基于斜入射反射聚焦的超构透镜、AR眼镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜、AR眼镜及其制备方法。

背景技术

传统的增强现实(AR，Augmented Reality)眼镜，通过一系列光学组合器，能够对计算机生成的虚拟图像进行成像的同时，对真实世界的画面保持透明，从而使用户自然地体验虚拟图像和真实场景的融合。现有的利用棱镜、波导光栅的AR显示光学方案，受限于传统折反射定律，需要将多种功能的光学元件组合构建光路，因而体积庞大，且显示视场角受限，成像质量差，容易引起佩戴不适。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜、AR眼镜及其制备方法，可以减少体积、增大视场角、提高成像质量。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜，所述超构透镜应用于AR眼镜，所述超构透镜包括相对位置的第一平面和第二平面；其中，所述第一平面用于接收斜入射的第一入射光线，并反射聚焦所述第一入射光线以形成第一图像，所述第二平面用于透射第二入射光线以形成第二图像；所述超构透镜由若干个图形化排列的纳米单元组成，所述纳米单元的结构参数根据所述第一入射光线在所述第一平面不同位置反射的目标相位确定；所述超构透镜包括依次排列的衬底、键合层、间隔层、退火层、纳米单元及保护层，所述纳米单元嵌于所述退火层内，所述保护层覆盖所述纳米单元及所述退火层；所述第一入射光线由一种或多种波长光线组成，所述第二入射光线由一种或多种波长光线组成。

可选地，所述纳米单元包括偏振非相关性的中心对称结构。

可选地，所述纳米单元包括圆形、环形、方形、45°旋转方形、十字架形、45°旋转十字架形、圆形挖孔方形或方形挖孔圆形中的任意一种。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的AR眼镜，包括微型投影仪、镜架及上述的超构透镜，其中：

所述镜架，用于固定所述超构透镜和所述微型投影仪，所述镜架包括镜腿和镜框，所述微型投影仪固定在所述镜腿上，所述超构透镜固定在所述镜框内；

所述微型投影仪，用于向所述超构透镜的第一平面发射预设角度的所述第一入射光线；

所述超构透镜，用于接收所述微型投影仪发射的所述第一入射光线并反射聚焦所述第一入射光线以形成第一图像，以及接收外界透射的第二入射光线以形成第二图像。

可选地，所述微型投影仪的光源包括OLED、microLED或LCD中的任意一种。

第三方面，本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜的制备方法，包括：

根据数值仿真确定预设纳米单元集对预设斜入射角度的预设光线波长产生的反射相位和反射率，并形成数据库；

根据光线传输特性确定所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布；

根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，分别从所述数据库中匹配所述超构透镜在不同位置对应的目标纳米单元；

根据不同位置的所述目标纳米单元确定所述超构透镜，并采用半导体微纳加工工艺制备所述超构透镜。

可选地，所述根据数值仿真确定预设纳米单元集对预设斜入射角度的预设光线波长产生的反射相位和反射率，具体包括：

确定若干个纳米单元的结构参数，并将若干个所述纳米单元确定为预设纳米单元集；

采用数值模拟分别将所述预设纳米单元集中每一个纳米单元对预设斜入射角度的预设光线波长进行仿真，确定对应的反射相位和反射率；其中，所述预设纳米单元集中纳米单元的反射相位覆盖0-2π。

可选地，所述根据光线传输特性确定所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，具体包括：

将所述超构透镜分成若干个点分布的相位网格；

以所述超构透镜的中心为原点，确定每个相位网格的坐标；

根据预设的光线传输特性公式、相位网格的坐标、预设光线波长及预设斜入射角度分别计算预设斜入射角度的预设光线波长在每个相位网格反射的目标相位分布。

可选地，所述根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，分别从所述数据库中匹配所述超构透镜在不同位置对应的目标纳米单元，具体包括：

