一种图像组合器及近眼显示系统的制作方法

1.本发明涉及近眼显示技术领域，具体而言，涉及一种图像组合器及近眼显示系统。


背景技术：

2.现有的mr(mixed reality，混合现实)/ar(augmented reality，增强现实)等主要包括自由曲面形式的图像组合器和光波导形式的图像组合器。但是无论是以上的任一种形式，其成像光路与外在环境光路均是同一时间进入人眼，人眼看到了两者的叠加图像。
3.由于图像组合器需要同时处理投影光路的近眼显示光与矫正环境光光路的像差，故在设计与加工方面均存在不少困难。例如：在设计方面，自由曲面优化困难，光波导很难矫正“彩虹效应”；在加工方面，自由曲面加工困难，且中心厚度很难降低，导致佩戴着不舒适；光波导方案需要使用斜齿光栅等复杂结构，导致加工难易度增大，量产成本提高。
4.部分方案使用多个小型楔形反射镜实现成像光线的光路转换，这虽然一定程度可实现小型化，但其结构仍然比较复杂，加工难度大，量产成本高，不适合大批量推广。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种图像组合器及近眼显示系统。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种图像组合器，包括：超表面元件和光线控制元件；
7.所述超表面元件被配置为能够反射用于成像的成像光线，并能够透过可见光波段的至少部分光线；入射至所述超表面元件的所述成像光线的入射角大于所述成像光线的反射角；
8.所述光线控制元件位于所述超表面元件远离所述成像光线的一侧，被配置为能够透过所述可见光波段的至少部分光线，并控制透过所述光线控制元件以及所述超表面元件的所述可见光波段的至少部分光线是无像差的。
9.在一种可能的实现方式中，所述超表面元件包括：沿x方向排布的多个调制单元；所述调制单元包括至少一个纳米结构；所述x方向为所述超表面元件所在平面中的一个方向，在所述x方向上不同位置处的调制单元与用于观察成像光线所成图像的观察面之间的距离不同；
10.所述调制单元被配置为对以第一角度入射的所述成像光线进行相位调制，并以第二角度反射调制后的所述成像光线；所述第一角度大于所述第二角度。
11.在一种可能的实现方式中，所述调制单元所调制的相位满足：
[0012][0013]
其中，表示位于位置x处的所述调制单元所调制的相位，θr表示所述第二角度，θi表示所述第一角度，k表示波数，表示预设的常数相位。
[0014]
在一种可能的实现方式中，所述超表面元件还包括：基底；所述基底在所述可见光波段透明；
[0015]
多个所述调制单元排列在所述基底的一侧；
[0016]
所述光线控制元件位于所述基底远离所述调制单元的一侧。
[0017]
在一种可能的实现方式中，所述第一角度与所述第二角度之和为90
°±
δα；δα表示小于预设阈值的角度。
[0018]
在一种可能的实现方式中，所述光线控制元件包括：相位补偿器；
[0019]
所述相位补偿器被配置为对所述可见光波段的至少部分光线进行相位调制，且所述相位补偿器所调制的相位能够补偿所述超表面元件对透过的所述可见光波段的至少部分光线所调制的相位。
[0020]
在一种可能的实现方式中，所述相位补偿器包括至少一侧为自由曲面的折射透镜；或者，
[0021]
所述相位补偿器为超透镜。
[0022]
在一种可能的实现方式中，在所述相位补偿器为超透镜的情况下，所述相位补偿器与所述超表面元件贴合设置。
[0023]
在一种可能的实现方式中，所述光线控制元件包括：第一起偏器；
[0024]
所述第一起偏器被配置为将透过所述第一起偏器的所述可见光波段的至少部分光线转换为第一偏振态的光线；
[0025]
所述超表面元件被配置为能够反射第二偏振态的所述成像光线，且所述超表面元件对入射的第二偏振态的光线进行几何相位调制；所述第一偏振态与所述第二偏振态不同。
[0026]
在一种可能的实现方式中，所述第一偏振态与所述第二偏振态相互正交。
[0027]
第二方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示系统，包括：像源和如上所述的图像组合器；
[0028]
所述像源被配置为发出能够射向所述图像组合器的成像光线；
[0029]
所述图像组合器位于所述像源的出光侧，所述图像组合器的光线控制元件位于所述图像组合器的超表面元件远离所述像源的一侧。
[0030]
在一种可能的实现方式中，所述超表面元件反射所述成像光线的反射角与所述超表面元件的设置角相同，所述超表面元件的设置角为所述超表面元件与用于观察所述成像光线所成图像的观察面之间的夹角。
[0031]
在一种可能的实现方式中，所述超表面元件的设置角小于或等于25
°
。
[0032]
在一种可能的实现方式中，近眼显示系统还包括：中继光学系统；
[0033]
所述中继光学系统位于所述像源与所述图像组合器之间，被配置为将所述像源发出的光线调整为射向所述图像组合器。
[0034]
在一种可能的实现方式中，所述中继光学系统包括：光线偏折元件；
[0035]
所述光线偏折元件被配置为将射入的成像光线反射至所述图像组合器。
[0036]
