实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组

本发明涉及光学透镜，尤其涉及一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组。

背景技术：

1、近些年来，随着微显示器、先进光学和软硬件技术的发展，ar（augmentedreality，增强现实）/vr（virtual reality，虚拟现实）显示产品也得到了更好的应用：

2、ar是一种将计算机生成的虚拟信息与真实世界场景相结合的技术。通过使用ar技术，用户可以在现实场景中看到虚拟元素，例如游戏、广告、教育、医疗等领域都有ar应用。ar技术通常需要使用摄像头和显示器等设备来呈现虚拟信息。

3、vr是一种通过计算机模拟的技术，创造出一个虚拟的环境，让用户感觉自己置身于其中。vr技术通常需要使用头戴式显示器、手柄等设备，以及专门的虚拟现实软件来呈现虚拟环境。vr技术在游戏、教育、军事、医疗等领域都有应用。

4、ar/vr显示产品高度依赖光波导光学模组的质量，光波导光学模组将视觉信息投射到非常靠近人眼的位置涵盖用户的全角度视野，然而，与人眼之间的这种接近度也放大了用户在远距离下观看时通常无法察觉的显示器缺陷。这些细微的显示器异常包括：图像边缘模糊，透过率低、色差大等。

技术实现思路

1、本发明提供一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组，用以解决现有技术中图像边缘模糊，透过率低、色差大的技术问题。

2、本发明提供一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，包括：圆形基底和基础阵列；圆形基底包括第一侧和第二侧，基础阵列设置在圆形基底的第二侧；基础阵列中包括多个纳米柱；所有纳米柱的高度相同；任一纳米柱均满足唯一的色散相位要求，在圆形基底中心处的相位调控量小于在圆形基底边缘处的相位调控量；其中，图像光线从圆形基底的第一侧射入，图像光线从圆形基底的第二侧射出后变成涡旋光束；涡旋光束能够将图像中相邻区域的灰度值相差大于第一预设数值的边缘加以突出强调；

3、其中，消色差涡旋超透镜的电场强度e（ω）表示为：

4、；

5、其中，表示消色差涡旋超透镜的环带个数；表示从消色差涡旋超透镜中心计算的第 i个环带的半径位移；表示从消色差涡旋超透镜中心计算的第 i-1个环带的半径位移；表示工作频率；表示散射电场的振幅；表示第 i个环带的基本聚焦相位轮廓； e表示相位分布；表示第 i个环带的电场强度；表示从所述消色差涡旋超透镜中心计算的半径位移，表示工作波长；

6、消色差涡旋超透镜的透镜方程表示为：

7、；

8、；其中，表示基本聚焦相位轮廓；表示实现消色差的色散相位；表示从消色差涡旋超透镜中心计算的半径位移；表示工作波长，表示工作波长中的最大波长；表示消色差涡旋超透镜的焦距；表示偏转角度；表示涡旋相位偏移；

9、；；其中，表示从消色差涡旋超透镜中心计算的水平位移；表示从消色差涡旋超透镜中心计算的垂直位移；表示涡旋相位偏移。

10、根据本发明提供的一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，相邻的纳米柱中心之间的距离相等。

11、根据本发明提供的一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，纳米柱的高度的取值范围是50nm至1000nm；纳米柱的横截面图形的最大长度的取值范围是10nm至200nm；纳米柱的横截面图形的最大宽度的取值范围是10nm至200nm。

12、根据本发明提供的一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，纳米柱的横截面图形为圆形、椭圆形、三角形、四边形和六边形中的其中一种。

13、本发明还提供一种光波导光学模组，包括：图像光源、第一圆偏振器、第二圆偏振器、衍射光波导和上述的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜；衍射光波导包括耦入光栅、平板波导和耦出光栅；图像光源用于提供携带有图像信息的图像光线；图像光线依次经过第一圆偏振器、消色差涡旋超透镜和第二圆偏振器后，从耦入光栅耦入到平板波导，耦出光栅用于将在平板波导内传导的图像光线耦出。

