CN217639768U - 一种图像组合器及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种图像组合器及近眼显示装置，其中，该图像组合器包括：自由曲面超表面和激励结构；激励结构用于对自由曲面超表面施加激励；自由曲面超表面在激励结构的激励下改变至少部分相位分布。通过本实用新型实施例提供的图像组合器及近眼显示装置，不论是利用激励结构进行全局调控改变该自由曲面超表面的相位分布，还是进行部分调控改变其相位分布，都能使射入该图像组合器的光束经过该相位分布可调的自由曲面超表面，可以相应地改变其成像位置，从而缓解传统的基于自由曲面超表面(如相位分布不可调的自由曲面超表面)的AR光学系统中的视觉辐辏调节冲突，减轻使用者佩戴的不适和眩晕，提高人眼的视觉舒适度。

Description

一种图像组合器及近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及超表面技术领域，具体而言，涉及一种图像组合器及近眼显示装置。

背景技术

目前的AR((Augmented Reality，增强现实)光学系统采用自由曲面超表面作为图像组合器，但由于其显示器依然是静态显示屏，观看者大脑中的视觉系统将迫使眼球聚焦在虚拟3D物体上，而眼睛的晶状体聚焦于显示平面，导致该AR光学系统依旧会产生VAC(vergence-accommodation conflict，视觉辐辏调节冲突或称为调焦冲突)，长期佩戴眼睛会不舒服，视觉舒适度较低。

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图像组合器及近眼显示装置。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种图像组合器，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，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。

可选地，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，聚焦装置为轴上多焦点聚焦装置或轴外多焦点聚焦装置。

可选地，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，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。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种近眼显示装置，包括：上述任一所述的图像组合器、中继系统以及显示器；所述显示器用于生成成像光束，所述成像光束构成所述显示器的实像；所述中继系统设置于所述显示器的出光侧，用于将所述实像投影至所述图像组合器的自由曲面超表面；所述图像组合器用于将所述实像投影为虚像，并改变至少部分所述虚像与所述眼瞳之间的距离。

可选地，显示器包括：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、基于微机电系的激光束扫描显示器或者组合显示器。

可选地，组合显示器包括：至少三个不同中心波长的单色窄带激光器、与所述至少三个不同中心波长的单色窄带激光器分别对应的第一分光镜以及数字微镜器件；或者，所述组合显示器包括：两个蓝色激光器、荧光材料转盘、两个第二分光镜以及三个不同中心波长的数字微镜器件；或者，所述组合显示器包括：至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管、与所述至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管分别对应的第三分光镜以及数字微镜器件。

可选地，中继系统包括：转向棱镜或者基于超表面的中继转向镜组。

可选地，在中继系统2包括基于超表面的中继转向镜组22的情况下，中继系统2能够将实像进行放大。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，不论是利用激励结构进行全局调控改变该自由曲面超表面的相位分布，还是利用激励结构进行部分调控改变该自由曲面超表面的相位分布，都能够使射入该图像组合器的光束在经过该相位分布可调的自由曲面超表面后，可以相应地改变其成像位置，从而可以缓解传统的基于自由曲面超表面(如相位分布不可调的自由曲面超表面)的AR光学系统中的视觉辐辏调节冲突，减轻使用者佩戴的不适和眩晕，提高人眼的视觉舒适度。

本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，图像组合器将射入的成像光束所构成的实像投影为虚像，并能够对射入其中的成像光束进行部分调控或整体调控；即整体改变该图像组合器中自由曲面超表面的相位分布，或部分改变该图像组合器中自由曲面超表面的相位分布；从而整体改变该成像光束经图像组合器所投影的虚像与佩戴者眼瞳之间的距离，或者部分改变该成像光束经图像组合器所投影的虚像与使用者眼瞳之间的距离；以有效缓解VAC，减轻使用者佩戴的不适(主要为眼睛的疲劳与眩晕)，提高人眼的视觉舒适度。

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示出了本实用新型实施例所提供的一种图像组合器的示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的图像组合器中，自由曲面超表面的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的“激励结构包括波前调控器和聚焦装置”的图像组合器的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的图像组合器中，激励结构与自由曲面超表面的位置关系示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的“激励结构包括第一电极层和第二电极层”的图像组合器的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的“具有多个自由曲面超表面和多个激励结构”的图像组合器的结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的一种近眼显示装置的结构示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示装置中，组合显示器包括至少三个不同中心波长的单色窄带激光器的示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示装置中，组合显示器包括两个蓝色激光器的示意图；

