CN106526730B - 一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置，利用具有能实现会聚光场视角放大功能即光栅透镜功能的纳米光栅结构，实现三维虚拟信息的视角放大，并在人眼前投射，通过宽视角波导镜片实现虚拟物体与现实景物的完美融合，由于视角得以放大，使得人眼观察虚拟物体和现实景物融合的场景时难以察觉这是融合景象，使得体验更加真实，同时基于全息原理，可以方便的将计算全息与纳米结构功能光场镜片相结合，从而实现无视觉疲劳的、高亮度的、头戴式3D增强现实显示方案和装置、也可方便的实现支持3D显示图像的动态聚焦。

Description

一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置

技术领域

本发明属于三维图像显示领域，具体涉及一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置。

背景技术

增强现实(AR)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。其中AR系统的特点之一：在三维尺度空间增添定位虚拟物体，是显示技术的难点。

美国专利US008014050B2公开了一种用于三维显示或光开关的光学全息相位板。所描述相位板包含一个体衍射光栅结构和一种光敏材料。通过电极阵列可控制单个像素单元的衍射效率和位相延迟，从而实现光场相位的快速调控。然而这种利用电极阵列实现相位调控的方法遇到了单个像素难以微小化的制约，其显示效果难以满足当前消费者对显示精细度和舒适度的要求。

中国专利2013080030964公开了一种宽视场虚拟图像投影仪，第一衍射光栅具有若干组不同空间频率的衍射光栅，使不同角度范围的图像分别投影至第二衍射光栅上，达到扩大视场的目的。这种图像分割的显示方式不仅结构复杂，器件组装难度大，而且图像分割与拼接困难，图像效果不佳。

在三维空间增添定位虚拟物体是AR系统的主要目的，然而， 目前包括上述技术方案在内的3D显示系统具有视场角小的缺点，并且，已有解决方案均难以实现宽视角，例如大于60度的3D显示。

发明内容

鉴于此，本发明旨在基于全息成像原理，提出一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置，通过将图像生成装置与宽视角波导镜片结合，利用宽视角波导镜片的透明光学成像和波导光线折弯功能，与微投影光学系统结合为整体，共同实现宽视角的3D景象。为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种宽视角波导镜片，包括镜片基材和光栅透镜，所述光栅透镜包括至少一层功能薄膜，所述功能薄膜包含阵列化光栅，所述阵列化光栅的周期和取向连续变化。

进一步的，所述光栅透镜包括两层及多层功能薄膜，相邻的功能薄膜之间设有透明介质层。

进一步的，所述透明介质层的折射率与镜片基材折射率不同。

进一步的，所述光栅透镜位于所述镜片基材的表面或其内部。

进一步的，所述阵列化光栅周期在100纳米-1000纳米之间。

进一步的，所述阵列化光栅构成光栅像素，所述光栅像素尺寸范围为5微米-100微米。

一种制作如上所述的宽视角波导镜片制作方法，包含以下步骤：

提供基底，并在基底表面光刻制作出周期和取向连续变化的光栅；

将所述形成有光栅的基底制作成模板；

利用所述模板在功能薄膜上形成阵列化光栅；

将所述包含阵列化光栅的功能薄膜制作成光栅透镜；

将所述光栅透镜与所述镜片基材形成光栅透镜波导镜片。

进一步的，所述功能薄膜大于一层时，相邻所述功能薄膜的阵列化光栅表面蒸镀或贴合一层与基底折射率不同的透明介质层，或在相邻所述功能薄膜的阵列化光栅之间留置空气间隔层。

一种头戴式三维显示装置，包括图像生成装置和如上所述的宽视角波导镜片。利用具有能实现会聚光场视角放大功能即光栅透镜功能的阵列化纳米光栅结构，实现三维虚拟信息的视角放大，并在人眼前投射，通过光栅透镜波导镜片实现虚拟物体与现实景物的完美融合，由于视角得以放大，使得人眼观察虚拟物体和现实景物融合的场景时难以察觉这是融合景象，使得体验更加真实，同时基于全息原理，可以方便的将计算全息与纳米结构功能光场镜片相结合，从而实现无视觉疲劳的、高亮度的、头戴式3D增强现实显示方案和装置、也可方便的实现支持3D显示图像的动态聚焦。

进一步的，所述光栅透镜组包括nxm个离轴菲尼尔透镜，即由nxm个构成离轴菲尼尔透镜的阵列化纳米光栅结构组成，其中，n和m均为等于或大于1的整数。

从来自于图像生成装置或微投影光学系统的照明光，经微投影透镜组进行一次成像，再经滤光片和光栅透镜波导镜片上包含纳米光栅结构的功能薄膜层，将光耦合进入波导层中传播并再耦合出光波导，同时实现图像二次放大，在人眼前方形成放大虚像。这里滤波片可是带通型光栅，也可以是带通型棱镜、也可以是体积性全息光栅。

进一步的，充分考虑双目视差特性，在左右两个光场镜片上匹配左右眼相应视点对应的纳米光栅结构分布和位置，以及匹配对应的输出视图信息，可获得符合自然习惯的三维显示体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对 实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是人眼结构图。

