CN106443867A - 一种波导器件及三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导器件，包括至少一个波导器件单元，每个波导器件单元均包括波导本体，所述波导本体为矩形横截面的平板波导或条形波导或曲面波导，所述波导本体的上表面为出光面，在所述出光面表面或波导本体内部设置有成组的纳米光栅，所述纳米光栅对光具有会聚作用，将通过波导本体全反射而来的光会聚于出光面上方空间中，形成至少一个视点。采用本发明的技术方案，则可以构筑由多层波导器件单元叠加为多层(两层及两层以上)复合型指向性导光板，进而采用分频控制各层依次照明的方式，通过提高显示频率的方法增加显示信息量，提升的显示信息量可以用于多视角的视差三维显示，亦可用于多焦点多景深的深度三维显示，还可用于多视角多焦点混合的真三维显示领域。并由此构建裸眼3D显示装置。

Description

一种波导器件及三维显示装置

技术领域

本发明属于三维图像显示领域，具体涉及一种波导器件及三维显示装置。

背景技术

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，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。

视差原理发明已100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。

专利CN20101058659.4(可切换显示模式的LED裸眼显示装置)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，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。

全息波导背光结构能够实现动态彩色3D显示，大视角，适合应用于移动电子设备显示。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，可实现大角度、全视差的裸眼3D显示，然而，其显示分辨率与视角数目成反比，即视角数目越多，显示分辨率越低，图像质量越差。美国专利申请US2014/0300840A1公开了一种含有多组纳米光栅结构的单层指向性导光结构，将多个方向(三个方向)的入射光透射至不同视角，实现裸眼3D显示。该方案提出的单层导光结构具有导光层薄(只有一层)的特点。然而，该方案未解决的同样问题是，随时视角增多，单个视角的图像信息量减少，导致3D体验差。

发明内容

为此，本发明旨在基于全息原理，提供一种基于分频的指向性纳米结构波导，实现高分辨率、多视角的裸眼3D显示，该方案尤其适用于移动电子设备，如手机、PAD、车载显示屏等的多视角3D显示方案，以及基于空间光调制器，如液晶面板等的虚拟现实显示方案。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种波导器件，包括至少一个波导器件单元，每个波导器件单元均包括波导本体，所述波导本体为矩形横截面的平板波导或条形波导或曲面波导，所述波导本体的上表面和下表面中的一面为出光面，另一面为反射面。

将该波导器件应用于三维显示领域时，可在所述出光面表面或波导本体内部设置有成组的纳米光栅。

进一步的，使所述纳米光栅对光具有会聚作用，将通过波导本体全反射而来的光会聚于出光面上方空间中，形成至少一个视点。

在实际应用中，可以采用两个及以上的波导器件单元构建多层波导器件，即：所述波导器件包括上下紧密叠加的2个、3个、4个或4个以上的波导器件单元，所有波导器件单元的出光面均面向同一个方向。

将波导器件作为构筑三维显示装置的主要部件，为解决现有技术中单个视角图像显示的信息量与视角数目之间的矛盾提供了技术支持，现有技术中，视角数目越多，单个视角显示的信息量损失越大，图像清晰度越低的问题，而视角数量越少，则影响三维显示效果，如果提高屏幕像素，则生成成本大大提高，阻碍工业化及商业应用，采用本发明的技术方案，则可以构筑由多层波导器件单元叠加为多层(两层及两层以上)复合型指向性导光板，进而采用分频控制各层依次循环照明的方式，通过提高显示频率的方法增加显示信息量，提升的显示信息量可以用于多视角的视差三维显示，亦可用于多焦点多景深的深度三维显示，还可用于多视角多焦点混合的真三维显示领域。其本质是利用时间信息换取空间信息。

具有纳米光栅结构的波导器件，在本文中也称为指向性纳米导光板或指向性导光板。

进一步的，所述纳米光栅直接加工于所述波导本体上；

或，加工于薄膜上，并将薄膜贴合于出光面上或嵌设在波导本体中。

进一步的，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结构像素。

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表示衍射光的衍射角，即衍射光线与z轴正方向夹角；φ₁表示衍射光的方位角，即衍射光线与x轴正方向夹角；θ表示光源的入射角，即入射光线与z轴正方向夹角；λ表示波长；□表示纳米衍射光栅的周期；φ表示取向角，即槽型方向与y轴正方向夹角；n表示光波在介质中的折射率。

