CN106371222A - 一种纳米透镜波导镜片和多景深三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米透镜波导镜片，包括纳米透镜波导镜片单元，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，或由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加组成，所述纳米透镜波导镜片单元包括：波导；位于波导上表面或下表面的具有透明光学成像和波导折弯功能的功能性区域；所述功能性区域包括用于将图像光信息耦合进入波导的耦入功能性区域，和用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息投射到纳米透镜波导镜片上方空间中的出射功能性区域。本纳米透镜波导镜片可以大大降低构建三维显示装置时的厚度及体积，为多景深三维显示装置的简单实现提供了基础支持。本发明同时公开了利用该纳米透镜波导镜片构建的多景深三维显示装置。

Description

一种纳米透镜波导镜片和多景深三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，涉及一种纳米透镜波导镜片和多景深三维显示装置。

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US20160231568A1公开了一种波导结构，用于增强现实显示设备。所描述的波导用于耦合输入图像光，通过波导光线弯曲、光栅耦合的作用，输出图像光，实现增强现实显示；这种波导仅针对单色图像光输出，要实现彩色显示，需空间叠加多层波导，且固定景深显示，易产生视觉疲劳。中国专利CN105190407A公共开了一种具有角度复用的全息图的小块化的近眼显示设备，其波导被配置成将图像源接收到的光传播到近眼显示设备的用户的视野，包括全息光栅，且该全息光栅包括多个有角度地复用的全息图，可实现近眼显示。该发明公开了涉及通过使用有角度地复用的全息记录来形成波导的光栅来向近眼显示设备提供大视野的各实施例。有角度地复用的全息记录相对彼此可在空间上重叠。与使用多层光栅相比，这可有助于减小显示设备的尺寸。但未曾提到解决固定景深、观看易疲劳的方案。

因此，还未见一个简单易行的多景深三维显示方案，可兼顾三维显示器件的多景深和器件实现难易度。本发明旨在基于全息衍射光学原理，将微投影系统与单片彩色波导镜片相结合，实现多景深三维显示方案和装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单片彩色波导镜片和多景深三维显示装置，本专利主要特点是利用纳米透镜波导镜片的成像聚焦功能，通过叠加多片波导镜片，给头戴式3D显示装置提供更多的光学设计可能，提升整体光学系统的成像特性。例如动态聚焦成像，多景深三维显示，优化成像的像质等。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米透镜波导镜片，包括纳米透镜波导镜片单元，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，或由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加组成，所述纳米透镜波导镜片单元包括：

波导；

位于波导上表面或下表面的功能性区域；所述功能性区域包括用于将图像光信息耦合进入波导的耦入功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息改变方向再经波导传导到出射功能性区域的中继功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息投射到纳米透镜波导镜片上方空间中的出射功能性区域中的一种、两种或三种。

本纳米透镜波导镜片，通过具有透明光学成像和波导折弯功能的功能性区域及波导的配合，可以大大降低构建三维显示装置时的厚度及体积，并且为多景深三维显示装置的简单实现提供了基础支持。

优选的，各功能性区域均设有像素型纳米衍射光栅。

优选的，所述中继功能性区域包括至少一个中继功能性区域单元，所有中继功能性区域沿同一条光束传播路线排布或分别沿两条及以上光束传播路线排布。

优选的，耦入功能性区域、中继功能性区域和出射功能性区域分布于波导的同一平面上的不同位置。

优选的，各功能性区域均包括多个结构单元像素，每一结构单元像素至少包括三个结构子单元像素，各结构子单元像素对应耦合不同基色图像光信息。

当微投影装置或空间光调制装置发出的图像光耦合进耦入功能性区域时，例如以三基色彩色显示为例，蓝色及绿色图像光入射至对应红色图像光的结构子单元像素时，衍射角不满足波导内全反射要求，从而无法继续在波导内传输；红色及绿色图像光入射至对应蓝色图像光的结构子单元像素时，衍射角不满足波导内全反射要求，从而无法继续在波导内传输；因此每个结构子单元像素有对应的颜色图像光，不会形成光线干扰。最终各基色对应的图像光经过对应的结构子单元像素及波导的传播，最终经出射功能性区域出射在纳米透镜波导镜片上方的空间中，形成彩色的虚拟图像。从而实现彩色显示。

