PL241407B1 - Wizjer do kasku albo hełmu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest Wizjer do kasku albo hełmu zawierający pierwszą powierzchnię i drugą powierzchnię, równoległą do powierzchni pierwszej i znajdującą się po przeciwnej stronie wizjera względem powierzchni pierwszej, ukształtowane względem krzywizny wzdłużnej oraz krzywizny poprzecznej wizjera, charakteryzujący się tym, że na powierzchni pierwszej znajduje się pierwszy zespół płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających zespolony z powierzchnią pierwszą wizjera (1) skierowany od powierzchni pierwszej i przeciwnie do powierzchni drugiej (2), i na powierzchni drugiej (2) znajduje się drugi zespół płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5) zespolonych z powierzchnią drugą (2) wizjera (1) skierowany od powierzchni drugiej i przeciwnie do powierzchni pierwszej, i elementy odbijające drugiego zespołu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5) są równoległe do elementów odbijających pierwszego zespołu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, przy czym pierwsze i drugie płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające, tworzące pierwszy i drugi (5) zespół płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, mają bok krótszy c i dłuższy b oraz grubość d, i długość boku krótszego c pierwszych i drugich elementów odbijających jest nie mniejsza niż 10 µm, przy czym pierwsze i drugie płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające, tworzące pierwszy i drugi (5) zespół półprzepuszczalnych elementów odbijających, krótszym bokiem c ustawione są równolegle do krzywizny wzdłużnej KW wizjera a długim bokiem b równolegle do krzywizny poprzecznej KP wizjera (1), przy czym elementy odbijające, tworzące pierwszy zespół płaskich elementów odbijających i drugi zespół płaskich elementów odbijających (5), mają taką samą grubość d.

Description

PL 241 407 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest osłona kasku albo hełmu. Wynalazek należy do dziedziny optyki i znajduje zastosowanie w konstrukcji kasków albo hełmów, które posiadają ruchomą i nieruchomą przezierną osłonę twarzy, i gdzie konieczne jest jednoczesne obserwowanie otoczenia oraz parametrów pracy urządzenia bądź pojazdu podczas jazdy.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2018217305A znane jest urządzenie projekcyjne zawierające substrat z przezroczystego materiału, na którym znajdują się dwie siatki dyfrakcyjne (wejściowa i wyjściowa), umieszczone na jednej płaszczyźnie. Substrat pełni rolę falowodu przenoszącego, na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia, sygnał optyczny pomiędzy siatkami dyfrakcyjnymi. Każda z siatek ma postać równolegle ułożonych wzdłużnych powierzchni, które są nachylone pod pewnym kątem do powierzchni substratu, przy czym siatka wejściowa i wyjściowa umieszczone na tej samej ścianie substratu. Substrat jest wykonany z przezroczystego materiału, co umożliwia jednoczesną obserwację obrazu emitowanego z siatki wyjściowej, nałożonego na obraz otoczenia znajdujący się za nim.

Z europejskiego dokumentu patentowego EP0794448B1 znany jest optyczny układ projekcyjny zawierający źródło obrazu, soczewkę skupiającą oraz serię powierzchni odbijających emitowany obraz. Obraz emitowany ze źródła jest skupiany przez płasko-wypukłą soczewkę i rzutowany na pierwszą płaszczyznę odbijającą go na drugą płaszczyznę odbijającą, która znajduje się na wewnętrznej płaszczyźnie wizjera. Druga płaszczyzna odbijająca odbija obraz na trzecią płaszczyznę odbijającą, która także ekspanduje obraz, i przekazuje go na czwartą płaszczyznę odbijającą. Czwarta płaszczyzna odbijająca skupia ponowie ekspandowany obraz i dokonuje projekcji w linii wzroku patrzącego. Przy czym drugą i czwartą płaszczyznę odbijającą stanowią siatki holograficzne o złożonej strukturze.

Chińskie zgłoszenie CN204855944U, dotyczące wzoru użytkowego, ujawnia układ optyczny stosowany w kokpicie samochodu. Zawiera on projektor umieszczony na przesłonie przeciwsłonecznej i soczewkę Fresnela. Soczewka Fresnela jest półprzezroczysta i stanowi ekran projekcyjny dla rzutowanego obrazu z projektora. Umożliwia to nakładanie się obrazu sprzed przedniej szyby samochodu na obraz z projektora. Soczewka 22 nie stanowi elementu szyby przedniej, tzn. nie jest z nią trwale zespolona, ani nie stanowi reliefu powierzchniowego na szybie.

Z innego amerykańskiego zgłoszenia patentowego, US2016282616A1, znany układ typu HUD (Head-Up Display) zawierający projektor, przesłonę oraz sumator wiązki, który stanowi - soczewka/lustro Fresnela (FM). Sumator jest osadzony, jako jedna z warstw, w szybie zespolonej. Jest on półprzepuszczalny dla światła, przez co umożliwia jednoczesną obserwację obrazu rzutowanego i odbitego z projektora oraz nałożonego na niego obrazu zewnętrznego.

