扩展现实显示器件和显示装置的制作方法

1.本公开涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种扩展现实显示器件和显示装置。

背景技术：

2.vr(虚拟显示)/ar(增强显示)的目镜为光学透镜，其具有体积大、重量大和光学能力折中的特点，这在一定程度上制约了vr/ar技术的发展和应用。
3.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

4.本公开的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种扩展现实显示器件和显示装置，无需采用光学透镜作为目镜。
5.根据本公开的一个方面，提供一种扩展现实显示器件，包括：
6.波导；
7.超透镜，设于所述波导的一侧，具有多个微结构；
8.聚焦调控层，具有与各个所述微结构一一对应的调控结构；所述聚焦调控层用于调整所述超透镜的聚焦位置。
9.根据本公开的一种实施方式，所述聚焦调控层包括液晶层和驱动层，所述微结构浸于所述液晶层的液晶之间；
10.所述驱动层包括调控电路和与各个所述微结构一一对应的调控电极，所述调控电极用于在所述调控电路的驱动下调整对应的所述微结构周围的液晶的取向，进而调整所述超透镜的聚焦位置。
11.根据本公开的一种实施方式，所述扩展现实显示器件还包括公共电极层；所述波导设于所述公共电极层的表面，且所述超透镜设置所述波导远离所述公共电极层的表面；所述驱动层设于所述液晶层远离所述公共电极层的一侧。
12.根据本公开的一种实施方式，所述聚焦调控层包括液晶层和驱动层，所述液晶层设于所述波导远离所述超透镜的一侧；
13.所述液晶层具有与所述微结构一一对应的调控单元，所述微结构在所述液晶层上的正投影位于所述调控单元，且所述调控单元与所述波导的表面接触；
14.所述驱动层包括调控电路和与各个所述微结构一一对应的调控电极，所述微结构对应的所述调控电极用于在所述调控电路的驱动下调整所述微结构对应的所述调控单元的液晶的取向，进而调整所述超透镜的聚焦位置。
15.根据本公开的一种实施方式，所述驱动层设于所述波导远离所述超透镜的一侧；
16.所述扩展现实显示器件还包括公共电极层；所述公共电极层设于所述驱动层远离所述超透镜的一侧，且所述液晶层夹设于所述驱动层和所述公共电极层之间。
17.根据本公开的一种实施方式，所述聚焦调控层包括位于所述波导和所述超透镜之
间的二维材料层，所述二维材料层具有与各个所述微结构一一对应的二维材料结构；所述二维材料结构在不同的载流子浓度下具有不同的折射率；
18.所述微结构位于对应的所述二维材料结构远离波导的一侧；所述聚焦调控层还包括用于调制所述二维材料结构的载流子浓度的调控电路。
19.根据本公开的一种实施方式，所述二维材料结构相互连接形成整面的二维材料层。
20.根据本公开的一种实施方式，所述二维材料结构的材料为石墨烯或者氧化石墨烯。
21.根据本公开的一种实施方式，所述微结构的材料为氮化硅、氧化钛、氮化镓或者硅。
22.根据本公开的一种实施方式，所述微结构的材料为热相变材料；
23.所述聚焦调控层设置有与各个所述微结构一一对应的加热器和驱动各个所述加热器的调控电路；
24.所述加热器用于在所述调控电路的控制下，调整所述微结构的温度进而调节所述超透镜的聚焦位置。
25.根据本公开的一种实施方式，所述加热器为透明导电片，所述透明导电片相互连接形成透明导电层；
26.所述透明导电层位于所述波导的表面，且所述微结构位于所述透明导电层远离所述波导的表面。
27.根据本公开的另一个方面，提供一种显示装置，包括上述的扩展现实显示器件。
28.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
29.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的结构示意图。
31.图2为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的结构示意图。
32.图3为本公开一种实施方式中，模型器件的结构示意图。
33.图4-1为图3的模型器件中，光线在耦合进入波导处的光线分布。
34.图4-2为图3的模型器件中，光线在波导传输区域中的光线分布。
35.图4-3为图3的模型器件中，光线在耦合出光区域处的光线分布。
36.图5为任意一个微结构处的波矢量和出射光线角度的示意图。
37.图6为本公开一种实施方式中，模型器件的结构示意图。
38.图7-1为超透镜对蓝光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；
39.图7-2示例了一个微结构处，蓝光线的出射示意图。
40.图8-1为超透镜对绿光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；
41.图8-2示例了一个微结构处，绿光线的出射示意图。
42.图9-1为超透镜对红光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；
