CN105372824B - 一种裸眼3d激光显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种裸眼3D显示装置，包括指向投影屏幕、激光器光源及红、绿、蓝三个单色激光光源。利用三个单色激光光源以特定角度和位置入射在具有纳米光栅像素的指向投影屏幕上，形成相同出射光场，激光器光源提供多视角图像像素，多视角图像像素与指向投影屏幕上的纳米光栅像素阵列匹配，通过直接对激光投射光的空间调制，实现了彩色3D显示，且各视点间无串扰，此种裸眼3D显示装置，具有观看无视觉疲劳、成本低的优点。

Description

一种裸眼3D激光显示装置
技术领域
本发明涉及激光显示领域，尤其涉及一种可以实现裸眼3D的激光显示装置。
背景技术
视差原理的发现已有一百多年，虽然国内外企业不断有裸眼3D显示的样机展示，但由于受图像分辨率较低和易产生视觉疲劳等问题的制约，基于视差原理的裸眼3D显示一直未能真正进入消费电子领域。视差原理包括视障法、微柱透镜法和指向性背光源。视障屏或微柱透镜板覆盖在液晶显示LCD表面，将不同视角图像在空间实现角度分离。光学原理上，由于光源扩散作用，在空间不同角度上的图像并不唯一，因此，在人眼观察3D图像时，易引起视觉疲劳。
中国专利CN20101058659.4，提出利用柔性狭缝光栅实现2D/3D切换，但其显示效果受观看位置影响较大；中国专利CN201320143064.8提出了一种指向性背光3D成像系统，采用两个投影镜头结合指向性3D光学结构，实现裸眼3D显示；专利US20050264717A1提出了一种带有液晶显示和指向型背光模组的3D显示装置，该技术迅速切换开、闭左右背光源，并将通过导光板的光线聚焦在特定角度的范围内，通过交替投影形成3D图像。上述指向性背光技术虽然得到的图像分辨率高，但却只限于单人观看。中国专利CN201410187534.X提出一种裸眼3D背光模，采用一组或多组LED时序光源结合凸透镜、多边棱镜、视差屏障，可实现多视角3D显示，然而背光源结构的设计和精密加工精度在技术上难以实现，且很容易产生光线的串扰，因此，基于所提出的指向性背光源方案，一直未见实际裸眼3D显示器件的样品或者产品。
点阵全息技术能够提供大视角，减小信息量，但点阵光栅像素的制作一直受到技术门槛的限制，中国专利申请CN201310166341.1公开了一种三维图像的打印方法与系统，可以利用连续变空频的机构直接打印出基于纳米光栅像素的静态彩色立体图像。指向性背光显示技术结合方向照明实现3D显示，是近期出现的新技术，但该技术的指向性背光源的设计与加工存在巨大困难，同时制造成本高。
全息图是一种携带振幅与位相信息的图像，能真实再现三维信息，且不产生视觉疲劳，立体效果与观察者的距离无关。全息显示的原理可概括为：全息图可在空间再现三维虚像或者三维实像，全息图上的每一点均在向空间各个方向传输信息，空间中的每个观察点均可看到整幅图像。或者说，图像信息通过光场传播并会聚到观察点上。因此，在空间不同观察点，可看到不同视角下的整幅图像，相互不干扰。但是，数十年来，受到全息记录材料、信息量和技术工艺的限制，全息显示未能实现工业化应用。
全息波导背光结构能够实现动态彩色3D显示，视角大，适合应用于移动显示中，中国专利申请CN201410852242.3公开了一种利用由纳米像素光栅构成的多层指向导光结构实现动态三维立体显示的方案。专利US20140300960A1提出了一种指向性背光源结构，采用像素化光栅调制出射光场分布，同时提出采用六边形或者三角形波导结构耦合R、G、B三色光，实现彩色光的定向调制。专利US20140293759A1提出了一种多视角3D手腕手表结构，采用像素化光栅结构调制光场，配合LCD图像的刷新，实现3D效果显示，然而同样，结构采用的是六边形或者三角形波导结构耦合R、G、B三色光，实现彩色显示。上述专利采用的波导结构都为六边形或者三角形，很难与现今的主流显示方式相结合，特别是很难应用于像智能手机这种长方形规格的显示方式中，这将不利于工业大规模生产。
惠普公司在专利WO2014/051624 A1上公开了利用集成混合激光波导阵列指向性背光来实现多视角显示，采用波导阵列来耦合红、绿、蓝三色光，通过像素型光栅实现光线的定向导出，这种方法虽然可以实现彩色3D显示，但是由于采用的是多波导阵列来实现，得到的图像分辨率大大降低，同时对指向性背光结构制作工艺精度要求很高。