图2和图3是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。

图4a和图4b为现有技术中包括一组光栅分光薄膜层的透明镜片。

图5a和图5b为包括一组纳米光栅组的宽视角波导镜片的示意图。

图5c为上述包括两组纳米光栅组的宽视角波导镜片示意图。

图5d为上述只设有一组纳米光栅组(也可以是一块纳米结构功能薄膜)的宽视角波导镜片示意图。

图6a-j是多种含有像素化纳米光栅的功能薄膜示意图。

图7a-f是含有纳米光栅像素结构的功能薄膜与镜片基材构成镜片(宽视角波导镜片)的结构示意图。

图8是本发明实施方式下的一种实现会聚光场的纳米结构分布示意图。

图9是利用纳米结构功能薄膜构筑新波前的示意图。

图10是微全息投影系统的结构示意图。

图11是本发明实施方式下的一种增强现实显示方案图。

图12a-e是微全息投影系统与光波导器件耦合的方案图。

图13a-b是多层光栅透镜宽视角波导镜片单元叠加的示意图。

图14是两组光栅透镜波导镜片单元左右对称排布的结构示意图。

图15是现有技术中的流程控制示意图。

图16是本发明一种流程控制示例的示意图。

图17a-b是基于光栅透镜波导镜片的一种头戴式3D增强现实显示装置示意图。

图18是基于光栅透镜波导镜片的现实增强系统方案原理框图。

图19是佩戴式3D显示装置与其他移动设备或终端可通过云网络实现信息交互的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，图1是人眼结构图。人的眼睛近似球体，眼球包括虹膜101、角膜102、晶状体103、视网膜104、黄斑105；眼睛视线的轴线称为视轴11。

眼球1具有光学成像功能的组织是角膜102和晶状体103。视网膜104位于眼睛后端，是视觉形成的神经信息传递的第一站。眼睛中的虹膜呈圆盘状，中间有一个小圆孔，即瞳孔101。瞳孔直径正常值是2-5mm，在亮光处缩小，在暗光处散大。视网膜104上的视锥细胞是的主要感光神经元，在视轴11正对终点。根据视锥细胞的分布，视锥细胞分布极不均匀，在黄斑105中心凹处最密集，在视网膜104其他位置少量分布。因此，中心凹是视觉最敏锐的区域，其直径约为1～3mm。考虑到正常人眼的明视距离为无穷远至人眼前方25cm，本发明所涉及的三维显示装置也应在该范围内成虚像。并考虑个体差异，该可视范围可做适当调整。

本发明采用基于衍射光学效应、由含有纳米光栅的像素组成光栅透镜波导，来放大光场的视角。单个纳米结构与光相互作用，改变其相位。参见附图2和附图3，附图2和附图3是结构尺度在纳米 级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，衍射光栅像素101的周期、取向角满足以下关系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ（Λ/λ））

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

其中，光线以一定的角度入射到XY平面，θ₁和φ₁依次表示衍射光线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长，Λ和φ依次表示纳米衍射光栅101的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率，其中，衍射角为衍射光线202与z轴正方向夹角；方位角为衍射光线202与x轴正方向夹角；入射角为入射光线与z轴正方向夹角；取向角为槽型方向与y轴正方向夹角。

换言之，在规定好入射光线202波长、入射角以及衍射光线202衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米光栅101的周期(空频)和取向角。如，650nm波长红光以60°角在波导中入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，对应的纳米衍射光栅101周期为550nm，取向角为-5.96°。

按照上述原理，纳米光栅的取向和周期共同决定了光场角度和光谱的调制特性。纳米光栅结构的周期(空频)和取向在各亚像素之间按照设计需求连续变化，实现对光场的调控和变换。含有纳米光栅的像素尺寸范围5-100微米。

参见图4a和图4b，图4a和图4b为传统设计的透明镜片，包括一组光栅分光薄膜层的透明镜片。图4a、图4b分别为投影照明和波导照明方式下的透明镜片。该光栅分光薄膜层的特点为，光栅周期与取向角固定，不随空间位置连续变化。因此，对于同一角度入射光线，其出射光线方向不随空间位置变化。这样的光栅薄膜不提供光学屈光度。其主要功能为用于特定角度入射光线的弯折，实现虚拟景物与显示景物融合。这种周期与取向角不能逐一变化的光栅薄膜设计，便于制作，已应用于增强现实显示装置中。

基于上述理论，我们得以实现本发明的诉求：

一种宽视角波导镜片，包括镜片基材和光栅透镜，所述光栅透镜包括至少一层功能薄膜，所述功能薄膜包含阵列化光栅，所述阵列化光栅的周期和取向连续变化。

进一步的，所述光栅透镜包括两层及多层功能薄膜，相邻的功能薄膜之间设有透明介质层。

进一步的，所述透明介质层的折射率与镜片基材折射率不同。

进一步的，所述光栅透镜位于所述镜片基材的表面或其内部。

进一步的，所述阵列化光栅周期在100纳米-1000纳米之间。

进一步的，所述阵列化光栅构成光栅像素，所述光栅像素尺寸范围为5微米-100微米。

一种制作如上所述的宽视角波导镜片制作方法，包含以下步骤：

提供基底，并在基底表面光刻制作出周期和取向连续变化的光栅；

将所述形成有光栅的基底制作成模板；

利用所述模板在功能薄膜上形成阵列化光栅；

将所述包含阵列化光栅的功能薄膜制作成光栅透镜；

将所述光栅透镜与所述镜片基材形成光栅透镜波导镜片。

进一步的，所述功能薄膜大于一层时，相邻所述功能薄膜的阵列化光栅表面蒸镀或贴合一层与基底折射率不同的透明介质层，或在相邻所述功能薄膜的阵列化光栅之间留置空气间隔层。

一种头戴式三维显示装置，包括图像生成装置和如上所述的宽视角波导镜片。利用具有能实现会聚光场视角放大功能即光栅透镜功能的阵列化纳米光栅结构，实现三维虚拟信息的视角放大，并在人眼前投射，通过光栅透镜波导镜片实现虚拟物体与现实景物的完美融合，由于视角得以放大，使得人眼观察虚拟物体和现实景物融合的场景时难以察觉这是融合景象，使得体验更加真实，同时基于全息原理，可以方便的将计算全息与纳米结构功能光场镜片相结合，从而实现无视觉疲劳的、高亮度的、头戴式3D增强现实显示方案和装置、也可方便的实现支持3D显示图像的动态聚焦。

