本發明屬于三維圖像顯示領域，具體涉及一種波導器件及三維顯示裝置。

背景技術：

全息圖是一種攜帶振幅與位相信息的圖像，能真實再現三維信息，不產生視覺疲勞，立體效果與觀察者的距離無關。全息顯示的原理可概括為：全息圖可在空間再現三維虛像或者三維實像，全息圖上的每一點均在向空間各個方向傳輸信息，空間中的每個觀察點均可看到整幅圖像?；蛘哒f，圖像信息通過光場傳播并會聚到觀察點上。因此，在空間不同觀察點，可看到不同視角下的整幅圖像，相互不干擾。但是，數十年來，受到全息記錄材料、信息量和技術工藝的限制，全息顯示未能實現工業化應用。

視差原理發明已100多年，雖然國內外企業不斷有裸眼3D顯示的樣機展示，但由于受圖像分辨率較低和易產生視覺疲勞等問題的制約，基于視差原理的裸眼3D顯示一直未能真正進入消費電子領域。

視差原理包括視障法、微柱透鏡法和指向性背光源。視障屏或微柱透鏡板覆蓋在液晶顯示LCD表面，將不同視角圖像在空間實現角度分離。光學原理上，由于光源擴散作用，在空間不同角度上的圖像并不唯一，因此，在人眼觀察3D圖像時，易引起視覺疲勞。

專利CN20101058659.4(可切換顯示模式的LED裸眼顯示裝置)提出利用柔性狹縫光柵實現2D/3D切換，但其顯示效果受觀看位置影響較大。中國專利CN201320143064.8提出了一種指向性背光3D成像系統，采用兩個投影鏡頭結合指向性3D光學結構，實現裸眼3D顯示；專利US20050264717A1提出了一種帶有液晶顯示和指向型背光模組的3D顯示裝置，該技術迅速切換開、閉左右背光源，并將通過導光板的光線聚焦在特定角度的范圍內，通過交替投影形成3D圖像。上述指向性背光技術雖然得到的圖像分辨率高，但卻只限于單人觀看。中國專利CN201410187534.X提出一種裸眼3D背光模，采用一組或多組LED時序光源結合凸透鏡、多邊棱鏡、視差屏障，可實現多視角3D顯示，然而背光源結構的設計和精密加工精度在技術上難以實現，且很容易產生光線的串擾，因此，基于所提出的指向性背光源方案，一直未見實際裸眼3D顯示器件的樣品或者產品。

點陣全息技術能夠提供大視角，減小信息量，但點陣光柵像素的制作一直受到技術門檻的限制，中國專利申請CN201310166341.1公開了一種三維圖像的打印方法與系統，可以利用連續變空頻的機構直接打印出基于納米光柵像素的靜態彩色立體圖像。指向性背光顯示技術結合方向照明實現3D顯示，是近期出現的新技術，該技術的指向性背光源的設計與加工存在巨大困難，同時制造成本高。

全息波導背光結構能夠實現動態彩色3D顯示，大視角，適合應用于移動電子設備顯示。中國專利申請CN201410852242.3公開了一種利用由納米像素光柵構成的多層指向導光結構實現動態三維立體顯示的方案，可實現大角度、全視差的裸眼3D顯示，然而，其顯示分辨率與視角數目成反比，即視角數目越多，顯示分辨率越低，圖像質量越差。美國專利申請US2014/0300840A1公開了一種含有多組納米光柵結構的單層指向性導光結構，將多個方向(三個方向)的入射光透射至不同視角，實現裸眼3D顯示。該方案提出的單層導光結構具有導光層薄(只有一層)的特點。然而，該方案未解決的同樣問題是，隨時視角增多，單個視角的圖像信息量減少，導致3D體驗差。

技術實現要素：

為此，本發明旨在基于全息原理，提供一種基于分頻的指向性納米結構波導，實現高分辨率、多視角的裸眼3D顯示，該方案尤其適用于移動電子設備，如手機、PAD、車載顯示屏等的多視角3D顯示方案，以及基于空間光調制器，如液晶面板等的虛擬現實顯示方案。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種波導器件，包括至少一個波導器件單元，每個波導器件單元均包括波導本體，所述波導本體為矩形橫截面的平板波導或條形波導或曲面波導，所述波導本體的上表面和下表面中的一面為出光面，另一面為反射面。

將該波導器件應用于三維顯示領域時，可在所述出光面表面或波導本體內部設置有成組的納米光柵。

進一步的，使所述納米光柵對光具有會聚作用，將通過波導本體全反射而來的光會聚于出光面上方空間中，形成至少一個視點。

在實際應用中，可以采用兩個及以上的波導器件單元構建多層波導器件，即：所述波導器件包括上下緊密疊加的2個、3個、4個或4個以上的波導器件單元，所有波導器件單元的出光面均面向同一個方向。

