本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构。
背景技术：
1、超表面是一种亚波长结构，是一类具有改变光等电磁波传播性质而传统材料无法实现的特殊性质的人造材料。采用相位不连续的方式调控光波的波前,可以实现光波的异常反射与异常折射,甚至光场偏振等的任意调控。
2、虚拟现实(virtual reality，vr)技术，是一种应用广泛的计算机科学与仿真技术等的集合体，能将在计算机内部储存的数字化语言加以编译并将其传输和投影使使用者能够感知。与之对应的，计算机的传感设备也能对使用者输出的信号进行识别并回应。在传统的虚拟现实显示系统中，瞳孔对应的立体角较小，仅占显示像素角谱的一小部分。因此，从边缘像素发出的光只有一小部分被观察者捕获，导致了大量的浪费，大大降低了光效。
3、因此，需要解决现有虚拟现实显示技术中边缘像素光效过低的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于填补现有技术的空白，提供一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，即提供一种在可见光波段逐像素实现光束偏转调控的超构表面结构及其设计方法，所设计结构可用于虚拟现实近眼显示设备中。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，包括微显示面板、光学成像透镜和光束偏转超构表面；所述光束偏转超构表面包括衬底层以及周期性分布在所述衬底层上的纳米结构单元，该光束偏转超构表面根据像素位置划分为不同的区域并作不同的设计，区域划分与微显示面板像素逐一对应，即在微显示面板的不同区域设计有不同的超表面结构，形成不同的偏转角度，在虚拟现实近眼显示光学结构中针对每个像素实现出射光的方向偏转调控，最终使每个像素的出光法线方向偏转至指向人眼方向。
3、在本发明一实施例中，所述光束偏转超构表面的设计方法包括设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布，该周期性分布受限于像素位置，即像素位置不同，其周期性分布也不同，确定光束偏转超构表面周期性分布的步骤如下：
4、s1、构建纳米结构单元，采用包括严格耦合波分析算法的方法对纳米结构单元的各个几何参数进行扫描，获得不同几何参数下纳米结构单元在目标入射波长下的光的透射率和相位分布，建立结构库；
5、s2、根据像素在微显示面板上的坐标位置进行计算，得出光束偏转超构表面需要使光线发生偏转的目标角度值；
6、s3、确定所需偏转角度后，根据显示所需的自定义的红光波长、绿光波长和蓝光波长，计算得出分别在红光波长、绿光波长和蓝光波长下的三个目标相位分布；
7、s4、根据相应波长的目标相位分布，在步骤s1建立的结构库中选取满足三个目标相位分布的纳米结构单元，并在所述衬底层上的空间内排列所述纳米结构单元的位置，获得纳米结构单元在衬底层上的周期性分布。
8、在本发明一实施例中，所述微显示面板包括lcd、micro-oled、micro-led的平面屏幕；所述光学成像透镜包括球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜及pancake光学方案中的透镜组合，且透镜或透镜组的厚度尽可能小；所述入射光包括平面波、球面波。
9、在本发明一实施例中，所述衬底层的材料为低折射率透明介质，包括蓝宝石、k9玻璃、熔石英玻璃、柔性有机透明材料的低折射率材料。
10、在本发明一实施例中，所述纳米结构单元间隙为空气或者低折射率透明介质，纳米结构单元之间通过高分子有机物粘合；所述低折射率透明介质包括mgf2、mgo、sio2，所述高分子有机物包括su8、pdms、聚酰亚胺，厚度约0.1～2μm。
11、在本发明一实施例中，所述纳米结构单元的制备方法包括飞秒激光直写、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米压印、干涉光刻的微纳制备技术。
12、在本发明一实施例中，所述纳米结构单元由每个像素的子纳米结构采用阵列单元相位曲线拼接技术或电磁耦合拼接技术进行拼接得到。
13、在本发明一实施例中，所述步骤s2中，首先建立直角坐标系，以微显示面板的法线方向作为光轴z轴，垂直于光轴、以微显示面板的矩形长轴或短轴方向为y轴，则像素在微显示面板上的坐标位置为(0，yscreen)，所需的偏转角度计算为：
14、
15、其中yscreen为微显示面板上像素的纵坐标，xlen、ylen分别为光线与透镜相交点的横纵坐标，yscreen、xlen均为已知量，ylen由相似三角形公式得出：
16、
17、其中ximage、yimage为虚像点的横纵坐标，xeye为人眼位置的横坐标且为已知量，yimage由垂轴放大率公式得出：
