области применения, как, например, профессиональная подготовка или медицина, где внешняя сцена расположена на более близком расстоянии.

На Фиг. 6 показан способ реализации конструкции со сдвоенной линзой на основе настоящего изобретения. Изображение 80 из бесконечности направляют в подложку 20 с помощью отражающей поверхности 16, а затем изображение отражается с помощью матрицы частично отражающих поверхностей 22 в глаз 24 наблюдателя. Другое изображение 86 сцены с близкого расстояния коллимируют на бесконечность с помощью линзы 88, а затем передают через подложку 20 в глаз. Линза 82 фокусирует изображения 80 и 86 на требуемом расстоянии, обычно на первоначальном расстоянии от внешней сцены 86, и при необходимости корректирует другие аберрации глаза наблюдателя.

Линзы 82 и 88, показанные на Фиг. 5 и 6, представляют собой простые плосковогнутые и плосковыпуклые линзы, соответственно. Однако для сохранения плоской формы светопроводящего оптического элемента вместо них можно использовать линзы Френеля, изготовленные из тонких литых пластиковых пластин с мелким шагом. Кроме того, альтернативным способом реализации линз 82 или 88, вместо стационарных линз в том виде, как это описано выше, является использование динамических линз с электронным управлением. Существуют области применения, где требуется, чтобы пользователь мог не только видеть неколлимированное изображение, но и динамически управлять фокусом изображения. Было показано, что для формирования динамического элемента можно использовать пространственный модулятор света с высоким разрешением. Наиболее распространенными источниками, применяемыми для этой цели, являются жидкокристаллические устройства, но также могут использоваться и другие динамические пространственные модуляторы света. Известны динамические линзы с высоким разрешением порядка нескольких сотен линий/мм. Этот тип электрооптических управляемых линз можно использовать в качестве необходимых динамических элементов в настоящем изобретении вместо стационарных линз, описанных выше со ссылкой на Фиг. 5 и 6. Следовательно, оператор может определить и установить в реальном времени точные фокальные плоскости как для виртуального изображения, проецируемого светопроводящим оптическим элементом, так и для реального изображения внешней сцены. Естественно, линзы, представленные на Фиг. 5 и 6, можно легко вставить внутрь очковой оправы 83, как показано на Фиг. 5.

Как показано выше на Фиг. 6, целесообразно присоединить все линзы 82 и 88 к светопроводящему оптическому элементу, чтобы сформировать единый компактный элемент с гораздо более простым конструктивным модулем. Основная проблема, как указывалось ранее, заключается в том, что процедура присоединения устраняет ранее существовавший воздушный зазор между светопроводящим оптическим элементом и линзами 82 и 88, необходимый для ввода входящих световых волн 80 внутрь светопроводящего оптического элемента. Как показано далее на Фиг. 6, захваченный световой луч 80 должен отразиться в точке 90, расположенной на плоскости раздела 84, и пройти через эту же плоскость в точке 92. Поэтому в этой плоскости следует применять аналогичное отражающее оптическое устройство, описанное выше со ссылкой на Фиг. 4.

Возможный подход к получению требуемого оптического устройства состоит в оптическом присоединении к основным поверхностям светопроводящего оптического элемента прозрачного слоя, имеющего коэффициент преломления значительно более низкий по сравнению с коэффициентом преломления светопроводящего оптического элемента. Один из способов реализации этого подхода заключается в приклеивании светопроводящего оптического элемента к необходимому оптическому элементу с использованием клеящего вещества с низким коэффициентом преломления. На рынке существуют оптические клеи, имеющие коэффициент преломления около 1,3.

Как показано на Фиг. 7, для приклеивания корректирующей линзы 82 к светопроводящему оптическому элементу использовано клеящее вещество 100 с низким коэффициентом преломления. Световые лучи, попадающие внутрь светопроводящего оптического элемента, теперь полностью отражаются от поверхности раздела 101 между клеящим веществом 100 и светопроводящим оптическим элементом. Процедура приклеивания не может просто заменить требуемый воздушный зазор. Например, в светопроводящем оптическом элементе, изготовленном из стекла BK7, имеющего коэффициент преломления 1,52, критический угол составляет 41,8°. Замена воздушного зазора на клеящее вещество с низким коэффициентом преломления приведет к увеличению критического угла до 58,8°. При таком высоком критическом угле в светопроводящий оптический элемент путем полного внутреннего отражения может быть направлено только очень ограниченное поле зрения. Тем не менее, используя материалы с высоким коэффициентом преломления для изготовления светопроводящего оптического элемента, доступное поле зрения можно увеличить. Например, использование оптического материала, имеющего коэффициент преломления 1,8 для изготовления светопроводящего оптического элемента уменьшит критический угол до 46,2°, что позволит обеспечить более приемлемое поле зрения.