对于近眼三维显示装置来说，所述图像光耦合至纳米透镜波导镜片，首先耦合耦入功能性区域，满足波导全反射，光线沿耦入功能性区域和中继功能性区域方向传导，耦合中继功能性区域，改变光线走向，光线沿中继功能性区域和出射功能性区域方向传导，出射功能性区域设有构成纳米透镜的纳米衍射光栅，聚焦输出光线至人眼视网膜，使人眼看到逼真的虚拟立体图像。

优选的，所述结构子单元像素包括分别与红色、绿色、蓝色图像光耦合的红色图像光子单元像素、绿色图像光子单元像素和蓝色图像光子单元像素。

优选的，耦入功能性区域的结构单元像素包括具有波长选择性的体全息光栅或斜光栅。

优选的，出射功能性区域的结构单元像素包括像素型结构子单元像素，每个结构子单元像素内设有的纳米衍射光栅周期和取向不同，所有像素组合形成具有光学成像功能的纳米透镜。

优选的，所述结构单元像素包括所述像素型纳米衍射光栅，像素型纳米衍射光栅的周期及取向由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。

本发明还公开了一种多景深三维显示装置，其特征在于，包括上述的纳米透镜波导镜片。

优选的，还包括微投影装置；

优选的，所述纳米透镜波导镜片为两个，分别对应人体的左眼和右眼进行设置。

充分考虑双目视差特性，在左右两个纳米透镜波导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。

优选的，所述微投影装置设有多个，其数量与纳米透镜波导镜片单元的数量一致，微投影装置与耦入功能性区域一一对应设置。

每个微投影装置负责投影某一景深区间的图像景物，通过不同的纳米透镜波导镜片单元分别会聚与空间对应的景深区间，则方便的实现了多景深的三维显示。例如，每个纳米透镜波导镜片由两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，对于双眼系统，则由两个纳米透镜波导镜片分别对应左右眼，每个纳米透镜波导镜片对应设置两个微投影装置，分别对应一片纳米透镜波导镜片单元，两个微投影装置分别投影近景和远景的图像信息，其对应的纳米透镜波导镜片单元在人眼前方会聚成对应景深(近景或远景)图像，从而实现多景深的虚拟三维显示，如果需要更加细致逼真的三维显示，可以将不同景深的景物划分出更多更细致的景深区间，如近景、中景、远景，或近景、中景、中远景、远景，以此类推，只要对应更多的微投影装置和叠加相应数量的纳米透镜波导镜片单元即可方便的实现。

优选的，每个纳米透镜波导镜片由三片纳米透镜波导镜片单元叠加，三片纳米透镜波导镜片单元的成像焦面不同，分别对应近、中、远景深的图像信息显示。

所述纳米透镜波导镜片组优选三片纳米透镜波导镜片单元叠加构成，各纳米透镜波导镜片单元具备不同焦面成像，分别对应近、中、远景深显示，结合微投影系统，实现多焦面、多景深的增强现实三维显示，避免视觉疲劳观看。

优选的，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，同一纳米透镜波导镜片上的各层纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域所设置的位置不同，微投影装置与耦入功能性区域一一对应光耦合设置。

优选的，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，微投影装置分别设置于对应的纳米透镜波导镜片单元的波导侧边，通过设置对应数量的耦合棱镜或直接从波导侧面与耦入功能性区域一一对应光耦合。

优选的，所述纳米透镜波导镜片由一片纳米透镜波导镜片单元组成，所述多景深三维显示装置还包括一微投影装置，所述微投影装置设有用于将不同焦面的位相图像光信息依次刷新的位相型时序刷新装置。

本发明所涉及的技术术语如下：

增强现实：Augmented Reality，AR。

虚拟现实：Virtual Reality，VR。

头戴式可视设备：head mounted device，HMD。

指向性导光板(薄膜)：含有纳米光栅及结构的功能薄膜，纳米光栅结构的分布控制出光特性。

光场镜片(本发明涉及的纳米透镜波导镜片也是其中一种)：由至少一层或者多层导光薄膜(波导)构成，通过分层波导结构和照明方式匹配，形成对会聚光场的视点位置(方位、聚焦点)进行调控，以符合人眼对不同景深、不同视角的3D成像的观察习惯，减少视觉疲劳。

