偏振敏感型前投影屏幕的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:偏振敏感型前投影屏幕的制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于前投影系统的屏幕。
背景技术
自十九世纪以来,前投影系统遍布全球各地,其中将图像投射到屏幕上,并且观看者看到自屏幕反射的光。典型的前投影机已从影院胶片投影机、家庭电影投影机、教育胶片投影机、幻灯片投影机和高射正片投影机演变为现在的基于LCD的投影机,在其演变道路上有多种变型。伴随这些投影机的屏幕也随时间推移而演变。据推测,最初的投影机投影到墙壁上。自墙壁反射的光主要为镜面反射,镜面反射中包含太多的光而没有足够的光散射进其他反射角中。早期屏幕为一种优于仅投影至墙上的改进;因为专用屏幕可整合粗糙表面或某个其他合适的结构用于将反射光散射至某出射角范围中,顾及比较宽的视角范围。即使屏幕已经历了多年的演变,许多屏幕仍会由于环境光而性能劣化。例如,图I中示出了典型的前投影屏幕I。投影机3将光投射至屏幕I上并在屏幕 I处形成图像。当观看者观看图像时,来自投影机3的光反射离开屏幕并进入观看者2的眼中;此光可称为“图像”光。除离开投影机3并到达观看者2的“图像”光之外,还存在所谓的“非图像”光,其由投影机3之外的光源产生。例如,顶灯4会产生环境光,该环境光可自屏幕反射并到达观看者2。或,来自太阳5的光会透过窗户6进入,从屏幕反射并到达观看者2。此“非图像” 光表现为跨越图像的全部或大部分的背景光量级,其可降低图像的对比度并使该图像看起来褪色。图2的曲线中示出图I的典型屏幕I的性能,图2为屏幕的功率反射率随入射角而变化的曲线。通常,典型屏幕的反射率在大的入射角范围内相当高。来自投影机3的“图像”光以比较小的入射角照射在屏幕上,因为投影机通常取向成适于垂直入射或接近垂直入射。相比之下,来自室内顶灯4或窗户6的“非图像”以比较大的入射角照射在屏幕上。 典型屏幕I使得“图像”和“非图像”这两者都较好地反射,因此,环境光与图像光混合并使图像的对比度降低。因此,需要一种前投影屏幕,其可排斥非图像光的全部或一部分,以使图像的对比度保持在高量级,并使投影图像的品质对环境光的敏感度降低。

发明内容
一个实施例为一个前投影系统,包括投影机,其用于将光投射至屏幕,该光具有第一偏振态;屏幕,其用于接收来自投影机的光并将光反射至观看者,该屏幕包括吸收器;以及膜,其布置在吸收器和投影机之间并与吸收器相邻,该膜具有以下性质对第一偏振态在低入射角下具有高功率反射率,对第一偏振态在高入射角下具有低功率反射率,对垂直于第一偏振态的第二偏振态在低入射角下具有低功率反射率,并且对第二偏振态在高入射角下具有低功率反射率。另外的实施例为屏幕,其具有用于接收来自投影机的具有投影偏振取向的线偏振投影光并将光反射至观看者的观看侧,包括光散射层,其包括多个能透射的部分球体并产生升高的有效入射折射率,该升高的有效入射折射率至少取决于能透射的部分球体的深度和折射率;以及薄膜结构,其布置在观看侧的相反侧与光散射层相邻,并且包括多个交替的第一层和第二层。每个第一层均为双折射的并对沿着投影偏振取向偏振的光具有第一折射率,同时对垂直于该投影偏振取向偏振的光具有第二折射率。每个第二层均为各向同性的并具有各向同性折射率,其与第二折射率匹配并与第一折射率失配。在至少一个入射角下入射到屏幕的观看侧上的P偏振光由于在交替的第一层和第二层之间的界面处发生的布鲁斯特角效应而具有降低的反射率。另一实施例为一种方法,包括提供设置在基板上的部分球体阵列,该基板具有表面法线;以相对于基板表面法线的非零初始入射角将初始光线导向至部分球体阵列上;使初始光线在部分球体的表面处折射以形成球体内光线;使该球体内光线透射穿过部分球体;以及使该球体内光线透射至基板内以形成以相对于基板表面法线的基板折射角传播的基板内光线。该基板折射角大于该基板在空气中的临界角。


图I为已知前投影系统的示意图。图2为图I的已知前投影系统的屏幕功率反射率的曲线。图3为示例性前投影系统的屏幕功率反射率的曲线。图4为图3屏幕的各种偏振取向以及入射角和传播取向的屏幕功率反射率的示意图。图5为入射光线和来自图3屏幕的反射光线的取向的示意图。图6为入射光线和来自图3屏幕的光散射层的折射光线的示意图。图7为用于图6的光散射层的数学量的示意图。图8为以统计(光线跟踪)方式计算并通过斯涅耳定律的修改版以及升高的有效入
射折射率计算的图6的光散射层内部的透射角的曲线。图9为示例性薄膜结构的侧视图。图10为图9的示例性薄膜结构的另一个侧视图,其与图9的视图正交。图11为图9和图10的薄膜结构的模拟功率反射率的曲线。图12为第二示例性薄膜结构的侧视图。图13为图12的示例性薄膜结构的另一个侧视图,其与图12的视图正交。图14为图12和图13的薄膜结构的模拟功率反射率的曲线。图15为第三示例性薄膜结构的侧视图。图16为图15的示例性薄膜结构的另一个侧视图,其与图15的视图正交。图17为图15和图16的薄膜结构的模拟功率反射率的曲线。图18为图15和图16的薄膜结构在无光散射层情况下使用时的模拟功率反射率的曲线。图19为光散射层的实施例。