激光显示是通过红、绿、蓝三色波长的光点在屏幕上扫描形成图像，具有色域宽、亮度高、幅面大的特点，有可能成为未来实现大尺寸显示的重要途径，但是，目前还没有基于激光类的裸眼3D显示的解决方案。因此，业界亟需一种能满足无视觉疲劳、宽色域、高亮度和大幅面的裸眼3D显示装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于全息原理，具有纳米光栅结构的指向投影屏幕，通过特定光源的照明，并与激光显示技术结合，实现无视觉疲劳、高亮度、宽色域及大幅面的裸眼3D显示装置。该裸眼3D显示装置，具有含纳米光栅像素阵列的指向投影屏幕，屏幕上的多视角图像由激光器光源扫描(投影)提供。像素内部纳米光栅的周期、取向的相互关系满足全息原理，纳米光栅像素阵列对入射的视角图像进行波前转换，将平行或发散光照明光，在距离屏幕的正前方空间上形成会聚视点。通过激光扫描(投影引擎)提供多视角图像，可直接对投射的激光束进行调制(扫描或投影)，将多视角图像的像素与指向投影屏幕上的纳米光栅像素对应。本质上，是进行全息波前转换成像，将视角信息转变成位相视点，各不同视角图像形成一组会聚光场(多视点)，共同组合成水平方向的视窗，确保各视角图像间在空间互不串扰。因此，在视窗附近或前后位置进行观察，不会产生视觉疲劳，将看到逼真的立体影像。
根据本发明的目的提出的一种裸眼3D激光显示装置，包括指向投影屏幕、激光器光源及红、绿、蓝三个单色激光光源，所述指向投影屏幕的出光面上设有多个纳米光栅结构，多个纳米光栅结构构成多组纳米光栅像素阵列，每个纳米光栅结构具有不同的周期与取向角，所述激光器光源提供多视角图像像素，多视角图像像素与指向投影屏幕上的纳米光栅像素阵列匹配，所述红、绿、蓝三个单色激光光源分别以不同的角度入射到对应的同一个纳米光栅上，红、绿、蓝光线通过指向投影屏幕合束并在同一出射方向和相同空间视点上，将整体视角图像成像形成会聚视点，不同组的纳米光栅像素阵列具有不同的水平会聚视点位置，所述指向投影屏幕、激光器光源及红、绿、蓝三个单色激光光源直接空间调制结合，实现立体图像显示。
优选的，每一个单色激光光源入射到对应的同一个纳米光栅上的入射角度互不相同，红光光源的入射角度大于绿光光源的入射角度，绿光光源的入射角度大于蓝光光源的入射角度，红、绿、蓝三色激光光源的入射角度与位置，按照光栅方程及全息成像公式计算。
优选的，所述多组纳米光栅像素阵列的视点呈连续水平分布。
优选的，采用光刻方法在所述指向投影屏幕表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅结构，或是制作用于压印的模板，通过纳米压印批量压印出纳米光栅结构，以构成纳米光栅像素阵列。
优选的，如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述激光器光源在X轴方向以平面中心为0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴方向不同位置上，多个纳米光栅结构分别对应多个视点，每个视点对应一幅图像，将每个视点的图像按RBG三色或其他三色分离成三幅单色图像，所述激光器光源扫描指向投影屏幕上每个视角对应颜色的单色图像，一共扫描多次，三个不同波长的单色激光光源进行同步扫描，每个颜色的激光光源都扫描多次，通过指向投影屏幕合束后在空间产生彩色立体图像显示。
优选的，所述每个纳米光栅结构的周期与取向角根据光栅方程计算，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，θ1和φ1分别表示衍射光的衍射角与方位角，θ和λ分别表示单色激光光源的入射角与波长，Λ和φ分别表示纳米光栅结构的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。
优选的，根据入射方式，所述指向投影屏幕选择透射型或反射型。
优选的，在透射型指向投影屏幕表面镀金属则实现反射型指向投影屏幕。
优选的，所述指向投影屏幕选择透射型，红、绿、蓝光从所述指向投影屏幕背面上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面分布的纳米光栅，以相同的衍射角形成出射光。
优选的，所述指向投影屏幕选择反射型，红、绿、蓝光从所述指向投影屏幕正面上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面分布的纳米光栅像素，以相同的衍射角形成出射光。
优选的，当所述指向投影屏幕选择透射型，在XZ平面下，激光器光源在X轴方向0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴负方向不同位置上；当所述指向投影屏幕选择反射型，在XZ平面下，激光器光源在X轴方向0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴正方向不同位置上。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：
