CN105652447B - 平面波导成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了平面波导成像装置和方法，包括照明光源、光栅膜、图像源、光学准直系统、光波耦合输入面、平面波导衬底和光波耦合输出面。所述照明光源用于发出指数级分布的光波，所述光栅膜对所述照明光源发出的光波进行反射，所述图像源用于调制所述光栅膜反射的光波，而调制后的光波被所述光栅膜透射，所述光学准直系统对经所述光栅膜透射的光波进行准直，所述光波耦合输入面将准直光波耦合进入到平面波导，所述平面波导衬底对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波，所述光波耦合输出面用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底。本发明提供了一种改善穿戴波导输出图像亮度均匀性的装置和方法，降低了设计和加工难度。

Description

平面波导成像装置和方法

技术领域

本发明涉及一种成像装置和方法，尤其涉及一种平面波导成像装置和方法。

背景技术

目前平面波导成像领域，采用多个平行反射面反射输出大视场的图像由亮变暗，图像亮度不均一，使人眼不舒服。专利号为US 7576916 B2的文件中描述了采用多个不同入射角具有不同反射率的反射面来解决图像不均一的问题，但是该设计比较复杂，而且不易加工，对工艺有严苛的要求，更需要大量的经费投入。

发明内容

为了解决平面波导成像亮度均一性的技术问题，本发明提供了一种平面波导成像装置和方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供平面波导成像装置，包括：

照明光源，用于发出指数级分布的光波；

光栅膜，对所述照明光源发出的光波进行反射；

图像源，用于调制所述光栅膜反射的光波，调制后的光波被所述光栅膜透射；

光学准直系统，对经所述光栅膜透射的光波进行准直；

光波耦合输入面，将准直进入的光波耦合进入到平面波导；

平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；

光波耦合输出面，用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底；

其中，所述光学准直系统位于所述光栅膜和所述平面波导衬底之间，所述照明光源和所述图像源位于所述光栅源两端，所述光波耦合输出面位于所述平面波导衬底远离所述光波耦合输入面一侧。

可选的，所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。

可选的，所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。

可选的，所述图像源表面亮度呈指数级变化。

可选的，所述光学准直系统为非球面准直透镜。

本发明的第二方面提供平面波导成像方法，具有以下步骤：发出的指数级分布的光波，经过一定的空间变换反射到图像源表面，光波被所述图像源调制后出射，调制后的光线被光学准直系统准直，光波耦合输入面将准直的光波耦合进入到平面波导，对耦合进入的光波进行全反射传播，直至传播到光波耦合输出面，光波在所述光波耦合输出面被反射和折射，被折射的光线继续传播直至一个所述光波耦合输出面，对应所述图像源不同区域的光线在不同的所述光波耦合输出面被反射输出到所述波导衬底外成像。

可选的，所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。

可选的，所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。

可选的，所述图像源表面亮度呈指数级变化。

可选的，所述光学准直系统为非球面透镜。

本发明的有益技术效果如下：

本发明平面波导输出图像亮度均一性显著改善；

本发明设计和加工较简单，研究经费可控；

本发明提出了照明光源新的发展方向；

本发明扩大了视场角，避免激烈运动时看不清楚图像，提高了人眼舒适度；

本发明微型化，适用于穿戴是智能设备，具有很大的应用前景和想象空间。

附图说明

图1是本发明一实施例平面波导成像装置示意图。

图2是本发明一实施例照明光源光线调制装置示意图。

图3是本发明一实施例均匀照明输出图像示意图。

图4是本发明一实施例指数级照明输出图像示意图。

图5是本发明一实施例指数级照明与均匀照明输出图像亮度的对比曲线。

图6是本发明一实施例结合指数级照明和均匀照明输出图像示意图。

图7是本发明一实施例结合指数照明和均匀照明的输出图像与均匀照明输出图像亮度的对比。

其中，1-照明光源；2-光栅膜；3-图像源；4-光学准直系统；5-光波耦合输入面；6-波导衬底；7-光波耦合输出面；31-第一图像区域；32-第二图像区域；33-第三图像区域；34-第四图像区域；35-第五图像区域；71-第一光波耦合输出面；72-第二光波耦合输出面；73-第三光波耦合输出面；74-第四光波耦合输出面；75-第五光波耦合输出面。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