图20为光散射层的另一个实施例。图21为光散射层的另一个实施例。图22为光散射层的另一个实施例。
具体实施例方式需要对环境光的灵敏度降低的前投影屏幕。这种屏幕的一般化形式在图3-5中示出,然后在随后的附图和正文中更详细说明。简略地评述典型的现代投影机的内部工作原理是有益的。对所述投影机的说明仅为示例性的,并且不应理解为以任何方式进行限制。在一种投影机中,由光源发出的光经过聚光器集中后被导向到像素化面板上,如硅基液晶(LCOS)面板。光经过像素化面板反射之后由投影透镜在远处的屏幕上成像。在这类投影系统中,与屏幕上可见的图像相比,像素化面板通常很小,并且通常认为,理想情况下应使用数量最少的元件将光源、聚光器、像素化面板和中间光学元件(不包括投影透镜) 位于尽可能最小的空间内。通常,像素化面板依赖偏振效应来执行其逐像素衰减,并有效地位于两个偏振片之间(或,换句话讲,在邻近单个偏振片处以反射方式动作)。因此,来自这种投影机的输出通常为线偏振的。根据投影机设计,投影机输出光可具有水平、垂直或介于水平和垂直之间的任何特定取向的偏振取向。由于投影机输出光可被偏振化,这对于所述屏幕对垂直于投影机输出光而偏振的光具有低反射率可能有益。所有此类光将由除投影机之外的光源产生,并可视为“非图像” 光或环境光。对于平行于投影机输出光而偏振的光,考虑两种方案可能是有益的。第一方案为光以低入射角照射在屏幕上,其将与来自投影机的光对应。可将此光视为“图像”光。第二方案为光以高入射角照射在屏幕上,其将由除投影机之外的光源产生,例如室内光或来自窗户的光。可将此光视为“非图像”光。图3示出屏幕针对这些偏振取向和入射角情况的示例性的理想性能。来自投影机的光通过特定偏振取向以大体上低的入射角照射在屏幕上;可取的是屏幕对该投影机光具有高反射率,并对所有其他光具有低反射率。理想的是,在一些应用中,“平行”曲线对于“低”入射角具有尽可能高的反射率,对于“高”入射角具有尽可能低的反射率,并且在“低”和“高”角度部分之间具有尽可能急剧的转变。“高”功率反射率理想地可达100%,“低”功率反射率理想地可达0%,并且“高”和 “低”之间的区别可发生于特定入射角处,例如20度、25度、30度、35度、40度、45度或任何合适的值,具体取决于投影光学元件和屏幕几何形状。“高”和“低”功率反射率的这些值是理想化的,并且实际上,真实屏幕可能具有小于100%并大于0%的功率反射率。实际上,对于“高”功率反射率,超出特定角度范围内的特定值可能就已足够,并且对于“低”功率折射率,小于特定角度范围内的特定值可能就已足够。例如,“高”功率反射率可大于70%、75%、80%、85%、90%、92%、95%、98%、99%、99. 5%或任何其他合适的值。相似地,“低”功率反射率可为30%、25%、20%、15%、10%、5%、2%、1%、0. 5%或任何其他合适的值。
值得注意的是,“高”功率和“低”功率角度范围无需严格相邻,而是可以隔开一个角度过渡,其中反射率从“高”转变至“低”。例如,“高”和“低”功率角度范围可隔开O度、
O.5度、I度、2度、5度、10度、15度、20度或任何其他合适的值。对于屏幕10的一个应用而言,图3的功率反射率性能总结于图4的示意图中。该投影机发出具有沿着方向49取向的偏振态的光。所谓的“图像光”,为具有平行于投影机偏振态的偏振态并以低入射角照射在屏幕10上的光。所有其他光可被称为“环境”或“非图像”光。可取的是屏幕10对“图像”光具有高反射率,并对“非图像”光具有低反射率,并且可将此视为设计目标。图4相对于投影机偏振49和屏幕10示出“图像”和“非图像”光的几何形状。通常,照射在屏幕上的光可具有介于O和90度之间的任何入射角,并可具有任何偏振态。我们考虑图4的入射光的8种代表性情况,其中每种情况均具有低入射角和高入射角、P偏振态和s偏振态以及平行于投影机偏振49和垂直于投影机偏振49的入射平面的独特组合。 通常,可将任意入射光束分解为这8种代表性光束的组合,以使得可以这8个光束充分地表示屏幕10的全部性能。光束41、43、45和48具有比较小的入射角。光束42、44、46和47具有比较大的入射角。光束41、42、45和46为P偏振的。光束43、44、47和48为s偏振的。光束41、42、43 和44具有平行于投影机偏振49的入射平面。光束45、46、47和48具有垂直于投影机偏振 49的入射平面。从投影机发出的光具有偏振取向49,并以比较小的入射角照射在屏幕10上。图4 示出光束41和48可表示从投影机发出的该“图像”光。