本發(fā)明屬于三維圖像顯示領(lǐng)域，具體涉及一種寬視角波導(dǎo)鏡片及制作方法和頭戴式三維顯示裝置。

背景技術(shù)：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺(jué)信息，聲音，味道，觸覺(jué)等)，通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間同時(shí)存在。其中AR系統(tǒng)的特點(diǎn)之一：在三維尺度空間增添定位虛擬物體，是顯示技術(shù)的難點(diǎn)。

美國(guó)專利US008014050B2公開(kāi)了一種用于三維顯示或光開(kāi)關(guān)的光學(xué)全息相位板。所描述相位板包含一個(gè)體衍射光柵結(jié)構(gòu)和一種光敏材料。通過(guò)電極陣列可控制單個(gè)像素單元的衍射效率和位相延遲，從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)相位的快速調(diào)控。然而這種利用電極陣列實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控的方法遇到了單個(gè)像素難以微小化的制約，其顯示效果難以滿足當(dāng)前消費(fèi)者對(duì)顯示精細(xì)度和舒適度的要求。

中國(guó)專利2013080030964公開(kāi)了一種寬視場(chǎng)虛擬圖像投影儀，第一衍射光柵具有若干組不同空間頻率的衍射光柵，使不同角度范圍的圖像分別投影至第二衍射光柵上，達(dá)到擴(kuò)大視場(chǎng)的目的。這種圖像分割的顯示方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件組裝難度大，而且圖像分割與拼接困難，圖像效果不佳。

在三維空間增添定位虛擬物體是AR系統(tǒng)的主要目的，然而， 目前包括上述技術(shù)方案在內(nèi)的3D顯示系統(tǒng)具有視場(chǎng)角小的缺點(diǎn)，并且，已有解決方案均難以實(shí)現(xiàn)寬視角，例如大于60度的3D顯示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明旨在基于全息成像原理，提出一種寬視角波導(dǎo)鏡片及制作方法和頭戴式三維顯示裝置，通過(guò)將圖像生成裝置與寬視角波導(dǎo)鏡片結(jié)合，利用寬視角波導(dǎo)鏡片的透明光學(xué)成像和波導(dǎo)光線折彎功能，與微投影光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合為整體，共同實(shí)現(xiàn)寬視角的3D景象。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種寬視角波導(dǎo)鏡片，包括鏡片基材和光柵透鏡，所述光柵透鏡包括至少一層功能薄膜，所述功能薄膜包含陣列化光柵，所述陣列化光柵的周期和取向連續(xù)變化。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡包括兩層及多層功能薄膜，相鄰的功能薄膜之間設(shè)有透明介質(zhì)層。

進(jìn)一步的，所述透明介質(zhì)層的折射率與鏡片基材折射率不同。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡位于所述鏡片基材的表面或其內(nèi)部。

進(jìn)一步的，所述陣列化光柵周期在100納米-1000納米之間。

進(jìn)一步的，所述陣列化光柵構(gòu)成光柵像素，所述光柵像素尺寸范圍為5微米-100微米。

一種制作如上所述的寬視角波導(dǎo)鏡片制作方法，包含以下步驟：

提供基底，并在基底表面光刻制作出周期和取向連續(xù)變化的光柵；

將所述形成有光柵的基底制作成模板；

利用所述模板在功能薄膜上形成陣列化光柵；

將所述包含陣列化光柵的功能薄膜制作成光柵透鏡；

將所述光柵透鏡與所述鏡片基材形成光柵透鏡波導(dǎo)鏡片。

進(jìn)一步的，所述功能薄膜大于一層時(shí)，相鄰所述功能薄膜的陣列化光柵表面蒸鍍或貼合一層與基底折射率不同的透明介質(zhì)層，或在相鄰所述功能薄膜的陣列化光柵之間留置空氣間隔層。

一種頭戴式三維顯示裝置，包括圖像生成裝置和如上所述的寬視角波導(dǎo)鏡片。利用具有能實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光場(chǎng)視角放大功能即光柵透鏡功能的陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬信息的視角放大，并在人眼前投射，通過(guò)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片實(shí)現(xiàn)虛擬物體與現(xiàn)實(shí)景物的完美融合，由于視角得以放大，使得人眼觀察虛擬物體和現(xiàn)實(shí)景物融合的場(chǎng)景時(shí)難以察覺(jué)這是融合景象，使得體驗(yàn)更加真實(shí)，同時(shí)基于全息原理，可以方便的將計(jì)算全息與納米結(jié)構(gòu)功能光場(chǎng)鏡片相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)視覺(jué)疲勞的、高亮度的、頭戴式3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方案和裝置、也可方便的實(shí)現(xiàn)支持3D顯示圖像的動(dòng)態(tài)聚焦。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡組包括nxm個(gè)離軸菲尼爾透鏡，即由nxm個(gè)構(gòu)成離軸菲尼爾透鏡的陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)組成，其中，n和m均為等于或大于1的整數(shù)。

從來(lái)自于圖像生成裝置或微投影光學(xué)系統(tǒng)的照明光，經(jīng)微投影透鏡組進(jìn)行一次成像，再經(jīng)濾光片和光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上包含納米光柵結(jié)構(gòu)的功能薄膜層，將光耦合進(jìn)入波導(dǎo)層中傳播并再耦合出光波導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像二次放大，在人眼前方形成放大虛像。這里濾波片可是帶通型光柵，也可以是帶通型棱鏡、也可以是體積性全息光柵。

進(jìn)一步的，充分考慮雙目視差特性，在左右兩個(gè)光場(chǎng)鏡片上匹配左右眼相應(yīng)視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的納米光柵結(jié)構(gòu)分布和位置，以及匹配對(duì)應(yīng)的輸出視圖信息，可獲得符合自然習(xí)慣的三維顯示體驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì) 實(shí)施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是人眼結(jié)構(gòu)圖。

圖2和圖3是結(jié)構(gòu)尺度在納米級(jí)別的衍射光柵在XY平面和XZ平面下的結(jié)構(gòu)圖。

圖4a和圖4b為現(xiàn)有技術(shù)中包括一組光柵分光薄膜層的透明鏡片。

圖5a和圖5b為包括一組納米光柵組的寬視角波導(dǎo)鏡片的示意圖。

圖5c為上述包括兩組納米光柵組的寬視角波導(dǎo)鏡片示意圖。

圖5d為上述只設(shè)有一組納米光柵組(也可以是一塊納米結(jié)構(gòu)功能薄膜)的寬視角波導(dǎo)鏡片示意圖。

圖6a-j是多種含有像素化納米光柵的功能薄膜示意圖。

圖7a-f是含有納米光柵像素結(jié)構(gòu)的功能薄膜與鏡片基材構(gòu)成鏡片(寬視角波導(dǎo)鏡片)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施方式下的一種實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光場(chǎng)的納米結(jié)構(gòu)分布示意圖。

圖9是利用納米結(jié)構(gòu)功能薄膜構(gòu)筑新波前的示意圖。

圖10是微全息投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是本發(fā)明實(shí)施方式下的一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方案圖。

