CN113835227B - 补偿器及其制备方法、图像显示装置、显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种补偿器及其制备方法、图像显示装置、显示设备，其中，该补偿器包括：棱镜基底和能够被分出多个超表面结构单元的补偿元件；补偿元件的超表面结构单元用于对透过超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向补偿器的光线的入射方向，与光线透过超表面结构单元、棱镜基底以及位于棱镜基底的出光侧的自由曲面棱镜后的出射方向相同。通过本发明实施例提供的技术方案，光线能够无焦且不失真地透过补偿器以及自由曲面棱镜，人眼透过补偿器和自由曲面棱镜后，可以正常观看外部事物。并且，超表面结构单元的厚度较小，棱镜基底也可以做到具有较小的厚度，能够实现轻薄化，方便用户使用。

Description

补偿器及其制备方法、图像显示装置、显示设备

技术领域

本发明涉及成像器件技术领域，具体而言，涉及一种补偿器及其制备方法、图像显示装置、显示设备。

背景技术

虚拟现实(VR，Virtual Reality)和增强现实(AR，Augmented Reality) 的概念提出以来，基于VR或者AR模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展。

在像源不遮挡人眼的前提下，为了在人眼前方成像，一般需要经过设计的自由曲面光学元件实现成像；而外部事物的环境光透过该自由曲面光学元件时会发生成像变形，导致人眼看到的外部事物存在像差。此时还需要具有自由曲面面型的透镜来控制像差，使得人眼可以正常地观看外部事物。目前，基于自由曲面的头戴式图像显示装置厚度较大，一般大于8mm，甚至大于10mm，产品笨重，用户使用不方便，也不利于推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种补偿器及其制备方法、图像显示装置、显示设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种补偿器，包括：棱镜基底和能够被分出多个超表面结构单元的补偿元件；

所述补偿元件设置在所述棱镜基底的一侧；

所述补偿元件的所述超表面结构单元用于对透过所述超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向所述补偿器的光线的入射方向，与所述光线透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底以及位于所述棱镜基底的出光侧的自由曲面棱镜后的出射方向相同。

在一种可能的实现方式中，所述超表面结构单元在多个目标波长下的相位误差符合误差最小条件，所述相位误差为所述超表面结构单元在所述目标波长下的实际补偿相位与在相同的所述目标波长下所述超表面结构单元需要补偿的理论相位之间的差值。

在一种可能的实现方式中，所述误差最小条件为多个所述相位误差的加权和最小，多个所述相位误差的加权和为：

其中，(x,y)表示所述超表面结构单元的位置坐标，m为所述超表面结构单元(x,y)在结构数据库中的编号，λ_i为第i个所述目标波长， c_i为所述目标波长λ_i的权重系数；

为所述超表面结构单元 (x,y)在所述目标波长λ_i下的实际补偿相位，

为所述超表面结构单元(x,y)在所述目标波长λ_i下需要补偿的理论相位，且：

其中，n₁为所述棱镜基底的折射率，t_x,y为在所述超表面结构单元 (x,y)对应的光线传播方向上所述棱镜基底的厚度，n₂为所述自由曲面棱镜的折射率，T_x,y为在所述超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上所述自由曲面棱镜的厚度。

在一种可能的实现方式中，所述目标波长包括可见光波段内的波长，且所述目标波长至少包括黄色光、绿色光、红色光、紫色光对应的波长；

所述黄色光和所述绿色光的所述权重系数中的较小值不小于所述红色光和所述紫色光的所述权重系数中的较大值。

在一种可能的实现方式中，所述补偿元件包括透明基底层和多个纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构为在高度方向上具有中心轴的直立型结构，且所述纳米结构具有第一对称平面和与所述第一对称平面垂直的第二对称平面；

所述第一对称平面与所述第二对称平面的相交线为所述中心轴，所述第一对称平面与所述纳米结构之间的截交线，与所述第二对称平面与所述纳米结构之间的截交线形状相同。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构为圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱；

或者，所述纳米结构为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构；

或者，所述纳米结构为至少部分中空的圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱，且所述纳米结构的中空为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构；

或者，所述纳米结构为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构，且所述腔体结构内设有圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。

在一种可能的实现方式中，所述补偿元件设置在所述棱镜基底的入光侧；

射向所述超表面结构单元的光线的入射方向，与所述光线依次透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底以及位于所述棱镜基底的出光侧的自由曲面棱镜后的出射方向相同。

在一种可能的实现方式中，所述棱镜基底的出光侧的表面形状与所述自由曲面棱镜靠近所述棱镜基底的一侧的表面形状相匹配。

在一种可能的实现方式中，所述棱镜基底的出光侧的表面形状为内凹的自由曲面。

在一种可能的实现方式中，所述棱镜基底的折射率与所述自由曲面棱镜的折射率相同。

在一种可能的实现方式中，所述补偿元件远离所述棱镜基底的一侧设有钢化膜和/或增透膜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种图像显示装置，其特征在于，包括：自由曲面棱镜和如上所述的任意一种补偿器。