將波導器件作為構筑三維顯示裝置的主要部件，為解決現有技術中單個視角圖像顯示的信息量與視角數目之間的矛盾提供了技術支持，現有技術中，視角數目越多，單個視角顯示的信息量損失越大，圖像清晰度越低的問題，而視角數量越少，則影響三維顯示效果，如果提高屏幕像素，則生成成本大大提高，阻礙工業化及商業應用，采用本發明的技術方案，則可以構筑由多層波導器件單元疊加為多層(兩層及兩層以上)復合型指向性導光板，進而采用分頻控制各層依次循環照明的方式，通過提高顯示頻率的方法增加顯示信息量，提升的顯示信息量可以用于多視角的視差三維顯示，亦可用于多焦點多景深的深度三維顯示，還可用于多視角多焦點混合的真三維顯示領域。其本質是利用時間信息換取空間信息。

具有納米光柵結構的波導器件，在本文中也稱為指向性納米導光板或指向性導光板。

進一步的，所述納米光柵直接加工于所述波導本體上；

或，加工于薄膜上，并將薄膜貼合于出光面上或嵌設在波導本體中。

進一步的，所述納米結構為納米級尺寸的納米光柵，所述每一個納米光柵即為一個納米結構像素。

根據光柵方程，納米光柵像素的周期、取向角滿足以下關系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))

(2)sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(n sinθ)²-2n sinθcosφ(λ/Λ)

其中，光線以一定的角度入射到XY平面，θ₁表示衍射光的衍射角，即衍射光線與z軸正方向夾角；φ₁表示衍射光的方位角，即衍射光線與x軸正方向夾角；θ表示光源的入射角，即入射光線與z軸正方向夾角；λ表示波長；□表示納米衍射光柵的周期；φ表示取向角，即槽型方向與y軸正方向夾角；n表示光波在介質中的折射率。

進一步的，每個波導器件單元均光學連接有一個光線耦合器件。

進一步的，所述波導器件還包括微型投影儀，所述微型投影儀的數量與光線耦合器件的數量一致，并一一對應光學連接；或微型投影儀為一個，所有光線耦合器件均設置在波導器件的同一側，這些光線耦合器件與微型投影儀之間設有一個光切換器件，并通過光切換器件切換某一個光耦合器件與微型投影儀進行光學連接；

微型投影儀通過光耦合器件耦合進波導器件上的波導器件，在全反射的作用下，光線在這個波導器件內傳播，波導器件上的納米光柵與光線作用發生衍射，使部分光線從波導器件出光面逸出，出射光線角度與納米光柵的周期、取向有關，出射光強效率與納米結光柵的大小、結構深度有關，出射光線經過納米光柵后在波導器件出光面形成會聚視點，微型投影儀通過點掃描或線掃描投影成像，其出射光強能夠隨時間或空間變化，微型投影儀通過掃描方式實現光場灰度即振幅信息調制，并與即波導器件納米光柵調制的光場相位信息匹配，最終在波導器件出光面前方空間投射出會聚波面，使人眼可以看到逼真的虛擬三維圖像。

進一步的，所述波導器件還包括光源；

所述光源的數量與光線耦合器件的數量一致，并一一對應光學連接；

所述光源包括點光源、線光源或面光源，及一個光線準直器件；或光源為出射光為準直光線的LED光源；

所述點光源、線光源或面光源通過光線準直器件與光線耦合器件光學連接；或光源為一個，所有光線耦合器件均設置在波導器件的同一側，這些光線耦合器件與光源之間設有一個光切換器件，并通過光切換器件切換某一個光耦合器件與光源進行光學連接，所述光源包括點光源、線光源或面光源，及一個光線準直器件，所述點光源、線光源或面光源通過光線準直器件與光切換器件光學連接。

進一步的，所述波導器件還包括空間光調制器；

所述空間光調制器設置于波導器件最上方的一個波導器件單元的出光面上方；

光源通過光線準直器件和光耦合器件耦合進波導器件，也即是導入波導器件，在全反射的作用下，光線在波導器件內傳播，納米光柵與光線發生衍射作用，使部分光線從各出光面逸出，出射光線角度與納米光柵周期、取向有關，出射光強效率與納米光柵的像素大小、結構深度有關，光源的光經過納米光柵后在波導器件出光面前方形成一個或多個會聚視點，空間光調制器放置在波導器件與人眼之間，空間光調制器進行光場灰度即振幅信息調制，并與納米光柵調制的光場相位信息匹配，最終在人眼前方投射出會聚波面，使人眼可以看到逼真的虛擬三維圖像。

進一步的，所述波導器件還包括分頻控制器，當波導器件中沒有設置光切換裝置時，所述分頻控制器直接控制各波導器件單元的光源的開啟或關閉，從而實現各層波導器件單元的依次照明；當波導器件中設置有光切換裝置時，所述分頻控制器控制光切換裝置，通過控制光切換裝置切換各波導器件單元與光源的光學連接的連通或斷開，從而實現各層波導器件單元的依次照明。

