平面波導(dǎo)成像裝置和方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種成像裝置和方法，尤其涉及一種平面波導(dǎo)成像裝置和方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 目前平面波導(dǎo)成像領(lǐng)域，采用多個平行反射面反射輸出大視場的圖像由亮變暗， 圖像亮度不均一，使人眼不舒服。專利號為US 7576916 B2的文件中描述了采用多個不同入 射角具有不同反射率的反射面來解決圖像不均一的問題，但是該設(shè)計比較復(fù)雜，而且不易 加工，對工藝有嚴(yán)苛的要求，更需要大量的經(jīng)費投入。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決平面波導(dǎo)成像亮度均一性的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種平面波導(dǎo)成像 裝置和方法。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供平面波導(dǎo)成像裝置，包括： 圖像顯示光源，用于發(fā)出顯示所需圖像的顯示光波； 光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，對圖像顯示光源發(fā)出的顯示光波進(jìn)行準(zhǔn)直； 光波耦合輸入面，將準(zhǔn)直光波耦合進(jìn)入到平面波導(dǎo)； 平面波導(dǎo)襯底，對耦合進(jìn)入的光波進(jìn)行反射傳播形成全反射光波； 光波耦合輸出面，用于視場擴展以及光波耦合輸出平面波導(dǎo)襯底； 其中，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)位于圖像顯示光源和平面波導(dǎo)襯底之間，光波耦合輸出面位于平 面波導(dǎo)襯底遠(yuǎn)離光波親合輸入面一側(cè)； 所述光波耦合輸出面不止一個，每個光波耦合輸出面的反射率滿足以下公式：
其中，η為光波耦合輸出面的次序，T為每個光波耦合輸出面反射到平面波導(dǎo)襯底表面 的能量，Rn為第η個光波耦合輸出面的反射率。
[0008] 可選的，所述光波耦合輸入面的有效通光口徑內(nèi)鍍有相應(yīng)的增透膜。
[0009] 可選的，所述光波耦合輸入面的外表面旋涂有相應(yīng)的反射膜。
[0010]可選的，所述光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)為非球面準(zhǔn)直透鏡。
[0011]本發(fā)明的第二方面提供平面波導(dǎo)成像方法，具有以下步驟:發(fā)出顯示所需圖像的 顯示光波，對所述顯示光波進(jìn)行準(zhǔn)直，將準(zhǔn)直的光波耦合進(jìn)入到平面波導(dǎo)，對耦合進(jìn)入的光 波進(jìn)行全反射傳播，直至傳播到光波耦合輸出面，光線在所述光波耦合輸出面被反射和折 射，被折射的光線繼續(xù)傳播直至下一個所述光波耦合輸出面，被反射的光線被反射輸出到 所述平面波導(dǎo)襯底6外成像； 所述光波耦合輸出面的反射率滿足以下公式：
其中，η為光波耦合輸出面的次序，T為每個光波耦合輸出面反射到平面波導(dǎo)襯底表面 的能量，Rn為第η個光波耦合輸出面的反射率。
[0012] 可選的，所述光波耦合輸入面的有效通光口徑內(nèi)鍍有相應(yīng)的增透膜。
[0013] 可選的，所述光波耦合輸入面的外表面旋涂有相應(yīng)的反射膜。
[0014] 可選的，采用非球面透鏡對所述光波進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0015] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下： 本發(fā)明平面波導(dǎo)輸出圖像亮度均一性顯著改善； 本發(fā)明設(shè)計和加工較簡單，需要投入經(jīng)費較少； 本發(fā)明擴大了視場角，避免激烈運動時看不清楚圖像，提高了人眼舒適度； 本發(fā)明微型化，適用于穿戴是智能設(shè)備，具有很大的應(yīng)用前景。
[0016]
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明一實施例平面波導(dǎo)成像裝置示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明一實施例輸出圖像亮度示意圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明一實施例光波耦合輸出面的反射率和能量曲線示意圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明一實施例輸出圖像亮度示意圖。
[0021] 圖5是本發(fā)明一實施例光波耦合輸出面的反射率和能量曲線示意圖。
[0022] 其中，3-圖像顯示光源;4-光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng);5-光波耦合輸入面;6-平面波導(dǎo)襯底;7-光波耦合輸出面；31、71_第一光波耦合輸出面;32、72_第二光波耦合輸出面;33、73_第三 光波親合輸出面;34、74-第四光波親合輸出面;35、75-第五光波親合輸出面。
[0023]
