ES2621820T3

ES2621820T3 - Rejilla de relieve superficial en una guía de ondas óptica con una superficie reflectante y una capa dieléctrica adaptada a la superficie

Info

Publication number: ES2621820T3
Application number: ES10715332.2T
Authority: ES
Inventors: Michael David Simmonds; Mohmed Salim Valera
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2030-04-19
Also published as: US10642039B2; WO2010122330A1; EP2422232A1; EP2422232B1; CA2759296C; US20120120493A1; IL215851A; AU2010240707B2; IL215851A0; CA2759296A1; AU2010240707A1

Abstract

Dispositivo de visualización para presentar visualmente una imagen, en que el dispositivo comprende: una disposición de guía de ondas óptica (10, 12) para dirigir la luz portadora de imagen (14), recibida de una fuente de imagen sobre un rango de ángulos relativos a un eje de inyección, a través de la disposición de guía de ondas (10, 12) para proporcionar una salida formando una imagen visible; y una rejilla de entrada (16) para difractar hacia dentro de la disposición de guía de ondas (10, 12) la luz portadora de imagen (14) recibida, de modo que toda la luz difractada es reflejada internamente de forma total dentro de la disposición de guía de ondas (10, 12) y que la salida de luz portadora de imagen procedente de la disposición de guía de ondas tiene un campo de visión correspondiente a dicho rango de ángulos, en que la rejilla de entrada (16) es una rejilla de relieve superficial para difractar luz sobre dicho rango de ángulos hacia dentro de la disposición de guía de ondas (10, 12), en que la rejilla de entrada (16) tiene una superficie perfilada y una estructura estratificada aplicada sobre ella que comprende una capa de material reflectante (36, 40), que proporciona una superficie reflectante, y al menos una capa de material dieléctrico (34, 42), en que cada una de entre la capa reflectante y la al menos una capa de material dieléctrico (34) tiene un perfil adaptado a dicha superficie perfilada y está dispuesta de modo que la luz portadora de imagen (14) recibida interacciona tanto con la al menos una capa de material dieléctrico (34, 42) como con la superficie reflectante, y en que el grosor de la al menos una capa de material dieléctrico (34, 42) con la que interacciona la luz (14) es seleccionado para controlar la anchura de banda angular de la rejilla de entrada (16) de modo que la luz portadora de imagen (14) que incide sobre la rejilla de entrada (16) sobre dicho rango de ángulos es difractada hacia dentro de la disposición de guía de ondas (10, 12).

Description

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DESCRIPCION

Rejilla de relieve superficial en una gma de ondas optica con una superficie reflectante y una capa dielectrica adaptada a la superficie

Esta invencion se refiere a gmas de ondas opticas, de forma particular pero no exclusiva para uso en sistemas de formacion de imagenes basados en gmas de ondas, tales como por ejemplo visualizadores frontales, visualizadores montados sobre cabeza, visualizadores montados en casco y otros visualizadores de proyeccion.

Nuestra memoria descriptiva anterior WO2007/029034 describe un sistema de formacion de imagenes basado en gmas de ondas, y lo revelado por esta memoria descriptiva se incluye aqm por referencia.

Hemos encontrado que los sistemas que incorporan la invencion de la memoria '034 pueden beneficiarse del uso de una rejilla de inyeccion de imagen (luz) con una gran anchura de banda angular y una elevada eficiencia de reflexion.

Es conocido, por ejemplo a partir de la solicitud de patente publicada de los EE.UU. US 2006/0132914, usar gmas de ondas opticas en dispositivos de visualizacion de imagenes adecuados para montaje sobre la cabeza o en casco o en configuraciones de visualizacion frontal. Los elementos difractivos de diversos tipos pueden ser aplicados a una gma de ondas optica para inyectar luz en la gma de ondas y para proporcionar luz de salida con una pupila expandida para la observacion por un usuario. En particular, es conocido a partir de la solicitud de patente '914 usar un elemento difractivo de relieve superficial con un perfil superficial (forma y profundidad) seleccionado de acuerdo con la anchura de banda angular y la anchura de banda espectral requeridas para acoplar la luz recibida introduciendola en la gma de ondas.

Es tambien conocido a partir del documento EP1385023 acoplar luz introduciendola en una gma de ondas usando una disposicion de prisma en la que los angulos de las superficies del prisma son seleccionados para asegurar que la luz recibida es acoplada introduciendola en la gma de ondas a traves del prisma.

El documento US 6.351.334 describe el uso de una rejilla de difraccion del tipo de reflexion formada sobre la base de una estructura de micro-lentes, en que la rejilla tiene un perfil superficial de rejilla en zig-zag y aplicada sobre este una capa optica y una capa reflectante, en que la capa optica tiene una estructura estratificada que comprende capas alternas de dos materiales dielectricos diferentes, en que cada una de las capas dielectricas tiene grosores seleccionados espedficamente y disenados, en combinacion, para permitir que la rejilla consiga separar con alta eficiencia la luz incidente en secuencias repetidas de elementos rojos, verdes y azules reflejados.

