ES2859641T3 - Proyector de DMD con prisma de TIR - Google Patents

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Paul Morant
Graham Hogg
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Abstract

Un aparato de proyección que comprende: un conjunto de prisma (7) que incluye un subprisma de entrada (1) que posee una primera superficie de interfaz (b) y un subprisma de salida (2) adyacente al subprisma de entrada (1) que posee una segunda superficie de interfaz (d) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre ella para recibir luz de visualización transmitida a través de la primera superficie de interfaz (b); un panel (8) que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente dispuestos para recibir desde el subprisma de entrada (1) una luz de iluminación reflejada totalmente internamente desde la primera superficie de interfaz (b) y selectivamente para reflejar la luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada (1) hacia atrás para su transmisión a través de la primera superficie de interfaz (b) para su recepción como luz de visualización por el subprisma de salida (2) en dicha segunda superficie de interfaz (d); caracterizado por que el subprisma de entrada posee una superficie de base que es sustancialmente congruente con una superficie de base coincidente del subprisma de salida.

Description

DESCRIPCIÓN
Proyector de DMD con prisma de TIR
Campo de la invención
La intención se refiere a visualizadores tales como, pero no limitados a, visualizadores de proyección para proyectar luz de visualización.
Antecedentes
La reflexión interna total (TIR, por sus siglas en inglés) si la luz de iluminación dentro de un prisma es un procedimiento conocido de dirigir luz de iluminación a un DMD (dispositivo digital de microespejos) para su uso en la reflexión de esa luz como una visualización proyectable. Al separar selectivamente la luz reflejada de los píxeles del DMD, se puede controlar qué luz se proyecta y cuándo. Puede utilizarse un prisma de este modo para aprovechar la reflexión interna total (TIR) para dirigir luz "seleccionada" y luz "deseleccionada" a través de distintas caras de salida del prisma. Esto permite que el sistema de proyector mantenga luz "deseleccionada" fuera de una subsiguiente lente del proyector.
El inconveniente de esto es el aumento requerido en el coste de construcción y la complejidad, especialmente porque estos prismas son elementos ópticos hechos a medida. Otro inconveniente se produce cuando se emplean conjuntos de prismas de elementos múltiples en un intento de dirigir la luz de forma adecuada. En particular, se trata de la introducción de múltiples espacios de aire en la trayectoria corriente abajo del DMD, que degradan la resolución de la imagen proyectada. En general, estos deben reducirse.
La presente invención tiene como objetivo abordar estos asuntos con un diseño óptico compacto, de bajo coste y de menor complejidad.
El documento JP2012137679 se refiere a un dispositivo de visualización de tipo proyección.
El documento US2003179347 (A1) se refiere a un proyector de dispositivo digital de espejos y un procedimiento para corregir la señal de vídeo que se utiliza en un proyector de dispositivo digital de espejos.
El documento JP2000330072 (A) se refiere a un dispositivo de visualización de tipo proyección.
El documento JP2014041315 (A) se refiere a un dispositivo de visualización.
Descripción breve
En un primer aspecto, la invención proporciona un aparato de proyección según la reivindicación 1 que comprende un conjunto de prisma que incluye un subprisma de entrada que posee una primera superficie de interfaz (preferentemente no una base del prisma) y un subprisma de salida adyacente al subprisma de entrada que posee una segunda superficie de interfaz (preferentemente no una base del prisma) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre la misma para recibir luz de visualización transmitida a través de la primera superficie de interfaz. El aparato incluye un panel que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente dispuestos para recibir desde el subprisma de entrada una luz de iluminación reflejada totalmente internamente desde la primera superficie de interfaz y selectivamente para reflejar la luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada hacia atrás para su transmisión a través de la primera superficie de interfaz para su recepción como luz de visualización por el prisma de salida en dicha segunda superficie de interfaz.
El subprisma de entrada posee una superficie de base que es sustancialmente congruente (por ejemplo, sustancialmente idéntica en forma y área) a una superficie de base coincidente del segundo subprisma.
Esto proporciona ahorros de fabricación ya que se puede fabricar un solo tipo de elemento de subprisma, del cual se utilizan dos en cada conjunto terminado. Preferentemente, los subprismas de entrada y salida comparten ángulos de caras comunes. El material (por ejemplo, vidrio) de los subprismas de entrada y salida son preferentemente comunes a ambos. El uso de dos piezas de subprisma de este modo puede formar un prisma de TIR compuesto de dos piezas. Las piezas constituyentes (por ejemplo, vidrio) pueden ser sustancialmente idénticas en material y/o tamaño y/o forma. Esto tiene la ventaja de poder igualar naturalmente las trayectorias ópticas para la luz que pasa a través de ambos subprismas. Esto representa un mejor compromiso entre rendimiento y facilidad de fabricación. El subprisma de salida sirve preferentemente como un elemento de ecualización de trayectoria para la luz que ha sido reflejada por el panel en el subprisma de entrada y, posteriormente, emitida desde el subprisma de entrada, en uso. Esto se aplica preferentemente a luz destinada a ser proyectada (por ejemplo, luz "encendida") tal como se describe a continuación. La ecualización de la longitud de la trayectoria óptica de tal luz es preferentemente para reducir o eliminar las distorsiones ópticas que, de otro modo, podrían estar presentes en la salida de luz del subprisma de entrada por refracción óptica en la superficie de salida del prisma. El panel puede estar dispuesto para reflejar la luz en el subprisma de entrada en una dirección sustancialmente perpendicular a la superficie orientada hacia el subprisma de entrada. El panel puede estar dispuesto para reflejar luz en una dirección sustancialmente perpendicular al plano del panel. Por ejemplo, un cono de luz puede reflejarse de tal modo que el eje central del cono de luz se dirija de este modo, aunque los rayos periféricos en el borde del cono de luz pueden no estar dirigidos perpendicularmente.
