CN117031757A - 一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法，用于实现增强现实显示的光机装置包含：图像源、超透镜、光波导镜片；其中，超透镜包括基板以及按照预设规律排布在基板表面的多种以多掺硅的氮化硅为材料的超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定，其中超结构单元具有随位置逐渐变化的结构参数。本发明超透镜光机装置中来自图像源的光线经超透镜结构进入光波导镜片内，能够在光波导镜片内全反射传播并达到耦出结构，随后光束经耦出结构出射，减小了增强现实显示装置的整体厚度和重量，提高佩戴的舒适度。

Description

一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及图像显示技术领域，尤其涉及一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法。

背景技术

增强现实(AR)显示技术是一种将虚拟图像叠加到真实世界中的显示技术。通过增强现实显示设备，人眼可以同时接收来自真实世界和计算机的图像信息，极大地提高通过视觉获取信息的效率。增强现实显示技术已经被广泛应用于军事、教育、娱乐和医疗等诸多领域，为人们的生活带来了极大的便利。

目前主流的增强现实显示设备都是基于光栅波导实现增强现实显示。典型的增强现实设备可以分为图像源、准直镜头和光波导三个模块，来自图像源的光经过准直镜头后由光波导的光栅衍射耦合进入光波导，在光波导内全反射传播后经另一片光栅衍射出射进入人眼。在现有技术方案，典型光栅波导增强现实显示系统的准直镜头均由单片或多片透镜组成，具有一定的厚度与重量，限制了设备的进一步应用和在AR行业的发展，所以发明一种体积小，质量轻的增强显示装置非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法，能够实现轻的设备重量和薄的设备厚度，可以提高人们佩戴的舒适度。

第一方面，一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，包括用于显示目标对象的图像源、设置于所述图像源出光面一侧的超透镜以及光波导镜片；所述图像源中的像素单元设置于所述超透镜的焦面，所述超透镜对图像源显示目标对象时发出的光进行准直处理至光波导镜片上。

进一步，所述超透镜包括基板以及按照预设规律排布在所述基板表面的多种超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定。

进一步，所述相位分布条件表示为：

其中，λ为波长，f为焦距，C为参考相位，且与波长相关。

进一步，所述超结构单元材料包括多掺硅的氮化硅，超透镜基板的材料包括二氧化硅。

进一步，所述超透镜结构单元为横截面为圆形的柱状结构，横截面半径为50nm～105nm，柱状结构高度为450nm。

进一步，所述图像源发射光的中心波长为529nm，波段范围为499nm～567nm。

进一步，所述图像源包括Micro-OLED和Micro-LED新型微图像源。

另一方面，一种用于增强现实显示的超透镜光机装置运行方法，基于用于增强现实显示的超透镜光机装置实现，包括：

封装超透镜光机装置，将超透镜设置于图像源的出光面一侧；

将图像源中的像素单元设置于超透镜的焦面位置，根据实际应用场景的需要确定目标对象；

超透镜进行聚焦，并发射图像源适用波段范围内且每个波长对应的焦距一致的光，显示目标对象；

对图像源显示目标对象时发出的光进行准直并成像到光波导镜片上。

本发明的有益效果：本发明提出了一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法，用于实现增强现实显示的光机装置包含：图像源、超透镜、光波导镜片；其中，超透镜包括基板以及按照预设规律排布在基板表面的多种以多掺硅的氮化硅为材料的超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定，其中超结构单元具有随位置逐渐变化的结构参数。本发明超透镜光机装置中来自图像源的光线经超透镜结构进入光波导镜片内，能够在光波导镜片内全反射传播并达到耦出结构，随后光束经耦出结构出射，减小了增强现实显示装置的整体厚度和重量，提高佩戴的舒适度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于增强现实显示的超透镜光机装置结构图；

图2是传统透镜组光机装置的光学原理图；

图3是本发明实施例中一种超透镜光机装置的光学原理图；

图4是本发明实施例中两种光机装置封装后的结构尺寸图；

图5是本发明实施例中一种超透镜结构图；

图6是本发明实施例中超透镜结构单元的立体图；

图7是本发明实施例中超透镜结构单元的俯视图；

图8是本发明实施例中半径r在50-150nm时，不同半径的超结构单元与对应传输相位间的关系示意图；

图9是本发明实施例中超透镜的目标相位剖面图；

图10是本发明实施例中超透镜加工版图；

图11是本发明实施例中超透镜加工版图的部分区域放大图；

图12是本发明实施例中超透镜透射的光束的聚焦仿真的强度轮廓图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明的目的是提供一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，能够实现轻的设备重量和薄的设备厚度，可以提高人们佩戴的舒适度。

用于实现增强现实显示的光机装置包含：图像源；设置于所述图像源的出光面一侧的超透镜；波导；其中图像源用于显示目标对象，且所述图像源中的像素单元位于所述超透镜的焦面位置；所述超透镜用于对所述图像源显示所述目标对象时发出的光进行准直到波导上；

