CN217467364U - 基于调焦超透镜的投影***及具有其的设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本公开涉及基于调焦超透镜的投影***及具有其的设备。该基于调焦超透镜的投影***包括图像产生单元；用于调焦的超透镜光学装置，在光路上设置在图像产生单元的下游；其中，在投影***工作情况下，用于调焦的超透镜光学装置能够实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距。本实用新型通过用于调焦的超透镜光学装置，实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距，从而减轻或消除调焦冲突。同时，该投影通过用于调焦的超透镜光学装置降低了***复杂度、减小了***体积、提高了***鲁棒性。另一方面具有响应速度快，解决调焦冲突的效果更好，提高了使用者的体验。

Description

基于调焦超透镜的投影***及具有其的设备

技术领域

本公开涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本公开涉及基于调焦超透镜的投影***及具有其的设备。

背景技术

虚拟现实技术(VR，Virtual Reality)或增强现实技术(AR， Augmented Reality)是通过投影图像的偏差或叠加增加用户感官体验的显示技术。随着VR和AR的推广，用户对VR/AR设备的越来越高。

现有的VR/AR设备均备受视觉辐辏调节冲突(也称为调焦冲突) 的困扰。现有VR/AR设备的视觉辐辏调节冲突是指用户的视线聚合距离(两眼各自视线的汇聚点到两眼连线的距离)和适应距离(眼睛到观察对象的距离)不一致。用户不使用VR/AR设备时，观察对象为实物。此时，用户的视线聚合距离和适应距离动态协调，从而视网膜上清晰成像。而用户使用VR/AR设备时，观察对象为VR/AR设备的投影图像。此时，用户的适应距离固定而视线聚合距离动态变化，二者无法动态协调，导致了用户出现视觉疲劳和眩晕。

因此，亟需一种投影***以减轻VR/AR设备的视觉辐辏调节冲突。

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调焦超透镜的投影***及具有其的设备基于相变超透镜来实现消除或减轻调焦冲突，解决了上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供一种基于调焦超透镜的投影***，包括：

图像产生单元；

用于调焦的超透镜光学装置，在光路上设置在图像产生单元的下游；

其中，在投影***工作情况下，用于调焦的超透镜光学装置能够实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距。

可选地，用于调焦的超透镜光学装置为基于MEMS微移动的超透镜组，其中，基于MEMS微移动的超透镜组包括：至少两个超透镜；至少一个微机电致动器，用于移动超透镜组中的至少一个超透镜；其中能够通过至少一个微机电致动器沿光传播路径的方向移动至少一个超透镜，使得超透镜组的焦距发生变化。

可选地，基于MEMS微移动的超透镜组还包括：MEMS挠性悬架，MEMS挠性悬架与至少两个超透镜中的至少一个耦合；

MEMS挠性悬架被配置为沿与光路平行的方向弹性形变。

可选地，至少两个超透镜中每个超透镜均包括第一导电层、电致动层和纳米结构，其中，电致动层设置于第一导电层的一侧；纳米结构设置于电致动层远离第一导电层的一侧；

第一导电层被配置为调控电场以驱动电致动层沿光路位移。

可选地，所述用于调焦的超透镜光学装置包括至少一个相变超透镜，其中，所述相变超透镜包括相变元件和激励元件；其中相变元件包括间隔设置的第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第二电极通过所述相变单元的中间件实现电连接；

所述第一电极与所述第二电极之间能够形成电势差，利用电热转换改变位于所述第一电极与所述第二电极之间的所述中间件的温度，以能够改变所述相变元件的温度。

可选地，所述用于调焦的超透镜光学装置还包括：第一金属反射层；

所述相变元件位于所述第一金属反射层的反光侧；

所述第一电极与所述第二电极分别与所述第一金属反射层电连接，并位于所述相变元件的两侧。

可选地，所述用于调焦的超透镜光学装置包括至少一个相变超透镜，其中，相变元件包括基底、纳米结构、第一电极层、填充物、第二电极层；

所述纳米结构阵列排布于所述基底的一侧；

所述第一电极层、所述填充物沿远离所述基底的方向依次分层填充在所述纳米结构之间；并且，所述第一电极层与所述填充物的高度之和大于或等于所述纳米结构的高度；

所述第二电极层被设置于所述填充物远离所述第一电极层的一侧。可选地，相变超透镜为透射相变超透镜，用于实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距。