El subprisma de entrada y el subprisma de salida pueden ser recortes de un prisma maestro común. El prisma maestro puede cortarse transversalmente al eje que une las dos superficies (bases) congruentes del prisma para proporcionar una pluralidad de subprismas para su uso como el subprisma de entrada y el subprisma de salida. Esto tiene la ventaja de que las superficies de no base de los subprismas de entrada y salida coinciden completamente en el sentido de que comparten un conjunto común de ángulos internos entre superficies de no base contiguas adyacentes de cada prisma; definiéndose esos ángulos por los ángulos internos del prisma maestro. Como resultado, es mucho más fácil proporcionar un par de subprismas que coinciden de forma adecuada en comparación con otros diseños que pueden emplear dos prismas de forma distinta. Además, siempre que el prisma maestro se mecanice con la precisión adecuada, también los son todos los subprismas que se cortan a partir de este. Esto reduce los errores y también reduce el coste de fabricación y la complejidad.
El prisma maestro puede cortarse de manera que las dos superficies coincidentes sustancialmente congruentes antes mencionadas se formen, revelen o generen mediante el mismo acto de corte realizado sobre un prisma maestro. Por supuesto, el prisma maestro puede ser un prisma triangular alargado que puede haber sido cortado transversalmente a través de su eje alargado en varias ubicaciones separadas para proporcionar así más de dos subprismas y el subprisma de entrada y el subprisma de salida no necesitan haberse originado en las porciones cercanas del prisma maestro alargado.
Se pueden aplicar recubrimiento(s) óptico(s) a las superficies de los dos subprismas. Entre los ejemplos se incluye recubrimientos antirreflectantes en superficies destinadas, en uso, a transmitir luz. De modo alternativo o adicional, se pueden aplicar recubrimientos reflectantes a las superficies destinadas, en uso, a reflejar la luz. En algunos ejemplos, si se desea se pueden aplicar recubrimientos ópticos distintos o idénticos (por ejemplo, idénticos en posición/extensión y/o material/estructura) a los dos subprismas. Los recubrimientos ópticos se aplican preferiblemente a uno o más subprismas antes del ensamblaje en el prisma de TIR compuesto.
El subprisma de entrada tiene preferentemente una cara paralela al panel, y puede tener otra cara relativamente inclinada que funciona como una superficie en la que se produce TIR, en uso, para dirigir luz de iluminación al panel.
Preferentemente, el subprisma de salida se sitúa sobre el subprisma de entrada con un espacio de aire mínimo suficiente para mantener TIR en la primera superficie de interfaz. Preferentemente, la primera y la segunda superficies de interfaz son sustancialmente paralelas.
Lo más preferentemente, el tamaño del espacio de aire es suficientemente grande para evitar el acoplamiento de ondas evanescentes entre las superficies opuestas de los dos subprismas. Tal acoplamiento degradaría la TIR y podría dar como resultado un fallo en la TIR. La profundidad de penetración de una onda evanescente, en estas circunstancias, depende del grado de incidencia de luz en la superficie del prisma en cuestión. Preferentemente, debería ser deseable un espacio de aire mínimo de 5A, donde A es la longitud de onda óptica más larga en uso. Esta longitud de onda más larga puede encontrarse en el infrarrojo. El espacio de aire de 5A permite preferentemente una reflexión eficiente de luz incidente hasta una fracción de un grado desde el ángulo crítico para TIR. Puede utilizarse un espacio de aire más pequeño, pero esto debería estar asociado preferentemente con un margen de seguridad más grande en el ángulo de incidencia, es decir, los rayos cercanos al ángulo crítico para TIR pueden acoplarse en cierta medida al segundo subprisma. El espacio de aire puede introducir algún grado de aberración en la luz que se refleja desde el panel para la proyección, por lo que es preferente mantener el espacio de aire al mínimo. El tamaño máximo del espacio de aire depende en cierta medida de la resolución esperada del sistema óptico, pero preferentemente no debe superar 20A.
El subprisma de entrada tiene preferentemente una superficie orientada hacia el panel sustancialmente plana con respecto a la cual está inclinada la primera superficie de interfaz y que está orientada en una dirección hacia el panel para recibir dicha luz de iluminación reflejada desde el mismo. El subprisma de salida tiene preferentemente una superficie de salida sustancialmente plana para emitir la luz de visualización del conjunto de prisma en donde la superficie de salida está inclinada con respecto a la segunda superficie de interfaz y es sustancialmente paralela a la superficie que está orientada hacia el panel, por lo tanto, sustancialmente para igualar los trayectos ópticos de luz que pasa desde la superficie orientada hacia el panel hasta la superficie de salida a través de diferentes partes respectivas de la primera y segunda superficies de interfaz.
Preferentemente, una superficie de no base del subprisma de entrada define una superficie de entrada para recibir dicha luz de iluminación en el subprisma de entrada desde una fuente de luz de iluminación, en donde la superficie de entrada está inclinada con respecto a la primera superficie de interfaz de modo que la luz de iluminación incide en la superficie de entrada en un ángulo de incidencia dentro de un primer rango de ángulos de incidencia consistente con un ángulo de cono de aceptación del panel que incide posteriormente en la primera superficie de interfaz en un ángulo de incidencia dentro de un segundo rango de ángulos de incidencia adecuados para causar una reflexión interna total hacia el panel. El centro del rango angular del primer rango de ángulos de incidencia en la superficie de entrada puede corresponder preferentemente a la perpendicular a la superficie de entrada.
El panel puede disponerse selectivamente para reflejar la luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada en una dirección relativa al conjunto de prisma que reduce sustancialmente la desviación angular de la luz a lo largo de su trayectoria óptica a través del conjunto de prisma.