左右光场镜片：产生具有双目视差的会聚光场的镜片(本发明涉及的纳米透镜波导镜片也是其中一种)。

三维显示装置：一般包含左右两个光场镜片、微投影器件(空间光调制器件，例如液晶显示面板LCOS、LCD)、照明成像系统。

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为单片纳米透镜波导镜片实现三维显示的剖面结构示意图；

图2是纳米透镜波导镜片单元的平面结构示意图；

图3a-图3c是本发明的单片衍射波导镜片的结构单元像素及结构单元子像素的平面结构示意图；

图4是本发明实施方式下的出射能性区域的平面结构分布示意图

图5a和图5b是结构尺度在纳米级别的纳米衍射光栅在XZ平面和XY平面下的结构图；

图5c是斜光栅(倾斜的纳米衍射光栅)剖面示意图；

图6是本发明实现多景深显示的示例示意图；

图7是本发明实现多景深显示装置的示例示意图；

图8是本发明实现多景深显示装置的示例示意图；

图9是本发明实现多景深显示装置的示例示意图；

图10是本发明实现一种多景深三维显示装置的示例示意图；

图11-19是本发明应用于现实社会活动中的不同场景。

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。

如图2所示，一种纳米透镜波导镜片，包括纳米透镜波导镜片单元，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，或由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加组成，所述纳米透镜波导镜片单元包括：

波导130；

位于波导130上表面或下表面的具有透明光学成像和波导折弯功能的功能性区域(图2中，如果定义图像光信息出射的一面为上表面，则图2的示例中，三个功能性区域设于波导130的下表面上)；所述功能性区域包括用于将图像光信息耦合进入波导130的耦入功能性区域201，和用于将经耦入功能性区域201及波导130传导过来的图像光信息投射到纳米透镜波导镜片上方空间中的出射功能性区域203。

本纳米透镜波导镜片，通过具有透明光学成像和波导折弯功能的功能性区域及波导的配合，可以大大降低构建三维显示装置时的厚度及体积，并且为多景深三维显示装置的简单实现提供了基础支持。

在实际应用中，各功能性区域均设有像素型纳米衍射光栅。

优选的，各功能性区域分布于波导的同一平面上的不同位置。

优选的，所述功能性区域还包括用于将经耦入功能性区域201及波导传导过来的图像光信息改变方向再经波导130传导到出射功能性区域203的中继功能性区域202。在实际应用中，为了在较小的波导130上获得足够光学视角放大效果及其它需求，在耦入功能性区域201和出射功能性区域203之间的光信息传播路径上，设置中继功能性区域202，如图2所示，中继功能性区域202可以是一个，也可以是两个及两个以上，以需要而定，原理相同，这里不再赘述。

图1为纳米透镜波导镜片由一片纳米透镜波导镜片单元构成时，实现三维显示的剖面结构示意图，图1中的各功能性区域设置在波导130的出光面上，即设置于波导130的上表面，图像光从微投影装置100发出，具备一定扩散角，耦合至波导130，波导上表面设有入射功能性结构区域201和出射功能性区域203，图像光首先耦合至耦入功能性区域201，然后经波导130全反射直接传导至出射功能性区域203，或经过中继功能性区域202改变图像光的传导方向，最后传导至出射功能性区域203，经过出射功能性区域203的衍射及会聚作用，输出光线聚焦至人眼1，使得人眼1看到虚拟的三维图像。

