本發(fā)明涉及一種透明投影屏幕，具體涉及一種采用微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高增益投影顯示的透明投影屏幕。

背景技術(shù)：
目前市場(chǎng)上常見的投影屏幕包括：白塑布投影屏幕、玻璃珠投影屏幕和銀色珍珠投影屏等，這類屏幕基于反射及散射原理，無法實(shí)現(xiàn)透明投影顯示，且存在增益低、信噪比低和易受環(huán)境光干擾等不足。近期出現(xiàn)了一種透明或者半透明的投影屏幕，這類屏幕在投影顯示圖像的同時(shí)能夠透過屏幕觀察屏幕后面的物體，具有魔幻新奇的效果，應(yīng)用廣泛。公開號(hào)為WO99/64902的PCT國(guó)際專利中公開了一種基于全息光學(xué)元件的多層透明投影顯示屏幕，其全息光學(xué)元件在普通環(huán)境光照明下肉眼不可見，成透明狀態(tài)。當(dāng)特定角度的投影光照射屏幕時(shí)，屏幕顯示投影圖像，觀察者能夠同時(shí)看到投影圖像和屏幕后的物體。日本DNP公司利用4層全息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種具有類似效果的透明投影屏幕。這類屏幕結(jié)構(gòu)復(fù)雜制作成本高。中國(guó)發(fā)明專利CN101030027A公開了一種具有全息柱面透鏡結(jié)構(gòu)的投影屏；中國(guó)發(fā)明專利CN101034252A公開了一種具有像面全息結(jié)構(gòu)的投影屏；中國(guó)發(fā)明專利CN101030028A公開了一種衍射投影屏；中國(guó)發(fā)明專利CN1811589A公開了一種基于全息透鏡的投影屏幕。這類投影屏幕具有一定的透明度，但是其顯示亮度受到衍射效率的嚴(yán)重制約，光能利用率低。中國(guó)發(fā)明專利CN102354081A公開了一種基于聚合物分散液晶的透明投影屏幕，液晶材料成本高，制作工藝復(fù)雜。中國(guó)發(fā)明專利CN103246102A公開了一種反式應(yīng)變液晶多功能調(diào)光玻璃可用于透明投影顯示，這種屏幕需通過外加電壓來調(diào)節(jié)其透明程度，不利于節(jié)能環(huán)保。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種零能耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高增益、高能量利用率的透明投影顯示屏。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案提供一種透明投影屏幕，它的結(jié)構(gòu)為：第一基材層的上表面與空氣接觸，第一基材層的下表面依次分布聚焦結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散結(jié)構(gòu)；所述聚焦結(jié)構(gòu)將來自投影系統(tǒng)的光線聚焦于觀察者所在位置，所述擴(kuò)散結(jié)構(gòu)將來自投影系統(tǒng)的光線在觀察者所在位置擴(kuò)散成一個(gè)觀察區(qū)域；在所述的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)上鍍有部分反射薄膜結(jié)構(gòu)；部分反射薄膜結(jié)構(gòu)表面覆蓋有折射率匹配層，折射率匹配層材料的折射率與聚焦結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散結(jié)構(gòu)材料的折射率一致；第二基材層的一個(gè)表面覆蓋于折射率匹配層上，第二基材層的另一表面與空氣接觸；所述的投影系統(tǒng)與觀察者所在位置在投影屏幕的同側(cè)。本發(fā)明所述的聚焦結(jié)構(gòu)為V型槽結(jié)構(gòu)、變頻光柵結(jié)構(gòu)、微棱鏡陣列結(jié)構(gòu)中的一種。各具體結(jié)構(gòu)為：所述的V型槽結(jié)構(gòu)的分布、取向、槽深與槽寬為連續(xù)變化，其結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置；所述的變頻光柵結(jié)構(gòu)的分布、取向、頻率參數(shù)滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置；所述的微棱鏡陣列結(jié)構(gòu)包括棱鏡單元，棱鏡單元的截面為直角三角形，其中一條直角邊與陣列所在的平面垂直，另一條直角邊位于陣列平面內(nèi)，棱鏡單元的頂角為銳角，頂角的角度與棱鏡的取向滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置。本發(fā)明所述的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)為隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)、微透鏡陣列結(jié)構(gòu)、二元光學(xué)元件結(jié)構(gòu)中的一種。各具體結(jié)構(gòu)為：所述隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)為表面起伏的浮雕結(jié)構(gòu)，浮雕結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸高度為隨機(jī)分布，浮雕結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性能包括擴(kuò)散角度分布和能量分布，由浮雕結(jié)構(gòu)的形狀與平均尺度確定，滿足在觀察者所在位置形成一個(gè)均勻觀察區(qū)域；所述的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性能包括擴(kuò)散角度分布和能量分布由微透鏡的半徑與口徑形狀確定，滿足在觀察者所在位置形成一個(gè)均勻觀察區(qū)域；所述的二元光學(xué)元件通過二元光學(xué)設(shè)計(jì)方法獲得相應(yīng)的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，滿足在觀察者所在位置形成一個(gè)均勻觀察區(qū)域。本發(fā)明所述的部分反射薄膜結(jié)構(gòu)為介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)對(duì)投影系統(tǒng)輸出的光譜實(shí)現(xiàn)部分反射，對(duì)其余的可見光譜實(shí)現(xiàn)透射，介質(zhì)膜結(jié)的平均反射率為5%～70%。所述的部分反射薄膜結(jié)構(gòu)也可以為金屬膜結(jié)構(gòu)，金屬膜結(jié)構(gòu)對(duì)可見光譜實(shí)現(xiàn)部分反射，平均反射率為5%～70%。