El panel está preferentemente dispuesto para reflejar la luz de iluminación recibida en cualquiera de las dos direcciones de entrada distintas seleccionadas con respecto al conjunto de prisma, de modo que la luz de visualización se emite, por consiguiente, desde el conjunto de prisma en una respectiva de dos direcciones de salida distintas con respecto al conjunto de prisma para, de este modo, selectivamente separar espacialmente luz para permitir que la luz asociada con un uso seleccionado se asigne a dicha dirección de salida seleccionada.
El panel puede comprender un dispositivo de dispositivo digital de microespejos (DMD). Un DMD es un dispositivo conocido que comprende una combinación de partes opto-mecánicas y electromecánicas combinadas para controlar la orientación de cada elemento de una matriz que contiene una pluralidad de elementos reflectantes (a veces denominados "píxeles"). Cualquiera uno de tales píxeles puede funcionar tal como se describe en el presente documento, para su comprensión, y la matriz de píxeles completa que comprende un DMD puede controlarse, por consiguiente, controlando píxeles individuales según se desee.
Cada elemento reflectante de un DMD puede comprender un espejo (píxel) que comprende tanto una parte optomecánica como una parte electromecánica a través de la cual la orientación del espejo con respecto al plano de la matriz de píxeles del DMD se controla de forma biestable para ocupar selectivamente una de dos orientaciones predeterminadas. Por ejemplo, cada espejo (píxel) del DMD puede tener dos estados de espejo estables orientados, por ejemplo, a 12 grados y -12 grados con respecto a la perpendicular al plano del panel del DMD (se pueden utilizar otras orientaciones angulares biestables). Estas dos posiciones determinan la dirección en la que la luz de iluminación que incide sobre el panel del DMD es desviada por cada píxel. En este sentido, un DMD es un modulador espacial de luz. Por convención, el estado de orientación positivo (+) se inclina hacia la iluminación y se denomina "estado encendido". De modo similar, el estado de orientación negativa (-) se inclina alejándose de la iluminación y se denomina "estado apagado". La figura 6 muestra un píxel de DMD en los estados "encendido" y "apagado", y la figura 4 (analizada en detalle a continuación) muestra los efectos de cada uno de dichos estados sobre la desviación de la luz de iluminación que incide sobre un solo píxel (para mayor claridad). Se comprenderá que este efecto se replica por separado e individualmente por cada píxel dentro del panel del DMD de la figura 4. Los ejemplos de un dispositivo DMD adecuado están disponibles en Texas Instruments Inc. en los EE.UU., u otros fabricantes bien conocidos de DMD.
El aparato de proyección puede incluir un monitor óptico dispuesto para recibir luz asignada a una de dichas dos direcciones de salida distintas y para generar una señal de monitorización según dicha luz recibida, para su uso en la monitorización del funcionamiento del panel. El monitor óptico puede utilizar una longitud de onda de luz (por ejemplo, en el infrarrojo) que es distinta a la longitud de onda de la luz (por ejemplo, visible) utilizada para la proyección. El monitor óptico puede estar dispuesto para recibir luz desviada por el panel reflectante (por ejemplo, DMD) que tiene la mayor desviación de la dirección de entrada con respecto al panel (es decir, la luz de "estado apagado"). El monitor óptico puede responder a la luz de una longitud de onda distinta (o rango de longitudes de onda) a la luz proyectada por el aparato (por ejemplo, luz reflejada que es sustancialmente perpendicular a la superficie del prisma adyacente al panel, es decir, la luz de "estado encendido").
La luz reflejada para la proyección puede comprender un rango de longitudes de onda derivadas de un rango de distintas fuentes de luz. El material del prisma, los ángulos del prisma y los recubrimientos, en cualquier realización, pueden elegirse para que sean compatibles con el funcionamiento con una fuente de luz que funcione en el ultravioleta.
La primera superficie de interfaz puede ser la superficie de no base más grande del subprisma de entrada. La superficie de salida es preferentemente la superficie de no base más grande del subprisma de salida. La superficie de entrada es preferentemente la segunda superficie de no base más grande del subprisma de entrada. Esta disposición ayuda a reducir la distancia entre las superficies de entrada y salida de los subprismas de entrada y salida, respectivamente, de modo que el conjunto de prisma sea más delgado en esa dimensión. Esto mejora la compacidad y también significa que si se emplea una lente óptica (por ejemplo, una lente colimadora de una lente de proyección) para recibir salida de luz de visualización desde la superficie de salida, entonces esa lente puede poseer una distancia focal posterior más pequeña. El aparato de proyección puede incluir una lente óptica dispuesta para recibir salida de luz de visualización desde la superficie de salida. La lente puede estar adyacente al conjunto de prisma (por ejemplo, inmediatamente, o al menos el siguiente elemento óptico que sigue al conjunto de prisma). Además, el tamaño relativamente grande de la superficie de salida significa que la luz deseleccionada ("estado apagado") puede ser dirigida por el panel para su salida a través de una región separada, evitando o reduciendo así la magnitud de los reflejos internos requeridos dentro del prisma de salida para conseguir una dirección de salida adecuada lejos de la de la luz "seleccionada" ("estado encendido"). El aparato de monitorización puede situarse adyacente a, o en comunicación óptica con, la superficie de salida, permitiendo así que se monitorice para monitorizar el funcionamiento/rendimiento del panel.
Las superficies sustancialmente congruentes del subprisma de entrada y/o del subprisma de salida son preferentemente sustancialmente paralelas.
El plano de cada superficie de no base de cada subprisma de entrada y subprisma de salida es preferentemente sustancialmente perpendicular al plano de cada superficie sustancialmente congruente del mismo.
