CN217467367U - Ar近眼显示装置及具有其的电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及增强现实的技术领域，具体地，本申请涉及用于增大眼动范围的AR近眼显示装置。投影模块，其用于投射出用于投影虚拟图像的图像光；图像组合模块，其一方面用于接收所述图像光而向目标位置投影出所述虚拟图像，另一方面可以被用于产生实景图像的环境光所透射；其中，所述目标位置为两个以上，从而使所述虚拟图像和所述实景图像能够在所述两个以上的所述目标位置合成为增强现实图像。本申请实施例图像组合模块能够形成多个图像会聚焦点位置实现光瞳复制或者通过追踪人眼的位置进行光瞳扫描，无需使用微机电系统来调整入射光线，避免了因为使用微机电系统所造成的偏转角度的限制，图像组合模块可以通过对应的加工工艺批量加工，易于量产。本申请提供一种电子设备。

Description

AR近眼显示装置及具有其的电子设备

技术领域

本申请涉及虚拟现实和增强现实的技术领域，具体地，本申请涉及AR近眼显示装置及具有其的电子设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术通过近眼显示装置对虚拟图像的偏差叠加使用户获得三维视觉体验。

对于AR的近眼显示装置来说，眼动范围是评价其性能的重要指标之一，具体是指在眼动范围内形成无渐晕无像差的视野的能力。近眼显示装置的眼动范围不同与人眼瞳距相关，不同用户的瞳距存在较大差异。眼动范围越大，近眼显示装置对不同人眼的包容度越大。

现有技术通过追踪眼睛注视方向，然后借助微机电系统调整瞳孔的入射光线，从而调整图像焦点，使眼睛与图像焦点的匹配。现有技术需要借助微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)，来调整入射光线，实现眼睛与图像焦点的匹配，而MEMS本身的偏转角度有限，导致其对眼动范围的增大有限。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本申请实施例提供了用于增大眼动范围的AR近眼显示装置。为了达到上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

一方面，本申请实施例提供了一种AR近眼显示装置，包括：

投影模块，其用于投射出用于投影虚拟图像的图像光；

图像组合模块，其一方面用于接收所述图像光而向目标位置投影出所述虚拟图像，另一方面可以被用于产生实景图像的环境光所透射；

其中，所述目标位置为两个以上，从而使所述虚拟图像和所述实景图像能够在所述两个以上的所述目标位置合成为增强现实图像。

可选地，所述近眼显示装置还包括：

眼动追踪模块，其用于确定眼睛的注视点，

并且，所述图像组合模块包括可调自由曲面超表面，其用于根据所述眼动追踪模块所确定的所述注视点，进而确定将所述虚拟图像投影至所述目标位置中的哪一个。

可选地，所述可调自由曲面超表面包括自由曲面超表面和激励结构；

所述激励结构用于对所述自由曲面超表面施加激励；

所述自由曲面超表面在所述激励结构的激励下改变至少部分相位分布。

可选地，所述自由曲面超表面包括：多个由相变材料制成的第一纳米结构；所述激励结构包括：波前调控器和聚焦装置；

所述波前调控器位于所述聚焦装置远离所述自由曲面超表面的一侧，所述波前调控器用于对射入的激励光束进行波前调制，并向所述聚焦装置出射波前调制后的激励光束；

所述聚焦装置用于对所述波前调制后的激励光束进行聚焦，形成多个光焦点；

所述自由曲面超表面位于多个所述光焦点形成的光焦面处，且至少部分所述第一纳米结构与所述光焦点位置对应；所述自由曲面超表面用于对射入的成像光束进行相位调制，且所述成像光束的光路与所述波前调控器以及所述聚焦装置不同轴；

所述自由曲面超表面还包括自由曲面基底，所述自由曲面基底能够透过所述激励光束与所述成像光束；

多个所述第一纳米结构位于所述自由曲面基底的一侧；所述第一纳米结构靠近所述自由曲面基底的一端与所述光焦点位置对应。

可选地，所述自由曲面超表面包括：自由曲面基底、相变材料层和第二纳米结构；所述激励结构包括：第一电极层和第二电极层；

所述自由曲面基底的一侧设置有多个所述第二纳米结构，所述第一电极层填充于所述第二纳米结构的周围，所述第一电极层的高度低于所述第二纳米结构的高度；所述相变材料层设置在所述第一电极层远离所述自由曲面基底的一侧，且填充于所述第二纳米结构的周围，所述第一电极层与所述相变材料层的高度之和大于或等于所述第二纳米结构的高度；所述第二电极层设置于所述相变材料层远离所述自由曲面基底的一侧；

