CN220271663U - 一种基于超透镜的激光扫描显示系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于超透镜的激光扫描显示系统，沿光传播方向包括激光光源、超透镜组合、中继反射镜、MEMS微振镜和显示界面，激光光源发出的激光经过超透镜组合进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，合束光经过中继反射镜反射到MEMS微振镜，合束光经过MEMS微振镜偏转将每个像素发射到显示界面的对应位置以显示完整图像；超透镜组合包括若干个超透镜，超透镜包括若干个亚波长单位结构。本实用新型实施例能够缩小光学元件的体积和重量，便于小型化，可广泛应用于激光显示技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种基于超透镜的激光扫描显示系统。
背景技术
增强现实(AR)眼镜所要实现的增强现实效果，要求人眼在使用时看到良好的显示效果，并且需要足够大的视场、足够宽的色域范围，除了为显示效果的要求之外，由于AR眼镜是对于用户是面向日常生活使用的，因此必须是轻量级的、低功耗的。为满足上述需求，基于激光的扫描技术应用在增强现实设备上，有能力克服这些困难，提高用户体验。
如上所述，显示效果和轻便是为重要的两项技术指标，激光光束扫描技术能够解决显示效果上的难题，但其光路结构的轻量化仍有改善空间。传统光学透镜通过材料厚度的不同来控制入射光相位以达到聚焦目的，受材料属性影响，通常具有体积大、重量大的特点，多光学元件的组装更进一步增加了体积与质量，不满足小型化要求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例的目的是提供一种基于超透镜的激光扫描显示系统，能够缩小光学元件的体积和重量，便于小型化。
本实用新型实施例提供一种基于超透镜的激光扫描显示系统，沿光传播方向包括激光光源、超透镜组合、中继反射镜、MEMS微振镜和显示界面，所述激光光源发出的激光经过所述超透镜组合进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，所述合束光经过所述中继反射镜反射到所述MEMS微振镜，所述合束光经过所述MEMS微振镜偏转将每个像素发射到所述显示界面的对应位置以显示完整图像；所述超透镜组合包括若干个超透镜，所述超透镜包括若干个亚波长单位结构。
可选地，所述超透镜组合包括聚焦超透镜、准直超透镜和合束超透镜。
可选地，所述聚焦超透镜和所述准直超透镜均包括正透镜。
可选地，所述聚焦超透镜包括正透镜，所述准直超透镜包括负透镜。
可选地，所述聚焦超透镜的焦距小于第一预设值，所述聚焦超透镜的半径小于第二预设值。
可选地，所述准直超透镜的焦距大于第三预设值，所述准直超透镜的半径大于第四预设值。
可选地，所述超透镜上的若干个亚波长单位结构包括旋转对称结构。
可选地，所述超透镜上的若干个亚波长单位结构包括有长短轴的非旋转对称结构。
可选地，所述聚焦超透镜和所述准直超透镜的相位分布均包括双曲面型相位分布。
实施本实用新型实施例包括以下有益效果：本实施例中基于超透镜的激光扫描显示系统，沿光传播方向包括激光光源、超透镜组合、中继反射镜、MEMS微振镜和显示界面，激光光源发出的激光经过超透镜组合进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，并经过中继反射镜反射到MEMS微振镜，以及经过MEMS微振镜偏转将每个像素发射到显示界面的对应位置以显示完整图像，其中，超透镜组合包括若干个超透镜，超透镜包括若干个亚波长单位结构；采用亚波长单位结构设计的超透镜可将光器件厚度缩小到波长量级，通过对超透镜上每一位置处的微小结构的独立设计，以满足传统透镜的各种重要性能指标并大幅缩小器件厚度和重量，具有厚度薄、易加工、与半导体工艺兼容、易于集成化等优点，能满足现代光学系统小型化的需求。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种基于超透镜的激光扫描显示系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种亚波长单位结构的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的一种聚焦超透镜的聚焦效果结果示意图；