通常,可取的是屏幕10对“图像” 光具有比较高的功率反射率(“R”),使得离开投影机的光以比较低的损耗到达观看者。可将照射在屏幕上的包括光束42、43、44、45、46和47在内的所有其他光视为“非图像”光。这可包括来自其他光源(例如室内灯)的环境光,或来自窗户的外部光。通常,可取的是屏幕10对“非图像”光具有相对低的功率反射率,使得“非图像”光可被尽可能地排除在导向至观看者的光之外。因此,对于屏幕10 (投影机和观看者均对该屏幕取向为相当接近于垂直入射),可取的是对光束41和48具有高功率反射率(R)并对光束42-47具有低功率反射率。实际上, 8个光束中的一些可能比其他光束更容易产生所需的R值;后文将对此深入探究。值得注意的是,在一些投影机设计中,对于光谱中的所有颜色而言其偏振态可不被取向在相同方向上。例如,投影机可使用来自三个彩色光源的光,例如红色、绿色和蓝色, 并可依赖偏振敏感型分光光学元件将来自这三个源的光组合在一起。因此,一种颜色的偏振态可垂直于其他两种颜色的偏振态。对于此类一种颜色的偏振态不符的一种处理方法是,在投影机后面放置偏振旋转器,其在一种颜色的光谱区中起作用但对另外两种颜色的作用可忽略不计。此类偏振旋转器将使该特定颜色的偏振态重新取向约90度以与另外两种颜色的偏振态一致,使得离开旋转器的光的所有三个偏振态能够平行。已知有这种颜色敏感型偏振旋转器,由供应商(例如总部设于Boulder, Colorado的ColorLink。出售。这种颜色敏感型偏振旋转器可通过将薄聚合物膜夹在涂有抗反射层的玻璃基板之间或通过任何其他合适的方法来制造。或者, 也可以合适的角度使用半波片(或延迟片)以“翻转”一种特定颜色的线性偏振态。在一些应用中,这种延迟片在该特定颜色的波长范围内可为大致消色差的,并可在另外两种颜色的波长范围内具有接近于O的延迟量。图3和4示出示例性屏幕10的强度性能或功率反射率性能,其从实质上回答了针对特定光束取向和偏振态的“特定光束中有多大部分被反射?”的问题。图5示出反射光束的预期方向,并且从本质上回答了 “反射光束具有什么方向?”的问题。屏幕10可具有一个或多个扩散片或光散射层,其可将入射光线散射到反射角范围内。扩散片或光散射层可具有小于入射光束的像素空间范围的特征,以使得尽管每一细微特征上的特定(x,y)位置可以某确定方式导向反射或折射光线,但所有这些(x,y)位置的总体效应为形成反射或折射光线的概率分布。例如,图5不出屏幕10上的入射光线52。入射光线52相对于表面法线51形成入射角53。表面法线51与入射光线52形成入射平面,其为图5中纸面。光散射层的效应为产生出射或反射角的范围55。该范围可具有概率分布,例如具有平均值和标准偏差的分布,其对应于反射光进入各种方向的分布。例如,反射光线54b可表不平均方向,而光线54a 和54c可表示平均方向+/_标准偏差方向。物理上,这意味着比起沿着方向54a和54c,更多的光沿着方向54b行进。在一些应用中,光线54b可表示来自屏幕10的镜面反射,其中反射角与入射角相等并且镜面反射光线54b依然在入射平面内。图5可用数值例有利地说明。屏幕10上的示例性光散射层的作用可以使得20度入射角的入射光可在具有20度+/-5度的反射角的分布中反射。其他分布宽度可包括(例如)+/-10 度、+/-15 度、+/-20 度、+/-25 度、+/-30 度、+/-40 度、+/-50 度、+/-60 度、+/-70 度或任何其他合适的值。分布中心值(在本例中为20度)可为分布的均值、分布的中值或任何其他合适的值。其他分布中心值可包括(例如)5度、10度、15度、25度、30度、40度、50 度、60度、70度或任何其他合适的值。该分布的边缘(在本例中为15度和25度)可为+/-I个标准偏差值或I个标准偏差值乘以数值常数(例如O. 5、1、2、3等等)。或者,它们可为半峰全宽点、IQ和3Q分布点或任何其他合适的宽度。通常,反射光分布的宽度部分地由光散射层的特征大小和形状确定。值得注意的是,光散射层还可将光线导出入射平面之外或图5页面的平面之外。 可以有与该面外取向相关的角分布,其可等于或不等于平面内的角分布。 在一些应用中,扩散片或光散射层可为比较适度的散射器,其可使反射光仅偏转数度。相比之下,比较强效的扩散片可使反射光偏转成整个2 π球面度。这些强效扩散片可适用于例如光积分球之应用,但可能并不适用于屏幕10的一些应用。比较适度的散射器可足以模糊镜面反射,使得以镜面反射的严格取向观看屏幕的观看者可免于看到图像中的极高强度。 对屏幕10的一般要求做如是汇总是有益的。在一些应用中,所述屏幕对于平行于投影机偏振的偏振(光束41和48)在低入射角下具有高反射率,对于平行于投影机偏振的偏振(光束42和47)在高入射角下具有低反射率,并且对于垂直于投影机偏振的偏振(光束 43、44、45和46)在低入射角和高入射角下均为低反射率。