ES3042708T3

ES3042708T3 - Augmented reality device with adjustable electroactive beam splitter

Info

Publication number: ES3042708T3
Application number: ES19872203T
Authority: ES
Inventors: Heugten Anthony Van; Anita Trajkovska-Broach; Harry Milton
Original assignee: E Vision Smart Optics Inc
Current assignee: E Vision Smart Optics Inc
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2025-11-24
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: CN112823306A; EP3864457B1; US20240061300A1; WO2020076741A1; US12253782B2; CA3115076A1; CN112823306B; IL281991B1; JP7444478B2; IL320865A; EP3864457A4; US11681193B2; IL281991B2; KR20210072782A; EP3864457C0; JP2022504085A; EP3864457A1; KR102793405B1; IL281991A; US20210223601A1

Abstract

La luz ambiental intensa puede atenuar la imagen virtual en un dispositivo de realidad aumentada convencional. Afortunadamente, este problema se puede evitar con un divisor de haz electroactivo variable, cuya relación de reflexión/transmisión puede modificarse o activarse y desactivarse rápidamente con un ciclo de trabajo basado en la luz ambiental. A medida que la luz ambiental aumenta, la relación de transmisión/reflexión del divisor de haz puede modificarse para que refleje más luz de la pantalla y transmita menos luz ambiental al ojo del usuario. El divisor de haz también puede conmutarse entre un estado altamente reflectante y uno altamente transmisivo con un ciclo de trabajo seleccionado para que el ojo dedique más tiempo a integrar la luz reflejada de la pantalla que a integrar la luz ambiental transmitida. La relación de división o el ciclo de trabajo pueden ajustarse según el nivel de luz ambiental para ofrecer una experiencia óptima al usuario. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Dispositivo de realidad aumentada con divisor de haz electroactivo ajustable

[0003] Referencia cruzada a otra(s) solicitud(es) relacionada(s)

[0004] Esta solicitud reivindica la prioridad, bajo la sección 35 U.S.C. 119(e), de la Solicitud de EE. UU. n.° 62/742.800, presentada el 8 de octubre del 2018.

[0005] Antecedentes

[0006] Un dispositivo de realidad aumentada permite al usuario ver el mundo real con una imagen virtual superpuesta sobre una vista del mundo real. En un dispositivo de realidad aumentada típico, un divisor de haz o combinador de haz reúne luz del mundo real y luz de una pantalla. La luz de la pantalla aparece como la imagen virtual.

[0007] Los divisores de haz y los combinadores de haz son solo reflectores parciales de luz. Es decir, transmiten y reflejan luz incidente. Si un divisor de haz tiene dos terminales de entrada, uno para la luz del mundo real y uno para la luz de la pantalla, y dos terminales de salida, enviará parte de la luz desde cada terminal de entrada a través de cada terminal de salida. Este atributo permite que la luz del mundo real y de la pantalla se combinen en una relación establecida por la relación de división de haz (por ejemplo, 50/50).

[0008] Desafortunadamente, este atributo también provoca problemas cuando el nivel de luz ambiental fluctúa. Si la luz ambiental del mundo real es mucho más brillante que la luz de la pantalla, puede ser difícil ver la imagen virtual. Una solución a este problema es aumentar el brillo de la pantalla (la fuente de imagen virtual). Desafortunadamente, aumentar el brillo de la pantalla conduce a aumentos no deseados en el tamaño, peso, consumo de energía y/o coste del dispositivo de realidad aumentada.

[0009] El documento US2015260992A1 divulga un ocular para una pantalla para usar en la cabeza que incluye un componente de guía de luz para guiar la luz de la pantalla recibida en una ubicación periférica desplazada de una región de visualización y que emite la luz de la pantalla a lo largo de una dirección hacia el ojo en la región de visualización.

[0010] El documento US2018003966A1 divulga aparatos, dispositivos y métodos para proporcionar una zona de transmisividad modificada sobre una superficie de proyección que se usa para generar una imagen virtual superpuesta sobre una vista del mundo real.

[0011] El documento US2008259232A1 divulga un dispositivo de pantalla electrónica que incluye una unidad de pantalla para desplegar una imagen y un controlador de luz dispuesto delante de la unidad de pantalla. El controlador de luz incluye un conmutador de polarización para controlar una dirección de polarización usando una señal eléctrica, y un polarizador de patrón para controlar la transmisión de luz en cooperación con el conmutador de polarización.

[0012] El documento US6456438B1 divulga una pantalla transparente que incluye un elemento de transmisión variable posicionado entre una vista del mundo real y un ojo de un usuario, y un sistema óptico de despliegue generado para generar una imagen de información desplegada superpuesta sobre la vista del mundo real en el campo visual del usuario.

[0013] El documento WO2013062655A1 divulga una pantalla de visualización frontal que incluye control de luz ambiental, El documento US20160131903A1 divulga un sistema de pantalla transparente que incluye una fuente de luz de banda estrecha configurada para emitir luz dentro de una primera banda espectral, una platina de producción de imágenes polarizadas configurada para polarizar la luz emitida por la fuente de luz de banda estrecha y para producir una imagen polarizada, y un sistema óptico transparente configurado para recibir la imagen polarizada desde la platina de producción de imágenes polarizadas y para transferir la imagen polarizada a una salida de pantalla.

[0014] El documento WO2015077019A1 divulga una pantalla transparente montada en la cabeza con un módulo de cristal líquido para ajustar la cuota de brillo de las imágenes combinadas.

[0015] Sumario

[0016] La invención está definida por las reivindicaciones independientes adjuntas.

