¿Cómo proyecta Google Glass la imagen en el cristal?

Esta respuesta es originalmente de: La respuesta de Sid Hazra a ¿Cómo se construyen los pico-proyectores? ¿Cómo construyo uno? Reproduzco la sección relevante aquí.

Por suerte, yo era un explorador de Glass y recibí mi GG en 2013. Le dije a Google que lo iba a usar para hardware e investigación de interacción hombre-computadora. De todos modos, decidí hacer un desmontaje parcial solo del módulo óptico mientras mantenía vivo el sistema. Antes de abrir, sabía que estábamos buscando un panel de visualización de cristal líquido sobre silicio (LCoS) que necesita luz polarizada y que comúnmente usa lentes de ojo de mosca y sistemas de compensación de polarización junto con un divisor de haz polarizante . Una cosa a tener en cuenta es que Google Glass no es un sistema de pico-proyección, es una pantalla de ojo cercano . La diferencia es crítica porque ayuda a reducir el tamaño de la óptica requerida para el vidrio.

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Descripción de partes

La Figura 1: (A) muestra GG bajo prueba con la carcasa externa retirada. (B) muestra el subsistema óptico antes del desmontaje. (C) muestra lo mismo después de retirar las piezas [Difusor confundido con placa ondulada]. (D) muestra la cavidad óptica y un LED encendido (solo el rojo está encendido).

La Figura 1 muestra la configuración y las partes y las herramientas del oficio. El vidrio no es particularmente difícil de desmontar. De hecho, se requiere menos fuerza para separar el Glass que las pantallas de la mayoría de los teléfonos inteligentes.

El LED es una matriz RGB (ver más abajo) a tope contra la ‘placa de cubierta óptica’. Hay cuatro componentes extraíbles debajo de esta placa de cubierta óptica (en secuencia, de arriba a abajo):

1. Cubierta reflectora en forma de cuña para ojo de mosca (la superficie exterior es de chapa normal, la superficie interior orientada a la luz tiene espejo, acabado recubierto de aluminio),
2. Conjunto de microlentes de ojo de mosca en forma de cuña para homogeneizar / recircular la luz,
3. Difusor de polarización rectangular de esquina redondeada, para distribuir la luz del MLA de ojo de mosca sobre la rejilla de polarización debajo de ella,
4. Rejilla de polarización cruzada / reflectante , mismo perfil que el difusor.

Catwig no identificó los elementos del polarizador / difusor en su artículo, aunque podemos verlo en una de sus imágenes (el polarizador / difusor se adhieren entre sí). El polarizador y el difusor son los componentes del Sistema de compensación de polarización / PCS en este sistema.

Se coloca un cubo Splitter Beam Splitter / PBS justo debajo del PCS, contra la parte superior del panel LCoS y se fija permanentemente. Después de quitar los cuatro componentes y girar el vidrio un poco, podemos ver los reflejos internos en la pared lateral de PBS para verificar su presencia.

Figura 2: Muestra una vista interior de la ‘cavidad óptica’. Hay un PBS (no visible) en la parte superior del panel LCoS. El recuadro muestra el panel LCoS bajo iluminación parásita del conjunto de LED, mostrando una imagen negativa de la página de inicio / pantalla de tiempo a ‘5:33’. Los píxeles oscuros son los que reflejan la luz para crear caracteres blancos como se muestra en la imagen a continuación.

La imagen a continuación muestra cómo se supone que debe verse la pantalla final cuando se usa el Glass, excepto que el contraste es peor a pesar de que el texto es claramente visible.

Figura 3: captura de pantalla de Google Glass

Figura 4: muestra los primeros planos de los elementos ópticos. La fila superior muestra los elementos, la fila inferior muestra primeros planos de los elementos. De izquierda a derecha, el homogeneizador de ojo de cuña, el polarizador de rejilla de alambre / rejilla de polarización y el difusor de polarización de polímero.

Figura 5: Color secuencial de campo en GG. Imágenes tomadas con una Canon T3i con exposición rápida. Video a continuación.

Video G1: Color secuencial de campo en Google Glass.

Cómo funciona

Figura 6: Esquema de Google Glass que muestra la ruta óptica y los elementos principales.

Google Glass tiene un diseño más simple para la Edición Explorer 2013 que tengo, que el descrito en su patente. Este diseño es bastante tradicional para los sistemas pico LCoS y Google no posee la patente de ninguna de las tecnologías de visualización (tampoco lo afirman).

A diferencia de los sistemas de proyección, las aplicaciones cerca del ojo no necesitan ser muy brillantes. Entonces usan ese hecho para reducir los tamaños de LED y eliminar los colimadores / dicroicos utilizados en los sistemas de pico pico de proyección comunes. Los LED que usan es una matriz de bajo consumo Rojo + Verde + Azul (vea el video a continuación) que emite luz desde su lado, en lugar de su parte superior como los LED normales. La operación de baja potencia no requiere disipadores de calor, lo que ahorra espacio.

Los LED alimentan la luz directamente en una lente ‘homogeneizadora’ con forma de cuña. La función del fly-eye es distribuir la luz uniformemente sobre la óptica. Este ojo de mosca de cuña tiene una cubierta de chapa metálica con su cara interna recubierta con un recubrimiento reflectante brillante (probablemente aluminio depositado por vapor) que refleja toda la luz de vuelta al ojo de mosca. Tenga en cuenta que las dos cuñas (reflector y lente de ojo de mosca) son más delgadas que la sección transversal del PBS y no cubren toda la cara del PBS a diferencia del sistema LCoS que vimos anteriormente.

