CN115793128A - 相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备；其中，所述相位延迟器包括衬底及设于所述衬底上的光学微腔阵列；所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元的横截面呈矩形，其具有沿第一方向的宽度尺寸W及沿第二方向的长度尺寸L，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W之间具有差值，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W为50nm～500nm；所述光学微腔单元用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟，使得所述第一分量与所述第二分量具有预设相位差。

Description

相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备

技术领域

本申请属于偏振光学技术领域，具体涉及一种相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备。

背景技术

虚拟现实(Virtual reality，VR)光学成像是利用透镜的折射原理，改变光的方向，让贴近人眼的屏幕聚焦，同时放大屏幕图像尺寸，使用户获得更大视角的画面。随着VR设备的发展，消费者对VR设备的轻薄及成像质量、佩戴体验提出了更高的要求。折叠光路光学方案压缩了VR光学总长，使得设备的厚度大幅降低。因此，折叠光路在虚拟现实设备中得到了广泛应用。

相位延迟器(波片)是形成折叠光路不可缺少的一种光学膜。相位延迟器通常由具有精确厚度的石英、方解石或韵母等双折射晶片材料制成，存在制作成本高，但得到的产品光学质量及可靠性较差等问题。此外，还以一种新型的可控相位延迟器，其是通过控制加在液晶两侧的电压，可以改变液晶的双折射系数，从而可以改变通过液晶波片光的相位差，但是这需要依赖于电压控制。

发明内容

本申请旨在提供一种相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备，相位延迟器的双折射效应由光学微腔单元的横截面的长度和宽度的几何尺寸差异所导致的有效折射率指数差形成，免于依赖现有的双折射材料或电压控制。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面、本申请实施例提出了一种相位延迟器。所述相位延迟器包括衬底及设于所述衬底上的光学微腔阵列；

其中，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元的横截面呈矩形，其具有沿第一方向的宽度尺寸W及沿第二方向的长度尺寸L，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W之间具有差值，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W为50nm～500nm；

所述光学微腔单元用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟，使得所述第一分量与所述第二分量具有预设相位差。

第二方面、本申请实施例提出了一种光学模组。所述光学模组包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个透镜；以及

设于透镜组内的分光元件、相位延迟器和偏振反射元件；

其中，所述相位延迟器采用如第一方面所述的相位延迟器，且所述相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振分光器件之间。

第三方面、本申请实施例提出了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括如第二方面所述的光学模组。

在本申请的实施例中，提供了一种相位延迟器，通过在衬底上形成周期排列的光学微腔单元构成，相位延迟器的双折射效应由光学微腔单元的横截面的长度尺寸L及宽度尺寸W的差值即L≠W所导致的有效折射率指数差而产生，本申请的方案中可以没有采用天然的双折射材料，也没有采用电压控制，是一种新型的相位延迟器结构设计。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请实施例的相位延迟器的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的相位延迟器的局部结构示意图；

图3是根据本申请实施例的光学微腔单元的结构示意图；

图4是光学微腔单元与入射的线偏振光光轴对准示意图之一；

图5a、图5b分别是本申请实施例1提供的光线微腔单元对波长为550nm、正入射的P偏振光和S偏振光的相位调制图；

图6是本申请实施例1中入射光的线偏振态示意图；

图7是本申请实施例1中入射光正入射至相位延迟器时，出射光的偏振态示意图；

图8是光学微腔单元与入射的线偏振光光轴对准示意图之二；

图9是本申请实施例2中入射光以θ角入射至相位延迟器时，出射光的偏振态示意图；

图10a、图10b分别是本申请实施例1提供的光线微腔单元对波长为550nm、正入射的P偏振光和S偏振光的相位调制图；

图11是本申请实施例2中入射光正入射至相位延迟器时，出射光的线偏振角转动2α＝90°的示意图；

图12a、图12b分别是本申请实施例3提供的光线微腔单元对波长为435nm、正入射的P偏振光和S偏振光的相位调制图；

图13a、图13b分别是本申请实施例3提供的光线微腔单元对波长为555nm、正入射的P偏振光和S偏振光的相位调制图；

图13c、图13d分别是本申请实施例3提供的光线微腔单元对波长为650nm、正入射的P偏振光和S偏振光的相位调制图。

附图标记说明：

10、衬底；20、光学微腔单元；30、保护层。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，进一步描述根据本申请实施例提供的相位延迟器、光学模组以及头戴显示设备。

