JP6513199B2 - 裸眼３ｄレーザー表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、2015年12月22日に中華人民共和国国家知的所有権庁に提出された「肉眼３Ｄレーザー表示装置」と題した中国特許出願第201510969723.7号の優先権を主張し、これは参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、レーザー表示の分野に関し、特に、裸眼３Ｄ表示を実現することができるレーザー表示装置に関する。

発明の背景

視差の原理は100年以上前に発見されている。裸眼３Ｄ表示プロトタイプは、国内外の企業で実証されているが、視差原理に基づく裸眼３Ｄ表示装置は、画像分解能が低く、視覚疲労が発生しやすいため家電製品の分野には実際には参入していない。視差原理には、パララックスバリア方式、マイクロコラムレンズ方式、指向性バックライト方式がある。視差バリアスクリーンまたはマイクロコラムレンズプレートは、液晶表示（LCD）の表面を覆い、異なる視野の画像に対して角度分離を達成する。光学理論に基づいて、画像は、光源拡散のために異なる空間の視点でユニークではない。したがって、人間の目が３Ｄ画像を観察するときに視覚疲労を起こしやすい。

中国特許出願CN20101058659.4では、フレキシブルなスリット格子による２Ｄ/３Ｄスイッチングが提供されているが、表示効果は観察位置によって大きく影響される。中国特許出願CN201320143064.8では、2つの投影レンズと指向性３Ｄ光学構造を使用して裸眼３Ｄ表示を実現する３Ｄ指向性バックライト画像形成システムが提供されている。特許出願US20050264717A1には、液晶表示を有する３Ｄ表示装置および方向性バックライトモジュールが開示されており、これは、瞬間的に左右のバックライト光源をオンおよびオフに切り替え、特定の遠近範囲に焦点を合わせ、光交互投影によって３Ｄ画像を形成する。この指向性のバックライト技術では、画像の解像度は高いが、1人の人しか見ることができない。中国特許出願CN201410187534に記載されている。 Xには、タイミングシーケンスの1つ以上のLED光源、凸レンズ、ポリゴンプリズム、および視差バリアを使用し、多視点３Ｄ表示を実現する裸眼３Ｄバックライトモジュールが提供される。しかし、バックライト構造の設計や精密加工精度は技術的に困難であり、軽いクロストークが発生しやすい。したがって、提案された指向性バックライト方式に基づく裸眼３Ｄ表示装置の実際のサンプルまたは製品は存在しない。

ドットマトリクスホログラフィは、大きな見通しを提供し、情報の量を減らすことができるが、ドットマトリクス格子画素の製造はこの技術によって制限されている。中国特許出願CN201310166341.1には、連続的に変更可能な空間周波数機構が、ナノ格子画素に基づいて静的なカラフルな立体画像を直接印刷する三次元画像の印刷方法およびシステムが開示されている。最近では、指向性バックライト表示技術と指向性照明技術を組み合わせて３Ｄ表示を実現する新しい技術が登場している。しかし、指向性バックライトを設計、製造することは困難であり、製造コストが高い。

ホログラムは、視覚疲労を生じることなく真の3次元情報を再現することができる振幅及び位相情報を有する画像である。三次元効果は観察者からの距離とは無関係である。ホログラフィック表示の原理は以下のように要約できる。3次元仮想画像または3次元実像をホログラムによって空間内で再現することができ、ホログラム上の各点は空間の全方向に情報を伝達し、その空間内の各観測点で全体像を見ることができる。換言すれば、画像情報は明視野を伝搬して観測点に収束する。したがって、空間内の異なる観測点では、画像を互いに干渉することなく異なる視点で見ることができる。しかしながら、記録材料の制限、ホログラムの情報量及び技術的プロセスのために、ホログラフィック表示の工業的応用は何十年も達成されていない。

動的なカラフルな３Ｄ表示は、大きな遠近法を有し、モバイル表示に適したホログラフィック導波路バックライト構造によって実現され得る。中国特許出願CN201410852242.3では、ナノ画素格子からなる多層指向性導光構造を用いて動的3次元表示を実現するための解決策が記載されている。特許出願US20140300960A1には指向性を有するバックライト構造が提供され、それは、画素化された格子を用いて出射光の場の分布を変調し、R、G、Bの光を六角形または三角形の導波路構造を介して結合して、色光の指向性を有する変調を実現している。特許出願US20140293759A1では、画素化された格子構造を使用してライトフィールドを変調し、LCD画像をリフレッシュして、３Ｄ表示が達成される多視点３Ｄ腕時計構造が提供される。同様に、六角形または三角形の導波路構造は、カラフルな表示を達成するためにR、G、Bの光を結合する。しかしながら、上記特許出願では、現在の主流表示モードに適用することが困難な六角形または三角形の導波管構造が採用されており、特にスマートフォンの矩形表示に適用することが困難であり、大きな大規模な工業生産には不利である。