W japońskim zgłoszeniu patentowym JP2010019874A opisano optyczny układ projekcyjny typu head-mounted display (HMD), mający zastosowanie w kasku. Wewnątrz obudowy kasku, np. w ścianie bocznej znajduje się projektor obrazu, który to obraz jest rzutowany na płaskie lustro. Dalej obraz jest odbijane w kierunku soczewki, która go załamuje i rzutuje na kolejne lustro odbijające go w kierunku trzeciego lustra. Lustro trzecie rzutuje obraz na wewnętrzną powierzchnię wizjera, przy czym obraz przechodzi przez przezroczystą przesłonę usytuowaną przed powierzchnią wizjera. Rzutowany obraz jest odbijany z powierzchni wizjera w kierunku oka. Przezroczysta przesłona pełni rolę przeziernego okna, podczas gdy pozostała część układu optycznego jest zamknięta w obudowie utworzonej przez projektor, lustra oraz soczewkę.

W kolejnym amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2012162549A1 ujawniono konstrukcję układu wyświetlającego obraz typu head-mounted-display (HMD). Podstawowym elementem konstrukcyjnym jest półprzepuszczalny pryzmat, gdzie jego dolna część stanowi płaszczyznę projekcyjną. Natomiast na górną cześć pryzmatu rzutowany jest obraz z optycznego układu projekcyjnego zawierającego projektor obrazu, soczewkę wklęsło-wypukłą, rozdzielacz wiązki, soczewki sprzęgające (coupling lenses). Rzutowany na pryzmat obraz, z optycznego układu projekcyjnego, dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu jest przekazywany do dolnej części wewnętrznej płaszczyzny pryzmatu, z której następuje jego projekcja w stronę obserwatora.

W jeszcze innym amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2016037849A1 opisano kask motocyklowy wyposażony w system audiowizualny. Cześć wizualna zawiera rzutnik obrazu, którego projekcja odbywa się na przyłbicę.

Z kolejnego europejskiego zgłoszenia patentowego EP0288365A1 znana jest konstrukcja układu wyświetlacza holograficznego, który może być montowany w hełmie lub kabinie pojazdu, typu Head-Up

PL 241 407 B1

Display (HUD). Układ wyświetlacza składa się z: ekranu emitującego obraz, półprzepuszczalnego płaskiego zwierciadła holograficznego i parabolicznego zwierciadła holograficznego. Obraz z ekranu jest odbijany przez półprzepuszczalne lustro holograficzne z pierwszym hologramem, a następnie z niego rzutowany na zwierciadło paraboliczne, zawierające drugi hologram. Drugi hologram kolimuje padający obraz i przekazuje go w kierunku patrzącego. Natomiast obraz zewnętrzny przechodzi przez hologram pierwszy i drugi bez załamywania się.

Z międzynarodowego zgłoszenia PCT WO2016203212A2 znany jest układ optyczny do badania reakcji oka. Układ zawiera sumator wiązki (beam combiner), element detekcyjny i dwa elementy oświetlające. Za pomocą układu rejestrowana jest reakcja oka na obraz odbierany z otoczenia. Obraz zewnętrzny oraz obraz reakcji oka jest rejestrowany przez element detekcyjny, jako suma obrazów z sumatora osadzonego pomiędzy warstwami materiału o podobnym współczynniku załamania. Sumator obrazu stanowi układ powierzchni odbijających i składających się z równolegle rozmieszczonych płaszczyzn wzdłużnych, które są nachylone pod pewnym kątem względem powierzchni substratu oraz stałym kątem względem siebie nawzajem. Przy czym ich forma zależy od konstrukcji układu detekcyjnego. Obszary odbijające mają na tyle małe rozmiary, że nie powodują strat w jasności obrazu. Dodatkowo układ można łatwo dostosować do noszonego urządzenia (np. nakrycia głowy, odzież).

Problemem technicznym stawianym przed wynalazkiem jest dostarczenie wizjera do kasku albo hełmu, który zapewniałby możliwość łączenia i obserwacji obrazu rzutowanego na wizjer z układu projekcyjnego z obrazem otoczenia, niezależnie od kształtu i rozmiaru wizjera, przy czym obraz, będący ich sumą, byłby pozbawiony wad wynikających z niedoskonałości elementu odbijającego obraz z rzutnika oraz konstrukcja wizjera zapobiegałaby rozszczepieniu barwnemu obrazu. Przy czym układ projekcyjny nie powinien być połączony fizycznie z powierzchnią obrazującą i powinien charakteryzować się prostą konstrukcją bez dodatkowych elementów optycznych jak soczewki czy zwierciadła. Ponadto element odbijający powinien mieć możliwość zastosowania w konstrukcji dowolnego wizjera. Niespodziewanie powyższe problemy rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest wizjer do kasku albo hełmu składający się z dwóch równoległych do siebie powierzchni, z których pierwsza stanowi powierzchnię wewnętrzną, a druga powierzchnię zewnętrzną, ukształtowane względem krzywizny wzdłużnej oraz krzywizny poprzecznej wizjera, charakteryzujący się tym, że na powierzchni pierwszej znajduje się zespolony z nią pierwszy układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających skierowany od powierzchni pierwszej przeciwnie do powierzchni drugiej, a na powierzchni drugiej znajduje się zespolony z nią drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających skierowany od powierzchni drugiej przeciwnie do powierzchni pierwszej, i elementy odbijające drugiego układu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających są równoległe do elementów odbijających pierwszego układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, przy czym pierwsze i drugie płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające, tworzące pierwszy i drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, mają postać wzdłużnych płaszczyzn i mają bok krótszy c i dłuższy bok b oraz grubość d, i długość boku krótszego cjest nie mniejsza niż 10 μm, przy czym pierwsze i drugie płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające krótszym bokiem c ustawione są równolegle do krzywizny wzdłużnej powierzchni wizjera a długim bokiem b równolegle do krzywizny poprzecznej powierzchni wizjera i są ułożone w szeregu równolegle względem siebie, przy czym elementy odbijające mają taką samą grubość d.

