裸眼3D显示技术不需要佩戴任何助视设备即可获得三维效果,更符合人们的观察需求,是三维显示技术的发展方向,受到广泛关注。指向性背光技术结合了背光技术与三维显示技术的优势,为裸眼3D显示技术提供了新的技术手段,成为了领域的研究热点。目前国内外关于指向性背光大都是基于几何光学原理进行设计的,像素型基于波动光学原理的纳米光栅指向性背光技术,结合波导背光照明,可以实现多视角全方位的裸眼3D显示,具有结构紧凑、串扰小的优势。本文详细论述了像素型纳米光栅指向性背光技术,对其进行了理论和实验的研究。首先利用严格耦合波理论分析了纳米光栅的衍射特性,编程计算了纳米光栅的各级衍射效率与光栅槽深、光栅占空比、入射光线的入射角度等之间的关系,按照需求优化纳米光栅参数。利用广义光栅方程分析了纳米光栅透射衍射方向与入射光的角度、光栅周期、光栅取向等参数之间的关系;计算分析了光栅像素衍射远场场强分布情况。然后根据应用要求对纳米光栅导光结构进行了设计。针对矩形波导结构和波导背光照明与显示参数,结合红、绿、蓝三色发光二极管或者激光二极管阵列光源,根据显示平面纳米光栅坐标与观察平面视点坐标之间的关系,设计了出射主波长为650nm、532 nm、450 nm的纳米光栅像素导光结构。阐述了一种利用紫外连续变空频光刻技术制作纳米结构模版的方法原理,实现了变周期和取向的纳米光栅像素的高效制作。通过实验验证了出光效率与视角的关系,得到的各视角出光效率在5%左右,与理论相一致;同时实验还分析得出波导表面光提取效率随着光线传输距离增大呈线性衰减,经过表面六次出光后,效率衰减了30%,对实验中存在的误差进行了理论分析。最后文章通过实验探究了纳米光栅像素指向性导光板方向性导光的性能,证明了纳米光栅像素能够实现任意方向的定向导光,同时实验中还成功的利用纳米光栅像素实现了图像的分离;实验中制作了4cm×4cm面积的定频和变频的多视角3D图像,比较两种方式实现的效果,变频方式得到的图像亮度均匀性更高,图像质量更好,为更加真实的贴近显示,实验中制作了4cm×4cm面积的指向性白板作为背光源,采用掩膜版作为图像显示器,经过对准,可以观看到具有明显景深的立体图像。