Hewlett-Packard 会社の特許出願WO2014 / 051624 A1では、多視点表示を実現するために、ハイブリッドレーザー導波路アレイと一体化された指向性バックライトが開示されている。導波路アレイは、赤色、緑色および青色の光を結合するために採用され、光は、画素化された格子を介して指向的に輸出される。この方法でカラフルな３Ｄ表示を実現することは可能であるが、マルチ導波路アレイにより画像解像度が大幅に低下し、指向性バックライト構造の製造プロセスの精度要求が高い。

レーザー表示は、赤、緑、青の光スポットを用いてスクリーン上を走査して画像を形成するものである。広色域、高輝度、および幅広さを備えたレーザー表示は、将来大型表示を実現する重要な方法である。しかし、現在のところ、レーザーベースの裸眼３Ｄ表示ソリューションはない。このため、視覚疲労がなく、色域が広く、輝度が高く、幅が広い裸眼立体表示装置が急務となっている。
概要
上記に鑑み、ホログラフィック原理に基づく裸眼３Ｄレーザー表示装置が提供される。裸眼３Ｄレーザー表示装置は、ナノ格子構造を含む指向性投影スクリーンを含み、視覚的疲労がなく、高輝度、広色域、及び組み合わせによる大きな幅を有する裸眼３Ｄレーザー表示装置特定の光源の照明とレーザー表示技術との関係裸眼３Ｄ表示装置は、ナノ格子画素アレイを含む指向性投影スクリーンを含む。スクリーン上の多視点画像は、レーザー光源の走査（投影）によって提供される。画素内のナノ格子の周期と配向角との関係は、ホログラフィック原理を満たす。ナノ格子画素アレイは、入射視点画像に対して波面変換を行う。平行光または発散光は収束してスクリーンの前の空間に収束したビューポイントを形成する。多視点画像は、レーザー走査（投影エンジン）によって提供され、したがって、変調（走査または投影）を投影レーザービーム上で直接実行することができ、多視点画像の画素は、指向性投影スクリーン上のナノ格子画素に対応してもよい。本質は、透視情報が位相ビューポイントに変換され、異なる視点からの画像が集束光フィールド（多ビューポイント）のグループを形成し、水平ウィンドウを形成し、異なる視点からの画像間のクロストークを回避するホログラフィック波面変換を通じて画像を形成する。したがって、窓の近く、前または後ろを観察している間に視覚疲労が発生せず、現実的な立体画像が見えることがある。

本開示の目的に従って提供される裸眼３Ｄレーザー表示装置は、指向性投影スクリーン、レーザー光源、および3つの赤/緑/青単色レーザー光源を含む。複数のナノ格子構造が指向性投影スクリーンの発光面上に配置され、複数のナノ格子構造が複数のナノ格子画素配列を構成し、複数のナノ格子構造が異なる周期および配向角を有する。レーザー光源は多視点画像画素を提供し、多視点画像画素は指向性投影スクリーン上の複数のナノ格子画素アレイと一致する。3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源は、対応する標的ナノ格子に異なる角度から入射光を放出し、標的ナノ格子からの赤色、緑色及び青色光は、指向性投影スクリーンによって一方の放出方向1つの空間ビューポイントとし、視点画像の画像形成により収束ビューポイントを形成する。異なるグループの複数のナノ格子画素アレイは異なる水平収束視点位置を有し、指向性投影スクリーン、レーザー光源、3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源は、直接的な空間変調を介して組み合わせて動作し、立体画像表示を実現する。

好ましくは、対応する一つのナノ格子に入射する単色レーザー光源の入射角は互いに異なっている。赤色単色レーザー光源の入射角は緑色単色レーザー光源の入射角よりも大きく、緑色単色レーザー光源の入射角は青色単色レーザー光源の入射角よりも大きい。 3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源の入射角度および位置は、格子方程式およびホログラフィック画像形成式に従って計算される。

好ましくは、複数のナノ格子画素アレイのビューポイントは、連続的かつ水平的に分布される。

好ましくは、異なる方向を有するナノ格子構造は、フォトエッチングによって指向性投影スクリーンの表面上にエッチングされるか、またはインプリント用テンプレートを使用して、ナノインプリントによってナノ格子構造がバッチでインプリントされる複数のナノ格子画素アレイを形成する。

好ましくは、レーザー光源は、平面の中心をX軸方向のゼロ位置として採用する。 YZ平面では、3つの光源がY軸方向に同じ位置にあり、Z軸方向に異なる位置にある。複数の視ビューポイントにそれぞれ対応し、複数のビューポイントのそれぞれが1つの画像に対応し、複数のビューポイントのそれぞれに対応する各画像は、3色のRBGまたは他の3色に基づく3つの単色画像に分割される。レーザー光源は、指向性投影スクリーン上の単色画像を2回以上走査する。その色はパースペクティブに対応する。異なる波長を有する3つの単色レーザー光源は同期して走査し、各単色レーザー光源は2回以上走査する。指向性投影スクリーンは、3つの単色レーザー光を収束させ、カラフルな立体画像表示を実現する。