其中，所述超透镜包括基板以及按照预设规律排布在所述基板表面的多种以多掺硅的氮化硅为材料的超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定。

在上述装置中，图像源为Micro-OLED或Micro-LED新型微图像源。其特征在于，发射光的中心波长为529nm，波段范围为499nm～567nm。

在上述装置中，所述超透镜结构单元的材料为氮化硅、超透镜基板的材料为二氧化硅。

在上述装置中，所述超透镜结构单元为横截面为圆形的柱状结构，半径在50nm-105nm之间，高度为450nm。

在上述装置中，所述超透镜的结构单元采用半径变化的圆柱，使得能够在较薄的尺寸上实现光束准直，装置不再需要复杂的准直镜头组实现光束的准直。因此上述设置能够明显减小增强现实显示装置的整体厚度和重量，提高佩戴的舒适度。

图1表示了光机装置在整个图像增强现实显示设备中的位置，图2为传统透镜组光机装置的光学原理图。图3示出了本发明实施例提供的一种示例性超透镜光机装置的光学原理图。如图3所示，该光机装置包括：图像源以及超透镜，超透镜设置于图象源的出光面一侧，波导。图4为两种光机装置封装后的结构尺寸图，可以看出，相较于传统透镜组，超透镜光机装置可以明显降低装备厚度，减少装备重量，更有利于用户的使用体验。

其中图像源用于显示目标对象，且所述图像源中的像素单元位于所述超透镜的焦面位置，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，当光机装置应用于头戴式设备中时，对图像源的尺寸具有较高要求，需要小尺寸的图像源，可以采用微型液晶显示屏(Micro-OLED)。在头戴显示设备中，Micro-OLED微图像源采用单晶硅作为背板，具有工作温度范围大，功耗低、发光效率大等优势。在本实例中，选用的Micro-OLED微图像源中心波长为529nm，波段范围为499nm～567nm。当然，在其他实施例中，也可以采用其他适用的显示屏如Micro-LED，此处不做限制。

超透镜用于对图像源显示目标对象时发出的光进行准直并成像到波导上。在本实施例中，采用的超透镜能够在实现聚焦透镜功能的同时，保证在图像源适用波段范围内，每个波长对应的焦距大致一致。这样就可以通过单个超透镜实现对整个图像源波段光的聚焦，并将整个图像源发射光的信息完全带入波导，从而保证信息的完整性。

为了使得超透镜具备聚焦功能，本实施例对超透镜的结构进行了设计，下面就对本实施例采用的超透镜的具体结构进行说明。如图5所示，超透镜包括基板以及设置在基板表面的多种超结构单元。其中，基板用于承载超结构单元，具体实施时，基板可以采用透明衬底材料，例如，玻璃、蓝宝石或硅等材料。在本实例中，超透镜基板的材料选用二氧化硅(nSiO2＝1.46)。

超结构单元用于调节入射光的相位，其尺寸在亚波长级，一般采用本征氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)、氮化镓(GaN)或单晶硅等材料制成，可以有效地消除高阶衍射，在一定程度上提高光场的调控效率。其中本征氮化硅的折射率在2.0左右，由这种材料设计的超结构单元的高度为1000nm左右，过高的深宽比对微纳结构加工与制备提出了不小的要求。本实例中创造性地使用了富硅氮化硅作为超透镜结构单元的材料，一般氮化硅薄膜通过成本低廉的薄膜沉积工艺获得，如电感耦合等离子体化学气相沉积，在沉积过程中，通过增大SiH4与N2的比率，可以改变氮化硅薄膜中硅原子的含量，从而增大氮化硅薄膜的折射率，拓宽了在微纳结构加工能力内的设计范围。本实例中选用的富硅氮化硅材料的折射率由实验测定，在中心波长的折射率为2.59284。

图6、7分别表示出了一种示例性超结构单元的结构示意图和俯视图。超透镜结构单元为横截面为圆形的柱状结构，其中，H和S分别为纳米柱结构的高度和基板的高度，r为纳米柱横截面圆形的半径，p为超透镜结构单元的周期即多个纳米柱的任意两个相邻纳米柱之间的中心距离。此时，可以用(H,S,r,P)表示每个超结构单元的尺寸，单位为nm。超结构单元的不同主要表现在r，即纳米柱横截面圆形的半径的不同，其他参量为满足后续单元的整体分布均一致处理，H＝450nm、S＝500nm、P＝320nm。图8表示出半径r在50-150nm时，对不同半径的单元柱进行参数扫描所获得相位与半径的关系，最后，选择了6种不同半径的超结构单元将完整的相位周期等分为6份，6种半径为82、92、105、50、66、75nm。当然，在本发明其他实施例中，也可以采用其他形状的柱状纳米结构，如正方形、椭圆形、三角形等，此处不作限制。