图10示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示装置中，组合显示器包括至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管的示意图；

图11示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示装置中，中继系统包括转向棱镜的示意图；

图12示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示装置中，中继系统包括基于超表面的中继转向镜组的示意图。

图标：

1-图像组合器、2-中继系统、3-显示器、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、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

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了一种图像组合器，参见图1所示，该图像组合器包括：自由曲面超表面11和激励结构12；激励结构12用于对自由曲面超表面11施加激励；自由曲面超表面11在激励结构12的激励下改变至少部分相位分布。

在本实用新型实施例中，自由曲面超表面11(如图2所示)是能够将自由曲面光学和超表面光学相结合的光学器件；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11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11对应的空间介质的折射率；c、A_i以及z_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与b_ij分别表示超表面的相位系数；

表示常数相位。本实用新型实施例可以通过改变自由曲面超表面11的相位分布，相应地改变该图像组合器的成像位置，实现缓解VAC的目的。

本实用新型实施例中，激励结构12能够对该自由曲面超表面11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12与该自由曲面超表面11可以直接接触，以实现对自由曲面超表面11施加激励的目的；或者，如图1所示，该激励结构12也可以不直接与自由曲面超表面11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11上。其中，该自由曲面超表面11在激励结构12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12可以实现对自由曲面超表面11相位分布的至少部分调控；例如，可以令该激励结构12与该自由曲面超表面11的部分区域相对应，使得该激励结构12能够对该自由曲面超表面11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11在激励结构12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12可以实现对自由曲面超表面11相位分布的全局调控；例如，可以令该激励结构12对该自由曲面超表面11整体施加激励，进而可以使该自由曲面超表面11的相位分布整体改变。

在本实用新型实施例所提供的图像组合器中，不论是利用激励结构12进行全局调控改变该自由曲面超表面11的相位分布，还是利用激励结构12进行部分调控改变该自由曲面超表面11的相位分布，都能够使射入该图像组合器的光束在经过该相位分布可调的自由曲面超表面11后，可以相应地改变其成像位置，从而可以缓解传统的基于自由曲面超表面(如相位分布不可调的自由曲面超表面)的AR光学系统中的视觉辐辏调节冲突，减轻使用者佩戴的不适和眩晕，提高人眼的视觉舒适度。

可选地，参见图3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。第一纳米结构111可以按照正六边形、正方形、扇形等周期性的阵列排布，例如，第一纳米结构111可以位于一个周期的中心位置和/或顶点位置。

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。本实用新型实施例中，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3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。

本实用新型实施例中，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。

本实用新型实施例中，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。本实用新型实施例中，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

之间地快速转换。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，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，因此本实用新型实施例将自由曲面超表面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。

可选地，参见图3所示，聚焦装置122为轴上多焦点聚焦装置或轴外多焦点聚焦装置。其中，为了避免该波前调控器121与聚焦装置122所射出的激励光束影响成像光束的光路，需要使该激励光束的光路与成像光束的光路不重叠(即波前调控器121与聚焦装置122不同轴)；例如，该激励结构12可以为透射式的(如图3所示，激励光束可以依次透过波前调控器121与聚焦装置122射出)，且该聚焦装置122能够生成轴外多焦点；其中，该聚焦装置122与自由曲面超表面11可以不共轴设置(图3中以分别穿过激励结构12与自由曲面超表面11的虚线表示各自的主光轴)，例如，如图4所示，该自由曲面超表面11可以位于镜片位置，该聚焦装置122可以位于镜腿的位置，使得激励光束的光路与成像光束的光路不产生重合，避免激光光束影响成像光束，同时也能进一步减小该图像组合器的安装空间，使得该眼镜的体积减小。

本实用新型实施例采用光热调控的手段，利用波前调控器121与聚焦装置122对自由曲面超表面11中的第一纳米结构111进行调控，使得该自由曲面超表面11中的至少部分第一纳米结构111的相位分布发生改变，从而相应地改变其成像光束所生成图像的位置，缓解VAC。

可选地，参见图2所示，自由曲面超表面11还包括自由曲面基底112，自由曲面基底112能够透过激励光束与成像光束；多个第一纳米结构111位于自由曲面基底112的一侧；第一纳米结构111靠近自由曲面基底112的一端与光焦点位置对应。需要说明的是，图2中仅以深色方块状图形代表第一纳米结构111，并未示出其实际结构，例如，该第一纳米结构111可以是柱状结构；并且，图2中用于表示第一纳米结构111的深色方块状图形也可表示光焦点位置。