W korzystnej realizacji wynalazku druga powierzchnia wizjera jest w całości pokryta układem płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających. Tak przygotowana powierzchnia, umożliwia wyświetlanie obrazu na całej powierzchni wizjera bez zniekształceń obrazu zewnętrznego, dzięki czemu można otoczyć użytkownika wirtualnym obrazem na całej szerokości/wysokości kąta patrzenia.

W innej korzystnej realizacji wynalazku płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające, tworzące pierwszy układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających albo drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, są nachylone pod kątem α względem pierwszej powierzchni wizjera albo drugiej powierzchni wizjera, przy czym kąt α nachylenia płaskich półprzezroczystych elementów odbijających (PEO) wynosi od 90° do -90°.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku kąt α nachylenia płaskich półprzezroczystych elementów odbijających wynosi od 90° do -90° względem krzywizny wzdłużnej wizjera, przy czym kąt α nachylenia jest określony względem normalnej No do powierzchni wizjera.

W jeszcze innej realizacji wynalazku druga powierzchnia wizjera jest pokryta ochronną warstwą zewnętrzną do zabezpieczania drugiej powierzchni wizjera przed uszkodzeniami. Pokrycie warstwą

PL 241 407 B1 ochronną nie wpływa na zmianę optycznych właściwości układu, ale powoduje, że zewnętrzna powierzchnia wizjera jest płaska i nie posiada wyczuwalnych różnic w fakturze oraz zabezpiecza zewnętrzne elementy odbijające przed uszkodzeniem. Warstwę ochronną może stanowić film polimerowy wykonany z tworzywa o współczynniku załamania światła identycznym, jak materiał, z którego jest wykonany wizjer.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku grubość d płaskich elementów odbijających pierwszego układu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających albo drugich płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających drugiego układu elementów odbijających jest stała.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku grubość d płaskich elementów odbijających pierwszego układu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających albo drugich płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających drugiego albo układu elementów odbijających zależy od stopnia krzywizny wizjera.

Powierzchnia pierwsza stanowi powierzchnię wewnętrzną wizjera. Jest powierzchnią, która znajduje się bezpośrednio przed układem projekcyjnym umieszczonym w kasku.

Powierzchnia druga stanowi powierzchnię zewnętrzną wizjera. Jest to powierzchnia równoległa do powierzchni wewnętrznej wizjera.

Ułożenie płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających albo zapewnia różnicę kątów odbicia, promieniowania padającego na elementy pierwszego i drugiego układy płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, wynoszącą nie więcej niż 1°, przy czym różnica ta zależy od długości fali promieniowana padającego i promieniowanie padające stanowi promieniowanie z zakresu widzialnego. Kąt ten jest zachowany zarówno w przypadku, gdy tylko część drugiej powierzchni jest pokryta układem płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, jak i w przypadku całkowitego jej zapełnienia elementami odbijającymi.

Przykłady realizacji wynalazku uwidoczniono na rysunku, gdzie na fig. 1 - wizjer z fragmentem powierzchni wewnętrznej i powierzchnią odbijającą, fig. 2 - kask z wizjerem i powierzchnią zewnętrzną częściowo pokrytą powierzchnią odbijającą, fig. 3 - powiększenie wizjera z zewnętrzną powierzchnią odbijającą, gdzie c - szerokość elementu odbijającego, b - długość elementu odbijającego, fig. 4 - schemat odbicia obrazu rzutowanego z projektora z obrazem zewnętrznym względem normalnej N2 uzyskanej dzięki wprowadzeniu elementów odbijających na pierwszej i drugiej powierzchni wizjera, bez której odbicie nastąpiłoby względem normalnej Ni, gdzie Θ1 i Θ2 - odpowiednio kąt padania i kąt odbicia, fig. 5 - wizjer z powierzchnią zewnętrzną całkowicie pokrytą powierzchnią odbijającą, fig. 5a - fragment układu płaskich elementów odbijających z zaznaczonym płaskim półprzepuszczalnym elementem odbijającym, fig. 6 - przekrój wizjera wzdłuż krzywizny wzdłużnej z kątami nachylenia płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, fig. 7 - przekrój wizjera wzdłuż krzywizny wzdłużnej z dodatkową warstwą ochronną na powierzchni zewnętrznej, fig. 8a-8b - położenie powierzchni odbijających na wizjerze, gdzie zmiana kąta krzywizny wizjera nie wpływa na kąt padania i odbicia, fig. 9a-9b - zależność grubości d elementu odbijającego od krzywizny wizjera, fig. 10 - schemat odbicia na płaszczyznach odbijających, fig. 11 - kąt pierwszego rzędu dyfrakcyjnego w funkcji wielkości elementu odbijającego dla światła o długości fali λ1 = 400 nm i λ₂ = 650 nm padającego pod kątem 17°, fig. 12a-12b - kąt pierwszego rzędu dyfrakcji w funkcji wielkości elementu odbijającego dla dwóch wybranych kątów padania 0° (12a) 'i 60° (12b).

