CN217639774U - 基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备，通过偏振调制单元将像源发出的光线形成具有不同偏振态的光线，偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面；从而使用偏振相关超透镜替代体积大且重量重的光学透镜，使基于偏振相关超透镜的近眼显示系统具有体积小、重量轻以及规格紧凑的优势，可提高佩戴具有基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备。
背景技术
目前，近眼显示系统是虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备中必不可少的一部分。VR系统产生的视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict，VAC)会造成用户眩晕与疲劳。采用基于偏振复用的近眼显示系统可以有效缓解VR系统产生的VAC。
但基于偏振复用的近眼显示系统中使用的光学透镜(如：双折射透镜)，体积大且重量重，这会降低佩戴具有这样近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
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基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，包括：像源、偏振调制单元、投影镜片和偏振相关超透镜；
所述偏振调制单元、投影镜片和所述投影模组，分别设置在所述像源的出光侧；
所述偏振调制单元，对所述像源发出的光线进行偏振态调制，得到具有不同偏振态的光线；
所述偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面；
其中，具有不同偏振态的光线在汇聚后具有不同焦距。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种头戴式显示设备，包括：上述第一方面所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统。
本实用新型实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过偏振调制单元将像源发出的光线形成具有不同偏振态的光线，偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面，与相关技术中基于偏振复用的近眼显示系统中使用体积大且重量重的光学透镜相比，使用偏振相关超透镜替代体积大且重量重的光学透镜，使基于偏振相关超透镜的近眼显示系统具有体积小、重量轻以及规格紧凑的优势，可提高佩戴具有基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
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基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，偏振调制单元对像源发出的光进行偏振态的调制，得到线偏振光的情况示意图；
图3示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，偏振调制单元对像源发出的光进行偏振态的调制，得到圆偏振光的情况示意图；
图4示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，多焦点超透镜针对入射的左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)分别汇聚到不同焦点的示意图；
图5示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，多焦点超透镜中第一纳米结构与第二纳米结构环形交替排布的结构示意图；
图6示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，第一纳米结构与第二纳米结构组成的相位调制单元在基底上排布的结构示意图；
图7示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的像方焦距的示意图；
图8示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，像源安装有微型位移模块的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图；
图9示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，使用多个正透镜或负透镜作为投影镜片的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图；
图10示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，使用可调超透镜的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图；
图11示出了本实用新型实施例所提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，具有两个偏振态汇聚超透镜的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图。
图标：100、像源；102、偏振调制单元；106、投影镜片；108、偏振相关超透镜；110、第一虚像平面；112、第二虚像平面；400、多焦点超透镜；402、第一焦点；404、第二焦点；500、第一纳米结构；502、第二纳米结构；600、相位调制单元；700、RCP虚像平面；702、LCP虚像平面；900、正透镜或负透镜；1000、可调超透镜；1100、第一偏振态汇聚超透镜；1102、第二偏振态汇聚超透镜。
