CN113934005B - 一种中继转向器、显示装置及近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中继转向器、显示装置及近眼显示系统，其中，该中继转向器，包括：超表面部和支撑部；所述超表面部位于所述支撑部上；所述超表面部用于通过调整入射至所述超表面部的光线的相位调整所述超表面部的出射光线的出光方向，将来自所述超表面部的入光侧的光线调整射向所述超表面部的出光侧，并在所述超表面部的出光侧的预设区域内形成实像。通过本发明实施例提供的中继转向器、显示装置及近眼显示系统，不需要堆叠大量且具有一定厚度的光学器件，能够减少光学器件的数量，减小了投影光路所需的体积，减轻了重量，并且减小了调装难度，降低了系统复杂度。

Description

一种中继转向器、显示装置及近眼显示系统

技术领域

本发明涉及成像设备技术领域，具体而言，涉及一种中继转向器、显示装置及近眼显示系统。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)眼镜等近眼显示系统是一种可穿戴器件，其将微型显示器的图像投影叠加到观察者所看到的真实世界，“增强”了现实。

现有的近眼显示系统需要一个中继镜组(Relay lensingsets)来加长投影光路，把微型显示器上的图像投影/放大投影到图像组合器，利用图像组合器将投影图像呈现在观察者前方，从而能够将现实图像和投影图像同时导入人眼。此外，绝大多数的近眼显示系统的微型显示器多在镜框的镜腿上，此时还需要通过额外的由棱镜或者反射镜组成的转折光学器件将光线投影到图像组合器，从而减小近眼投影系统的体积。

现有的中继镜组和转折光学器件需要多片传统折射/反射光学元件，使得整个投影光路系统体积偏大，重量偏沉，且系统复杂。

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中继转向器、显示装置及近眼显示系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种中继转向器，包括：超表面部和支撑部；

所述超表面部位于所述支撑部上；

所述超表面部用于通过调整入射至所述超表面部的光线的相位调整所述超表面部的出射光线的出光方向，将来自所述超表面部的入光侧的光线调整射向所述超表面部的出光侧，并在所述超表面部的出光侧的预设区域内形成实像。

在一种可能的实现方式中，所述超表面部包括透射式超表面元件和反射元件；

所述透射式超表面元件包括多个能够调整相位的透射式超表面结构单元，所述透射式超表面结构单元用于将入射至所述透射式超表面结构单元的至少部分光线进行透射，所述透射式超表面元件所透射的光线能够形成实像；

所述反射元件用于将入射至所述反射元件的光线反射至所述超表面部的出光侧。

在一种可能的实现方式中，入射至所述透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于或等于所述透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与所述透射参考位置之间的第二偏转角度，所述透射参考位置与所述透射式超表面元件共面。

在一种可能的实现方式中，所述第二偏转角度的余切值与所述第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，所述定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

在一种可能的实现方式中，所述透射式超表面元件用于将入射至所述透射式超表面元件的光线透射至所述反射元件，所述反射元件用于将所述透射式超表面元件所透射的光线反射至所述超表面部的出光侧；或者，

所述反射元件用于将入射至所述反射元件的光线反射至所述透射式超表面元件，所述透射式超表面元件用于将所述反射元件所反射的光线透射至所述超表面部的出光侧。

在一种可能的实现方式中，所述支撑部包括中继基底，所述中继基底至少包括入光面、反射面和出光面；

所述反射元件位于所述反射面处，用于将由所述入光面所入射的光线反射至所述出光面；

所述透射式超表面元件设置在所述入光面或所述出光面处。

在一种可能的实现方式中，所述透射式超表面元件包括第一透明基底层和设置在所述第一透明基底层上的多个纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述透射式超表面结构单元所调整的相位为：

其中，r为所述透射式超表面结构单元的径向坐标，λ_i为需要调整的第i个波长，a_i,j为预设的与第i个波长相对应的第j个相位系数，N为不小于3的正整数。

在一种可能的实现方式中，所述超表面部包括反射式超表面元件；

所述反射式超表面元件能够被分为多个能够调整相位的反射式超表面结构单元，所述反射式超表面结构单元用于将来自第一位置的至少部分光线调整为射向所述预设区域的第二位置，以在所述第二位置处形成实像，所述第一位置与所述第二位置之间为一一对应的关系。

在一种可能的实现方式中，所述支撑部包括支撑层；所述反射式超表面元件设置在所述支撑层上；

或者，所述支撑部包括中继基底，所述中继基底至少包括入光面、反射面和出光面；所述反射式超表面元件设置在所述反射面处，用于将来自所述入光面的光线调整为射向所述出光面。

在一种可能的实现方式中，所述反射式超表面元件包括反射层和多个纳米结构，多个所述纳米结构设置在所述反射层靠近所述超表面部的入光侧以及出光侧的一侧；或者，

所述反射式超表面元件包括反射层、第二透明基底层和多个纳米结构；所述第二透明基底层设置在所述反射层靠近所述超表面部的入光侧以及出光侧的一侧，多个所述纳米结构设置在所述第二透明基底层远离所述反射层的一侧。

在一种可能的实现方式中，所述中继基底的所述入光面与所述出光面垂直。

第二方面，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括：如上所述的中继转向器和图像组合器；

所述中继转向器用于在所述图像组合器的入光侧生成实像；

所述图像组合器用于将所述实像发出的成像光线调整至观察区域。

在一种可能的实现方式中，所述图像组合器包括自由曲面棱镜和补偿器；

所述自由曲面棱镜包括透射面、透反面和分光面；所述补偿器设置在所述分光面处；

所述透射面用于透射所述实像发出的成像光线，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；

所述补偿器用于对所述自由曲面棱镜的光焦度进行补偿，以形成无焦的所述图像组合器。

在一种可能的实现方式中，所述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，所述补偿元件包括第三透明基底层和多个第二纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述第二纳米结构为在高度方向上具有中心轴的直立型结构，且所述第二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第二纳米结构之间的截交线，与所述第二对称平面与所述第二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，所述棱镜基底的出光侧的表面形状与所述自由曲面棱镜的分光面的表面形状相匹配。

在一种可能的实现方式中，显示装置还包括图像源；

所述图像源用于向所述中继转向器出射光线；

所述中继转向器用于将所述图像源所成的像调整至所述图像组合器的入光侧。

在一种可能的实现方式中，所述图像源发出的光线为偏振光；

所述中继转向器的纳米结构为在高度方向上具有中心轴的直立型结构，且所述纳米结构存在经过所述中心轴且互相垂直的第一平面和第二平面，所述纳米结构与所述第一平面之间的截交线绕所述中心轴旋转90°后，不完全重合于所述纳米结构与第二平面之间的截交线。

在一种可能的实现方式中，所述图像源包括能够发出偏振光的第一显示器；或者

所述图像源包括第二显示器、起偏器和四分之一波片，所述起偏器和所述四分之一波片设置在所述第二显示器与所述超表面元件之间，所述第二显示器发出的光线依次经过所述起偏器、所述四分之一波片后能够到达所述超表面元件。

