CN105652448A - 平面波导成像装置和方法 - Google Patents

平面波导成像装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105652448A
CN105652448A CN201610172023.XA CN201610172023A CN105652448A CN 105652448 A CN105652448 A CN 105652448A CN 201610172023 A CN201610172023 A CN 201610172023A CN 105652448 A CN105652448 A CN 105652448A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light wave
wave coupling
out face
slab guide
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610172023.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张圣军
张庆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Li Paiguang Crystal Technique Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Li Paiguang Crystal Technique Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Li Paiguang Crystal Technique Co Ltd filed Critical Shanghai Li Paiguang Crystal Technique Co Ltd
Publication of CN105652448A publication Critical patent/CN105652448A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种平面波导成像装置和方法，包括图像显示光源、光学准直系统、光波耦合输入面和光波耦合输出面。所述照明光源用于发出显示所需图像的显示光波，所述光学准直系统对图像显示光源发出的光波进行准直，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，所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：式中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。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US7576916B2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：
图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；
光学准直系统，对图像显示光源发出的显示光波进行准直；
光波耦合输入面，将准直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，光学准直系统位于图像显示光源和平面波导衬底之间，光波耦合输出面位于平面波导衬底远离光波耦合输入面一侧；
所述光波耦合输出面不止一个，每个光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
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：发出显示所需图像的显示光波，对所述显示光波进行准直，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，光线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，被反射的光线被反射输出到所述平面波导衬底6外成像；
所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
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，采用非球面透镜对所述光波进行准直。
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，需要投入经费较少；
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。
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是本发明一实施例输出图像亮度示意图。
图3是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。
图4是本发明一实施例输出图像亮度示意图。
图5是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。
其中，3-图像显示光源；4-光学准直系统；5-光波耦合输入面；6-平面波导衬底；7-光波耦合输出面；31、71-第一光波耦合输出面；32、72-第二光波耦合输出面；33、73-第三光波耦合输出面；34、74-第四光波耦合输出面；35、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：
图像显示光源3，用于发出显示所需图像的显示光波；
光学准直系统4，对图像显示光源3发出的光波进行准直；
光波耦合输入面5，将准直光波耦合进入到平面波导；
光波耦合输出面7，用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底6；
其中，光学准直系统4位于图像显示光源3和平面波导衬底6之间，光波耦合输出面7位于平面波导衬底6远离光波耦合输入面5一侧；
所述光波耦合输出面7不止一个，每个光波耦合输出面7的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底6表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
可选的，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，光波耦合输入面5的外表面旋涂有相应的反射膜。
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：
发出显示所需图像的光波，对所述光波进行准直，光波耦合输入面5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7，光线在所述光波耦合输出面7被反射和折射，被折射的光线继续传播直至下一个所述光波耦合输出面7，被反射的光线输出到平面波导衬底6外成像；
所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底6表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
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，采用非球面透镜对所述光波进行准直。
如图1，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反射进入平面波导衬底6，由于采用斜面耦合光波进入平面波导衬底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。
平面波导衬底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。平面波导衬底6在传输光波的过程中，必须保证光线没有折射出平面波导衬底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平面波导衬底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，通常需要在平面波导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。对于光波在平面波导衬底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，平面波导衬底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。
光波在平面波导衬底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平面波导衬底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。
图2是本发明一实施例输出图像亮度示意图。图2中，光波耦合输出面7包括第一光波耦合输出面31、第二光波耦合输出面32、第三光波耦合输出面33、第四光波耦合输出面34和第五光波耦合输出面35来耦合输出图像，用以扩大视场，便于观察者观察。由于图2中每个光波耦合输出面7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数量的增多，第一光波耦合输出面31以后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3是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。为了进一步说明光波耦合输出面反射率相同的情形下，不同的光波耦合输出面的反射率曲线和不同的光波耦合输出面输出到平面波导衬底6表面的能量曲线，因此假设每个光波耦合输出面的反射率都为R，则反射到平面波导衬底表面的光波能量T和光波耦合输出面的反射率R之间的关系为：
其中，Tn是每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，R是每个光波耦合输出面的反射率，n为光波耦合输出面的顺序。假设R＝20％，可以计算出每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量。由图3为R和T的曲线图，可以看出随着光波耦合输出面次数的增多，在保持每个光波耦合输出面的反射率不变的情形下，每个光波耦合输出面的反射率曲线Ref-curve为一条水平线，而反射到平面波导衬底表面的能量曲线In-curve由当初的20开始成指数级趋势减小，这也说明随着光波耦合输出面数量的增加，后续光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量开始骤减，从而导致输出图像的像面亮度不均一性问题。
图4是本发明一实施例输出图像亮度示意图。为了消除由于光波耦合输出面7反射率相同带来的输出图像亮度不均一的问题，可以采用使光波耦合输出面7的反射率不同的方式来改善这个问题。图4中，光波耦合输出面7包括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、第五光波耦合输出面。为了保证光波耦合输出面在平面波导衬底6表面输出的能量均一，上述光波耦合输出面7的反射率必须采用不同的反射率依次组成，这样可以显著改善图像亮度不均一的问题。
图5是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。为了实现图3中需要的显示效果，必须保证每个反射面的反射率不同，因此假设每个反射面反射到平面波导衬底表面的能量均为T，则每个反射面的反射率R和T之间的关系为：
其中，n为光波耦合输出面的次序，Rn是第n个光波耦合输出面的反射率，T是光波耦合输出面7反射到波导平面波导衬底表面的能量。为了说明两者的具体关系，取T=20%，则可以计算得到第一光波耦合输出面71至第五光波耦合输出面75的反射率。图5中，曲线Int-curve为光波耦合输出面7反射到平面波导衬底表面的能量曲线，曲线Ref-curve为每个光波耦合输出面7的反射率曲线。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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 (8)

