CN112666785A - 定向投影设备及定向投影方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了定向投影设备及定向投影方法。根据本申请的定向投影设备包括：图像生成模块，用于发射携带图像信息的相干光线，图像信息具有最小像素；以及衍射屏，包括基底和设置于基底的光栅，光栅包括对应最小像素的子光栅，衍射屏用于接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

Description

定向投影设备及定向投影方法

技术领域

本申请涉及投影技术领域，更具体的，涉及一种定向投影设备及定向投影方法。

背景技术

投影显示技术是一种应用广泛的技术，可以应用在办公、学习、讲座、展览等领域，还可以与电脑手机等娱乐设备连接。通常使用的投影显示方法包括：

1、阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)投影技术：其具有高图像几何失真调节能力且其成像色彩丰富、保真性强。CRT投影技术在20世纪后期作为主要的投影显示方式得到广泛的应用和发展，但采用该技术的设备价格昂贵、成像亮度较低、体积过大的缺点，导致自身的进一步发展受到限制。

2、液晶(Liquid Crystal Display，LCD)显示技术：该技术是利用液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透过率和反射率，从而产生不同灰度层次及色彩丰富的靓丽图像。LCD显示技术已经非常成熟，其特点是成像色彩好，噪点少；但采用该技术的设备体积大、亮度损失大的缺点也较为明显。

3、数字光处理(Digital Light Processing，DLP)投影显示技术：其应用数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)作为核心部件。DLP投影显示技术通过调整电极电压来控制DMD的偏转状态，从而实现对反射光方向的控制。DLP投影显示技术的成像具有高对比度、小体积、高亮度、高分辨率等优点，且采用该技术的设备具有高稳定性、携带方便等特点。DLP投影显示技术被广泛运用在多种领域，是目前的主流投影显示方式之一；其缺点主要为成像的色彩效果弱，颜色不够鲜艳等。

4)硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)投影显示技术：是一种基于硅基液晶的反射式显示技术，属于新型的微型LCD投影技术。采用该技术的设备尺寸非常小，并具有成像的彩色鲜艳、光能利用率高等优点，但其还有成本昂贵、制备工艺复杂和良率较低等缺点。

现有的投影显示设备在投影显示时，投影显示屏前面的所有观察者都可以看到显示内容。但随着当今社会的发展，人们对于隐私的要求越来越高。例如在一些应用场景中，两个观察者相对投影显示屏具有不同位置，而期望投影显示屏对两个观察者显示不同的信息。

通常可以利用波导与光阀阵列相结合的方法实现隐私显示：先将入射光耦合进波导，并在波导中得到衍射光，然后用光阀阵列对衍射光加载图像信息，继而实现隐私显示。但这种方法存在光能损耗且波导制备难度较大。

发明内容

第一方面，本申请提供了一种定向投影设备，该定向投影设备包括：图像生成模块，用于发射携带图像信息的相干光线，所述图像信息具有最小像素；以及衍射屏，包括基底和设置于基底的光栅，所述光栅包括对应所述最小像素的子光栅，衍射屏用于接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

在一个实施方式中，光栅包括多个子光栅组，子光栅组配置成接收相干光线，并向对应的成像区域衍射投影光线，多个子光栅组对应多个相互不同的成像区域；至少一个最小像素对应有至少两个子光栅，至少两个子光栅属于相互不同的子光栅组。

在一个实施方式中，光栅可至少包括第一子光栅组和第二子光栅组，第一子光栅组的第一子光栅与第二子光栅组的第二子光栅一一相应设置，且一对相应的第一子光栅和第二子光栅对应同一个最小像素；第一子光栅组可被配置为接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线；第二子光栅组可被配置为接收相干光线，并向第二成像区域衍射出第二衍射投影光线，所述第二成像区域不同于所述第一成像区域。