在一种可能的实现方式中，所述像源被配置为发出第二偏振态的成像光线。
[0037]
在一种可能的实现方式中，所述像源包括第二起偏器；
[0038]
所述第二起偏器被配置为在所述成像光线射至所述超表面元件之前，将所述成像
光线转换为所述第二偏振态的光线。
[0039]
在一种可能的实现方式中，所述像源包括光源和图像产生器；
[0040]
所述光源被配置为发出光线；
[0041]
所述图像产生器位于所述光源的出光侧，被配置为将所述光源发出的光线转换为成像光线。
[0042]
在一种可能的实现方式中，所述光源被配置为分时发出第一波段的第一光线、第二波段的第二光线和第三波段的第三光线；所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段为可见光波段内不同的波段，且所述超表面元件能够反射位于所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段内的至少部分光线。
[0043]
在一种可能的实现方式中，所述光源包括第一单色光源、第二单色光源、第三单色光源、第一分光镜和第二分光镜；
[0044]
所述第一单色光源用于发出所述第一光线，所述第二单色光源用于发出所述第二光线，所述第三单色光源用于发出所述第三光线；
[0045]
所述第一分光镜位于所述第一单色光源的出光侧，用于将所述第一单色光源发出的所述第一光线调整为与所述第三光线的出射方向相同；
[0046]
所述第二分光镜位于所述第二单色光源的出光侧，用于将所述第二单色光源发出的所述第二光线调整为与所述第三光线的出射方向相同。
[0047]
在一种可能的实现方式中，所述第一分光镜和所述第二分光镜均为二向色镜；
[0048]
所述第一分光镜和所述第二分光镜均位于所述光源的主光轴上，且所述第一分光镜比所述第二分光镜更靠近所述光源的出光侧；
[0049]
所述第一分光镜被配置为反射所述第一波段的光线、并透射所述第二波段和所述第三波段的光线；
[0050]
所述第二分光镜被配置为反射所述第二波段的光线、并透射所述第三波段的光线；
[0051]
所述第一波段、所述第二波段、所述第三波段对应的波长依次增大或依次减小。
[0052]
在一种可能的实现方式中，所述光源还包括第三分光镜；
[0053]
所述第三分光镜位于所述第三单色光源的出光侧，用于调整所述第三单色光源发出的所述第三光线的出射方向。
[0054]
在一种可能的实现方式中，所述光源包括第四单色光源、第五单色光源和荧光转盘；
[0055]
所述第四单色光源和所述第五单色光源均用于发出所述第一光线；
[0056]
所示荧光转盘位于所述第四单色光源的出光侧，用于将所述第四单色光源发出的第一光线转换为所述第二光线和所述第三光线，并射出；所述第五单色光源发出的第一光线被射出；
[0057]
其中，所述第一波段的波长小于所述第二波段和所述第三波段的波长。
[0058]
在一种可能的实现方式中，所述光源还包括第四分光镜和第五分光镜；
[0059]
所述第四分光镜和所述第五分光镜均位于所述荧光转盘的出光侧；
[0060]
所述第四分光镜用于将所述荧光转盘转换出射的第二光线调整为与所述第五单色光源发出的第一光线的出射方向相同；
[0061]
所述第五分光镜用于将所述荧光转盘转换出射的第三光线调整为与所述第五单色光源发出的第一光线的出射方向相同。
[0062]
在一种可能的实现方式中，所述第四分光镜和所述第五分光镜均为二向色镜；
[0063]
所述第四分光镜和所述第五分光镜均位于所述光源的主光轴上，且所述第五分光镜比所述第四分光镜更靠近所述光源的出光侧；
[0064]
所述第四分光镜被配置为反射所述第二波段的光线、并透射所述第一波段的光线；
[0065]
所述第五分光镜被配置为反射所述第三波段的光线、并透射所述第一波段、所述第二波段的光线；
[0066]
所述第二波段的波长小于所述第三波段的波长。
[0067]
在一种可能的实现方式中，所述图像产生器包括：数字微镜器件；或者，
[0068]
所述图像产生器包括：扩束器和空间光调制器；所述扩束器位于所述光源的出光侧，被配置为对所述光源出射的光线进行扩束；所述空间光调制器位于所述扩束器的出光侧，被配置为将所述扩束器发出的光线转换为成像光线。
[0069]
本发明实施例上述第一方面提供的方案中，能够反射成像光线并透射可见光波段的至少部分环境光，使得成像光线和环境光可以一并进入人眼；超表面元件通过对入射的成像光线进行调制，使得成像光线的反射角小于入射角，该超表面元件与人眼所在平面之间的夹角较小，能够减小图像组合器的厚度，体积较小，且能够实现空间体积小的情况下的光路转换；并且，基于超表面技术的超表面元件本身具有轻薄且易加工的特点，降低了图像组合器的体积重量以及设计、加工难度，可以节约成本。光线控制元件能够配合超表面元件的调制效果，使得环境光透过光线控制元件、超表面元件后是仍然是无调制的，环境光能够无像差地进入人眼，使得用户可以观看到无失真的外部环境。
[0070]
为使本发明的上述目的、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
[0071]
