CN113359300B - 一种薄膜型近眼显示系统及内置该显示系统的眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜型近眼显示系统，包括图像源和光学系统，所述图像源采用空间光调制器投射经过编码的全息图像，所述光学系统仅由薄片状超表面波导构成，所述空间光调制器投射的全息图像经薄片状超表面波导传输后进入人眼。本发明还公开了一种眼镜。本发明采用可提供全息图像的空间光调制器提供光场图像，采用薄片状超表面波导兼具放大、光束传输和扩瞳元件功能。光波导基底可以将侧面的图像源的光束传输到人眼前的位置实现虚实融合；覆盖有的长条形微结构第一超表面区域在耦合功能的基础上具备图像放大准直功能，省去了透镜、棱镜等传统体光学元件，大幅减小光学系统体积重量；覆盖有长条形结构的第二超表面区域具有出瞳扩展功能。
Description
技术领域
本发明属于超表面器件应用领域，具体是一种薄膜型近眼显示系统及内置该显示系统的眼镜。
背景技术
增强/虚拟(AR/VR)现实设备被定义为继电脑、手机之后的下一代人和数据的交互平台，使得人与人、人与机器、人与数据的沟通变得更加自然高效，在智能制造、航空航天、医疗健康、教育教学、金融服务、公共安全、文化娱乐等领域具有重要的应用前景。
5G/6G和人工智能、大数据等技术的发展，进一步促进了AR/VR设备产业的发展。AR显示是将真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”叠加的技术形式，重点在于叠加信息不脱离现实世界，目前的研究大多采用超透镜替代共轴光学系统中的光学元件，但存在视线遮挡、体积偏大等问题。
光波导技术(含阵列薄膜、表面浮雕、体全息、超表面)通过全反射压缩将图像传导到人眼，具有轻薄、透过率高的特点，其外观接近近视镜片，是较符合消费级AR眼镜需求的重要技术路径。目前AR行业微软HoloLens采用表面浮雕光栅波导技术，需2到3片波导片叠加实现三色混色形成彩色画面，多片对准工艺易产生色散、鬼影等问题，而且还存在投影部分光机体积大、存在多级衍射导致图像外泄、双目视差引起的眩晕问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种薄膜型近眼显示系统，包括图像源和光学系统，所述图像源采用空间光调制器投射经过编码的全息图像，所述光学系统由薄片状超表面波导构成，所述空间光调制器投射的全息图像经薄片状超表面波导传输后进入人眼。
进一步的，所述薄片状超表面波导由上下平行的主平面构成基底，主平面覆盖有第一超表面区域和第二超表面区域。
进一步的，所述第一超表面区域和第二超表面区域同时设置在主平面的上表面或下表面上。
进一步的，所述第一超表面区域和第二超表面区域分布有多个长条形微结构，所述长方形微结构的材料包括以下材料中的一种：氧化钛、氮化硅、氮化镓。
进一步的，所述第一超表面区域和第二超表面区域的长条形微结构高度相同，为350-600nm，间隔250-450nm。
进一步的，所述第一超表面区域将垂直入射的球面波前调制转化为斜出射的近似平面波，对光束同时具有偏折和汇聚作用。
进一步的，所述第一超表面区域的相位延迟函数满足分布：
其中，(x、y)为第一超表面区域相对中心位置坐标，λ为光波波长，f为等效焦距，α为衍射角，α>35°。
进一步的，带全息图像信息的光波在薄片状超表面波导内部的上下表面不断全反射传输，入射到第二超表面区域，第二超表面区域对光束仅有偏折作用。
进一步的，光波入射到第二超表面区域后，相位分布再次被调制，分多次出射薄片状超表面波导，进入人眼。
本发明提供了一种内置薄膜型近眼显示系统的眼镜，所述眼镜包括镜片和镜架，所述空间光调制器设置在镜架上，所述薄片状超表面波导设置在镜片中心。