根据本申请的一个实施例，提供了一种相位延迟器，所述相位延迟器例如可以为在厚度方向上的复合膜层。所述相位延迟器可应用于折叠光路中，其与透镜、分光元件及偏振反射元件等可以组成折叠光路的光学模组。

本申请实施例提供的相位延迟器，参见图1至图3，所述相位延迟器包括衬底10及设于所述衬底10上的光学微腔阵列；其中，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元20周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元20之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元20的横截面呈矩形，其具有沿第一方向的宽度尺寸W及沿第二方向的长度尺寸L，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W之间具有差值，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W为50nm～500nm；所述光学微腔单元20用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟，使得所述第一分量与所述第二分量具有预设相位差。

本申请的实施例提出了一种新的相位延迟器结构设计方案。从结构方面来看，所述相位延迟器例如包括一衬底10以及形成在所述衬底10一侧表面上且呈周期性排列分布的多个光学微腔单元20(这是一种光学微结构)。所述衬底10可以对各所述光学微腔单元20起到支撑、固定的作用。

在所述衬底10一侧的表面上，各个所述光学微腔单元20被设计为具有完全一致的几何尺寸。在本申请的实施例中，所述光学微腔单元20例如为内部具有微小腔体的纳米介质柱，其几何尺寸例如可以表现为长度、宽度及高度等方面，还可以包括光轴角度。

本申请实施例的相位延迟器例如为一种波片。所述相位延迟器可以为四分之一波片，当然也可以为半波片(二分之一波片)或者全波片，当然还可以为任意的相位延迟片，本申请中对此不做限制。

具体地，所述光学微腔单元20用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟：

当所述第一分量与所述第二分量的相位差为π/2时，形成的所述相位延迟器为四分之一波片；

当所述第一分量与所述第二分量的相位差为π时，形成的所述相位延迟器为二分之一波片。

也就是说，所述光学微腔单元20对入射光在不同方向上的形成的相位差可以为π/2或π。

本申请实施例提供的相位延迟器，其工作原理和结构设计均与现有的相位延迟器(相位延迟片)存在明显的区别。本申请实施例的相位延迟器由衬底10及设于所述衬底10并呈周期排列的光学微腔单元20构成，也即在所述衬底10上形成了光学微结构的阵列。本申请实施例的相位延迟器例如可应用于衍射光学元件的波前调制。

在本申请的实施例中，将各所述光学微腔单元20设计为具有完全一致的几何尺寸，这样在衬底10上，任意两个相邻的光学微腔单元20就具有完全一致的几何尺寸(长度L、宽度W、高度H、光轴角度)。当光波通过所述光学微腔单元20(微结构)时，不会在界面的空间上产生额外的相位差异，如此就可以避免衍射元件的波前干扰问题。具体可以表现为：本申请实施例的相位延迟器仅对入射光的偏振态进行调制，并不会改变波前的形状。

例如，本申请实施例提供的相位延迟器为四分之一波片。当线偏振的平面波入射至四分之一波片之后，透射的分量将继续保持平面波的形式进行传播，而出射光的偏振状态将由线偏振转化为椭圆偏振。特别的，当线偏振光的振动平面与四分之一波片的光轴形成成45度的夹角时，出射光转变为圆偏振光。

需要说明的是，在现有的相关技术中，制作相位延迟器通常采用天然的双折射晶体作为材料，这导致相位延迟器的生产会受限于原材料。天然的双折射晶体具有快轴和慢轴。具体而言：沿快轴偏振的光与沿慢轴偏振的光相比，双折射晶体的折射率较低，从而沿快轴偏振的光通过双折射晶体的传播的速度更快。

本申请实施例提出的相位延迟器，其双折射效应是由所述光学微腔单元20(一种微结构)的长度L、宽度W的几何尺寸差值(L≠W)所导致的有效折射率指数差而产生。这相比于上述现有的相位延迟器方案来说，本申请实施例的相位延迟器方案打破了天然材料的局限性，同时，也不必依赖于多种材料的复合或电压控制，其是一种在实现原理和结构上的全新方案。