对于平行于投影机偏振的入射平面而言,所述屏幕的一个应用对于P偏振光(光束41)在低入射角下具有高反射率,对于 P偏振光(光束42)在高入射角下具有低反射率,并且对于S偏振光(光束43和44)具有低反射率。对于垂直于投影机偏振的入射平面而言,所述屏幕的一个应用对于s偏振光(光束 48)在低入射角下具有高反射率,对于s偏振光(光束47)在高入射角下具有低反射率,并且对于P偏振光(光束45和46)具有低反射率。在一些应用中,屏幕10具有一个或多个光扩散层,其将反射光导向到反射角范围(入射平面内外均包括)中。在一些应用中,反射范围可包括镜面反射。图6-18涉及此类屏幕10的具体应用。图6为屏幕10的一个应用的示意图。光散射层11面向投影机和观看者两者(图 6中均未示出),并且附接在基板12上或与基板12做成一体,基板12包括薄膜结构13。吸收器或吸收层14也附接在基板12上或与基板12做成一体并且与光散射层11相对。在与吸收器14相对的侧面上可以有可选的支承基板68。光透过光散射层11进入屏幕10并随后进入基板12。薄膜结构13对于某些偏振和某些传播方向产生高反射率,并且以此高反射率反射的光离开基板12,透射穿过光散射层11,然后在面向观看者的侧面离开屏幕10。对于不具有高薄膜反射率的偏振和传播方向,光透过薄膜结构13并且由吸收层14吸收。通常,薄膜结构本身可由透明、非吸收(介质) 材料制成。一般而言,薄膜结构13可针对类似布鲁斯特角条件的条件、针对具有特定传播和偏振取向的光线提供减小的反射率。对于薄膜结构13,如果其位于具有空气入射角的完全平坦介质结构内部,则这种传播取向可能难以实现,因为该薄膜结构内部的传播角可能超出临界角。换句话讲,如果薄膜结构13用于具有空气入射角的完全平坦介质结构内,则薄膜结构13内部的布鲁斯特角条件可能要求在物理上和数学上均不可能的大于90度的空气入射角。或者,在一些情况下,薄膜结构13中的布鲁斯特角可通过在空气中小于90度的入射角而实际得到。因此,薄膜结构13可位于邻近光散射层11的位置,这可以增加对于特定入射角在薄膜结构13内的传播角。这可允许在空气中(相对于基板表面法线)小于90度的入射角 (其在物理和数学两者上均是可能的)在薄膜结构13内达到布鲁斯特角条件。上述两个段落仅为光散射层11和薄膜结构13的功能的概述。这两种结构在下文有更为详尽的描述。以下段落描述光散射层11的结构和功能。通常,光散射层11具有接收入射光线和发出折射光线的作用。对于与沿着光散射层11的表面的一个或多个特征对向的较大光束而言,入射角和出射角之间的关系变得具有概率性,而非确定的。例如,较大数量的光线可被导向至一个主角内,而较少数量的光线被导向至偏离该主角的角内。在图6的示意图中,考虑入射到屏幕10上的光线66的集合。光线沿着代表性入射方向62在空气中行进,并且相对于基板表面法线61形成特定的入射角63。该入射角63 并非某特定光线在光散射层11的表面上的物理入射角,但假设屏幕局部地平坦,入射角就会如此。值得注意的是,入射光线66的集合无需平行。因此,对于具有相关入射角63 (相对于基板表面法线61形成)的特定入射光线取向62而言,折射光线可具有概率分布,该分布通过具有代表性折射角67的代表性方向64 和折射角范围65进行描述。通常,对于射出光散射层11的光而言,较多的光沿着代表性方向64行进,并且较少的光沿着范围65边缘处的方向行进。该范围可以对称或可以不对称,并且其中心可以在或可以不在代表性方向64附近。该概率关系的有益效果是双重的。首先,对于特定入射角63而言,代表性折射角 67可大于假设以平坦结构替代光散射层11会实现的折射角。这样,光散射层可使在薄膜结构13内部的特定传播方向成为可能,该特定方向原本是通过完全平坦介质结构难以实现或不可能实现的。第二有益效果如下由于特定入射角产生有限折射角范围65,其反射离开薄膜结构13并且第二次透射穿过光散射层11,因此光散射层可有助于将镜面反射从屏幕10散射开。可通过斯涅耳定律的修改版来近似概算入射角63和代表性出射角67之间的关系,斯涅耳定律对于平坦界面规定对于该界面中的每一层,折射率与传播角(相对于基板表面法线)的正弦的乘积恒定。斯涅耳定律的该修改版将光散射层视为是平坦的,且对于可在I和光散射层材料的折射率之间变化的入射介质具有“有效”折射率,所述“有效”折射率取决于光散射层表面上的弯曲特征的几何形状。通常,弯曲特征越深(或换句话讲,弯曲特征越接近于半球体),“有效”入射折射率越高。同样,弯曲特征越浅(或换句话讲,弯曲特征越接近于平坦表面),“有效”入射折射率越低。值得注意的是,此近似概算针对代表性传播角67而非传播角范围65而言。此类近似概算的一个有益效果为,一旦针对特定几何形状确定了有效入射折射率,则根据斯涅耳定律容易确定入射角63和传播角67 (两者均相对于基板表面法线61)之间的关系,斯涅耳定律规定在整个界面内折射率与传播角正弦之积恒定。举例而言,入射折射率为有效值,透射折射率为光散射层的折射率,并且入射传播角63和透射传播角67均相对于基板表面法线61,如图6所不。有效折射率可为I. 0,1. 05,1. 1、1· 15,1. 18,1. 2,1. 25,1. 3,1. 35,1. 4,1. 45,1. 5
