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。
[0036]平面波导衬底6可选的加工材料具有很多种，如玻璃材料；31、；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。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=l. 52)玻璃其全反射零 界角为41.8 °，塑料亚克力PMMA(Nd=l. 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，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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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，?η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，η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。
[0040]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，光波親合输出面7包括第一光波親合输出面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、第五光波親合输出面。为了保 证光波親合输出面在平面波导衬底6表面输出的能量均一，上述光波親合输出面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。
[0041]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，η为光波耦合输出面的次序，Rn是第η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Τ=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为光波親合输出面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。
[0042]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。
【主权项】
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； 光波禪合输入面，将准直光波禪合进入到平面波导； 平面波导衬底，对禪合进入的光波进行反射传播形成全反射光波； 光波禪合输出面，用于视场扩展W及光波禪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，光波禪合输出面位于平 面波导衬底远离光波禪合输入面一侧； 所述光波禪合输出面不止一个，毎个光波规合输出面的反射率满足W下公式：其中，n为光波禪合输出面的次序，T为每个光波禪合输出面反射到平面波导衬底表面 的能量，Rn为第n个光波禪合输出面的反射率。2. 根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于:所述光波禪合输入面的有效 通光口径内锻有相应的增透膜。3. 根据权利要求1所述的平面波导成像装置，其特征在于:所述光波禪合输入面的外表 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，光波禪合输入面将准直的光波禪合进入到平面波导，对禪合进入的光波进行全反 射传播，直至传播到光波禪合输出面，光线在所述光波禪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禪合输出面，被反射的光线输出到所述平面波导衬底外 成像； 所述光波禪合输出面的反射率满足W下公式：其中，n为光波禪合输出面的次序，T为每个光波禪合输出面反射到平面波导衬底表面 的能量，Rn为第n个光波禪合输出面的反射率。6. 根据权利要求5所述的平面波导成像方法，其特征在于:所述光波禪合输入面的有效 通光口径内锻有相应的增透膜。7. 根据权利要求5所述的平面波导成像方法，其特征在于:所述光波禪合输入面的外表 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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G02B27/01
【公开号】CN105652448
【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