Lente de imagen guiada por sustrato con un primer y segundo sustratos.

Un sistema óptico de imagen que esta formado por los siguientes componentes :

a) Un primer sustrato transmisor de luz (114, 129,270) que cuenta con at menos una superficie principal(118) y bordes.

b) Un segundo sustrato transmisor de luz (20,20L, 20R) que cuenta con al menos dos superficiesprincipales (26) .paralelas entre si y dos bordes .

c) Como minimo, una superficie parcialmente reflectante (22) situada en el segundo sustrato transmisor deluz mencionado (20, 20L, 20R) cuya superficie no es paralela alas superficies principales del segundosustrato transmisor de luz senalado (20, 20L, 20R) .

d) Una fuente de luz de pantalla (112).

e) Un divisor de haz polarizador (120) come minima que descanse sobre el primer sustrato transmisor deIuz mencionado (114, 270).

f) Como minimo un elemento óptico colimador reflectante (124, 302L, 302R).

g) Como minimo un retardador de cuarto de onda (122, 304L, 304R).

En este sistema 6ptico, el retardador de cuarto de onda (122, 3044_, 304R) esta situado entre al menos una parte dela superficie principal (118) del primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) y el elemento ópticocolimador reflectante indicado (124, 302L, 302R) y

se caracteriza par el hecho de que el divisor de haz polarizador senalado (120) refleja ondas de luz (18) que seacoplan en el interior del primer sustrato transmisor de luz referido (114, 270), dentro del elemento óptico colimadorreflectante senalado (124, 302L, 302R) y en:

h) Un primer elemento óptico reflectante que descansa sobre el primer sustrato transmisor de Iuzmencionado (114, 270), de tal mode, que las ondas de luz (18) procedentes de la fuente de pantalla referida(112) estén acopladas en el primer elemento óptico reflectante indicado (116, 118) en el interior del primersustrato transmisor de luz referido (114, 270) por efecto de la reflexión intema total.

i) Un segundo elemento Optico reflectante para acoplar ondas de luz (130) en el segundo sustratotransmisor de luz mencionado (20, 20L, 20R) por efecto de la reflexión interna total.

j) El referido segundo sustrato transmisor de luz mencionado (20, 20L, 20R) se ha colocado en una posiciónadyacente al primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270), de tal mode, que las ondas ópticasde luz (130) desacopladas del primer sustrato transmisor de luz (114, 270) se acoplan en el segundoelemento óptico reflectante indicado (26) en el interior del segundo sustrato transmisor de luz senalado (20 ,20L, 20R) por efecto de la reflexión intema total .

Lente de imagen guiada por sustrato con un primer y segundo sustratos Ámbito de la invención (0001) La presente invención se refiere a sistemas ópticos guiados por sustrato y, en particular, a sistemas ópticos que incluyen una disposición de un elemento· óptico reflectante, un retardador y superficies reflectantes que descansan sobre un sustrato común traslúcido. A este sistema también se le denomina "Elemento colimante de guía de lu, , " (LCE) .

(0002) La presente invención puede suponer una ventaja en un gran número de aplicaciones de imagen como cascos de realidad virtual y pantallas de visuali"ación frontal, teléfonos móviles, pantallas compactas, pantallas en 3D y expansores de h84 de láser así como de apli.caciones no asociadas a la imagen como indi.cadores de panel

plano, iluminadores y escáneres compactos.

Antecedentes de la invención (0003) Una de las aplicaciones más importantes de los elementos ópticos compactos son los cascos de realidad virtual en los que un módulo óptico hace las veces de elemento óptico reflectante y combinador en el que se forma la imagen al infinito y se reflejan en el ojo de un espectador. La visualización se puede obtener directamente a través de un modulador espacial de lu" (SLM) como un tubo de rayos catódicos (CRT) , una pantalla de cristal líquido (LCD) , un diodo orgánico de emisión de luz (OLED) , una fuente de exploración o un dispositivo similar o indirectamente a través de lentes de relé o un haz de fibra óptica. La pantalla está compuesta por un conjunto de elementos (píxeles) que forman una imagen a infinito mediante un.a lente colimante y dicha imagen se transmite al ojo del espectador por medio de una superficie reflectante o parcialmente reflectante que funciona como un combinador de aplicaciones no transparentes y transparentes respectivamente. Por regla general, para este fin se suele emplear un módulo óptico de espacio libre convencional. A medida que aumenta el. campo de visión (FOV) del sistema, este tipo de módulos ópticos convencionales se vuelve más grande, pesado y voluminoso, por lo que su uso resulta poco práctiCO incluso en dispositivos de rendimiento intermedio. Esto último constituye un gran inconveniente para cualquier tipo de pantalla y especialmente en las de los dispositivos con cascos de realidad virtual en los que el sistema tiene que ser necesariamente lo más ligero y compacto posible.