好ましくは、ナノ格子構造の周期および配向角は、以下を満たす格子方程式に従って計算される。

θ1及びφ1はそれぞれ回折光の回折角及び方位角、θ及びλは単色レーザー光源の入射角及び波長、φは多重ナノ粒子の周期及び配向角nは媒質中の光波の屈折率を表す。

好ましくは、指向性投影スクリーンは、入射モードで透過型または反射型ベースとして選択される。

好ましくは、反射型の指向性投影スクリーンは、透過型の指向性投影スクリーンの表面に金属をメッキすることによって形成される。

好ましくは、指向性投影スクリーンは透過型であるように選択される。赤色光、緑色光及び青色光は、指向性投影スクリーンの背面の同じ位置から入射し、指向性投影スクリーンの前面に配置されたナノ格子を通過し、同じ回折角を有する出射光を形成する。

好ましくは、指向性投影スクリーンは、反射型であるように選択される。赤色、緑色及び青色の光は、指向性投影スクリーンの前面の同じ位置から入射し、指向性投影スクリーンの前面に配置されたナノ格子画素を通過し、同じ回折角を有する出射光を形成する。

好ましくは、指向性投影スクリーンを透過型に選択する場合、レーザー光源は、XZ平面内でX軸方向にゼロ位置にあり、3つの光源は同じ位置にあるYZ平面におけるZ軸の負方向の異なる位置に配置され、指向性投影スクリーンを反射型に選択した場合、レーザー光源はXZ平面内のX軸方向のゼロ位置にあり、3つの光源はY軸方向の同じ位置にあり、 YZ平面内のZ軸の正方向の異なる位置に配置されている。

従来技術と比較して、本開示は以下の利点を有する。

（1）指向性投影スクリーンは、ナノ格子画素アレイを含み、波面変換によって画像形成を行う。レーザーによってスクリーン上に投影される多視点画像は、収束機能を有する波面に変換される。指向性投影スクリーンは、画像上で波面変換を実行し、収束多ビューポイントを形成する。波面（ビューポイント）は、空間波面によって運ばれる位相（遠近法）および振幅（画像）情報の独立した伝播のために互いに干渉しない。人間の目が観察すると、視覚疲労は発生せず、視覚を保護する観察者の位置に立体感は関係しない。空間情報（位相）変調は、指向性投影スクリーンによって提供され、レーザー光源の走査（投影）によって透視画像情報（振幅）変調が提供される。これら2つの変調の組み合わせは、ホログラフィック表示のためのすべての情報を提供する。また、３Ｄ画像の観察可能な視点は、ナノ構造のために150度以上であり得る。

（2）赤、緑及び青のレーザーの光スポットは、異なる視点から同じ画素アレイ上に投影される。ナノ格子画素アレイの空間多重化により、赤色、緑色および青色の遠近法画像が緊急面上で合成される。このようにして、色の画素分解を行わずに、透視画像に対してサブ画素アレイ分解のみが必要となる。３Ｄ表示解像度が維持され、３Ｄ画像の色の組み合わせが達成される。

（3）指向性投影スクリーン上のナノ格子画素アレイの関係は、ホログラフィック原理を満たし、指向性投影スクリーン上の光の波面変換及び結像は、従来のレーザー表示。したがって、本開示のナノ格子スクリーンは、レーザー表示のスペックル効果を低減し、高輝度、広幅および広色域の利点を保持する。

（4）指向性投影スクリーンを画素化し、スクリーン解像度に応じて1つの画素のサイズを調整し、２Ｄ / ３Ｄ切り替えを実現する。多視点画像はそれぞれ指向性画素に対応し、３Ｄ画像表示が達成される。多視点画像ではなく単一視点画像では、２Ｄ表示が達成される。画素のサイズは非常に小さくてもよく、表示スクリーンの２Ｄ画像解像度には影響しない。

（5）指向性ナノ格子は、ナノリソグラフィを用いて膜表面をエッチングすることにより製造することができる。任意選択的に、指向性ナノ格子は、ナノリソグラフィによって作製されたインプリンティングのためのテンプレートを使用して、ナノインプリンティングによってバッチで製造することができ、それによりスクリーンのコストを低減する。

（6）指向性投影スクリーンは、透過型であってもよいし、反射型であってもよい。反射型のスクリーンは、透過型のスクリーンの表面に金属をメッキすることによって達成することができる。

（7）指向性投影スクリーンは、各視点からの画像の収束画像形成の機能を有し、それによって形成される収束ビューポイントが、光フィールドまたは水平に配置されたウィンドウを形成する。

（8）方向性投影スクリーンにおけるナノ格子の周期、方位角及び方位角は、ホログラフィック原理及び格子方程式に従って計算することができる。赤色光、緑色光及び青色光の入射角は、格子式に基づいて計算することができ、赤色光、緑色光及び青色光の位置は、ホログラフィック画像形成式に従って計算することができる。これらの計算は便利で正確である。