P r z y k ł a d 1 Konstrukcja wizjera z częściowym wypełnieniem powierzchni płaskimi półprzepuszczalnymi elementami odbijającymi

Wizjer 1 składa się z części głównej wizjera, tj. pierwszej powierzchni 3 wizjera 1, stanowiącej powierzchnię wewnętrzną wizjera (od strony obserwatora), oraz z powierzchni drugiej 2, stanowiącej powierzchnię zewnętrzną wizjera 1 (od strony świata zewnętrznego). Część powierzchni zewnętrznej 2 (fig. 2) jest ukształtowana w postać układu płaskich elementów odbijających (PEO5) 5 wkomponowanych w krzywiznę powierzchni drugiej 2 (fig. 7) oraz ustawionych pod kątem α, tworząc płaszczyznę odbicia (fig. 4). Dalej część powierzchni wewnętrznej 3 jest ukształtowana w postać układu płaskich elementów odbijających (PEO4) 4 wkomponowanych w krzywiznę powierzchni pierwszej 3 wizjera 1 (fig. 6), ustawionych pod kątem α, tworząc płaszczyznę (Fig. 1) odbicia (Fig. 4), których głównym celem jest takie odbicie światła z rzutnika 6, aby światło to trafiło do obserwatora 7 (fig. 4), przy czym istotne jest, aby przynajmniej część światła została odbita od tych elementów. Przez ukształtowanie części powierzchni pierwszej 3 (wewnętrznej) albo powierzchni drugiej 2 (zewnętrznej) wizjera 1 należy rozumieć, że jej fragment ma postać układu płaskich elementów odbijających. Przez postać zespołu elementów

PL 241 407 Β1 odbijających należy rozumieć szereg płaskich elementów odbijających PEO ułożonych równolegle jeden za drugim, jak zobrazowano na fig. 5 albo fig. 5a. Miejsce takiego ukształtowania, tj. położenie na powierzchni wewnętrznej 3 albo zewnętrznej 2 układów płaskich elementów odbijających 4 albo 5 wizjera jest zależne od położenia rzutnika 6 wewnątrz hełmu albo kasku oraz od stopnia krzywizny wzdłużnej KW i krzywizny poprzecznej KP wizjera 1. Przykładowe położenie zespołów odbijających 4 albo 5 na wizjerze 1 pokazano na fig. 1 albo na fig. 2. Pojedynczy płaski element odbijający PEO, z którego utworzone są płaszczyzny płaskich układów odbijających 4 i 5, posiada wymiar wzdłużny b, poprzeczny do niego wymiar c oraz grubość d (fig. 3, fig. 5a, fig. 9a-9b). Płaszczyzna odbijająca 4 albo 5 jest utworzona przez szereg płaskich elementów odbijających PEO, które są ułożone równolegle względem siebie wzdłuż długiej krawędzi b. Płaskie elementy odbijające (PEO4, PEO5) tworzące płaszczyzny odbijające 4 i 5 są półprzepuszczalne dla promieniowania padającego. Zapewnia to możliwość przeniesienia obrazu zewnętrznego do obserwatora oraz od obserwatora, tj. obserwację otoczenia z wnętrza kasku. Przykład pojedynczego płaskiego elementu odbijającego PEO pokazano na fig. 5a. Zasadniczo mają one kształt prostokąta o bokach b i c. Zespoły elementów odbijających 4 i 5 są ułożone na powierzchniach 2 i 3 w taki sposób, że dłuższe boki b leżą wzdłuż krzywizny poprzecznej KP wizjera 1, boki krótsze c leżą równolegle do krzywizny wzdłużnej KW wizjera 1. Układy odbijające 4 albo 5 na powierzchni 2 albo 3 są umieszczone 5 względem siebie w taki sposób, że ich wymiary wzdłużne b i c pojedynczych płaskich elementów odbijających PEO, tworzących te układy, są względem siebie równoległe. Długość boku c elementów odbijających PEO4 albo PEO5 wynosi nie mniej niż 10 pm. Powoduje, to że różnica kątów odbicia dla zakresu widzialnego światła padającego na elementy odbijające PEO, wynosi nie więcej niż 1°. Elementy PEO tworzące zespoły odbijające 4 albo 5 i są ułożone pod kątem a w stosunku do krzywizny powierzchni 2 albo 3 wizjera 1. Kąt a zależy jedynie od stopnia krzywizny wzdłużnej KW wizjera 1 i kierunku padania i odbicia światła. Krzywizna wzdłużna KW wizjera 1, będąca negatywną cechą wizjera, zostaje zniwelowana poprzez zastosowanie wielokrotnych elementów odbijających o zmiennym kącie nachylenia a względem krzywizny wzdłużnej KW, aby każdy z elementów tworzył taki sam kąt względem światła padającego na PEO. W ogólnym przypadku, w przypadku pokrycia całej powierzchni wizjera elementami odbijającymi kąt a może zmieniać się w zakresie od -90° do 90° względem krzywizny KW wizjera 1, dając możliwość odbicia światła pod dowolnym kątem względem krzywizny wzdłużnej KW, co zostało pokazane na fig. 6. Podana wartość kąta a odnosi się do normalnej No do powierzchni zewnętrznej 2 albo wewnętrznej 3 wizjera 1. Dotyczy to przypadku, gdy projekcja obrazu dokonywana jest na całą powierzchnię wewnętrzną 3 wizjera 1. Natomiast w przypadku, gdy obraz z rzutnika 6 rzutowany jest tylko na fragment powierzchni 3 wizjera 1, to zakres kątów jest znacznie mniejszy. Przykładowo dla obszaru odbijającego o wielkości 5 cm x 5 cm, dla jednego oka, kąt a zawarty jest od 46° do 74° stopni. Jest to jednak prawdziwe jedynie dla pojedynczego przypadku konstrukcyjnego o ograniczonym zastosowaniu. Ponadto na tej samej figurze (fig. 6) pokazano także umieszczenie zespołów płaskich elementów odbijających 4 albo 5, utworzonych przez szereg pojedynczych płaskich elementów odbijających PEO4 albo PEO5, względem płaszczyzny wewnętrznej 3 albo płaszczyzny zewnętrznej 2 wizjera 1. W celu zachowania przejrzystości fig. 6 układy płaskich elementów odbijających 4 i 5 nie zostały na niej zaznaczone.