第三方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示系统，包括上所述的任意一项的显示装置。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，利用超表面部对成像光线进行处理，能够方便地形成实像。与传统的中继镜组相比，本发明实施例提供的中继转向器包括超表面部，该超表面部中的超表面元件(例如反射式超表面元件、透射式超表面元件)能够实现成像，该超表面部不需要堆叠大量且具有一定厚度的光学器件，能够减少光学器件的数量，减小了投影光路所需的体积，减轻了重量，并且减小了调装难度，降低了系统复杂度。并且，采用半导体工艺加工方便量产超表面部，产能高、加工简单、成本低、良率高，能够降低设计难度。

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中继转向器的第一结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的中继转向器的第二结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的中继转向器的第三结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的中继转向器的第四结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的透射式超表面元件的成像原理示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的反射式超表面元件的一种结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的反射式超表面元件的另一种结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的透射式超表面元件的一种结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的中继转向器中的纳米结构的一种结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的中继转向器的一种详细结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的中继转向器的相位曲线图；

图12示出了本发明实施例所提供的中继转向器的综合调制传递函数；

图13示出了本发明实施例所提供的中继转向器的投影仿真图像；

图14示出了本发明实施例所提供的显示装置的一种结构示意图；

图15示出了本发明实施例所提供的图像组合器的一种结构示意图；

图16示出了本发明实施例所提供的图像组合器的另一种结构示意图；

图17示出了本发明实施例所提供的图像组合器的再一种结构示意图；

图18示出了本发明实施例所提供的第二纳米结构的一种结构示意图。

图标：

10-中继基底、11-入光面、12-反射面、13-出光面、21-反射式超表面元件、211-反射层、212-第二透明基底层、200-纳米结构、201-中心轴、202-第一平面、203-第二平面、22-透射式超表面元件、221-第一透明基底层、30-反射元件、40-支撑层、1-图像源、100-实像、2-中继转向器、4-图像组合器、410-自由曲面棱镜、411-透射面、412-透反面、413分光面、420-补偿器、421-棱镜基底、422-补偿元件、423-第三透明基底层、400-第二纳米结构、401-中心轴、402-第一对称平面、403-第二对称平面、6-镜框。

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。

本发明实施例提供的一种中继转向器，其包括：超表面部和支撑部。其中，超表面部位于支撑部上；超表面部用于通过调整入射至超表面部的光线的相位调整超表面部的出射光线的出光方向，将来自超表面部的入光侧的光线调整射向超表面部的出光侧，并在超表面部的出光侧的预设区域内形成实像。

本发明实施例中，超表面部为基于利用超表面技术所制造的器件，该超表面部能够调整入射光线的相位，从而能够调整出射光线的出光方向，并使得出射光线能够形成实像。支撑部主要起到固定支撑超表面部的作用，在光线需要通过该支撑部至少部分结构的情况下，支撑部的至少部分结构是透明的，以能透过相应的光线。其中，本实施例中的“透明”指的是能够透过预设波段内的光线，且透过率高于预设阈值，例如，透明可以指的是能够透过可见光波段的光线，且对可见光波段的光线的透过率不小于80％、90％或者95％等。

参见图1所示，该支撑部可以主要包括中继基底10，超表面部设置在该中继基底10上。本发明实施例中，超表面部的功能可以分为调整光线相位和反射光线，通过调整光线相位以能够形成实像，通过反射光线以能够较大幅度地调整出射光线的出光方向，从而能够在需要成像的预设区域内形成实像。相应地，该超表面部可以包括能够同时实现调整光线相位和反射光线功能的元件，例如超表面部包括反射式超表面元件21；或者，超表面部包括能够分别实现调整光线相位和反射光线功能的多个元件，例如，超表面部包括透射式超表面元件22和反射元件30。

参见图1所示，该超表面部可以包括反射式超表面元件21，该反射式超表面元件21能够实现调整光线相位和反射光线的功能。由于该反射式超表面元件21可以对入射的光线进行类似反射的处理，其并不是传统意义上的镜面反射，故本实施例将反射式超表面元件21处理入射光线的方式成为“准反射”。对于同一像素点发出的光线，该反射式超表面元件21能够对该光线进行处理，使得出射光线可以形成实像。例如，参见图1所示，在设有图像源1的情况下，图像源1发出的成像光线能够射向反射式超表面元件21，反射式超表面元件21对入射的成像光线进行准反射处理，从而能够将成像光线出射至预设区域，并在预设区域内形成实像100。

或者，参见图2所示，超表面部包括透射式超表面元件22和反射元件30，该透射式超表面元件22能够调整入射光线的相位，该反射元件30能够对入射至该反射元件30的光线进行反射。如图2所示，在设有图像源1的情况下，图像源1发出的成像光线能够射向透射式超表面元件22，透射式超表面元件22调整该成像光线的相位，从而使得该透射式超表面元件22所透过的成像光线能够形成实像；并且，该反射元件30可以调整光线的方向，从而能够在预设区域内形成实像。如图2所示，反射元件30可以反射该透射式超表面元件22所透过的成像光线，进而调整透射式超表面元件22所形成的实像的位置，从而能够在预设区域内形成实像100。

本发明实施例提供的中继转向器，利用超表面部对成像光线进行处理，能够方便地形成实像。与传统的中继镜组相比，本发明实施例提供的中继转向器包括超表面部，该超表面部中的超表面元件(例如反射式超表面元件21、透射式超表面元件22)能够实现成像，该超表面部不需要堆叠大量且具有一定厚度的光学器件，能够减少光学器件的数量，减小了投影光路所需的体积，减轻了重量，并且减小了调装难度，降低了系统复杂度。并且，采用半导体工艺加工方便量产超表面部，产能高、加工简单、成本低、良率高，能够降低设计难度。

在上述任一实施例的基础上，参见图1所示，该超表面部包括反射式超表面元件21。反射式超表面元件21能够被分为多个能够调整相位的反射式超表面结构单元，反射式超表面结构单元用于将来自第一位置的至少部分光线调整为射向预设区域的第二位置，以能够在第二位置处形成实像，第一位置与第二位置之间为一一对应的关系。

本发明实施例中，反射式超表面元件21包括多个反射式超表面结构单元，至少部分反射式超表面结构单元能够调整入射至该反射式超表面结构单元的光线进行相位补偿，以能够调整成像光线的出射方向，实现准反射。其中，反射式超表面元件21包括多个反射式超表面结构单元，指的是该从反射式超表面元件21中可以划分出多个反射式超表面结构单元，其并不意味着多个反射式超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；例如，多个反射式超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分反射式超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的反射式超表面结构单元共用同一个基底，只是不同的反射式超表面结构单元位于该基底的不同位置，反射式超表面结构单元是从反射式超表面元件21中人为划分出来的一部分结构。

如图1所示，图像源1发出的成像光线能够入射至反射式超表面元件21的相应反射式超表面结构单元，该反射式超表面结构单元能够对入射至反射式超表面结构单元的至少部分光线进行调整，从而能够调整入射的至少部分光线的出射方向，使得同一像素点发出的成像光线经该反射式超表面元件21准反射后，能够会聚形成实像，例如在预设区域内形成实像100。本发明实施例中，第一位置为能够发出射向该反射式超表面元件21的成像光线的位置，例如，该第一位置可以为图像源1所在的位置；第二位置为来自该第一位置处的成像光线被反射式超表面元件21处理后所会聚的位置，该第一位置与第二位置之间为一一对应的关系，即由不同第一位置发出的成像光线能够被会聚至不同的第二位置。其中，该第二位置可以为预设区域内的某个位置，进而可以在第二位置处形成相应的实像。

