CN217467357U - 一种光展量扩充器及近眼投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光展量扩充器及近眼投影系统，其中，该光展量扩充器包括：空间光调制器和混沌超表面，混沌超表面包括基底和位于基底一侧的多个周期性排列的纳米结构，纳米结构用于调制相位，且调制不同相位的纳米结构随机分布；空间光调制器用于发出成像光线；混沌超表面用于对空间光调制器发出的成像光线进行相位调制；混沌超表面的像素单元的周期小于空间光调制器的像素单元的周期。本实用新型实施例提供的光展量扩充器及近眼投影系统，与单一的空间光调制器相比具有更大的光展量，可以实现同时扩大视场角和眼动范围。并且，该混沌超表面具有连续相位调制特性，能够更好地提高扩充后图像的信噪比等参数，可以提高成像效果。

Description

一种光展量扩充器及近眼投影系统

技术领域

本实用新型涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种光展量扩充器及近眼投影系统。

背景技术

全息近眼显示投影方式没有调焦冲突，故不会导致使用者的视觉疲劳与眩晕，但是此种方式由于需要投影计算全息图像，故需要空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)。

如图1所示，若SLM的一维宽度为w，其最大衍射角度为±θ，则其视场角FoV(图1示出了该视场角的一半，即half FoV)与眼动范围eyebox如下式(1)所示：

其一维光展量为FoV×eyebox≈2θw，光展量受限于衍射角θ和SLM尺寸w。现有的SLM，其衍射角和尺寸不能同时扩大，即视场角FoV与眼动范围eyebox不能同时扩大，导致SLM的光展量有限。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种光展量扩充器及近眼投影系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种光展量扩充器，包括：空间光调制器和混沌超表面，所述混沌超表面包括基底和位于所述基底一侧的多个纳米结构，多个所述纳米结构周期性排列；所述纳米结构用于调制相位，且调制不同相位的所述纳米结构随机分布；

所述空间光调制器用于发出成像光线；

所述混沌超表面位于所述空间光调制器的出光侧，用于对所述空间光调制器发出的成像光线进行相位调制；

所述混沌超表面的像素单元的周期小于所述空间光调制器的像素单元的周期，所述混沌超表面的像素单元包括至少一个所述纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面的像素单元的周期小于或等于所述空间光调制器的像素单元的周期的一半。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面的像素单元数量大于或等于所述空间光调制器的像素单元数量。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面包括多个相位调制器，多个所述相位调制器按阵列方式共面排列；每个所述相位调制器中不同相位的所述纳米结构随机分布；

每个所述相位调制器的像素单元数量均大于或等于所述空间光调制器的像素单元数量。

在一种可能的实现方式中，所述空间光调制器的像素单元的周期小于或等于30μm；和/或

所述空间光调制器的像素单元数量大于或等于480000。

在一种可能的实现方式中，所述空间光调制器用于对多种波长进行相位调制，且对不同波长的相位调制不同。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面的外形能够覆盖所述空间光调制器所衍射的成像光线在所述混沌超表面所在位置处形成的衍射范围。

在一种可能的实现方式中，所述空间光调制器为透射式的空间光调制器或反射式的空间光调制器。

在一种可能的实现方式中，所述空间光调制器与所述混沌超表面之间的距离小于或等于所述空间光调制器最大边长的十倍。

在一种可能的实现方式中，所述基底在工作波段透明。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面还包括：反射层；

所述反射层位于所述基底靠近所述空间光调制器的一侧，多个所述纳米结构周期性排列在所述反射层远离所述基底的一侧。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种近眼投影系统，包括：如上所述的光展量扩充器、光源和中继系统；

所述光源用于发出光线；

所述光展量扩充器位于所述光源的出光侧，且所述光展量扩充器的混沌超表面位于所述光展量扩充器的空间光调制器远离所述光源的一侧；

所述中继系统位于所述空间光调制器远离所述光源的一侧，用于对所述空间光调制器发出的成像光线进行整形。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面位于所述空间光调制器与所述中继系统之间，且所述混沌超表面位于所述中继系统的前焦面处。

在一种可能的实现方式中，所述空间光调制器与所述混沌超表面之间的距离小于或等于所述空间光调制器最大边长的十倍。

在一种可能的实现方式中，所述混沌超表面为透反结构；

所述混沌超表面位于所述中继系统的出光侧；

所述混沌超表面还用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

在一种可能的实现方式中，近眼投影系统还包括：为透反结构的混合器；

所述混合器位于所述空间光调制器以及所述中继系统的出光侧，用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

在一种可能的实现方式中，所述中继系统包括沿成像光线出射方向依次设置的第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜与所述第二透镜具有公共焦点。

在一种可能的实现方式中，所述中继系统还包括：反射元件；

所述反射元件位于所述第一透镜与所述第二透镜之间，并位于所述公共焦点处；

所述反射元件用于将沿所述第一透镜的主光轴入射的成像光线，沿所述第二透镜的主光轴反射至所述第二透镜。

在一种可能的实现方式中，所述第一透镜与所述第二透镜均为超透镜，所述中继系统还包括棱镜；

所述第一透镜位于所述棱镜的第一侧面，所述第二透镜位于所述棱镜的第二侧面；

所述反射元件位于所述棱镜的第三侧面；所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面为三个互不平行的侧面。

