CN113176665A - 一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统。本发明实施例提供一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统，该制作方法包括：获取屈光镜片在镜片不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；根据所述相位和预设结构数据库，确定超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，其中，预设结构数据库包括基础相位和基础相位对应的纳米结构单元；根据所述超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，得到超表面结构透镜，通过该制作方法制成的超表面结构透镜，能够用于矫正用户视力，该超表面结构应用在近眼显示系统时，不仅能矫正用户视力，而且能够减轻整体设备重量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统。
背景技术
增强现实(Augment Reality，AR)眼镜结合智能算法和特殊光波导结构，能够将虚拟信息和现实信息结合叠加后呈现至人眼。由于AR技术具有增强现实功能，其在军工、医疗、教育、娱乐行业均有广泛的应用。
目前，在许多AR眼镜方案中，眼睛屈光不正人群在使用AR眼镜时一般通过在AR模组前加近视镜片或者远视镜片来矫正视力，然而，AR眼镜模组本身具有一定重量，同时，传统的近视镜片和远视镜片也比较厚重，这样就导致了眼睛屈光不正人群在使用AR眼镜时，整体设备重量较重，不易佩戴。
发明内容
本发明实施例提供一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统，通过该制作方法制成的超表面结构透镜，能够用于矫正用户视力，应用在近眼显示系统时，能够减轻整体设备重量。
第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种超表面结构透镜的制作方法，包括：
获取屈光镜片内不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；
根据所述相位和预设结构数据库，确定所述超表面结构透镜内不同位置的纳米结构单元，其中，所述预设结构数据库包括基础相位和所述基础相位对应的纳米结构单元；
根据所述超表面结构透镜内不同位置的纳米结构单元，得到所述超表面结构透镜。
在一些实施例中，所述方法还包括：
构建基础结构数据库，所述基础结构数据库包括不同的纳米结构单元以及所述纳米结构单元对应的相位；
根据预设相位步长得到不同的基础相位；
根据所述基础相位和所述基础结构数据库，构建所述预设结构数据库。
在一些实施例中，所述构建基础结构数据库，包括:
采用设计波长的光线扫描不同的纳米结构单元得到对应的相位分布，构建所述基础结构数据库。
在一些实施例中，所述获取屈光镜片内镜片不同位置的相位，包括：
根据相位公式得到所述屈光镜片内不同位置的相位。
在一些实施例中，所述屈光镜片为远视镜片或近视镜片，所述相位公式为：
其中，
为所述屈光镜片的位置为(x,y)时对应的相位,λ为设计波长，(x,y)为所述屈光镜片内不同位置的点坐标，f为所述屈光镜片的焦距。
在一些实施例中，所述屈光镜片为散光镜片，所述相位公式为柱透镜相位公式。
第二方面，本发明实施方式提供一种超表面结构透镜，所述超表面结构透镜由第一方面任意一项所述的制作方法制作而成。
第三方面，本发明实施方式提供一种近眼显示系统，包括：光波导和超表面结构透镜，所述光波导具有相互平行的第一侧和第二侧，所述超表面结构透镜设置在所述光波导的第一侧，所述超表面结构透镜用于对环境光进行屈光，以矫正用户视力。
在一些实施例中，所述超表面结构透镜为第二方面所述的超表面结构透镜。
在一些实施例中，所述光波导为几何阵列光波导或光栅光波导。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统，该制作方法包括：获取屈光镜片在镜片不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；根据所述相位和预设结构数据库，确定超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，其中，预设结构数据库包括基础相位和基础相位对应的纳米结构单元；根据超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，得到超表面结构透镜，通过该制作方法制成的超表面结构透镜，能够用于矫正用户视力，该超表面结构应用在近眼显示系统时，不仅能矫正用户视力，而且能够减轻整体设备重量。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种超表面结构透镜的制作方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种构建预设结构数据库的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基础结构数据库；
