屏幕的制作方法

屏幕的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种用于多人观看3D图像的屏幕。输入光包括从位置不同的第一投影光源和第二投影光源分别射出的第一输入光和第二输入光。在被第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，屏幕包括微结构阵列，该像素被微结构阵列分为多个子像素，每个微结构对应于一个子像素；该微结构阵列包括表面镀有反射层的第一微面和第二微面，其中，第一微面面向第一输入光并反射第一输入光的对应子像素的光以形成屏幕的第一输出光，该第一输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，第二微面面向第二输入光并反射第二输入光的对应子像素的光以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一个观众的另一只眼睛中。
【专利说明】[0001] 屏幕

【技术领域】
[0002] 本发明涉及显示【技术领域】，特别是涉及投影屏幕。
[0003]

【背景技术】
[0004] 投影显示目前已经得到了越来越多的应用。投影显示的原理是，利用投影机将图 像光投射到一个屏幕上，该图像光在该屏幕上被散射，其中部分被散射的图像光被人眼所 接收，在人眼看来这些图像光就如同是屏幕上发出来的，这样屏幕上就形成了图像。
[0005] 投影显示分为正投和背投。正投即投影机与观众在屏幕的同一侧，背投即投影机 与观众在屏幕的相对的两侧。对于正投来说，屏幕的作用在于散射和反射图像光，对于背投 来说，屏幕的作用则在于散射和透射图像光。
[0006]


【发明内容】

[0007] 本发明提出一种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个观 众看到，该多个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布。输入光按照特 定光学属性的不同分为第一输入光和第二输入光，第一输入光和第二输入光从同一投影光 源同时或分时出射；第一输入光和第二输入光所承载的图像不同，且第一输入光和第二输 入光所承载的图像都是由多个像素组成。
[0008] 在被第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，屏幕包括棱镜阵列、 分光层与反射层，该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且每个 子像素所携带的图像信息相同；分光层位于棱镜阵列的背向输入光的一侧，反射层位于该 分光层的背向棱镜阵列的一侧；棱镜阵列中的每个棱镜用于将第一输入光的对应子像素的 光透射至分光层，该分光层用于将该光反射回该棱镜并出射以形成屏幕的第一输出光，该 第一输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，同时分光层将第二输入光的该子像 素的光透射至反射层，并将该反射层反射回的该光透射回该棱镜并出射以形成屏幕的第二 输出光，该第二输出光最终入射于至少一个观众的另一只眼睛中；或者， 在被第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，屏幕包括棱镜阵列、分光 层与反射层，该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且每个子像 素所携带的图像信息相同；分光层附于棱镜阵列的面向输入光的一侧，反射层位于棱镜阵 列的背向分光层的一侧；棱镜阵列中的每个棱镜上的分光层用于接收第一输入光的对应子 像素的光并将其反射并出射以形成屏幕的第一输出光，该第一输出光最终入射于至少一个 观众的某一只眼睛中，同时该分光层将第二输入光的该子像素的光透射至它所在的棱镜， 该棱镜用于将该光透射至反射层并将该反射层反射回的该光透射回分光层并出射以形成 屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一个观众的另一只眼睛中。
[0009] 本发明还提出一种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个 观众看到，多个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布。
[0010] 输入光按照特定光学属性的不同分为第一输入光和第二输入光，第一输入光和第 二输入光从同一投影光源同时或分时出射；第一输入光和第二输入光所承载的图像不同， 且第一输入光和第二输入光所承载的图像都是由多个像素组成。
[0011] 在被第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，屏幕包括棱镜阵列， 该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且每个子像素所携带的 图像信息相同；在棱镜阵列的两个法线方向不同的第一表面和第二表面上分别附有第一滤 光膜和第二滤光膜，第一滤光膜将入射于其所在的第一表面的第一输入光的对应子像素的 光以折射或反射的方式投射出来以形成屏幕的第一输出光，该第一输出光最终入射于至少 一个观众的某一只眼睛中，同时第一滤光膜将入射的第二输入光吸收或导往棱镜阵列的背 向第一输出光出射方向的一侧；第二滤光膜将入射于其所在的第二表面的第二输入光的对 应子像素的光以折射或反射的方式投射出来以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终 入射于至少一个观众的另一只眼睛中，同时第二滤光膜将入射的第一输入光吸收或导往棱 镜阵列的背向第二输出光出射方向的一侧。
[0012] 本发明还提出一种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个 观众看到，多个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布。
[0013] 输入光包括从位置不同的第一投影光源和第二投影光源分别射出的第一输入光 和第二输入光，第一输入光和第二输入光所承载的图像不同，且第一输入光和第二输入光 所承载的图像都是由多个像素组成，第一输入光的每个像素与第二输入光的对应像素在屏 幕上 对准； 在被第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，屏幕包括微结构阵列，该 像素被微结构阵列分为多个子像素，每个微结构对应于一个子像素，且每个子像素所携带 的图像信息相同；该微结构阵列包括表面镀有反射层的第一微面和第二微面，其中，第一微 面面向第一输入光并反射第一输入光的对应子像素的光以形成屏幕的第一输出光，该第一 输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，第二微面面向第二输入光并反射第二输 入光的对应子像素的光以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一个观众 的另一只眼睛中。
[0014] 本发明提出的屏幕，能够使排成阵列的不同的观众都分别看到3D图像。
[0015]

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1和图2是本发明中投影显示系统的工作原理的两个举例； 图3a和3b分别是本发明投影显示系统的一个实施例的俯视图和侧视图； 图3c是图3a所示实施例中屏幕上微结构的一个举例的结构示意图； 图3d是图3c中第一滤光膜和第二滤光膜的反射率随波长变化示意图； 图3e和图3f是图3a所示实施例中屏幕上微结构的另外两个举例的结构示意图； 图3g是图3f所示微结构的分光层的反射率随波长变化示意图； 图3h和图3i是图3f所示的微结构的一种变形； 图4a是本发明的投影显示系统的另一个实施例的俯视图； 图4b是图4a所示实施例中屏幕上微结构的一个举例； 图5a是本发明的投影显示系统的另一个实施例的俯视图； 图5b和图5c分别是图5a所不实施例中屏幕的一个举例的正视图和仰视图； 图5d和图5e分别是图5a所示实施例中屏幕上两个位置的微结构示意图； 图5f是图5a所示的实施例的屏幕的另一个举例的正视图； 图5g是图5f所示的屏幕的微结构的三维示意图； 图6a是本发明的投影显示系统的另一个实施例的俯视图； 图6b是图6a所示实施例的屏幕的一个举例的正视图； 图6c和图6d是图6a所示实施例的屏幕的侧视图的两个举例； 图7是本发明的投影显示系统的另一个实施例的俯视图； 图8a至图8c是本发明中投影显示系统的工作原理的另外三个举例； 图9是散射层对光线角度的作用的示意图； 图10a至图10c是针对图8a至图8c的工作原理对图5e的微结构所做的改进的示意 图； 图11是本发明中投影显示系统的工作原理的另外一个举例； 图12a和图12b是针对图11的工作原理对图5e的微结构所做的改进的示意图。
