ES2935570T3 - Dispositivo de visualización frontal (HUD) de visera - Google Patents

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Jack Fiore
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Abstract

Se muestra un sistema portátil que presenta una o más pantallas de visualización frontal al usuario. Una fuente de datos proporciona información a un generador de imágenes que es suficiente para generar una o más imágenes de visualización, que son fijas o en movimiento, caracteres o visualizaciones gráficas. La imagen de salida del generador de imágenes pasa a través de una lente, se refleja en un espejo curvo y vuelve a pasar a través de la lente hacia el otro lado. Luego, la imagen pasa a través de dos lentes que no son dobles, entre las cuales existe una imagen intermedia. La imagen se refleja en la "lente" o visera de las gafas y pasa a la pupila del ojo del usuario. Las realizaciones alternativas utilizan una visera de casco, un espejo u otra superficie reflectante (al menos parcialmente) para el reflejo final. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de visualización frontal (HUD) de visera
Campo
Algunas realizaciones descritas en la presente memoria se refieren a sistemas y elementos ópticos y, en particular, a un sistema óptico que tiene un dispositivo de visualización frontal (HUD).
La patente WO 2009/105791 A2 que se publicó el 27 de agosto de 2009 describe gafas intensificadoras de imagen en las que la luz de entrada pasa a través de dos prismas de Amici y una lente aplanadora de campo para alcanzar un intensificador de imagen. La imagen intensificada se refleja en un primer espejo doblador, pasa a través de una lente, se refleja en un espejo curvo y vuelve a atravesar la lente en el otro sentido. La imagen intensificada luego pasa a través de dos lentes adicionales, que no son dobletes, entre las cuales existe una imagen intermedia. La imagen intensificada luego se refleja en la lente o visera de las gafas y avanza hacia la pupila del ojo del usuario.
La patente US 5416876 A describe una pantalla subminiatura de televisión de fibra óptica ligera para sistemas de visualización montados en cascos. Una matriz unidimensional de píxeles, tal como una cinta de fibra óptica, tiene un extremo de entrada que recibe luz de entrada desde una disposición óptica exterior al casco para crear una primera dimensión de la pantalla. El extremo de salida de la cinta se mueve en relación con el observador para crear una segunda dimensión. En el casco, la cinta se sujeta con una abrazadera y un impulsor la hace vibrar para que el extremo de salida de la cinta se mueva para obtener la segunda dimensión. Las dimensiones de la cinta se seleccionan para proporcionar una frecuencia de resonancia natural igual a la tasa de campo de televisión y el impulsor hace vibrar la sección de la cinta entre la abrazadera y el extremo de salida de la cinta a la frecuencia de resonancia de la cinta. La patente US 5341242 A describe un dispositivo de visualización para una visera unida a un casco que comprende un generador de imágenes, un espejo curvo, dos lentes y una visera.
La presente invención se expone en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista frontal de unas gafas monoculares de visualización frontal (HUD) según una realización.
La Figura 2 es una vista frontal de unas gafas HUD binoculares según una segunda realización.
La Figura 3 es una vista esquemática del camino óptico a través del sistema óptico de la realización de la Figura 1, desdoblado en el espejo plano de doblado para mayor claridad.
La Figura 4 es una vista desde arriba de la realización de la Figura 2.
La Figura 5 muestra una vista trasera de unas gafas HUD monoculares con lentes y espejos ópticos encerrados en carcasas mecánicas según la realización de la Figura 1.
Descripción
Con el propósito de promover la comprensión de los principios de la invención, se hará referencia ahora a ciertas realizaciones ilustradas en la descripción, y se usará un lenguaje específico para describir las mismas. Sin embargo, se entenderá que no se pretende limitar el alcance de la invención, contemplándose tales alteraciones y modificaciones adicionales en el dispositivo ilustrado y tales aplicaciones adicionales de los principios de la invención como se ilustran en la misma como se le ocurrirían normalmente a un experto en la técnica a la que se refiere la invención. Estando el alcance de la invención definido por las reivindicaciones adjuntas.