43.图9-2示例了一个微结构处，红光线的出射示意图。
44.图10为本公开一种实施方式中，模型器件的结构示意图。
45.图11-1～图11-3为，图10的模型器件中液晶层在三种不同的折射率下，超透镜对光线进行聚焦的光线分布图。
46.图12-1为在图10的模型器件中，超透镜的聚焦位置沿中心法线上下移动的示意图。
47.图12-2为在图10的模型器件中，超透镜的聚焦位置只能在中心法线的左侧移动的情况。
48.图12-3为在图10的模型器件中，超透镜的聚焦位置只能在中心法线的右侧移动的情况。
49.图13为本公开一种实施方式中，模型器件的结构示意图。
50.图14-1～图14-3为，图13的模型器件中液晶层在三种不同的折射率下，超透镜对光线进行聚焦的光线分布图。
51.图15为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
52.图16-1～图16-5为，图15的扩展现实显示器件在聚焦调控层的调制下，改变聚焦位置的光线分布图。
53.图17-1和图17-2，为图15的扩展现实显示器件在不同时刻改变聚焦位置的原理示意图。
54.图18为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
55.图19为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
56.图20为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
57.图21-1～图21-5为，图20的扩展现实显示器件在聚焦调控层的调制下，改变聚焦位置的光线分布图。
58.图22为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
59.图23为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
60.图24为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
61.图25为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的原理示意图。
62.图26为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
63.图27为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
64.图28为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的原理示意图。
65.图29为本公开一种实施方式中，扩展现实显示器件的局部结构示意图。
具体实施方式
66.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本公开的示意性
图解，并非一定是按比例绘制。
67.虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
68.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
69.结构层a位于结构层b背离衬底基板的一侧，可以理解为，结构层a在结构层b背离衬底基板的一侧形成。当结构层b为图案化结构时，结构层a的部分结构也可以位于结构层b的同一物理高度或低于结构层b的物理高度，其中，波导为高度基准。
70.本公开实施方式提供一种扩展现实显示器件。参见图1和图2,该扩展现实显示器件包括波导wg、超透镜mlens和聚焦调控层ctr。超透镜mlens设于所述波导wg的一侧，具有多个微结构lens；聚焦调控层ctr，具有与各个所述微结构lens一一对应的调控结构；所述聚焦调控层ctr用于调整所述超透镜mlens的聚焦位置。
71.在本公开实施方式中，扩展现实显示器件采用超透镜mlens实现光线的聚焦而非采用光学透镜，因此具有厚度小、重量轻的优点，进而减弱或者消除当前目镜对ar/vr技术的制约。在本公开的实施方式中，通过设置聚焦调控层ctr，可以对超透镜mlens的聚焦位置进行调整，例如根据目标画面动态的调整超透镜mlens的聚焦位置，进而实现在扩展现实显示器件以外显示动态画面，即实现ar/vr的空中动态显示，提高用户体验。
72.如下，结合附图和一些模型器件对本公开实施方式的扩展现实显示器件的原理、结构和效果做进一步的解释和说明。
73.图3示例了一种具有波导和超透镜的模型器件，以根据该模型器件对利用波导和超透镜实现光线聚焦的原理进行示例性说明；可以理解的是，该模型器件为本公开实施方式的显示器件的简化，因此其所反映的普遍原理和规律，与本公开实施方式的显示器件一致。参见图3，在该模型器件中，波导wg包括波导传输区域aa和耦合出光区域bb。其中，光线从波导传输区域aa的端部耦合进入波导，并在波导传输区域aa中传输至耦合出光区域bb；耦合出光区域bb的一侧设置有超透镜mlens，以便改变耦合出光区域bb的局部相位进而使得光线耦合出射，并最终实现光线的聚焦，进而实现空中显示。同理，在本公开的显示器件中，设置有波导和超透镜；同样的，该波导可以具有波导传输区域aa和耦合出光区域bb。本公开实施方式的显示器件，主要是对耦合出光区域bb进行调制，具体的，通过聚焦调控层ctr对耦合出光区域bb中的微结构处的出光角度进行调制。
