DILATADOR DE HACES OPTICOS GUIADO POR UN SUSTRATO.

Dispositivo óptico que comprende : Un sustrato transmisor de luz (20) que tiene por lo menos dos superficies mayores en paralelo (26) y unos bordes;

las mencionadas dos superficies mayores atrapan - mediante una total reflexión interna dentro del referido s sustrato - los rayos de luz acoplados hacia el interior de este sustrato; Un determinado número de superficies parcialmente reflectantes (22) , situadas por el interior del mencionado sustrato de forma paralela entre si así como mutuamente distanciadas y dispuestas dentro de un espacio previsto entre las referidas superficies mayores con un primer ángulo (αsur2) en relación io con la línea normal del plano del sustrato; Dispositivo éste que está caracterizado por un medio óptico para acoplar los rayos de luz hacia el interior del mencionado sustrato a través de una de las superficies mayores del sustrato; a este efecto, el referido medio óptico acopla - después de recibir los rayos de luz que inciden en el sustrato - los rayos de luz incidentes hacia el interior del sustrato, de tal manera que los mismos queden atrapados por las mencionadas superficies mayores mediante una total reflexión interna; en este caso, los rayos de luz acoplados son dirigidos con un segundo ángulo (αin) con respecto a la línea normal del plano del sustrato, y esto de tal manera que los rayos de luz acoplados puedan llegar a una superficie parcialmente reflectante, después de por lo menos una reflexión interna por una de las superficies mayores, con un ángulo de incidencia en relación con la superficie parcialmente reflectante, el cual eso un ángulo de incidencia (β''ref), con el que la reflectancia es desdeñable, u otro ángulo de incidencia (βref) con el que la referida superficie parcialmente reflectante (22) transmite una primera parte de los mencionados rayos de luz acoplados y refleja la otra parte de los referidos rayos de luz del mencionado sustrato hacia fuera, con lo cual los rayos de luz transmitidos son atrapados más y son propagados dentro del sustrato para poder ser reflejados del referido sustrato hacia fuera, por lo menos parcialmente y a través de otra superficie parcialmente reflectante

Campo de aplicación (0001) La presente invención se refiere a dispositivos ópticos que son guiado s por un sustrato y, más concretamente, se refiere a unos dispositivos qu e comprenden un determinado número de superficies reflectantes, sostenidas por un sustrato común de transmisión de luz. (0002) Esta invención puede ser implementada en un elevado número de aplicaciones como, por ejemplo, en los dispositivos visualizadores portados e n la cabeza o en visualizadores de colocación en partes superiores o en techos , en visualizadores compactos, en dilatadores de haz luminoso compactos as í como en dispositivos de iluminación de paneles planos . Estado anterior de la técnic a (0003) La Patente Internacional Núm . WO 99/52002 describe un dispositiv o óptico de holografía, que sirve como lente reproductora, así como u n elemento combinador en los visualizadores de los visores o miras . Este

1s dispositivo holográfico comprende un sustrato transmisor de luz y tres elementos ópticos de holografía, sostenidos por el sustrato . Un primer elemento óptico holográfico es iluminado por un foco luminoso que se encuentra por detrás de este elemento. La luz procedente de este primer elemento queda atrapada dentro del sustrato hasta que la misma alcance e l segundo elemento holográfico para la difracción de la luz entrante . Esta luz difractada es desacoplada del sustrato por el tercer elemento óptic o holográfico. (0004) La Patente Núm. 5.896.232 de tos Estados Unidos describe otro dispositivo óptico que sobre todo puede ser empleado en los visualizadore s portados en la cabeza. Este dispositivo óptico comprende varias superficie s parcialmente reflectantes, situadas de forma paralela entre si así com o mutuamente distanciadas dentro de un sustrato con un grosor de vario s milímetros. Estas superficies parcialmente reflectantes no se encuentra n situadas en paralelo a las superficies mayores del sustrato . Las superficies parcialmente reflectantes actúan como un dilatador de haces ópticos . Debido

al hecho de que la luz, que es acoplada hacia dentro, se propaga de forma perpendicular a las superficies mayores del sustrato, resulta que e l desacoplamiento de la luz por el lado opuesto del sustrato tiene lugar en e l mismo lugar de la entrada. No se produce ningún atrapamiento de la . luz dentro del sustrato. (0005) La Patente Núm. 4.711 .512 de los Estados Unidos describe u n visualizador de colocación en techos en el cual una imagen, producida por u n

tubo de rayos catódicos controlado por ordenador, es acoplada hacia e l interior de una placa de vidrio por una rejilla de difracción de entrada . La

io imagen, acoplada hacia dentro, se propaga por una multitud de reflexione s totales en las superficies mayores de la placa de vidrio hasta llegar a un a rejilla de difracción de salida. Aquí la imagen queda desacoplada para poder ser observada. (0006) La Patente Núm . 5 .076 .664 de tos Estados Unidos se refiere a u n