根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，从所述数据库中匹配满足相移要求的待选纳米单元集；

当所述待选纳米单元集中包含多个待选纳米单元，将对所述预设光线波长的反射率相近且平均反射率大的待选纳米单元作为目标纳米单元。

可选地，对所述预设光线波长的反射率相近的纳米单元通过以下方法确定：

分别计算确定位置的所述预设光线波长的目标反射相位与所述待选纳米单元集中各待选纳米单元的反射相位之差的绝对值，并分别计算所述绝对值的平均值；

将最小平均值对应的待选纳米单元作为对所述预设光线波长的反射率相近的纳米单元。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中应用于AR眼镜的超构透镜包括第一平面和第二平面，第一平面用于接收斜入射的第一入射光线并反射聚焦第一入射光线以形成第一图像，第二平面用于透射第二入射光线以形成第二图像；因此，超构透镜是透反一体的单层平面镜，降低了AR眼镜中透镜结构的复杂度，减少了体积，提高了成像质量；另外，超构透镜由若干个图形化排列的纳米单元组成，纳米单元的结构参数根据第一平面在不同位置反射的目标相位确定，超构透镜包括依次排列的衬底、键合层、间隔层、退火层、纳米单元及保护层，纳米单元嵌于退火层内，保护层覆盖纳米单元及退火层；超构透镜的视场角大小与数值孔径相关，通过增大数值孔径的大小可增大视场角。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种纳米单元的主视图；

图3是本发明实施例提供的多种纳米单元的俯视图；

图4是本发明实施例提供的一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜对斜入射光反射聚焦和对正入射光线透明的光路图；

图5是本发明实施例提供的一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜的制备方法的步骤流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于斜入射反射聚焦的AR眼镜的成像光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一第二第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一第二第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

超构表面是由金属或介质的亚波长微纳单元构成的超薄二维阵列平面，通过合理设计微纳结构的几何参数和排列方式，可以精准操控光的振幅、相位、偏振，从而实现光束的任意偏折、聚焦、偏振转换等功能。广泛应用于光学成像的超构透镜，相较于传统光学器件，能够提供更精准高效的相位控制，获得任意透射或反射光波前，从而实现传统光学元件难以实现的光束调制功能，且具有体积小、易集成、兼容半导体工艺等优势，在便携式电子设备、超分辨率显微镜、未来高性能可穿戴光学设备等技术领域都有非常广泛的应用前景。

尤其在增强现实显示领域，得益于超构透镜轻薄的体积和极高的设计自由度，通过对纳米单元的结构和尺寸进行选择和排布，仅使用单片结构，就能实现传统光学需要多个元件集成的复杂光路，从而有望在减小AR显示设备的体积的同时，突破视场角的限制。

本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜，所述超构透镜应用于AR眼镜，所述超构透镜包括相对位置的第一平面和第二平面；其中，所述第一平面用于接收斜入射的第一入射光线，并反射聚焦所述第一入射光线以形成第一图像，所述第二平面用于透射第二入射光线以形成第二图像；所述超构透镜由若干个图形化排列的纳米单元组成，所述纳米单元的结构参数根据所述第一入射光线在所述第一平面不同位置反射的目标相位确定；所述超构透镜包括依次排列的衬底、键合层、间隔层、退火层、纳米单元及保护层，所述纳米单元嵌于所述退火层内，所述保护层覆盖所述纳米单元及所述退火层；所述第一入射光线由一种或多种波长光线组成，所述第二入射光线由一种或多种波长光线组成。

需要说明的是，超构透镜是单层纳米单元排布形成，多个纳米单元的第一横截面形成第一平面，多个纳米单元的第二横截面形成第二平面。

需要说明的是，第一入射光线或第二入射光线均为一种或多种波长光线的组合光线。当第一入射光线或第二入射光线均为多种波长光线的组合光线，第一平面对第一入射光线均衡成像，第二平面对第二入射光线均衡透明。第一入射光线可以是投影仪发生的光线，第二入射光线可以是真实世界的可见光。

具体地，参阅图1，超构透镜包括依次排列的衬底6、键合层5、间隔层4、退火层3、纳米单元2及保护层1，纳米单元2嵌于退火层3内，保护层1覆盖纳米单元2及退火层3。

纳米单元在超构透镜中是周期性排布的，纳米单元的结构参数包括但不限于高度、重复周期、纳米单元的形状、旋向、各取向上的尺寸等。参阅图2，纳米单元的高度为H，重复周期为U。

需要说明的是，纳米单元及其衬底可以采用包括但不限于光学晶体、光学玻璃、光学薄膜、光学塑料、光学金属(金、银、铝等)、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等光学非金属材料的中任意一种或多种的光学介质材料制备而成。光学晶体包括但不限于光学单晶、光学多晶、光学非晶等。应用于AR眼镜的超构透镜，除了对显示红、绿、蓝等波长斜入射光需尽量高的反射率之外，还需考虑对正入射可见光波段的透过率。