(0004) Este esfuerzo por lograr un carácter compacto ha generado la creación de varias soluciones ópticas complejas y diferentes que, por un lado, no son todavia lo suficientemente compactas para la mayoría de las aplicaciones prácticas y, por otro, presentan grandes inconvenientes en relación a su manufacturabilidad. Además, la Eye-Motion-Box (EMB) de los ángulos de visión óptica resultantes de estos diseños suele ser muy pequeña y, por lo general, no supera los 8 mm. Por lo tanto, el rendimiento del sistema óptico es muy sensible y reacciona incluso a los pequeños movimientos del sistema óptico del ojo del espectador impidiendo el movimiento de la pupila necesario para leer cómodamente un texto desde este tipo de dispositivos.

(0005) Un ejemplo de este tipo de sistemas de pantalla compacta viene recogido en la patente WO 02/088825 AZ. En esta patente se describe una pantalla especular reflectante. El contraste de esta pantalla se ha maximizado al disponer de una iluminación básicamente perpendicular al plano del panel reflectante de la pantalla mencionada. En 45 una forma de ejecución, se polariza la luz procedente de una fuente de iluminación y se pasa por un prisma divisor de haz formado por un paralelelípido fabricado en cristal. Durante su paso, la luz crea una reflexión intema en la superficie del prisma. A raíz de su polarización, la luz pasa por una superficie divisora de haz dentro del prisma y a través de una lente llega a un cristal líquido en el panel de la pantalla de silicio. Desde este cristal, la luz se refleja con una polarización de giro según la información de la imagen. En su trayectoria de retomo, la luz con polarización de giro se refleja por una superficie divisora de haz. Esta luz deja el prisma, pasa por una lámina de cuarto de onda y se refleja en un espejo cóncavo, de tal modo, que vuelve a entrar en el prisma. A raíz de pasar dos veces por la lámina de cuarto de onda, esta luz cambia su polarización, atraviesa la superficie divisora de haz y se transmite al espectador. En una segunda forma de ejecución, se hace pasar la luz procedente de una fuente de iluminación por un polarizador para que llegue a un prisma de reflexión interna total y es guiada a través de una lente hasta el cristal

líquido que se encuentra en el panel de la pantalla de silicio. Este panel de pantalla gira la dirección de polarización según la información de imagen suministrada y refleja la luz de vuelta en el polarizador reflectante a partir del cual se transmite a un paralelelípido. En este paralelelípido, la luz se refleja por una superficie divisora de haz y es guiada a través de una lámina de cuarto de onda hasta un espejo cóncavo donde también se refleja. Debido a su cambio de polarización a raiz de pasar dos veces por la lámina de cuarto de onda, esta luz atraviesa la superficie divisora de haz y llega alojo del espectador.

(0006) En la patente WO 2005/093493 A aparece publicado otro ejemplo. El sistema óptico virtual. descrito incluye un divisor de haz polarizado y una gura óptica de onda. La luz procedente de un dispositivo de pantalla de imagen se polariza por medio de la lámina. de polarización. La luz polarizada resultante puede pasar por la superficie de 65 polarización por reflexión selectiva del divisor de haz polarizado. Atraviesa una lámina de cuarto de· onda y se refleja desde un espejo cóncavo asférico. Su polarización cambia al pasar dos veces por la lámina de cuarto de onda. A continuación, esta luz es proyectada desde la superficie de polarización por reflexión selectiva a través de una lente óptica hasta llegar a la guía óptica de onda. Luego, la luz se refleja por un espejo reflectante para que se produzca su reflexión total en la guía óptica. Posteriormente, esta luz se proyecta hacia fuera de la guía óptica de onda con espejos traslúcidos .

. (0007) otro ejemplo adicional aparece descrito en la patente estadounídense US 2003/0165017 A 1. En esta patente.

se describen más concretamente dispositivos ópticos guiados por sustrato que incluyen múltiples' superficies reflectantes que descansan sobre un sustrato común transmisor de luz. La luz procedente de una fuente de pantalla compacta se acopla en el sustrato por mecanismos ópticos a raíz de la reflexión interna total. Además, el sustrato soporta un gran número de superficies de reflexión parcial paralelas entre sí pero no paralelas o en posición normal con respecto al plano de dicho sustrato.

Explicación de la invención (0008) La presente invención penmite el diseño y la fabricación de dispositivos de imagen muy compactos para cascos de realidad virtual (HMD) , entre otras aplicaciones. Esta invención hace posible la aplicación de campos de visión (FOV) relativamente amplios en combinación con unos valores relativamente altos de Eye-Motion-Box (EMB) . El sistema óptico resultante proporciona una imagen de alta calidad a un gran tamaño que se adapta a un amplio espectro de movimientos oculares. El sistema óptico que se ofrece en la presente invención resulta especialmente ventajoso ya que reviste un carácter considerablemente más compacto que las aplicaciones mejoradas más recientes y se puede incorporar fácilmente incluso en otros sistemas ópticos con configuraciones especiales.