在一种可能的实现方式中，所述自由曲面棱镜包括透射面、透反面和分光面；所述分光面为靠近所述补偿器的棱镜基底的出光侧的一面；

所述透射面用于透射外部的成像光线，且被所述透射面透射的所述成像光线射向所述透反面；

所述透反面用于将被所述透射面透射的所述成像光线全反射至所述分光面；

所述分光面用于将被所述透反面全反射的所述成像光线反射至所述透反面；

所述透反面还用于透过被所述分光面反射的所述成像光线。

在一种可能的实现方式中，所述透反面为内凹的球面。

在一种可能的实现方式中，所述分光面的透反比不小于(I_max-I₀)/I₀；其中，I_max为外部的所述成像光线的最大亮度，I₀为成像所需的最大亮度。

在一种可能的实现方式中，图像显示装置还包括像源；所述像源用于发出射向所述自由曲面棱镜的成像光线。

第三方面，本发明实施例还提供了一种近眼投影显示设备，包括如上所述的任意一种图像显示装置。

第四方面，本发明实施例还提供了一种补偿器的制备方法，包括：

在临时基底上设置隔离层；

在所述隔离层远离所述临时基底的一侧设置透明基底层；

在所述透明基底层远离所述隔离层的一侧设置结构层；

在所述结构层上结构化出多个纳米结构；

去除所述隔离层，将分离出的所述透明基底层和多个所述纳米结构转移至棱镜基底的一侧，制成所述补偿器；

其中，包含所述纳米结构的超表面结构单元用于对透过所述超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向所述补偿器的光线的入射方向，与所述光线透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底以及位于所述棱镜基底的出光侧的自由曲面棱镜后的出射方向相同。

在一种可能的实现方式中，在所述去除所述隔离层之前，该方法还包括：在所述纳米结构表面设置转移层；

所述将分离出的所述透明基底层和多个所述纳米结构转移至棱镜基底的入光侧包括：

将分离出的所述透明基底层、所述纳米结构和所述转移层转移至棱镜基底的入光侧，且所述透明基底层贴合所述棱镜基底的一侧；以及

去除所述转移层。

在一种可能的实现方式中，所述在所述隔离层远离所述临时基底的一侧设置透明基底层包括：

在所述隔离层远离所述临时基底的一侧设置转移层，之后再在所述转移层远离所述隔离层的一侧设置所述透明基底层；

所述将分离出的所述透明基底层和多个所述纳米结构转移至棱镜基底的入光侧包括：

将分离出的所述透明基底层、所述纳米结构和所述转移层转移至棱镜基底的入光侧，且所述纳米结构贴合所述棱镜基底的一侧；以及

去除所述转移层。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，补偿元件的超表面结构单元能够对光线进行相位补偿，使得射向补偿器的光线的入射方向，与该光线透过补偿器以及自由曲面棱镜后的出射方向相同，故光线能够无焦且不失真地透过补偿器以及自由曲面棱镜，人眼透过补偿器和自由曲面棱镜后，可以正常观看外部事物。并且，超表面结构单元的厚度较小，棱镜基底也可以做到具有较小的厚度，故该补偿器与自由曲面棱镜能够形成无焦且薄的图像显示装置，从而能够实现轻薄化，方便用户使用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了本发明实施例所提供的补偿器的一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的补偿器的另一种结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的补偿器的再一种结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的补偿器中棱镜厚度的一种示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的纳米结构的一种结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的纳米结构的另一种结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的多种纳米结构的结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的图像显示装置的一种结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的补偿器的制备方法的一种流程示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的补偿器的制备方法的另一种流程示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的补偿器的制备方法的再一种流程示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的图像显示装置的结构示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的0°和20°视场的点列图；

图14示出了本发明实施例所提供的成像仿真图。

图标：

100-棱镜基底、200-补偿元件、210-透明基底层、220-纳米结构、 10-补偿器、20-自由曲面棱镜、21-透射面、22-透反面、23-分光面、 30-像源、1-临时基底、2-隔离层、3-结构层、4-转移层。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种补偿器，用于对入射的环境光进行补偿校正。参见图1所示，该补偿器包括：棱镜基底100和能够被分出多个超表面结构单元的补偿元件200。其中，补偿元件200设置在棱镜基底100的一侧；如图1所示，该补偿元件200设置在棱镜基底100的右侧。补偿元件200的超表面结构单元用于对透过超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向补偿器的光线的入射方向，与光线透过超表面结构单元、棱镜基底100以及位于棱镜基底100的出光侧的自由曲面棱镜20后的出射方向相同。

本发明实施例中，棱镜基底100能够透过入射至该棱镜基底100 的光线，该棱镜基底100可以是玻璃，也可以是其他的透明材质。在需要对环境光进行补偿时，该棱镜基底100具有入射环境光的入光侧和出射环境光的出光侧。如图1所示，环境光A能够由右向左入射，则该棱镜基底100的右侧为入光侧，左侧为出光侧。能够实现补偿功能的补偿元件200设置在棱镜基底100的一侧；如图1或图2所示，该补偿元件200可以设置在棱镜基底100的入光侧，或者如图3所示，该补偿元件200也可以设置在棱镜基底100的出光侧。