可选地，参见图1所示，该中继基底10至少包括入光面11、反射面12和出光面13；反射式超表面元件21设置在反射面12处，用于将来自入光面11的光线调整为射向出光面13。

本发明实施例中，中继基底10为透明材料制成，例如能够透过可见光的材料，例如玻璃等。该中继基底10具有能够透过入射光线的入光面以及能够透过出射光线的出光面13，并且该中继基底10还具有用于设置超表面部中能够反射光线的元件的反射面12；其中，为了能够形成完整的光路，至少部分入光面11与至少部分出光面13位于该反射面12的同一侧，且反射面12用于设置能够反射光线的元件。如图1所示，该反射式超表面元件21设置在反射面12处。本实施例中，中继基底10可以为棱镜，图1中以中继基底10为三棱柱形状的棱镜为例示出。

成像光线，例如图像源1发出的成像光线，可以透过该中继基底10的入光面11，透过该入光面11的成像光线可以射向位于反射面12的反射式超表面元件21；反射式超表面元件21对成像光线进行准反射后，成像光线射向出光面13，并透过该出光面13，该成像光线能够在出光面13的外侧会聚，从而能够形成实像100。

或者，参见图3所示，支撑部包括支撑层40；反射式超表面元件21设置在支撑层40上。其中，反射式超表面元件21设置在支撑层40能够被入射成像光线的一侧，例如，反射式超表面元件21设置在支撑层40与图像源1之间。成像光线射向反射式超表面元件21后，能够被反射式超表面元件21准反射并形成实像100。该支撑层40主要用于支撑反射式超表面元件21，该支撑层40可以为透明材料，也可以选用其他非透明材料，本实施例对此不做限定。

由于超表面元件(如反射式超表面元件21)的厚度较薄，体积较小，故本实施例提供的中继转向器的主体结构为该中继基底10或该支撑层40，该中继转向器的体积小，重量轻，能够适用于更多的应用场景。

在上述任一实施例的基础上，如图2所示，该超表面部包括透射式超表面元件22和反射元件30。透射式超表面元件22包括多个能够调整相位的透射式超表面结构单元，透射式超表面结构单元用于将入射至透射式超表面结构单元的至少部分光线进行透射，透射式超表面元件22所透射的光线能够形成实像；反射元件30用于将入射至反射元件30的光线反射至超表面部的出光侧。本发明实施例中，由透射式超表面元件22和反射元件30分别实现相位调整和反射光线的功能。

本发明实施例中，透射式超表面元件22包括多个透射式超表面结构单元，指的是该从透射式超表面元件22中可以划分出多个透射式超表面结构单元，并不意味着多个透射式超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个透射式超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分透射式超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的透射式超表面结构单元共用同一个基底，只是不同的透射式超表面结构单元位于该基底的不同位置，透射式超表面结构单元是从透射式超表面元件22中人为划分出来的一部分结构。

可选地，参见图2所示，透射式超表面元件22用于将入射至透射式超表面元件22的光线透射至反射元件30，反射元件30用于将透射式超表面元件22所透射的光线反射至超表面部的出光侧。如图2所示，透射式超表面元件22位于图像源1与反射元件300之间，图像源1发出的成像光线先经过透射式超表面元件22，该透射式超表面元件22处理成像光线后，将处理后的成像光线透射至反射元件30，并由该反射元件30将成像光线反射至预设区域，从而形成实像100。

或者，参见图4所示，反射元件30用于将入射至反射元件30的光线反射至透射式超表面元件22，透射式超表面元件22用于将反射元件30所反射的光线透射至超表面部的出光侧。如图4所示，图像源1、透射式超表面元件22、反射元件300三者不共线，图像源1发出的成像光线先到达反射元件30，反射元件30将成像光线反射至透射式超表面元件22，之后透射式超表面元件22再对反射元件30所反射的成像光线进行处理，以能够形成实像100。

在超表面部包括透射式超表面元件22的情况下，支撑部可以包括中继基底10，该中继基底10为透明材料制成，例如能够透过可见光的材料，例如玻璃等。该中继基底10具有能够透过入射光线的入光面以及能够透过出射光线的出光面13，并且该中继基底10还具有用于设置超表面部中能够反射光线的元件的反射面12；图2和图4中以该中继基底10的右侧面为入光面11、下侧面为出光面13、坐上侧面为反射面12为例示出。

其中，为了能够形成完整的光路，至少部分入光面11与至少部分出光面13位于该反射面12的同一侧，且反射面12用于设置能够反射光线的元件。如图2或图4所示，该反射元件30设置在反射面12处。本实施例中，中继基底10可以为棱镜，图2中以中继基底10为三棱柱形状的棱镜为例示出。

并且，如图2或图4所示，该透射式超表面元件22可以设置在中继基底10的入光面11处，也可以设置在中继基底10的入光面13处。如图2所示，透射式超表面元件22设置在中继基底10的入光面11处。成像光线，例如图像源1发出的成像光线，可以透过该中继基底10的入光面11处的透射式超表面元件22；透射式超表面元件22对成像光线进行相位调整后，使得成像光线能够形成实像；并且，透过该透射式超表面元件22的成像光线射向位于反射面12的反射元件30；反射元件30对成像光线进行反射后，成像光线射向出光面13，并透过该出光面13，该成像光线能够在出光面13的外侧会聚，从而能够形成实像100。图4中，透射式超表面元件22设置在中继基底10的出光面13处，其工作原理与上述的图2对应的实施例相似，此处不做赘述。

由于超表面元件(如透射式超表面元件22)的厚度较薄，体积较小，故本实施例提供的中继转向器的主体结构为该中继基底10，该中继转向器的体积小，重量轻，能够适用于更多的应用场景。

其中，中继基底10的入光面11与出光面13垂直。在入射至中继转向器的光线以及该中继转向器出射的光线的主光轴分别垂直于入光面11、出光面13的情况下，能够减少中继基底10的折射效果。虽然光线进入中继基底10或从中继基底10中出射时，会因中继基底10的折射率大于1而存在折射，但为方便描述，图1-图4中暂未考虑中继基底10的折射效果。

可选地，该透射式超表面元件22设有透射参考位置，该透射参考位置与透射式超表面元件22共面。该透射参考位置可以是透射式超表面元件22上的某个位置，例如超表面元件22的中心等；或者，该透射参考位置也可以是透射式超表面元件22之外但与其共面的某个位置。一般情况下，该透射参考位置选用透射式超表面元件22上的某个位置。透射式超表面元件22中的透射式超表面结构单元以该透射参考位置为基准调整光线的透射方向，使得入射至透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与透射参考位置之间的第二偏转角度，并使得透射光线能够形成实像。

本发明实施例中，透射式超表面结构单元在透射入射的成像光线时，还对成像光线进行相位调整，从而可以调整该成像光线的出射方向，使得相较于入射至透射式超表面结构单元的光线，该透射式超表面结构单元所透射的光线具有偏向于透射参考位置的趋势，即透射的光线比入射的光线更偏向于该透射参考位置。