进一步的，所述光栅透镜组包括nxm个离轴菲尼尔透镜，即由nxm个构成离轴菲尼尔透镜的阵列化纳米光栅结构组成，其中，n和m均为等于或大于1的整数。

从来自于图像生成装置或微投影光学系统的照明光，经微投影透镜组进行一次成像，再经滤光片和光栅透镜波导镜片上包含纳米光栅结构的功能薄膜层，将光耦合进入波导层中传播并再耦合出光波导，同时实现图像二次放大，在人眼前方形成放大虚像。这里滤波片可是带通型光栅，也可以是带通型棱镜、也可以是体积性全息光栅。

进一步的，充分考虑双目视差特性，在左右两个光场镜片上匹配左右眼相应视点对应的纳米光栅结构分布和位置，以及匹配对应的输出视图信息，可获得符合自然习惯的三维显示体验。

参见图4a和图4b为传统设计的透明镜片，包括一组光栅分光薄膜层的透明镜片。图4a、b分别为投影照明和波导照明方式下的透明镜片。该光栅分光薄膜层的特点为，光栅周期与取向角固定，不随空间位置连续变化。因此，对于同一角度入射光线，其出射光线方向不随空间位置变化。这样的光栅薄膜不提供光学屈光度。其主要功能为用于特定角度入射光线的弯折，实现虚拟景物与显示景 物融合。这种周期与取向角不能逐一变化的光栅薄膜设计，便于制作，已应用于增强现实显示装置中。但是其视角较小。

为了实现本发明的目的，参见图5a和图5b，图5a、图5b为包括一组光栅透镜薄膜层的透明镜片。图5a、图5b分别为投影照明和波导照明方式下的透明镜片。该光栅分光薄膜层的特点为，光栅周期与取向角随空间位置连续变化。因此，对于同一角度入射光线，其出射光线方向随空间位置变化。这样的光栅透镜薄膜层具有光学屈光度，参与成像。例如，对于物距在一倍焦距以内的物体，可通过光栅透镜薄膜层呈放大虚像。同时，光栅透镜薄膜层可用于光线弯折，将虚拟景物与显示景物融合。因此，通过集成光栅透镜薄膜层，可实现比传统增强现实显示装置(如图4)更大的视场角。

我们使纳米光栅组22具备光信息的放大功能，实现会聚光场的视角放大功能，即纳米光栅组具有光栅透镜作用。根据光栅方程设计并制作纳米结构功能薄膜，并将含有纳米光栅结构的功能薄膜制作在镜片基材表面或嵌入在镜片基材内部。

为了能实现视角放大功能，且无需巨大的光学透镜系统，利用纳米光栅组可以模拟构建任意焦距的离轴纳米菲涅尔透镜的原理，如图8所示，采用按照模拟具有放大功能的透镜进行纳米光栅的排布，实现视角放大装置的小型化，其无论是加工于功能薄膜上，还是直接加工于透明的镜片基体上或透明的光波导器件上，都几乎不额外增加部件的体积，使产业化应用得以实现，特别是满足头戴式装置对体积小型化的严苛要求。参见图8，图8是本发明实施方式下的一种实现会聚光场的纳米结构分布示意图。其纳米结构相当于单个离轴纳米菲涅尔透镜结构，可以使图像汇聚于视点1。n×m个子像素构成了n×m个不同焦点的离轴菲涅尔透镜结构。此外，通过设计单个像素复杂纳米结构，可优化透过光栅透镜的光场分布。传统光栅波导结构具有固定的光栅周期和取向，可达到光路折叠、 将虚拟景象与现实景象融合的目的。而光栅透镜除了实现光路折叠和图像融合外，还对特定入射角度的光线具有成像功能，通过设计每个像素的光栅周期与取向，成像效果可相当于单个理想球面镜，或非球面(自由曲面)透镜，从而达到优化系统成像的目的，例如，可以通过设计光栅透镜，增大增强现实显示系统的视场角、出瞳距离或者观察范围。此外，图上像素不限于矩形像素，也可以是圆形，菱形，六边形等像素结构组成。图上像素亦可互相分立，适当设计像素间距，可使之满足照明空隙要求。此外，通过调节图上各像素的像素大小、结构或槽深等结构参数依空间分布变化，可使各像素点获得理想的衍射效率，达到均匀照明的目的。

参见图5c，图5c为一种宽视角波导镜片示意图。通过第一纳米光栅组41将照明光耦合进入光波导器件5传播。根据光栅方程设计并制作的两组纳米光栅组，最终经第二光栅组42将光场耦合出光波导器件5，在人眼前方获得视场角放大的会聚光场。图5c中第一纳米光栅组41和第二纳米光栅组42设置于光波导器件5的同一反射面上。而图12c所示为设置于不同反射面上的情形。如何选择，根据实际需要来确定。

创造性的利用具有光栅透镜功能的纳米光栅组及光波导器件对视角进行二次放大，大大提高了可视视角，提升体验质量，使其更加贴合真实世界的观看体验，同时产品的体积并未显著增加，利于最终产品的小型化，轻量化。当然，根据需要，可以设置三组、甚至三组以上纳米光栅组，进行多级放大，原理一样，就不再赘述。