多种超结构单元在基板表面按照预设规律排布，以实现聚焦效应。其中，预设规律基于聚焦透镜的相位分布条件确定,具体实施细节可以参考相关技术。对于准直入射光，实现衍射限制聚焦的相位轮廓，相位分布条件可以用下式表示：

上述公式中，λ为波长，f为焦距，C为参考相位，且与波长相关。由公式可以看出，处在超透镜的不同位置所需要的目标相位不同，所以在排布时应该摆放相应相位的超结构单元。超透镜的半径为R，可设计不同尺寸的超透镜。图9是实例所需尺寸R＝45μm、f＝50μm的超透镜目标相位剖面图。

在一种可选的实施方式中，为了简化生产难度，可以将超透镜从中心到边缘依次划分为多个区域，在每个区域只设置一种超结构单元，并将多种超结构单元在相应区域按照上述预设规律进行排布。图10、11为本实例中的超透镜的加工版图及部分区域放大图。由于相位分布具有周期性，从图10、11可以看出超表面单元柱的分布也具有周期对称的结构，显示为中心密集边缘稀疏的分布趋势。

为了验证超透镜的聚焦能力，对所设计的超透镜进行了整体的聚焦仿真试验。采用530nm波长的光平行入射到超透镜，并检测超透镜的聚焦光场。检测结果如图12所示，图12中的(a)、(b)图分别沿z轴的光场能量分布和x-z平面上的聚焦光场能量分布，(c)、(d)图分别焦面沿x轴的光场能量分布和x-y平面上的聚焦光场能量分布。从图12中的(a)、(b)图可以看出，所设计的超透镜确实具备聚焦能力，且焦距为50μm。从图12中的(c)、(d)图可以看出，超透镜具有较好的聚焦效果，聚焦孔径为1μm。因此，本实施例提供的超透镜能够实现图象源波段范围的聚焦特性。

本实施例通过设计具有单绿色聚焦能力的超透镜，应用于头戴式显示系统中，利用单个超透镜实现整个图象源波段范围内的聚焦性能，能够有效地减少光学成像系统的体积以及重量，有利于实现头戴式显示设备的轻薄化。

在本实施例中，超透镜的制备，先提供硅衬底或玻璃衬底，作为基板，然后在基板上沉积氮化硅层，在氮化硅层旋涂光刻胶，进一步再通过刻蚀技术或纳米压印(nano-imprint lithog raphy，NIL)技术将氮化硅层加工成所需要的超结构单元。例如，可以通过预先根据所需超结构单元的结构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氮化硅层进行刻蚀如可以采用ICP(Inductive CoupledPlasma，电感耦合等离子体)刻蚀技术形成超结构单元。

本发明提出了一种用于增强现实显示的超透镜光机装置及其运行方法，用于实现增强现实显示的光机装置包含：图像源、超透镜、光波导镜片；其中，超透镜包括基板以及按照预设规律排布在基板表面的多种以多掺硅的氮化硅为材料的超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定，其中超结构单元具有随位置逐渐变化的结构参数。本发明超透镜光机装置中来自图像源的光线经超透镜结构进入光波导镜片内，能够在光波导镜片内全反射传播并达到耦出结构，随后光束经耦出结构出射，减小了增强现实显示装置的整体厚度和重量，提高佩戴的舒适度。

本发明以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，包括用于显示目标对象的图像源、设置于所述图像源出光面一侧的超透镜以及光波导镜片；所述图像源中的像素单元设置于所述超透镜的焦面，所述超透镜对图像源显示目标对象时发出的光进行准直处理至光波导镜片上。

2.根据权利要求1所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述超透镜包括基板以及按照预设规律排布在所述基板表面的多种超结构单元，所述预设规律基于聚焦透镜的基础相位分布条件确定。

3.根据权利要求2所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述相位分布条件表示为：

其中，λ为波长，f为焦距，C为参考相位，且与波长相关。

4.根据权利要求2所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述超结构单元材料包括多掺硅的氮化硅，超透镜基板的材料包括二氧化硅。

5.根据权利要求2所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述超透镜结构单元为横截面为圆形的柱状结构，横截面半径为50nm～105nm，柱状结构高度为450nm。

6.根据权利要求1所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述图像源发射光的中心波长为529nm，波段范围为499nm～567nm。

7.根据权利要求6所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置，其特征在于，所述图像源包括Micro-OLED和Micro-LED新型微图像源。

8.一种用于增强现实显示的超透镜光机装置运行方法，基于权利要求1～7任意一项所述的一种用于增强现实显示的超透镜光机装置实现，其特征在于，包括：

封装超透镜光机装置，将超透镜设置于图像源的出光面一侧；

将图像源中的像素单元设置于超透镜的焦面位置，根据实际应用场景的需要确定目标对象；

超透镜进行聚焦，并发射图像源适用波段范围内且每个波长对应的焦距一致的光，显示目标对象；

对图像源显示目标对象时发出的光进行准直并成像到光波导镜片上。