74.参见图3，当光耦合进波导wg后，光将沿着波导wg进行传输。不同光的波长，在波导wg中的传输常数不同；在超透镜mlens位置处，由于每一个微结构lens会额外引入相位，从而可以计算出每一个对应位置处光从微结构lens散射出来的相位为其中β为波导wg的传输常数，d为波导wg的波导传输区域aa的长度；np为第n个微结构lens与波导
传输区域aa之间的距离；为对应第n个微结构lens额外引起的相位变化量。由于不同波长的光线在波导wg中的传输常数不同，因此根据上述公式可以看出，r(红)g(绿)b(蓝)三种颜的光线，在耦合出光区域bb不进行任何调控的情况下，聚焦的位置可以不同，能够实现静态的彩图像显示。
75.图4-1为图3的模型器件中，光线在耦合进入波导wg处的光线分布。图4-2为图3的模型器件中，光线在波导传输区域aa中的光线分布。图4-3为图3的模型器件中，光线在耦合出光区域bb处的光线分布。根据图4-1～图4-3可以看出，光线可以耦合进入波导wg，并在波导wg的波导传输区域aa低损耗的传输；在耦合出光区域bb，光线可以通过超透镜mlens出射并实现聚焦。
76.在本公开的一种实施方式中，可以通过光纤将光耦合进波导wg中。
77.继续以图3所示例的模型器件为例进行分析。光在波导传输区域aa，达到设置有超透镜mlens的耦合出光区域bb。波导wg用于光线的传输，能够使得光线的电磁波被局域在波导传输区域aa中，进而避免电磁波的出射(即尽可能少漏光或者避免漏光)。在该波导传输区域aa的任意位置，波矢量为k＝n
eff
*k0。其中，n
eff
为波导wg相对于相邻介质(例如外部空间的空气)的等效折射率，该等效折射率大于1。k0为波导wg外的介质(例如空气)中的波矢量。由此，在波导wg传输区域，波导wg中的波矢量k大于外部介质中的波矢量k0，这使得光线的电磁波在波导wg中传输而不出射。
78.在耦合出光区域bb，超透镜mlens通过对各个微结构lens处的相位的调节，实现光的耦合输出并聚焦。在该超透镜mlens的微结构lens处，微结构lens会进行相位调制，产生一个额外的相位；这相应的会引入波矢量变化，此处一个额外的相位；这相应的会引入波矢量变化，此处为相位偏移，x为光传输方向。在该微结构lens处，波导wg中传导的波矢量减小，相位梯度的变化方向与传输方向相反，即k＝k
g-δk。k为微结构lens处的波矢量，为经过微结构lens调制后的波矢量；kg为微结构lens处未经调制的波矢量。在该微结构lens处，光线需要通过耦合进行出射，因此需要保证k0大于k。因此，微结构lens处的等效折射率需要小于1，以保证光线从微结构lens处出射。图5为任意一个微结构lens处的波矢量和出射光线角度的示意图。在图5的示例中，出射光线的出射角度(相较于光线在波导wg中的传输方向)θ满足如下条件：conθ＝k/k0。因此，通过调整微结构lens处的相位变化，就可以改变微结构lens处的波矢量，进而改变该微结构lens出射光线的出射角度。
79.在一种示例中，参见图3，波导wg可以设置于一个衬底上，例如可以设置于硅衬底上。进一步的，波导wg的材料可以选择但不限于氧化硅等材料。
80.图6给出了优化的模型器件，以进一步解释和说明本公开实施方式的扩展现实显示器件的原理和效果。该优化的模型器件，为更贴近本公开实施方式的显示器件的原理和效果的模型器件，因此其所反映的原理和普遍规律，同样适用于本公开实施方式的显示器件。
81.在图6示出的模型器件中，可以利用驱动器lb对rgb三激光器la进行控制，通过反射镜lc将三光合成到一个通道耦合至光纤ld中，利用光纤进行耦合至波导wg，传输到超透镜mlens中实现光的耦合聚焦输出。从图6中可以看出，同一微结构对rgb三的耦合输出角度有一定偏离，这由于rgb三种不同颜的光线具有不同传输常数β，进而导致相位分
布差异。这种输出角度的偏离，利于在空间中进行混，实现彩显示。因此，本公开的扩展现实显示器件的实施方式中，也可以向波导中耦合彩光线，进而使得扩展现实显示器件实现彩显示。举例而言，可以同时将多种不同颜的光线耦合进入波导wg中，也可以将不同颜的基光(例如红光、绿光和蓝光)在不同的时刻依次耦合进入波导wg中。
82.如下，对超透镜mlens在耦合输出光线时，出射光线的角度进行示例性说明。
83.由于rgb三种颜的光线在波导wg中的等效折射率不同，这导致三种光线在波导wg中的传输常数不同，进而导致三种光线在同一位置的波矢量不同。三种颜的光线在同一位置的波矢量差异，使得同一微结构lens上的不同光线的出射角度不同。
84.图7-1为超透镜mlens对蓝光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；图7-2示例了一个微结构lens处，蓝光线的出射示意图。在图7-2中，θ为蓝光线的出射角度，即出射光线与蓝光线在波导wg内的传输方向之间的夹角；kb为蓝光线经过微结构lens调制后的波矢量，k
