CN113640992A - 显示系统及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示系统及头戴式显示设备，包括显示模组、聚焦超透镜以及波束控制器，其中，聚焦超透镜包括分别针对显示模组中各像素单元设置的多个超透镜结构，每个超透镜结构包括按照预设聚焦相位分布设置的多个第一纳米结构，用于对相应像素单元出射的单色光场进行准直后透射；波束控制器包括与聚焦超透镜中各超透镜结构对应设置的多个波前调控超表面，每个波前调控超表面用于控制相应超透镜结构透射光场的波前方向偏转角度，以使得显示模组显示的彩色目标对象对应的三基色光汇聚到人眼上成像。由于聚焦超透镜以及波束控制器均采用亚波长结构设计，体积小，重量轻，有利于实现头戴式显示设备的轻薄化。

Description

显示系统及头戴式显示设备

技术领域

本发明属于显示技术领域，尤其涉及一种显示系统及头戴式显示设备。

背景技术

随着成像技术发展，光学透镜已经被广泛应用在电子设备如智能手机中。与电子学中的摩尔定理不同，当前的光学透镜的物理原理依然如尼姆鲁德透镜一样，利用传播相位聚集实现折射透镜的光聚焦，因此，透镜的厚度随着直径的变大而变厚。为了得到更轻薄的透镜，科学家设计了菲涅尔透镜，但是由于菲涅尔透镜的其他设置以及色散效应，会导致成像质量被大大降低。

近年来，虚拟现实(Virtual Reality，VR)/增强现实(Augmented Reality，AR)技术由于其沉浸式体验，成为人们关注的热点。然而，受限于成像目镜体积大、重以及折中的显示能力，VR/AR产品难以普及使用。因此，实现轻薄化是VR/AR产品的重要发展方向。

发明内容

本发明实施例通过提供一种显示系统及头戴式显示设备，有利于实现头戴式显示设备的轻薄化。

第一方面，本发明实施例提供了一种显示系统，包括：

显示模组，包括三基色的像素单元，用于显示彩色目标对象；

聚焦超透镜，包括第一基板以及设置在所述第一基板表面的多个超透镜结构，所述多个超透镜结构对应于所述显示模组中的各像素单元设置，每个像素单元位于相应超透镜结构的焦点处，每个超透镜结构包括按照预设聚焦相位分布设置的多个第一纳米结构，用于对相应像素单元出射的单色光场进行准直后透射；

波束控制器，包括第二基板以及设置在所述第二基板表面的多个波前调控超表面，所述多个波前调控超表面与所述聚焦超透镜中各超透镜结构对应设置，每个波前调控超表面用于控制相应超透镜结构透射光场的波前方向偏转角度，以使得所述彩色目标对象对应的三基色光汇聚到人眼上成像。

进一步地，所述波前调控超表面包括周期性排布的相位梯度结构，所述相位梯度结构包括呈一维阵列分布的多个第二纳米结构，且所述多个第二纳米结构的相位呈梯度分布。

进一步地，所述多个第一纳米结构呈周期性排布，周期在150nm-350nm之间。

进一步地，所述多个第一纳米结构均为圆柱形纳米柱，高度在400nm-800nm之间，底面直径分布在50nm-200nm之间。

进一步地，所述显示模组出射的光为第一线偏振光，所述显示系统还包括光学合波片，所述光学合波片设置在所述波束控制器的透射光传输路径上，用于反射经所述每个波前调控超表面透射的第一线偏振光，且用于透过外界环境的可见光，以使得所述第一线偏振光以及所述外界环境的可见光均成像到人眼上，

所述光学合波片包括第三基板以及呈周期性排布在所述第三基板表面的多个第三纳米结构，所述第三纳米结构的横截面为非中心对称结构。

进一步地，在可见光波段范围内，所述多个第三纳米结构对所述第一线偏振光的反射率大于或等于30％且小于或等于50％，对第二线偏振光的透过率大于或等于90％，所述第二线偏振光为偏振方向与所述第一线偏振光垂直的偏振光。

进一步地，所述第三纳米结构包括两个不同尺寸纳米柱。

进一步地，所述纳米柱的横截面为方形，其中一个纳米柱的横截面长度在70nm-150nm之间，宽度在40nm-70nm之间，另一个纳米柱的横截面长度在60nm-140nm之间，宽度在10nm-40nm之间。