所述相变材料层、所述第一电极层以及所述第二电极层的曲率均与所述自由曲面基底相同；

所述第一电极层以及所述第二电极层用于对所述相变材料层加载电压，所述相变材料层能够根据所加载的电压改变所述自由曲面超表面的相位分布。

可选地，所述自由曲面超表面的数量为多个，所述激励结构的数量与所述自由曲面超表面的数量一致，多个所述激励结构分别与多个所述自由曲面超表面一一对应。

可选地，所述图像组合模块还包括：

光波导元件，用于传导所述所述图像光；

耦入模块，用于将所述图像光导入所述光波导元件；以及

耦出模块，其用于将在光波导元件中传导的所述图像光导出，进而将所述图像光分别投影至两个以上的所述目标位置。

可选地，所述耦出模块包括反射式/透射式超透镜阵列或超表面分束器阵列。

可选地，所述反射式/透射式超透镜阵列为消色差的离轴超透镜阵列。

可选地，所述投影模块包括LED显示器、有机LED显示器、硅基液晶显示器、DMD显示器、基于微机电系统的激光束扫描显示器、三色激光投影与DMD组合显示器、蓝色激光投影与荧光转盘以及DMD组合显示器、窄带LED与DMD组合显示器中的一种。

可选地，所述投影模块还包括中继单元；

所述中继单元包括转向棱镜或由超透镜构成的转向镜组。

本申请实施例还提供了一种电子设备，包括如上述任一实施例中提供的的AR近眼显示装置。

本申请提供的AR近眼显示装置至少取得了如下技术效果：

本申请实施例提供的AR近眼显示装置，通过图像组合模块将虚拟图像和实景图像在目标位置合成为增强显示图像，不再需要微机电系统，克服了微机电系统对眼动范围的限制，实现了结构紧凑化。

本申请实施例提供的电子设备，具有不借助微机电系统的近眼显示装置，增大了眼动范围，实现了结构紧凑化。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请实施例的具体实施方式详细描述，将使本申请实施例的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1本申请示出了本申请实施例提供的AR近眼显示装置的一种可选的原理示意图；

图2示出了本申请实施例提供的AR近眼显示装置的一种可选的原理示意图；

图3本申请示出了本申请实施例提供的AR近眼显示装置的一种可选的原理示意图；

图4示出了本申请实施例提供的自由曲面超表面的一种可选的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的可调自由曲面超表面的又一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的可调自由曲面超表面的又一种可选的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的纳米结构(包括其下方的基底)的一种可选的透视图；

图8示出了本申请实施例提供的纳米结构(包括其下方的基底)的又一种可选的透视图；

图9示出了本申请实施例提供的超结构单元的一种可选的示意图；

图10示出了本申请实施例提供的超结构单元的一种可选的示意图；

图11示出了本申请实施例提供的超结构单元的又一种可选的示意图；

图12示出了本申请实施例提供的电子设备的一种可选的结构示意图；

图13示出了本申请实施例提供的投影模块的一种可选的结构示意图；

图14示出了本申请实施例提供的投影模块的又一种可选的结构示意图；

图15示出了本申请实施例提供的投影模块的又一种可选的结构示意图。

附图标记：

1、可调自由曲面超表面；2、光波导元件；3、投影模块；4、眼动追踪模块；5、中继单元；

11、自由曲面超表面；12、激励结构；111、第一纳米结构；112、自由曲面基底；113、相变材料层；121、波前调控器；122、聚焦装置；123、第一电极层；124、第二电极层；

21、耦出模块；22、耦入模块；

31、单色窄带激光器；32、第一分光镜；33、数字微镜器件；34、蓝色激光器；35、荧光材料转盘；36、第二分光镜；37、单色窄带发光二极管；38、第三分光镜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

有鉴于现有技术受限于MEMS自身的偏转角度，本领域技术人员还提供了一种技术方案，该方案凭借多层全息光学元件，复制生成多个图像焦点阵列，从而增大眼动范围。然而这种技术方案中，多层全息光学元件增大了装置的厚度，且全息光学元件的生产成本高，量产困难，大多停留在实验室阶段还不能实现工业化使用。

本申请实施例提供了一种AR近眼显示装置，参见图1至图3，本申请包括投影模块和图像组合模块。其中，投影模块用于投影虚拟图像的图像光。图像组合模块一方面用于接收投影模块投射的图像光并向目标位置投影出虚拟图像，另一方面用于将环境光透射，使环境光形成实景图像。

一般地，由于不同用户的瞳距不尽相同，各个用户的瞳孔初始位置不同。并且，同一用户在不同情况下，瞳孔的位置也不是一成不变的。因此，鉴于用户瞳孔位置的不确定性，上述目标位置为不确定的，可以理解为目标位置至少为两个以上，以使虚拟图像和实景图像能够在两个以上的目标位置合成为增强显示图像。