本实用新型实施例中，该自由曲面基底112对于激励光束与成像光束均具有高透过率，即对于激励光束与成像光束而言，该自由曲面基底112为透明基底，可以使激励光束与成像光束透过。其中，多个第一纳米结构111可以设置在该自由曲面基底112的任意一侧，当激励光束射入该第一纳米结构111时，可以在该第一纳米结构111靠近自由曲面基底112的一端(如二者的相贴合的位置处，图2中深色方块状图形)形成光焦点，从而利用聚焦在该光焦点处的激励光束对第一纳米结构111进行加热，进而改变第一纳米结构111的相变状态。

可选地，参见图5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。

如图5所示，图5为该图像组合器的示意图。自由曲面超表面11包括自由曲面基底112、第二纳米结构(图5中未示出)以及相变材料层113；需要说明的是，图5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5所示那样悬浮设置的，该图5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，本实用新型实施例可以利用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。

本实用新型实施例中，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，本实用新型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实用新型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。

其中，该自由曲面超表面11中的自由曲面基底112可以选用石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等，在该自由曲面基底112的一侧(图5所示为自由曲面基底112的上侧)设置有多个第二纳米结构，这些第二纳米结构可以是高度统一的纳米结构，当这些第二纳米结构为偏振相关的结构时，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，其可以对入射光施加一个几何相位；当这些第二纳米结构为偏振无关结构时，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，其可以对入射光施加一个传播相位；并且，这些第二纳米结构可以为全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。在该自由曲面超表面11所具有的多个第二纳米结构的周围(如两个第二纳米结构之间的间隙)填充有第一电极层123，该第一电极层123的高度比每个第二纳米结构的高度要低，例如，该第一电极层123的高度可以是第二纳米结构高度的二分之一。在该第一电极层123远离自由曲面基底112的一侧(如图5所示第一电极层123的上侧)，填充有相变材料层113，该相变材料层113与第一电极层123一样也是填充在多个第二纳米结构的周围，其高度与第一电极层123的高度相加所得到的高度之和可以大于该第二纳米结构的高度，或者，该高度之和也可以等于该第二纳米结构的高度；其中，该相变材料层113的上表面不低于第二纳米结构的上表面，以避免第二纳米结构接触到第二电极层124。在该相变材料层113远离自由曲面基底112的一侧(如图5所示相变材料层113的上侧)设置有第二电极层124，该第二电极层124与第一电极层123分别位于该相变材料层113的两侧，用于对该相变材料层113施加电压，即施加电激励，其中，该相变材料层113在接收到第一电极层123与第二电极层124所施加的电压(电激励)后，相变材料层113的相变状态会发生改变，从而可以使自由曲面超表面11的相位发生改变。

需要说明的是，填充于第二纳米结构周围的第一电极层123、相变材料层113以及第二电极层124均具有与自由曲面基底112的曲率一致的曲率，使得第一电极层123、相变材料层113、第二电极层124以及自由曲面基底112可以更好的贴合。

本实用新型实施例所使用的图像组合器包括自由曲面超表面11和激励结构12，该激励结构12能够对自由曲面超表面11中的相变材料层113施加电压，如外接电源等方式向相变材料层113施加电压，从而使得该相变材料层113的相位分布发生变化。其中，该自由曲面超表面11不仅包含有自由曲面基底112和第二纳米结构，还针对性地选取了相变材料层113作为填充材料，填充于该第二纳米结构的周围，利用了该相变材料层113在受到激励结构12中第一电极层123与第二电极层124所施加电压的影响后，能够相应地改变相变状态的特质，从而改变该自由曲面超表面11的相位分布。使用该自由曲面超表面11的图像组合器可以根据电信号激励的方式，改变该自由曲面超表面11的相位分布，从而可以相应地改变射入其中的成像光束最终的成像位置，有效缓解传统的基于自由曲面超表面(如相位分布不可调的自由曲面超表面)的AR光学系统中的视觉辐辏调节冲突，减轻使用者佩戴的不适和眩晕，提高人眼的视觉舒适度。