如图3a-c所示，各功能性区域均包括多个结构单元像素，每一结构单元像素至少包括三个结构子单元像素，各结构子单元像素对应耦合不同基色图像光信息。图3是以红绿蓝三基色系统为例，每个结构单元像素30均包括红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素。例如，耦入功能性区域201的结构单元像素及结构子单元像素如图3所示，当微投影装置或空间光调制装置发出的图像光耦合进耦入功能性区域201时，蓝色及绿色图像光入射至对应红色图像光的红色结构子单元像素301时，衍射角不满足波导内全反射要求，从而无法继续在波导内传输；蓝色及红色图像光入射至对应绿色图像光的绿色色结构子单元像素302时，衍射角不满足波导内全反射要求，从而无法继续在波导内传输；红色及绿色图像光入射至对应蓝色图像光的蓝色结构子单元像素303时，衍射角不满足波导内全反射要求，从而无法继续在波导内传输；因此每个结构子单元像素有对应的颜色图像光，不会形成光线干扰。最终各基色对应的图像光经过对应的结构子单元像素及波导的传播，最终经出射功能性区域出射在纳米透镜波导镜片上方的空间中，形成彩色的虚拟图像。从而实现彩色显示。

其中，图3a是每个结构像素单元30呈四方连续排布，且红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素为水平并列，各结构单元像素30横排纵列均一一对齐。当然，也可以进行错位排布，如果需要的话。

图3b是每个结构单元像素30中的红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素呈品字形排列，然后各结构单元像素30相互嵌套排布。

图3c是将结构单元像素30及红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素呈倾斜状态的排布方式。

通过上述排布方式的示例说明，根据实际需要，各结构单元像素30及红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素的排列方式是多样性的，并不仅仅限于上述示例。

在实际应用中，出射功能性区域的结构单元可以包括像素型结构子单元像素，每个结构子单元像素内设有的纳米衍射光栅周期和取向不同，所有像素组合形成具有光学成像功能的纳米透镜。图4是本发明实施方式下的出射功能性区域203的平面结构分布示例示意图。优选地，其纳米结构相当于单个离轴纳米菲涅尔透镜结构，可以使图像汇聚于人眼。其结构单元像素30包括三个结构子单元像素，分别对应不同颜色光(如红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素)。多个机构子单元像素构成了不同焦点的离轴菲涅尔透镜结构(即纳米透镜)。此外，通过设计单个像素复杂纳米结构，可优化透过纳米透镜的光场分布。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。而纳米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，可以通过设计纳米透镜，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。单个子像素的纳米光栅周期在100nm-1000nm范围内。另外，对应不同的红绿蓝颜色的纳米透镜子像素具有不同的衍射角度和焦距，以满足放大成像和彩色合成的要求。

采用基于衍射光学效应、由含有纳米光栅的像素组成纳米透镜。单个纳米结构与光相互作用，改变其相位。参见图5a和图5b，图5a和图5b是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XZ平面和XY平面下的结构图。衍射光栅像素的周期、取向角满足光栅方程。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以根据光栅方程计算出所需的纳米光栅的周期(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周期为550nm，取向角为-5.96°。

按照上述原理，将每一个纳米光栅视为一个像素。该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。纳米结构的周期(空频)和取向在各亚像素之间的按照设计需求，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微米-200微米。

在一些实施例中，功能性区域的结构子单元像素的空间复用排布，巧妙的利用光栅衍射方程，互相之间不干扰，在波导内有序传导，最终耦合光束至人眼，实现彩色显示。

对于近眼三维显示装置来说，所述图像光耦合至纳米透镜波导镜片，首先耦合耦入功能性区域201，满足波导130全反射，光线沿耦入功能性区域201和中继功能性区域202方向传导，耦合中继功能性区域202，改变光线走向，光线沿中继功能性区域202和出射功能性区域203方向传导，出射功能性区域203设有构成纳米透镜的纳米衍射光栅，聚焦输出光线至人眼视网膜，使人眼看到逼真的虚拟立体图像。

在使用纳米透镜波导镜片构建三维显示装置时，显示装置的光源可以采用包括红、绿、蓝三基色点光源或者平行光源，或者白光点光源或平行光源。波导130上的功能性区域的形状方位不同，以采用耦入功能性区域201、中继功能性区域202、出射功能性区域203三个功能性区域为例，耦入功能性区域201的形状可为圆形或者矩形，中继功能性区域202形状可为三角形或者矩形，出射功能性区域203可为矩形。所述功能性区域可位于镜片上表面或下表面，功能性区域所设置的结构单元至少包括衍射光栅，具备衍射及指向功能。纳米衍射光栅可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成。