在一些可选的实施方式中，如图1所示，本申请实施例提供的AR近眼显示装置还包括眼动追踪模块4，用于确定用户眼睛的注视点(即视觉中心)。应理解，本申请实施例提供的眼动追踪模块4通过摄像头对眼睛的图像进行处理，提取特征点，进而获得眼睛的视觉中心；或者，通过红外相机或深度相机对眼睛进行三维建模，进而计算出眼睛的视觉中心；或者，通过光敏传感元件捕捉眼睛反射光的强度，进而获得眼睛的视觉中心。可选地，眼动追踪模块4可以追踪用户两个眼睛以获得用户的注视点。

当该AR近眼显示装置包括眼动追踪模块4时，本申请实施例提供的图像组合模块包括可调自由曲面超表面1。基于眼动追踪模块确定的注视点，进而确定可调自由曲面超表面1将虚拟图像投影到合适的目标位置。

根据本申请的实施方式，如图4至图5所示，上述可调自由曲面超表面1包括自由曲面超表面11和激励结构12。其中，激励结构12用于对自由曲面超表面11施加激励，而自由曲面超表面11在前述激励下改变至少部分相位分布。

需要说明的是，如图4所示，自由曲面超表面是一种将自由曲面光学与超表面光学相结合的器件，其中，自由曲面光学在几何方面上可以被定义为：表面没有围绕光轴旋转对称或平移的光学器件；超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，能够对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性进行灵活有效地调控。具体地，光经过该自由曲面超表面11之后的累积相位

为自由曲面相位

和超表面相位

之和，即三者之间具有关系：

其中，(x，y，z(x，y))为自由曲面空间中的点，z(x，y)为该自由曲面偏离表面形状所在的平面。其中，自由曲面所对应的相位分布为

；而超表面所对应的相位分布为

因此，通过公式合并整理可知，该自由曲面超表面11所对应的相位分布为：

其中，λ表示射入该自由曲面超表面的光束所对应的波长；k表示波数；n表示该自由曲面超表面对应的空间介质的折射率；c、z_i和A_i分别表示该自由曲面面型中的系数，通过控制这些系数以确定该自由曲面的具体面型；a_ij和b_ij为超表面相位系数；

表示常数相位。

根据本申请的实施方式，激励结构能够对该自由曲面超表面施加激励，该激励可以是通过光热的手段所产生的激励，或者也可以是通过接入电信号的手段所产生的激励等。其中，该激励结构与该自由曲面超表面可以直接接触，以实现对自由曲面超表面施加激励的目的；或者，如图4所示，该激励结构也可以不直接与自由曲面超表面接触，而是通过能量传递的方式将激励施加于该自由曲面超表面上。其中，该自由曲面超表面在激励结构的激励下，其自身的相位分布中，将有至少部分相位分布能够被改变，即该激励结构可以实现对自由曲面超表面相位分布的至少部分调控；例如，可以令该激励结构与该自由曲面超表面的部分区域相对应，使得该激励结构能够对该自由曲面超表面的部分区域施加激励，以改变被施加激励的部分区域的相位分布；或者，该自由曲面超表面在激励结构的激励下，其自身的相位分布能够被整体改变，即该激励结构可以实现对自由曲面超表面相位分布的全局调控；例如，可以令该激励结构对该自由曲面超表面整体施加激励，进而可以使该自由曲面超表面的相位分布整体改变。

根据本申请的实施方式，如图5所示，自由曲面超表面11包括：多个由相变材料制成的第一纳米结构111；激励结构12包括：波前调控器121和聚焦装置122；波前调控器121位于聚焦装置122远离自由曲面超表面11的一侧，波前调控器121用于对射入的激励光束进行波前调制，并向聚焦装置122出射波前调制后的激励光束；聚焦装置122用于对波前调制后的激励光束进行聚焦，形成多个光焦点；自由曲面超表面11位于多个光焦点形成的光焦面处，且至少部分第一纳米结构111与光焦点位置对应；自由曲面超表面11用于对射入的成像光束进行相位调制，且成像光束的光路与波前调控器121以及聚焦装置122不同轴。

其中，该自由曲面超表面11的一侧表面设置有多个第一纳米结构111，该第一纳米结构111是由相变材料制成的，例如，该相变材料可以是锗锑碲化物(Ge_XSB_YTE_Z)，碲化锗(Ge_XTE_Y)，碲化锑(Sb_XTE_Y)，银锑碲化物(Ag_XSB_YTE_Z)等。其中，该第一纳米结构111是全介质结构单元，在工作波段(例如可见光波段)具有高透过率。