本發明還提供一種三維顯示裝置，包括上述波導器件的一種。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例技術中的技術方案，下面將對實施例技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是指向性導光板上像素內部納米光柵在XY平面下的結構圖。

圖2是圖1中的指向性導光板上像素內部納米光柵在XZ平面下的結構圖。

圖3是實現單個視點匯聚的指向性導光板的納米結構分布示意圖。

圖4(a)-(e)是多種納米光柵像素結構剖面示意圖。

圖5是本發明波導器件由一層波導器件單元組成的一種示例示意圖。

圖6是本發明實施方式下的兩層波導器件單元疊合組成波導器件的示意圖。

圖7(a)-(b)是兩層波導器件單元疊合的兩種實施方式的示意圖。

圖8為本發明實施方式下的一種雙眼視差裸眼3D顯示方案圖。

圖9(a)是使用本發明的透射型指向投影屏幕模組組成3D顯示器件之后的結構的示意圖。

圖9(b)是圖9(a)中A點的剖視圖。

圖10是使用本發明的反射型指向投影屏幕模組組成3D顯示器件之后的結構的示意圖。

圖11(a)和圖11(b)是本發明多層分頻式指向性導光板的兩種分頻照明方案圖。

圖12是本發明基于多層分頻式指向性導光板的裸眼3D顯示方案圖。

圖13(a)-(b)分別是圖11(a)和圖11(b)示例對應的分頻照明控制電路原理圖。

圖14-16是本發明應用于各場景的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

一種波導器件，包括至少一個波導器件單元，每個波導器件單元均包括波導本體，所述波導本體為矩形橫截面的平板波導或條形波導或曲面波導，所述波導本體的上表面和下表面中的一面為出光面，另一面為反射面，在所述出光面表面或波導本體內部設置有成組的納米光柵，所述納米光柵對光具有會聚作用，將通過波導本體全反射而來的光會聚于出光面上方空間中，形成至少一個視點，當波導器件單元數量大于一個時，所有波導器件單元的出光面均面向同一個方向。在實際應用中，可以采用兩個及以上的波導器件單元構建多層波導器件，即：所述波導器件包括上下緊密疊加的2個、3個、4個或4個以上的波導器件單元，所有波導器件單元的出光面均面向同一個方向。每一個波導器件單元均可形成一個、兩個、或兩個以上的視點，從而構建虛擬三維景象。

參見圖5，圖5展示了由一個波導器件單元構成的波導器件的工作原理，照明光源(圖中顯示為點/線/面光源)通過光線準直器件和光耦合器件進入波導器件801，經過波導器件801的全反射傳播及設于出光面的納米光柵的衍射作用，在出光面輸出任意波前。為減小封裝體積，光源可以采用LED點光源的封裝，使其出射光即為準直光源，或擴散角度受到特定約束的照明光源，從而省略光線準直器件。光耦合器件可能是棱鏡、菲涅爾透鏡、柱面鏡或其他曲面透鏡，其特點是提高光耦合效率，降低光能量損失。通過優化準直器件和光耦合器件，可盡量避免光路中的漫散射光線，降低串擾和噪聲。

將波導器件作為構筑三維顯示裝置的主要部件，為解決現有技術中單個視角圖像顯示的信息量與視角數目之間的矛盾提供了技術支持，現有技術中，視角數目越多，單個視角顯示的信息量損失越大，圖像清晰度越低，而視角數量越少，則影響三維顯示效果，如果提高屏幕像素，則生產成本大大提高，阻礙工業化及商業應用，采用本發明的技術方案，則可以構筑由多層波導器件單元疊加為多層(兩層及兩層以上)復合型指向性導光板，進而采用分頻控制各層依次照明的方式，通過提高顯示頻率的方法增加顯示信息量，提升的顯示信息量可以用于多視角的視差三維顯示，亦可用于多焦點多景深的深度三維顯示，還可用于多視角多焦點混合的真三維顯示領域。其本質是利用時間信息換取空間信息。

在實際應用中，所述納米光柵直接加工于所述波導本體上；

或，加工于薄膜上，并將薄膜貼合于出光面上或嵌設在波導本體中。

所述納米光柵為納米級尺寸的納米光柵，每一個納米光柵可看作一個納米光柵像素，根據光柵方程，納米光柵像素的周期、取向角滿足以下關系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))

(2)sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(n sinθ)²-2n sinθcosφ(λ/Λ)