以下、本発明の実施形態の説明に用いる図面を簡単に説明することにより、本開示の技術的解決策がより明確になるであろう。以下の説明における図面は、本開示のいくつかの実施形態のみを示すことは明らかである。当業者であれば、これらの図面に従って、創造的な作業なしに他の図面を得ることができる。
図1は、XY平面内の指向性投影スクリーン上の画素内のナノ格子の構造図である。 図2は、XZ平面における図1の指向性投影スクリーン上の画素内のナノ格子の構造図である。 図3は、本開示の一実施形態によるYZ平面における透過型の指向性投影スクリーンモジュールの構造図である。 図4は、本開示の一実施形態によるYZ平面における反射型の指向性投影スクリーンモジュールの構造図である。 図5は、本開示によるXZ平面におけるレーザー走査透過型の指向性投影スクリーンモジュールによって形成された３Ｄ表示装置の構造図である。 図6は、本開示によるXZ平面におけるレーザー走査反射型の指向性投影スクリーンモジュールによって形成される３Ｄ表示装置の構造図である。 図7は、本開示に係るレーザー走査透過型の指向性投影スクリーン装置におけるレーザー光源の位置を示す図である。 図8は、本開示によるレーザー走査反射型の指向性投影スクリーン装置におけるレーザー光源の位置の図である。 図9は、多視点指向性投影スクリーン上のナノ格子の構造図である。 図10は、N×N個の2次元平面に分布した画素アレイのビューポイントの図である。 図11は、単一透視収束を実現する指向性投影スクリーンのナノ構造の分布を示す図である。 図12は、指向性投影スクリーンの矩形画素に対応する液晶スクリーン内のR、G、Bサブ画素のサイズを示す図である。 図13は、裸眼３Ｄ表示装置のレーザー走査エンジンの図である。

背景技術で説明したように、従来技術のレーザーをベースとする裸眼３Ｄ表示装置は存在しない。従来の３Ｄ表示装置では、低解像度、光のクロストーク、製造コストが高く、大量生産が困難であるなどの技術的課題がある。

本開示の具体的な技術的解決策を以下に詳細に説明する。

図1〜図2を参照すると、X-Y平面およびX-Z平面におけるナノメートルの回折格子がそれぞれ示されている。格子式によれば、回折格子画素101の周期と方位は次の関係を満たす。

光はXY平面にある角度で入射する。θ1、φ1はそれぞれ回折光の回折角（回折光とz軸の正の方向とのなす角）、方位（回折光とx軸の正の方向とのなす角）（入射光とz軸の正の方向とのなす角）と光源201の波長をそれぞれ示し、周期と方位角（溝に沿った方向とy軸の正の方向とのなす角）nは媒質中の光波の屈折率である。換言すれば、入射光の波長と入射角、回折光の回折角及び方位角が決定されると、上記の2つの式に従ってナノ格子の周期及び方位角を計算することができる。例えば、波長650nmの赤色光が60度入射し、回折角が10度、回折光の方位角が45度、ナノ格子の対応する周期が550nmである場合、計算によれば、ナノ格子の方位角は-5.96度である。したがって、ナノ格子の周期、方位角および方位角は、ホログラフィック原理および格子方程式に従って計算される。

上記の原理によれば、各ナノ格子は画素とみなされる。必要に応じて異なる配向角および周期を有する複数のナノ格子がスクリーン表面上に製造される。理論的には、十分なビューポイントを得ることができ、色およびグレーコントロールと共に、多視点からの裸眼３Ｄ表示を達成することができる。複数の画素アレイの遠近領域は、プラス90度とマイナス90度の間にある。

しかしながら、上記のナノ格子を有するスクリーンをレーザー表示モジュールに適用した後、異なる波長を有する光源は、ナノ格子の異なる周期に対応する。同じ方向性投影スクリーンモジュールの場合、3つの異なる波長を有するR、G、B光源が同じ角度で入射する場合、R、G、およびB光の回折角は、R、G、Bの光は同じ焦点にはない。しかしながら、カラフルな画像形成は、RGB（または他の3色）の3つの色の組み合わせに依存する。これは、3つの色を有する光源が1つの指向性投影スクリーンモジュールで使用される場合、3つの色を有する光源は、異なる角度を有する対応するナノ回折格子画素に入射されなければならないことを意味する。

上記の技術的課題に対処するために、RGB（または他の3色）の3色の光が1つの指向性投影スクリーンモジュールを通過した後に、同じ回折角および同じ空間的ビューポイントが形成される。この開示では、RGBの3色の光（または他の3色）が特定の角度および位置で指向性投影スクリーンに入射し、異なる波長の光フィールドが同じ位置を有するビューポイント（収束点）を形成する。異なる波長を有するRGB光がスクリーンの同じ位置に投影され、３Ｄ画像のカラフルな組み合わせが、ナノ格子の空間多重化によって達成される。入射角は、入射光と指向性投影スクリーンが位置する平面の法線とのなす角であり、入射角の範囲は0°〜90°である。

本開示の一実施形態によるYZ平面内の透過型の指向性投影スクリーンモジュールの構造図である図3を参照する。指向性投影スクリーンモジュールは、ナノ回折格子画素を有する指向性投影スクリーン306と、赤色光源301と、緑色光源302と、青色光源303とを含む。3つの光源は、Z軸方向の異なる位置にあるYZ平面。赤色光源301、緑色光源302および青色光源303の光は、指向性投影スクリーン306上のナノ回折格子画素305に入射角が異なるように入射し、ナノ格子画素305によって透過および回折される同じ回折角を有する回折光路304を形成する。