(1)指向投影屏幕含有纳米光栅像素阵列，本质上起到波前变换成像的作用。将激光投影在屏幕的多视角图像，转换成具有会聚功能的波前，图像经过指向投影屏幕的波前转换，形成会聚多视点，由于空间波前携带的位相(视角)与振幅(图像)信息的独立传播，各波前(视点)间互不串扰。人眼观察时，不会产生视觉疲劳，且观察的立体效果与观察者的位置无关，有利于视力保护。指向投影屏幕提供了空间信息(位相)调制，激光器光源扫描(投影)提供视角图像信息(振幅)调制。两者结合，具备了全息显示的全部信息。同时，由于纳米结构的存在，3D图像的可观察视角可以达到150度甚至更大。
(2)将红、绿、蓝激光光点从空间以不同角度投射到同一组像素阵列上，利用纳米光栅像素阵列的空间复用功能，将红、绿、蓝的视角图像在出射面合成在一起，这样，只需对视角图像进行亚像素阵列分解，而不需再对颜色做像素分解，保持了3D显示分辨率，形成3D图像的彩色合成。
(3)指向投影屏幕上的纳米光栅像素阵列相互关系满足全息原理，对通过其上的光线以衍射方式实现光的波前转换与成像，而不是传统激光显示的扩散型屏幕，因此，本发明的纳米光栅屏幕降低了激光显示的散斑效应，同时，保持了激光显示的高亮度、大幅面及宽色域的优点。
(4)像素化指向投影屏幕，单个像素尺寸可根据屏幕分辨率做调整，可实现2D/3D切换。多幅视角图形分别对应于指向性像素，形成3D图像显示，若不是多视角图像，而是单视角图形，则可形成2D显示，像素尺寸可做到很小，不会影响显示屏幕的2D图像分辨率。
(5)既可以采用纳米光刻方法在薄膜表面刻蚀制作出指向性纳米光栅，也可通过该纳米光刻方法先制作出压印模板，再通过纳米压印批量复制，以降低屏幕成本。
(6)指向投影屏幕可以是透射型，也可以是反射型，可在透射屏幕表面镀金属，即可实现反射型屏幕。
(7)指向投影屏幕对各视角图像具有会聚成像功能，形成的会聚视点形成水平排列的光场或者视窗。
(8)指向投影屏幕含有的纳米光栅，其光栅周期、取向和方位角可根据全息原理与光栅方程计算获得。红、绿、蓝光的入射角度可根据光栅方程计算，位置可以根据全息成像公式计算获得。计算方便、准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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是指向投影屏幕上像素内部纳米光栅在XY平面下的结构图
图2是图1中的指向投影屏幕上像素内部纳米光栅在XZ平面下的结构图
图3是本发明实施方式下的透射型指向投影屏幕模组结构在YZ平面下的示意图
图4是本发明实施方式下的反射型指向投影屏幕模组结构在YZ平面下的示意图
图5是使用本发明的基于激光扫描透射型指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构在XZ平面下的示意图
图6是使用本发明的基于激光扫描反射指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构在XZ平面下的示意图
图7是本发明的透射型激光扫描指向投影屏幕装置中激光光源放置位置示意图
图8是本发明的反射型激光扫描指向投影屏幕装置中激光光源放置位置示意图
图9是多视角指向投影屏幕上纳米光栅结构示意图
图10是像素阵列的视点呈N*N个二维平面分布示意图
图11是实现单个视角汇聚的指向投影屏幕的纳米结构分布图
图12是指向投影屏幕的长条矩形像素对应液晶屏幕中R、G、B亚像素尺寸
图13是裸眼3D显示装置激光扫描引擎示意图
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有技术中还没有基于激光类的裸眼3D显示装置。且现有技术中的3D显示装置，存在分辨率低、易产生光线的串扰、制造成本高、无法实现大规模生产等诸多问题。
下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。
请参见图1～图2，图1和图2分别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202的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光202的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，Λ和φ依次表示纳米衍射光栅101的周期和取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。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，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米光栅的周期和取向角了。例如，650nm波长红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为-5.96°。由此，光栅周期、取向和方位角根据全息原理与光栅方程计算获得。
