CN114779468B - 超构表面的设计方法、超构表面及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟显示技术领域，具体涉及一种可用于增强现实近眼显示设备的多功能超构表面的设计方法、超构表面及包括该超构表面的成像装置。设计方法包括步骤：S1、确定入射光的入射角度；S2、建立结构库；S3、确定一级衍射光分别在红光波长、绿光波长和蓝光波长下的三个目标相位分布；S4、根据三个目标相位分布，在结构库中选取同时满足三个目标相位分布的纳米结构单元，并在衬底层上的空间内排列纳米结构单元的位置，获得纳米结构单元在衬底层上的周期性分布。本发明的超构表面利用零级衍射光和一级衍射光的复用，同时实现了零级衍射光的高透射和一级衍射光的聚焦，实现了真实空间和虚拟物体的有效融合。

Description

超构表面的设计方法、超构表面及成像装置

技术领域

本发明涉及虚拟显示技术领域，具体涉及一种可用于增强现实近眼显示设备的多功能超构表面的设计方法、超构表面及包括该超构表面的成像装置。

背景技术

增强现实(AR)是指一种将计算机生成的虚拟信息叠加到真实空间中，并加以有效利用，实现虚拟和现实世界交互体验的新型显示技术，在教育、汽车、医疗等领域都有着广泛的应用前景。近眼显示系统是AR技术的重要组成部分，而实现近眼显示，就需要一个透明的目镜将虚拟的图像成像到真实空间的理想位置中。传统的近眼显示系统通常使用基于折反射定律的球面镜、自由曲面对虚拟物体成像。然而要在这类系统中提供一个广阔的视场，就会存在体积大和重量大的问题。为了克服这种权衡关系，基于全息光学元件和衍射光学元件的近眼显示器被提出，这类器件只对特定入射角和波长的光具有调制作用，对其它的光则像透明玻璃一样。然而这类器件存在效率低，视场不足等问题，色散和杂散光也会影响用户体验。

超构表面是一种人工排列的亚波长尺寸的平面光学元件，可以对电磁波特性(振幅、相位、偏振态等)进行任意的调控。其中，超透镜通过纳米结构可以实现光束的聚焦。将超透镜取代传统光学元件用于近眼显示系统，有利于较小的形状因子和更大的视场。目前消色差透镜的研究较为广泛，但将这种消色差透镜用于近眼显示系统中只能实现对虚拟物体的聚焦成像，还需要附加的分束器来实现真实空间和虚拟物体的有效融合。基于几何相位的超透镜，通过转换圆偏振光和非转换圆偏振光的解耦可以分别实现对虚拟图像和真实空间的成像和有效融合。但是由于光束的正入射，实现虚拟显示的显示系统应置于眼睛正前方，这就会对人眼视场有部分遮挡，采用45°偏转的分束器可以实现光路的偏转，但复杂的光路系统也使其难以集成到眼镜上实现应用。这种几何超透镜还存在色差，需要附加的二向色镜来消色差。此外，目前所设计的可用于AR近眼显示系统的超构表面都只能在圆偏振光入射下工作，在成像系统中需要附加的四分之一波片。

这些问题都限制了超构表面结构在AR显示系统的进一步应用，因此设计简单易集成、可以工作在线偏振态下、并可以同时实现真实空间高透过和虚拟物体聚焦成像的消色差超构表面，是目前应该解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种可用于增强现实(AR)近眼显示系统的多功能超构表面结构及其设计方法，通过对不同级次衍射光的复用，使其零级衍射波具有高透过率实现真实空间的透过，而一级衍射波实现虚拟物体的消色差聚焦成像。

本发明提供一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面的设计方法，所述超构表面包括衬底层，以及周期性分布在所述衬底层上的纳米结构单元；所述设计方法包括设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布；

设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布的方法包括步骤：

S1、通过使所述一级衍射光在所述目标波长下的焦点位于所述超构表面中心的z轴方向上，确定所述入射光的入射角度；

S2、确定单周期内所述纳米结构单元的总自由度，设定入射光的目标波长，确定每个所述纳米结构单元的自由度的取值范围；

获得单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的目标波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库；

S3、所述目标波长包括红光波长、绿光波长和蓝光波长；确定所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布；

S4、根据所述三个目标相位分布，在所述结构库中选取同时满足所述三个目标相位分布的纳米结构单元，并在所述衬底层上的空间内排列所述纳米结构单元的位置，获得所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布。

优选的，所述步骤S2中，采用严格耦合波算法对所述纳米结构单元的几何参数进行扫描，获得不同几何参数下，单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库。