図4を参照して、本開示の実施形態によるYZ平面における反射型の指向性投影スクリーンモジュールの構造図が示される。指向性投影スクリーンモジュールは、ナノ回折格子画素を有する指向性投影スクリーン306と、赤色光源401と、緑色光源402と、青色光源403とを含む。3つの光源は、YZ平面のZ軸方向の異なる位置にある。赤色光源401、緑色光源402及び青色光源403の光は、指向性投影スクリーン306上のナノ回折格子画素305に入射角が異なるように入射され、ナノ格子画素305によって反射回折される同じ回折角を有する回折光路404を形成する。

図5を参照して、本開示によるXZ平面内のレーザー走査透過型の指向性投影スクリーンモジュールによって形成された３Ｄ表示装置の構造図を示す。３Ｄ表示装置は、上述したようなナノ格子画素を有する指向性投影スクリーン306と、RGB（または他の3色）の3つの光源（図示せず）とを含む。レーザー光源は、X軸方向のゼロ位置にある（平面の中心をゼロ位置として取る）。YZ平面では、3つの光源がY軸方向の同じ位置にあり、Z軸の負の方向（正の方向が射出面に垂直であり、観察方向を指す）の異なる位置にある）。

同図に示すように、指向性投影スクリーン306上の画素501a〜501c、502a〜502c、503a〜503c、504a〜504cは、それぞれビューポイント1、ビューポイント2、ビューポイント3、ビューポイント4に対応する。これにより、4つの視点からの画像のビューポイントが、それぞれのビューポイントが1つの画像に対応するように、互いに分離することが可能になる。各ビューポイントに対応する画像は、3色のRBG（または他の3色）に基づく3つの単色画像に分割される。図5に示すように、単色レーザー光源510は、指向性投影スクリーン306上の各視点から、対応する色の単色画像を4回走査する。例えば、画素501a〜501c、502a〜502c、503a〜503cおよび504a-対応するビューポイント1、ビューポイント2、ビューポイント3、ビューポイント4の回折光を透過させて生成し、4つの視点からの立体モノクロ画像を形成する。波長の異なる3つのレーザー光源（図示せず）が同時に走査され、1つの色に対応する各レーザー光源が4回走査され、指向性投影スクリーンの収束後に空間にカラフルな立体画像が表示される。一般的には、表示スクリーンのサイズが55インチ、視距離が3m、人間の目に要求される解像度が満たされ、単一画像の画素サイズが800umであると仮定することが実際的である。現在、従来技術では20μm画素を製造することができる。したがって、1600ビューポイントの投影を理論的に行うことができ、現実的な立体画像を形成することができる。さらに、ナノ格子の周期は430nmであり、像の拡散範囲は150度またはそれ以上に達することができる。格子式によれば、ナノ格子の周期の範囲は430nmから650nmである。図中のビューポイントの数は4に限定されず、8,16以上であってもよい。立体画像の連続的な変化を達成し、観察のより大きなビューポイントを達成するために、より多くの視点が採用されてもよい。

本開示によるXZ平面におけるレーザー走査反射型の指向性投影スクリーンモジュールによって形成される３Ｄ表示装置の構造図である図6を参照する。 ３Ｄ表示装置は、上述したようなナノ格子画素とRGB（または他の3色）の3つの光源（図示せず）とを有する指向性投影スクリーン306を含む。レーザー光源は、X軸方向にゼロ位置にある（平面の中心をゼロ位置として取る）。 YZ平面では、3つの光源は、Y軸方向に同じ位置にあり、Z軸の正の方向に異なる位置にある。同図に示すように、指向性投影スクリーン306上の画素601a〜601c、602a〜602c、603a〜603c、604a〜604cは、それぞれビューポイント1、ビューポイント2、ビューポイント3、ビューポイント4に対応する。これにより、4つの視点からの画像を互いに分離することができ、各ビューポイントは1つの画像に対応する。各ビューポイントに対応する画像は、3色のRBG（または他の3色）に基づく3つの単色画像に分割される。図6に示すように、単色レーザー光源610は、指向性投影スクリーン306上の各視点から、対応する色の単色画像を4回走査する。例えば、画素601a〜601c、602a〜602c、603a〜603cおよび604a対応するビューポイント1、ビューポイント2、ビューポイント3、ビューポイント4の回折光が反射によって生成され、4つの視点からの立体モノクロ画像が形成される。異なる波長の3つのレーザー光源（図示せず）が同時に走査され、各色に対応するレーザー光源が4回走査され、指向性投影スクリーンの収束後に空間にカラフルな立体画像が表示される。図中のビューポイント数は4に限定されず、8,16以上であってもよい。立体画像の連続的な変化を達成し、観察のより多くのビューポイントを達成するために、より多くの視点が採用されてもよい。

図7を参照して、それは本開示に係るレーザー走査透過型の指向性投影スクリーン装置におけるレーザー光源の位置を示す図である。格子方程式によれば、格子を通過する異なる波長の光の回折角が異なる。同時期に、赤色光の回折角が最も大きく、緑色光の回折角が赤色光の回折角よりも小さく、青色光の回折角が最も小さい。従って、指向性投影スクリーン306を通過する3色の光を同じ方向に収束させるためには、格子式およびホログラフィック画像形成式に基づいて赤色、緑色及び青色レーザー光源の入射角度及び位置を算出する必要がある。