补偿元件200能够被分为多个超表面结构单元，由于超表面结构单元的厚度较小，一般为微米或纳米级，将补偿元件200设置在棱镜基底100的一侧，使得该棱镜基底100可以起到支撑补偿元件200的作用。如图1-图3所示，棱镜基底100设置该补偿元件200的一侧为平面，以方便将补偿元件200加工到棱镜基底100上。该棱镜基底100 未设置补偿元件200的一侧，其可以为平面(如图2或图3所示)，也可以为非平面。为了在该补偿器应用到图像显示装置时保证该图像显示装置具有较小的厚度，该补偿元件200设置在棱镜基底100的入光侧。此时，如图1所示，该棱镜基底100的出光侧可以为非平面，例如该侧的表面形状与自由曲面棱镜20靠近棱镜基底100的一侧的表面形状相匹配，例如是内凹的自由曲面。其中，自由曲面棱镜20为用于成像的棱镜，为了能够形成放大的像，该自由曲面棱镜20至少有一个面是自由曲面，光线(如环境光)直接透过该自由曲面棱镜20时传播方向会发生改变，导致成像变形(光学像差)，本发明实施例主要基于该补偿元件100对该成像变形进行补偿校正。

本发明实施例中，补偿元件100通过其中的超表面结构单元实现对入射至补偿元件100的光线进行相位补偿，使得入射到该补偿器之前的光线的入射方向，与该光线透过超表面结构单元(即补偿元件 100)、棱镜基底100以及自由曲面棱镜20后的出射方向相同。如图1 所示，光线A入射到补偿器中的补偿元件100，该补偿元件100中相应的超表面结构单元对该光线A的相位进行补偿，将光线A转换为光线B；一般情况下，光线A与光线B的传播方向不同。之后，光线B 依次经过棱镜基底100、自由曲面棱镜20后转换为光线E，该光线E 即为光线A透过补偿器和自由曲面棱镜20后的光线，该光线E与光线A的传播方向相同。

可选地，补偿元件200设置在棱镜基底100的入光侧；射向超表面结构单元的光线的入射方向，与光线依次透过超表面结构单元、棱镜基底100以及位于棱镜基底100的出光侧的自由曲面棱镜20后的出射方向相同。

需要说明的是，为了方便显示光线的传播方向，图1中的各个部件之间设有一定的间隔；而在实际应用中，各个部件是可以贴合的，例如补偿元件200贴合在棱镜基底100的入光侧。并且，本领域技术人员可以理解，本发明实施例中棱镜基底100的入光侧、出光侧只是相对而言，并不用于限定光线从“入光侧”到“出光侧”透射；如图 1所示，光线也可以从左向右透射棱镜基底100，即从光线也可以棱镜基底100的“出光侧”射向“入光侧”。在图1中，当光线从左向右依次透射自由曲面棱镜20、棱镜基底100、补偿元件200时，该补偿元件200仍然可以对该光线实现相位补偿。

本发明实施例提供的一种补偿器，补偿元件200的超表面结构单元能够对光线进行相位补偿，使得射向补偿器的光线的入射方向，与该光线透过补偿器以及自由曲面棱镜20后的出射方向相同，故光线能够无焦且不失真地透过补偿器以及自由曲面棱镜20，人眼透过补偿器和自由曲面棱镜20后，可以正常观看外部事物。并且，超表面结构单元的厚度较小，棱镜基底100也可以做到具有较小的厚度，故该补偿器与自由曲面棱镜20能够形成无焦且薄的图像显示装置，从而能够实现轻薄化，方便用户使用。

在上述实施例的基础上，补偿元件200中的超表面结构单元在多个目标波长下的相位误差符合误差最小条件；其中，该相位误差为超表面结构单元在目标波长下的实际补偿相位与在相同的目标波长下超表面结构单元需要补偿的理论相位之间的差值。

本发明实施例中，可以预先设置包含多个超表面结构单元的结构数据库，该结构数据库可以采用现有的数据库，也可以在现有数据库的基础上适应性的添加新的超表面结构单元。对于某一超表面结构单元，其对不同波长的光线的补偿效果一般是不同的；对于该结构数据库中不同的超表面结构单元，其对同一波长的光线的补偿效果也是不同的。本发明实施例中，目标波长为需要补偿的波长，该目标波长可以包括可见光波段内的波长；基于补偿器以及自由曲面棱镜20的形状结构，可以确定对每个目标波长的光线需要补偿的相位，即理论相位。并且，基于该结构数据库可以确定每个超表面结构单元对不同目标波长的光线的补偿相位，即实际补偿相位。本发明实施例将同一目标波长下的理论相位与实际补偿相位之间的差值作为该目标波长下的相位差值；若某超表面结构单元在多个目标波长下的相位误差符合误差最小条件，说明该超表面结构单元的相位补偿效果与理论上所需的补偿效果差距不大，此时可以选取该超表面结构单元作为补偿元件200中相应的超表面结构单元。