图4是本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的再一种近眼显示系统的结构示意图；
图7是图6的光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种超表面结构透镜的制作方法，请参阅图1，该制作方法包括：
步骤S1：获取屈光镜片内不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；
对于非正常视力的人群，其瞳孔无法正确聚焦光线到视网膜中，为了矫正屈光不正人群的视力，常常利用屈光镜片来实现矫正用户的视力。例如近视镜片可用来矫正近视人群的视力、远视镜片可用来矫正远视人群的视力、以及散光镜片可用来矫正散光人群的视力等。这些不同的屈光镜片由于记录了不同的、可矫正用户视力的屈光度信息，故可用于矫正用户视力。而屈光度信息本质上是屈光镜片在镜片内不同位置对光波的相位变换的总作用结果，因此可通过获取屈光镜片在镜片内不同位置的相位、来获得屈光镜片的屈光度信息。
具体的，在其中一些实施例中，所述获取屈光镜片内不同位置的相位，包括：根据相位公式得到所述屈光镜片内不同位置的相位。
进一步的，在其中一些实施例中，所述屈光镜片为远视镜片或近视镜片时，所述相位公式为：
其中，
为屈光镜片的位置为(x,y)时对应的相位,λ为设计波长，(x,y)为屈光镜片在不同位置时的点坐标，f为所述屈光镜片的焦距。
以近视度数为200度的近视镜片为例，首先在近视镜片上建立二维坐标系，为了合理地获得镜片上不同位置的相位信息，可在镜片表面上划分不同的区域，并以区域中心点坐标来代表该区域的位置；接着，选择设计波长，设计波长可以为可见光波长范围内预设的任一波长，即设计波长的范围为380nm至780nm，在此我们选择525nm作为设计波长；最后，利用上述相位公式计算得到该近视镜片在设计波长为525nm下不同位置的相位，如表1所示。
表1近视度数为200度的近视镜片的相位分布表
由表1可见通过上述的相位公式和预设的波长，可计算出近视镜片内不同位置的相位分布情况。
在其他一些实施例中，所述屈光镜片可以为散光镜片，此时，相位公式为柱透镜相位公式。不同的屈光镜片对应有不同的相位公式，在实际应用中应依据实际挑选的屈光镜片进行设定合适的相位公式，在此不需拘泥于本实施例中的限定。
步骤S2：根据所述相位和预设结构数据库，确定所述超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，其中，所述预设结构数据库包括基础相位和所述基础相位对应的纳米结构单元；
具体的，将步骤S1中获取的屈光镜片在某一位置的相位和预设结构数据库中的基础相位进行对比；一般，为了能够选取较合适的纳米结构单元，采用就近原则匹配得到与所述相位最接近的一个基础相位；接着，再从预设结构数据库中得到该基础相位对应的纳米结构单元，从而得到超表面结构透镜的同一相位的位置的纳米结构单元，进而得到超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元。
进一步地，在其中一些实施例中，在执行该步骤S2时，请参阅图2，所述方法还包括：
步骤S21：构建基础结构数据库，所述基础结构数据库包括不同的纳米结构单元以及所述纳米结构单元对应的相位；
步骤S22：根据预设相位步长得到不同的基础相位；
步骤S23：根据所述基础相位和所述基础结构数据库，构建所述预设结构数据库。
具体的，可以采用设计波长的光线扫描不同的纳米结构单元得到对应的相位分布，构建所述基础结构数据库。为了更加准确得到超表面结构透镜上的相位以及纳米结构，在此选用的设计波长应该与前述在相位公式中所用的设计波长相等。其中，纳米结构单元可以是圆形纳米柱结构、矩形纳米柱结构、不对称十字形纳米柱结构、工字形纳米柱结构或者是其他一切合适的纳米柱结构，也可以是不同结构之间的组合结构，在实际应用中纳米结构单元内的纳米柱结构、数量均可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
例如，以一个纳米结构单元内为一个圆柱纳米结构为例，阐述构建预设结构数据库的过程：
首先，根据理论公式扫描出在波长为525nm的光线下，不同高度、不同半径的圆柱纳米结构对应的相位，如图3所示。所述理论公式为：
phase＝n_eff×h×k0
其中，phase是该圆柱纳米结构对应的相位，n_eff是该圆柱纳米结构的等效折射率，h为该圆柱纳米结构的高度，k0是空气中的波矢量。
