CN113504650B - 一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，包括依次设置的准直器、偏振器、1/4波片和超构透镜；所述准直器仅允许与准直器表面垂直的光线通过；所述偏振器和1/4波片用于将经过准直器准直后的光线调制成圆偏光；所述超构透镜用于使光线方向偏转后直接穿过晶状体光心，最终成像在视网膜上。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式可穿戴的显示器，尤其涉及一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构。
背景技术
随着信息时代的到来，人们对于信息获取的需求日益增大，而视觉作为人类获取信息最重要、最直接的方式之一，对显示技术的发展提出了较高的要求。隐形眼镜作为离人眼最近的可穿戴电子平台，有潜力成为下一代显示器件，用于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等新型显示应用。
近些年，MicroLED发展迅猛，单像素尺寸已可达纳米级，为显示器件的微型化提供了实现途径。但对于位于眼表的显示平台，仍有因人体生理因素而存在的问题需要解决。一方面，人眼看清物体依赖晶状体的调节能力，而晶状体存在弹力极限，无法聚焦距离眼球较近的物体，因此眼表的像素点会在视网膜上形成较大的光晕，彼此之间无法区分。另一方面，人眼具有利用双目视差捕捉距离信息的能力，从而使晶状体更好地聚焦在观察物体处，但显示器提供的二维图像缺少深度信息，因此辐辏和聚焦会产生剧烈的调节冲突，极易造成视疲劳。
针对这些问题，谷歌、苹果、微软等高新科技公司利用光波导、计算全息等技术，已经基本在智能眼镜上实现了可视化。但采用光波导、计算全息等技术通常需要较长的光路对显示单元出射光进行处理，而隐形眼镜显示器在瞳孔位置的厚度小于100μm，限制了复杂光路的设计与实现。Mojo Vision虽然利用Femtoprojector多元素镜片光学系统推出了自己的样机，但单颗近一亿美元的造价和极高的工艺要求限制了该技术的推广与发展。
发明内容
本发明针对生理因素造成的问题和现有技术存在的限制，提出了一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构。
本发明的一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，包括依次设置的准直器、偏振器、1/4波片和超构透镜；
所述准直器仅允许与准直器表面垂直的光线通过；
所述偏振器和1/4波片用于将经过准直器准直后的光线调制成圆偏光；
所述超构透镜用于使光线方向偏转后直接穿过晶状体光心；
本发明的一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构叠加在隐形眼镜显示器上，用于对隐形眼镜显示器发出的光线进行调制，使得光线经光学调制层调制后经过晶状体的光心，最终成像在视网膜上。
进一步的，所述准直器包括多个准直器单元，每个准直器单元对应隐形眼镜显示器的一个像素点；所述准直器单元包括环形结构的第一介质材料和圆形结构的第二介质材料，第二介质材料位于第一介质材料的环形结构中；第一介质材料为光疏材料，第二介质材料为光密材料，两种材料折射率分别为n1和n2。
圆形结构的第二介质材料直径满足
仅允许与第二介质材料厚度方向一致的光线通过。
进一步的，所述的超构透镜包括多个超构透镜单元，每个超构透镜单元对应隐形眼镜显示器的一个像素点，所述超构透镜单元为硅纳米光栅单元，超构透镜上不同位置的硅纳米光栅单元有不同的光栅偏转角度。
经过准直器、偏振器和1/4波片后的圆偏光光线经过硅纳米光栅单元的出射角θt表示为：
从而得出硅纳米光栅单元的相位调制
其中，λ为射入超构透镜的光波长，f为超构透镜到晶状体光心的距离，(x,y)为该硅纳米光栅单元相对于超构透镜中心的坐标位置；硅纳米光栅单元的光栅偏转角度