Альтернативным вариантом увеличения поля зрения является вставка промежуточного тонкого слоя твердого диэлектрического материала с низким коэффициентом преломления между светопроводящим оптическим элементом и присоединяемым оптическим элементом. Была разработана серия аэрогелей, имеющих очень низкий коэффициент преломления (в диапазоне от 1,1 до 1,2), а также стабилизированные механические свойства. Другим возможным альтернативным вариантом реализации данной цели является использование пористого твердого диэлектрического материала, получаемого за счет технологии осаждения при угле скольжения (glancing angle deposition, GLAD).

На Фиг. 8 показана тонкая пластина 104 из материала с низким коэффициентом преломления (LIM - low index material), вставляемая между светопроводящим оптическим элементом и корректирующей линзой 82. Эту пластину 104 из материала с низким коэффициентом преломления можно поместить непосредственно на внешнюю поверхность 26 светопроводящего оптического элемента либо прикрепить к этой поверхности, используя тонкий клеевой слой 106. Для того чтобы избежать многократного отражения от различных поверхностей, в данном случае целесообразно использовать клеящее вещество, имеющее коэффициент преломления равный коэффициенту преломления светопроводящего оптического элемента. Внутренние отражения захваченных лучей внутри светопроводящего оптического элемента будут происходить от верхней поверхности 107 пластины 104. Поэтому, чтобы избежать получения нескольких изображений, эта поверхность должна быть параллельна внешней поверхности 26 светопроводящего оптического элемента. В итоге, а также во избежание черных полос на изображении толщина клеевого слоя 106 должна быть сведена к минимуму и, в любом случае, должна составлять не более нескольких микрон. Кроме того, поверхность 107 должна иметь высокое оптическое качество и быть абсолютно плоской. Присоединение пластины из материала с низким коэффициентом преломления к основной поверхности подложки для получения требуемого оптического устройства чувствительного к углу может выполняться не только к одной из двух внешних поверхностей светопроводящего оптического элемента, но также и к другой его поверхности.

На Фиг. 9 показана вторая тонкая пластина 108 из материала с низким коэффициентом преломления, вставляемая между светопроводящим оптическим элементом 20 и собирающей линзой 88, причем нижняя поверхность 110 пластины оптически соединена с верхней поверхностью 28 светопроводящего оптического элемента.

Другая процедура, позволяющая улучшить характеристики обоих вышеописанных вариантов исполнения, предполагает нанесение отражающего покрытия чувствительного к углу (ASR - angular sensitive reflective), позволяющего полностью захватить поле зрения внутрь подложки даже при меньших углах, чем критический угол отражающей поверхности раздела. Даже для областей применения, отличающихся непрозрачностью, где одна из поверхностей подложки может быть непрозрачной и, следовательно, может быть покрыта обычным отражающим покрытием, внешняя поверхность, расположенная рядом с глазами наблюдателя, должна быть прозрачной по меньшей мере для углов, лежащих в требуемом поле зрения. Поэтому необходимое отражающее покрытие должно иметь очень высокую отражательную способность в области углов меньших критического угла и очень высокую отражательную способность для всего поля зрения изображения.

На Фиг. 10 показаны кривые отражательной способности для характерного варианта исполнения, где светопроводящий оптический элемент изготовлен из оптического материала с коэффициентом преломления 1,6, а длина волны λ=550 нм.

Показаны три различных графика:

а) Сплошной линией показана кривая отражательной способности неприклеенного светопроводящего оптического элемента, а именно светопроводящего оптического элемента, где в качестве внешнего материала используется воздух, а внешние поверхности покрыты обыкновенным антибликовым (AR - anti-reflection) покрытием. Как показано, критический угол составляет 38,7°, ниже этого значения отражательная способность резко уменьшается.

б) Точечной линией показана кривая отражательной способности светопроводящего оптического элемента, приклеенного к подложке из материала (LIM) с низким коэффициентом преломления равным 1,1, при этом поверхность раздела покрыта обыкновенным неотражающим (AR) покрытием. В этом случае критический угол возрастает до 43°. Потенциальное поле зрения, доступное для ввода в светопроводящий оптический элемент, уменьшается, но оно все еще является приемлемым и равным полю зрения для неприклеенного светопроводящего оптического элемента, изготовленного из стекла BK7, где критический угол составляет 41,8°.