圖12a-e是微全息投影系統(tǒng)與光波導(dǎo)器件耦合的方案圖。

圖13a-b是多層光柵透鏡寬視角波導(dǎo)鏡片單元疊加的示意圖。

圖14是兩組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元左右對(duì)稱排布的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15是現(xiàn)有技術(shù)中的流程控制示意圖。

圖16是本發(fā)明一種流程控制示例的示意圖。

圖17a-b是基于光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的一種頭戴式3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置示意圖。

圖18是基于光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)方案原理框圖。

圖19是佩戴式3D顯示裝置與其他移動(dòng)設(shè)備或終端可通過(guò)云網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見(jiàn)圖1和圖2，圖1是人眼結(jié)構(gòu)圖。人的眼睛近似球體，眼球包括虹膜101、角膜102、晶狀體103、視網(wǎng)膜104、黃斑105；眼睛視線的軸線稱為視軸11。

眼球1具有光學(xué)成像功能的組織是角膜102和晶狀體103。視網(wǎng)膜104位于眼睛后端，是視覺(jué)形成的神經(jīng)信息傳遞的第一站。眼睛中的虹膜呈圓盤(pán)狀，中間有一個(gè)小圓孔，即瞳孔101。瞳孔直徑正常值是2-5mm，在亮光處縮小，在暗光處散大。視網(wǎng)膜104上的視錐細(xì)胞是的主要感光神經(jīng)元，在視軸11正對(duì)終點(diǎn)。根據(jù)視錐細(xì)胞的分布，視錐細(xì)胞分布極不均勻，在黃斑105中心凹處最密集，在視網(wǎng)膜104其他位置少量分布。因此，中心凹是視覺(jué)最敏銳的區(qū)域，其直徑約為1～3mm?？紤]到正常人眼的明視距離為無(wú)窮遠(yuǎn)至人眼前方25cm，本發(fā)明所涉及的三維顯示裝置也應(yīng)在該范圍內(nèi)成虛像。并考慮個(gè)體差異，該可視范圍可做適當(dāng)調(diào)整。

本發(fā)明采用基于衍射光學(xué)效應(yīng)、由含有納米光柵的像素組成光柵透鏡波導(dǎo)，來(lái)放大光場(chǎng)的視角。單個(gè)納米結(jié)構(gòu)與光相互作用，改變其相位。參見(jiàn)附圖2和附圖3，附圖2和附圖3是結(jié)構(gòu)尺度在納米 級(jí)別的衍射光柵在XY平面和XZ平面下的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)光柵方程，衍射光柵像素101的周期、取向角滿足以下關(guān)系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ（Λ/λ））

（2）sin²(θ₁)＝(λ/Λ²)+(n sinθ)²-2n sinθcosφ(λ/Λ)

其中，光線以一定的角度入射到XY平面，θ₁和φ₁依次表示衍射光線202的衍射角和衍射光202的方位角，θ和入依次表示光源的入射角和波長(zhǎng)，Λ和φ依次表示納米衍射光柵101的周期和取向角，n表示光波在介質(zhì)中的折射率，其中，衍射角為衍射光線202與z軸正方向夾角；方位角為衍射光線202與x軸正方向夾角；入射角為入射光線與z軸正方向夾角；取向角為槽型方向與y軸正方向夾角。

換言之，在規(guī)定好入射光線202波長(zhǎng)、入射角以及衍射光線202衍射角和衍射方位角之后，就可以通過(guò)上述兩個(gè)公式計(jì)算出所需的納米光柵101的周期(空頻)和取向角。如，650nm波長(zhǎng)紅光以60°角在波導(dǎo)中入射，光的衍射角為10°、衍射方位角為45°，對(duì)應(yīng)的納米衍射光柵101周期為550nm，取向角為-5.96°。

按照上述原理，納米光柵的取向和周期共同決定了光場(chǎng)角度和光譜的調(diào)制特性。納米光柵結(jié)構(gòu)的周期(空頻)和取向在各亞像素之間按照設(shè)計(jì)需求連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控和變換。含有納米光柵的像素尺寸范圍5-100微米。

參見(jiàn)圖4a和圖4b，圖4a和圖4b為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的透明鏡片，包括一組光柵分光薄膜層的透明鏡片。圖4a、圖4b分別為投影照明和波導(dǎo)照明方式下的透明鏡片。該光柵分光薄膜層的特點(diǎn)為，光柵周期與取向角固定，不隨空間位置連續(xù)變化。因此，對(duì)于同一角度入射光 線，其出射光線方向不隨空間位置變化。這樣的光柵薄膜不提供光學(xué)屈光度。其主要功能為用于特定角度入射光線的彎折，實(shí)現(xiàn)虛擬景物與顯示景物融合。這種周期與取向角不能逐一變化的光柵薄膜設(shè)計(jì)，便于制作，已應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置中。

基于上述理論，我們得以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的訴求：

一種寬視角波導(dǎo)鏡片，包括鏡片基材和光柵透鏡，所述光柵透鏡包括至少一層功能薄膜，所述功能薄膜包含陣列化光柵，所述陣列化光柵的周期和取向連續(xù)變化。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡包括兩層及多層功能薄膜，相鄰的功能薄膜之間設(shè)有透明介質(zhì)層。

進(jìn)一步的，所述透明介質(zhì)層的折射率與鏡片基材折射率不同。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡位于所述鏡片基材的表面或其內(nèi)部。

進(jìn)一步的，所述陣列化光柵周期在100納米-1000納米之間。

進(jìn)一步的，所述陣列化光柵構(gòu)成光柵像素，所述光柵像素尺寸范圍為5微米-100微米。

一種制作如上所述的寬視角波導(dǎo)鏡片制作方法，包含以下步驟：

提供基底，并在基底表面光刻制作出周期和取向連續(xù)變化的光柵；

將所述形成有光柵的基底制作成模板；

利用所述模板在功能薄膜上形成陣列化光柵；

將所述包含陣列化光柵的功能薄膜制作成光柵透鏡；

將所述光柵透鏡與所述鏡片基材形成光柵透鏡波導(dǎo)鏡片。

進(jìn)一步的，所述功能薄膜大于一層時(shí)，相鄰所述功能薄膜的陣列化光柵表面蒸鍍或貼合一層與基底折射率不同的透明介質(zhì)層，或在相鄰所述功能薄膜的陣列化光柵之間留置空氣間隔層。

一種頭戴式三維顯示裝置，包括圖像生成裝置和如上所述的寬視角波導(dǎo)鏡片。利用具有能實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光場(chǎng)視角放大功能即光柵透鏡功能的陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬信息的視角放大，并在人眼前投射，通過(guò)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片實(shí)現(xiàn)虛擬物體與現(xiàn)實(shí)景物的完美融合，由于視角得以放大，使得人眼觀察虛擬物體和現(xiàn)實(shí)景物融合的場(chǎng)景時(shí)難以察覺(jué)這是融合景象，使得體驗(yàn)更加真實(shí)，同時(shí)基于全息原理，可以方便的將計(jì)算全息與納米結(jié)構(gòu)功能光場(chǎng)鏡片相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)視覺(jué)疲勞的、高亮度的、頭戴式3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方案和裝置、也可方便的實(shí)現(xiàn)支持3D顯示圖像的動(dòng)態(tài)聚焦。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡組包括nxm個(gè)離軸菲尼爾透鏡，即由nxm個(gè)構(gòu)成離軸菲尼爾透鏡的陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)組成，其中，n和m均為等于或大于1的整數(shù)。