如上所述，对于红绿蓝三基色彩色系统而言，所述结构子单元像素包括分别与红色、绿色、蓝色图像光耦合的红色图像光子单元像素、绿色图像光子单元像素和蓝色图像光子单元像素，级红色结构子单元像素301、绿色结构子单元像素302、蓝色结构子单元像素303三个结构子单元像素。

因此，采用本发明的方案，单片纳米透镜波导镜片单元即可实现彩色显示。

在一些实施例中，耦入功能性区域201的结构单元像素包括具有波长选择性的体全息光栅或斜光栅。斜光栅(倾斜结构的纳米衍射光栅)的剖面图如图5c所示。可采用斜光栅进行分光，通过控制斜光栅的倾斜角度及周期，实现不同颜色波段的光通过对应结构子单元像素。

在上述实施例中，所述结构单元像素包括像素型纳米衍射光栅，像素型纳米衍射光栅的周期及取向由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。

为了简单易行的实现多景深三维显示，在实际应用中，可以采用两片、三片或三片以上的纳米透镜波导镜片单元叠加构成纳米透镜波导镜片，以三片叠加为例，如图6所示，图6是一种实现多景深显示的结构示意图，采用三片纳米透镜波导镜片单元叠加的方式，分别用于传输近、中、远景深图像，三片纳米透镜波导镜片单元的出射功能性区域的纳米像素(纳米衍射光栅)的周期及取向分布不同，图像源耦合到纳米透镜波导镜片时，不同景深图像源聚焦于不同虚像面，人眼1观察时，由于多景深显示，人眼1可实时切换至不同虚像面，实现无视觉疲劳显示。图6中，纳米透镜波导镜片单元101、102、103分别对应会聚近景1011、中景1021、远景1031图像。

本发明还公开了一种多景深三维显示装置，包括上述的纳米透镜波导镜片。

作为近眼三维显示装置而言，一般设有微投影装置；所述纳米透镜波导镜片为两个，分别对应人体的左眼和右眼进行设置。

充分考虑双目视差特性，在左右两个纳米透镜波导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。

在实际应用中，为了构建多景深三维显示装置，可以采用以下方案：所述微投影装置设有多个，其数量与纳米透镜波导镜片单元的数量一致，微投影装置与耦入功能性区域一一对应设置。

每个微投影装置负责投影某一景深区间的图像景物，通过不同的纳米透镜波导镜片单元分别会聚与空间对应的景深区间，则方便的实现了多景深的三维显示。例如，每个纳米透镜波导镜片由两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，对于双眼系统，则由两个纳米透镜波导镜片分别对应左右眼，每个纳米透镜波导镜片对应设置两个微投影装置，分别对应一片纳米透镜波导镜片单元，两个微投影装置分别投影近景和远景的图像信息，其对应的纳米透镜波导镜片单元在人眼前方会聚成对应景深(近景或远景)图像，从而实现多景深的虚拟三维显示，如果需要更加细致逼真的三维显示，可以将不同景深的景物划分出更多更细致的景深区间，如近景、中景、远景，或近景、中景、中远景、远景，以此类推，只要对应更多的微投影装置和叠加相应数量的纳米透镜波导镜片单元即可方便的实现。

通常，一般基本的方案可以采用以下方案，每个纳米透镜波导镜片由三片纳米透镜波导镜片单元叠加，三片纳米透镜波导镜片单元的成像焦面不同，分别对应近、中、远景深的图像信息显示。

所述纳米透镜波导镜片组优选三片纳米透镜波导镜片单元叠加构成，各纳米透镜波导镜片单元具备不同焦面成像，分别对应近、中、远景深显示，结合微投影系统，实现多焦面、多景深的增强现实三维显示，避免视觉疲劳观看。

为了构建多景深三维显示装置，微投影装置的数量与纳米透镜波导镜片单元的数量一致，且一一对应设置。为了便于各部件的空间安排及规避相互之间的干涉，需要各微投影装置进行错位排布，因此，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，同一纳米透镜波导镜片上的各层纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域所设置的位置不同，微投影装置与耦入功能性区域一一对应光耦合设置。