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。
目前，近眼显示系统是VR设备中必不可少的一部分。VR系统产生的VAC会造成用户眩晕与疲劳。采用基于偏振复用的近眼显示系统可以有效缓解VR系统产生的VAC。
但基于偏振复用的近眼显示系统中使用的光学透镜(如：双折射透镜)，体积大且重量重，这会降低佩戴具有这样近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
基于此，本申请实施例提出一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备，通过偏振相关超透镜将像源发出的光线形成具有不同偏振态的光线，偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面，使用偏振相关超透镜替代体积大且重量重的光学透镜，使基于偏振相关超透镜的近眼显示系统具有体积小、重量轻以及规格紧凑的优势，可提高佩戴具有基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图，本实施例提供一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，包括：像源100、偏振调制单元102、投影镜片106和偏振相关超透镜108。
所述偏振调制单元、投影镜片和所述偏振相关超透镜，分别设置在所述像源的出光侧。
所述偏振调制单元，对所述像源发出的光线进行偏振态调制，得到具有不同偏振态的光线。
所述偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面(图中未示出)；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面。
其中，具有不同偏振态的光线在汇聚后具有不同焦距。
如图1所示，所述不同的虚像平面，就是第一虚像平面110和第二虚像平面112。
其中，所述像源，可以使用现有技术中的任何微型显像设备，所述像源，包括但不限于：发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管显示器、硅基液晶显示器、数字微镜器件、基于微机电系统的激光束扫描显示器、微型发光二极管(MicroLED)阵列、三色激光投影+数字微反射镜(DMD)、蓝色激光投影+荧光转盘+DMD或者窄带LED+DMD。
所述像源发出的光线，形成的是实像。
所述虚像平面，是指像源发出的光线被投影镜片投影到所述像源远离所述投影镜片一侧后，展示出用户可见的虚像的平面位置。即所述虚像平面，是虚像成像后的成像结果。
所述实像平面，是指像源发出的光线被偏振相关超透镜汇聚到所述偏振相关超透镜和投影镜片之间得到的实像的平面位置，即所述实像平面，是实像成像后的成像结果。
所述偏振调制单元用来对像源发出的光进行偏振态的调制，参见图2所示的所述偏振调制单元对像源发出的光进行偏振态的调制，得到线偏振光的情况示意图，当所述具有不同偏振态的光线是线偏振光时，所述偏振调制单元，包括：偏振旋转器。所述偏振旋转器对像源发出的光进行偏振态的调制，得到线偏振光。
参见图3所示的所述偏振调制单元对像源发出的光进行偏振态的调制，得到圆偏振光的情况示意图，当所述具有不同偏振态的光线是圆偏振光时，所述偏振调制单元，还包括：四分之一波片QWP。
所述四分之一波片，设置在所述偏振旋转器和所述投影模组之间。
所述偏振旋转器与所述四分之一波片一起，对像源发出的光进行偏振态的调制，得到圆偏振光。
在一个实施方式中，所述偏振相关超透镜，包括：多焦点超透镜。
所述多焦点超透镜，能够将接收到的具有不同偏振态的光线分别汇聚到不同的焦点上。
所述多焦点超透镜，对于加载的不同偏振态的光线有着不同的焦距，从而形成多个新的“像源”，在形成虚像的情况下，通过投影镜片将具有不同偏振态的光线分别投影到不同的虚像平面上，从而减轻VAC引起的晕眩和疲劳，提高近眼显示系统的使用体验。或者，在形成实像的情况下，多个新的“像源”被汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面。
参见图4所示的多焦点超透镜针对入射的左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)分别汇聚到不同焦点的示意图，所述多焦点超透镜400，能够将接收到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别汇聚到不同的焦点上。如图4所示，有第一焦点402和第二焦点404两个焦点，其中，第一焦点与多焦点超透镜之间的距离，比第二焦点与多焦点超透镜之间的距离近。
当多焦点超透镜将入射的左旋圆偏振光汇聚到第一焦点时，那么就会将入射的右旋圆偏振光汇聚到第二焦点。
当多焦点超透镜将入射的右旋圆偏振光汇聚到第一焦点时，那么就会将入射的左旋圆偏振光汇聚到第二焦点。
在一个实施方式中，当入射所述多焦点超透镜的具有不同偏振态的光线是圆偏振光且所述圆偏振光包括：左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；所述多焦点超透镜对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的调制相位满足以下公式1：
其中，
表示多焦点超透镜中坐标(x，y)位置对右旋圆偏振光的调制相位，其中zRCP表示多焦点超透镜对右旋圆偏振光所具有的焦距；
表示多焦点超透镜中坐标(x，y)位置对左旋圆偏振光的调制相位，其中zLCP表示多焦点超透镜对左旋圆偏振光所具有的焦距；λ表示圆偏振光的波长。
为了设计出能够满足上述公式1的多焦点超透镜可以采取如下二种方式：