Los dispositivos de visualización frontal (HUD) diseñados para uso militar a menudo no logran proporcionar cualidades deseables o esenciales para el uso civil. Por ejemplo, el volumen, el peso y los gastos asociados con muchos HUDs militares impiden que esos diseños penetren en los mercados civiles y, especialmente, del entretenimiento.
La presente invención permite que se diseñen sistemas HUD que son más pequeños y ligeros que muchos diseños militares anteriores. Varias realizaciones se ajustan a gafas de tamaño normal, proporcionan imágenes mejoradas, producen un campo de visión de hasta 35° (en diagonal) e interactúan con muchos dispositivos electrónicos portátiles.
En general, en la Figura 1 se ilustra un dispositivo de visualización frontal de visera según algunas realizaciones descritas en la presente memoria, mientras que en la Figura 2 se muestra otra. Estas realizaciones de visera están en la forma de gafas envolventes, aunque a la luz de la presente descripción, se les ocurrirán a los expertos en la técnica formas basadas en casco, formas basadas en espejo, y otras formas. Para mayor claridad, la palabra "visera" se usará para referirse al objeto que está dentro de la vista del usuario, y en el que se refleja/n la/s imagen/es generada/s, aunque ese objeto bien podría ser una lente, espejo u otro objeto (al menos parcialmente reflectante), se utilice o no la palabra "visera" para describirlo.
Volviendo a la Figura 1, las gafas HUD monoculares 100 incluyen una montura 110, varillas 120 y una visera 130 como son habituales o deseables. El sistema óptico 140 genera una imagen de visualización visible para un ojo del usuario en la superficie de la visera 130. En varias realizaciones, esta imagen de visualización incluye datos y/o imágenes relevantes para el usuario o sus actividades. En algunas realizaciones, la imagen de visualización se relaciona con imágenes de un juego, correo electrónico o película, mientras que en otras refleja datos fisiológicos (tales como frecuencia cardíaca, presión arterial u otros datos) para el usuario, datos de conducción y navegación, u otra información como se les ocurrirá a los expertos en la técnica.
Una segunda realización, como se muestra en la Figura 2, son gafas HUD binoculares que incluyen un par de sistemas ópticos 240 y 245, cada uno de los cuales proporciona una imagen a uno de los ojos del usuario. Además de las visualizaciones discutidas anteriormente en relación con la Figura 1, en varias realizaciones, estos sistemas ópticos muestran datos, imágenes, imágenes estereoscópicas y/o imágenes 3-D, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica.
La Figura 3 proporciona un esquema del camino óptico para uno de los sistemas ópticos 140, 240 o 245 mostrados en las Figuras 1 y 2, que funcionan de manera sustancialmente similar. Para mayor claridad, el espejo plano 162 se muestra desdoblado. En esta realización ilustrada, una fuente 170 de datos proporciona información al generador 152 de imágenes con la que generar una imagen para la visualización frontal. El generador 152 de imágenes puede ser una pantalla de tipo OLED o LCD, aunque en este sistema se pueden usar otras tecnologías y generadores de visualización HUD, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica.
La visualización producida por el generador 152 de imágenes pasa a través de la lente 154, una lente "correctora" de tipo menisco, de plástico y delgada, tanto antes como después de que se refleje en un espejo curvo (por ejemplo, esférico, asférico, hiperbólico, elíptico, parabólico o toroide) 156. En una realización, esta combinación del espejo esférico 156 y la lente cilíndrica 154 corrige el astigmatismo y la distorsión que está causada por el reflector 130 de visera esférica. El espejo 156 en esta realización es preferiblemente un espejo esférico de superficie frontal, pero también puede ser un espejo de superficie trasera para actuar como un espejo Mangin. Puede estar hecho de cualquier material adecuado, incluso de plástico. La lente 158 se combina con la lente 160 y la lente 154 para colocar y colimar la imagen en la pupila 301 del ojo del usuario. Las lentes 160, 158 y 154 son lentes de menisco de plástico en esta realización y aparece una imagen intermedia entre la lente 160 y la lente 158. Las diversas lentes y espejos del sistema pueden estar hechos de vidrio, plástico o cualquier otro material adecuado. El empleo de una combinación de diferentes plásticos para las distintas lentes y espejos proporciona una buena acromatización del sistema, lo que reduce la necesidad de lentes acromáticas de tipo vidrio más voluminosas y pesadas.