從來(lái)自于圖像生成裝置或微投影光學(xué)系統(tǒng)的照明光，經(jīng)微投影透鏡組進(jìn)行一次成像，再經(jīng)濾光片和光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上包含納米光柵結(jié)構(gòu)的功能薄膜層，將光耦合進(jìn)入波導(dǎo)層中傳播并再耦合出光波導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像二次放大，在人眼前方形成放大虛像。這里濾波片可是帶通型光柵，也可以是帶通型棱鏡、也可以是體積性全息光柵。

進(jìn)一步的，充分考慮雙目視差特性，在左右兩個(gè)光場(chǎng)鏡片上匹配左右眼相應(yīng)視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的納米光柵結(jié)構(gòu)分布和位置，以及匹配對(duì)應(yīng)的輸出視圖信息，可獲得符合自然習(xí)慣的三維顯示體驗(yàn)。

參見(jiàn)圖4a和圖4b為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的透明鏡片，包括一組光柵分光薄膜層的透明鏡片。圖4a、b分別為投影照明和波導(dǎo)照明方式下的透明鏡片。該光柵分光薄膜層的特點(diǎn)為，光柵周期與取向角固定，不隨空間位置連續(xù)變化。因此，對(duì)于同一角度入射光線，其出射光線方向不隨空間位置變化。這樣的光柵薄膜不提供光學(xué)屈光度。其主要功能為用于特定角度入射光線的彎折，實(shí)現(xiàn)虛擬景物與顯示景 物融合。這種周期與取向角不能逐一變化的光柵薄膜設(shè)計(jì)，便于制作，已應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置中。但是其視角較小。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，參見(jiàn)圖5a和圖5b，圖5a、圖5b為包括一組光柵透鏡薄膜層的透明鏡片。圖5a、圖5b分別為投影照明和波導(dǎo)照明方式下的透明鏡片。該光柵分光薄膜層的特點(diǎn)為，光柵周期與取向角隨空間位置連續(xù)變化。因此，對(duì)于同一角度入射光線，其出射光線方向隨空間位置變化。這樣的光柵透鏡薄膜層具有光學(xué)屈光度，參與成像。例如，對(duì)于物距在一倍焦距以內(nèi)的物體，可通過(guò)光柵透鏡薄膜層呈放大虛像。同時(shí)，光柵透鏡薄膜層可用于光線彎折，將虛擬景物與顯示景物融合。因此，通過(guò)集成光柵透鏡薄膜層，可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置(如圖4)更大的視場(chǎng)角。

我們使納米光柵組22具備光信息的放大功能，實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光場(chǎng)的視角放大功能，即納米光柵組具有光柵透鏡作用。根據(jù)光柵方程設(shè)計(jì)并制作納米結(jié)構(gòu)功能薄膜，并將含有納米光柵結(jié)構(gòu)的功能薄膜制作在鏡片基材表面或嵌入在鏡片基材內(nèi)部。

為了能實(shí)現(xiàn)視角放大功能，且無(wú)需巨大的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，利用納米光柵組可以模擬構(gòu)建任意焦距的離軸納米菲涅爾透鏡的原理，如圖8所示，采用按照模擬具有放大功能的透鏡進(jìn)行納米光柵的排布，實(shí)現(xiàn)視角放大裝置的小型化，其無(wú)論是加工于功能薄膜上，還是直接加工于透明的鏡片基體上或透明的光波導(dǎo)器件上，都幾乎不額外增加部件的體積，使產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，特別是滿足頭戴式裝置對(duì)體積小型化的嚴(yán)苛要求。參見(jiàn)圖8，圖8是本發(fā)明實(shí)施方式下的一種實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光場(chǎng)的納米結(jié)構(gòu)分布示意圖。其納米結(jié)構(gòu)相當(dāng)于單個(gè)離軸納米菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，可以使圖像匯聚于視點(diǎn)1。n×m個(gè)子像素構(gòu)成了n×m個(gè)不同焦點(diǎn)的離軸菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)單個(gè)像素復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化透過(guò)光柵透鏡的光場(chǎng)分布。傳統(tǒng)光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有固定的光柵周期和取向，可達(dá)到光路折疊、 將虛擬景象與現(xiàn)實(shí)景象融合的目的。而光柵透鏡除了實(shí)現(xiàn)光路折疊和圖像融合外，還對(duì)特定入射角度的光線具有成像功能，通過(guò)設(shè)計(jì)每個(gè)像素的光柵周期與取向，成像效果可相當(dāng)于單個(gè)理想球面鏡，或非球面(自由曲面)透鏡，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)成像的目的，例如，可以通過(guò)設(shè)計(jì)光柵透鏡，增大增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的視場(chǎng)角、出瞳距離或者觀察范圍。此外，圖上像素不限于矩形像素，也可以是圓形，菱形，六邊形等像素結(jié)構(gòu)組成。圖上像素亦可互相分立，適當(dāng)設(shè)計(jì)像素間距，可使之滿足照明空隙要求。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)圖上各像素的像素大小、結(jié)構(gòu)或槽深等結(jié)構(gòu)參數(shù)依空間分布變化，可使各像素點(diǎn)獲得理想的衍射效率，達(dá)到均勻照明的目的。

參見(jiàn)圖5c，圖5c為一種寬視角波導(dǎo)鏡片示意圖。通過(guò)第一納米光柵組41將照明光耦合進(jìn)入光波導(dǎo)器件5傳播。根據(jù)光柵方程設(shè)計(jì)并制作的兩組納米光柵組，最終經(jīng)第二光柵組42將光場(chǎng)耦合出光波導(dǎo)器件5，在人眼前方獲得視場(chǎng)角放大的會(huì)聚光場(chǎng)。圖5c中第一納米光柵組41和第二納米光柵組42設(shè)置于光波導(dǎo)器件5的同一反射面上。而圖12c所示為設(shè)置于不同反射面上的情形。如何選擇，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定。

創(chuàng)造性的利用具有光柵透鏡功能的納米光柵組及光波導(dǎo)器件對(duì)視角進(jìn)行二次放大，大大提高了可視視角，提升體驗(yàn)質(zhì)量，使其更加貼合真實(shí)世界的觀看體驗(yàn)，同時(shí)產(chǎn)品的體積并未顯著增加，利于最終產(chǎn)品的小型化，輕量化。當(dāng)然，根據(jù)需要，可以設(shè)置三組、甚至三組以上納米光柵組，進(jìn)行多級(jí)放大，原理一樣，就不再贅述。

