CN110515215A - 一种超薄光学模组及超薄显示装置 - Google Patents

一种超薄光学模组及超薄显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超薄光学模组及超薄显示装置，超薄光学模组包括：透光基板、设于所述透光基板任一表面的第一超表面，设于所述透光基板另一表面的第二超表面；所述第一超表面具有透镜功能，能够将来自图像单元的光线聚焦汇聚成像；所述第二超表面具有慧差矫正功能，用于消除所述光线的慧差，提升显示效果。本发明通过在所述透光基板的两侧面分别设置具有不同功能的超表面结构，能够实现超短焦成像，有效降低***长度，同时还可以消除大视场角光线的慧差影响，提升***的轻便性和显示效果。

Description

一种超薄光学模组及超薄显示装置
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，尤其涉及一种超薄光学模组及超薄显示装置。
背景技术
当下的VR/AR显示通常利用透镜组与显示屏幕的组合来实现放大的图像，为了减小***体积、提高轻便性，也有利用菲涅尔透镜来代替普通透镜的方案。但是菲涅尔透镜技术可以减小的体积有限，并且其结构存在多个台阶，并不是平面化结构。利用衍射光学元件(DOE，Diffractive Optical Elements)可以在一个平面结构内实现光波调制，能够尽可能地减小***体积，提升佩戴VR/AR设备的舒适度。
衍射光学元件在设计时通常只针对较小的光谱范围和角度范围，因此在使用时会存在色差和慧差，对于一个VR/AR显示***，我们需要RGB三色都具有良好的显示效果，并且具有较大的视场角和放大倍率。利用衍射方法，单一的结构难以满足这样需求。
因此，现有技术存在不足，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超薄光学模组及超薄显示装置。
本发明的技术方案如下：提供一种超薄光学模组，包括：透光基板、设于所述透光基板任一表面的第一超表面，设于所述透光基板另一表面的第二超表面；
所述第一超表面具有透镜功能，用于将来自图像单元的光线聚焦汇聚成像；
所述第二超表面具有慧差矫正功能，用于消除所述光线的慧差，提升显示效果。
进一步地，所述第一超表面包括周期性排列的多个微结构单元；所述第二超表面包括周期性排列的多个微结构单元。
进一步地，一个排列周期内的多个所述微结构单元用于对单一波长光进行相位调制；或，
一个排列周期内的多个所述微结构单元用于对多种波长光进行相位调制，多个所述微结构单元具有不同特征尺寸。
进一步地，所述微结构单元为圆柱体纳米柱，或所述微结构单元为长方体纳米柱。
进一步地，一个所述微结构单元的一个特征参数对应相同波长光或不同波长光的一个相位调制，当所述微结构单元为圆柱体纳米柱时，通过所述圆柱体纳米柱的不同特征尺寸以形成不同的特征参数；当所述微结构单元为长方体纳米柱时，通过所述长方体纳米柱的不同特征尺寸和/或不同旋转角度以形成不同的特征参数。
进一步地，所述圆柱体纳米柱的特征尺寸不同包括：
所述圆柱体纳米柱的直径不同，或所述圆柱体纳米柱的高度不同。
进一步地，当所述微结构单元为长方体纳米柱时，所述长方体纳米柱的特征尺寸在50nm～1um范围内。
进一步地，一个所述微结构单元的特征参数对应相同波长光或不同波长光的一个相位调制，一个所述微结构单元对应的相位调制函数的表达式为：
为相位调制度，λ为波长，f为透镜焦距，r为极坐标下的径向长度。
进一步地，在所述透光基板靠近所述图像单元一侧的表面设置所述第一超表面，在所述透光基板远离所述图像单元一侧的表面设置所述第二超表面。
本发明还提供一种超薄显示装置，包括图像单元和如上所述的超薄光学模组，所述图像单元与所述超薄光学模组相对设置。