对于不同高度、不同半径的圆柱纳米结构，其等效折射率也不同，因此，在获取不同高度、不同半径的圆柱纳米结构时，我们采用扫描的方式，对不同结构单元进行扫描，得到对应的相位。如图3可见，在该基础结构数据库中包含了不同高度、不同半径的圆柱结构，以及这些圆柱结构分别对应的相位信息，并且相位信息涵盖了0到2π的范围。
接着，在相位为0到2π的范围内，按照π/4的相位步长进行相位划分，得到8个基础相位，分别为：0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4和2π。
然后，在图3所示的基础结构数据库中，挑选出与8个基础相位对应的圆柱纳米结构，那么得到的预设结构数据库中，将包含所述8个基础相位、以及8个基础相位对应的圆柱纳米结构。
可以理解的是，预设相位步长越小，得到的预设结构数据库越精细，计算也越复杂。在此选择π/4的相位步长不仅可以保证超表面结构透镜可以涵盖所需的相位信息，并且方便计算。应当注意的是，预设相位步长也可以是其他一切合适的长度，在此不做限定。
为了方便后续加工以及提高超表面结构透镜的应用效果，在构建预设结构数据库时，还可以根据实际可加工的圆柱高度和理论最优原则对基础数据库中的纳米结构单元进行挑选。在实际应用中，理论最优原则可以是柱体透过率最优原则或者是其他一切合适的最优原则。
具体的，在构建预设结构数据库时，还可以获得在预设波长光线下、不同的纳米结构单元对应的柱体透过率，从而得到一个相对较高的柱体透过率对应的纳米结构单元高度范围；接着，再根据实际可加工的纳米结构单元的高度，来选定一个合适的纳米结构单元的高度；然后，再结合该高度、基础相位和基础结构数据库来得到预设结构数据库。通过这样的方式得到预设结构数据库，后续不仅利于加工，而且也利于在矫正用户视力时，方便环境光线透过超表面结构透镜，不阻碍人眼获取环境光线。
例如，以一个纳米结构单元内为一个圆柱纳米结构为例，在构建预设结构数据库时，可先在采用预设波长光线对不同高度、不同半径的圆柱纳米结构对应的相位分布时，同时得到不同高度、不同半径的圆柱纳米结构对应的柱体透过率；接着，可以得到柱体透过率较大的圆柱纳米结构对应的一个高度范围；然后，再根据可加工的柱体高度，从高度范围中选定一个合适的高度为383nm；即可在构建预设结构数据库时，固定圆柱纳米结构的高度为383nm；最后，在基础结构数据库中，找到在383nm高度下的圆柱纳米结构，从中挑选出与8个基础相位对应的8个不同半径的圆柱纳米结构，那么得到的预设结构数据库中将包含所述8个基础相位、以及8个基础相位对应的8个不同半径的圆柱纳米结构。一般，可加工的圆柱高度范围在几十纳米到微米级别。
步骤S3：根据所述超表面结构透镜内不同位置的纳米结构单元，得到所述超表面结构透镜。
具体的，通过在步骤S2中获取的超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，在超表面结构透镜的不同位置进行结构填充，从而得到制作好的超表面结构透镜。
在上述方式制作得到的超表面结构透镜中，通过屈光镜片内不同位置的相位和预设结构数据库，挑选出与屈光镜片内不同位置的相位对应的纳米结构单元，并对超表面结构透镜不同位置进行结构填充，从而得到超表面结构透镜，这样，超表面结构透镜的表面不同位置上对应记录有屈光镜片在不同位置的相位信息，从而使超表面结构透镜含有校正用户视力的屈光度信息，那么，该超表面结构透镜可用于矫正用户视力；并且，超表面结构透镜相比于普通的屈光镜片，其质量较轻，后续应用在近眼显示系统时，可以减轻整体设备的体积和质量。
第二方面，本发明实施方式提供一种超表面结构透镜，所述超表面结构透镜由第一方面任意一项所述的制作方法制作而成。该超表面结构透镜的不同位置上由于记录有屈光镜片对应位置的相位信息，因此，可用于实现用户的视力矫正，后续应用在近眼显示系统中，可以减轻设备的体积和重量。
第三方面，本发明实施方式提供一种近眼显示系统，请参阅图4，该近眼显示系统100包括：超表面结构透镜10和光波导20，其中，光波导20具有相互平行的第一侧和第二侧，超表面结构透镜10设置在所述光波导的第一侧，该超表面结构透镜10用于对环境光进行屈光，以矫正用户视力。
应注意，光波导的第一侧为远离人眼的一侧，光波导的第二侧为靠近人眼的一侧，这样，才能让超表面结构透镜对环境光进行屈光，不对光波导的图像光进行屈光。同时，超表面结构透镜10和光波导20的第一侧可以贴合设置，也可以不贴合设置，例如，超表面结构透镜10可以夹设在光波导20的第一侧。
在该近眼显示系统中，由于该超表面结构透镜含有矫正用户视力的屈光度信息，可通过超表面结构透镜对环境光线进行正确屈光，来矫正用户的视力，通过设计好超表面结构的屈光度信息，来实现矫正近视人群、远视人群或者是散光人群的视力；进一步，超表面结构透镜与普通的屈光镜片相比较时，超表面结构透镜的体积较为轻薄、重量较轻，应用在近眼显示系统中，能够降低整体设备的重量，进一步可以减轻弱视人群在佩戴近眼显示设备时、鼻梁所承受的重量，提高弱视人群在使用近眼显示设备时的舒适感和体验感。