入射角度は格子方程式に基づいて計算されてもよく、位置はホログラフィック画像形成式に基づいて計算されてもよい。赤色光701（入射角が大きい）、緑色光702（中程度の入射角）、青色光703（入射角が小さい）の3色の光は、指向性投影スクリーンの前面705に分布されたナノ格子画素を通過した後に同じ回折角を有する出射光706を形成する。例えば、波長650nmの赤色光701、波長532nmの緑色光702、波長450nmの青色光703が中心位置A（0,0,0）に異なる角度で入射する）。出射光の出射角を同じにするためには、例えば、出射光をB（0,0,3m）の位置に透過させるために、入射光の入射角（入射光と赤色光701の入射角を60度とし、緑色光702及び青色光703の入射角は、それぞれ式に応じて45.1度及び36.8度と算出することができ、画素格子の方位角（格子線の方向とx軸のなす角）はそれぞれ500nmと0度である。また、指向性投影スクリーン306を通過した後、異なる波長の光が同じ位置に収束することを考慮して、赤色、緑色、青色レーザー光源の位置はホログラフィック画像形成式を満足しなければならない。

スクリーン上にナノ格子によって形成されたオフアクシスフレネルホログラフィックレンズの複数のグループを通して、長波長光の結像位置は遠く、短波長光の結像位置は近くにある。赤色光701のレーザー光源からスクリーンまでの距離は小さく、緑色光702のレーザー光源からスクリーンまでの距離は適度であり、青色光703のレーザー光源からスクリーンまでの距離はしたがって、3つの色の波長に対する画像形成と、結合された３Ｄ画像の色再現の忠実度のカラフルな組み合わせが達成される。例えば、波長650nmの赤色光701が60度の角度で入射し、対応する光源の位置座標が（0,60cm、34.6cm）であるとする。一方向性投影スクリーン306上で3つの色の光を同じ焦点に収束させるために、波長532nmの緑色光702の緑色光源の位置座標は（0,60cm、59.8cm）であり、波長450nmの青色光703の青色光源の位置座標は（0,60cm、80.2cm）である。

図8を参照して、それは、本開示によるレーザー走査反射型の指向性投影スクリーン装置におけるレーザー光源の位置の図である。格子方程式によれば、格子を通過する異なる波長の光の回折角が異なる。同期間では、赤色光の回折角が最も大きく、緑色光の回折角が赤色光の回折角よりも小さく、青色光の回折角が最も小さい。従って、方向性投影スクリーン306を通過する3つの色の光を同じ方向に収束させるためには、格子式とホログラフィック画像形成に基づいて赤色、緑色及び青色レーザー光源の入射角及び位置を計算しなければならない。

入射角度は格子方程式に基づいて計算されてもよく、位置はホログラフィック画像形成式に基づいて計算されてもよい。指向性投影スクリーンの前面804の同じ位置から、赤色光801（最も入射角が大きい）と緑色光802（中程度の入射角）と青色光803（最も小さい入射角）が入射し、指向性投影スクリーンの前面804に分布されたナノ格子画素を通過し、同じ回折角を有する出射光805を形成する。例えば、波長650nmの赤色光801、波長532nmの緑色光802、波長450nmの青色光803は、スクリーンの中心位置A（0,0,0）に異なる角度で入射する。出射光の出射角を同じにするためには、例えば出射光を点位置B（0,0,3m）を透過させるためには、赤色光801の入射角（入射光と入射面の法線との間の角度）が60度とし、緑色光802の入射角と青色光803の入射角は、式よりそれぞれ45.1度と36.8度であり、画素格子の周期と方位角（格子線の方向とx軸のなす角）はそれぞれ500nmと0度であると仮定する。また、指向性投影スクリーン306を通過した後、異なる波長の光が同じ位置に収束することを考慮して、赤色、緑色、青色レーザー光源の位置はホログラフィック画像形成式を満足しなければならない。スクリーン上にナノ格子によって形成されたオフアクシスフレネルホログラフィックレンズの複数のグループを通して、長波長光の結像位置は遠く、短波長光の結像位置は近くにある。赤色光701のレーザー光源からスクリーンまでの距離は小さく、緑色光702のレーザー光源からスクリーンまでの距離は適度であり、青色光703のレーザー光源からスクリーンまでの距離は大きく、したがって、3つの色の波長に対するカラフルな結像と、３Ｄ画像の色再現の忠実度の組み合わせが達成される。

図9を参照して、それは、多視点指向性投影スクリーン上のナノ格子の構造図である。レーザー光源は、指向性投影スクリーン306によって透過、反射または回折され、ビューポイントは空間で分離される。指向性投影スクリーン306のナノ構造901の異なる視点からの画像は、指向性投影スクリーンの前に収束し、異なる視点の観察ウィンドウが形成される。図に示すように、視点1、視点2、視点3、視点4の各観察窓が形成される。ナノ構造901は、複数の軸外フレネルホログラム構造に対応する異なる周期および配向角を有する。複数の画素配列のビューポイントは、連続的かつ水平に分布している。ビューポイントの分布は、水平分布に限らず、N * Nの2次元平面分布であってもよい。指向性投影スクリーン306によって形成されたビューポイントの2×2の２次元平面分布を示す図10を参照する。視点1、視点2、視点3、および視点4の焦点は共通空間面A上の2 * 2の2次元分布である。