Preferentemente, cada uno del subprisma de entrada y el subprisma de salida es un prisma triangular que tiene dos superficies de base triangulares sustancialmente congruentes separadas por tres lados contiguos que definen las superficies de no base del respectivo subprisma.
El subprisma de entrada puede ser sustancialmente idéntico en forma y tamaño al subprisma de salida.
En un segundo aspecto, la invención puede proporcionar un visualizador frontal que comprende un aparato de proyección tal como se ha descrito anteriormente. La invención puede proporcionar un aparato de visualización frontal (HUD) (por ejemplo, para un vehículo) que comprende un aparato de proyección tal como se ha descrito anteriormente.
En un tercer aspecto, la invención puede proporcionar un procedimiento de proyección que comprende proporcionar un conjunto de prisma que incluye un subprisma de entrada que posee una primera superficie de interfaz (preferentemente no una base del prisma) y un subprisma de salida adyacente al subprisma de entrada que posee una segunda superficie de interfaz (preferentemente no una base del prisma) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre la misma para recibir luz de visualización transmitida a través de la primera superficie de interfaz. El procedimiento incluye proporcionar un panel que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente, y recibir en el panel una luz de iluminación desde el subprisma de entrada por reflexión interna total desde la primera superficie de interfaz y reflejar selectivamente la luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada y a través de la primera superficie de interfaz hasta la segunda superficie de interfaz. El procedimiento también incluye emitir la luz recibida de iluminación reflejada desde el subprisma de salida como luz de visualización. El subprisma de entrada posee una superficie de base que es sustancialmente congruente (por ejemplo, idéntica en forma y área) a una superficie de base coincidente del subprisma de salida.
El procedimiento comprende preferentemente controlar dicho panel para reflejar selectivamente dicha luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada en una dirección relativa al conjunto de prisma que minimiza sustancialmente la desviación angular de la luz a lo largo de su trayectoria óptica a través del conjunto de prisma. El procedimiento puede comprender reflejar luz de iluminación recibida en dicho panel en cualquiera una seleccionada de dos direcciones de entrada distintas con respecto al conjunto de prisma de modo que la luz de visualización se emite, por consiguiente, desde el conjunto de prisma en una respectiva de dos direcciones de salida distintas relativas al conjunto de prisma para, de este modo, selectivamente separar espacialmente luz para permitir que la luz asociada con un uso seleccionado se asigne a dicha dirección de salida seleccionada.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se ofrece una descripción detallada de una implementación ejemplar de la invención, que no pretende ser una limitación del alcance de la invención, y se proporciona en el presente documento para ayudar a comprender la invención. La descripción detallada se realiza haciendo referencia a los siguientes dibujos de los cuales:
La figura 1 ilustra un par de prismas sustancialmente congruentes sustancialmente idénticos;
La figura 2 ilustra esquemáticamente un prisma maestro alargado y los sitios en los que se corta transversalmente para producir los dos prismas de la figura 1;
La figura 3 ilustra un conjunto de prisma que tiene un espacio de aire estrecho entre los dos prismas de la figura 1 para permitir TIR desde una de las dos superficies opuestas de los dos prismas;
La figura 4 muestra esquemáticamente un aparato de proyección que comprende el conjunto de prisma de la figura 4, en el que se indican trayectorias de luz para representar distintas trayectorias de luz reflejada desde un dispositivo digital de microespejos (DMD);
La figura 5 ilustra esquemáticamente un visualizador frontal (HUD) que comprende un aparato proyector según la figura 4;
La figura 6 ilustra esquemáticamente los estados biestables de un DMD.
Descripción detallada
En los dibujos, a elementos similares se asignan símbolos de referencia similares.
La figura 1 ilustra dos piezas de prisma triangular sustancialmente idénticas (1, 2). Cada pieza de prisma es un prisma triangular que tiene tres superficies de no base (a, b, c; d, e, f) que se extienden entre un respectivo par paralelo de superficies de "base" triangulares sustancialmente congruentes (3a, 3b). Cada pieza de prisma tiene los siguientes tres ángulos internos de 97,2°, 49,5° y 33,3°. En cada pieza de prisma, la más pequeña de las tres superficies de no base (a, f) se une a la superficie de no base más grande (b, e) en un ángulo interno de 49.5°, y se une a la superficie de no base (c, d) restante (la segunda más grande) en ángulos internos de 97,2°. Por lo tanto, en cada prisma, la más grande y segunda más grande de superficies de no base se encuentran en un ángulo interno de 33,3°. Se apreciará que estos ángulos cambiarán si se cambia el índice de refracción del material del prisma.
En este ejemplo, cada pieza de prisma está fabricada con el vidrio de borosilicato común de Schott N-BK7, pero se pueden utilizar otros tipos de vidrio, o incluso otros materiales, que tienen un índice de refracción distinto y, por lo tanto, distintos ángulos de prisma para lograr el mismo efecto. Las piezas tienen 30 mm de ancho, es decir, entre las superficies de la base triangular. Se forman como cortes de una pieza de prisma maestro común 4 que se muestra esquemáticamente en la figura 2. El prisma maestro es alargado en la dirección perpendicular a sus superficies de base 3 triangulares. Una primera de las dos piezas de prisma 1 se fabrica cortando el prisma maestro en una dirección perpendicular a su eje alargado (es decir, paralelo a la superficie de base 3) a lo largo de la línea de corte 6 mostrada. Esta línea de corte está espaciada 30 mm desde la superficie base 3 y, por acción de este corte, libera la primera pieza de prisma del prisma maestro. Al repetir esta operación en la segunda línea de corte 5, espaciada 30 mm desde la primera línea de corte, se libera la segunda pieza de prisma 2. Esto puede continuar para liberar más piezas de prisma según se desee.
