CN217639769U

CN217639769U - 一种图像组合装置和近眼投影显示设备

Info

Publication number: CN217639769U
Application number: CN202221771467.2U
Authority: CN
Inventors: 谭凤泽; 朱瑞; 郝成龙; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2032-07-11

Abstract

本申请提出一种图像组合装置和近眼投影显示设备，该图像组合装置包括：自由曲面棱镜和曲面超表面；曲面超表面包括：多个超表面结构单元，多个超表面结构单元设置在自由曲面棱镜的曲侧面上；多个超表面结构单元中的各超表面结构单元，能够对透过各超表面结构单元的光线进行相位补偿；射向曲面超表面的光线的入射方向，与光线依次透过所述超表面结构单元和自由曲面棱镜后的出射方向相同。通过本申请提出的图像组合装置和近眼投影显示设备，利用曲面超表面替代了补偿棱镜，减少了图像组合装置的厚度，实现近眼投影显示设备的轻薄化，方便用户使用。

Description

一种图像组合装置和近眼投影显示设备

技术领域

本申请涉及超表面应用技术领域，具体而言，涉及一种图像组合装置和近眼投影显示设备。

背景技术

目前，增强现实(Augmented Reality，AR)是一种将虚拟信息与真实世界场景巧妙融合的技术。用户可以使用AR眼镜等AR设备来观看到被虚拟信息“增强”后的真实场景图像。

AR眼镜体积大、重量沉，极大影响了AR眼镜的佩戴舒适度。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种图像组合装置和近眼投影显示设备。

第一方面，本申请实施例提供了一种图像组合装置，包括：自由曲面棱镜和曲面超表面；

所述曲面超表面包括：多个超表面结构单元，多个所述超表面结构单元设置在所述自由曲面棱镜的曲侧面上；

多个超表面结构单元中的各所述超表面结构单元，能够对透过各超表面结构单元的光线进行相位补偿；射向所述曲面超表面的光线的入射方向，与所述光线依次透过所述超表面结构单元和所述自由曲面棱镜后的出射方向相同。

第二方面，本申请实施例提供了一种近眼投影显示设备，包括上述第一方面所述的图像组合装置。

本申请实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过图像组合装置中设置的曲面超表面中的超表面结构单元对光线进行相位补偿，使得射向补偿元件的光线的入射方向，与该光线透过自由曲面棱镜后的出射方向相同，与相关技术中图像组合装置采用补偿棱镜对进入自由曲面棱镜的光线进行相位补偿的方式相比，利用曲面超表面替代了补偿棱镜，由于曲面超表面的厚度较小，且设置在自由曲面棱镜接收环境光一侧的自由曲面上，最大限度地减少了图像组合装置的厚度，该图像组合装置能够应用到近眼投影显示设备中，从而能够实现近眼投影显示设备的轻薄化，方便用户使用。

为使本申请的上述目的、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申请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申请的一些实施例，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示出了本申请实施例所提供的图像组合装置的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，光线经过自由曲面棱镜的示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，光线经过图像组合装置传播产生相位变化量的示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，曲面超表面的结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，超表面结构单元对入射光线进行相位调制的示意图

图6示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，超表面结构单元的结构示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，曲面超表面填充有填充物的图像组合装置的结构示意图；

图8示出了本申请实施例所提供的图像组合装置中，具有保护镜片的图像组合装置的结构示意图；

图9示出了本申请实施例所提供的以AR眼镜为示例的近眼投影显示设备的结构示意图。

图标：10、自由曲面棱镜；11、透射面；12、透反面；13、分光面；20、曲面超表面；30、像源；201、柔性曲面透明基底；202、纳米结构；40、第一相位面；50、第二相位面；60、填充物；70、保护镜片；72、固定件；100、近眼投影显示设备；102、图像组合装置；M、成像光线；A、光线A；B、光线B；C、光线C；D、光线D；E、环境光E；F、光线F；G、光线G。

具体实施方式

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。

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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，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申请中的具体含义。