进一步地，所述第三纳米结构为金属粒子或介质粒子。

进一步地，所述第三基板包括第一超表面区域和第二超表面区域，所述多个第三纳米结构设置于所述第一超表面区域，所述光学合波片还包括：周期性排布于所述第二超表面区域的多个第四纳米结构；

所述显示系统还包括：光源模块以及探测模块，其中：

所述光源模块用于发出近红外光照射到人眼上，并使得所述人眼反射的近红外光入射到所述第二超表面区域，所述多个第四纳米结构用于透过外界环境的可见光，并将入射的近红外光反射到所述探测模块；

所述探测模块用于对所述人眼反射的近红外光进行成像，以根据成像结果对人眼注视位置进行跟踪。

进一步地，所述显示系统还包括光源模块、反射片以及探测模块，其中：

所述光源模块用于发出近红外光照射到眼球上，并使得所述人眼反射的近红外光入射到所述反射片；

所述反射片包括第四基板以及周期性排布在所述第四基板表面的多个第四纳米结构，用于透过外界环境的可见光，并将入射的近红外光反射到所述探测模块；

所述探测模块用于入射的近红外光进行成像，以根据成像结果对眼球注视的位置进行跟踪。

第二方面，本发明实施例提供了一种头戴式显示设备，包括上述第一方面所述的显示系统。

本发明实施例提供的显示系统，设置了聚焦超透镜以及波束控制器，聚焦超透镜包括分别针对显示模组中各像素单元设置的多个超透镜结构，每个超透镜结构包括多个第一纳米结构，按照相应像素单元出射光场的聚焦相位分布设置，以实现对相应单色光的聚焦效应，用于对相应像素单元出射的单色光场进行准直后透射；波束控制器包括与聚焦超透镜中各超透镜结构对应设置的多个波前调控超表面，每个波前调控超表面用于控制相应超透镜结构透射光场的波前方向偏转角度，这样就可以使得显示模组显示的彩色目标对象对应的三基色光汇聚到人眼上成像，实现彩色VR显示效果。由于聚焦超透镜以及波束控制器均采用亚波长结构设计，相比于传统光学透镜组合构成的成像系统，体积更小，重量更轻，有利于实现头戴式显示设备的轻薄化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中显示系统的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例中聚焦超透镜的示例性结构示意图；

图3为本发明实施例中超透镜结构的相位分布图；

图4为本发明实施例中超透镜结构的聚焦光场能量分布图以及焦点分布图；

图5为本发明实施例中波束控制器的示例性结构示意图；

图6为本发明实施例中相位梯度结构的波前方向调控示例图；

图7为本发明实施例中波前调控超表面的相位分布图；

图8为本发明实施例中波前调控超表面对波前方向进行调控的光场图；

图9为本发明实施例中显示系统的第二种结构示意图；

图10为本发明实施例中光学合波片的一种结构示意图；

图11为本发明实施例中光学合波片的透射和反射谱图；

图12为本发明实施例中显示系统的第三种结构示意图；

图13为本发明实施例中光学合波片的另一种结构示意图；

图14为本发明实施例中反射片的结构示意图；

图15为本发明实施例中一种示例性反射片的透射光谱图；

图16为本发明实施例中头戴式显示设备的结构示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。应当注意的是，不同的附图中相同的附图标记将用于指代已描述的相同的元件。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

图1示出了本发明实施例提供的一种示例性显示系统的结构示意图。如图1所示，该显示系统10包括：显示模组101、聚焦超透镜102以及波束控制器103，聚焦超透镜102设置于显示模组101的出光面的一侧，波束控制器103设置于聚焦超透镜102的透射光传播路径上。

其中，显示模组101包括三基色的像素单元，即红色(R)像素单元、绿色(G)像素单元以及蓝色(B)像素单元，分别用于透射红光、绿光以及蓝光，以显示彩色目标对象。需要说明的是，图1中仅示出了一个R像素单元、一个G像素单元以及一个B像素单元作为示例，具体像素单元的排布参照相关技术，此处不作限定。显示模组101要显示的目标对象根据实际应用场景的需要确定，例如，在VR应用场景中，目标对象可以是需要呈现在用户眼前的虚拟图像；在AR应用场景中，目标对象可以是需要叠加到真实环境中的图像、数据或标识等。