本發(fā)明所述的折射率匹配層填充在由部分反射膜、聚焦結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)形成的微結(jié)構(gòu)空隙中；折射率匹配層材料的折射率與聚焦結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的材料的折射率一致。光線透過聚焦結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)、部分反射膜、折射率匹配層如同穿過一層透明玻璃，不發(fā)生匯聚或者發(fā)散現(xiàn)象。本發(fā)明的一個(gè)具體的優(yōu)選方案是：在第一基材層和第二基材層與空氣接觸的表面設(shè)有增透抗反射結(jié)構(gòu)，所述增透抗反射結(jié)構(gòu)為普通光學(xué)增透膜或納米蛾眼抗反射結(jié)構(gòu)。所述的第一基材層和第二基材層的材料為有機(jī)材料的板材、有機(jī)材料的膜材、玻璃材料中的一種。有機(jī)材料包括聚碳酸酯（PC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：1．本發(fā)明可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明度投影與高亮度投影。2．本發(fā)明可以使光能集中在觀察區(qū)域中，顯著提升光能利用率，節(jié)能環(huán)保。3．本發(fā)明提出的透明投影結(jié)構(gòu)易于批量制作，可有效降低透明投影顯示的成本。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的一種隨機(jī)擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施例1中提供的部分反射薄膜結(jié)構(gòu)的可見光譜透射率曲線。圖3是本發(fā)明實(shí)施例2提供的一種微透鏡擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例3中一種增透型的隨機(jī)擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1、透明投影屏幕；2、第一基材層；3、聚焦結(jié)構(gòu)；4、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)；5、部分反射薄膜結(jié)構(gòu)；6、折射率匹配層；7、第二基材層；8、投影機(jī)；9、輸出光線；10、散射光線；11、屏幕后面的物體；12、觀察者；13、屏幕中心法線；14、抗反射層。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1：參見附圖1，它是本實(shí)施例中一種隨機(jī)擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結(jié)構(gòu)3、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4、部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5、折射率匹配層6、第二基材層7構(gòu)成。聚焦結(jié)構(gòu)3為棱鏡結(jié)構(gòu)位于第一基材層2下表面，擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4為隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)位于聚焦結(jié)構(gòu)3表面，部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5為介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)鍍?cè)陔S機(jī)相位結(jié)構(gòu)4表面，折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5之間，其材料折射率與所述聚焦結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)材料的折射率一致。投影機(jī)8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對(duì)于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區(qū)域。觀察者12在觀察區(qū)域內(nèi)可同時(shí)看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實(shí)施例中聚焦結(jié)構(gòu)3為微棱鏡陣列結(jié)構(gòu)，包括棱鏡單元，棱鏡單元的截面為直角三角形，其中一條直角邊與陣列所在的平面垂直，另一條直角邊位于陣列平面內(nèi)，棱鏡單元的頂角為銳角，頂角的角度與棱鏡的取向滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置。棱鏡單元的頂角的大小與棱鏡的取向與分布由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實(shí)施例中的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4中的隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與分布由觀察區(qū)域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)為表面起伏的浮雕結(jié)構(gòu)，浮雕結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸高度為隨機(jī)分布，浮雕結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性能包括擴(kuò)散角度分布和能量分布，由浮雕結(jié)構(gòu)的形狀與平均尺度確定，滿足在觀察者所在位置形成一個(gè)均勻觀察區(qū)域；本實(shí)施例中投影系統(tǒng)輸出的紅、綠、藍(lán)三色光的中心波長(zhǎng)分別為630nm，532nm，450nm。參見附圖2，是本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的部分反射薄膜結(jié)構(gòu)的可見光譜透射率曲線，部分反射膜結(jié)構(gòu)在所述紅綠藍(lán)三色中心波長(zhǎng)附近具有大于90%的反射率，而在可見光的其它光譜范圍內(nèi)的透射率接近100%。本實(shí)施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦結(jié)構(gòu)3與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4的材料為折射率為1.56的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也為折射率為1.56的紫外固化膠。