En un primer aspecto, la presente invencion proporciona un dispositivo de visualizacion para presentar visualmente una imagen, en que el dispositivo comprende:

una disposicion de gma de ondas optica para dirigir la luz portadora de imagen, recibida de una fuente de imagen sobre un rango de angulos relativos a un eje de inyeccion, a traves de la disposicion de gma de ondas para proporcionar una salida formando una imagen visible; y

una rejilla de entrada para difractar hacia dentro de la disposicion de gma de ondas la luz portadora de imagen recibida, de modo que toda la luz difractada es reflejada internamente de forma total dentro de la disposicion de gma de ondas y que la salida de luz portadora de imagen procedente de la disposicion de gma de ondas tiene un campo de vision correspondiente al rango de angulos,

en que la rejilla de entrada es una rejilla de relieve superficial para difractar luz sobre el rango de angulos hacia dentro de la disposicion de gma de ondas, en que la rejilla de entrada tiene una superficie perfilada y una estructura estratificada aplicada sobre ella que comprende una capa de material reflectante, que proporciona una superficie reflectante, y al menos una capa de material dielectrico, en que cada una de entre la capa reflectante y la al menos una capa de material dielectrico tiene un perfil adaptado a la superficie perfilada y esta dispuesta de modo que la luz portadora de imagen recibida interacciona tanto con la al menos una capa de material dielectrico como con la superficie reflectante, y

en que el grosor de la al menos una capa de material dielectrico con la que interacciona la luz es seleccionado para controlar la anchura de banda angular de la rejilla de entrada, de modo que la luz portadora de imagen que incide sobre la rejilla de entrada sobre el rango de angulos es difractada hacia dentro de la disposicion de gma de ondas.

En una implementacion a modo de ejemplo de la rejilla de entrada, la superficie perfilada es formada sobre una superficie de una gma de ondas de la disposicion de gma de ondas, en que la estructura estratificada comprende la al menos una capa de material dielectrico depositada sobre la superficie de gma de ondas perfilada, de modo que se reproduce el perfil de esta, y la capa de material reflectante depositada sobre la al menos una capa de material dielectrico.

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En una implementacion alternativa de la rejilla de entrada, la superficie perfilada de la rejilla de entrada es formada sobre una superficie de un sustrato, en que la estructura estratificada comprende la capa de material reflectante depositada sobre la superficie de sustrato perfilada, de modo que se reproduce el perfil de esta, y la al menos una capa de material dielectrico depositada sobre la capa de material reflectante, en que la superficie resultante de la rejilla de entrada proporcionada por la al menos una capa de material dielectrico es puesta en contacto optico con una superficie de una grna de ondas de la disposicion de grna de ondas.

El termino capa o recubrimiento, usado aqu en conexion con el material dielectrico, significa una capa de recubrimiento con un grosor sustancialmente menor que la longitud de onda de la luz visible, para la que se usa, por ejemplo en el rango de 5 a 250 pm, y preferiblemente de 15 a 70 pm.

La al menos una capa de material dielectrico puede comprender uno o mas de entre dioxido de silicio, oxido de aluminio o dioxido de titanio. Preferiblemente es de dioxido de titanio. El grosor de la al menos una capa dielectrica puede ser seleccionado para controlar la eficiencia y/o la anchura de banda angular de la rejilla de modo que la rejilla de difraccion pueda introducir en la grna de ondas luz portadora de imagen sobre dicho rango de angulos.

La superficie reflectante puede ser una superficie de un material metalico o de otro tipo con un mdice de refraccion complejo.

En otra realizacion a modo de ejemplo, la disposicion de rejilla comprende ademas:

una rejilla de salida con una superficie perfilada y al menos una capa de material dielectrico adaptada a la superficie perfilada de la rejilla de salida para difractar luz, que pasa a traves de la disposicion de grna de ondas sobre el rango de angulos, hacia fuera de la grna de ondas para presentar visualmente una imagen con un campo de vision correspondiente al rango de angulos.

La imagen puede ser presentada visualmente de forma directa a un usuario o a traves de un sistema optico adicional.

En una implementacion a modo de ejemplo adicional, la rejilla de salida tiene una anchura de banda angular tal que la anchura de banda angular de la rejilla de entrada coincide sustancialmente con, o es menor que, la anchura de banda angular de la rejilla de salida.

