系统的整体构架以及重量带来很大益处。
[0042]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。
[0043]波导衬底6可选的加工材料具有很多种，如玻璃材料凡31、凡32、1(9、81(7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41.8 °，塑料亚克力PMMA(Nd=1.49)全反射零界角为42.2 °。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。
[0044]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。
[0045]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I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I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。
[0046]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、第二光波親合输出面72、第三光波親合输出面73、第四光波親合输出面74和第五光波親合输出面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。
[0047]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。
[0048]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I设计时就采用区别于传统均匀照明的方式，使照明光源I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。
[0049]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。
[0050]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。
【主权项】
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。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。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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G02B27/01, G02B27/00
【公开号】CN105652447
【申请号】
【发明人】张圣军, 张庆
【申请人】上海理湃光晶技术有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月24日