在一个实施方式中，衍射屏可以是反射式衍射屏。

在一个实施方式中，衍射屏可以是透明式衍射屏。

在一个实施方式中，基底的材质是透明材质，光栅的材质是透明材质且光栅的材质不吸收可见光。

在一个实施方式中，基底的材质包括石英玻璃、、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

在一个实施方式中，光栅的材质包括光刻胶、无影胶或二氧化硅中的至少一种。

在一个实施方式中，光栅的光栅周期可在200nm至2000nm之间。

在一个实施方式中，子光栅的厚度可被配置成使从子光栅衍射出的多级衍射光中，对应第一衍射投影光线的一个级次具有最高的能量。

在一个实施方式中，子光栅的厚度在50nm至1000nm之间。

在一个实施方式中，图像生成模块可为激光投影系统，相干光线可为激光。

第二方面，本申请提供了一种定向投影方法，包括：图像生成模块发射携带图像信息的相干光线；衍射屏接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线，其中，衍射屏包括光栅。

在一个实施方式中，通过设置光栅的光栅周期和取向角，实现向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

在一个实施方式中，通过设置光栅的厚度，使衍射屏衍射出的多级衍射光中，对应第一投影光线的一个级次具有最高的能量。

在一个实施方式中，衍射屏接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线包括：光栅的第一子光栅组接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线；光栅的第二子光栅组接收相干光线，并向第二成像区域衍射第二衍射投影光线；其中，第二成像区域不同于第一成像区域；以及其中，图像信息具有最小像素，第一子光栅组的第一子光栅与第二子光栅组的相应的第二子光栅二者对应同一个最小像素。

在一个实施方式中，衍射屏为透明式衍射屏；定向投影方法还包括：背景光线穿过透明式衍射屏，并照射第一成像区域及第一成像区域之外。

本申请提供的定向投影设备，可以将显示信息投影至特定的视角，这样只有特定位置的观察者才可以观察到，其余位置的观察者看不到显示信息，实现私密性显示，而且显示的图像具有极其鲜艳的色彩且对比度高，同时本申请的定向投影设备工作时光能损耗低。此外，本申请的定向投影设备易于制备得到。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了根据本申请实施例的定向投影设备的示意性结构图；

图2示出了根据本申请实施例的衍射屏的示意性工作原理图；

图3示出了根据本申请实施例的另一种定向投影设备的示意性结构图；

图4示出了根据本申请实施例的又一种定向投影设备的示意性结构图；

图5示出了图4中的衍射屏的示意性结构图；

图6示出了根据本申请实施例的衍射屏的示意性结构图；

图7示出了根据本申请实施例的定向投影方法的流程图；以及

图8示出了根据本申请实施例的衍射屏的制造流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一成像区域也可被称作第二成像区域。反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。例如，衍射屏的基底的厚度和光栅的厚度并非按照实际生产中的比例。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了根据本申请实施例的定向投影设备的示意性结构图。

参考图1，根据本申请示例性实施方式的定向投影设备可包括图像生成模块2和衍射屏1。图像生成模块2和衍射屏1的空间布置位置不限于图1中所示，而是可根据预设的使用场景进行设置。使用场景可包括第一成像区域3和第一成像区域3之外的区域。在根据本申请示例性实施方式提供的定向投影设备中，图像生成模块2用于发射携带图像信息的相干光线L1。衍射屏1可包括基底110和设置在基底110上的光栅120，衍射屏1用于接收相干光线L1，并向第一成像区域3衍射第一衍射投影光线L2。

在应用场景中，第一成像区域3的位置和衍射屏1的位置通常是根据需要而预先设定的，因此可以适当调整图像生成模块2的位置，并使携带图像信息的相干光线L1照射到衍射屏1上。然后，衍射屏1基于相干光线L1衍射出衍射光，衍射光中的第一衍射投影光线L2携带有图像信息。在第一成像区域3处可接收到第一衍射投影光线L2进而接收到图像信息，而在第一成像区域3之外的区域接收不到第一衍射投影光线L2携带的图像信息。