En otro aspecto, la presente invencion proporciona un metodo para controlar la anchura de banda angular de una rejilla de difraccion de relieve superficial, con una superficie perfilada, que cuando se aplica a una grna de ondas esta disenado para difractar luz recibida sobre un rango de angulos hacia dentro de la grna de ondas de modo que la luz recibida pueda propagarse a traves de la grna de ondas mediante reflexion interna total, en que el metodo comprende:

aplicar una estructura estratificada a la superficie perfilada, en que la estructura estratificada comprende una capa de material reflectante, que proporciona una superficie reflectante, y al menos una capa de material dielectrico, en que cada una de entre la superficie reflectante y la al menos una capa de material dielectrico tiene un perfil adaptado a la superficie perfilada y esta dispuesta de modo que la luz recibida interacciona tanto con la al menos una capa de material dielectrico como con la superficie reflectante; y

seleccionar el grosor de la al menos una capa de material dielectrico con la que interacciona la luz, definiendo con ello la anchura de banda angular de la rejilla de difraccion de modo que la luz que incide sobre la rejilla de difraccion sobre el rango de angulos es difractada hacia dentro de la grna de ondas.

Hemos encontrado que alternativa o adicionalmente, una capa dielectrica adaptada a la superficie perfilada de una rejilla de relieve superficial puede ser usada tambien ventajosamente en la extraccion de luz de una grna de ondas. Por ejemplo, puede usarse en la invencion de la memoria '034 en la extraccion de luz desde una grna de ondas a modo de varilla para el suministro a una grna de ondas de placa y/o en la propia grna de ondas de placa. En cada caso, la capa dielectrica puede ser usada para controlar la eficiencia de la rejilla.

Este aspecto de la invencion proporciona por lo tanto una grna de ondas optica que comprende un cuerpo de material configurado para la propagacion contenida de luz a su traves, una rejilla de relieve superficial dentro configurada para recibir la luz que se propaga y al menos parcialmente para difractarla o reflejarla hacia fuera de la grna de ondas, y al menos una capa adaptada de material dielectrico de grosor variable sobre una superficie perfilada de la rejilla de modo que la rejilla exhibe una variacion espacial en eficiencia.

Este aspecto de la invencion tambien proporciona un metodo para controlar la eficiencia de una rejilla de relieve superficial de una grna de ondas optica de al menos una capa de material dielectrico adaptada a una superficie perfilada de la rejilla. Por “eficiencia” nos referimos a eficiencia de reflexion o transmision, dependiendo de si la rejilla es una rejilla de reflexion o de transmision.

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En estos aspectos, la rejilla es preferiblemente una rejilla de baja eficiencia y de gran anchura de banda, con una eficiencia relativamente baja en el orden de interes de difraccion o reflexion, en que la mayona de la luz incidente permanece sin difractar en orden cero de modo que continua propagandose dentro de la gma de ondas.

La rejilla puede extenderse en la direccion longitudinal de la gma de ondas, en que la eficiencia de la rejilla vana en la direccion longitudinal de la gma de ondas.

Esto puede permitir que la eficiencia de la rejilla se incremente a lo largo de la longitud de la gma de ondas, para compensar la atenuacion creciente de la luz transmitida con la distancia a lo largo de la gma de ondas.

La variacion de eficiencia de la rejilla puede ser tal que para una luz uniforme de entrada a la gma de ondas, la intensidad de la luz que sale de la gma de ondas es sustancialmente constante a lo largo de la rejilla en la direccion de propagacion.

Como se ha indicado, la invencion puede ser aplicada a gmas de onda de placa asf como a aquellas de forma alargada. Una gma de ondas de placa asf puede usarse en conjuncion con una gma de ondas tal como la expuesta anteriormente. La eficiencia espacial de la rejilla de la gma de ondas de placa puede ser tal que para luz de intensidad uniforme inyectada en la gma de ondas primeramente mencionada, una imagen formada por la gma de ondas de placa es de intensidad sustancialmente uniforme.

La rejilla de relieve superficial de la gma de ondas de placa puede extenderse longitudinal y transversalmente respecto a la direccion de propagacion, en que el grosor de la al menos una capa vana tanto en la direccion longitudinal como en la transversal. Asf, el grosor de la al menos una capa puede incrementarse tanto en la direccion longitudinal como en la transversal de modo que la eficiencia de la rejilla se incrementa desde una esquina de esta hasta una esquina opuesta. Con ello, la gma de ondas de placa puede usarse para compensar la atenuacion sufrida por la luz difractada o reflejada hacia fuera de una gma de ondas a modo de varilla convencional en diferentes puntos a lo largo de su longitud. Espedficamente, la gma de ondas de placa puede usarse en combinacion con una gma de ondas adicional dispuesta para inyectar luz dentro de la placa en posiciones distribuidas a lo largo de una extension transversal de esta, en que las variaciones de grosor de la al menos una capa son tales que la variacion espacial consecuente de la eficiencia de la rejilla de la gma de ondas de placa compensa variaciones en la intensidad de la luz inyectada por la gma de ondas adicional.

Las rejillas de salida de gmas de ondas conocidas son estructuras de relieve superficial sobre la superficie de la gma de ondas. Hemos encontrado que una estructura asf es vulnerable al entorno externo, y necesita una pieza de cubierta adicional (que no este en contacto optico con la gma de ondas) para protegerla. Esto puede ser inconveniente cuando se integra la gma de ondas en el diseno de otro equipo, y puede aumentar el coste del producto.