可选地，该误差最小条件为多个相位误差的加权和

最小，即补偿元件100中所选用的超表面结构单元，与结构数据库中其他超表面结构单元相比，加权和

最小。本发明实施例中，多个相位误差的加权和为：

其中，(x,y)表示超表面结构单元的位置坐标，m为超表面结构单元(x,y)在结构数据库中的编号，λ_i为第i个目标波长，c_i为目标波长λ_i的权重系数；

为超表面结构单元(x,y)在目标波长λ_i下的实际补偿相位，

为超表面结构单元(x,y)在目标波长λ_i下需要补偿的理论相位，且：

其中，n₁为棱镜基底100的折射率，t_x,y为在超表面结构单元(x,y) 对应的光线传播方向上棱镜基底100的厚度，n₂为自由曲面棱镜20 的折射率，T_x,y为在超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上自由曲面棱镜20的厚度。

本发明实施例中，补偿元件200能够被分为多个超表面结构单元，该补偿元件200不同位置处的超表面结构单元也不完全相同，本实施例以超表面结构单元在补偿元件200上的位置(x,y)来表示相应的超表面结构单元。例如，棱镜基底100靠近该补偿元件200的一侧为平面，该补偿元件200的超表面结构单元能够分布在该平面上，此时可以将超表面结构单元在该平面中的位置坐标(x,y)来作为该超表面结构单元的标识ID。

为了使得补偿器与自由曲面棱镜20能够形成无焦的光学系统，对于任意目标波长λ_i，若自由曲面棱镜20的光焦度为Φ₁(λ_i)，补偿器的光焦度为Φ₂(λ_i)，则需要满足Φ₁(λ_i)+Φ₂(λ_i)＝0。因此，该光学系统入射环境光时，若该自由曲面棱镜20在环境光光路的相位为

补偿器在环境光光路的相位为

则需要满足

并且，补偿器的棱镜基底100和超表面结构单元在环境光光路上也分别具有相应的相位

且

故该超表面结构单元应当具有的相位

该相位

即为在目标波长λ_i下需要补偿的理论相位。

如图4所示，对于超表面结构单元(x,y)，其对应的光线传播方向上棱镜基底100的厚度为t_x,y，则该位置处的棱镜基底100的相位

为

相应地，超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上自由曲面棱镜20的厚度为T_x,y，则该位置处的自由曲面棱镜 20的相位

为

因此，对于(x,y)处的超表面结构单元，其在目标波长λ_i下需要补偿的理论相位为：

其中，

为超表面结构单元(x,y)所对应的自由曲面棱镜20 的相位，

为超表面结构单元(x,y)所对应的棱镜基底100的相位。n₁为棱镜基底100的折射率，n₂为自由曲面棱镜20的折射率；一般情况下，n₁与n₂可以相同，例如，棱镜基底100与自由曲面棱镜20 采用相同的材质，如均采用相同的玻璃材质等。

对于结构数据库A中任意一个超表面结构单元k(k∈A)，均可以确定该超表面结构单元k在相应目标波长λ_i下的实际补偿相位，即可以确定将该超表面结构单元k设置于(x,y)的实际补偿相位

并可以确定多个相位误差的加权和

进而可以确定最小的加权和所对应的超表面结构单元m，即对于任意的k，

故可以将结构数据库中的超表面结构单元m设置在(x,y)处，作为超表面结构单元(x,y)。对补偿元件200其他位置处的超表面结构单元，可以采用相同的方式确定，此处不做赘述。

其中，不同的目标波长λ_i可以设置相应的权重系数c_i。可选地，目标波长至少包括黄色光、绿色光、红色光、紫色光对应的波长；并且，黄色光和绿色光的权重系数中的较小值不小于红色光和紫色光的权重系数中的较大值。即，黄色光与绿色光具有较大的权重系数，红色光与紫色光具有较小的权重系数，基于该加权和所确定的超表面结构单元能够更好地补偿人眼更加敏感的黄色光和绿色光，能够提高人眼的观看效果。

在上述任一实施例的基础上，如图1所示，该补偿器的补偿元件 200包括透明基底层210和多个纳米结构220。其中，纳米结构220 与透明基底层210的一部分可以被划分为一个超表面结构单元。每个超表面结构单元均能够调制入射光，纳米结构220可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构220是全介质结构单元，其至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，多个纳米结构220呈阵列排布，从而能够划分出超表面结构单元；该超表面结构单元可以为正六边形、正方形、扇形等，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。其中，所有的纳米结构220可以位于透明基底层210的同一侧，或者，部分纳米结构220位于透明基底层210的一侧，另一部分纳米结构位于透明基底层210的另一侧，本实施例对此不做限定。

需要说明的是，透明基底层210为整体的层结构，补偿元件200 中的多个超表面结构单元可以是人为划分出来的，即在透明基底层 210上布设多个纳米结构220，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构220的超表面结构单元，或者说，多个超表面结构单元可以形成一体式结构的补偿元件200。

可选地，本发明实施例提供的补偿器主要用于补偿外部的环境光，由于环境光是偏振不相关的，为了使得纳米结构220对入射光的偏振不敏感，本发明实施例中的纳米结构采用特定的对称结构。如图5所示，本发明实施例提供的纳米结构220为在高度方向上具有中心轴221 的直立型结构，如柱状结构等，且纳米结构220具有第一对称平面222 和与第一对称平面垂直的第二对称平面223。如图5所示，第一对称平面222与第二对称平面223的相交线为中心轴221，且第一对称平面222与纳米结构220之间的截交线，与第二对称平面223与纳米结构220之间的截交线形状相同。如图5所示，纳米结构220为实心的圆柱体，两个对称平面与纳米结构220之间的截交线均为形状完全相同的矩形。