[0017] La presente tecnología proporciona una solución al problema de la luz ambiental brillante que desvanece la imagen virtual en un dispositivo de realidad aumentada. Mediante el uso de un divisor de haz electroactivo cuya relación de reflexión/transmisión se puede variar o conmutar entre encender y apagar rápidamente, se puede reflejar más luz de la fuente de imagen virtual hacia el ojo mientras que se puede reducir la cantidad de luz procedente del mundo real, aumentando la relación de luz de imagen virtual respecto a la luz de imagen del mundo real, lo que hace que la imagen virtual parezca más brillante cuando se encuentra en condiciones de luz ambiental brillante. Por ejemplo, la relación de división del combinador de divisor de haz variable se puede ajustar continuamente para equilibrar la luz del mundo real y las fuentes de imagen virtual basándose en el nivel de luz ambiental. Si la luz del mundo real es dos veces más brillante que la luz de la imagen virtual, el divisor de haz se puede ajustar para transmitir el 33 % de la luz del mundo real y reflejar el 67 % de la luz de la imagen virtual, restaurando el equilibrio de visibilidad.

[0018] El combinador/divisor de haz variable puede conmutar de transmisión completa de luz del mundo real a reflexión completa de luz de imagen virtual más rápidamente de lo que el usuario puede percibir la conmutación (es decir, más rápido que el umbral de fusión de parpadeo). Mientras el divisor de haz conmuta por encima de este umbral, el usuario observa las imágenes del mundo real y el mundo virtual como una sola. En este modo, el equilibrio de intensidad de luz se puede ajustar mediante el ajuste del ciclo de funcionamiento o de la relación de la cantidad de tiempo en modo de reflexión frente a la cantidad de tiempo en modo de transmisión. Por ejemplo, 10 milisegundos de modo de transmisión y 20 milisegundos de modo de reflexión provocan que una escena del mundo real que es en realidad dos veces más brillante que la imagen virtual parezca de igual brillo que la imagen virtual.

[0019] Un ejemplo de este tipo de divisor de haz variable se puede usar en un dispositivo de realidad aumentada que también incluye una pantalla, un controlador y un fotodetector acoplado de manera operativa al controlador. En funcionamiento, el fotodetector detecta un nivel de luz ambiental. El divisor de haz variable, que está acoplado de manera operativa al controlador y en comunicación óptica con la pantalla, refleja la luz de la pantalla y transmite la luz ambiental al ojo de un usuario en una proporción determinada por el controlador basándose en el nivel de luz ambiental.

[0020] El divisor de haz variable comprende dos capas de cristal líquido, al menos una capa de cristal líquido intercalada entre un par de sustratos. Por ejemplo, el divisor de haz variable incluye al menos dos capas de cristal líquido: una primera capa de cristal líquido colestérico que tiene una primera quiralidad; y una segunda capa de cristal líquido colestérico, paralela a y en comunicación óptica con la primera capa de cristal líquido colestérico, que tiene una segunda quiralidad opuesta a la primera quiralidad. También puede incluir una estructura polarizadora en comunicación óptica con la(s) capa(s) de cristal líquido. Esta estructura polarizadora tiene secciones polarizantes y no polarizantes adyacentes, cada una de las cuales tiene un ancho y una altura del orden de micras de tamaño. El controlador puede conmutar el divisor de haz variable entre una primera relación de división y una segunda relación de división a una velocidad más rápida que un umbral de fusión de parpadeo del usuario y un ciclo de funcionamiento seleccionado para proporcionar la proporción determinada por el procesador basándose en el nivel de luz ambiental. El controlador puede cambiar el ciclo de funcionamiento basándose en un cambio en el nivel de luz ambiental detectado por el fotodetector.

[0021] Un dispositivo de realidad aumentada alternativo comprende una pantalla, un controlador, un detector de luz ambiental acoplado de manera operativa al controlador y un dispositivo transmisivo-reflectante (transflectivo) variable acoplado de manera operativa al controlador y en comunicación óptica con la pantalla. Como en el caso anterior, el detector de luz ambiental detecta el nivel de luz ambiental. Y el dispositivo transflectivo variable refleja la luz de la pantalla y transmite la luz ambiental al ojo de un usuario en una proporción determinada por el controlador basándose en el nivel de luz ambiental.

[0022] El dispositivo transflectivo puede incluir secciones transmisivas y reflectantes. La sección transmisiva refleja parte de la luz de la pantalla y transmite parte de la luz ambiental al ojo del usuario en la proporción determinada por el procesador basándose en el nivel de luz ambiental. La sección reflectante, que está al lado de la sección transmisiva, refleja parte de la luz de la pantalla al ojo del usuario y bloquea parte de la luz ambiental. La sección transmisiva puede incluir una capa de cristal líquido o una capa electrocrómica.

[0023] El controlador puede conmutar el dispositivo transflectivo variable entre una primera relación de división y una segunda relación de división a una velocidad más rápida que un umbral de fusión de parpadeo del usuario y un ciclo de funcionamiento seleccionado para proporcionar la proporción determinada por el procesador basándose en el nivel de luz ambiental. El controlador también puede cambiar el ciclo de funcionamiento basándose en un cambio en el nivel de luz ambiental detectado por el detector de luz ambiental.

[0024] Todas las combinaciones de los conceptos anteriores y los conceptos adicionales analizados en mayor detalle a continuación (siempre que dichos conceptos no sean mutuamente inconsistentes) son parte de la materia objeto inventiva que se divulga en el presente documento. En particular, todas las combinaciones de la materia objeto reivindicada que aparecen al final de esta divulgación son parte de la materia objeto inventiva que se divulga en el presente documento. Para la terminología usada en el presente documento, que también puede aparecer en cualquier divulgación incorporada por referencia, se debe acordar un significado más consistente con los conceptos particulares que se divulgan en el presente documento.