第一种，采用几何相位，在多焦点超透镜中对RCP和LCP进行相位调制的不同纳米结构进行分别设计。可以得到如下设计结果。
具体地，所述多焦点超透镜，包括：基底、第一纳米结构和第二纳米结构。
所述第一纳米结构，能够对具有不同偏振态的光线中的一种偏振态的光线进行相位调制；所述第二纳米结构，能够对具有不同偏振态的光线中的另一种偏振态的光线进行相位调制；其中，所述具有不同偏振态的光线，包括：线偏振光和圆偏振光。
参见图5所示的多焦点超透镜中第一纳米结构与第二纳米结构环形交替排布的结构示意图，所述第一纳米结构500与所述第二纳米结构502环形交替排布在所述基底上。所述第一纳米结构，能够对具有不同偏振态的光线中的一种偏振态的光线进行相位调制；所述第二纳米结构，能够对具有不同偏振态的光线中的另一种偏振态的光线进行相位调制。
如图5所示，第一纳米结构排布在所述基底的中心，所述第二纳米结构可以环形排布于所述第一纳米结构的周围，图5所示第一纳米结构与第二纳米结构环形交替排布仅为示例，还可以在所述第二纳米结构环形排布的外面，继续环形交替排布所述第一纳米结构和所述第二纳米结构，这里不再一一赘述。
参见图6所示的多焦点超透镜中第一纳米结构与第二纳米结构组成的相位调制单元在基底上排布的结构示意图，在基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，为了得到符合设计要求的所述多焦点超透镜，还可以利用第一预设数量的所述第一纳米结构和第二预设数量的所述第二纳米结构组成相位调制单元600。
将所述相位调制单元插入排布在所述基底上。
可选地，所述多焦点超透镜，还包括：填充材料。
所述填充材料填充于所述第一纳米结构和所述第二纳米结构周围。
所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
所述第一纳米结构和所述第二纳米结构为纳米鳍或纳米椭圆柱。
通过以上内容对如何采用几何相位，在多焦点超透镜中对RCP和LCP进行相位调制的不同纳米结构进行分别设计。但这样设计出来的多焦点超透镜的能量利用率和汇聚效率较低，为了提高设计出来的多焦点超透镜的能量利用率和汇聚效率，本实施例提出的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，还可以采用以下第二种方法对多焦点超透镜进行设计。
具体地，所述第二种方法，采用将多焦点超透镜中的几何相位和传播相位相结合的方式，在得到多焦点超透镜对具有不同偏振态的光线的调制相位的基础上，对满足设计要求的不同纳米结构进行分别设计。
所述多焦点超透镜的几何相位和传播相位的相位分布满足以下公式2：
其中，Ψprop(x，y)表示所述多焦点超透镜中坐标(x，y)位置的第一纳米结构或者第二纳米结构的几何相位；Ψgeom(x，y)表示所述多焦点超透镜中坐标(x，y)位置的第一纳米结构或者第二纳米结构的传播相位；nRCP和nLCP分别表示整数。
这里，nRCP和nLCP均为满足0到2π的相位分布。
通过以上内容，对如何设计得到对多焦点超透镜中具有不同偏振态的光线相位进行调制的纳米结构后，继续通过以下内容对如何得到满足设计要求的多焦点超透镜的焦距进行介绍。
为了得到满足设计要求的多焦点超透镜的焦距，可以按照以下思路进行设计：当所述偏振相关超透镜和所述投影镜片组成投影模组且所述具有不同偏振态的光线为圆偏振光时，参见图7所示的得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的像方焦距的示意图，首先，需要根据所需RCP虚像平面700的位置以及LCP虚像平面702的位置，确定多焦点超透镜与投影镜片形成的投影模组的等效成像平面704的位置；然后，再根据等效成像平面的位置、多焦点超透镜与投影镜片之间的距离，得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的像方焦距；最终，在得到的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的像方焦距的基础上，确定多焦点超透镜的焦距。
其中，所述投影模组的等效成像平面的位置，通常情况下，可以在多焦点超透镜与投影镜片之间的任意位置。
具体地，投影模组在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时的像方焦距满足以下公式3：
其中，f′RCP表示投影模组在右旋圆偏振光入射时的像方焦距；l′RCP表示右旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的像平面与所述投影模组的等效成像平面之间的距离；f′LCP表示投影模组在左旋圆偏振光入射时的像方焦距；l′LCP表示左旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的像平面与偏振调制单元之间的距离；l表示所述投影模组的等效成像平面与偏振调制单元之间的距离。
所述右旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的虚像平面，就是上述的RCP虚像平面；所述左旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的虚像平面，就是上述的LCP虚像平面。
优选地，为了进一步减轻VAC引起的晕眩和疲劳，可以通过改变像源和虚像的距离的方式，来达到这个目的，参见图8所示的像源安装有微型位移模块的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图，本实施例提出的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，还包括：微型位移模块(图中未示出)。
所述微型位移模块，安装在所述像源或者所述偏振调制单元上。
