CN106501938A - 一种头戴式增强现实三维显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头戴式增强现实三维显示装置，利用具有能实现汇聚光场视角放大功能即纳米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，通过透明光场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
技术领域
本发明属于三维图像显示领域，具体涉及一种头戴式增强现实三维显示装置。
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。
通常，利用全息干板记录波阵面，并真实再现三维信息，不产生视觉疲劳，立体效果与观察者的距离无关。全息记录要求的分辨率极高，将三维图像信息用计算编码成位相分布，输入到空间光调制器(如LCOS或CMOS)上，通过光学衍射过程来实现三维图像的再现，计算全息使动态三维显示成为可能，但是迄今为止，全息显示尚未能实现工业化应用。用计算全息用空间光调制器(如LCOS或CMOS)代替干板再现全息图的主要困难是，受限于工艺水平，空间光调制器单个像素尺寸难以小于4μm，重现的3D景象视角小，难以满足高品质图像显示要求，例如，用532nm波长光照明，空间光调制器再现的图像视角小于8°，对比正常人单眼的视角范围(约150度)，显然是不够的。
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。
发明内容
鉴于此，本发明旨在基于全息原理，提供一种可实现无视觉疲劳的头戴式现实增强3D显示方案和显示装置(AR)。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种头戴式增强现实三维显示装置，包括图像生成装置，和对应眼睛的透明光场镜片，所述透明光场镜片包括至少一层透明光场镜片单元，所述透明光场镜片单元设置有视角放大装置，所述视角放大装置具有会聚成像功能、且具有能实现汇聚光场视角放大功能即纳米透镜功能的纳米光栅结构，所述透明光场镜片上的纳米光栅结构与图像生成装置输出的图像匹配，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；或该会聚波面与现实景象形成的波面叠加，得到真实世界信息和虚拟世界信息的融合。
利用具有能实现汇聚光场视角放大功能即纳米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，通过透明光场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，所述视角放大装置包括按照纳米透镜结构排布的纳 米光栅，该纳米光栅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设置于一个透明的镜片基体上或透明的光波导器件上；或该纳米光栅直接加工于一个透明的镜片基体上或透明的光波导器件上。
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，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。
进一步的，所述视角放大装置包括两组按照纳米透镜结构排布的纳米光栅，即第一光栅组和第二光栅组；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，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；其中第一光栅组接受光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经第一光栅组反射后在光波导器件内部向第二光栅组方向传播，最后经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。
创造性的利用两级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。
进一步的，所述视角放大装置包括一组按照纳米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第一反射面上，并设置于光波导器件的一端，所述光波导器件的另一端设有一个耦 合棱镜或由第一反射面向第二反射面倾斜的反射斜面，该耦合棱镜或反射斜面接受光源或投影的直接照射，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人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
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，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。
进一步的，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透明光场镜片之间还设有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。
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。
进一步的，所述图像生成装置为一全息投影装置，所述全息投影装置从透明光场镜片侧面直接投影或通过设置一光耦合器件投影至第一光栅组，实现图像在Y轴上的放大，然后经光波导器件投射到第二光栅组上，实现图像在X轴方向的放大，并在人眼前的空间中投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
进一步的，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，所有的第一光栅组、第二光栅组分别对齐平行排列；其中所有的第一光栅组均接受同一光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经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，形成视角放大的三维虚拟景象。
多层结构一可以实现更多的汇聚视点，提高分辨率，也为实现彩色三维显示提供了基础。
进一步的，所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场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。