實(shí)施例2：參見附圖3，是本實(shí)施例中一種微透鏡擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結(jié)構(gòu)3、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4、部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5、折射率匹配層6、第二基材層7構(gòu)成。聚焦結(jié)構(gòu)3為V型槽結(jié)構(gòu)位于第一基材層2下表面，擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4為微透鏡陣列結(jié)構(gòu)位于聚焦結(jié)構(gòu)3表面，部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5為金屬薄膜鍍?cè)谖⑼哥R結(jié)構(gòu)4表面，折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5之間，其材料折射率與聚焦結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)材料的折射率一致。投影機(jī)8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對(duì)于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區(qū)域。觀察者12在觀察區(qū)域內(nèi)可同時(shí)看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實(shí)施例中聚焦結(jié)構(gòu)3中的V型槽結(jié)構(gòu)的取向、槽深與槽寬連續(xù)變化，參數(shù)由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實(shí)施例中的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4采用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)散性能包括擴(kuò)散角度分布和能量分布，由透鏡單元口徑、曲率由觀察區(qū)域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。本實(shí)施例中投影系統(tǒng)輸出連續(xù)的可見光譜光線，設(shè)計(jì)的部分反射膜結(jié)構(gòu)在所述投影系統(tǒng)輸出光譜范圍內(nèi)具有30%的反射率。本實(shí)施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦結(jié)構(gòu)3與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4的材料為折射率為1.56的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也是折射率為1.56的紫外固化膠。實(shí)施例3：參見附圖4，是本實(shí)施例中一種增透型的隨機(jī)擴(kuò)散透明投影屏幕及其投影顯示結(jié)構(gòu)示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結(jié)構(gòu)3、擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4、部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5、折射率匹配層6、第二基材層7、抗反射結(jié)構(gòu)14構(gòu)成。所述聚焦結(jié)構(gòu)3為棱鏡結(jié)構(gòu)位于第一基材層2下表面，所述擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4為隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)位于聚焦結(jié)構(gòu)3表面，所述部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5為介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)鍍?cè)谒鲭S機(jī)相位結(jié)構(gòu)4表面，所述折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結(jié)構(gòu)5之間，其材料折射率與所述聚焦結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)材料的折射率一致，所述抗反射結(jié)構(gòu)位于第一基材層的上表面與第二基材層的下表面。投影機(jī)8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對(duì)于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區(qū)域。觀察者12在觀察區(qū)域內(nèi)可同時(shí)看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實(shí)施例中聚焦結(jié)構(gòu)3中的棱鏡單元的頂角的大小與棱鏡的取向與分布由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實(shí)施例中的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4中的隨機(jī)相位結(jié)構(gòu)的分布由觀察區(qū)域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。本實(shí)施例中投影系統(tǒng)輸出的紅、綠、藍(lán)三色光的中心波長(zhǎng)分別為630nm，532nm，450nm。本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的部分反射膜結(jié)構(gòu)在所述紅綠藍(lán)三色中心波長(zhǎng)附近具有大于90%的反射率，而在可見光的其它光譜范圍內(nèi)的透射率接近100%。本實(shí)施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.52的玻璃，聚焦結(jié)構(gòu)3與擴(kuò)散結(jié)構(gòu)4的材料為折射率為1.51的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也為折射率為1.51的紫外固化膠。本實(shí)施例中抗反射結(jié)構(gòu)14選用周期為100nm，高度為200nm的納米蛾眼抗反射結(jié)構(gòu)，可顯著降低表面反射光的干擾。抗反射結(jié)構(gòu)亦可采用單層或者多層薄膜抗反射結(jié)構(gòu)，降低反射光的干擾。