Asf, la rejilla esta preferiblemente incrustada dentro del material de la gma de ondas.

La rejilla puede estar dispuesta en una interfaz entre dos partes del material del cuerpo de gma de ondas.

En particular, puede estar dispuesta sobre una superficie de dicha parte en dicha interfaz.

La gma de ondas puede comprender dos superficies externas dispuestas paralelamente a la direccion de propagacion, de modo que en operacion contenga la luz que se propaga, en que la rejilla se extiende paralelamente a las superficies externas.

La gma de ondas puede comprender un divisor de haz para dirigir la luz que se propaga hacia dichas dos superficies.

Preferiblemente, la posicion del divisor de haz transversalmente a la direccion de propagacion relativa a la superficie externa es seleccionada con el fin de optimizar la uniformidad de una presentacion visual formada por luz difractada o reflejada hacia fuera de la gma de ondas. Los aspectos independientes de la invencion expuestos anteriormente pueden usarse individualmente o en cualquier combinacion. Ademas, las caractensticas optativas o preferidas anteriormente expuestas pueden utilizarse en cualquier combinacion operativa con cualquier aspecto de la invencion. En particular (pero de forma no limitada) una caractenstica que aparece a continuacion en una reivindicacion subordinada dependiente de una reivindicacion independiente relativa a un aspecto de la invencion puede ser incorporada en una reivindicacion relativa a otro aspecto de la invencion. Todas las reivindicaciones subordinadas se consideran repetidas en esta introduccion a la memoria descriptiva como parrafos de descripcion general de la invencion, en la medida en que no aparezcan ya anteriormente.

La invencion sera descrita, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 muestra una gma de ondas de acuerdo con la invencion;

la figura 2 muestra parte de la estructura de la figura 1;

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la figura 3 muestra una forma alternativa de la estructura de la figura 2; la figura 4(a) muestra una estructura de la tecnica anterior;

la figura 4(b) muestra una vista a escala aumentada de parte de la estructura de la figura 2;

la figura 5 muestra el rendimiento relativo de las estructuras de las figuras 4(a) y 4(b);

la figura 6 muestra una parte adicional de la estructura de la figura 1;

la figura 7 muestra una vista a escala aumentada de parte de la estructura de la figura 6;

la figura 8 muestra el rendimiento de dos versiones de la estructura de la figura 6;

la figura 9 muestra parte de la realizacion de la figura 1 en mayor detalle, y

la figura 10 muestra otra realizacion de la invencion.

Con referencia a la figura 1, un visualizador de proyeccion adecuado para uso en un visualizador frontal comprende una grna de ondas 10, a modo de varilla, hecha de vidrio o de material sintetico transparente. La grna de ondas 10 tiene una seccion transversal cuadrada o rectangular y esta colocada muy cerca de una grna de ondas de placa 12 en la cual, en operacion, es formada la presentacion visual como se explica en nuestra memoria descriptiva '034. Luz portadora de imagen 14 colimada sale de una disposicion optica que puede ser un sistema optico de colimacion (no mostrado), e incide sobre una rejilla de reflexion de entrada 16 que esta dispuesta sobre una superficie trasera 20 de la grna de ondas 10. La luz colimada tiene rayos en un rango de angulos relativos al eje de colimacion, o inyeccion, normal a la rejilla que determina el campo de vision del sistema. El termino colimado o colimacion, tal como se usa aqrn, cubre luz parcialmente colimada con un rango de angulos relativos al eje de colimacion. La rejilla de difraccion difracta los rayos incidentes en angulos tales que todos ellos son reflejados internamente de forma total cuando inciden sobre las cuatro superficies de la grna de ondas 10; dos de las superficies 20 y 22 se muestran en la figura 1. Los rayos (uno tfpico de los cuales se muestra en 18) estan contenidos de este modo dentro de la grna de ondas 10 entre sus superficies opuestas paralelas, y se propagan avanzando por la longitud de la grna de ondas 10. De este modo, cuando luz portadora de imagen es presentada visualmente a un usuario, puede producirse un campo de vision que corresponde al rango de angulos de entrada a la rejilla de entrada.

Los rayos que se propagan inciden repetidamente sobre una rejilla de baja eficiencia 24, en que cada vez una proporcion 26, 28, 30 de la luz incidente es difractada hacia fuera de la grna de ondas 10 y hacia dentro de la grna de ondas de placa 12. El resto de la luz pasa a traves de la rejilla y es absorbida en el extremo 32 de la grna de ondas 10. El extremo 32 de la grna de ondas 10 esta recubierto o pintado con un material adecuadamente absorbente. La difraccion parcial distribuida de la luz hacia dentro de la grna de ondas de placa 12 resulta en una expansion de la imagen en la grna de ondas de placa a traves de su anchura paralelamente a la extension de la grna de ondas 10. Preferiblemente, la anchura de banda angular de la rejilla de entrada coincide generalmente con, o es menor que, la anchura de banda angular de la rejilla de salida, de modo que luz que entra en la grna de ondas sobre el rango de angulos puede salir por la rejilla de salida.

