專利名稱：帶不同光學(xué)放大率雙面凸?fàn)钔哥R的投影屏的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及透射屏，尤其涉及適用于背投系統(tǒng)的透射屏。
背投屏通常被設(shè)計成將投射到屏背后的圖像發(fā)射入觀看空間，投影系統(tǒng)的觀看空間可能相當(dāng)大(如背投電視)或相當(dāng)小(如背投數(shù)據(jù)監(jiān)視器)。背投屏性能可用各處屏特性描述，用于描述屏性能的典型屏特性包括增益、觀察角、分辨率、對比度、存在的不希望的人為現(xiàn)象(色彩、斑點)等。一般希望背投屏具有高分辨率、高對比度和大增益，還希望屏能在很大的觀看空間內(nèi)散發(fā)光。不幸得很，正如下面要詳述的，如果提高了一個屏特性，則另一個或另幾個屏特性就會劣化。例如，為了用同一個整體結(jié)構(gòu)提高屏增益，通常會劣化觀察角(便于觀看屏的角度)。因此，為了對特定背投顯示裝置制作一個其性能總體上可接受的屏，要在屏特性與性能方面作某些折衷。
因次，對使用這種屏的背投顯示裝置而言，在符合必需的最小性能標(biāo)準(zhǔn)的同時，要求屏提高總體性能。

發(fā)明內(nèi)容
通常，本發(fā)明涉及背投屏組件，尤其涉及把雙面凸?fàn)钔哥R膜用作光色散元件的背投屏。雙面凸?fàn)钔哥R膜可以包括不同焦度的雙面凸?fàn)钔哥R，或包括以二維圖案形成的雙面凸?fàn)钔哥R。本發(fā)明旨在提高被處于特定位置的觀察者看來整個屏面的亮度均勻性，該特定位置一般被造成在特定應(yīng)用中觀察者最有可能出現(xiàn)的位置。
在一實施例中，本發(fā)明是一種與光源聯(lián)用的背投屏，包括一塊有第一與第二發(fā)射區(qū)的基板。第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案位于至少一部分基板第一表面上，對基板提供光學(xué)焦度。雙面凸?fàn)钔哥R圖案第一區(qū)域包括具有第一焦距的聚焦元件，而且第二區(qū)域包括具有與第一焦距不同的第二焦距的聚焦元件。
在另一實施例中，本發(fā)明是一背投屏，包括在其第一表面上有雙面凸?fàn)钔哥R圖案的基板。第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的聚焦元件在第一表面范圍內(nèi)基本上為非線性，鄰近的聚焦元件基本上相互平行而形成一種二維雙面凸?fàn)钔哥R圖案。
在本發(fā)明再一個實施例中，屏包括發(fā)射光的第一透明光發(fā)射裝置和置于光發(fā)射裝置至少一個表面上的光色散裝置，而光色散裝置包括多個聚光裝置，用于聚焦通過發(fā)射裝置的光。至少一個聚光裝置的焦距不同于另一聚光裝置的焦距。
上述

發(fā)明內(nèi)容
并不是描述本發(fā)明的每個圖示實施例或每種實施方法。下面的附圖與詳述將更具體地說明這些實施例。
附圖簡介通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明各種實施例的詳述，可以更全面地理解本發(fā)明，其中

圖1示出一背投顯示器；圖2A與2B示出背投顯示器特定實施例的截面圖；圖3示出光學(xué)增益與觀察角(垂直與水平角度)的曲線圖；圖4A示出雙面凸?fàn)钔哥R的一實施例；圖4B示出穿過圖4A雙面凸?fàn)钔哥R的截面；圖5A示出本發(fā)明一特定實施例的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜；圖5B示出穿過圖4A可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜的截面；圖5C示出圖5A與5B所示可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R各部分的觀察角；圖6出本發(fā)明另一實施例的另一可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜；圖7A-7D示意示出本發(fā)明不同實施例的具有不同軌線的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R；圖8示出本發(fā)明一實施例的具有兩種交叉雙面凸?fàn)顖D案的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R；圖9A示出本發(fā)明一實施例中層迭至整塊漫射膜的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜；圖9B示出本發(fā)明一實施例中配有整塊漫射粒的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜；圖9C示出本發(fā)明一實施例中帶光色散表面的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜；
