CN112799231A - 一种可穿戴的超表面结构的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴的超表面结构的设备包括显示单元和基于超表面结构的超构透镜，显示单元将产生的光学图像传输至超构透镜，超构透镜通过不同构造的纳米柱来消除色差，超构透镜为单层结构，只需通过光刻便可形成，相比于现有的复合式标准色差透镜来说，可以大大减小透镜的厚度以及降低设计和制造的复杂度，能够降低相关设备的重量和成本，提升用户的使用体验。

Description

一种可穿戴的超表面结构的设备
技术领域
本发明涉及可穿戴智能设备领域，特别是一种可穿戴的超表面结构的设备。
背景技术
随着消费升级，以及AI、VR、AR等技术的逐渐成熟与推广，可穿戴智能设备的功能从运动监测到短信和电话提醒，从玩游戏、在线教育到畅游互联网，可穿戴智能设备已经从过去的单一功能迈向多功能，越来越让人们感受到科技的魅力。
如附图1所示，AR光学结构包括显示屏10、第一聚焦透镜11、双胶合透镜13、反射光学元件14以及成像元件15，成像元件15包括平面成像镜片151以及曲面成像镜片152，AR光学结构通过第一聚焦透镜11将显示屏10产生的光学图像聚焦，然后经过双胶合透镜13传播至反射光学元件14后改变传播方向而传播至成像元件15再聚焦至人眼16接收，改善了光路布局，可以在一定程度上优化色差，如图2所示，VR光学模组包括距显示单元1由近及远依次设置的分光透镜2、第一延迟元件3和反射偏振元件4，分光透镜2设有半反半透膜20，在反射偏振元件4背对显示单元1的一侧设有反射偏振膜40，反射偏振元件4用于透射第一偏振方向的光线并反射第二偏振方向的光线，第一延迟元件3用于将显示单元1发出的光线在圆偏振光、第一偏振方向的光线和第二偏振方向的光线之间相互转化，可以看出，现有技术中的可穿戴智能设备为了实现更好的显示效果，往往需要将不同厚度和材质的光学器件叠加起来，大大增加了系统的复杂度和重量。
为了更好地推广可穿戴智能设备，进一步降低设备的重量和成本，提升用户的使用体验，如何在保证显示效果的同时降低光学组件的复杂性成为急需解决的技术问题。
发明内容
针对背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述可穿戴的超表面结构的设备包括显示单元和基于超表面结构的超构透镜；
所述显示单元将产生的光学图像传输至所述超构透镜，所述超构透镜通过不同构造的纳米柱来控制不同波长的速度，均匀聚焦不同波长的光线，将整个可见光谱聚焦于一点。
进一步地，所述超构透镜分为区域1、区域2和区域3，所述区域1包括多个导光单元1，所述区域2包括多个导光单元2，所述区域3包括导光单元3。
进一步地，所述导光单元1包括三个平行的高度相同的纳米柱。
进一步地，所述导光单元2包括两个相互垂直的高度相同的纳米柱。
进一步地，所述导光单元3包括两个平行的高度相同的纳米柱。
进一步地，合理设计各个所述导光单元的旋转角，对于固定相位进行补偿。
进一步地，合理设计各个所述纳米柱的尺寸和使用的材料，来对延迟色散进行补偿。
进一步地，所述纳米柱的材料选用电子束抗蚀剂，采用电子束曝光形成具体的纳米柱结构。
进一步地，，所述可穿戴的超表面结构的设备可以为智能眼镜、VR设备、AR设备或者MR设备。
可穿戴的超表面结构的设备具有如下有益效果：
超构透镜通过不同构造的纳米柱来控制不同波长的速度，均匀聚焦不同波长的光线，能够将整个可见光谱聚焦于一点，消除色差，超构透镜为单层结构，只需通过光刻便可形成，相比于现有的复合式标准色差透镜来说，可以大大减小透镜的厚度以及降低设计和制造的复杂度，能够降低相关设备的重量和成本，提升用户的使用体验。
附图说明
图1显示的是现有技术中AR光学结构图；
图2显示的是现有技术中VR光学模组的结构图；
图3显示的是超构透镜的结构图；
图4显示的是导光单元1的俯视结构图；
图5显示的是导光单元2的俯视结构图；
图6显示的是导光单元3的俯视结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
可穿戴的超表面结构的设备包括显示单元和基于超表面结构的超构透镜。显示单元将产生的光学图像传输至超构透镜，超构透镜通过不同构造的纳米柱来控制不同波长的速度，均匀聚焦不同波长的光线，能够将整个可见光谱聚焦于一点，消除色差。
基于超构透镜的相位延迟的典型分布如下：
Figure BDA0002880561120000021
其中，ω，c，r和F分别代表角频率、光速、径向坐标和焦距，将公式(1)在特定频率ωd处按照泰勒级数展开可得如下公式：
Figure BDA0002880561120000031
通过公式(2)可以看出，相位延迟包括
Figure BDA0002880561120000032
表征的固定相位和高阶导数项表征的延迟色散。