进一步的，每个波导器件单元均光学连接有一个光线耦合器件。

进一步的，所述波导器件还包括微型投影仪，所述微型投影仪的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；或微型投影仪为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与微型投影仪之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与微型投影仪进行光学连接；

微型投影仪通过光耦合器件耦合进波导器件上的波导器件，在全反射的作用下，光线在这个波导器件内传播，波导器件上的纳米光栅与光线作用发生衍射，使部分光线从波导器件出光面逸出，出射光线角度与纳米光栅的周期、取向有关，出射光强效率与纳米结光栅的大小、结构深度有关，出射光线经过纳米光栅后在波导器件出光面形成会聚视点，微型投影仪通过点扫描或线扫描投影成像，其出射光强能够随时间或空间变化，微型投影仪通过扫描方式实现光场灰度即振幅信息调制，并与即波导器件纳米光栅调制的光场相位信息匹配，最终在波导器件出光面前方空间投射出会聚波面，使人眼可以看到逼真的虚拟三维图像。

进一步的，所述波导器件还包括光源；

所述光源的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；

所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件；或光源为出射光为准直光线的LED光源；

所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光线耦合器件光学连接；或光源为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与光源之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与光源进行光学连接，所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件，所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光切换器件光学连接。

进一步的，所述波导器件还包括空间光调制器；

所述空间光调制器设置于波导器件最上方的一个波导器件单元的出光面上方；

光源通过光线准直器件和光耦合器件耦合进波导器件，也即是导入波导器件，在全反射的作用下，光线在波导器件内传播，纳米光栅与光线发生衍射作用，使部分光线从各出光面逸出，出射光线角度与纳米光栅周期、取向有关，出射光强效率与纳米光栅的像素大小、结构深度有关，光源的光经过纳米光栅后在波导器件出光面前方形成一个或多个会聚视点，空间光调制器放置在波导器件与人眼之间，空间光调制器进行光场灰度即振幅信息调制，并与纳米光栅调制的光场相位信息匹配，最终在人眼前方投射出会聚波面，使人眼可以看到逼真的虚拟三维图像。

进一步的，所述波导器件还包括分频控制器，当波导器件中没有设置光切换装置时，所述分频控制器直接控制各波导器件单元的光源的开启或关闭，从而实现各层波导器件单元的依次照明；当波导器件中设置有光切换装置时，所述分频控制器控制光切换装置，通过控制光切换装置切换各波导器件单元与光源的光学连接的连通或断开，从而实现各层波导器件单元的依次照明。

本发明还提供一种三维显示装置，包括上述波导器件的一种。

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是指向性导光板上像素内部纳米光栅在XY平面下的结构图。

图2是图1中的指向性导光板上像素内部纳米光栅在XZ平面下的结构图。

图3是实现单个视点汇聚的指向性导光板的纳米结构分布示意图。

图4(a)-(e)是多种纳米光栅像素结构剖面示意图。

图5是本发明波导器件由一层波导器件单元组成的一种示例示意图。

图6是本发明实施方式下的两层波导器件单元叠合组成波导器件的示意图。

图7(a)-(b)是两层波导器件单元叠合的两种实施方式的示意图。

图8为本发明实施方式下的一种双眼视差裸眼3D显示方案图。

图9(a)是使用本发明的透射型指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构的示意图。

图9(b)是图9(a)中A点的剖视图。

图10是使用本发明的反射型指向投影屏幕模组组成3D显示器件之后的结构的示意图。

图11(a)和图11(b)是本发明多层分频式指向性导光板的两种分频照明方案图。

图12是本发明基于多层分频式指向性导光板的裸眼3D显示方案图。

图13(a)-(b)分别是图11(a)和图11(b)示例对应的分频照明控制电路原理图。

图14-16是本发明应用于各场景的示意图。

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。

一种波导器件，包括至少一个波导器件单元，每个波导器件单元均包括波导本体，所述波导本体为矩形横截面的平板波导或条形波导或曲面波导，所述波导本体的上表面和下表面中的一面为出光面，另一面为反射面，在所述出光面表面或波导本体内部设置有成组的纳米光栅，所述纳米光栅对光具有会聚作用，将通过波导本体全反射而来的光会聚于出光面上方空间中，形成至少一个视点，当波导器件单元数量大于一个时，所有波导器件单元的出光面均面向同一个方向。在实际应用中，可以采用两个及以上的波导器件单元构建多层波导器件，即：所述波导器件包括上下紧密叠加的2个、3个、4个或4个以上的波导器件单元，所有波导器件单元的出光面均面向同一个方向。每一个波导器件单元均可形成一个、两个、或两个以上的视点，从而构建虚拟三维景象。