進(jìn)一步的，光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上會(huì)聚光線出射的一面為出射面，所述視角放大裝置包括一組按照光柵透鏡結(jié)構(gòu)排布的納米光柵組，該納米光柵組設(shè)置于光波導(dǎo)器件的某一反射面上，并設(shè)置于光波導(dǎo)器件的一端，該反射面為第一反射面，光波導(dǎo)的另一反射面為第二反射面，所述光波導(dǎo)器件的另一端設(shè)有一個(gè)耦合棱鏡或反射斜 面，該耦合棱鏡或反射斜面用于接受光源或投影裝置的直接照射，光源或投影裝置投射的光信息經(jīng)耦合棱鏡或反射斜面反射后在光波導(dǎo)器件內(nèi)部向納米光柵組方向傳播，最后經(jīng)納米光柵組在光柵透鏡波導(dǎo)鏡片出射面上方的空間中投射出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象。

參見(jiàn)圖5d，圖5d為上述只設(shè)有一組納米光柵組42(也可以是一塊納米結(jié)構(gòu)功能薄膜)的寬視角波導(dǎo)鏡片示意圖。通過(guò)耦合棱鏡或反射斜面(圖中標(biāo)號(hào)51)將照明光耦合進(jìn)入光波導(dǎo)器件5傳播層。根據(jù)光柵方程設(shè)計(jì)并制作的這一組納米光柵組42，將光場(chǎng)耦合出光波導(dǎo)器件，在人眼前方獲得視場(chǎng)角放大的會(huì)聚光場(chǎng)。

圖5c、d分別為投影照明和波導(dǎo)照明方式下的透明鏡片。該光柵分光薄膜層的特點(diǎn)為，光柵周期與取向角隨空間位置連續(xù)變化。因此，對(duì)于同一角度入射光線，其出射光線方向隨空間位置變化。這樣的光柵透鏡薄膜層具有光學(xué)屈光度，參與成像。例如，對(duì)于物距在一倍焦距以內(nèi)的物體，可通過(guò)光柵透鏡薄膜層呈放大虛像。同時(shí)，光柵透鏡薄膜層可用于光線彎折，將虛擬景物與顯示景物融合。因此，通過(guò)集成光柵透鏡薄膜層，可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置(如圖4a、b)更大的視場(chǎng)角。

第一反射面：如果將光波導(dǎo)器件的一面面對(duì)眼睛擺放，則遠(yuǎn)離眼睛的一面稱為第一反射面，距離眼睛近的一面為第二反射面。一般來(lái)說(shuō)，頭戴式設(shè)備的光源或其它部件安裝于上部更加美觀方便，因此，一般來(lái)說(shuō)，為了獲得足夠的傳播距離，及足夠的照射面積(點(diǎn)光源的光野面積隨傳播距離而擴(kuò)大)，圖像信息或光從光波導(dǎo)器件的上部進(jìn)行入射(一般由第二反射面一側(cè)向第一反射面方向入射)，而納米光柵組設(shè)置在光波導(dǎo)器件的下部，這是一種利用一組納米光柵組進(jìn)行視角放大的實(shí)施方式，為了和納米光柵組進(jìn)行匹配，在光波導(dǎo)的上部制作一個(gè)斜面，使得入射光在斜面(反射斜面)的反射 作用下，在光波導(dǎo)器件中由上而下進(jìn)行傳播，其角度使得光傳播到納米光柵組時(shí)，其光野剛好覆蓋整個(gè)納米光柵組，發(fā)射斜面可以直接在光波導(dǎo)器件上加工，也可以單獨(dú)加工一個(gè)耦合棱鏡與其進(jìn)行光耦合，其作用，實(shí)質(zhì)上和反射斜面一致。這里的納米光柵組實(shí)質(zhì)上與第二光柵組相當(dāng)，由反射斜面或耦合棱鏡代替了第一光柵組，只不過(guò)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)二級(jí)放大而已。

在一些實(shí)施例中，所述圖像生成裝置為一全息投影裝置，所述全息投影裝置與所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片之間還設(shè)有4f光學(xué)放大裝置，所述4f光學(xué)放大裝置為固態(tài)透明材質(zhì)制備的透鏡組成，或使用兩組、三組或三組以上納米光柵組設(shè)置于光波導(dǎo)器件上組成，或由固態(tài)透明材質(zhì)制備的透鏡與納米光柵組、光波導(dǎo)器件共同組成。

作為頭戴式產(chǎn)品，需要采用微型全息投影裝置。如果采用傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)組成4f光學(xué)放大裝置，其體積可能會(huì)過(guò)大，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)頭戴式裝置困難或者不夠美觀輕便，因此可以采用兩級(jí)或兩級(jí)以上納米光柵組來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)透明材質(zhì)透鏡(如玻璃透鏡)，則可以實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化，現(xiàn)有技術(shù)中，沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)啟示。或者根據(jù)需要，由固態(tài)透明材質(zhì)制備的透鏡與納米光柵組、光波導(dǎo)器件共同組成。

有些微型全息投影裝置本身就配置有空間光調(diào)制器和4f光學(xué)系統(tǒng)，這可以看做是第一級(jí)視角放大裝置，不影響其與后續(xù)的視角放大裝置的匹配進(jìn)行多級(jí)放大。

參見(jiàn)圖6a-j，圖6a-j，是多種含有像素化納米光柵的功能薄膜層示意圖。光柵結(jié)構(gòu)可由單種材料組成，亦可由多種材料組成，其材質(zhì)可為樹(shù)脂、塑料、橡膠、玻璃、聚合物、光折變晶體、金屬、金屬氧化物等。光柵結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是光學(xué)折射率在微納米尺度空間內(nèi)周期性變化并可與光作用發(fā)生衍射效應(yīng)。本發(fā)明提出的上述納米結(jié)構(gòu)功能薄膜層，其中納米光柵像素可以采用紫外連續(xù)變空頻光刻技 術(shù)以及納米壓印進(jìn)行制作，該紫外連續(xù)變空頻光刻技術(shù)參照申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310166341.1的中國(guó)專利申請(qǐng)記載的光刻設(shè)備和光刻方法。需要指出的是，在本發(fā)明中，可以采用光刻方法在基底表面制作出各個(gè)不同指向型的納米光柵。波導(dǎo)層厚度為100um-3mm，其結(jié)構(gòu)可以是浮雕型的，通過(guò)上述納米光刻方法制作納米結(jié)構(gòu)，再做出能夠用于壓印的模板，然后通過(guò)納米壓印批量壓印出納米光柵構(gòu)成的像素陣列。亦可是折射率調(diào)制型，通過(guò)納米光刻在折射率調(diào)制型記錄材料(如光致聚合物薄膜、光折變晶體玻璃等)上曝光制備。

參見(jiàn)圖7a-f，圖7a-f是含有納米光柵像素結(jié)構(gòu)的功能薄膜層與鏡片基材構(gòu)成光柵透鏡鏡片的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7a、圖7b和圖7c所示，通過(guò)在鏡片基材表面制備納米結(jié)構(gòu)功能層，或在鏡片基材內(nèi)部嵌入納米結(jié)構(gòu)功能層(圖7d、圖7e)。需要指出的是，制作單層和多層疊合的光柵透鏡時(shí)(圖7e、圖7f)，或需在光柵結(jié)構(gòu)表面蒸鍍、貼合一層與基底折射率不同的透明介質(zhì)層或者空氣間隔層，保護(hù)納米光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光特性和光柵透鏡的成像特性。