La figura 2 muestra la rejilla de entrada 16 en mas detalle. La rejilla (aqrn mostrada a escala aumentada por claridad en la figura 2(a)) es realizada por ataque qmmico en la superficie 20 de la grna de ondas 10, o es replicada sobre ella usando un polfmero endurecible por rayos UV. Aqrn, la rejilla es un perfil de dientes de sierra periodico. Una o mas capas 34 de material dielectrico (figura 2(b)) son aplicadas de forma adaptada a la superficie de la rejilla, y una capa reflectante metalica 36 adaptada (figura 2(c)) es aplicada a la superficie trasera de la capa dielectrica 34. La capa reflectante metalica 36 puede ser de plata, oro, aluminio o de otro material con un mdice de refraccion complejo. Preferiblemente es de plata.

La figura 3 muestra una forma alternativa de la rejilla de inyeccion 16. La rejilla es o bien grabada por ataque qmmico o replicada sobre un sustrato 38 usando un polfmero endurecible por rayos UV (figura 3(a)). Una capa metalica 40 adaptada de grosor constante es aplicada a la rejilla, y son superpuestas a ella uno o varias capas 42 de material dielectrico. El material de las capas 40, 42 y sus grosores se escogen de acuerdo con los mismos criterios que para la realizacion de la figura 2. La rejilla 16 es entonces adherida a la superficie 20 de la grna de ondas 10 por medio de cemento optico. No es esencial que el cemento tenga exactamente el mismo mdice de refraccion que el material de la grna de ondas 10. Por ejemplo para un material de grna de ondas de n “ 1,5, sena adecuado cemento con 1,5 < n < 1,6.

Sera descrito ahora un ejemplo espedfico para demostrar la mejora que puede obtenerse en anchura de banda angular y eficiencia con el uso de una rejilla de acuerdo con este aspecto de la invencion. Aunque el ejemplo usa la grna de ondas 10 a modo de varilla, la invencion es por supuesto aplicable a otras gmas de ondas hacia o de las cuales hay que inyectar o extraer luz.

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Se requiere que un haz portador de imagen colimado 14 con un campo de vision (anchura de banda angular) de 20° sea inyectado desde aire en la grna de ondas 10, que es de un material con un mdice de refraccion n = 1,52. Una rejilla de tipo de dientes de sierra 16 con periodo de 430 nm y altura de 250 nm es grabada por ataque qmmico o replicada sobre la superficie 20 de la gma de ondas 10. Convencionalmente, una capa gruesa (de aproximadamente 100 nm) de plata 44 sena aplicada a la superficie de la rejilla, como se muestra en la figura 4(a). La figura 5 muestra la eficiencia de reflexion de esta rejilla convencional en el orden de difraccion +1 (lmea discontinua) para angulos de rayos de entrada que van desde -10° a + 10° con relacion al eje de colimacion, para luz de longitud de onda de 532 nm.

En una rejilla de acuerdo con la invencion (figura 4(b)) una capa adaptada 34 de dioxido de titanio con un grosor de aproximadamente 70 nm es aplicada primeramente a la rejilla 16. Una capa 36 de plata de aproximadamente 100 nm de grosor es entonces superpuesta sobre la capa 34. La eficiencia de este rejilla bajo las mismas condiciones que para la rejilla de la figura 4(a) tambien se muestra en la figura 5 (lmea continua). Es evidente que la eficiencia y la anchura de banda de la rejilla estan sustancialmente mejoradas en comparacion con las de la figura 4(a).

La figura 6 muestra en mas detalle la rejilla de salida 24 incrustada. La grna de ondas 10 comprende unos sustratos inferior y superior 50, 52, de grosores respectivos T1 y T2, y con superficies colindantes 54, 56. El sustrato inferior 50 tiene en su superficie superior 54 una rejilla de relieve superficial 58 (aqrn con un perfil de dientes de sierra, mostrado a una escala muy aumentada en la figura 6(a)), producida mediante grabado por ataque qmmico o por replicacion como ya se ha descrito para la rejilla 16. Un recubrimiento o capa dielectrica 60 (figura 6(b)) se aplica a la rejilla en un grosor que se incrementa en la direccion de propagacion de la luz a lo largo de la grna de ondas 10 (de derecha a izquierda en la figura 6). El sustrato 52 es extendido sobre el sustrato inferior 50 y adherido a el mediante el cemento optico 62 (figura 6(c)) a lo largo de toda su longitud, de modo que es opticamente continuo con el. La eleccion del mdice de refraccion del cemento dependera del rango de angulos en los rayos de luz que se propagan dentro de la grna de ondas, del mdice de refraccion de los sustratos 50, 52, del mdice de refraccion del material de replicacion y de los indices de refraccion del rango de cementos opticos disponibles con propiedades opticas adecuadas. Estas selecciones son hechas cuando se esta disenando el visualizador basado en la grna de ondas. En el ejemplo aqrn descrito, con sustratos 50, 52 con un mdice de refraccion n “ 1,5, es normalmente suficiente usar un cemento optico con n entre aproximadamente 1,5 y 1,6.