в) Пунктирной линией показана кривая отражательной способности светопроводящего оптического элемента, приклеенного к подложке из материала (LIM) с низким коэффициентом преломления, имеющего коэффициент преломления равный 1,1. Однако в этом случае поверхность раздела покрыта специальным отражающим покрытием чувствительным к углу (ASR). Оптическое устройство для отражения лучей, захваченных внутрь светопроводящего оптического элемента, от поверхности раздела при углах падения ниже 43,4° уже не использует полного внутреннего отражения, а в большей степени предполагает отражение от покрытия чувствительного к углу. Отражательная способность для лучей, падающих на поверхность раздела под углами падения более 34,7°, превышает 99%, и лучи практически полностью отражаются от поверхности раздела. В результате, потенциальное поле зрения, доступное для ввода внутрь светопроводящего оптического элемента, значительно выше, чем поле зрения для неприклеенного светопроводящего оптического элемента, представленного на графике (а).

На этом графике имеется две важных области: между 34° и 90°, где отражательная способность очень высокая, и между 0° и 29° (эквивалентно диапазону от 0 до 46° за пределами подложки), где отражательная способность очень низкая. Следовательно, при условии, что весь угловой спектр захваченных оптических волн, где необходима очень высокая отражательная способность, будет располагаться в первой области, тогда как весь угловой спектр внешнего поля зрения, где необходима нулевая отражательная способность, будет располагаться внутри второй области, для заданного поля зрения, и поле зрения целиком будет вводиться внутрь подложки с помощью внутренних отражений, можно гарантировать, что наблюдатель сможет увидеть полное изображение.

Если подложку из материала с низким коэффициентом преломления приклеивают к верхней поверхности светопроводящего оптического элемента, чувствительное к углу отражающее покрытие можно наносить на внешнюю поверхность 107 (Фиг. 9) пластины из материала с низким коэффициентом преломления, примыкающую к светопроводящему оптическому элементу, как было раскрыто выше. Однако, если слой материала с низким коэффициентом преломления непосредственно наносят на светопроводящий оптический элемент, единственный способ применения требуемого отражающего покрытия чувствительного к углу - это его нанесение на внешнюю поверхность 26 светопроводящего оптического элемента. Поскольку процесс изготовления светопроводящего оптического элемента обычно включает склеивание оптических элементов и поскольку требуемое отражающее покрытие чувствительное к углу наносят на поверхность подложки только после того, как корпус светопроводящего оптического элемента уже готов, обычные процедуры нанесения горячего покрытия, могущие вызвать повреждение склеенных областей, использовать недопустимо. Также могут использоваться новые тонкопленочные технологии, такие как процедуры нанесения покрытий способом ионного распыления, для холодной обработки, устраняя необходимость в нагреве деталей, что позволяет безопасно покрывать склеенные детали, такие как светопроводящий оптический элемент.

Во всех вариантах исполнения, представленных до этого, элемент для вывода световых волн из подложки представлял собой по меньшей мере одну плоскую частично отражающую поверхность, расположенную в этой подложке, обычно покрываемую частично отражающим диэлектрическим покрытием и не являющуюся параллельной основным поверхностям подложки. Однако специальное отражающее оптическое устройство в соответствии с настоящим изобретением также может использоваться для других технологий вывода изображений.

На Фиг. 11 показана подложка 20, где элемент 102 ввода и элемент 104 вывода представляют собой дифракционные элементы, а тонкую подложку из материала с низким коэффициентом преломления оптически приклеивают на верхнюю поверхность 28 подложки. Кроме того, можно использовать другие элементы вывода, такие как криволинейная частично отражающая поверхность и другие средства.

Элементы, изображенные на Фиг. 5-9 являются исключительно примерами, иллюстрирующими простую реализацию настоящего изобретения в пределах очковой оправы. Поскольку оптический элемент со светопроводящей подложкой, являющийся основным элементом системы, очень компактный и легкий, его можно устанавливать в самых разнообразных устройствах. Также возможны другие варианты исполнения, в том числе визор, складной дисплей, монокль и многие другие. Рассмотренный вариант исполнения предназначен для областей применения, где дисплей представляет собой дисплей-очки или видеошлем, надеваемый на голову. Однако существуют области применения, где дисплей расположен по-другому. Примером такой области применения является наручное устройство для мобильного приложения, например, смартфон или смарт-часы. Основной проблемой этих интеллектуальных устройств является противоречие между требуемым малым размером и объемом и желаемым высококачественным изображением.

