具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

需要说明的是，结合附图所阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示其中可以实践本文所描述的概念的唯一配置。本文中所记载的装置实施例和方法实施例将在下面的详细描述中进行描述，并在附图中通过各种框、模块、单元、组件、电路、步骤、过程、算法等等(统称为“要素”)来予以示出。这些要素可以使用电子硬件、计算机软件或者其任意组合来实现。至于这些要素是实现为硬件还是软件，取决于特定应用和施加在整体系统上的设计约束。本申请的说明书和权利要求书以及说明书附图中的术语如果使用“第一”、“第二”等描述，该种描述是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

需要说明的是，在没有明示的特别说明的情况下，本申请各实施例中的各项技术特征可视为能够进行相互组合或者结合，只要该种组合或者结合不是因为技术的原因而无法实施。为了较为充分的说明本申请，一些示例性的，可选地，或者优选的特征在本申请各实施例中与其他技术特征结合在一起进行描述，但这种结合不是必须的，而应该理解该示例性的，可选地，或者优选的特征与其他的技术特征都是彼此可分离的或者独立的，只要该种可分离或者独立不是因为技术的原因而无法实施。方法实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为执行该功能、方法或者步骤，装置实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为使用该种装置来执行该功能、方法或者步骤。

首先，对本申请涉及的若干名词进行解释。

谐衍射透镜(Harmonic Diffractive Element，HDE)：是指一个面为平面，另一面刻有同心圆倾斜螺纹的透镜。其中，螺纹的倾角和半径由螺纹对光汇聚至焦点的位置要求决定，谐衍射透镜能够通过结构设计克服色散影响，使多个波长的光汇聚至空间同一点。

由于普通衍射光学元件使用+1级次衍射光，会表现出很大的负色散。基于这个问题，利用谐衍射理论进行谐衍射透镜设计，相比于普通衍射使用+1级，谐衍射的设计方法是使用+m阶衍射光，其色散性能介于普通衍射与折射之间。

谐衍射透镜通过增加普通衍射元件表面微结构的刻蚀深度，改变其相位调制函数，使其在相邻环带的相位差等于2π的整数倍。利用谐衍射在多个分立谐波长能够实现100％的理论衍射效率，且不同谐波长在不同衍射级次实现相同光焦度的特点，提出了在可见光宽波段内实现谐衍射消色差以及在光学系统中应用谐衍射来实现多波段共路共焦的思想。谐衍射能克服普通衍射元件因色散而产生的离焦，并在一系列谐波长上具有相同的光焦度，而且理论上能够保持100％的衍射效率。红R、绿G和蓝B光具有相同的光焦度，即经过线性菲涅尔透镜后同一个像素的R、G和B光具有相同的焦点聚焦在同一处，实现彩色3D显示。

参考图1和图2所示的谐衍射透镜的示意图，普通球面透镜(最右侧)的表面相位分布可以为多个2π的叠加，不同的相位可以使光线发生不同程度的弯曲。将透镜表面的相位以2π为单元进行分割，再进行塌陷，去除2π整数倍的相位留下余数，余数为0-2π分布，最后形成同心圆环。

根据谐衍射理论，谐波长满足如下公式：

其中，λ₀为设计波长，λ为实际入射光的中心波长，p为谐衍射的相位因子，m为衍射阶次。通过合理设计p和m，来保证三种不同波长的子像素(R、G和B)发出的入射光束经过谐衍射透镜，能获得较高的衍射效率。

台阶数与衍射效率有对应关系：

λ₀为设计波长，λ为实际入射光的中心波长，p为谐衍射的相位因子，m为衍射阶次。根据上述公式可知，台阶数越多，衍射效率越高，而连续界面的台阶数趋于无穷大，因此，衍射效率接近100％。

根据这种谐衍射的设计方法设计的谐衍射透镜的高度为：

其中，n为折射率。

从剖面看，谐衍射透镜的表面由一系列锯齿型棱镜(锯齿形光栅或称闪耀光栅或称闪耀环带)组成，中心部分是椭圆型弧线。每个棱镜都与相邻棱镜之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点，棱镜高度为与设计波长有关。若棱镜的塌陷单位为P*2π，则所有同心圆环的半径相应同时扩大，而棱镜高度也同时扩大P倍，但是焦距仍然不变。