Elementy pierwszego 4 i drugiego 5 układu odbijającego mają taką samą grubość d. Grubość d jest uzależniona od kształtu, tj. krzywizny i konstrukcji danego wizjera.

Sposób działania układu optycznego został zobrazowany na fig. 4 oraz fig. 9 i opisany poniżej.

Rzutnik 6 emituje obraz w kierunku wizjera 1. Obraz częściowo odbija się od powierzchni płaskich elementów odbijających (PEO) 4 znajdujących się po wewnętrznej stronie wizjera 3 i trafia do obserwatora 7. Odbicie od wewnętrznej warstwy odbijającej, stanowionej przez zespół płaskich elementów odbijających 4, następuje na zasadzie odbicia fresnelowskiego. Stosunek odbicia światła spolaryzowanego pionowo od powierzchni odbijającej wynosi według wzoru (I):

gdzie Rs - stosunek odbicia, m - współczynnik załamania powietrza, Π2 - współczynnik załamania materiału wizjera, 0, - kąt padania światła.

PL 241 407 Β1

Dla światła poziomo spolaryzowanego, współczynnik odbicia wynosi według wzoru (II):

— n₂cos6i

Rp ni

4- n₂cos0i gdzie Rp to stosunek odbicia. Dla światła niespolaryzowanego efektywne odbicie ma wartość średnią równą według wzoru (III):

R =l(R_s + R_PHun

Powyższe równania (III, IV) określają funkcjonalność elementów odbijających w zależności od kąta padania światła względem normalnej na płaszczyznę odbijającą. Z równań wynika, że dla światła niespolaryzowanego stopień odbicia jest tym większy, im większy jest kąt padania światła względem normalnej płaszczyzny. Bez względu na to, najniższy stosunek odbicia Rmin zależy jedynie od współczynnika załamania światła materiału, z którego wykonany jest element odbijający PEO i wynosi według wyrażenia (IV)

R_min = (IV).

Możliwe jest zatem zastosowanie dowolnego kąta nachylenia a elementów odbijających, jedyne, co się zmienia, to stosunek odbicia światła, przy pewnej wartości minimalnej tego kąta.

Obraz z zewnątrz trafia na powierzchnię zewnętrzną 2 wizjera 1. Równolegle ustawione elementy odbijające układów odbijających 4 albo 5 po wewnętrznej 3 i zewnętrznej 2 stronie wizjera działają jak wielokrotne płytki równoległościenne, powodując przeniesienie obrazu do obserwatora 7. Obraz pochodzący z zewnątrz zostaje przesunięty o wartość Ad_w według wzoru (V):

/ 005(0) \

M_w = d_w-sm[l- = (V) \ a/M — 51717(6)/ gdzie dw - grubość wizjera i odpowiada grubości d, Θ - kąt padania obrazu zewnętrznego w stosunku do normalnej powierzchni drugiej 2, n - względny współczynnik załamania światła materiału, z którego jest wykonany wizjer 1.