De esta manera, un prisma maestro puede ser la fuente de cada una de las dos piezas de prisma. Esto asegura que las dos piezas de prisma coincidan estrechamente (por ejemplo, sustancialmente idénticas) en términos de sus ángulos internos, superficies y material de vidrio. Se forma un conjunto de prisma 7 a partir de estas dos piezas de prisma como se muestra esquemáticamente en la figura 3, colocando la segunda superficie de no base más grande (d) de una pieza de prisma 3a sobre la superficie de no base más grande (b) de la otra pieza de prisma en adyacencia paralela estrecha, pero espaciada para definir un espacio de aire 100.
Antes de ensamblar el conjunto de prisma de esta manera, se recubre un primer prisma 1 en todas las superficies de no base a, b y c con un recubrimiento óptico antirreflectante, mientras que el otro prisma 2 se recubre con un recubrimiento óptico antirreflectante en todas las superficies de no base d, f y e, en donde el área de la superficie de no base más grande de ese prisma (superficie e) adyacente a la superficie de no base más pequeña (f) puede, en algunas realizaciones, estar recubierta con un recubrimiento óptico reflectante allí. Esa región con recubrimiento reflectante puede ser la región a través de la cual la luz reflejada desde un panel de DMD está dispuesta para pasar cuando no está destinada para su visualización (por ejemplo, luz de "estado apagado"). Esta disposición puede servir para reflejar internamente la luz de "estado apagado" hacia atrás desde la superficie de prisma e para salir de ese prisma 2 a través de su superficie de no base más pequeña (f). Por otro lado, las regiones restantes, el área de la superficie de no base más grande de ese prisma (superficie e), pueden recubrirse con un recubrimiento antirreflectante destinado para transmitir luz que se va a visualizar. Los recubrimientos antirreflectantes (AR) pueden ser recubrimientos ópticos de tipo interferencia, como resultaría fácilmente evidente para el experto en la materia. Su objetivo es mejorar la transmisión de luz a través de las superficies de un respectivo prisma destinado a transmitir luz, reduciendo así los reflejos parciales internos no deseados de luz que pueden degradar la calidad de la imagen en la luz proyectada/visualizada. El recubrimiento reflectante opcional puede ser cualquier recubrimiento adecuado tal que esté fácilmente disponible para el experto en la materia.
Los recubrimientos AR se adaptan preferentemente a los ángulos de incidencia de luz requeridos para cada superficie recubierta, por lo que el recubrimiento puede ser distinto en distintas superficies dentro del aparato. Por ejemplo, en las dos superficies de interfaz opuestas puede haber, en uso, un cono de luz de "estado encendido" que incide sobre la superficie. El centro del cono de luz puede incidir, por ejemplo, en un ángulo de 33,3° desde la normal a la superficie. Los diseños de recubrimiento se especifican normalmente en la dirección del aire al vidrio. En este ejemplo, se pueden calcular los ángulos de incidencia que tienen los bordes del cono en el espacio de aire (usando la ley de Snell). De este modo, por ejemplo, si el cono de luz tiene un ángulo completo de 22°, entonces se puede calcular el ángulo para 33,3° ± 11°. En otros casos, los ángulos pueden ser distintos. Un ejemplo de un recubrimiento AR puede comprender una única capa dieléctrica de fluoruro de magnesio, con un espesor de A/2, donde A es la longitud de onda óptica con respecto a la cual se diseña el recubrimiento. El recubrimiento puede comprender una pila de capas dieléctricas del mismo espesor o de espesores comparables, por ejemplo, dentro o alrededor del mismo orden de magnitud. Los detalles del recubrimiento dependerán de los requisitos de diseño para cada superficie, y las opciones de diseño resultarán evidentes para el experto en la materia. El recubrimiento reflectante puede comprender un recubrimiento metálico de aluminio con una capa protectora de fluoruro de magnesio. La capa de metal tiene preferentemente un espesor superior a 50 nm.
La figura 4 ilustra esquemáticamente un aparato de proyección según una realización de la invención, que comprende un conjunto de prisma 7 tal como se muestra en la figura 3. El aparato incluye un panel de dispositivo digital de microespejos (DMD) 8 dispuesto adyacente a la segunda superficie de no base más grande (c) de la primera pieza de prisma 1, con el plano del panel de DMD sustancialmente paralelo al de la superficie a la que se enfrenta. Una unidad de controlador 9 está conectada al panel de DMD y está dispuesta para controlar la orientación de cada elemento de píxel reflectante del DMD.
Cada píxel del DMD tiene un espejo conectado a una parte electromecánica a través de la cual la orientación del espejo con respecto al plano de la matriz de píxeles del DMD se controla de manera biestable desde la unidad de controlador 9 para ocupar selectivamente una de dos orientaciones predeterminadas. En particular, cada espejo del DMD tiene dos estados de espejo estables orientados, por ejemplo, a 12 grados y -12 grados con respecto a la perpendicular al plano del panel del DMD (se pueden usar otras orientaciones angulares biestables, por ejemplo, /-17 grados). Estas dos posiciones determinan la dirección en la que la luz de iluminación que incide sobre el panel del DMD es desviada por cada píxel. En este sentido, el DMD se puede controlar por la unidad de controlador 9 para modular espacialmente la luz de iluminación 12 según se desee, para su visualización.
