一种裸眼3d激光显示装置的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]惠普公司在专利W02014/051624 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。
[0008]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】
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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:
[0016](1) tan Φ != sin Φ / (cos Φ _n sin θ (Λ / λ ))
[0017](2) sin2( θ j) = (λ/Λ)2+(η sin θ )2-2η sin θ cos Φ ( λ /Λ)
[0018]其中，Θ^Ρ φ 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，η表示光波在介质中的折射率。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]优选的，所述指向投影屏幕选择反射型，红、绿、蓝光从所述指