W efekcie niezniekształcony obraz trafia do obserwatora. Przesunięcie obrazu w osi powierzchni drugiej 2, stanowiącej powierzchnię zewnętrzną wizjera 1, jest równomierne dla całej konstrukcji wizjera 1. Dyfrakcja elementu odbijającego

W rozwiązaniu konstrukcyjnym, wg przykładu 1, pojedynczy element odbijający stanowiący część pierwszego 4 albo drugiego układu elementów odbijających 5, albo 5a, może powodować dyfrakcję światła na strukturze zbudowanej z wielokrotnych płaszczyzn. Warunkiem powstania dyfrakcji jest uzyskanie dla określonych kątów odbicia różnicy w długości drogi optycznej będącej krotnością długości fali światła.

Rozwiązanie konstrukcyjne, wg wynalazku, zakłada element optyczny o skomplikowanej budowie, położony na krzywiźnie wizjera 1. Z tego powodu określenie warunków dyfrakcji, która jest negatywnym zjawiskiem z punktu widzenia rozwiązania, może być nie możliwe. Natomiast określenie granicznej grubości elementu odbijającego d jest możliwe jedynie biorąc pod uwagę dyfrakcję zestawu elementów odbijających. Jest ono zależne od określonego rozwiązania konstrukcyjnego. Jednak zakładając płaski element posiadający właściwości elementu odbijającego, możliwe jest oszacowanie rozszczepienia barwnego występującego w wyniku dyfrakcji i określenie granicznych wartości dopuszczalnych wielkości elementów odbijających, tworzących zespoły odbijające 4 i 5.

Teoretycznym układem do określenia wielkości elementów odbijających niech będzie zestaw elementów odbijający PEO o stałej grubości d nachylonych pod kątem a działających, jako siatka dyfrakcyjna o stałej siatki e. Światło padające pod kątem ulega dyfrakcji pod kątem 3_m przy różnych długości

PL 241 407 Β1 dróg optycznych β^ίηθί + sin0_m). Różnicę w długości drogi optycznej zaznaczono pogrubioną linią na fig. 10.

Zależność kąta dyfrakcji względem kąta padania opisana jest wzorem (VI):

= arcsin (sin^ - (7/), gdzie θ[ - kąt padania względem płaszczyzny odbijającej, m - rząd dyfrakcji, λ - długość fali światła, e - odległość pomiędzy periodycznymi elementami siatki dyfrakcyjnej.

Zakładając zmienną wartość stałej siatki e, analizie został poddany kąt dyfrakcji dla pierwszego rzędu dyfrakcji m - 1 dla wybranych długości fali światła = 400 nm i = 650 nm, dla zobrazowania zakresu światła widzialnego. Duża różnica w uzyskanych kątach dyfrakcji 9_m wskazuje na znaczne rozszczepienie barwne, które w przypadku układu obrazującego będzie powodowało zniekształcenie obrazu. W przeprowadzonej analizie za graniczną wartość przyjęto różnicę kątów o wartości 1°.

Przedstawione na fig. 11 wyniki dla kąta 17° stanowią średnią wartość kąta padania dla standardowego układu projekcyjnego z rzutnikiem 6. Prezentowany układ projekcyjny jest niezależny od kąta padania, więc analizie poddano również inne wybrane kąty padania 0° (fig. 12a) i 60° (fig. 12b), które mają przedstawiać sytuację skrajną obserwacji przez wizjer 1.

W przypadku dużego kąta padania graniczna wartość wielkości elementu odbijającego ulega przesunięciu w kierunku wyższych wartości. Analiza wykresów (fig. 11, 12a, 12b) wskazuje, że wielkość płaskich elementów odbijających PEO, tj. ich wymiar c, tworzących układy odbijające 4 i 5, nie powinien być mniejszy 10 pm, aby uzyskać kąty odbicia nieróżniące się więcej niż 1°. Taki rozmiar elementów PEO, i uzyskana dzięki niemu różnica kątów odbicia powoduje, że nie jest obserwowane rozszczepienie barwne na zsumowanym na wizjerze 1 obrazie.

Wizjer 1 według wynalazku charakteryzuje się szeregiem zalet. Zapewnia możliwość łączenia i obserwacji obrazu rzutowanego na wizjer z układu projekcyjnego z obrazem otoczenia, niezależnie od kształtu i rozmiaru wizjera, przy czym obraz, będący ich sumą, jest pozbawiony wad (powiększenie, przesunięcie obrazu czy zmiany widzianych barw) wynikających z niedoskonałości elementu odbijającego obraz z rzutnika oraz zapobiega rozszczepieniu barwnemu obrazu. Ponadto wizjer, o cechach zgodnych z wynalazkiem, nie ma fizycznego połączenia z układem projekcyjnym. Dzięki temu może być stosowany dla dowolnej konstrukcji kasku, co zwiększa uniwersalność rozwiązania.