La figura 6 ilustra esquemáticamente el funcionamiento biestable de cada espejo (píxel) del panel DMD 8 en respuesta a las señales de control de la unidad de controlador 9. Un estado de orientación positivo (+) 21a de un espejo inclina el espejo hacia la luz de iluminación y se denomina "estado encendido" del espejo (píxel). De manera similar, el estado de orientación negativa (-) 21b del espejo lo inclina lejos de la luz de iluminación y se denomina "estado apagado". La figura 6 muestra un píxel de dMd en los estados "encendido" y "apagado", y la figura 4 muestra los efectos de cada uno de dichos estados sobre la desviación de la luz de iluminación que incide sobre un solo píxel (para mayor claridad). Se comprenderá que este efecto se replica por separado e individualmente por cada píxel dentro del panel del DMD de la figura 4. El panel DMD está dispuesto de manera que la luz "en estado encendido" se refleja desde el panel en una dirección sustancialmente perpendicular al panel y, por tanto, también perpendicular a la cara opuesta de la primera pieza de prisma 1.
El conjunto de prisma está dispuesto para ser iluminado por un cono de luz 12, generado por una fuente de luz de iluminación 10, que posee un eje de cono sustancialmente dirigido normal a la superficie de no base más pequeña (a) del prisma. La luz de iluminación transmitida a través de esta superficie de entrada alcanza internamente la mayor superficie de no base (b) de ese prisma. Allí, debido a la forma del prisma y los ángulos internos, se refleja por reflexión interna total (TIR) hacia la segunda superficie de no base más grande del primer prisma (c) y el panel de DMD opuesto a él. De esta manera, la luz de iluminación TIR se provoca por el primer prisma para iluminar el DMD.
Esta luz reflejada sale de la primera pieza de prisma a través de la superficie (c) opuesta al panel de DMD, llega al panel de DMD y se modula por la matriz de espejos (píxeles) de DMD de un modo determinado por la unidad de controlador 9.
La luz reflejada por el panel de DMD, tanto en el "estado encendido" como en el "estado apagado", vuelve a entrar en la primera pieza de prisma por transmisión a través de la superficie opuesta (c) de ese prisma. Los rayos de luz de "estado encendido" entran en la primera pieza de prisma sustancialmente perpendicular a la superficie de prisma opuesta, mientras que los rayos de luz de "estado apagado" entran sustancialmente oblicuamente y en una ubicación de superficie distinta, debido a la separación entre el panel de DMD y la superficie opuesta de la primera pieza de prisma.
Posteriormente, los rayos de luz tanto de “estado encendido” como “estado apagado” atraviesan la primera pieza de prisma 1 hacia la superficie de no base más grande (b) de la misma, en distintas direcciones divergentes. Esta superficie de no base (b) de la primera pieza de prisma está opuesta por la segunda superficie de no base más grande (d) de la segunda pieza de prisma 2 a través de un espacio de aire 100 uniforme. Estas dos superficies opuestas definen respectivamente una primera superficie de interfaz y una segunda superficie de interfaz a través de las cuales se comunican ópticamente la primera y segunda piezas de prisma.
La orientación de la luz de “estado encendido" con respecto a la primera y segunda superficies de interfaz (paralelas) significa que la TIR de esa luz no se produce en la primera superficie de interfaz (b). Por lo tanto, los rayos de luz de “estado encendido" pasan a través de las dos superficies de interfaz (b, d) y hacia la superficie de no base más grande (e) de la segunda pieza de prisma 2, que define la superficie de salida del conjunto de prisma. Allí, los rayos de luz 13 transmitidos "en estado encendido" salen del conjunto de prisma para su visualización. Pueden pasar a otros elementos ópticos tal como un sistema de lentes de proyección (16, figura 5). La apertura de “estado encendido" a través de ambas de las dos piezas de prisma puede tener unos 35 mm de largo. Esto permite utilizar el conjunto con un DMD de 2,28 cm (0,9 pulgadas) con píxeles cuadrados.
La orientación paralela de la superficie del prisma orientada hacia el panel de DMD (c) y la superficie del prisma de salida (e), junto con la orientación paralela de la primera y segunda superficies de interfaz (b, d), permite que la luz que procede de los píxeles de DMD de “estado encendido" se visualicen normales con respecto a la superficie de salida (e) del conjunto de prisma, mientras se dirige la luz 14 de píxeles de “estado apagado" lejos de ese ángulo de visión. En particular, la orientación de la luz de “estado apagado" con respecto a la primera y segunda superficies de interfaz (paralelas) significa que la TIR de esa luz no se produce en la primera superficie de interfaz (b). Por lo tanto, los rayos de luz de “estado apagado" pasan a través de las dos superficies de interfaz (b, d) y hacia la superficie de no base más grande (e) de la segunda pieza de prisma 2, que define la superficie de salida del conjunto de prisma. Allí, los rayos de luz 14 transmitidos de "estado apagado" salen del conjunto de prisma y son detectados por un sensor óptico y un monitor 11 dispuestos, por ejemplo, para comparar el patrón/la modulación espacial detectada de la luz de “estado apagado" con el patrón esperado y generar una señal de error que indique una desviación del patrón esperado. Esto puede utilizarse para monitorizar y detectar errores o fallos en el panel de DMD.
En realizaciones alternativas, se forma un recubrimiento óptico reflectante sobre aquellas partes de la superficie de salida (e) a las que se controla el DMD para dirigir la luz de "estado apagado" de manera que los rayos de luz de “estado apagado" que alcanzan ese recubrimiento se reflejen internamente dentro de la segunda pieza de prisma lejos de la superficie de salida y hacia la superficie de no base más pequeña (f) de la segunda pieza de prisma 2, después de lo cual salen del conjunto de prisma como rayos 114 salientes para ser detectados por un sensor óptico y monitor 11 tal como se ha descrito anteriormente.
En una realización adicional, el sensor óptico y el monitor 11 pueden reemplazarse por una parte absorbente de luz para adsorber la luz de “estado apagado".
Cabe señalar que el ángulo TIR no cambia debido a la presencia de un recubrimiento óptico en una superficie/interfaz reflectante. Esto se debe a la Ley de Snell, donde la cantidad nsinQ se conserva en cada medio (n es el índice de refracción del medio y 0 el ángulo de luz relativo a la normal con respecto a la superficie reflectante).