参见图1，所述光学微腔单元20可以按照设定的阵列呈多行多列排布在所述衬底10的一侧表面上，这样，在所述衬底10的表面上无论是横向还是纵向，任意两个相邻的所述光学微腔单元20之间为等间隔设置，如此，在所述衬底10的表面上形成了均匀排列的多个所述光学微腔单元20，也即规则的周期性排列。

自然光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。为了清楚说明，在本申请的实施例中例如将光线的传播方向定义为Z轴方向。也即，光线沿Z轴方向射入相位延迟器，相位延迟器能够将入射的线偏振光分成S偏振光和P偏振光(即分离为相互正交的两束偏振光)。其中，偏振矢量沿X轴方向的光定义为S偏振光，偏振矢量沿Y轴方向的光定义为P偏振光。而本申请实施例的相位延迟器的特性是使得所述光学微腔单元20对入射光在X轴方向和Y轴方向产生设计相位差，这就形成的相位延迟器的效果。

控制偏振实质是控制两个不同方向上电场的振幅和相位，因此需要在两个不同的方向上具有不同的材料性质，自然材料中很少有能在两个正交方向上实现超过10％的折射率差异。在本申请的实施例中，各向异性的介质“光学微腔单元20”通过数量、尺寸、排布方式结构参数调控可以为光的正交偏振态之间提供高的等效折射率对比度，从而为偏振调控提供了一个理想的平台。作为双折射元件，“光学微腔单元20”具有特定设计的光学微结构，能够用于实现亚波长像素的偏振控制。

所述光学微腔单元20是具有亚波长尺度结构单元的光学材料。所述光学微腔单元20能够在亚波长尺度下实现对光场振幅、相位和偏振态的有效控制，具有很高的应用价值。

本申请实施例提供的相位延迟器，在使用时可以将其通过光学胶直接贴装在光学镜片的表面(光学镜片的表面可以为曲面，也可以为平面)上或者镜头的平面结构上。其中，所述衬底10能够用于与光学镜片或者镜头相结合，同时在用一侧支撑着多个所述光学微腔单元20。

根据本申请实施例提供的相位延迟器，在所述衬底10上形成了周期排列的光学微腔阵列，其所需要的双折射效应由微结构自身长度(如沿X轴方向)、宽度(如沿Y轴方向)的几何尺寸差异量所导致的有效折射率指数差而产生。与现有的相位延迟器在材料和结构上均具有明显的区别。

在本申请的一些示例中，参见图1和图2，所述相位延迟器还包括保护层30，所述保护层30设于所述衬底10的一侧并覆盖所述光学微腔阵列，所述光学微腔阵列嵌入所述保护层30与所述衬底10之间。

参见图2，本申请实施例的相位延迟器中，在所述衬底10上设有所述光学微腔阵列的一侧还设置有保护层30，所述保护层30用以覆盖保护各所述光学微腔单元20。

需要说明的是，在本申请的实施例中，所述光学微腔单元20为嵌入所述保护层30与所述衬底10之间，所述保护层30还可填充在所述光学微腔单元20与所述光学微腔单元20之间的缝隙。这样既可用以对所述光学微腔起到固定的作用，还可以对所述光学微腔起到良好的保护作用。

可选的是，所述光学微腔单元20从形状来看，其为具有内腔的立方体状纳米柱。其可采用具有高折射率指数的材料制作。例如，高折射率光刻胶，本申请实施例中对此不做限制。

请继续参见图2，其中示出了本申请实施例提出的相位延迟器在XZ平面的剖视图，所述保护层30可以将所述光学微腔阵列完整包覆。

可选的是，所述衬底10与所述保护层30的材料可以相同，也可以不同，本申请实施例中对此不做限制。

在本申请实施例提供的相位延迟器中，所述光学微腔单元20的材质包括氮化硅Si₃N₄、二氧化钛TiO₂、非晶硅a-Si及光刻胶中的至少一种；所述光学微腔单元20为内部中空的立方体状纳米柱，参见图1至图3。

所述光学微腔单元20的立体图可参见图3所示，以工作波段为可见光的相位延迟器为例，所述光学微腔单元20例如可以采用氮化硅Si₃N₄、二氧化钛TiO₂、非晶硅a-Si及光刻胶等高折射率指数、高透过材料制备得到，其横截面形状可以为矩形。