Przykład 2 Konstrukcja wizjera z całkowitym wypełnieniem powierzchni płaskimi półprzepuszczalnymi elementami odbijającymi (Fig. 5)

W tym przykładzie wykonania wizjer ma wszystkie zalety konstrukcji wg wcześniejszych przykładów realizacji wynalazku.

W innym wariancie wykonania przednia powierzchnia zewnętrzna 2 (tzn. od strony świata na zewnątrz) wizjera 1 jest w całości ukształtowana w postaci układu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (PEO) 5a, nieróżniących się niczym innym poza rozmiarami b od elementów płaskiego układu elementów odbijających (PEO5) 5, wkomponowanych w krzywiznę wizjera 1 ustawionych równolegle do elementów odbijających (PEO) zespołu 4, znajdujących się na powierzchni wewnętrznej 3 wizjera 1. Układ 5a jest wielkopowierzchniowym odpowiednikiem elementów 5, tj. obejmującym całą powierzchnię zewnętrzną 2 wizjera 1, i w odniesieniu do konstrukcji wizjera 1 także stanowi drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających.

Pełne wypełnienie wizjera 1 umożliwia wykorzystanie jego całej powierzchni, jako powierzchni projekcyjnej, a także przesłanie obrazu do obojga oczu, tworząc w pełni stereoskopowy obraz pozorny. Przykład 3 Konstrukcja wizjera z powierzchnią zewnętrzną pokrytą warstwą ochronną (Fig. 7)

W tym przykładzie wykonania wizjer ma wszystkie zalety konstrukcji wg wcześniejszych przykładów realizacji wynalazku.

W kolejnym przykładzie wykonania powierzchnia zewnętrzna 2 wizjera 1 jest pokryta warstwą ochronną 8, która zabezpiecza zewnętrzną powierzchnię odbijającą 5 oraz zewnętrzną stronę wizjera przed uszkodzeniami. Do wykonania warstwy ochronnej może zostać wykorzystany dowolny materiał, szczególnie polimerowy, który łatwo tworzy cienkie warstwy, nie zmienia właściwości optycznych wizjera (identyczny lub bardzo zbliżony współczynnik załamania światła), a warstwa przez niego utworzona cechuje się odpornością mechaniczną.

Claims (7)

1. PL 241 407 Β1

   Przykład 4 Zależność odbicia od położenia powierzchni odbijającej (Fig. 8a-8b)

   W tym przykładzie wykonania wizjer ma wszystkie zalety konstrukcji wg wcześniejszych przykładów realizacji wynalazku.

   Na fig. 8a i 8b przedstawiono schematycznie odbicia światła od powierzchni odbijającej 4, złożonej z płaskich elementów odbijających PEO. Pokazują one, że odbicie nie zależy od ustawienia wizjera 1, jedynie od ustawienia elementu odbijającego 4 (8a, 8b).

   Wizjer 1 posiada układ krzywizn, które są odpowiednio zaprojektowana do kasku. Natomiast położenie rzutnika 6 jest zależne od konstrukcji kasku 1, ale również jest warunkowane bezpieczeństwem użytkowania kasku. W skrajnych przypadkach położenie rzutnika 6 jest niekorzystne z punktu widzenia optyki systemu projekcyjnego (rzutnik 6 oraz powierzchnie 2 i 3). Rozwiązanie wg wynalazku uniezależnia punkt umieszczenia rzutnika 6 od krzywizny wizjera, przez co nadaje może być stosowane w różnych modelach kasków. Wówczas każdy z kasków jest wyposażony w system projekcyjny działający na tej samej zasadzie i składający się z tych samych komponentów.

   Przykład 5 Zależność odbicia od grubości d płaskich elementów odbijających (Fig. 9a-9b)

   Płaskie elementy odbijające, zarówno na powierzchni zewnętrznej 2 oraz wewnętrznej 3 mogą mieć stałą grubość, (di na fig. 9a), zmienny wymiar c lub charakteryzować się zmienną grubością (d2 i d3 na fig. 9b) i stałym c. Nie wpływa to na uzyskiwany efekt sumowania obrazu.

   Grubość d pojedynczego elementu odbijającego PEO, tworzącego układ elementów odbijających 4 albo 5, można wyrazić za pomocą poniższych równań:

   -załóżmy, że krzywizna powierzchni wizjera 1 jest opisana równaniem: /(%), wtaki sposób, że powierzchnia odbijająca, 4 albo 5 jest opisana stałą wartością y = r, gdzie w punkcie w punkcie wg. funkcji (VII):

   P(W(*o)) (VII)

   - element ma grubość d i styczna f_t (x) do f(x) w punkcie P jest opisana wzorem (VIII):

   d ft(x) =—f(x_o)(x-x_o)+f(xo) (VIII) przy czym funkcja f_p (χ) jest prostopadła do f_t (χ) i na niej jest oparty trójkąt prostopadły o wysokości d do wierzchołka o kącie 90°. Z punktu P’ oddalonego od punktu P o odległość d leżącego na f_p (x) poprowadzone są dwa odcinki do krzywej f(x) równolegle odpowiednio do y = 0 i x = 0. Odcinek równoległy do y = 0 stanowi płaszczyznę odbicia.

