本发明属于显示，具体涉及一种基于像素化谐衍射元件的增强现实近眼显示系统。
背景技术：
1、增强现实近眼显示器是将虚拟数字信息和真实物理信息融合集成的新型交互窗口，因其具有虚实融合、三维沉浸、实时交互等特点而广泛应用于军事训练、工业制造、手术导航等领域，有望成为下一代人机交互显示平台。光学模组是增强现实近眼显示器的核心组件，其性能是直接影响成像质量和交互体验的关键因素，而光学模组的设计需要兼顾人眼视觉特性和人体工程学的要求，综合考虑视场、眼动范围、入眼光效率、角度分辨率、元件透射率、畸变、体积和质量等重要指标。从技术发展现状看，增强现实近眼显示技术多采用双目视差立体透视显示模式，通过不同类型光学模组(以自由曲面光学组件/几何光波导/衍射光波导/全息光波导为主流)将真实场景与虚拟图像融合显示。但面向消费级别应用时，增强现实近眼显示光学模组仍普遍存在各自的限制问题，比如自由曲面结构设计时视场与尺寸相制衡、光波导结构可实现轻薄系统但是视场角受限，此外还存在显示质量不高、深度范围小、辐辏聚焦矛盾带来的视觉疲劳等问题。因此通过创新光学架构、创新模型设计和采用新原理光学元件克服这些限制将变得非常重要。超表面是一种在二维平面上按照人为方式进行排列的亚波长电磁调控单元阵列，可以对光波的振幅、相位、偏振和频率参量进行任意调控，具有超薄、平面化、低损耗和易集成等优点，被普遍认为是下一代新型的光学元器件。借助超表面强大的光场调控能力和轻薄、平板化的特殊优势，能够为突破现有近眼显示系统存在的瓶颈问题提供新的解决思路，因此超表面光学技术有望成为研究和提升增强现实近眼显示的强有力平台。
2、目前已有国内外研究人员进行了将超表面应用在增强现实近眼显示领域的探索研究和有益尝试。例如，2017年美国华盛顿大学的c.hong等人首次提出了一种基于微显示器和超表面的增强现实近眼显示系统设计方案，与基于自由曲面反射镜的近眼显示系统相比，该系统具有体积小、视场角大等优点。但是，该系统仅能响应红色光，还不能实现彩色显示。之后，2021年美国华盛顿大学同小组的e.bayati等人又对上述方案进行了改进，提出了基于复合超表面的消色差增强现实近眼显示系统设计方案，其中距离人眼近的超表面实现消色差相位分布，用于反射来自显示器的光；另一个超表面用于避免由消色差超表面导致的真实光场信息的扭曲，具有大视场、小体积、消色差等优点。但是，复合超表面的内部结构复杂、特征尺寸极小，从而导致其制作工艺复杂、加工成本昂贵，同时在制作过程中两面超表面需要精确对准，从而进一步增加了复合超表面的加工难度。此外，中国专利201811187305.2公开了一种基于超微结构的增强现实近眼显示系统，所述的超微结构具有半透半反的功能，用于将微显示器发出的光线反射并汇聚至人眼瞳孔处，从而实现增强现实近眼显示的效果。然而，上述三种方案均采用反射式的光学系统设计，导致微显示器与超表面之间仍存在较大空间，阻碍了近眼显示系统体积的进一步减小。除此之外，中国专利202210019355.x公开了一种基于视网膜显示的超表面微纳近眼显示器，包括透明微显示像源、超表面微纳聚焦透镜组和超表面微纳补偿透镜组，具有大视场、小体积等优点。超表面微纳聚焦透镜组将透明微显示像源发射的光束信息聚焦在人眼晶状体光心，并最终到达视网膜成像；超表面微纳补偿透镜组可以抵消超表面微纳聚焦透镜组的聚焦作用，使得外界真实环境中的物体发射的光线经超表面微纳补偿透镜组和超表面微纳聚焦透镜组后无透镜作用正常进入人眼；透明微显示像源的像素由红绿蓝三个子像素构成，超表面微纳聚焦透镜层上的单个像素的纳米柱阵列与一个透明微显示像源的像素相对应，从而实现消色差的彩色显示。然而，所述的超表面微纳透镜组结构复杂且精细，并且为精确调制相位，不同像素纳米柱的长度、宽度、旋转角度均需不同，从而导致该结构的制备难度极大、加工成本昂贵。此外，本方案实现消色差的原理在于单个超表面像素的纳米柱阵列分区调制红绿蓝三个子像素发射光线的相位，从而实现色散抑制的效果，但是由多个子像素构成的微显示像源往往分辨率较低，难以实现高分辨率显示。另外，面向单像素宽光谱发光的微显示像源时，此方案难以实现良好的消色差效果，从而极大地限制了该方案的实用性，在此基础上，提出了一种基于像素化谐衍射元件的增强现实近眼显示系统。
技术实现思路
1、本发明主要提供了一种基于像素化谐衍射元件的增强现实近眼显示系统，克服现阶段用于增强现实近眼显示系统的消色差超表面光学器件普遍存在的加工难度大、加工成本高的问题，旨在提供一种低成本、易加工的消色差超表面光学器件，配合彩色透明显示屏实现大视场、小体积、消色差的增强现实彩色近眼显示效果。
2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:
3、一种基于像素化谐衍射元件的增强现实近眼显示系统，包括紧贴设置的彩色透明显示屏和像素化谐衍射元件，其中像素化谐衍射元件靠近人眼一侧，彩色透明显示屏靠近真实物体一侧；
4、所述的彩色透明显示屏由多个图像像素组成，用于显示目标图像，发出包含目标图像信息的光线入射到像素化谐衍射元件上；
5、所述的像素化谐衍射元件是由谐衍射元件逐像素离散后生成的，由多个离散的结构像素组成，结构像素与彩色透明显示屏上的图像像素一一对准；
6、像素化谐衍射元件上的每个结构像素，将对准的彩色透明显示屏上的图像像素发出的光线定向衍射到人眼的晶状体光心并最终到达视网膜上，从而形成视网膜投影彩色近眼显示的效果。
7、进一步的改进在于，结构像素的尺寸等于彩色透明显示屏上的图像像素的尺寸，相邻结构像素的间距等于彩色透明显示屏上的相邻图像像素的间距。
8、进一步的改进在于，所述的像素化谐衍射元件的设计步骤如下：
9、s1：谐衍射条件的确定：根据彩色透明显示屏的发光光谱确定设计主波长λm和谐衍射系数pm，之后依据谐衍射消色差原理确定谐衍射条件，即谐衍射波长λh和谐衍射级次ph：
10、λmpm＝λhph
11、s2：谐衍射元件的相位计算：建立显示平面与观察平面的坐标系，将两平面之间的距离记为d，将显示平面上任一位置记为a(x,y,0)，将观察平面上人眼晶状体光心所在位置记为b(0,0,d)，之后计算谐衍射元件的相位分布为：
12、
13、其中，mod(·)表示取余运算；
14、s3：谐衍射元件的连续形貌获取：选定谐衍射元件材料，根据材料折射率nm计算谐衍射元件的最大结构高度hmax为：
15、
16、于是，可以得到谐衍射元件的高度分布h(x,y,0)为：
17、
18、即为谐衍射元件的连续形貌；
19、s4：谐衍射元件的台阶化：建立谐衍射元件结构高度的量化台阶数与衍射效率之间的映射关系，综合考虑衍射效率、加工精度等因素确定台阶数n，之后对谐衍射元件的高度分布h(x,y,0)进行量化处理，得到谐衍射元件的台阶化高度分布为：
20、
21、即为谐衍射元件的多台阶形貌，其中round(·)表示取整运算；
22、s5：谐衍射元件的离散像素化：依据彩色透明显示屏的像素尺寸、像素间距对设计的谐衍射元件进行离散化处理，具体是将彩色透明显示屏作为一个二值掩模bm(x,y,0)，即图像像素区域内的坐标对应的元素值为1，图像像素区域外的坐标对应的元素值为0，之后利用谐衍射元件的台阶化高度分布乘以二值掩模bm(x,y,0)即可得到像素化谐衍射元件的高度分布为：
23、
24、至此，完成像素化谐衍射元件的整体设计。
25、进一步的改进在于，所述的每个图像像素发出的设计主波长及谐衍射波长对应的光线经过对准的结构像素谐衍射后将以相同的方向传播，从而实现消色差的显示效果。
26、进一步的改进在于，所述的彩色透明显示屏和像素化谐衍射元件对真实物体发出的光线均具有透过的功能，使得真实物体发出的光线也能进入人眼并最终到达视网膜上，进而在视网膜上实现真实物体图像和彩色透明显示屏上显示图像的叠加融合，形成增强现实彩色近眼显示的效果。
27、进一步的改进在于，所述的彩色透明显示屏为有机发光二极管显示、微米级有机发光二极管显示、微米级无机发光二极管显示、纳米级无机发光二极管显示中的任一种。
28、进一步的改进在于，所述的像素化谐衍射元件的材料为石英玻璃或k9玻璃。
29、进一步的改进在于，所述的像素化谐衍射元件上的微结构最小特征尺寸大于300nm。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31、1、本发明中的增强现实近眼显示系统由彩色透明显示屏和像素化谐衍射元件两个部件紧贴而成，避免了现有增强现实近眼显示系统中复杂的投影光路，结构简单、体积小、重量轻；
32、2、本发明中的增强现实近眼显示系统外观近似普通的眼镜镜片，并且像素化谐衍射元件靠近人眼一侧，从而有效地减小了出瞳距离，拓展了近眼显示的视场角；
33、3、与基于激光扫描技术的视网膜投影显示方法相比，本发明中像素化谐衍射元件上的结构像素与透明显示屏上的图像像素一一对准，使得彩色透明显示屏上的每个图像像素发出的光线被定向衍射到人眼的晶状体光心并最终到达视网膜上，从而形成视网膜投影显示的效果，避免了激光聚焦在晶状体光心上的安全性问题，提高了使用的安全性；
34、4、本发明中的像素化谐衍射元件能够将设计主波长及谐衍射波长对应的光线以同一方向导入人眼的晶状体光心并最终到达视网膜上，从而实现消色差的显示效果，解决了现有超表面微纳近眼显示器无法适配单像素宽光谱发光的微显示像源的问题；
35、5、与其他用于增强现实近眼显示系统的超表面光学器件相比，本发明中的像素化谐衍射元件的特征尺寸较大，在加工时无需采用昂贵的电子束光刻技术，因而有利于降低加工难度和加工成本。
36、以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。