圖10A-10C示出本發(fā)明諸特定實施例的二維雙面凸?fàn)钔哥R圖案；圖11A示出本發(fā)明一實施例的另一可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜，包括偏置光軸的透鏡；圖11B-11D示出各種雙面凸?fàn)钔哥R交叉截面；圖12示出本發(fā)明的樣品屏組件的結(jié)構(gòu)；圖13示出的增益是樣品屏組件的中心與邊緣各點觀察角的函數(shù)；和圖14示出在樣品屏組件的邊緣與中心之間的分數(shù)增益。
雖然本發(fā)明適合于各種修正與替代形式，但是其特點已在附圖中的例子示出，并作詳述。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于這些描述的具體實施例。相反地，本發(fā)明包括落在所附面所規(guī)定的要發(fā)明精神與范圍內(nèi)的所有修正、同等方案與替代方案。
詳細描述本發(fā)明一般適用于多種不同的屏組件，尤其適合背投系統(tǒng)使用的屏組件。具體而方，本發(fā)明應(yīng)用于觀察者最可能的位置時是有利的本發(fā)明適用于將來自屏所有部分的光導(dǎo)向最可牟的觀察者位置，以便提高整個屏的亮度均一性。
現(xiàn)參照圖1、2A與2B描述背投顯示器100。該顯示器包括將圖像投射到屏104背面的圖像投影儀102。該圖像由屏104發(fā)射，使屏104后面某一點的觀察者106能看到經(jīng)屏104投射的的圖像108。背投顯示器100可以是例如背投電視或背投計算機監(jiān)視器，或任何其它背投顯示設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，在背投顯示器100中可用基于液晶顯示器(LCD)的圖像投影儀102把圖像投射到屏組件104的背面上。背投顯示器的大小可以不等，從較小的數(shù)據(jù)監(jiān)視器到大屏電視與視頻墻。投影顯示器100還要可以領(lǐng)帶于其機殼內(nèi)折迭的圖像投射路徑，如題為“投射圖像”的歐洲專利申請EP783133所描述的各種投射系統(tǒng)，其內(nèi)容結(jié)合在此作參照。從下述說明可以知道，這類系統(tǒng)尤其得益于下述各種屏組件的應(yīng)用。
現(xiàn)在更詳細地說明各種屏特性。一個主要的屏特性是增益。屏的增益代表作為觀察角函數(shù)的屏的亮度，通常用理想朗伯反射器校正該增益，而理想朗伯標(biāo)準(zhǔn)的增益對所有角度都為1。屏(或屏元件)的最大增益對應(yīng)于某一角度的最高增益，例如從后面以法向入射角照射的整塊漫射屏的最大增益，一般可對通過該屏以與屏表面法線成某一角度發(fā)射的光觀察到。
另一主要屏特性是觀察角。這里使用的屏的觀察角是屏增益跌至最大增益一半的角度。在許多情況下，該觀察角對應(yīng)于發(fā)射圖像的強度跌至垂直于屏表面發(fā)射的光強一半的角度。
背投系統(tǒng)的具體應(yīng)用決定了所需的觀察角。通常將盡量多的光從屏導(dǎo)向觀察者最可能出現(xiàn)的區(qū)域是有利的，例如，若背投顯示器是數(shù)據(jù)監(jiān)視器，那么觀察者一般相對于該屏在中央位于離屏1～3英尺以內(nèi)。觀察者的眼睛可能高于垂直于屏中心的一條線，但是觀察者一般在觀看該屏?xí)r不會離屏超過一二英尺的距離。另外，出于保密等原因，可能希望減少從屏以相對于該屏的法線成例如30度或更大角度出射的光量，這樣就減少了遠離屏的軸線而且或許未獲準(zhǔn)觀察屏示內(nèi)容的人偷看屏上信息的機會。
背投屏的另一種應(yīng)用在家庭電視系統(tǒng)里，此時通常希望通過大的角度從屏水平地投射圖像，因為觀看者一般不直接坐在電視屏的正面。另一方面，很少有觀看者觀看電視屏的位置遠遠高于或低于該屏，因而常常希望減小沿垂直方向發(fā)射圖像的角度。這樣，電視觀察角在垂直方向一般小于水平方向。另外，來自電視屏的光的垂直發(fā)散度最好相對于屏的法線向下傾斜，這樣例如可讓觀看者從地板上觀看電視。將光從電視屏向上偏移并不主要，因為觀看者一般不會站著看電視。
現(xiàn)在參見圖2A，將圖像投影102產(chǎn)生的圖像光110導(dǎo)向屏組件124。屏組件124一般包括若干不同的層，用于控制觀看者看得見的圖像，包括色散層134，還包括作的玻璃板136。色散層134把通過屏特定點的光色散或漫射成一錐角，使位于屏遠側(cè)的觀看者能從該特定點探測出圖像光。顯然，色散層134通常色散整個屏所有點的光，讓觀看者能看到圖像投影儀102投射到屏組件124上的整幅圖像。
