平面波导成像装置和方法
【专利说明】平面波导成像装置和方法
[0001]
技术领域
[0002]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。
[0003]
【背景技术】
[0004]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。
[0005]
【发明内容】
[0006]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。
[0007]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親合输入面一侧。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]可选的，所述图像源表面亮度呈指数级变化。
[0011 ]可选的，所述光学准直系统为非球面准直透镜。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]可选的，所述图像源表面亮度呈指数级变化。
[0016]可选的，所述光学准直系统为非球面透镜。
[0017]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。
[0018]
【附图说明】
[0019]图1是本发明一实施例平面波导成像装置示意图。
[0020]图2是本发明一实施例照明光源光线调制装置示意图。
[0021]图3是本发明一实施例均匀照明输出图像示意图。
[0022]图4是本发明一实施例指数级照明输出图像示意图。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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-第三光波親合输出面;74-第四光波親合输出面;75-第五光波親合输出面。
[0027]
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]平面波导成像装置，包括:
照明光源1，该照明光源I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。
[0030]可选的，光栅膜2与照明光源I呈45°角。
[0031 ]可选的，图像源3表面亮度呈指数级变化。
[0032]可选的，光学准直系统4为非球面准直透镜。
[0033]平面波导成像方法，具有以下步骤:照明光源I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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]可选的，图像源3表面亮度呈指数级变化。
[0037]可选的，光学准直系统4为非球面准直透镜。
[0038]如图1，照明光源I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。
[0039]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I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。
[0040]图像源3优选LC0S。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、IXD、0LED、LC0S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LC0S，可根据具体的要求选择CF-LCOS或CS-LC0S，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。
[0041]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