圖9是利用納米結(jié)構(gòu)功能薄膜層構(gòu)筑新波前的示意圖。納米波導(dǎo)鏡片對(duì)微投影官學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光路彎折，將光學(xué)投射圖像與現(xiàn)實(shí)景象融合，并進(jìn)入人眼觀察區(qū)域?？紤]到頭戴式可視設(shè)備屏幕距人眼距離通常為10mm-50mm，應(yīng)優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)功能薄膜層的納米結(jié)構(gòu)的分布和微投影光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡組，使得眼睛處于最佳觀察范圍內(nèi)。此外，光柵透鏡波導(dǎo)鏡片對(duì)微投影光學(xué)系統(tǒng)所投射圖像進(jìn)一步成像，優(yōu)化虛擬景象質(zhì)量，一般地，光柵透鏡的焦距范圍：5mm 40mm。其中包括但不局限于通過(guò)光柵透鏡優(yōu)化顯示裝置如下參數(shù)：視場(chǎng)角、出瞳距、觀察范圍等。

參見(jiàn)圖10，圖10是傳統(tǒng)微投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。光源100照射在空間光調(diào)制器101上，通過(guò)投影光學(xué)系統(tǒng)和空間傳播形成虛擬放大圖像。考慮到光源100照明空間光調(diào)制器101時(shí)需要分 光棱鏡103，空間光調(diào)制器101與投影透鏡組101之間的距離需要大于分光棱鏡103的尺寸。因此，微投影系統(tǒng)的視場(chǎng)角受到限制。從投影透鏡組102出射的光路經(jīng)波導(dǎo)耦合進(jìn)入人眼，將虛擬放大虛像001呈現(xiàn)在人眼明視范圍內(nèi)。周期與取向固定的納米光柵波導(dǎo)不參與成像，虛擬圖像的視場(chǎng)角主要由微投影光學(xué)系統(tǒng)的成像特性決定。一般地，微投影光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角為10-40度左右。

參見(jiàn)圖11，圖11是本專利利用光柵透鏡波導(dǎo)鏡片實(shí)現(xiàn)寬視角增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖10所示的傳統(tǒng)微投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了光柵透鏡組1022構(gòu)成的光柵透鏡波導(dǎo)鏡片(可以由設(shè)于納米結(jié)構(gòu)功能薄膜上的陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成光柵透鏡組)，光源100照射在空間光調(diào)制器101(如LCOS器件、DLP器件等)上，通過(guò)投影光學(xué)系統(tǒng)和空間傳播進(jìn)行一次成像，形成放大實(shí)像。從投影透鏡組102出射的光路經(jīng)波導(dǎo)器件51進(jìn)行光路彎折后實(shí)現(xiàn)第一次放大，如圖中001所示第一次成像示意。然后再經(jīng)波導(dǎo)器件52進(jìn)行光路彎折，最后經(jīng)光柵透鏡組1022耦合進(jìn)人眼，實(shí)現(xiàn)二次放大，形成最終二次放大的虛擬景象002。周期和取向連續(xù)變化的光柵透鏡組1022在彎折光路的同時(shí)，將投影光學(xué)系統(tǒng)所成實(shí)像進(jìn)一步放大，并優(yōu)化像質(zhì)，在人眼觀察舒適的范圍內(nèi)進(jìn)行二次成像，形成放大虛擬景象002。虛擬圖像的視場(chǎng)角由微投影光學(xué)系統(tǒng)和光柵透鏡組1022的成像系統(tǒng)共同決定。這里，光柵透鏡組1022可以是單個(gè)納米功能薄膜層上的一組陣列式納米光柵結(jié)構(gòu)，亦可以是多組陣列式納米光柵結(jié)構(gòu)分布在光波導(dǎo)轉(zhuǎn)播路徑上，共同實(shí)現(xiàn)光路彎折和成像功能。此外，在系統(tǒng)優(yōu)化像差時(shí)，需綜合考慮投影光學(xué)系統(tǒng)的透鏡組102和光柵透鏡組1022，進(jìn)行整體優(yōu)化和性能分析，從而，實(shí)現(xiàn)最小像差和最優(yōu)成像特性。如幾何光學(xué)透鏡可通過(guò)改變局部曲面曲率對(duì)像差矯正，光柵透鏡組1022可通過(guò)改變單個(gè)像素納米結(jié)構(gòu)的周期與取向達(dá)到矯正像差的目的。通過(guò)微 透鏡系統(tǒng)與光柵透鏡共同成像，可將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置視場(chǎng)擴(kuò)大到60度以上。優(yōu)選地，光柵透鏡數(shù)值孔徑NA大于0.6，光柵透鏡的結(jié)構(gòu)分布可以根據(jù)整體光學(xué)系統(tǒng)的像差補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求，形成非球面功能的納米結(jié)構(gòu)分布。該示例中采用了兩個(gè)波導(dǎo)器件51/52進(jìn)行光傳播線路的改變(光路彎折)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要選擇一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)器件來(lái)完成這項(xiàng)工作。

在一些實(shí)施例中，圖像生成裝置是微全息投影裝置，通過(guò)光耦合裝置如波導(dǎo)與光柵透鏡波導(dǎo)鏡片耦合。該系統(tǒng)包括微全息投影裝置和光柵透鏡波導(dǎo)。光柵透鏡波導(dǎo)上至少包含兩組納米結(jié)構(gòu)功能薄膜層和一層光波導(dǎo)。在微全息投影裝置中，光線照射在空間光調(diào)制器(如LCOS器件、DLP器件等)上，通過(guò)空間衍射和光學(xué)系統(tǒng)成像。從投影透鏡組出射光線通過(guò)光耦合器件傾斜進(jìn)入光波導(dǎo)，通過(guò)兩組納米功能薄膜層實(shí)現(xiàn)光路彎折，并擴(kuò)大可觀察區(qū)域。設(shè)計(jì)納米功能薄膜層的像素化納米結(jié)構(gòu)，由至少其中一個(gè)納米功能薄膜層，或兩個(gè)納米功能薄膜層共同實(shí)現(xiàn)光柵透鏡功能，對(duì)微投影系統(tǒng)所成一次圖像進(jìn)行二次放大，獲得更優(yōu)的成像特性。