可以理解的是，将上述显示系统10应用于头戴式显示设备中时，对显示模组101的尺寸具有较高要求，需要小尺寸的显示模组101。举例来讲，可以采用激光照明的微型液晶显示屏(Micro-LCD)。激光背光源发出的光先经过光学衍射片实现光束的扩展，然后再经过TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)以及液晶等结构实现画面显示，具体实施细节可以参考相关技术。当然，在本发明其他实施例中，也可以采用其他适用的显示屏如微型的OLED显示屏，此处不作限制。

如图2所示，聚焦超透镜102包括第一基板201以及设置在第一基板201表面的多个超透镜结构202。其中，第一基板201可以采用透明衬底材料，如玻璃或蓝宝石等。上述多个超透镜结构202对应于显示模组101中的各像素单元设置，具体排布根据实际应用中显示模组101的像素单元排布确定，图2中的排布仅为示意，不作为限定。并且，为了实现各像素单元出射的单色光场的准直透射，需要对显示模组101以及聚焦超透镜102的相对位置进行设置，使得显示模组101中每个像素单元位于相应超透镜结构202的焦点位置处。

举例来讲，假设显示模组101中设置有M个像素单元，则聚焦超透镜102包括与M个像素单元一一对应设置的M个超透镜结构202，每个超透镜结构202具有对相应像素单元出射的单色光场的聚焦功能，用于对位于焦点处的相应像素单元出射的单色光场进行准直后透射。这样，显示模组101显示彩色目标对象时发出的三基色光经过聚焦超透镜102后，就会被处理为各色相互分离的平行光继续入射到波束控制器103。

本实施例中，超透镜结构202通过设置亚波长结构与入射光形成共振效应，来实现对入射光的相位调控。具体来讲，为了实现对相应像素单元出射的单色光场的聚焦效应，每个超透镜结构202包括按照预设聚焦相位分布设置的多个第一纳米结构，也就是说，这些第一纳米结构按照相应像素单元出射光波长对应的聚焦相位分布设置。举例来讲，针对红色像素单元设置的超透镜结构202，以下简称红光超透镜结构，所包含的多个第一纳米结构按照红光的聚焦相位分布设置；针对绿色像素单元设置的超透镜结构202，以下简称绿光超透镜结构，所包含的多个第一纳米结构按照绿光的聚焦相位分布设置；针对蓝色像素单元设置的超透镜结构202，以下简称蓝光超透镜结构，所包含的多个第一纳米结构按照蓝光的聚焦相位分布设置。

需要说明的是，超透镜结构202的聚焦相位分布需满足以下公式(1)：

其中，r表示第一纳米结构的位置坐标(x，y)距离圆心的径向距离，

表示径向距离为r的位置处的相位，f表示焦距，λ表示入射光的波长。根据上述公式可以得到不同波长入射光的相位分布。通过公式(1)可以看出，在f相同的情况下，要实现相同的相位，对应的波长越长，r也就越大，即第一纳米结构的排布就更稀疏。

以入射的蓝光波长、绿光波长以及红光波长依次为460nm、530nm、620nm为例，按照上述公式可以分别得到蓝光超透镜结构的相位分布，绿光超透镜结构的相位分布以及红光超透镜结构的相位分布，如图3所示。图3中的(a)图示出了蓝光超透镜结构的相位分布图，图3中的(b)图示出了绿光超透镜结构的相位分布图，图3中的(c)图示出了红光超透镜结构的相位分布图。

对于每个超透镜结构202来讲，为了实现相应的聚焦相位分布，超透镜结构202的排布形状为圆形或近似于圆形，通过布设第一纳米结构使得超透镜结构202从圆心开始，在每个同心圆上均匀分布相同的相位，并且使得从圆心位置到边缘位置的相位依次降低，从而实现聚焦功能。

需要说明的是，对第一纳米结构的相位调控可以有多种方式，例如，可以改变第一纳米结构的尺寸，或者，也可以对第一纳米结构进行旋转。本实施例可以通过改变第一纳米结构的尺寸实现相位调控。

作为一种实施方式，上述多个第一纳米结构均可以采用横截面为中心对称图形的纳米柱，这样能降低对入射光幅度的影响，有利于实现更好的聚焦效果。举例来讲，上述多个第一纳米结构可以为呈周期性排布的圆柱形纳米柱，排布周期可以在150-350nm之间，纳米柱高度可以在400nm-800nm之间，纳米柱的底面直径可以分布在50nm-200nm之间，这样就可以覆盖0-360度范围内的相位调控。另外，具体实施时，第一纳米结构可以采用氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO₂)、氮化镓(GaN)或单晶硅等材料制成。