有益效果：本发明的光学调制层结构跟随眼球转动，时刻保持与晶状体、视网膜组成相对稳定的光学系统，极大地降低了系统复杂性
本案设计的光学实现方案基于麦克斯韦观察法原理，将隐形眼镜显示器中发光单元的出射光调制穿过晶状体光心，直接投射在视网膜上，使显模块成像不受晶状体调节影响，有效解决了近眼聚焦的极限问题和双目辐辏与单目聚焦的矛盾问题。单个发光单元的出射光可以通过本发明的光学调制层结构参数设计进行独立控制，能够有效减小像差，增强成像效果。
本发明的光学调制层结构包括准直器、偏振器、1/4波片、以及超构透镜。对隐形眼镜显示器中发光单元产生的光进行准直，能够有效提高分辨率，降低用超构透镜实现光线角度偏转的难度。利用超构透镜代替传统微透镜进行光线方向调制，可以极大地减小结构厚度，同时便于通过计算机辅助参数设计，以适应不同结构参数人眼的需求。
本案设计的用于隐形眼镜显示的光学调制层结构由多层平面结构组成，集成度高，适用于卷对卷逐层生产流程，具有较强的产业化前景。
附图说明
图1是具有光学调制层结构的隐形眼镜显示器光路图。
图2是具有光学调制层结构的隐形眼镜显示器结构示意图。
图3是光学调制等效光路图。
图4是准直器单元结构示意图。
图5是对四个相邻像素的硅纳米光栅单元示意图。
具体实施方式
现有技术中的隐形眼镜显示器包括依次设置的透明基板层1、驱动阵列层2和发光单元层3，采用的是microLED技术领域中的常见结构，所述透明基板层1为器件承载层，驱动阵列层2用于驱动发光单元层3发光；发出的光线通过晶状体折射后成像在视网膜上的感光区；
发光单元层3包括多个发光单元，每个发光单元为一个像素点，本发明中的发光单元层3为microLED阵列，每个microLED为一个像素点。
本发明的一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层4结构，包括依次设置的准直器41、偏振器42、1/4波片43和超构透镜44；
所述准直器41仅允许与准直器41表面垂直的光线通过；
所述偏振器42、1/4波片43用于将经过准直器准直的光线调制成圆偏光；
所述超构透镜44用于使光线方向偏转后直接穿过晶状体光心；所述超构透镜可等效为焦点与晶状体光心重合的凸透镜。
如图2所示，本发明的一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构叠加在隐形眼镜显示器的发光单元层3上，用于对隐形眼镜显示器发光单元层3发出的光线进行调制，使得光线经光学调制层4调制后均经过晶状体的光心，最终成像在视网膜上。如图3所示，是光线经过本发明光学调制层结构4的等效光路图。
在隐形眼镜显示器中增加本发明的光学调制层4，形成具有光学调制层结构4的隐形眼镜显示器，佩戴后，如图1所示，隐形眼镜显示器的透明基板层1、驱动阵列层2、发光单元层3和超构透镜44的中心均位于晶状体光轴上；且隐形眼镜显示器所在平面与晶状体光轴垂直。
具有光学调制层4的隐形眼镜显示器发出的光线满足麦克斯韦观察法的要求，穿过晶状体光心后直接投射在视网膜上。
由于发光单元层3生成的单色自然光具有较大的发散角，经过准直器41准直减少光的发散；经准直后的光穿过偏振器42，变成与偏振器偏振方向相同的线偏振光；然后穿过光轴方向与偏振器呈45°角的1/4波片43，变成圆偏振光；经过超构透镜44后使光线方向偏转直接穿过晶状体光心。
晶状体可视为一个焦距可调的凸透镜，而穿过凸透镜光心的光线传播方向不变，因此通过本发明的光学调制层4调制后的出射光在视网膜上成像的位置不随晶状体焦距调节而变化，因此有效解决了近眼聚焦的极限问题和双目辐辏与单目聚焦的矛盾问题。
所述准直器41包括多个准直器单元，每个准直器单元与一个发光单元对应，准直器单元的数量与发光单元层3中发光单元的数量相同，发光单元产生的光源可以近似看作以发光面为起点的射线光源，具有较大的发散角，发光单元层3产生的出射光通过准直器准直。