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0072]
图1示出了本发明实施例所提供的图像组合器的第一结构示意图；
[0073]
图2示出了本发明实施例所提供的超表面元件的俯视结构示意图；
[0074]
图3示出了本发明实施例所提供的超表面元件的侧视结构示意图；
[0075]
图4示出了本发明实施例所提供的图像组合器的第二结构示意图；
[0076]
图5示出了本发明实施例所提供的图像组合器的第三结构示意图；
[0077]
图6示出了本发明实施例所提供的图像组合器的第四结构示意图；
[0078]
图7示出了本发明实施例所提供的图像组合器的第五结构示意图；
[0079]
图8示出了本发明实施例所提供的近眼显示系统的第一结构示意图；
[0080]
图9示出了本发明实施例所提供的近眼显示系统的第二结构示意图；
[0081]
图10示出了本发明实施例所提供的近眼显示系统的第三结构示意图；
[0082]
图11示出了本发明实施例所提供的近眼显示系统的第四结构示意图；
[0083]
图12a示出了本发明实施例所提供的像源的第一结构示意图；
[0084]
图12b示出了本发明实施例所提供的像源的第二结构示意图；
[0085]
图13a示出了本发明实施例所提供的像源的第三结构示意图；
[0086]
图13b示出了本发明实施例所提供的像源的第四结构示意图；
[0087]
图14a示出了本发明实施例所提供的像源的第五结构示意图；
[0088]
图14b示出了本发明实施例所提供的像源的第六结构示意图；
[0089]
图15示出了本发明实施例所提供的近眼显示系统的一种详细结构示意图；
[0090]
图16a示出了实施例1中超表面元件的相位分布图；
[0091]
图16b示出了实施例1中相位补偿器的相位分布图；
[0092]
图17a示出了实施例2中超表面元件的相位分布图；
[0093]
图17b示出了实施例2中相位补偿器的相位分布图。
[0094]
图标：
[0095]
10-超表面元件、20-光线控制元件、30-像源、40-中继光学系统、11-调制单元、12-基底、21-相位补偿器、22-第一起偏器、31-光源、32-图像产生器、33-第二起偏器、301-第一单色光源、302-第二单色光源、303-第三单色光源、304-第一分光镜、305-第二分光镜、306-第三分光镜、311-第四单色光源、312-第五单色光源、313-荧光转盘、314-第四分光镜、315-第五分光镜、321-数字微镜器件、322-扩束器、323-空间光调制器、324-反射镜、325-透反棱镜、41-光线偏折元件、42-折射透镜、43-超透镜、1-镜腿。
具体实施方式
[0096]
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。
[0097]
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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0098]
在本发明中，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发明中的具体含义。
[0099]
本发明实施例提供一种图像组合器，参见图1所示，该图像组合器包括：超表面元件10和光线控制元件20。超表面元件10被配置为能够反射用于成像的成像光线a，并能够透过可见光波段的至少部分光线b；入射至超表面元件10的成像光线的入射角θi大于成像光
线的反射角θr。光线控制元件20位于超表面元件10远离成像光线a的一侧，被配置为能够透过可见光波段的至少部分光线b，并控制透过光线控制元件20以及超表面元件10的可见光波段的至少部分光线b是无像差的。
[0100]
图像组合器能够向人眼提供图像，并且允许外部的环境光进入人眼，使得人眼可以同时看到该图像和外部事物。如图1所示，成像光线a可以在眼动范围(eyebox)内成像，使得位于该眼动范围内的用户可以观看到由该成像光线a所成的像；并且，外部的环境光(例如图1中的光线b)也可射入至人眼所在位置，使得用户在眼动范围内可以同时看到所成的像以及外部事物。
[0101]
本发明实施例中，该图像组合器包括基于超表面技术设计制作的超表面元件10，该超表面元件10具有透反功能，其能够反射用于成像的成像光线a，从而能够将该成像光线a反射至人眼所在位置；并且，该超表面元件10还能够透过光线b，该光线b为可见光波段的光线，例如，环境光中可见光波段的部分光线能够透过该超表面元件10。由于超透镜本身具有一定的透反效果，故该超表面元件10可以为超透镜，以实现透反功能；或者，也可在超表面元件10表面设置透反膜，例如在超表面元件10靠近光线控制元件20的一侧设置透反膜，基于该透反膜增强透反效果，本实施例对此不做限定。
[0102]
一般情况下，超表面元件10按照人眼的观察方向反射成像光线a，而为了避免人眼直接观察到出射成像光线a的设备，射入超表面元件10的成像光线a与人眼的观察方向差异较大，若超表面元件10实现传统的反射功能，则会导致图像组合器整体厚度较厚；例如，射入超表面元件10的成像光线a与人眼的观察方向垂直(如图1所示)，则需要超表面元件10与人眼观察方向之间的夹角为45