参见图5，图5展示了由一个波导器件单元构成的波导器件的工作原理，照明光源(图中显示为点/线/面光源)通过光线准直器件和光耦合器件进入波导器件801，经过波导器件801的全反射传播及设于出光面的纳米光栅的衍射作用，在出光面输出任意波前。为减小封装体积，光源可以采用LED点光源的封装，使其出射光即为准直光源，或扩散角度受到特定约束的照明光源，从而省略光线准直器件。光耦合器件可能是棱镜、菲涅尔透镜、柱面镜或其他曲面透镜，其特点是提高光耦合效率，降低光能量损失。通过优化准直器件和光耦合器件，可尽量避免光路中的漫散射光线，降低串扰和噪声。

将波导器件作为构筑三维显示装置的主要部件，为解决现有技术中单个视角图像显示的信息量与视角数目之间的矛盾提供了技术支持，现有技术中，视角数目越多，单个视角显示的信息量损失越大，图像清晰度越低，而视角数量越少，则影响三维显示效果，如果提高屏幕像素，则生产成本大大提高，阻碍工业化及商业应用，采用本发明的技术方案，则可以构筑由多层波导器件单元叠加为多层(两层及两层以上)复合型指向性导光板，进而采用分频控制各层依次照明的方式，通过提高显示频率的方法增加显示信息量，提升的显示信息量可以用于多视角的视差三维显示，亦可用于多焦点多景深的深度三维显示，还可用于多视角多焦点混合的真三维显示领域。其本质是利用时间信息换取空间信息。

在实际应用中，所述纳米光栅直接加工于所述波导本体上；

或，加工于薄膜上，并将薄膜贴合于出光面上或嵌设在波导本体中。

所述纳米光栅为纳米级尺寸的纳米光栅，每一个纳米光栅可看作一个纳米光栅像素，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表示衍射光的衍射角，即衍射光线与z轴正方向夹角；φ₁表示衍射光的方位角，即衍射光线与x轴正方向夹角；θ表示光源的入射角，即入射光线与z轴正方向夹角；λ表示波长；□表示纳米衍射光栅的周期；φ表示取向角，即槽型方向与y轴正方向夹角；n表示光波在介质中的折射率。如图1和图2所示。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°。

按照上述原理，将每一个纳米光栅视为一个像素。该纳米光栅的取向决定了光场角度调制特性，其周期决定了光谱滤波特性。该方法中纳米光栅结构的周期(空频)和取向在各亚像素之间的变化连续，即可实现光场的调控和变换。因此，在一块波导器件上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，就构成一个指向性导光板，理论上就可以获得足够多的不同视点，配合颜色和灰度的控制，就能实现多视角下的裸眼3D显示。更进一步地，通过控制单个纳米光栅像素的大小和纳米光栅结构的漕深，可控制单个纳米光栅像素单元的衍射效率，从而达到控制各角度出射光线光强的目的。优选地，可实现导光板各纳米光栅像素出射光线强度均匀。

参见图3，图3是实现单个视点会聚的指向性导光板的纳米光栅结构分布示意图。其纳米光栅结构相当于单个离轴菲涅尔结构，可以使图像会聚于视点1。n×m个这样的纳米光栅组合构成了n×m个不同焦点的离轴菲涅尔结构。图上纳米光栅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。图上纳米光栅像素亦可互相分立，适当设计纳米光栅像素间距，可使之满足准直光线在波导器件中全反射传播的照明空隙要求。此外，通过调节图上各纳米光栅像素的像素大小、结构或槽深等结构参数依空间分布变化，可使各纳米光栅像素点获得理想的衍射效率，便于显示芯片的均匀照明。