在一种可能的实现方式中，所述中继系统还包括：间隔层；所述间隔层设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间，用于将所述第一透镜和所述第二透镜封装成一体结构。

在一种可能的实现方式中，所述光源用于分时发出第一波段的第一光线、第二波段的第二光线和第三波段的第三光线；所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段为可见光波段内不同的波段。

在一种可能的实现方式中，所述光源包括第一单色光源、第二单色光源、第三单色光源、第一分光镜和第二分光镜；

所述第一单色光源用于发出所述第一光线，所述第二单色光源用于发出所述第二光线，所述第三单色光源用于发出所述第三光线；

所述第一分光镜位于所述第一单色光源的出光侧，用于将所述第一单色光源发出的所述第一光线调整为与所述第三光线的出射方向相同；

所述第二分光镜位于所述第二单色光源的出光侧，用于将所述第二单色光源发出的所述第二光线调整为与所述第三光线的出射方向相同。

在一种可能的实现方式中，所述第一分光镜和所述第二分光镜均为二向色镜；

所述第一分光镜和所述第二分光镜均位于所述光源的主光轴上，且所述第一分光镜比所述第二分光镜更靠近所述光源的出光侧；

所述第一分光镜被配置为反射所述第一波段的光线、并透射所述第二波段和所述第三波段的光线；

所述第二分光镜被配置为反射所述第二波段的光线、并透射所述第三波段的光线；

所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段对应的波长依次增大或依次减小。

在一种可能的实现方式中，所述光源还包括第三分光镜；

所述第三分光镜位于所述第三单色光源的出光侧，用于调整所述第三单色光源发出的所述第三光线的出射方向。

在一种可能的实现方式中，所述第一单色光源、所述第二单色光源、所述第三单色光源为窄带激光器或窄带发光二极管。

在一种可能的实现方式中，所述光源包括第四单色光源、第五单色光源和荧光转盘；

所述第四单色光源和所述第五单色光源均用于发出所述第一光线；

所示荧光转盘位于所述第四单色光源的出光侧，用于将所述第四单色光源发出的第一光线转换为所述第二光线和所述第三光线，并射出；所述第五单色光源发出的第一光线被射出；

其中，所述第一波段的波长小于所述第二波段和所述第三波段的波长。

在一种可能的实现方式中，所述光源还包括第四分光镜和第五分光镜；

所述第四分光镜和所述第五分光镜均位于所述荧光转盘的出光侧；

所述第四分光镜用于将所述荧光转盘转换出射的第二光线调整为与所述第五单色光源发出的第一光线的出射方向相同；

所述第五分光镜用于将所述荧光转盘转换出射的第三光线调整为与所述第五单色光源发出的第一光线的出射方向相同。

在一种可能的实现方式中，所述光源还包括扩束器；

所述扩束器位于所述光源的出光侧，用于对出射的投影光线进行扩束。

在一种可能的实现方式中，所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段分别为红光波段、绿光波段、蓝光波段中的一个。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，在空间光调制器的出光侧设置相位随机分布的混沌超表面，且该混沌超表面的像素单元的周期小于空间光调制器的像素单元的周期，使得该光展量扩充器比单一的空间光调制器相比具有更大的光展量，可以实现同时扩大视场角和眼动范围。并且，该混沌超表面本质上是一种超表面，其具有连续相位调制特性，能够更好地提高扩充后图像的信噪比等参数，可以提高成像效果。

为使本实用新型的上述目的、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实用新型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实用新型的一些实施例，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示出了传统SLM的成像示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的光展量扩充器的第一结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的光展量扩充器的第二结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的光展量扩充器的第三结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的光展量扩充器的第四结构示意图；

图6A示出了本实用新型实施例所提供的混沌超表面的一种结构示意图；

图6B示出了本实用新型实施例所提供的混沌超表面的另一种结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的近眼投影系统的第一结构示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的近眼投影系统的第二结构示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的近眼投影系统的第三结构示意图；

图10示出了本实用新型实施例所提供的近眼投影系统的第四结构示意图；

图11示出了本实用新型实施例所提供的中继系统的一种结构示意图；

图12示出了本实用新型实施例所提供的近眼投影系统的第五结构示意图；

图13示出了本实用新型实施例所提供的中继系统的另一种结构示意图；

图14示出了本实用新型实施例所提供的光源的一种结构示意图；

图15示出了本实用新型实施例所提供的光源的另一种结构示意图；

图16示出了本实用新型实施例所提供的光源的再一种结构示意图。

图标：

10-光源、20-空间光调制器、30-混沌超表面、40-中继系统、50-混合器、101-第一单色光源、102-第二单色光源、103-第三单色光源、104-第一分光镜、105-第二分光镜、106-第三分光镜、11-扩束器、111-第四单色光源、112-第五单色光源、113-荧光转盘、114-第四分光镜、115-第五分光镜、301-基底、302-纳米结构、303-反射层、31-相位调制器、401-第一透镜、402-第二透镜、403-反射元件、404-棱镜、405-间隔层、1-眼镜框。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种光展量扩充器，用于扩展光展量。参见图2所示，该光展量扩充器包括：空间光调制器20和混沌超表面30，混沌超表面30包括基底301和位于基底301一侧的多个纳米结构302，多个纳米结构302周期性排列；纳米结构302用于调制相位，且调制不同相位的纳米结构302随机分布。