°
，导致图像组合器整体厚度较厚。而在本发明实施例中，该超表面元件10能够以更小的角度反射光线，即射入至该超表面元件10的光线，其反射角小于入射角。如图1所示，射入至超表面元件10的成像光线a的入射角为θi，该超表面元件10能够以小于该入射角θi的反射角θr反射该成像光线a。
[0103]
由于射入至超表面元件10的成像光线的入射角大于反射角，使得该超表面元件10与人眼所在平面(如图1所示的eyebox所在平面，该平面为用于观察图像的观察面)之间夹角较小的情况下，从侧边入射的成像光线a仍然可以被反射至人眼所在位置，从而能够在人眼正前方成像。由于该超表面元件10与人眼所在平面之间的夹角可以比较小，使得该图像组合器整体上的厚度(在观察方向上的厚度)较小，可以减小图像组合器的体积。其中，该超表面元件10与人眼所在平面之间的夹角小于45
°
；例如，该夹角小于25
°
，具体可以为20
°
、10
°
等。
[0104]
本发明实施例中，具有透反功能的超表面元件10对直接入射的环境光也会具有一定的调制效果，导致该超表面元件10所透过的环境光存在像差，用户透过超表面元件10无法正常观看外部环境，本实施例通过设置光线控制元件20使得进入人眼的环境光是无像差的。具体地，该光线控制元件20设置在超表面元件10远离成像光线a的一侧，使得被反射的成像光线a不会到达该光线控制元件20后再被反射至人眼，不影响成像光线a成像；而从外部射入的环境光(如图1所示的光线b)可以依次经过光线控制元件20、超表面元件10后到达人眼，在光线控制元件20的作用下，使得入射至人眼的环境光线是无像差的。
[0105]
需要说明的是，本发明实施例中，在入射至人眼的环境光的像差足够小的情况下，即可认为该环境光是“无像差”的，并不要求该环境光的像差绝对为零，只要用户可以正常
观看外部事物即可。例如，该环境光的像差小于预设阈值，则可认为该环境光是无像差的。
[0106]
本发明实施例提供的一种图像组合器，能够反射成像光线并透射可见光波段的至少部分环境光，使得成像光线和环境光可以一并进入人眼；超表面元件10通过对入射的成像光线进行调制，使得成像光线的反射角小于入射角，该超表面元件10与人眼所在平面之间的夹角较小，能够减小图像组合器的厚度，体积较小，且能够实现空间体积小的情况下的光路转换；并且，基于超表面技术的超表面元件10本身具有轻薄且易加工的特点，降低了图像组合器的体积重量以及设计、加工难度，可以节约成本。光线控制元件20能够配合超表面元件10的调制效果，使得环境光透过光线控制元件20、超表面元件10后是仍然是无调制的，环境光能够无像差地进入人眼，使得用户可以观看到无失真的外部环境。
[0107]
可选地，参见图2所示，该超表面元件10包括：沿x方向排布的多个调制单元11；x方向为超表面元件10所在平面中的一个方向，并且，在该x方向上不同位置处的调制单元11，其与用于观察成像光线所成图像的观察面之间的距离不同。调制单元11被配置为对以第一角度入射的成像光线进行相位调制，并以第二角度反射调制后的成像光线；第一角度大于第二角度。
[0108]
本发明实施例中，射入至超表面元件10的成像光线a以及人眼的观察位置是相对固定的；例如，在将该图像组合器应用至ar眼镜中时，发出成像光线a的像源位置固定，一般位于镜腿或者镜片的侧边，而人眼位置相对于该ar眼睛来说也是固定的；本实施例中，该超表面元件10主要用于在成像光线a与观察位置共同所在的平面内，减小成像光线a的出射角；具体地，设置x方向，该x方向为超表面元件10所在平面中的一个方向，也是成像光线a与观察位置共同所在的平面中的一个方向。如图1所示，图1示出的超表面元件10所对应的方向可以为x方向，在该x方向上，超表面元件10中不同位置的调制单元11与观察面之间的距离互不相同。例如，若该图像组合器作为ar眼镜的镜片，该x方向基本可以为左眼与右眼之间的方向。
[0109]
该超表面元件10内的调制单元11沿该x方向排列；如图2所示，x方向为左右方向，多个调制单元11左右排列分布。成像光线a以第一角度入射至该调制单元11，经调制单元11调制后，成像光线a以第二角度被反射；即，该成像光线a的入射角为第一角度，反射角为第二角度；如上所示，成像光线a的入射角大于反射角，即第一角度大于第二角度。图1中，θi即可表示第一角度，θr即可表示第二角度。其中，该调制单元11可以包括一个纳米结构，形成类似光栅结构的超表面元件10；或者，如图2所示，该调制单元11也可包括多个纳米结构，在该调制单元11内，多个纳米结构沿垂直于x方向的方向排列；图2中以圆形表示纳米结构。
[0110]
可选地，该调制单元11所调制的相位满足：
[0111][0112]
其中，表示位于位置x处的调制单元11所调制的相位，θr表示第二角度，θi表示第一角度，k表示波数，表示预设的常数相位。
[0113]
本发明实施例中，对于沿x方向分布的调制单元11，由于其入射角大于反射角，故平行入射至超表面元件10的两束光束，二者的反射光束之间的相位差满足：
[0114]
[0115]
其中，δx表示两束光束在x方向上的距离；当δx趋近于0时，即可得：