[0025] Breve descripción de los dibujos

[0026] El experto entenderá que los dibujos son principalmente para fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la materia objeto inventiva descrita en el presente documento. Los dibujos no están necesariamente a escala; en algunos casos, diferentes aspectos de la materia objeto que se divulga en el presente documento se pueden mostrar de manera exagerada o agrandada en los dibujos para facilitar la comprensión de diferentes características. En los dibujos, caracteres de referencia similares generalmente se refieren a características similares (por ejemplo, elementos similares funcionalmente y/o similares estructuralmente).

[0027] La figura 1 ilustra un dispositivo de realidad aumentada con un atenuador de cristal líquido variable para reducir el brillo ambiental.

[0028] La figura 2 ilustra el divisor de haz fijo (estático) en el dispositivo de realidad aumentada de la figura 1.

[0029] La figura 3 ilustra un divisor de haz variable que se puede sustituir por el divisor de haz fijo y el atenuador de cristal líquido variable en el dispositivo de realidad aumentada de la figura 1.

[0030] La figura 4 ilustra un divisor de haz con obturadores de cristal líquido colestérico variables que se pueden sustituir por el divisor de haz fijo y el atenuador de cristal líquido variable en el dispositivo de realidad aumentada de la figura 1.

[0031] La figura 5 ilustra un dispositivo de cristal líquido.

[0032] La figura 6 ilustra una estructura polarizadora ajedrezada para usar en un dispositivo de cristal líquido, que se usa como obturador o atenuador variable para luz ambiental en un sistema de realidad aumentada.

[0033] La figura 7 ilustra la alineación de las moléculas de colorante y cristal líquido en un dispositivo de cristal líquido. La figura 8 ilustra un dispositivo electrocrómico transmisivo.

[0034] La figura 9 ilustra un dispositivo combinado de cristal líquido transmisivo y electrocrómico.

[0035] La figura 10 ilustra un dispositivo de realidad aumentada con un transmisivo-reflectante (transflectivo) para controlar el brillo de la iluminación ambiental.

[0036] La figura 11 ilustra un dispositivo electrocrómico transflectivo adecuado para usar en el dispositivo de realidad aumentada de la figura 10.

[0037] La figura 12 ilustra un dispositivo de cristal líquido transflectivo adecuado para usar en el dispositivo de realidad aumentada de la figura 10.

[0038] Descripción detallada

[0039] La figura 1 muestra un dispositivo de realidad aumentada (AR) 100 con un divisor/combinador de haz 103 que combina la luz 101a que se origina en la fuente de imagen virtual 101, tal como una pantalla de cristal líquido (LCD) en miniatura, con luz ambiental 102a del mundo real (objeto real) 102. El divisor de haz 103 normalmente transmite aproximadamente el 50% de la luz ambiental 102a y refleja aproximadamente el 50% de la luz de pantalla 101a hacia el ojo del usuario 105, como se muestra en la figura 2. Para el usuario, esta luz combinada 103a aparece como una imagen virtual superpuesta sobre el objeto del mundo real 102. La luz ambiental restante 102a y la luz de pantalla 101a se propagan fuera del otro terminal del divisor de haz 103 (no mostrado).

[0040] El dispositivo de AR 100 también incluye un atenuador electroactivo variable 104 entre el divisor de haz 103 y el objeto del mundo real 102. Este atenuador 104 está acoplado a un procesador o controlador 110, que también está acoplado a la pantalla 101 y a un fotodetector 112. En funcionamiento, el fotodetector 112 detecta la luz ambiental incidente 102a. El fotodetector 112 produce una señal eléctrica, tal como una fotocorriente, que representa la intensidad o irradiancia de la luz ambiental incidente 102a. El controlador 110 recibe esta señal eléctrica y la usa para cambiar el brillo de la pantalla 101 y/o la transmitancia del atenuador 104.

[0041] Por ejemplo, si el usuario lleva puesto el dispositivo de AR 100 bajo luz solar brillante, el fotodetector 112 puede detectar la luz ambiental brillante 102a, y el controlador 101 puede aumentar el brillo de la pantalla 101 y/o disminuir la transmitancia del atenuador 104. Si el atenuador 104 tiene una transmitancia que es variable (por ejemplo, variable de forma continua o variable escalonada) entre 0 % de transmisividad (solo es visible el entorno) y 100 % de transmisividad (solo es visible la imagen virtual), el controlador 110 puede establecer la transmitancia a un valor intermedio (por ejemplo, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % o cualquier otro valor entre 0 % y 100%), tal como 60%.

[0042] Si el atenuador 104 tiene solo dos ajustes, por ejemplo, 0 % o 100 % de transmisión, entonces el controlador 110 puede provocar que el atenuador 104 conmute entre esos ajustes en un ciclo de funcionamiento seleccionado para disminuir el brillo relativo de la luz ambiental 102a. Este ciclo de funcionamiento puede oscilar entre 0%y 100%(por ejemplo, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % o cualquier otro valor o intervalo de valores entre 0 % y 100 %). Por ejemplo, el atenuador 104 puede conmutar entre ajustes en un ciclo de funcionamiento del 50 % para reducir el brillo aparente de la luz ambiental 102a en aproximadamente un 50 %. El aumento del ciclo de funcionamiento (es decir, el aumento de la porción del período durante el cual el atenuador 104 bloquea la luz ambiental 102a) reduce la intensidad de la luz ambiental 102a percibida por el usuario. Si el atenuador 104 tiene más de dos ajustes, por ejemplo, 25 %, 50 % o 75 % de transmisión, entonces el controlador 110 puede conmutar entre los ajustes de una manera más complicada.

[0044] El atenuador 104 conmuta entre ajustes a una velocidad más rápida que la velocidad de fusión de parpadeo o el umbral de fusión de parpadeo, que es la frecuencia a la que un estímulo de luz intermitente aparenta ser completamente estable para el ser humano promedio, de modo que la conmutación es imperceptible para el usuario. En la práctica, el atenuador 104 puede conmutar entre ajustes a una velocidad de 24 Hz, 25 Hz, 30 Hz, 48 Hz, 60 Hz, 72 Hz, 75 Hz, 100 Hz o superior.