其中，空间光调制器20用于发出成像光线；混沌超表面30位于空间光调制器20的出光侧，用于对空间光调制器20发出的成像光线进行相位调制。并且，混沌超表面30的像素单元的周期小于空间光调制器20的像素单元的周期，该混沌超表面30的像素单元包括至少一个纳米结构302。

本实用新型实施例中，空间光调制器20在外部光源的照射下，能够出射成像光线，例如可以生成全息图的成像光线等。空间光调制器20包含多个周期排列的像素单元，每个像素单元类似于传统的显示器的一个像素，通过多个像素单元显示不同的颜色或亮度使得该空间光调制器20整体能够显示图像。该空间光调制器20可以是液晶空间光调制器，也可以是基于超表面的空间光调制器等，本实施例对此不做限定。

由于多个像素单元周期排列，故可以将像素单元的尺寸称为该像素单元的周期；例如，若像素单元为正方形，则像素单元的边长即为其周期。并且，空间光调制器20包含的像素单元的数量为多个；例如，空间光调制器20的像素单元按照100×100排列，则空间光调制器20的像素单元数量为10000。为保证空间光调制器20能够成清晰的像，提高成像效果，可选地，该空间光调制器20的像素单元的周期小于或等于30μm，例如20μm、3μm等。和/或，该空间光调制器20的像素单元数量大于或等于480000，例如，空间光调制器20的像素单元至少按照600×800排列。

本实用新型实施例中，混沌超表面30为一种超表面，如图2所示，其包括基底301和多个周期排列的纳米结构302；其中，混沌超表面30的相位分布是无序的，整个混沌超表面30上的相位随机分布。具体地，混沌超表面30包括多种不同的纳米结构302，每种纳米结构302用于调制不同的相位，且调制不同相位的纳米结构302在该基底301上随机分布，使得混沌超表面30上的相位整体上随机分布。例如，该混沌超表面30中的任意纳米结构302所调制的相位均不相同，且每个位置处的纳米结构302所调制的相位是随机的。

其中，多个纳米结构302周期性排列，按照多个纳米结构302的排列方式，其也可被分为多个结构单元，每个结构单元对应该混沌超表面30的一个像素单元。例如，多个纳米结构302按照正方形、正六边形等方式排列，每个纳米结构302位于正方形或正六边形的顶点或中心位置。

经推导，与单一的空间光调制器20相比，在空间光调制器20的出光侧设置混沌超表面30后，所形成的整体结构的光展量扩充倍数q满足下式(2)：

其中，p_slm与p_dmeta分别表示空间光调制器20与混沌超表面30的像素单元的周期。

本实用新型实施例中，混沌超表面30的像素单元为由纳米结构302周期排列方式所形成的结构单元，该像素单元的周期能够做到较小，使得混沌超表面30的像素单元的周期p_dmeta小于空间光调制器20的像素单元的周期p_slm；由上式(2)可知，与单一的空间光调制器20相比，该光展量扩充器能够将光展量扩充q倍，从而增大光展量，即可以实现同时扩大视场角和眼动范围。

本实用新型实施例提供的光展量扩充器，在空间光调制器20的出光侧设置相位随机分布的混沌超表面30，且该混沌超表面30的像素单元的周期小于空间光调制器20的像素单元的周期，使得该光展量扩充器比单一的空间光调制器相比具有更大的光展量，可以实现同时扩大视场角和眼动范围。并且，该混沌超表面本质上是一种超表面，其具有连续相位调制特性，能够更好地提高扩充后图像的信噪比等参数，可以提高成像效果。

可选地，该空间光调制器20可以为透射式的空间光调制器，也可以为反射式的空间光调制器。并且，该混沌超表面30可以是透射式超表面，也可以为反射式超表面。如图2所示，该空间光调制器20和混沌超表面30均为透射式的；或者，如图3所示，该空间光调制器20为反射式的，混沌超表面30为透射式的；或者，如图4所示，该空间光调制器20为透射式的，混沌超表面30为反射式的；或者，如图5所示，该空间光调制器20和混沌超表面30均为反射式的。

本实用新型实施例中，纳米结构302可以采用在工作波段的透过率大于预设阈值(例如，0.9、0.95等)的材料制成，例如氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅等。其中，该工作波段指的是光展量扩充器在工作时需要处理的光线波段，一般情况下，该工作波段至少包括可见光波段。

可选地，该基底301在工作波段透明。如图2和图3所示，成像光线入射至混沌超表面30后，可以透过该基底301到达该混沌超表面30的另一侧，即该混沌超表面30为透射式的。