gb
为蓝光线未经微结构lens调制的波矢量，为微结构lens对蓝光的相位调制而引起的波矢量变化。k
b0
为蓝光线在空气中的波矢量。蓝光线在该微结构lens处的出射角度θ满足如下公式：conθ＝kb/k
b0
。不同微结构lens处的光线的出射角度可以不同，进而使得出射的蓝光线聚焦。
85.图8-1为超透镜mlens对绿光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；图8-2示例了一个微结构lens处，绿光线的出射示意图。在图8-2中，为绿光线的出射角度，即出射光线与绿光线在波导wg内的传输方向之间的夹角；kg为绿光线经过微结构lens调制后的波矢量，k
gg
为绿光线未经微结构lens调制的波矢量，为微结构lens对绿光的相位调制而引起的波矢量变化。k
g0
为绿光线在空气中的波矢量。绿光线在该微结构lens处的出射角度满足如下公式：不同微结构lens处的光线的出射角度可以不同，进而使得出射的绿光线聚焦。
86.图9-1为超透镜mlens对红光线的耦合输出并聚焦的一种光线分布图；图9-2示例了一个微结构lens处，红光线的出射示意图。在图9-2中，γ为红光线的出射角度，即出射光线与红光线在波导wg内的传输方向之间的夹角；kr为红光线经过微结构lens调制后的波矢量，k
gr
为红光线未经微结构lens调制的波矢量，为微结构lens对红光的相位调制而引起的波矢量变化。k
r0
为红光线在空气中的波矢量。红光线在该微结构lens处的出射角度γ满足如下公式：conγ＝kr/k
r0
。不同微结构lens处的光线的出射角度可以不同，进而使得出射的红光线聚焦。
87.如上图7-2、图8-2和图9-2中的出射角度示意图，是以正向角度为例，对三种不同的颜的出射角度的原理进行了示例性说明。可以理解的是，上述原理性的示例，不仅仅适用于正向角度，对于其他角度，例如垂直角度或者反向角度，均适用。同一种光线，在不同微结构lens处的出射角度不同，进而能够在聚焦位置处进行聚焦。比较图7-1、图8-1和图9-1中的聚焦位置可以看出，同一种超透镜对不同颜光线的聚焦位置不同。
88.在本公开实施方式的扩展现实显示器件中，可以综合考虑三种不同的颜和散效应导致的传输常数、波矢量、相位梯度变化量等方面的差异，通过合理调谐从而实现三个颜略微差异的角度出射，从而实现自由空间的三混从而保证空间的彩显示。
89.图10和图13分别示例了更进一步的模型器件，以更进一步在效果和手段上贴近本
公开实施方式的显示器件，并对本公开实施方式的显示器件的结构、原理和效果做更进一步的解释和说明。
90.图10示例了一种聚焦位置可调节的模型器件的结构示意图。该模型器件包括层叠设置的第一公共电极层coma、波导wg、超透镜mlens、液晶层lcl和第二公共电极层comb。其中，超透镜mlens的各个微结构lens浸入液晶层lcl中。第一公共电极层coma和第二公共电极层comb均为整面电极，两者之间加载不同的电压，可以改变液晶层lcl中液晶的取向，进而改变液晶层lcl的折射率。换言之，在该模型器件中，可以通过整面电极同步控制整个液晶层lcl；此时液晶层lcl相当于一层折射率可变的介质，且折射率的变化在各个位置保持同步。可以理解的是，在临近液晶层lcl的一侧还可以设置有取向层，以便预置液晶的取向。
91.图11-1～图11-3展示了，通过改变液晶层lcl的折射率而导致的聚焦位置的改变情况。参见图11-1～图11-3可以看出，通过整体改变液晶层lcl的折射率，会使得聚焦位置发生改变，但是该聚焦位置并不能随意改变，而是受到特定的约束。具体的，在图11-1～图11-3的示例中，聚焦位置与超透镜mlens之间的距离有改变，但是聚焦位置始终位于超透镜mlens的中心位置上方。换言之，聚焦位置位于超透镜mlens的中心法线(穿过超透镜mlens的中心且与波导wg垂直的法线)时，通过整体改变液晶层lcl的折射率，会使得聚焦位置沿着中心法线上下(靠近或者远离超透镜mlens的方向)运动，但是不会使得聚焦位置偏离超透镜mlens的中心法线。
92.图12-1示例了聚焦位置fa位于超透镜mlens的中心法线lm上时，聚焦位置fa随着液晶层lcl的折射率的整体改变而改变的示意图。当液晶层lcl整体调控时，液晶层lcl各个位置的折射率同时变化，因此各个微结构lens处的波矢量均同步变化，各位置处的波矢量的正负方向不会被改变，因此聚焦位置依然在超透镜mlens的中心法线fm上，聚焦位置fa在沿着中心法线lm上下运动。这使得，通过整体改变液晶层lcl的折射率，会使得成像沿垂直于超透镜mlens的方向上下运动。
93.图12-2示例了聚焦位置fa位于超透镜mlens的中心法线lm左侧(靠近波导传输区域aa的一侧)时，聚焦位置fa随着液晶层lcl的折射率的整体改变而改变的示意图。当液晶层lcl整体调控时，液晶层lcl各个位置的折射率同时变化，因此各个微结构lens处的波矢量均同步变化，这使得各位置处的波矢量的正负方向不会被改变，因此聚焦位置依然处于中心法线fm的左侧，但是聚焦位置可以改变。这种情形下，聚焦位置fm无法跨越中心法线fm达到中心法线fm的右侧，这使得该模型器件只能够在中心法线fm的左侧成像。