[0017]

【具体实施方式】
[0018] 图1和图2是本发明所提出的用于投影显示系统的两种工作方式的举例。图1中， 屏幕101用于接收输入光(输入光未画出），并将至少部分输入光投射为两束分别承载不同 图像的第一输出光111和第二输出光112,且第一输出光111和第二输出光112的出射方向 不同。在本发明中，光束"承载"图像指的是光束根据图像信号被调制而带有图像信息，而 "投射"应理解为向特定的方向或特定的方向范围出射。图中眼睛141和142分别代表两个 观看的人所在的位置，可以看出用于代表第一输出光111的三条光线均入射于眼睛141，用 于代表第二输出光112的三条光线则均入射于眼睛142。因此眼睛141能够在屏幕101上 看到第一输出光111所携带的图像，且看不到第二输出光112所携带的图像，同时眼睛142 能够在屏幕101上看到第二输出光112所携带的图像，且看不到第一输出光111所携带的 图像。这样的好处在于，只使用同一块屏幕，占用唯一的屏幕空间，就可以为不同方位的人 提供不同的影像显示。这显然可以应用于多种领域，例如橱窗广告，同一个行人走在不同的 位置可以看到不同的广告内容，在达到宣传目的的同时节省了成本。
[0019] 图2中的屏幕201的功能与图1接近，不同之处在于，第一输出光211和第二输出 光212的出射方向更靠近了一些，此时眼睛241和眼睛242分别代表了同一个观察者的左 右两只眼睛。同样的，眼睛241能够在屏幕201上看到第一输出光211所携带的图像，且看 不到第二输出光212所携带的图像，同时眼睛242能够在屏幕201上看到第二输出光212 所携带的图像，且看不到第一输出光211所携带的图像，即观察者两只眼睛看到图像内容 不同。这样只要控制第一输出光211和第二输出光212的图像内容分别对应于3D图像中 左眼和右眼的图像，观察者就能够看到3D图像效果。
[0020] 以上仅使用两个例子说明本发明的投影显示系统和屏幕的工作原理。下面将结合 附图来说明这种投影显示系统及其屏幕的具体实现方法。
[0021] 在下面的说明中，如没有特殊说明，则： 1. 输入光以点线表不，第一输出光以实线表不，第二输出光以虚线表不； 2. 为了说明方便，上下角度方向等同于屏幕的坚直角度方向，左右角度方向等同于屏 幕的水平角度方向； 3. 第一输出光指向左，第二输出光指向右，但这只是举例，并不是限制。
[0022] 图3a是本发明第一实施例所示的投影显示系统的俯视图。其中，投影光源351位 于屏幕301左右方向上的中部，并与观察者位于屏幕301的同侧。因此屏幕301的作用在于 反射投影光源351发出的光线使其被观察者看到。以点线表示的输入光(光线321a和321b 是其中的两条光线)从投影光源351射出并投影于屏幕301，输入光的照射范围覆盖整个屏 幕范围。以光线321a和321b为例来说明屏幕301的反射效果。光线321a入射于屏幕上 的301a区域后，被屏幕分为两部分，这两部分光分别被屏幕反射到不同的方向以形成输出 光线31 la和312a，光线31 la被投射往左侧，光线312a被投射往右侧。光线321b入射于屏 幕上的301b区域后，被屏幕分为两部分，这两部分光分别被屏幕反射到不同的方向形成输 出光线311b和312b，光线311b被投射往左侧，光线312b被投射往右侧。
[0023] 图3b为图3a所示的投影显示系统的侧视图。投影光源351位于屏幕301上下方 向上的下部，光线321a被屏幕301反射为输出光线311a和312a，光线321b被屏幕301反 射为输出光线311b和312b。
[0024] 由图3a和图3b可见，屏幕301的作用在于在左右角度方向和上下角度方向分别 控制输入光线321a和321b使其被反射形成特定方向上的输出光。在本发明所描述的屏幕 和投影显示系统中，重点在于屏幕在左右角度方向上对输入光线和输出光线的控制方法， 而对于在上下角度方向上的对输入光线和输出光线的控制则可以使用现有技术中的方法。 例如最常用的方法是，对光线在上下角度方向上进行充分的散射，使得从屏幕下方入射的 输入光线在上下角度方向上不会直接被镜面反射而向上出射，而是被散射成在上下角度方 向上覆盖相当大的范围，以保证部分反射光可以入射于观察者的眼睛。又例如另一种常用 的方法是，利用屏幕上的微结构对从屏幕下方入射的输入光线进行定向的反射(参考附图 6c和6d)，使其被反射到观察者的眼睛，这样的好处在于入射于观察者眼睛的光强较大，缺 点在于反射光的角度覆盖范围小，从观察者的角度来说就是屏幕的视角范围小。当然可以 理解，这两种对上下角度方向上光线的控制方法也可以结合使用。无论使用哪种对上下角 度方向上光线的控制方法，都并不影响本发明的效果。本发明中对左右角度方向上光线的 控制方法可以结合任意一种对上下角度方向上光线的控制方法使用，对此本发明并不做限 制。
[0025] 图3c和图3e分别为图3a中屏幕上中部的301b区域和偏右的301a区域的结构 示意图，以下将分别结合图3c和图3e来说明本实施例中屏幕301的工作方法。
[0026] 首先结合图3c描述在中部区域301b上如何实现在左右角度方向上将输入光线 321b反射到不同方向以形成输出光线311b和312b的方法。在屏幕上的301b区域，包括至 少一个棱镜单元302b，这些棱镜单元形成一个棱镜阵列（图3c中只标出一个棱镜单元302b 以示意)。棱镜单元302b面向输入光线的入射方向包括法线方向不同的两个面，第一表面 和第二表面。在棱镜单兀的第一表面上镀有第一滤光膜304b，使得入射于第一表面的输入 光321b被分成两束，一束是反射光311b，一束是透射光33lb,其中透射光331b被设置于棱 镜阵列后方的吸收层303b吸收。在棱镜单元的第二表面上镀有第二滤光膜305b，使得入射 于第二表面的输入光321b被分成两束，一束是反射光312b，一束是透射光332b，其中透射 光332b被设置于棱镜阵列后方的吸收层303b吸收。
[0027] 在本实施例中，第一滤光膜和第二滤光膜是按照波长将输入光321b分成两部分 的，第一滤光膜和第二滤光膜的反射率随波长的变化曲线如图3d所示。图3d中，实线所示 的折线为第一滤光膜304b的反射率变化曲线，它包含三个高反射率区域304b-B(对应于蓝 色光谱区域)、304b-G (对应于绿色光谱区域)、304b-R (对应于红色光谱区域）；虚线所示的 折线为第二滤光膜305b的反射率变化曲线，它包含三个高反射率区域305b-B(对应于蓝色 光谱区域)、305b-G (对应于绿色光谱区域)、305b-R (对应于红色光谱区域）；第一滤光膜的 三个高反射率区域与第二滤光膜的三个高反射率区域在波长上相互交叉。此时，可以设置 投影光源351使得输入光321b同时携带两个图像，第一图像是以304b-B、304b-G和304b-R 所对应的三个光谱段作为三基色，第二图像以305b-B、305b-G和305b-R所对应的三个光 谱段为三基色。这样第一图像就会被棱镜302b的第一表面的第一滤光膜304b反射为第一 输出光311b，第二图像则会被棱镜302b的第二表面的第二滤光膜305b反射为第二输出光 312b。
[0028] 投影光源的输入光所携带的两个图像，可以是同时出射的，也可以是分时出射的。 这都是现有技术，此处仅举例说明其实现方法。两个图像同时出射的情况是，先根据输入的 两个图像信号分别产生两个图像光，再利用两个图像光的光谱不同使用滤光片进行合光成 为一束出射。另个图像同时出射的另一种情况是，先根据输入的两个图像信号分别产生两 个图像光，两个图像光分别经过邻近的镜头投影至屏幕，这样两个图像光由于比较靠近也 近似为一束。两个图像分时出射的情况是，在投影光源中可以使用包含图3d中两组三基色 的色轮来分时的产生两组基色光，光阀根据输入的两个图像信号对这两组基色光分别进行 同步的调制以产生分时出射的两个图像光。