可选地，还包括投影透镜，在光路上，投影透镜被设置于用于调焦的超透镜光学装置下游，用于将图像产生单元经用于调焦的超透镜光学装置形成的显示实像进行投影。

可选地，还包括反射镜，在光路上，反射镜置于用于调焦的超透镜光学装置与投影透镜之间。

可选地，投影透镜包括折射透镜或者具有色差矫正的超透镜。

可选地，图像产生单元包括微发光二极管显示阵列和转盘滤波片；

微发光二极管显示阵列用于产生具有至少一种色彩的光线；

转盘滤波片用于对微发光二极管阵列发出的光线进行频率选择。

可选地，图像产生单元包括沿光路依次设置的至少两个分立的激光器、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

其中，至少两个二向色镜用于对至少两个分立的激光器产生的激光进行频率选择和光路转折；

数字微镜器件用于根据投影的图像调制经棱镜反射的光线。

可选地，图像产生单元包括两个蓝光激光器、荧光盘、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

两个蓝光激光器中的一个用于产生蓝色激光，两个蓝光激光器中的另一个用于照射荧光盘以产生波长不同于蓝色激光的至少两种激光；

两个二向色镜用于对蓝色激光和至少两种激光进行频率选择和光路转折；

数字微镜器件用于根据投影的图像调制经棱镜反射的光线。

可选地，图像产生单元包括沿光路依次设置的至少两个分立的窄带发光二极管、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

其中，至少两个二向色镜用于对至少两个分立的窄带发光二极管产生的激光进行频率选择和光路转折；

数字微镜器件用于根据投影的图像调制经棱镜反射的光线。

本实用新型还提供一种设备，包括如上述内容中所描述的基于调焦超透镜的投影***。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实施例提供了一种基于调焦超透镜的投影***，通过用于调焦的超透镜光学装置，实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距，从而减轻或消除调焦冲突。同时，该投影通过用于调焦的超透镜光学装置降低了***复杂度、减小了***体积、提高了***鲁棒性。另一方面用于调焦的超透镜光学装置响应速度快，解决调焦冲突的效果更好，提高了使用者的体验。

附图说明

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。

图1是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的可选的示意图结构；

图2是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的超透镜组焦距最小的示意图，其中，图中箭头为第二超透镜移动方向，虚线为光轴；

图3是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的超透镜组焦距最大的示意图，其中，图中箭头为第二超透镜移动方向，虚线为光轴；

图4是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的用于调焦的超透镜光学装置为相变超透镜的情况下，最小焦距示意图；

图5是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的用于调焦的超透镜光学装置为相变超透镜的情况下，最大焦距示意图；

图6是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的相变超透镜为反射式电调控相变超透镜的情况下，最小焦距示意图；

图7是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***的相变超透镜为反射式电调控相变超透镜的情况下，最大焦距示意图；

图8是本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***包括投影透镜的示意图；

图9是在图8的基础上本实用新型一种基于调焦超透镜的投影***包括反射镜的示意图；

图10是超表面结构为正六边形的示意图；

图11是超表面结构为正方形的示意图；

图12是超表面结构为扇形的示意图；

图13是纳米圆柱的示意图；

图14是纳米鳍的示意图；

图15示出了本申请实施例提供的相变超透镜的一种可选的结构示意图；

图16示出了本申请实施例提供的相变超透镜的又一种可选的结构示意图；

图17示出了本申请实施例提供的相变超透镜的又一种可选的结构示意图；

图18示出了本申请实施例提供的相变超透镜的又一种可选的结构示意图；

图19示出了本申请实施例提供的图像产生单元的一种可选的结构示意图；

图20示出了本申请实施例提供的图像产生单元的一种可选的结构示意图；

图21示出了本申请实施例提供的图像产生单元的一种可选的结构示意图；

图22示出了本申请实施例提供的图像产生单元的一种可选的结构示意图。

附图标记：

1、图像产生单元；

2、用于调焦的超透镜光学装置；21、第一超透镜；22、第二超透镜；

3、投影透镜；4、中间像面；5、眼瞳；6、反射镜；

101、第一电极；102、第二电极；103、连接层；201、纳米结构； 502、第一绝缘层；504、第二绝缘层；60、填充物；70、基底。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

现有技术中通常利用时间复用方案解决VR/AR设备的调焦冲突问题。时间复用所包括的两种方式分别为调整屏幕和调整投影镜片。

现有技术中调整屏幕以解决调焦冲突的技术方案，通常为在屏幕上设置高频移动器件，利用高频移动器件实现屏幕在不同时间的移动，以实现适应距离的动态调整。然而高频移动器件的存在会增加投影***复杂度，同时投影***的体积也随之增大。由于，VR技术所对应的VR设备需要佩戴在使用者的头部，这就需要投影***小型化和轻量化，以提高使用者的舒适度。