进一步的，光栅透镜波导镜片上会聚光线出射的一面为出射面，所述视角放大装置包括一组按照光栅透镜结构排布的纳米光栅组，该纳米光栅组设置于光波导器件的某一反射面上，并设置于光波导器件的一端，该反射面为第一反射面，光波导的另一反射面为第二反射面，所述光波导器件的另一端设有一个耦合棱镜或反射斜 面，该耦合棱镜或反射斜面用于接受光源或投影装置的直接照射，光源或投影装置投射的光信息经耦合棱镜或反射斜面反射后在光波导器件内部向纳米光栅组方向传播，最后经纳米光栅组在光栅透镜波导镜片出射面上方的空间中投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。

参见图5d，图5d为上述只设有一组纳米光栅组42(也可以是一块纳米结构功能薄膜)的宽视角波导镜片示意图。通过耦合棱镜或反射斜面(图中标号51)将照明光耦合进入光波导器件5传播层。根据光栅方程设计并制作的这一组纳米光栅组42，将光场耦合出光波导器件，在人眼前方获得视场角放大的会聚光场。

图5c、d分别为投影照明和波导照明方式下的透明镜片。该光栅分光薄膜层的特点为，光栅周期与取向角随空间位置连续变化。因此，对于同一角度入射光线，其出射光线方向随空间位置变化。这样的光栅透镜薄膜层具有光学屈光度，参与成像。例如，对于物距在一倍焦距以内的物体，可通过光栅透镜薄膜层呈放大虚像。同时，光栅透镜薄膜层可用于光线弯折，将虚拟景物与显示景物融合。因此，通过集成光栅透镜薄膜层，可实现比传统增强现实显示装置(如图4a、b)更大的视场角。

第一反射面：如果将光波导器件的一面面对眼睛摆放，则远离眼睛的一面称为第一反射面，距离眼睛近的一面为第二反射面。一般来说，头戴式设备的光源或其它部件安装于上部更加美观方便，因此，一般来说，为了获得足够的传播距离，及足够的照射面积(点光源的光野面积随传播距离而扩大)，图像信息或光从光波导器件的上部进行入射(一般由第二反射面一侧向第一反射面方向入射)，而纳米光栅组设置在光波导器件的下部，这是一种利用一组纳米光栅组进行视角放大的实施方式，为了和纳米光栅组进行匹配，在光波导的上部制作一个斜面，使得入射光在斜面(反射斜面)的反射 作用下，在光波导器件中由上而下进行传播，其角度使得光传播到纳米光栅组时，其光野刚好覆盖整个纳米光栅组，发射斜面可以直接在光波导器件上加工，也可以单独加工一个耦合棱镜与其进行光耦合，其作用，实质上和反射斜面一致。这里的纳米光栅组实质上与第二光栅组相当，由反射斜面或耦合棱镜代替了第一光栅组，只不过没有实现二级放大而已。

在一些实施例中，所述图像生成装置为一全息投影装置，所述全息投影装置与所述光栅透镜波导镜片之间还设有4f光学放大装置，所述4f光学放大装置为固态透明材质制备的透镜组成，或使用两组、三组或三组以上纳米光栅组设置于光波导器件上组成，或由固态透明材质制备的透镜与纳米光栅组、光波导器件共同组成。

作为头戴式产品，需要采用微型全息投影装置。如果采用传统的光学透镜系统组成4f光学放大装置，其体积可能会过大，导致实现头戴式装置困难或者不够美观轻便，因此可以采用两级或两级以上纳米光栅组来代替传统透明材质透镜(如玻璃透镜)，则可以实现小型化和轻量化，现有技术中，没有相关的技术启示。或者根据需要，由固态透明材质制备的透镜与纳米光栅组、光波导器件共同组成。

有些微型全息投影装置本身就配置有空间光调制器和4f光学系统，这可以看做是第一级视角放大装置，不影响其与后续的视角放大装置的匹配进行多级放大。

参见图6a-j，图6a-j，是多种含有像素化纳米光栅的功能薄膜层示意图。光栅结构可由单种材料组成，亦可由多种材料组成，其材质可为树脂、塑料、橡胶、玻璃、聚合物、光折变晶体、金属、金属氧化物等。光栅结构的本质是光学折射率在微纳米尺度空间内周期性变化并可与光作用发生衍射效应。本发明提出的上述纳米结构功能薄膜层，其中纳米光栅像素可以采用紫外连续变空频光刻技 术以及纳米压印进行制作，该紫外连续变空频光刻技术参照申请号为CN201310166341.1的中国专利申请记载的光刻设备和光刻方法。需要指出的是，在本发明中，可以采用光刻方法在基底表面制作出各个不同指向型的纳米光栅。波导层厚度为100um-3mm，其结构可以是浮雕型的，通过上述纳米光刻方法制作纳米结构，再做出能够用于压印的模板，然后通过纳米压印批量压印出纳米光栅构成的像素阵列。亦可是折射率调制型，通过纳米光刻在折射率调制型记录材料(如光致聚合物薄膜、光折变晶体玻璃等)上曝光制备。

参见图7a-f，图7a-f是含有纳米光栅像素结构的功能薄膜层与镜片基材构成光栅透镜镜片的结构示意图。如图7a、图7b和图7c所示，通过在镜片基材表面制备纳米结构功能层，或在镜片基材内部嵌入纳米结构功能层(图7d、图7e)。需要指出的是，制作单层和多层叠合的光栅透镜时(图7e、图7f)，或需在光栅结构表面蒸镀、贴合一层与基底折射率不同的透明介质层或者空气间隔层，保护纳米光栅结构的导光特性和光栅透镜的成像特性。