如图2所示，透射参考位置位于透射式超表面元件22的中间(图2中横向虚像经过透射式超表面元件22的位置，该横向虚像可以为透射式超表面元件22的主光轴)，经透射式超表面元件22调整后，透射光线更偏向于透射参考位置；并且，为了能够形成实像，例如经反射元件30反射后所形成的实像100，对于以相同的入射方向入射至不同位置的透射式超表面结构单元的入射光线，该入射光线与透射光线之间的夹角与该入射光线所射向的透射式超表面结构单元与该透射参考位置之间的距离为正相关关系，即透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越远，则该透射式超表面结构单元对入射光线的调整程度越大，即入射光线与透射光线之间的夹角越大。

本发明实施例以光线的方向(入射方向或透射方向)与该透射参考位置之间的偏转角度进行描述。具体地，将入射至透射式超表面结构单元的光线的入射方向与该透射参考位置之间的偏转角度称为第一偏转角度，将该透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与该透射参考位置之间的偏转角度称为第二偏转角度。其中，本实施例中光线的方向与透射参考位置之间的偏转角度指的是：该光线的方向与该光线所入射的透射式超表面结构单元到该透射参考位置的方向之间的夹角。例如，对于入射至某透射式超表面结构单元M的光线，该光线的第一偏转角度指的是该光线的入射方向与该透射式超表面结构单元M到透射参考位置的方向之间的夹角。

由于透射光线更偏向于该透射参考位置，故第二偏转角度小于或等于第一偏转角度。并且，对于不同位置的透射式超表面结构单元，在第一偏转角度相同的情况下，透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越近，该透射式超表面结构单元对光线的偏转程度越小，即入射光线地入射方向与透射光线的透射方向之间的夹角(第一偏转角度与第二偏转角度之间的差值)也越小。

本发明实施例中，透射参考位置为该透射式超表面元件22的主光轴所对应的位置，该主光轴一般垂直于透射式超表面元件22所在平面，故以透射式超表面元件22和其主光轴可以建立坐标系。参见图5所示，将透射式超表面元件22的透射参考位置设为坐标系的原点O，该透射式超表面元件22所在位置表示为y轴，透过该透射参考位置O的主光轴为x轴；其中，透过该透射参考位置O的光线的方向不发生变化，即入射方向与透射方向相同。设某个像素点(例如图像源1中某个像素点)的位置为A，其坐标为(a,b)。由于透过该透射参考位置O的光线的方向不发生变化，为了能够形成实像，则需要保证像素点A所成的实像A'位于入射光线AO的所在方向上，且A与A'位于透射式超表面元件22的两侧；若实像为原始图像的m倍，则实像A'的坐标为(-ma,-mb)。一般情况下，m＞1，即超表面部用于形成放大的实像。

对于透射式超表面元件22上的任一透射式超表面结构单元，设其坐标为(0,y)，图5中以点B表示；则从A点入射至该透射式超表面结构单元B的光线为AB，其入射方向为

为了能够形成实像，该光线AB透过透射式超表面结构单元B后，透射后的光线可以到达实像A'处，故透射光线的透射方向可以表示为

由A、B、A'三点的坐标可知，

透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的方向为

如图5所示，α是

与

之间的夹角，即第一偏转角度，β是

与

之间的夹角，即第二偏转角度，α-β是

与

之间的夹角，且α≥β。

可知，

在y大于0的情况下，y表示透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的距离。若y+mb>0，则

该式对于任意点A(a,b)向y值符合相应条件(即y＞0且y+mb>0)的透射式超表面结构单元B(0,y)发射光线时均适用。对于不同位置的透射式超表面结构单元，y取值可能不同；对于来自同一像素点的入射光线，不同位置处的透射式超表面结构单元对该入射光线的第二偏转角度也不同；例如在点A确定的情况下，即a和b是固定的，由上式可知，透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的距离y越大，cosβ越大，而由于余弦函数在[0,π]为单调递减的，故第二偏转角度β越小。

此外，对于不同位置的透射式超表面结构单元，在入射光线的第一偏转角度相同的情况下，则在图5所示的坐标系中，入射光线的入射方向平行于

故像素点(a,b+Δd)所发出的光线射向(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元时，该光线与图5中的光线AB平行，二者具有相同的第一偏转角度，其中，Δd表示距离的偏移量。故(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元透射具有第一偏转角度为α的入射光线时，其透射光线的第二偏转角度的余弦值为：

即：

由于m＞0，若Δd为正，则可以得到(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元比(0,y)处的透射式超表面结构单元距离该透射参考位置更远，而前者的第二偏转角度的余弦值大于后者的第二偏转角度的余弦值；又由于余弦函数在[0,π]为单调递减的，故前者的第二偏转角度小于后者的第二偏转角度，即在第一偏转角度相同的情况下，(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元的第二偏转角度小于(0,y)处的透射式超表面结构单元的第二偏转角度，即透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越远，该透射式超表面结构单元对光线的偏转程度(第一偏转角度与第二偏转角度之间的差值α-β)越大。

综上，距离该透射参考位置越远的透射式超表面结构单元，对来自同一像素点的入射光线进行透射时的第二偏转角度越小，对具有同一第一偏转角度的入射光线进行透射时的第二偏转角度也越小。同理，在y+mb＜0或者y＜0的情况下，也可得出上述结论，此处不做赘述。由此使得该透射式超表面元件22能够形成实像。

本领域技术人员可以理解，图5仅示出了主光轴所在截面的情况，而透射式超表面元件是立体结构，在入射光线不与主光轴共面的情况下，即使入射方向与图5中的

不平行，该入射光线的第一偏转角度也可能等于图5中入射光线的第一偏转角度。

此外可选地，对于某个透射式超表面结构单元，其与透射参考位置之间的距离是固定的，对于入射至该透射式超表面结构单元的至少部分光线，其第二偏转角度的余切值与第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，且该定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

参见图5所示，

所表示的方向(即透射式超表面结构单元B所透射的光线的透射方向)也可以表示为

设c＝y-b，

则

所表示的方向为(-a,c+d)，在表示角度时，(-a,c+d)可以代替表示

基于三角函数的和差化积公式

可得：

以(-a,c+d)代替表示

且

则：

由于180°>α≥β>0，在该区间内余切函数单调递减，故第二偏转角度的余切值cotβ与第一偏转角度的余切值cotα之间的差值为不小于0的值，即

其中的y表示透射式超表面结构单元到透射参考位置的距离，即图5中B点到原点O之间的距离。由于在实际的工作情况下，图像源1与透射式超表面元件22的位置均固定，二者之间的距离|a|是固定的，且倍数m也是预先设置的，故cotβ-cotα为定值，且透射式超表面结构单元到透射参考位置O的距离越大，cotβ-cotα也越大。反过来讲，不同位置处的透射式超表面结构单元能够满足上述条件，可以使得透射光线尽可能地经过相应的实像，即像素点A发出的入射光线可以被透射至实像A处，从而能够提高透射式超表面元件22的成像效果。