【具體實施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0025]平面波導(dǎo)成像裝置，包括： 圖像顯示光源3，用于發(fā)出顯示所需圖像的顯示光波； 光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)4,對圖像顯示光源3發(fā)出的光波進(jìn)行準(zhǔn)直； 光波耦合輸入面5，將準(zhǔn)直光波耦合進(jìn)入到平面波導(dǎo)； 光波耦合輸出面7，用于視場擴展以及光波耦合輸出平面波導(dǎo)襯底6; 其中，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)4位于圖像顯示光源3和平面波導(dǎo)襯底6之間，光波耦合輸出面7位 于平面波導(dǎo)襯底6遠(yuǎn)離光波耦合輸入面5-側(cè)； 所述光波耦合輸出面7不止一個，每個光波耦合輸出面7的反射率滿足以下公式：
其中，η為光波耦合輸出面的次序，Τ為每個光波耦合輸出面反射到平面波導(dǎo)襯底6表面 的能量，Rn為第η個光波耦合輸出面的反射率。
[0026] 可選的，光波耦合輸入面5的有效通光口徑內(nèi)鍍有相應(yīng)的增透膜。
[0027] 可選的，光波耦合輸入面5的外表面旋涂有相應(yīng)的反射膜。
[0028] 可選的，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)4為非球面準(zhǔn)直透鏡。
[0029] 平面波導(dǎo)成像方法，具有以下步驟： 發(fā)出顯示所需圖像的光波，對所述光波進(jìn)行準(zhǔn)直，光波耦合輸入面5將準(zhǔn)直的光波耦合 進(jìn)入到平面波導(dǎo)，對耦合進(jìn)入的光波進(jìn)行全反射傳播，直至傳播到光波耦合輸出面7,光線 在所述光波耦合輸出面7被反射和折射，被折射的光線繼續(xù)傳播直至下一個所述光波耦合 輸出面7,被反射的光線輸出到平面波導(dǎo)襯底6外成像； 所述光波耦合輸出面的反射率滿足以下公式：
其中，η為光波耦合輸出面的次序，Τ為每個光波耦合輸出面反射到平面波導(dǎo)襯底6表面 的能量，Rn為第η個光波耦合輸出面的反射率。
[0030] 可選的，所述光波耦合輸入面5的有效通光口徑內(nèi)鍍有相應(yīng)的增透膜。
[0031] 可選的，所述光波耦合輸入面5的外表面旋涂有相應(yīng)的反射膜。
[0032] 可選的，采用非球面透鏡對所述光波進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0033] 如圖1，圖像源3優(yōu)選LC0S。對于穿透式可穿戴波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，為了使整體結(jié)構(gòu)變 得更小型化，通常采用微顯示器作為圖像源3。在可穿戴光學(xué)設(shè)備中，圖像源系統(tǒng)主要提供 觀察的圖像信息。目前主流的微顯示器有〇1^、^^、01^0丄(：05等，不同的顯示技術(shù)對應(yīng)不同 的顯示要求及應(yīng)用領(lǐng)域。為了能夠在體積上對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使其趨于微型化， 便攜式，再者考慮到光源各點亮度的均勻性、輸出光效以及亮度的要求和分辨率與尺寸的 限制等因素，采用LC0S作為微顯示系統(tǒng)的圖像源3。對于硅基液晶LC0S，可根據(jù)具體的要求 選擇CF-LC0S或CS-LC0S，兩者主要在分辨率上存在顯著差別，同尺寸CS-LC0S的分辨率通常 高于CF-LC0S的，同時考慮到不同的顯示系統(tǒng)反射出的光波的偏振態(tài)不同，為了能滿足光學(xué) 設(shè)計和發(fā)射設(shè)計要求，在圖像源前面加偏光片，用于改變來自圖像源3的光波的偏振態(tài)，雖 然這將導(dǎo)致進(jìn)入波導(dǎo)顯示系統(tǒng)的整體光效降低，但是幸運的是硅基液晶LC0S通過提高照明 光源的亮度可以滿足相應(yīng)的應(yīng)用要求。
[0034] 光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)4優(yōu)選非球面透鏡。對于可穿戴視網(wǎng)膜技術(shù)，人眼作為最終的圖形信 息接收器，需要對來自圖像的光波進(jìn)行準(zhǔn)直以滿足人眼自由輕松地觀看。利用光學(xué)球面鏡 對圖像源3發(fā)出的光波進(jìn)行準(zhǔn)直，由于光學(xué)系統(tǒng)像差的存在，圖像經(jīng)過透鏡以后存在球差、 像散、畸變、場曲、彗差等像差，為此對于準(zhǔn)直透鏡需要按照應(yīng)用要求進(jìn)行嚴(yán)格的像差和球 差矯正，以期達(dá)到最終理想的成像效果，否則會影響光學(xué)器件系統(tǒng)的最終分辨率，導(dǎo)致人眼 直接觀察時的圖像質(zhì)量發(fā)生變化，使人眼無法清除的觀看到良好的圖像信息。由于普通球 面鏡在矯正像差時，需要不同材料和曲率的透鏡膠合，這將無形中使系統(tǒng)整體的重量和體 積增大。若采用非球面透鏡來完成像差的矯正，由于非球面透鏡在矯正像差時，單個非球面 透鏡即可實現(xiàn)，從而給系統(tǒng)的整體構(gòu)架以及重量帶來很大益處。
[0035] 利用棱鏡可以改變光線傳播方向的特點，在成像系統(tǒng)中通過棱鏡使圖像光波從一 個方位傳送的另一個所需的位置，這些改變主要利用了鏡面反射原理實現(xiàn)。來自光學(xué)準(zhǔn)直 系統(tǒng)4的光線入射到光波耦合輸入面5后，經(jīng)光波耦合輸入面5反射進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底6， 由于采用斜面耦合光波進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底6,可以有效的避免反射光線對原始圖像