采用上述方案，本发明通过在所述透光基板的两侧面分别设置具有不同功能的超表面结构，能够实现超短焦成像，有效降低***长度，同时还可以消除大视场角光线的慧差影响，提升***的轻便性和显示效果。
附图说明
图1为本发明超薄显示装置的结构示意图；
图2为本发明微结构单元一实施例的结构示意图；
图3为本发明微结构单元另一实施例的结构示意图；
图4为本发明微结构单元一实施例的俯视图；
图5为本发明微结构单元一实施例的侧视图；
图6为本发明一实施例中半径与相位调制的关系曲线图；
图7为本发明一实施例中微结构单元的旋转角度示意图；
图8为本发明具有三色相位调制的微结构单元一实施例的结构示意图；
图9为本发明具有三色相位调制的微结构单元另一实施例的结构示意图；
图10为慧差矫正前的光路效果图；
图11为慧差矫正后的光路效果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
在详细描述本发明的实施例之前，先对“超表面”的定义进行说明。超表面是衍射光学元件(DOE)的一种，它可以通过平面结构来实现光的相位调制，能够极大地缩小光学元件的体积。下面，将通过具体的实施例，对本发明的内容进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种超薄显示装置及超薄光学模组，超薄显示装置包括图像单元5和超薄光学模组，图像单元5与超薄光学模组相对设置，具体地，所述显示装置可以是AR显示装置，也可以是VR显示装置。
超薄光学模组具体包括：透光基板1、设于所述透光基板1任一表面的第一超表面2，和设于所述透光基板1另一表面的第二超表面3。所述第一超表面2具有透镜功能，能够将来自图像单元的光线聚焦汇聚成像，采用这种方法制作的透镜可以具有较大的数值孔径(NA)，因此可以有效降低***长度，提升轻便性；第二超表面3具有慧差矫正功能，用于消除上述光线的慧差，提升显示效果。
如图1所示，在一种实施例中，在透光基板1靠近图像单元5的一侧的表面设置第一超表面2，透光基板1远离图像单元5一侧的表面设置所述第二超表面3。当然，第一超表面2和第二超表面3的设置位置也可以调换。
本发明实施例通过在透光基板1的两侧面分别设置具有不同功能的超表面结构，能够实现超短焦成像，有效降低***长度，同时还可以消除大视场角光线的慧差影响，提升***的轻便性和显示效果。
请参阅图2至图5，超表面具体可以由平面内的周期性排列的多个微结构单元组成。一个排列周期内，包括多个微结构单元。该多个微结构单元可以用于对单一波长光进行相位调制，即对单色光进行相位调制，也可以用于对多种波长光进行相位调制，即对多色光进行相位调制。微结构单元的材质可以包括：Si、a-Si、TiO2，SiO2等。
微结构单元在进行相位调制时，具体是通过不同的特征参数来区分不同的相位调制度的，即是说，每一微结构单元的一个特征参数可以对应单一波长光的一个相位调制，也可以对应多种波长光中某种波长光的一个相位调制。根据微结构单元的不同形式(为圆柱体纳米柱或长方体纳米柱)，可以由旋转角度或者特征尺寸来决定不同的特征参数，详细将在下文进行描述。在一个排列周期内，每一微结构单元都具有不同的相位调制度，通过平面排列不同特征参数的微结构单元就可以实现透镜或其他光学元件(如慧差矫正镜)的功能。利用这种方式制作的透镜，可以突破普通透镜的限制(材料、面型等)，相同口径下，焦距可以小于普通透镜，从而减小光学***的总长度。
具体实现中，第一超表面2包括周期性排列的多个微结构单元41，所述第二超表面3包括周期性排列的多个微结构单元41。如图3所示，在一个排列周期内，包括多个微结构单元41。第一或第二超表面上包括多个按照排列周期的方式排列的多个微结构单元。