(0009) La presente invención también permite construir mejores pantallas de visualización frontal (HUD) . Desde la concepción original de estos dispositivos, hace ya más de tres décadas, se ha producido un considerable progreso en este campo. De hecho, los HUD se han convertido en unos dispositivos de uso generalizado y hoy en día juegan un papel importante tanto en la mayoría de los aviones de combate como en los aviones de uso civil en los que los 25 sistemas HUD se han vuelto indispensables en los aterrizajes con poca visibilidad. Además, recientemente se ha presentado un gran número de propuestas y diseños de HUD para aplicaciones en automóviles en los que .estas pantallas HUD pueden asistir al conductor en las tareas de conducción y navegación. No obstante, las HUD recientes presentan varios inconvenientes importantes. Todas las HUD de los diseños actuales requieren una fuente de luz de pantalla que compense la gran distancia desde el combinador con el objetivo de garantizar que esta fuente ilumina por completo toda la superficie del combinador. Como... [Seguir leyendo]

1) Un sistema óptico de imagen que estáformado por los siguientes componentes:

a) Un primer sustrato transmisor de luz (114, 129, 270) que cuenta con al menos una superficie principal·

(118) Y bordes.

b) Un segundo sustrato transmisor .de luz (20, 20L, 20R) que cuenta con al menos dos superficies principales (26) paralelas entre sí y dos bordes. .

c) Como mínimo, una superficie parcialmente reflectante (22) situada en el segundo sustrato transmisor de luz mencionado (20, 20L, 20R) cuya superficie no es paralela alas superficies principales del segundo sustrato transmisor de luz señalado (20, 20L, 20R) .

d) Una fuente de luz de pantalla (112) .

e) Un divisor de haz polarizador (120) como mínimo que descanse sobre el primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) .

f) Como mínimo un elemento óptico colimador reflectante (124, 302L, 302R) .

g) Como mínimo un retardador de cuarto de onda (122, 304L, 304R) .

En este sistema óptico, el retardador de cuarto de onda (122, 304L, 304R) está situado entre al menos una parte de la superficie principal (118) del primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) Y el elemento óptico colimador reflectante indicado (124, 302L, 302R) Y se caracteriza por el hecho de que el divisor de haz polarizador señalado (120) refleja ondas de luz (18) que se acoplan en el interior del primer sustrato transmisor de luz referido (114, 270) , dentro del elemento óptico colimador reflectante señalado (124, 302L, 302R) yen:

h) Un primer elemento óptico reflectante que descansa sobre el primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) , de tal modo, que las ondas de luz (18) procedentes de la fuente de pantalla referida (112) estén acopladas en el primer elemento óptico reflectante indicado (116, 118) en el interior del primer sustrato transmisor de luz referido (114, 270) por efecto de la reflexión intema total.

i) Un segundo elemento óptico reflectante para acoplar ondas de luz (130) en el segundo sustrato transmisor de luz mencionado (20, 20L, 20R) por efecto de la reflexión interna total.

j) El referido segundo sustrato transmisor de luz mencionado (20, 20L, 20R) se ha colocado en una posición adyacente al primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) , de tal modo, que las ondas ópticas de luz (130) desacopladas del primer sustrato transmisor de luz (114, 270) se acoplan en el segundo elemento óptico reflectante indicado (26) en el interior del segundo sustrato transmisor de luz señalado (20, 20L, 20R) por efecto de la reflexión intema total.

2) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 en el que el referido divisor de haz polarizador (120) no está paralelo a ninguno de los bordes del primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) .

3) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 en el que las ondas de luz señaladas (18) están acopladas por el elemento colimador reflectante indicado (124, 302L, 302R) fuera del primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) en el interior del segundo sustrato transmisor de luz indicado (20, 20L, 20R) .

4) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 en el que el elemento óptico colimador reflectante señalado (124, 302L, 302R) es una lente de imagen.

5) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 4 en el que el elemento óptico colimador reflectante indicado (124, 302L, 302R) incluye dos superficies, la primera (123) de las cuales, es transparente y la segunda (126) está revestida de un material reflectante.

6) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 5 en el que el retardador de cuarto de onda mencionado (122, 304L, 304R) está posicionado entre la primera superficie transparente señalada (123) del elemento óptico colimador reflectante indicado (124, 302L, 302R) Y la superficie prinCipal (118) del primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) .

7) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 al que se le ha añadido una fuente de luz (140) .

8) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 en el que el segundo sustrato transmisor de luz señalado (20, 20L, 20R) está posicionado entre el primer sustrato transmisor de luz mencionado (114, 270) Y el elemento óptico colimador reflectante señalado (124, 302L, 302R) .

9) El slslema óptico de imagen conforme a .Ia Reivindicación 8 en el que el retardador de cuarto de onda indicado (122, 304L, 304R) está posicionado entre el segundo sustrato transmisor de luz señalado (20, 20L, 20R) .y el elemento óptico colimador reflectante mencionado (124, 302L, 302R) .

5 10) El sistema óptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 en el que se aplica un revestimiento angular sensible como minimo a una de las superficies principales del primer y segundo sustratos transmisores de luz mencionados (114, 270, 20, 20L, 20R) .

!O 11) El sistemaóptico de imagen conforme a la Reivindicación 1 al que se le ha añadido un elemento óptico (156) posicionado entre la fuente 'de luz de pantalla referida (112) y una de las superficies principales del primer sustrato transmisor de luz señalado (114, 270) Y se utiliza para corregir tanto aberraciones cromáticas COmo de campo del sistema óptico.