现有技术中调整投影镜片的技术方案，采用液体镜片调整焦距。液体镜片是一种由液体制成的光学元件，通过电压改变液体折射率或表面曲率以改变液体的光学性能。受到液体镜片材料的限制，目前的液体镜片的响应时间普遍在为10ms左右，在解决调焦冲突问题时，焦面频闪的问题较为突出。

基于上述原因，发明人发现用于调焦的超透镜能够解决现有的时间复用方式中存在的弊端，因此，发明人提出一种基于调焦超透镜的投影***。

参阅图1至图9，一种基于调焦超透镜的投影***，包括：图像产生单元1和用于调焦的超透镜光学装置2。

其中，如图1所示，图像产生单元1被配置为根据需要投影的图像信息产生至少一束光线。

根据本申请的实施方式，参见图19，图像产生单元1包括微发光二极管显示阵列和转盘滤波片。

其中，微发光二极管(MicroLED，Micro light-emitting diode)显示阵列，为集成的LED阵列，阵列中相邻的LED像素之间的距离在10微米量级。微发光二极管显示阵列用于产生具有至少一种色彩的光线。

转盘滤波片，在光路上，设置在微发光二极管显示阵列的下游，由微发光二极管显示阵列射出的光，经过转盘滤波片，转盘滤波片根据要投影的图像信息对光线进行频率选择，透过转盘滤波片的光线进入用于调焦的超透镜光学装置2用于成像。通常，采用马达控制转盘滤波片的旋转。

根据本申请的实施方式，参见图20，图像产生单元1包括沿光路依次设置的至少两个分立的激光器、至少两个二向色镜(Dichroic Mirrors)、棱镜(Prism)和数字微镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)。

其中，激光器数量为至少两个，能够射出不同颜色的光，优选三个激光器，例如，三个激光器中，每个激光器射出一种颜色的光，三种颜色的光分别为红、绿和蓝三原色。

二向色镜，用于对至少两个分立的激光器产生的激光进行频率选择和光路转折，二向色镜的数量为至少两个，二向色镜在光路上，置于激光器的下游，并且，二向色镜与激光器一一对应，例如，激光器的数量为三个的情况下，二向色镜的数量为三个。

数字微镜器件，用于根据投影的图像调制经棱镜反射的光线。一般地，数字微镜器件包括阵列排布的反射单元，根据图像信息控制反射单元的开启状态将需要透射的光线反射到投影光路。

棱镜，在光路上，设置在二向色镜和数字微镜器件的下游，用于将二向色镜中射出的光线反射至DMD，以及将DMD的反射光线透射如投影光路。具体地，棱镜将二向色镜频率选择的光反射到数字微镜器件，并使数字微镜器件开启的反射单元反射的光进入投影光路，屏蔽数字微镜器件中处于关闭状态的反射单元和中间过渡状态反射单元的反射光，从而使实现根据欲投影的图像的颜色调控不同频率光束经过棱镜的比例。根据本申请的实施方式，参见图21，图像产生单元1 包括两个蓝光激光器、荧光盘、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件。

其中，两个蓝光激光器中的一个用于产生蓝色激光，另一个用于照射荧光盘以产生波长不同于蓝色激光的至少两种激光。

二向色镜的数量至少为两个，在光路上，设置在蓝色激光器的下游，用于对蓝色激光和至少两种同于蓝色激光的激光进行频率选择和光路转折。

棱镜和数字微镜器件作用同上不再赘述。

根据本申请的实施方式，参见图22，图像产生单元1包括沿光路依次设置的至少两个分立的窄带发光二极管、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

其中，窄带发光二极管数量至少为两个，优选三个窄带发光二极管，分别发出红、绿和蓝三色光。

二向色镜数量至少为两个，二向色镜与窄带发光二极管一一对应，用于对窄带发光二极管产生的激光进行频率选择和光路转折。

棱镜和数字微镜器件作用同上不再赘述。

需要说明的是，在本申请一些可选的实施例中窄带激光的带宽与中心波长的比值小于0.1。优选地，窄带激光的带宽与中心波长的比值小于0.03。在上述构成图像产生单元1的方案中，进一步优选微发光二极管显示阵列和转盘滤波片，以便实现高亮度和小像素图像产生单元1。