衍射透镜焦平面上的能量分布可看作光线通过各锯齿形棱镜之后在焦平面干涉的结果。若光线的波长为λ，则其焦距为：

其中，λ₀为设计波长，f₀为设计波长的焦距。

与普通的衍射透镜相比较，HDE环带间光程差为pλ₀，不是λ₀。相当于设计波长为pλ₀，焦距为f₀的特殊透镜。若对波长为λ的光线的m级次成像，则其焦距为：

有效焦距与谐衍射的相位因子p、衍射级次m有关。如果f₀的的系数为1，则第m衍射级次的焦点与设计波长的焦点重合，达到消除色散的目的。

图3中(a)为普通衍射元件的厚度，该厚度(b)为谐衍射透镜的厚度。

可选地，参考图4，锯齿型棱镜可以是三棱锥(a)；或者，是至少一个平面是曲面的三棱锥(b)和(c)；或者，是至少一个平面是曲面的四棱台(d)。锯齿型棱镜的倾角、深度等信息可以通过上述公式根据实际需求计算得到，以使宽光谱的入射光经过像素上微纳米结构的调制，出射光具有一定方向性和指向性。

谐衍射透镜的棱镜结构可以由灰度光刻、激光刻蚀等方法制备，并且可以通过超声清洗洗去表面多余残胶，采用热烘方式平整表面形貌，最大限度消除因加工误差产生的结构毛刺导致的色散。

可选地，谐衍射透镜包括线性菲涅耳透镜。

图5是本申请一个实施例提供的投影式裸眼三维显示装置的结构示意图，如图5所示，该投影式裸眼三维显示装置至少包括：投影装置110和指向性投影屏幕120。

投影装置110用于投射投影图像。可选地，包括依次设置于指向性光源的出光端的显示芯片111和投影镜头112。其中，显示芯片111用于获取指向性光源照射的光信号；将光信号与多视角图像信号进行调制得到调制信号；并将调制信号输出至投影镜头112；投影镜头112用于将调制信号放大得到投影图像，并将投影图像投射至指向性投影屏幕。

可选地，显示芯片111包括空间光调制器。空间光调制器可以实现为多晶硅液晶面板、硅基液晶面板或数字为反射镜。具体的实现方式可以根据实际情况选择，本实施例不对空间光调制器的实现方式作限定。

指向性投影屏幕120，设置于投影装置110的出光端。指向性投影屏幕120包括谐衍射透镜阵列，谐衍射透镜阵列用于将具有不同波长的光线会聚至目标视点。

参考图6所示的投影式裸眼三维显示装置的光传输示意图，光线从投影装置110入射到谐衍射透镜阵列上，经谐衍射透镜调制，在观察空间形成多个观察视点。

其中，谐衍射透镜阵列包括多个像素单元，每个像素单元为一个谐衍射透镜或者为一个谐衍射透镜的一部分，每个像素单元用于将接收到的具有不同波长的光线会聚至目标视点。

可选地，谐衍射透镜阵列的谐衍射的相位因子可以根据液晶面板上滤光片的中心波长决定，设计谐衍射的相位因子、透镜中心波长使得液晶面板上RGB三种波长的出射光聚焦至空间同一点，并且有很高的衍射效率。

可选地，参考图7，多个像素单元具有不同的周期和不同取向，以使入射的具有不同波长的光线会聚至对应的目标视点。由于在观察空间内，只有在视点位置才能观察到视差图像，在别的位置不能观察到视差图像。为了扩大观察视野，可以通过将谐衍射透镜像素化将视差图像汇聚至多个目标视点。由于目标视点的空间位置与谐衍射透镜的中心位置相对应，因此，可以通过设计不同谐衍射透镜中心点的坐标，实现将视差图像汇聚至多个目标视点。

在一个示例中，目标视点的数量为n个；n个像素单元构成一个体像素，每个体像素中的n个像素单元与n个目标视点一一对应，n为正整数。

参考图8所示的谐衍射透镜的像素化过程，若目标视点的数量为n(图8中以n＝4为例进行说明，在实际实现时n为正整数)，则将n个谐衍射透镜划分为m个部分(m为正整数)，n个谐衍射透镜的中心位置与n目标视点的空间位置一一对应；n个谐衍射透镜中的一个部分共同组成一个体像素81。此时，如果有一束平行光入射至体像素81内，则在自由空间范围内将形成n个目标视点。也即是说，谐衍射透镜的n个像素单元构成一个体像素，每个体像素中的n个像素单元与n个目标视点一一对应。