可选地，参见图6所示，自由曲面超表面11的数量为多个，激励结构12的数量与自由曲面超表面11的数量一致，多个激励结构12分别与多个自由曲面超表面11一一对应。

本实用新型实施例中，可以设置多个自由曲面超表面11，且分别针对每个自由曲面超表面11对应设置激励结构12；如图6所示，每个激励结构12分别对相应的自由曲面超表面11施加激励，例如，每个第一电极层123与第二电极层124能够对填充于二者之间的相变材料层113施加电压，如分别施加电压V₁、V₂和V₃，以改变该相变材料层113的相变状态，从而改变包括该相变材料层113的自由曲面超表面11的相位分布。

本实用新型实施例所提供的图像组合器，可以通过分别控制不同的激励结构12，实现对不同自由曲面超表面11的单独调控，使得其不仅可以全局调控并整体改变该成像光束所生成的图像的位置，还可以对自由曲面超表面11的部分相位分布进行调控，基于时间复用降低该图像组合器的调制率标准(如调制速率标准)，使整个调制过程更容易实现，还能够缓解视觉辐辏调节冲突。

本实用新型实施例还提供了一种近眼显示装置，参见图7所示，该近眼显示装置包括：上述任一图像组合器1、中继系统2以及显示器3；图7中镜腿位置处用于设置显示器3和中继系统2，镜片位置处用于设置图像组合器1中的自由曲面超表面11。

其中，显示器3用于生成成像光束，成像光束构成显示器3的实像；中继系统2设置于显示器3的出光侧，用于将实像投影至图像组合器1的自由曲面超表面11；图像组合器1用于将实像投影为虚像，并改变至少部分虚像与眼瞳之间的距离。

如图7所示，设置在镜腿处的显示器3是能够显示图像的光学元件，其所显示的图像是一种真实图像，即实像，且该实像是由该显示器3所生成的成像光束形成的。可选地，显示器3包括：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、基于微机电系的激光束扫描显示器或者组合显示器；其中，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，更加适用于该近眼显示装置。

可选地，该组合显示器包括：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；或者，该组合显示器包括：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；或者，该组合显示器包括：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。

具体地，参见图8所示，在该组合显示器包括：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的情况下，该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)，使得该近眼显示装置为复色近眼显示装置。在该组合显示器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8所示，该组合显示器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，该组合显示器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8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。本实用新型实施例中，该组合显示器可以依据图像信息(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近眼显示装置中的中继系统2。

本实用新型实施例所提供的近眼显示装置，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，最终反射至中继系统2中；该组合显示器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。

或者，参见图9所示，在组合显示器包括：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的情况下，该组合显示器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9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。

在本实用新型实施例中，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，最终从设置在该组合显示器最后位置处(如靠近该组合显示器出光侧)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，该组合显示器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系统2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9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。

本实用新型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，使得该组合显示器可以减少单色光源(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。

再或者，参见图10所示，在该组合显示器包括：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的情况下，该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)，使得该近眼显示装置为复色近眼显示装置。在该组合显示器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10所示，该组合显示器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，该组合显示器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系统2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10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。

本实用新型实施例中，同样设置在该镜腿位置处的中继系统2，其具体位于显示器3的出光侧，该显示器3所生成的成像光束能够射入该中继系统2；其中，该中继系统2是能够改变成像光束光路的转向装置。可选地，如图11或图12所示，该中继系统2包括：转向棱镜21或者基于超表面的中继转向镜组22。当采用图11所示的转向棱镜21作为该中继系统2时，该转向棱镜21可以将射入其中的成像光束的光路进行偏转，使该成像光束射入与之并不共轴的图像组合器1中，例如，将该成像光束所构成的显示器3的实像投影至该图像显示器1中的自由曲面超表面11上；其中，该转向棱镜21可以是具有超表面的转向棱镜(如图11所示)，或者该转向棱镜21也可以是普通棱镜。当采用图12所示的基于超表面的中继转向镜组22作为该中继系统2时，例如，该基于超表面的中继转向镜组22可以是4f中继系统，其不仅可以将射入其中的成像光束的光路进行偏转，使该成像光束射入与之并不共轴的图像组合器1的自由曲面超表面11中，可选地，该中继系统2还能够将实像进行放大。例如，当该基于超表面的中继转向镜组22为4f中继系统时，其靠近显示器3的超表面的焦距f₁可以小于其远离显示器3的超表面的焦距f₂，使得成像光束(显示器3的实像)经过该中继系统2(基于超表面的中继转向镜组22)还可以被放大，即投影为放大的实像，并射向图像组合器1中的自由曲面超表面11。