可选地，图像源1出射的成像光线的光轴与透射式超表面元件22的主光轴平行。例如，在透射式超表面元件22为平面结构的情况下，图像源1可以与该透射式超表面元件22平行设置。通过将成像光线的光轴与透射式超表面元件22的主光轴设置为平行，可以使得透射式超表面元件22具有对称性，方便设计生产该透射式超表面元件22。

可选地，透射式超表面元件22的透射式超表面结构单元所调整的相位为：

其中，r为透射式超表面结构单元的径向坐标，例如，r表示透射式超表面结构单元到透射参考位置的距离；λ_i为需要调整的第i个波长，a_i,j为预设的与第i个波长相对应的第j个相位系数，N为不小于3的正整数。

本发明实施例中，透射式超表面元件22中的透射式超表面结构单元是旋转对称的，其对称中心为透射参考位置。λ_i为需要调整的波段内的波长，例如可见光波段内的波长。相位系数a_i,j可以由优化算法得到，其优化的目标是在将中继转向器产生的实像尽量少失真的投影到预设区域内，从而可以在预设区域内形成中间像面。

可选地，透射式超表面元件22中的透射式超表面结构单元在多个需要调整的目标波长λ_i下的相位误差符合误差最小条件；其中，该相位误差为透射式超表面结构单元在目标波长下的实际调整相位与在相同的目标波长下透射式超表面结构单元需要调整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透射式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透射式超表面结构单元。对于某一透射式超表面结构单元，其对不同波长的光线的调整效果一般是不同的；对于该结构数据库中不同的透射式超表面结构单元，其对同一波长的光线的调整效果也是不同的。本发明实施例中，目标波长为需要调整的波长，该目标波长可以包括可见光波段内的波长；基于透射式超表面结构单元的位置等，可以预先确定其对每个目标波长的光线需要调整的相位，即理论相位。并且，基于该结构数据库可以确定每个透射式超表面结构单元对不同目标波长的光线的调整相位，即实际调整相位。本发明实施例将同一目标波长下的理论相位与实际调整相位之间的差值作为该目标波长下的相位差值；若某透射式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，说明该透射式超表面结构单元的相位调整效果与理论上所需的调整效果差距不大，此时可以选取该透射式超表面结构单元作为调整元件200中相应的透射式超表面结构单元。

可选地，该误差最小条件为多个相位误差的加权和

最小，即调整元件100中所选用的透射式超表面结构单元，与结构数据库中其他透射式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，r为透射式超表面结构单元的径向坐标，例如，r表示透射式超表面结构单元到透射参考位置的距离，可以用r表示不同位置的透射式超表面结构单元；n为透射式超表面结构单元r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；

为第n个透射式超表面结构单元在目标波长λ_i下的实际调整相位，

为透射式超表面结构单元r在目标波长λ_i下需要调整的的理论相位。例如，如上所述，该理论相位可以为：

本发明实施例中，对于结构数据库A中任意一个透射式超表面结构单元k(k∈A)，均可以确定该透射式超表面结构单元k在相应目标波长λ_i下的实际调整相位，即可以确定将该透射式超表面结构单元k设置于径向坐标r处的实际调整相位

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透射式超表面结构单元n，即对于任意的k，

故可以将结构数据库中的透射式超表面结构单元n设置在径向坐标r处，作为透射式超表面结构单元r。对透射式超表面元件22其他位置处的透射式超表面结构单元，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透射式超表面结构单元能够更好地调整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，参见图3和图6所示，反射式超表面元件21包括反射层211、第二透明基底层212和多个纳米结构200；反射层211与第二透明基底层212贴合设置；第二透明基底层212设置在反射层211靠近超表面部的入光侧以及出光侧的一侧，多个纳米结构200设置在第二透明基底层212远离反射层211的一侧；例如，多个纳米结构200位于反射层211靠近图像源1的一侧。其中，超表面部的入光侧为用于进光的一侧，例如中继基底10的入光面11所在侧；超表面部的出光侧为用于出光的一侧，例如中继基底10的出光面13所在侧。参见图3和图6所示，第二透明基底层212设置在反射层211靠近图像源1的一侧，多个纳米结构200设置在第二透明基底层212上，并位于第二透明基底层212靠近图像源1的一侧。

或者，参见图7所示，反射式超表面元件21包括反射层211和多个纳米结构200，多个纳米结构200设置在反射层211靠近超表面部的入光侧以及出光侧的一侧。通过将该反射式超表面元件21设置在支撑部上，由该支撑部提供反射式超表面元件21的基底。例如，反射式超表面元件21设置在中继基底10的反射面12处，反射式超表面元件21的基底即为中继基底10的反射面12。

本发明实施例中，反射式超表面元件21包括对可见光具有高反射率的反射层211，例如，该反射层211可以为铝、银、金、铬等金属材料层，厚度可以为300-2000nm。纳米结构200位于该反射层211与图像源1之间，该纳米结构200采用可见光波段透明的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构200之间可是空气填充或者其他可见光波段透明的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构200的折射率之间的差值需大于或等于0.5。

反射式超表面元件21还包括能够起到支撑作用的第二透明基底层212。如图6所示，当第二透明基底层212位于反射层211与纳米结构200之间时，该第二透明基底层212需要是可见光波段透明的材料，该材料与纳米结构200或纳米结构200之间的填充物的材料均不相同，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。或者，该第二透明基底层212也可以位于反射层211的背面，则该第二透明基底层212可以不透光，也可以为可见光波段透明的材料，本实施例对此不做限定。其中，反射层211可以是以镀膜的形式设置在第二透明基底层212的一侧。

可选地，为了能够透射成像光线，该透射式超表面元件22主要选用能透过可见光的材料。参见图8所示，透射式超表面元件22包括第一透明基底层221和设置在第一透明基底层221上的多个纳米结构200。

该第一透明基底层221是可见光波段透明的材料，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。该纳米结构200也采用可见光波段透明的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构200之间可是空气填充或者其他可见光波段透明的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构200的折射率之间的差值需大于或等于0.5。其中，第一透明基底层221、纳米结构200、纳米结构200之间的填充物均采用不同的材料。

在上述任一实施例的基础上，由于中继转向器一般用于处理成像光线，例如图像源1发出的成像光线，该成像光线可以是偏振光。为了能够更好地调整偏振光，该纳米结构200为对偏振光敏感的结构(也可称为偏振相关结构)，且此类结构能够对入射的光线施加一个传播相位，方便设计纳米结构200，能够降低超表面元件20的设计难度。本实施例中，反射式超表面元件21和透射式超表面元件22中的纳米结构200均可以是对偏振光敏感的结构。

参见图9所示，纳米结构200为在高度方向上具有中心轴201的直立型结构，如柱状结构等，且纳米结构200存在经过中心轴201且互相垂直的第一平面202和第二平面203，使得纳米结构200与第一平面202之间的截交线绕中心轴201旋转90°后，不完全重合于纳米结构200与第二平面203之间的截交线。