參見(jiàn)圖12a，圖12a是微全息投影裝置120通過(guò)波導(dǎo)1201與光柵透鏡波導(dǎo)鏡片耦合的一種方案圖，所述圖像生成裝置為一全息投影裝置120，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片包括至少一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片具有視角放大及會(huì)聚成像功能。所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元包括透明鏡片基體或光波導(dǎo)器件，透明鏡片基體或光波導(dǎo)器件上設(shè)有陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)，該陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)加工于一功能薄膜上；所述功能薄膜也稱為納米結(jié)構(gòu)功能薄膜，該功能性薄膜設(shè)置于所述透明鏡片基體或光波導(dǎo)器件上；或該陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)直接加工于透明鏡片基體或光波導(dǎo)器件上。所述陣列化納米光柵結(jié)構(gòu)由像素型納米光柵構(gòu)成，每個(gè)像素內(nèi)的納米光柵周期和取向角不同，且隨空間位置連續(xù)變化，組合成具有光學(xué) 屈光度的光柵透鏡，具有光學(xué)成像及放大功能。在圖12a的示例中，所述陣列化光柵結(jié)構(gòu)為兩組按照光柵透鏡結(jié)構(gòu)排布的納米光柵，即第一光柵組211和第二光柵組212；兩組納米光柵均設(shè)置于光波導(dǎo)器件的同一反射面上或不同反射面上，并分別設(shè)置于光波導(dǎo)器件的兩端；或如圖12a的示例，兩組光柵組分別設(shè)置于兩個(gè)光波導(dǎo)器件上的相同側(cè)面或不同側(cè)面(圖12a的示例中設(shè)置于兩個(gè)光波導(dǎo)器件5的同一側(cè)面)，兩個(gè)光波導(dǎo)上下重疊并使兩組光柵組位于同一平面上或兩個(gè)平行平面上(圖12a中為同一平面)；其中第一光柵組211用于接來(lái)自微全息投影裝置120經(jīng)光耦合裝置1201傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的圖像光信息，圖像光光信息經(jīng)第一光柵組211反射后在光波導(dǎo)器件內(nèi)部向第二光柵組212方向傳播，最后經(jīng)第二光柵組212在光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的外部空間中投射出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象。這里也可以將第一光柵組和第二光柵組設(shè)置在同一個(gè)光波導(dǎo)器件上。

同理，也可以根據(jù)需要，用納米光柵組代替圖11與圖12a中圖像生成裝置的光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步減小體積與重量。

參見(jiàn)圖12b-c，圖12b-c是微全息投影系統(tǒng)與光波導(dǎo)器件耦合的另外的方案圖。該系統(tǒng)包括微全息投影系統(tǒng)和光柵透鏡波導(dǎo)鏡片。圖12c中光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上包含兩組納米結(jié)構(gòu)功能薄膜，且由一個(gè)光波導(dǎo)器件構(gòu)成，兩組納米光柵組分別設(shè)置于同一光波導(dǎo)器件的上下兩端。在微全息投影系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算生成的位相分布實(shí)時(shí)刷新在空間光調(diào)制器(如LCOS器件、DLP器件等)上。光波照射在空間光調(diào)制器上，通過(guò)空間衍射和光學(xué)系統(tǒng)形成成像。在該實(shí)施例中，微全息投影系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)為具有一定光學(xué)縮放功能的4f系統(tǒng)。光場(chǎng)通過(guò)光耦合器件傾斜進(jìn)入光柵透鏡波導(dǎo)鏡片，圖像在y方向上放大，并照射到納米功能薄膜。設(shè)計(jì)納米功能薄膜的像素化納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)x方向上的圖像放大，納米功能薄膜通過(guò)衍射效應(yīng)， 在人眼前方實(shí)現(xiàn)會(huì)聚視點(diǎn)。圖12b中，則是微全息投影系統(tǒng)與圖5d所示的光柵透鏡波導(dǎo)鏡片結(jié)合的情形，這個(gè)示例中，只設(shè)有一組納米光柵組。

參見(jiàn)圖12d-e，圖12d-e是本專利實(shí)施方案下另一種微全息投影系統(tǒng)120與光波導(dǎo)器件5組成的光柵透鏡波導(dǎo)鏡片耦合的方案圖。該系統(tǒng)包括微全息投影系統(tǒng)120和光柵透鏡波導(dǎo)鏡片。光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上包含兩組納米結(jié)構(gòu)功能薄膜，和一層光波導(dǎo)器件5結(jié)構(gòu)。在微全息投影系統(tǒng)120中，包括空間光調(diào)制器和4f光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算生成的位相分布實(shí)時(shí)刷新在空間光調(diào)制器(如LCOS器件、DLP器件等)上。光波照射在空間光調(diào)制器上，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，形成實(shí)像。在該實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)為具有一定光學(xué)縮放功能的4f系統(tǒng)。光場(chǎng)通過(guò)在y方向上有透鏡會(huì)聚功能的納米功能薄膜(兩組納米光柵組211/212中的一組，圖中是211)，耦合進(jìn)入光波導(dǎo)器件5，實(shí)現(xiàn)圖像y方向上的放大，并照射x方向有會(huì)聚功能的納米功能薄膜(兩組納米光柵組211/212中的第二組，圖中是212)。通過(guò)設(shè)計(jì)兩組納米功能薄膜的像素化納米結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)x和y方向上的圖像放大，組成x和y方向的光柵透鏡。最終通過(guò)衍射效應(yīng)，在人眼前方實(shí)現(xiàn)會(huì)聚視點(diǎn)。

在一些實(shí)施例中，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片為兩層、三層、四層或四層以上光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元重疊而成，如圖13a為3層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元疊加的情形。所有光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的第一光柵組211、第二光柵組212分別對(duì)齊平行排列；其中所有的第一光柵組211均接受同一光源或投影裝置的照射，光源或投影裝置投射的光信息經(jīng)第一光柵組211反射后在各層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的光波導(dǎo)器件內(nèi)部向其對(duì)應(yīng)的第二光柵組212方向傳播，最后經(jīng)所有的第二光柵組212在人眼前方投射出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象。

多層結(jié)構(gòu)既可以實(shí)現(xiàn)更多的會(huì)聚視點(diǎn)，提高分辨率，也為實(shí)現(xiàn)彩色三維顯示提供了可行性。

例如，當(dāng)所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片為三層、四層、或四層以上光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元重疊而成，所述圖像生成裝置可設(shè)置分頻控制裝置，即對(duì)應(yīng)采用三基色、四基色或四色以上色彩分頻掃描，將三種波長(zhǎng)、四種波長(zhǎng)或四種以上波長(zhǎng)的光或圖像依次分別向各透明鏡片單元的第一光柵組投射，即每一種波長(zhǎng)的光信息或圖像信息分別與各層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的第一光柵組一一對(duì)應(yīng)；各波長(zhǎng)的光信息或圖像信息經(jīng)對(duì)應(yīng)的第一光柵組反射后在光波導(dǎo)器件內(nèi)部向其對(duì)應(yīng)的第二光柵組方向傳播，最后經(jīng)所有的第二光柵組在人眼前方投射出會(huì)聚波面，形成視角放大且融合為彩色的三維虛擬景象。圖13a是三層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元疊加的情形。

在另一些實(shí)施例中可以采用另外的一種結(jié)構(gòu)，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片為兩層、三層、四層或四層以上光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元重疊而成；其中會(huì)聚光線出射的一面為出射面，這一面一般面向眼睛，即這一面與眼睛位于同一側(cè)，其中距離眼睛(也可以相對(duì)于出射面而言)最遠(yuǎn)的一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元只設(shè)有第二光柵組，其余光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元均設(shè)有第一光柵組和第二光柵組；且所有第二光柵組均對(duì)齊平行排列，第一光柵組按照距離眼睛越遠(yuǎn)，位置越低的方式排布，即距離眼睛越遠(yuǎn)，第一光柵組越靠近其對(duì)應(yīng)的第二光柵組；在距離眼睛最近的一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的頂端設(shè)有一光耦合器件，該光耦合器件接受光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息經(jīng)光耦合器件進(jìn)入距離眼睛最近的一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的光波導(dǎo)器件內(nèi)部，再向各層的第一光柵組傳播，經(jīng)第一光柵組后再向其對(duì)應(yīng)的第二光柵組方向傳播，對(duì)于距離眼睛最遠(yuǎn)的一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元，則直接經(jīng)其對(duì)應(yīng)的光波導(dǎo)器件傳播給它對(duì)應(yīng)的第二光柵組，最后經(jīng)所有的第二光柵組在人眼前方投射 出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象。圖13b為三層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元疊加的情形。其它數(shù)量光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元疊加同理。