El grosor del recubrimiento es escogido para incrementar la eficiencia de la rejilla a lo largo de la grna de ondas para compensar la atenuacion progresiva de la luz cuando se propaga a lo largo de la grna de ondas. Idealmente, el incremento en grosor de la capa 60 es tal que compensa completamente la atenuacion, de modo que la intensidad de la luz difractada transversalmente hacia fuera de la grna de ondas desde puntos longitudinalmente separados a lo largo de la rejilla es igual. En la practica, el incremento de grosor de la capa 60 es tal que se compensa la atenuacion dentro de lfmites aceptables, de modo que la intensidad de la luz difractada transversalmente hacia fuera de la grna de ondas desde puntos longitudinalmente separados a lo largo de la rejilla es aproximadamente igual.

La figura 7 muestra un diente de la rejilla de dientes de sierra 24. La rejilla tiene un periodo de 435 nm y una altura de 150 nm. En un prototipo, la capa de dioxido de titanio 60 fue hecha con un grosor de 20 nm. En otro, fue hecha con un grosor de 40 nm. En cada prototipo, los sustratos 50, 52 y el cemento optico 62 teman un mdice de refraccion n de aproximadamente 1,5.

La figura 8 muestra el rendimiento de los dos prototipos con rayos incidentes de longitud de onda de 532 nm que se propagan dentro de la grna de ondas 10. La lmea inferior en el grafico muestra el rendimiento de la rejilla con el recubrimiento de dioxido de titanio de 20 nm, y la lmea superior el rendimiento de la rejilla con el recubrimiento de 40 nm. En ambos casos, los rayos inciden sobre la grna de ondas con un angulo desde 40° a 72°. Este rango de angulos en la rejilla de salida es producido por un rango de angulos en la rejilla de entrada desde alrededor de 16° a 16°, de modo que las anchuras de banda angulares coinciden generalmente. La eficiencia promedio de la rejilla con el recubrimiento de 20 nm es de aproximadamente 7,5%, para la otra rejilla la eficiencia es de alrededor del 20% para angulos de incidencia entre 40° y 62°, y se reduce ligeramente por encima de este rango. El promedio es sin embargo de alrededor del 19% para un angulo de incidencia entre 40° y 72°. Con ello, incrementando el grosor de la capa dielectrica 60 a lo largo de la longitud de la grna de ondas, la intensidad de los rayos de salida difractados 26, 28, 30 puede ser ecualizada, y puede obtenerse un brillo mas uniforme en el visualizador en la grna de ondas de placa 12. Otra ventaja que puede obtenerse es la utilizacion mas eficiente de la luz, y por lo tanto una reduccion en la intensidad total de la entrada de luz colimada 14 requerida para conseguir un brillo dado en el visualizador en la grna de ondas 12.

El grosor graduado de la capa 60 puede ser conseguido interponiendo una mascara de forma adecuada entre el sustrato 50 como fuente en la camara de recubrimiento usada para depositar el material de dioxido de titanio. Alternativamente, puede usarse una paleta movil; moverla continuamente a una velocidad controlada puede permitir que el grosor del recubrimiento sobre la rejilla vane de manera controlada.

Aunque no se muestra en la figura 1 por simplicidad, la grna de ondas 10 contiene uno o mas divisores de haz 64, figura 9, que son coplanares con la rejilla 24 y sobre los cuales incide el haz 18 antes de llegar a la rejilla. Los

divisores de haz 64 son una o varias superficies semi-reflectantes dispuestas de forma sustancialmente paralela a las superficies de gma de ondas 20, 22. Hemos encontrado que las dimensiones relativas T1, T2 (el grosor de los dos sustratos 50, 52, en que T1 + T2 = T, el grosor total de la gma de ondas) pueden escogerse ademas para incrementar la uniformidad de la imagen que es difractada hacia fuera de la gma de ondas 10 por la rejilla 24. Por uniformidad 5 queremos indicar la ausencia de variacion en la intensidad de la imagen de salida, suponiendo que la intensidad de

la imagen de entrada es en sf misma uniforme.

En cada interaccion, por ejemplo 66, de cualquier haz portador de imagen 18 incidente con un divisor de haz, dicho haz es dividido en dos partes 68, 70, en que una pasa sin desviarse a traves del divisor de haz, y la otra es reflejada.