为了验证超透镜结构202的聚焦特性，在一种应用场景中，分别针对460nm、530nm以及620nm的入射光，以玻璃为第一基板201，在第一基板201上形成圆柱形TiO₂作为第一纳米结构，周期为200nm，高度为600nm，底面直径从50nm至200nm变化，分别形成了蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构。对这三种超透镜结构202分别进行了相应的光场聚焦试验，分别采用460nm、530nm、620nm的平行光垂直入射到各自对应的超透镜结构202，并检测相应超透镜结构202的聚焦光场，得到的检测结果如图4所示。图4中的(a)、(d)、(g)图依次为蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构的x-z平面上的聚焦光场能量分布，(b)、(e)、(h)图依次为蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构的x-y平面上的聚焦光场能量分布；(c)、(f)、(i)图依次为蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构的焦点的远场能量分布图。

从图4中的(a)、(d)、(g)图可以看出，蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构的聚焦能量中心的z坐标值相等，即三色光对应的焦距相同。从图4中的(b)、(e)、(h)图可以看出，x-y平面上各色光的能量分布均较为集中，说明蓝光超透镜结构对于蓝光，绿光超透镜结构对于绿光，以及红光超透镜结构对于红光均具有较好的聚焦效果。从图4中的(c)、(f)、(i)图可以看出，蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构具有较好的远场能量聚焦效果，中心位置处的峰值最高，并且呈Lorentz波型，带宽非常窄，能量集中聚焦在中心位置处。因此，蓝光超透镜结构、绿光超透镜结构和红光超透镜结构具有较好的聚焦特性，能够对位于焦点位置的相应像素单元出射的单色光进行准直成像。

可以理解的是，显示模组101中各像素单元出射的光经过聚焦超透镜102准直后，出射的光场呈现为平行且相互分离的三基色光场，即相互分离的红光光场、绿光光场和蓝光光场。因此，为了实现彩色的VR显示效果，设置了波束控制器103进一步对聚焦超透镜102出射的三基色光场进行汇聚。

如图5所示，波束控制器103包括第二基板301以及设置在第二基板301表面的多个波前调控超表面302。其中，第二基板301也可以采用透明衬底材料，如玻璃或蓝宝石等。上述多个波前调控超表面302与聚焦超透镜102中各超透镜结构202对应设置，图5中的排布仅为示意，不作为限定。每个波前调控超表面302用于控制相应超透镜结构202透射光场的波前方向偏转角度，以使得显示模组101显示的彩色目标对象对应的三基色光汇聚到人眼104上成像。举例来讲，聚焦超透镜102包括M个超透镜结构202，则波束控制器103可以包括与M个超透镜结构202一一对应设置的M个波前调控超表面302。

具体来讲，多个波前调控超表面302也就包括红光波前调控超表面，绿光波前调控超表面以及蓝光波前调控超表面。其中，红光波前调控超表面对应于红光超透镜结构设置，用于控制红光的波前方向偏转角度；绿光波前调控超表面对应于绿光超透镜结构设置，用于控制绿光的波前方向偏转角度；蓝光波前调控超表面对应于蓝光超透镜结构设置，用于控制蓝光的波前方向偏转角度。需要说明的是，每个波前调控超表面302的具体结构根据相应超透镜结构202透射光场的波长以及所需要的波前方向偏转角度设置，各超透镜结构202的透射光场对应的波前方向偏转角度可以在实际应用场景中通过试验确定。

本实施例中，可以通过相位梯度超表面实现对透射波束偏转方向的调控。作为一种实施方式，波前调控超表面302包括周期性排布的相位梯度结构。其中，相位梯度结构包括呈一维阵列分布的多个第二纳米结构，且上述多个第二纳米结构的相位呈梯度分布，即相位梯度结构中每两个相邻第二纳米结构的相位差相等。

具体实施时，每个波前调控超表面302对应的相位梯度结构可以预先根据相应超透镜结构202透射光场所需的偏转角度确定。通过多个相似的第二纳米结构按照递增或者递减的相位分布进行排列，能够实现360度的相位变化，从而实现所需的偏转角度。需要说明的是，相位梯度结构包含的第二纳米结构的数量可以根据实际需要设置，数量越多，相位梯度越小，反之，相位梯度越大。举例来讲，在一种可选的实施方式中，相位梯度结构可以包括五个不同尺寸的第二纳米结构。