参见图4(a)-(e)，图4(a)-(e)是多种纳米光栅像素结构示意图。光栅结构可有单种材料组成，亦可由多种材料组成。可在波导器件表面，亦可嵌入导光板内部。图4(a)、图4(b)、图4(d)、图4(e)是两种材质组合而成，图4(c)是一种物质组成，图4(b)、图4(d)的结构也可以由三种物质组成。其本质是光学折射率在微纳米尺度上随空间变化，并可与光作用发生衍射效应。上述纳米结构可以先制备于薄膜产品上，然后再与波导器件复合，或直接在波导器件上加工纳米光栅结构，从而构成一种具有指向性功能的指向性导光板。单层的指向性导光板我们称为波导器件单元。本发明提出的上述指向性导光板，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。需要指出的是，在本发明中，可以采用光刻方法在光滑表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅，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，从而批量生产，大大降低成本。

为了克服前文所述的现有三维显示技术的问题，所述波导器件由至少两个波导器件单元上下紧密叠合而成，所有波导器件单元的出光面均面向同一个方向。

根据需要，波导器件可以由两个、三个人、4个、或大于4个的波导器件单元叠合在一起构成多层(两层及两层以上)波导器件。

两个波导器件单元上下叠加的情形如图6所示，其由波导器件单元801、802上下叠合而成，其出光面均向上。

在实际应用中，可为所述波导器件加设光源；加设光源是为了实现三维显示的一个前提，当然，不加光源的单层、两层或多层波导器件单元组成的波导器件，也可以单独生产，作为三维显示产品的生产部件。

在实际应用中，可采用以下方案，光源的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件，所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光线耦合器件光学连接；或光源为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与光源之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与光源进行光学连接，所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件，所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光切换器件光学连接。

图7(a)和图7(b)为两层波导器件单元叠加的指向性导光板组及其照明光源控制示意图。上下两层波导器件单元801、802紧密叠合，并通过分频的方式控制照明光源，实现双导光板依次照明，即出光空间内出射光场按上下波导器件单元通过纳米光栅结构控制的出射光场依次变换。如图7(a)所示，每层波导器件单元由独立的照明光源、光准直器件及光耦合器件控制。根据需要，照明光源可放置在各层导光板同侧，亦可放置在异侧。通过交替点亮各层导光板的照明光源可实现出射光场顺序变换。而采用单一光源的示例如图7(b)所示，各层指向性导光板由同一照明光源和光准直器件控制。光切换器件将照明光源交替切换至两层指向性导光板，实现双层指向性导光板的交替照明。以此类推，实现更多层指向性导光板的交替照明。

如图8所示，上述结果在采用光源(点光源、线光源或面光源)来构建波导器件时，为了实现三维图像的显示，需要在波导器件的出光面一侧设置空间光调制器3(比如液晶显示器之类的平板或曲面显示器)，所述空间光调制器3设置于波导器件最上方的一个波导器件单元的出光面上方；光源通过光线准直器件和光耦合器件耦合进波导器件，也即是导入波导器件，在全反射的作用下，光线在波导器件内传播，纳米光栅与光线发生衍射作用，使部分光线从各出光面逸出，出射光线角度与纳米光栅周期、取向有关，出射光强效率与纳米光栅的像素大小、结构深度有关，光源的光经过纳米光栅后在波导器件出光面前方形成一个或多个会聚视点，空间光调制器放置在波导器件与人眼之间，空间光调制器进行光场灰度即振幅信息调制，并与纳米光栅调制的光场相位信息匹配，最终在人眼前方投射出会聚波面，使人眼可以看到逼真的虚拟三维图像。

在实际应用中，也可以用微型投影仪取代光源和空间光调制器，其结构如下：

每个波导器件单元均光学连接有一个光线耦合器件。

所述波导器件还包括微型投影仪，所述微型投影仪的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；或微型投影仪为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与微型投影仪之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与微型投影仪进行光学连接；微型投影仪通过光耦合器件耦合进波导器件上的波导器件，在全反射的作用下，光线在这个波导器件内传播，波导器件上的纳米光栅与光线作用发生衍射，使部分光线从波导器件出光面逸出，出射光线角度与纳米光栅的周期、取向有关，出射光强效率与纳米结光栅的大小、结构深度有关，出射光线经过纳米光栅后在波导器件出光面形成会聚视点，微型投影仪通过点扫描或线扫描投影成像，其出射光强能够随时间或空间变化，微型投影仪通过扫描方式实现光场灰度即振幅信息调制，并与即波导器件纳米光栅调制的光场相位信息匹配，最终在波导器件出光面前方空间投射出会聚波面，使人眼可以看到逼真的虚拟三维图像。