在该激励结构12中，波前调控器121位于聚焦装置122远离自由曲面超表面11的一侧，即该聚焦装置122位于波前调控器121与自由曲面超表面11之间；为方便控制波前调控器121，该波前调控器121可以位于该聚焦装置122的入瞳位置。本申请一些示例的实施例中，可以将激励光束(如用于激励自由曲面超表面11的光束)射向该波前调控器121，该波前调控器121能够改变该激励光束的相位(例如通过双折射效应等实现)，从而能够改变并控制该激励光束的波前。该波前调控器121在对入射的激励光束进行波前调制后，能够将经过波前调制的激励光束发送至位于其出光侧的聚焦装置122。具体地，该激励光束可以为平行光；如图5所示，该波前调控器121能够将平行光的波前调制为汇聚光波前。例如，该波前调控器121可以是液晶空间光调制器(LCSLM)、数字微反射镜(DMD)或者由可调超表面构成的空间光调制器等。

本申请一些示例的实施例中，经波前调制后的激励光束在射入至聚焦装置122后，该聚焦装置122能够产生间隔距离为纳米或微米级别的多个光焦点(如，将入射的激励光束分别聚焦为多个间隔距离为纳米或微米级别的光焦点)；而该自由曲面超表面11所在的位置，能够与该聚焦装置122形成的多个光焦点分别所在的光焦面相对应，使得由该聚焦装置122所发射的每个光焦点能够与该自由曲面超表面11上的每个自由曲面一一对应；并且，该自由曲面超表面11所具有的至少部分第一纳米结构111也能与该聚焦装置122所形成的光焦点相对应。

本申请一些示例的实施例中，当该自由曲面超表面11上的第一纳米结构111与光焦点位置重合时，该第一纳米结构111可以基于其自身所具有的相变材料的特性，即相变材料在激光等外加激励下会改变物质内部的晶格，可以大幅度地改变介电常数，使得该相变材料的状态发生变化的特性，从而令基于该相变材料的第一纳米结构111实现相位可调。具体地，相变材料在不同相变态下，具有不同的调制效果，该相变态具体包括晶态、非晶态等，例如，该相变材料为GST(Ge₂SB₂TE₅)。一般情况下，GST为非晶态；在向GST施加激光激励后，GST被加热，非晶态的GST会相变为晶态，实现非晶态→晶态的快速转换。并且，晶态的GST被激光加热超过熔点后，经急速冷却可再次转换为非晶态，整个冷却过程能够在10ns内急速完成，从而也可以实现晶态→非晶态的快速转换。本申请一些示例的实施例中，若以GST制作第一纳米结构111，通过聚焦的激励光束能够改变该第一纳米结构111的温度，从而可以实现晶态

非晶态之间地快速转换。

需要说明的是，在本申请一些示例的实施例中，由于激励光束是用于向第一纳米结构111提供激励的光束，并非是需要被该自由曲面超表面11调制的光束，因此本申请一些示例的实施例中将自由曲面超表面11所需要调制的其他光束称为成像光束，即，当该第一纳米结构111的相位发生变化时，该自由曲面超表面11可以对射入其中的成像光束的成像位置进行改变。

本申请又一些示例的实施例中，如图6所示，自由曲面超表面11包括：自由曲面基底112、相变材料层113和第二纳米结构；激励结构12包括：第一电极层123和第二电极层124；自由曲面基底112的一侧设置有多个第二纳米结构，第一电极层123填充于第二纳米结构的周围，第一电极层123的高度低于第二纳米结构的高度；相变材料层113设置在第一电极层123远离自由曲面基底112的一侧，且填充于第二纳米结构的周围，第一电极层123与相变材料层113的高度之和大于或等于第二纳米结构的高度；第二电极层124设置于相变材料层113远离自由曲面基底112的一侧；相变材料层113、第一电极层123以及第二电极层124的曲率均与自由曲面基底112相同；第一电极层123以及第二电极层124用于对相变材料层113加载电压，相变材料层113能够根据所加载的电压改变自由曲面超表面11的相位分布。

需要说明的是，图6中虽然将相变材料层113悬浮在该自由曲面基底112一侧示出，并不代表该相变材料层113是如图6所示那样悬浮设置的，该图6仅为方便描述激励施加的关系所作的示意图，该相变材料层113实则是填充于该多个第二纳米结构周围的结构层。具体地，该相变材料层113所选用的相变材料可以是锗锑碲(GST，GeSbTe)，例如，Ge₂Sb₂Te₅。GST具有实现相变能量要求低、相变可逆等特点，在不同的电压下GST可以实现晶态相和非晶态相间的可逆相变，本申请实施例可以利用GST晶态和非晶态折射率的不同从而实现对自由曲面超表面11上相位分布的调节。