例如，该纳米结构220可以为如图5所示的圆柱，或者，该纳米结构220也可以是具有4n个侧棱的正棱柱，n为正整数；例如，纳米结构220可以是正四棱柱、正八棱柱等，图6示出了一种正四棱柱的纳米结构220。

或者，该纳米结构220为至少部分中空的圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱，且纳米结构220的中空为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构。如图7中的图(a)所示，圆柱的纳米结构220部分中空，且中空的结构是正四棱柱。或者，进一步地，该纳米结构220中空的腔体结构内还设有更小的圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。如图7中的图(b)所示，纳米结构220整体上为圆柱状，其还具有圆柱状中空的腔体结构，且该腔体结构内还有正四棱柱。

或者，该纳米结构220为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构。如图7中的图(c)所示，纳米结构220为正四棱柱形状的腔体结构。或者，进一步地，该腔体结构内设有圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。如图7中的图(d)所示，纳米结构220为圆柱形状的腔体结构，该腔体结构内还设有正四棱柱。

需要说明的是，纳米结构220为腔体结构，指的是纳米结构220 周围填充有结构材料，例如填充有氮化硅等透明材料。由于超表面结构单元是被划分出来的，故通过在完整的结构层中刻出腔体结构，即可形成相应的纳米结构220。此外，图5至图7只是示出了超表面结构单元的示意图，图中的尺寸大小、尺寸比例等并不用于限定超表面结构单元。根据实际需求，可以设计或选用所需尺寸的超表面结构单元。

此外可选地，如图1和图2所示的补偿器，补偿元件200位于外表，此时可以在补偿元件200远离棱镜基底100的一侧设置钢化膜，从而起到保护作用。并且，补偿元件200远离棱镜基底100的一侧也可以设置增透膜，以提高环境光入射至补偿器时的透射率。

本发明实施例提供的一种补偿器，补偿元件200的超表面结构单元能够对光线进行相位补偿，使得射向补偿器的光线的入射方向，与该光线透过补偿器以及自由曲面棱镜20后的出射方向相同，故光线能够无焦且不失真地透过补偿器以及自由曲面棱镜20，人眼透过补偿器和自由曲面棱镜20后，可以正常观看外部事物。并且，超表面结构单元的厚度较小，棱镜基底100也可以做到具有较小的厚度，故该补偿器与自由曲面棱镜20能够形成无焦且薄的图像显示装置，从而能够实现轻薄化，方便用户使用。基于误差最小条件选取合适的超表面结构单元，能够保证补偿元件200具有较高的补偿效果；选用具有特定对称结构的纳米结构220，可以对非偏振的环境光进行更好地调制。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种图像显示装置，参见图8所示，该图像显示装置包括：自由曲面棱镜20和如上任一实施例所提供的补偿器10。该自由曲面棱镜20能够形成放大的像，外部的环境光经过补偿器10、自由曲面棱镜20之后，不改变光线的传播方向，即包括补偿器10和自由曲面棱镜20的图像显示装置为无焦系统，不会造成环境光的失真。基于该图像显示装置，用户可以正常观看自由曲面棱镜20所成的像，并且可以正常观看外部环境，能够实现增强现实的效果。

例如，参见图8所示，该自由曲面棱镜20包括透射面21、透反面22和分光面23；分光面23为靠近补偿器10的棱镜基底100的出光侧的一面。其中，透射面21用于透射外部的成像光线，且被透射面 21透射的成像光线射向透反面22；透反面22用于将被透射面21透射的成像光线全反射至分光面23；分光面23用于将被透反面22全反射的成像光线反射至透反面22；透反面22还用于透过被分光面23反射的成像光线。其中，该透反面22为内凹的球面，方便加工。

本发明实施例中，该图像显示装置还可以包括像源30，由像源 30发出射向自由曲面棱镜20的成像光线；如图8所示，像源30发出的成像光线M能够射向自由曲面棱镜20的透射面21。成像光线M透过该透射面21，进而以较大的入射角入射至透反面22，并在透反面 22发生全反射，使得成像光线M被全反射至分光面。该分光面23具有非反射和透射功能，例如分光面23设有半透半反膜，能够反射成像光线M中的至少部分光线；被分光面23反射的成像光线M最终能够以较小的入射角再次入射至透反面22，进而透过该透反面22射向人眼。而外部的环境光A透过补偿器10、分光面23、透反面22后也能够射向人眼。

其中，自由曲面棱镜20的分光面23与补偿器10的棱镜基底100 的出光侧的表面形状相匹配，一般均为自由曲面，使得自由曲面棱镜20与棱镜基底100可以贴合在一起。例如，二者可以胶合的形式贴合在一起；若自由曲面棱镜20与棱镜基底100的折射率相同，则采用的胶与二者的折射率相近；例如，胶的折射率与二者的折射率之间的误差不超过0.1。