其中，光線以一定的角度入射到XY平面，θ₁表示衍射光的衍射角，即衍射光線與z軸正方向夾角；φ₁表示衍射光的方位角，即衍射光線與x軸正方向夾角；θ表示光源的入射角，即入射光線與z軸正方向夾角；λ表示波長；□表示納米衍射光柵的周期；φ表示取向角，即槽型方向與y軸正方向夾角；n表示光波在介質中的折射率。如圖1和圖2所示。換言之，在規定好入射光線波長、入射角以及衍射光線衍射角和衍射方位角之后，就可以通過上述兩個公式計算出所需的納米光柵的周期和取向角了。例如，650nm波長紅光以60°角入射，光的衍射角為10°、衍射方位角為45°，通過計算，對應的納米衍射光柵周期為550nm，取向角為-5.96°。

按照上述原理，將每一個納米光柵視為一個像素。該納米光柵的取向決定了光場角度調制特性，其周期決定了光譜濾波特性。該方法中納米光柵結構的周期(空頻)和取向在各亞像素之間的變化連續，即可實現光場的調控和變換。因此，在一塊波導器件上制作出多個按需設定的不同取向角和周期的納米光柵之后，就構成一個指向性導光板，理論上就可以獲得足夠多的不同視點，配合顏色和灰度的控制，就能實現多視角下的裸眼3D顯示。更進一步地，通過控制單個納米光柵像素的大小和納米光柵結構的漕深，可控制單個納米光柵像素單元的衍射效率，從而達到控制各角度出射光線光強的目的。優選地，可實現導光板各納米光柵像素出射光線強度均勻。

參見圖3，圖3是實現單個視點會聚的指向性導光板的納米光柵結構分布示意圖。其納米光柵結構相當于單個離軸菲涅爾結構，可以使圖像會聚于視點1。n×m個這樣的納米光柵組合構成了n×m個不同焦點的離軸菲涅爾結構。圖上納米光柵像素不限于矩形像素，也可以是圓形，菱形，六邊形等像素結構組成。圖上納米光柵像素亦可互相分立，適當設計納米光柵像素間距，可使之滿足準直光線在波導器件中全反射傳播的照明空隙要求。此外，通過調節圖上各納米光柵像素的像素大小、結構或槽深等結構參數依空間分布變化，可使各納米光柵像素點獲得理想的衍射效率，便于顯示芯片的均勻照明。

參見圖4(a)-(e)，圖4(a)-(e)是多種納米光柵像素結構示意圖。光柵結構可有單種材料組成，亦可由多種材料組成。可在波導器件表面，亦可嵌入導光板內部。圖4(a)、圖4(b)、圖4(d)、圖4(e)是兩種材質組合而成，圖4(c)是一種物質組成，圖4(b)、圖4(d)的結構也可以由三種物質組成。其本質是光學折射率在微納米尺度上隨空間變化，并可與光作用發生衍射效應。上述納米結構可以先制備于薄膜產品上，然后再與波導器件復合，或直接在波導器件上加工納米光柵結構，從而構成一種具有指向性功能的指向性導光板。單層的指向性導光板我們稱為波導器件單元。本發明提出的上述指向性導光板，其中納米光柵像素可以采用紫外連續變空頻光刻技術以及納米壓印進行制作，該紫外連續變空頻光刻技術參照申請號為CN201310166341.1的中國專利申請記載的光刻設備和光刻方法。需要指出的是，在本發明中，可以采用光刻方法在光滑表面刻蝕制作出各個不同指向的納米光柵，再做出能夠用于壓印的模板，然后通過納米壓印批量壓印出納米光柵構成的像素陣列，從而批量生產，大大降低成本。

為了克服前文所述的現有三維顯示技術的問題，所述波導器件由至少兩個波導器件單元上下緊密疊合而成，所有波導器件單元的出光面均面向同一個方向。

根據需要，波導器件可以由兩個、三個人、4個、或大于4個的波導器件單元疊合在一起構成多層(兩層及兩層以上)波導器件。

兩個波導器件單元上下疊加的情形如圖6所示，其由波導器件單元801、802上下疊合而成，其出光面均向上。

在實際應用中，可為所述波導器件加設光源；加設光源是為了實現三維顯示的一個前提，當然，不加光源的單層、兩層或多層波導器件單元組成的波導器件，也可以單獨生產，作為三維顯示產品的生產部件。

在實際應用中，可采用以下方案，光源的數量與光線耦合器件的數量一致，并一一對應光學連接；所述光源包括點光源、線光源或面光源，及一個光線準直器件，所述點光源、線光源或面光源通過光線準直器件與光線耦合器件光學連接；或光源為一個，所有光線耦合器件均設置在波導器件的同一側，這些光線耦合器件與光源之間設有一個光切換器件，并通過光切換器件切換某一個光耦合器件與光源進行光學連接，所述光源包括點光源、線光源或面光源，及一個光線準直器件，所述點光源、線光源或面光源通過光線準直器件與光切換器件光學連接。