[0046] Divisores de haz variable para control de brillo en dispositivos de realidad aumentada

[0048] La figura 3 muestra un divisor de haz variable 303 que se puede usar en lugar del divisor de haz 103 y el atenuador electroactivo variable 104 en el dispositivo de AR 100 de la figura 1. El divisor de haz variable 303 tiene una o más capas de cristal líquido colestérico 305 intercaladas entre un par de sustratos transparentes 307a y 307b. Los cristales líquidos colestéricos en la capa o capas de cristal líquido colestérico 305 son cristales líquidos con una estructura helicoidal hacia la derecha o hacia la izquierda. Debido a esta estructura del cristal líquido, la reflexión de Bragg tiene lugar cuando el paso de la hélice de cristal líquido es del orden de la longitud de onda de la luz. La banda de reflexión se especifica por la longitud de paso y la birrefringencia del cristal líquido. La reflexión se produce para la luz polarizada en la misma configuración que la estructura de hélice de cristal líquido (es decir, la luz polarizada circularmente hacia la derecha o hacia la izquierda para las hélices hacia la derecha y hacia la izquierda).

[0049] Un material de cristal líquido de alta birrefringencia puede reflejar la luz en una banda de longitud de onda que cubre el espectro visible. Como alternativa, varias capas de cristal líquido colestérico con diferentes longitudes de paso pueden reflejar luz en toda la banda de longitud de onda visible, con cada capa reflejando una cierta subbanda de longitud de onda en el espectro visible. Garantizando que las bandas de reflexión en cada capa cubran el espectro visible, las capas en conjunto reflejan la luz en todo el espectro visible.

[0051] Una capa de cristal líquido colestérico estándar refleja aproximadamente el 50 % y refleja aproximadamente el 50 % de la luz no polarizada incidente, debido a la naturaleza sensible a la polarización del material de cristal líquido colestérico. Dos capas de cristal líquido colestérico con quiralidad opuesta (por ejemplo, una capa con hélices hacia la derecha y una capa con hélices hacia la izquierda) pueden reflejar el 100 % de la luz no polarizada incidente. Si la hélice se desenrolla, entonces hay un 100 % de transmisión, con el cristal líquido alineándose de manera vertical. Al enrollarse y desenrollarse la estructura de hélice, modifica la reflectancia.

[0053] El uso de uno o más pares de capas de cristal líquido colestérico 305 con quiralidades opuestas en el divisor de haz variable 303 en la figura 3 hace posible variar la relación de división del divisor de haz variable. (Las capas 305 pueden ser un único par de capas de banda ancha o uno o más pares de capas de banda estrecha, en dependencia del intervalo de longitud de onda deseado). Variando la cantidad de tiempo que el par o pares de capas de cristal líquido colestérico 305 pasan en los estados reflectante y transmisivo, se puede controlar la relación de luz del entorno y la imagen virtual. Por ejemplo, si las capas 305 están en el estado reflectante el 75 % del tiempo y en el estado transmisivo el 25 % del tiempo, entonces el ojo del usuario 105 detectará la luz de la pantalla reflejada por el divisor de haz variable 303 durante tres veces más tiempo ya que detecta la luz ambiental transmitida por el divisor de haz variable 303. El ajuste de esta relación pondera el brillo aparente de la luz ambiental con respecto al brillo de la imagen virtual.

[0055] Como se ha mencionado de forma breve anteriormente, un cristal líquido colestérico, también denominado cristal líquido nemático quiral, es una configuración de cristal líquido nemático en la que el director de cristal líquido forma una estructura torcida o helicoidal quiral. En algunas configuraciones, el sistema de cristal líquido puede actuar como un reflector de Bragg, y el cristal líquido refleja la luz polarizada en la misma configuración que el paso quiral. Para cumplir la condición de Bragg para luz polarizada reflejada, el paso del cristal líquido debe ser del orden de la longitud de onda (por ejemplo, de aproximadamente 450 nm a aproximadamente 750 nm para luz visible). El pico de<la reflexión de Bragg a una longitud de onda de>/0<se define como:>

[0057] <¿ o =>n avP,

[0059] dondePes el paso de la estructura de cristal líquido ynaves el índice de refracción promedio del cristal líquido. Para un cristal líquido con un índice de refracción ordinario de 1,5 y un índice de refracción extraordinario de 1,8, el paso de cristal líquido debe ser de 333 nm para la reflexión a 550 nm (la respuesta máxima de la visión humana). El alcance de esta invención puede incluir cristales líquidos con un intervalo de birrefringencia y longitudes de paso, por lo que todas las longitudes de onda de luz en el espectro visible se reflejan en dependencia de la configuración.

[0060] El intervalo de longitudes de onda reflejadas(M)está determinado por la birrefringencia del cristal líquido (An) y el paso, y se rige por la ecuación:

[0061] AX — AnP.

[0062] Para un cristal líquido con un índice de refracción ordinario de 1,5, un índice de refracción extraordinario de 1,8, un paso de cristal líquido de 333 nm, el intervalo de longitudes de onda de luz reflejada es de 100 nm. Para reflectancia de banda ancha en el espectro visible (por ejemplo, de aproximadamente 380 nm a aproximadamente 740 nm), el intervalo de longitud de onda debe ser de 360 nm.

[0063] Aumentar la birrefringencia del cristal líquido o el paso aumenta el intervalo de longitud de onda de reflectancia. De manera similar, la reflectancia de banda ancha se puede lograr apilando juntas varias capas de cristal líquido con diferentes longitudes de onda de reflectancia pico e intervalos de longitud de onda más cortos.