   Powyższe wyrażenie (VIII) opisuje warunek ogólny, dla którego wielkość elementów odbijających jest zdefiniowana, jako odległość krawędzi od stycznej do wizjera, wtedy prostopadła do stycznej jest punktem, od której mierzy się grubość elementów odbijających. Ponadto z równania (VIII) wynika, że możliwe jest zastosowanie elementów odbijających zintegrowanych z konstrukcją wizjera dla dowolnej krzywizny, poprzez przybliżenie jej za pomocą funkcji opisanej jak powyżej przy pomocy wielu płaszczyzn równoległych do y = 0, odtwarzających krzywiznę wizjera (Fig. 9a-9b).

   Zmiana wielkości (grubości d) elementów odbijających, powoduje, że możliwe jest jego dostosowanie do praktycznie do każdego stosowanego wizjera, już na etapie projektowania konstrukcji kasku. Warunek, który musi zostać spełniony, to tylko równoległość płaszczyzny zewnętrznej 2 i wewnętrznej 3 wizjera w każdym punkcie jego krzywizny. Do zalet zmiany grubości elementów należą: - adaptacja do krzywizny powierzchni, - niwelowanie dystorsji w obszarach o priorytetowym znaczeniu (przez ustalenie wielkości płaszczyzn odbicia dla kluczowych elementów), ale również dystorsji obrazu zewnętrznego, zmiana wielkości elementów PEO spowoduje obniżenie dyfrakcji, przez złamanie periodyczności struktury.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Wizjer do kasku albo hełmu składający się z dwóch równoległych do siebie powierzchni, z których pierwsza stanowi powierzchnię wewnętrzną, a druga powierzchnię zewnętrzną, ukształtowane względem krzywizny wzdłużnej oraz krzywizny poprzecznej wizjera, znamienny tym, że na powierzchni pierwszej (3) znajduje się zespolony z nią pierwszy układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (4) skierowany od powierzchni pierwszej (3) przeciwnie

   PL 241 407 B1 do powierzchni drugiej (2), a na powierzchni drugiej (2) znajduje się zespolony z nią drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5) skierowany od powierzchni drugiej (2) przeciwnie do powierzchni pierwszej (3), i elementy odbijające drugiego układu płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5) są równoległe do elementów odbijających pierwszego układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (4), przy czym pierwsze (PEO4) i drugie (PEO5) płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające, tworzące pierwszy (4) i drugi (5) układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających, mają postać wzdłużnych płaszczyzn i mają bok krótszy c i dłuższy bok b oraz grubość d, i długość boku krótszego c jest nie mniejsza niż 10 μm, przy czym pierwsze (PEO4) i drugie (PEO5) płaskie półprzepuszczalne elementy odbijające krótszym bokiem c ustawione są równolegle do krzywizny wzdłużnej (KW) powierzchni (2) wizjera (1), a długim bokiem b równolegle do krzywizny poprzecznej (KP) powierzchni (2) wizjera (1) i są ułożone w szeregu równolegle względem siebie, przy czym elementy odbijające (PEO4, PEO5) mają taką samą grubość d.
2. 2. Wizjer wg zastrz. 1, znamienny tym, że druga powierzchnia (2) wizjera (1) jest w całości pokryta układem płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5a).
3. 3. Wizjer wg zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że płaskie półprzepuszczalnej elementy odbijające, tworzące pierwszy układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (4) albo drugi układ płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (5) albo (5a), są nachylone pod kątem α względem pierwszej powierzchni wizjera (3) albo drugiej powierzchni wizjera (2), przy czym kąt α nachylenia jest określony względem normalnej w danym punkcie No do krzywizny wzdłużnej (KW) powierzchni (2) wizjera (1), przy czym kąt α nachylenia płaskich półprzezroczystych elementów odbijających (PEO) wynosi od 90° do -90°.
4. 4. Wizjer wg zastrz. 3, znamienny tym, że kąt α nachylenia płaskich półprzezroczystych elementów odbijających (PEO) wynosi od 90° do -90° względem krzywizny wzdłużnej (KW) wizjera (1), przy czym kąt α nachylenia jest określony względem normalnej No do powierzchni wizjera (1).
5. 5. Wizjer wg zastrz. 1, 2, 3 albo 4, znamienny tym, że druga powierzchnia (2) wizjera (1) jest pokryta ochronną warstwą zewnętrzną (8), do zabezpieczania drugiej powierzchni (2) wizjera (1) przed uszkodzeniami.
6. 6. Wizjer wg któregokolwiek z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że grubość d płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających pierwszego układu (4) płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (PEO4) albo drugich płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (PEO5) drugiego (5) albo (5a) układu elementów odbijających jest stała.
7. 7. Wizjer wg któregokolwiek z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że grubość d płaskich elementów odbijających pierwszego układu (4) płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (PEO4) albo drugich płaskich półprzepuszczalnych elementów odbijających (PEO5) drugiego (5) albo (5a) układu elementów odbijających zależy od stopnia krzywizny wzdłużnej (KW) powierzchni (2) wizjera (1).