如图7所示，图7是一种多景深显示装置示例的剖面示意图；其中，由三片纳米透镜波导镜片单元叠加而成纳米透镜波导镜片，三片纳米透镜波导镜片单元分别对应近、中、远景；采用3个微投影装置100a、100b、100c，分别输出近、中、远景深图像源，微投影装置100a、100b、100c分别耦合至三片纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域1201、2201、3201，三片纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域1201、2201、3201的空间位置错开，避免不同景深图像源之间互相干扰；通过设计纳米像素的周期及取向，控制虚像面的聚焦位置，配合不同景深图像源，实现近、中、远景深图像显示，方便人眼观察聚焦，避免视觉疲劳。

另外一些实施例中，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，微投影装置分别设置于对应的纳米透镜波导镜片单元的波导侧边，通过设置对应数量的耦合棱镜或直接从波导侧面与耦入功能性区域一一对应光耦合。

如图8所示，采用3个微投影装置100a、100b、100c设置于对应的纳米透镜波导镜片单元的侧面，分别输出近、中、远三种景深图像源可从对应的纳米透镜波导镜片单元侧边耦合输入，通过棱镜等方式，或特定角度耦合至每一纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域1201、2201、3201，配合波导全反射，实现无串扰多景深输出，根据不同景深虚像面聚焦位置，设计纳米光栅像素的周期及取向分布，控制波导镜片聚焦。

在一些实施例中，所述纳米透镜波导镜片由一片纳米透镜波导镜片单元组成，所述多景深三维显示装置还包括一微投影装置，所述微投影装置设有用于将不同焦面的位相图像光信息依次刷新的位相型时序刷新装置。

如图9所示，通过结合位相型LCOS微投影装置100，位相型时序刷新装置配合时序刷新，仅采用一层纳米透镜波导镜片单元构成纳米透镜波导镜片便可实现多景深显示。其中，LCOS时序刷新不同景深图像源，带有不同位相信息，通过波导镜片传输，不同位相图像源聚聚焦的虚像面位置不同，实现不同景深增强现实显示。人眼1即可观察到不同景深的虚拟三维景象显示。

通常，在构建近眼三维显示装置时，采用对称设置的两个纳米透镜波导镜片，分别对应左右眼，上述的纳米透镜波导镜片及其与适配的微投影装置，均可以用以构建近眼三维显示装置，这里仅以图7的示例予以说明，其它各实施方式同理，不再赘述。如图10所述，图10本发明实施例下一种多景深彩色增强现实三维显示装置示例的示意图。左右两组纳米透镜波导镜片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，左右波导镜片的会聚光场形成视差效应，即左眼11获得的图像包含更多的左方向信息，右眼12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，叠加三片纳米透镜波导镜片，对应耦合近、中、远景深图像源，动态聚焦不同虚像面，实现近、中、远景1011、1021、1031的三维虚拟图像显示，实现无视觉疲劳观察。需要说明的是，本发明并不不局限于三片叠加，可叠加两片、四片、五片甚至更多。

在实际应用中，可以在位于波导上表面或下表面设置功能性区域；所述功能性区域包括用于将图像光信息耦合进入波导的耦入功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息改变方向再经波导传导到出射功能性区域的中继功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息投射到纳米透镜波导镜片上方空间中的出射功能性区域中的一种、两种或三种。

三种功能性区域同时存在的情形，在前述实施例中已经阐述，在某些情形下，需要将纳米透镜波导镜片做成曲折的形状以配合产品的设计时，可以采用两个及两个以上的中继功能性区域单元构成一个中继功能性区域，这样，两个及两个以上的中继功能性区域单元对光束的传播方向进行多次改变和中继传导，并最终到达出射功能性区域，这位设计产品提供了更多的灵活性。

在另外一些情形下，我们在纳米透镜波导镜片上仅设置耦入功能性区域，那么这个纳米透镜波导镜片就可以作为一个独立的耦合器使用，并且，还可以通过对纳米衍射光栅的设计，使得其可以控制某一波长的光才能通过，可以作为耦合元件及滤波元件、作为彩色显示的部件、多景深显示的部件或其他更多的用途。