按照上述原理，将每一个纳米光栅视为一个像素，在一块屏幕表面制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米光栅之后，理论上就可以获得足够多的具有不同视点，配合颜色和灰度的控制，就能实现多视角下的裸眼3D显示。多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。
然而，具有上述纳米光栅的屏幕在应用到激光显示模组之后，却存在如下的问题：不同波长的光源，对应的纳米光栅周期也会不同。对于同一个指向投影屏幕模组，如果R、G、B三种波长的光源以相同的角度入射，那么R、G、B三束光的衍射角必定不同，即R、G、B三束光不在同一个焦点上。然而实现彩色图形，必须依赖RGB三种颜色(或者其他三色)的搭配。这就意味着在一块指向投影屏幕模组中使用3颜色光源的话，必须使3种颜色的光源以不同的角度入射到对应的同一个纳米衍射光栅像素上。
解决上述技术问题的关键在于，使RGB三种颜色(或者其他三色)通过一块指向投影屏幕模组后形成相同的衍射角度和相同的空间视点。本发明中的RGB三种颜色(或者其他三色)以特定角度和位置入射到指向投影屏幕，形成不同波长光场具有相同位置的视点(会聚点)。RGB波长投影在屏幕的相同位置上，通过纳米光栅的空间复用，形成3D图像的彩色合成。入射光线与指向投影屏幕所在平面法线的夹角为所述入射角度，入射角度范围0度～90度。
请参见图3，图3是本发明实施方式下的透射型指向投影屏幕模组结构在YZ平面下的示意图。包括一块具有纳米衍射光栅像素的指向投影屏幕306、红光光源301、绿光光源302、蓝光光源303。其中在YZ平面下，三种光源在Z轴方向的不同位置上。红光光源301、绿光光源302、蓝光光源303以不同的入射角度入射到指向投影屏幕306上面的一个纳米衍射光栅像素305上，经过纳米光栅像素305透射衍射后，形成具有相同衍射角度的衍射光路304。
请参见图4，图4是本发明实施方式下的反射型指向投影屏幕模组结构在YZ平面下的示意图。包括一块具有纳米衍射光栅像素的指向投影屏幕306、红光光源401、绿光光源402、蓝光光源403。其中在YZ平面下，三种光源在Z轴方向的不同位置上。红光光源401、绿光光源402、蓝光光源403以不同的入射角度入射到指向投影屏幕306上面的一个纳米衍射光栅像素305上，经过纳米光栅像素305反射衍射后，形成具有相同衍射角度的衍射光路404。
请参见图5，图5是使用本发明的基于激光扫描透射型指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构在XZ平面下的示意图。该3D显示器件包括如上所述的一块具有纳米光栅像素的指向投影屏幕306、RGB(或者其他三色)三种光源(图中未画出)。其中激光器光源在X轴方向0点位置(以平面中心为0点)，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴负方向(以垂直于出射面指向观察方向为正)不同位置上。以图示为例，指向投影屏幕306上的像素501a-501c、502a-502c、503a-503c以及504a-504c，分别对应着视点1、视点2、视点3和视点4，这样可以实现4个视角图像的视点分离，每个视点对应一幅图像。将每个视点的图像按RBG三色(或者其他三色)分离成3幅单色图像，如图5所示，单色的激光器光源510扫描指向投影屏幕306上每个视角对应颜色的单色图像，一共扫描4次，例如扫描像素501a-501c、502a-502c、503a-503c以及504a-504c，透射产生对应的视点1、视点2、视点3和视点4的衍射光，形成4个视角的立体单色图像。三个不同波长的激光光源(图中未画出)进行同步扫描，每个颜色的激光器都扫描4次，通过指向投影屏幕合束后在空间产生彩色立体图像显示。一般地，对于实际情况来说，假设显示屏幕尺寸为55英寸，观察距离为3m，满足人眼分辨率，单幅图像的像素尺寸为800um，现阶段的技术可以实现20um像素的制作，因此，理论上可以实现1600个视点的投射，从而，形成一个逼真的立体影像。同时，纳米光栅周期可做到430nm，视角图像的扩散范围可以达到150°甚至更高，按照光栅方程计算，纳米光栅的周期范围为430nm到650nm。图上视角点数不限于4个，可以是8个、16个或者更多个视角。通过采用更多的视角点数来实现立体影像的连续变化，以及更大的观察视角。