目前，AR是一种将虚拟信息与真实世界场景巧妙融合的技术。用户可以使用AR眼镜等AR设备来观看到被虚拟信息“增强”后的真实场景图像。AR眼镜体积大、重量沉，极大影响了AR眼镜的佩戴舒适度。

基于此，本申请提出一种图像组合装置和近眼投影显示设备，通过图像组合装置中设置的曲面超表面中的超表面结构单元对光线进行相位补偿，使得射向补偿元件的光线的入射方向，与该光线透过自由曲面棱镜后的出射方向相同，利用曲面超表面替代了补偿棱镜，由于曲面超表面的厚度较小，且设置在自由曲面棱镜接收光线一侧的自由曲面上，最大限度地减少了图像组合装置的厚度，该图像组合装置能够应用到近眼投影显示设备中，从而能够实现近眼投影显示设备的轻薄化，方便用户使用。

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所示的一种图像组合装置的结构示意图，本实施例提出一种图像组合装置，包括：自由曲面棱镜10和曲面超表面20。

所述曲面超表面包括：多个超表面结构单元，多个所述超表面结构单元设置在所述自由曲面棱镜的曲侧面上。其中，该曲侧面是自由曲面棱镜中接收光线一侧的自由曲面。所述光线包括：环境光。

多个超表面结构单元中的各所述超表面结构单元，能够对透过各超表面结构单元的光线进行相位补偿；射向所述曲面超表面20的光线的入射方向，与所述光线依次透过所述超表面结构单元和所述自由曲面棱镜10后的出射方向相同。

所述自由曲面棱镜为用于成像的棱镜，为了能够形成放大的像，该自由曲面棱镜至少有一个面是自由曲面，光线直接透过该自由曲面棱镜时传播方向会发生改变，导致成像变形(光学像差)，本实施例主要基于该曲面超表面对该成像变形进行补偿校正。

本实施例中，曲面超表面通过其中的超表面结构单元实现对入射至曲面超表面的光线进行相位补偿，使得入射到曲面超表面之前的光线的入射方向，与该光线透过超表面结构单元和自由曲面棱镜后的出射方向相同。如图1所示，光线A入射到图像组合装置中的曲面超表面，该曲面超表面中相应的超表面结构单元对该光线A的相位进行补偿，将光线A转换为光线B；一般情况下，光线A与光线B的传播方向不同。之后，光线B在进入自由曲面棱镜后转换为光线C，光线B与光线C的传播方向不一样，光线C射出自由曲面棱镜后转换为光线D，该光线D即为光线A透过曲面超表面和自由曲面棱镜后的光线，该光线D与光线A的传播方向相同。

基于该图像组合装置，用户可以正常观看自由曲面棱镜所成的像，并且可以正常观看外部环境，能够实现增强现实的效果。

包括曲面超表面和自由曲面棱镜的图像组合装置为无焦***，不会造成环境光的失真。基于该图像组合装置，用户可以正常观看自由曲面棱镜10所成的像，并且可以正常观看外部环境，能够实现增强现实的效果。

该图像组合装置还可以包括像源30，像源发出射向自由曲面棱镜的成像光线。

参见图2所示的本实施例提出的图像组合装置中光线经过自由曲面棱镜的示意图，该自由曲面棱镜包括透射面11、透反面12和分光面13(即上述的曲侧面)；分光面为设置曲面超表面的自由曲面。其中，透射面用于透射外部像源发出的成像光线，且被透射面透射的成像光线射向透反面；透反面将被透射面透射的成像光线全反射至分光面；分光面用于将被透反面全反射的成像光线反射至透反面；透反面还用于透过被分光面反射的成像光线。