进一步的，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上 透明光场镜片单元重叠而成；其中距离眼睛最远的一层透明光场镜片单元只设有第二光栅组，其余透明光场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透明光场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透明光场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透明光场镜片单元，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。
进一步的，所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场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透明光场镜片单元，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。
进一步的，所述透明光场镜片包括两个透明光场镜片单元，且两个透明光场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；两个透明光场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。
进一步的，所述透明光场镜片包括两组透明光场镜片单元，且两组透明光场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；所述每组透明光场镜片单元均为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成；两组透明光场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。
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。
本发明中所述透明光场镜片(也称为指向性功能镜片)在人眼视窗内形成多个视点，使单眼能够看到两幅以上视角图像，实现单眼视差效果，及连续的动态视差；所述纳米结构为纳米级尺寸的纳米光栅，所述每一个纳米光栅即为一个纳米光栅像素，每个视角图像由多个纳米光栅像素会聚而成，各视角图像对应的纳米光栅像素 通过互相嵌套的方式排列在透明光场镜片上；
根据光栅方程，纳米光栅像素的周期、取向角满足以下关系：
(1)tanφ1＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))
(2)sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(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依次表示衍射光的衍射角和衍射光的方位角，θ和入依次表示光源的入射角和波长，□和φ依次表示纳米衍射光栅的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率，其中，衍射角为衍射光线与z轴正方向夹角；方位角为衍射光线与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。
所述指向性功能镜片即透明光场镜片在人眼视窗内形成多个视点，使单眼能够看到两幅以上视角图像，实现单眼视差效果，实现连续的动态视差，使观看效果更加自然；所述纳米结构为纳米级尺寸的纳米光栅，所述每一个纳米光栅即为一个纳米光栅像素，如果进一步将单个视角图像的对应的纳米光栅像素分布与视轴角度进行关联，即与该视角图像对应的纳米光栅像素在该视角对应视轴附近的排布密度大于远离该视轴区域的排布密度；各视角图像对应的纳米光栅像素通过互相嵌套的方式非均匀排列在指向性功能镜片表面。其优点为充分利用人眼结构特点，使用较少纳米光栅像素数即可获得较高图像质量。
所述图像生成装置包括投影装置，所述投影装置在投影时按照多景深显示方案通过时序扫描法实现单眼的三维显示效果；即对所投影的图像进行分割，在图像分割时，被分割图像被投影至人眼前不同距离，形成距离、大小与现实场景吻合的虚像，从而构成多景深三维图像。
采用多景深的三维显示技术。在投影时按照多景深显示方案通 过时序扫描法实现单眼的三维显示效果。考虑到人眼对近距离物体的远近分辨能力强于对远距离物体的远近分辨能力。在图像分割时，可对近距离物体进行细致分割，对远距离物体进行大致分割。被分割图像被投影至人眼前不同距离，形成距离、大小与现实场景吻合的虚像，形成多景深三维图像。使观察者既有沉浸感，又与现实景物有效融合。由此，当观察者通过调节可将眼睛聚焦到单一或邻近距离的景物，而非聚焦平面上的景物成模糊像。亦可将根据实际应用，获得多视点多景深的三维显示方案，提高三维效果体验。
对于第二纳米光栅组，其纳米光栅的分布基于以下原则：图像生成装置经所述纳米光栅在眼球前方的空间中不同空间位置会聚的视点与人眼眼球的移动位置相匹配；其中，眼球前方近处空间对应透明光场镜片的下方区域，眼球前方中间空间对应透明光场镜片的中间区域，眼球前方上方空间，对应透明光场镜片的上方区域，眼球前方的左右空间分别对应透明光场镜片的相应区域；从而会聚在眼球前方空间中的视点形成距离、大小与现实场景吻合的虚像，构成光视场和不同景深三维图像；通过调节眼睛聚焦到邻近和远距离的景物，获得对应清晰的3D显示。
进一步的，透明光场镜片为一单一整体或左右两个分别对应两个眼球的独立透明光场镜片；根据双目视差特性，在单一整体的透明光场镜片上或左右两个透明光场镜片上匹配左、右眼相应视点对应的纳米光栅的分布和位置，且匹配对应的输出视图信息，从而获得符合自然习惯的三维显示体验。
进一步的，所述图像生成装置为微型投影仪，或空间光调制器及光源组成。
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为包括一组纳米光栅组的透明光场镜片的示意图。
图5a为上述包括两组纳米光栅组的透明光场镜片示意图。
图5b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)的透明光场镜片示意图。
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(透明光场镜片)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12是本发明实施方式下分频实现多景深的一种现实增强显示方案图。
图13a-d是一种虚拟景物多景深分割示意图。
图14a-c是微全息投影系统与光波导器件耦合的方案图。
图15a-b是本专利实施方案下另一种微全息投影系统与光波导器件组成的透明光场镜片耦合的方案图。
图16是本发明实施方式下基于光波导器件的一种现实增强显示方案图。
图17a为3层透明光场镜片单元叠加的结构示意图。
图17b为三层透明光场镜片单元叠加的结构示意图。
图18是两组透明光场镜片单元左右对称排布的结构示意图。
图19是一种空间光调制器输出图像的过程示意图。
图20是一种利用本文所述透明光场镜片实现三维景象的结构示意图。
