一种基于超构表面的仿生全彩近眼显示装置

本发明涉及光电显示领域，特别是涉及一种基于超构表面的仿生全彩近眼显示装置。

背景技术：

1、近眼显示技术作为新型显示技术的代表，具有广泛的应用前景和诸多优势。它提供高清、沉浸式、个性化的视觉体验，满足了人们日益增长的多样化需求。这种技术不仅在个人消费电子产品中得到广泛应用，还在教育、医疗、娱乐和车载显示等领域展现出重要的实际意义。特别是在医疗和车载领域，近眼显示技术被视为未来发展的关键方向，其应用前景令人期待。这种技术的崛起反映了人们对更优质、更个性化视觉体验的追求，同时也体现了近眼显示技术产业的发展趋势。随着新型显示技术的不断涌现，近眼显示技术在产业中占据着重要地位。其高性能和个性化特点与产业发展方向高度契合，为产业创新和进步提供了新的动力。从产业规模和发展趋势来看，近眼显示技术展现出巨大的潜力，为整个显示行业带来了广阔的发展空间。这种技术与产业发展之间的内在联系推动着整个行业迈向更加繁荣和成熟的未来。

2、近眼显示技术的全彩化一直被认为是一项具有挑战性的技术。棱镜合成、rgb全彩和色彩转换法是全彩近眼显示技术中常见的方法。棱镜合成简单易实现，提供生动逼真的显示效果；rgb全彩通过组合三原色实现较准确的颜色再现；色彩转换法可在特定情境下实现精确色彩再现。然而，这些方法在全彩近眼显示技术产业化中可能引发色彩还原度不足、设备集成度下降、增加设备重量和光损耗增大等危害，导致成本上升、性能下降和用户体验降低。

技术实现思路

1、经申请人研究发现：面对背景技术中的挑战，由现代微纳技术孕育出的超构表面被认为是近眼显示技术的一个重要优化手段。超构表面是由人为设计的亚波长超原子构成，具有超高分辨率、小尺寸易于集成的优势，被认为是未来集成微纳光学的研究重点。而超构表面结构色受生物光子晶体启发，可以通过光和设计的超构表面相互作用，来实现对于特定波长的选择性。相比于传统色转换法，超构表面结构色具有强环境稳定性，能解决量子点/荧光粉色转化法中的稳定性问题。但是，透射模式的超构表面结构色并不能实现窄半高宽，低旁带的高质量光谱颜色，因此设计一种能产生高质量颜色的透射模式的超构表面结构色是至关重要的。

2、与此同时，申请人还发现传统显示领域中rgb组合混色法并不能还原自然界中的所有颜色，例如橙红色等等，这对近眼显示系统中的实际场景的还原是一项严重挑战。虽然人眼睛有三种视锥细胞，能感知自然界绝大多数颜色，但是存在像部分鸟类一样的四视锥细胞生物可以感知自然界中更多的颜色，一般来说，拥有四视锥细胞能还原和感知到更到的颜色和三视锥的动物相比，能感知到的颜色是后者的几百甚至几千倍，因此受鸟类等四视生物启发，在三基色以外添加其他不能实现的颜色可以在近眼显示中提供更好的颜色还原度和区分度。

3、有鉴于现有技术的上述的一部分缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超构表面的仿生全彩近眼显示装置，旨在提高近眼显示装置的集成度和轻便度以及稳定性，克服显示颜色还原度不足的问题。

4、为实现上述目的，本发明提供了一种基于超构表面的仿生全彩近眼显示装置，所述仿生全彩近眼显示装置包括：像素化白光微显示屏，所述像素化白光微显示屏设置于所述仿生全彩近眼显示装置的镜框或者镜片上，所述像素化白光微显示屏的发光面一侧设置有光线准直器，所述光线准直器表面设置四原色超构表面结构色像素阵列，所述四原色超构表面结构色像素阵列中的各个彩色像素透过所述光线准直器与所述像素化白光微显示屏的白光像素一一对应，所述彩色像素包括四个不同颜色的原色子像素；所述四原色超构表面结构色像素阵列的出光一侧设置空间光调制器；