参见图8，图8为本发明实施方式下的一种双眼视差裸眼3D显示方案图。该方案由两层用于控制相位的分频式指向性导光板(即由两层波导器件单元801、802构成的波导器件)和一个用于控制灰度显示的快速响应空间光调制器3(如液晶面板等)组成。上层指向性导光板在出光面形成一个会聚视点，如右视点901。下层指向性导光板在出光面形成另一个会聚视点，如左视点902。控制空间光调制器3以例如120Hz的频率刷新输出图像信息，其图像输出为交替的左右眼视角图像。控制双层指向性导光板交替照明空间光调制器，即单层指向性导光板照明频率为空间光调制器3刷新频率一半(如60Hz)。控制空间光调制器3显示频率和双层指向性导光板照明频率，使上层指向性导光板照明时，右视点会聚光场被空间光调制器3输出的右眼视角图像信息调制，从而将右眼视图投射至右眼观察区域。相同地，下层指向性导光板照明时，左视点会聚光场被空间光调制器3输出的左眼视角图像信息调制，从而将左眼视图投射至左眼观察区域。通过该方法，在不降低图像清晰度的前提下，可实现双眼立体显示。其优点为所需3D图像格式与现有快门式3D显示图像格式兼容，易于普及和商业化。此外在制作上，纳米光栅像素与空间光调制器像素无需对准，极大降低了制造难度。其优势为视角更连续，3D体验更佳，制作更简便。当然，3层及3层以上波导器件单元构成的波导器件应用于双眼3D显示，也可以依据上述原理方便的推导出来，不再一一列举。这种每层波导形单元成一个视点的实施例(即波导层数等于视点数的情况)，不需要匹配纳米分频式导光板和空间光调制器。

参见图10，图10是本发明实施方式下的另一种裸眼3D显示方案图。该方案由两层用于控制相位的分频式纳米指向性导光板(图中依然用双层波导器件单元801、802构成的波导器件为例进行说明)和一个用于控制灰度显示的快速响应空间光调制器(此处为液晶面板)组成。上层指向性导光板在出光面形成至少两个会聚视点，图中以两个视点为例，如视点1001，1002。下层指向性导光板在出光面形成至少两个会聚视点，图中以两个视点为例，如视点1003，1004。控制液晶面板以例如120Hz的频率刷新输出图像信息。控制双层指向性导光板交替照明液晶面板，即单层指向性导光板照明频率为液晶面板刷新频率一半(如60Hz)。同步液晶面板显示频率和双层指向性导光板照明频率，使上层指向性导光板照明时，液晶输出图像为与上层指向性导光板多视点(如视点1001，1002)对应的混合图像，从而在相应视点(如视点1001，1002)显示对应图像。相同地，下层指向性导光板照明时，液晶输出图像为与下层指向性导光板多视角(如视点1003，1004)对应的混合图像，从而在相应视点(如视点1003，1004)显示对应图像。通过该方法，既兼顾了图像清晰度，又提供了更多视角信息，可实现良好的裸眼3D显示效果。其优势为视角更连续，3D体验更佳。这个实施例中，每层导光板形成了两个视点，每层形成视点数量超过了一个，则需要匹配分频式指向性导光板和空间光调制器的相对位置。

参见图9(a)和图9(b)，图9(a)和图9(b)为指向性导光板(图中依然用双层波导器件单元801、802构成的波导器件为例进行说明)与空间光调制器3的结构匹配示意图。当每层指向性导光板(波导器件单元，下同)形成至少两个会聚视点时，指向性导光板上纳米光栅像素与空间光调制器3的像素需对准匹配(如图10所示实施例的情况)。当采用双层或以上波导器件单元构建的波导器件时，以两层为例，如图所示，且以空间光调制器3控制图像灰度信息为例，将其放置在双层指向性导光板上方。其位置匹配关系为：两层指向性导光板单个纳米光栅像素的出射光线正好投射至空间光调制器3上的单个像素。即：设上层指向性导光板801的单个纳米光栅像素801a出射光线投射至空间光调制器3上的区域为801b，则光线投射区域801a应位于空间光调制器3单个像素A内部；相应地，从下层指向性导光板802的纳米光栅像素802a出射光线投射至空间光调制器3上区域为802b，则802b也应位于空间光调制器3单个像素A内部。考虑到单层指向性导光板的厚度，各层间距，以及单个纳米光栅像素处出射光线的出射角度不同，应合理设计各纳米光栅像素之间的距离，使其出射光正好经过对应的空间光调制器灰度控制像素。