用于调焦的超透镜光学装置2，在光路上，设置在图像产生单元 1的下游，用以调制来自图像产生单元1的光。可选地，用于调焦的超透镜光学装置2的工作波段为可见光波段(例如400nm至700nm)。

在投影***工作处于状态时，用于调焦的超透镜光学装置2能够实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距。

在本实施例中，用于调焦的超透镜光学装置2调整出射光的焦距，以使用于调焦的超透镜光学装置2在第一时间与第二时间的焦距不同，调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距，从而可以减轻或消除调焦冲突，其中，第一时间和第二时间可以是连续的时间也可以是不连续的时间，也就是说用于调焦的超透镜光学装置2不仅能够实时调整，还能够间隔一定时间调整。用于调焦的超透镜光学装置2的投影***具有能够降低投影***的复杂度，减少体积和鲁棒性更高的优点。此外，由于该用于调焦的超透镜光学装置2的材料并非液体，能够具有比液体镜片更快的响应时间，提高了使用者的体验。

如图2和图3所示，在其中一个实施例中，用于调焦的超透镜光学装置2包括：至少两个超透镜组成的超透镜组，超透镜组的焦距可在预设的焦距f_min与f_max范围内往复调整。

其中，组成超透镜组的超透镜数量可以根据需求进行设定，例如可以选择三个、四个等。

优选地，超透镜组包括两个超透镜，分别为第一超透镜21和第二超透镜22且在光路上置于图像产生单元1的下游。

以第一超透镜21和第二超透镜22中的一个超透镜作为基准，另外一个超透镜在光路上往复移动，从而实现焦距的调整。

例如，在屏幕中继实像可调的时间复用近眼投影的设计方案中，图像产生单元1的出射光在依次透过第二超透镜22和第一超透镜21 后能够在第一超透镜21的焦点处形成中间像面4。

其中，第二超透镜22在指定的移动距离范围内往复移动的情况下，第二超透镜22的焦距在f_min与f_max之间随着第二超透镜22的移动而调节。也就是说第一时间的图像产生单元1在第二超透镜22焦距为f_min时的出射光依次透过第二超透镜22和第一超透镜21后，在第一超透镜21的焦点处会聚，形成第一中间像面；第二时间的图像产生单元1在第二超透镜22焦距为f_max时，出射光再依次透过第二超透镜 22和第一超透镜21后，在第一超透镜21的焦点处会聚，形成第二中间像面。由于第二超透镜22在往复移动中，第一时间和第二时间的第二超透镜22所处的位置不同，造成第一中间像面4和第二中间像面4 所形成的中继实像与眼瞳5的距离不同，能够产生不同的深度，从而减轻或消除调焦冲突。

需要说明地是，超透镜组为基于MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)微移动的超透镜组，具体地，包括至少一个微机电致动器，微机电致动器沿光传播路径的方向移动，如图2和图3，微机电致动器移动第二超透镜22，使得超透镜组的焦距发生变化，从而调整显示实像与眼瞳之间的距离或者所述投影***的等效焦距。

具体地，微机电致动器是一种可被电和/或光等信号直接或间接控制的致动器。

还需要说明地是，基于MEMS微移动的超透镜组还包括：MEMS 挠性悬架，MEMS挠性悬架与至少两个超透镜中的至少一个耦合， MEMS挠性悬架被配置为沿与光路平行的方向弹性形变。

具体地，MEMS挠性悬架与第二超透镜22耦合，可以理解的是， MEMS挠性悬架可数量至少为两个，分立在第二超透镜22相对的两侧，MEMS挠性悬架受到微机电致动器的驱动，发生弹性形变，移动与其连接的第二超透镜22。可选地，MEMS挠性悬架可以通过弹性形变放大微机电致动器的位移。

在本实施例中，通过改变第二超透镜22的焦距，使得第一时间和第二时间，第二超透镜22的焦距发生变化从而使超透镜组的焦距发生变化，达到减轻或消除调焦冲突。基于MEMS微移动的超透镜组具有体积小的特点，能够使得基于调焦超透镜的投影***整体体积减小，满足小型化需求。

在其中一个实施例中，超透镜组所包括的至少两个超透镜中每个超透镜均包括第一导电层、电致动层和纳米结构，其中，电致动层设置于第一导电层的一侧；纳米结构设置于电致动层远离第一导电层的一侧；第一导电层被配置为调控电场以驱动电致动层沿光路位移。