所述微型位移模块，能够带动所述像源在接近或者远离所述偏振调制单元的方向上产生位移，改变所述像源与不同像平面之间的距离。
所述微型位移模块能够透过可见光。
所述像平面，包括：虚像平面和实像平面。
这里，所述不同像平面，包括：第一虚像平面和第二虚像平面；或者，所述不同像平面，包括：第一实像平面(图中未示出)和第二实像平面(图中未示出)。
所述微型位移模块，可以采用现有的任何能够应用在基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中的微机械电机，这里不再一一赘述。
如图8所示，可以将安装有微型位移模块的像源、偏振调制单元、多焦点超透镜作为一个复用偏振单元，实现了如下功能：
所述像源在所述微型位移模块的带动下，在接近或者远离所述偏振调制单元的方向上产生位移，使得不同的像平面整体在水平方向上发生平移，从而改变了所述像源与具有不同偏振态的光线分别呈现的不同像平面之间的距离。
可选地，参见图9所示的使用多个正透镜或负透镜作为投影镜片的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图，本实施例提出的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，所述投影镜片，包括：位移单元(图中未示出)和并排设置的多个正透镜或负透镜900。
所述多个正透镜或负透镜中的各正透镜或负透镜分别安装有位移单元。
所述位移单元，能够带动正透镜或负透镜在接近或者远离所述像源的方向上产生位移，改变所述像源与不同像平面中的至少部分像平面之间的距离。
所述正透镜对于入射光线具有汇聚作用，所述负透镜对于入射光线具有发散作用。
所述位移单元能够透过可见光。
这里，所述不同像平面，包括：第一像平面和第二像平面。
所述位移单元，可以采用现有的任何能够应用在基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中的微机械电机，这里不再一一赘述。
如图9所示，可以将多焦点超透镜和作为投影镜片的多个正透镜或负透镜当作一个复用偏振单元，实现如下功能：
当投影镜片中的至少一个正透镜或负透镜在所述位移单元的带动下，在接近或者远离所述像源的方向上产生位移，对投影镜片中的部分镜片焦距进行改变，使得焦距改变后的部分镜片投影得到的第一像平面中的部分像平面和第二像平面中的部分像平面在水平方向上发生平移，从而改变了所述像源与不同像平面中部分像平面之间的距离。
所述第一像平面中的部分像平面和所述第二像平面中的部分像平面在发生平移时，平移的距离和平移的方向都是相同的。
若投影镜片中的全部正透镜或负透镜在所述位移单元的带动下，在接近或者远离所述像源的方向上产生位移，使得第一像平面和第二像平面整体在水平方向上发生平移，从而改变了所述像源与具有不同偏振态的光线分别成像后得到的不同像平面之间的距离。
可选地，除了正透镜或负透镜之外，为了改变所述像源与不同像平面之间的距离，所述投影镜片，还包括：可调焦液态镜头。
所述可调焦液态镜头，通过调节所述可调焦液态镜头自身的焦距，改变所述像源与不同像平面之间的距离。
可选地，参见图10所示的使用可调超透镜的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图，本实施例提出的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，还包括：多个并排设置的可调超透镜1000。
多个所述可调超透镜，设置在所述偏振调制单元和所述偏振相关超透镜之间。
多个所述可调超透镜中的各可调超透镜，改变所述像源与不同像平面中的至少部分像平面之间的距离。
其中，通过调节所述可调超透镜调制相位或者焦距的方式，来改变所述像源与不同像平面中部分像平面之间的距离。
所述可调超透镜的具体实现方式，不在本实施例的讨论范围之内。
如图10所示，可以将多焦点超透镜和可调超透镜作为一个复用偏振单元，实现如下功能：
当至少一个可调超透镜的调制相位或者焦距发生改变时，使得调制相位或者焦距改变后的可调超透镜投影得到的第一像平面中的部分像平面和第二像平面中的部分像平面在水平方向上发生平移，从而改变了所述像源与不同像平面中部分像平面之间的距离。
若全部可调超透镜的调制相位或者焦距发生改变时，使得第一像平面和第二像平面整体在水平方向上发生平移，从而改变了所述像源与具有不同偏振态的光线分别被投影到所述像源远离所述投影镜片一侧的不同像平面之间的距离。
当通过以上方式整体改变不同像平面与像源之间的距离时，调制速率至少为像源的显示帧速率的N倍，其中，显示帧速率是像源在1秒内所播放图像的个数，且N为重建的图像平面的数量(即所需的深度信息数量)；例如，当需要借助8个深度信息(如8个位置的虚像)以缓解VAC时，整体调控的调制速率为像源的显示帧速率的8倍，调制率较大。而在本实施例提供的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，在通过投影组件中的多焦点超透镜，将像源发出的具有不同偏振态的光线分别投影到所述像源远离所述投影镜片一侧的两个像平面中，此时像源的调制速率为该像源显示帧速率的N/2就可满足调制要求，相当于每一个像平面只需重建N/2个深度信息即可实现调制，所以像源的调制速率就可以降低至N/2，这样便能够降低像源的调制速率，使整个调制过程更容易实现，还能够进一步缓解VAC。
在一个实施方式中，参见图11所示的一种具有两个偏振态汇聚超透镜的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的结构示意图，本实施例提出的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统中，所述偏振相关超透镜，包括：第一偏振态汇聚超透镜1100和第二偏振态汇聚超透镜1102。
所述第一偏振态汇聚超透镜，包括：第一衬底和在所述第一衬底上设置的所述第一纳米结构；所述第一偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的一种偏振态的光线进行相位调制。
