本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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专利技术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专利技术的一些实施例，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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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，本专利技术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，该可视本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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。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....
【专利技术属性】
技术研发人员：陈林森，乔文，赵改娜，浦东林，黄文彬，罗明辉，
申请(专利权)人：苏州苏大维格光电科技股份有限公司，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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