18、
19、其中ximage由薄透镜成像公式得出：
20、
21、其中f为光学成像透镜的等效焦距；
22、以上参数代入θi计算公式即可得出光束偏转超构表面需要使光线发生偏转的目标角度值。
23、在本发明一实施例中，所述步骤s3中，根据所需偏转角度调控效果，由广义斯涅尔定律可知：
24、
25、其中，λi(i＝r、g、b)为目标波长，为相应目标波长所对应的相位梯度，θi(i＝r、g、b)为r、g、b的设计偏转角度，r代表红光、g代表绿光，b代表蓝光，p为所述纳米结构单元的周期；考虑到密集波前控制，设置为若系统不止有rgb三基色，计算方法参考上述公式。
26、在本发明一实施例中，所述步骤s4中，在所述结构库中选取同时满足所述多个目标相位分布的纳米结构单元，使光束偏转超构表面对应在整个波长范围内，满足透射率大于80％，相位覆盖0～2π的条件。
27、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在传统虚拟现实近眼显示系统中加入了光学超构表面，可以根据像素位置不同设计不同超表面结构，从而实现光束偏转。适应性和可靠性较强，能够广泛应用于各种虚拟现实使用场景。
1.一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，包括微显示面板、光学成像透镜和光束偏转超构表面；所述光束偏转超构表面包括衬底层以及周期性分布在所述衬底层上的纳米结构单元，该光束偏转超构表面根据像素位置划分为不同的区域并作不同的设计，区域划分与微显示面板像素逐一对应，即在微显示面板的不同区域设计有不同的超表面结构，形成不同的偏转角度，在虚拟现实近眼显示光学结构中针对每个像素实现出射光的方向偏转调控，最终使每个像素的出光法线方向偏转至指向人眼方向。
2.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述光束偏转超构表面的设计方法包括设计所述纳米结构单元在所述衬底层上的周期性分布，该周期性分布受限于像素位置，即像素位置不同，其周期性分布也不同，确定光束偏转超构表面周期性分布的步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述微显示面板包括lcd、micro-oled、micro-led的平面屏幕；所述光学成像透镜包括球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜及pancake光学方案中的透镜组合，且透镜或透镜组的厚度尽可能小；所述入射光包括平面波、球面波。
4.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述衬底层的材料为低折射率透明介质，包括蓝宝石、k9玻璃、熔石英玻璃、柔性有机透明材料的低折射率材料。
5.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述纳米结构单元间隙为空气或者低折射率透明介质，纳米结构单元之间通过高分子有机物粘合；所述低折射率透明介质包括mgf2、mgo、sio2，所述高分子有机物包括su8、pdms、聚酰亚胺，厚度约0.1～2μm。
6.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述纳米结构单元的制备方法包括飞秒激光直写、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米压印、干涉光刻的微纳制备技术。
7.根据权利要求1所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述纳米结构单元由每个像素的子纳米结构采用阵列单元相位曲线拼接技术或电磁耦合拼接技术进行拼接得到。
8.根据权利要求2所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述步骤s2中，首先建立直角坐标系，以微显示面板的法线方向作为光轴z轴，垂直于光轴、以微显示面板的矩形长轴或短轴方向为y轴，则像素在微显示面板上的坐标位置为(0，yscreen)，所需的偏转角度计算为：
9.根据权利要求2所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述步骤s3中，根据所需偏转角度调控效果，由广义斯涅尔定律可知：
10.根据权利要求2所述的一种局部光束偏转的虚拟现实近眼显示光学结构，其特征在于，所述步骤s4中，在所述结构库中选取同时满足所述多个目标相位分布的纳米结构单元，使光束偏转超构表面对应在整个波长范围内，满足透射率大于80％，相位覆盖0～2π的条件。