図11を参照して、それは単一視点収束を達成する指向性投影スクリーンのナノ構造の分布の図である。ナノ構造体1001は、1つの軸外ホログラム構造に対応し、画像をビューポイント1に収束させる。図中の画素は、矩形画素に限定されず、円形または六角形画素などの他の画素構造であってもよい。図12を参照して、指向性投影スクリーンには、液晶スクリーンのR、G、Bのサブ画素サイズに対応する矩形の画素が採用されている。

図13は、裸眼３Ｄ表示装置のレーザー走査エンジンの図である。このエンジンは、波長の異なる3つのレーザー光源R、G、Bと、3組の走査ミラー1101,1102,1103と、表示スクリーン1104とを備えている.3つのレーザー光源R、G、Bの異なる波長の光は、対応する列走査ミラーと、対応するライン走査ミラーとを通過し、表示スクリーンの背面を照明する。列走査ミラーを上下に回転させることにより、レーザー光源がスクリーン上を上下に移動する。ライン走査ミラーを左右に回転させることにより、レーザー光源がスクリーン上で左右に移動する。

本開示による指向性投影スクリーンのナノ格子画素は、紫外線連続可変空間周波数リソグラフィおよびナノインプリントによって製造することができる。紫外連続可変空間周波数リソグラフィ技術は、中国特許出願CN201310166341.1のリソグラフィ装置およびリソグラフィ方法を指す。ナノ格子はエンボス構造であってもよい。本開示において、ナノ格子は、リソグラフィ法によって指向性投影スクリーンの表面をエッチングすることによって製造されてもよいし、インプリントのためのテンプレートを用いてナノインプリントによってバッチで製造されてナノ格子画素を形成してもよく、それによって、スクリーンのコストを低減することができる。反射型の指向性投影スクリーンは、透過型の指向性投影スクリーンの表面に金属をメッキすることによって達成されてもよい。赤、緑、青のレーザー（LDまたはDPSSL）の価格とコストは、アプリケーション要件を満たしている。

本開示では、方向性投影スクリーンの1つの画素のサイズをスクリーン解像度に応じて調整し、２Ｄ/３Ｄ切り替えを実現することができる。異なる視点からの複数の画像（n）は、それぞれ指向性画素（n）に対応し、３Ｄ画像表示を形成する。多視点画像ではなく単一視点画像では、２Ｄ表示が達成され、２Ｄ画像の画素のサイズは「n *方向性画素のサイズ」に等しい。 20ミクロンのように画素のサイズが非常に小さく製造されるので、9ビューポイントの場合、２Ｄ画像の画素のサイズは60ミクロンであり、これは、表示スクリーンの２Ｄ画像解像度に影響を与えない。

本開示では、立体画像表示は、指向性投影スクリーンの直接空間変調、ビームエキスパンダータイプの3色レーザー光源、および多視点画像を提供するレーザー光源によって実現される。レーザー光源は画像の振幅情報を提供し、指向性投影スクリーンは位相（遠近法）情報を提供し、特別に配置された3色レーザー光源のビームエキスパンダーライトフィールドはバックライトを提供し、本開示の裸眼３Ｄレーザー表示装置が達成される。表示される立体画像は、ホログラムと同じ特性を有する。言い換えれば、本開示の裸眼３Ｄレーザー表示装置で観察される三次元画像は、実際の三次元画像と同じである。長い観察のため視覚疲労はなく、視力保護に有利である。本開示の画像に対して指向性投影スクリーンにより波面変換が行われるので、収束多ビューポイントが形成される。理論的には、ビューポイント数は1000以上であってもよい。多視点画像は空間にクロストークがなく、ビューポイントの拡散関係は光伝播の影響を受けない。したがって、３Ｄ画像は、異なる観察距離で正しく表示され、距離によって制限されない。一方、３Ｄ画像の観察可能な視点は、ナノ構造のために150度以上に達する可能性がある。指向性投影スクリーンは、入射モードに応じて透過型または反射型であってもよい。

上記にかんがみて、本開示では、画素化した指向性投影スクリーンと、この指向性投影スクリーンを備えた裸眼立体表示装置を開示する。本開示では、RBG（または他の3色）の3色光源からの光が、特定の角度および位置で、ナノ格子画素を有する指向性投影スクリーンに入射し、同じ出射光フィールドを形成し、カラフルな３Ｄ表示が、レーザー投影光のための直接空間変調によって達成される。ビューポイント間のクロストークはない。多ビューポイント指向性スクリーンを用いて３Ｄ表示装置を観察する場合、視覚的疲労はない。