可选地，该超透镜组中任意两个相邻超透镜的电致动层构成电容的两个极板。此时，通过第一导电层控制该电容两端的电压，使电容两个极板(电致动层)之间的距离发生改变，从而使超透镜组的焦距发生改变。可选地，电致动层与第一导电层为同一层。可选地，电致动为与第一导电层为不同材质的膜。优选地，超透镜组中的任一超透镜位置可调，其余超透镜位置固定，以降低***复杂度，提高***鲁棒性。本申请实施例提供的超透镜组可通过上述方式实现焦距的变化，进而实现光的调制，实时调节中间像面4上的显示实像与眼瞳5之间的距离或投影光学装置的等效焦距，从而消除或者减轻调焦冲突。

如图4和5所示，在其中一个实施例中，用于调焦的超透镜光学装置2包括至少一个基于相变材料构成的相变超透镜。一般地，相变超透镜包括激励元件和相变元件。其中，激励元件用于向相变元件施加独立的激励以改变相变元件的相***。相变元件包括至少一个有相变材料制作的纳米结构，相变材料的相***包括晶态或非晶态。

可以理解的是，焦距调整可以通过一个相变超透镜实现，该相变超透镜为透射相变超透镜，用于实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距。

如图6和7所示，在其中一个实施例中，相变超透镜为反射式式相变超透镜；反射式相变超透镜用于实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距以及改变光路方向。

可以理解的是，反射式相变超透镜通过改变光路方向，缩小了该投影***沿光路方向的尺寸。

利用前述的相变材料在其晶态与非晶态两种相态下的改变，实现反射式相变超透镜的焦距在f_min与f_max之间调节。

在本实施例中，由于反射式相变超透镜调整了光的传播路径，使得图像产生单元1无须拘泥于眼瞳5的视线方向，进而使得基于调焦超透镜的投影***的图像产生单元1布置更加灵活。

如图8所示，在其中一个实施例中，基于调焦超透镜的投影***还包括投影透镜3。该投影透镜3在光路上，设置在用于调焦的超透镜光学装置2的下游；用于将图像产生单元1经用于调焦的超透镜光学装置2形成的显示实像进行投影。投影透镜3包括但不限于传统透镜或超透镜。可选地，投影透镜3为色差校正超透镜，用于校正像差 (包括色差、球差、慧差等)。

如图9所示，在其中一个实施例中，基于调焦超透镜的投影***还包括反射镜6，在光路上，设置在用于调焦的超透镜光学装置2与投影透镜3之间。

其中，反射镜6的数量可以依据需要设定。例如，若图像产生单元1的位置若无法通过一个反射镜6进行调制的情况下，可以设置两个或更多反射镜6来调制。

需要说明地是，反射镜6，可以选用传统反射镜或具有反射功能的超透镜。

在本实施例中，反射镜6设置在用于调焦的超透镜光学装置2的下游，对用于调焦的超透镜光学装置2调制的光进行反射，从而改变光的传播路径，以使得基于调焦超透镜的投影***的设计更加灵活。

在其中一个实施例中，投影透镜3包括折射透镜或者具有色差矫正的超透镜。

其中，折射透镜3为传统透镜能够对光进行调制，以使光射向眼瞳5。

色差矫正的超透镜通过相位设计至少能够对色差进行矫正，可以减少或消除该投影***的像差，从而保证提高成像质量，改善使用者的视觉体验。

在上述实施例中，超透镜包括基底以及设置在基底表面的超表面结构。接下来，结合图10至图17对本申请实施例提供的超透镜进行详细描述。

如图10所示，可选的，超表面结构可以为正六边形，在正六边形的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。如图11所示，可选的，超表面结构可以为正方形，在正方形的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。如图12所示，可选的，超表面结构可以为扇形，在扇形的各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

超表面结构可以包含全介质或等离子的纳米天线。本实施例中纳米结构优选全介质结构，在可见光波段具有高透过率，可以直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓或氢化非晶硅等。

如图13和图14所示，纳米结构可以是纳米鳍或纳米椭圆柱等偏振相关结构，这类结构可以对入射光线施加几何相位；纳米结构也可以是纳米圆柱和纳米方柱等偏振无关结构，这类结构可以对入射光线施加传播相位。

在纳米结构之间填充了空气或者其他折射率与纳米结构7折射率差值的绝对值大于等于0.5的光波段透明的填充物。折射率差值绝对值大于等于0.5有利于提供满足需求的突变相位保证了调制光的稳定性，降低填充物对光的影响。