参见附图11(a)和图11(b)，图11(a)和图11(b)为一种基于多层分频式指向性导光板(即多层波导器件，图中以四层波导器件单元801、802、803、804构成的波导器件为例进行说明)的裸眼3D显示方案图。多层导光板紧密叠合，并通过分频的方式控制照明光源，实现各导光板依次照明，即出光空间内出射光场按各导光板通过纳米光栅结构控制的出射光场依次变换。每层指向性导光板(波导器件单元)可由独立的照明光源、光准直器件及光耦合器件控制。根据需要，照明光源可放置在各层导光板同侧，亦可放置在异侧。如图11(a)所示，通过交替点亮各层导光板的照明光源可实现出射光场顺序变换。或如图11(b)所示，各层指向性导光板由相同照明光源和光准直器件控制。利用光切换器件将照明光源交替切换至各层指向性导光板，实现各层指向性导光板的交替照明。

参见图13(a)、图13(b)，图13(a)，图13(b)为分频式纳米结构功能薄膜的控制电路原理框图。如图13(a)所示为上述图11(a)结构的控制电路原理框图。脉冲发生电路产生周期性脉冲信号。该脉冲信号通过分频电路，控制照明电路，从而实现点/线光源的交替通断和各层指向性导光薄膜的交替照明。同时，分频电路控制空间光调制信号的刷新频率，实现输出图像刷新频率与多层指向性导光薄膜照明频率的匹配。如图13(b)所示为上述图11(b)结构的控制电路原理框图。脉冲发生电路产生周期性脉冲信号。该脉冲信号通过分频电路，控制光切换器件，从而实现各层指向性导光薄膜的交替照明。同时，分频电路控制空间光调制信号的刷新频率，实现输出图像刷新频率与多层指向性导光薄膜照明频率的匹配。

如图13(a)所示为上述图11(a)结构的分频控制装置，所述分频控制装置包括：

分频电路，用于生成周期性控制信号；

脉冲发生电路，用于生成基准脉冲信号，与分频电路的输入端连接，将基准脉冲信号发送给分频电路，从而调整周期性控制信号的频率；

图像刷新控制电路，其输入端与分频电路的一输出端连接，输出端与空间光调制器的一输入端连接，用于控制空间光调制器的刷新频率与光源的切换频率同步；本实施例中光源与光线耦合器件的数量一致，所述分频控制装置根据分频电路的周期性控制信号，按照设定的频率周期性依次启闭各光源对各层可视镜片单元的依次照明。

脉冲发生电路产生周期性脉冲信号。该脉冲信号通过分频电路，控制照明电路，从而实现点/线光源的交替通断和各层指向性导光薄膜的交替照明。同时，分频电路控制空间光调制信号的刷新频率，实现输出图像刷新频率与多层指向性导光薄膜照明频率的匹配。

当光源为一个时，如图13(b)所示，所述分频电路的另一输出端连接光切换器件，控制光切换器件按照设定的频率周期性依次切换光源对各层可视镜片单元的依次照明；图13(b)所示为上述图11(b)结构的分频控制电路原理框图。脉冲发生电路产生周期性脉冲信号。该脉冲信号通过分频电路，控制光切换器件，从而实现各层指向性导光薄膜的交替照明。同时，分频电路控制空间光调制信号的刷新频率，实现输出图像刷新频率与多层指向性导光薄膜照明频率的匹配。

参见图12，图12为一种基于图11(a)或图11(b)所示的多层分频式指向性导光板的裸眼3D显示方案图(即多层波导器件)。多层导光板(即多个波导器件单元，图中以4个波导器件单元801、802、803、804叠加为例)紧密叠合，并通过分频的方式控制照明光源，实现各导光板依次照明，即出光空间内出射光场按各导光板通过纳米光栅结构控制的出射光场依次变换。在分频式指向性导光板组的出光面匹配快速响应的空间光调制器3，如液晶面板。对于任何一层纳米指向性导光板，如其出射光形成单个会聚视点，则该层导光板不需要与空间光调制器的像素一一匹配。如其出射光形成多个会聚视点，则该层指向性导光板单个纳米光栅像素的出射光线需正好投射至空间光调制器上与之对应的单个像素。同步空间光调制器输出图像信息，图像刷新频率，以及各层指向性导光板的照明频率，使影像合理投影至相应视点。通过该方法，既兼顾了图像清晰度，又提供了更多视角信息，可实现良好的裸眼3D显示效果。其优势为视角更连续，3D体验更佳。