[0029] 图3e为图3a中屏幕上偏右的301a区域的结构示意图。与图3c所表示的301b 区域不同的是，图3e中的棱镜阵列中包含两个棱镜单元302a，这两个棱镜单元分别有一个 表面被输入光321a照射，这两个表面分别是表面304a和表面305a，且这两个被照射的表面 的法线方向不同。这样分别在这两个表面上镀第一滤光膜304a和第二滤光膜305a，就可以 将输入光分为两个不同波长范围的输出光311a和312a并投射向不同的方向。可以理解， 图3e中的屏幕结构与图3c中的屏幕结构的主要区别点在于，图3c中利用了同一个棱镜的 两个表面将输入光分解为两束，即第一输入光和第二输入光，并将其分别反射投射为第一 输出光311b和第二输出光312b ;而图3e中利用了两个棱镜的各一个表面来达到相同的目 的。
[0030] 图3e表示的是图3a中屏幕上偏右的301a区域的结构示意图，其中由于输入光 321a从左侧入射而来，因此第一滤光膜304a和第二滤光膜305a分别镀在两个棱镜单元的 左侧的表面上以迎向入射光；可以理解对于屏幕上偏左的区域，则由于输入光将从右侧入 射而来，则第一滤光膜和第二滤光膜镀在对应的两个棱镜单元的右侧的表面上以迎向入射 光。对于屏幕上偏左的区域不做重复说明。在后面的实施例中，都是以屏幕中部和右侧区 域为例进行说明的，而屏幕左侧则可以根据右侧的结构做相应的推导。
[0031] 容易理解的，在本实施例的屏幕中，中部区域301b与边缘区域301a的结构有所不 同，这主要是由于投影光源351处于屏幕在左右方向上的中部，导致入射于区域301b和区 域301a的输入光的入射角度差别很大。在实际应用中则并不一定有这样的限制。例如当 投影光源位于屏幕的左侧，则对于整个屏幕范围来说每个位置的光线都是从左侧入射，此 时本领域技术人员容易根据图3e的描述设计出屏幕上每个区域上的结构，此时则可能不 采用图3c所示的结构。
[0032] 值得说明的是，在实际应用中，第一滤光膜和第二滤光膜的位置也不一定在棱镜 的面向输入光入射方向的面上，也可以位于棱镜面向吸收层的面上。而且，第一滤光膜和第 二滤光膜本身可以是吸收型的滤光膜，这样就将吸收层的功能集成在滤光膜上，此时吸收 层可以省略。
[0033] 由于输入光是从投影光源投影到屏幕上的，因此入射于屏幕上任一位置A的输入 光的入射锥角都非常小(该锥角的立体角等于投影光源的投影镜头口径与投影镜头到位置 A的距离之比)，因此在本实施例中，通过在屏幕上设计的棱镜单元可以精确地控制输出光 的出射方向。这是本发明具有优异效果的本质原因。
[0034] 除了图3c外，图3f是图3a中屏幕上中部301b区域的另一种结构示意图。在该 结构中，输入光321b首先入射于一个棱镜阵列（图中只画出一个棱镜307b以不意)。在本 实施例中，棱镜307b的背向输入光入射方向的面上附有分光层308b(在实际应用中分光层 可能直接镀于棱镜表面)，能够按照波长的不同将入射光分为透射和反射两束。棱镜阵列中 的不同棱镜上的分光层也构成一个分光层阵列，而在本实施例中，分光层阵列都在同一个 平面内且属性相同，因此分光层阵列应构成一个整体的分光层。输入光321b经过棱镜307b 的折射后发生偏转并入射于分光层308b，被分光层308b反射的一束光再次经过棱镜307b 折射后出射形成第一输出光311b，而经分光层308b透射的一束则入射于位于分光层308b 光路后端的反射层309b，在反射层表面被反射后再次透射分光层308b，并经过棱镜307b的 折射后出射形成第二输出光312b。由于在分光层308b上透射光和反射光的光路不同，因此 由它们分别所形成的第一输出光311b和第二输出光312b的出射方向不同。具体来说，通 过控制棱镜307b的形状可以控制第一输出光311b的出射方向，进一步的通过控制反射层 304b可以控制第二输出光312b的方向，这样就达到了控制两个输出光方向的目的。
[0035] 在本实施例中，反射层309b为反射单元阵列，每个反射单元在水平方向呈锯齿 状，且该锯齿在水平方向上的顶角为90度，这样根据几何知识可知其对入射光会达到将其 沿原方向反射的作用。实际上锯齿的顶角也可以不是90度，控制该角度可以达到控制反射 光方向的目的。另外实现反射层的方法还有很多，例如直接采用在有一定结构的衬底上镀 金属薄膜或介质薄膜的方式，通过控制结构的形状来控制反射光的方向，再例如使用玻璃 微珠阵列来达到使入射光沿原方向反射的目的。
[0036] 图3g表示了图3f中分光层308b的反射率随波长的变化。在图中包括三个高反 射率区域308b-rB (对应于蓝色光谱区域)、308b-rG (对应于绿色光谱区域)和308b-rR (对 应于红色光谱区域)，在这三个高反射率区域的夹缝中包括三个高透射率区域308b-tB (对 应于蓝色光谱区域)、308b-tG (对应于绿色光谱区域）和308b-tR (对应于红色光谱区域)。 可以理解，经过分光层308b分光的两束光，反射的一束以这三个高反射率区域所对应的光 谱颜色为三基色，透射的一束则以三个高透射率区域所对应的光谱颜色为三基色。这样只 要设置投影光源351使得输入光321b同时携带两个图像，一个图像是以308b-rB、308b-rG 和308b-rR所对应的三个光谱段作为三基色，另一个图像以308b-tB、308b-tG和308b-tR 所对应的三个光谱段为三基色。这样这两个图像就会在屏幕内部被分为两束，即第一输入 光和第二输入光，并分别被反射到不同的方向形成第一输出光311b (311a)和第二输出光 312b (311a)。投影光源的输入光所携带的两个图像，可以是同时出射的，也可以是分时出 射的，并不受限制。
[0037] 图3h和图3i是图3f所示结构的一种变形，图3h的结构应用于屏幕301的中间 区域301b，图3i的结构应用于屏幕301的偏右的区域301a。
[0038] 在图3h所示的结构中，分光层308b镀在棱镜307b的面向输入光方向的面上，输 入光321b入射于分光层308b后分为两束，反射部分形成输出光311b，透射部分穿过棱镜 307b后被反射层309b反射，并再次透射棱镜307b和分光层308b后形成输出光312b。该 结构与图3f所示的结构只是在部件次序上有所变化，反射层的形状有所不同，本领域技术 人员根据描述可以自己设计，因此都属于本发明的保护范围。在本实施例中，棱镜阵列上每 一个棱镜上的分光层构成一个阵列，这些分光层必然不在同一个平面上，也不能形成一个 整体的分光层。
[0039] 在图3i所示的结构中，反射层309a是反射单元阵列，其中图中只画出一个反射单 元309a，反射单元309a呈锯齿状。输入光321a从左侧方向入射到棱镜307a表面的分光层 308a，相应的调整棱镜307a的形状使得反射光部分311a的出射方向得以控制，同时透射部 分经过反射单元阵列309a的一次反射，再经过棱镜307a的折射后出射形成输出光312a。 比较图3i和图3h的区别可以理解，本领域技术人员能够根据上述描述，对于屏幕的不同位 置进行不同的设计以实现对输出光的出射方向的控制。
[0040] 在上面实施例中，第一滤光膜、第二滤光膜和分光层都是按照波长的不同而对光 进行过滤或分光。在实际应用中，也可以按照偏振态的不同对光进行过滤或分光。例如，在 图3c和图3e所示的结构中，第一滤光膜可以反射A方向的偏振态光，透射或吸收B方向的 偏振态光，而第二滤光膜可以反射B方向的偏振态光，透射或吸收A偏振态光，A方向和B方 向相互垂直。再例如，在图3f、图3h和图3i所示的结构中，分光层可以是反射A方向偏振 态光同时透射B方向偏振态光，A方向和B方向相互垂直。这样，只要设置投影光源使得输 入光同时携带两个图像，一个图像是以A方向偏振态光所携带，另一个图像以B方向偏振态 光所携带，这样这两个图像就会在屏幕内部被分为两束并分别被反射到不同的方向形成第 一输出光和第二输出光。投影光源的输入光所携带的两个图像，可以是同时出射的，也可以 是分时出射的，并不受限制。
[0041] 在图3f至图3i所示结构中，图中只画出了一个棱镜单元、一个分光层单元和一个 反射单元，实际应用中则可能是多个棱镜组成的棱镜阵列和由多个反射单元组成的反射阵 列。棱镜单元和反射单元并不一定是一一对应的，而且透射一个棱镜单元的透射光经过反 射单元反射后可能入射于另一个棱镜单元。另外，反射层也可能是与棱镜结合为一体的。因 此，图3f至图3i所做的光路设计只用于举例说明，并不构成限制。
[0042] 需要强调的是，与图3c至图3e所示的结构相比，图3f至图3i所示的结构的效率 更高。这是因为前者有部分光被吸收掉，而后者的输入光被分成两束，这两束光都得以利 用。