在其中一些实施例中，请参阅图5，所述近眼显示系统还包括光机模组23，所述光机模组23用于提供图像光线。
在其中一些实施例中，请继续参阅图5，所述光波导20为几何阵列光波导，在光波导上设置有耦入棱镜以及选择性透过反射膜。这样，光机模组的图像光线经过耦入棱镜，图像光线被耦入至光波导，接着图像光线在光波导内发生全反射传播，当到达选择性透过反射膜后，图像光线被耦出并到达人眼。
在其他一些实施例中，请参阅图6，所述光波导20为光栅光波导，在光波导的第二侧上设有耦入光栅21和耦出光栅22。此时，请结合参阅图6和图7，光机模组23的图像光线经过耦入光栅21并耦入至光波导20，接着图像光线在光波导20内发生全反射传播，当到达耦出光栅22后被耦出光波导20，最后进入人眼；同时，外界实物200产生的环境光线通过超表面结构透镜10后，可以得到正确的屈光，并透过光波导20进入到人眼。应当注意的是，在图7中，虚线所示光线代表图像光线，实线所示光线代表环境光线。
在其中一些实施例中，所述超表面结构透镜为第二方面所述的超表面结构透镜。通过第二方面的超表面结构透镜，由于该超表面结构透镜含有矫正用户视力的屈光度信息，当应用在近眼显示系统中，可以实现对环境光的正确屈光，以矫正用户的视力。在实际应用中，该超表面结构透镜可以用其他方式来制作获得，只要超表面结构透镜含有正确矫正用户视力的屈光度信息即可，在此不做限定。
本发明实施例提供一种超表面结构透镜及其制作方法、近眼显示系统，该制作方法包括：获取屈光镜片在镜片不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；根据所述相位和预设结构数据库，确定超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，其中，预设结构数据库包括基础相位和基础相位对应的纳米结构单元；根据超表面结构透镜在不同位置的纳米结构单元，得到超表面结构透镜，通过该制作方法制成的超表面结构透镜，能够用于矫正用户视力，该超表面结构应用在近眼显示系统时，不仅能矫正用户视力，而且能够减轻整体设备重量。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种超表面结构透镜的制作方法，其特征在于，包括：
获取屈光镜片内不同位置的相位，所述屈光镜片用于矫正用户视力；
根据所述相位和预设结构数据库，确定所述超表面结构透镜内不同位置的纳米结构单元，其中，所述预设结构数据库包括基础相位和所述基础相位对应的纳米结构单元；
根据所述超表面结构透镜内不同位置的纳米结构单元，得到所述超表面结构透镜。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：
构建基础结构数据库，所述基础结构数据库包括不同的纳米结构单元以及所述纳米结构单元对应的相位；
根据预设相位步长得到不同的基础相位；
根据所述基础相位和所述基础结构数据库，构建所述预设结构数据库。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述构建基础结构数据库，包括:
采用设计波长的光线扫描不同的纳米结构单元得到对应的相位分布，构建所述基础结构数据库。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的制作方法，其特征在于，所述获取屈光镜片内不同位置的相位，包括：
根据相位公式得到所述屈光镜片内不同位置的相位。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述屈光镜片为远视镜片或近视镜片，所述相位公式为：
其中，
为所述屈光镜片的位置为(x,y)时对应的相位,λ为设计波长，(x,y)为所述屈光镜片内不同位置的点坐标，f为所述屈光镜片的焦距。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述屈光镜片为散光镜片，所述相位公式为柱透镜相位公式。
7.一种超表面结构透镜，其特征在于，所述超表面结构透镜由权利要求1-6任意一项所述的制作方法制作而成。
8.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：光波导和超表面结构透镜，所述光波导具有相互平行的第一侧和第二侧，所述超表面结构透镜设置在所述光波导的第一侧，所述超表面结构透镜用于对环境光进行屈光，以矫正用户视力。
9.根据权利要求8所述的近眼显示系统，其特征在于，所述超表面结构透镜为权利要求7所述的超表面结构透镜。
10.根据权利要求8或9所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光波导为几何阵列光波导或光栅光波导。
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