本发明针对AR产品对轻小型、隐私性、高能功效比、长时间佩戴的需求，采用可提供全息图像的空间光调制器提供光场图像，采用薄片状超表面波导替代传统光学中的透镜构建4F系统，滤除光场显示产生的0级衍射，采用无透镜设计，大幅减小了显示系统的重量和体积。基于超表面结构的薄片状超表面波导将现有单片光栅波导有效光谱范围由30～50nm扩展到350nm以上，实现单片三色实现彩色显示，且衍射效率可从10％左右提高到50％以上，大幅提升光能利用率并减少图像外泄；第一超表面区域和第二超表面区域设置在基底同一侧且高度相同，有利于半导体制造工艺。
在此基础上，超表面的波导与现有微电子制备工艺兼容，采用248nm光刻机实现高精度批量制备，将传统的以磨抛为加工手段的方式变为自动化光刻工艺,成本降低至百元以下，为在消费级应用提供了有效量产保证。
附图说明
图1是薄片状超表面波导偏折和会聚光线示意图；
图2是薄片状超表面波导表面长条形微结构的分布图；
图3是本发明的实施例1的薄膜型近眼显示系统示意图；
图4是本发明的实施例2的薄膜型近眼显示系统示意图；
图5是本发明的内置薄膜型近眼显示系统的眼镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，本发明利用的薄片状超表面波导包括基底1和设置在基底上的多个长条形微结构2，长条形微结构2高度350-600nm，间隔250-450nm。其中超表面是由三维微纳结构(亚波长尺寸)排布而成的单层表面，可通过结构设计对光波的强度、相位、偏振等参数精准调控，调控精度高且集成复杂功能。其目前能够做到高效率地获得高分辨率的可见光聚焦效果，能够矫正单色光像差如球差、慧差、场曲等，还可以针对几种目标波长消除色差，达到超越传统透镜的成像效果，而且其厚度只有几个波长大小，可大大减小VR/AR眼镜或头盔的体积与重量。
实施例1
如图3所示，本发明的薄膜型近眼显示系统，包括图像源3和光学系统4，其中，图像源3采用空间光调制器投射经过编码的全息图像，光学系统4由薄片状超表面波导构成。
该薄片状超表面波导由上下平行的主平面构成基底1，主平面的上表面覆盖有第一超表面区域5和第二超表面区域6。第一超表面区域5和第二超表面区域6分布有多个长条形微结构2。该薄片状超表面波导材质为熔融石英，长条形微结构2的材料包括以下中的一种：氧化钛、氮化硅、氮化镓，长条形微结构材料折射率：在工作波段的折射率≥2.3，折射率虚部＜0.01。第一超表面区域5和所述第二超表面区域6通过在基底1上采用半导体制造工艺制作，主要包括涂胶、曝光、原子层沉积、刻蚀、除胶等工序。
第一超表面区域5和第二超表面区域6的长条形微结构2高度相同。第一超表面区域5对光束同时具有偏折和汇聚作用。其基本原理是空间光调制编码产生的全息图像光波入射到薄片状超表面波导的第一超表面区域5，第一超表面区域5的长条形微结构通过谐振效应，将垂直入射的球面波衍射并准直，转化为斜出射的近似平面波。其中，第一超表面区域5相位延迟函数满足分布：
(x、y)为第一超表面区域相对中心位置坐标，λ为光波波长，f为等效焦距，α为衍射角，α>35°。
携带有全息图像信息的光波在薄片状超表面波导内部的上下表面不断全反射传输，入射到第二超表面区域6，第二超表面区域6对光束仅有偏折作用。入射到第二超表面区域6后，相位分布再次被调制，分多次出射薄片状超表面波导，进入人眼。
实施例2
如图4所示，本发明的薄膜型近眼显示系统，包括图像源和光学系统，其中，图像源采用空间光调制器投射经过编码的全息图像，光学系统由薄片状超表面波导构成。