可选地，所述纳米单元包括偏振非相关性的中心对称结构。

当纳米单元均为中心对称结构，纳米单元对不同线偏振态的入射光作用是一致的，因此该反射聚焦透镜也同时满足偏振非相关的条件，对入射光偏振态没有苛刻的要求，应用在AR眼镜中，无需在光路中增添器件对入射光或出射光进行的偏振调制，因此达到简化结构和提高光学效率的效果。

可选地，所述纳米单元包括圆形、环形、方形、45°旋转方形、十字架形、45°旋转十字架形、圆形挖孔方形或方形挖孔圆形中的任意一种。

参阅图3，在一个具体的实施例中，当纳米单元为不同结构，纳米单元的结构参数不同。例如，圆形的结构参数包括直径D，环形的结构参数包括外径D1和内径D2，45°旋转方形的结构参数包括棱长L。

参阅图4，斜入射光线以角度到达超构透镜8，形成反射聚焦光线9，反射聚焦光线9聚焦形成聚焦焦点10，外界的正入射光直接透过超构透镜8。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中应用于AR眼镜的超构透镜包括第一平面和第二平面，第一平面用于接收斜入射的第一入射光线并反射聚焦第一入射光线以形成第一图像，第二平面用于透射第二入射光线以形成第二图像；因此，超构透镜是透反一体的单层平面镜，降低了AR眼镜中透镜结构的复杂度，减少了体积，提高了成像质量；另外，超构透镜由若干个图形化排列的纳米单元组成，纳米单元的结构参数根据第一平面在不同位置反射的目标相位确定，超构透镜包括依次排列的衬底、键合层、间隔层、退火层、纳米单元及保护层，纳米单元嵌于退火层内，保护层覆盖纳米单元及退火层；超构透镜的视场角大小与数值孔径相关，通过增大数值孔径的大小可增大视场角。

本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的超构透镜的制备方法，包括：

S100、根据数值仿真确定预设纳米单元集对预设斜入射角度的预设光线波长产生的反射相位和反射率，并形成数据库。

需要说明的是，预设纳米单元集中纳米单元的结构参数是已知的，纳米单元的结构参数可以根据实际应用进行多种组合，预设纳米单元集可以根据实际应用进行更新。

需要说明的是，预设斜入射角度可以是一个或多个，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，预设斜入射角度包含AR眼镜中投影光线与超构透镜的夹角。

需要说明的是，预设光线波长包括一种或多种波长，具体根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，AR眼镜是彩色成像，预设光线波长包括红、绿、蓝三种光线波长。

可选地，所述根据数值仿真确定预设纳米单元集对预设斜入射角度的预设光线波长产生的反射相位和反射率，具体包括：

S110、确定若干个纳米单元的结构参数，并将若干个所述纳米单元确定为预设纳米单元集；

S120、采用数值模拟分别将所述预设纳米单元集中每一个纳米单元对预设斜入射角度的预设光线波长进行仿真，确定对应的反射相位和反射率；其中，所述预设纳米单元集中纳米单元的反射相位覆盖0-2π。

具体地，确定纳米单元的结构参数后，设定入射光的工作波长与斜入射角度θ，然后对每种纳米单元的起决定性的参数进行变化范围和变化间隔的设定，再利用数值仿真的方法对各纳米单元的各结构参数进行扫描，以获得不同结构参数组合下的单个纳米单元对该工作波长斜入射光所产生的反射相位和反射率数据库。

具体的扫描方法包括利用时域有限差分法、有限元差分法、耦合波分析法等数值模拟方法，获得出射光波的参数包括但不限于强度、偏振、相位、透射率、反射率等电磁场数据，从而建立纳米单元对特定条件入射光产生的反射相位与反射率数据库。

S200、根据光线传输特性确定所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布。

需要说明的是，超构透镜在不同位置反射的目标相位分布不同，因此，超构透镜在不同位置的纳米单元不同。

可选地，所述根据光线传输特性确定所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，具体包括：

S210、将所述超构透镜分成若干个点分布的相位网格；

S220、以所述超构透镜的中心为原点，确定每个相位网格的坐标；

S230、根据预设的光线传输特性公式、相位网格的坐标、预设光线波长及预设斜入射角度分别计算预设斜入射角度的预设光线波长在每个相位网格反射的目标相位分布。

具体地，按照球面波传输和菲涅尔双曲相位排布规律计算出对斜入射光反射聚焦超构透镜的相位分布公式(预设的光线传输特性公式)如下：

其中，(x,y)为透镜区域中采样点的位置，即每一个纳米单元的坐标；λ为设计的光线波长，

S300、根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，分别从所述数据库中匹配所述超构透镜在不同位置对应的目标纳米单元。