此外，上述这些材料为高折射率指数、高透过率材料；而且材料来源广、容易获得，不会增加生产成本。

请继续参见图3，所述光学微腔单元20例如设置为立方体状结构，则其横截面为矩形，其长度尺寸L和宽度尺寸W不相同。如此，振式反射所需要的双折射效应可由所述光学微腔单元20自身长度(X轴向)、宽度(Y轴向)的几何尺寸差异所导致的有效折射率指数差而产生。

可选的是，所述光学微腔单元20的横截面还设置为椭圆形，其横截面具有沿第一方向的长轴尺寸及沿第二方向的短轴尺寸，且所述长轴尺寸与所述短轴尺寸之间具有差值。例如，所述长轴尺寸与所述短轴尺寸为50nm～500nm。

在本申请实施例提供的相位延迟器中，所述光学微腔单元20的高度为H，H设置为300nm～800nm。

参见图2及图3，所述光学微腔单元20例如为纳米柱。由于各种介电材料的光学参数存在差异，所述光学微腔单元20的高度H可以设计为300nm～800nm，而在横截面上，沿长度方向和宽度方向上的最大尺寸可以为50nm～500nm。但需要注意的是，所述光学微腔单元20的横截面上，长度和宽度要设计为具有差异，可参照上述的矩形或者椭圆形的设计。

在本申请实施例提供的相位延迟器中，任意相邻的两个所述光学微腔单元20中心之间的间距为所述光学微腔单元20的周期P，所述周期P为300nm～600nm。

在本申请的实施例中，所述光学微腔单元20的周期可以定义为两个相邻的光学微腔单元20中心点之间的间距。当然，也可以定义为两个相邻的光学微腔单元20之间的间隔。

需要说明的是，考虑到人眼对红色R、绿色G及蓝色B三种颜色分色的需求，将所述光学微腔单元20(纳米介质柱)设计以P为周期排列，P的大小例如设计为上述的300nm～600nm。能够在降低生产成本的基础上满足用户对成像色彩的需求。

在本申请的一些示例中，所述衬底10及所述保护层30均为柔性材料。

参见图1及图2，示出了本申请实施例的相位延迟的结构，所述衬底10例如可以采用柔性材料。所述光学微腔阵列可以嵌入或者排布于柔性基底材料中，用以适应曲面贴附的需求。也就是说，当要在镜片的曲面上贴装相位延迟器时，所述相位延迟器的衬底10可以为柔性材质。

在所述衬底10为柔性材料的基础上，所述保护层30也可以为柔性材料。

可选的是，所述保护层30所采用的柔性材料可以与所述衬底10所采用的柔性材料为相同物质。当然，所述保护层30也可以选择其他柔性材料。

所述保护层30用以覆盖并保护所述光学微腔单元20。其中，所述光学微腔单元20可采用具有高折射率指数的材料，如高折光刻胶等制备，并嵌于所述衬底10和所述保护层30之间。

具体地，当所述衬底10及所述保护层30为柔性材料时，所述柔性材料例如可以选择采用三乙酰纤维素、环状烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷。上述的这些柔性材料在用于制作所述衬底10之后，可以使形成的所述衬底10具有较好的柔性，这利于将形成的相位延迟器贴装在曲面的镜片上。

以柔性材料为衬底10的相位延迟器在曲面贴附时将产生极小的应力，且该应力不会对光学微腔阵列的物理尺寸和排列方式产生大的影响，因而，整个相位延迟器作为一种光学膜，其性能将保持极佳的稳定状态。

在本申请的一些示例中，所述衬底10也可以为透光的硬质材料，所述保护层30为透光的硬质材料或者柔性材料。

所述保护层30需要填充进光学微腔单元20之间的缝隙，当所述衬底10采用具有一定刚性的硬质材料时，形成相位延迟器通常是贴装在平面结构上的。由于相位延迟器整体无需进行弯折，所以不需要强求所述保护层30是柔性或者刚性的。例如，可以用一些自然环境下为液态的胶水涂覆，然后升温或或者用紫外等特殊光照来固化，固化后的胶水可能具有一定柔性，也可以不具有柔性。