在确定各超透镜结构202的透射光场对应的波前方向偏转角度后，可以根据由广义斯涅耳折射定律得到的以下公式(2)确定相应相位梯度结构的相位分布。

其中，λ_i表示入射光场的波长；x为相位梯度结构排布方向上的坐标，

表示波长为λ_i的情况下排在x位置处的第二纳米结构的相位；θ表示折射角度，即波前方向相对于入射方向的偏转角度。得到相位梯度结构的相位分布后，就可以设计相应的相位梯度结构，在平行光垂直入射时，实现波前相位偏转θ角，如图6所示。图6中

和

分别表示第i个和第j个第二纳米结构312的相位。

举例来讲，如图6所示，以五个呈一维阵列排布的第二纳米结构312组成的相位梯度结构为例，假设需要将某个超结构透镜透射的蓝光光场的波前方向沿着x轴正向偏转30度，以及将某个超结构透镜透射的红光光场的波前方向沿着x轴负向偏转30度。根据上述公式(2)得到：相应蓝光波前调控超表面的目标相位(Target_phase)分布如图7中的(a)图所示，相应红光波前调控超表面的目标相位(Target_phase)分布如图7中的(b)图所示。从图7中的(a)图可以看出，该蓝光波前调控超表面的相位随着x的增大周期性提高，从图7中的(b)图可以看出，该红光波前调控超表面的相位随着x的增大周期性下降。

本实施例中，第二纳米结构也可以采用横截面为中心对称图形的纳米柱，以在实现波前方向调控的同时，降低对入射光幅度的影响。举例来讲，第二纳米结构可以为圆柱形纳米柱，例如，可以采用氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO₂)、氮化镓(GaN)或单晶硅等材料制成。

为了验证所设计的波前调控超表面302的波前方向调控特性，以30度偏转的蓝光波前调控超表面，垂直出射的绿光波前调控超表面以及-30度偏转的红光波前调控超表面进行了相应波长的光场传输试验，分别采用460nm、530nm、620nm的平行光垂直入射到各自对应的波前调控超表面302，得到透射光场的波前方向如图8所示。

图8中的(a)、(b)、(c)图依次示出了蓝光波前调控超表面、绿光波前调控超表面以及红光波前调控超表面透射光束的波前方向，灰度梯度表示能量分布。从图8中的(a)图可以看出，从蓝光波前调控超表面透射的蓝光光场的波前方向沿x轴正向偏转，偏转角度约为30度；从图8中的(b)图可以看出，绿光波前调控超表面透射的绿光光场的波前方向近似于垂直出射；从图8中的(c)图可以看出，红光波前调控超表面透射的红光光场的波前方向沿x轴负向偏转，偏转角度约为-30度。因此，本实施例提供的波束控制器103中各波前调控超表面302能够有效地调控相应超透镜结构202出射光场的波前方向，使得相互分离的三基色光场汇聚到人眼104上成像。

本实施例通过针对三基色像素单元分别设置对应的超透镜结构202，将各色光分别准直，并针对每个超透镜结构202设置波前调控超表面302，将准直后相互分离的各色光汇聚到人眼104上成像，实现彩色VR显示效果。相比于传统光学透镜组合，超透镜结构202和波前调控超表面302均采用亚波长结构设计，体积更小，重量更轻，有利于实现头戴式显示设备的轻薄化。

需要说明的是，上述聚焦超透镜102和波束控制器103可以采用类似的半导体加工工艺流程制作。举例来讲，可以先提供玻璃衬底，作为基板，然后在基板上沉积超表面材料层如二氧化钛，进一步再通过刻蚀技术或纳米压印(nano-imprint lithography，NIL)技术将超表面材料层加工成所需要的纳米结构。例如，可以在超表面材料层上涂覆一层光刻胶，然后通过预先根据所需纳米结构的形状、尺寸以及排布制备的掩膜版，对光刻胶层进行曝光显影，再对显影后的光刻胶层中显露出的超表面材料层进行刻蚀如可以采用ICP(Inductive Coupled Plasma，电感耦合等离子体)刻蚀技术形成所需的纳米结构。