Finalmente, la imagen se refleja en la visera 130 de las gafas HUD y a la pupila 301 del observador. La visera 130 en esta realización es esférica, aunque en otras realizaciones puede ser de forma asférica, parabólica o toroidal, o incluso otra forma, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica. Además, la visera 130 en esta realización normalmente tiene una reflectividad uniforme, una reflectividad parcial o una reflectividad que varía verticalmente como en las lentes de algunas gafas de sol convencionales. El diseño con una visera esférica es más flexible y menos sensible a variaciones menores en la fabricación que algunos otros diseños.
En esta realización, el generador 152 de imágenes es preferiblemente una micropantalla SVGA de tipo OLED de eMagin. Otras realizaciones podrían usar una pantalla SVGA de tipo LCD de Kopin o una fuente similar. Cualquiera de estas pantallas se puede utilizar en los modos monocromo o a todo color. Sin embargo, en esta realización ejemplar se prefiere la pantalla de tipo OLED debido a su mayor brillo y menor consumo de energía.
Las lentes 154 y 160 están hechas preferiblemente de un material plástico ligero, tal como acrílico o policarbonato, aunque se pueden usar otros materiales para lentes, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica. Asimismo, el espejo 156 puede ser esférico, asférico, parabólico, toroidal o de otra forma para formar una combinación adecuada con la lente 154 y el resto del sistema. En varias realizaciones, el espejo 156 está hecho de plástico, vidrio, metal u otros materiales, como parecerá a los expertos en la técnica. Los espejos 156 y 162 pueden incluso fabricarse usando un proceso de replicación.
La lente 158 es preferiblemente un tipo de plástico de poliestireno o policarbonato. Algunos de estos materiales plásticos son fabricados/distribuidos por empresas tales como General Electric. Se pueden usar otras lentes en otras realizaciones, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica.
La visera 130 también es preferiblemente de plástico y en diversas realizaciones está tintada, sin tintar, tratada con tintado variable y/o dinámico sensible a la luz, o recubierta con un revestimiento reflectante de película delgada en un lado. Esta película delgada se podría aplicar en un lado completo o solo en un parche. La visera está preferiblemente hecha de plástico de policarbonato u otro material inastillable para mejorar la seguridad de los ojos, y se une a la montura 110 usando cualquiera de una variedad de medios que se les ocurrirán a los expertos en la técnica.
Las gafas mostradas en la Figura 2 incluyen un par de sistemas ópticos 240, 245, que proporcionan cada uno una imagen de visualización frontal a uno de los ojos del usuario. Cada sistema óptico incluye un generador 252 de imágenes, una lente 254, un espejo 256, una lente 258, un espejo 262 y una lente 260, y nuevamente refleja la imagen HUD generada en la visera 230.
Para repasar, esta realización es un sistema 140 de visualización HUD que utiliza una lente 154 que está alineada con el camino óptico y a través de la cual la imagen de visualización pasa dos veces (una antes de reflejarse en un espejo curvo 156 y una después de reflejarse). Además, la descripción en la presente memoria muestra un sistema de visualización HUD que utiliza dos lentes 158 y 160 que no son dobletes, en combinación con la lente 154, en donde se genera una imagen intermedia en el sistema entre las lentes 158 y 160.