Si la luz alcanza una interfaz en un ángulo que representaría el ángulo crítico para TIR en una interfaz de vidrio/aire, entonces nsinQ=1. Si el siguiente medio es otro vidrio o dieléctrico con n>1, la luz pasará a través de la interfaz. Si la luz encuentra otra interfaz entre este segundo medio y el aire, la condición nsind=1 seguirá siendo verdadera, por lo que se producirá una reflexión interna total. Cuando la luz vuelva al vidrio original, volverá al ángulo original y se comportará, en esta medida, como si el segundo medio no estuviera presente.
De esta manera, la realización proporciona un aparato de proyección que comprende el conjunto de prisma que incluye la primera pieza de prisma 1 como un subprisma de entrada que posee una primera superficie de interfaz (b) y la segunda pieza de prisma 2 como un subprisma de salida adyacente al subprisma de entrada que posee una segunda superficie de interfaz (d) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre ella para recibir luz de visualización 13 transmitida a través de la primera superficie de interfaz. El aparato incluye un panel de DMD que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente dispuestos para recibir desde el subprisma de entrada 1 una luz de iluminación 12 reflejada totalmente internamente desde la primera superficie de interfaz b y selectivamente para reflejar la luz de iluminación recibida hacia atrás a través del subprisma de entrada 1 para su transmisión a través de la primera superficie de interfaz (b) para su recepción como luz de visualización 13 por el prisma de salida 2 en la segunda superficie de interfaz (d). El subprisma de entrada 1 posee una superficie de base 3a que es sustancialmente congruente (por ejemplo, sustancialmente idéntica en forma y área) a una superficie de base coincidente 3b del segundo subprisma.
Cabe señalar que la elección de los ángulos (internos) del prisma de los subprismas puede verse influenciada por las propiedades del panel reflectante (por ejemplo, el dMd en este ejemplo), tanto en términos del cono de aceptación de la luz de entrada como el ángulo de deflexión del panel reflectante (por ejemplo, espejos de DMD). El lector experto apreciará que se pueden realizar variaciones o alternativas a la realización ilustrada aquí sin alejarse del alcance de la invención.
En la presente realización de la invención, la monitorización de la luz de estado apagado (unidad de sensor y monitor 11) puede utilizar una longitud de onda de luz (por ejemplo, en el infrarrojo) que es distinta a la longitud de onda de la luz (por ejemplo, visible) utilizada para la proyección. Por lo tanto, el aparato proyector, en cualquier realización, puede comprender un monitor óptico dispuesto para recibir luz desviada por el panel reflectante (por ejemplo, DMD) que tiene la mayor desviación de la dirección de entrada al panel (es decir, la luz de “estado apagado"), en donde el monitor óptico responde a la luz de una longitud de onda distinta (o rango de longitudes de onda) a la luz proyectada por el aparato (por ejemplo, luz reflejada que es sustancialmente perpendicular a la superficie del prisma adyacente al panel, es decir, la luz de “estado encendido").
La luz reflejada para proyección (por ejemplo, que es sustancialmente perpendicular a la superficie del prisma adyacente al panel, es decir, la luz de “estado encendido"), en cualquier realización, puede comprender un rango de longitudes de onda derivadas de un rango de distintas fuentes de luz.
El material del prisma, los ángulos del prisma y los recubrimientos, en cualquier realización, pueden elegirse para que sean compatibles con el funcionamiento con una fuente de luz que funcione en el ultravioleta.
La presente realización utiliza un tipo de iluminación que se conoce como "iluminación crítica" o "iluminación Abbe". En este caso, la fuente de iluminación, o una superficie en el sistema de iluminación, se refleja en el DMD. Una realización alternativa puede emplear luz de la fuente que está sustancialmente colimada. Esto se conoce como "iluminación Kohler". La elección de la iluminación no afecta la forma en que funcionan los prismas y el DMD.
Pueden emplearse diseños DMD alternativos en realizaciones alternativas. El aparato proyector puede emplear un DMD dispuesto de tal manera que la salida de luz//reflejada por este que tiene la mayor desviación desde la entrada al panel, la luz de “estado apagado", puede reflejarse fuera del plano definido por la luz de entrada y la luz reflejada que es sustancialmente perpendicular a la superficie del prisma adyacente al panel (la luz de “estado encendido").
La figura 5 ilustra esquemáticamente un visualizador frontal (HUD) que comprende un aparato de proyección 15 según la figura 4. El HUD incluye además la fuente de luz de iluminación 10 y una unidad de lente de proyección 16 dispuesta para recibir luz de “estado encendido" del aparato de proyección y para colimar esa luz para proyectarla sobre una superficie de una unidad de combinación óptica 17 para su reflexión en un visualizador 20 como luz de visualización proyectada 19 combinada por la unidad combinadora con luz 18 de una escena externa. De esta manera, la luz 18 de una escena externa puede visualizarse junto con una imagen superpuesta de la luz 19 proyectada desde el aparato de proyección 15. El combinador es una lámina parcialmente transmisora ópticamente a través de la cual se puede visualizar una visualización externa por transmisión parcial de luz desde la misma, y que está adaptada al mismo tiempo para reflejar parcialmente hacia un espectador 20 la luz de "estado encendido" proporcionada por el aparato de proyección 15. Por lo tanto, el HUD puede proporcionarse dentro de un vehículo, tal como dentro de la cabina de un avión o dentro de la cabina de otro tipo de vehículo, etc.
Las realizaciones descritas anteriormente tienen fines ilustrativos.