优选的，所述入射光的入射角度为：

其中，λ_G为绿光波长，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期。

优选的，所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布为：

其中，x，y为单周期内每个所述纳米结构单元的坐标，f为设计焦距，λ_i(i＝R、G、B)为目标波长，

为目标波长所对应的目标相位分布，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期，R为红光波长、G为绿光波长，B为蓝光波长。

优选的，所述在所述结构库中选取同时满足所述三个目标相位分布的纳米结构单元，选取的纳米结构单元为零级衍射波透过率大于50％的纳米结构单元。

优选的，所述纳米结构单元的单周期内包含一个或多个单原子结构沿x轴或y轴方向排列。

优选的，所述衬底层的材料的折射率n<2，所述纳米结构单元的材料在可见光波段的折射率虚部接近于零。

优选的，所述入射光为线偏振态电磁波，所述线偏振态电磁波的电场方向沿所述纳米结构单元的y轴方向。

本发明提供一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面，所述超构表面通过上述的设计方法设计得到。

一方面，本发明提供的可用于增强现实近眼显示设备的超构表面的设计方法设计得到的超构表面，由多胞结构组成，这种结构一方面增加了更多的参数自由度，使得不同级次衍射光的振幅和相位分布覆盖范围更广，另一方面引入了光栅衍射相位，通过调整单周期内原子结构的间隔，就可以实现对衍射相位的调控，将传播相位和衍射相位的结合，可以更好地实现对不同级次衍射光的复用。

而且，本发明的设计方法设计得到的多功能超构表面利用零级衍射光和一级衍射光的复用，同时实现了零级衍射光的高透射和一级衍射光的聚焦，实现了真实空间和虚拟物体的有效融合。采用相位补偿的方式，实现了消色差聚焦，使三个目标波长的光可以聚焦到超构表面的中心z轴方向上的同一点处。

另一方面，本发明还提供一种成像装置，所述成像装置包括上述超构表面，通过采用斜入射的一级衍射光对虚拟物体成像，因此在集成到AR、VR眼镜等设备上时，显示器的位置与眼睛成一角度，而不是置于眼睛的正前方，避免了对人眼视场的遮挡，也简化了系统结构。

附图说明

图1a为本发明一种实施例中超构表面的纳米结构单元的主视图。

图1b为本发明一种实施例中超构表面的纳米结构单元的俯视图。

图2为本发明一种实施例中超构表面的工作原理示意图。

图3为本发明一种实施例中超构表面的纳米结构单元的排布表面局部图。

图4a为本发明一种实施例中超构表面在波长为460nm时实现的焦斑。

图4b为本发明一种实施例中超构表面在波长为550nm时实现的焦斑。

图4c为本发明一种实施例中超构表面在波长为680nm时实现的焦斑。

图5a为本发明一种实施例中超构表面在波长为460nm时实现的焦斑强度图。

图5b为本发明一种实施例中超构表面在波长为550nm时实现的焦斑强度图。

图5c为本发明一种实施例中超构表面在波长为680nm时实现的焦斑强度图。

图6为本发明一种实施例中超构表面构成AR近眼显示系统及其光路示意图。

附图标记

11衬底、22纳米结构单元、61接收器、62显示系统、621显示器、622线偏振片、623成像透镜、63超构表面、64眼镜、65成像探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面的设计方法，所述超构表面包括衬底层，以及周期性分布在所述衬底层上的纳米结构单元；所述衬底层的材料的折射率n<2，所述纳米结构单元的材料在可见光波段的折射率虚部接近于零；具体的，所述衬底层的材料可以为蓝宝石或二氧化硅等低折射率材料，所述纳米结构单元的材料可以为单晶硅、二氧化钛、氮化镓或氮化硅等。

所述设计方法包括设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布。所述纳米结构单元的单周期内包含一个或多个单原子结构沿x轴或y轴方向排列。

具体实施方式中，设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布的方法包括步骤：

S1、通过使所述一级衍射光在所述目标波长下的焦点位于所述超构表面中心的z轴方向上，确定所述入射光的入射角度；入射光的入射角度为：

其中，λ_G为绿光波长，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期。由于入射角只与绿光波长有关，在该公式中，绿光作为中心波长，红绿蓝三个波长的光以相同的角度入射。

S2、确定单周期内所述纳米结构单元的总自由度，设定入射光的目标波长，确定每个所述纳米结构单元的自由度的取值范围；所述入射光为线偏振态电磁波，所述线偏振态电磁波的电场方向沿所述纳米结构单元的y轴方向。

获得单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的目标波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库；

具体的，可采用严格耦合波算法对所述纳米结构单元的几何参数进行扫描，获得不同几何参数下，单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库。

S3、所述目标波长包括红光波长、绿光波长和蓝光波长；确定所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布；所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布为：