圖7(a)和圖7(b)為兩層波導器件單元疊加的指向性導光板組及其照明光源控制示意圖。上下兩層波導器件單元801、802緊密疊合，并通過分頻的方式控制照明光源，實現雙導光板依次照明，即出光空間內出射光場按上下波導器件單元通過納米光柵結構控制的出射光場依次變換。如圖7(a)所示，每層波導器件單元由獨立的照明光源、光準直器件及光耦合器件控制。根據需要，照明光源可放置在各層導光板同側，亦可放置在異側。通過交替點亮各層導光板的照明光源可實現出射光場順序變換。而采用單一光源的示例如圖7(b)所示，各層指向性導光板由同一照明光源和光準直器件控制。光切換器件將照明光源交替切換至兩層指向性導光板，實現雙層指向性導光板的交替照明。以此類推，實現更多層指向性導光板的交替照明。

如圖8所示，上述結果在采用光源(點光源、線光源或面光源)來構建波導器件時，為了實現三維圖像的顯示，需要在波導器件的出光面一側設置空間光調制器3(比如液晶顯示器之類的平板或曲面顯示器)，所述空間光調制器3設置于波導器件最上方的一個波導器件單元的出光面上方；光源通過光線準直器件和光耦合器件耦合進波導器件，也即是導入波導器件，在全反射的作用下，光線在波導器件內傳播，納米光柵與光線發生衍射作用，使部分光線從各出光面逸出，出射光線角度與納米光柵周期、取向有關，出射光強效率與納米光柵的像素大小、結構深度有關，光源的光經過納米光柵后在波導器件出光面前方形成一個或多個會聚視點，空間光調制器放置在波導器件與人眼之間，空間光調制器進行光場灰度即振幅信息調制，并與納米光柵調制的光場相位信息匹配，最終在人眼前方投射出會聚波面，使人眼可以看到逼真的虛擬三維圖像。

在實際應用中，也可以用微型投影儀取代光源和空間光調制器，其結構如下：

每個波導器件單元均光學連接有一個光線耦合器件。

所述波導器件還包括微型投影儀，所述微型投影儀的數量與光線耦合器件的數量一致，并一一對應光學連接；或微型投影儀為一個，所有光線耦合器件均設置在波導器件的同一側，這些光線耦合器件與微型投影儀之間設有一個光切換器件，并通過光切換器件切換某一個光耦合器件與微型投影儀進行光學連接；微型投影儀通過光耦合器件耦合進波導器件上的波導器件，在全反射的作用下，光線在這個波導器件內傳播，波導器件上的納米光柵與光線作用發生衍射，使部分光線從波導器件出光面逸出，出射光線角度與納米光柵的周期、取向有關，出射光強效率與納米結光柵的大小、結構深度有關，出射光線經過納米光柵后在波導器件出光面形成會聚視點，微型投影儀通過點掃描或線掃描投影成像，其出射光強能夠隨時間或空間變化，微型投影儀通過掃描方式實現光場灰度即振幅信息調制，并與即波導器件納米光柵調制的光場相位信息匹配，最終在波導器件出光面前方空間投射出會聚波面，使人眼可以看到逼真的虛擬三維圖像。

參見圖8，圖8為本發明實施方式下的一種雙眼視差裸眼3D顯示方案圖。該方案由兩層用于控制相位的分頻式指向性導光板(即由兩層波導器件單元801、802構成的波導器件)和一個用于控制灰度顯示的快速響應空間光調制器3(如液晶面板等)組成。上層指向性導光板在出光面形成一個會聚視點，如右視點901。下層指向性導光板在出光面形成另一個會聚視點，如左視點902?？刂瓶臻g光調制器3以例如120Hz的頻率刷新輸出圖像信息，其圖像輸出為交替的左右眼視角圖像?？刂齐p層指向性導光板交替照明空間光調制器，即單層指向性導光板照明頻率為空間光調制器3刷新頻率一半(如60Hz)。控制空間光調制器3顯示頻率和雙層指向性導光板照明頻率，使上層指向性導光板照明時，右視點會聚光場被空間光調制器3輸出的右眼視角圖像信息調制，從而將右眼視圖投射至右眼觀察區域。相同地，下層指向性導光板照明時，左視點會聚光場被空間光調制器3輸出的左眼視角圖像信息調制，從而將左眼視圖投射至左眼觀察區域。通過該方法，在不降低圖像清晰度的前提下，可實現雙眼立體顯示。其優點為所需3D圖像格式與現有快門式3D顯示圖像格式兼容，易于普及和商業化。此外在制作上，納米光柵像素與空間光調制器像素無需對準，極大降低了制造難度。其優勢為視角更連續，3D體驗更佳，制作更簡便。當然，3層及3層以上波導器件單元構成的波導器件應用于雙眼3D顯示，也可以依據上述原理方便的推導出來，不再一一列舉。這種每層波導形單元成一個視點的實施例(即波導層數等于視點數的情況)，不需要匹配納米分頻式導光板和空間光調制器。