Pasando a la Figura 5, esta realización muestra el conjunto óptico 180 unido a la montura 110 con los elementos 172, 174 y 176 de fijación. En varias otras realizaciones, estos elementos pueden variar en número y ubicación, y utilizan tornillos, uniones soldadas, fijaciones de poste moldeado, y otros métodos de unión que se les ocurrirán a los expertos en la técnica para soportar el conjunto óptico 180 en una posición relativa particular a la visera 130 de las gafas 100. Como se muestra en la Figura 5, el conjunto óptico 180 se compone de una carcasa de plástico, todas las lentes y espejos, y un generador de imágenes. La parte 182 del generador del conjunto 180 en esta realización incluye el generador 152 de imágenes (que genera su salida hacia la izquierda en esta vista), la lente 154 y el espejo 156, como se explica en otra parte de la presente memoria. La parte 184 de salida del conjunto 180 incluye lentes 158 y 160 y el espejo doblador 162. La imagen de salida de la parte 184 de salida se refleja en una visera 130 hacia una pupila 131 de un usuario.
Los datos utilizados para crear la visualización dinámica de información, imágenes y/o video que aparece en las pantallas en varias realizaciones se suministran dinámicamente al primer generador de imágenes mediante la fuente 170 de datos de varias maneras en diferentes realizaciones, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica. Por ejemplo, los datos pueden mostrarse en forma de caracteres, mostrando al usuario simbología, gráficos o imágenes de video, o cualquier combinación de los mismos. Estos datos pueden ser proporcionados al generador de imágenes por dispositivos externos tales como sensores (por ejemplo, GPS o biométricos, etc.) o teléfonos inteligentes (por ejemplo, imágenes o medios). De manera similar, gráficos fijos y en movimiento pueden ser producidos por videojuegos, reproductores de medios portátiles y similares, y comunicados al generador 152 de imágenes a través de técnicas de transferencia de datos por cable y/o inalámbricas (incluyendo, por ejemplo, Wi-Fi, Bluetooth, Wi-Max, y similares) como se les ocurrirá a los expertos en la técnica.
Si bien las invenciones se han ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, la misma se debe considerar como ilustrativa y no de carácter restrictivo, entendiéndose que se ha mostrado y descrito la realización preferida y que se desea que se protejan los cambios y modificaciones que se produzcan dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de visualización frontal para que un usuario lo lleve puesto para ver imágenes, comprendiendo el sistema:
un primer generador (152) de imágenes, que es una pantalla, configurado para generar una primera imagen de salida a partir de datos utilizados para crear una visualización dinámica de información, imágenes y/o vídeo que aparece en la pantalla, en donde la pantalla es del tipo seleccionado entre: pantalla de diodos orgánicos emisores de luz y pantalla de cristal líquido;
una fuente (170) de datos configurada para suministrar dinámicamente los datos al primer generador de imágenes, la fuente de datos está acoplada con el primer generador de imágenes;
una primera lente (154);
un primer espejo curvo (156);
una primera visera (130) que tiene una superficie reflectante; y
una segunda lente (158) y una tercera lente (160), ninguna de las cuales es un doblete, en donde aparece una imagen intermedia entre la segunda lente (158) y la tercera lente (160),
en donde el primer generador (152) de imágenes, la primera lente (154), el primer espejo curvo (156), la segunda lente (158), la tercera lente (160) y la primera visera (130) están fijados en posiciones relativas para que, en uso, la primera imagen de salida pase a través de la primera lente (154), se refleje en el primer espejo curvo (156), vuelva a pasar a través de la primera lente (154), pase a través de la segunda (158) y la tercera lente (160), y se refleje en la superficie reflectante de la primera visera (130) al interior de un primer ojo del usuario.