图9是利用纳米结构功能薄膜层构筑新波前的示意图。纳米波导镜片对微投影官学系统进行光路弯折，将光学投射图像与现实景象融合，并进入人眼观察区域。考虑到头戴式可视设备屏幕距人眼距离通常为10mm-50mm，应优化纳米结构功能薄膜层的纳米结构的分布和微投影光学系统中的透镜组，使得眼睛处于最佳观察范围内。此外，光栅透镜波导镜片对微投影光学系统所投射图像进一步成像，优化虚拟景象质量，一般地，光栅透镜的焦距范围：5mm 40mm。其中包括但不局限于通过光栅透镜优化显示装置如下参数：视场角、出瞳距、观察范围等。

参见图10，图10是传统微投影光学系统的结构示意图。光源100照射在空间光调制器101上，通过投影光学系统和空间传播形成虚拟放大图像。考虑到光源100照明空间光调制器101时需要分 光棱镜103，空间光调制器101与投影透镜组101之间的距离需要大于分光棱镜103的尺寸。因此，微投影系统的视场角受到限制。从投影透镜组102出射的光路经波导耦合进入人眼，将虚拟放大虚像001呈现在人眼明视范围内。周期与取向固定的纳米光栅波导不参与成像，虚拟图像的视场角主要由微投影光学系统的成像特性决定。一般地，微投影光学系统的视场角为10-40度左右。

参见图11，图11是本专利利用光栅透镜波导镜片实现宽视角增强现实显示装置的结构示意图。在图10所示的传统微投影光学系统的结构的基础上，增设了光栅透镜组1022构成的光栅透镜波导镜片(可以由设于纳米结构功能薄膜上的阵列化纳米光栅结构构成光栅透镜组)，光源100照射在空间光调制器101(如LCOS器件、DLP器件等)上，通过投影光学系统和空间传播进行一次成像，形成放大实像。从投影透镜组102出射的光路经波导器件51进行光路弯折后实现第一次放大，如图中001所示第一次成像示意。然后再经波导器件52进行光路弯折，最后经光栅透镜组1022耦合进人眼，实现二次放大，形成最终二次放大的虚拟景象002。周期和取向连续变化的光栅透镜组1022在弯折光路的同时，将投影光学系统所成实像进一步放大，并优化像质，在人眼观察舒适的范围内进行二次成像，形成放大虚拟景象002。虚拟图像的视场角由微投影光学系统和光栅透镜组1022的成像系统共同决定。这里，光栅透镜组1022可以是单个纳米功能薄膜层上的一组阵列式纳米光栅结构，亦可以是多组阵列式纳米光栅结构分布在光波导转播路径上，共同实现光路弯折和成像功能。此外，在系统优化像差时，需综合考虑投影光学系统的透镜组102和光栅透镜组1022，进行整体优化和性能分析，从而，实现最小像差和最优成像特性。如几何光学透镜可通过改变局部曲面曲率对像差矫正，光栅透镜组1022可通过改变单个像素纳米结构的周期与取向达到矫正像差的目的。通过微 透镜系统与光栅透镜共同成像，可将增强现实显示装置视场扩大到60度以上。优选地，光栅透镜数值孔径NA大于0.6，光栅透镜的结构分布可以根据整体光学系统的像差补偿的设计要求，形成非球面功能的纳米结构分布。该示例中采用了两个波导器件51/52进行光传播线路的改变(光路弯折)，在实际应用中，可以根据需要选择一个或多个波导器件来完成这项工作。

在一些实施例中，图像生成装置是微全息投影装置，通过光耦合装置如波导与光栅透镜波导镜片耦合。该系统包括微全息投影装置和光栅透镜波导。光栅透镜波导上至少包含两组纳米结构功能薄膜层和一层光波导。在微全息投影装置中，光线照射在空间光调制器(如LCOS器件、DLP器件等)上，通过空间衍射和光学系统成像。从投影透镜组出射光线通过光耦合器件倾斜进入光波导，通过两组纳米功能薄膜层实现光路弯折，并扩大可观察区域。设计纳米功能薄膜层的像素化纳米结构，由至少其中一个纳米功能薄膜层，或两个纳米功能薄膜层共同实现光栅透镜功能，对微投影系统所成一次图像进行二次放大，获得更优的成像特性。

参见图12a，图12a是微全息投影装置120通过波导1201与光栅透镜波导镜片耦合的一种方案图，所述图像生成装置为一全息投影装置120，所述光栅透镜波导镜片包括至少一层光栅透镜波导镜片单元，所述光栅透镜波导镜片具有视角放大及会聚成像功能。所述光栅透镜波导镜片单元包括透明镜片基体或光波导器件，透明镜片基体或光波导器件上设有阵列化纳米光栅结构，该阵列化纳米光栅结构加工于一功能薄膜上；所述功能薄膜也称为纳米结构功能薄膜，该功能性薄膜设置于所述透明镜片基体或光波导器件上；或该阵列化纳米光栅结构直接加工于透明镜片基体或光波导器件上。所述阵列化纳米光栅结构由像素型纳米光栅构成，每个像素内的纳米光栅周期和取向角不同，且随空间位置连续变化，组合成具有光学 屈光度的光栅透镜，具有光学成像及放大功能。在图12a的示例中，所述阵列化光栅结构为两组按照光栅透镜结构排布的纳米光栅，即第一光栅组211和第二光栅组212；两组纳米光栅均设置于光波导器件的同一反射面上或不同反射面上，并分别设置于光波导器件的两端；或如图12a的示例，两组光栅组分别设置于两个光波导器件上的相同侧面或不同侧面(图12a的示例中设置于两个光波导器件5的同一侧面)，两个光波导上下重叠并使两组光栅组位于同一平面上或两个平行平面上(图12a中为同一平面)；其中第一光栅组211用于接来自微全息投影装置120经光耦合装置1201传导过来的图像光信息，图像光光信息经第一光栅组211反射后在光波导器件内部向第二光栅组212方向传播，最后经第二光栅组212在光栅透镜波导镜片的外部空间中投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。这里也可以将第一光栅组和第二光栅组设置在同一个光波导器件上。