94.图12-3示例了聚焦位置fa位于超透镜mlens的中心法线lm右侧(远离波导传输区域aa的一侧)时，聚焦位置fa随着液晶层lcl的折射率的整体改变而改变的示意图。在图12-3的示例中，当液晶层lcl整体调控时，液晶层lcl各个位置的折射率同时变化，因此各个微结构lens处的波矢量均同步变化，这使得各位置处的波矢量的正负方向不会被改变，因此聚焦位置依然处于中心法线fm的右侧，但是聚焦位置可以改变。这种情形下，聚焦位置fm无法跨越中心法线fm达到中心法线fm的左侧，这使得该模型器件只能够在中心法线fm的右侧成像。
95.图13示例了另一种聚焦位置可调节的模型器件。该模型器件包括依次层叠设置的第二公共电极层comb、液晶层lcl、第一公共电极层coma、波导wg和微结构lens。这样，第二公共电极层comb和第一公共电极层coma均为整面电极，用于整体性的改变液晶层lcl的折
射率，进而改变微结构lens对应的波导wg位置的相位，进而达到对微结构lens处的出射光线的出射角度的调节。图13的示例的模型器件，其聚焦位置在超透镜mlens的中心法线上。图14-1～图14-3示例了，通过同步改变液晶层lcl各个位置处的折射率时，聚焦位置的变化情况。根据图14-1～图14-3可知，在该示例的模型器件中，聚焦位置可以随着液晶层lcl的折射率的整体改变而沿着中心法线上下运行。
96.可以理解的是，在图13所示例的模型器件中，当模型器件的聚集位置处于中心法线的左侧或者右侧时，模型器件只能够在中心法线的左侧或者右侧进行成像，无法跨越中心法线进行成像。
97.由此可知，无论液晶层lcl位于波导的上方(靠近超透镜mlens的一侧)还是下方(远离超透镜mlens的一侧)，整体改变液晶层lcl的折射率可以改变聚焦位置，但是聚焦位置的改变范围受到局限，无法实现在显示平面内的自由变化。
98.在本公开的实施方式中，参见图1和图2，扩展现实显示器件可以设置有聚焦调控层ctr，聚焦调控层ctr具有与微结构lens一一对应的调控结构。这些调控结构各自独立受控地对对应的微结构lens或者其周围结构的折射率进行调制，进而可以自由地调制每个微结构lens处的相位梯度变化，进而调整微结构lens处的波矢量(能够改变波矢量的大小和方向)，调整微结构lens处的出射光线角度。这样，配合预设的调制算法，可以达成在显示平面中自由调节聚焦位置的目的。
99.如此，本公开提供的扩展现实显示器件，可以使得聚焦位置能够实现在显示空间中的调制。具体的，可以根据预期聚焦位置，确定各个微结构lens处的相位变化；聚焦调控层ctr可以实现对各个微结构lens处的相位变化的调制，进而使得超透镜mlens的聚焦位置位于预期聚焦位置。这样，通过在不同时刻使得聚焦位置在不同的预期聚焦位置，借助视觉暂留效果，可以实现在超透镜mlens以外的空中显示(悬浮显示)，例如实现空中vr显示或者空中ar显示。换言之，本公开的扩展现实显示器件，能够实现聚焦位置在自由空间(二维的显示空间)中的自由变化，进而能够显示动态图像甚至显示视频内容。
100.不仅如此，在相关技术中，波导wg的光耦合是基于普通的光栅设计的，而且自由空间中显示画面的角度有限，设计的自由度很低。而在本公开实施方式中，可以根据需要设计不同的超透镜mlens，进而可以实现在整个空间的任意角度出射图像，这大大提高了波导wg光耦合输出技术设计的自由度和扩展了画面角度。另外，扩展现实显示器件的聚焦调控层ctr还能够实现对各个微结构处的相位变化进行独立的调制，可以对超透镜mlens的设计偏差提供补偿，因此这大大提高了超透镜mlens的设计自由度和提高了工艺窗口，降低了设计和制造难度，进而可以降低成本。
101.在本公开的扩展现实显示器件中，聚焦调控层ctr可以采用对微结构lens周围的介质的折射率进行调制、对微结构lens处的波导wg的等效折射率进行调制或者对微结构lens本身的折射率进行调制等不同的手段，实现对各个微结构lens处的相位变化进行调制，进而实现对聚焦位置的调制。
102.在本公开的一种实施方式中，波导wg的材料可以为无机材料，例如可以为氧化硅。示例性的，波导wg为石英波导wg。
103.在本公开的一些实施方式中，参见图15、图18和图19，所述聚焦调控层ctr包括液晶层lcl和驱动层，所述微结构lens浸于所述液晶层lcl的液晶之间；所述驱动层包括调控
电路和与各个所述微结构lens一一对应的调控电极pix，所述调控电极pix用于在所述调控电路的驱动下调整对应的所述微结构lens周围的液晶的取向，进而调整所述超透镜mlens的聚焦位置。
104.如此，当调控电路向调控电极pix加载预期的调制电压时，调控电极pix可以控制对应的微结构lens周围的液晶的取向，进而控制微结构lens周围的液晶的折射率，进而控制微结构lens处的相位改变量，实现对微结构lens处的出光方向的调制。调控电路通过对各个微结构lens的出光方向的调制，可以改变超透镜mlens的聚焦位置。