所述第二偏振态汇聚超透镜，包括：第二衬底和在所述第二衬底上设置的所述第二纳米结构；所述第二偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的另一种偏振态的光线进行相位调制。
所述第一偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的一种偏振态的光线进行相位调制，以及所述第二偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的另一种偏振态的光线进行相位调制，从而将具有不同偏振态的光线分别汇聚到所述投影镜片的不同位置，对多焦点超透镜进行了替代，以实现多焦点超透镜的功能。
本实施例还提出一种头戴式显示设备，包括：上述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统。
综上所述，本实施例提出一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备，通过偏振调制单元将像源发出的光线形成具有不同偏振态的光线，偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面，与相关技术中基于偏振复用的近眼显示系统中使用体积大且重量重的光学透镜相比，使用偏振相关超透镜替代体积大且重量重的光学透镜，使基于偏振相关超透镜的近眼显示系统具有体积小、重量轻以及规格紧凑的优势，可提高佩戴具有基于偏振相关超透镜的近眼显示系统的头戴式显示设备用户的佩戴舒适度。
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，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 (18)
1.一种基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，包括：像源、偏振调制单元、投影镜片和偏振相关超透镜；
所述偏振调制单元、投影镜片和所述偏振相关超透镜，分别设置在所述像源的出光侧；
所述偏振调制单元，对所述像源发出的光线进行偏振态调制，得到具有不同偏振态的光线；
所述偏振相关超透镜，将接收到的具有不同偏振态的光线汇聚在所述偏振相关超透镜和投影镜片之间，得到不同的实像平面；或者，所述具有不同偏振态的光线经过所述偏振相关超透镜后入射到所述投影镜片，被投影镜片分别投影到所述偏振相关超透镜远离所述投影镜片一侧，呈现出不同的虚像平面；
其中，具有不同偏振态的光线在汇聚后具有不同焦距。
2.根据权利要求1所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，当所述具有不同偏振态的光线是线偏振光时，所述偏振调制单元，包括：偏振旋转器。
3.根据权利要求2所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，当所述具有不同偏振态的光线是圆偏振光时，所述偏振调制单元，还包括：四分之一波片；
所述四分之一波片，设置在所述偏振旋转器和所述偏振相关超透镜之间。
4.根据权利要求2或者3所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述偏振相关超透镜，包括：多焦点超透镜；
所述多焦点超透镜，能够将接收到的具有不同偏振态的光线分别汇聚到不同的焦点上。
5.根据权利要求4所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，入射所述多焦点超透镜的具有不同偏振态的光线是圆偏振光且所述圆偏振光包括：左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；所述多焦点超透镜对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的调制相位满足以下公式：
其中，λ表示圆偏振光的波长；
表示多焦点超透镜中坐标(x,y)位置对右旋圆偏振光的调制相位，其中zRCP表示多焦点超透镜对右旋圆偏振光所具有的焦距；
表示多焦点超透镜中坐标(x,y)位置对左旋圆偏振光的调制相位，其中zLCP表示多焦点超透镜对左旋圆偏振光所具有的焦距。
6.根据权利要求4所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述多焦点超透镜，包括：基底、第一纳米结构和第二纳米结构；
所述第一纳米结构，能够对所述具有不同偏振态的光线中的一种偏振态的光线进行相位调制；所述第二纳米结构，能够对所述具有不同偏振态的光线中的另一种偏振态的光线进行相位调制；其中，所述具有不同偏振态的光线，包括：线偏振光或者圆偏振光；
所述第一纳米结构与所述第二纳米结构环形交替排布在所述基底上。
7.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，利用第一预设数量的所述第一纳米结构和第二预设数量的所述第二纳米结构组成相位调制单元；
将所述相位调制单元插入排布在所述基底上。
8.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述多焦点超透镜的几何相位和传播相位的相位分布满足以下公式：
其中，Ψprop(x,y)表示所述多焦点超透镜中坐标(x,y)位置的第一纳米结构或者第二纳米结构的几何相位；Ψgeom(x,y)表示所述多焦点超透镜中坐标(x,y)位置的第一纳米结构或者第二纳米结构的传播相位；nRCP和nLCP分别表示整数。
9.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，当所述偏振相关超透镜和所述投影镜片组成投影模组时，所述投影模组在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时的像方焦距满足以下公式：