根据本申请的实施方式，如图15至图17所示，对于相变超透镜，在其中一个实施例中，相变超透镜采用电压的调控方式。例如，相变超透镜上设置有调控电压，相变超透镜的超表面结构单元采用相变材料，相变材料通过在外加激励(如热、激光、外加电压)下改变物质内部的晶格,可以大幅度地改变介电常数。

GST作为常用的相变材料，其由锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)三种元素组成,在可重写光盘技术上被广泛应用。固态GST有晶态和非晶态两种相态,两态的介电常数存在较大的差别。

当非晶态GST温度超过结晶温度(多为160℃)时,非晶态会首先相变为亚稳态的面心立方晶体结构,类似于NaCl。如果温度继续升高,亚稳态晶体结构会变为稳态的六方结构。非晶态到晶态的相变过程可通过把GST放置于加热板上加热、使用激光脉冲照射、外加电压等手段来实现。

相反地,把晶态GST加热超过其熔点(多为640℃)并液化,后经急速冷却可形成非晶态GST。整个冷却凝固过程需要在10ns内急速完成,如果凝固时间过长,液态GST有充足时间重组为晶态结构。在应用激光的情况下,GST从晶态到非晶态的相变往往需要较大功率的短脉冲(脉宽<10ns)激光。

GST晶态或非晶态的相变过程一旦完成,即使撤去外部激励并回到室温环境,GST仍可长时间保持相变后的晶态或非晶态。GST的晶化比例可通过控制晶化过程的物理参数获得，例如,对非晶态GST进行加热,晶化比例可通过改变加热温度或加热时间来调控,以获得不同的折射率。

或者替选地，在其中一个实施例中，相变超透镜采用机械调控方式。例如，超表面超透镜的基底采用可拉伸材质，如液晶，超表面超透镜的纳米结构加工完成后固定在基底上，通过外部机械设备拉伸或压缩基底，改变超透镜上微纳结构的间距，从而改变通过超表面超透镜的光的周期，进而改变光的相位。

上述的纳米结构为全介质结构单元，在工作波段(如可见光波段) 具有高透过率。纳米结构按照正六边形、正方形、扇形等周期性的阵列排布，例如，纳米结构可以位于一个周期的中心位置和/或顶点位置。

通过将控制光聚焦在相应的纳米结构处，可以激励该纳米结构，从而改变超表面超透镜的相位。

在图15和16中示出以本申请的可调超透镜一个纳米结构为相变单元的示意图。在此，相变单元是透射式的相变单元，其中所述相变单元、即所述纳米结构具有基底70。可以直接利用相变元件实现导电并加热。如图15所示，第一电极101与纳米结构201的下侧电连接，第二电极102与纳米结构201的上侧电连接。在两个电极的作用下，由相变材料制成的纳米结构201直接导电发热，实现相***的改变。在此，第一电极和第二电极的材料在工作波段透明，以避免降低光线的透过率。

在此，该第二电极102可以直接与纳米结构201电连接；或者，如图15所示，该相变单元还包括：连接层103，且连接层103在工作波段透明。该连接层103位于纳米结构201远离第一电极101的一侧，并与纳米结构201电连接；第二电极102位于第一电极101与连接层103之间，并与连接层103电连接。本实用新型实施例中，该层状的第一电极101和连接层103均采用导电且透明的材料，例如，可以使用ITO制作而成。

例如，为了避免间隔设置的第一电极101与第二电极102之间漏电，参见图15所示，该相变单元还包括：第一绝缘层502；第一绝缘层502位于第一电极101与第二电极102之间，并抵接第一电极101、第二电极102。可选地，该相变单元还可包括与纳米结构201并列设置的第二绝缘层504，在能够支撑部分电极的情况下，也可实现绝缘。如图8所示，该第二绝缘层504可以起到支撑连接层103的作用。

参见图16所示，该相变单元也可以包括：填充物60，该填充物 60在工作波段透明；填充物60填充在纳米结构201之间。本实用新型实施例中，在纳米结构201周围填充有透明材料，即填充物60；该填充物60在工作波段具有较高的透过率。优选地，该填充物的折射率与纳米结构的折射率的差值的绝对值大于或等于0.5。

在图17中示出了本申请实施例提供的一种可选的反射式的相变单元。参见图7所述，相变单元的中间件包括第一金属反射层301。相变元件20位于第一金属反射层301的反光侧；第一电极101与第二电极102分别与第一金属反射层301电连接，并位于相变元件20的两侧。