该薄片状超表面波导由上下平行的主平面构成基底，主平面的下表面覆盖有第一超表面区域和第二超表面区域。第一超表面区域和第二超表面区域分布有多个长条形微结构。该薄片状超表面波导材质为熔融石英，长条形微结构的材料包括以下中的一种：氧化钛、氮化硅、氮化镓，长条形微结构材料折射率：在工作波段的折射率≥2.3，折射率虚部＜0.01。第一超表面区域和所述第二超表面区域通过在基底上采用半导体制造工艺制作，主要包括涂胶、曝光、原子层沉积、刻蚀、除胶等工序。
第一超表面区域和第二超表面区域的长条形微结构高度相同。第一超表面区域对光束同时具有偏折和汇聚作用。其基本原理是空间光调制编码产生的全息图像光波入射到薄片状超表面波导的第一超表面区域，第一超表面的长条形微结构通过谐振效应，将垂直入射的球面波衍射并准直，转化为斜出射的近似平面波。
其中，第一超表面区域相位延迟函数满足分布：
(x、y)为第一超表面相对中心位置坐标，λ为光波波长，f为等效焦距，α为衍射角，α>35°。
携带有全息图像信息的光波在薄片状超表面波导内部的上下表面不断全反射传输，入射到第二超表面区域，第二超表面区域对光束仅有偏折作用。入射到第二超表面区域后，相位分布再次被调制，分多次出射薄片状超表面波导，进入人眼。
实施例3
如图5所示，一种内置薄膜型近眼显示系统的眼镜，所述眼镜包括镜片10和镜架20，所述薄膜型近眼显示系统由图像源和光学系统两部分组成，图像源采用空间光调制器投射经过编码的全息图像，光学系统由薄片状超表面波导构成，所述空间光调制器设置在镜架10上，所述薄片状超表面波导设置在镜片20中心。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种薄膜型近眼显示系统，包括图像源(3)和光学系统(4)，其特征在于：所述图像源(3)投射图像，所述光学系统(4)由薄片状超表面波导构成，所述图像源(3)投射的图像经薄片状超表面波导传输后进入人眼；所述薄片状超表面波导由上下平行的主平面构成基底(1)，主平面覆盖有第一超表面区域(5)和第二超表面区域(6)；所述第一超表面区域(5)和第二超表面区域(6)同时设置在主平面与图像源(3)和人眼相对侧的上表面；
所述图像源(3)采用空间光调制器投射经过编码的全息图像；
所述第一超表面区域(5)将垂直入射的球面波前调制转化为斜出射的近似平面波，对光束同时具有偏折和汇聚作用；
所述第一超表面区域(5)的相位延迟函数满足分布：
其中，(x、y)为第一超表面区域相对中心位置坐标，λ为光波波长，f为等效焦距，α为衍射角，α>35°。
2.根据权利要求1所述的薄膜型近眼显示系统，其特征在于：所述第一超表面区域(5)和第二超表面区域(6)分布有多个长条形微结构(2)，所述长条形微结构的材料包括以下材料中的一种：氧化钛、氮化硅、氮化镓；所述第一超表面区域(5)和第二超表面区域(6)的长条形微结构(2)高度相同，为350-600nm，间隔250-450nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜型近眼显示系统，其特征在于：带全息图像信息的光波在薄片状超表面波导内部的上下表面不断全反射传输，入射到第二超表面区域(6)，第二超表面区域(6)对光束仅有偏折作用。
4.根据权利要求3所述的薄膜型近眼显示系统，其特征在于：光波入射到第二超表面区域(6)后，相位分布再次被调制，分多次出射薄片状超表面波导，进入人眼。
5.一种内置权利要求1-4之一的薄膜型近眼显示系统的眼镜，所述眼镜包括镜片(10)和镜架(20)，其特征在于：所述空间光调制器设置在镜架(20)上，所述薄片状超表面波导设置在镜片(10)中心。
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