1.平面波导成像装置，其特征在于，包括：
图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；
光学准直系统，对图像显示光源发出的显示光波进行准直；
光波耦合输入面，将准直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，光学准直系统位于图像显示光源和平面波导衬底之间，光波耦合输出面位于平面波导衬底远离光波耦合输入面一侧；
所述光波耦合输出面不止一个，每个光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
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：所述光学准直系统为非球面准直透镜。
5.平面波导成像方法，其特征在于：发出显示所需图像的显示光波，对所述显示光波进行准直，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，光线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，被反射的光线输出到所述平面波导衬底外成像；
所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，n为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面的能量，Rn为第n个光波耦合输出面的反射率。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求5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。
8.根据权利要求5所述的平面波导成像方法，其特征在于：采用非球面透镜对所述光波进行准直。
CN201610172023.XA 2016-01-28 2016-03-24 平面波导成像装置和方法 Pending CN105652448A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2016100586657 2016-01-28
CN201610058665 2016-01-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105652448A true CN105652448A (zh) 2016-06-08

Family

ID=56494470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610172023.XA Pending CN105652448A (zh) 2016-01-28 2016-03-24 平面波导成像装置和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105652448A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991737A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 深圳点石创新科技有限公司 光学投影系统
CN110082907A (zh) * 2018-01-26 2019-08-02 华为技术有限公司 一种光波导结构及显示装置
CN110927969A (zh) * 2019-12-09 2020-03-27 京东方科技集团股份有限公司 光学显示系统和显示装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1752808A (zh) * 2004-09-24 2006-03-29 亚洲光学股份有限公司 可提升光利用率及发射均匀度的光导装置
CN104216120A (zh) * 2014-08-29 2014-12-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统
CN104280885A (zh) * 2014-09-27 2015-01-14 郑敏 大出瞳全息波导眼镜系统
CN104536088A (zh) * 2015-01-24 2015-04-22 上海理湃光晶技术有限公司 齿形镶嵌平面波导光学器件
JP2015096883A (ja) * 2013-11-15 2015-05-21 セイコーエプソン株式会社 光学素子および画像表示装置並びにこれらの製造方法
US20150138510A1 (en) * 2013-11-20 2015-05-21 Christie Digital Systems Canada Inc. System for variable distribution of light

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1752808A (zh) * 2004-09-24 2006-03-29 亚洲光学股份有限公司 可提升光利用率及发射均匀度的光导装置
JP2015096883A (ja) * 2013-11-15 2015-05-21 セイコーエプソン株式会社 光学素子および画像表示装置並びにこれらの製造方法
US20150138510A1 (en) * 2013-11-20 2015-05-21 Christie Digital Systems Canada Inc. System for variable distribution of light
CN104216120A (zh) * 2014-08-29 2014-12-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统
CN104280885A (zh) * 2014-09-27 2015-01-14 郑敏 大出瞳全息波导眼镜系统
CN104536088A (zh) * 2015-01-24 2015-04-22 上海理湃光晶技术有限公司 齿形镶嵌平面波导光学器件

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991737A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 深圳点石创新科技有限公司 光学投影系统
CN109991737B (zh) * 2017-12-29 2024-06-14 深圳点石创新科技有限公司 光学投影系统
CN110082907A (zh) * 2018-01-26 2019-08-02 华为技术有限公司 一种光波导结构及显示装置
CN110082907B (zh) * 2018-01-26 2021-02-23 华为技术有限公司 一种光波导结构及显示装置
CN110927969A (zh) * 2019-12-09 2020-03-27 京东方科技集团股份有限公司 光学显示系统和显示装置
US11886051B2 (en) 2019-12-09 2024-01-30 Beijing Boe Optoelectronics Technology Co., Ltd. Display device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10330937B2 (en) Near-eye display apparatus
CN104597602A (zh) 高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件
CN104503087B (zh) 偏振导光的平面波导光学显示器件
CN107024769B (zh) 一种基于波导的显示系统
CN104536088B (zh) 齿形镶嵌平面波导光学器件
CN103513423B (zh) 透视显示器件
CN103718083B (zh) 头戴式显示器和用于头戴式显示器的目镜
CN104678555B (zh) 屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件
CN101359089B (zh) 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
CN103513424B (zh) 透视显示器件
KR20170120618A (ko) 균일한 이미지를 갖는 소형 헤드 장착 디스플레이 시스템
CN205643970U (zh) 一种背光单元、液晶模组以及虚拟现实设备
CN104656258A (zh) 屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件
CN104614858A (zh) 增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件
CN105652447A (zh) 平面波导成像装置和方法
CN104597565A (zh) 增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件
CN104536139A (zh) 一种棱镜耦合的楔形平面波导光学器件
CN108732767A (zh) 一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置
CN103513422A (zh) 透视显示器件
CN111025661A (zh) 一种光纤耦合波导近眼显示光学装置
CN105652448A (zh) 平面波导成像装置和方法
US11644673B2 (en) Near-eye optical system
JP2019045847A (ja) ヘッドマウント式表示装置及び像形成レンズユニット
WO2023273691A1 (zh) 一种可穿戴设备及其制备方法
CN210166569U (zh) 基于自由曲面和光波导的增强现实光学系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160608