參見圖10，圖10是本發明實施方式下的另一種裸眼3D顯示方案圖。該方案由兩層用于控制相位的分頻式納米指向性導光板(圖中依然用雙層波導器件單元801、802構成的波導器件為例進行說明)和一個用于控制灰度顯示的快速響應空間光調制器(此處為液晶面板)組成。上層指向性導光板在出光面形成至少兩個會聚視點，圖中以兩個視點為例，如視點1001，1002。下層指向性導光板在出光面形成至少兩個會聚視點，圖中以兩個視點為例，如視點1003，1004?？刂埔壕姘逡岳?20Hz的頻率刷新輸出圖像信息?？刂齐p層指向性導光板交替照明液晶面板，即單層指向性導光板照明頻率為液晶面板刷新頻率一半(如60Hz)。同步液晶面板顯示頻率和雙層指向性導光板照明頻率，使上層指向性導光板照明時，液晶輸出圖像為與上層指向性導光板多視點(如視點1001，1002)對應的混合圖像，從而在相應視點(如視點1001，1002)顯示對應圖像。相同地，下層指向性導光板照明時，液晶輸出圖像為與下層指向性導光板多視角(如視點1003，1004)對應的混合圖像，從而在相應視點(如視點1003，1004)顯示對應圖像。通過該方法，既兼顧了圖像清晰度，又提供了更多視角信息，可實現良好的裸眼3D顯示效果。其優勢為視角更連續，3D體驗更佳。這個實施例中，每層導光板形成了兩個視點，每層形成視點數量超過了一個，則需要匹配分頻式指向性導光板和空間光調制器的相對位置。

參見圖9(a)和圖9(b)，圖9(a)和圖9(b)為指向性導光板(圖中依然用雙層波導器件單元801、802構成的波導器件為例進行說明)與空間光調制器3的結構匹配示意圖。當每層指向性導光板(波導器件單元，下同)形成至少兩個會聚視點時，指向性導光板上納米光柵像素與空間光調制器3的像素需對準匹配(如圖10所示實施例的情況)。當采用雙層或以上波導器件單元構建的波導器件時，以兩層為例，如圖所示，且以空間光調制器3控制圖像灰度信息為例，將其放置在雙層指向性導光板上方。其位置匹配關系為：兩層指向性導光板單個納米光柵像素的出射光線正好投射至空間光調制器3上的單個像素。即：設上層指向性導光板801的單個納米光柵像素801a出射光線投射至空間光調制器3上的區域為801b，則光線投射區域801a應位于空間光調制器3單個像素A內部；相應地，從下層指向性導光板802的納米光柵像素802a出射光線投射至空間光調制器3上區域為802b，則802b也應位于空間光調制器3單個像素A內部。考慮到單層指向性導光板的厚度，各層間距，以及單個納米光柵像素處出射光線的出射角度不同，應合理設計各納米光柵像素之間的距離，使其出射光正好經過對應的空間光調制器灰度控制像素。

參見附圖11(a)和圖11(b)，圖11(a)和圖11(b)為一種基于多層分頻式指向性導光板(即多層波導器件，圖中以四層波導器件單元801、802、803、804構成的波導器件為例進行說明)的裸眼3D顯示方案圖。多層導光板緊密疊合，并通過分頻的方式控制照明光源，實現各導光板依次照明，即出光空間內出射光場按各導光板通過納米光柵結構控制的出射光場依次變換。每層指向性導光板(波導器件單元)可由獨立的照明光源、光準直器件及光耦合器件控制。根據需要，照明光源可放置在各層導光板同側，亦可放置在異側。如圖11(a)所示，通過交替點亮各層導光板的照明光源可實現出射光場順序變換。或如圖11(b)所示，各層指向性導光板由相同照明光源和光準直器件控制。利用光切換器件將照明光源交替切換至各層指向性導光板，實現各層指向性導光板的交替照明。

參見圖13(a)、圖13(b)，圖13(a)，圖13(b)為分頻式納米結構功能薄膜的控制電路原理框圖。如圖13(a)所示為上述圖11(a)結構的控制電路原理框圖。脈沖發生電路產生周期性脈沖信號。該脈沖信號通過分頻電路，控制照明電路，從而實現點/線光源的交替通斷和各層指向性導光薄膜的交替照明。同時，分頻電路控制空間光調制信號的刷新頻率，實現輸出圖像刷新頻率與多層指向性導光薄膜照明頻率的匹配。如圖13(b)所示為上述圖11(b)結構的控制電路原理框圖。脈沖發生電路產生周期性脈沖信號。該脈沖信號通過分頻電路，控制光切換器件，從而實現各層指向性導光薄膜的交替照明。同時，分頻電路控制空間光調制信號的刷新頻率，實現輸出圖像刷新頻率與多層指向性導光薄膜照明頻率的匹配。