在一个实施方式中，该透反面可以为内凹的球面。

如图2所示，像源30发出的成像光线M能够射向自由曲面棱镜的透射面。成像光线M透过该透射面，进而以较大的入射角入射至透反面，并在透反面发生全反射，使得成像光线M被全反射至分光面。该分光面具有非反射和透射功能，例如分光面设有半透半反膜，能够反射成像光线M中的至少部分光线；被分光面反射的成像光线M最终能够以较小的入射角再次入射至透反面，进而透过该透反面射向人眼。而外部的环境光E透过曲面超表面、分光面、透反面后也能够射向人眼。

例如，分光面和曲面超表面可以以胶合的形式贴合在一起；若自由曲面棱镜与曲面超表面的折射率相同，则采用的胶与二者的折射率相近；例如，胶的折射率与二者的折射率之间的误差不超过0.1。

此外，由于分光面能够反射、透射光线，外部的环境光A透过该分光面时也会发生部分反射，即分光面反射部分环境光；为了保证人眼能够看到正常亮度的外部环境，该分光面需要具有足够的透射率。本实施例中，分光面的透反比(即透射率与反射率的比值)不小于(IMAx-I0)/I0；其中，IMAx为外部的成像光线的最大亮度，I0为成像所需的最大亮度。一般情况下，该透反比大于1，即分光面透射的光线多于反射的光线。

上述图像组合装置对于环境光是无光焦度成像的***，为了实现这样的图像组合装置，参见图3所示的光线经过图像组合装置传播产生相位变化量的示意图，经过研究发现，所述光线经过图像组合装置传播后会产生相位变化量；所述相位变化量包括：所述光线经过所述超表面结构单元产生的相位补偿量与所述光线透过所述自由曲面棱镜的过程中产生的多个相位延时的和。且入射所述图像组合装置不同位置的光线分别经过所述图像组合装置传播后产生的相位变化量之间的差值为相位差

所述相位差为常量。

具体地，若经过所述透射面的两端，分别作垂直于光线入射方向和出射方向的两个平面，将两个平面作为光线经过图像组合装置传播后产生相位变化量的两个相位面；该两个相位面中，靠近所述曲面超表面一侧的是第一相位面40，远离所述曲面超表面一侧的是第二相位面50。

那么，光线经过图像组合装置产生的相位变化量满足如下公式1：

其中，(x₀，y₀)表示所述曲面超表面上第i个超表面结构单元的位置坐标，Ψ′_i为所述光线进入所述自由曲面棱镜前产生的第一相位延时，Ψ″_i为所述光线经过所述自由曲面棱镜传播时产生的第二相位延时，Ψ″′_i为所述光线从所述自由曲面棱镜射出后产生的第三相位延时，

为所述曲面超表面上第i个超表面结构单元对入射光线产生的相位补偿量，

为光线经过曲面超表面上第i个超表面结构单元产生的相位变化量，且入射所述图像组合装置不同位置的光线分别经过所述图像组合装置传播后产生的相位变化量之间的差值为相位差满足如下公

式2：

其中，

为所述光线经过所述曲面超表面上第j个超表面结构单元产生的相位变化量，

为相位差，n为整数。

这里，该第一相位延时，表示光线在第一相位面和自由曲面棱镜的分光面之间传播时经过曲面超表面以及其他具有二相性或多向性的物质时产生的相位延时量；该第二相位延时，表示光线在自由曲面棱镜内传播时产生的相位时延量；该第三相位延时，表示光线在自由曲面棱镜的透反面和第二相位面之间传播时经过具有二相性或多向性的物质时产生的相位延时量。

在一个实施方式中，所述光线为可见光波段内的光线，且所述光线至少包括黄色光、绿色光、红色光以及紫色光。

具体地，参见图4所示的曲面超表面的结构示意图，所述超表面结构单元，包括：柔性曲面透明基底201和纳米结构202。

所述纳米结构设置在所述柔性曲面透明基底上，所述柔性曲面透明基底与所述曲侧面的形状相匹配。

这里，如图4所示，自由曲面棱镜的分光面一般均为自由曲面，该分光面与曲面超表面的柔性曲面透明基底的形状相匹配，即所述曲面超表面的柔性曲面透明基底与所述曲侧面的形状相匹配，是自由曲面的形状；使得自由曲面棱镜与曲面超表面的柔性曲面透明基底可以贴合在一起。