或者，可选地，如图4所示，该混沌超表面30还包括：反射层303；反射层303位于基底301靠近空间光调制器20的一侧，多个纳米结构302周期性排列在反射层303远离基底301的一侧。图4中，该反射层303位于基底301的左侧，使得位于左侧的空间光调制器20所出射的成像光线能够被纳米结构302调制、并被反射层303反射，从而形成反射式的混沌超表面30，其结构可参见图4和图5所示。

可选地，该混沌超表面30的尺寸大于或等于空间光调制器20的尺寸。例如，混沌超表面30的最小边长不小于空间光调制器20的最大边长w。此外可选地，由于存在衍射角，光线经过空间光调制器20衍射到混沌超表面30上；在该混沌超表面30上，光线的衍射范围比空间光调制器20的尺寸更大，本实施例中，混沌超表面30的面积还可以大于该光线的衍射范围，即混沌超表面30的外形能够覆盖空间光调制器20所衍射的成像光线在混沌超表面30所在位置处形成的衍射范围，使得衍射的光线均能够射向该混沌超表面30。

可选地，为了提高光展量的扩充效果，本实用新型实施例中，该混沌超表面30的像素单元的周期小于或等于空间光调制器20的像素单元的周期的一半。基于上式(2)可知，该光展量扩充器至少能够扩充4倍的光展量。

可选地，由于混沌超表面30的像素单元的周期小于空间光调制器20的像素单元的周期，为保证成像效果，该混沌超表面30的像素单元数量大于或等于空间光调制器20的像素单元数量。例如，该混沌超表面30的像素单元数量是空间光调制器20的像素单元数量的4倍、8倍等。

本实用新型实施例中，如图6A所示，该混沌超表面30可以是一个相位随机分布的超表面，其整体相当于一个相位调制器。或者，参见图6B所示，该混沌超表面30也可以包括多个相位调制器31，多个相位调制器31按阵列方式共面排列；每个相位调制器31中不同相位的纳米结构302随机分布。其中，每个相位调制器31的像素单元数量均大于或等于空间光调制器20的像素单元数量。

本实用新型实施例中，利用多个阵列排列的相位调制器31形成该混沌超表面30。其中，每个相位调制器31相当于一个小型的混沌超表面，其相位也是随机分布的；并且，每个相位调制器31的像素单元数量均大于或等于空间光调制器20的像素单元数量；例如，空间光调制器20为800×600像素，则单个相位调制器31的像素单元的数目需大于480000。图6B中，该混沌超表面30包括12个相位调制器31，且相位调制器31按照3×4方式排列。

本实用新型实施例中，光展量扩充器采用相位随机分布的混沌超表面30，可以降低与空间光调制器20的对准要求；并且，采用多个阵列排列的相位调制器31形成混沌超表面30，能够进一步降低对准精度的要求，使光展量扩充器具有更好的鲁棒性。

可选地，为了能够形成彩色图像，该空间光调制器20需要对多种波长的光线进行调制，例如需要对红(R)绿(G)蓝(B)三种颜色的光线进行调制。本实用新型实施中，该空间光调制器20能够对多种波长进行相位调制，且对不同波长的相位调制不同。例如，空间光调制器20对红光、绿光、蓝光所调制的相位均不同。此外，若该空间光调制器20所使用的光源利用视觉停留效应实现成像，则该空间光调制器20的调制频率大于等于90Hz，以保证用户可以正常观看到成像；例如，该空间光调制器20的调制频率为120Hz、150Hz等。

此外可选地，如图2至图4所示，该空间光调制器20与混沌超表面30间隔有一定距离。本实施例中，该空间光调制器20与混沌超表面30之间的距离小于或等于空间光调制器20最大边长的十倍，即二者之间的距离远小于空间光调制器20的最大边长w，使得光展量扩充器的长度在沿光投影方向上有效控制，同时，在垂直于光轴的面上尺寸下降，从而使整体的光展量扩充器的体积减小。

本实用新型实施例还提供一种近眼投影系统，参见图7所示，该近眼投影系统包括：上述实施例提供的光展量扩充器，即包括空间光调制器20和混沌超表面30；并且，该近眼投影系统还包括光源10和中继系统40。

其中，光源10用于发出光线A，该光线A用于实现成像；光展量扩充器位于光源10的出光侧，且光展量扩充器的混沌超表面30位于光展量扩充器的空间光调制器20远离光源10的一侧，即光源10发出的光线先被空间光调制器20调制，之后再被混沌超表面30调制，以扩大光展量。中继系统40位于空间光调制器20远离光源10的一侧，用于对空间光调制器20发出的成像光线进行整形。其中，该中继系统40可以位于混沌超表面30远离空间光调制器20的一侧(如图7所示)，也可以位于空间光调制器20与混沌超表面30之间，本实施例对此不做限定。

本实用新型实施例中，光源10发出的光线A射向空间光调制器20，使得空间光调制器20能够出射成像光线；之后，该混沌超表面30扩充光展量，并在中继系统40的作用下将成像光线投影到所需的位置，例如，将成像光线投影至眼瞳位置，以使得用户可以观看到由空间光调制器20所成的像。该近眼投影系统具有较大的视场角和眼动范围，且信噪比较高，成像效果较好。