进一步地，假设显示模组101出射的光为第一线偏转光，为了在上述系统的基础上实现AR显示效果，如图9所示，本实施例提供的显示系统10还可以包括光学合波片105，设置在波束控制器103的透射光传输路径上，用于反射经每个波前调控超表面302透射的第一线偏振光，且用于透过外界环境的可见光，以使得第一线偏振光以及外界环境的可见光均成像到人眼104上。这样就可以将VR图像107叠加到人眼104观察到的真实环境像106中，达到AR显示效果。

具体来讲，如图10所示，光学合波片105可以包括第三基板401以及呈周期性排布在第三基板401表面的多个第三纳米结构402。其中，第三基板401可以采用玻璃等透明衬底材料。

第三纳米结构402可以为纳米柱，且该纳米柱的横截面为非中心对称结构，如可以是方形柱状结构、三棱柱或五棱柱等，本实施例对第三纳米结构402的具体形状不作限制。第三纳米结构402可以为金属粒子如金(Au)、银(Ag)或铝(Al)等，也可以为介质粒子如二氧化硅(SiO₂)或聚苯乙烯(Polystyrene，缩写PS)等。

本实施例通过纳米结构形成的超表面实现偏振敏感的高透射以及高反射的合波膜。由于第三纳米结构402的横截面为非中心对称的结构如长方形或非等边三角形等，从而实现对不同偏振敏感性；并且由于周期性结构设计，以及金属表面等离子体效应或者是介质粒子结合米氏散射原理，实现了对频率的选择性。由于不同偏振的电场与磁场分量方向不同，从而保证对不同分量的电磁场其中一个方向可以透过，而另一种将实现反射。

本实施例中，第三纳米结构402的具体结构以及周期可以基于实际对第一线偏振光的反射以及对第二线偏振光的透射需要，通过多次试验确定。其中，第二线偏振光为偏振方向与第一线偏振光垂直的偏振光。

需要说明的是，光学合波片105对第一线偏振光的反射率应当在适当的范围内，需要在实现VR图像的同时，避免对外界环境光反射过多，影响对外界环境的观察体验。在一种可选的实施方式中，在可见光波段范围内，上述呈周期性排布的多个第三纳米结构402对第一线偏振光的反射率大于或等于30％且小于或等于50％，对第二线偏振光的透过率大于或等于90％。

作为一种实施方式，为了进一步提升偏振选择的带宽，一个第三纳米结构402可以包括两个以上不同尺寸的纳米柱，以增强谐振效应。例如，如图10所示，一个第三纳米结构402可以包括两个不同尺寸的纳米柱，两个纳米柱的横截面均为方形，其中一个纳米柱的横截面长度l1在70nm-150nm之间，宽度w1在40nm-70nm之间，另一个纳米柱的横截面长度l2在60nm-140nm之间，宽度w2在10nm-40nm之间。

假设显示模组101发出的第一线偏振光为S偏振光，在一种应用场景中，以图10示出的光学合波片105为例，第三基板401为玻璃基板，第三纳米结构402采用Al纳米粒子，l1＝90nm，w1＝50nm，l2＝80nm，w2＝20nm，且高度H为70nm，将S偏振光与P偏振光分别以30度入射角照射到光学合波片105上，得到的透射以及反射谱图如图11所示。图11中横坐标为波长(wavelength，单位为nm)，纵坐标为透射(反射)率(R，T)，具体是透射率还是反射率根据图中的四条谱线是透射谱还是反射谱确定。图11中谱线TS表示S偏振光的透射率，谱线RS表示S偏振光的反射率，谱线TP表示P偏振光的透射率，谱线RP表示P偏振光的反射率。

从图11中可以看出，S偏振光以及P偏振光以30度的入射角度进入光学合波片105时，P偏振光在450-700nm的整体透过率达到了90％以上，从而保证人眼104透过光学合波片105可以清晰地看到外界风景。S偏振光在450nm-700nm的整体反射率达到了30％，保证了可以清晰看到外界风景的同时，将经过波束控制器103调控的部分S偏振光反射到人眼104上成像，从而保证虚拟图像与现实图像可以同时看到，实现AR显示效果。

本实施例采用单个光学合波片105即可实现偏振敏感的高透射和高反射效果，且光学合波片105采用纳米结构设计而成，具有较大的尺寸优势，有利于进一步减小显示系统10的重量和体积，实现头戴式显示设备的轻薄化。