其中，x，y为单周期内每个所述纳米结构单元的坐标，f为设计焦距，λ_i(i＝R、G、B)为目标波长，

为目标波长所对应的目标相位分布，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期，R为红光波长、G为绿光波长，B为蓝光波长。

S4、根据所述三个目标相位分布，在所述结构库中选取同时满足所述三个目标相位分布的纳米结构单元，并在所述衬底层上的空间内排列所述纳米结构单元的位置，获得所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布。具体的，所述在所述结构库中选取同时满足所述三个目标相位分布的纳米结构单元，选取的纳米结构单元为零级衍射波透过率大于50％的纳米结构单元。

本发明提供一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面，所述超构表面通上述的设计方法设计得到。

一方面，本发明提供的可用于增强现实近眼显示设备的超构表面的设计方法设计得到的超构表面，由多胞结构组成，这种结构一方面增加了更多的参数自由度，使得不同级次衍射光的振幅和相位分布覆盖范围更广，另一方面引入了光栅衍射相位，通过调整单周期内原子结构的间隔，就可以实现对衍射相位的调控，将传播相位和衍射相位的结合，可以更好地实现对不同级次衍射光的复用。

而且，本发明的设计方法设计得到的多功能超构表面利用零级衍射光振幅和一级衍射光相位的复用分别实现了不同的功能。所述纳米结构单元的周期性排列使一级衍射光在目标入射波长下满足目标相位分布，表现出透镜的功能，可实现对虚拟物体成像。同时在结构库中选取满足目标相位分布的纳米结构单元式应满足零级衍射光的透过率大于50％，确保了对真实空间物体的高透明度，从而实现了真实空间和虚拟物体的有效融合。另外，根据本发明一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布公式，采用相位补偿的方式，实现了消色差聚焦，使三个目标波长的光可以聚焦到超构表面的中心z轴方向上的同一点处。

另一方面，本发明还提供一种成像装置，所述成像装置包括上述超构表面，通过采用斜入射的一级衍射光对虚拟物体成像，因此在集成到AR、VR眼镜等设备上时，显示器的位置与眼睛成一角度，而不是置于眼睛的正前方，避免了对人眼视场的遮挡，也简化了系统结构。

以下通过具体实施例进一步详细说明。

实施例1

一种可用于AR近眼显示系统的多功能消色差超构表面，其结构如图1a和图1b所示，分别为本发明一种实施例中超构表面的纳米结构单元的主视图和俯视图，其中，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期，P_y所述纳米结构单元沿y轴方向的周期，h为所述纳米结构单元的高度；从图中可以看出，超构表面包括衬底层12和设于该衬底层表面的周期性分布的若干个矩形柱纳米结构单元11。其中，单周期内包含两个矩形柱纳米结构单元11，为双原子超胞结构。这种结构增加了几何参数自由度，扩展了目标波长处的衍射光的振幅和相位分布范围。所有的矩形柱的高度相同且在亚波长范围内，根据工作波段，矩形柱结构选择在可见光波段吸收较小且折射率较高的单晶硅材料，衬底层选择折射率较低的蓝宝石材料。

本发明提出的多功能超构表面可实现不同级次衍射光的复用，如图2所示，为本发明一种实施例中超构表面的工作原理示意图，从图中可以看出，零级衍射光可实现高透射，用于真实空间的成像，而一级衍射光可实现R、G、B的消色差聚焦，用于虚拟物体的成像，因此人眼可以观察到真实空间和虚拟物体的有效融合，实现增强现实的功能。

具体实施方式中，本发明提出的多功能超构表面中各个纳米结构单元的分布按照以下步骤确定，即可实现图2所示的功能，具体步骤包括：

S1、确定单周期内纳米结构单元11的总自由度，并设定入射光的波长，然后确定每个纳米结构单元11的自由度的取值范围，采用严格耦合波算法对纳米结构单元11的各个几何参数进行扫描，获得不同几何参数下单周期内纳米结构单元11在目标入射波长下的零级和一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库。

S2、根据所要实现的消色差聚焦效果，确定在R、G、B三个波长下的一级衍射波的目标相位分布：

S3、根据三个目标波长下一级衍射光的目标相位分布，在步骤S1所建立的结构库中选取同时满足三个目标相位分布的纳米结构单元11，然后按照三个目标相位分布，在空间内排列纳米结构单元11的位置，以获得多功能超构表面结构如图3所示。

具体实施方式中，图4a、图4b、和图4c为本实施例所提出的多功能超构表面的一级衍射光在蓝光(460nm)、绿光(550nm)和红光(680nm)三个波长处实现的焦斑。图5a、图5b和图5c是本实施例所提出的多功能超构表面的一级衍射光在蓝光(460nm)、绿光(550nm)和红光(680nm)三个波长处实现的焦斑强度图。