如圖13(a)所示為上述圖11(a)結構的分頻控制裝置，所述分頻控制裝置包括：

分頻電路，用于生成周期性控制信號；

脈沖發生電路，用于生成基準脈沖信號，與分頻電路的輸入端連接，將基準脈沖信號發送給分頻電路，從而調整周期性控制信號的頻率；

圖像刷新控制電路，其輸入端與分頻電路的一輸出端連接，輸出端與空間光調制器的一輸入端連接，用于控制空間光調制器的刷新頻率與光源的切換頻率同步；本實施例中光源與光線耦合器件的數量一致，所述分頻控制裝置根據分頻電路的周期性控制信號，按照設定的頻率周期性依次啟閉各光源對各層可視鏡片單元的依次照明。

脈沖發生電路產生周期性脈沖信號。該脈沖信號通過分頻電路，控制照明電路，從而實現點/線光源的交替通斷和各層指向性導光薄膜的交替照明。同時，分頻電路控制空間光調制信號的刷新頻率，實現輸出圖像刷新頻率與多層指向性導光薄膜照明頻率的匹配。

當光源為一個時，如圖13(b)所示，所述分頻電路的另一輸出端連接光切換器件，控制光切換器件按照設定的頻率周期性依次切換光源對各層可視鏡片單元的依次照明；圖13(b)所示為上述圖11(b)結構的分頻控制電路原理框圖。脈沖發生電路產生周期性脈沖信號。該脈沖信號通過分頻電路，控制光切換器件，從而實現各層指向性導光薄膜的交替照明。同時，分頻電路控制空間光調制信號的刷新頻率，實現輸出圖像刷新頻率與多層指向性導光薄膜照明頻率的匹配。

參見圖12，圖12為一種基于圖11(a)或圖11(b)所示的多層分頻式指向性導光板的裸眼3D顯示方案圖(即多層波導器件)。多層導光板(即多個波導器件單元，圖中以4個波導器件單元801、802、803、804疊加為例)緊密疊合，并通過分頻的方式控制照明光源，實現各導光板依次照明，即出光空間內出射光場按各導光板通過納米光柵結構控制的出射光場依次變換。在分頻式指向性導光板組的出光面匹配快速響應的空間光調制器3，如液晶面板。對于任何一層納米指向性導光板，如其出射光形成單個會聚視點，則該層導光板不需要與空間光調制器的像素一一匹配。如其出射光形成多個會聚視點，則該層指向性導光板單個納米光柵像素的出射光線需正好投射至空間光調制器上與之對應的單個像素。同步空間光調制器輸出圖像信息，圖像刷新頻率，以及各層指向性導光板的照明頻率，使影像合理投影至相應視點。通過該方法，既兼顧了圖像清晰度，又提供了更多視角信息，可實現良好的裸眼3D顯示效果。其優勢為視角更連續，3D體驗更佳。

據此，本發明還提供一種三維顯示裝置，包括上述波導器件的一種。

綜上所述，本發明公開了分頻法多層納米指向性導光板(兩層及兩層以上波導器件單元疊加構成的波導器件)以及使用該方法實現的裸眼3D顯示裝置。在本發明中，利用分頻的方法增加了單個顯示芯片輸出圖像信息量(振幅信息量)，利用多層指向性導光板疊加的方式增加了輸出的相位信息量，通過兩者結合實現了兼顧3D深度體驗和二維圖像畫質的三維顯示。利用該方法實現的裸眼3D顯示具有清晰度高、與現有3D圖像格式兼容、3D體驗效果好的特點。

本發明提出的分頻式指向性納米導光結構，即2層及2層以上的含納米光柵結構的波導器件單元構成的波導器件。照明光源耦合進入波導器件單元(也稱為指向性導光板)。在全反射的作用下，光線在指向性導光板內傳播。指向性導光板包含有一組像素式納米結構，與光線作用發生衍射，使部分光線從指向性導光板出光面逸出。出射光線角度與納米結構形狀(周期、取向)有關。出射光強效率與納米結構的像素(即納米光柵)大小、結構深度有關。因此，通過設計特定納米結構，可在指向性導光板出光面形成一個或多個會聚視點。將至少兩層指向性導光板互相疊合，合理設計多層指向性導光板上的納米結構，可在疊合的多層指向性導光板上方形成更多會聚視點，或增加單個會聚點的像素數，達到增加顯示信息量的目的。