[0043] 综合图3a至图3i所示的实施例可以看出，屏幕301按照特定光学属性的不同将 输入光分为两束，第一输入光和第二输入光，并且第一输入光被投射形成第一输出光，第二 输入光被投射形成第二输出光，两束输出光携带不同的图像且出射角度不同。其中特定光 学属性包括但不限于波长和偏振状态。利用对屏幕的设计，可以实现对两束输出光的角度 的精确控制。
[0044] 在图3a至图3i所示的实施例中，屏幕都是反射型的，即观察者与投影光源在屏幕 的同侧。实际上，屏幕也可以是透射型的，即观察者与投影光源在屏幕的相对的两侧。如图 4a所示，投影光源451发出的光（图中以光线421b为例)，经过屏幕401透射后，形成两束输 出光（图中以光线411b和412b为例）并投射往不同的方向。
[0045] 图4b为图4a中屏幕上401b区域的结构示意图。输入光421b入射于棱镜阵列（图 中仅画出一个棱镜402b以示意)，并入射于每个棱镜的两个表面，该两个表面具有不同的法 线方向，且分别镀有不同的滤光膜，第一滤光膜404b和第二滤光膜405b。输入光421b被 第一滤光膜404b过滤后，部分光透射棱镜表面并被棱镜折射形成输出光411b，反射光431b 则反射回投影光源方向。输入光421b被第二滤光膜405b过滤后，部分光透射棱镜表面并 被棱镜折射形成输出光412b，反射光432b则反射回投影光源方向。此时，只要投影光源投 射的输入光携带两个不同的图像，该两个图像所使用的基色光的光谱分别与第一滤光膜和 第二滤光膜的透射谱对应，就能够实现不同图像的输出光投射到不同的方向。
[0046] 比较图3c和图4b可以理解，两者的原理类似，区别仅在于图3c的结构为反射型 而图4b结构为透射型，因此将图3d的纵坐标改为"透过率"就可以表示第一滤光膜和第二 滤光膜的透过率与波长的关系。在实际应用中，图3e、图3f、图3h、图3i这些图3c结构的 变形，都可以相应的应用于透射型的设计中，此处不再赘述。
[0047] 在上述实施例中，只使用一台投影光源产生输入光，该输入光根据波长或偏振态 等光学属性的不同携带两个不同的图像，这两个图像在屏幕上再根据波长或偏振态等光学 属性的不同被分开而形成第一输入光和第二输入光，并分别经由屏幕内部不同的光路投射 为出射方向不同的第一输出光和第二输出光。实际上，也可以使用两台投影光源从不同的 位置分别产生第一输入光和第二输入光，第一输入光和第二输入光分别携带不同的图像 (如下面实施例所示的)。其中，第一输入光被屏幕投射形成第一输出光，第二输入光被屏幕 投射形成第二输出光。若这两个图像存在时间上的联系，例如这两个图像分别对应于人的 左眼图像和右眼图像以用于实现3D效果，这样就需要控制两台投影光源输出的第一输入 光和第二输入光进行同步。若两个图像不相关，则无需同步控制。
[0048] 本发明的另一个实施例的投影显示系统的俯视图如图5a所示。该投影显示系统 包括两个投影光源，第一投影光源551和第二投影光源552分别位于屏幕501在左右方向 上的两侧，第一投影光源551发出的第一输入光（图中仅画出两条光线521a和521b以示意） 从左侧投射到屏幕501上，第二投影光源552发出的第二输入光（图中仅画出两条光线522a 和522b以示意）从右侧投射到屏幕501上。光线521a和光线522a都入射于屏幕上的右 侧区域501a，光线521b和光线522b都入射于屏幕上的中部区域501b。右侧区域501a将 第一输入光521a反射形成第一输出光511a，同时将第二输入光522a反射形成第二输出光 512a，第一输出光511a和第二输出光512a的方向不同。相似的，中部区域501b将第一输 入光521b反射形成第一输出光511b，同时将第二输入光522b反射形成第二输出光512b， 第一输出光511b和第二输出光512b的方向不同。第一输出光511a和511b射往相同的方 向并被观察者看到，这样在这个方位的观察者就能够同时看到屏幕上不同位置射过来的第 一输出光以形成一副完整的图像；同样道理，在第二输出光512a和512b的出射方向上的观 察者也能够看到屏幕上不同位置射过来的第二输出光以形成一副完整的图像。
[0049] 在实际应用中，为了满足包括3D显示在内的特殊需求，该投影显示系统还可能包 括图像同步控制装置（图中未画出），用于控制第一投影光源551和第二投影光源552,使得 第一输入光和第二输入光所承载的图像相互同步。
[0050] 图5b至图5e显示了屏幕501的结构的一种举例，下面结合这几幅图进行说明。 图5b是图5a所示系统的正视图。屏幕上包括微结构层，该微结构层在本实施例中为棱镜 阵列。棱镜阵列中每一个棱镜都包括面向输入光的两个表面，第一微面和第二微面。第一 微面和第二微面上附有反射层，具体来说可能是镀于第一微面和第二微面表面的金属反射 层或介质反射层。图5c为屏幕501的仰视图。值得说明的是，图5b和图5c中的棱镜阵列 并不代表真实的尺寸和比例，实际应用中棱镜阵列中的棱镜相对于屏幕的尺寸比图中所示 要小得多；这里为了说明方便所以放大显示。
[0051] 图5d显不了屏幕上501b区域的工作原理。图5d中为一个棱镜的俯视图，该棱镜 面向输入光的两个表面为第一微面504b和第二微面505b，第一微面504b和第二微面505b 表面附有或镀有反射膜。第一微面504b面向第一输入光521b，接收并投射第一输入光521b 为第一输出光511b，第二微面505b面向第二输入光522b，接收并投射第二输入光522b为 第二输出光512b。这样，通过控制棱镜的形状，即控制第一微面504b和第二微面505b的法 线方向，就可以精确的控制第一输出光511b和第二输出光512b的出射方向。同时值得注 意的是，第一微面504b在面向第一输入光521b的同时不面向第二输入光522b，这样第二 输入光522b就不会照射到第一微面504b上；同样道理，第二微面505b在面向第二输入光 522b的同时不面向第一输入光521b，第一输入光521b也不会照射到第二微面505b上，这 样可以使第一输出光和第二输出光之间的串扰最小化。实际上，即使有少部分第一输入光 入射于第二微面的情况出现，由于第二微面的法线方向不合适，这部分第一输入光仍不会 被投射往第二输出光的出射方向而形成串扰。
[0052] 图5e则显示了屏幕501上偏右的501a区域的工作原理。图5e中画出了一个棱镜 的俯视图，该棱镜面向输入光的两个表面为镀有反射膜的第一微面504a和第二微面505a。 第一微面504a用于接收并投射第一输入光521a为第一输出光511a，第二微面505a用于 接收并投射第二输入光522a为第二输出光512a。与图5d中的棱镜略有不同的是，由于区 域501a的位置与区域501b的位置不同，因此入射光的角度不同，这样就需要调整棱镜的形 状，即调整第一微面和第二微面的法线方向，使得控制第一输出光511a和第二输出光512a 的出射方向。具体来说，区域501a在屏幕的右侧，这样相较于区域501b，第一输入光的入射 方向与屏幕的夹角更小（即更接近于平行于屏幕的方向)，而第二输入光的入射方向与屏幕 的夹角更大（即更接近于垂直屏幕的方向)，因此为了实现第一输出光511a与屏幕中部反射 的第一输出光511b有大致相同的出射方向，第二输出光512a与屏幕中部反射的第二输出 光512b有大致相同的出射方向，图5e中的棱镜相较图5d中的棱镜中心更向左偏。
[0053] 根据以上设计思路，本领域技术人员能够设计出整个屏幕不同位置上的棱镜形 状，此处不做赘述。
[0054] 在图5b至图5e所示的系统中，微结构层为平行排列的沿坚直方向延伸的棱镜阵 列。实际上若第一投影光源和第二投影光源分别放置于屏幕的上方和下方，则微结构层也 可能为平行排列的沿水平方向延伸的棱镜阵列。因此本发明对于棱镜的延伸方向以及投影 光源的摆放方位并不做限制。另外，虽然在图5b至图5e中棱镜都是突出于屏幕本体的，但 是实际上也可以凹陷进去（凹陷进去也称之为棱镜)，凹陷进去所形成的两个微面同样可以 起到分别反射第一输入光和第二输入光的作用。
[0055] 在图5b至5e所示的屏幕结构中，其缺点在于屏幕在上下角度方向上的光线控制 不佳，例如屏幕上部的区域，反射来自比该区域位置低的输入光所形成的反射光的出射角 度会偏上。这可以使用散射层来解决。散射层可以放置于屏幕前方（即输入光首先入射于 散射层然后再入射于屏幕)，也可能是屏幕的一部分，例如在微结构表面形成散射颗粒层， 再例如将微结构表面打毛。在本实施例中，微结构面向输入光，而实际应用中微结构也可能 背向输入光(参考图6d)，即输入光必须先透射屏幕本体后才能入射于微结构表面，此时散 射层也可能是掺入到屏幕本体内部的散射颗粒。而为了实现在上下角度方向上散光同时在 左右角度方向上的方向控制，优选的，散射层在左右角度方向的散射角度小于在上下角度 方向的散射角度。例如散射层在左右角度方向上的散射角度很小，为:Γ5度，同时在上下角 度方向上的散射角度为2(Γ50度。这种散射层是现有技术，例如在表面形成左右方向(水平 方向）延伸的微柱面结构，这些微柱面结构可以阵列排列，也可以杂散排列；再例如在屏幕 本体内掺入沿左右方向（水平方向)延伸的微圆柱体，也可以达到相似的效果。而且，屏幕上 部和下部的微柱面结构或微圆柱体可能不同，以控制屏幕上下方向上不同位置有不同的散 射方向。至于对散射程度的控制方法，现有的散射技术中也已经包括，此处不赘述。可以理 解，此处所描述的散射技术和应用方法同样适用于本发明的其它实施例。