具体的，从图中可以看出，图4a为目标波长λ＝460nm时超构表面一级衍射光焦斑分布，可以看到焦点分布在xoy平面中心处，即z轴上。焦斑的垂直截面强度分布如图5a所示，其半高全宽(FWHM)近似为660nm。图4b为目标波长λ＝550nm时超构表面一级衍射光焦斑分布，可以看到焦点同样分布在xoy平面中心处。焦斑的垂直截面强度分布如图5b所示，其半高全宽(FWHM)近似为760nm。图4c为目标波长λ＝680nm时超构表面一级衍射光焦斑分布，同图4a和图4b一致，焦点分布在xoy平面中心处，且三个波长下超透镜焦距相同，因此三个目标波长下的焦点位置是完全一致的，实现了消色差聚焦。且红光所对应的焦斑的垂直截面强度分布如图5c所示，其半高全宽(FWHM)近似为960nm。

实施例2

一种可用于AR近眼显示系统的多功能消色差超构表面，其设计方法和排列方式如实施例1所述，但所述多功能超构表面实现真实空间和虚拟物体的有效融合可通过但并不局限于0级和1级衍射光的复用。

本发明所提出的多功能超构表面尺寸在毫米量级(2mm)，相比于镜片尺寸较小，集成到眼镜上，不会对人眼视野造成遮挡，因此人眼可通过镜片其它位置看到完整的真实世界。同时显示器上的图像经镜片上集成的多功能超构表面可在人眼的明视距离范围内形成放大的像，因此人眼可以清晰的看到真实空间和虚拟物体的成像。

而且，本发明所提出的多功能超构表面将透明镜片和多功能超构表面集成，共同形成真实空间和虚拟物体的有效融合，这种成像方式在一定程度上避免了AR近眼现实系统中对视场范围和其它功能的权衡。

具体实施方式中，本发明所提出的多功能超构表面用于AR近眼显示系统的成像装置如图6所示，包含接收器61、显示系统62、超构表面63、眼镜64和成像探测器65。其中接收器61可以为眼睛，显示系统62包括显示器621、线偏振片622和成像透镜623，具体的，显示系统62置于眼镜64的镜架位置处，显示器621上的图像经眼镜64的镜片上的超构表面63聚焦成像于接收器61上，即成像于眼前明视距离范围内，人眼可同时观察到真实空间物体和显示器中的虚拟物体，而显示器621的位置并不会遮挡人眼视场范围。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面的设计方法，其特征在于，所述超构表面包括衬底层，以及周期性分布在所述衬底层上的纳米结构单元；所述设计方法包括设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布；

设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布的方法包括步骤：

S1、通过使一级衍射光在目标波长下的焦点位于所述超构表面的中心z轴方向上，确定入射光的入射角度；

S2、确定单周期内所述纳米结构单元的总自由度，设定入射光的目标波长，确定每个所述纳米结构单元的自由度的取值范围；

获得单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的目标波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库；

S3、所述目标波长包括红光波长、绿光波长和蓝光波长；确定所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布；

S4、根据所述三个目标相位分布，在所述结构库中选取同时满足所述三个目标相位分布的纳米结构单元，选取的纳米结构单元为零级衍射波透过率大于50％的纳米结构单元，并在所述衬底层上的空间内排列所述纳米结构单元的位置，获得所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用严格耦合波算法对所述纳米结构单元的几何参数进行扫描，获得不同几何参数下，单周期内每个所述纳米结构单元在所述入射光的波长下，零级衍射光的透过率和相位分布，一级衍射光的透过率和相位分布，建立结构库。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述入射光的入射角度为：

其中，λ_G为绿光波长，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期。

4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述一级衍射光分别在所述红光波长、所述绿光波长和所述蓝光波长下的三个目标相位分布为：

其中，x，y为单周期内每个所述纳米结构单元的坐标，f为设计焦距，λ_i为目标波长，i＝R、G、B，

为目标波长所对应的目标相位分布，i＝R、G、B，P_x为所述纳米结构单元沿x轴方向的周期，R为红光、G为绿光，B为蓝光。

5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述纳米结构单元的单周期内包含一个或多个单原子结构沿x轴或y轴方向排列。

6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述衬底层的材料的折射率n＜2，所述纳米结构单元的材料在可见光波段的折射率虚部接近于零。

7.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述入射光为线偏振态电磁波，所述线偏振态电磁波的电场方向沿所述纳米结构单元的y轴方向。

8.一种可用于增强现实近眼显示设备的超构表面，其特征在于，所述超构表面通过权利要求1-7任意一项所述的设计方法设计得到。

9.一种成像装置，其特征在于，所述成像装置包括超构表面，所述超构表面通过权利要求1-7任意一项所述的设计方法设计得到。

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