进一步地，所述纳米结构的高度方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向平行。那么，对于纳米结构的相位设计，还需要对入射到该纳米结构的光线波矢在所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线所在平面进行投影，对纳米结构进行设计。

所以，参见图5所示的超表面结构单元对入射光线进行相位调制的示意图，对于入射到各超表面结构单元中的纳米结构的光线来说，所述纳米结构能够对入射的所述光线E中入射方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向平行的至少部分光线F进行相位补偿。而，对于入射方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向垂直的至少部分光线G不进行相位补偿。

在一个实施方式中，光线F可以是光线E中入射方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向平行的光线分量；光线G可以是光线E中入射方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向垂直的光线分量。

参见图6所示的超表面结构单元的结构示意图，每个超表面结构单元均能够调制入射光，纳米结构可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，其至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，多个纳米结构呈阵列排布，从而能够划分出超表面结构单元；该超表面结构单元可以为正六边形、正方形、扇形等，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。其中，所有的纳米结构可以位于柔性曲面透明基底的同一侧，或者，部分纳米结构位于柔性曲面透明基底的一侧，另一部分纳米结构位于柔性曲面透明基底的另一侧，本实施例对此不作限定。

需要说明的是，柔性曲面透明基底为整体的层结构，曲面超表面中的多个超表面结构单元可以是人为划分出来的，即在柔性曲面透明基底上布设多个纳米结构，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构的超表面结构单元，或者说，多个超表面结构单元可以形成一体式结构的曲面超表面。

可选地，所述超表面结构单元还可以包括：微纳结构。所述微纳结构设置在所述曲侧面上。

所述微纳结构的周期、尺寸。形状和使用的材料与所述纳米结构类似，这里不再一一赘述。

为了保护所述曲面超表面中的纳米结构，参见图7所示的曲面超表面填充有填充物的图像组合装置的结构示意图，在所述曲面超表面的纳米结构之间有填充物60填充。

在一个实施方式中，所述填充物，可以采用空气和氮化硅等透明材料，需要注意的是，此填充物的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

除了使用填充物对纳米结构进行保护之外，参见图8所示的具有保护镜片的图像组合装置的结构示意图，本实施例提出的图像组合装置，还包括：固定件72和保护镜片70。

所述曲面超表面的入光侧设置有所述保护镜片，所述固定件的一端与所述曲面超表面连接，所述固定件的另一端与所述保护镜片连接。

所述固定件，能够对所述保护镜片起到固定和支撑的作用。

图8所示的具有保护镜片的图像组合装置仅为示例，在有保护镜片的情况下，所述曲面超表面的纳米结构之间也可以不填充填充物，即仅使用保护镜片，就可以对纳米结构进行保护。

本实施例提供的一种图像组合装置，曲面超表面的超表面结构单元能够对光线进行相位补偿，使得射向图像组合装置的光线的入射方向，与该光线透过曲面超表面以及自由曲面棱镜后的出射方向相同，故光线能够无焦且不失真地透过曲面超表面以及自由曲面棱镜，人眼透过曲面超表面和自由曲面棱镜后，可以正常观看外部事物；并且，曲面超表面的厚度较小，故该曲面超表面与自由曲面棱镜能够形成无焦且薄的图像组合装置，从而能够实现轻薄化，方便用户使用。基于误差最小条件选取合适的超表面结构单元，能够保证曲面超表面具有较高的相位补偿效果。

本实施例提出的具有自由曲面形状的曲面超表面可以使用现有的曲面基底超表面的加工方法得到，这里不再赘述。

参见图9所示的一种以AR眼镜为示例的近眼投影显示设备的结构示意图，本发明实施例还提供一种近眼投影显示设备100，其包括如上所述的图像组合装置102(图9中的点阵区域为图像组合装置)。基于近眼投影显示设备，人眼可以看到像源所成的像，并且可以正常观看外部环境。其中，“近眼”指的是显示设备靠近人眼，显示设备与人眼之间的距离一般小于10厘米，一般可以为1至3厘米。