同軸光線112由色散層134色散而產(chǎn)生觀察角2θ。來自圖像投影儀102的離軸光線110照射屏組件124的邊緣，與同軸光線112分離成α角。當(dāng)離軸光線110通過色散層時，它們關(guān)于光線111成±θ色散，好相對屏法線以α角色散。應(yīng)該明白，由于光色散現(xiàn)象可能對來自圖像光源的光的入射角很敏感，所以屏邊緣的觀察角不一定與屏中心的觀察角一樣。
圖2B示出另一個屏組件104，其中來自圖像投影儀102的光110在色散層114上入射之前，先被菲涅耳透鏡113準(zhǔn)直。色散層114在支持層116上，而支持層可以是例如玻璃屏，此時經(jīng)屏104邊緣發(fā)射的色散光圍繞垂直于屏的光線115色散。與沒有任何菲涅耳透鏡的屏組件124相比，屏組件104的一個優(yōu)點在于，減小了必須色散來自屏邊緣的光以便讓同軸的觀看者探測到角度。由于色散光的強度一般隨有增大而減小，所以與不同菲涅耳透鏡的屏組件相比，觀看者在有菲涅耳透鏡的屏組件104上看到的圖像，整個屏一般呈現(xiàn)出更均一的強度。
圖3示出一例電視屏的期望增益特性。圖示的兩條曲線302與304使增益與觀察角Dc相關(guān)，如可對電視使用的屏得到。較寬的曲線302示出的增益G是水平方向角Dc的函數(shù)。換言之，隨著觀看者從旁邊移離該屏，它描述了該觀看者感覺得到的屏亮度。水平觀察角DCH是水平色散光的強度跌至同軸強度或最大強度的一半的角。
較窄的曲線304代表作為沿垂直分向相對于該屏的角度函數(shù)的增益相依性。如上所述。為避免失去會照射地板與天花板的光，在電視場俁事一般希望以相對窄的角度范圍垂直地引導(dǎo)來自屏的圖像，從而提高觀看者感到的屏亮度。此時，垂向觀察角DCV，即光強為同軸光強或最大光強一半的色散角，要小于水平觀察角DCH。
因此，應(yīng)該明白，背投顯示屏有幾種觀察角下對稱的用法，換言之，垂直觀察角DCV不同于水平觀察角DCH。而且，沿一個方向如垂直方向的不一定為對稱的角函數(shù)。例如，垂向增益可以隨角增大到高于屏軸線比角減小到低于屏軸線更迅速地跌落，如曲線306所示，其最大增益處于θ＝0°，但向下比向上散發(fā)更多光。
本申請針對屏組件中使用的色散膜，它包括通常為膜形式的雙面凸?fàn)钔哥R陣列。雙面凸?fàn)钔哥R陣列400示為圖4A的示意形式。透鏡400由若干平行配置的柱雙面凸?fàn)钔哥R402構(gòu)成。本例中，各雙面凸?fàn)钔哥R402的寬度為d，在長度上從陣列400的第一邊緣406延伸到另一邊緣408。注意，諸軸線把X-Y平面批示成雙面凸?fàn)钔哥R陣列400的平面，把Z方向表示為光通過陣列400傳播的主方向?？梢詾閄方向為水平方向，Y方向為垂直方向。
圖4B示出穿過雙面凸?fàn)钔哥R陣列400的截面圖。中央透鏡412有一光軸410。光線414與416通過透鏡412邊緣而達到焦點，然后以角θ(θ≈d/2f0)發(fā)散，f0是透鏡412的焦距。同樣地，光線424與426通過一端部透鏡422發(fā)射，而光線434與436在雙面凸?fàn)钔哥R陣列400的另一邊緣通過透鏡432。如通過各透鏡402、412、422與432形成的焦點畫出的線Li表示的那樣，陣列400中所有的透鏡402、412、422與432都有同一焦距f0。
此類雙面凸?fàn)钔哥R陣列在背投屏中用于沿一個方向如X方向色散光。由于本側(cè)雙面凸?fàn)钔哥R的光色散為單向性，為了沿X與Y方向色散光，可使用兩上交叉的雙面凸?fàn)钔哥R陣列。
圖5A示出可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列500的一特定實施例。陣列500包括若干平行配置的柱形透鏡。本例中，各雙面凸?fàn)钔哥R502的寬度為d，并從陣列500的第一邊緣506延伸至另一邊緣508。坐標(biāo)軸與圖4A相似。
圖5B示出穿過雙面凸?fàn)钔哥R陣列500的截面圖。中央透鏡512有一光軸510，平等光線514與516通過中央透鏡512的邊緣到達焦點518，與透鏡512的距離為f0，而f0是中央透鏡512的焦距。光線514與516從焦點518以相對光軸510為角度DCO發(fā)散。
陣列500一端的透鏡522有一光軸520。平行光線524與526入射在透鏡522邊緣上并達到焦點528，該焦點位置與透鏡522分開的距離等于透鏡522的焦距f1。光線524與526各自相對于光軸520以角度DC1從焦點528發(fā)散出去。陣列500另一邊緣的透鏡532的焦距也是f1，因而入射在透鏡532任一邊緣的平行光線534與536在與透鏡532分開焦距f1的某一點到達焦點538。另外，光線534與536相對于光軸530以角度DC1從焦點538發(fā)散。
