CN106773057A - 一种单片全息衍射波导三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供了一种单片全息衍射波导三维显示装置，采用该纳米透镜波导镜片构建的三维显示装置，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，并且经过各功能性区域中由纳米衍射光栅构成的纳米透镜进行图像视角的第二次或多次放大，可以获得较传统三维显示装置大得多的可视视角。

Description

一种单片全息衍射波导三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，涉及一种应用纳米透镜波导镜片的单片全息衍射波导三维显示装置。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，例如谷歌的Google Glass和微软的Hololens。增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。利用传统光学波导元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光波导、全息及衍射光栅。波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。

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。CN201620173623.3提出一种近眼显示系统及头戴显示设备，光源向导光系统输入照明光束，导光系统将光束进行传输扩展照射到图像显示系统所显示的全息图，以透射方式激活全息图。微软在专利WO2014/210349 A1中提出采用滤色进行显示效率优化，通过减少至少一种颜色的色彩带宽并将变窄的色彩带宽与可视光谱中邻近的颜色的带宽耦合到同一层衍射波导。

然而，还未见国内外有一个简单易行的佩戴式三维显示方案，可兼顾三维显示器件的视场范围和器件实现难易度。本发明旨在基于空间复用和全息光学原理，将微投影系统与纳米透镜波导相结合，实现宽视角三维显示方案和装置。

发明内容

在三维空间增添定位虚拟物体是AR系统的主要目的，然而，目前的三维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度的三维显示。另外，目前彩色波导镜片设计过于复杂，不利于器件集成化。

本专利主要特点是基于空间复用，设计单片彩色纳米透镜波导镜片，优化制备工艺。并且，利用纳米透镜波导镜片的成像功能，结合微投影系统，给头戴式三维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，扩大虚像视场角，优化成像的像质，增大出瞳距离，扩大可观察范围等。

本发明提供了一种单片全息衍射波导三维显示装置，包括：

微投影装置；

纳米透镜波导镜片，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，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入射功能性区域和出射功能性区域。

微投影装置微生成的图像光信息耦合进入波导的入射功能性区域，经入射功能性区域及波导传导过来的图像光传导到出射功能性区域。

采用该纳米透镜波导镜片构建的三维显示装置，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，并且经过各功能性区域中由纳米衍射光栅构成的纳米透镜进行图像视角的第二次或多次放大，可以获得较传统三维显示装置大得多的可视视角。

优选的，所述微投影装置包括光源装置和图像信息生成装置。

优选的，所述图像信息生成装置包括至少一片显示元件，所述显示元件包括LCOS显示屏和DMD数字微镜阵列，或LCD显示屏。

优选的，所述图像信息生成装置与入射功能性区域之间设有耦合透镜装置。

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。

优选的，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，所述微投影装置设有两个，并分别与对应左右眼的纳米透镜波导镜片的入射功能性区域对应设置。

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，所述功能性区域还包括用于将经入射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。

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，首先耦合入射功能性区域，满足波导全反射，光线沿入射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，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入射功能性区域时，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。

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，入射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。

优选的，所述单片全息衍射波导三维显示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6-7是本发明实现宽视角三维显示的示例示意图；

图8是本发明实现宽视角彩色三维显示装置的示例示意图；

图9是本发明实现宽视角三维显示装置的示例示意图；

图10是本发明实现双眼近眼三维显示装置的示例示意图；

图11是本发明实现一种多景深三维显示装置的示例示意图；

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。

如图2所示，一种纳米透镜波导镜片，用于制备单片全息衍射波导三维显示装置，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的入射功能性区域201，和用于将经入射功能性区域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，并且经过各功能性区域中由纳米衍射光栅构成的纳米透镜进行图像视角的第二次或多次放大，可以获得较传统三维显示装置大得多的可视视角。

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入射功能性区域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，在入射功能性区域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为利用上述纳米透镜波导镜片构建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的下表面，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，图像光首先耦合至入射功能性区域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，入射功能性区域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入射功能性区域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。

各结构子单元像素精确对准，可以避免结构子单元像素缝隙不对准导致的色散效应影响成像效果。

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，首先耦合入射功能性区域201，满足波导130全反射，光线沿入射功能性区域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，照明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，以采用入射功能性区域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，入射功能性区域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，入射功能性区域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。

