CN217279168U - 基于超透镜的偏光3d镜片装置以及具有其的3d眼镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D成像技术领域，尤其涉及基于超透镜的偏光3D镜片装置及具有其的3D眼镜。该基于超透镜的偏光3D眼镜包括：镜片基体，镜片基体包括两个主视区；第一超透镜膜层，设置在镜片基体的一个主视区上，并且包括透明基底以及设置在基底上的超透镜结构；第二超透镜膜层，设置在镜片基体的另一主视区上，并且包括透明基底以及设置在基底上的超透镜结构；其中，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层的超透镜结构不同，并且配置成，分别对不同方向的偏振光起不同的偏振作用，以产生3D效果。本实用新型提供的基于超透镜的偏光3D镜片装置，采用超透镜来做偏振片，改变偏振光的传播方向，不影响透过率，对于低亮度的屏幕也可达到良好的3D效果。

Description

基于超透镜的偏光3D镜片装置以及具有其的3D眼镜

技术领域

本实用新型涉及3D成像技术领域，尤其涉及基于超透镜的偏光 3D镜片装置以及具有其的3D眼镜。

背景技术

目前，在3D图像和影片的呈现中，通常将两个图像通过正交偏振滤镜叠加并在同一屏幕上显示，然后借助于3D眼镜的上的相应的正交偏振片，来过滤投影图像。

3D眼镜的左右镜片可以分别设有横偏振片和纵偏振片，每只镜片选择一个光的偏振方向，横偏振光仅可以通过横偏振片，纵偏振光仅可以通过纵偏振片，每只眼睛看到屏幕上的两个单独的图像，再由大脑处理以形成3D图像。

由于成本低廉，这种3D眼镜被广泛使用，例如，在3D Max中通常使用这种方法。但是，由于选择性地透过一个方向的偏振光并且吸收另一方向的偏振光，会损失一半以上的光通量。因此，亮度损失非常大进而对显示设备的初始亮度提出相当高的要求。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的基于超透镜的偏光 3D镜片装置以及具有其的3D眼镜，解决了上述技术问题，提供一种能够基于超透镜的偏光3D镜片装置，以使3D图像透过超透镜膜层对不同方向的偏振光起不同的偏振作用，以产生3D效果。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型第一方面，提供一种基于超透镜的偏光3D镜片装置包括：

镜片基体，镜片基体包括两个主视区；

第一超透镜膜层，设置在镜片基体的一个主视区上，并且包括透明基底以及设置在基底上的超透镜结构；

第二超透镜膜层，设置在镜片基体的另一主视区上，并且包括透明基底以及设置在基底上的超透镜结构；

其中，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层的超透镜结构不同，并且配置成，分别对不同方向的偏振光起不同的偏振作用，以产生3D 效果。

一种可实施方式中，镜片基体包括相互独立的第一镜片基体和第二镜片基体，第一镜片基体和第二镜片基体分别具有一个主视区。

一种可实施方式中，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层能够通过半导体工艺直接加工在镜片基体的主视区上。

一种可实施方式中，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层分别通过无影胶粘贴在第一镜片基体和第二镜片基体的主视区上。

一种可实施方式中，偏振光包括沿不同方向传播的第一偏振光和第二偏振光，第一超透镜膜层能够使第一方向的偏振光透过，并且将第二方向的偏振光转化为第一方向的偏振光，并且第二超透镜膜层能够使第二方向的偏振光透过并且将第一方向的偏振光转化为第二方向的偏振光。

一种可实施方式中，偏振光为线性偏振光或圆偏振光。

一种可实施方式中，超透镜膜层还包括置于超透镜结构上的，用以保护超透镜结构的保护层。

一种可实施方式中，保护层包括PMMA。

一种可实施方式中，超透镜结构由多个超透镜结构单元构成，多个超透镜结构单元阵列式排布。

一种可实施方式中，超透镜结构单元为正方形或正六边形，超透镜结构单元的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米偏振相关结构。

一种可实施方式中，纳米偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

一种可实施方式中，纳米偏振相关结构的材料包括氧化钛、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中的一种。

本实用新型第二方面，提供一种3D眼镜，包括上述的基于超透镜的偏光3D镜片装置。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种基于超透镜的偏光3D镜片装置以及具有其的3D眼镜，通过超透镜膜层对入射光线进行相位调整，利用相位响应对不同偏振的光起选择作用，而不影响透过率，对于低亮度的屏幕也可达到良好的3D显示效果，从而更加节能环保。