El ojo de mosca homogeneiza la iluminación incidente y la empuja al sistema de conversión de polarización (PCS). El PCS tiene dos elementos, uno un difusor de polarización reflectante de polímero (aparentemente basado en LC) y otro es (lo que parece un) rejilla de polarización reflectante basada en rejilla de alambre cruzado. La salida del PCS es un haz con una coincidencia de polarización uniforme que se requiere para la matriz LCoS particular utilizada.

El PBS frente al LCoS recibe la salida PCS y permite que esta polarización pase al panel LCoS. Las células de cristal líquido en el panel LCoS se modulan para crear una imagen en el panel.

Como LCoS alterna la polarización de la luz incidente, el espejo dieléctrico en el PBS redirige la luz reflejada desde el panel hacia el espejo colimador (reflector cóncavo) en el ocular. El reflector luego enfoca la luz en el espejo medio plateado en el ocular que lo refleja al ojo del usuario. Si miramos un cristal usado por otra persona, vemos una imagen volteada lateralmente.

El exclusivo sistema de compensación de polarización de Google

Analicemos el PCS con un poco más de detalle porque es la pieza más interesante de todo el Google Glass. Este sistema fue desarrollado a mediados de la década de 2000 en Japón, creo por Misumi Chemicals. Por lo tanto, en realidad no es ‘exclusivo’ de Google, pero ciertamente es una implementación única para sistemas de ojo cercano.

Podemos polarizar la luz usando cosas como ‘filtros’. Puede que los hayas notado en tus gafas de sol. Describimos la luz no polarizada como una mezcla igual de dos componentes: S y P. Cuando hablamos de luz polarizada, realmente estamos diciendo que tenemos luz que es solo S (o P). Las pantallas LCD y LCoS necesitan luz polarizada para funcionar. De hecho, es posible que haya oído hablar de cómo las pantallas LCD se ven negras en algunos ángulos cuando usa gafas de sol polarizadas. Esto se debe a que los LCD emiten luz polarizada .

Pero cuando polarizamos la luz usando filtros simples, generalmente eliminamos la mitad de la luz total. Eso no es bueno porque estamos perdiendo la mitad de la luz generada por los LED. Esa es la idea detrás del sistema de conversión de polarización : recicla la luz desechada de vuelta a luz utilizable y polarizada.

Entonces, volviendo al Google Glass, la lente del ojo de mosca empuja la luz no polarizada a través del difusor polarizador que gira una pequeña parte de la entrada S a P (y viceversa) al azar. Las entradas S y P restantes alcanzan la rejilla de polarización reflectante que deja pasar a todos los componentes de P pero refleja el resto de la entrada S a través del difusor de polarización mientras también lo gira a P. El difusor de polarización vuelve a rotar algunos de los S restantes a P (y posiblemente al revés), luego empuja esto de vuelta al ojo de la mosca y luego al reflector. Esta luz luego se refleja hacia el flyeye y este proceso continúa hasta que el PCS convierte al máximo toda la luz del LED a P-polarizada. (Suena muy confuso y lo es)

Las estructuras aleatorias en el difusor vistas en primer plano en la Fig. 4 están destinadas a generar esa rotación aleatoria de luz cada vez que pasa. Quitar el difusor no afecta notablemente el brillo de la pantalla. Por lo tanto, su contribución a la rotación de la luz al azar es probablemente muy pequeña, mientras que la rejilla de alambre cruzada / la rejilla de polarización gira la mayor parte de S a P. Al voltear la rejilla de polarización (lado reflectante hacia el ojo de la mosca), la pantalla deja de funcionar: solo obtenemos la mitad la iluminación pasa y la pantalla se atenúa considerablemente como se esperaba.

Avíseme si lo confundí o si desea ver alguna imagen o explicación en particular. Aquí encontrará más información sobre los sistemas de pico pico: la respuesta de Sid Hazra a ¿Cómo se construyen los pico-proyectores? ¿Cómo construyo uno?

[Dr. Jingbo Cai me ayudó a identificar la operación de la estructura de rejilla de alambre cruzado. Tampoco estoy completamente seguro de la secuencia del PCS: ¿el polarizador de la rejilla de alambre está más cerca del ojo de la mosca o es el difusor? Estaban unidos cuando extraje el PCS y no noté los dos elementos. Cuando me di cuenta, ya estaban separados y voltearon al azar, no recordaba qué lado miraba hacia dónde. De todos modos, siempre que la rejilla de alambre tenga el lado reflectante hacia el lado de la luz no polarizada, la pantalla se verá bien. También tenga en cuenta que no estoy seguro de si hay placas de ondas o filtros adicionales que rotan la luz en el espacio entre el PBS y el espejo medio plateado. En sus patentes dicen que podrían, no pude notar ninguno, pero aún no he hecho un desmontaje destructivo del GG. (My Glass todavía funciona).]

Obviamente, Google no parece haber sacado todos los trucos de esta versión y el módulo de visualización es realmente prototípico. Espero que este siga siendo el primero de muchos diseños de Glass con los que me meto.