可选地，该近眼投影系统可以应用于增强现实(AR)场景中，为使得用户可以同时观看近眼投影系统所成的像以及外部环境，参见图8所示，该近眼投影系统还包括：为透反结构的混合器50，该混合器50具有透反功能。如图8所示，该混合器50位于空间光调制器20以及中继系统40的出光侧，用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

本实用新型实施例中，光源10、空间光调制器20等，以及所需的观察位置均位于该混合器50的同一侧，使得该混合器能够将成像光线反射至预先设置的观察位置，例如眼瞳所在位置。并且，该混合器50能够透射可见光波段的至少部分光线，使得外部的环境光B可以透过该混合器50到达观察位置，使得在该观察位置处可以同时观看到近眼投影系统以及外部事物。

由于成像光线也为可见光波段的光线，故该混合器50可以为透过可见光波段的一部分光线、并反射可见光波段另一部分光线的元件；例如，该混合器50可以半反半透镜；或者，该混合器50也可以是其他具有透射环境光与反射成像光线功能的器件，本实施例对此不做限定。

或者，可选地，参见图9所示，该混沌超表面30本身为透反结构，即可以利用该混沌超表面30实现上述混合器50的透反功能，该混沌超表面30一方面将成像光线的光展量扩充，另一方面能够透过环境光，充当混合器50的作用。如图9所示，混沌超表面30位于中继系统40的出光侧；该混沌超表面30还用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

例如，为透反结构的混沌超表面30或者混合器50能够透过可见光波段中全波段的至少部分光线，即该透反结构(为透反结构的混沌超表面30或者混合器50)对可见光波段内任意波段的光线均具有一定的透射效果，以避免该透反结构将环境光中某波段的光线完全反射，导致在观察位置处所观察到的外部事物颜色失真。

可选地，如图7所示，该混沌超表面30可以位于空间光调制器20与中继系统40之间，并且，该混沌超表面30位于中继系统40的前焦面处，使得该中继系统40能够较好地进行光线整形。此外可选地，该空间光调制器20与混沌超表面30之间的距离小于或等于空间光调制器20最大边长的十倍，在保证成像效果的同时，还可以使得整个近眼投影系统长度在沿光投影方向上有效控制，同时，在垂直于光轴的面上尺寸下降，从而使整体的近眼投影系统的体积减小。

可选地，该中继系统40可以为4f系统。如图10所示，该中继系统40包括沿成像光线出射方向依次设置的第一透镜401和第二透镜402；图10中，从左向右的方向为成像光线的出射方向，第一透镜401比第二透镜402更靠近空间光调制器20。并且，第一透镜401与第二透镜402具有公共焦点；例如，第一透镜401与第二透镜402共焦面，二者之间的距离为f₁+f₂；f₁表示第一透镜401的焦距，f₂表示第二透镜402的焦距。本实施例利用4f系统实现中继功能，其中，该中继系统的前焦面即为第一透镜401的物方焦平面。

本实用新型实施例中，该第一透镜401和第二透镜402可以为传统的折射透镜，也可以为超透镜，本实施例对此不做限定，图10以第一透镜401和第二透镜402均为超透镜为例示出。可选地，若第一透镜401和第二透镜402均为超透镜，参见图11所示，该中继系统40还包括：间隔层405；间隔层405设置在第一透镜401和第二透镜402之间，用于将第一透镜401和第二透镜402封装成一体结构。

本实施例采用间隔层405可以将第一透镜401和第二透镜402进行封装，例如，晶圆级封装。例如，如图11所示，该间隔层405可以垂直设置于共轴的第一透镜401与第二透镜402之间，使二者构成一整体结构。本实用新型实施例中，在第一透镜401和第二透镜402之间还可以包括空气或者其他介质填充物，本实用新型实施例对此不做限定。利用该间隔层405可以实现晶圆级封装，可以很好地减小系统体积，也方便实现对准，能够提高对准精度。

可选地，如图10所示，该中继系统40可以为透射式的系统；或者，该中继系统40也可以为能够调整光线传播方向的反射式系统。如图12所示，该中继系统40还包括：反射元件403。反射元件403位于第一透镜401与第二透镜402之间，并位于公共焦点处；该反射元件403用于将沿第一透镜401的主光轴入射的成像光线，改为沿第二透镜402的主光轴反射至第二透镜402，使得该反射元件403能够较好地调整该中继系统40后焦面的位置，例如调整第二透镜402的像方焦平面的位置。

例如，如图12所示，该第一透镜401与第二透镜402相互垂直设置，该反射元件403与两个透镜之间的夹角均为45°，从而能够将光线偏折90°。在其他场景中，可基于实际需要设置反射元件403的偏折角度。以能够使得该近眼投影系统中各个部件不全部共轴，方便设计各个部件的位置。如图9所示，在将该近眼投影系统应用至AR眼镜时，利用反射式的中继系统40，可以将光源10、空间光调制器20设置在镜腿1上，将混沌超表面30设置在镜片上。