其中，f′RCP表示所述投影模组在右旋圆偏振光入射时的像方焦距；l′RCP表示右旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的虚像平面与所述投影模组的等效成像平面之间的距离；f′LCP表示所述投影模组在左旋圆偏振光入射时的像方焦距；l′LCP表示左旋圆偏振光被投影到所述像源远离所述投影模组一侧的虚像平面与偏振调制单元之间的距离；l表示所述投影模组的等效成像平面与偏振调制单元之间的距离。
10.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，还包括：微型位移模块；
所述微型位移模块，安装在所述像源或者所述偏振调制单元上；
所述微型位移模块，能够带动所述像源在接近或者远离所述偏振调制单元的方向上产生位移，改变所述像源与不同像平面之间的距离；
所述微型位移模块能够透过可见光。
11.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述投影镜片，包括：位移单元和并排设置的多个正透镜或负透镜；
所述多个正透镜或负透镜中的各正透镜或负透镜分别安装有位移单元；
所述位移单元，能够带动正透镜或负透镜在接近或者远离所述像源的方向上产生位移，改变所述像源与不同像平面中的至少部分像平面之间的距离；
所述位移单元能够透过可见光。
12.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述投影镜片，包括：可调焦液态镜头；
所述可调焦液态镜头，通过调节所述可调焦液态镜头自身的焦距，改变所述像源与不同像平面之间的距离。
13.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，还包括：多个并排设置的可调超透镜；
多个所述可调超透镜，设置在所述偏振调制单元和所述偏振相关超透镜之间；
多个所述可调超透镜中的各可调超透镜，改变所述像源与不同像平面中的至少部分像平面之间的距离。
14.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述多焦点超透镜，还包括：填充材料；
所述填充材料填充于所述第一纳米结构和所述第二纳米结构周围。
15.根据权利要求14所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
16.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构为纳米鳍或纳米椭圆柱。
17.根据权利要求6所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统，其特征在于，所述偏振相关超透镜，包括：第一偏振态汇聚超透镜和第二偏振态汇聚超透镜；
所述第一偏振态汇聚超透镜，包括：第一衬底和在所述第一衬底上设置的所述第一纳米结构；所述第一偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的一种偏振态的光线进行相位调制；
所述第二偏振态汇聚超透镜，包括：第二衬底和在所述第二衬底上设置的所述第二纳米结构；所述第二偏振态汇聚超透镜能够对所述圆偏振光中的另一种偏振态的光线进行相位调制。
18.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：上述权利要求1-17任一项所述的基于偏振相关超透镜的近眼显示系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221845717.2U CN217639774U (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221845717.2U CN217639774U (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN217639774U true CN217639774U (zh) | 2022-10-21 |
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ID=83634063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202221845717.2U Active CN217639774U (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 基于偏振相关超透镜的近眼显示系统和头戴式显示设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
| US11988844B2 (en) | 2017-08-31 | 2024-05-21 | Metalenz, Inc. | Transmissive metasurface lens integration |
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2022
- 2022-07-18 CN CN202221845717.2U patent/CN217639774U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
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| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
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