也就是说，在本申请的实施例中，用于撑所述光学微腔单元20的所述衬底10的材料也可以为硬质材料。这种方案更加适用于对镜片的平面贴膜。

可选的是，所述衬底10的材料为玻璃材料等。使得形成的所述衬底10具有很好的支撑性，将有利于平面与平面之间的稳定粘合固定。

其中，所述保护层30的材质可以根据需要灵活进行选择，但需要保证与所述光学微腔单元20在折射率指数上具有一定的差值。可选的是，所述保护层30的折射率与所述光学微腔单元20的折射率之间具有设定差值。

具体地，所述光学微腔单元20具有第一折射率，所述保护层30具有第二折射率，则所述第一折射率大于所述第二折射率。当然，也可以是第一折射率小于所述第二折射率。

在本申请的一个具体例子中，参见图1，所述相位延迟器包括有衬底10及设于所述衬底10上的光学微腔阵列，所述相位延迟器还包括有保护层30，所述保护层30设于所述衬底10的一侧并覆盖住所述光学微腔阵列，使得所述光学微腔阵列嵌设于所述衬底10与所述保护层30之间；所述衬底10及所述保护层30均为柔性材料，或者其中的所述衬底10的硬质玻璃材料；所述光学微腔阵列由多个光学微腔单元20周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元20之间具有相同的间隔，且周期P为300nm～600nm；所述光学微腔单元20为具有第一折射率的纳米柱，所述光学微腔单元20的横截面呈矩形且长度尺寸L和宽度尺寸W的范围为50nm～500nm，所述光学微腔单元20的高度H为300nm～800nm；所述光学微腔单元20用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟，使得所述第一分量与所述第二分量的相位差为π/2，以形成四分之一波片。

在上述的具体例子中，所述第一分量与所述第二分量之间的相位差也可以为π，此时可以形成二分之一波片。

本申请实施例提供的相位延迟器可以使任意种类的波片，例如典型的四分之一波片、二分之一波片(半波片)或者全波片等。实现各类波片的区别在于光学微腔单元20的横截面上长度尺寸L和宽度尺寸W的参数选择。

以下通过实施例1～实施例3对本申请实施例提供的相位延迟器进行详细描述。

实施例1

所述相位延迟器包括衬底10及设于所述衬底10上的光学微腔阵列，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元20周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元的横截面呈矩形，其具有沿X轴方向的长度尺寸L及沿Y轴方向的宽度尺寸W，所述长度尺寸L为180nm，宽度尺寸W为120nm，所述光学微腔单元20对所述入射的线偏振光在所述X轴方向和所述Y轴方向产生的相位差为π/2，所述相位延迟器为四分之一波片；所述线偏振光为单波长光，其波长为550nm。

参见图4，其中的黑色箭头表示入射的线偏振光的偏振方向，其与所述光学微腔单元20沿X轴的夹角为α。本实施例1中的四分之一波片：当α＝0°或者90°时，透射的光线仍保持为线偏振光；当α＝45°或者135°时，出射光为圆偏振光，而当α为其他值时，出射光为椭圆偏振光。

参见图5a及图5b，本实施例1中选取光学微腔单元20的参数W和L，实现形成四分之一波片的方法如下：

将所述光学微腔单元20的参数W和L的值从80nm～240nm扫描，周期P保持为300nm，计算其对于波长为550nm、正入射的P偏振光和S偏振的相位调制，该相位值介于-π与π之间；

在所有的数据点中，选取差值最接近π/2的点(如图5中表示出的十字形点，

)；

找到W、L对应的参数值，在本实施例1中，W＝120nm，L＝180nm。

通过仿真计算软件，利用时域有限差分法验证本实施例1提出的四分之一波片的偏振转化效果。在计算中入射光的波长被设定为550nm。入射光垂直入射到四分之一波片，入射光的偏振态为线偏振光，且与四分之一波片上的光学微腔单元20在X轴方向的夹角α＝45°。参见图6示出了入射光的偏振态，其在X轴和Y轴上的电场分量满足矢量分解。