此外可选地，中继系统40也可利用棱镜实现光线偏折。如图13所示，该中继系统40还包括棱镜404；且第一透镜401与第二透镜402均为超透镜。其中，第一透镜401位于棱镜404的第一侧面，第二透镜402位于棱镜404的第二侧面；反射元件403位于棱镜404的第三侧面；第一侧面、第二侧面、第三侧面为三个互不平行的侧面。

本实用新型实施例中，棱镜包含至少三个侧面和两个顶面，例如，三棱镜包括三个侧面，本实施例将第一透镜401、第二透镜402和反射元件403分别设置在该棱镜404互不平行的三个侧面上，即第一侧面、第二侧面、第三侧面，使得该反射元件403能够将第一透镜401透过的光线反射至第二透镜402。其中，为保证该中继系统的成像效果，该第一侧面与第三侧面之间的夹角等于第二侧面与第三侧面之间的夹角。

此外可选地，该光源10分时发出不同波段的光线，利用视觉停留效应实现成像。具体地，该光源10发出的光线A包括第一波段的第一光线、第二波段的第二光线和第三波段的第三光线；第一波段、第二波段、第三波段为可见光波段内不同的波段。并且，光源10用于分时发出第一光线、第二光线、第三光线。

本实用新型实施例中，光源10能够分时发出至少三种光线，即分时发出第一光线、第二光线、第三光线，每束光线的持续时间可由投影系统的刷新率决定，该投影系统的刷新率具体可以为空间光调制器20的刷新率。例如，对于刷新率为120Hz的投影系统，每束光的持续时间为8.33毫秒；每三束光(包括第一光线、第二光线、第三光线)即可形成一帧图像，即每25毫秒可以生成一帧图像，该投影系统显示图像的帧率为40Hz。

可选地，第一波段、第二波段、第三波段分别为红光波段、绿光波段、蓝光波段中的一个，即可以利用红绿蓝三原色光线实现投影成像；图14-图16分别以R、G、B表示红光、绿光和蓝光。

可选地，参见图14所示，该光源10包括第一单色光源101、第二单色光源102、第三单色光源103、第一分光镜104和第二分光镜105；第一单色光源101用于发出第一光线，第二单色光源102用于发出第二光线，第三单色光源103用于发出第三光线。

第一分光镜104位于第一单色光源101的出光侧，用于将第一单色光源101发出的第一光线调整为与第三光线的出射方向相同；第二分光镜105位于第二单色光源102的出光侧，用于将第二单色光源102发出的第二光线调整为与第三光线的出射方向相同。图14中以从左向右作为该第三光线的出射方向。

本实用新型实施例中，该光源10包括能够分时工作的第一单色光源101、第二单色光源102和第三单色光源103，从而能够分时发出第一光线、第二光线、第三光线；其中，第一单色光源101发出的第一光线、第二单色光源102发出的第二光线分别经过第一分光镜104和第二分光镜105调整后，可以使得第一光线、第二光线、第三光线按照相同的出射方向出射，如图14所示，三种光线均从左向右射出，形成用于投影成像的光线A。例如，第一光线、第二光线、第三光线共轴。

可选地，如图15所示，该光源10还包括第三分光镜106；第三分光镜106位于第三单色光源103的出光侧，用于调整第三单色光源103发出的第三光线的出射方向。本实用新型实施例中，第一单色光源101、第二单色光源102、第三单色光源103可以并列设置，利用第一分光镜104、第二分光镜105、第三分光镜106调整光线的传播方向，使得三者可以同向地射出。

可选地，第一分光镜104和第二分光镜105均为二向色镜。如图14和图15所示，第一分光镜104和第二分光镜105均位于光源10的主光轴上，且第一分光镜104比第二分光镜105更靠近光源10的出光侧。第一分光镜104被配置为反射第一波段的光线、并透射第二波段和第三波段的光线；第二分光镜105被配置为反射第二波段的光线、并透射第三波段的光线；其中，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次增大或依次减小。

本实用新型实施例中，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次增大，例如，三种波段依次为蓝光波段、绿光波段、红光波段；或者，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次较小，例如，如图14和图15所示，三种波段依次为红光波段、绿光波段、蓝光波段。依据这种方式设置，可以方便地选取合适的二向色镜。

以图14和图15所示为例，第一单色光源101用于发出红色光线、第二单色光源102用于发出绿色光线、第三单色光源103用于发出蓝色光线。此时，该第一分光镜104只需要能够反射红色波段以及波长大于红色波段的光线、并透射波长小于红色波段的波段(包括绿色波段和蓝色波段)即可；类似地，该第二分光镜105只需要能够反射绿色波段以及波长大于绿色波段的光线、并透射波长小于绿色波段的波段(包括蓝色波段)即可。第三分光镜106可以为能够反射蓝色波段的二向色镜，也可以为普通的反光镜，本实施例对此不做限定。

可选地，该第一单色光源101、第二单色光源102、第三单色光源103为窄带激光器或窄带发光二极管。其中，单色光源的带宽与中心波长的比值小于预设值(例如0.1、0.03等)即可认为该单色光源为窄带光源。