同理，也可以根据需要，用纳米光栅组代替图11与图12a中图像生成装置的光学系统，进一步减小体积与重量。

参见图12b-c，图12b-c是微全息投影系统与光波导器件耦合的另外的方案图。该系统包括微全息投影系统和光栅透镜波导镜片。图12c中光栅透镜波导镜片上包含两组纳米结构功能薄膜，且由一个光波导器件构成，两组纳米光栅组分别设置于同一光波导器件的上下两端。在微全息投影系统中，通过计算生成的位相分布实时刷新在空间光调制器(如LCOS器件、DLP器件等)上。光波照射在空间光调制器上，通过空间衍射和光学系统形成成像。在该实施例中，微全息投影系统中的光学系统为具有一定光学缩放功能的4f系统。光场通过光耦合器件倾斜进入光栅透镜波导镜片，图像在y方向上放大，并照射到纳米功能薄膜。设计纳米功能薄膜的像素化纳米结构，实现x方向上的图像放大，纳米功能薄膜通过衍射效应， 在人眼前方实现会聚视点。图12b中，则是微全息投影系统与图5d所示的光栅透镜波导镜片结合的情形，这个示例中，只设有一组纳米光栅组。

参见图12d-e，图12d-e是本专利实施方案下另一种微全息投影系统120与光波导器件5组成的光栅透镜波导镜片耦合的方案图。该系统包括微全息投影系统120和光栅透镜波导镜片。光栅透镜波导镜片上包含两组纳米结构功能薄膜，和一层光波导器件5结构。在微全息投影系统120中，包括空间光调制器和4f光学系统，通过计算生成的位相分布实时刷新在空间光调制器(如LCOS器件、DLP器件等)上。光波照射在空间光调制器上，通过光学系统，形成实像。在该实施例中，光学系统为具有一定光学缩放功能的4f系统。光场通过在y方向上有透镜会聚功能的纳米功能薄膜(两组纳米光栅组211/212中的一组，图中是211)，耦合进入光波导器件5，实现图像y方向上的放大，并照射x方向有会聚功能的纳米功能薄膜(两组纳米光栅组211/212中的第二组，图中是212)。通过设计两组纳米功能薄膜的像素化纳米结构，分别实现x和y方向上的图像放大，组成x和y方向的光栅透镜。最终通过衍射效应，在人眼前方实现会聚视点。

在一些实施例中，所述光栅透镜波导镜片为两层、三层、四层或四层以上光栅透镜波导镜片单元重叠而成，如图13a为3层光栅透镜波导镜片单元叠加的情形。所有光栅透镜波导镜片单元的第一光栅组211、第二光栅组212分别对齐平行排列；其中所有的第一光栅组211均接受同一光源或投影装置的照射，光源或投影装置投射的光信息经第一光栅组211反射后在各层光栅透镜波导镜片单元的光波导器件内部向其对应的第二光栅组212方向传播，最后经所有的第二光栅组212在人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。

多层结构既可以实现更多的会聚视点，提高分辨率，也为实现彩色三维显示提供了可行性。

例如，当所述光栅透镜波导镜片为三层、四层、或四层以上光栅透镜波导镜片单元重叠而成，所述图像生成装置可设置分频控制装置，即对应采用三基色、四基色或四色以上色彩分频扫描，将三种波长、四种波长或四种以上波长的光或图像依次分别向各透明镜片单元的第一光栅组投射，即每一种波长的光信息或图像信息分别与各层光栅透镜波导镜片的第一光栅组一一对应；各波长的光信息或图像信息经对应的第一光栅组反射后在光波导器件内部向其对应的第二光栅组方向传播，最后经所有的第二光栅组在人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大且融合为彩色的三维虚拟景象。图13a是三层光栅透镜波导镜片单元叠加的情形。

在另一些实施例中可以采用另外的一种结构，所述光栅透镜波导镜片为两层、三层、四层或四层以上光栅透镜波导镜片单元重叠而成；其中会聚光线出射的一面为出射面，这一面一般面向眼睛，即这一面与眼睛位于同一侧，其中距离眼睛(也可以相对于出射面而言)最远的一层光栅透镜波导镜片单元只设有第二光栅组，其余光栅透镜波导镜片单元均设有第一光栅组和第二光栅组；且所有第二光栅组均对齐平行排列，第一光栅组按照距离眼睛越远，位置越低的方式排布，即距离眼睛越远，第一光栅组越靠近其对应的第二光栅组；在距离眼睛最近的一层光栅透镜波导镜片单元的顶端设有一光耦合器件，该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经光耦合器件进入距离眼睛最近的一层光栅透镜波导镜片单元的光波导器件内部，再向各层的第一光栅组传播，经第一光栅组后再向其对应的第二光栅组方向传播，对于距离眼睛最远的一层光栅透镜波导镜片单元，则直接经其对应的光波导器件传播给它对应的第二光栅组，最后经所有的第二光栅组在人眼前方投射 出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。图13b为三层光栅透镜波导镜片单元叠加的情形。其它数量光栅透镜波导镜片单元叠加同理。

进一步的，所述光栅透镜波导镜片为三层、四层、或四层以上光栅透镜波导镜片单元重叠而成，所述图像生成装置设有分频控制装置，即对应采用三基色、四基色或四色以上色彩分频扫描，将三种波长、四种波长或四种以上波长的光或图像依次分别向各透明镜片单元的第一光栅组投射，即每一种波长的光信息或图像信息分别与各层光栅透镜波导镜片的第一光栅组一一对应；各波长的光信息或图像信息经对应的第一光栅组反射后在光波导器件内部向其对应的第二光栅组方向传播，对于距离眼睛最远的一层光栅透镜波导镜片单元，则直接经其对应的光波导器件传播给它对应的第二光栅组，最后经所有的第二光栅组在人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大且融合为彩色的三维虚拟景象。