在一些实施例中，为了使图像信息生成装置发出的图像光信息更好的与入射功能性区域耦合，在图像信息生成装置与入射功能性区域之间设置耦合透镜或一套光学系统，如图6所示，图像信息生成装置发射出的图像光信息光线601和602从显示屏101发出，本身具备一定的扩散角，经过耦合透镜后，图像光信息光线601和602以不同入射角入射入射功能性区域201，光束602和603以一定扩散角耦合波导120，β1(x)和β2(x)分别是光束602和601经过入射功能性区域201衍射产生的衍射角，光线610和611在波导120内满足全反射，反射至中继功能性区域202，如图7所示，光束沿X方向扩展；γ1(x)和γ2(x)分别是光束602和601经过中继功能性区域202的衍射式反射角，光束602和601经过中继功能性区域202改变方向后，形成光束701和702在波导120内传播，满足波导120全反射条件，光束701和702的全反射光线703和704耦合至出射功能性区域203，光束沿Y轴方向扩展。最后图像光信息经出射功能性区域会聚于纳米透镜波导镜片的上方空间中，使人眼看到虚拟的三维景象。

在上述实施例中，还可以利用功能性区域的结构子单元的空间复用排布，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。

图8示出了中继功能性区域202和出射功能性区域203的单片彩色化剖面结构示意图；801、802和803分别是中继功能性区域空间复用的红绿蓝三色光栅结构子单元，804、805和806分别是出射功能性区域空间复用的红绿蓝三色光栅结构子单元。通过空间复用结构子单元，实现颜色光空间传播，互不干扰。

图9是本专利利用纳米透镜波导镜片实现宽视角显示装置的结构示意图。光源装置提供的光源照射在图像信息生成装置的空间光调制器(如LCOS显示屏或LCD显示屏等)上，空间光调制器生成的图像光信息通过投影光学系统(即耦合透镜或成套光学系统)和空间传播进行一次成像，形成放大实像。从投影光学系统出射的光路耦合入射到入射功能性区域，再经波导、中继功能性区域、波导、出射功能性区域耦合进入人眼。各功能性区域上周期和取向变化的纳米衍射光栅构成的纳米透镜在弯折光路的同时，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，形成放大虚像。虚拟图像的视场角由微投影光学系统和纳米透镜波导镜片的纳米透镜组的成像系统共同决定。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和纳米透镜波导镜片的纳米透镜组，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，纳米透镜组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。通过微投影系统与纳米透镜共同成像，可将显示装置视场扩大到60度以上。优选地，纳米透镜数值孔径NA大于0.6，纳米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。

图10是由左右纳米透镜波导镜片和微投影系统构成的近眼三维显示装置，左右纳米透镜波导镜片分别对应左眼和右眼，用于传输光线至左右眼；所述微投影系统包括光源、光学系统及图像信息装置，用于输出图像光。其中，图像信息装置设置为至少一片显示元件，显示元件包括LCOS显示屏和DMD数字微镜阵列。显示屏101出射图像光，经过透镜聚焦，图像光耦合至波导120，经过波导及光栅衍射，输出至人眼150。对称设置对应左右眼的彩色显示装置，可同时使人眼接收来自对应单片纳米透镜波导镜片的耦合图像光，利用双眼视差，实现三维显示。

本实施例提供的三维显示装置，光线直接在单层纳米透镜波导镜片中耦合传导，无需采用复杂的波导的结构，并且采用空间复用方式分配结构子单元，无需采用双层甚至多层波导来分色导光实现彩色，在制备工艺及技术成本上面更有优势。并且，结合微投影系统和纳米透镜波导镜片，实现视场角的多次放大，进一步扩大了虚像视场角，优化显示效果。

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。

在一些实施例中，还可以构建多景深三维显示装置，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11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。

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 (10)

1.一种单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，包括：

微投影装置；

纳米透镜波导镜片，所述纳米透镜波导镜片包括一片纳米透镜波导镜片单元，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入射功能性区域和出射功能性区域。

2.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，所述微投影装置与入射功能性区域之间设有耦合透镜装置。

3.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，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。

4.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，各功能性区域均设有像素型纳米衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，各功能性区域分布于波导的同一平面上的不同位置。

6.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，所述微投影装置设有两个，并分别与对应左右眼的纳米透镜波导镜片的入射功能性区域对应设置。

7.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，所述功能性区域还包括用于将经入射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。

8.根据权利要求1所述的单片全息衍射波导三维显示装置，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。

9.根据权利要求8所述的单片全息衍射波导三维显示装置，其特征在于，入射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。

10.根据权利要求8所述的单片全息衍射波导三维显示装置，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，所有像素组合形成纳米透镜。