is dispositivo óptico que facilita la introducción de una imagen colimada en e l campo de visión de un observador, dispositivo éste que . comprende u n elemento combinador óptico que incluye por lo menos un espejo semi-reflector. Este dispositivo óptico comprende un generador de imágenes as í como un sistema óptico de colimación que, en conjunto con el elemento de l a primera posición, forma una imagen colimada . El siguiente elemento óptico es un apilamiento de simetrización, representado por una fila de espejos que reflejan parte de los rayos entrantes. Un divisor de haces se encuentra incrustado dentro del sustrato, y el mismo está constituido por un espej o semi-reflector de banda ancha que está situado a media distancia de las do s caras largas del sustrato y el primero se encuentra orientado en paralelo a estas caras . Este espejo refleja parcialmente los rayos entrantes, una vez qu e éstos se hayan acoplado al interior del sustrato . Los rayos entrantes inciden e n la cara frontal del sustrato con un ángulo oblicuo de aproximadamente 45 grados (o más) ; tos mismos son desacoplados del sustrato con unos ángulos relativamente reducidos, de aproximadamente 15 grados.

Fundamentos de la invenció n (0007) Una de las aplicaciones más importantes de los elementos ópticos compactados consiste en los dispositivos visualizadores portados en la cabeza , en los cuates un módulo óptico sirve como lente reproductora, al igual que como elemento combinador, y en los que una imagen bi-dimensional queda reproducida hasta el infinito y es reflejada al interior del ojo de u n observador. La visualización puede ser obtenida directamente, es decir, desd e un tubo de rayos catódicos (CRT) o desde un dispositivo visualizador de crista l líquido (LCD), o bien de forma indirecta por medio de una lente de repetición

io o mediante un haz de fibras ópticas. Por regla general, la visualización se compone de una serie de puntos, enfocada a lo infinito por una lente d e colimación y transmitida al interior del ojo del observador por medio de una superficie de reflexión parcial, que actúa como elemento combinador óptico . Para estas finalidades es empleado, por regla general, un módulo óptic o convencional de espacio libre . Lamentablemente, al ser incrementado el deseado campo de visión FOV (field-of-view) del sistema, este módulo óptic o se hace, sin embargo, más pesado, más engorroso así como muy complicado e n cuanto a su uso. Esto constituye un gran inconveniente para las aplicacione s de los visualizadores portados en la cabeza, en las que el sistema debería se r de lo más ligero así como de lo más compacto posible . (0008) Otros inconvenientes en los diseños actuales consisten en que con esto s diseños resulta que los sistemas ópticos en su conjunto son, por regla general , muy complicados en su manejo así como difíciles de fabricar . Además, la caj a

o cavidad de movimiento del ojo de los ángulos de visión, la cual existe en estos diseños, es normalmente muy pequeña y la misma es, por lo general,. inferior a 8 milímetros . Por consiguiente, la prestación del sistema óptico e s más sensible, incluso con unos pequeños movimientos del visor en relación co n el ojo del observador. Revelación de la invención

(0009) La presente invención puede ser empleada para el diseño y la

fabricación de elementos ópticos, que son guiados por sustrato, para lo s visualizadores de visores o miras en los que el módulo óptico es muy compacto así como fácil de emplear, incluso para los sistemas con un campo de visió n relativamente amplio. Además, la caja de movimiento del ojo del sistema s óptico es relativamente ancha y la misma puede, por lo tanto, permitir uno s

mayores movimientos del visor . El sistema de la presente invención e s especialmente conveniente, habida cuenta de que el mismo puede se r incorporado fácilmente en los sistemas ópticos, incluso en los sistemas de una s configuraciones especiales .

io (0010) La presente invención facilita, asimismo, la construcción de uno s perfeccionados visualizadores de colocación superior (Head-Up-Displays o HUD) . Desde la introducción de los visualizadores de este tipo, hace más d e tres décadas, ha habido un progreso significativo en este campo . En efecto, los visualizadores HUD han adquirido tanta popularidad que los mismos juegan ho y

is en día un papel importante, no solamente en los modernos aviones de combate, sino también en la aviación civil en la que los visualizadores HU D desempeñan un papel importante en las operaciones de aterrizaje . Además, últimamente ha habido numerosas propuestas y diseños para la instalación d e los visualizadores HUD en automóviles para facilitar las tareas de conducción y de navegación. (0011)También los actuales diseños de los visualizadores HUD adolecen d e algunas desventajas importantes . La necesidad de emplear una fuente d e visualización, que tiene que estar situada a una determinada distancia de l elemento combinador con el fin de iluminar toda la superficie del mismo, hac e que los visualizadores HUD son más pesados, engorrosos y, en algunos casos , incluso son inconvenientes así como poco seguros en su uso . (0012) Otra importante aplicación de la presente invención consiste e n proporcionar un compacto visualizador de tipo HUD que elimine lo s inconvenientes arriba mencionados. El elemento combinador puede se r

iluminado por una compacta fuente de visualización que está fijada en el

sustrato . De este modo, el sistema es, en su conjunto, muy compacto y, por l o tanto, el mismo puede ser instalado fácilmente y ser empleado...