[0116][0117]
基于上式(3)，通过积分运算即可得上式(1)。为预设的任意值，其可以为0、π/2等，本实施例对此不做限定。若调制单元11包含多个纳米结构，则每个纳米结构的就结构可以是相同，该纳米结构所调制的相位也满足上式(1)。本发明实施例中，该超表面元件10沿x方向设置其相位分布，可以简单地实现减小反射角，设计简单。
[0118]
可选地，第一角度与第二角度之和为90
°±
δα；δα表示小于预设阈值的角度，即入射至超表面元件10的成像光线a与该超表面元件10所反射的成像光线a基本是垂直的。例如，该预设阈值可以为20
°
，该具体可以为10
°
、5
°
等。
[0119]
此外可选地，参见图1和图3所示，该超表面元件10还包括：基底12；基底12在可见光波段透明。多个调制单元11排列在基底12的一侧；光线控制元件20位于基底12远离调制单元11的一侧。
[0120]
本发明实施例中，该超表面元件10采用在可见光波段透明的基底12，使得外部环境光透过光线控制元件20后，可以正常透过该基底12。并且，为了避免基底12直接反射成像光线a，该调制单元11位于基底12靠近成像光线a的一侧，光线控制元件20位于基底12远离调制单元11的一侧，使得成像光线a能够在被调制单元11调制后再被反射。
[0121]
在上述任一实施例的基础上，该光线控制元件20可以通过相位补偿或转换环境光特性的方式，实现环境光无像差地入射至人眼。具体地，若可见光波段的至少部分光线b透过超表面元件10时，超表面元件10对该光线b进行相位调制，则该光线控制元件20可以具有相位补偿功能；或者，若超表面元件10本身对可见光波段内某些特性的光线不具有调制效果，则该光线控制元件20可以将环境光转换为具有该特性的光线，该光线即为可见光波段的部分光线b，且该光线b在透过超表面元件10时不会被超表面元件10调制，使得人眼也可以观看到无像差的光线b。
[0122]
具体地，如图4所示，该光线控制元件20包括：相位补偿器21；相位补偿器21被配置为对可见光波段的至少部分光线b进行相位调制，且相位补偿器21所调制的相位能够补偿超表面元件10对透过的可见光波段的至少部分光线b所调制的相位。
[0123]
本发明实施例中，外部的环境光射入至相位补偿器21，其中的至少部分光可以透过该相位补偿器21，相位补偿器21所透过的光可以称为光线b，即可见光波段的至少部分光线；并且，该相位补偿器21对该光线b施加相位即相位补偿器21所调制的相位为该光线b透过超表面元件10时，该超表面元件10对该光线b施加相位即超表面元件10对透过的可见光波段的至少部分光线b所调制的相位为这两种相位是互补的，以能够形成无焦系统，使得射入至人眼的光线b是无像差的。
[0124]
具体地，该相位补偿器21的相位满足：
[0125][0126]
其中，mod()表示取余函数。
[0127]
例如，参见图4所示，该相位补偿器21包括至少一侧为自由曲面的折射透镜，利用自由曲面的表面实现相位调制；如图4所示，该折射透镜外侧为平面，内侧(靠近超表面元件
10的一侧)为自由曲面。
[0128]
或者，参见图5所示，该相位补偿器21为超透镜，该超透镜的相位分布可以实现相位补偿功能；例如，该超透镜的相位分布满足上式(4)。
[0129]
此外可选地，参见图6所示，在相位补偿器21为超透镜的情况下，该相位补偿器21与超表面元件10贴合设置。例如，相位补偿器21与超表面元件10可以共用同一个基底12，二者的纳米结构分别位于该基底12的两侧，使得图像组合器的体积更小，更加轻薄。
[0130]
可选地，参见图7所示，该光线控制元件20包括：第一起偏器22。该第一起偏器22被配置为将透过第一起偏器22的可见光波段的至少部分光线转换为第一偏振态的光线；超表面元件10被配置为能够反射第二偏振态的成像光线，且超表面元件10对入射的第二偏振态的光线进行几何相位调制；该第一偏振态与第二偏振态不同。
[0131]
本发明实施例中，该超表面元件10为几何相位超表面，其可以对入射的第二偏振态的光线进行相位调制，而对其他偏振态的光线不进行调制；当第二偏振态的成像光线a射入至该超表面元件10后，其可以对该第二偏振态的成像光线a进行几何相位调制，并将该第二偏振态的成像光线a反射至人眼。而第一起偏器22能够将环境光转换为第一偏振态的光线(该过程不会引入像差)，例如，该第一起偏器22只能够透过可见光波段内第一偏振态的光线，使得透过该第一起偏器22并到达超表面元件10的光线b为第一偏振态的光线。该第一偏振态的光线b在透过超表面元件10时，由于该超表面元件10不对第一偏振态的光线进行相位调制，故最终到达人眼的环境光只是第一偏振态的光线，其仍然是无像差的。
[0132]
为保证成像效果，该第一偏振态与第二偏振态是正交的。例如，该第一偏振态为第一偏振方向的线偏振，第二偏振态为第二偏振方向的线偏振，该第一偏振方向与第二偏振方向垂直；或者，该第一偏振态为左旋圆偏振，第二偏振态为右旋圆偏振；或者，该第一偏振态为右旋圆偏振，第二偏振态为左旋圆偏振。本实施例对两种偏振态的具体方式不做限定。
[0133]