此外可选地，参见图16所示，该光源10包括第四单色光源111、第五单色光源112和荧光转盘113。第四单色光源111和第五单色光源112均用于发出第一光线；荧光转盘113位于第四单色光源111的出光侧，用于将第四单色光源111发出的第一光线转换为第二光线和第三光线，并射出；第五单色光源112发出的第一光线被射出；其中，第一波段的波长小于第二波段和第三波段的波长。

本实用新型实施例中，第一波段为三种波段中波长最小的波段；例如，对于RGB三原色光线，该第一波段为蓝光波段。利用荧光转盘113能够激发更大波长光线的特点，基于该荧光转盘113生成更大波段的第二光线和第三光线。

可选地，如图16所示，该光源10还包括第四分光镜114和第五分光镜115；第四分光镜114和第五分光镜115均位于荧光转盘113的出光侧。

第四分光镜114用于将荧光转盘113转换出射的第二光线调整为与第五单色光源112发出的第一光线的出射方向相同；第五分光镜115用于将荧光转盘113转换出射的第三光线调整为与第五单色光源112发出的第一光线的出射方向相同。

本实用新型实施例中，该第四分光镜114和第五分光镜115与上述实施例中的第一分光镜104和第二分光镜105类似，可以将转换后的第二光线、第三光线调整为与第五单色光源112发出的第一光线的出射方向相同。可选地，该第四分光镜114和第五分光镜115也可以是二向色镜，其工作原理与上述第一分光镜104和第二分光镜105的工作原理相同，此处不做赘述。

此外可选地，如图14-图16所示，该光源10还包括扩束器11；扩束器11位于光源10的出光侧，用于对出射的投影光线进行扩束，从而能够将激光扩束为均匀且易于成像的光线A。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (29)

1.一种光展量扩充器，其特征在于，包括：空间光调制器(20)和混沌超表面(30)，所述混沌超表面(30)包括基底(301)和位于所述基底(301)一侧的多个纳米结构(302)，多个所述纳米结构(302)周期性排列；所述纳米结构(302)用于调制相位，且调制不同相位的所述纳米结构(302)随机分布；

所述空间光调制器(20)用于发出成像光线；

所述混沌超表面(30)位于所述空间光调制器(20)的出光侧，用于对所述空间光调制器(20)发出的成像光线进行相位调制；

所述混沌超表面(30)的像素单元的周期小于所述空间光调制器(20)的像素单元的周期，所述混沌超表面(30)的像素单元包括至少一个所述纳米结构(302)。

2.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述混沌超表面(30)的像素单元的周期小于或等于所述空间光调制器(20)的像素单元的周期的一半。

3.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述混沌超表面(30)的像素单元数量大于或等于所述空间光调制器(20)的像素单元数量。

4.根据权利要求3所述的光展量扩充器，其特征在于，所述混沌超表面(30)包括多个相位调制器(31)，多个所述相位调制器(31)按阵列方式共面排列；每个所述相位调制器(31)中不同相位的所述纳米结构(302)随机分布；

每个所述相位调制器(31)的像素单元数量均大于或等于所述空间光调制器(20)的像素单元数量。

5.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，

所述空间光调制器(20)的像素单元的周期小于或等于30μm；和/或

所述空间光调制器(20)的像素单元数量大于或等于480000。

6.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述空间光调制器(20)用于对多种波长进行相位调制，且对不同波长的相位调制不同。

7.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述混沌超表面(30)的外形能够覆盖所述空间光调制器(20)所衍射的成像光线在所述混沌超表面(30)所在位置处形成的衍射范围。

8.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述空间光调制器(20)为透射式的空间光调制器或反射式的空间光调制器。

9.根据权利要求1所述的光展量扩充器，其特征在于，所述空间光调制器(20)与所述混沌超表面(30)之间的距离小于或等于所述空间光调制器(20)最大边长的十倍。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的光展量扩充器，其特征在于，所述基底(301)在工作波段透明。

11.根据权利要求1-9任意一项所述的光展量扩充器，其特征在于，所述混沌超表面(30)还包括：反射层(303)；

所述反射层(303)位于所述基底(301)靠近所述空间光调制器(20)的一侧，多个所述纳米结构(302)周期性排列在所述反射层(303)远离所述基底(301)的一侧。

12.一种近眼投影系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8、10-11任意一项所述的光展量扩充器、光源(10)和中继系统(40)；

所述光源(10)用于发出光线；

所述光展量扩充器位于所述光源(10)的出光侧，且所述光展量扩充器的混沌超表面(30)位于所述光展量扩充器的空间光调制器(20)远离所述光源(10)的一侧；

所述中继系统(40)位于所述空间光调制器(20)远离所述光源(10)的一侧，用于对所述空间光调制器(20)发出的成像光线进行整形。

13.根据权利要求12所述的近眼投影系统，其特征在于，所述混沌超表面(30)位于所述空间光调制器(20)与所述中继系统(40)之间，且所述混沌超表面(30)位于所述中继系统(40)的前焦面处。

14.根据权利要求13所述的近眼投影系统，其特征在于，所述空间光调制器(20)与所述混沌超表面(30)之间的距离小于或等于所述空间光调制器(20)最大边长的十倍。