据此，本发明还提供一种三维显示装置，包括上述波导器件的一种。

综上所述，本发明公开了分频法多层纳米指向性导光板(两层及两层以上波导器件单元叠加构成的波导器件)以及使用该方法实现的裸眼3D显示装置。在本发明中，利用分频的方法增加了单个显示芯片输出图像信息量(振幅信息量)，利用多层指向性导光板叠加的方式增加了输出的相位信息量，通过两者结合实现了兼顾3D深度体验和二维图像画质的三维显示。利用该方法实现的裸眼3D显示具有清晰度高、与现有3D图像格式兼容、3D体验效果好的特点。

本发明提出的分频式指向性纳米导光结构，即2层及2层以上的含纳米光栅结构的波导器件单元构成的波导器件。照明光源耦合进入波导器件单元(也称为指向性导光板)。在全反射的作用下，光线在指向性导光板内传播。指向性导光板包含有一组像素式纳米结构，与光线作用发生衍射，使部分光线从指向性导光板出光面逸出。出射光线角度与纳米结构形状(周期、取向)有关。出射光强效率与纳米结构的像素(即纳米光栅)大小、结构深度有关。因此，通过设计特定纳米结构，可在指向性导光板出光面形成一个或多个会聚视点。将至少两层指向性导光板互相叠合，合理设计多层指向性导光板上的纳米结构，可在叠合的多层指向性导光板上方形成更多会聚视点，或增加单个会聚点的像素数，达到增加显示信息量的目的。

所述指向性导光板含有纳米像素结构，分别对应单个或多个视角图像像素，其像素含有按照全息原理设计的纳米结构组合，其纳米结构像素阵列的功能是在指向性导光板出光空间形成单个或多个会聚光场。多层指向性导光板紧密叠合，并通过分频的方式控制照明光源，实现各导光板依次照明，即出光空间内出射光场按各导光板设计依次变换。更进一步地，合理放置快速响应空间光调制器，使多层指向性导光板上各纳米结构像素出射光线与液晶像素一一匹配。控制各层指向性导光板照明光源，使其按时间顺序依次照明指向性导光板。使出射光场角度分布及时序与空间光调制器输出图像信息及时序匹配，即可通过分频方法，增加单个空间光调制器显示信息量。通过分频的方法，在紧凑空间内增加了显示信息量，提高了三维显示体验效果。并减少了三维显示对空间光调制器像素数的要求，降低了装置成本，为其大规模应用生产提供可能。

上述实施例中，可以根据需要，在所述波导器件设置分频控制器，当波导器件中没有设置光切换装置时，所述分频控制器直接控制各波导器件单元的光源的开启或关闭，从而实现各层波导器件单元的依次照明；当波导器件中设置有光切换装置时，所述分频控制器控制光切换装置，通过控制光切换装置切换各波导器件单元与光源的光学连接的连通或断开，从而实现各层波导器件单元的依次照明。当然也可以在光源或光切换装置中直接植入频率控制单元，比如，光源中的频率控制单元可以设置光源的第一次开启的时间点(或延时)，以及开闭的频率，各光源的频率控制单元可以共用一个统一的时间轴，甚至基准频率脉冲，这样可以更加精确的控制各电源按照均匀的频率间隔，依次对对应的波导器件单元进行照明；而光切换装置中的频率控制单元，则控制切换电路按照设定频率依次切换各波导器件单元与光源直接的连接。

本发明具有以下优点：

1)本发明中涉及的分频式指向性导光板，利用分频的方法增加了单个显示芯片输出图像信息量(振幅信息量)，利用多层导光板叠加的方式增加了输出的相位信息量，通过两者结合可实现兼顾3D深度体验和二维图像画质的三维显示。该方法的本质是利用时间信息换取空间信息。通过提高显示频率增加显示信息量，该显示信息量可以用于多视角的视差三维显示，易可用于多焦点多景深的深度三维显示，还可用于多视角多焦点混合的真三维显示领域。

2)与现有3D图像格式兼容。发明实施方式下的双眼视差裸眼3D显示方案，其图像输出要求为左右视角图像交替输出。该图像格式与现有快门式3D显示图像格式兼容，易于普及和商业化。