本申请提供的定向投影设备，可以使特定区域的观察者接收到信息且可使其它区域的观察者接收不到该信息，进而使信息具有隐秘性。

在示例性实施方式中，光栅120包括阵列的子光栅，图像信息包括最小像素L101，子光栅与最小像素L101一一对应。相干光线L1携带的图像信息的每一个最小像素L101被对应的子光栅衍射，进而被第一成像区域3处的观察者接收。示例性的，可通过设置光栅120的光栅周期和取向角，实现向第一成像区域3衍射第一衍射投影光线L2。

在示例性实施方式中，图像生成模块2为激光投影系统，相干光线为激光。激光中光子(光波)的特性比较一致，能够更好地被衍射屏1衍射并传递图像信息。

在示例性实施方式中，衍射屏1是透明式衍射屏。在一种应用场景中，衍射屏1设置在例如透明玻璃4的一侧，一个观察者的眼睛位于第一成像区域3处，另一个观察者的眼睛位于第一成像区域3之外的区域。两个观察者都可以透过衍射屏1及透明玻璃4观察到透明玻璃4的另一侧，接收到另一侧传来的背景光线L3。然而第一成像区域3处的观察者除了可以接收到背景光线L3之外，还可以通过第一衍射投影光线L2隐秘的接收到图像生成模块2提供的图像信息，同时第一成像区域3外的区域的观察者则不能接受该信息。

在示例性实施方式中，衍射屏1是反射式衍射屏。在一种应用场景中，例如需要将衍射屏1贴靠墙壁设置，而本申请的定向投影设备包括反射式衍射屏，该定向投影设备的图像生成模块2设置在反射式衍射屏背向墙壁的一侧。本申请提供的定向投影设备可以灵活的适用各类工作环境。

请参考图2，在示例性实施方式中，基于衍射屏1建立空间直角坐标系xyz，其中，y轴是衍射屏1的基底110的表面法线，z轴可以是铅垂方向。示例性的，一个子光栅具有光栅矢量C，光栅矢量C与y轴之间具有空间夹角φ。相对坐标系xyz，相干光线L1中的入射光线A具有与x轴的空间夹角α及与z轴的空间夹角β，该子光栅接收到入射光线A并定向地形成第一衍射投影光线L2中的衍射光线B。衍射光线B具有与x轴的空间夹角α1及与z轴的空间夹角β1。

在示例性实施方式中，光栅120的光栅周期Λ在200nm至2000nm之间。通过设置光栅120的光栅周期，具体地是根据需要而设置每一个子光栅的周期，可以调整衍射屏1形成的第一衍射投影光线L2，使得第一成像区域3位于空间的适当位置。进而使观察者或其它预备接收信息的设备处在适当地位置，便于隐秘的接收图像生成模块2传递出的图像信息。

请参考图3，在示例性实施方式中，图像生成模块2发射带有图像信息的相干光线L1，本示例性实施例中光栅120的光栅周期以及每个子光栅的光栅矢量与图1中的光栅120不同，可见，本示例性实施例中的第一成像区域3在空间中的位置与图1的示例性实施例中的第一成像区域3在空间中的位置不同。

在示例性实施方式中，衍射屏1是透明的反射式衍射屏。衍射屏1背向图像生成模块2的一侧设置有透明玻璃4。第一成像区域3处可以接收到衍射屏1衍射出的第一衍射投影光线L2，并且可以接收到透过衍射屏1的背景光线L3；而第一成像区域3之外的区域只接受到背景光线L3。

请参考图4和图5，在示例性实施方式中，图像信息具有最小像素L101；光栅120包括第一子光栅组121和第二子光栅组122，第一子光栅组121的第一子光栅1211与第二子光栅组122的第二子光栅1221一一相应设置，且一对相应的第一子光栅1211和第二子光栅1221对应同一个最小像素L101。图像信息可以包括阵列的多个最小像素L101，因此，第一子光栅组121包括阵列的多个第一子光栅1211，第二子光栅组122包括阵列的多个第二子光栅1221。换言之，光栅120包括阵列的多对第一子光栅1211和第二子光栅1221。