本例中，雙面凸?fàn)钔哥R陣列500不同透鏡的焦距都不同。具體而言，中央透鏡512的焦距不同于陣列500邊緣透鏡522和532的焦距。因此，雙面凸?fàn)钔哥R陣列500的依賴于光線撞擊陣列500的位置。在圖示例中，用直線Li描述陣列500中各透鏡的焦點軌線。對中央透鏡512而言，直線Li離陣列500最遠，而對陣列邊緣的透鏡522與532而言，直線Li最接近于陣列500。盡管把直線Li畫成各透鏡的焦距比其更位于中央的鄰近者短同一量，但是雙凸陣列申請透鏡的可以變化不同的量。例如，對接近陣列中心而不是接近陣列邊緣的透鏡，焦距可在相鄰?fù)哥R之間變化更大的量，此時軌線Li將在中央透鏡512處有一交點。
雙面凸?fàn)钔哥R對屏設(shè)計者很有利，因為屏提供的光色散量可以被選擇成對不同的屏部分不同。因此，例如為了增大到達位于屏中央的觀看者的光量，設(shè)計者能設(shè)計一種邊緣比中央具有更大光色散的屏。如果先前提到的，由于增益一般對較大的色散角呈衷減，所以這一點尤其重要。參見圖5C的增益曲線。第一系曲線550示出屏邊緣部分的增益，如果焦度在屏中央相同的活。與屏中央成一線的觀看者所見到的屏邊緣的亮度，定為θv下的增益，因為觀看者以θv角度觀看屏邊緣。當(dāng)用更高焦度增大屏邊緣部分的色散角時，屏邊緣的同軸(θ＝0°)增益從G1減到G2。而以θv角度到達觀看者的光量卻從G3增大到G4。
也可用寬度大于d的雙面凸?fàn)钔哥R(有時稱為可變節(jié)距雙面凸?fàn)钔哥R)增大光在屏邊緣的發(fā)散度。引入穿過雙面凸?fàn)钔哥R的可變節(jié)距，如使用更大寬度的雙面凸?fàn)钔哥R，會降低屏的分辨率。使用均一節(jié)距的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R，可保持同樣的分辨率，并在選擇的屏區(qū)域具有不同的色散角。
圖6示出另一個可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列的實施例。這里，陣列600的透鏡位于該焦距為f2的陣列600的一個邊緣，通過透鏡632邊緣聚焦的光線634與636相對于光軸630以角θ2從焦點638發(fā)散。陣列600的中央有一焦距為f3的透鏡612。通過透鏡612邊緣聚焦的光線614與616相對于光軸610以角θ3從焦點618發(fā)散。陣列600另一邊緣的第三透鏡622的焦距為f4。通過透鏡622邊緣聚焦的光線624與626相對于光軸620以角θ4從焦點628發(fā)散。在此，情況下，軌線Li表示陣列600申請透鏡的焦距從第一邊緣640邊疆地減小至另一邊緣642。
整個雙面凸?fàn)钔哥R陣列600的焦距變化不一定為線性或有規(guī)則，可以呈現(xiàn)某一其它特征。例如，整個陣列600的焦距變化可在邊緣之間的某一處最大，或在邊緣之間達到最小，而不是在邊緣處為最小值。整個雙面凸?fàn)钔哥R陣列可以有許多不同類的焦度變化，圖7A07D示出了一些例子。這些圖表示出短形的雙面凸?fàn)钔哥R陣列膜，焦點軌線Li是整塊膜位置的函數(shù)。
在圖7A中，軌線Li有一平坦的中央部分702，在接近雙面凸?fàn)钔哥R陣列700邊緣的部分704，焦距縮短。在圖7B中，軌線Li有一平坦的中央部分712，部分714向邊緣減小。軌線Li也有接近邊緣的部分716。在圖7C中，軌線Li具有高斯型分布，從屏720平坦的中央部分722平衡地過渡到平坦的外圍部分714。在圖7D中，軌線Li的最小處于屏730中央，最大734位于中央任一側(cè)。這些軌線例子不同于限制或窮盡，只是表示軌線形狀變化。軌線形狀不一定對雙面凸?fàn)钔哥R陣列對稱，可以不對稱。
在圖8的另一例可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列中，雙面凸?fàn)钔哥R800有兩上雙面凸?fàn)钔哥R子陣列802與804。第一子陣列802是一個可變放大率平行透鏡812的雙面凸?fàn)钔哥R陣列，適于在X-Z平面內(nèi)色散光。形成于雙面凸?fàn)钔哥R800另一側(cè)的第二雙面凸?fàn)钔哥R子陣列804，是一個可變放大率平行透鏡822的雙面凸?fàn)钔哥R陣列，與第一子陣列802交叉，使不沿Y-Z平面色散。因此，應(yīng)用兩種交叉的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R圖案，允許光沿兩個方向色散。各可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R圖案透鏡的焦度，可設(shè)計成在整個9800提供特定不對稱或非均一的光分配。