如附图3所示，超构透镜分为区域1、区域2和区域3，区域1包括多个导光单元1，区域2包括多个导光单元2，区域3包括多个导光单元3。如附图4所示，导光单元1包括三个平行的高度相同的纳米柱，如附图5所示，导光单元2包括两个相互垂直的高度相同的纳米柱，如附图6所示，导光单元3包括两个平行的高度相同的纳米柱。
为了完全克服相位延迟，对于各个纳米柱进行如下设计：
1)针对固定相位，当左旋圆偏振光束通过纳米柱时，透射光可以描述为：
Figure BDA0002880561120000033
其中
Figure BDA0002880561120000034
和
Figure BDA0002880561120000035
分别代表光线沿着纳米柱的长轴和短轴发生偏振时的传输系数，可以看出，相位偏移主要与导光单元的旋转角有关，通过输入光线的最大波长确定固定相位，基于几何相位原理，根据各个导光单元的所在位置，合理设计各个导光单元的旋转角(例如附图4中所示导光单元1的旋转角α1，附图5中所示导光单元2的旋转角α2，附图6中所示导光单元3的旋转角α3)，实现对于固定相位的补偿；
2)针对延迟色散，可以将每个纳米柱视为截短的短波，在忽略末端反射且给定坐标r的情况下，穿过纳米柱的相位为：
Figure BDA0002880561120000036
其中,neff和h分别代表纳米柱的有效折射率和高度，结合公式(2)可以看出，延迟色散与纳米柱的尺寸和使用的材料相关，例如为了实现在以520nm为中心，120nm带宽范围内消除延迟色散，对于导光单元1，将宽度w11、w12和w13均设计为80nm，将长度l11、l12和l13均设计为210nm，对于导光单元2，将宽度w21设计为230nm，将宽度w22设计为70nm，将长度l21设计为50nm，将长度l22设计为150nm，对于导光单元3，将宽度w31和宽度w32均设计为50nm，将长度l31设计为100nm，将长度l32设计为200nm，所有纳米柱的高度均为900nm，同一导光单元内纳米柱的间隔为200nm，通过导光单元的独特设计实现色散的灵活调节，对于延迟色散进行补偿。
纳米柱的材料可以选用电子束抗蚀剂，可以采用电子束曝光或紫外线光刻法形成具体的纳米柱结构，可以形成直径为2cm的超构透镜。
可穿戴的超表面结构的设备可以为智能眼镜、VR设备、AR设备或者MR设备。
本发明公开的可穿戴的超表面结构的设备包括显示单元和基于超表面结构的超构透镜，显示单元将产生的光学图像传输至超构透镜，超构透镜通过不同构造的纳米柱来消除色差，超构透镜为单层结构，只需通过光刻便可形成，相比于现有的复合式标准色差透镜来说，可以大大减小透镜的厚度以及降低设计和制造的复杂度，能够降低相关设备的重量和成本，提升用户的使用体验。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述可穿戴的超表面结构的设备包括显示单元和基于超表面结构的超构透镜；
所述显示单元将产生的光学图像传输至所述超构透镜，所述超构透镜通过不同构造的纳米柱来控制不同波长的速度，均匀聚焦不同波长的光线，将整个可见光谱聚焦于一点。
2.根据权利要求1所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述超构透镜分为区域1、区域2和区域3，所述区域1包括多个导光单元1，所述区域2包括多个导光单元2，所述区域3包括导光单元3。
3.根据权利要求2所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述导光单元1包括三个平行的高度相同的纳米柱。
4.根据权利要求2所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述导光单元2包括两个相互垂直的高度相同的纳米柱。
5.根据权利要求2所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述导光单元3包括两个平行的高度相同的纳米柱。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，合理设计各个所述导光单元的旋转角，对于固定相位进行补偿。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，合理设计各个所述纳米柱的尺寸和使用的材料，来对延迟色散进行补偿。
8.根据权利要求7所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述纳米柱的材料选用电子束抗蚀剂，采用电子束曝光形成具体的纳米柱结构。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的可穿戴的超表面结构的设备，其特征在于，所述可穿戴的超表面结构的设备可以为智能眼镜、VR设备、AR设备或者MR设备。
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