图21a和图21b是基于透明光场镜片的一种头戴式3D增强现实显示装置示意图。
图22是基于光场镜片的虚拟现实系统方案示意图。
图23是基于光场镜片的现实增强系统方案示意图。
图24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。
图25-图33是本发明的多种应用场景示意图。
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效应、由含有纳米光栅的像素组成纳米透镜，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。参见图2和图3，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。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/Λ)2+(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λ依次表示光源的入射角和波长，□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，将每一个纳米光栅视为一个像素(即纳米光栅像素)。该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。
基于上述理论，我们得以实现本发明的诉求：
一种头戴式增强现实三维显示装置，包括图像生成装置，和对应眼睛的透明光场镜片，所述透明光场镜片包括至少一层透明光场镜片单元，所述透明光场镜片单元设置有视角放大装置，所述视角放大装置具有会聚成像功能、且具有能实现汇聚光场视角放大功能即纳米透镜功能的纳米光栅结构，所述透明光场镜片上的纳米光栅结构与图像生成装置输出的图像匹配，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；或该会聚波面与现实景象形成的波面叠加，得到真实世界信息和虚拟世界信息的融合。
利用具有能实现汇聚光场视角放大功能即纳米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，通过透明光场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。
在一些实施例中，所述视角放大装置包括按照纳米透镜结构排布的纳米光栅，该纳米光栅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设置于一个透明的镜片基体上或透明的光 波导器件上；或该纳米光栅直接加工于一个透明的镜片基体上或透明的光波导器件上。
参见图4a和图4b，图4a和图4b为包括一组纳米光栅组22的透明光场镜片。图4(a)-(b)分别为投影照明和波导照明方式下的透明光场镜片。为了实现本发明的目的，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，即纳米光栅组具有纳米透镜作用。根据光栅方程设计并制作纳米结构功能薄膜，并将纳米结构功能薄膜贴合在透明镜片21上或光波导器件5上，如图4a-b所示；或直接在透明镜片基体或光波导器件上制作这些纳米光栅组。
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，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。
进一步的，所述视角放大装置包括两组按照纳米透镜结构排布的纳米光栅，即第一光栅组和第二光栅组；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，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；其中第一光栅组接受光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经第一光栅组反射后在光波导器件内部向第二光栅组方向传播，最后经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。
参见图5a，图5a为上述包括两组纳米光栅组(也可以是两块纳米结构功能薄膜)的透明光场镜片示意图。通过第一纳米光栅组将照明光耦合进入光波导传播层。根据光栅方程设计并制作的两组纳米光栅组，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5a中第一纳米光栅组和第二纳米光栅组设置于光波导器件的同一反射面上。而图14c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。
创造性的利用两级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，所述视角放大装置包括一组按照纳米透镜结构排布的纳米光栅组，该纳米光栅组均设置于光波导器件的第一反射面上，并设置于光波导器件的一端，所述光波导器件的另一端设有一个耦合棱镜或由第一反射面向第二反射面倾斜的反射斜面，该耦合棱镜或反射斜面接受光源或投影的直接照射，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人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
参见图5b，图5b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)的透明光场镜片示意图。通过耦合棱镜或反射斜面将照明光耦合进入光波导传播层。根据光栅方程设计并制作的这一组纳米光栅组，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。
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，及就够的照射面积(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透明光场镜片之间还设有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。其中的4f光学系统可以采用传统的光学透镜系统，为了进一步优化其体积，实现头戴式装置美观轻便，还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)，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10，图10是微全息投影系统的结构示意图。将需再现 的图像通过计算生成位相分布，实时显示在空间光调制器(如LCOS器件等)上。光波照射在空间光调制器上，通过投影光学系统和空间传播形成成像。例如，该光学系统为4f系统，在4f系统两透镜间的频谱平面上设置光阑，让光阑只允许形成实像的频谱通过。更进一步地，通过高频刷新空间光调制器上的位相分布，在不同景深处三维成像，获得多景深的三维景象重建。然而，受到空间光调制器像素数和像素尺寸限制，该系统的成像视场角是受限的。因此，需后继光学系统和透明光场镜片的视场放大成像。这里照明的光源可以是相干光源或者部分相干的或者非相干的。对应与振幅图像输入，光源可以是非相干或者部分相干光源，对于位相分布输入，光源是相干的。