图4是本实用新型实施例提供的一种准直超透镜的准直效果结果示意图；
图5是本实用新型实施例提供的一种合束超透镜的合束效果结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
参阅图1，本实用新型实施例提供一种基于超透镜的激光扫描显示系统，沿光传播方向包括激光光源1-1、超透镜组合1-2、中继反射镜1-3、MEMS微振镜1-4和显示界面1-5，激光光源1-1发出的激光经过超透镜组合1-2进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，合束光经过中继反射镜1-3反射到MEMS微振镜1-4，合束光经过MEMS微振镜1-4偏转将每个像素发射到显示界面1-5的对应位置以显示完整图像；超透镜组合1-2包括若干个超透镜，超透镜包括若干个亚波长单位结构。
需要说明的是，激光光源包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)微振镜是一种可以二维偏转的反射镜，在微振镜偏转过程中，调制RGB三色激光器的亮度，可以显示出不同像素点的颜色，这样扫描出一幅彩色图片。
参阅图2，图2表示由若干个亚波长单位结构组成的超透镜的局部三维示意图，若干个亚波长单位结构按照预设的队列排列，亚波长单位结构包括但不限于正方体、长方体、圆柱体、正方体内挖圆柱体的管状结构、长方体内挖圆柱体的管状结构、圆柱体内挖圆柱体的管状结构等。超透镜利用表面的亚波长结构实现对电磁波的调控作用，可以满足消色差、消像差等传统透镜的重要性能指标。
需要说明的是，在该系统中的中继反射镜或MEMS微振镜也可以由超透镜构成。
可选地，超透镜组合包括聚焦超透镜、准直超透镜和合束超透镜。
RGB三色激光均经过上述聚焦超透镜聚焦以及准直超透镜准直后，可以通过合束超透镜实现合束。
可选地，聚焦超透镜的焦距小于第一预设值，聚焦超透镜的半径小于第二预设值。
需要说明的是，第一预设值和第二预设值根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。第一预设值使聚焦超透镜的焦距满足短焦距要求，第二预设值使聚焦超透镜的半径满足小半径要求。
可选地，准直超透镜的焦距大于第三预设值，准直超透镜的半径大于第四预设值。
需要说明的是，第三预设值和第四预设值根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。第三预设值使准直超透镜的焦距满足长焦距要求，第四预设值使准直超透镜的半径满足大半径要求。
在一个具体的实施例中，参阅图3至图5，先用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以便获得极小的束腰半径，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性，就可得到很好的准直效果。图3所示为使用短焦距、小半径的超透镜对红光激光实现聚焦效果的结果示意图，1-1为入射激光，2-1为聚焦超透镜，从xz平面(z方向为光轴方向)和焦点位置xy平面的电场强度分布可以看出聚焦效果良好。图4所示为使用长焦距、大半径的超透镜实现对图3结构输出的红光点光源实现准直效果的结果示意图，2-2为入射点光源，2-3为准直超透镜，2-4为红光出射平行光，从相位分布可以看出入射的点光源得到较好的准直效果，出射光接近平行光。图3和图4中所用透镜的半径、焦距等参数可以根据实际需要进行设计，实现对红、绿、蓝光中任意一种颜色的聚焦、准直。图5所示为RGB三色激光在超透镜不同区域汇聚到同一点处实现合束效果的结果示意图，2-5为红、绿、蓝光共3中颜色的入射平行光，2-6为合束超透镜，从图5中xz平面(光轴平面)的电场强度分布可以看出三色激光经过超透镜后可以汇聚一点，在此基础上通过中继反射镜、MEMS微振镜等结构后就可以作为三色合束的显示像素。
可选地，聚焦超透镜和准直超透镜均包括正透镜。
可选地，聚焦超透镜包括正透镜，准直超透镜包括负透镜。
具体地，可以使用由两个正透镜(聚焦透镜)组成的开普勒式望远镜实现聚焦准直扩束外，也可以使用由正负透镜(聚焦透镜和发散透镜)组成的伽利略式望远镜实际聚焦准直扩束的效果，也可以根据需求直接使用单个透镜实现该效果。
可选地，超透镜上的若干个亚波长单位结构包括旋转对称结构。