或任何其他合适的值。或者,有效折射率可在1-1. 5、1. 1-1. 3或I. 15-1. 25的范围内。也可使用任何其他合适的范围。“有效”折射率的近似概算的额外有益效果为可在薄膜结构13的设计期间将“有效”入射折射率用作变量。一旦设计选定了所需的“有效”入射折射率,就可调整弯曲特征的几何形状,直至实现“有效”入射折射率。图7示出用于光散射层11的一些应用的数学量。光散射层11由具有以η表示的折射率的材料制成,η通常落在约I. 4至约I. 9的范围内。通常,折射率η为I. 5。光散射层11包括部分球体的阵列,每一球体均具有半径R和深度PR。无量纲量P可从O变化至 I :为O时,球体特征本质上没有深度并且光散射层基本上平坦;为I时,球体特征基本上完全为半球。有效入射折射率nrff可根据光线跟踪模拟来确定,并且取决于折射率η和深度无量纲量P。此关系式可写为neff=neff(n, P)一旦确定了 neff,就可使用斯涅耳定律针对具有入射角Θ in的任意入射光线62大致预测代表性光线64的出射角θ_。值得注意的是,斯涅耳定律可被视为“被修改”的, 因为入射角和出射角相对于基板表面法线61而非实际的、该处的表面法线获得,所述实际的、该处的表面法线取决于(x,y)位置并且在球形特征的整个表面内变化。该“被修改”的斯涅耳定律使入射角Gin和出射角与光散射层的真实折射率n和有效入射折射率ntff 相关,此关系如下
neff sin Θ in=n sin Θ out在图8中针对折射率为I. 5并且深度无量纲量为O. 8的典型光散射层示出统计跟踪分析和对应被修改的斯涅耳定律预测之间的比较。针对O至80度的入射角范围给出透射角。图8中的曲线示出斯涅耳定律预测值(虚线)和使用光线跟踪以统计方式计算的代表性光线的值(实线)之间的极佳一致性。统计数据点示出透射角范围,例如O度+/-12度。该范围与图6中示出的角度范围65 —致,并且数据可解释如下。对于O度入射角而言,最“常见”的透射角为O度,表示大多数光学功率以O度角传播。与O度相比,较少光学功率以其他角在+/-12度范围内传播。值得注意的是,透射角的范围在高入射角下减小。另外值得注意的是,透射角的范围无需以代表性透射角值为中心,但可任选地关于该值不对称。统计分析可通过任何合适的光线跟踪程序例如Zemax、Oslo、Code V、ASAP等等执行。分析结果并不强烈依赖于球体部分在表面上的堆积布置方式。换句话讲,球体可以三角形、矩形、六边形或任何其他合适的排列来堆积,而不显著影响计算的有效入射折射率。产生图8的结果的光线跟踪计算,可在任何其他折射率和深度下重复。对于I. 5 的折射率而言,I、0. 8和O. 2的深度无量纲量P分别产生约I. 30、I. 30和I. 18的有效入射折射率。还可以直接方式计算折射率和深度的其他组合。值得注意的是,除了或替代图6和7中所示部分球体,还可以使用其他形状和几何体。例如,图19示出包括非球形弯曲轮廓的光散射层190,所述轮廓可为圆锥形和/或非球面形、或者两者均不是。又如,图20示出包括歪斜轮廓的光散射层200。再如,图21示出包括歪斜轮廓的光散射层,该歪斜轮廓包括一个或多个直的部分。最后,图22示出包括锯齿状、非重复图案的光散射层220。该锯齿状轮廓包括大体上直的部分,但它可任选地仅包括弯曲部分,或可为直的部分和弯曲部分两者的混合。应当理解,可将许多其他合适的轮廓用于光散射层中,例如与不同重复特征交替的重复特征(即,每隔一个特征重复)、弯曲部分和直的部分的混合、随屏幕区域变化的特征(例如特征高度或特定曲率)、随屏幕区域变化的特征至特征间隔、火焰状特征(例如非对称锯齿)等等。一般说来,任何其他表面于是可产生较大的有效折射率。归根到底,确定光散射层的有效入射折射率特性的是表面法线的概率分布。如果由相同材料制成的两个光散射层具有相同的表面法线分布,则当它们用于增大光学系统的有效入射折射率时可相似地进行。概括地说,光散射层的功能可说明如下。首先,光散射层可对与光散射特征中的若干特征对向的相对较大反射或透射光束提供扩散效应,其在数学上表现为对于单一入射角非零的反射或透射角范围。第二,光散射层可以改变透射光的传播方向,以扩展而超出可从完全平坦的空气入射结构获得的传播方向。该扩展在数学上表现为大于I的“有效”入射折射率,其可用于使相对于基板表面法线的入射角和出射角相关的斯涅耳定律修改版中。有效入射折射率取决于光散射层的真实折射率和光散射特征的几何形状。对于具有I. 5折射率的光散射层,具有在半球的20%至80%范围内的深度的部分球形特征产生在约I. 18至约