1 a . Dispositivo óptico que comprende : Un sustrato transmisor de luz (20) que tiene por lo menos dos superficies mayores en paralelo (26) y unos bordes; las mencionadas dos superficie s mayores atrapan - mediante una total reflexión interna dentro del referido

s sustrato - los rayos de luz acoplados hacia el interior de este sustrato ; Un determinado número de superficies parcialmente reflectantes (22) , situadas por el interior del mencionado sustrato de forma paralela entre si así como mutuamente distanciadas y dispuestas dentro de un espacio previst o entre las referidas superficies mayores con un primer ángulo (as„r2) en relación

io con la línea normal del plano del sustrato ; Dispositivo éste que está caracterizado por un medio óptico para acoplar lo s rayos de luz hacia el interior del mencionado sustrato a través de una de la s superficies mayores del sustrato; a este efecto, el referido medio óptico acopla - después de recibir los rayos de luz que inciden en el sustrato - lo s rayos de luz incidentes hacia el interior del sustrato, de tal manera que los mismos queden atrapados por las mencionadas superficies mayores mediant e una total reflexión interna; en este caso, los rayos de luz acoplados son dirigidos con un segundo ángulo (a;,,) con respecto a la línea normal del plan o del sustrato, y esto de tal manera que los rayos de luz acoplados puedan llega r a una superficie parcialmente reflectante, después de por lo menos una reflexión interna por una de las superficies mayores, con un ángulo d e incidencia en relación con la superficie parcialmente reflectante, el cual es o un ángulo de incidencia (j3'ref), con el que la reflectancia es desdeñable, u otro ángulo de incidencia (f3ref) con el que la referida superficie parcialment e reflectante (22) transmite una primera parte de los mencionados rayos de luz acoplados y refleja la otra parte de los referidos rayos de luz del mencionad o sustrato hacia fuera, con lo cual los rayos de luz transmitidos son atrapado s más y son propagados dentro del sustrato para poder ser reflejados del referido sustrato hacia fuera, por lo menos parcialmente y a través de otr a superficie parcialmente reflectante .

2a . Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual un rayo de lu z atrapado y propagado (28, 30), reflejado por las superficies dentro de l sustrato, llega a la primera superficie parcialmente reflectante (22) despué s de un número par de reflexiones, mientras que otro rayo de luz llega a esta superficie después de un número impar de reflexiones . 3a. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual el rayo de lu z atrapado llega a una superficie parcialmente reflectante inmediatament e

después de una reflexión desde una de las referidas superficies mayores, y este rayo de luz llega a otra superficie parcialmente reflectant e

io inmediatamente después de una reflexión desde otra de las mencionada s superficies mayores . 4a . Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el cual los rayos d e luz atrapados, que dentro del sustrato tienen el mismo ángulo con respecto a l eje, llegan a las superficies parcialmente reflectantes (22) desde do s direcciones distintas .

5a. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que el ángulo de incidencia entre el rayo de luz atrapado y la Línea normal con respecto a l a superficie parcialmente reflectante es, en una dirección, más pequeño que e l angulo de incidencia de la otra dirección . 6a . Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que la reflectanci a de las referidas superficies parcialmente reflectantes es desdeñable para un a de las dos direcciones mencionadas . 7a . Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que - en solament e una de lasdistintas direcciones referidas una parte de los rayos de luz e s desacoplada del sustrato . 8a. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 4) en el que - en un a segunda de las distintas direcciones - los rayos de luz son transmitidos a travé s de las superficies parcialmente reflectantes y sin ninguna reflexión notable . 9a . Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que el rayo de lu z atrapado pasa a través de por lo menos dos diferentes superficies

parcialmente reflectantes (22) entre dos reflexiones efectuadas desde l a misma superficie mayor (26) del referido sustrato . 10a. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 9) en el que e l mencionado rayo de luz atrapado pasa a través de las mencionadas dos superficies parcialmente reflectantes con dos ángulos de incidenci a

diferentes. 1V. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que los rayos d e luz atrapados iluminan la zona completa de por lo menos una superficie reflectante .

io 12a. Dispositivo óptico conforme a la reivindicación 1) en el que los rayos d e luz atrapados iluminan una zona en una de las referidas superficies mayore s del sustrato, la cual es mayor que la proyección de una superficie parcialmente reflectante en una de las superficies mayores del sustrato . 13a. Dispositivo óptico conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 ) hasta 12) y en el que las mencionadas superficies mayores del sustrato está n revestidas de un recubrimiento no uniforme; en este caso, la transmitancia del referido recubrimiento no-uniforme está en función de la reflectancia de la s mencionadas superficies parcialmente reflectantes. 14a. Dispositivo óptico conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 ) hasta 13) y en el que la reflectancia de cada una de las referidas superficie s parcialmente reflectantes es distinta en las diferentes partes de las mencionadas superficies parcialmente reflectantes para así conseguir u n campo de visión con una luminosidad uniforme y previamente determinada .