第一子光栅组121被配置为接收相干光线L1，并向第一成像区域3A衍射第一衍射投影光线L2A；第二子光栅组122被配置为接收相干光线L1，并向第二成像区域3B衍射出第二衍射投影光线L2B。第二成像区域与第一成像区域在空间中的不同位置。该定向投影设备可以使得位于第一成像区域3A的观察者和位于第二成像区域3B的观察者接收到图像信息，而位于第一成像区域3A及第二成像区域3B外侧区域的观察者不能接收到该图像信息。

在示例性实施方式中，光栅120包括多个子光栅组，每个子光栅组都包括阵列的多个子光栅，相应位置的若干子光栅可对应同一个最小像素L101。换言之，光栅120包括阵列的子光栅群，子光栅群中包括至少两个子光栅，每个子光栅群可对应同一个最小像素L101；多个子光栅群中每个子光栅群都包括有一个相应的子光栅以构成子光栅组。每个子光栅组用于接收相干光线L1并分别衍射出衍射投影光线，每个衍射投影光线对应一个成像区域，不同的子光栅组对应不同的成像区域。如此设置，可以使多个成像区域处的观察者或成像设备接收到该相干光线L1携带的图像信息，而在这些成像区域之外的区域处不能接收到该图像信息。

进一步地，该衍射屏1是透明式衍射屏，背景光线L3可以照射到第一成像区域3A、第二成像区域3B以及二者之外的区域，前述二者之外的区域处的观察者可以接收到背景光线L3携带的信息，而接收不到相干光线L1携带的信息。

在示例性实施方式中，本申请的定向投影设备包括多个图像生成模块2，以提供不同的图像信息。

在示例性实施方式中，衍射屏1的基底110的材质是透明材质。具体地，可包括石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。

在示例性实施方式中，光栅120的材质是透明材质且是可见光区无光吸收的材料。进一步地，光栅120的材质可包括光刻胶(Photoresist)、无影胶(UVglue)或二氧化硅中的一种。

请参考图6，进一步的，光栅120的厚度被配置为：使衍射屏1衍射出的衍射光中，第一衍射投影光线L2具有最高的能量。具体地，子光栅的厚度被配置成使从子光栅衍射出的多级衍射光中，对应第一衍射投影光线L2的一个级次具有最高的能量。例如从子光栅衍射出的多级衍射光中，负一级衍射光对应第一衍射投影光线L2且具有最高的能量。可选地，该多级衍射光中负二级衍射光对应第一衍射投影光线L2且具有最高的能量。

通过提高第一衍射投影光线L2的能量，可以使观察者更好地接收光线中携带的信息。示例性的，基底110的材质为石英玻璃，其表面覆盖一层较厚的光刻胶层，光刻胶层的表面刻蚀有较浅的沟槽，则光栅120是指沟槽厚度对应的一层结构，光栅120的厚度是指沟槽的深度。光栅120的具体构造不限于图6中所示的那样，而是可以包括诸如矩形、弧形、梯形沟槽等任意形状中的任何一种或多种的组合。具体地，子光栅的厚度在50nm至1000nm之间。

参照图7，本申请还提供了一种定向投影方法，该方法包括如下步骤：

S101：图像生成模块发射携带图像信息的相干光线；

S102：衍射屏接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

该方法实现了向指定区域发送光线信息，且非指定区域接收不到光线信息，实现信息的隐秘传递。

在示例性实施方式中，通过设置光栅的光栅周期和取向角，实现向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

请参考图2，示例性的，当预先知晓应用场景时，可以确定衍射屏1和图像生成模块2的设置位置，并且预设了第一成像区域3的位置。因此，可以知道入射光线A的空间角度α和β，衍射光线B的空间角度α1和β1，则子光栅的光栅周期Λ和取向角φ可以根据如下公式计算：