如图9所示，互相垂直的第一平面202与第二平面203的相交线为中心轴201，且第一平面202与纳米结构200之间存在截交线，第二平面203与纳米结构200之间也存在截交线，图9中以虚线表示的即为截交线。为了使得纳米结构200偏振相关，其中一条截交线绕中心轴201旋转90°后与另一条截交线不完全重合。例如，该纳米结构可以为非正四棱柱的四棱柱，如纳米结构200在垂直于中心轴201平面上的截面为长方形；或者，该纳米结构200为具有奇数个侧棱的棱柱，例如三棱柱、五棱柱等；或者，该是具有4n+2个侧棱的棱柱(n为正整数)，例如六棱柱、十棱柱等；或者，该纳米结构200为椭圆柱等。

图9以纳米结构200设置在第一透明基底层221上为例示出，该纳米结构200也可以设置在第二透明基底层212上，本实施例对此不做限定。并且，图9示出的是一个被划分出的超表面结构单元，例如透射式超表面结构单元，按照不同的划分方式，透射式超表面结构单元所对应的第一透明基底层221的形状可能不同。此外，图9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。

本发明实施例还提供该中继转向器的一种详细结构。参见图10所示，该中继转向器包括设置在中继基底10的入光面11处的透射式超表面元件22。其中，图像源1的像素大小为3μm，像素数为800x600，对角线长度为3mm。中继基底10为直角转向棱镜，入光面11、出光面13的边长为10mm，图像源1放置在距离中继基底10入光面11(透射式超表面元件22)13.57mm处，所形成的的实像(中间像面)位于距离出光面17.77mm处，放大倍率m为1.8。透射式超表面元件22中，第二透明基底层221为玻璃基底，其厚度为30nm。确定所调整相位

时的相位系数分别为a1＝-5.7143E-02；a2＝6.5136E-05；a3＝-2.7023E-06；a4＝1.0899E-07；a5＝-1.5714E-09。对应486nm、587nm、656nm的相位曲线、综合调制传递函数及投影仿真图像分别见图11、图12、图13所示。由此可知，本实施例提供的基于超表面的中继转向器的投影失真小，分辨率高。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种显示装置，参见图14所示，该显示装置包括：如上任意一项实施例提供的中继转向器2和图像组合器4；中继转向器2用于在图像组合器4的入光侧生成实像100。图14中未示出该实像100，中继转向器2生成实像100的过程具体可参见图1等实施例的相关描述。图像组合器4用于将实像100发出的成像光线调整至观察区域，该观察区域例如是眼动范围(eyebox)，使得位于该观察区域的人眼可以看到中继转向器2所成的实像100。如图1所示，该显示装置还可以包括图像源1；图像源1用于向中继转向器2出射成像光线；中继转向器2用于将图像源1所成的像调整至图像组合器4的入光侧，从而在图像组合器4的入光侧能够形成实像100。

本发明实施例提供的显示装置，其中的中继转向器2利用超表面部对成像光线进行处理，能够方便地形成实像。与传统的中继镜组相比，该显示装置中的中继转向器2不需要堆叠大量且具有一定厚度的光学器件，能够减少光学器件的数量，减小了投影光路所需的体积，减轻了重量，并且减小了调装难度，降低了系统复杂度。并且，采用半导体工艺加工方便量产中继转向器2，产能高、加工简单、成本低、良率高，能够降低设计难度。

在上述任意一项实施例的基础上，参见图15所示，该图像组合器4包括自由曲面棱镜410和补偿器420。如图15所示，自由曲面棱镜410包括透射面411、透反面412和分光面413；补偿器420设置在分光面413处。

透射面411用于透射实像100发出的成像光线，且被透射面411透射的成像光线射向透反面412；透反面412用于将被透射面411透射的成像光线全反射至分光面413；分光面413用于将被透反面412全反射的成像光线反射至透反面412；透反面412还用于透过被分光面413反射的成像光线。补偿器420用于对自由曲面棱镜410的光焦度进行补偿，以形成无焦的图像组合器4。

本发明实施例中，透射面411用于透射外部的成像光线，且被透射面411透射的成像光线射向透反面412；其中，透射面411所透射的成像光线可以为中继转向器2形成的实像100所出射的成像光线，该实像100对应的位置可能位于自由曲面棱镜410的内部，也可能位于自由曲面棱镜410的外部，图15以该实像100位于自由曲面棱镜410外部为例示出。透反面412用于将被透射面411透射的成像光线全反射至分光面413；分光面413用于将被透反面412全反射的成像光线反射至透反面412；透反面412还用于透过被分光面413反射的成像光线。其中，该透反面412可以为内凹的球面，方便加工。

如图15所示，实像100发出的成像光线M能够射向自由曲面棱镜410的透射面411。成像光线M透过该透射面411，进而以较大的入射角入射至透反面412，并在透反面412发生全反射，使得成像光线M被全反射至分光面。该分光面413具有非反射和透射功能，例如分光面413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413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412，进而透过该透反面412射向人眼，使得用户可以观看到中继转向器2所形成的的实像100。而外部的环境光A透过补偿器420、分光面413、透反面412后也能够射向人眼，使得用户也可以正常观看外部环境。

自由曲面棱镜410虽然可以使得用户观看到正常的实像100，但由于成像光线与外部环境光的光路不同，导致外部的环境光只经过自由曲面棱镜410时会存在畸变，故需要补偿器420对自由曲面棱镜410进行补偿，使得自由曲面棱镜410和补偿器420所形成的图像组合器4为无焦系统，环境光透过该图像组合器4时不失真；并且，该补偿器420不影响成像光线的光路，补偿器420不影响用户观看实像100。

参见图15所示，该补偿器420可以为具有自由曲面面型的透镜结构，以实现补偿功能。但由于透镜结构本身具有一定的厚度，使得该图像组合器4的厚度大于8mm，甚至大于10mm。

为了降低图像组合器4的厚度，参见图16所示，补偿器420包括棱镜基底421和能够被分出多个超表面结构单元的补偿元件422；补偿元件422设置在棱镜基底421的一侧；补偿元件422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420的光线的入射方向，与光线透过超表面结构单元、棱镜基底421以及位于棱镜基底421的出光侧的自由曲面棱镜410后的出射方向相同。

本发明实施例中，棱镜基底421能够透过入射至该棱镜基底421的光线，该棱镜基底421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421具有入射环境光的入光侧和出射环境光的出光侧。如图16所示，环境光A能够由右向左入射，则该棱镜基底421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422设置在棱镜基底421的一侧；如图16所示，该补偿元件422可以设置在棱镜基底421的入光侧。

补偿元件422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422设置在棱镜基底421的一侧，使得该棱镜基底421可以起到支撑补偿元件422的作用。如图16所示，棱镜基底421设置该补偿元件422的一侧为平面，以方便将补偿元件422加工到棱镜基底421上。为了在该补偿器应用到显示装置时保证该显示装置具有较小的厚度，该补偿元件422设置在棱镜基底421的入光侧。如图16所示，该棱镜基底421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410靠近棱镜基底421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410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410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410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422对该成像变形进行补偿校正。

本发明实施例中，补偿元件422通过其中的超表面结构单元实现对入射至补偿元件422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422)、棱镜基底421以及自由曲面棱镜410后的出射方向相同。如图16所示，光线A入射到补偿器中的补偿元件422，该补偿元件422中相应的超表面结构单元对该光线A的相位进行补偿；一般情况下，补偿后的光线A与补偿前的光线A的传播方向不同。之后，补偿后的光线A依次经过棱镜基底421、自由曲面棱镜410后转换为光线B，该光线B即为光线A透过补偿器和自由曲面棱镜410后的光线，该光线B与光线A的传播方向相同。