I.30范围内的有效入射折射率。当与薄膜结构13联合使用时,光散射层11可允许光在膜结构13内以某传播角传播,该传播角高于通过完全平坦的空气入射结构会在物理上可能的传播角。就数值例子而言,薄膜结构13内部(n sin Θ )的值可由于添加光散射层而在约18%至约30%范围内提升。以下段落描述薄膜结构13的结构和功能。屏幕10的设计目标为对于来自投影机的光具有高反射率,并且对于其他一切光具有低反射率。来自投影机的输出通常是线偏振的,并且来自投影机的光通常以低入射角照射在屏幕10上,因此,适当的目标是对于平行于投影机输出而偏振的光在低入射角下具有高反射率,并且对于其他一切光具有低反射率。在屏幕10的一些应用中,薄膜结构13由非吸收材料制成,以使得不从薄膜结构13 反射的光透过薄膜结构13并由专用吸收器14吸收。在这些应用中,检查薄膜结构本身的反射特性就足以确定整个屏幕10的反射特性。在一些应用中,薄膜结构13可装入保护外壳中,可层合至或生长于一个或多个保护层上,或可与一个或多个保护层做成一体。在这些应用中,保护外壳和薄膜结构一起构成基板12。通常,基板12中在薄膜结构13任一侧或两侧的保护层是光学厚层,意味着从每个保护层的两侧反射的光非相干地相加。换句话讲,源自基板外部面的反射本质上不产生相长干涉或相消干涉;唯一相干干涉效应由薄膜结构12本身产生。通常,保护层与薄膜结构 13中其各自的相邻层折射率匹配,以减少由保护层和薄膜结构13之间的界面产生的反射。 值得注意的是,基板12可只是薄膜结构13本身,而没有任何额外的保护层。图9和图10为典型薄膜结构93的示意图。图9和图10两者示出相同的薄膜结构93,但从两个相正交的方向观看。光(自图9和图10的顶部)进入面向观看者一侧上的屏幕,穿过光散射层11,进入基板92并进入薄膜结构93。透过薄膜结构93的光射出基板 92并进入吸收器14,在该处被吸收。从薄膜结构93反射的光离开基板92,穿过光散射层 11并在面向观看者的一侧射出屏幕10。薄膜结构93被绘制为具有五个层,但典型的薄膜结构可具有更多层,例如50、100、150、200、250、300、350、400、500、700、1000或任何合适的值。薄膜结构93依赖于偏振和干涉效应对于投影机光实现相对高反射率(对于平行于投影机偏振态的偏振态在低入射角下的情况参见图9的顶部右侧和图10的顶部右侧), 并且对于其他一切光实现相对低反射率(对于平行于投影机偏振态的偏振态在高入射角下的情况-参见图10的顶部左侧)。薄膜结构93包括交替材料的叠堆,其中通常一种材料具有相对高折射率并表示为“高”或“H”,并且另一种材料具有相对低折射率并表示为“低”或“L”。叠堆中材料的任一者或两者可为双折射的,并且根据双折射材料光学轴的取向,特定材料对于一种偏振态可为“H”并且对于正交偏振态可为“L”。对于图9和图10的应用,每一层对包括双折射层和非双折射层,所述双折射层对于一种偏振态具有约1.62( “H”)的折射率并且对于正交偏振态具有约1.51( “L”)的折射率,并且所述非双折射层具有约I. 51 (对于两种偏振态均为“L”)的折射率。每一层的光学厚度为四分之一波长。高反射率通过由每一高低界面产生的反射的相长干涉而实现;每一反射功率可相对较小,例如O. 1%,但由这些较小反射中的多个产生的相长干涉的组合效应可导致比较高的功率反射率,例如90%、95%、98%、99%、99· 5%、100% 或任何合适的值。
每一层的物理厚度取决于该层具有四分之一光学波长厚度所对应的波长和入射角。如果在特定波长下在垂直入射角度这些层将具有四分之一波长光学厚度,则通过(波长)/(4n)得出每一层的物理厚度,其中“η”为在该波长下特定层的折射率。可在可见光谱中使用介于400nm和700nm之间的任何合适波长,但光谱绿色区域中的波长,例如500nm或 550nm,是最常用的。“H”层和“L”层可分别具有I. 62和I. 51的折射率,但可使用其他合适的值。对于其中所有“H”层具有相同厚度并且所有“L”层具有相同厚度的一些薄膜结构而言,光谱反射率分布可能无法接受地窄。此类四分之一波长薄膜叠堆在一个特定设计波长下可良好地发挥作用,但在小的波长范围之外可能表现不佳。可通过改变“H”层和“L” 层的厚度而增大工作波长范围,如下所述。在一些应用中,各“H”层和“L”层可从薄膜结构的顶部至底部具有不同的厚度。例如,薄膜叠堆一侧附近的“H”层的厚度可不同于薄膜叠堆相对侧附近的“H”层的厚度。同样,薄膜叠堆一侧附近的“L”层的厚度可不同于薄膜叠堆相对侧附近的“L”层的厚度。更具体地讲,可将薄膜叠堆的一侧调成一个波长,例如400nm,此处“H”层和“L”层在400nm下均为四分之一波长厚度,同时可将薄膜叠堆的相对侧调成不同波长,例如700nm,此处“H” 层和“L”层在700nm下均为四分之一波长厚度。