На Фиг. 11 показан альтернативный вариант исполнения, основанный на настоящем изобретении, устраняющий необходимость поиска компромиссного решения между небольшим размером мобильных устройств и желанием просматривать цифровой контент на полноформатном дисплее. Эта область применения представляет собой наручный дисплей (HHD - hand-held display), отвечающий ранее указанным противоположным требованиям, заключающимся в необходимости получения небольших мобильных устройств и желании просматривать цифровой контент на полноформатном дисплее, за счет проецирования высококачественных изображений непосредственно в глаз пользователя. Оптический модуль, содержащий источник 4 отображения, складную коллимирующую оптическую систему 108 и подложку 20, встраивают в корпус интеллектуально устройства 110, где подложка 20 заменяет существующую защитную крышку с окном для телефона. В частности, объем вспомогательных элементов, включая источник 4 и оптическую систему 108, достаточно мал, чтобы поместиться внутрь современных интеллектуальных устройств подходящего размера. Чтобы просмотреть полный экран, передаваемый устройством, окно устройства располагают перед глазом 24 пользователя, наблюдая за изображением с высоким полем зрения, широким полем движения глаз и комфортным расстоянием между глазом и оптическим устройством. Кроме того, можно просмотреть все поле зрения на большем расстоянии между глазом и оптическим устройством с помощью наклона устройства для отображения различных частей изображения. Кроме того, поскольку оптический модуль может служить в качестве прозрачной конструкции, существует возможность реализовать двойную функцию устройства, а именно, сохранить функцию обычного дисплея 112. Таким образом, стандартный дисплей можно просматривать через подложку 20, когда источник 4 отображения выключен. Во втором, виртуальном, режиме, предназначенном для активного просмотра Интернета или работы с высококачественными видеоизображениями, обычный дисплей 112 выключают, в то время как источник 4 отображения проецирует требуемое изображение с широким полем зрения в глаз наблюдателя с помощью подложки 20. Обычно в большинстве наручных интеллектуальных устройств пользователь может управлять интеллектуальным устройством с помощью сенсорного экрана, встроенного в переднее окно устройства. Как показано на Фиг. 12, сенсорный экран 114 может прикрепляться к интеллектуальному устройству путем непосредственного приклеивания к внешней поверхности слоя 120, выполненного из материала с низким коэффициентом преломления, расположенного на подложке 20.

Изобретение относится к оптическим устройствам со светопроводящей подложкой. Оптическая система содержит светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две внешние основные поверхности и края, а также оптический элемент для ввода световых волн в подложку путем полного внутреннего отражения. По меньшей мере одну частично отражающую поверхность помещают внутрь подложки для вывода световых волн из подложки и по меньшей мере один прозрачный слой, имеющий коэффициент преломления значительно более низкий по сравнению с коэффициентом преломления светопропускающей подложки, оптически присоединяют по меньшей мере к одной из основных поверхностей подложки, формируя плоскость раздела. Световые волны, захваченные внутрь подложки, практически полностью отражаются от плоскости раздела между основной поверхностью подложки и прозрачным слоем. Устройство обеспечивает повышение компактности и качества изображения. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Оптическая система, содержащая:

светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две внешние основные поверхности и края;

оптический элемент для ввода световых волн в подложку путем полного внутреннего отражения,

по меньшей мере одну частично отражающую поверхность, расположенную внутри подложки и предназначенную для вывода световых волн из подложки, и

по меньшей мере один прозрачный слой, оптически присоединяемый по меньшей мере к одной из основных поверхностей подложки и определяющий плоскость раздела,

отличающаяся тем, что по меньшей мере один прозрачный слой имеет коэффициент преломления меньший, чем коэффициент преломления светопропускаюшей подложки, так чтобы определить критический угол, такой, что световые волны, введенные в подложку при углах, превышающих критический угол, захватываются внутри подложки путем полного внутреннего отражения от плоскости раздела между основной поверхностью подложки и прозрачным слоем,

и тем, что содержит антибликовое покрытие на плоскости раздела между указанной подложкой и указанным по меньшей мере одним прозрачным слоем.