Considerando solo la parte reflejada 68 del haz, este haz 68 se refleja internamente de forma total en la pared 22 de 10 la gma de ondas e incide nuevamente sobre el divisor de haz en 72 a una distancia (S) en la direccion de avance

respecto a la incidencia anterior 66. Suponiendo que el haz 18 y sus subpartes tienen cada uno una anchura de haz (pupila) P en la direccion de propagacion, es necesario que S < P si no tiene que haber huecos entre pupilas adyacentes en la imagen producida por la rejilla 10.

Asf, con referencia a la figura 9,

15 S/2T1 = tan 0

y S = 2T1 tan 0

Normalmente, se escoge P de modo que P = 2T.

En el caso limitado de pupilas adyacentes que justamente se tocan, S = P, y para reflexion interna total 0 = al menos 72, suponiendo n = 1,5.

20 Entonces

tan 0 = 3,08 y 2T = 6,16T

Y de este modo, el valor maximo de T1 es aproximadamente A T o 'A T2.

Ratios ligeramente diferentes de T1 a T2 se obtendran para diferentes valores del mdice de refraccion n del material de la gma de ondas. Se apreciara que las dimensiones T1 y T2 pueden ser intercambiadas; ciertamente, en la figura 25 6 T1 es mostrada como la mayor de las dos dimensiones. Por conveniencia en la fabricacion, es preferible que el

divisor de haz 64 sea coplanar con la rejilla.

La gma de ondas de placa 12 puede tener tambien una rejilla de relieve superficial de acuerdo con la invencion incrustada en ella que forma una imagen bidimensional a partir de los haces portadores de imagen 26, 28, 30 procedentes de la gma de ondas 10. La rejilla puede ser por lo tanto de una construccion similar a la mostrada en la 30 figura 6, con una capa dielectrica adaptada o existente aplicada a su superficie perfilada, y que se incrementa en grosor al aumentar la distancia respecto a la interfaz de la gma de ondas 10 y 12. Entonces, la eficiencia de la rejilla se incrementa con la distancia respecto a la superficie, compensando con ello la atenuacion sufrida por los haces inyectados 26, 28, 30 cuando progresan a traves de la gma de ondas 12.

La figura 10 muestra una gma de ondas de placa para uso en una gma de ondas a modo de varilla convencional que 35 no tiene una rejilla de eficiencia variable de acuerdo con la invencion. Los haces 76, 78, 80, 82, 84 son difractados hacia fuera de una gma de ondas a modo de varilla 74 por una rejilla de eficiencia constante convencional a partir de un haz inyectado que se propaga de izquierda a derecha en la figura 10. Debido a la atenuacion progresiva en la direccion de avance de la gma de ondas 74, los haces 76-84 tienen intensidades relativas proporcionales a las longitudes de los vectores ilustrados. Los haces penetran en una gma de ondas de placa 86, en la que es formada 40 una imagen bidimensional por una rejilla de relieve superficial 88. Esta rejilla tiene una capa o recubrimiento

dielectrico sobre su superficie perfilada similar al descrito con referencia a la figura 6, excepto que el recubrimiento varia en grosor en dos dimensiones. De este modo, el grosor y la eficiencia del recubrimiento se incrementan en la direccion y con el alejamiento respecto a la interfaz 90 con la gma de ondas 74 para compensar la atenuacion en la gma de ondas 86; ademas, el grosor y la rejilla tambien se incrementan en la direccion x con el alejamiento respecto 45 al borde izquierdo de la gma de ondas 90 para compensar la atenuacion en la gma de ondas 74. Como resultado, la

eficiencia de la rejilla se incrementa diagonalmente a traves de la rejilla desde un mrnimo en la esquina A de la rejilla hasta un maximo en la esquina B. Esto puede ayudar materialmente a superar el fallo observado a menudo en equipos de la tecnica anterior de este tipo, en los que para una imagen de iluminacion uniforme inyectada en la gma de ondas 74, la presentacion visual resultante en la gma de ondas de placa 90 es considerablemente mas oscura en 50 el punto B que en el punto A.

En resumen, esta memoria descriptiva da a conocer el uso, con el fin de controlar la eficiencia de reflexion o difraccion y/o la anchura de banda angular de una rejilla de relieve superficial de una gma de ondas optica, de al menos una capa o recubrimiento de material dielectrico adaptado a una superficie perfilada de la rejilla. La gma de

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ondas puede ser utilizada de modo que la luz pasa a traves del material dielectrico a la superficie perfilada. La rejilla puede ser una rejilla de reflexion o transmision. En una rejilla de transmision, el recubrimiento puede variar en grosor de modo que se proporciona una rejilla con una variacion espacial en eficiencia.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de visualizacion para presentar visualmente una imagen, en que el dispositivo comprende:

una disposicion de grna de ondas optica (10, 12) para dirigir la luz portadora de imagen (14), recibida de una fuente de imagen sobre un rango de angulos relativos a un eje de inyeccion, a traves de la disposicion de grna de ondas (10, 12) para proporcionar una salida formando una imagen visible; y