所述指向性導光板含有納米像素結構，分別對應單個或多個視角圖像像素，其像素含有按照全息原理設計的納米結構組合，其納米結構像素陣列的功能是在指向性導光板出光空間形成單個或多個會聚光場。多層指向性導光板緊密疊合，并通過分頻的方式控制照明光源，實現各導光板依次照明，即出光空間內出射光場按各導光板設計依次變換。更進一步地，合理放置快速響應空間光調制器，使多層指向性導光板上各納米結構像素出射光線與液晶像素一一匹配?？刂聘鲗又赶蛐詫Ч獍逭彰鞴庠矗蛊浒磿r間順序依次照明指向性導光板。使出射光場角度分布及時序與空間光調制器輸出圖像信息及時序匹配，即可通過分頻方法，增加單個空間光調制器顯示信息量。通過分頻的方法，在緊湊空間內增加了顯示信息量，提高了三維顯示體驗效果。并減少了三維顯示對空間光調制器像素數的要求，降低了裝置成本，為其大規模應用生產提供可能。

上述實施例中，可以根據需要，在所述波導器件設置分頻控制器，當波導器件中沒有設置光切換裝置時，所述分頻控制器直接控制各波導器件單元的光源的開啟或關閉，從而實現各層波導器件單元的依次照明；當波導器件中設置有光切換裝置時，所述分頻控制器控制光切換裝置，通過控制光切換裝置切換各波導器件單元與光源的光學連接的連通或斷開，從而實現各層波導器件單元的依次照明。當然也可以在光源或光切換裝置中直接植入頻率控制單元，比如，光源中的頻率控制單元可以設置光源的第一次開啟的時間點(或延時)，以及開閉的頻率，各光源的頻率控制單元可以共用一個統一的時間軸，甚至基準頻率脈沖，這樣可以更加精確的控制各電源按照均勻的頻率間隔，依次對對應的波導器件單元進行照明；而光切換裝置中的頻率控制單元，則控制切換電路按照設定頻率依次切換各波導器件單元與光源直接的連接。

本發明具有以下優點：

1)本發明中涉及的分頻式指向性導光板，利用分頻的方法增加了單個顯示芯片輸出圖像信息量(振幅信息量)，利用多層導光板疊加的方式增加了輸出的相位信息量，通過兩者結合可實現兼顧3D深度體驗和二維圖像畫質的三維顯示。該方法的本質是利用時間信息換取空間信息。通過提高顯示頻率增加顯示信息量，該顯示信息量可以用于多視角的視差三維顯示，易可用于多焦點多景深的深度三維顯示，還可用于多視角多焦點混合的真三維顯示領域。

2)與現有3D圖像格式兼容。發明實施方式下的雙眼視差裸眼3D顯示方案，其圖像輸出要求為左右視角圖像交替輸出。該圖像格式與現有快門式3D顯示圖像格式兼容，易于普及和商業化。

3)指向性導光板在觀察視窗形成視點陣列，所述多個像素陣列的視點成任意曲面、曲線或點陣分布。本專利涉及的波導器件利用衍射光學原理實現光場變換，自由度大?？筛鶕脠鼍皩崿F特殊觀察視窗，如展館中的環繞式顯示等。形成對比的，基于幾何光學實現的雙眼視差顯示方式，如視障法、微柱透鏡法等，只能實現單一方向上(如水平方向等)的視點分布，觀察視窗局限性大。

4)所述多個像素陣列的視角范圍在正負90度之間。本專利涉及的波導器件利用衍射光學原理實現光場變換，具有觀察視角大的特點。形成對比的，基于幾何光學實現的雙眼視差顯示方式，如視障法、微柱透鏡法等，只能實現較小視角范圍內的三維顯示，觀察視角受限。

5)在本發明中，既可以采用納米光刻方法在薄膜表面刻蝕制作出指向性納米光柵，也可通過該納米光刻方法先制作出能用于壓印模板，再通過納米壓印批量復制，以降低屏幕成本。

該專利所涉及的波導技術，可應用到裸眼3D顯示、防窺顯示等領域，在諸如3D電視、3D手機、3D手表、3D互動桌面、3D廣告(如圖14/15/16)等領域有廣泛應用前景。

圖14是本發明應用于交通駕駛的示意圖，將本發明的波導裝置貼合在擋風玻璃上，用于顯示虛擬圖像(圖中示例的是“600米后文星路”的圖文提示和實際路面上的右轉行駛標識)，該虛擬圖像通過焦距的調整，準確的投影到與實景匹配的位置，使虛擬圖像和現實景物有機的融合到一起，自然且準確，實現現實增強顯示，可有效避免現有車載導航系統中，視覺場景切換導致的交通事故。

圖15是本發明應用于家庭影音娛樂領域的示意圖，采用本發明的波導裝置制作的裸眼3D電視，可獲得近乎于身臨其境的視覺體驗，又大大減輕視覺疲勞的癥狀。

圖16是本發明應用于商務會議領域的示意圖，采用本發明的波導裝置嵌入茶幾、辦公桌、餐桌等，獲得栩栩如生的3D桌面顯示，真實而生動的展示需要討論的產品或文案，相比于傳統的ppt，更具直觀的優勢。對于大型設備展示來說，更是如此。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。