[0056] 另一种解决图5b至图5e所示的屏幕结构上下角度方向上光线控制不佳的方法是 改进屏幕结构，如图5f所示。图5f为另一种屏幕结构的正视图，图中的微结构层中的微结 构与图5b所示的不同。在图5f所示的实施例的屏幕中，微结构层包括若干个形状不规则 的微结构，图中画出了其中4个(为了方便仍然不以原比例画出，实际微结构要小得多)，微 结构5011、5014、5017和5018。首先以微结构5011为例说明每一个微结构的工作原理。
[0057] 图5g是微结构5011的立体不意图，微结构5011表面包括两个微面，第一微面 5012和第二微面5013,这两个微面在图5f中是以这两个面与屏幕本体的交线表示的。在 图5g中，第一微面5012大体上正朝向第一投影光源551，它与屏幕本体的交线在以第一投 影光源551的出光口为圆心的圆上。这样就有效避免了在上下方向上对光线控制不佳的问 题，第一微面5012能够将第一输入光521反射为第一输出光511，且第一输出光511的方 向在上下角度方向和左右角度方向上都是可控的。同样的道理，第二微面5013用于将第二 输入光522反射为第二输出光512,第二微面5013大体上正朝向第二投影光源552,其曲面 形状用于控制第二输出光512的出射方向。第二微面5013与第一微面5012略有不同的 是，第二微面5013与屏幕本体的交线为直线段而非曲线段，这条直线段与以第二投影光源 的出光口为中心的圆相切。由于直线段较短，所以其效果与曲线段相近，但其加工起来要容 易得多。进一步的，第一微面与屏幕本体的交线也可以近似为一条直线段，这样整个微结构 5011就是一个棱锥结构,加工难度较小。事实上,微结构5011的顶部也可以不是尖顶而是 一条线或者一个平顶。对这些微结构的变形本发明不做限制。
[0058] 可以看出，对于微结构5011，第一微面5012面向第一投影光源而不面向第二投影 光源，而第二微面5013面向第二投影光源而不面向第一投影光源。而微结构5011的另外 两个面的设计原则优选的是，尽量不面向第一投影光源和第二投影光源，即尽量少的被第 一输入光和第二输入光照射到。因此这两个面就被设计为沿着从第一投影光源的出光口出 发的放射线方向延伸，或沿着从第二投影光源的出光口出发的放射线方向延伸。从图5f中 可以看出，对于微结构5011，其位于第一微面5012和第二微面5013下方的微面，是沿着从 第一投影光源551的出光口出发的放射线方向延伸的，而微结构5011的位于第一微面5012 和第二微面5013上方的微面，是沿着从第二投影光源552的出光口出发的放射线延伸的。 对于这两个微面来说，即使被输入光照射到，由于法线方向不合适，所以并不会造成图像的 串扰，但是会形成杂散光，降低屏幕的效率。与图5d和图5e的微结构相比，由于图5g中的 微结构的设计并不局限于沿某一个特定方向延伸，因此图5g中的微结构具有更大的设计 自由度，更能够精确的控制输出光的走向(左右角度方向和上下角度方向）。
[0059] 下面以微结构5014、5017和5018来解释说明微结构的排列方式。微结构5014包 括第一微面5015和第二微面5016,分别正朝向第一投影光源551和第二投影光源552。其 结构设计方法与微结构5011相同，不做重复说明。微结构5017和5018并排的位于微结构 5014的下方。可以看出，为了满足第一微面和第二微面分别正朝向第一投影光源551和第 二投影光源552的条件，微结构5014、5017和5018之间是不能够完全相接的，而是存在一 个空白区域，这与图5b所示的结构不同。可以理解，只要微结构足够小，这个空白区域就足 够小。
[0060] 与图5a所示的实施例不同的是，在图6a所示的另一个实施例中，第一投影光源 651和第二投影光源652不再位于屏幕相对的两侧，而是同时位于屏幕的下侧，并在左右方 向上拉开一定距离(参考图6b)。这样同样可以通过屏幕651来实现对第一输入光和第二输 入光分别投射以形成不同出射方向的第一输出光和第二输出光的目的。下面结合图6b来 做具体的解释说明。
[0061] 在图6b中，屏幕601上包括多个微结构，图中只画出其中4个微结构6011、6014、 6015和6016。首先以微结构6011为例说明其工作方法。与图5g所示的实施例相近的，微 结构6011为凸起的微结构，并包括三个微面，其中两个微面朝向屏幕下方，第一微面6012 正朝向第一投影光源651，第二微面6013正朝向第二投影光源652。在图6b中第一微面和 第二微面均以这两个面与屏幕本体的交线来表示。第一输入光621入射于第一微面，通过 控制第一微面6012的法线方向，可以控制反射光的方向，即控制第一输出光611的出射方 向。同样的，第二输入光622入射于第二微面，通过控制第二微面6013的法线方向，可以控 制反射光的方向，即控制第二输出光612的出射方向。
[0062] 由于第一投影光源和第二投影光源都位于屏幕的下方而不是相对的，因此在屏幕 上有些位置，微结构的第一微面将部分的面向第二投影光源，或微结构的第二微面将部分 的面向第一投影光源。在本发明中，面X "面向"物体Y，指的是从Y发出的放射线至少有一 条会落在面X上，面X "不面向"物体Y，指的是从Y发出的放射线完全不能落在面X上。例 如在本实施例中，从第一投影光源发出的第一输入光623入射于第二微面6013上，并被反 射为杂散光613。这造成了屏幕效率的下降，但由于光线613的出射方向与第二输出光612 的方向不同，因此并不会形成两个图像之间的串扰。
[0063] 下面以微结构6014、6015和6016来说明本实施例中微结构之间的排列方式。优 选的，可以分别以第一投影光源的出光口和第二投影光源的出光口为圆心画两组同心圆， 两组同心圆将屏幕分割为小块，每一个小块内填充一个微结构，这样就可以满足每个微结 构都具有两个分别正朝向第一投影光源和第二投影光源的第一微面和第二微面的条件。由 此可见，在本实施例中，微结构可能是如图6b中画的三棱锥或三棱台形，但也并不限于此， 因为每个微结构的上半部的结构是不受限制的（图6b中每个微结构的上半部都是空白的)， 所以每个微结构的外形也可以填满由两组同心圆分割成的小块，只要不影响第一微面和第 二微面的角度即可。
[0064] 图6c和图6d显示了本实施例中屏幕的侧视图的两种举例。在图6c中，微结构层 面向输入光621和622,输入光直接被微结构层反射形成输出光611和612。通过控制微结 构层中微结构的形态，可以控制输出光在坚直方向和水平方向上的出射角度。图6d则是另 一个举例，在该例子中，微结构层背向输入光621和622,输入光首先透射屏幕601的本体后 再入射于微结构层的表面，并被反射形成射出光611和612。可以理解，在图5a至图5g的 实施例中，微结构层同样可以背向输入光。
[0065] 在图5a至图6d所示的实施例中，屏幕均是反射型的，下面结合图7说明透射型的 屏幕与两台投影光源结合使用的具体方式。如图7所示，第一投影光源751和第二投影光 源752与观察者位于屏幕701的两侧。屏幕701具有菲涅尔透镜的结构，第一投影光源751 位于屏幕中心偏右的位置，它发出的第一输入光721经过屏幕701透射并汇聚后，形成第一 输出光711并朝向左侧的观察者；第二投影光源752位于屏幕中心偏左的位置，它发出的第 二输入光722经过屏幕701透射并汇聚后，形成第二输出光712并朝向右侧的观察者。在 本实施例中，利用屏幕701的菲涅尔透镜的结构对输入光进行汇聚和透射，并利用第一输 入光和第二输入光的入射方向不同来形成不同出射方向的第一输出光和第二输出光。
[0066] 以上从图3a至图7,通过不同投影显示系统和屏幕结构的实施例，描述了如何控 制第一输出光和第二输出光的发射方向，以及如何精确控制输出光中每一条光线的方向的 方法。同时，图1和图2则分别描述了应用这些投影显示系统和屏幕结构可以实现的两种 第一输出光和第二输出光的光分布及其实际应用。实际上，除了图1和图2所示的光分布 和实际应用外，应用这些投影显示系统和屏幕结构，还可以实现其它的输出光的分布，并实 现其它的实际应用。图8a、图8b、图8c和图11所不的就是另外四种举例。