una rejilla de entrada (16) para difractar hacia dentro de la disposicion de grna de ondas (10, 12) la luz portadora de imagen (14) recibida, de modo que toda la luz difractada es reflejada internamente de forma total dentro de la disposicion de grna de ondas (10, 12) y que la salida de luz portadora de imagen procedente de la disposicion de grna de ondas tiene un campo de vision correspondiente a dicho rango de angulos,

en que la rejilla de entrada (16) es una rejilla de relieve superficial para difractar luz sobre dicho rango de angulos hacia dentro de la disposicion de grna de ondas (10, 12), en que la rejilla de entrada (16) tiene una superficie perfilada y una estructura estratificada aplicada sobre ella que comprende una capa de material reflectante (36, 40), que proporciona una superficie reflectante, y al menos una capa de material dielectrico (34, 42), en que cada una de entre la capa reflectante y la al menos una capa de material dielectrico (34) tiene un perfil adaptado a dicha superficie perfilada y esta dispuesta de modo que la luz portadora de imagen (14) recibida interacciona tanto con la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) como con la superficie reflectante, y

en que el grosor de la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) con la que interacciona la luz (14) es seleccionado para controlar la anchura de banda angular de la rejilla de entrada (16) de modo que la luz portadora de imagen (14) que incide sobre la rejilla de entrada (16) sobre dicho rango de angulos es difractada hacia dentro de la disposicion de grna de ondas (10, 12).
2. Dispositivo de visualizacion segun la reivindicacion 1, en que la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) comprende uno o mas de entre dioxido de titanio, dioxido de silicio u oxido de magnesio.
3. Dispositivo de visualizacion segun la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en que dicha superficie perfilada es formada sobre una superficie (20) de una grna de ondas (10) de la disposicion de grna de ondas (10, 12), en que la estructura estratificada comprende la al menos una capa de material dielectrico (34) depositada sobre la superficie de grna de ondas perfilada, de modo que se reproduce el perfil de esta, y la capa de material reflectante (36) depositada sobre la al menos una capa de material dielectrico (34).
4. Dispositivo de visualizacion segun la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en que dicha superficie perfilada de la rejilla de entrada (16) es formada sobre una superficie de un sustrato (38), en que la estructura estratificada comprende la capa de material reflectante (40) depositada sobre la superficie de sustrato perfilada, de modo que se reproduce el perfil de esta, y la al menos una capa de material dielectrico (42) depositada sobre la capa de material reflectante (40), en que la superficie resultante de la rejilla de entrada proporcionada por la al menos una capa de material dielectrico (42) es puesta en contacto optico con una superficie (20) de una grna de ondas (10) de la disposicion de grna de ondas (10, 12).
5. Dispositivo de visualizacion segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en que la capa de material reflectante (36, 40) comprende un material metalico o de otro tipo con un mdice de refraccion complejo.
6. Dispositivo de visualizacion segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en que la disposicion de rejilla (10, 12) comprende ademas:

una rejilla de salida (88) con una superficie perfilada y al menos una capa de material dielectrico adaptada a la superficie perfilada de la rejilla de salida para difractar luz, que pasa a traves de la disposicion de grna de ondas (10, 12) sobre dicho rango de angulos, hacia fuera de la grna de ondas para presentar visualmente una imagen con un campo de vision correspondiente a dicho rango de angulos.
7. Dispositivo de visualizacion segun la reivindicacion 6, en que la rejilla de salida (88) tiene una anchura de banda angular tal que la anchura de banda angular de la rejilla de entrada (16) coincide sustancialmente con, o es menor que, la anchura de banda angular de la rejilla de salida (88).
8. Metodo para controlar la anchura de banda angular de una rejilla de difraccion de relieve superficial (16), con una superficie perfilada, que cuando se aplica a una grna de ondas (10) esta disenado para difractar luz (14) recibida sobre un rango de angulos hacia dentro de la grna de ondas (10) de modo que la luz recibida (14) puede propagarse a traves de la grna de ondas (10) mediante reflexion interna total, en que el metodo comprende:

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aplicar una estructura estratificada a dicha superficie perfilada, en que la estructura estratificada comprende una capa de material reflectante (36, 40), que proporciona una superficie reflectante, y al menos una capa de material dielectrico (34, 42), en que cada una de entre la superficie reflectante y la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) tiene un perfil adaptado a dicha superficie perfilada y esta dispuesta de modo que la luz (14) recibida interacciona tanto con la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) como con la superficie reflectante; y

seleccionar el grosor de la al menos una capa de material dielectrico (34, 42) con la que interacciona la luz (14), definiendo con ello la anchura de banda angular de la rejilla de difraccion (16) de modo que la luz (14) que incide sobre la rejilla de difraccion (16) sobre dicho rango de angulos es difractada hacia dentro de la grna de ondas (10).
9. Visualizador montado sobre cabeza, visualizador frontal, visualizador montado en casco u otro equipo de visualizacion de proyeccion que comprende un dispositivo de visualizacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.