在本发明实施例中，微结构单元41的呈现形式可以为圆柱体纳米柱(如图3所示)，也可以为长方体纳米柱(如图2所示)。因为一个微结构单元的一个特征参数可以对应相同波长光或不同波长光的一个相位调制，因此在进行相位调制时，具体是通过微结构单元的不同特征参数(尺寸、旋转角度)来区分不同的相位调制度。微结构单元41的呈现形式不一样，相应的特征参数区分方式有一定差别。
具体来说，当微结构单元41为圆柱体纳米柱时，由于圆柱是中心对称结构，因此只能通过圆柱体纳米柱的特征尺寸来表征不同的特征参数(如图3所示)，不同特征尺寸的圆柱体纳米柱表征不同的特征参数，进而对应不同的相位调制度。具体地，圆柱体纳米柱的特征尺寸包括圆柱体纳米柱的直径和高度；例如，可通过圆柱体纳米柱的不同直径或不同高度来表征不同特征参数的微结构单元。圆柱体纳米柱的直径范围在百纳米级别。
当微结构单元41为长方体纳米柱时，由于长方体纳米柱是非中心对称结构，因此，在表征不同特征参数时，可以选用旋转角度和/或特征尺寸。如，利用不同特征尺寸和/或不同旋转角度的长方体纳米柱来表征不同的特征参数(如图2、图4和图5所示)，进而对应不同的相位调制度。需要说明的是，长方体纳米柱的特征尺寸(长、宽、高)通常为波长量级，最小尺寸约为50nm左右，最大尺寸不超过1um，单元格周期不超过1um。
具体地，在一种实施例中，通过相同尺寸的长方体纳米柱的旋转来调制相位。即在一个排列周期内的所述微结构单元41的特征尺寸相同(高度相同、横截面尺寸相同)，但旋转角度θ不同，通过改变一个排列周期内的所述微结构单元41的旋转角度θ来调制相位，如图7所示，所述旋转角度θ是长方体纳米柱的横截面的长度方向由X轴向Y轴方向旋转过的角度。
具体地，本实施例中所述微结构单元41的单元格周期均不超过1um。以长方体纳米柱为例，在上述条件下，所述微结构单元41的特征尺寸在50nm～1um范围内，控制所述微结构单元41的旋转角度θ可以调节相位，通过后文描述的相位-结构的对应关系进行微结构单元的排列即可实现透镜的聚焦效果。
前文已经描述，微结构单元在进行相位调制时，具体是通过不同的特征参数来区分不同的相位调制度的，即是说，每一微结构单元的一个特征参数可以对应单一波长光的一个相位调制，也可以对应多种波长光中某种波长光的一个相位调制。
在确定微结构单元41的排列方式时，对于单色光，微结构单元41对应的相位调制函数的表达式为：
为相位调制度，λ为波长，f为透镜焦距，r为极坐标下的径向长度。由此可知，只要确定整个超表面面型的相位调制函数，就能够确定出相应的微结构单元的排列结构，实现平面化的单色光光学调制效果。因此，通过调整所述第一超表面2及所述第二超表面3上的所述微结构单元41的相位调制度，从而分别获得透镜功能和慧差矫正功能。
对于微结构单元41为圆柱体纳米柱的情况，以单色光波长660nm为例，假设圆柱体纳米柱的高度确定为615nm，圆柱体的半径与相位调制有关，横坐标为圆柱半径，纵坐标为相位调制，当半径从70nm变化到150nm时，该结构具有±0.8π的相位调制(如图6所示)。对于所述微结构单元41为长方柱的情况，相位调制取决于柱子的旋转角度θ，具体地，在上述条件下，相位调制度等于两倍微结构单元的旋转角度θ(如图7所示)。
如前文所述，一个排列周期内的多个微结构单元可以对单一波长光进行相位调制，但是针对单色光，光学模组在工作时波长范围和角度范围都比较小。为了提升显示性能，希望一个排列周期内的多个微结构单元可以对多种波长光进行相位调制。例如，希望一个排列周期内的多个微结构单元可以对RGB三色光进行调制。此时，设计方法与单色光方法类似。