参见图11，图11是本发明实施方式下的一种增强现实显示方案图。该系统至少包括一个微全息投影系统和一个透明光场镜片。透明光场镜片上至少包含一组纳米结构功能薄膜(图示是一组，也可以采用两组、三组及三组以上，两组的示意图参见图5a，两组以上同理)。微全息投影系统中，通过计算生成的位相分布图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，通过空间射传播，在空间形成成像。在该实施例中，光学系统为具有一定放大率的4f系统。然而受到空间光调制器像素数和像素尺寸限制，该实像的视场角受限。为此，通过透明光场镜片的纳米透镜，将放大的虚像呈现在人眼观察区域。
在一些实施例中，所述图像生成装置为一全息投影装置，所述全息投影装置从透明光场镜片侧面直接投影或通过设置一光耦合器件投影至第一光栅组，实现图像在Y轴上的放大，然后经光波导器件投射到第二光栅组上，实现图像在X轴方向的放大，并在人眼前的空间中投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
同理，也可以根据需要，用纳米光栅组代替图10与图11中的 光学系统，进一步减小体积与重量。
参见图14a-c，图14a-c是微全息投影系统与光波导器件耦合的方案图。该系统包括微全息投影系统和透明光场镜片。图14a和图14c中透明光场镜片上至少包含两组纳米结构功能薄膜(图示中以两组为例41和42，两组纳米结构功能薄膜实质上就是两组纳米光栅组)和一层光波导。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透明光场镜片，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14b中，则是微全息投影系统与图5b所示的透明光场镜片结合的情形，这个示例中，只设有一组纳米光栅组。
参见图15a-b，图15a-b是本专利实施方案下另一种微全息投影系统与光波导器件组成的透明光场镜片耦合的方案图。该系统包括微全息投影系统和透明光场镜片。透明光场镜片上包含三组纳米结构功能薄膜，和一层光波导器件结构。在微全息投影系统中，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(3组纳米光栅组中的一组)，耦合进入光波导，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(3组纳米光栅组中的第二组)。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方向的纳米透镜。最终通过衍射效应，在人眼前方实现会聚视点。
参见图16，图16是本发明实施方式下基于光波导器件的一种现实增强显示方案图。该系统包括微全息投影系统和透明光场镜片。镜片上至少包含一组纳米结构功能薄膜，和一层光波导器件。在微全息透明系统中，包括空间光调制器和4f光学系统，通过将待显示的图像经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，通过空间传播和光学系统，形成成像。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。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，通过透明光场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，通过透明光场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。
参见图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f、图6g、图6h、图6i和图6j，图6a-j，是多种含有像素化纳米光栅的功能薄膜示意图。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。纳米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，其中纳米光栅像素(在本文中即纳米光栅)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光滑表面制作出各个不同指向的纳米光栅。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与镜片基材构成镜片(透明光场镜片)的结构示意图。如图7a、图7b和图7c所示，通过在光场镜片基材表面制备纳米结构功能层(图示为在镜片基片上制备纳米结构功能薄膜，当然，在光波导器件上制备的原理一样)，或在镜片基材内部嵌入纳米结构功能层(图7d、图7e)获得光场镜片。需要指出的是，制作单层和多层叠合的纳米光栅结构时(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。
为了实现纳米透镜的功能，一种实施方式可以如图8所示，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(及纳米光栅组的全部或一部分)。图中所示的这一组纳米光栅组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。单个视点1可以视为一个子像素，通过对各纳米光栅组纳米光栅的排布的不同安排，可以获得不同焦距和/或焦点位置的离轴菲涅尔透镜，可由n×m个这样的纳米光栅组构成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，可使出射光线对入射光波长不敏感，即通过渐变纳米结构，可使多波长入射光获得相同会聚效果。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9，图9是利用纳米结构功能薄膜构筑新波前的示意图。在自然观看情况下，自然景物向四周发射漫反射光。而景物投射到人眼的光线被角膜和晶状体成像。同样地，由光场镜片上的纳米结构功能薄膜构筑的新波前需符合自然观看条件，即：由纳米结构功能薄膜构筑的新波前应为会聚波面，在眼睛前方形成会聚光场，将观察区域内所有光信息收集至人眼。眼睛应位于会聚光场的观察区域内，从而使人眼在观看虚拟物体时处于放松和舒服的状态。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的纳米结构的分布，使得形成的光场的焦距处于眼睛的最佳观察范围内。