参见图7，示了入射光在透过本实施例1的四分之一波片后，出射光的圆偏振态。由计算结果可以确定，本实施例1的四分之一波片起到了偏振转化的效果。该椭圆的长轴与短轴的比值定义为圆偏度，在本实施例1中，出射的圆偏振光圆偏度为1.02。

参见图8，其中的箭头表示光的入射方向，其与本实施例1的四分之一波片在Z轴方向上的夹角为θ。当θ＝0°时，表示光线正入射到本实施例1的四分之一波片表面，随着θ角度的增大，本实施例1的四分之一波片对于线偏振光的转化效果如图9所示，计算结果表明，本实施例1的四分之一波片对于正入射的线偏振光起到了很好的圆偏振转化功能，但随着入射角度θ的增大，出射光的圆片度会逐渐恶化。

实施例2

所述相位延迟器包括衬底10及设于所述衬底10上的光学微腔阵列，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元20周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元的横截面呈矩形，其具有沿X轴方向的长度尺寸L及沿Y轴方向的宽度尺寸W，所述长度尺寸L为200nm，所述宽度尺寸为100nm，所述光学微腔单元20对所述入射的线偏振光在所述第一方向和所述第二方向产生的相位差为π，所述相位延迟器为二分之一波片；所述线偏振光为单波长光，波长为550nm。

参见图10a及图10b，在本实施例2中选取所述光学微腔单元20的参数W和L，实现二分之一波片的方法如下：

将所述光学微腔单元20的参数W和L的值从80nm～240nm扫描，周期P保持为300nm，计算其对于波长为550nm、正入射的P偏振光和S偏振的相位调制，该相位值介于-π与π之间；

在所有的数据点中，选取差值最接近π的点(如图10中十字形点，

)；

找到W、L对应的参数值，在本实施例2中，W＝100nm，L＝200nm。

通过仿真计算软件，利用时域有限差分法验证本实施例2提出的二分之一波片的偏振转化效果。参见图6，在该计算中，入射光的波长被设定为550nm，垂直入射到本实施例2提供的二分之一波片，其偏振态为线偏振光，且与二分之一波片的光学微腔单元的X轴方向的夹角α＝45°。

参见图11，入射光在透过本实施例2的二分之一波片之后，出射光的偏振态。根据计算结果可知，二分之一波片起到了将线偏振的偏振角转动2α＝90°的效果。

实施例3

所述相位延迟器包括衬底10及设于所述衬底10上的光学微腔阵列，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元20周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元的横截面呈矩形，其具有沿X轴方向的长度尺寸L及沿Y轴方向的宽度尺寸W，所述长度尺寸L为111nm，所述宽度尺寸W为97nm的情况下，所述光学微腔单元20对所述入射的线偏振光在所述X轴方向和所述Y轴方向产生的相位差为π/2，所述相位延迟器为四分之一波片；其中，所述线偏振光为多波长光，其波长包括435nm、555nm和650nm。

上述的实施例1和实施例2提供了两种针对单波长相位延迟器的设计方案。在本实施例3中提供了一种多波长相位延迟器的设计方案。

在本实施例3中，所述光学微腔单元200的参数W和L，实现多波长四分之一波片的方法如下：

将所述光学微腔单元20的参数W和L的值从60nm～220nm扫描，周期P保持为250nm，分别计算其对于波长435nm、555nm、和650nm，在正入射的P偏振光和S偏振的相位调制，该相位值介于-π与π之间；

在三组数据点中，找到令损失函数f(x)取得最小值的点，分别参见图12a、图12b，以及图13a至图13d；

找到W、L对应的参数值，在本实施例3中，W＝97nm，L＝111nm。

本申请实施例的相位延迟器，在使用时，所述入射的线偏振光与所述相位延迟器的光轴方向之间的夹角为θ：当θ为0°或者90°时，经所述相位延迟器出射的光线保持为线偏振光；当θ为45°或者135°时，经所述相位延迟器出射的光线为圆偏振光；当θ为其他角度时，经所述相位延迟器出射的光线为椭圆偏振光。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种光学模组。所述光学模组包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个透镜；以及

设于透镜组内的分光元件、相位延迟器和偏振反射元件；

其中，所述相位延迟器采用如上所述的相位延迟器，且所述相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振分光器件之间。