3)指向性导光板在观察视窗形成视点阵列，所述多个像素阵列的视点成任意曲面、曲线或点阵分布。本专利涉及的波导器件利用衍射光学原理实现光场变换，自由度大。可根据应用场景实现特殊观察视窗，如展馆中的环绕式显示等。形成对比的，基于几何光学实现的双眼视差显示方式，如视障法、微柱透镜法等，只能实现单一方向上(如水平方向等)的视点分布，观察视窗局限性大。

4)所述多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。本专利涉及的波导器件利用衍射光学原理实现光场变换，具有观察视角大的特点。形成对比的，基于几何光学实现的双眼视差显示方式，如视障法、微柱透镜法等，只能实现较小视角范围内的三维显示，观察视角受限。

5)在本发明中，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能用于压印模板，再通过纳米压印批量复制，以降低屏幕成本。

该专利所涉及的波导技术，可应用到裸眼3D显示、防窥显示等领域，在诸如3D电视、3D手机、3D手表、3D互动桌面、3D广告(如图14/15/16)等领域有广泛应用前景。

图14是本发明应用于交通驾驶的示意图，将本发明的波导装置贴合在挡风玻璃上，用于显示虚拟图像(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15是本发明应用于家庭影音娱乐领域的示意图，采用本发明的波导装置制作的裸眼3D电视，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16是本发明应用于商务会议领域的示意图，采用本发明的波导装置嵌入茶几、办公桌、餐桌等，获得栩栩如生的3D桌面显示，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。

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)

1.一种波导器件，其特征在于，包括至少一个波导器件单元，每个波导器件单元均包括波导本体，所述波导本体为矩形横截面的平板波导或条形波导或曲面波导，所述波导本体的上表面和下表面中的一面为出光面，另一面为反射面。

2.根据权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述出光面表面或波导本体内部设置有成组的纳米光栅。

3.根据权利要求2所述的波导器件，其特征在于，所述纳米光栅对光具有会聚作用，将通过波导本体全反射而来的光会聚于出光面上方空间中，形成至少一个视点。

4.根据权利要求2所述的波导器件，其特征在于，所述波导器件包括上下紧密叠加的2个、3个、4个或4个以上的波导器件单元，所有波导器件单元的出光面均面向同一个方向。

5.根据权利要求2所述的波导器件，其特征在于，所述纳米光栅直接加工于所述波导本体上；

或，加工于薄膜上，并将薄膜贴合于出光面上或嵌设在波导本体中。

6.根据权利要求2所述的波导器件，其特征在于，所述纳米光栅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结构像素。

7.根据权利要求6所述的波导器件，其特征在于，每个波导器件单元均光学连接有一个光线耦合器件。

8.根据权利要求7所述的波导器件，其特征在于，

所述波导器件还包括微型投影仪，所述微型投影仪的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；或微型投影仪为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与微型投影仪之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与微型投影仪进行光学连接。

9.根据权利要求7所述的波导器件，其特征在于，所述波导器件还包括光源；

所述光源的数量与光线耦合器件的数量一致，并一一对应光学连接；

所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件；或光源为出射光为准直光线的LED光源；

所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光线耦合器件光学连接；或光源为一个，所有光线耦合器件均设置在波导器件的同一侧，这些光线耦合器件与光源之间设有一个光切换器件，并通过光切换器件切换某一个光耦合器件与光源进行光学连接，所述光源包括点光源、线光源或面光源，及一个光线准直器件，所述点光源、线光源或面光源通过光线准直器件与光切换器件光学连接。

10.根据权利要求9所述的波导器件，其特征在于，所述波导器件还包括空间光调制器；

所述空间光调制器设置于波导器件最上方的一个波导器件单元的出光面上方。

11.根据权利要求9或10所述的波导器件，其特征在于，所述波导器件还包括分频控制器，当波导器件中没有设置光切换装置时，所述分频控制器直接控制各波导器件单元的光源的开启或关闭，从而实现各层波导器件单元的依次照明；当波导器件中设置有光切换装置时，所述分频控制器控制光切换装置，通过控制光切换装置切换各波导器件单元与光源的光学连接的连通或断开，从而实现各层波导器件单元的依次照明。

12.一种三维显示装置，其特征在于，包括权利要求1-11任一所述的波导器件。