具体设计时，因为同时需要对RGB三色光进行相位调制，因此考虑通过不同的特征尺寸来调制不同的颜色光的相位。即是说，当对多色光进行相位调制时，一个排列周期内的多个微结构单元必定是具有不同特征尺寸的。例如，需要对RGB三色光进行相位调制，在确定各中颜色光的特征尺寸之后，可以按照前文已描述的单色光的设计方法针对RGB三色光分别进行设计出每一单色光的微结构单元的排列结构，再进行特殊的排列，形成如图8、图9所示的结构。图8、图9中，由于针对RGB具有不同的特征尺寸，对红光R，只有对应的R部分的结构起相位调制作用，绿光G、蓝光B也同理。如此一来，就可以在一个平面内集成三个波段的透镜，提升彩色显示质量。
请参阅图10与图11，所述第二超表面3同样可以采用上述方式调整所述微结构单元41的相位调制度来实现慧差矫正功能。通过Zemax仿真得到，在加入所述第二超表面3之后，可以获得较好的慧差矫正效果。从慧差矫正前后的对比图中可以看出矫正后的显示效果得到有效提升。
综上所述，本发明通过在透光基板的两侧面分别设置具有不同功能的超表面结构，能够在实现超短焦成像的同时，还可以满足RGB三色显示，并且消除大视场角光线的慧差影响，有效降低***长度，提升轻便性和显示效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄光学模组，其特征在于，包括：透光基板、设于所述透光基板任一表面的第一超表面，设于所述透光基板另一表面的第二超表面；
所述第一超表面具有透镜功能，用于将来自图像单元的光线聚焦汇聚成像；
所述第二超表面具有慧差矫正功能，用于消除所述光线的慧差，提升显示效果。
2.根据权利要求1所述的超薄光学模组，其特征在于，所述第一超表面包括周期性排列的多个微结构单元；所述第二超表面包括周期性排列的多个微结构单元。
3.根据权利要求2所述的超薄光学模组，其特征在于，一个排列周期内的多个所述微结构单元用于对单一波长光进行相位调制；或，
一个排列周期内的多个所述微结构单元用于对多种波长光进行相位调制，多个所述微结构单元具有不同特征尺寸。
4.根据权利要求3所述的超薄光学模组，其特征在于，所述微结构单元为圆柱体纳米柱，或所述微结构单元为长方体纳米柱。
5.根据权利要求4所述的超薄光学模组，其特征在于，一个所述微结构单元的一个特征参数对应相同波长光或不同波长光的一个相位调制，当所述微结构单元为圆柱体纳米柱时，通过所述圆柱体纳米柱的不同特征尺寸以形成不同的特征参数；当所述微结构单元为长方体纳米柱时，通过所述长方体纳米柱的不同特征尺寸和/或不同旋转角度以形成不同的特征参数。
6.根据权利要求5所述的超薄光学模组，其特征在于，所述圆柱体纳米柱的特征尺寸不同，包括：所述圆柱体纳米柱的直径不同，或所述圆柱体纳米柱的高度不同。
7.根据权利要求4或5所述的超薄光学模组，其特征在于，当所述微结构单元为长方体纳米柱时，所述长方体纳米柱的特征尺寸在50nm～1um范围内。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的超薄光学模组，其特征在于，一个所述微结构单元的特征参数对应相同波长光或不同波长光的一个相位调制，一个所述微结构单元对应的相位调制函数的表达式为：
所述一个排列周期内多个所述微结构单元的排列方式是通过所述相位调制函数确定的；为相位调制度，λ为波长，f为透镜焦距，r为极坐标下的径向长度。
9.根据权利要求1所述的超薄光学模组，其特征在于，在所述透光基板靠近所述图像单元一侧的表面设置所述第一超表面，在所述透光基板远离所述图像单元一侧的表面设置所述第二超表面。
10.一种超薄显示装置，其特征在于，包括图像单元和权利要求1至9中任一项所述的超薄光学模组，所述图像单元与所述超薄光学模组相对设置。
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