2. El sistema de la reivindicación 1, en donde la primera lente (154) es una lente de menisco.
3. El sistema de la reivindicación 1, en donde la primera visera (130) es una lente de un par de gafas.
4. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además:
un segundo generador (252) de imágenes, que es una pantalla, configurado para generar una segunda imagen de salida a partir de datos utilizados para crear una visualización dinámica de información, imágenes y/o video que aparece en la pantalla, en donde la pantalla es del tipo seleccionado entre: pantalla de diodos orgánicos emisores de luz y pantalla de cristal líquido;
una cuarta lente (254);
un segundo espejo curvo (256);
una segunda visera (230) que tiene una superficie reflectante; y
una quinta lente (256) y una sexta lente (260), ninguna de las cuales es un doblete, en donde aparece una imagen intermedia entre la quinta lente (256) y la sexta lente (260);
en donde el segundo generador (252) de imágenes, la cuarta lente (254), la quinta lente (258), la sexta lente (260), el segundo espejo curvo (230) y la segunda visera (230) están fijados en posiciones relativas para que, en uso, la segunda imagen de salida pase a través de la cuarta lente (254), se refleje en el segundo espejo curvo (256), vuelva a pasar a través de la cuarta lente (254), pase a través de la quinta lente (258) y la sexta lente (260), y se refleje en la superficie reflectante de la segunda visera (230) al interior de un segundo ojo del usuario.
5. El sistema de la reivindicación 4, que comprende además un primer espejo doblador plano (162) y un segundo espejo doblador plano (262); y en donde el primer espejo doblador plano configurado para reflejar la primera imagen de salida entre las lentes segunda y tercera (158; 258 y 160; 260); y en donde el segundo espejo doblador plano configurado para reflejar la segunda imagen de salida entre las lentes quinta y sexta (258 y 260).
6. El sistema de la reivindicación 4, en donde la primera visera (130) es una lente de un par de gafas, y la segunda visera (230) es una lente del par de gafas.
7. El sistema de la reivindicación 6, en donde la primera visera (130) y la segunda visera (230) son lentes diferentes del mismo par de gafas, o la primera visera (130) y la segunda visera (230) son la misma lente de un par de gafas.
8. El sistema de la reivindicación 1 ó la reivindicación 4, en donde el primer espejo curvo (156) o el segundo espejo curvo (256) se selecciona de la clase de tipos de espejo que consta de:
un espejo toroidal,
un espejo asférico,
un espejo hiperbólico,
un espejo elíptico,
un espejo parabólico, y
un espejo esférico.
9. El sistema de la reivindicación 4, que comprende además una fuente (170) de datos que está configurada para suministrar dinámicamente al segundo (252) generador de imágenes información suficiente para generar una visualización dinámica de datos para el usuario.
10. El sistema de la reivindicación 1 ó 9, en donde la fuente (170) de datos es adecuada como reproductor de medios portátil.
11. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un primer espejo doblador plano (162); y en donde el primer espejo doblador plano (162) está configurado para reflejar la primera imagen de salida entre las lentes segunda y tercera (158 y 160).
12. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además una montura (110) que está configurada para fijar el primer generador (152) de imágenes, la primera lente (154), el primer espejo curvo (156), la segunda lente (158), la tercera lente (160), y la primera visera (130) en sus posiciones relativas.
13. El sistema de la reivindicación 4, que comprende además una montura (110) que está configurada para soportar un conjunto óptico (180) en una posición particular con respecto a la visera (130), en donde el conjunto óptico incluye una parte (182) de generador que incluye el primer generador (152) de imágenes, la primera lente (154) y el primer espejo curvo (156), en donde el conjunto óptico (180) también incluye la segunda lente (158), la tercera lente (160) y el primer espejo doblador plano (162).
14. El sistema de la reivindicación 1, en donde la primera visera (130) tiene una superficie reflectante curva.
15. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, 11, 12 ó 14, en donde la primera lente (154) es cilíndrica y el primer espejo curvo (156) es esférico.
16. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde la fuente (170) de datos está configurada para proporcionar datos que pueden mostrarse en forma de caracteres, mostrando al usuario simbología, gráficos o imágenes de video, o cualquier combinación de los mismos.
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