可选地，补偿元件422设置在棱镜基底421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421以及位于棱镜基底421的出光侧的自由曲面棱镜410后的出射方向相同。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例中棱镜基底421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16所示，光线也可以从左向右透射棱镜基底421，即光线也可以棱镜基底421的“出光侧”射向“入光侧”。在图16中，当光线从左向右依次透射自由曲面棱镜410、棱镜基底421、补偿元件422时，该补偿元件422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显示装置，其中补偿器的补偿元件422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410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410，人眼透过补偿器和自由曲面棱镜410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421也可以做到具有较小的厚度，故该补偿器与自由曲面棱镜410能够形成无焦且薄的显示装置，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422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410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422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422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下需要补偿的的理论相位，且：

其中，n₁为棱镜基底421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421的厚度，n₂为自由曲面棱镜410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410的厚度。

本发明实施例中，补偿元件422能够被分为多个超表面结构单元，该补偿元件422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422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421靠近该补偿元件422的一侧为平面，该补偿元件422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410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410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410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421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下需要补偿的的理论相位。

如图17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421的厚度为t_x,y，则该位置处的棱镜基底421的相位

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410的厚度为T_x,y，则该位置处的自由曲面棱镜410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410的相位，

为超表面结构单元(x,y)所对应的棱镜基底421的相位。n₁为棱镜基底421的折射率，n₂为自由曲面棱镜410的折射率；一般情况下，n₁与n₂可以相同，例如，棱镜基底421与自由曲面棱镜410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422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。

其中，自由曲面棱镜410的分光面413与补偿器420的棱镜基底421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410与棱镜基底421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410与棱镜基底421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413能够反射、透射光线，外部的环境光A透过该分光面413时也会发生部分反射，即分光面413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413需要具有足够的透射率。本发明实施例中，分光面413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413透射的光线多于反射的光线。

在上述任一实施例的基础上，如图17所示，该补偿器的补偿元件422包括第三透明基底层423和多个第二纳米结构400。其中，第二纳米结构400与第三透明基底层423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，第二纳米结构400可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，第二纳米结构400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，多个第二纳米结构400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，所有的第二纳米结构400可以位于第三透明基底层423的同一侧，或者，部分第二纳米结构400位于第三透明基底层423的一侧，另一部分纳米结构位于第三透明基底层423的另一侧，本实施例对此不做限定。

需要说明的是，第三透明基底层423为整体的层结构，补偿元件422中的多个超表面结构单元可以是人为划分出来的，即在第三透明基底层423上布设多个第二纳米结构400，从而可以划分出包含一个或多个第二纳米结构400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422。

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，为了使得第二纳米结构400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(偏振不相关结构)。如图18所示，本发明实施例提供的第二纳米结构400为在高度方向上具有中心轴401的直立型结构，如柱状结构等，且第二纳米结构400具有第一对称平面402和与第一对称平面垂直的第二对称平面403。如图18所示，第一对称平面402与第二对称平面403的相交线为中心轴401，且第一对称平面402与第二纳米结构400之间的截交线，与第二对称平面403与第二纳米结构400之间的截交线形状相同，第一对称平面402与第二纳米结构400之间的截交线围绕该中心轴401旋转90°后，能够与第二对称平面403与第二纳米结构400之间的截交线重叠。如图18所示，第二纳米结构400为实心的圆柱体，两个对称平面与第二纳米结构400之间的截交线均为形状完全相同的矩形。

例如，该第二纳米结构400可以为如图18所示的圆柱，或者，该第二纳米结构400也可以是具有4n个侧棱的正棱柱，n为正整数；例如，第二纳米结构400可以是正四棱柱、正八棱柱等。此外，图18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。

可选地，在显示装置包括图像源1的情况下，该图像源1发出的成像光线可以为偏振光。中继转向器2的纳米结构200可以为对偏振光敏感的结构，该中继转向器2的纳米结构200也可称为第一纳米结构200。参见图9所示，纳米结构200为在高度方向上具有中心轴201的直立型结构，如柱状结构等，且纳米结构200存在经过中心轴201且互相垂直的第一平面202和第二平面203，使得纳米结构200与第一平面202之间的截交线绕中心轴201旋转90°后，不完全重合于纳米结构200与第二平面203之间的截交线。

选地，图像源1可以包括能够发出偏振光的第一显示器，例如液晶显示器等。或者，图像源1包括第二显示器、起偏器和四分之一波片，起偏器和四分之一波片设置在第二显示器与超表面元件之间，第二显示器发出的光线依次经过起偏器、四分之一波片后能够到达超表面元件20。其中，起偏器能够将第二显示器发出的成像光线转换为圆偏振光，之后四分之一波片能够将该圆偏振光转换为线偏振光，方便纳米结构200对线偏振的成像光线进行调整。

本发明实施例还提供一种近眼显示系统，其包括如上任意一项实施例提供的显示装置。基于近眼显示设备，人眼可以看到图像源1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(如图像组合器4)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。该近眼显示系统可以应用到眼镜中；如图14所示，图像源1、中继转向器2、图像组合器4等均设置在镜框6上，方便佩戴该镜框的用户能够看到图像源1形成的像，实现AR显示。

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 (24)

1.一种中继转向器，其特征在于，包括：超表面部和支撑部；

所述超表面部位于所述支撑部上；

所述超表面部用于通过调整入射至所述超表面部的光线的相位调整所述超表面部的出射光线的出光方向，将来自所述超表面部的入光侧的光线调整射向所述超表面部的出光侧，并在所述超表面部的出光侧的预设区域内形成放大的实像；其中，所述超表面部将同一像素点发出的成像光线会聚于图像组合器(4)的入光侧并形成所述实像；

所述超表面部包括反射式超表面元件(21)；所述反射式超表面元件(21)包括反射层(211)和多个纳米结构(200)，多个所述纳米结构(200)设置在所述反射层(211)靠近所述超表面部的入光侧以及出光侧的一侧；

或

所述超表面部包括透射式超表面元件(22)和反射元件(30)；所述反射元件(30)用于将入射至所述反射元件(30)的光线反射至所述超表面部的出光侧。

2.根据权利要求1所述的中继转向器，其特征在于，所述透射式超表面元件(22)包括多个能够调整相位的透射式超表面结构单元，所述透射式超表面结构单元用于将入射至所述透射式超表面结构单元的至少部分光线进行透射，所述透射式超表面元件(22)所透射的光线能够形成实像。

3.根据权利要求2所述的中继转向器，其特征在于，入射至所述透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于或等于所述透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与所述透射参考位置之间的第二偏转角度，所述透射参考位置与所述透射式超表面元件(22)共面。

4.根据权利要求3所述的中继转向器，其特征在于，所述第二偏转角度的余切值与所述第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，所述定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

5.根据权利要求2所述的中继转向器，其特征在于，

所述透射式超表面元件(22)用于将入射至所述透射式超表面元件(22)的光线透射至所述反射元件(30)，所述反射元件(30)用于将所述透射式超表面元件(22)所透射的光线反射至所述超表面部的出光侧；或者，