综上所述，本实施例提出一种图像组合装置和近眼投影显示设备，通过图像组合装置中设置的曲面超表面中的超表面结构单元对光线进行相位补偿，使得射向补偿元件的光线的入射方向，与该光线透过自由曲面棱镜后的出射方向相同，与相关技术中图像组合装置采用补偿棱镜对进入自由曲面棱镜的光线进行相位补偿的方式相比，利用曲面超表面替代了补偿棱镜，由于曲面超表面的厚度较小，且设置在自由曲面棱镜接收环境光一侧的自由曲面上，最大限度地减少了图像组合装置的厚度，该图像组合装置能够应用到近眼投影显示设备中，从而能够实现近眼投影显示设备的轻薄化，方便用户使用。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种图像组合装置，其特征在于，包括：自由曲面棱镜和曲面超表面；

所述曲面超表面包括：多个超表面结构单元，多个所述超表面结构单元设置在所述自由曲面棱镜中的曲侧面上；所述曲侧面是自由曲面棱镜中接收光线一侧的自由曲面；

2.根据权利要求1所述的图像组合装置，其特征在于，所述光线经过图像组合装置传播后会产生相位变化量；入射所述图像组合装置不同位置的光线分别经过所述图像组合装置传播后产生的相位变化量之间的差值为相位差

所述相位差为常量。

3.根据权利要求2所述的图像组合装置，其特征在于，所述相位变化量包括：所述光线经过所述超表面结构单元产生的相位补偿量与所述光线透过所述自由曲面棱镜的过程中产生的多个相位延时的和。

4.根据权利要求3所述的图像组合装置，其特征在于，光线经过图像组合装置产生的相位变化量满足如下公式：

其中，(x₀，y₀)表示所述曲面超表面上第i个超表面结构单元的位置坐标，Ψ_i′为所述光线进入所述自由曲面棱镜(10)前产生的第一相位延时，Ψ_i″为所述光线经过所述自由曲面棱镜(10)传播时产生的第二相位延时，Ψ_i″′为所述光线从所述自由曲面棱镜(10)射出后产生的第三相位延时，

为光线经过曲面超表面上第i个超表面结构单元产生的相位变化量，且入射所述图像组合装置不同位置的光线分别经过所述图像组合装置传播后产生的相位变化量之间的差值为相位差满足如下公式：

其中，

为相位差，n为整数。

5.根据权利要求1所述的图像组合装置，其特征在于，所述光线为可见光波段内的光线。

6.根据权利要求5所述的图像组合装置，其特征在于，所述光线至少包括黄色光、绿色光、红色光以及紫色光。

7.根据权利要求1所述的图像组合装置，其特征在于，所述超表面结构单元包括：微纳结构；

所述微纳结构设置在所述曲侧面上。

8.根据权利要求1所述的图像组合装置，其特征在于，所述超表面结构单元包括：柔性曲面透明基底和纳米结构；

9.根据权利要求8所述的图像组合装置，其特征在于，所述纳米结构的高度方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向平行。

10.根据权利要求9所述的图像组合装置，其特征在于，所述纳米结构能够对入射的所述光线中入射方向与所述纳米结构所在所述柔性曲面透明基底的法线方向平行的至少部分光线进行相位补偿。

11.根据权利要求1-10任一项所述的图像组合装置，其特征在于，还包括：固定件和保护镜片；

12.根据权利要求1-10任一项所述的图像组合装置，其特征在于，在所述曲面超表面的纳米结构之间有填充物填充。

13.根据权利要求1-10任一项所述的图像组合装置，其特征在于，还包括：像源；

所述像源，用于发出射向所述自由曲面棱镜的成像光线。

14.一种近眼投影显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-13任一项所述的图像组合装置。