本申请实施例中，激励结构12包括第一电极层123和第二电极层124，其中，第一电极层123可以是正电极层、第二电极层124可以是负电极层；或者，第一电极层123可以是负电极层、第二电极层124可以是正电极层，本申请实施例对此不做限定。具体地，用于作为第一电极层123与第二电极层124的材料可以是氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)，其是一种N型氧化物半导体，对可见光和红外波段透明，并且，其作为可以具有很好的导电性，比较适用于制作成电极层填充或设置于本申请实施例的相变材料层113的两侧，用于对该相变材料层113施加电压，即构成激励结构12。需要说明的是，上述第一纳米结构和第二纳米结构统称为纳米结构。

不难理解，本申请任一实施例提供的可调自由曲面超表面1中，自由曲面超表面的数量为至少一个，激励结构的数量与自由曲面超表面的数量可以一致，也可以不一致。多个激励结构与多个自由曲面超表面可以是一一对应，也可以是一对多映射。

对于上述任一实施例提供的近眼显示装备，其工作流程至少包括如下步骤一至步骤四。

步骤一，眼动追踪模块确定瞳孔位置。

步骤二，通过瞳孔位置坐标，反推得到可调自由曲面超表面上需要的激励强度，例如电压。

步骤三，根据步骤二中的激励强度调节可调自由曲面超表面，以使图像焦点位于瞳孔位置。

步骤四，当眼球再次运动时，重复上述步骤一至步骤三。

根据本申请的实施方式，参见图2和图3，该AR近眼显示装置还可以不依靠眼动追踪模块4。如图2和图3所示，该AR近眼显示装置的图像组合模块包括光波导元件2。由耦入模块22将图像光导入光波导元件2，经过光波导元件2的传导后，图像光被耦出模块21从光波导元件2中导出，进而投影至两个以上的目标位置。图2示出了耦出模块21为反射式超透镜阵列的示意图。图3示出了耦出模块21为透射式超透镜阵列的示意图。耦入模块22可以是全息光学元件，例如超构光栅、衍射光栅、超表面等。

上述实施例中的反射式或透射式超透镜阵列为消色差的离轴透射超透镜阵列，包括多个消色差的离轴超透镜，用于产生多个图像点源。离轴超透镜是指将从光轴一侧入射的光线反射或透射，使出射光沿光轴对称。基于阵列的离轴超透镜，可以将图像光聚焦形成多个图像点源。需要注意的是，并非所有光线经过耦出模块时都会100％耦出。为了保证人眼看到的图像亮度均匀，可选地，当反射式/透射式超透镜阵列包括n个离轴超透镜时，每个离轴超透镜耦出1/n的光线。

根据一些可选的实施例，消色差的离轴超透镜将红(例如中心波长632nm)、绿(例如中心波长532nm)、蓝(例如中心波长473nm)三原色的光会聚到同一位置。对于任意单波长的光线，离轴超透镜的相位分布满足:

(x，y)是超透镜上任意位置到中心点的距离，f为超透镜的焦距,λ为入射光束的波长，θ为入射光束的倾斜角度。若要实现消色差，说明其对不同波长的光具有相同的相位响应。

消色差的离轴超透镜可以通过直接在纳米结构数据库中寻找同时满足下述消色差公式的纳米结构：

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别表示不同的波长，例如三原色的波长。

可选地，消色差的离轴超透镜还可以通过分区设计，使超透镜上不同区域的纳米结构分别满足上述消色差公式。可以是环形分区设计，也可以是扇形分区设计。可选地，还可以将满足不同消色差公式的纳米结构随机排列。

根据本申请的实施方式，耦出模块还可以是超表面分束器阵列。超表面分束器阵列中的每一个超表面单元为一个衍射分束器，入射光线经过该超表面单元被衍射到不同的方向向量，形成一个点阵单元。当入射光经过一个超表面分束器，则形成阵列的点阵单元。基于上述衍射分束的原理，当图像光经过耦出模块，其图像焦点会被超表面分束器阵列复制，形成多个图像焦点。

根据本申请的实施方式，如图12所示，该AR近眼显示装置还包括中继单元。中继单元55包括转向棱镜或有超透镜构成的转向镜组，其作用是将图像光转向，使其射入图像组合模块。中继单元5通过偏转光路，实现了AR近眼显示装置中各模块之间的紧凑布局。

在一些可选的实施方式中，如图13至图15所示，投影模块包括LED显示器、有机LED显示器、硅基液晶显示器、DMD显示器、基于微机电系统的激光束扫描显示器、三色激光投影与DMD组合显示器、蓝色激光投影与荧光转盘以及DMD组合显示器、窄带LED与DMD组合显示器中的一种。