2. Оптическая система по п. 1, дополнительно содержащая второй прозрачный слой с коэффициентом преломления, по существу более низким по сравнению с коэффициентом преломления прозрачной подложки, причем второй прозрачный слой оптически присоединен к другой основной поверхности подложки.

3. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что прозрачный слой формируют из оптического клея.

4. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что прозрачный слой выполняют из твердого диэлектрического материала.

5. Оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что твердый диэлектрический материал относится к серии аэрогелей.

6. Оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что твердый диэлектрический материал представляет собой твердый пористый диэлектрический материал, получаемый посредством технологии осаждения при угле скольжения (GLAD).

7. Оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что прозрачный слой помещают непосредственно на основную поверхность подложки.

8. Оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что прозрачный слой оптически приклеивают к основной поверхности подложки.

9. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что антибликовое покрытие наносят на основную поверхность подложки.

10. Оптическая система по п. 9, отличающаяся тем, что антибликовое покрытие наносят, используя метод холодного покрытия.

11. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что антибликовое покрытие наносят на внешнюю поверхность прозрачного слоя.

12. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что подложку и прозрачный слой собирают внутри очковой оправы.

13. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой плоскую поверхность.

14. Оптическая система по п. 13, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки покрыта частично отражающим диэлектрическим покрытием.

15. Оптическая система по п. 13, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки не параллельна основным поверхностям подложки.

16. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что оптический элемент для ввода световых волн в подложку путем внутреннего отражения представляет собой дифракционный элемент.

17. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой дифракционный элемент.

18. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой криволинейную поверхность.

19. Оптическая система, содержащая:

светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две внешние основные поверхности и края;

оптический элемент для ввода световых волн в подложку путем полного внутреннего отражения,

по меньшей мере одну частично отражающую поверхность, расположенную внутри подложки и предназначенную для вывода световых волн из подложки, и

по меньшей мере один прозрачный слой, оптически присоединяемый по меньшей мере к одной из основных поверхностей подложки и определяющий плоскость раздела,

отличающаяся тем, что по меньшей мере один прозрачный слой имеет коэффициент преломления меньший, чем коэффициент преломления светопропускаюшей подложки, так чтобы определить критический угол, такой, что световые волны, введенные в подложку при углах, превышающих критический угол, захватываются внутри подложки путем полного внутреннего отражения от плоскости раздела между основной поверхностью подложки и прозрачным слоем, и тем, что содержит чувствительное к углу отражающее покрытие на плоскости раздела между указанной подложкой и указанным по меньшей мере одним прозрачным слоем.

20. Оптическая система по п. 19, дополнительно содержащая второй прозрачный слой с коэффициентом преломления по существу более низким по сравнению с коэффициентом преломления прозрачной подложки, причем второй прозрачный слой оптически присоединен к другой основной поверхности подложки.

21. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что прозрачный слой формируют из оптического клея.

22. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что прозрачный слой выполняют из твердого диэлектрического материала.

23. Оптическая система по п. 22, отличающаяся тем, что твердый диэлектрический материал относится к серии аэрогелей.

24. Оптическая система по п. 22, отличающаяся тем, что твердый диэлектрический материал представляет собой твердый пористый диэлектрический материал, получаемый посредством технологии осаждения при угле скольжения (GLAD).

25. Оптическая система по п. 22, отличающаяся тем, что прозрачный слой помещают непосредственно на основную поверхность подложки.

26. Оптическая система по п. 22, отличающаяся тем, что прозрачный слой оптически приклеивают к основной поверхности подложки.

27. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что чувствительное к углу покрытие наносят на основную поверхность подложки.

28. Оптическая система по п. 27, отличающаяся тем, что чувствительное к углу покрытие наносят, используя метод холодного покрытия.

29. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что чувствительное к углу покрытие наносят на внешнюю поверхность прозрачного слоя.

30. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что подложку и прозрачный слой собирают внутри очковой оправы.

31. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой плоскую поверхность.

32. Оптическая система по п. 31, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки покрыта частично отражающим диэлектрическим покрытием.

33. Оптическая система по п. 31, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки не параллельна основным поверхностям подложки.

34. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что оптический элемент для ввода световых волн в подложку путем внутреннего отражения представляет собой дифракционный элемент.

35. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой дифракционный элемент.

36. Оптическая система по п. 19, отличающаяся тем, что частично отражающая поверхность для вывода световых волн из подложки представляет собой криволинейную поверхность.