如图4所示，准直器单元包括环形结构的第一介质材料411和圆形结构的第二介质材料412，第二介质材料412位于第一介质材料411的环形结构中；第一介质材料411为光疏材料，具有较小的折射率n1；第二介质材料412为光密材料，具有较大的折射率n2。
圆形结构的第二介质材料412直径满足
满足该直径条件的结构可近似看作单模光纤，仅允许与第二介质材料412厚度方向一致的光线通过，即仅保留与准直器层平面相垂直的光线。虽然在准直过程中损失了部分光功率，但在近眼条件下剩余光功率已足够被视网膜充分捕捉。
所述的超构透镜44包括多个超构透镜单元441，所述超构透镜单元441为正方形结构，每个超构透镜单元441与一个准直器单元对应，如图5所示，所述超构透镜单元441为硅纳米光栅单元，超构透镜上不同位置的硅纳米光栅单元的有不同光栅偏转角度，与传统光学器件凸透镜和菲涅尔透镜相比，超构透镜具有极薄的厚度和较低的工艺要求。
根据广义菲涅尔定律，在超微结构表面，光线的入射角和出射角具有
关系。
其中，θi表示入射角，ni表示入射介质折射率，θt表示折射角，nt表示折射介质折射率，
由硅纳米光栅单元表面结构决定。对于经过准直器准直的入射光，入射角为0°，而折射射入的介质折射率为1，所以光线经过硅纳米光栅单元的出射角θt可以表示为：
根据硅纳米光栅单元所在的位置以及在经过硅纳米光栅单元后所有平行光聚焦到晶状体光心的效果，对sinθt进行改写，硅纳米光栅单元的相位调制
其中，λ为射入超构透镜的光波长，f为超构透镜到晶状体光心的距离，以超构透镜中心为坐标原点建立直角坐标系，X轴和Y轴分别平行于正方形超构透镜单元相邻的两条边，(x,y)为该硅纳米光栅单元相对于超构透镜中心的坐标位置。基于所算得的相位调制，硅纳米光栅单元的光栅旋转角度
在本发明中，硅纳米光栅单元的光栅常数、光栅宽度和厚度均根据所调控光线的波长以光功率损失最低为原则进行设计。对于常用于近眼显示、波长为543nm的绿光，硅纳米光栅单元的结构参数优选为230nm周期，70nm宽度和150nm厚度。
Claims (4)
1.一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，其特征在于，包括依次设置的准直器、偏振器、1/4波片和超构透镜；
所述准直器仅允许与准直器表面垂直的光线通过；准直器包括多个准直器单元，每个准直器单元对应隐形眼镜显示器的一个像素点；所述准直器单元包括环形结构的第一介质材料和圆形结构的第二介质材料，第二介质材料位于第一介质材料的环形结构中；第一介质材料为光疏材料，第二介质材料为光密材料；圆形结构的第二介质材料直径满足
，其中
为通过的光波长，n1和n2分别为第一介质材料和第二介质材料的折射率；
所述偏振器和1/4波片用于将经过准直器准直后的光线调制成圆偏光；
所述超构透镜用于使光线方向偏转后直接穿过晶状体光心。
2.根据权利要求1所述一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，其特征在于，所述的超构透镜包括多个超构透镜单元，每个超构透镜单元对应隐形眼镜显示器的一个像素点，所述超构透镜单元为硅纳米光栅单元，超构透镜上不同位置的硅纳米光栅单元有不同的光栅偏转角度。
3.根据权利要求2所述一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，其特征在于，光线经过硅纳米光栅单元的出射角
表示为：
从而得出硅纳米光栅单元的相位调制
，
其中，λ为射入超构透镜的光波长，f为超构透镜到晶状体光心的距离，( x, y）为该硅纳米光栅单元相对于超构透镜中心的坐标位置；
硅纳米光栅单元的光栅偏转角度
。
4.根据权利要求1所述一种用于隐形眼镜显示器的光学调制层结构，其特征在于，1/4波片的光轴与偏振器的偏振方向呈45°角。
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