[0064] El número de pasos en el dispositivo de cristal líquido para una reflectancia alta en la longitud de onda máxima depende de la birrefringencia del cristal líquido. En el caso de un cristal líquido de alta birrefringencia (por ejemplo, An = 0,35), se puede lograr una reflectancia del 90 % y superior con cuatro pasos. Reducir el número de pasos para una reflectancia dada permite usar un dispositivo de cristal líquido más delgado.

[0065] Un cristal líquido nemático quiral se puede conmutar usando un campo eléctrico a través de la capa de cristal líquido. La conmutación enrolla y desenrolla la estructura quiral del cristal líquido. Un cristal líquido helicoidal puede estar en una orientación homeotrópica o planar, en dependencia de las propiedades dieléctricas del cristal líquido y la dirección del campo eléctrico. El campo eléctrico apaga las propiedades reflectantes del cristal líquido, provocando que el dispositivo de cristal líquido (por ejemplo, el divisor de haz variable 303 en la figura 3) conmute entre estados reflectantes y transmisivos. El tiempo de respuesta del cristal líquido aumenta con el grosor de la capa de cristal líquido, por lo que reducir el número de pasos y, por tanto, usar una capa de cristal líquido más delgada aumenta la velocidad de conmutación del cristal líquido y reduce el tiempo de respuesta del cristal líquido.

[0066] En funcionamiento, el divisor de haz variable 303 en la figura 3 se puede acoplar y accionar por el controlador 110 en la figura 1 como se ha descrito anteriormente con respecto al atenuador electroactivo variable 104. Más específicamente, el controlador 110 puede conmutar las capas colestéricas 305 entre los estados transmisivo y reflectante a una velocidad igual o más rápida que el umbral de fusión de parpadeo y a un ciclo de funcionamiento que depende de la medición del nivel de luz ambiental por el fotodetector.

[0067] La figura 4 muestra un divisor de haz variable alternativo 403 que se puede usar en lugar del divisor de haz 103 y el atenuador electroactivo variable 104 en el dispositivo de AR 100 de la figura 1. Incluye una primera capa de cristal líquido colestérico 401 en un terminal de entrada para modular la intensidad de la luz de pantalla 101a y una segunda capa de cristal líquido colestérico 402 en el otro terminal de entrada para modular la intensidad de la luz ambiental 102a. La primera y segunda capas de cristal líquido colestérico 401, 402 controlan independientemente la cantidad de luz que entra en el divisor de haz 403 desde el entorno y la pantalla 101 de acuerdo con los comandos del controlador 110 basándose en las lecturas de nivel de luz por el fotodetector 112. El controlador 110 puede optimizar la visibilidad de la imagen virtual variando la relación de atenuación proporcionada por los dispositivos de cristal líquido colestérico 401, 402. Por ejemplo, el controlador 110 puede accionar las capas de cristal líquido colestérico 401 y 402 de modo que pulsen encendido y apagado a una velocidad más rápida que la velocidad de fusión de parpadeo y a un ciclo de funcionamiento seleccionado para proporcionar la visibilidad deseada para la imagen virtual.

[0068] Dispositivos de cristal líquido y electrocrómicos

[0069] Las figuras 5-9 muestran dispositivos de cristal líquido y electrocrómicos que se pueden usar como atenuadores variables en el dispositivo de Ar 100 y el divisor de haz variable 400 de la figura 4.

[0070] La figura 5 muestra un dispositivo de cristal líquido 500 con una capa de cristal líquido 510 intercalada entre capas de alineación 508, electrodos transparentes 506, polarizadores ortogonales o paralelos 504 y sustratos 502. La capa de cristal líquido 510 puede tomar la forma de una estructura nemática torcida, nemática súper torcida, planar alineada o nemática alineada verticalmente. Aplicando una tensión a través de la capa de cristal líquido 510 con los electrodos 506, o usando conmutación en plano, la transmisión óptica para la luz no polarizada incidente puede variar entre el 50 % y el 0 %.

[0071] La figura 6 muestra una matriz de polarizadores 600 que se puede usar en lugar de cualquiera o de ambos de los polarizadores regulares 504 en el dispositivo de cristal líquido 500 de la figura 5. La matriz de polarizadores 600 tiene una disposición ajedrezada de polarizadores 601 y secciones claras (no polarizantes) 602. (Otras disposiciones también son posibles.) Los polarizadores 601 y las secciones claras 602 son demasiado pequeños (por ejemplo, aproximadamente 15 micrómetros de ancho por 15 micrómetros de alto) para ser resueltos por un observador. La matriz de polarizadores 600 se puede formar mediante la ablación de secciones de una lámina delgada de polarizador para producir secciones claras 602 o mediante la impresión de secciones polarizantes 601 sobre un sustrato claro.

[0073] Intercalar o alternar las secciones claras 602 con los polarizadores 601 aumenta la transmisión general de la matriz de polarizadores 600 en comparación con la de un polarizador convencional cuando se usa en un elemento de cristal líquido. Por ejemplo, si la mitad del área del elemento de cristal líquido contiene polarizadores 601, y la otra mitad es clara (sección clara 602), entonces el cristal líquido tendrá una transmisión del 75 % en el estado apagado. Variando la orientación del cristal líquido en las áreas sensibles a la polarización, la transmisión total del elemento de cristal líquido se puede reducir al 50 %. Por tanto, existe un compromiso entre la transmisión de luz máxima y el intervalo de transmisión en este sistema.