同理，我们在纳米透镜波导镜片上仅设置中继功能性区域，那么这个纳米透镜波导镜片就可以作为一个独立的光束中继变向传导元件使用，并且，还可以通过对纳米衍射光栅的设计，使得其可以控制某一波长的光才能通过，可以作为中继变向传导元件及滤波元件、作为实现彩色显示的部件、多景深显示的部件或其他更多的用途。同理，中继功能性区域可以采用两个及两个以上的中继功能性区域单元构成一个中继功能性区域，这样，两个及两个以上的中继功能性区域单元对光束的传播方向进行多次改变，以便使光束最终到达输出元件，如出射功能性区域，这位设计产品提供了更多的灵活性。

同理，我们在纳米透镜波导镜片上仅设置出射功能性区域，那么这个纳米透镜波导镜片就可以作为一个独立的输出成像元件使用，并且，还可以通过对纳米衍射光栅的设计，使得其可以控制某一波长的光才能通过，可以作为输出元件及滤波元件、作为彩色显示的部件、多景深显示的部件或其他更多的用途。

基于不同功能性区域的工作原理，通过匹配的设计，在同一片纳米透镜波导镜片上同时设置耦入功能性区域、中继功能性区域、出射功能性区域中的任意两种，为产品设计提供了更多的可能和灵活性。

如果需要，可以在同一片纳米波导镜片上设置多路光束传导路径，对应不同的中继功能性单元构成的两条及两条以上中继传导路径。

当然，也可以利用上述结构形式的纳米透镜波导镜片作为构建三维显示装置的一个功能元件。

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(图11-19)等社会活动中。

图11是本发明应用于交通驾驶的示意图，通过本发明的装置，将虚拟图像(图中示例的是“600米后文星路”的图文提示和实际路面上的右转行驶标识)，该虚拟图像通过焦距的调整，准确的投影到与实景匹配的位置，使虚拟图像和现实景物有机的融合到一起，自然且准确，实现现实增强显示，可有效避免现有车载导航系统中，视觉场景切换导致的交通事故。

图12是本发明应用于儿童教育的示意图(当然可以是其他任何多媒体信息展示领域及电影、电视等领域)，两位小朋友通过本发明的装置，一起观看或分享关于恐龙的咨询，包括文字显示和恐龙的立体显示。

图13是本发明应用于游戏娱乐、军事训练、战争等领域的示意图，其中的建筑、人物可以是全虚拟的，也可以是虚拟和现实事物融合的现实增强模式。应用于游戏娱乐和军事训练，可以大大提高游戏及军事训练的拟真度，提高游戏的乐趣和可玩性，提高军事训练的实战效果。应用于军事作战，通过云端信息采集与信息交互，使士兵快速获得战场上敌军、我军的位置、运动、作战特性等信息，以及战场形貌信息，大大提高士兵的信息采集能力、实时判断准确性、以及统一作战协调性，提高军队整体战斗力。

图14是本发明应用于购物领域或产品展示。可以拟真的全面了解产品的外观信息，并结合文字、声音信息，实现全新的购物体验或展示效果。

图15是本发明应用于医疗领域的示意图，实现医生与病患的更加丰富的资讯交流，如图中，医生可以让病患直观的看到自己病牙的立体信息，了解病况，视窗中还同步显示诊断结果等文字信息。

图16是本发明应用于家庭影音娱乐领域的示意图，可获得近乎于身临其境的视觉体验，又大大减轻视觉疲劳的症状。

图17是本发明应用于服饰虚拟试穿的示意图，通过对试穿者的三维扫描或多角度拍照进行三维合成，然后再将服装与试穿者的三维虚像融合，得到穿上新服饰的三维影像，试穿者可以实时的观察自己的试穿效果，通过本发明的头戴式三维显示装置，可以获得近乎于照镜子的真实视觉体验。