15.根据权利要求12所述的近眼投影系统，其特征在于，所述混沌超表面(30)为透反结构；

所述混沌超表面(30)位于所述中继系统(40)的出光侧；

所述混沌超表面(30)还用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

16.根据权利要求12所述的近眼投影系统，其特征在于，还包括：为透反结构的混合器(50)；

所述混合器(50)位于所述空间光调制器(20)以及所述中继系统(40)的出光侧，用于反射至少部分成像光线至观察位置，并透射可见光波段的至少部分光线。

17.根据权利要求12-16任意一项所述的近眼投影系统，其特征在于，所述中继系统(40)包括沿成像光线出射方向依次设置的第一透镜(401)和第二透镜(402)；

所述第一透镜(401)与所述第二透镜(402)具有公共焦点。

18.根据权利要求17所述的近眼投影系统，其特征在于，所述中继系统(40)还包括：反射元件(403)；

所述反射元件(403)位于所述第一透镜(401)与所述第二透镜(402)之间，并位于所述公共焦点处；

所述反射元件(403)用于将沿所述第一透镜(401)的主光轴入射的成像光线，沿所述第二透镜(402)的主光轴反射至所述第二透镜(402)。

19.根据权利要求18所述的近眼投影系统，其特征在于，所述第一透镜(401)与所述第二透镜(402)均为超透镜，所述中继系统(40)还包括棱镜(404)；

所述第一透镜(401)位于所述棱镜(404)的第一侧面，所述第二透镜(402)位于所述棱镜(404)的第二侧面；

所述反射元件(403)位于所述棱镜(404)的第三侧面；所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面为三个互不平行的侧面。

20.根据权利要求17所述的近眼投影系统，其特征在于，所述中继系统(40)还包括：间隔层(405)；所述间隔层(405)设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间，用于将所述第一透镜和所述第二透镜封装成一体结构。

21.根据权利要求12所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)用于分时发出第一波段的第一光线、第二波段的第二光线和第三波段的第三光线；所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段为可见光波段内不同的波段。

22.根据权利要求21所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)包括第一单色光源(101)、第二单色光源(102)、第三单色光源(103)、第一分光镜(104)和第二分光镜(105)；

所述第一单色光源(101)用于发出所述第一光线，所述第二单色光源(102)用于发出所述第二光线，所述第三单色光源(103)用于发出所述第三光线；

所述第一分光镜(104)位于所述第一单色光源(101)的出光侧，用于将所述第一单色光源(101)发出的所述第一光线调整为与所述第三光线的出射方向相同；

所述第二分光镜(105)位于所述第二单色光源(102)的出光侧，用于将所述第二单色光源(102)发出的所述第二光线调整为与所述第三光线的出射方向相同。

23.根据权利要求22所述的近眼投影系统，其特征在于，所述第一分光镜(104)和所述第二分光镜(105)均为二向色镜；

所述第一分光镜(104)和所述第二分光镜(105)均位于所述光源(10)的主光轴上，且所述第一分光镜(104)比所述第二分光镜(105)更靠近所述光源(10)的出光侧；

所述第一分光镜(104)被配置为反射所述第一波段的光线、并透射所述第二波段和所述第三波段的光线；

所述第二分光镜(105)被配置为反射所述第二波段的光线、并透射所述第三波段的光线；

所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段对应的波长依次增大或依次减小。

24.根据权利要求23所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)还包括第三分光镜(106)；

所述第三分光镜(106)位于所述第三单色光源(103)的出光侧，用于调整所述第三单色光源(103)发出的所述第三光线的出射方向。

25.根据权利要求23所述的近眼投影系统，其特征在于，所述第一单色光源(101)、所述第二单色光源(102)、所述第三单色光源(103)为窄带激光器或窄带发光二极管。

26.根据权利要求21所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)包括第四单色光源(111)、第五单色光源(112)和荧光转盘(113)；

所述第四单色光源(111)和所述第五单色光源(112)均用于发出所述第一光线；

所示荧光转盘(113)位于所述第四单色光源(111)的出光侧，用于将所述第四单色光源(111)发出的第一光线转换为所述第二光线和所述第三光线，并射出；所述第五单色光源(112)发出的第一光线被射出；

其中，所述第一波段的波长小于所述第二波段和所述第三波段的波长。

27.根据权利要求26所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)还包括第四分光镜(114)和第五分光镜(115)；

所述第四分光镜(114)和所述第五分光镜(115)均位于所述荧光转盘(113)的出光侧；

所述第四分光镜(114)用于将所述荧光转盘(113)转换出射的第二光线调整为与所述第五单色光源(112)发出的第一光线的出射方向相同；

所述第五分光镜(115)用于将所述荧光转盘(113)转换出射的第三光线调整为与所述第五单色光源(112)发出的第一光线的出射方向相同。

28.根据权利要求21-27任意一项所述的近眼投影系统，其特征在于，所述光源(10)还包括扩束器(11)；

所述扩束器(11)位于所述光源(10)的出光侧，用于对出射的投影光线进行扩束。

29.根据权利要求21-27任意一项所述的近眼投影系统，其特征在于，所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段分别为红光波段、绿光波段、蓝光波段中的一个。

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