所述反射元件(30)用于将入射至所述反射元件(30)的光线反射至所述透射式超表面元件(22)，所述透射式超表面元件(22)用于将所述反射元件(30)所反射的光线透射至所述超表面部的出光侧。

6.根据权利要求2所述的中继转向器，其特征在于，所述支撑部包括中继基底(10)，所述中继基底(10)至少包括入光面(11)、反射面(12)和出光面(13)；

所述反射元件(30)位于所述反射面(12)处，用于将由所述入光面(11)所入射的光线反射至所述出光面(13)；

所述透射式超表面元件(22)设置在所述入光面(11)或所述出光面(13)处。

7.根据权利要求2所述的中继转向器，其特征在于，所述透射式超表面元件(22)包括第一透明基底层(221)和设置在所述第一透明基底层(221)上的多个纳米结构(200)。

8.根据权利要求2所述的中继转向器，其特征在于，所述透射式超表面结构单元所调整的相位为：

其中，r为所述透射式超表面结构单元的径向坐标，λ_i为需要调整的第i个波长，a_i,j为预设的与第i个波长相对应的第j个相位系数，N为不小于3的正整数。

9.根据权利要求1所述的中继转向器，其特征在于，所述反射式超表面元件(21)能够被分为多个能够调整相位的反射式超表面结构单元，所述反射式超表面结构单元用于将来自第一位置的至少部分光线调整为射向所述预设区域的第二位置，以在所述第二位置处形成实像，所述第一位置与所述第二位置之间为一一对应的关系。

10.根据权利要求9所述的中继转向器，其特征在于，所述支撑部包括支撑层(40)；所述反射式超表面元件(21)设置在所述支撑层(40)上；

或者，所述支撑部包括中继基底(10)，所述中继基底(10)至少包括入光面(11)、反射面(12)和出光面(13)；所述反射式超表面元件(21)设置在所述反射面(12)处，用于将来自所述入光面(11)的光线调整为射向所述出光面(13)。

11.根据权利要求9所述的中继转向器，其特征在于，所述反射式超表面元件(21)还包括第二透明基底层(212)；所述第二透明基底层(212)设置在所述反射层(211)靠近所述超表面部的入光侧以及出光侧的一侧，多个所述纳米结构(200)设置在所述第二透明基底层(212)远离所述反射层(211)的一侧。

12.根据权利要求6或10所述的中继转向器，其特征在于，所述中继基底(10)的所述入光面(11)与所述出光面(13)垂直。

13.一种显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1-12任意一项所述的中继转向器(2)和图像组合器(4)；

所述中继转向器(2)用于在所述图像组合器(4)的入光侧生成实像(100)；

所述图像组合器(4)用于将所述实像(100)发出的成像光线调整至观察区域；

所述中继转向器(2)的超表面部包括多个第一超表面结构单元，所述第一超表面结构单元在多个需要调整的目标波长下的第一相位误差符合误差最小条件；其中，所述第一相位误差为所述第一超表面结构单元在目标波长下的实际调整相位与在相同的目标波长下所述第一超表面结构单元需要调整的理论相位之间的差值。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述图像组合器(4)包括自由曲面棱镜(410)和补偿器(420)；

所述自由曲面棱镜(410)包括透射面(411)、透反面(412)和分光面(413)；所述补偿器(420)设置在所述分光面(413)处；

所述透射面(411)用于透射所述实像(100)发出的成像光线，且被所述透射面(411)透射的所述成像光线射向所述透反面(412)；所述透反面(412)用于将被所述透射面(411)透射的所述成像光线全反射至所述分光面(413)；所述分光面(413)用于将被所述透反面(412)全反射的所述成像光线反射至所述透反面(412)；所述透反面(412)还用于透过被所述分光面(413)反射的所述成像光线；

所述补偿器(420)用于对所述自由曲面棱镜(410)的光焦度进行补偿，以形成无焦的所述图像组合器(4)。

15.根据权利要求14所述的显示装置，其特征在于，所述补偿器(420)包括棱镜基底(421)和能够被分出多个第二超表面结构单元的补偿元件(422)；

所述补偿元件(422)设置在所述棱镜基底(421)的一侧；

所述补偿元件(422)的所述第二超表面结构单元用于对透过所述第二超表面结构单元的光线的相位进行补偿；射向所述补偿器(420)的光线的入射方向，与所述光线透过所述第二超表面结构单元、所述棱镜基底(421)以及位于所述棱镜基底(421)的出光侧的自由曲面棱镜(410)后的出射方向相同。

16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第二超表面结构单元在多个目标波长下的第二相位误差符合误差最小条件，所述第二相位误差为所述第二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第二超表面结构单元需要补偿的理论相位之间的差值。

17.根据权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述误差最小条件为多个所述第二相位误差的加权和最小，多个所述第二相位误差的加权和为：

其中，(x,y)表示所述第二超表面结构单元的位置坐标，m为所述第二超表面结构单元(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；

为所述第二超表面结构单元(x,y)在所述目标波长λ_i下的实际补偿相位，

为所述第二超表面结构单元(x,y)在所述目标波长λ_i下需要补偿的的理论相位，且：

其中，n₁为所述棱镜基底(421)的折射率，t_x,y为在所述第二超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上所述棱镜基底(421)的厚度，n₂为所述自由曲面棱镜(410)的折射率，T_x,y为在所述第二超表面结构单元(x,y)对应的光线传播方向上所述自由曲面棱镜(410)的厚度。

18.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述补偿元件(422)包括第三透明基底层(423)和多个第二纳米结构(400)。

19.根据权利要求18所述的显示装置，其特征在于，所述第二纳米结构(400)为在高度方向上具有中心轴的直立型结构，且所述第二纳米结构(400)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第二纳米结构(400)之间的截交线，与所述第二对称平面与所述第二纳米结构(400)之间的截交线形状相同。

20.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述棱镜基底(421)的出光侧的表面形状与所述自由曲面棱镜(410)的分光面(413)的表面形状相匹配。

21.根据权利要求13-20任意一项所述的显示装置，其特征在于，还包括图像源(1)；

所述图像源(1)用于向所述中继转向器(2)出射光线；

所述中继转向器(2)用于将所述图像源(1)所成的像调整至所述图像组合器(4)的入光侧。

22.根据权利要求21所述的显示装置，其特征在于，所述图像源(1)发出的光线为偏振光；

所述中继转向器(2)的纳米结构(200)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(200)存在经过所述中心轴且互相垂直的第一平面和第二平面，所述纳米结构(200)与所述第一平面之间的截交线绕所述中心轴旋转90°后，不完全重合于所述纳米结构(200)与第二平面之间的截交线。

23.根据权利要求22所述的显示装置，其特征在于，

所述图像源(1)包括能够发出偏振光的第一显示器；或者

所述图像源(1)包括第二显示器、起偏器和四分之一波片，所述起偏器和所述四分之一波片设置在所述第二显示器与所述超表面元件之间，所述第二显示器发出的光线依次经过所述起偏器、所述四分之一波片后能够到达所述超表面元件。

24.一种近眼显示系统，其特征在于，包括如权利要求13-23任意一项所述的显示装置。

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