[0067] 如图8a所不，在该实施例中，从屏幕801上任意一点出射的第一输出光和第二输 出光都具有相同的光分布，因此只使用屏幕801中心点为例来说明。在图1和图2所示的 举例中，屏幕上任意一点发出的光都具有一个特定方向，而在本举例中，屏幕上任意一点的 输出光都具有一个特定的方向范围而不仅仅是一个特定方向。例如如图8a所不的，第一输 出光为以光线811和813为边缘光线的光束，第二输出光为以光线812和814为边缘光线 的光束。此时在水平视角范围内至少存在三个区域，即以光线811和光线812为边缘光线 的区域L，以光线812和光线813为边缘光线的区域M，和以光线813和光线814为边缘光 线的区域N。可以理解，区域L内的观察者能看到第一输出光而看不到第二输出光的区域， 区域N内的观察者能看到第二输出光而看不到第一输出光的区域，而区域Μ内的观察者则 能同时看到第一输出光和第二输出光的区域。因此，观察者在区域L能够观看第一投影光 源发出的图像，在区域N能够观看第二投影光源发出的图像；而在区域M，观察者能够同时 看到以上两幅图像，故而直接观看会形成串扰。因此在区域M，观察者可以佩戴3D眼镜，该 3D眼镜左右两个镜片分别对光进行过滤。例如左镜片过滤掉第二输出光而剩下第一输出光 透射，则右镜片过滤掉第一输出光而剩下第二输出光透射；或者反过来，左镜片过滤掉第一 输出光而剩下第二输出光透射，贝 1J右镜片过滤掉第二输出光而剩下第一输出光透射。总之， 左镜片应该过滤掉右眼所对应的图像而仅使左眼对应的图像透射，右镜片应该过滤掉左眼 所对应的图像而仅使右眼对应的图像透射。
[0068] 在目前的3D显示器中，2D图像和3D图像可以选择和切换，但是却不可能同时放 映。这带来以下几个问题：（1) 3D眼镜一般比较贵，多人同时观看时可能造成眼镜不够用； (2)不是所有人都习惯佩戴3D眼镜；（3)对儿童来说还没有证明3D影像的视觉安全性。图 8a所示的实施例成功的使3D图像和普通2D图像同时在一块屏幕上显示：站在区域L和N 即可以观看2D图像，站在区域Μ则可以观看3D图像。这种显示方法显然将带来全新的生 活体验。
[0069] 在图8a所示的例子中，在区域Μ内仍必须使用3D眼镜来观看，而3D眼镜本身是 很不方便的，而且3D眼镜也增加了额外的成本。在图8b所示的例子中则避免了使用3D眼 镜。以屏幕上的左侧的区域801c为例。从屏幕区域801c上出射的第一输出光以光线815 和光线816为边缘光线，从屏幕区域801c上出射的第二输出光以光线817和光线818为边 缘光线。可以看出第一输出光和第二输出光并不重叠。设存在一个到屏幕为一定距离的 观察者K，其左眼在图中表示为843a，其右眼在图中表示为843b，则设计光线816入射于左 眼843a，同时设计光线817入射于右眼843b。对于屏幕上的其它位置，也按照相同的原则 设计，即第一输出光和第二输出光没有交叠，且相互靠近的两条边缘光线分别入射于左眼 843a和右眼843b。这样对于观察者K来说，其左眼843a能够看到屏幕上任意一点的第一 输出光且看不到第二输出光，右眼843b则能够看到屏幕上任意一点的第二输出光且看不 到第一输出光，因此只要配合投影光源进行合适的设置使得第一输出光所携带的图像对应 于左眼同时第二输出光所携带的图像对应于右眼，则观察者K看到的就是3D效果图像。
[0070] 与此同时，观察者841和观察者842分别只能看到屏幕上每一点的第一输出光和 第二输出光，因此看到的是2D图像。
[0071] 图8c则为图8b的例子的变形。在图8b的举例中，屏幕上每一点的第一输出光和 第二输出光之间存在一个缝隙，在这个缝隙内既看不到第一输出光也看不到第二输出光。 例如屏幕区域801c上的第一输出光边缘光线816和第二输出光边缘光线817之间就是这 样的缝隙。在实际应用中这存在一个问题，就是这个系统对于观察者K的位置要求很高，偏 离一点就不能正常的看到3D。例如观察者K偏左，则其左眼仍然能够看到第一输出光，但其 右眼就落到了缝隙里看不到第二输出光。同样的，这也对屏幕的加工精度提出了非常高的 要求。更为优化的，是如图8c所不的，第一输出光的边缘光线816和第二输出光的边缘光 线817更为接近，均同时接近观察者K的两眼之间的眉心位置。这样第一输出光同样覆盖 了左眼843a，第二输出光同样覆盖了右眼843b，因此观察者K的3D视觉效果是不变的，但 是这样对于观察者K的位置要求，以及屏幕的加工精度的要求都大为降低了，即系统容错 性提高了。当然，第一输出光的边缘光线816和第二输出光的边缘光线817可以重合，此时 系统容错性最好。
[0072] 图8a至图8c所示的输出光的光分布，与图1和图2所示的不同的是，对于屏幕上 每一个位置的输出光不再是一条特定方向的光线，而是一个具有一定角度范围的光束。然 而在图3a至图7所示的实施例的说明中，都是针对如何控制输出光的出射方向的，S卩如何 实现一条特定方向的光线的输出光的，这当然可以满足图1和图2所代表的一类输出光分 布，但是却不能直接的实现图8a至图8c所示的输出光的光分布。
[0073] 实际上，在已经能够控制输出光沿着特定方向出射（即图3a至图7所代表的多个 技术方案)的技术基础上，是容易实现输出光具有一个特定角度范围的要求的。例如使用散 射层，该散射层可以放置于光与屏幕作用光路上的任何位置，也可以和屏幕结合为一体，其 结合方式在前面已经有描述和举例。该散射层的作用在于将特定方向的光线散射成以原特 定方向为中心的散射光束，其作用如图9所示。图9是光线散射前后的光强与角度的关系 示意图，其中曲线911是尖锐的，它代表一条沿特定方向的光线，而该光线经过一定的散射 后的曲线为912,可见912所代表的为一个以原光线方向为中心进行传播的光束，其角度范 围取决于散射的程度，散射的越厉害则该角度范围越大。由此可见，通过控制输出光沿特定 方向出射，再加上控制散射层的散射程度(例如通过控制散射颗粒的折射率、浓度和颗粒度 等参数)，就可以控制最终的输出光的出射角度范围。
[0074] 通过对特定方向传输的光线进行散射来控制输出光的出射角度范围的方法，存在 一个问题。如图9中的散射后的光分布曲线912,其角度范围是可以控制的，但是在这个范 围内曲线形态（即光强分布）的控制是比较困难的。例如对于光分布912,呈现了明显的散 射后的光分布特征，即钟形分布。在该分布的两个边界有比较长的拖尾912a。要想实现边 缘陡峭的光分布，使用一般散射的方法是难以做到的。
[0075] -种解决方法是，使用微柱面镜阵列或微透镜阵列对光线进行散射可以获得特定 光强分布的散射，该光强分布与微柱面镜或微透镜的面型设计有关。这是现有技术，此处不 做过多介绍。
[0076] 下面结合图10a至图10c说明另一种实现一定的输出光出射角度范围的方法。回 顾图5e中控制出射光角度的方法，其中通过控制第一微面504a和第二微面504b的法线方 向，可以控制第一出射光511a和第二出射光512a的出射方向。图10a至图10c则是对以 图5e作为原型进行改进的三个举例。
[0077] 在图10a中，虚线的三角形表示的是图5e中的微结构，其中线条504a和504b分 别表示原第一微面和原第二微面在左右方向上的截线。在本实施例中，第一微面在左右方 向上的截线为曲线1004a，第二微面在左右方向上的截线为曲线1005a。可以理解，第一输 入光1021a入射于第一微面1004a后的反射光1011a (也就是第一输出光）不再只有唯一 的出射方向，而是入射于不同位置的光有不同的反射方向；同样的，第二输入光1022a入射 于第二微面l〇〇5a后的反射光1012a (也就是第二输出光）也不是只有唯一的出射方向，而 是入射于不同位置的光有不同的反射方向。因此只要控制微结构的第一微面和第二微面的 曲面形态，就可以控制输出光的光分布为特定的分布。具体来说，第一微面l〇〇4a在微结构 顶端附近的位置与原第一微面504a基本一致，由这部分反射出来的光线1011a-l与图5e 中的第一输出光511a为同一方向。第一微面1004a越远离微结构的顶端其相对于原第一 微面504a就越向内弯曲，这导致由第一微面1004a中部反射出来的光线1011a-2的出射角 度相对于光线1011a-l更为远离屏幕的法线方向，由第一微面1004a底部反射出来的光线 1011a-3的出射角度相对于光线1011a-2更为远离屏幕的法线方向。可以理解，由于第一微 面1004a是以原第一微面504a的形状为起始的渐变的曲面，因此第一输出光1011a就是以 原第一输出光511a为边缘光线的向远离屏幕法线方向扩展的光束。第二微面1005a的设 计方法与此相同。这种方法适用于产生图8a至图8c的光分布的屏幕设计；值得指出的是， 这种方法特别适用于图8b和图8c这种对于至少一条边缘光线(例如边缘光线816和817) 角度要求很高的情况。