進(jìn)一步的，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片為三層、四層、或四層以上光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元重疊而成，所述圖像生成裝置設(shè)有分頻控制裝置，即對(duì)應(yīng)采用三基色、四基色或四色以上色彩分頻掃描，將三種波長(zhǎng)、四種波長(zhǎng)或四種以上波長(zhǎng)的光或圖像依次分別向各透明鏡片單元的第一光柵組投射，即每一種波長(zhǎng)的光信息或圖像信息分別與各層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的第一光柵組一一對(duì)應(yīng)；各波長(zhǎng)的光信息或圖像信息經(jīng)對(duì)應(yīng)的第一光柵組反射后在光波導(dǎo)器件內(nèi)部向其對(duì)應(yīng)的第二光柵組方向傳播，對(duì)于距離眼睛最遠(yuǎn)的一層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元，則直接經(jīng)其對(duì)應(yīng)的光波導(dǎo)器件傳播給它對(duì)應(yīng)的第二光柵組，最后經(jīng)所有的第二光柵組在人眼前方投射出會(huì)聚波面，形成視角放大且融合為彩色的三維虛擬景象。

參見(jiàn)圖14，圖14本發(fā)明實(shí)施例下一種雙目頭戴式三維顯示示意圖。左右兩個(gè)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片(這個(gè)示例中采用圖5b的結(jié)構(gòu))的納米結(jié)構(gòu)分布是對(duì)稱性的，兩者之間產(chǎn)生的光場(chǎng)具有雙目視差，在眼球移動(dòng)時(shí)，左右光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的會(huì)聚光場(chǎng)形成視差效應(yīng)，即左眼獲得的圖像包含更多的左方向信息，右眼獲得的圖像包含更多的右方向信息，通過(guò)大腦融合形成立體圖像，符合人眼觀察習(xí)慣。優(yōu)選地，通過(guò)設(shè)置傳感器及控制裝置進(jìn)行眼球跟蹤確定視軸角度和瞳孔位置，并分別在左右光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的不同部分投影相應(yīng)的圖像，達(dá)到最優(yōu)視景質(zhì)量和減少所需處理(傳輸)數(shù)據(jù)量的目的。這里耦合棱鏡51的斜邊上鍍有帶通濾波片，對(duì)應(yīng)耦合的波長(zhǎng)。

當(dāng)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片由多層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元疊加構(gòu)成時(shí)，光源或投影裝置可以通過(guò)一個(gè)分頻控制裝置依次循環(huán)對(duì)各層光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元提供圖像光信息，從而實(shí)現(xiàn)分頻控制，通過(guò)提 高顯示頻率的方法增加顯示信息量，提升的顯示信息量可以用于多視角的視差三維顯示，亦可用于多焦點(diǎn)多景深的深度三維顯示，還可用于多視角多焦點(diǎn)混合的真三維顯示領(lǐng)域。其本質(zhì)是利用時(shí)間信息換取空間信息。

參見(jiàn)圖15，圖15是傳統(tǒng)頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置實(shí)現(xiàn)虛擬三維景象的流程示意圖?？刂葡到y(tǒng)刷新空間光調(diào)制器(如LCOS器件等)顯示的圖像信息，并通過(guò)微投影系統(tǒng)呈放大虛像。從微投影系統(tǒng)出射光場(chǎng)經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)進(jìn)入波導(dǎo)，在人眼觀察區(qū)域呈現(xiàn)該放大虛像。即光學(xué)耦合系統(tǒng)和波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光路彎折，使虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)景物融合。不對(duì)光學(xué)系統(tǒng)有放大或縮小功能，不提供光學(xué)屈光度。然而，考慮到波導(dǎo)全反射條件對(duì)光場(chǎng)角度的限制，可在波導(dǎo)中傳播的光線視場(chǎng)角范圍有限。以折射率1.5的玻璃材質(zhì)為例，全反射需滿足條件為耦合角度大于41°，即在波導(dǎo)中傳播的光場(chǎng)范圍是41°-90°。因此，其視角范圍小于49°。

參見(jiàn)圖16，圖16是本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)虛擬三維景象的流程示意圖。控制系統(tǒng)刷新空間光調(diào)制器(如LCOS器件等)顯示的圖像信息，并通過(guò)微投影系統(tǒng)(或微全息投影裝置)呈放大實(shí)像。從微投影系統(tǒng)出射光場(chǎng)經(jīng)過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)進(jìn)入光柵透鏡波導(dǎo)(即光柵透鏡波導(dǎo)鏡片)。該光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上的納米光柵構(gòu)成的光柵透鏡具有光學(xué)屈光度，參與光學(xué)成像。將進(jìn)一步放大的虛像呈現(xiàn)在人眼觀察區(qū)域。通過(guò)光柵透鏡進(jìn)一步放大視場(chǎng)角，可打破波導(dǎo)全反射條件對(duì)視場(chǎng)角的限制，實(shí)現(xiàn)大于60°甚至大于110°的沉浸式顯示效果。

參見(jiàn)圖17a和圖17b，圖17a-b是基于光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的一種頭戴式3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置示意圖。外界信息采集傳感器，例如：現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景采集傳感器(3001)、頭部運(yùn)動(dòng)識(shí)別傳感器(3002)、眼部運(yùn)動(dòng)識(shí)別傳感器(3004)等，集成在頭戴式便攜裝置上。其具體位置分布可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要改變。虛擬三維景象通過(guò)設(shè)置有納 米結(jié)構(gòu)功能薄膜的光場(chǎng)鏡片和圖像輸出裝置(3003)添加至特定位置。各部件具體位置可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要調(diào)整和修改。

將上述利用設(shè)置納米結(jié)構(gòu)功能薄膜的光柵透鏡波導(dǎo)鏡片實(shí)現(xiàn)的佩戴式3D顯示裝置與外界信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)結(jié)合，可用于虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)領(lǐng)域。

參見(jiàn)圖18，圖18是基于光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)方案示意圖。在現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)中，多個(gè)傳感器(或圖像采集器)對(duì)真實(shí)世界和觀察者進(jìn)行信息采集，主要包括但不局限于：真實(shí)場(chǎng)景三維信息識(shí)別、觀察者頭部運(yùn)動(dòng)、眼部運(yùn)動(dòng)識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等。采集信息與云端收集信息匹配、處理、交互，最終通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置在現(xiàn)實(shí)三維尺度空間特定位置增加虛擬物體或信息。