此外，由于分光面23能够反射、透射光线，外部的环境光A透过该分光面23时也会发生部分反射，即分光面23反射部分环境光；为了保证人眼能够看到正常亮度的外部环境，该分光面23需要具有足够的透射率。本发明实施例中，分光面23的透反比(即透射率与反射率的比值)不小于(I_max-I₀)/I₀；其中，I_max为外部的成像光线的最大亮度，I₀为成像所需的最大亮度。一般情况下，该透反比大于1，即分光面23透射的光线多于反射的光线。

本发明实施例还提供一种近眼投影显示设备，其包括如上所述的任一图像显示装置。基于近眼投影显示设备，人眼可以看到像源30 所成的像，并且可以正常观看外部环境。其中，“近眼”指的是显示设备靠近人眼，其与人眼之间的距离一般小于10cm，一般可以为1-3厘米。

本发明实施例还提供一种如上任一实施例提供的补偿器的制备方法，该补偿器包括棱镜基底100和补偿元件200，且补偿元件200 包括透明基底层210和纳米结构220。包含纳米结构220的超表面结构单元用于对透过超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向补偿器的光线的入射方向，与光线透过超表面结构单元、棱镜基底100以及位于棱镜基底100的出光侧的自由曲面棱镜20后的出射方向相同。

其中，由于棱镜基底100可能是异形的，如图1所示的棱镜基底 100类似三棱柱结构，而在制作纳米结构220时，对基底是有要求的；例如，光刻机对基底的材料、厚度等有要求，导致难以直接在棱镜基底100上生成纳米结构220。本发明实施例利用符合加工工艺要求的临时基底1进行加工，之后通过转移的方式制作补偿器。参见图9所示，该制备方法包括：

步骤S91：在临时基底1上设置隔离层2。

本发明实施例中，临时基底1为临时作为基地的一层结构，该临时基底1的材料可以是硅或者石英玻璃。隔离层2为可去除的材料，且与基底(包括临时基底1、透明基底层210)、纳米结构220的材料不同；该隔离层2的材料可以是可溶解的金属材料，例如锗、铝、铜、金等金属材料。其中，隔离层2可以采用沉积的生长方式生成，例如选用CVD(气相沉积法)方式等，该隔离层2的厚度可以在1～300μm。

步骤S92：在隔离层2远离临时基底1的一侧设置透明基底层210。

本发明实施例中，在隔离层2上生长一层透明基底，该层即可作为该透明基底层210。该透明基底层210的材料为透明材料，对目标波段(如可见光波段)的光线具有较高的透射率，其具体可以选用氧化硅。透明基底层210可以采用CVD或ALD(原子层沉积)等方式沉积得到，其厚度可以是0.5～5μm。

步骤S93：在透明基底层210远离隔离层2的一侧设置结构层3。

本发明实施例中，在透明基底层210上生长一层结构层3，该结构层3与透明基底层210的材料不同，且结构层3也选用目标波段透明的材料，例如氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。结构层3可以采用CVD或ALD等方式沉积得到，其厚度可以是300～3000nm。

步骤S94：在结构层3上结构化出多个纳米结构220。

其中，可以采用光刻等方式在结构层3上结构化出多个纳米结构 220。例如，可以在结构层3上涂设遮蔽层，该遮蔽层可以包括光刻胶和/或硬掩模，其中硬掩模可为各种氧化物或铝、铬等金属。之后，在遮蔽层上曝光出纳米图案，可选的曝光方法包括电子束曝光、深紫外光刻曝光、纳米压印和激光直写；之后采用如干法刻蚀等方法，得到纳米结构220，并去除光刻胶和/或硬掩模。

步骤S95：去除隔离层2，将分离出的透明基底层210和多个纳米结构220转移至棱镜基底100的一侧，制成补偿器。

本发明实施例中，通过溶解隔离层2的方式去除隔离层2，从而将临时基底1分离出去，进而可以将包含透明基底层210和纳米结构220的结构转移至预先设置好的棱镜基底100上，从而形成所需的补偿器。

可选地，由于透明基底层210和纳米结构220的厚度较小，本发明实施例通过增加转移层4的方式来实现转移。参见图10所示，在步骤S95“去除隔离层2”之前，该方法还包括：

步骤S950：在纳米结构220表面设置转移层4。

并且，上述步骤S95“去除隔离层2，将分离出的透明基底层210 和多个纳米结构220转移至棱镜基底100的入光侧”包括：

步骤S951：去除隔离层2。

步骤S952：将分离出的透明基底层210、纳米结构220和转移层 4转移至棱镜基底100的入光侧，且透明基底层210贴合棱镜基底100 的一侧。

步骤S953：去除转移层4，从而得到所需的补偿器。

本发明实施例中，该转移层4采用具有一定硬度的材料制成，其可以采用塑胶，例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PE(聚乙烯)、PC(聚碳酸酯)等材料。一般情况下，该转移层4的厚度需要大于结构层2厚度的十倍，例如，转移层4的厚度可以是10μm～1mm。本发明实施例通过在去除隔离层2之前增加转移层4，利用具有一定厚度的转移层4可以将透明基底层210和纳米结构220转移至棱镜基底100上。