[0075] La figura 7 muestra dos vistas de un elemento de cristal líquido 700 que incluye un colorante dicroico 702 mezclado en el material de cristal líquido 701 entre un par de sustratos 703. En este caso, el colorante dicroico 702 absorbe luz de una cierta polarización, ya sea paralela o perpendicular al eje molecular largo del colorante 702. El cristal líquido 701 se puede alinear ya sea paralelo (izquierda) o perpendicular (derecha) a los sustratos 703, con el colorante 702 siguiendo la orientación del cristal líquido 701. Por ejemplo, en el estado de alineación paralela (izquierda), se absorbe la luz polarizada paralela a la dirección del eje molecular del colorante, y hay un 50 % de transmisión a través del elemento de cristal líquido 700. Cuando el cristal líquido 701 se alinea en un estado perpendicular (derecha), las moléculas de colorante 702 se orientan perpendiculares a los sustratos 703. En este caso, el eje molecular del colorante 702 ya no está alineado con la polarización de la luz, y hay una transmisión del 100 %. El cristal líquido 701 y el colorante 702 se pueden conmutar entre estados perpendiculares y paralelos con electrodos en plano (no mostrados) para proporcionar una transmisión del 100% en el estado apagado y una transmisión del 50 % en el estado encendido o viceversa, en dependencia de la orientación relajada del cristal líquido 701 y el colorante 702.

[0077] La figura 8 muestra un dispositivo electrocrómico (EC) transmisivo 800 con una capa de electrolito 808 intercalada entre una capa electrocrómica catódica 806 y una capa electrocrómica anódica 807, que a su vez están entre los electrodos transparentes 804 y los sustratos 802. Este dispositivo EC 800 se puede usar para controlar la intensidad de luz del entorno o de la fuente de pantalla en un dispositivo de AR. La aplicación de una tensión al dispositivo EC 800 provoca que las capas electrocrómicas 806 y 807 experimenten ciertas reacciones redox y cambien de color. La transmisión global (color) del dispositivo EC 800 cambia, por ejemplo, de un estado transparente (claro) a un estado de color oscuro y viceversa. Este efecto se puede usar para controlar la luz ambiental transmitida a o a través de un divisor de haz en un dispositivo de AR.

[0079] La figura 9 muestra un dispositivo combinado EC/cristal líquido 900. Este incluye un dispositivo electrocrómico 800 y un cristal líquido 500 en serie óptica entre un par de sustratos claros 902. Estos sustratos 902 pueden reemplazar o aumentar los sustratos exteriores en el dispositivo electrocrómico 800 y el dispositivo de cristal líquido 500.

[0081] Dispositivos electroactivos transmisivos-reflectantes (transflectivos) para realidad aumentada

[0083] La figura 10 muestra un dispositivo de AR 1000 con un dispositivo electroactivo transreflectante (transflectivo) 1004 para controlar la relación de luz que se origina desde el objeto del mundo real 102 respecto a la luz que se origina desde la fuente de imagen virtual 101. El dispositivo electroactivo transflectivo 1004 está acoplado a un controlador 1010 y tiene una sección transmisiva variable 1016 junto a una sección reflectante 1014. La sección reflectante 1014 refleja la luz 101a desde la fuente de imagen virtual 101 al ojo del usuario 105. La sección reflectante 1014 puede tener una reflectividad fija o eléctricamente ajustable. Si es fija, la reflectividad puede ser inferior al 100 % de modo que la imagen virtual formada por la luz 101a de la fuente de imagen virtual 101 aparece superpuesta sobre al menos parte del objeto del mundo real 102 o escena. Si es variable, la reflectividad se puede ajustar a un nivel o se puede conmutar en un ciclo de funcionamiento seleccionado por el controlador 1010 basándose en el nivel de luz ambiental medido por el fotodetector 112 para hacer que la imagen virtual parezca más tenue o más brillante con respecto a la escena del mundo real.

[0085] La sección transmisiva variable 1016 del dispositivo transflectivo 1004 controla la intensidad de luz 102a de un objeto del mundo real 102 que alcanza el ojo del usuario 105. El controlador 1010 establece la transmisividad de la sección transmisiva variable 1016 basándose en el nivel de luz ambiental medido por el fotodetector 112. Por ejemplo, el controlador 1010 puede establecer la transmisividad de la sección transmisiva variable a un nivel dado (por ejemplo, cualquier nivel entre 0 % y 100 %) para hacer que la imagen virtual parezca más tenue o más brillante con respecto a la escena del mundo real. Si la transmisividad de la sección transmisiva variable se conmuta entre dos niveles discretos (por ejemplo, un estado "claro" y un estado "oscuro"), el controlador 1010 puede conmutar la transmisividad de la sección transmisiva variable entre esos niveles en un ciclo de funcionamiento seleccionado para hacer que la imagen virtual aparezca más tenue o más brillante con respecto a la escena del mundo real.

[0087] Las figuras 11 y 12 muestran dispositivos electrocrómicos y de cristal líquido transflectivos, respectivamente, adecuados para usar en el dispositivo de AR transflectivo 1000 de la figura 10. Como se muestra en la figura 11, el dispositivo electrocrómico transflectivo 1100 tiene un lado con una capa de electrolito 1108 intercalada entre una capa electrocrómica catódica 1106 y una capa electrocrómica anódica 1107, que a su vez están entre los electrodos transparentes 1104 y los sustratos 1102. Un reflector fijo 1100 entre los sustratos 1102 ocupa el otro lado del dispositivo electrocrómico transflectivo 1100. La aplicación de una tensión al dispositivo electrocrómico 1100 provoca que las capas electrocrómicas 1106 y 1107 experimenten ciertas reacciones redox y cambien de color. La transmisión general (color) de un lado del dispositivo electrocrómico 800 cambia, por ejemplo, de un estado transparente (claro) a un estado de color oscuro y viceversa. Este efecto se puede usar para controlar la luz ambiental transmitida en un dispositivo de AR.