平面波导成像装置，包括：

照明光源1，该照明光源1发出指数级分布的S光；

光栅膜2，该光栅膜2反射S光；

图像源3，经光栅膜2反射的S光被图像源3接收，S光被图像源3调制成P光出射，P光被光栅膜2透射；

光学准直系统4，该光学准直系统4用以准直图像源3各点上发出的P光；

光波耦合输入面5，该光波耦合输入面5用以反射进入平面波导的P光；以及

光波耦合输出面7，多个光波耦合输出面7平行倾斜放置，光波耦合输入面5反射过来的光线经过波导衬底6的多次全反射，依次经过多个光波耦合输出面7，对应图像源3不同区域的光线在不同的光波耦合输出面7被反射输出到波导衬底6外成像，多个光波耦合输出面7用以扩大视场角。

可选的，光栅膜2与照明光源1呈45°角。

可选的，图像源3表面亮度呈指数级变化。

可选的，光学准直系统4为非球面准直透镜。

平面波导成像方法，具有以下步骤：照明光源1发出的指数级分布的S光，S光被光栅膜2反射到图像源3表面，S光被图像源3调制成P光出射，图像源3各点上发出的P光经过光栅膜2后被光学准直系统4准直，准直后的P光进入平面波导，进入平面波导的P光经光波耦合输入面5反射后在波导衬底6中遵循全反射定理传播，直至传播到光波耦合输出面7，光线在光波耦合输出面7被反射和折射，被折射的光线继续传播直至下一个光波耦合输出面7，对应图像源3不同区域的光线在不同的光波耦合输出面7被反射输出到波导衬底6外成像。

可选的，所述光波耦合输入面5的有效通光口径内镀有相应的增透膜。

可选的，所述光波耦合输入面5的外表面旋涂有相应的反射膜。

可选的，图像源3表面亮度呈指数级变化。

可选的，光学准直系统4为非球面准直透镜。

如图1，照明光源1优选LED。采用LED是因为追求平面波导成像装置更小的体积和更高光能。现有技术的照明均是考虑LED出射光线的角度以及光源的均一性问题，而本发明采用了指数级照明方式，简化了照明设计的难度，同时通过指数级照明方式可以和传统均匀照明方式互补输出更均一稳定的图像。

光栅膜2优选P&S光栅膜。对于穿透式波导显示系统，由于原理性能量损耗过大的原因，为了能够尽可能的提高系统最终的输出亮度，通常采用反射式的光源照射方式来照明图像源3表面，进而通过显示源表面的反射，调制出需要显示的图像信息。考虑到照明光源1的光线通过反射方式照射到图像源3表面后通过图像源的调制反射后能够继续进入后续的光学系统，因此采用P&S光栅膜，一方面可以减小系统整体的尺寸，另一方面保证经过图像源3反射的光线可以进入后续的光学系统和提高最终图像的对比度。

图像源3优选LCOS。对于 穿透式可穿戴波导光学系统，为了使整体结构变得更小型化，通常采用微显示器作为图像源3。在可穿戴光学设备中，图像源系统主要提供观察的图像信息。目前主流的微显示器有DLP、LCD、OLED、LCOS等，不同的显示技术对应不同的显示要求及应用领域。为了能够在体积上对系统的整体结构进行优化使其趋于微型化，便携式，再者考虑到光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度的要求和分辨率与尺寸的限制等因素，采用LCOS作为微显示系统的图像源3。对于硅基液晶LCOS，可根据具体的要求选择CF-LCOS或CS-LCOS，两者主要在分辨率上存在显著差别，同尺寸CS-LCOS的分辨率通常高于CF-LCOS的，同时考虑到不同的显示系统反射出的光波的偏振态不同，为了能满足光学设计和发射设计要求，在图像源前面加偏光片，用于改变来自图像源3的光波的偏振态，虽然这将导致进入波导显示系统的整体光效降低，但是幸运的是硅基液晶LCOS通过提高照明光源的亮度可以满足相应的应用要求。