在一些實(shí)施例中，圖像生成裝置的光學(xué)系統(tǒng)可以為具有一定光學(xué)縮放功能的4f系統(tǒng)。在4f系統(tǒng)兩透鏡間的頻譜平面上設(shè)置光闌，讓光闌只允許形成物體實(shí)像的頻譜通過(guò)。光場(chǎng)通過(guò)光耦合器件進(jìn)入光場(chǎng)鏡片，沿波導(dǎo)傳播。在光線出射區(qū)域，納米結(jié)構(gòu)功能薄膜將光場(chǎng)耦合至人眼前方，并增大視場(chǎng)角，將放大的虛像呈現(xiàn)在人眼觀察區(qū)域。更進(jìn)一步地，利用分頻掃描的方式，實(shí)現(xiàn)多幅位相分布的實(shí)時(shí)掃描，使其在微全息顯示系統(tǒng)的像空間形成景深不同的實(shí)像。這些景深不同的實(shí)像組成全息動(dòng)態(tài)三維實(shí)象。最終，通過(guò)光場(chǎng)鏡片，在人眼可視范圍內(nèi)形成動(dòng)態(tài)三維虛擬景像。

需要指出，上述空間光調(diào)制器也可刷新振幅(強(qiáng)度)分布圖像，通過(guò)微全息投影系統(tǒng)與光場(chǎng)鏡片共同構(gòu)成虛像成像系統(tǒng)，利用納米波導(dǎo)透鏡的功能產(chǎn)生更大視場(chǎng)。一般地，微投影光學(xué)系統(tǒng)和光波導(dǎo)波導(dǎo)器件的視場(chǎng)角為30度左右，通過(guò)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片上的納米光柵組，可將視場(chǎng)擴(kuò)大到60度以上。

這種符合人眼調(diào)焦習(xí)慣的立體顯示方式使三維景象觀看效果更加自然。納米結(jié)構(gòu)功能鏡片可視作一個(gè)離軸菲涅爾透鏡。在近軸 條件下，其成像關(guān)系可簡(jiǎn)單近似為：

其中，u和u’分別為物距和像距，f為納米光柵組所構(gòu)建的菲涅爾透鏡的焦距。通過(guò)數(shù)字全息投影系統(tǒng)呈現(xiàn)的不同景深實(shí)像，通過(guò)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片在人眼前方投影出多景深的虛像。值得注意的是，垂軸放大率(像高與物高之比)也將隨之改變：

因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)通過(guò)計(jì)算，獲得景物大小和畸變數(shù)據(jù)，使所成虛像大小比例合適，使觀察者既有沉浸感，又與現(xiàn)實(shí)景物有效融合。當(dāng)人眼通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦到近距離景象時(shí)，遠(yuǎn)距離景象模糊，反之，當(dāng)人眼聚焦到遠(yuǎn)距離景象時(shí)，近距離景象模糊。這種符合人眼調(diào)焦習(xí)慣的立體顯示方式使三維景象觀看效果更加自然。將這種多景深3D效果和雙眼視差3D效果結(jié)合，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，獲得眼部肌肉調(diào)焦立體效果和視差立體效果的融合，使觀看效果更加自然。同時(shí)，與微型投影系統(tǒng)相比，數(shù)字全息顯示系統(tǒng)不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)即可通過(guò)分頻掃描的方面實(shí)現(xiàn)多景深的三維景物，更加便利。

在構(gòu)建頭戴式增強(qiáng)三維顯示裝置時(shí)，可以采用以下形式：所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片包括兩個(gè)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元，且兩個(gè)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元左右對(duì)稱排布，以分別對(duì)應(yīng)于左右眼睛；其納米光柵組也對(duì)稱排布，并分別對(duì)應(yīng)于左右眼睛，且均位于光波導(dǎo)器件遠(yuǎn)離眼睛的一面；兩個(gè)光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的耦合棱鏡或反射斜面分別設(shè)置于遠(yuǎn)離眼睛的另一端；所述圖像生成裝置設(shè)有兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)耦合棱鏡或反射斜面的光源、全息投影裝置或微型投影 儀；兩個(gè)耦合棱鏡或反射斜面分別接受對(duì)應(yīng)光源、全息投影裝置或微型投影儀的照射，光源或投影投射的光信息經(jīng)耦合棱鏡或反射斜面反射后在對(duì)應(yīng)光波導(dǎo)器件內(nèi)部向?qū)?yīng)第二光柵組方向傳播，最后經(jīng)兩個(gè)第二光柵組在人眼前方投射出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象。

在另一些實(shí)施例中，所述光柵透鏡波導(dǎo)鏡片包括兩組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元，且兩組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元左右對(duì)稱排布，以分別對(duì)應(yīng)于左右眼睛；其第二光柵組也對(duì)稱排布，并分別對(duì)應(yīng)于左右眼睛，且均位于光波導(dǎo)器件遠(yuǎn)離眼睛的一面；所述每組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元均為一層、兩層、三層、四層或四層以上光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元重疊而成；兩組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元的第一光柵組或光耦合器件分別設(shè)置于遠(yuǎn)離眼睛的另一端；所述圖像生成裝置設(shè)有兩個(gè)分別對(duì)應(yīng)于兩組第一光柵組或光耦合器件的光源、全息投影裝置或微型投影儀；兩組第一光柵組或光耦合器件分別接受對(duì)應(yīng)光源、全息投影裝置或微型投影儀的照射，光源或投影投射的光信息經(jīng)兩組第一光柵組或光耦合器件反射后在對(duì)應(yīng)光波導(dǎo)器件內(nèi)部向?qū)?yīng)第二光柵組方向傳播，最后經(jīng)所有的第二光柵組在人眼前方投射出會(huì)聚波面，形成視角放大的三維虛擬景象，這里的每組光柵透鏡波導(dǎo)鏡片單元組可以采用前述的各種光柵透鏡波導(dǎo)鏡片的結(jié)構(gòu)，以及與圖形生成裝置進(jìn)行對(duì)應(yīng)的光學(xué)匹配即可。

將上述利用設(shè)置納米結(jié)構(gòu)功能薄膜的光柵透鏡波導(dǎo)鏡片實(shí)現(xiàn)的佩戴式3D顯示裝置與外界信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)結(jié)合，可用于虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)領(lǐng)域。

參見(jiàn)圖19，圖19是佩戴式3D顯示裝置與其他移動(dòng)設(shè)備或終端可通過(guò)云網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互的示意圖。頭戴式移動(dòng)裝置(3100)、腰戴式移動(dòng)裝置(3101)、腕戴式移動(dòng)裝置(3102)與便攜式移動(dòng)裝置(3103、3104)可通過(guò)云端便捷地實(shí)現(xiàn)信息交互。

本發(fā)明在眼球前方的空間中會(huì)聚視角圖像，形成虛擬景象，其和現(xiàn)實(shí)景物在人眼中成像的原理一致，因此長(zhǎng)時(shí)間觀看的視覺(jué)疲勞度比傳統(tǒng)的三維顯示技術(shù)大大降低。

該專利所涉及的虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)，可應(yīng)用到諸如視頻游戲、事件直播、視頻娛樂(lè)、醫(yī)療保健、房地產(chǎn)、零售、教育、工程和軍事等社會(huì)活動(dòng)中。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。