105.在一种示例中，驱动层可以为透明膜层或者局部透明膜层，以利于微结构lens处出射的光线透过。示例性的，驱动层上的调控电极pix可以采用透明电极或者网格电极，例如采用ito等透明金属氧化物电极或者采用镁银合金电极等。
106.可选的，扩展现实显示器件还需要设置与调控电极pix对应的公共电极层com，以便在调控电极pix和公共电极层com之间形成调控电场，使得液晶在调控电场的控制下改变取向，实现对液晶的取向的调制。
107.可选的，扩展现实显示器件还可以设置有与液晶层lcl接触的取向层，例如在驱动层靠近液晶层lcl的表面和/或在波导wg的表面设置有取向层，以对液晶的取向角度进行预置。
108.公共电极层com和调控电极pix可以分别设置于液晶层lcl的两侧，以便在公共电极层com和调控电极pix上分别加载电压，利用公共电极层com和调控电极pix之间的电场来控制液晶的取向，进而改变液晶的折射率。当然的，公共电极层com和调控电极pix也可以设置于液晶层lcl的同一侧，调控电极pix和公共电极层com之间可以形成有边缘电场，液晶在边缘电场的控制下调整其取向。
109.公共电极层com和调控电极pix可以设置于波导wg的同一侧，例如均设置于波导wg靠近超透镜mlens的一侧；当然的，公共电极层com和调控电极pix，也可以分别设置于波导wg的两侧。
110.在本公开的一种实施方式中，参见图15，所述扩展现实显示器件还包括公共电极层com；所述波导wg设于所述公共电极层com的表面，且所述超透镜mlens设置所述波导wg远离所述公共电极层com的表面；所述驱动层设于所述液晶层lcl远离所述公共电极层com的一侧。如此，公共电极层com和调控电极pix分别设置于波导wg的两侧。
111.在一种示例中，扩展现实显示器件还可以包括第一基板bpa，第一基板bpa设于驱动层远离液晶层lcl的一侧，用于支撑和保护驱动层。
112.在一种示例中，扩展现实显示器件还包括第二基板bpb，第二基板bpb可以设置于公共电极层com远离波导wg的一侧，用于保护和支撑公共电极层com。
113.图16-1～图16-5为通过聚焦调控层ctr改变各个微结构lens处出光方向进而改变聚焦位置时的部分图片。根据图16-1～图16-5可知，本公开的扩展现实显示器件，可以使得聚焦位置在高度方向(超透镜的中心法线方向)和纵向方向(光线传输方向)上任意移动，进而使得可以在高度方向和纵向方向所在平面内任意位置进行成像。如此，通过在不同的时刻使得聚焦位置不同，可以使得扩展现实显示器件显示动态画面，例如显示视频画面；通过在不同的时刻向波导wg耦合不同颜的光线，可以使得扩展现实显示器件所显示的画面为彩画面。
114.图17-1和图17-2，示例了该扩展现实显示器件在不同时刻改变聚焦位置的原理示意图。参见图17-1，在一些时刻，可以通过对各个微结构lens处的相位改变进行调制，进而使得部分微结构lens处的波矢量为正且部分微结构lens处的波矢量为负。相较于图17-1，图17-2的示例中，在另外一些时刻，通过对各个微结构lens处的相位改变进行调制，可以使得部分微结构lens处的波矢量变为正数，且部分微结构lens处的波矢量为零，且部分微结构lens处的波矢量为负数；波矢量保持为正的微结构lens处，其波矢量本身的值也会改变；波矢量保持为负的微结构lens处，其波矢量本身的值也会改变。换言之，在图17-1和图17-2所示例的两个时刻之间，同一扩展现实显示器件通过改变不同微结构lens处的相位变化，进而可以各自独立的使得部分微结构lens处的波矢量从正变为负或者从负变为正，或者改变波矢量正负不变的微结构lens处的波矢量的值，进而改变聚焦位置。这种对微结构lens处的波矢量的正负本身进行改变的能力，使得该扩展现实显示器件能够跨中心法线进行成像。
115.在本公开的另一种实施方式中，公共电极层com和驱动层可以设置在同一基板上。示例性的，参见图18，聚焦调控层ctr可以包括驱动基板和液晶层lcl，液晶层lcl覆盖超透镜mlens以使得微结构lens浸入液晶中。驱动基板设置于液晶层lcl远离波导wg的一侧，其包括公共电极层com，也包括驱动层，该驱动层具有与微结构lens一一对应的调控电极pix和驱动调控电极pix的调控电路。示例性的，驱动基板包括依次层叠设置的第一基板bpa、公共电极层com、绝缘层pvx和驱动层，驱动层设置于公共电极层com靠近液晶层lcl的一侧。这样，在耦合出光区域bb，扩展现实显示器件包括依次层叠设置的波导wg、超透镜mlens、液晶层lcl、驱动层、绝缘层pvx、公共电极层com和第一基板bpa。
116.在本公开的另一种实施方式中，参见图19，在耦合出光区域bb，波导wg与超透镜mlens之间设置有公共电极层com；即，公共电极层com设置在波导wg的表面，且超透镜mlens设置在公共电极层com远离波导wg的表面；液晶层lcl覆盖超透镜mlens。扩展现实显示器件还包括第一基板bpa，第一基板bpa设置于驱动层远离液晶层lcl的一侧，以便为驱动层提供支撑和保护。如此，在耦合出光区域bb，扩展现实显示器件包括依次层叠设置的波导wg、公共电极层com、超透镜mlens、液晶层lcl、驱动层和第一基板bpa。