进一步地，为了实现眼球追踪性能，本实施例提供的显示系统10还可以包括：眼球跟踪模组。如图12所示，眼球跟踪模组包括光源模块108、反射片109以及探测模块110。

光源模块108发出近红外光照射到眼球上，并使得人眼104反射的近红外光入射到反射片109。光源模块108可以采用近红外光源，如近红外激光发射器。

反射片109具有反射近红外波段且透过可见光波段的特性，用于透过外界环境的可见光，并将入射的近红外光反射到探测模块110。由于反射片109能够透过外界环境光，有效地避免了反射片109对人眼104对外界环境的观察视场造成遮挡。

探测模块110用于入射的近红外光进行成像，以根据成像结果对眼球注视的位置进行跟踪。具体来讲，探测模块110包括成像元件111以及光电探测器112，例如，成像元件111可以采用聚焦透镜或具有聚焦功能的超透镜等。

可以理解的是，通过对探测模块110采集的图像进行解析，可以捕捉眼球的位置，判断人眼104关注的外界环境物体，从而及时利用显示模组101、聚焦超透镜102以及波束控制器103在用户看到的真实环境像中显示当前关注物体的标识，或者将目标显示画面随着人眼104观察位置的变化而变化，实现动态AR显示功能。

本实施例中，反射片109也采用周期性排布的纳米结构设计而成，具有较大的尺寸优势，有利于进一步减小显示系统10的重量和体积，实现头戴式显示设备的轻薄化。通过设计周期结构结合布洛赫原理实现对波长的选择，保证对需反射的近红外光如850nm实现禁带的效果，而可见光波段实现高透。

在一种可选的实施方式中，可以将反射片109集成在光学合波片105上，这样能够简化加工，并且不用另外设置基板，有利于进一步减小显示系统10的重量和体积。

此时，如图13所示，上述光学合波片105的第三基板401表面包括第一超表面区域(如图13中除方形虚线以外的区域)和第二超表面区域(如图13中的虚线区域)。上述的多个第三纳米结构402设置于第一超表面区域，上述光学合波片105还包括：设置于第二超表面区域的多个第四纳米结构502，上述多个第四纳米结构502呈周期性排布。其中，第三纳米结构402与第四纳米结构502的分布周期以及材料均不同。例如，第四纳米结构502的材料可以为二氧化钛，或者，也可以采用其他适用的材料，此处不做限定。

基于上述配置，光源模块108发出近红外光照射到人眼104上，需要使得人眼104反射的近红外光入射到上述光学合波片105的第二超表面区域，第二超表面区域中的多个第四纳米结构502再将入射的近红外光反射到探测模块110。

在另一种可选的实施方式中，上述反射片109也可以与光学合波片105独立配置。此时，如图14所示，反射片109可以包括第四基板501以及周期性排布于第四基板501表面的多个第四纳米结构502。其中，第四基板501也可以采用玻璃等透明衬底材料。第四纳米结构502的具体形状、尺寸以及排布周期可以基于近红外波段的反射率需求以及可见光波段的透过率需求，经过多次试验设置。需要说明的是，图14虚线框中的结构为放大后的单个周期的第四纳米结构502。

为了达到较好的近红外波段反射特性以及可见光波段透过特性，第四纳米结构502的周期p可以配置在520nm-800nm之间。第四纳米结构502可以为纳米柱，如方形柱状结构、圆柱状结构、三棱柱或五棱柱等，本实施例对第四纳米结构502的具体形状不作限制。以第四纳米结构502为圆柱状结构为例，第四纳米结构502的底面半径R可以配置在160nm-200nm之间，高度h可以配置在450nm-700nm之间。

在一种应用场景中，反射片109中第四纳米结构502的材料为二氧化钛，形状为圆柱形，h＝600nm、R＝183nm以及p＝600nm。通过对该反射片109进行仿真计算，将不同波长的光以入射角δ照射到反射片109上，得到图15所示的透射光谱图，其中，横坐标为波长(lambda)，纵坐标为透过率(T)。如图15所示，在可见光波段具有较好的透射特性，在波长为850nm位置出现高反射。

基于同一发明构思，如图16所示，本发明实施例还提供了一种头戴式显示设备20，包括上述任意一实施例中提供的显示系统10。显示系统10的具体实施细节可以参考前述实施例。