[0078] 由以上说明可知，第一输出光1011a的分布与第一微面1004a的形状有关，对第一 微面1004a形状的适当设计可以相应的控制第一输出光1011a的分布。同样的，对第二微 面1005a的形状的设计可以控制第二输出光1012a的分布。
[0079] 在这个举例中，第一微面1004a和第二微面1005a都是连续变化的，而实际上连续 曲面不容易加工，因此可以使用多段法线方向连续变化的平面拼接来近似。
[0080] 图10b所示的例子与图10a所达到的目的相同，而区别在于，第一微面1006a不是 连续的，而是呈锯齿形。每个锯齿有一个面面向输入光，这些面的法线方向连续变化使得输 出光实现特定的分布。
[0081] 图10c所示的例子与图10a所达到的目的相同，但是在图10c所示的例子中，原微 结构(虚线所示的三角形）被多个子微结构所取代，每个子微结构都能够依靠其两个微面对 输入光的反射对输出光的方向进行控制，但每个微面所产生的输出光的方向不同且连续变 化，这样就能够实现输出光的特定分布。
[0082] 可以理解，图10a至图10c虽然是针对图5e中的微结构进行改进，但这只是举例 而已，实际上相同的方法也可以应用于本发明的其它实施例，只要这个实施例中通过控制 微结构、棱镜单元、反射单元等的形状来控制输出光的方向，就可以进一步的应用图l〇a或 图10b对图5e的改进方法，通过改变微结构、棱镜单元、反射单元的表面形状来控制输出光 的分布，或者应用图l〇c对图5e结构的改进方法，通过使用多个不同的子微结构、子棱镜、 子反射单元为一个整体来控制输出光的分布。进一步的，图l〇a至图10c的改进方法，也可 以与散射相结合以实现输出光的角度控制。
[0083] 图11所示的是输出光分布的另一种举例，它是对图2的一种改进型。图2所示 的光分布中，第一输出光入射于观察者的左眼241，第二输出光入射于同一个观察者的右眼 242 ;这使得除了这个观察者之外，其它位置都不能观看到3D图像。图11所示的光分布则 解决了这个问题，它可以使得在屏幕1101前的两个方位上能够看到3D图像。在图11的投 影显示系统中，存在两个观察者，第一观察者的左眼和右眼分别表示为1141和1142,第二 观察者的左眼和右眼分别表示为1143和1144。屏幕1101上任意位置上出射的第一输出光 是分立的两束，分别入射于第一观察者和第二观察者的左眼，而屏幕1101上任意位置上出 射的第二输出光也是分立的两束，分别入射于第一观察者和第二观察者的右眼。这样第一 观察者和第二观察者就都可以看到3D图像了。
[0084] 由上面描述可知，图2中的屏幕201上任意位置的出射光为一条具有特定出射方 向的光线或光束，与之不同的是，图11中屏幕1101上任意位置的出射光为分立的两条具有 不同的特定出射方向的光线或光束。要实现屏幕1101的这个效果，只需要对前面描述的屏 幕技术进行改进。
[0085] 仍然以图5e的实施例为例，通过对图5e的屏幕结构进行改进使其实现具有分立 的两条具有不同特定出射方向的光线的功能。如图12a和图12b就是对图5e的两种改进 的举例。图12a中，第一微面变成由两个具有不同法线方向的小块平面1204a-l和1204a-2 拼接而成。第一输入光1221a入射于小块平面1204a_l和1204a_2的表面，可以通过控制 小块平面1204a-l的法线方向使得从其表面出射的第一输出光1211a-l入射于第一观察者 的左眼1141，同时可以通过控制小块平面1204a-2的法线方向使得从其表面出射的第一输 出光1211a-2入射于第二观察者的左眼1143。同样的，第二微面1105a也由两个具有不同 法线方向的小块平面拼接而成，第二输入光1222a入射于这两块小块平面上；可以通过控 制这两块小块平面的法线方向来控制形成分立的两束第二输出光1212a并分别入射于第 一观察者的右眼1142和第二观察者的右眼1144。
[0086] 图12b所示的屏幕微结构实际上是图12a的一种变形。将图12a中第一微面1204a 的两个小块平面1204a-l和1204a-2与第二微面1205a的两个小块平面进行分别的组合以 形成独立的相互邻接的两个子微结构，每一个子微结构的面向第一输入光的面分别与小块 平面1204a-l和1204a-2相同。可以理解，这些子微结构作为一个整体，这样可以达到与图 12a的屏幕微结构同样的技术效果。
[0087] 可以理解，图12a和图12b中仅以在屏幕前有两个观察者来举例。推而广之，如果 有η个观察者存在，则对于图12a的屏幕微结构来说，每个微面就需要由法线方向不同的η 个小块平面拼接而成，这些微面分别对应于η个观察者；而对于图12b的屏幕微结构来说， 就需要η个相邻的形状不同的子微结构，每个微结构上的微面分别对应于η个观察者。
[0088] 可以理解，图12a、图12b虽然是针对图5e中的微结构进行改进，但这只是举例而 已，实际上相同的方法也可以应用于本发明的其它实施例，只要这个实施例中通过控制微 结构、棱镜单元、反射单元的形状来控制输出光的方向，就可以进一步的应用图12a对图5e 结构的改进方法，通过改变微结构、棱镜单元、反射单元的形状来控制输出光的分布，或者 应用图12b对图5e结构的改进方法，通过使用多个不同的子微结构、子棱镜、子反射单元为 一个整体来控制输出光的分布。
[0089] 截至此处，我们可以对本发明所保护的输出光的分布进行一个总结。图1和图2 描述了输出光分布的最简单的形态，即从屏幕上任意点出射的第一输出光和第二输出光分 别为一束特定方向的光束。图8a至图8c描述了输出光分布的另一种形态，即从屏幕上任 意点出射的第一输出光和/或第二输出光具有一个特定的角度范围，特别优选的是在这个 角度范围内输出光的光强分布可控。图12a和图12b则描述了输出光分布的第三种形态， 即从屏幕上任意点出射的第一输出光和第二输出光分别为η (η不小于2)束分立的、不同方 向出射的光束。
[0090] 这三种输出光分布的形态都是可以实现的，这在前面已经通过实施里详细的介绍 了。而且，这三种输出光分布的形态都是有其重要的应用价值的。可以理解，第二种和第三 种输出光分布的形态可以混合使用，即第一输出光和/或第二输出光还可以是η (η不小于 2)束分立的子光束，每个子光束具有一个特定的角度范围。混合使用第二种和第三种输出 光分布可以得到这样的实际使用效果：在屏幕前有两个或以上的位置具有3D视觉效果，而 其它位置则可以同时观看2D图像。对以上这些输出光分布进行一个总结，就是输出光分布 需要满足以下的条件，就是属于本发明的保护范围： 观察者在观看屏幕上至少一点A时，整个水平视角范围内必然存在相互不交叠的第一 视角范围和第二视角范围，在第一视角范围内能够看到第一输出光且看不到第二输出光， 在第二视角范围内能够看到第二输出光且看不到第一输出光。
[0091] 在以上说明中，以两束输出光为举例，实际上也可以根据本发明的方法实现更多 束的输出光。本领域技术人员根据本发明的描述，容易推而广之得到多束输出光的投影显 示系统和屏幕的设计方法。
[0092] 以上屏幕的结构和设计方法的一个重要的应用是3D影院，下面就这种应用做一 个比较详细的描述。目前的影院放映3D影片都是通过给观看者戴一个偏振眼镜来实现3D 效果的。左眼的图像光和右眼的图像光在空间上是不分离的，所以必须通过偏振眼镜上两 个镜片的偏振态不同来将另一只眼睛的图像光过滤点并以此来实现图像和眼睛的匹配。这 带来两个问题，第一是眼镜长期佩戴不舒服，第二是亮度下降严重。这两点都严重影响观影 体验。
[0093] 在本发明的图11所示的实施例中，在屏幕前有两个位置能够看到3D图像效果。其 中，入射到左侧位置的右眼1142的光对应于右眼的图像光，入射到右侧位置的左眼1143的 光对应于左眼的图像光，这两个光不能相互串扰。入射于右眼1142的光可以覆盖从左侧位 置的观察者的眉心到两个观察者中间的角度区域，而入射于左眼1143的光则可以覆盖从 两个观察者中间到右侧位置的观察者的眉心，这样两个光既不形成串扰，也可以使各自有 一定的覆盖角度范围，观察者稍微移动并不影响观看效果。