参见图14，图14本发明实施例下一种双目头戴式三维显示示意图。左右两个光栅透镜波导镜片(这个示例中采用图5b的结构)的纳米结构分布是对称性的，两者之间产生的光场具有双目视差，在眼球移动时，左右光栅透镜波导镜片的会聚光场形成视差效应，即左眼获得的图像包含更多的左方向信息，右眼获得的图像包含更多的右方向信息，通过大脑融合形成立体图像，符合人眼观察习惯。优选地，通过设置传感器及控制装置进行眼球跟踪确定视轴角度和瞳孔位置，并分别在左右光栅透镜波导镜片的不同部分投影相应的图像，达到最优视景质量和减少所需处理(传输)数据量的目的。这里耦合棱镜51的斜边上镀有带通滤波片，对应耦合的波长。

当光栅透镜波导镜片由多层光栅透镜波导镜片单元叠加构成时，光源或投影装置可以通过一个分频控制装置依次循环对各层光栅透镜波导镜片单元提供图像光信息，从而实现分频控制，通过提 高显示频率的方法增加显示信息量，提升的显示信息量可以用于多视角的视差三维显示，亦可用于多焦点多景深的深度三维显示，还可用于多视角多焦点混合的真三维显示领域。其本质是利用时间信息换取空间信息。

参见图15，图15是传统头戴式增强现实装置实现虚拟三维景象的流程示意图。控制系统刷新空间光调制器(如LCOS器件等)显示的图像信息，并通过微投影系统呈放大虚像。从微投影系统出射光场经过光学耦合系统进入波导，在人眼观察区域呈现该放大虚像。即光学耦合系统和波导实现光路弯折，使虚拟图像与现实景物融合。不对光学系统有放大或缩小功能，不提供光学屈光度。然而，考虑到波导全反射条件对光场角度的限制，可在波导中传播的光线视场角范围有限。以折射率1.5的玻璃材质为例，全反射需满足条件为耦合角度大于41°，即在波导中传播的光场范围是41°-90°。因此，其视角范围小于49°。

参见图16，图16是本发明装置实现虚拟三维景象的流程示意图。控制系统刷新空间光调制器(如LCOS器件等)显示的图像信息，并通过微投影系统(或微全息投影装置)呈放大实像。从微投影系统出射光场经过光学耦合系统进入光栅透镜波导(即光栅透镜波导镜片)。该光栅透镜波导镜片上的纳米光栅构成的光栅透镜具有光学屈光度，参与光学成像。将进一步放大的虚像呈现在人眼观察区域。通过光栅透镜进一步放大视场角，可打破波导全反射条件对视场角的限制，实现大于60°甚至大于110°的沉浸式显示效果。

参见图17a和图17b，图17a-b是基于光栅透镜波导镜片的一种头戴式3D增强现实显示装置示意图。外界信息采集传感器，例如：现实三维场景采集传感器(3001)、头部运动识别传感器(3002)、眼部运动识别传感器(3004)等，集成在头戴式便携装置上。其具体位置分布可根据实际应用需要改变。虚拟三维景象通过设置有纳 米结构功能薄膜的光场镜片和图像输出装置(3003)添加至特定位置。各部件具体位置可根据实际应用需要调整和修改。

将上述利用设置纳米结构功能薄膜的光栅透镜波导镜片实现的佩戴式3D显示装置与外界信息采集系统、控制系统结合，可用于虚拟现实和现实增强领域。

参见图18，图18是基于光栅透镜波导镜片的现实增强系统方案示意图。在现实增强系统中，多个传感器(或图像采集器)对真实世界和观察者进行信息采集，主要包括但不局限于：真实场景三维信息识别、观察者头部运动、眼部运动识别、手势识别等。采集信息与云端收集信息匹配、处理、交互，最终通过增强现实显示装置在现实三维尺度空间特定位置增加虚拟物体或信息。

在一些实施例中，图像生成装置的光学系统可以为具有一定光学缩放功能的4f系统。在4f系统两透镜间的频谱平面上设置光阑，让光阑只允许形成物体实像的频谱通过。光场通过光耦合器件进入光场镜片，沿波导传播。在光线出射区域，纳米结构功能薄膜将光场耦合至人眼前方，并增大视场角，将放大的虚像呈现在人眼观察区域。更进一步地，利用分频扫描的方式，实现多幅位相分布的实时扫描，使其在微全息显示系统的像空间形成景深不同的实像。这些景深不同的实像组成全息动态三维实象。最终，通过光场镜片，在人眼可视范围内形成动态三维虚拟景像。

需要指出，上述空间光调制器也可刷新振幅(强度)分布图像，通过微全息投影系统与光场镜片共同构成虚像成像系统，利用纳米波导透镜的功能产生更大视场。一般地，微投影光学系统和光波导波导器件的视场角为30度左右，通过光栅透镜波导镜片上的纳米光栅组，可将视场扩大到60度以上。

这种符合人眼调焦习惯的立体显示方式使三维景象观看效果更加自然。纳米结构功能镜片可视作一个离轴菲涅尔透镜。在近轴 条件下，其成像关系可简单近似为：

其中，u和u’分别为物距和像距，f为纳米光栅组所构建的菲涅尔透镜的焦距。通过数字全息投影系统呈现的不同景深实像，通过光栅透镜波导镜片在人眼前方投影出多景深的虚像。值得注意的是，垂轴放大率(像高与物高之比)也将随之改变：