[0089] Como se muestra en la figura 12, el dispositivo de cristal líquido transflectivo 1200 incluye una capa de cristal líquido 1210 intercalada en un lado entre las capas de alineación 1208, los electrodos transparentes 1206, los polarizadores ortogonales o paralelos 1204 (por ejemplo, como la estructura polarizadora 600 en la figura 6) y los sustratos 1202. En el otro lado del dispositivo de cristal líquido transflectivo 1200, un reflector 1220 desplaza al menos una porción del cristal líquido 1210, una capa de alineación 1208 y un electrodo transparente 1206. Nuevamente, la capa de cristal líquido 1110 puede tomar la forma de una estructura nemática torcida, nemática súper torcida, planar alineada o alineada verticalmente. Aplicando una tensión a través de la capa de cristal líquido 1110 con los electrodos 1106, o usando conmutación en plano, la transmisión óptica para la luz no polarizada incidente se puede variar continuamente, por ejemplo, entre el 50 % y el 0 %.

[0091] Conclusión

[0093] Aunque en el presente documento se han descrito e ilustrado diferentes realizaciones inventivas, los expertos habituales en la técnica visualizarán fácilmente una variedad de otros medios y/o estructuras para realizar la función y/u obtener los resultados y/o una o más de las ventajas descritas en el presente documento, y cada una de dichas variaciones y/o modificaciones se considera que están dentro del alcance de las realizaciones inventivas descritas en el presente documento. Más en general, los expertos en la materia apreciarán fácilmente que todos los parámetros, dimensiones, materiales y configuraciones descritas en el presente documento pretenden ser ilustrativos y que los parámetros, dimensiones, materiales y/o configuraciones reales dependerán de la aplicación o aplicaciones específica(s) para la(s) que se utilicen las enseñanzas inventivas. Los expertos en la materia reconocerán o serán capaces de verificar, usando no más que la experimentación rutinaria, muchos equivalentes de las realizaciones inventivas descritas en el presente documento. Por tanto, se ha de entender que las realizaciones anteriores se presentan solo a modo de ejemplo y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y de los equivalentes de las mismas, las realizaciones inventivas se pueden poner en práctica de forma diferente a como se describe y se reivindica específicamente. Las realizaciones inventivas de la presente divulgación se dirigen a cada característica, sistema, artículo, material, juego y/o método individual descrito en el presente documento. Además, cualquier combinación de dos o más de dichas características, sistemas, artículos, materiales, juegos y/o métodos, si dichas características, sistemas, artículos, materiales, juegos y/o métodos no son mutuamente inconsistentes, se incluye dentro del alcance inventivo de la presente divulgación.

[0095] También, se pueden realizar diferentes conceptos inventivos como uno o más métodos, de los cuales se ha proporcionado un ejemplo. Las acciones realizadas como parte del método se pueden ordenar de cualquier manera adecuada. Por consiguiente, se pueden construir realizaciones en las que las acciones se realizan en un orden diferente al ilustrado, que puede incluir realizar algunas acciones simultáneamente, incluso aunque se muestren como acciones secuenciales en realizaciones ilustrativas.

[0097] Se debe entender que todas las definiciones, como se definen y se usan en el presente documento, prevalecen sobre las definiciones de diccionarios, definiciones en documentos incorporados por referencia, y/o significados ordinarios de los términos definidos.

[0099] Se debe entender que los artículos indefinidos "un" y "una", como se usan en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, a menos que se indique claramente lo contrario, significan "al menos uno/a".

[0100] La expresión "y/o", como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, se debe entender que significa "cualquiera o ambos" de los elementos unidos de ese modo, es decir, elementos que están presentes de manera conjuntiva en algunos casos y presentes de manera disyuntiva en otros casos. Múltiples elementos enumerados con "y/o" se deben interpretar de la misma forma, es decir, "uno o más" de los elementos unidos de ese modo. Opcionalmente, pueden estar presentes otros elementos distintos de los elementos específicamente identificados por la cláusula "y/o", ya sea relacionados o no relacionados con esos elementos específicamente identificados. Por tanto, como un ejemplo no limitante, una referencia a "A y/o B", cuando se usa en combinación con un lenguaje abierto, tal como "que comprende", se puede referir, en una realización, solo a A (incluyendo opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, solo a B (incluyendo opcionalmente elementos distintos de A); aún en otra realización, a ambos, A y B, (incluyendo opcionalmente otros elementos); etcétera.

[0102] Según se usa en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, se deberá entender que "o" tiene el mismo significado que "y/o" según se ha definido anteriormente. Por ejemplo, cuando se separan elementos en una lista, "o" o "y/o" se interpretarán como inclusivos, es decir, la inclusión de al menos uno, pero incluyendo también más de uno, de un número o lista de elementos, y, opcionalmente, artículos adicionales no listados. Solo los términos para los cuales se indique claramente lo contrario, tales como "solo uno de" o "exactamente uno de" o, cuando se use en las reivindicaciones, "que consisten en", se referirán a la inclusión de exactamente un elemento de un número o lista de elementos. En general, el término "o", como se usa en el presente documento, solo se interpretará que indica alternativas exclusivas (esto es, "uno o el otro, pero no ambos") cuando vaya precedido por términos de exclusividad, como "cualquiera", "uno de", "solo uno de" o "exactamente uno de". Cuando se use en las reivindicaciones "consistente esencialmente en", tendrá su significado ordinario como se usa en el campo de la ley de patentes.