请参见图6，图6是使用本发明的基于激光扫描反射型指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构在XZ平面下的示意图。该3D显示器件包括如上所述的一块具有纳米光栅像素的指向投影屏幕306、RGB(或者其他三色)三种光源(图中未画出)。其中激光器光源在X轴方向0点位置(以平面中心为0点)，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴正方向不同位置上。以图示为例，指向投影屏幕306上的像素601a-601c、602a-602c、603a-603c以及604a-604c，分别对应着视点1、视点2、视点3和视点4，这样可以实现4个视角图像的视点分离，每个视点对应一幅图像。将每个视点的图像按RBG三色(或者其他三色)分离成3幅单色图像，如图6所示，单色的激光器光源610扫描指向投影屏幕306上每个视角对应颜色的单色图像，一共扫描4次，例如扫描像素601a-601c、602a-602c、603a-603c以及604a-604c，反射产生对应的视点1、视点2、视点3和视点4的衍射光，形成4个视角的立体单色图像。三个不同波长的激光光源(图中未画出)进行同步扫描，每个颜色的激光器都扫描4次，通过指向投影屏幕合束后在空间产生彩色立体图像显示。图上视角点数不限于4个，可以是8个、16个或者更多个视角。通过采用更多的视角点数来实现立体影像的连续变化，以及更大的观察视角。
请参见图7，图7是本发明的透射型激光扫描指向投影屏幕装置中激光光源放置位置示意图。根据光栅方程，光栅对不同波长的光的衍射角不同，相同周期，红光衍射角大，绿光次之，蓝光最小，因此，为了保证经过指向投影屏幕306的三色光合束在同一个方向，红、绿、蓝三色激光光源的入射角度、位置，必须按照光栅方程及全息成像公式计算，入射角度可根据光栅方程计算，位置可以根据全息成像公式计算获得。红光701(入射角度大)、绿光702(入射角度中)、蓝光703(入射角度小)。三种颜色的光从所述指向投影屏幕背面704上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面705分布的纳米光栅像素，以相同的衍射角形成出射光706。例如，650nm红光701、532nm绿光702、450nm蓝光703以不同角度入射到屏幕中心位置A(0，0，0)，为使出射光线出射角度相同，如出射到B(0，0，3m)点位置，假设红光701入射角度(入射光线与入射平面法线的夹角)为60°，根据公式可以计算出绿光702和蓝光703的入射角度分别为45.1°和36.8°，得到的像素光栅周期和取向角(栅线方向与x轴之间的夹角)分别为500nm和0°。同时，考虑到经过指向投影屏幕306的不同波长的光会聚在相同位置，红、绿、蓝三色激光光源的位置还必须满足全息成像方程，屏幕上形成的有纳米光栅构成的多组离轴菲涅尔全息透镜对长波长光线成像位置较远，短波长成像位置较近。红光701、绿光702、蓝光703三色激光光源距离屏幕的位置也应该由近及远放置，这样，不仅保证三色波长成像的彩色合成效果，同时，也保证了合成后的3D图像的彩色还原的真实度。例如，假设650nm红光701以60°角度入射，其放置位置坐标为(0,60cm，34.6cm)，为使在同一块指向投影屏幕306上实现三色光汇聚焦点一致，经过计算可以得出532nm绿光702的放置位置坐标为(0,60cm，59.8cm)，450nm蓝光703的放置位置坐标为(0,60cm，80.2cm)。
请参见图8，图8是本发明的反射型激光扫描指向投影屏幕装置中激光光源放置位置示意图。根据光栅方程，光栅对不同波长的光的衍射角不同，相同周期，红光衍射角大，绿光次之，蓝光最小，因此，为了保证经过指向投影屏幕306的三色光合束在同一个方向，红、绿、蓝三色激光光源的入射角度、位置，必须按照光栅方程及全息成像公式计算，入射角度可根据光栅方程计算，位置可以根据全息成像公式计算获得。红光801(入射角度大)、绿光802(入射角度中)、蓝光803(入射角度小)。三种颜色的光从所述指向投影屏幕正面804上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面804分布的纳米光栅像素，以相同的衍射角形成出射光805。