因此，设计中应通过计算，获得景物大小和畸变数据，使所成虚像大小比例合适，使观察者既有沉浸感，又与现实景物有效融合。当人眼通过调节聚焦到近距离景象时，远距离景象模糊，反之，当人眼聚焦到远距离景象时，近距离景象模糊。这种符合人眼调焦习惯的立体显示方式使三维景象观看效果更加自然。将这种多景深3D效果和双眼视差3D效果结合，可根据实际应用，获得眼部肌肉调焦立体效果和视差立体效果的融合，使观看效果更加自然。同时，与微型投影系统相比，数字全息显示系统不需要机械运动即可通过分频扫描的方面实现多景深的三维景物，更加便利。

在构建头戴式增强三维显示装置时，可以采用以下形式：所述光栅透镜波导镜片包括两个光栅透镜波导镜片单元，且两个光栅透镜波导镜片单元左右对称排布，以分别对应于左右眼睛；其纳米光栅组也对称排布，并分别对应于左右眼睛，且均位于光波导器件远离眼睛的一面；两个光栅透镜波导镜片单元的耦合棱镜或反射斜面分别设置于远离眼睛的另一端；所述图像生成装置设有两个分别对应于两个耦合棱镜或反射斜面的光源、全息投影装置或微型投影 仪；两个耦合棱镜或反射斜面分别接受对应光源、全息投影装置或微型投影仪的照射，光源或投影投射的光信息经耦合棱镜或反射斜面反射后在对应光波导器件内部向对应第二光栅组方向传播，最后经两个第二光栅组在人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。

在另一些实施例中，所述光栅透镜波导镜片包括两组光栅透镜波导镜片单元，且两组光栅透镜波导镜片单元左右对称排布，以分别对应于左右眼睛；其第二光栅组也对称排布，并分别对应于左右眼睛，且均位于光波导器件远离眼睛的一面；所述每组光栅透镜波导镜片单元均为一层、两层、三层、四层或四层以上光栅透镜波导镜片单元重叠而成；两组光栅透镜波导镜片单元的第一光栅组或光耦合器件分别设置于远离眼睛的另一端；所述图像生成装置设有两个分别对应于两组第一光栅组或光耦合器件的光源、全息投影装置或微型投影仪；两组第一光栅组或光耦合器件分别接受对应光源、全息投影装置或微型投影仪的照射，光源或投影投射的光信息经两组第一光栅组或光耦合器件反射后在对应光波导器件内部向对应第二光栅组方向传播，最后经所有的第二光栅组在人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象，这里的每组光栅透镜波导镜片单元组可以采用前述的各种光栅透镜波导镜片的结构，以及与图形生成装置进行对应的光学匹配即可。

将上述利用设置纳米结构功能薄膜的光栅透镜波导镜片实现的佩戴式3D显示装置与外界信息采集系统、控制系统结合，可用于虚拟现实和现实增强领域。

参见图19，图19是佩戴式3D显示装置与其他移动设备或终端可通过云网络实现信息交互的示意图。头戴式移动装置(3100)、腰戴式移动装置(3101)、腕戴式移动装置(3102)与便携式移动装置(3103、3104)可通过云端便捷地实现信息交互。

本发明在眼球前方的空间中会聚视角图像，形成虚拟景象，其和现实景物在人眼中成像的原理一致，因此长时间观看的视觉疲劳度比传统的三维显示技术大大降低。

该专利所涉及的虚拟现实与增强现实显示技术，可应用到诸如视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事等社会活动中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种宽视角波导镜片，包括镜片基材，其特征在于，还包括光栅透镜，所述光栅透镜包括至少一层功能薄膜，所述功能薄膜包含阵列化光栅，所述阵列化光栅的周期和取向连续变化；所述阵列化光栅为纳米光栅结构，所述阵列化光栅加工于功能薄膜上，所述功能薄膜设置在所述镜片基材上；或者，所述阵列化光栅直接加工于所述镜片基材上。

2.根据权利要求1所述的宽视角波导镜片，其特征在于，所述光栅透镜包括两层及多层功能薄膜，相邻的功能薄膜之间设有透明介质层。

3.根据权利要求2所述的宽视角波导镜片，其特征在于，所述透明介质层的折射率与镜片基材折射率不同。

4.根据权利要求1所述的宽视角波导镜片，其特征在于，所述光栅透镜位于所述镜片基材的表面或其内部。

5.根据权利要求1所述的宽视角波导镜片，其特征在于，所述阵列化光栅周期在100纳米-1000纳米之间。

6.根据权利要求1所述的宽视角波导镜片，其特征在于，所述阵列化光栅构成光栅像素，所述光栅像素尺寸范围为5微米-100微米。

7.一种制作如权利要求1所述的宽视角波导镜片制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供基底，并在基底表面光刻制作出周期和取向连续变化的光栅；

将所述形成有光栅的基底制作成模板；

利用所述模板在功能薄膜上形成阵列化光栅；

将所述包含阵列化光栅的功能薄膜制作成光栅透镜；

将所述光栅透镜与所述镜片基材形成光栅透镜波导镜片。

8.根据权利要求7所述的宽视角波导镜片制作方法，其特征在于，所述功能薄膜大于一层时，相邻所述功能薄膜的阵列化光栅表面蒸镀或贴合一层与基底折射率不同的透明介质层。

9.根据权利要求7所述的宽视角波导镜片制作方法，其特征在于，所述功能薄膜大于一层时，在相邻所述功能薄膜的阵列化光栅之间留置空气间隔层。

10.一种头戴式三维显示装置，包括图像生成装置，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一所述的宽视角波导镜片。