此外，基于超透镜的偏光3D镜片还具有成本低廉，重量轻佩，戴舒适等优点。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本实用新型一种3D镜片的结构示意图，其中，图中的箭头指向为超透镜膜层的局部放大图；

图2A是超透镜结构单元为正六边形的示意图；

图2B是超透镜结构单元为正六边形的示意图；

图2C是纳米结构中纳米鳍示意图；

图3是本实用新型一种基于超透镜的偏光3D镜片装置的工作原理图；

图4是本实用新型一种基于超透镜的偏光3D镜片装置中一个实施例示意图，其中，图中的左图为屏幕的真实亮度图像，中间图为佩戴传统偏光3D眼镜观察到的图像亮度，右图为佩戴本技术方案中的基于超透镜的偏光3D镜片装置的图像亮度。

附图标记：

1、第一镜片基体；2、第二镜片基体；3、超透镜膜层；4、超透镜膜层的局部放大部；

5、纳米偏振相关结构；51、基底；52、纳米鳍。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合本实用新型的优选实施例及其附图进行详细描述。

请参阅图1至图4，本实用新型第一方面，提供一种基于超透镜的偏光3D镜片装置

如图1所示，基于超透镜的偏光3D镜片装置包括：镜片基体、第一超透镜膜层和第二超透镜膜层。

其中，镜片基体，镜片基体包括两个主视区。

需要说明的是，镜片基体包括分别作用于人左右眼的两个主视区。以便两个主视区形成的图像分别被左右眼接收。

镜片基体可以根据需要设置成两个相互独立的第一镜片基体1和第二镜片基体2，第一镜片基体1和第二镜片基体2可通过连接件连接，以使第一镜片基体1和第二镜片基体2形成一个整体，其中，连接件可以为鼻托，用以置于鼻梁上方，通过鼻梁将第一镜片基体1和第二镜片基体2托起；连接件还可以为眼镜的边框，第一镜片基体1 和第二镜片基体2可作为两个独立的镜片嵌入边框内。

镜片基体还可以根据需要设置成一个整体。

另外，第一超透镜膜层设置在镜片基体的一个主视区上，并且包括透明基底51，以及设置在基底51上的超透镜结构。

第二超透镜膜层设置在镜片基体的另一主视区上，并且包括透明基底51以及设置在基底51上的超透镜结构。

第一超透镜膜层所包括的超透镜结构与第二超透镜膜层所包括的超透镜结构对不同方向的偏振光进行不同的处理，具体地，超透镜膜层中的超透镜结构包括大量纳米偏振相关结构5构成的阵列，通过纳米偏振相关结构5来改变相位，并且在图1中的超透镜膜层的局部放大部4中可见示例性的纳米偏振相关结构5的阵列。例如，偏振光入射第一超透镜膜层后，经过超透镜膜层3的相位调节，使得将横向方向的偏振光转换成纵向方向的偏振光并且同时使原纵向方向的偏振光透过，并且经过超透镜膜层3的相位调节，使得将纵向方向的偏振光转换成横向方向的偏振光并且同时使原横向方向的偏振光透过，如此获得的偏振光被左右眼分别接收后，经过大脑处理，以产生3D 显示效果。

在本实施例中，利用超透镜结构实现相位的调节，来改变偏振光的传播方向，而非传统的3D眼镜是吸收部分偏振光，使得光可以全部透过超透镜结构，不影响亮度，对于低亮度的屏幕也可达到良好的 3D效果。

在其中一个实施例中，第一超透镜膜层与第一镜片基体1之间以及第二超透镜膜层与第二镜片基体2之间可通过粘贴的方式固定，其中，粘贴的方式可选用无影胶。此外，还可以使用半导体工艺直接将超透镜膜层3加工在镜片基底的主视区上，例如，半导体工艺可采用沉积、光刻或纳米印刷、刻蚀等工艺进行加工。以便将第一超透镜膜层固定在第一镜片基体1的主视区，第二超透镜膜层固定在第二镜片基体2的主视区。

在其中一个实施例中，偏振光包括沿不同方向偏振的偏振光。

在其中一个实施例中，偏振光包括线性偏振光或圆偏振光。

具体地，在偏振光为线性偏振光的情况下，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层可以分别对横纵偏振光起不同的选择作用。例如，第一超透镜膜层的超透镜结构对横向的偏振光相位调节成纵向的偏振光，并使纵向的偏振光透过；而第二超透镜膜层的超透镜结构将纵向的偏振光相位调节成横向的偏振光并使横向的偏振光透过。