圖9A-9C示出不同實施例的雙面凸?fàn)钔哥R膜，也可提供附加的光色散。圖9A的膜900包括一塊可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜902，例如它通過層迭、粘附、涂布等法與色散膜904接觸。若色散膜904是整塊漫射體，如圖所示，它包括的若干顆粒906具有不同于膜908連續(xù)相折射率的折射率。顆粒906的隨機定向、形狀與位置，導(dǎo)致光通過整塊漫射體904色散。這種色散一般呈對稱，即形成圓截面的錐體。另一類可使用的色散膜904是珠狀膜。
圖9B是可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜920的另一實施例。本例中，雙面凸?fàn)钔哥R膜920本身在其邊疆相924內(nèi)含有漫射顆粒922。這種膜920的優(yōu)點在于，由雙凸面926提供一維色散，由整塊漫射顆粒922提供二維色散，造成不對稱色散圖案。
圖9C是另一實施例的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜940。本例中，膜940的一面有一可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R表面942，另一面944作為另一色散表面。色散表面944可以是任何合適的色散表面，例如包括隨機表面漫射體、全息漫射表面或微結(jié)構(gòu)漫射表面。除了雙凸表面單獨提供的光色散外，可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R表面還可配用提供附加光色散特性的膜。
配用超過雙面凸?fàn)钔哥R圖案提供特性的附加光色散，優(yōu)點在于可進一步控制觀察角。例如，研究一下色散角為30°的整塊漫射體與作20°水平色散的雙面凸?fàn)钔哥R的組合情況。將整塊漫射與雙面凸?fàn)钔哥R色散組合成單塊膜，水平觀察角約為50°，垂直觀察角約30°。由于一塊膜有不對稱的觀察角，故屏組件更簡單，制造費用較廉。
另外，由于該色散膜只在一側(cè)有簡單的雙面凸?fàn)顖D案，色散膜的制造就比膜每一側(cè)都有雙面凸?fàn)顖D案的情況更容易。若雙面凸?fàn)顖D案的曲率半徑較小，通常更容易制造優(yōu)質(zhì)的雙凸結(jié)構(gòu)。在雙面凸?fàn)钔哥R膜在輸入與輸出兩側(cè)都有雙面凸?fàn)钔哥R圖案時，希望把第二雙凸表面埋在低折射率材料中。由于雙面凸?fàn)钔哥R與低折射率材料間的折射率差一般小于雙面凸?fàn)钔哥R與空氣間折射率，第二雙面凸?fàn)顖D案就要求更大的曲率，制造起來更困難。單一雙面凸?fàn)钔哥R結(jié)構(gòu)與整塊漫射體等另一色散體相結(jié)合，可避免將雙面凸?fàn)钔哥R表面埋入低折射率材料的問題。
此外，可在其上形成雙面凸?fàn)钔哥R陣列的膜內(nèi)散布吸光顆粒。例如，若吸光顆粒在可見光譜內(nèi)表明有均一的吸光度，則吸光顆粒一般將給與該屏一種灰色或中性色調(diào)。吸光顆?？稍诳梢姽庾V的較佳部分吸光，對膜提供選擇的色彩特性。
雙面凸?fàn)钔哥R的透鏡不必在整個鏡面線性延伸。透鏡可以是曲面或非線性，以形成二維的雙面凸?fàn)顖D案而不是端直或線性透鏡得到的一維圖案。圖10A示出一特定實施例的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R膜，其中雙凸膜1000包括一系列同心雙面凸?fàn)钔哥R1002，而不是前述實施例中的端直透鏡。這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，相地于交叉、端直雙面凸?fàn)顖D案，可以改進屏邊角的照射無一性，在觀看者的眼睛與屏同軸時尤其如此。這種雙面凸?fàn)钔哥R圖案稱為二維，因為雙面凸?fàn)钔哥R沿X與Y兩個方向色散光。反之，5A的例子，單個端直雙凸陣列只沿X方向特性，因而稱為一維。接近陣列1000中央的雙面凸?fàn)钔哥R1004的焦度可以與遠離陣列1000中央1008的雙面凸?fàn)钔哥R1006不同。在這種結(jié)構(gòu)中，雖然可將雙凸陣列圖案設(shè)置在膜的一側(cè)，但是仍能將來自陣列1000邊角的光轉(zhuǎn)向與屏中心1008成一線的觀看者，這是期望的。