图18是本发明应用于商务会议领域的示意图，真实而生动的展示需要讨论的产品或文案，相比于传统的ppt，更具直观的优势。对于大型设备展示来说，更是如此。

图19是本发明应用于远程交互领域的示意图，在图中，以父女两人通过本发明进行远程互动下国际象棋的例子，在本方案中，每一方只需要摆放己方的棋子，然后通过本发明上增设的数码摄像机将己方的棋子动态、甚至是连同下棋人本人全貌一同拍摄(可以是三维扫描、多角度录像或拍照等方式)，并进行三维转换，最终通过本发明投射到对方眼前，使得相互之间如同面对面在一起，具有高度的拟真感，如果再加上现实增强技术，几乎察觉不到彼此本来遥远的距离了，这对于远程交互来说，可以是一次革命性的飞跃。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。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与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 (17)

1.一种纳米透镜波导镜片，包括纳米透镜波导镜片单元，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，或由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加组成，所述纳米透镜波导镜片单元包括：

波导；

位于波导上表面或下表面的功能性区域；所述功能性区域包括用于将图像光信息耦合进入波导的耦入功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息改变方向再经波导传导到出射功能性区域的中继功能性区域、用于将经耦入功能性区域及波导传导过来的图像光信息投射到纳米透镜波导镜片上方空间中的出射功能性区域中的一种、两种或三种。

2.根据权利要求1所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，功能性区域均设有像素型纳米衍射光栅。

3.根据权利要求2所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，所述中继功能性区域包括至少一个中继功能性区域单元，所有中继功能性区域沿同一条光束传播路线排布或分别沿两条及以上光束传播路线排布。

4.根据权利要求2所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，耦入功能性区域、中继功能性区域和出射功能性区域分布于波导的同一平面上的不同位置。

5.根据权利要求2所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，各功能性区域均包括多个结构单元像素，每一结构单元像素至少包括三个结构子单元像素，各结构子单元像素对应耦合不同基色图像光信息。

6.根据权利要求5所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，所述结构子单元像素包括分别与红色、绿色、蓝色图像光耦合的红色图像光子单元像素、绿色图像光子单元像素和蓝色图像光子单元像素。

7.根据权利要求5所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，耦入功能性区域的结构单元像素包括具有波长选择性的体全息光栅或斜光栅。

8.根据权利要求5所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，出射功能性区域的结构单元像素包括像素型结构子单元像素，每个结构子单元像素内设有的纳米衍射光栅周期和取向不同，所有像素组合形成具有光学成像功能的纳米透镜。

9.根据权利要求5所述的纳米透镜波导镜片，其特征在于，所述结构单元像素包括所述像素型纳米衍射光栅，像素型纳米衍射光栅的周期及取向由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。

10.一种多景深三维显示装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的纳米透镜波导镜片。

11.如权利要求10所述的多景深三维显示装置，其特征在于，还包括微投影装置。

12.如权利要求11所述的多景深三维显示装置，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片为两个，分别对应人体的左眼和右眼进行设置。

13.如权利要求11所述的多景深三维显示装置，其特征在于，所述微投影装置设有多个，其数量与纳米透镜波导镜片单元的数量一致，微投影装置与耦入功能性区域一一对应设置。

14.如权利要求11-13任一所述的多景深三维显示装置，其特征在于，每个纳米透镜波导镜片由三片纳米透镜波导镜片单元叠加，三片纳米透镜波导镜片单元的成像焦面不同，分别对应近、中、远景深的图像信息显示。

15.如权利要求11-13任一所述的多景深三维显示装置，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，同一纳米透镜波导镜片上的各层纳米透镜波导镜片单元的耦入功能性区域所设置的位置不同，微投影装置与耦入功能性区域一一对应光耦合设置。

16.如权利要求11-13任一所述的多景深三维显示装置，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片由至少两片纳米透镜波导镜片单元叠加而成，微投影装置分别设置于对应的纳米透镜波导镜片单元的波导侧边，通过设置对应数量的耦合棱镜或直接从波导侧面与耦入功能性区域一一对应光耦合。

17.如权利要求10或12所述的多景深三维显示装置，其特征在于，所述纳米透镜波导镜片由一片纳米透镜波导镜片单元组成，所述多景深三维显示装置还包括一微投影装置，所述微投影装置设有用于将不同焦面的位相图像光信息依次刷新的位相型时序刷新装置。