此外，在偏振光为圆偏振光的情况下，第一超透镜膜层和第二超透镜膜层可以分别为左右旋圆偏振起不同的选择作用。例如，第一超透镜膜层的超透镜结构对左旋的偏振光相位调节成右旋的偏振光并使右旋的偏振光透过；而第二超透镜膜层的超透镜结构将优选的偏振光相位调节成左旋的偏振光并使左旋的偏振光透过。

需要说明的是，超透镜膜层3的基底51可以由熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石，晶体硅中的一种材料制成。

在其中一个实施例中，为了保护超透镜结构单元，在该结构单元上设有保护层，以进一步保护超透镜结构单元免受污染和损坏，从而进一步提高了超透镜结构单元的使用寿命。

保护层可选用能够透过工作波段光线的材料。例如，保护层可以选用PMMA(PMMA的全称polymethyl methacrylate，即聚甲基丙烯酸甲酯)。

还需要说明的是，超透镜结构单元可以为正方形或正六边形，且超透镜结构单元的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米偏振相关结构5。

超透镜结构单元为正方形时，如图2B在正方形的顶点和中心位置至少设置有一个纳米偏振相关结构5，具体地，包括一个中枢纳米偏振相关结构5，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米偏振相关结构5，组成正方形。

超透镜结构单元为六边形时，如图2A在正六边形的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米偏振相关结构5，具体地，包括一个中枢纳米偏振相关结构5，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米偏振相关结构5，各周边纳米偏振相关结构5圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米偏振相关结构5组成的正三角形互相组合。

进一步需要说明的是，纳米偏振相关结构5可包括亚波长纳米偏振相关结构，是一种全介质结构，对可见光波段具有高透过率，具有直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。此外，对于3D显示的应用而言，需采用偏振相关的纳米结构，而不可采用偏振无关的结构。

如图2C所示，纳米偏振相关结构5包括纳米鳍52或纳米椭圆柱，通过纳米鳍52或纳米椭圆柱等此类结构对入射光施加一个几何相位，使不同方向的偏振光产生不同的响应起偏振选择的作用。通过调节相位使得光线均变成线性偏振或圆偏振的光。无需如传统的3D镜片，吸收部分的偏振光，造成光线变暗。

具体地，纳米偏振相关结构5材料可包括氧化钛、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中的一种。

在本实施例中，通过调整纳米偏振相关结构，使得3D图像入射光透过两个由阵列的超透镜结构单元所形成的第一超透镜膜层和第二超透镜膜层，以使的每只眼睛看到不同偏振的图像，再通过大脑内部信息处理产生3D效果。

可以理解的是，本技术方案以基于超透镜的偏光3D镜片装置作为示例，但不限于3D镜片的应用，还可以应用于其他可利用横纵偏振光或左右旋圆偏振光的3D成像设备，例如，三维扫描仪、光机扫描仪、3D影像仪等。

在下文中，详细描述在本申请中进行相位调节的工作原理：

3D投影图像作为入射光，需要考虑入射光入射到位于x-y平面的超透镜结构上，入射光的入射平面设为x-z平面，偏振方向为y。

如图3所示，若超透镜结构不同的结构单元给予入射光一个Φ(x,y)的空间相位分布，入射光束与超透镜结构的相互作用满足广义菲涅尔定律:

Eq-1和Eq-2为广义反射定律，Eq-3和Eq-4为广义折射定律。入射角为θ_i，折射角为θ_t，反射角为θ_r。n_i和n_t分别是入射光和折射光所在介质的折射率，φ_r1和φ_t1分别是y方向偏振光的反射和折射光波矢在与入射平面相垂直的平面投影。

同理，对于光的入射平面为y-z平面，偏振方向为x。假设超透镜结构不同的结构单元给予入射光一个Φ(x,y)的空间相位分布，入射光束与超透镜结构的相互作用满足广义菲涅尔定律:

φ_r2和φ_t2分别是x方向偏振光的反射和折射光波矢在与入射平面相垂直的平面投影。

超透镜结构将在界面处引入相位φ。

若左眼为仅使y方向偏振的光通过的超透镜结构单元，则其表面的相位φ分布应满足使y方向的偏振光可以全部透过，x方向的偏振光可以转化为y方向的偏振光(数学上，φ_r1＝0，φ_t2＝arg{exp(iφ_t1)}；若左眼为仅使x方向偏振的光通过的超透镜结构，则其表面的相位φ分布应满足使x方向的偏振光可以全部透过，y方向的偏振光可以转化为x方向的偏振光(数学上，φ_r2＝0，φ_t1＝arg{exp(iφ_t2)}。

因此，根据以上公式1至8，将超透镜结构施加的相位φ代入，可以得出期望的超透镜膜层的超透镜结构的相位分布，根据所得出的相位分布对纳米偏振相关结构以及其阵列进行相应的设计。从而，通过本申请的超透镜膜层实现了上述偏振光的选择性的透过和相位调节，进而相对于现有的3D显示技术，显著地提高了亮度。

本实施例中，通过如下示例，示例性的说明前述技术方案，但应该理解的是，如下示例并非对前述技术方案的限定。

如图4所示，本实施例提供了一种基于超透镜的偏光3D镜片装置，超透镜膜层3的可见光中心波长550nm，纳米鳍52结构选择氮化硅，纳米鳍52的高度为700nm，左右镜片(即第一超透镜膜层和第二超透镜膜层)均采用正六边形排布，正六边形的纳米偏振相关结构的边长约为400nm。左镜片的超透镜结构相位分布满足使φ_r1＝0，φ_t2＝0；右镜片超透镜结构相位分布满足使φ_t1＝0，φ_r2＝0。

如图4中的左图为屏幕的真实亮度图像，中间图为佩戴传统偏光 3D眼镜观察到的图像亮度，右图为佩戴本技术方案中的基于超透镜的偏光3D镜片装置的图像亮度。基于超透镜的偏光3D镜片装置在使用的过程中基本不影响看到的亮度变化。

综上，基于超透镜的偏光3D镜片装置，具有重量更轻，佩戴舒适度高的优点；利用相位响应对不同偏振的光起选择作用，不影响透过率，因此，低亮度的屏幕也可达到良好的3D效果，更加节能环保。

本实用新型第二方面，还提供一种3D眼镜，3D眼镜包括上述的基于超透镜的偏光3D镜片装置。

以上，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权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，包括：

镜片基体，所述镜片基体包括两个主视区；

第一超透镜膜层，设置在所述镜片基体的一个主视区上，并且包括透明基底以及设置在所述基底上的超透镜结构；

第二超透镜膜层，设置在所述镜片基体的另一主视区上，并且包括透明基底以及设置在所述基底上的超透镜结构；

其中，所述第一超透镜膜层和所述第二超透镜膜层的超透镜结构不同，并且配置成，分别对不同方向的偏振光起不同的偏振作用，以产生3D效果。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述镜片基体包括相互独立的第一镜片基体和第二镜片基体，所述第一镜片基体和所述第二镜片基体分别具有一个所述主视区。

3.根据权利要求1或2所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述第一超透镜膜层和所述第二超透镜膜层能够通过半导体工艺直接加工在所述镜片基体的所述主视区上。

4.根据权利要求2所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述第一超透镜膜层和第二超透镜膜层分别通过无影胶粘贴在所述第一镜片基体和所述第二镜片基体的主视区上。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述偏振光包括沿不同方向传播的第一偏振光和第二偏振光，所述第一超透镜膜层能够使第一方向的偏振光透过，并且将第二方向的偏振光转化为第一方向的偏振光，并且所述第二超透镜膜层能够使第二方向的偏振光透过并且将第一方向的偏振光转化为第二方向的偏振光。

6.根据权利要求5中所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述偏振光为线性偏振光或圆偏振光。

7.根据权利要求6所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述超透镜膜层还包括置于所述超透镜结构上的，用以保护所述超透镜结构的保护层。

8.根据权利要求7所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述保护层包括PMMA。

9.根据权利要求1所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述超透镜结构由多个超透镜结构单元构成，多个所述超透镜结构单元阵列式排布。

10.根据权利要求9所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述超透镜结构单元为正方形或正六边形，所述超透镜结构单元的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米偏振相关结构。

11.根据权利要求10所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述纳米偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱。

12.根据权利要求10所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置，其特征在于，所述纳米偏振相关结构的材料包括氧化钛、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中的一种。

13.一种3D眼镜，其特征在于，包括如根据权利要求1-12中任一项所述的基于超透镜的偏光3D镜片装置。

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