示例性地，上述发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、硅基液晶显示器以及基于微机电系的激光束扫描显示器的整体结构较小，属于微型显示器，更加适用于该AR近眼显装置。

可选地，参见图13所示，投影模块包括：至少三个不同中心波长的单色窄带激光器31、与至少三个不同中心波长的单色窄带激光器31分别对应的第一分光镜32以及数字微镜器件33；每个单色窄带激光器31产生的激光经相应的第一分光镜32分束后，生成初始光束，且至少三个单色窄带激光器31产生的光束分别为蓝色光束、绿色光束和红色光束；每个数字微镜器件33依据要投影的实像的信息，将初始光束中对应中心波长的光束进行处理，得到成像光束，并将成像光束射向中继单元5。

在本申请实施例所提供的AR近眼显示装置中，投影模块包括：至少三个不同中心波长的单色窄带激光器31，即组合显示器中至少存在三个可以发射单色窄带激光光束的激光器，且每个单色窄带激光器31所能发射的激光光束的颜色不同(如波长不同)，使得该AR近眼显示装置为复色近眼显示装置。在投影模块中还包括能够与每个单色窄带激光器31一一对应的第一分光镜32，每个第一分光镜32能够将相应的单色窄带激光器31所产生的光束进行分束，最终得到初始光束。例如，参见图13所示，投影模块包括三个单色窄带激光器31，这三个单色窄带激光器31分别用于发射蓝色激光光束、绿色激光光束和红色激光光束；相对于三个单色窄带激光器31所设置的三个第一分光镜32可以包括：两个二向色镜和一个反射镜。其中，蓝色激光光束的中心波长为450nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.44％；绿色激光光束的中心波长为525nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.38％；红色激光光束的中心波长为635nm，带宽为1nm，带宽与中心波长的比值为0.16％。

此外，投影模块还包括至少三个数字微镜器件33(DMD，Digital MicromirrorDevice)，能够接收初始光束(图13中以一个数字微镜器件33代表本实施例中所有数字微镜器件33示出)。例如，所包含的数字微镜器件33的数量与单色窄带激光器31的数量一致，且每个数字微镜器件33分别对应一个中心波长的窄带光，如蓝色激光光束、绿色激光光束或者红色激光光束。本申请实施例中，投影模块可以依据图像信息(如所要投影的实像的信息)，控制数字微镜器件33中相应位置的镜片偏转，按照时间顺序或按比例将射入的初始光束中，对应中心波长的窄带光(如蓝色激光光束、绿色激光光束或者红色激光光束)依次反射出去，使得所反射的光束能够形成成像光束，并将该成像光束反射至该AR近眼显示装置中的中继单元5。

本申请实施例所提供的AR近眼显示装置，其组合显示器可以包括多个能够发射离散波长光束的单色窄带激光器31，使得最终得到的初始光束为多个离散波长光束构成的复色光束，且该初始光束能够经数字微镜器件33形成成像光束，最终反射至中继单元5中；投影模块能精确地调控单色窄带激光器31所产生的初始光束，并得到成像光束。

可选地，参见图14所示，组合显示器包括：两个蓝色激光器34、荧光材料转盘35、两个第二分光镜36以及三个不同中心波长的数字微镜器件33；一个蓝色激光器34用于产生蓝色光束；另一个蓝色激光器34用于照射荧光材料转盘35以激发生成两个波长大于蓝色光束的光束；蓝色光束和两个波长大于蓝色光束的光束，经第二分光镜36分束后生成初始光束；每个数字微镜器件33依据要投影的实像的信息，将初始光束中对应中心波长的光束进行处理，得到成像光束，并将成像光束射向中继单元5。

在本申请实施例所提供的图像组合器中，投影模块所包括的两个蓝色激光器34，是能够发射蓝色激光光束的激光器。在其中一个蓝色激光器34的出光侧依次设置两个第二分光镜36，在另一个蓝色激光器34的出光侧设置荧光材料转盘35。如图14所示，该第二分光镜36可以是二向色镜；其中，靠近相应蓝色激光器34的第二分光镜36，可以将波长为蓝色光波长的激光光束进行透射，并将波长大于蓝色光波长的激光光束(如绿色激光光束)进行反射；而远离该蓝色激光器34的第二分光镜36，可以将波长为蓝色光波长的激光光束以及波长为绿色光波长的激光光束进行透射，并将波长大于绿色光波长的激光光束(如红色激光光束)进行反射。