如果将单个谐衍射透镜分成更多的部分，那么相应会有更多的体像素，进而视差图象将拥有更高的分辨率。

如果增加谐衍射透镜的数量，那么在空间内将形成更多的视点，更多的视差图象会被聚集至空间视点位置，观察的视角范围会增大，视差信息量增多。

可选地，每个谐衍射透镜中的n个部分是均分得到的。

可选地，每个体像素81中的n个像素单元具有不同的周期和不同取向，以使入射的具有不同波长的光线会聚至对应的目标视点。

投影装置110中多个子像素的位置与体像素81中多个像素单元的位置一一对应。

在一个示例中，多个像素单元之间紧密排布；和/或，多个体像素之间紧密排布。

参见图9所示的像素化谐衍射透镜阵列实现多视点的示意图。图9中以目标视点的数量为4个为例进行说明，此时，谐衍射透镜阵列的每个体像素有四个子像素，每个子像素能将出射光聚焦至对应的目标视点位置处。如图10，透过空间光调制120的光经过谐衍射透镜之后被改变方向，对应序号为1的信息被聚焦至视点1处，其他序号的信息被聚焦至相应序号的视点位置处。通过实景拍摄或者电脑软件合成产生的不同的视差图被聚焦至各视点位置，人眼处于不同的空间位置能观察到不同的视差图，实现裸眼3D的效果。

在另一个示例中，多个像素单元之间具有透光介质；和/或，多个体像素之间具有透光介质。即多个像素单元之间稀疏排布；和/或，多个体像素之间稀疏排布。

参见图10所示的像素化谐衍射透镜阵列实现多视点的示意图。图10中以目标视点的数量为4个为例进行说明，此时，谐衍射透镜阵列的每个体像素有四个子像素，每个子像素能将出射光聚焦至对应的目标视点位置处。如图10，透过空间光调制120的光经过谐衍射透镜之后被改变方向，对应序号为1的信息被聚焦至视点1处，其他序号的信息被聚焦至相应序号的视点位置处。通过实景拍摄或者电脑软件合成产生的不同的视差图被聚焦至各视点位置，人眼处于不同的空间位置能观察到不同的视差图，实现裸眼3D的效果。同时没有像素单元的区域为透光介质，可以将谐衍射透镜屏幕后方的实物直接透过，实现虚物与实物相融合的虚实融合3D显示效果。

综上所述，本实施例提供的投影式裸眼三维显示装置，通过设置投影装置，包括依次设置于指向性光源的出光端的显示芯片和投影镜头；显示芯片用于获取指向性光源照射的光信号；将光信号与多视角图像信号进行调制得到调制信号；并将调制信号输出至投影镜头；投影镜头用于将调制信号放大得到投影图像，并将投影图像投射至指向性投影屏幕；指向性投影屏幕，设置于投影装置的出光端；指向性投影屏幕包括谐衍射透镜阵列，谐衍射透镜阵列用于将具有不同波长的光线会聚至目标视点；可以解决现有的大幅面裸眼3D显示装置的衍射效率低、难以消除零级光的影响的问题；由于谐衍射透镜阵列具有更高的衍射效率，因此可以根据空间光调制器上滤光片的中心波长设计谐衍射透镜阵列的谐衍射的相位因子，使得不同波长的出射光聚焦至空间同一点以实现裸眼彩色3D显示，可以消除色散；同时谐衍射透镜阵列为连续形面，理论衍射效率可以达到100％，可以提高衍射效率，从而提高光能利用率。

另外，谐衍射透镜阵列中的一个像素单元就可以实现将不同波长的出射光聚焦至空间同一点，因此，无需为不同波长的光设计不同的衍射结构，可以简化三维显示装置的结构。

另外，谐衍射透镜可通过现有的纳米压印技术工业化生产，制作工艺成熟，生产难度较低。

另外，通过将谐衍射透镜稀疏排布，谐衍射透镜屏幕后方的实物直接透过，实现虚物与实物相融合的虚实融合3D显示效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。