本实用新型实施例中，第一金属反射层301具有能够反光的反光侧，相变元件20位于该反光侧，实现对反射光的调制。其中，相变元件20可以包含一个纳米结构201，或者，相变元件20也可包含多个纳米结构201，多个纳米结构201周期性排列，为方便描述，本实施例以该相变元件包含一个纳米结构201为例说明，图17以纳米结构 201表示相变元件20。与第一金属反射层301电连接的第一电极101、第二电极102分别位于相变元件20的两侧，使得第一金属反射层301 通电后，与纳米结构201距离最近的部分能够产生热量，进而有效地加热该纳米结构201。

可选地，纳米结构201可以直接设置在第一金属反射层301上，即二者抵接。或者，参见图17所示，该相变单元还包括：第一介质层 401；第一介质层401位于第一金属反射层301与相变元件20之间，并抵接第一金属反射层301和相变元件20。该第一介质层401与纳米结构201抵接，该第一介质层401的折射率与纳米结构201的折射率 (或者，纳米结构201的等效折射率)之间的差值小于或等于预设阈值，例如，该预设阈值为1或者0.5等，使纳米结构201的折射率与第一介质层401折射率相匹配，从而能够提高纳米结构201的透过率。例如，金属反射层(例如，第一金属反射层301)的厚度可以为 100nm～100μm，该第一介质层401的厚度可以为30nm～1000nm。

其中，该第一介质层401在工作波段透明，例如能够透过可见光、红外光等。例如，该第一介质层401的材料可以为石英玻璃；或者，该第一介质层401的材料可以为能够导电且透明的材料，例如氧化铟锡(ITO)；此时，该第一介质层401也可与两个电极相连接，即第一介质层401也可通电发热。

本实用新型实施例中，若纳米结构201的初始状态为非晶态，光线A入射到该反射式的相变单元后，纳米结构201能够对光线A进行相位调制，且制

后反射出射；若电极对第一金属反射层301施加电压激励，第一金属反射层301导通加热，并将热量传导至纳米结构 201，使得相变材料发生相变，由非晶态变为晶态，此时，入射的光线 A经纳米结构201调制后，其相位该变量为

从而实现不同的调制效果。本领域技术人员可以理解，上述仅以一个相变单元的工作原理为例示出，对于包含多个相变单元的超透镜，其工作原理相似，此处不做赘述。

不难理解的是，采用上述实施例提供的相变材料制作填充物60，通过激励切换相变材料的相***，可以实现填充物的折射率变化，从而使超透镜整体的焦距随相***的变化同步变化。

根据本申请的实施方式，参考图18所示，用于调焦的超透镜光学装置包括至少一个相变超透镜，其中，相变超透镜的相变元件包括基底70、纳米结构201、第一电极层101、填充物60、第二电极层102；纳米结构阵列排布于基底的一侧；填充物由相变材料制成；第一电极层、填充物沿远离基底的方向依次分层填充在纳米结构之间；并且，第一电极层与填充物的高度之和大于或等于纳米结构的高度；第二电极层被设置于填充物远离第一电极层的一侧。

本申请的实施例还提供一种设备，该设备具有上述实施例中提供的基于调焦超透镜的投影***。

本申请提供的基于调焦超透镜的投影***及具有其的设备，通过用于调焦的超透镜光学装置实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者投影***的等效焦距，从而减轻或消除调焦冲突。并且，相较于传统的投影***，超透镜的引入降低了VR/AR设备中投影***的复杂程度，实现了小型化和轻量化，降低了响应时间，提高了穿戴舒适度。

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 (17)

1.一种基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，包括：

图像产生单元；

用于调焦的超透镜光学装置，在光路上设置在所述图像产生单元的下游；

其中，在所述投影***工作情况下，所述用于调焦的超透镜光学装置能够实时调整显示实像与眼瞳之间的距离或者所述投影***的等效焦距。

2.根据权利要求1所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述用于调焦的超透镜光学装置为基于MEMS微移动的超透镜组，其中，所述基于MEMS微移动的超透镜组包括：至少两个超透镜；至少一个微机电致动器，用于移动所述超透镜组中的至少一个超透镜；其中能够通过所述至少一个微机电致动器沿光传播路径的方向移动至少一个超透镜，使得所述超透镜组的焦距发生变化。