本申请实施例提供的光学模组例如为一种折叠光路，屏幕发出的光线可以在所述分光元件与所述偏振分光器件之间折返，以获得良好的成像效果。

根据本申请的另一个实施例，还提供了一种头戴显示设备。所述头戴显示设备包括如上所述的光学模组。

需要说明的是，本申请实施例提供的光学模组包括但不限于应用于头戴显示设备中，还可以应用在其他形式的智能电子设备中，本申请实施例中对电子设备的具体类型不作限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种相位延迟器，其特征在于，包括衬底(10)及设于所述衬底(10)上的光学微腔阵列；

其中，所述光学微腔阵列由多个相同的光学微腔单元(20)周期排列构成，任意相邻的两个所述光学微腔单元(20)之间具有相同的间隔，所述光学微腔单元(20)的横截面呈矩形，其具有沿第一方向的宽度尺寸W及沿第二方向的长度尺寸L，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W之间具有差值，所述长度尺寸L与所述宽度尺寸W为50nm～500nm；

所述光学微腔单元(20)用于将入射的线偏振光在所述第一方向的第一分量和在所述第二方向的第二分量产生各自相位延迟，使得所述第一分量与所述第二分量具有预设相位差。

2.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，所述相位延迟器还包括保护层(30)，所述保护层(30)设于所述衬底(10)的一侧并覆盖所述光学微腔阵列，所述光学微腔阵列嵌入所述保护层(30)与所述衬底(10)之间。

3.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，所述光学微腔单元(20)的材质包括氮化硅Si₃N₄、二氧化钛TiO₂、非晶硅a-Si及光刻胶中的至少一种；所述光学微腔单元(20)为内部中空的立方体状纳米柱。

4.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，在所述长度尺寸L为180nm，所述宽度尺寸为120nm的情况下，所述光学微腔单元(20)对所述入射的线偏振光在所述第一方向和所述第二方向产生的相位差为π/2，所述相位延迟器为四分之一波片；其中，所述线偏振光为单波长光，其波长为550nm。

5.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，在所述长度尺寸L为111nm，所述宽度尺寸为97nm的情况下，所述光学微腔单元(20)对所述入射的线偏振光在所述第一方向和所述第二方向产生的相位差为π/2，所述相位延迟器为四分之一波片；其中，所述线偏振光为多波长光，其波长包括435nm、555nm和650nm。

6.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，在所述长度尺寸L为200nm，所述宽度尺寸为100nm的情况下，所述光学微腔单元(20)对所述入射的线偏振光在所述第一方向和所述第二方向产生的相位差为π，所述相位延迟器为二分之一波片；其中，所述线偏振光为单波长光，其波长为550nm。

7.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，所述入射的线偏振光与所述相位延迟器的光轴方向之间的夹角为θ：

当θ为0°或者90°时，经所述相位延迟器出射的光线保持为线偏振光；

当θ为45°或者135°时，经所述相位延迟器出射的光线为圆偏振光；

当θ为其他角度时，经所述相位延迟器出射的光线为椭圆偏振光。

8.根据权利要求1所述的相位延迟器，其特征在于，所述光学微腔单元(20)的参数包括下述的至少一种：

所述光学微腔单元(20)的高度为H，H设置为300nm～800nm；以及，

任意相邻的两个所述光学微腔单元(20)中心之间的间距为所述光学微腔单元(20)的周期P，所述周期P为300nm～600nm。

9.根据权利要求2所述的相位延迟器，其特征在于，所述衬底(10)及所述保护层(30)均为柔性材料。

10.根据权利要求2所述的相位延迟器，其特征在于，所述衬底(10)为透光的硬质材料，所述保护层(30)为透光的硬质材料或者柔性材料。

11.根据权利要求10所述的相位延迟器，其特征在于，所述保护层(30)的折射率与所述光学微腔单元(20)的折射率之间具有设定差值。

12.一种光学模组，其特征在于，包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个透镜；以及

设于透镜组内的分光元件、相位延迟器和偏振反射元件；

其中，所述相位延迟器采用如权利要求1-11中任意一项所述的相位延迟器，且所述相位延迟器位于所述分光元件与所述偏振分光器件之间。

13.一种头戴显示设备，其特征在于，包括如权利要求12所述的光学模组。

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