117.在本公开的另外一些实施方式中，参见图20、图22和图23，所述聚焦调控层ctr包括液晶层lcl和驱动层，所述液晶层lcl设于所述波导wg远离所述超透镜mlens的一侧。所述液晶层lcl具有与所述微结构lens一一对应的调控单元，所述微结构lens在所述液晶层lcl上的正投影位于所述调控单元，且所述调控单元与所述波导wg的表面接触。所述驱动层包括调控电路和与各个所述微结构lens一一对应的调控电极pix，所述微结构lens对应的所述调控电极pix用于在所述调控电路的驱动下调整所述微结构lens对应的所述调控单元的液晶的取向，进而调整所述超透镜mlens的聚焦位置。
118.如此，调控电极pix能够在调控电路的控制下对微结构lens对应位置处的波导wg的等效折射率进行改变，进而调整微结构lens处的相位变化和波矢量。
119.进一步的，扩展现实显示器件还包括公共电极层com，以便与调控电极pix分别加载电压来控制液晶的取向，进而控制液晶的折射率。公共电极层com与调控电极pix可以位于液晶层lcl的同一侧，也可以分别设置于液晶层lcl的两侧。
120.在本公开的一种实施方式中，参见图20，所述驱动层设于所述波导wg远离所述超
透镜mlens的一侧；所述扩展现实显示器件还包括公共电极层com；所述公共电极层com设于所述驱动层远离所述超透镜mlens的一侧，且所述液晶层lcl夹设于所述驱动层和所述公共电极层com之间。
121.扩展现实显示器件还包括第一基板bpa，第一基板bpa设置于公共电极层com远离液晶层lcl的一侧，以便为液晶层lcl提供支撑和保护。
122.图21-1～图21-5示例了图20所示的扩展现实显示器件，改变其聚焦位置的图片。比较图21-1～图21-5可知，扩展现实显示器件可以在其显示平面内的任意位置聚焦，因此可以在显示平面内任意位置显示图像。如此，通过在不同时刻，使得扩展现实显示器件的聚焦位置处于预期的位置上，可以借助视觉暂留实现在显示平面内的动态显示。
123.在本公开的另一种实施方式中，参见图22，公共电极层com位于波导wg远离超透镜mlens的表面，驱动层位于公共电极层com远离波导wg的一侧，且液晶层lcl位于公共电极层com和驱动层之间。
124.在一种示例中，扩展现实显示器件还包括第一基板bpa，第一基板bpa位于驱动层远离液晶层lcl的一侧，以便为驱动层提供支撑和保护。
125.在本公开的另一种实施方式中，参见图23，公共电极层com和驱动层均位于液晶层lcl远离波导wg的一侧；调控电极pix和公共电极层com之间可以形成边缘电场，以调整液晶的取向，进而调整液晶的折射率。在一种示例中，扩展现实显示器件设置有驱动背板，公共电极层com和驱动层均设置于该驱动背板上；该驱动背板包括依次层叠设置的第一基板bpa、公共电极层com、绝缘层pvx和驱动层，且驱动层设于公共电极层com靠近液晶层lcl的一侧。液晶层lcl夹设于驱动背板与波导wg之间。
126.上述实施方式中，聚焦调控层ctr以液晶作为折射率可变介质来调节各个微结构lens的出光角度。在本公开的其他实施方式中，还可以采用其他能够改变折射率的介质或者材料，来调整微结构lens的折射率，或者改变微结构lens的临近结构或者介质的折射率，进而调整微结构lens处的波矢量，调整微结构lens处的出光角度。
127.在本公开的一种实施方式中，参见图24，聚焦调控层ctr包括位于所述波导wg和所述超透镜mlens之间的二维材料层gpel，二维材料层具有与各个所述微结构lens一一对应的二维材料结构gpe；所述二维材料结构gpe在不同的载流子浓度下具有不同的折射率。所述聚焦调控层ctr还包括用于调制二维材料结构gpe的载流子浓度的调控电路；所述微结构lens位于对应的二维材料结构gpe远离波导wg的一侧。
128.在一种示例中，参见图26，所述二维材料结构gpe相互连接形成整面的二维材料层；所述微结构lens设于所述二维材料层远离所述波导wg的表面；调控电路可以改变整面的二维材料层的局部位置的载流子浓度。
129.图25示例了该实施方式改变超透镜mlens的聚焦位置的原理示意图。在该实施方式中，调控电路具有与二维材料结构gpe配合的电极结构eta，调控电路可以通过电极结构eta改变二维材料结构gpe的载流子浓度；例如，电极结构eta与二维材料结构gpe之间设置有绝缘层，电极结构eta上加载的偏置电压，可以形成调控电场以改变二维材料结构gpe上的载流子浓度。通过电极结构eta的加压或者降压动作，使得二维材料结构gpe上的载流子浓度改变，进而使得二维材料结构gpe的折射率改变，这使得微结构lens临近的介质的折射率改变，进而可以改变微结构lens处的出光方向。
130.可选的，二维材料层的材料可以为石墨烯或者改性石墨烯，例如可以为氧化石墨烯。
131.在本公开的另一种实施方式中，参见图27，所述微结构lens的材料为热相变材料；在不同的温度下，微结构lens具有不同的折射率。所述聚焦调控层ctr设置有与各个所述微结构lens一一对应的加热器ht和驱动各个所述加热器的调控电路。