另外，除了上述结构以外，头戴式显示设备20还包括其他构件，如壳体等，具体实施细节可以参考相关技术，此处不进行限定。具体实施时，头戴式显示设备20的产品形式可以根据实际需要设计，例如，可以为眼镜或头盔等产品形式。

由于本发明实施例所介绍的头戴式显示设备20包括的显示系统10在前述已进行说明，故基于本发明实施例所介绍的显示系统10，本领域所属人员能够了解该头戴式显示设备20的具体结构及效果原理，故在此不再赘述。凡是包括本发明实施例的显示系统10的头戴式显示设备20都属于本发明所欲保护的范围。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种显示系统，其特征在于，包括：

显示模组，包括三基色的像素单元，用于显示彩色目标对象；

聚焦超透镜，包括第一基板以及设置在所述第一基板表面的多个超透镜结构，所述多个超透镜结构对应于所述显示模组中的各像素单元设置，每个像素单元位于相应超透镜结构的焦点处，每个超透镜结构包括按照预设聚焦相位分布设置的多个第一纳米结构，用于对相应像素单元出射的单色光场进行准直后透射；

波束控制器，包括第二基板以及设置在所述第二基板表面的多个波前调控超表面，所述多个波前调控超表面与所述聚焦超透镜中各超透镜结构对应设置，每个波前调控超表面用于控制相应超透镜结构透射光场的波前方向偏转角度，以使得所述彩色目标对象对应的三基色光汇聚到人眼上成像。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述波前调控超表面包括周期性排布的相位梯度结构，所述相位梯度结构包括呈一维阵列分布的多个第二纳米结构，且所述多个第二纳米结构的相位呈梯度分布。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述多个第一纳米结构呈周期性排布，周期在150nm-350nm之间。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述多个第一纳米结构均为圆柱形纳米柱，高度在400nm-800nm之间，底面直径分布在50nm-200nm之间。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述显示模组出射的光为第一线偏振光，所述显示系统还包括光学合波片，所述光学合波片设置在所述波束控制器的透射光传输路径上，用于反射经所述每个波前调控超表面透射的第一线偏振光，且用于透过外界环境的可见光，以使得所述第一线偏振光以及所述外界环境的可见光均成像到人眼上，

所述光学合波片包括第三基板以及呈周期性排布在所述第三基板表面的多个第三纳米结构，所述第三纳米结构的横截面为非中心对称结构。

6.根据权利要求5所述的显示系统，其特征在于，在可见光波段范围内，所述多个第三纳米结构对所述第一线偏振光的反射率大于或等于30％且小于或等于50％，对第二线偏振光的透过率大于或等于90％，所述第二线偏振光为偏振方向与所述第一线偏振光垂直的偏振光。

7.根据权利要求5所述的显示系统，其特征在于，所述第三纳米结构包括两个不同尺寸纳米柱。

8.根据权利要求7所述的显示系统，其特征在于，所述纳米柱的横截面为方形，其中一个纳米柱的横截面长度在70nm-150nm之间，宽度在40nm-70nm之间，另一个纳米柱的横截面长度在60nm-140nm之间，宽度在10nm-40nm之间。

9.根据权利要求5所述的显示系统，其特征在于，所述第三纳米结构为金属粒子或介质粒子。

10.根据权利要求5所述的显示系统，其特征在于，所述第三基板包括第一超表面区域和第二超表面区域，所述多个第三纳米结构设置于所述第一超表面区域，所述光学合波片还包括：周期性排布于所述第二超表面区域的多个第四纳米结构；

所述显示系统还包括：光源模块以及探测模块，其中：

所述光源模块用于发出近红外光照射到人眼上，并使得所述人眼反射的近红外光入射到所述第二超表面区域，所述多个第四纳米结构用于透过外界环境的可见光，并将入射的近红外光反射到所述探测模块；

所述探测模块用于对所述人眼反射的近红外光进行成像，以根据成像结果对人眼注视位置进行跟踪。

11.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述显示系统还包括光源模块、反射片以及探测模块，其中：

所述光源模块用于发出近红外光照射到眼球上，并使得所述人眼反射的近红外光入射到所述反射片；

所述反射片包括第四基板以及周期性排布在所述第四基板表面的多个第四纳米结构，用于透过外界环境的可见光，并将入射的近红外光反射到所述探测模块；

所述探测模块用于入射的近红外光进行成像，以根据成像结果对眼球注视的位置进行跟踪。

12.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的显示系统。

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