[0104] Como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, se debe entender que la expresión "al menos uno", en referencia a una lista de uno o más elementos, significa al menos un elemento seleccionado de uno cualquiera o más de los elementos en la lista de elementos, pero sin incluir necesariamente al menos uno de todos y cada uno de los elementos enumerados específicamente dentro de la lista de elementos y sin excluir ninguna combinación de elementos en la lista de elementos. Esta definición permite también que estén presentes otros elementos distintos de los elementos identificados específicamente dentro de la lista de elementos a la cual se refiere la expresión "al menos uno", ya estén relacionados o no relacionados con aquellos elementos específicamente identificados. Por tanto, como un ejemplo no limitante, "al menos uno de A y B" (o, de manera equivalente, "al menos uno de A o B" o, de manera equivalente, "al menos uno de A y/o B"), se puede referir, en una realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, A, sin B presente (y que incluye opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, B, sin A presente (e incluyendo opcionalmente elementos distintos de A); aún en otra realización, a al menos uno, que incluye opcionalmente más de uno, A, y al menos uno, que incluye opcionalmente más de uno, B (e incluyendo opcionalmente otros elementos); etcétera.

[0106] En las reivindicaciones, así como en la memoria descriptiva anterior, todas las expresiones de transición tales como "que comprende", "que incluye", "que lleva", "que tiene", "que contiene", "que implica", "que sostiene", "compuesto por", y similares se deben entender como abiertas, es decir, que significan que incluyen, pero sin limitación. Solo las expresiones de transición "que consiste en" y "que consisten esencialmente en" serán expresiones de transición cerradas o semicerradas, respectivamente, como se expone en el Manual de la Oficina de Patentes de los Estados Unidos de procedimientos de examen de patentes, Sección 2111.03.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de realidad aumentada (100) que comprende:

una pantalla (101);

un controlador (110);

un fotodetector (112), acoplado de manera operativa al controlador, para detectar un nivel de luz ambiental; y un divisor de haz variable (403), acoplado de manera operativa al controlador y en comunicación óptica con la pantalla, para reflejar la luz (101a) de la pantalla y transmitir la luz ambiental (102a) al ojo de un usuario en una proporción determinada por el controlador basándose en el nivel de luz ambiental, caracterizado por el divisor de haz variable que comprende:

una primera capa de cristal líquido (401) para ajustar una intensidad de la luz de la pantalla acoplada a un primer terminal de entrada del divisor de haz variable; y

una segunda capa de cristal líquido (402) para ajustar una intensidad de luz ambiental acoplada a un segundo terminal de entrada del divisor de haz variable, independiente de la intensidad de la luz de la pantalla.

2. El dispositivo de realidad aumentada de la reivindicación 1, en donde la primera capa de cristal líquido comprende una primera capa de cristal líquido colestérico (401) que tiene una primera quiralidad y la segunda capa de cristal líquido comprende una segunda capa de cristal líquido colestérico (402), paralela a y en comunicación óptica con la primera capa de cristal líquido colestérico, que tiene una segunda quiralidad opuesta a la primera quiralidad.

3. El dispositivo de realidad aumentada de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende una estructura polarizadora (600) en comunicación óptica con la primera capa de cristal líquido o la segunda capa de cristal líquido, teniendo la estructura polarizadora secciones polarizantes (601) y secciones no polarizantes (602) adyacentes, demasiado pequeñas para ser resueltas por un observador.

4. El dispositivo de realidad aumentada de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el controlador está configurado para conmutar el divisor de haz variable entre una primera relación de división y una segunda relación de división a una velocidad más rápida que un umbral de fusión de parpadeo del usuario y un ciclo de funcionamiento seleccionado para proporcionar la proporción determinada por el procesador basándose en el nivel de luz ambiental.

5. El dispositivo de realidad aumentada de la reivindicación 4, en donde el controlador está configurado para cambiar el ciclo de funcionamiento basándose en un cambio en el nivel de luz ambiental detectado por el fotodetector.

6. Un método para operar un dispositivo de realidad aumentada que comprende una pantalla (101), un controlador (102), un fotodetector (112) y un divisor de haz variable (103), comprendiendo el método:

desplegar una imagen con la pantalla;

detectar un nivel de luz ambiental con el fotodetector;

ajustar una intensidad de la imagen acoplada a un primer terminal de entrada del divisor de haz variable; ajustar una intensidad de luz ambiental acoplada a un segundo terminal de entrada del divisor de haz variable independiente de la intensidad de la imagen; y

reflejar la imagen de la pantalla y transmitir la luz ambiental al ojo de un usuario a través del divisor de haz variable en una proporción determinada por el controlador basándose en el nivel de luz ambiental, caracterizado por que

reflejar la imagen y transmitir la luz ambiental comprende transmitir la imagen a través de una primera capa de cristal líquido (401) y transmitir la luz ambiental a través de una segunda capa de cristal líquido (402) en el divisor de haz variable.

7. El método de la reivindicación 6, que comprende además:

transmitir la luz ambiental a través de una estructura polarizadora (600) en comunicación óptica con al menos una de la primera capa de cristal líquido o la segunda capa de cristal líquido, teniendo la estructura polarizadora secciones<polarizantes (601) y secciones no polarizantes (>602<) adyacentes, demasiado pequeñas para ser resueltas por un>observador.

8. El método de la reivindicación 6, que comprende además:

detectar un cambio en el nivel de luz ambiental; y

cambiar una transmisividad de al menos una de la primera capa de cristal líquido o la segunda capa de cristal líquido basándose en el cambio en el nivel de luz ambiental.

9. El método de la reivindicación 8, que comprende además, mientras se refleja la imagen y se transmite la luz ambiental:

conmutar el divisor de haz variable entre una primera relación de división y una segunda relación de división a una velocidad más rápida que un umbral de fusión de parpadeo del usuario y un ciclo de funcionamiento seleccionado

para proporcionar la proporción determinada por el procesador basándose en el nivel de luz ambiental.

10. El método de la reivindicación 9, que comprende además:

cambiar el ciclo de funcionamiento en respuesta a un cambio en el nivel de luz ambiental detectado por el fotodetector.