本发明实施例还提供一种近眼显示系统，参见图8所示，该近眼显示系统包括：像源30和如上任一实施例提供的图像组合器，即该近眼显示系统包括超表面元件10和光线控制元件20，图8以光线控制元件20包括相位补偿器21为例示出。其中，该像源30被配置为发出能够射向图像组合器的成像光线，如上述的成像光线a；图像组合器位于像源30的出光侧，图像组合器的光线控制元件20位于图像组合器的超表面元件10远离像源30的一侧。
[0134]
本发明实施例中，利用该图像组合器，允许成像光线以较大的入射角入射至超表面元件10，图像组合器的体积较小。例如，如图8所示，该近眼显示系统应用至ar眼镜时，该像源30可以位于镜腿1上，该图像组合器作为该眼镜的镜片；即使该图像组合器的厚度较小，像源30发出的成像光线仍然可以以较大的入射角射入至图像组合器，并被图像组合器反射至人眼。
[0135]
可选地，为使得图像组合器所反射的成像光线与人眼的观察方向一致，该超表面元件10反射成像光线的反射角θr与超表面元件10的设置角相同；其中，该超表面元件10的设置角为超表面元件10与用于观察成像光线所成图像的观察面之间的夹角；如图8所示，该设置角为超表面元件10与眼动范围所在平面之间的夹角。若入射至超表面元件10的成像光线垂直于人眼的观察方向，则入射至超表面元件10的成像光线，与该超表面元件10反射的成像光线也垂直。
[0136]
可选地，该设置角即为上述的超表面元件10与人眼所在平面的夹角。为了保证图
像组合器的厚度较小，该超表面元件10的设置角小于或等于25
°
。例如，该设置角为20
°
、10
°
等。
[0137]
此外可选地，如图8所示，该近眼显示系统还包括：中继光学系统40；中继光学系统40位于像源30与图像组合器之间，被配置为将像源30发出的光线调整为射向图像组合器。
[0138]
本发明实施例中，该近眼显示系统应用至ar眼镜等可穿戴设备时，由于可穿戴设备体积有限，为有效利用该可穿戴设备的结构框架，可以利用中继光学系统40对像源30发出的成像光线进行调整。例如，如图8所示，该中继光学系统40可以包括折射透镜42和/或超透镜43，以能够对成像光线进行调整；或者，该中继光学系统40也可以包括4f镜组，可以实现图像放大等功能。
[0139]
可选地，如图8所示，该中继光学系统40包括：光线偏折元件41；该光线偏折元件41被配置为将射入的成像光线反射至图像组合器。本实施例中，利用该光线偏折元件41，可以将位于镜腿1处的像源30发出的成像光线反射至位于镜片处的图像组合器。
[0140]
本发明实施例中，如图8所示，该光线控制元件20可以为超透镜形式的相位补偿器21。并且，该近眼显示系统也可采用上述图6所示的图像组合器，该近眼显示系统的结构可参见图9所示；或者，该近眼显示系统也可采用上述图4所示的图像组合器，该近眼显示系统的结构可参见图10所示。
[0141]
或者，该近眼显示系统也可采用上述图7所示的图像组合器，即光线控制元件20包括第一起偏器22，此时，该像源30被配置为发出第二偏振态的成像光线。本发明实施例中，该像源30可以发出第二偏振态的成像光线，使得入射至该超表面元件10的成像光线a是第二偏振态的，进而在第一起偏器22的作用下实现环境光无像差地射入至人眼。
[0142]
可选地，该像源30可以为传统的能够发出特定偏振态光线的显示器，例如液晶显示器，其发出的成像光线为线偏振光。此外可选地，参见图11所示，该像源30包括第二起偏器33；第二起偏器33被配置为在成像光线射至超表面元件10之前，将成像光线转换为第二偏振态的光线。本发明实施例中，利用第二起偏器33生成第二偏振态的成像光线，使得该成像光线的偏振态较好，能够有效避免重影的问题。
[0143]
在上述任一实施例的基础上，参见图8所示，该像源30包括光源31和图像产生器32；光源31被配置为发出光线；图像产生器32位于光源31的出光侧，被配置为将光源31发出的光线转换为成像光线。
[0144]
本发明实施例中，光源31为背光源，其发出图像产生器32成像时所需的光线；该图像产生器32能够将光源31发出的光线转换为能够成像的成像光线。例如，该图像产生器32可以为液晶面板，该像源30即可以是液晶显示器。其中，在需要生成第二偏振态的成像光线的情况下，该第二起偏器33可以位于该光源31与图像产生器32之间，也可以位于图像产生器32的出光侧；如图11所示，该第二起偏器33可以嵌入在中继光学系统40中，本实施例对该第二起偏器33的位置不做限定。
[0145]
可选地，光源31分时发出不同波段的光线，利用视觉停留效应实现成像。具体地，该光源31被配置为分时发出第一波段的第一光线、第二波段的第二光线和第三波段的第三光线；第一波段、第二波段、第三波段为可见光波段内不同的波段，且超表面元件10能够反射位于第一波段、第二波段、第三波段内的至少部分光线。
[0146]
本发明实施例中，光源31能够分时发出至少三种光线，即分时发出第一光线、第二
光线、第三光线，每束光线的持续时间可由近眼显示系统的刷新率决定，该近眼显示系统的刷新率具体可以为图像产生器32的刷新率。例如，对于刷新率为120hz的近眼显示系统，每束光的持续时间为8.33毫秒；每三束光(包括第一光线、第二光线、第三光线)即可形成一帧图像，即每25毫秒可以生成一帧图像，该近眼显示系统显示图像的帧率为40hz。