光学准直系统4优选非球面透镜。对于可穿戴视网膜技术，人眼作为最终的图形信息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以满足人眼自由轻松地观看。利用光学球面镜对图像源3发出的光波进行准直，由于光学系统像差的存在，图像经过透镜以后存在球差、像散、畸变、场曲、彗差等像差，为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差和球差矫正，以期达到最终理想的成像效果，否则会影响光学器件系统的最终分辨率，导致人眼直接观察时的图像质量发生变化，使人眼无法清除的观看到良好的图像信息。由于普通球面镜在矫正像差时，需要不同材料和曲率的透镜胶合，这将无形中使系统整体的重量和体积增大。若采用非球面透镜来完成像差的矫正，由于非球面透镜在矫正像差时，单个非球面透镜即可实现，从而给系统的整体构架以及重量带来很大益处。

利用棱镜可以改变光线传播方向的特点，在成像系统中通过棱镜使图像光波从一个方位传送的另一个所需的位置，这些改变主要利用了镜面反射原理实现。来自光学准直系统4的光线入射到光波耦合输入面 5后，经光波耦合输入面 5反射进入波导衬底6，由于采用斜面耦合光波进入波导衬底6，可以有效的避免反射光线对原始图像像质的影响。通常为了进一步提高光波的耦合输入效率，可在耦合输入面 5的有效通光口径范围内镀相应的增透膜，以提高光波的耦合输入能量。

波导衬底6可选的加工材料具有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数等参数不同，导致全反射角临界角、材料的透过率、吸收系数、以及重量不同，考虑到实际应用条件的限制，需要根据具体要求进行选择。波导衬底6在传输光波的过程中，必须保证光线没有折射出波导衬底6的同时，尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则将导致大量的光波能量在传输过程中损失掉，影响图像最终的可见度。再者材料本身限制了可在波导衬底6中传输的图像的范围以及图像的亮度，为了扩大传输图像的范围，通常需要在衬底表面按照需求镀一定反射率的膜层，对材料的全反射角给予一定的扩展。对于光波在波导衬底6中的传输，满足全反射原理，对于国内某个光学材料厂家提供的K9(Nd=1.52)玻璃其全反射零界角为41.8º，塑料亚克力PMMA(Nd=1.49)全反射零界角为42.2º。对于本发明，考虑加工的方便以及成本问题，波导衬底6主要选择重量较轻的PMMA。对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，塑料PMMA的重量是K9玻璃的一半，此等重量优势在穿戴显示应用中有着很大的开发潜力。

光波在波导衬底 6中传输一段距离后，为了能够使其进入观察者的视野中，必须引入相应的介质使波导衬底6中传输的光线经过反射进入到人眼中。通常可以采用多个连续的有一定折射率的反射面实现这一功能，每个反射面反射传输光线的一部分能量，进而扩展了视场范围。可以在连续的反射面上镀铝膜或者镀一定的二向色膜来实现。

如图2所示，指数级照明方式作为本发明重要的部分，图中照明光源1采用指数级照明方式设计完成，主要是为了能量输出指数分配，保证最终波导器件输出图像的亮度均匀。光栅膜2除了可以实现将指数级的照明光源1的能量反射到图像源 3表面用于调制输出图像外，更重要的是保证图像源3调制反射出的光线可以毫无阻碍的穿过光栅膜2用于成像。经过光栅膜 2反射到图像源3表面的能量按照一定的指数定义域区间分割。图像源3的第一区域31、第二区域32、第三区域33、第四区域34、第五区域35分别对应第一光波耦合输出面71、第二光波耦合输出面72、第三光波耦合输出面73、第四光波耦合输出面74和第五光波耦合输出面75，因此通过将图像源3的第一区域31、第二区域32、第三区域33、第四区域34、第五区域35的发光亮度按照指数级方式进行设计可以避免输出图像的亮度不均一的问题。通过这种方式可以避免通过调节每个光波耦合反射面7的反射率来使波导输出图像亮度均一，简化了设计和加工难度。由于本发明采用的照明方式和普通的均匀照明方式不同，因此在设计时只需考虑能量的指数级分配即可，不需要考虑从传统照明方式中均一性的问题。

图3是本发明一实施例均匀照明输出图像示意图。采用第一光波耦合输出面71、第二光波耦合输出面72、第三光波耦合输出面73、第四光波耦合输出面74和第五光波耦合输出面75来耦合输出图像，用以扩大视场，便于观察者观察。 由于图3中每个光波耦合输出面的反射率均相同，因此导致输出图像的像面亮度出现了不均一性问题，随着光波耦合输出面7的增多，后面光波耦合输出面7能够反射输出的光波能量逐渐降低，最终导致输出图像的亮度非常不均匀，因此观察者在观察输出图像时感到不舒适。