图10所示的方法能够将棱镜基底100和纳米结构220分别设置在透明基底层210的两侧，从而能够得到类似于图1的补偿器。此外，也可以将棱镜基底100设置在纳米结构220的一侧，从而能够得到例如图3所示的补偿器。参见图11所示，该制备方法的步骤S92“在隔离层2远离临时基底1的一侧设置透明基底层210”包括：

步骤S921：在隔离层2远离临时基底1的一侧设置转移层4。

步骤S922：之后再在转移层4远离隔离层2的一侧设置透明基底层210。

之后的步骤S93、S94均是在包含转移层4的基础上进行的。并且，上述步骤S95“去除隔离层2，将分离出的透明基底层210和多个纳米结构220转移至棱镜基底100的入光侧”包括：

步骤S951：去除隔离层2。

步骤S954：将分离出的透明基底层210、纳米结构220和转移层 4转移至棱镜基底100的入光侧，且纳米结构220贴合棱镜基底100 的一侧。

步骤S955：去除转移层4，从而得到所需的补偿器，该补偿器的纳米结构220在棱镜基底100与透明基底层210之间。

本发明实施例提供的一种补偿器的制备方法，在临时基底1的基础上进行加工，得到包含透明基底层210和纳米结构220的补偿元件 200，并通过转移的方式将补偿元件200转移到棱镜基底100上，从而能够适应各种不同形状的棱镜基底100，并生成相应的补偿器。利用转移层4可以增加补偿元件200的厚度，方便实现转移。

下面通过一个实施例详细介绍本发明实施例提供的补偿器的作用。如图12所示，补偿器10包括棱镜基底100和补偿元件200，补偿器100与自由曲面棱镜20可以形成图像显示装置。其中，自由曲面棱镜20的外表面(即透反面22)为内凹的球面折射面，半径为-130mm。自由曲面棱镜20的外表面中心点到眼瞳面(EPD)的距离为15mm。补偿元件200的中心到自由曲面棱镜20的外表面中心点的厚度为 6mm；补偿元件200的透明基底层210的厚度为0.1mm；视场角±20°。自由曲面棱镜20和棱镜基底100的材料均为PMMA，超表面透明基底层210的材料为熔融石英，超表面纳米结构220的材料为氮化硅，周期600nm，高度1350nm，特征尺寸为100nm。

由于补偿器主要作用于环境光光路，故此处主要分析环境光路的无焦系统。以486nm、587nm、656nm三个波长的相位调制为例，0°和20°视场的点列图参见图13所示，对外部环境的成像仿真图参见图14所示，图14中的左侧为实际的物体，右侧为透过该图像显示装置所成的像。由图可知，基于超表面的补偿器10很好地补偿了自由曲面棱镜20带来的光学像差，实现了衍射极限的成像像质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种补偿器，其特征在于，包括：棱镜基底(100)和能够被分出多个超表面结构单元的补偿元件(200)；

所述补偿元件(200)设置在所述棱镜基底(100)的一侧；

所述补偿元件(200)的所述超表面结构单元用于对透过所述超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向所述补偿器的光线的入射方向，与所述光线透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底(100)以及位于所述棱镜基底(100)的出光侧的自由曲面棱镜(20)后的出射方向相同。

2.根据权利要求1所述的补偿器，其特征在于，所述超表面结构单元在多个目标波长下的相位误差符合误差最小条件，所述相位误差为所述超表面结构单元在所述目标波长下的实际补偿相位与在相同的所述目标波长下所述超表面结构单元需要补偿的理论相位之间的差值。

3.根据权利要求2所述的补偿器，其特征在于，所述误差最小条件为多个所述相位误差的加权和最小，多个所述相位误差的加权和为：

其中，(x,y)表示所述超表面结构单元的位置坐标，m为所述超表面结构单元(x,y)在结构数据库中的编号，λ_i为第i个所述目标波长，c_i为所述目标波长λ_i的权重系数；

为所述超表面结构单元(x,y)在所述目标波长λ_i下的实际补偿相位，

为所述超表面结构单元(x,y)在所述目标波长λ_i下需要补偿的理论相位，且：

其中，n₁为所述棱镜基底(100)的折射率，t_x,y为在所述超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上所述棱镜基底(100)的厚度，n₂为所述自由曲面棱镜(20)的折射率，T_x,y为在所述超表面结构单元(x,y) 对应的光线传播方向上所述自由曲面棱镜(20)的厚度。

4.根据权利要求3所述的补偿器，其特征在于，所述目标波长包括可见光波段内的波长，且所述目标波长至少包括黄色光、绿色光、红色光、紫色光对应的波长；

所述黄色光和所述绿色光的所述权重系数中的较小值不小于所述红色光和所述紫色光的所述权重系数中的较大值。

5.根据权利要求1所述的补偿器，其特征在于，所述补偿元件(200)包括透明基底层(210)和多个纳米结构(220)。

6.根据权利要求5所述的补偿器，其特征在于，所述纳米结构(220)为在高度方向上具有中心轴的直立型结构，且所述纳米结构(220)具有第一对称平面和与所述第一对称平面垂直的第二对称平面；