[0147]
该超表面元件10能够对第一波段、第二波段、第三波段内的至少部分光线均有调制效果，可以将这三种波段内的光线以更小的反射角反射至人眼。例如，该超表面元件10可以为多波长色差矫正超表面，其能够对第一波段、第二波段、第三波段内的光线进行色差校正，可以保证成像效果。
[0148]
可选地，该图像产生器32包括：数字微镜器件321。或者，该图像产生器32包括：扩束器322和空间光调制器323；扩束器322位于光源31的出光侧，被配置为对光源31出射的光线进行扩束；空间光调制器323位于扩束器322的出光侧，被配置为将扩束器322发出的光线转换为成像光线。
[0149]
其中，数字微镜器件(dmd)321是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列；例如，dmd由许多小型铝制反射镜面构成，镜片的多少由显示分辨率决定，一个小镜片对应一个像素。将物体成像于dmd上，通过dmd的像素级可控特性及其高速的翻转频率，再将每个像点依次进行扫描，可以实现高速点扫描成像。该空间光调制器(slm)323可以是液晶空间光调制器，也可以是基于超表面的空间光调制器等，本实施例对此不做限定。其中，利用扩束器322对出射的成像光线进行扩束，从而能够将激光扩束为均匀且易于成像的成像光线，方便空间光调制器323成像。
[0150]
可选地，第一波段、第二波段、第三波段分别为红光波段、绿光波段、蓝光波段中的一个，即可以利用红绿蓝三原色光线实现投影成像；下述的图12a-图14b中，分别以r、g、b表示红光、绿光和蓝光。
[0151]
可选地，参见图12a和图12b所示，该光源31包括第一单色光源301、第二单色光源302、第三单色光源303、第一分光镜304和第二分光镜305；第一单色光源301用于发出第一光线，第二单色光源302用于发出第二光线，第三单色光源303用于发出第三光线；第一分光镜304位于第一单色光源301的出光侧，用于将第一单色光源301发出的第一光线调整为与第三光线的出射方向相同；第二分光镜305位于第二单色光源302的出光侧，用于将第二单色光源302发出的第二光线调整为与第三光线的出射方向相同。
[0152]
本发明实施例中，该光源31包括能够分时工作的第一单色光源301、第二单色光源302和第三单色光源303，从而能够分时发出第一光线、第二光线、第三光线；其中，第一单色光源301发出的第一光线、第二单色光源302发出的第二光线分别经过第一分光镜304和第二分光镜305调整后，可以使得第一光线、第二光线、第三光线按照相同的出射方向出射；如图12a所示，三种光线均从下向上射出；或者如图12b所示，三种光线均从左向右射出。例如，第一光线、第二光线、第三光线共轴。
[0153]
如图12a所示，该图像产生器32包括数字微镜器件321，通过控制数字微镜器件321中相应位置的镜片偏转，可以将光源31发出的光线转换为能够成像的成像光线。如图12a所示，该图像产生器32还可以包括透反棱镜325，利用透反功能生成所需出射方向的成像光线；如图12a所示，可以生成从左向右的成像光线。或者，如图12b所示，该图像产生器32包括扩束器322和空间光调制器323；光源31发出的光线经扩束器322扩束后射向空间光调制器
323，从而生成能够成像的成像光线a。
[0154]
可选地，如图13a图13b所示，该光源31还包括第三分光镜306；第三分光镜306位于第三单色光源303的出光侧，用于调整第三单色光源303发出的第三光线的出射方向。本发明实施例中，第一单色光源301、第二单色光源302、第三单色光源303可以并列设置，利用第一分光镜304、第二分光镜305、第三分光镜306调整光线的传播方向，使得三者可以同向地射出。
[0155]
可选地，第一分光镜304和第二分光镜305均为二向色镜。如图12a至图13b所示，第一分光镜304和第二分光镜305均位于光源31的主光轴上，且第一分光镜304比第二分光镜305更靠近光源31的出光侧。第一分光镜304被配置为反射第一波段的光线、并透射第二波段和第三波段的光线；第二分光镜305被配置为反射第二波段的光线、并透射第三波段的光线；其中，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次增大或依次减小。
[0156]
本发明实施例中，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次增大，例如，三种波段依次为蓝光波段、绿光波段、红光波段；或者，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次较小，例如，如图12a至图13b所示，三种波段依次为红光波段、绿光波段、蓝光波段。依据这种方式设置，可以方便地选取合适的二向色镜。
[0157]