在本实用新型实施例中，图像组合器1将射入的成像光束所构成的实像投影为虚像，并能够对射入其中的成像光束进行部分调控或整体调控，即整体改变该图像组合器1中自由曲面超表面11的相位分布，或部分改变该图像组合器1中自由曲面超表面11的相位分布，从而整体改变该成像光束经图像组合器1所投影的虚像与佩戴者眼瞳之间的距离，或者部分改变该成像光束经图像组合器1所投影的虚像与使用者眼瞳之间的距离，以有效缓解VAC，减轻使用者佩戴的不适(主要为眼睛的疲劳与眩晕)，提高人眼的视觉舒适度。

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 (11)

1.一种图像组合器，其特征在于，包括：自由曲面超表面(11)和激励结构(12)；

所述激励结构(12)用于对所述自由曲面超表面(11)施加激励；

所述自由曲面超表面(11)在所述激励结构(12)的激励下改变至少部分相位分布。

2.根据权利要求1所述的图像组合器，其特征在于，所述自由曲面超表面(11)包括：多个由相变材料制成的第一纳米结构(111)；所述激励结构(12)包括：波前调控器(121)和聚焦装置(122)；

所述波前调控器(121)位于所述聚焦装置(122)远离所述自由曲面超表面(11)的一侧，所述波前调控器(121)用于对射入的激励光束进行波前调制，并向所述聚焦装置(122)出射波前调制后的激励光束；

所述聚焦装置(122)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(11)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(111)与所述光焦点位置对应；所述自由曲面超表面(11)用于对射入的成像光束进行相位调制，且所述成像光束的光路与所述波前调控器(121)以及所述聚焦装置(122)不同轴。

3.根据权利要求2所述的图像组合器，其特征在于，所述自由曲面超表面(11)还包括自由曲面基底(112)，所述自由曲面基底(112)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(111)位于所述自由曲面基底(112)的一侧；所述第一纳米结构(111)靠近所述自由曲面基底(112)的一端与所述光焦点位置对应。

4.根据权利要求2所述的图像组合器，其特征在于，所述聚焦装置(122)为轴上多焦点聚焦装置或轴外多焦点聚焦装置。

5.根据权利要求1所述的图像组合器，其特征在于，所述自由曲面超表面(11)包括：自由曲面基底(112)、相变材料层(113)和第二纳米结构；所述激励结构(12)包括：第一电极层(123)和第二电极层(124)；

所述自由曲面基底(112)的一侧设置有多个所述第二纳米结构，所述第一电极层(123)填充于所述第二纳米结构的周围，所述第一电极层(123)的高度低于所述第二纳米结构的高度；所述相变材料层(113)设置在所述第一电极层(123)远离所述自由曲面基底(112)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(123)与所述相变材料层(113)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(124)设置于所述相变材料层(113)远离所述自由曲面基底(112)的一侧；

所述相变材料层(113)、所述第一电极层(123)以及所述第二电极层(124)的曲率均与所述自由曲面基底(112)相同；

所述第一电极层(123)以及所述第二电极层(124)用于对所述相变材料层(113)加载电压，所述相变材料层(113)能够根据所加载的电压改变所述自由曲面超表面(11)的相位分布。

6.根据权利要求5所述的图像组合器，其特征在于，所述自由曲面超表面(11)的数量为多个，所述激励结构(12)的数量与所述自由曲面超表面(11)的数量一致，多个所述激励结构(12)分别与多个所述自由曲面超表面(11)一一对应。

7.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一所述的图像组合器(1)、中继系统(2)以及显示器(3)；

所述显示器(3)用于生成成像光束，所述成像光束构成所述显示器(3)的实像；

所述中继系统(2)设置于所述显示器(3)的出光侧，用于将所述实像投影至所述图像组合器(1)的自由曲面超表面(11)；

所述图像组合器(1)用于将所述实像投影为虚像，并改变至少部分所述虚像与眼瞳之间的距离。

8.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示器(3)包括：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、基于微机电系的激光束扫描显示器或者组合显示器。

9.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述组合显示器包括：至少三个不同中心波长的单色窄带激光器(31)、与所述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)；

或者，所述组合显示器包括：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)；

或者，所述组合显示器包括：至少三个不同中心波长的单色窄带发光二极管(37)、与所述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)。

10.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述中继系统(2)包括：转向棱镜(21)或者基于超表面的中继转向镜组(22)。

11.根据权利要求10所述的近眼显示装置，其特征在于，在所述中继系统(2)包括所述基于超表面的中继转向镜组(22)的情况下，所述中继系统(2)能够将所述实像进行放大。

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