14、根据本发明提供的一种光波导光学模组，第一圆偏振器为左旋圆偏振器，第二圆偏振器为右旋圆偏振器；或者，第一圆偏振器为右旋圆偏振器，第二圆偏振器为左旋圆偏振器。

15、根据本发明提供的一种光波导光学模组，第一圆偏振器为左旋圆偏振器，且第一圆偏振器包括第一线偏振片和第一四分之一波片；第二圆偏振器为右旋圆偏振器，且第二圆偏振器包括第二线偏振片和第二四分之一波片；图像光线依次经过第一线偏振片、第一四分之一波片、消色差涡旋超透镜、第二四分之一波片和第二线偏振片。

16、根据本发明提供的一种光波导光学模组，耦入光栅和耦出光栅均为解耦合超构表面光栅。

17、本发明提供的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组，实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜包括圆形基底和基础阵列；圆形基底包括第一侧和第二侧，基础阵列设置在圆形基底的第二侧；基础阵列中包括多个纳米柱；所有纳米柱的高度相同；任一纳米柱均满足唯一的色散相位要求，在圆形基底中心处的相位调控量小于在圆形基底边缘处的相位调控量；图像光线从圆形基底的第一侧射入，从圆形基底的第二侧射出后变成涡旋光束；涡旋光束是具有环形光强分布、确定轨道角动量和螺旋型波前结构的光束；在传输过程中涡旋光束的光束中心具有相位奇点，因此涡旋光束能够将图像中相邻区域的灰度值相差大于第一预设数值的边缘加以突出强调。通过上述方式，本发明利用涡旋超透镜实现聚焦和消色差功能，使得人眼可以接收更多的现实场景；同时能够对图像进行边缘增强，提高图像的清晰度，便于不同的物类型的识别及其分布范围的圈定；并且经边缘增强后的图像能更清晰地显示出现实场景，提高光波导的透过率，使得透过率达到90%以上。

技术特征：

1.一种实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，其特征在于，包括：圆形基底和基础阵列；所述圆形基底包括第一侧和第二侧，所述基础阵列设置在圆形基底的第二侧；所述基础阵列中包括多个纳米柱；所有纳米柱的高度相同；任一纳米柱均满足唯一的色散相位要求；在所述圆形基底中心处的相位调控量小于在所述圆形基底边缘处的相位调控量；

2.根据权利要求1所述的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，其特征在于，相邻的纳米柱中心之间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，其特征在于，所述纳米柱的高度的取值范围是50nm至1000nm；所述纳米柱的横截面图形的最大长度的取值范围是10nm至200nm；所述纳米柱的横截面图形的最大宽度的取值范围是10nm至200nm。

4.根据权利要求1所述的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜，其特征在于，所述纳米柱的横截面图形为圆形、椭圆形、三角形、四边形和六边形中的其中一种。

5.一种光波导光学模组，其特征在于，包括：图像光源、第一圆偏振器、第二圆偏振器、衍射光波导和如权利要求1-4任一项所述的实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜；所述衍射光波导包括耦入光栅、平板波导和耦出光栅；

6.根据权利要求5所述的光波导光学模组，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的光波导光学模组，其特征在于，

8.根据权利要求5-7任一项所述的光波导光学模组，其特征在于，

技术总结
本发明提供实现边缘增强成像的消色差涡旋超透镜和光波导光学模组，涉及光学透镜技术领域，消色差涡旋超透镜包括圆形基底和基础阵列；基础阵列中包括多个高度相同的纳米柱；任一纳米柱均满足唯一的色散相位要求，在圆形基底中心处的相位调控量小于在圆形基底边缘处的相位调控量；图像光线从消色差涡旋超透镜射出后变成涡旋光束；涡旋光束能够将图像中相邻区域的灰度值相差大于第一预设数值的边缘加以突出强调。本发明利用涡旋超透镜实现聚焦和消色差功能，使得人眼接收更多的现实场景；同时能够对图像进行边缘增强，便于不同的物类型的识别及其分布范围的圈定；并且能更清晰地显示出现实场景，提高光波导的透过率，使得透过率达到90%以上。

技术研发人员：李勇,吴斐,王萌光,郑臻荣
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15