所述第一对称平面与所述第二对称平面的相交线为所述中心轴，所述第一对称平面与所述纳米结构(220)之间的截交线，与所述第二对称平面与所述纳米结构(220)之间的截交线形状相同。

7.根据权利要求6所述的补偿器，其特征在于，所述纳米结构(220)为圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱；

或者，所述纳米结构(220)为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构；

或者，所述纳米结构(220)为至少部分中空的圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱，且所述纳米结构(220)的中空为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构；

或者，所述纳米结构(220)为圆柱状或具有4n个侧棱的正棱柱状的腔体结构，且所述腔体结构内设有圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的补偿器，其特征在于，所述补偿元件(200)设置在所述棱镜基底(100)的入光侧；

射向所述超表面结构单元的光线的入射方向，与所述光线依次透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底(100)以及位于所述棱镜基底(100)的出光侧的自由曲面棱镜(20)后的出射方向相同。

9.根据权利要求8所述的补偿器，其特征在于，所述棱镜基底(100) 的出光侧的表面形状与所述自由曲面棱镜(20)靠近所述棱镜基底(100)的一侧的表面形状相匹配。

10.根据权利要求9所述的补偿器，其特征在于，所述棱镜基底(100)的出光侧的表面形状为内凹的自由曲面。

11.根据权利要求9所述的补偿器，其特征在于，所述棱镜基底(100)的折射率与所述自由曲面棱镜(20)的折射率相同。

12.根据权利要求8任意一项所述的补偿器，其特征在于，所述补偿元件(200)远离所述棱镜基底(100)的一侧设有钢化膜和/或增透膜。

13.一种图像显示装置，其特征在于，包括：自由曲面棱镜(20)和如权利要求1-12任意一项所述的补偿器(10)。

14.根据权利要求13所述的图像显示装置，其特征在于，所述自由曲面棱镜(20)包括透射面(21)、透反面(22)和分光面(23)；所述分光面(23)为靠近所述补偿器(10)的棱镜基底(100)的出光侧的一面；

所述透射面(21)用于透射外部的成像光线，且被所述透射面(21)透射的所述成像光线射向所述透反面(22)；

所述透反面(22)用于将被所述透射面(21)透射的所述成像光线全反射至所述分光面(23)；

所述分光面(23)用于将被所述透反面(22)全反射的所述成像光线反射至所述透反面(22)；

所述透反面(22)还用于透过被所述分光面(23)反射的所述成像光线。

15.根据权利要求14所述的补偿器(10)，其特征在于，所述透反面(22)为内凹的球面。

16.根据权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于，所述分光面(23)的透反比不小于(I_max-I₀)/I₀；其中，I_max为外部的所述成像光线的最大亮度，I₀为成像所需的最大亮度。

17.根据权利要求13-16任意一项所述的图像显示装置，其特征在于，还包括像源(30)；

所述像源(30)用于发出射向所述自由曲面棱镜(20)的成像光线。

18.一种近眼投影显示设备，其特征在于，包括如权利要求13-17任意一项所述的图像显示装置。

19.一种补偿器的制备方法，其特征在于，包括：

在临时基底(1)上设置隔离层(2)；

在所述隔离层(2)远离所述临时基底(1)的一侧设置透明基底层(210)；

在所述透明基底层(210)远离所述隔离层(2)的一侧设置结构层(3)；

在所述结构层(3)上结构化出多个纳米结构(220)；

去除所述隔离层(2)，将分离出的所述透明基底层(210)和多个所述纳米结构(220)转移至棱镜基底(100)的一侧，制成所述补偿器；

其中，包含所述纳米结构(220)的超表面结构单元用于对透过所述超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向所述补偿器的光线的入射方向，与所述光线透过所述超表面结构单元、所述棱镜基底(100)以及位于所述棱镜基底(100)的出光侧的自由曲面棱镜(20)后的出射方向相同。

20.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于，

在所述去除所述隔离层(2)之前，还包括：在所述纳米结构(220)表面设置转移层(4)；

所述将分离出的所述透明基底层(210)和多个所述纳米结构(220)转移至棱镜基底(100)的入光侧包括：

将分离出的所述透明基底层(210)、所述纳米结构(220)和所述转移层(4)转移至棱镜基底(100)的入光侧，且所述透明基底层(210)贴合所述棱镜基底(100)的一侧；以及

去除所述转移层(4)。

21.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述在所述隔离层(2)远离所述临时基底(1)的一侧设置透明基底层(210)包括：

在所述隔离层(2)远离所述临时基底(1)的一侧设置转移层(4)，之后再在所述转移层(4)远离所述隔离层(2)的一侧设置所述透明基底层(210)；

所述将分离出的所述透明基底层(210)和多个所述纳米结构(220)转移至棱镜基底(100)的入光侧包括：

将分离出的所述透明基底层(210)、所述纳米结构(220)和所述转移层(4)转移至棱镜基底(100)的入光侧，且所述纳米结构(220)贴合所述棱镜基底(100)的一侧；以及

去除所述转移层(4)。

Images