在本申请实施例中，对应设置两个第二分光镜36的蓝色激光器34用于产生蓝色激光光束，该蓝色激光光束分别经两个第二分光镜36分束后，以窄带光的形式从最后一个第二分光镜36射出。另一个蓝色激光器34将所发射的蓝色激光光束照射向荧光材料转盘35，以激发其他颜色(例如红色和绿色)的激光。其他颜色的激光分别经第二分光镜36分束后射出，最终从设置在投影模块最后位置处(如靠近投影模块出光侧)的第二分光镜36中射出初始光束(如具有三种颜色的激光光束的混合光束)。

此外，投影模块还包括三个数字微镜器件33(DMD，Digital MicromirrorDevice)，且每个数字微镜器件33分别对应一个中心波长的窄带光，如蓝色激光光束、绿色激光光束或者红色激光光束。其中，每个数字微镜器件33生成成像光束并射向中继单元的过程，与上述采用至少三个不同中心波长的单色窄带激光器31的实施例中的每个数字微镜器件33一致，且图14中同样以一个数字微镜器件33代表本实施例中三个数字微镜器件33示出，此处不再赘述。

本申请实施例所提供的图像组合器，其组合显示器因具有荧光材料转盘35，使得投影模块可以减少单色光源(如蓝色激光器34)的个数，节约成本，使整体结构更加轻薄紧凑。

可选地，参见图15所示，投影模块包括：至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管37、与至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管37分别对应的第三分光镜38以及数字微镜器件33；每个单色窄带发光二极管37产生的光束经第三分光镜38分束后生成初始光束，且至少三个单色窄带发光二极管37产生的光束分别为蓝色光束、绿色光束和红色光束；每个数字微镜器件33依据要投影的实像的信息，将初始光束中对应中心波长的光束进行处理，得到成像光束，并将成像光束射向中继单元5。

在本申请实施例所提供的图像组合器中，投影模块可以包括：至少三个单色窄带发光二极管37，即组合显示器中至少存在三个可以发射单色窄带普通光束的光源，且至少三个单色窄带发光二极管37所能发射的普通光束的颜色不同(如所发射的普通光束的波长不同)，使得该图像组合器为复色图像组合器。在投影模块中还包括能够与每个单色窄带发光二极管37一一对应的第三分光镜38，每个第三分光镜38能够将相应的单色窄带发光二极管37所产生的光束进行分束，最终得到初始光束。例如，参见图15所示，投影模块包括三个单色窄带发光二极管37，这三个单色窄带发光二极管37分别用于发射蓝色光束、绿色光束和红色光束；相对于三个单色窄带发光二极管37所设置的三个第三分光镜38可以包括：两个二向色镜和一个反射镜。

此外，投影模块还包括三个数字微镜器件33(DMD，Digital MicromirrorDevice)，且每个数字微镜器件33分别对应一个中心波长的窄带光，如蓝色光束、绿色光束或者红色光束。其中，每个数字微镜器件33生成成像光束并射向中继单元的过程，与上述采用至少三个不同中心波长的单色窄带激光器31的实施例中的每个数字微镜器件33一致，且图15中同样以一个数字微镜器件33代表本实施例中三个数字微镜器件33示出，此处不再赘述。

接下来结合图7至图11对本申请实施例所提供的超透镜或超表面进行描述。超透镜或超表面包括基底和设置于基底一侧的纳米结构。

可选地，各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的填充物。根据本申请的实施方式，填充物的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。示例性地，如图7所示，纳米结构可以是偏振敏感结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。例如，椭圆柱形、中空椭圆柱形、椭圆孔形、中空椭圆孔形、长方柱形、长方孔形、中空长方柱形和中空长方孔等结构。示例性地，如图8所示，纳米结构可以是偏振不敏感结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。例如，圆柱形、中空圆柱形、圆孔形、中空圆孔形、正方柱形、正方孔形、中空正方柱形和中空正方孔等结构。

可选地，纳米结构以超结构单元的形式排列。在一些示例的实施例中，超结构单元为密堆积图形，纳米结构被排列在密堆积图形的中心位置和/或顶点位置。如图9所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形。此外，如图10所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形。本领域技术人员应认识到，超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内，例如图11所示的扇形。超结构单元的周期大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。可选地，纳米结构的高度大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。纳米结构的材质为在该投影系统工作波段高透过率的材料。可选地，纳米结构的材质对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。在一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质相同。在又一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质不同。基底的材质为本申请实施例提供的投影系统工作波段高透过率的材料。可选地，基底对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，基底的材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。示例性地，基底的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。可选地，基底的厚度大于或等于0.1毫米且小于或等于2毫米。例如，基底的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等等。

需要注意的是，本申请实施例提供的放大复制器可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。

第二方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一实施例提供的AR近眼显示装置。例如，图12示出了一种AR眼镜，包括本申请实施例提供的AR近眼显示装置。

