一种图像组合器及近眼显示系统技术方案

本发明专利技术提供了一种图像组合器及近眼显示系统，其中，该图像组合器包括：超表面元件和光线控制元件；超表面元件被配置为能够以更小的反射角反射成像光线，并能够透过可见光波段的至少部分光线；光线控制元件位于超表面元件远离成像光线的一侧，被配置为能够透过可见光波段的至少部分光线，并控制透过光线控制元件以及超表面元件的可见光波段的至少部分光线是无像差的。通过本发明专利技术实施例提供的图像组合器及近眼显示系统，成像光线的反射角小于入射角，能够减小图像组合器的厚度，体积较小，能够实现空间体积小的情况下的光路转换；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。节约成本。节约成本。

【技术实现步骤摘要】
一种图像组合器及近眼显示系统


[0001]本专利技术涉及近眼显示
，具体而言，涉及一种图像组合器及近眼显示系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术实施例的目的在于提供一种图像组合器及近眼显示系统。
[0006]第一方面，本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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，θ
r
表示所述第二角度，θ
i
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，本专利技术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，所述第一分光镜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像组合器，其特征在于，包括：超表面元件(10)和光线控制元件(20)；所述超表面元件(10)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(10)的所述成像光线的入射角大于所述成像光线的反射角；所述光线控制元件(20)位于所述超表面元件(10)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(20)以及所述超表面元件(10)的所述可见光波段的至少部分光线是无像差的。2.根据权利要求1所述的图像组合器，其特征在于，所述超表面元件(10)包括：沿x方向排布的多个调制单元(11)；所述调制单元(11)包括至少一个纳米结构；所述x方向为所述超表面元件(10)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(11)与用于观察成像光线所成图像的观察面之间的距离不同；所述调制单元(11)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。3.根据权利要求2所述的图像组合器，其特征在于，所述调制单元(11)所调制的相位满足：其中，表示位于位置x处的所述调制单元(11)所调制的相位，θ
r
表示所述第二角度，θ
i
表示所述第一角度，k表示波数，表示预设的常数相位。4.根据权利要求2所述的图像组合器，其特征在于，所述超表面元件(10)还包括：基底(12)；所述基底(12)在所述可见光波段透明；多个所述调制单元(11)排列在所述基底(12)的一侧；所述光线控制元件(20)位于所述基底(12)远离所述调制单元(11)的一侧。5.根据权利要求2所述的图像组合器，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的图像组合器，其特征在于，所述光线控制元件(20)包括：相位补偿器(21)；所述相位补偿器(21)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(21)所调制的相位能够补偿所述超表面元件(10)对透过的所述可见光波段的至少部分光线所调制的相位。7.根据权利要求6所述的图像组合器，其特征在于，所述相位补偿器(21)包括至少一侧为自由曲面的折射透镜；或者，所述相位补偿器(21)为超透镜。8.根据权利要求7所述的图像组合器，其特征在于，在所述相位补偿器(21)为超透镜的情况下，所述相位补偿器(21)与所述超表面元件(10)贴合设置。9.根据权利要求1所述的图像组合器，其特征在于，所述光线控制元件(20)包括：第一起偏器(22)；所述第一起偏器(22)被配置为将透过所述第一起偏器(22)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；
所述超表面元件(10)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(10)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。10.根据权利要求9所述的图像组合器，其特征在于，所述第一偏振态与所述第二偏振态相互正交。11.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：像源(30)和如权利要求1
‑
10任意一项所述的图像组合器；所述像源(30)被配置为发出能够射向所述图像组合器的成像光线；所述图像组合器位于所述像源(30)的出光侧，所述图像组合器的光线控制元件(20)位于所述图像组合器的超表面元件(10)远离所述像源(30)的一侧。12.根据权利要求11所述的近眼显示系统，其特征在于，所述超表面元件(10)反射所述成像光线的反射角与所述超表面元件(10)的设置角相同，所述超表面元件(10)的设置角为所述超表面元件(10)与用于观察所述成像光线所成图像的观察面之间的夹角。13.根据权利要求12所述的近眼显示系统，其特征在于，所述超表面元件(10)的设置角小于或等于25
°
。14.根据权利要求11所述的近眼显示系统，其特征在于，还包括：中继光学系统(40)；所述中继光学系统(40)位于所述像源(30)与所述图像组合器之间，被配置为将所述像源(30)发出的光线调整为射向所述图像组合器。15.根据权利要求14所述的近眼显示系统，其特征在于，所述中继光学系统(40)包括：光线偏折元件(41)；所述光线偏折元件(41)被配置为将射入的成像光线反射至所述图像组合器。16.根据权利要求11所述的近眼显示系统，其特征在于，在所述图像组合器为如权利要求9或10所述的图像组合器的情况下，所述像源(30)被配置为发出第二偏振态的成像光线。17.根据权利要求16所述的近眼显示系统，其特征在于，所述像源(30...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝成龙，谭凤泽，朱瑞，朱健，
申请(专利权)人：深圳迈塔兰斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：