132.所述加热器ht用于在所述调控电路的控制下，调整所述微结构lens的温度进而调节所述超透镜mlens的聚焦位置。在该实施方式中，聚焦调控层ctr可以通过加热器ht的加热与否来控制微结构lens的温度，进而控制微结构lens的相变，进而控制微结构lens本身的折射率；如此，可以控制微结构lens的出光角度。
133.在一种示例中，所述加热器ht为透明导电片(例如透明金属氧化物片)，所述微结构lens位于对应的透明导电片远离波导的一侧。如此，聚焦调控层ctr包括透明导电层htl，该透明导电层htl位于超透镜与波导之间，且包括与各个微结构一一对应的透明导电片(作为加热器)。
134.在一种示例中，参见图29，所述透明导电片相互连接形成整面的透明导电层htl；所述透明导电层htl位于所述波导wg的表面，且所述微结构lens位于所述透明导电层远离所述波导wg的表面。
135.图28示例了该实施方式的一种实现方式，参见图28，调控电路可以设置有用于驱动加热器ht的电极etb和电极eta，进而控制加热器是否处于电气通路状态。当加热器处于电气通路状态时，加热器ht加热进而使得微结构lens被加热；当加热器ht处于电极断路状态时，加热器不加热进而使得微结构lens降温。
136.本公开实施方式还提供一种显示装置，该显示装置包括上述扩展现实显示器件实施方式所描述的任意一种扩展现实显示器件。该显示装置可以为车窗投影显示装置、头戴式虚拟显示显示装置、增强现实显示装置或者其他悬浮显示的显示装置。由于该显示装置具有上述扩展现实显示器件实施方式所描述的任意一种扩展现实显示器件，因此具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。
137.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

技术特征：

1.一种扩展现实显示器件，包括：波导；超透镜，设于所述波导的一侧，具有多个微结构；聚焦调控层，具有与各个所述微结构一一对应的调控结构；所述聚焦调控层用于调整所述超透镜的聚焦位置。2.根据权利要求1所述的扩展现实显示器件，其中，所述聚焦调控层包括液晶层和驱动层，所述微结构浸于所述液晶层的液晶之间；所述驱动层包括调控电路和与各个所述微结构一一对应的调控电极，所述调控电极用于在所述调控电路的驱动下调整对应的所述微结构周围的液晶的取向，进而调整所述超透镜的聚焦位置。3.根据权利要求2所述的扩展现实显示器件，其中，所述扩展现实显示器件还包括公共电极层；所述波导设于所述公共电极层的表面，且所述超透镜设置所述波导远离所述公共电极层的表面；所述驱动层设于所述液晶层远离所述公共电极层的一侧。4.根据权利要求1所述的扩展现实显示器件，其中，所述聚焦调控层包括液晶层和驱动层，所述液晶层设于所述波导远离所述超透镜的一侧；所述液晶层具有与所述微结构一一对应的调控单元，所述微结构在所述液晶层上的正投影位于所述调控单元，且所述调控单元与所述波导的表面接触；所述驱动层包括调控电路和与各个所述微结构一一对应的调控电极，所述微结构对应的所述调控电极用于在所述调控电路的驱动下调整所述微结构对应的所述调控单元的液晶的取向，进而调整所述超透镜的聚焦位置。5.根据权利要求4所述的扩展现实显示器件，其中，所述驱动层设于所述波导远离所述超透镜的一侧；所述扩展现实显示器件还包括公共电极层；所述公共电极层设于所述驱动层远离所述超透镜的一侧，且所述液晶层夹设于所述驱动层和所述公共电极层之间。6.根据权利要求1所述的扩展现实显示器件，其中，所述聚焦调控层包括位于所述波导和所述超透镜之间的二维材料层，所述二维材料层具有与各个所述微结构一一对应的二维材料结构；所述二维材料结构在不同的载流子浓度下具有不同的折射率；所述微结构位于对应的所述二维材料结构远离波导的一侧；所述聚焦调控层还包括用于调制所述二维材料结构的载流子浓度的调控电路。7.根据权利要求6所述的扩展现实显示器件，其中，所述二维材料结构相互连接形成整面的二维材料层。8.根据权利要求6所述的扩展现实显示器件，其中，所述二维材料结构的材料为石墨烯或者氧化石墨烯。9.根据权利要求2～8任意一项所述的扩展现实显示器件，其中，所述微结构的材料为氮化硅、氧化钛、氮化镓或者硅。10.根据权利要求1所述的扩展现实显示器件，其中，所述微结构的材料为热相变材料；所述聚焦调控层设置有与各个所述微结构一一对应的加热器和驱动各个所述加热器的调控电路；所述加热器用于在所述调控电路的控制下，调整所述微结构的温度进而调节所述超透
镜的聚焦位置。11.根据权利要求10所述的扩展现实显示器件，其中，所述加热器为透明导电片，所述透明导电片相互连接形成透明导电层；所述透明导电层位于所述波导的表面，且所述微结构位于所述透明导电层远离所述波导的表面。12.一种显示装置，包括权利要求1～11任意一项所述的扩展现实显示器件。

技术总结

本公开提供一种扩展现实显示器件和显示装置，属于显示技术领域。该扩展现实显示器件包括波导、超透镜和聚焦调控层；超透镜设于所述波导的一侧，具有多个微结构；聚焦调控层具有与各个所述微结构一一对应的调控结构；所述聚焦调控层用于调整所述超透镜的聚焦位置。该扩展现实显示器件无需采用光学透镜作为目镜，克服了光学透明对显示器件的制约。克服了光学透明对显示器件的制约。克服了光学透明对显示器件的制约。