其中，n是光栅材料相对工作空间介质的折射率。

示例性地，衍射光线B是子光栅基于入射光线A衍射出的衍射光中的负一级衍射光。不同的子光栅可具有不同的光栅周期Λ和取向角φ，不同的子光栅的负一级衍射光用于形成衍射投影光线。

在示例性实施方式中，第一衍射投影光线是衍射屏衍射出的衍射光中的负一级衍射光；通过设置光栅的厚度，使从衍射屏衍射出的衍射光中，负一级衍射光具有最高的能量。

在示例性实施方式中，衍射屏接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线包括：

图像信息具有最小像素，该最小像素同时照射到第一子光栅组的第一子光栅与第二子光栅组的相应的第二子光栅；

衍射屏的光栅的第一子光栅组接收相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线；光栅的第二子光栅组接收相干光线，并向第二成像区域衍射第二衍射投影光线。

在示例性实施方式中，衍射屏的光栅的还包括第三子光栅组或者包括更多数量的子光栅组，每个子光栅组对应有一个成像区域，各个成像区域位于不同的空间位置。

在示例性实施方式中，衍射屏为透明式衍射屏；定向投影方法还包括：背景光线穿过透明式衍射屏，并照射第一视场及第一视场之外。

请参考图6和图8，本申请的实施例还提供一种制造衍射屏的方法，该方法包括如下步骤：

S201，清洗石英玻璃材质的基底110，在基底110的表面旋涂光刻胶；

S202，使用紫外连续变频光刻系统对光刻胶曝光，并进行显影，经显影后可得到附接在基底110上的光栅120。

具体地，采用双光束干涉曝光。

在示例性实施方式中，通过调节紫外连续变频光刻系统的中间光栅的位置和方向，以制备预设光栅周期和取向角的多个子光栅。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.定向投影设备，其特征在于，包括：

图像生成模块，用于发射携带图像信息的相干光线，所述图像信息具有最小像素；以及

衍射屏，包括基底和设置于所述基底的光栅，所述光栅包括对应所述最小像素的子光栅，所述衍射屏用于接收所述相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线。

2.根据权利要求1所述的定向投影设备，其特征在于，所述光栅包括多个子光栅组，所述子光栅组配置成接收所述相干光线，并向对应的成像区域衍射投影光线，所述多个子光栅组对应多个相互不同的成像区域；

至少一个所述最小像素对应有至少两个子光栅，所述至少两个子光栅属于相互不同的子光栅组。

3.根据权利要求2所述的定向投影设备，其特征在于，所述光栅至少包括第一子光栅组和第二子光栅组，所述第一子光栅组的第一子光栅与所述第二子光栅组的第二子光栅一一相应设置，且一对相应的第一子光栅和第二子光栅对应同一个所述最小像素；

所述第一子光栅组被配置为接收所述相干光线，并向所述第一成像区域衍射第一衍射投影光线；

所述第二子光栅组被配置为接收所述相干光线，并向第二成像区域衍射出第二衍射投影光线，所述第二成像区域不同于所述第一成像区域。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的定向投影设备，其特征在于，所述衍射屏是反射式衍射屏。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的定向投影设备，其特征在于，所述衍射屏是透明式衍射屏。

6.根据权利要求5所述的定向投影设备，其特征在于，所述基底的材质是透明材质，所述光栅的材质是透明材质且所述光栅的材质不吸收可见光。

7.根据权利要求6所述的定向投影设备，其特征在于，所述基底的材质包括石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

8.根据权利要求6所述的定向投影设备，其特征在于，所述光栅的材质包括光刻胶、无影胶或二氧化硅中的一种。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的定向投影设备，其特征在于，所述光栅的光栅周期在200nm至2000nm之间。

10.定向投影方法，其特征在于，包括：

图像生成模块发射携带图像信息的相干光线；

衍射屏接收所述相干光线，并向第一成像区域衍射第一衍射投影光线，其中，所述衍射屏包括光栅。

Images