本開示は、上記の実施形態の詳細に限定されず、本開示は、その精神または実質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の方法で実施され得ることは、当業者には明らかである。したがって、実施形態は、限定ではなく例として考えられるべきである。本開示の範囲は、上記の説明ではなく請求項によって規定される。したがって、特許請求の範囲内のすべての変更およびその等価物は、本開示の範囲内にある。特許請求の範囲は図面の参照符号によって限定されるべきではない。

さらに、理解されるように、本明細書は実施形態で説明されているが、すべての実施形態が1つの独立した技術的解決策を含むわけではなく、説明は単なる理解のためのものである。当業者は明細書全体を参照すべきである。実施形態における技術的解決策は、当業者によって理解され得る他の実施形態を形成するように適切に組み合わせられてもよい。

Claims (11)

1. 裸眼３Ｄレーザー表示装置であって、
   複数のナノ格子画素アレイを構成する複数のナノ格子構造をその発光面上に備えた指向性投影スクリーンであって、前記複数のナノ格子構造は異なる周期および配向角を有し、周期は４３０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、
   対応する標的ナノ格子に異なる角度から入射光を放出する3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源を含み、標的ナノ格子からの赤色光、緑色光および青色光は、前記指向性投影スクリーンによって1つの放射方向及び1つの空間ビューポイントに収束され、
   前記ナノ格子構造の複数は、ビューポイントのそれぞれに対応し、複数のビューポイントのそれぞれは、1つの画像に対応し、複数のビューポイントのそれぞれに対応する、それぞれの画像は、RGBの3色に基づいて、または他の3つの色に基づいて単色画像に分割され、
   指向性投影スクリーン、3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源は、直接空間変調によって組み合わせて動作し、立体視画像表示を実現する、裸眼３Ｄレーザー表示装置。
2. 一つの対応するナノ格子に入射する単色レーザー光源の入射角が相互に異なり、赤色単色レーザー光源の入射角が緑色単色レーザー光源の入射角よりも大きく、緑色単色レーザー光源の入射角は青色単色レーザー光源の入射角よりも大きく、3つの赤色/緑色/青色単色レーザー光源の入射角度及び位置は、格子式及びホログラフィック画像形成式に基づいて算出される、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
3. 前記複数のナノ格子画素アレイのビューポイントは、N×N個の2次元平面上に連続的かつ水平に、または分布していることを特徴とする、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
4. 異なる方向のナノ格子構造が、フォトエッチングにより指向性投影スクリーンの表面上にエッチングされるか、またはナノ格子構造が、インプリント用テンプレートを用いてナノインプリントによってバッチでインプリントされることにより、複数のナノ画素アレイを形成する、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
5. 前記単色レーザ光源は、平面の中心をX軸方向のゼロ位置として採用し、
   YZ平面内では、3つの光源がY軸方向の同じ位置にあり、Z軸方向の異なる位置にあり、
   X軸方向およびY軸方向は、指向性投影スクリーンの発光面に平行であり、Z軸方向は指向性投影スクリーンの発光面に垂直であり、
   前記単色レーザ光源は、色が透視図に対応する指向性投影スクリーン上の単色画像を2回以上走査し、
   異なる波長の前記単色レーザー光源が同期して走査し、各単色レーザー光源が１回以上走査し、
   指向性投影スクリーンは3つの単色レーザー光を収束させ、カラフルな立体画像表示を実現する、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
6. ナノ格子構造の周期および配向角は、以下の式を満たす格子式に従って計算され、
   
   
   ここで、θ1、φ1はそれぞれ回折光の回折角、方位角、θ、λは単色レーザー光源の入射角、波長、φはそれぞれ複数のナノ格子構造の周期および方位角を表し、nは媒質中の光波の屈折率である、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
7. 前記指向性投影スクリーンは、入射モードの透過型または反射型のベースとして選択される、請求項１に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
8. 透過型の指向性投影スクリーンの表面に金属をメッキして反射型の指向性投影スクリーンを形成する、請求項７に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
9. 前記指向性投影スクリーンは透過型に選択され、前記赤色、緑色及び青色光は、前記指向性投影スクリーンの背面の同じ位置から入射し、指向性投影スクリーンの前面に配置されたナノ格子を通過し、同じ回折角を有する出射光を形成する、請求項７に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
10. 前記指向性投影スクリーンは反射型に選択され、前記赤色、緑色及び青色光は、前記指向性投影スクリーンの前面の同じ位置から入射し、指向性投影スクリーンの前面に配置されたナノ格子画素を通過し、同じ回折角を有する出射光を形成する、請求項７に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。
11. 前記指向性投影スクリーンを透過型に選択した場合、前記単色レーザ光源は、XZ平面内でX軸方向にゼロ位置にあり、3つの光源は、YZ平面内でY軸方向に同じ位置にあり、Z軸の負の方向に異なる位置にあり、指向性投影スクリーンを反射型に選択した場合、前記単色レーザ光源はXZ平面内のX軸方向のゼロ位置にあり、3つの光源は、YZ平面内のY軸方向の同じ位置にあり、Z軸の正方向の異なる位置に配置され、
    X軸方向およびY軸方向は、指向性投影スクリーンの発光面に平行であり、Z軸方向は指向性投影スクリーンの発光面に垂直である、請求項７に記載の裸眼３Ｄレーザー表示装置。