以图12a至图13b所示光源31为例，第一单色光源301用于发出红色光线、第二单色光源302用于发出绿色光线、第三单色光源303用于发出蓝色光线。此时，该第一分光镜304只需要能够反射红色波段以及波长大于红色波段的光线、并透射波长小于红色波段的波段(包括绿色波段和蓝色波段)即可；类似地，该第二分光镜305只需要能够反射绿色波段以及波长大于绿色波段的光线、并透射波长小于绿色波段的波段(包括蓝色波段)即可。第三分光镜306可以为能够反射蓝色波段的二向色镜，也可以为普通的反光镜，本实施例对此不做限定。
[0158]
可选地，该第一单色光源301、第二单色光源302、第三单色光源303为窄带激光器或窄带发光二极管。其中，单色光源的带宽与中心波长的比值小于预设值(例如0.1、0.03等)即可认为该单色光源为窄带光源。
[0159]
可选地，参见图14a和图14b所示，该光源31包括第四单色光源311、第五单色光源312和荧光转盘313；第四单色光源311和第五单色光源312均用于发出第一光线；所示荧光转盘313位于第四单色光源311的出光侧，用于将第四单色光源311发出的第一光线转换为第二光线和第三光线，并射出；第五单色光源312发出的第一光线被射出。其中，第一波段的波长小于第二波段和第三波段的波长。
[0160]
本发明实施例中，第一波段为三种波段中波长最小的波段；例如，对于rgb三原色光线，该第一波段为蓝光波段。利用荧光转盘313能够激发更大波长光线的特点，基于该荧光转盘313生成更大波段的第二光线和第三光线。
[0161]
可选地，如图14a和图14b所示，光源31还包括第四分光镜314和第五分光镜315。第四分光镜314和第五分光镜315均位于荧光转盘313的出光侧；第四分光镜314用于将荧光转盘313转换出射的第二光线调整为与第五单色光源312发出的第一光线的出射方向相同；第五分光镜315用于将荧光转盘313转换出射的第三光线调整为与第五单色光源312发出的第一光线的出射方向相同。
[0162]
本发明实施例中，该第四分光镜314和第五分光镜315与上述实施例中的第一分光
镜304和第二分光镜305类似，可以将转换后的第二光线、第三光线调整为与第五单色光源312发出的第一光线的出射方向相同。
[0163]
可选地，该第四分光镜314和第五分光镜315也可以是二向色镜。与上述的第一分光镜304和第二分光镜305相似，如图14a和图14b所示，该第四分光镜314和第五分光镜315均位于光源31的主光轴上，且第五分光镜315比第四分光镜314更靠近光源31的出光侧；第四分光镜314被配置为反射第二波段的光线、并透射第一波段的光线；第五分光镜315被配置为反射第三波段的光线、并透射第一波段、第二波段的光线；其中，第二波段的波长小于第三波段的波长。
[0164]
本发明实施例中，该第四分光镜314与上述的第二分光镜305相似，该第五分光镜315与上述的第一分光镜304相似，它们的工作原理相同，此处不做赘述。本发明实施例中，第一波段、第二波段、第三波段对应的波长依次增大；例如，如图14a和图14b所示，该第一波段为蓝色波段，第二波段为绿色波段，第三波段为红色波段。
[0165]
以上详细介绍了该近眼显示系统的结构和功能，下面以图15所示的近眼显示系统为例，介绍该近眼显示系统中图像组合器的结构和功能。
[0166]
实施例1
[0167]
在实施例1中，该近眼显示系统的结构如图15所示，其光源31为三单色激光器，图像产生器32为空间光调制器323，并设有反射镜324调整光线光路。中继光学系统40为基于多波长色差像差矫正的超透镜光学系统；图像组合器为双面超表面。其中，该图像组合器与人眼观察面之间的夹角θ为10
°
。在超表面元件10的x方向上，该超表面元件10的相位分布参见图16a所示；其中，横坐标表示位置x，纵坐标表示位置x处对应的相位(图中纵坐标的范围为0～7rad)；图16a中左图示出了x取值从0～10000μm的相位分布，右图示出了x取值从0～30μm的相位分布。相应地，在该x方向上，相位补偿器21的相位分布参见图16b所示；其中，横坐标表示位置x，纵坐标表示位置x处对应的相位(图中纵坐标的范围为0～7rad)；图16b中左图示出了x取值从0～10000μm的相位分布，右图示出了x取值从0～30μm的相位分布。
[0168]
实施例2
[0169]
在实施例2中，该近眼显示系统的结构如图15所示，其光源31为三单色激光器，图像产生器32为空间光调制器323，并设有反射镜324调整光线光路。中继光学系统40为基于多波长色差像差矫正的超透镜光学系统；图像组合器为双面超表面。与上述实施例1的区别在于，该图像组合器与人眼观察面之间的夹角θ为20
°
。
[0170]
在超表面元件10的x方向上，该超表面元件10的相位分布参见图17a所示；其中，横坐标表示位置x，纵坐标表示位置x处对应的相位(图中纵坐标的范围为0～7rad)；图17a中左图示出了x取值从0～10000μm的相位分布，右图示出了x取值从0～30μm的相位分布。相应地，在该x方向上，相位补偿器21的相位分布参见图17b所示；其中，横坐标表示位置x，纵坐标表示位置x处对应的相位(图中纵坐标的范围为0～7rad)；图17b中左图示出了x取值从0～10000μm的相位分布，右图示出了x取值从0～30μm的相位分布。
[0171]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。