综上所述，本申请实施例提供的AR近眼显示装置通过眼动追踪和可调自由曲面超表面，将图像聚焦在不同的目标位置，或者，通过光波导元件的耦出模块复制多个图像焦点，从而利用超表面技术增大了AR近眼显示装置的眼动范围，且省略了微机电系统，促进了AR近眼显示装置的布局紧凑化，减小了能耗。

以上，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例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申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种AR近眼显示装置，其特征在于，包括：

投影模块，其用于投射出用于投影虚拟图像的图像光；

图像组合模块，其一方面用于接收所述图像光而向目标位置投影出所述虚拟图像，另一方面可以被用于产生实景图像的环境光所透射；

其中，所述目标位置为两个以上，从而使所述虚拟图像和所述实景图像能够在所述两个以上的所述目标位置合成为增强现实图像。

2.如权利要求1所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置还包括：

眼动追踪模块，其用于确定眼睛的注视点，

并且，所述图像组合模块包括可调自由曲面超表面，其用于根据所述眼动追踪模块所确定的所述注视点，进而确定将所述虚拟图像投影至所述目标位置中的哪一个。

3.如权利要求2所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述可调自由曲面超表面包括自由曲面超表面和激励结构；

所述激励结构用于对所述自由曲面超表面施加激励；

所述自由曲面超表面在所述激励结构的激励下改变至少部分相位分布。

4.如权利要求3所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述自由曲面超表面包括：多个由相变材料制成的第一纳米结构；所述激励结构包括：波前调控器和聚焦装置；

所述波前调控器位于所述聚焦装置远离所述自由曲面超表面的一侧，所述波前调控器用于对射入的激励光束进行波前调制，并向所述聚焦装置出射波前调制后的激励光束；

所述聚焦装置用于对所述波前调制后的激励光束进行聚焦，形成多个光焦点；

所述自由曲面超表面位于多个所述光焦点形成的光焦面处，且至少部分所述第一纳米结构与所述光焦点位置对应；所述自由曲面超表面用于对射入的成像光束进行相位调制，且所述成像光束的光路与所述波前调控器以及所述聚焦装置不同轴；

所述自由曲面超表面还包括自由曲面基底，所述自由曲面基底能够透过所述激励光束与所述成像光束；

多个所述第一纳米结构位于所述自由曲面基底的一侧；所述第一纳米结构靠近所述自由曲面基底的一端与所述光焦点位置对应。

5.根据权利要求3所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述自由曲面超表面包括：自由曲面基底、相变材料层和第二纳米结构；所述激励结构包括：第一电极层和第二电极层；

所述自由曲面基底的一侧设置有多个所述第二纳米结构，所述第一电极层填充于所述第二纳米结构的周围，所述第一电极层的高度低于所述第二纳米结构的高度；所述相变材料层设置在所述第一电极层远离所述自由曲面基底的一侧，且填充于所述第二纳米结构的周围，所述第一电极层与所述相变材料层的高度之和大于或等于所述第二纳米结构的高度；所述第二电极层设置于所述相变材料层远离所述自由曲面基底的一侧；

所述相变材料层、所述第一电极层以及所述第二电极层的曲率均与所述自由曲面基底相同；

所述第一电极层以及所述第二电极层用于对所述相变材料层加载电压，所述相变材料层能够根据所加载的电压改变所述自由曲面超表面的相位分布。

6.根据权利要求3、4或5中任一所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述自由曲面超表面的数量为多个，所述激励结构的数量与所述自由曲面超表面的数量一致，多个所述激励结构分别与多个所述自由曲面超表面一一对应。

7.如权利要求1所述的AR近眼显示装置，其特征在于，

所述图像组合模块还包括：

光波导元件，用于传导所述图像光；

耦入模块，用于将所述图像光导入所述光波导元件；以及

耦出模块，其用于将在光波导元件中传导的所述图像光导出，进而将所述图像光分别投影至两个以上的所述目标位置。

8.如权利要求7所述的AR近眼显示装置，其特征在于，

所述耦出模块包括反射式/透射式超透镜阵列或超表面分束器阵列。

9.如权利要求8所述的AR近眼显示装置，其特征在于，

所述反射式/透射式超透镜阵列为消色差的离轴超透镜阵列。

10.如权利要求1所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述投影模块包括LED显示器、有机LED显示器、硅基液晶显示器、DMD显示器、基于微机电系统的激光束扫描显示器、三色激光投影与DMD组合显示器、蓝色激光投影与荧光转盘以及DMD组合显示器、窄带LED与DMD组合显示器中的一种。

11.如权利要求1所述的AR近眼显示装置，其特征在于，所述投影模块还包括中继单元；

所述中继单元包括转向棱镜或由超透镜构成的转向镜组。

12.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一项所述的AR近眼显示装置。

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