可选地，超透镜上的若干个亚波长单位结构包括有长短轴的非旋转对称结构。
具体地，为实现对激光光源出射光的调制作用，超透镜上的亚波长单位结构优先采用旋转对称结构，利用亚波长单位结构的传输相位等进行调制，满足偏振不敏感的需求。但对于需要利用偏振光实现特殊显示效果的系统，超透镜上的亚波长单位结构同样可以选用有长短轴的非旋转对称结构，利用几何相位和传输相位等共同调制，满足半波片和偏振敏感的需求。
可选地，聚焦超透镜和准直超透镜的相位分布均包括双曲面型相位分布。
具体地，根据超透镜在不同部件上的使用，其表面的亚波长单位结构所需实现的相位分布可以按照相应的需求进行设计。如实现准直、聚焦超透镜上的相位分布可以但不限于为双曲面型相位分布：
其中，r为超透镜上的亚波长单位结构与光轴中心的距离，λ为入射光波长，f为所需的超透镜焦距。根据工作波长和想要获得焦距，按照上式计算出超透镜上各个位置处的亚波长单位结构所需提供的相位差，选择合适的材料、合理的结构单元周期，就可以设计出对应的超透镜。由于本申请中超透镜不同部分的入射光波长可能不同，按照上述双曲面型相位分布进行设计时，整个超透镜镜片上不同波长区域的相位等参数也应做相应调整。
实施本实用新型实施例包括以下有益效果：本实施例中基于超透镜的激光扫描显示系统，沿光传播方向包括激光光源、超透镜组合、中继反射镜、MEMS微振镜和显示界面，激光光源发出的激光经过超透镜组合进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，并经过中继反射镜反射到MEMS微振镜，以及经过MEMS微振镜偏转将每个像素发射到显示界面的对应位置以显示完整图像，其中，超透镜组合包括若干个超透镜，超透镜包括若干个亚波长单位结构；采用亚波长单位结构设计的超透镜可将光器件厚度缩小到波长量级，通过对超透镜上每一位置处的单位结构的独立设计，以满足传统透镜的各种重要性能指标并大幅缩小器件厚度和重量，具有厚度薄、易加工、与半导体工艺兼容、易于集成化等优点，能满足现代光学系统小型化的需求。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种基于超透镜的激光扫描显示系统，其特征在于，沿光传播方向包括激光光源、超透镜组合、中继反射镜、MEMS微振镜和显示界面，所述激光光源发出的激光经过所述超透镜组合进行准直、聚焦及合束处理得到合束光，所述合束光经过所述中继反射镜反射到所述MEMS微振镜，所述合束光经过所述MEMS微振镜偏转将每个像素发射到所述显示界面的对应位置以显示完整图像；所述超透镜组合包括若干个超透镜，所述超透镜包括若干个亚波长单位结构。
2.根据权利要求1所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述超透镜组合包括聚焦超透镜、准直超透镜和合束超透镜。
3.根据权利要求2所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述聚焦超透镜和所述准直超透镜均包括正透镜。
4.根据权利要求2所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述聚焦超透镜包括正透镜，所述准直超透镜包括负透镜。
5.根据权利要求2所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述聚焦超透镜的焦距小于第一预设值，所述聚焦超透镜的半径小于第二预设值。
6.根据权利要求2所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述准直超透镜的焦距大于第三预设值，所述准直超透镜的半径大于第四预设值。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述超透镜上的若干个亚波长单位结构包括旋转对称结构。
8.根据权利要求1-6任一项所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述超透镜上的若干个亚波长单位结构包括有长短轴的非旋转对称结构。
9.根据权利要求2所述的激光扫描显示系统，其特征在于，所述聚焦超透镜和所述准直超透镜的相位分布均包括双曲面型相位分布。
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