“H”层和“L”层的光学厚度可贯穿薄膜结构的厚度离散地以阶梯方式变化,或者以连续方式变化。这种厚度的非离散变化可称为薄膜结构中层的“厚度连续梯度”,并且可有助于加宽薄膜结构性能的工作波长范围。应当理解,对于本文而言“四分之一波长”层可为某范围中特定波长下的四分之一波长,并且该特定波长可从薄膜结构的观看者侧至薄膜结构的吸收器侧离散地或连续地变化。为了简明起见,人们使用薄膜分析中常用的“H”和“L”符号,并记住厚度的这种变化。对于平行于来自投影机的光而偏振的光,在低入射角下,薄膜叠堆表现为光散射层lLHLHLHI^^HLl吸收器,或光散射层I (LH)nL |吸收器,其中“η”为较大整数,例如100、 150、200、250、300、350、400、450、500或任何合适的值。这种薄膜叠堆具有高反射率,这是所希望的。对于垂直于来自投影机的光而偏振的光,在低入射角下,薄膜叠堆表现为光散射层IlLLI^-LLLI吸收器,或光散射层I L2n+11吸收器。该光散射层可具有与“L”材料折射率粗略匹配的折射率,例如I. 51,以使得薄膜结构93可具有相对低反射率,这也是所希望的。在比较高的入射角下,对于平行于偏振态的入射平面(参见图10的顶部左侧)而言,来自投影机的光以P偏振态进入屏幕。对于P偏振光存在一种状况,其中在称为“布鲁斯特角”的特定入射角下,可使来自界面的反射最小化或减小。对于以接近该布鲁斯特角条件的取向在薄膜结构93内传播的P偏振光,使来自每一界面的功率反射率减小或最小化, 以使得在这些减小的表面反射之中的相长干涉也减小。对于在屏幕上具有高入射角、平行于该投影机光而偏振的光,完全满足或大致满足该布鲁斯特角条件。可如下计算在薄膜结构93内部的实际布鲁斯特角。对于在“L”层内部行进的P 偏振光,满足布鲁斯特角条件的传播角(相对于基板表面法线)为sin—1 (I. 51/1. 62)或约43 度。对于在“H”层内部行进的P偏振光,满足布鲁斯特角条件的传播角为^1^(1.62/1.51) 或约47度。值得注意的是,对于这两种层,折射率和传播角(其产生布鲁斯特角效应)的正弦的乘积n sin Θ为约I. 10。该值大于1,这表示如果薄膜结构93与完全平坦的膜/空气界面一起使用,即,将光散射层11明确地排除在外,则从空气中入射的光将无法在薄膜结构93内部实现布鲁斯特角条件,甚至在掠入射下亦如此。通过在空气入射(观看者)和薄膜结构93之间放置光散射层,这有效地赋予空气入射高于I的有效折射率,例如I. 18、1. 30或任何其他合适的值,人们可针对 sin—1 (I. 10/1. 18)=69度、sin—1 (I. 10/1. 30) =58度或任何其他合适值的空气入射角在薄膜结构内部实现布鲁斯特角效应。就数学而言,人们可针对某光线以分析方式计算(n sin Θ)的值,该光线在折射率为ηΑ和ηΒ的各向同性材料之间的界面处满足布鲁斯特角条件,并且发现该值等于如果上述计算值大于1,则从将空气作为其入射介质的完全平坦界面进入的任何光线均无法满足布鲁斯特角条件。换句话讲,如果从屏幕中移除光散射层11,则如果上述计算量大于1,则从空气进入薄膜结构93的光线中无一能满足薄膜结构93中的布鲁斯特角条件。如果上述计算值小于由光散射层11提供的有效入射折射率,则会有满足薄膜结构93内部布鲁斯特条件的某些穿过光散射层11的从空气入射的光线存在。换句话讲,假若使用光散射层11并且其提供超出上述计算值的有效入射折射率,则薄膜结构93内部的布鲁斯特角条件可以由从空气入射达到。值得注意的是,上述针对(n sin Θ )的表达式仅适用于各向同性介质,但也是针对双折射介质的约略估计。双折射介质可见在X折射率和I折射率之外还依赖于Z折射率的布鲁斯特角效应,预测可发生这些效应的角度的表达式因此比以上给出的用于各向同性介质的对应表达式更复杂。双折射介质中布鲁斯特角的计算见于标题为“Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”(多层聚合物反射镜中的巨大双折射光学元件)的期刊论文,该论文由 Michael F. Weber、Carl A. Stover> Larry R. Gilbert、Timothy J. Nevitt 和 Andrew J. Ouderkirk所写,刊载于日期标注为2000年3月31日的《科学》杂志的第287卷第5462期第2451-2456页中。该期刊论文全文以引用方式并入。通常,对设计人员而言,对P偏振和s偏振随入射角而变化的菲涅耳反射系数进行数值计算可能比直接计算布鲁斯特角更为有用。可如以下段落中所述计算这些振幅反射系数。人们参照图4的几何结构(其中多层光学膜在屏幕10内),并且针对表示为“I”和 “2”的材料之间的界面计算菲涅耳反射系数。材料“I”和“2”中的任一者或两者可具有双折射性,并具有沿着X、y和/或z轴的光学轴。材料“ I ”对于沿X、y和z方向取向的电场矢量分别具有折射率nlx、nly和nlz。同样地,材料“2”具有相应的折射率n2x、n2y和n2z。对于具有折射率% (通常,空气入射为1.0)的各向同性入射介质,入射角为sin Qtl并且在 y-z平面中入射(参见图4中的光束41-44),P偏振光(参见光束41和42)的菲涅耳反射系数为