5、所述仿生全彩近眼显示装置被配置为：响应于视频显示信号，所述空间光调制器根据所述视频显示信号对所述像素化白光微显示屏中的各个所述白光像素进行开关或灰度调控；所述像素化白光微显示屏的各个所述白光像素经过所述空间光调制器控制发出所述视频显示信号对应需求的非相干白光光源；所述非相干白光光源经过所述光线准直器角度调整后进入所述四原色超构表面结构色像素阵列，所述四原色超构表面结构色像素阵列通过电磁波共振实现对于所述非相干白光光源中特定波长光线的选择性透过，进而使各个所述白光像素的所述非相干白光光源经过对应的所述彩色像素后进行彩色化，获得颜色光；所述颜色光进入所述空间光调制器进行调制。

6、可选的，所述像素化白光微显示屏至少包括：micro-led显示屏、micro-oled显示屏、micro-qled显示屏、lcos显示屏中的一种；其中，所述像素化白光微显示屏的所述各个白光像素均具有单独调节开关和亮暗功能。

7、可选的，所述光线准直器至少包括：棱镜光栅光线准直器、微纳结构光栅光线准直器以及超构表面光线准直器中的一种。

8、可选的，所述空间光调制器至少包括：透射式光调制器和反射式光调制器中的一种。

9、可选的，所述四原色超构表面结构色像素阵列的所述彩色像素由多个超原子构成，所述超原子宽度为w，所述超原子间的间距为d，所述超原子的周期为p＝(w+d)，所述超原子的占空比为k＝(w/w+d)；其中，所述k越大，产生的旁带越低，所述彩色像素对应的色纯度越高，但是峰值也被限制，所述k可选范围为0.8-0.83，单个所述超原子的周期p增大，整个颜色会发生红移。

10、可选的，所述超原子为一维光栅，所述一维光栅的长度为0.5um-50um，纳米柱长宽相等，所述一维光栅结构带有偏振选择效果。

11、可选的，所述超原子为二维纳米柱，所述二维纳米柱有偏振不敏感性。

12、可选的，所述超原子的结构为在二氧化硅衬底上从上到下为由铝-介电材料-银-氧化铝垂直堆叠，所述银、所述介电材料和所述铝的厚度均为20nm，所述氧化铝厚度为200nm。

13、可选的，所述原色子像素大小为1-50um，所述超原子的所述介电材料为折射率为1.37-3的无损材料。

14、可选的，单个所述彩色像素分别由红、绿、蓝、黄四个所述原色子像素构成，红、绿、蓝、黄四个所述原色子像素对应超原子的周期p分别为400nm、340nm、270nm、350nm。

15、本发明的有益效果：1、本发明的仿生全彩近眼显示装置包括：像素化白光微显示屏，像素化白光微显示屏设置于仿生全彩近眼显示装置的镜框或者镜片上，像素化白光微显示屏的发光面一侧设置有光线准直器，光线准直器表面设置四原色超构表面结构色像素阵列，四原色超构表面结构色像素阵列中的各个彩色像素透过光线准直器与像素化白光微显示屏的白光像素一一对应，彩色像素包括四个不同颜色的原色子像素；四原色超构表面结构色像素阵列的出光一侧设置空间光调制器。相较于现有技术，本发明通过引入超构表面结构来实现全彩化，能够有效提高提高滤光性能，使得彩化质量更高；同时，超构表面具有超薄平面结构特性，也可以进而提高了设备的集成度和轻便度以及稳定性。2、相较于现有技术三原色的棱镜合成、rgb全彩和色彩转换法，本发明的彩色像素包括四个不同颜色的原色子像素，更多的基础颜色可以大大提高显示设备中的颜色还原度，提供更好的沉浸效果，克服了现有技术中颜色还原度不足的问题。

16、综上，本发明可以提高近眼显示装置的集成度和轻便度以及稳定性，使得近眼显示装置彩化质量更高，同时克服显示颜色还原度不足的问题。