在一些实施例中，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，所有的第一光栅组、第二光栅组分别对齐平行排列；其中所有的第一光栅组均接受同一光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经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，形成视角放大的三维虚拟景象。图17a为3层透明光场镜片单元叠加的情形。
多层结构一可以实现更多的汇聚视点，提高分辨率，也为实现彩色三维显示提供了基础。
当所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场 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。
在另一些实施例中可以采用另外的一种结构，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成；其中距离眼睛最远的一层透明光场镜片单元只设有第二光栅组，其余透明光场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透明光场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透明光场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透明光场镜片单元，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17b为三层透明光场镜片单元叠加的情形。其它数量透明光场镜片单元叠加同理。
进一步的，所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场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透明光场镜片单元，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12，图12是本发明实施方式下分频实现多景深的一种现实增强显示方案图。该系统包括微全息显示系统和透明光场镜片。透明光场镜片上至少包含一组纳米结构功能薄膜。在数字全息显示系统中，通过计算生成的位相分布图实时显示在空间光调制器(如LCOS器件、DLP器件等)上。光波照射在空间光调制器上，通过微全息显示系统中设有的一个光学系统，形成实像。在该实施例中，光学系统为具有一定放大率的4f系统，然后再通过一个透明光场镜片，实现视场角的增大，最终将放大的虚像呈现在人眼观察区域。利用分频扫描的方式，实现多幅全息图实时扫描，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。
参见图13a-d，图13a-d是一种虚拟景物多景深分割示意图。以13(a)所示图像为例，可根据景物远近关系分割成若干图像(图13(b)、图13(c)、图13(d))。考虑到人眼对近距离物体的远近分辨能力优于对远距离物体的远近分辨能力。在图像分割时，可对近距离物体进行细致分割，对远距离物体进行大致分割。被分割图像被投影至人眼前不同距离，形成多景深三维图像。
进一步的，所述透明光场镜片包括两个透明光场镜片单元，且两个透明光场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；两个透明光场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，所述透明光场镜片包括两组透明光场镜片单元，且两组透明光场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；所述每组透明光场镜片单元均为一层、两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成；两组透明光场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，如图18所示。这里的每组透明光场镜片单元组可以采用前述的各种透明光场镜片的结构，以及与图形生成装置进行对应的光学匹配即可。
参见图19。图19是一种空间光调制器输出图像的过程示意图。为获取待显示物体的三维信息，并使之与真实景物融合，需获取现实场景三维景物和云端的三维建模数据。GPU通过计算处理，对三维数据进行分析，并利用抽样定理将其离散化。最后控制空间光调制器，输出计算出的位相分布。这是现有技术，就不在赘述。
参见图20，图20是一种利用本文所述透明光场镜片实现三维景象的结构示意图。GPU将计算全息图像输出至微全息投影系统， 出射光场经过光学耦合系统照射至光场镜片(即透明光场镜片)的纳米结构功能薄膜，实现光场变换，放大视场角，在人眼观察区域呈现放大虚像。需指出，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。
参见图21，图21是基于透明光场镜片的一种头戴式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场镜片实现的佩戴式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22.，图22是基于光场镜片的虚拟现实系统方案示意图。在虚拟现实系统中，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：观察者头部运动、眼部运动识别、手势识别等。采集信息与云端信息、终端信息匹配、处理、交互，最终通过光场镜片在虚拟三维尺度空间特定位置呈现虚拟物体或信息。
参见图23，图23是基于光场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，最终通过光场镜片在现实三维尺度空间特定位置增加虚拟物体或信息。
参见图24，图24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(图25-33)等社会活动中。
图25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26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27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28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29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30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31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32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33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。