3.根据权利要求2所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述基于MEMS微移动的超透镜组还包括：MEMS挠性悬架，所述MEMS挠性悬架与所述至少两个超透镜中的至少一个耦合；

所述MEMS挠性悬架被配置为沿与光路平行的方向弹性形变。

4.根据权利要求2所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述至少两个超透镜中每个超透镜均包括第一导电层、电致动层和纳米结构，其中，所述电致动层设置于所述第一导电层的一侧；所述纳米结构设置于所述电致动层远离所述第一导电层的一侧；

所述第一导电层被配置为调控电场以驱动所述电致动层沿光路位移。

5.根据权利要求1所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述用于调焦的超透镜光学装置包括至少一个相变超透镜，其中，所述相变超透镜包括多个阵列排布的相变元件和多个阵列排布的激励元件；

其中，相变元件包括至少一个由相变材料制作的纳米结构；所述激励元件包括间隔设置的第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第二电极通过中间件实现电连接；

所述第一电极与所述第二电极之间能够形成电势差，利用电热转换改变位于所述第一电极与所述第二电极之间的所述中间件的温度，以能够改变所述相变元件的温度。

6.根据权利要求5所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述中间件还包括：第一金属反射层；

所述相变元件位于所述第一金属反射层的反光侧；

所述第一电极与所述第二电极分别与所述第一金属反射层电连接，并位于所述相变元件的两侧。

7.根据权利要求1所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述用于调焦的超透镜光学装置包括至少一个相变超透镜，其中，相变元件包括基底、纳米结构、第一电极层、填充物、第二电极层；

所述纳米结构阵列排布于所述基底的一侧；

所述填充物由相变材料制成；

所述第一电极层、所述填充物沿远离所述基底的方向依次分层填充在所述纳米结构之间；并且，所述第一电极层与所述填充物的高度之和大于或等于所述纳米结构的高度；

所述第二电极层被设置于所述填充物远离所述第一电极层的一侧。

8.根据权利要求5-7中任一所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述相变超透镜为反射式相变超透镜；所述反射式相变超透镜用于实时调整所述显示实像与所述眼瞳之间的距离或者所述投影***的等效焦距以及改变光路方向。

9.根据权利要求5-7中任一所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述相变超透镜为透射相变超透镜，用于实时调整所述显示实像与所述眼瞳之间的距离或者所述投影***的等效焦距。

10.根据权利要求1所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，还包括投影透镜，在光路上，所述投影透镜被设置于所述用于调焦的超透镜光学装置下游，用于将所述图像产生单元经所述用于调焦的超透镜光学装置形成的显示实像进行投影。

11.根据权利要求10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，还包括反射镜，在光路上，所述反射镜置于所述用于调焦的超透镜光学装置与所述投影透镜之间。

12.根据权利要求10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述投影透镜包括折射透镜或者具有色差矫正的超透镜。

13.根据权利要求1或10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述图像产生单元包括微发光二极管显示阵列和转盘滤波片；

所述微发光二极管显示阵列用于产生具有至少一种色彩的光线；

所述转盘滤波片用于对所述微发光二极管阵列发出的光线进行频率选择。

14.根据权利要求1或10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述图像产生单元包括沿光路依次设置的至少两个分立的激光器、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

其中，所述至少两个二向色镜用于对所述至少两个分立的激光器产生的激光进行频率选择和光路转折；

所述数字微镜器件用于根据投影的图像调制经所述棱镜反射的光线。

15.根据权利要求1或10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述图像产生单元包括两个蓝光激光器、荧光盘、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

所述两个蓝光激光器中的一个用于产生蓝色激光，所述两个蓝光激光器中的另一个用于照射荧光盘以产生波长不同于所述蓝色激光的至少两种激光；

所述至少两个二向色镜用于对所述蓝色激光和所述至少两种激光进行频率选择和光路转折；

所述数字微镜器件用于根据投影的图像调制经所述棱镜反射的光线。

16.根据权利要求1或10所述的基于调焦超透镜的投影***，其特征在于，所述图像产生单元包括沿光路依次设置的至少两个分立的窄带发光二极管、至少两个二向色镜、棱镜和数字微镜器件；

其中，所述至少两个二向色镜用于对所述至少两个分立的窄带发光二极管产生的激光进行频率选择和光路转折；

所述数字微镜器件用于根据投影的图像调制经所述棱镜反射的光线。

17.一种设备，其特征在于，包括如权利要求1至16中任一项所述的基于调焦超透镜的投影***。

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