权利要求
1.一种前投影系统,包括投影机,其用于将光投影至屏幕,所述光具有第一偏振态;屏幕,其用于接收来自所述投影机的光并且将光反射至观看者,所述屏幕包括吸收器;以及膜,其布置在所述吸收器和所述投影机之间并与所述吸收器相邻,所述膜对于所述第一偏振态在低入射角下具有高功率反射率,对于P偏振光的所述第一偏振态在高入射角下具有低功率反射率,对于垂直于所述第一偏振态的第二偏振态在低入射角下具有低功率反射率,并且对于S偏振光的第二偏振态在高入射角下具有低功率反射率。
2.根据权利要求I所述的前投影系统,其中所述低入射角小于30度,并且所述高入射角大于65度。
3.根据权利要求I所述的前投影系统,其中所述低功率反射率小于20%,并且所述高功率反射率大于80%。
4.根据权利要求I所述的前投影系统,所述屏幕还包括布置在所述膜和所述投影机之间与所述膜相邻的光散射层,其用于将光导向至出射的反射角范围中,所述范围包括镜面反射。
5.根据权利要求I所述的前投影系统,其中所述膜包括多个交替的低折射率层和高折射率层,所述低折射率层和高折射率层中的至少一者为双折射的。
6.根据权利要求5所述的前投影系统,其中每一双折射层均具有取向在所述双折射层的平面内并且平行于所述第二偏振态的光学轴;其中所述高折射率层为双折射的,并且具有寻常折射率和非寻常折射率;其中所述寻常折射率大于所述非寻常折射率,其中所述非寻常折射率和所述低折射率层的折射率之间的差值小于所述寻常折射率和所述低折射率层的折射率之间的差值。
7.根据权利要求I所述的前投影系统,其中所述第一偏振态包括在第一波长下的第一线性偏振态;以及在第二波长下的垂直于所述第一线性偏振态的第二线性偏振态,其中所述第一波长和第二波长介于400nm和700nm之间并且彼此不同。
8.一种屏幕,其具有用于接收来自投影机的具有投影偏振取向的线偏振投影光并且将光反射至观看者的观看侧,所述屏幕包括光散射层,其具有多个透射的部分球体并且产生升高的有效入射折射率,所述升高的有效入射折射率至少取决于所述透射的部分球体的深度和折射率;以及薄膜结构,其布置在所述观看侧的相反侧与所述光散射层相邻,并且包括多个交替的第一层和第二层;其中每个第一层为双折射的并且对于沿着所述投影偏振取向偏振的光具有第一折射率,并且对垂直于所述投影偏振取向偏振的光具有第二折射率;并且其中每个第二层为各向同性的,并具有与所述第二折射率匹配并且与所述第一折射率失配的各向同性折射率;以使得在至少一个入射角下入射在所述屏幕的所述观看侧上的P偏振光由于在所述交替的第一层和第二层之间的界面处的布鲁斯特角效应而具有降低的反射率。
9.根据权利要求8所述的屏幕,还包括布置在所述观看侧的相反侧与所述薄膜结构相邻的吸收器。
10.根据权利要求8所述的屏幕,其中所述各向同性折射率和所述第二折射率相差小于O. 03 ;并且其中所述各向同性折射率和所述第一折射率相差大于O. 09。
全文摘要
本发明公开了一种投影系统,其中屏幕可通过以下方式改善对环境光的排斥对于平行于所述投影机偏振的偏振在低入射角下具有高反射率、对平行于所述投影机偏振的偏振在高入射角下具有低反射率并且对垂直于所述投影机偏振的偏振在低和高入射角下均为低反射率。在一些实施例中,对于平行于所述投影机偏振的p偏振光,所述功率反射率在低入射角下为高值并且在高入射角下减至低值。在一些实施例中,对于垂直于所述投影机偏振的p偏振光,所述功率反射率在低入射角下为低的。在一些实施例中,对于垂直于所述投影机偏振的s偏振光,所述功率反射率在所有入射角下均保持为低的。在一些实施例中,所述屏幕包括薄膜结构,其具有交替的各向同性材料和双折射材料的四分之一波长层,所述层对于垂直于所述投影机偏振的光是折射率匹配的,对于平行于所述投影机偏振的光在垂直入射角度下形成高反射器,并且对于平行于所述投影机偏振的p偏振光在高入射角下表现出布鲁斯特角效应。可通过使用增加所述有效入射折射率的光散射层来达到布鲁斯特角效应。
文档编号G02B5/30GK102612664SQ201080051948
公开日2012年7月25日 申请日期2010年11月10日 优先权日2009年11月17日
发明者刘宇锋, 蒂莫西·J·内维特, 迈克尔·F·韦伯 申请人:3M创新有限公司

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