二維雙凸陣列圖案經(jīng)選擇，可產(chǎn)生任何特定期間的光色散圖案。例如，圖10B約雙凸陣列1050有一種呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱的雙面凸?fàn)顖D案，像陣列1000的圖案一樣，但這里的轉(zhuǎn)軸1058的中心偏離該陣列的中心。這樣，該陣列1050色散的光更多地引導(dǎo)到相對圖案1058的中心處于(X，-Y)象限的觀看者，而不是與陣列1050的中心對準(zhǔn)。例如，像壁裝型顯示器情況那樣，在知道觀看者偏離屏中的情況下，這是有利的。
圖10C是另一種二維陣列雙凸陣列圖案。圖中的雙面凸?fàn)顖D案1060為橢圓形，橢圓雙面凸?fàn)钔哥R在屏1064的中心的點1062周圍同心。由于橢圓圖案的主軸不水平，所以這種圖案通常可望對屏上更多的點增大垂直觀察角更甚于水平觀察角。
可以使用其它二維雙面凸?fàn)顖D案，應(yīng)該理解，并不打算把二維圖案限制于圖10A與10B的圖案，二維雙面凸?fàn)顖D案不一定旋轉(zhuǎn)對稱，也無須以任何方式呈對稱。
不要求把雙凸陣列中的透鏡配置成使它們的光軸居于中央，光軸可以偏離透鏡中心，因而除了以特定方向色散光以外，透鏡還可再導(dǎo)光。這種情況示于圖11A。在該例中，雙面凸?fàn)钔哥R陣列膜1100包括一雙凸表面1102，其中的中央透鏡1112有一長焦距f4。另外，光軸1110相對透鏡1112居中。因此，光線1114與1116在位置1118上聚焦，繞光軸1110以光散角DC3呈對稱發(fā)散。
可以形成陣列1100中另一塊透鏡，如焦距為f5的透鏡1122，使其光軸不穿過透鏡中心。此時，進入透鏡1122的光線1124與1126通過焦點1128引導(dǎo)，從焦點相對于透鏡1122的軸線呈不對稱發(fā)散。直線1129代表通過透鏡1122中心的光線。特性線1129由陣列膜1100發(fā)射后，導(dǎo)離光軸1120，此時導(dǎo)向軸線1110。光線1124與1126通過焦點1128后，相對光軸1120分別以角DC4與DC5呈不對稱色散。因此，可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列可以包括其光軸偏離透鏡中心的透鏡，故能大范圍重導(dǎo)光。
在可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R中，任何透鏡的截面分布可為任何所需的形狀。因11B中，擴展的細部示出了陣列1100的一塊透鏡1132。鏡面1134有一圓分布，半徑為r，這類經(jīng)常使用，但容易引入像差。另一可能的分布1136示于圖11C，其中表面分布1136為非球面，可形成為高次多項式。再一種分布1138示于圖11D，該分布1138關(guān)于Z軸1140不對稱。因此，通過該表面分布的光經(jīng)歷不同的聚焦作用，取決于光照射哪一部分鏡面。
制作一種一維的可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列屏組件，結(jié)果如下。圖12的屏組件1200由三層構(gòu)成，即透鏡膜1202、基板膜1204和塊漫射膜1206。
透鏡膜1202用折射率約1.51的丙烯酸鹽制成，雙面凸?fàn)钔哥R以均一節(jié)距200μm，雙面凸?fàn)钔哥R在屏中心的光學(xué)放大率是以對平面波入射光產(chǎn)生20°的觀察角，在屏邊緣(約離中心7英寸)的光學(xué)放大率是以對平面波入射光產(chǎn)生約45°的觀察角。該透鏡膜在金剛石平削的主輥上模壓制成。
基板膜1204是一層約250μm(10密耳)原的聚碳酸酯。塊漫射膜1206的涂層厚度約270μm(10.6密耳)，用折射率約1.47的樹脂制成，樹脂埋有重量約15％的顆粒，平均粒度約5μm，顆粒折射率為1.54。屏組件1200不要求聚碳酸脂基板膜1204。
屏組件1200的觀察角，即全角度、半最大強度角，在屏中心測量為44°(水平)和42°(垂直)，在屏邊緣測量為56°(水平)和42°(垂直)。
對于離法向入射20°角在輸入表面1208上的平面波照射，測量了屏增益在屏中心與屏邊緣測量的增益結(jié)果示于圖13。第一曲線1302是在屏中心測得的增益，第二曲線1304是在屏邊緣測得的增益，鑒于照射光的角度，每條曲線在約20°處出現(xiàn)峰值。對于在-18°～+45°的角度，曲線1302在屏中心測得的增益高于曲線1304在屏邊緣的增益。然而，在觀察角小于-18°或大于+45°時，曲線1304在屏邊緣的增益高于曲線1302在屏中心的增益。因此，在這些較大的觀察角下，與雙面凸?fàn)钔哥R膜在其寬度上具有恒定放大率的情況相比，看到的屏具有更均勻的照射。