需要说明的是，根据目标相位分布从数据库中可能匹配多个相位满足要求的纳米单元，如果有多个相位满足要求的纳米单元，则需要从中挑选出最优匹配的纳米单元。匹配条件除相位外，还可以包括其它匹配条件，如反射率和平均反射率等，匹配条件根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。

可选地，所述根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，分别从所述数据库中匹配所述超构透镜在不同位置对应的目标纳米单元，具体包括：

S310、根据所述预设斜入射角度的预设光线波长在所述超构透镜不同位置反射的目标相位分布，从所述数据库中匹配满足相移要求的待选纳米单元集；

S320、当所述待选纳米单元集中包含多个待选纳米单元，将对所述预设光线波长的反射率相近且平均反射率大的待选纳米单元作为目标纳米单元。

需要说明的是，相移要求的精度根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。

具体地，当有多个纳米单元能同时满足各波长相位曲面在该位置的相移时，选取对各波长反射率相近且平均反射率大的纳米单元，以获得对各波长更高的反射聚焦效率和更均衡的成像性能；最终能够实现透镜对多种预设光线波长的无色差成像，应用在AR眼镜中则无需增添色差矫正器件。

可选地，对所述预设光线波长的反射率相近的纳米单元通过以下方法确定：

S311、分别计算确定位置的所述预设光线波长的目标反射相位与所述待选纳米单元集中各待选纳米单元的反射相位之差的绝对值，并分别计算所述绝对值的平均值；

S312、将最小平均值对应的待选纳米单元作为对所述预设光线波长的反射率相近的纳米单元。

在一个具体的实施例中，以预设光线波长包括红、绿、蓝三种工作波长为例，对于透镜区域的每一个采样点，首先，根据预设的公式分别计算对于红、绿、蓝三种波长入射光所需要的目标反射相位为(φ

S400、根据不同位置的所述目标纳米单元确定所述超构透镜，并采用半导体微纳加工工艺制备所述超构透镜。

具体地，半导体微纳加工工艺包括但不限于电子束曝光、紫外光刻、刻蚀或激光直写等，刻蚀方法可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀。

基于斜入射反射聚焦的超构透镜的制备方法，可以采用现有的半导体微纳加工工艺，不需要额外开发新的工艺技术。

本发明实施例提供了一种基于斜入射反射聚焦的AR眼镜，包括微型投影仪、镜架及上述的超构透镜，其中：

所述镜架，用于固定所述超构透镜和所述微型投影仪，所述镜架包括镜腿和镜框，所述微型投影仪固定在所述镜腿上，所述超构透镜固定在所述镜框内；

所述微型投影仪，用于向所述超构透镜的第一平面发射预设角度的所述第一入射光线；

所述超构透镜，用于接收所述微型投影仪发射的所述第一入射光线并反射聚焦所述第一入射光线以形成第一图像，以及接收外界透射的第二入射光线以形成第二图像。

具体地，参阅图6，位于眼镜臂的微型投影仪13将计算机生成的虚拟画面14斜入射投射到镜片15上，通过镜片反射呈放大的虚像17，同时镜片对真实世界的画面透明，从而人眼11通过此镜片能够直接看到虚拟图像17叠加在真实场景16中的画面。其中，图6中12表示成像视场角FOV。

在图6的AR眼镜中采用麦克斯韦视网膜投影显示法，即设计透镜的焦距等于适眼距离；此时镜片的焦点位于人瞳孔处，透镜能够将虚拟画面反射收敛至瞳孔，再于视网膜投射成像，产生无深度感的画面，这个方法能够避免在佩戴AR眼镜时，人眼在单一深度的虚拟画面和现实场景中反复交替调焦，长时间佩戴引起头晕不适。并且此时视场角FOV与透镜的数值孔径NA的关系可由物象公式导出：

因此，在固定适眼距离为透镜焦距的情况下，增大透镜尺寸即增大数值孔径，相应地提高视场角和成像分辨率。

可选地，所述微型投影仪的光源包括OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、microLED(微米发光二极管)或LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)中的任意一种。

具体地，OLED、microLED或LCD产生入射光具有偏振非相关性。

基于斜入射反射聚焦的AR眼镜能够减小AR眼镜的体积，提高成像质量，突破视场角的限制，通过增大数值孔径的大小可增大视场角。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。