例如，650nm红光801、532nm绿光802、450nm蓝光803以不同角度入射到屏幕中心位置A(0，0，0)，为使出射光线出射角度相同，如出射到B(0，0，3m)点位置，假设红光801入射角度(入射光线与入射平面法线的夹角)为60°，根据公式可以计算出绿光802和蓝光803的入射角度分别为45.1°和36.8°，得到的像素光栅周期和取向角(栅线方向与x轴之间的夹角)分别为500nm和0°。同时，考虑到经过指向投影屏幕306的不同波长的光会聚在相同位置，红、绿、蓝三色激光光源的位置还必须满足全息成像方程，屏幕上形成的有纳米光栅构成的多组离轴菲涅尔全息透镜对长波长光线成像位置较远，短波长成像位置较近。红光701、绿光702、蓝光703三色激光光源距离屏幕的位置也应该由近及远放置，这样，不仅保证三色波长成像的彩色合成效果，同时，也保证了合成后的3D图像的彩色还原的真实度。
请参见图9，图9是多视角指向投影屏幕上纳米光栅结构示意图。激光光源经指向投影屏幕306透射或者反射衍射后，在空间实现视点分离。指向投影屏幕306的纳米结构901各视角图像汇聚于指向投影屏幕正前方，形成不同的视角观察窗口，如图所示，形成视角1、视角2、视角3和视角4观察窗口，其中纳米结构901具有不同周期和取向角，相当于多个离轴菲涅尔全息图结构。多个像素阵列的视点成连续水平分布。图上视点不限于水平分布，也可以是N*N个二维平面分布。参见图10，指向投影屏幕306形成的视点呈2*2的二维平面分布。视角1，视角2，视角3，视角4的焦点在共同的空间平面A上呈2*2的二维分布。
请参见图11，图11是实现单个视点汇聚的指向投影屏幕的纳米结构分布图。其纳米结构1001相当于单个离轴全息图结构，可以使图像汇聚于视点1。图上像素不限于矩形像素，也可以是圆形，六边形等像素结构组成。参见图12，指向投影屏幕采用的是与液晶屏幕中R、G、B亚像素尺寸对应的长条矩形像素。
图13为本发明裸眼3D显示装置激光扫描引擎示意图，包括R、G、B三种不同波长的激光光源，三组扫描反射镜1101、1102、1103和显示屏幕1104。本装置采用R、G、B三种不同波长的激光光源，分别经过各自的列扫描反射镜和行扫描反射镜，照射于显示屏幕背后。通过列扫描反射镜的上下旋转实现激光光源在屏幕上的上下移动，通过行扫描反射镜的左右旋转实现激光光源在屏幕上的左右移动。
本发明上述的指向投影屏幕，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。纳米光栅可以是一种浮雕结构，在本发明中，既可以采用光刻方法在指向投影屏幕表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅，也可以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结构，构成纳米光栅像素阵列，以降低屏幕成本。其中反射型指向投影屏幕可以在透射型指向投影屏幕表面镀上金属来实现。并且红、绿、蓝激光器(LD或者DPSSL)的价格和成本均已达到应用要求。
本发明中的指向投影屏幕，单个像素尺寸可根据屏幕的分辨率做调整，可实现2D/3D切换。多幅(n)视角图形分别对应于指向性像素(n)，形成3D图像显示。如果不是多视角图像，而是单视角图形，那么即形成2D显示，这里2D图像的像素尺寸等于“n*指向性像素尺寸”。由于像素尺寸可做到很小，比如20微米，如果是9个视点，这样，2D像素的尺寸就为60微米，不影响显示屏幕的2D图像分辨率。
本发明中，指向投影屏幕、扩束型三色激光源与提供多视角图像的激光器光源直接空间调制结合，实现了立体图像显示。由激光器光源调制提供图像的振幅信息，由指向投影屏幕提供位相(视角)信息，由特定放置的三色激光扩束光场提供背光照明，构成本发明所述的裸眼3D激光显示装置。显示立体图像有着与全息图相同的特性，换句话说，从本发明所述的裸眼3D激光显示装置中，观看到的三维图像与实际的三维图像一样，不存在长时间观看后产生的眼睛视觉疲劳，有利于视力保护。由于本发明的图像经过指向投影屏幕的波前转换，形成会聚多视点，理论上，可以达1000个视点或者以上，各视角图像在空间互不串扰，相互间的视点扩散关系不受光线传播影响，因此，在不同距离下观察，3D效果均正确，不受距离的限制，同时，由于纳米结构的存在，3D图像的可观察视角可以达到150度甚至更大。根据入射方式，指向投影屏幕可以是透射型的，也可以是反射型的。