圖14更詳細地示出了這一情況，說明了屏中心與邊緣的百分數(shù)增益差，對每個觀察角值計算了該增益差，好從第二曲線1304的值中減去第一曲線1302的值，并歸一化為第二曲線1304的值。這樣，觀察角在-18°～+45°時，有一增益凈減，這對應(yīng)于第一曲線1302高于第二曲線1304的區(qū)域。然而，對于小于-18°而大于+45°的觀察角，則凈增很大，觀察角為-55°時接近15％。這說明可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R屏有利于提高整個屏的亮度均一性，在用戶靠近該屏且正以大角度觀看屏某些部分時尤其有好處。
以上對可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R屏描述了若干不同的方法。應(yīng)該明白，這些方法可以組合使用，如不同的二維雙凸陣列圖案可以配用不同的雙面凸?fàn)钔哥R分布。另外，透鏡焦點不同的軌線可以配用二維雙面凸?fàn)顖D案。例如，應(yīng)用塊漫射體的附加色散可以配用任何一種可變放大率雙面凸?fàn)钔哥R陣列。這些實例并不限制可能使用的不同組合結(jié)構(gòu)。
要指出，為了提高屏強度的均一性，本發(fā)明可根據(jù)屏入射光的特性與預(yù)期的觀察者位置，來選擇雙面凸?fàn)钔哥R陣列中各塊透鏡的放大率。另外，本發(fā)明還可襝屏特性的不足。
如上所述，本發(fā)明適用于背投屏，相信尤其適用于要求不對稱觀察角的應(yīng)用場合。因此，不應(yīng)認為本發(fā)明限于上述諸特定實例，應(yīng)理解為包括所附權(quán)利要求規(guī)定的所有方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然明白，可應(yīng)用本發(fā)明的各種修正、同等過程和眾多結(jié)構(gòu)都以本說明書內(nèi)容為導(dǎo)向，權(quán)利要求包羅了這類修正與裝置。
權(quán)利要求
1.一種與光源聯(lián)用的背投屏，包括有第一表面的膜，第一表面的一部分限定第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案，第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的第一區(qū)域包括至少一個具有第一焦距的聚焦元件，而雙面凸?fàn)钔哥R圖案的第二區(qū)域包括至少一個具有不同于第一焦距的第二焦距的聚焦元件。
2.如權(quán)利要求1的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案在第一與第二區(qū)域之間具有第三區(qū)域，在第三區(qū)域中的至少一個聚焦元件具有不同于第一與第二焦距的第三焦距。
3.如權(quán)利要求1的屏，其中相鄰聚焦元件間的節(jié)距在整個屏上均一。
4.如權(quán)利要求1的屏，其中膜通過第一觀察角沿第一方向?qū)馍?，并通過第二觀察角沿與第一方向正交納第二方向?qū)馍?，第二觀察角不同于第一觀察角。
5.如權(quán)利要求1的屏，其中膜在與第一表面相對的第二表面上具有第二雙面凸?fàn)钔哥R圖案。
6.如權(quán)利要求5的屏，其中第二雙面凸?fàn)顖D案具有第四與第五區(qū)域，第四區(qū)域具有至少一個具有第四焦距的聚焦元件，而第五區(qū)域具有至少一個具有不同于第四焦距的第五焦距的聚焦元件。
7.如權(quán)利要求1的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的諸聚焦元件在膜第一表面上基本上直線對準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求1的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的諸聚焦元件在膜第一表面上基本上非線性對準(zhǔn)。
9.如權(quán)利要求8的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的諸聚焦元件形成一同心圖案。
10.如權(quán)利要求9的屏，其中同心圖案的中心與第一表中心有位移。
11.如權(quán)利要求1的屏，其特征在于還包括相對于第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案設(shè)置的第二光色散元件，以色散通過第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的光。
12.如權(quán)利要求11的屏，其中第二光色散元件包括裝有膜的塊漫射體。
13.如權(quán)利要求11的屏，其中第二光色散元件包括多個置于膜內(nèi)的光色散顆粒。
14.如權(quán)利要求11的屏，其中第二光色散元件包括膜上的色散表面。