El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de proyección que comprende:
un conjunto de prisma (7) que incluye un subprisma de entrada (1) que posee una primera superficie de interfaz (b) y un subprisma de salida (2) adyacente al subprisma de entrada (1) que posee una segunda superficie de interfaz (d) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre ella para recibir luz de visualización transmitida a través de la primera superficie de interfaz (b);
un panel (8) que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente dispuestos para recibir desde el subprisma de entrada (1) una luz de iluminación reflejada totalmente internamente desde la primera superficie de interfaz (b) y selectivamente para reflejar la luz de iluminación recibida a través del subprisma de entrada (1) hacia atrás para su transmisión a través de la primera superficie de interfaz (b) para su recepción como luz de visualización por el subprisma de salida (2) en dicha segunda superficie de interfaz (d);
caracterizado por que el subprisma de entrada posee una superficie de base que es sustancialmente congruente con una superficie de base coincidente del subprisma de salida.
2. El aparato de proyección según la reivindicación 1, en el que el subprisma de entrada (1) tiene una superficie orientada hacia el panel sustancialmente plana con respecto a la cual la primera superficie de interfaz (b) está inclinada y que está orientada hacia una dirección hacia el panel (8) para recibir dicha luz de iluminación reflejada desde allí, y el subprisma de salida (2) tiene una superficie de salida sustancialmente plana para emitir dicha luz de visualización desde el conjunto de prisma (7) en donde la superficie de salida está inclinada con respecto a la segunda superficie de interfaz (d) y es sustancialmente paralela a la superficie orientada hacia el panel para, de este modo, sustancialmente igualar las trayectorias ópticas de la luz que pasa desde la superficie orientada hacia el panel hasta la superficie de salida a través de distitas partes respectivas de la primera y segunda superficies de interfaz.
3. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior en el que una superficie de no base del subprisma de entrada (1) define una superficie de entrada para recibir dicha luz de iluminación en el subprisma de entrada (1) desde una fuente de luz de iluminación, en donde la superficie de entrada está inclinada con respecto a la primera superficie de interfaz (b) de modo que la luz de iluminación que incide en la superficie de entrada en un ángulo de incidencia dentro de un rango de ángulos de incidencia consistente con un ángulo de cono de aceptación del panel incide posteriormente en la primera superficie de interfaz en un ángulo de incidencia dentro de un rango de ángulos de incidencia adecuados para provocar una reflexión interna total allí hacia el panel.
4. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior, en el que el panel (8) está dispuesto para reflejar la luz de iluminación recibida en cualquiera de las dos direcciones de entrada distintas seleccionadas con respecto al conjunto de prisma, de modo que la luz de visualización se emite, por consiguiente, desde el conjunto de prisma (7) en una respectiva de dos direcciones de salida distintas con respecto al conjunto de prisma (8) para, de este modo, selectivamente separar espacialmente luz para permitir que la luz asociada con un uso seleccionado se asigne a dicha dirección de salida seleccionada.
5. El aparato de proyección según la reivindicación 4, que incluye un monitor óptico dispuesto para recibir luz asignada a una de dichas dos direcciones de salida distintas y para generar una señal de monitorización según dicha luz recibida, para su uso en la monitorización del funcionamiento del panel (8).
6. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior, en el que la primera superficie de interfaz (b) es la superficie de no base más grande del subprisma de entrada (1).
7. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior en el que la superficie de salida es la superficie de no base más grande del subprisma de salida (2).
8. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior, en el que el plano de cada superficie de no base de cada uno del subprisma de entrada (1) y el subprisma de salida (2) es sustancialmente perpendicular al plano de cada superficie de base del mismo.
9. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior, en el que cada uno del subprisma de entrada (1) y el subprisma de salida (2) es un prisma triangular que tiene dos superficies de base triangulares sustancialmente congruentes separadas por tres lados contiguos que definen las superficies de no base del respectivo subprisma.
10. El aparato de proyección según cualquier reivindicación anterior en el que el subprisma de entrada (1) es sustancialmente idéntico en forma y tamaño al subprisma de salida (2).
11. Un visualizador frontal que comprende un aparato de proyección según cualquier reivindicación precedente.
12. Un procedimiento de proyección que comprende:
proporcionar un conjunto de prisma (7) que incluye un subprisma de entrada (1) que posee una primera superficie de interfaz (b) y un subprisma de salida (2) adyacente al subprisma de entrada que posee una segunda superficie de interfaz (d) espaciada de la primera superficie de interfaz en proximidad inmediata a la misma para extenderse sobre ella para recibir luz de visualización transmitida a través de la primera superficie de interfaz (b);
proporcionar un panel (8) que comprende una pluralidad de elementos reflectantes ajustables selectivamente;
recibir en el panel (8) una luz de iluminación desde el subprisma de entrada (1) por reflexión interna total desde la primera superficie de interfaz (b) y reflejar selectivamente la luz de iluminación recibida hacia atrás a través del subprisma de entrada (1) y a través de la primera superficie de interfaz (b) a la segunda superficie de interfaz (d);
emitir la luz recibida de iluminación reflejada desde el segundo subprisma (2) como luz de visualización; caracterizado por que el subprisma de entrada (1) posee una superficie de base que es sustancialmente congruente con una superficie de base coincidente del subprisma de salida (2).
13. El procedimiento según la reivindicación 12 que comprende reflejar luz de iluminación recibida en dicho panel (8) en cualquiera una seleccionada de dos direcciones de entrada distintas con respecto al conjunto de prisma (7) de modo que la luz de visualización se emite, por consiguiente, desde el conjunto de prisma (7) en una respectiva de dos direcciones de salida distintas relativas al conjunto de prisma (7) para, de este modo, selectivamente separar espacialmente luz para permitir que la luz asociada con un uso seleccionado se asigne a dicha dirección de salida seleccionada.
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