综上所述，本发明公开了使用像素化指向投影屏幕以及使用该指向投影屏幕的裸眼3D显示装置。在本发明中，利用RBG(或者其他三色)三色光源以特定角度和位置入射在具有纳米光栅像素的指向投影屏幕上形成相同出射光场，通过直接对激光投射光的空间调制，实现了彩色3D显示，各视点间无串扰，此种具有多视点指向功能屏幕的3D显示装置，具有观看无视觉疲劳的优点。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：包括指向投影屏幕、激光器光源及红、绿、蓝三个单色激光光源，所述指向投影屏幕的出光面上设有多个纳米光栅结构，多个纳米光栅结构构成多组纳米光栅像素阵列，每个纳米光栅结构具有不同的周期与取向角，所述激光器光源提供多视角图像像素，多视角图像像素与指向投影屏幕上的纳米光栅像素阵列匹配，所述红、绿、蓝三个单色激光光源分别以不同的角度入射到对应的同一个纳米光栅上，红、绿、蓝光线通过指向投影屏幕合束并在同一出射方向和相同空间视点上，将整体视角图像成像形成会聚视点，不同组的纳米光栅像素阵列具有不同的水平会聚视点位置，所述指向投影屏幕、激光器光源及红、绿、蓝三个单色激光光源直接空间调制结合，实现立体图像显示。
2.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：每一个单色激光光源入射到对应的同一个纳米光栅上的入射角度互不相同，红光光源的入射角度大于绿光光源的入射角度，绿光光源的入射角度大于蓝光光源的入射角度，红、绿、蓝三色激光光源的入射角度与位置，按照光栅方程及全息成像公式计算。
3.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述多组纳米光栅像素阵列的视点呈连续水平分布或呈N*N个二维平面分布。
4.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：采用光刻方法在所述指向投影屏幕表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅结构，或是制作用于压印的模板，通过纳米压印批量压印出纳米光栅结构，以构成纳米光栅像素阵列。
5.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述激光器光源在X轴方向以平面中心为0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴方向不同位置上，多个纳米光栅结构分别对应多个视点，每个视点对应一幅图像，将每个视点的图像按RBG三色或其他三色分离成三幅单色图像，所述激光器光源扫描指向投影屏幕上每个视角对应颜色的单色图像，一共扫描多次，三个不同波长的单色激光光源进行同步扫描，每个颜色的激光光源都扫描多次，通过指向投影屏幕合束后在空间产生彩色立体图像显示。
6.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述每个纳米光栅结构的周期与取向角根据光栅方程计算，满足以下关系：
(1)
(2)
其中，θ1和φ1分别表示衍射光的衍射角与方位角，θ和λ分别表示单色激光光源的入射角与波长，∧和φ分别表示纳米光栅结构的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。
7.如权利要求1所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：根据入射方式，所述指向投影屏幕选择透射型或反射型。
8.如权利要求7所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：在透射型指向投影屏幕表面镀金属则实现反射型指向投影屏幕。
9.如权利要求7所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述指向投影屏幕选择透射型，红、绿、蓝光从所述指向投影屏幕背面上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面分布的纳米光栅，以相同的衍射角形成出射光。
10.如权利要求7所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：所述指向投影屏幕选择反射型，红、绿、蓝光从所述指向投影屏幕正面上的相同位置入射，经过所述指向投影屏幕正面分布的纳米光栅像素，以相同的衍射角形成出射光。
11.如权利要求7所述的一种裸眼3D激光显示装置，其特征在于：当所述指向投影屏幕选择透射型，在XZ平面下，激光器光源在X轴方向0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴负方向不同位置上；当所述指向投影屏幕选择反射型，在XZ平面下，激光器光源在X轴方向0点位置，在YZ平面下，三种光源在Y轴方向的同一个位置上，在Z轴正方向不同位置上。
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