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 (12)
1.一种头戴式增强现实三维显示装置，包括图像生成装置和对应的光场镜片，其特征在于，所述光场镜片包括至少一层透明光场镜片单元，所述透明光场镜片单元设置有视角放大装置，所述视角放大装置为纳米光栅结构，所述光场镜片上的纳米光栅结构与图像生成装置输出的图像匹配，投射出会聚波面该会聚波面与现实景象形成的波面叠加。
2.根据权利要求1所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述视角放大装置包括按照纳米透镜结构排布的纳米光栅，该纳米光栅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设置于一个透明的镜片基体上或透明的光波导器件上；或该纳米光栅直接加工于一个透明的镜片基体上或透明的光波导器件上。
3.根据权利要求2所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述视角放大装置包括两组按照纳米透镜结构排布的纳米光栅，即第一光栅组和第二光栅组；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，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；其中第一光栅组接受光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经第一光栅组反射后在光波导器件内部向第二光栅组方向传播，最后经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。
4.根据权利要求2所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述视角放大装置包括一组按照纳米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第一反射面上，并设置于光波导器件的一端，所述光波导器件的另一端设有一个耦合棱镜或由第一反射面向纳米反射面倾斜的反射斜面，该耦合棱镜或反射斜面接受光源或投影的直接照射，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人眼前方投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
5.根据权利要求1到4任一所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，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透明光场镜片之间还设有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。
6.根据权利要求3所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述图像生成装置为一全息投影装置，所述全息投影装置从透明光场镜片侧面直接投影或通过设置一光耦合器件投影至第一光栅组，实现图像在Y轴上的放大，然后经光波导器件投射到第二光栅组上，实现图像在X轴方向的放大，并在人眼前的空间中投射出会聚波面，形成视角放大的三维虚拟景象。
7.根据权利要求6所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，所有的第一光栅组、第二光栅组分别对齐平行排列；其中所有的第一光栅组均接受同一光源或投影的照射，光源或投影投射的光信息经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，形成视角放大的三维虚拟景象。
8.根据权利要求7所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场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。
9.根据权利要求3所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成；其中距离眼睛最远的一层透明光场镜片单元只设有第二光栅组，其余透明光场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透明光场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透明光场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透明光场镜片单元，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。
10.根据权利要求9所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片为三层、四层、或四层以上透明光场镜片单元重叠而成，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透明光场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透明光场镜片单元，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。
11.根据权利要求4所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片包括两个透明光场镜片单元，且两个透明光场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；两个透明光场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。
12.根据权利要求8或10所述的头戴式增强现实三维显示装置，其特征在于，所述透明光场镜片包括两组透明光场镜片单元，且两组透明光场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；所述每组透明光场镜片单元均为两层、三层、四层或四层以上透明光场镜片单元重叠而成；两组透明光场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。
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