15.如權(quán)利要求1的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的至少一個聚焦元件具有光軸偏離表面分布中心的表面分布。
16.如權(quán)利要求15的屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的諸聚焦元件具有光軸有選擇地偏離各自分布中心的分布，從而沿不同于入射方向的所選方向引導(dǎo)穿過第一雙面凸?fàn)钔哥R的諸聚焦元件的光。
17.如權(quán)利要求1的屏，其中第一雙面凸?fàn)顖D案的至少一個聚焦元件具有相對于表面分布的光軸不對稱的表面分布。
18.如權(quán)利要求1的屏，其中接近屏中心的雙凸聚焦元件的焦距大于更接近屏邊緣的雙凸聚焦元件的焦距。
19.如權(quán)利要求1的屏，其特征在于還包括一基板層，膜相對于該基板層設(shè)置以支承該膜。
20.如權(quán)利要求1的屏，其特征在于還包括圖像光源，它被設(shè)置成將圖像光發(fā)射到膜的面對圖像光源的輸入表面上。
21.如權(quán)利要求20的屏，其特征在于還包括一塊菲涅耳透鏡，在光入射到膜的輸入表面上之前，用于使來自圖像光源的光改向。
22.一種投射屏，其特征在于包括有第一表面的膜；和第一表面上的雙面凸?fàn)钔哥R圖案，第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的聚焦元件的部分在第一表面上非線性延伸，相鄰的聚焦元件基本上彼此平行而形成二維雙面凸?fàn)钔哥R圖案。
23.如權(quán)利要求22的投射屏，其中將二維雙面凸?fàn)顖D案選成沿第一與第二正交方向產(chǎn)生特定的觀察角，屏上的不同部分與不同特定觀察角有關(guān)。
24.如權(quán)利要求22的投射屏，其中相鄰聚焦元件之間的節(jié)距在屏上均一。
25.如權(quán)利要求22的投射屏，其中二維雙面凸?fàn)钔哥R圖案是一種同心雙面凸?fàn)顖D案。
26.如權(quán)利要求22的投射屏，其中第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案的不同聚焦元件具有不同的焦距。
27.如權(quán)利要求26的投射屏，其中雙面凸?fàn)钔哥R圖案包括至少第一與第二聚焦元件，第一聚焦元件比第一聚焦元件更接近雙面凸?fàn)钔哥R圖案的中心，第一聚焦元件的焦距長于第二聚焦元件的焦距。
28.如權(quán)利要求22的投射屏，其特征在于還包括第二光色散元件，設(shè)置成色散被第一雙面凸?fàn)钔哥R圖案透射的光。
29.如權(quán)利要求28的投射屏，其中第二光色散元件包括裝有膜的塊漫射體。
30.如權(quán)利要求28的投射屏，其中第二光色散元件包括多個置于膜內(nèi)的光色散顆粒。
31.如權(quán)利要求28的投射屏，其中第二光色散體包括膜上的光色散表面。
32.如權(quán)利要求22的投射屏，其特征在于還包括一圖像光源，被置成向膜的面對圖案光源的輸入表面發(fā)射圖像光。
33.如權(quán)利要求32的投射屏，其特征在于還包括一菲涅耳透鏡，置于圖像光源與膜之間，用于在圖像光入射于膜上之前使來自圖像光源的該圖像光改向。
34.一種投射屏，其特征在于包括用于發(fā)射光的第一透明光發(fā)射裝置；和設(shè)置光發(fā)射裝置的至少一個表面上的用于色散光的光色散裝置，所述光色散裝置包括至少兩個光聚焦元件，在至少一個表面的一部分上非線性延伸。
35.一種投射屏，其特征在于包括用于發(fā)射光的第一透明光發(fā)射裝置；和設(shè)置在光發(fā)射裝置的至少一個表面上的用于色散光的光色散裝置，所述光色散裝置包括多個光聚焦裝置，用于聚焦通過發(fā)射裝置的光；其中至少一個光聚焦裝置的焦距不同于另一光聚焦裝置的焦距。
全文摘要
一種背投屏,它把雙面凸?fàn)钔哥R膜作光色散元件。單塊雙面凸?fàn)钔哥R膜包括諸焦度不同的雙面凸?fàn)钔哥R,或包括以二維圖案構(gòu)成的雙面凸?fàn)钔哥R。正如處于特定位置的觀看者所看到的那樣,雙面凸?fàn)钔哥R膜提高了整個屏上的亮度均一性。該特定位置一般被選成觀看者在特定應(yīng)用場合中最有可能的位置。
文檔編號G02B3/06GK1361881SQ99816812
公開日2002年7月31日 申請日期1999年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月18日
發(fā)明者R·S·莫什雷夫扎德, J·C·內(nèi)爾森, P·A·托馬斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司