图4是本发明一实施例指数级照明输出图像示意图。，由于采用指数照明方式，使得光波耦合输出面7左边输出的能量强度大于右边反射面输出的能量强度。

图5是本发明一实施例指数级照明与均匀照明输出图像亮度的对比曲线。曲线In-Ref-curve是采用指数照明的亮度曲线，由图可以看出在照明光源1设计时就采用区别于传统均匀照明的方式，使照明光源1输出到图像源3表面的亮度按照预期的指数级曲线变化，最终使图像源3相对应的输出到平面波导衬底6外的图像左侧的能量增加，而右侧像面的能量降低。曲线OR-Ref-curve是光波耦合输出面7的反射率相同的情形下，每个光波耦合输出面7反射到平面波导衬底6表面对应的输出能量曲线。对于曲线In-Ref-curve和曲线OR-Ref-curve，由图可以看出第一光波耦合输出面71反射输出的能量最大，其它光波耦合输出面7输出的能量依次递减，然而第一光波耦合输出面71对应于第一区域31，这样输出的能量被强制拉低，第五光波耦合输出面75对应于第五区域35，进而反射输出的能量得到提升。图6是本发明一实施例结合指数级照明和均匀照明输出图像示意图。通过这一系列的相互平衡，最终导致输出像面的亮度保持基本的均一，通过这种简单的照明补偿方式可以很容易得到一般的应用场景可以接受的亮度均一性图像，极大地简化了设计的难度和加工成本。

图7是本发明一实施例结合指数照明和均匀照明的输出图像与均匀照明输出图像亮度的对比。曲线OR-Ref-curve是均匀照明输出到平面波导衬底6表面的能量曲线图，而曲线AV-Ref-curve是均匀照明结合指数级照明输出到平面波导衬底6表面的能量分布曲线。通过对比曲线OR-Ref-curve和曲线AV-Ref-curve可以看出，指数级照明方式显著地改变了原来图像存的不均一性问题，同时可以看出每个反射面输出的能量基本一致，对于一般的场景应用已经能够满足要求。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，例如平面波导结构改成光栅结构，照明光源的其他容易想到的照明方式变换等都用涵盖在本发明的保护之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.平面波导成像装置，其特征在于，包括：

照明光源，用于发出指数级分布的光波；

光栅膜，对所述照明光源发出的光波进行反射；

图像源，用于调制所述光栅膜反射的光波，调制后的光波被所述光栅膜透射；

光学准直系统，对经所述光栅膜透射的光波进行准直；

光波耦合输入面，将准直进入的光波耦合进入到平面波导；

平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；

光波耦合输出面，用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底；

其中，所述光学准直系统位于所述光栅膜和所述平面波导衬底之间，所述照明光源和所述图像源位于所述光栅膜两端，所述光波耦合输出面位于所述平面波导衬底远离所述光波耦合输入面一侧。

2.根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于：所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。

3.根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于：所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。

4.根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于：所述图像源表面亮度呈指数级变化。

5.根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于：所述光学准直系统为非球面准直透镜。

6.平面波导成像方法，其特征在于：发出的指数级分布的光波，经过一定的空间变换反射到图像源表面，光波被所述图像源调制后出射，调制后的光线被光学准直系统准直，光波耦合输入面将准直的光波耦合进入到平面波导，对耦合进入的光波进行全反射传播，直至传播到光波耦合输出面，光波在所述光波耦合输出面被反射和折射，被折射的光线继续传播直至下一个所述光波耦合输出面，对应所述图像源不同区域的光线在不同的所述光波耦合输出面被反射输出到所述平面波导衬底外成像。

7.根据权利要求6所述的平面波导成像方法，其特征在于：所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。

8.根据权利要求6所述的平面波导成像方法，其特征在于：所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。

9.根据权利要求6所述的平面波导成像方法，其特征在于：所述图像源表面亮度呈指数级变化。

10.根据权利要求6所述的平面波导成像方法，其特征在于：所述光学准直系统为非球面透镜。