[0094] 实际上在影院中同一排往往有多个人而不止两个，这样利用上述相同的原理也可 以使得这同一排的多个人同时看到3D效果。另外，影院中也存在多排座椅，那么在屏幕上 的一个局部，也可以在屏幕的垂直方向设置多排如图12a和图12b的微结构，来分别对应不 同排的观众。具体来说，在屏幕上所放映的左眼图像的每一个像素内部，都包含一个微结构 的二维阵列，这个像素的光信息被这个微结构的二维阵列分为若干个子像素，每个微结构 对应于一个子像素，且每个子像素所携带的图像信息相同，其中每个子像素都被投射到以 阵列排布的某一个观众的左眼中；同样的，该微结构的二维阵列对于右眼图像也起到相似 的作用，即每个微结构对应于一个右眼图像的子像素，每一个子像素被投射到某一个观众 的右眼中。当然，阵列中的每一个微结构可能就对应于每一个观众，但是也可能不是一一对 应的。由于电影放映中使用的屏幕很大，因此每一个像素也比较大，有几个毫米，这样在这 个像素内的屏幕上就有足够的空间加工微结构的阵列。当然，以上的作用原理有一个前提， 就是左眼图像的每一个像素与右眼图像的每一个像素是一一对准的，左眼图像中的某一个 像素在屏幕上的覆盖范围，与右眼图像中相应像素在屏幕上的覆盖范围是相同的。如果左 眼图像和右眼图像是从同一台放映机中放映出来并在屏幕上被分为左眼和右眼两束光的， 则其像素天然就是对准的；而如果两幅图像是从两个放映机放映出来，则需要做像素对准 的工作，这样并不困难，也是现在影院中已经使用的技术。
[0095] 与前面的实施例不同的是，对于每一个观众而言，无论是左眼的图像光还是右眼 的图像光，在上下角度方向上都不能具有很大的范围，因为此时必须考虑这个观众前排(也 就是下方）和后排(也就是上方）的其它观众。也就是说在控制左右角度方向范围的同时， 还需要控制上下角度方向。但是相较于对左右角度方向的控制的精度，对上下角度方向控 制的精度要求要低得多，只要散射在一个角度范围而不至于照射到前后排的观众的眼睛即 可。可以使用水平方向延伸的柱面镜阵列来达到在上下角度方向上将光线散射到一定角度 范围的目的。
[0096] 考虑到电影放映用的屏幕很大，而整体加工微结构可能存在困难，这样就可以采 用分块加工子屏幕再组装的方式成完整屏幕来实现。根据上面的描述可以理解，每一个子 屏幕上的像素实际上都对应于同一个观众阵列，所以这些子屏幕的摆放角度需要校准为一 致。因此，优选的，每一个子屏幕安装时或安装后有角度微调的装置，使得其安装角度可以 根据指示做微弱的调整，以保证每一块子屏幕在每一个观众看来都具有良好的观看效果。 [0097] 另一方面，为实现良好的3D观看效果，观众的眼睛的位置不能有很大幅度的摆 动。这就要求观众的座椅可以托住观众的颈部并基本上固定观众的头部，使其长期保持在 这个位置而不觉得劳累。更优选的，座椅的位置在观众的左右方向和前后方向可以稍微调 节，这样每一个观众自己就可以找到一个最佳的观影位置。
[〇〇98] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1. 一种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个观众看到，所述多 个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布，其特征在于： 所述输入光按照特定光学属性的不同分为第一输入光和第二输入光，第一输入光和第 二输入光从同一投影光源同时或分时出射；第一输入光和第二输入光所承载的图像不同， 且第一输入光和第二输入光所承载的图像都是由多个像素组成； 在被所述第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，所述屏幕包括棱镜阵 列、分光层与反射层，该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且 每个子像素所携带的图像信息相同；所述分光层位于棱镜阵列的背向所述输入光的一侧， 所述反射层位于该分光层的背向棱镜阵列的一侧；所述棱镜阵列中的每个棱镜用于将所述 第一输入光的对应子像素的光透射至所述分光层，该分光层用于将该光反射回该棱镜并出 射以形成屏幕的第一输出光，该第一输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，同 时分光层将所述第二输入光的该子像素的光透射至所述反射层，并将该反射层反射回的该 光透射回该棱镜并出射以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一个观众 的另一只眼睛中；或者， 在被所述第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，所述屏幕包括棱镜阵 列、分光层与反射层，该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且 每个子像素所携带的图像信息相同；所述分光层附于棱镜阵列的面向所述输入光的一侧， 所述反射层位于棱镜阵列的背向分光层的一侧；所述棱镜阵列中的每个棱镜上的分光层用 于接收所述第一输入光的对应子像素的光并将其反射并出射以形成屏幕的第一输出光，该 第一输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，同时该分光层将所述第二输入光的 该子像素的光透射至它所在的棱镜，该棱镜用于将该光透射至反射层并将该反射层反射回 的该光透射回分光层并出射以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一个 观众的另一只眼睛中。
2. 根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于： 所述棱镜阵列中包括至少一个棱镜，该棱镜的至少一个表面为曲面或由多个具有不同 法线方向的小块平面拼接而成，使得从该棱镜射出的第一输出光和/或第二输出光的方向 分布为预定的分布； 或者，所述棱镜包括η个相邻的子棱镜，η大于等于2,这η个子棱镜用于投射第一输出 光和/或第二输出光的对应平面的法线方向不同，使得这η个子平面作为一个整体所投射 的第一输出光和/或第二输出光的方向分布为预定的分布。
3. -种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个观众看到，所述多 个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布，其特征在于： 所述输入光按照特定光学属性的不同分为第一输入光和第二输入光，第一输入光和第 二输入光从同一投影光源同时或分时出射；第一输入光和第二输入光所承载的图像不同， 且第一输入光和第二输入光所承载的图像都是由多个像素组成； 在被所述第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，所述屏幕包括棱镜阵 列，该像素被棱镜阵列分为多个子像素，每个棱镜对应于一个子像素，且每个子像素所携带 的图像信息相同；在棱镜阵列的两个法线方向不同的第一表面和第二表面上分别附有第一 滤光膜和第二滤光膜，第一滤光膜将入射于其所在的第一表面的第一输入光的对应子像素 的光以折射或反射的方式投射出来以形成屏幕的第一输出光，该第一输出光最终入射于至 少一个观众的某一只眼睛中，同时第一滤光膜将入射的第二输入光吸收或导往棱镜阵列的 背向第一输出光出射方向的一侧；第二滤光膜将入射于其所在的第二表面的第二输入光的 对应子像素的光以折射或反射的方式投射出来以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最 终入射于至少一个观众的另一只眼睛中，同时第二滤光膜将入射的第一输入光吸收或导往 棱镜阵列的背向第二输出光出射方向的一侧。
4. 根据权利要求3所述的屏幕，其特征在于： 所述棱镜阵列中包括至少一个棱镜，该棱镜的至少一个表面为曲面或由多个具有不同 法线方向的小块平面拼接而成，使得从该棱镜射出的第一输出光和/或第二输出光的方向 分布为预定的分布； 或者，所述棱镜阵列中包括η个相邻的子棱镜，η大于等于2,这η个子棱镜用于投射第 一输出光和/或第二输出光的对应平面的法线方向不同，使得这η个子棱镜作为一个整体 所投射的第一输出光和/或第二输出光的方向分布为预定的分布。
5. -种屏幕，用于接收投影在其上的输入光，并将其投射出来使多个观众看到，所述多 个观众在屏幕的上下方向和左右方向上呈一个二维阵列排布，其特征在于： 所述输入光包括从位置不同的第一投影光源和第二投影光源分别射出的第一输入光 和第二输入光，第一输入光和第二输入光所承载的图像不同，且第一输入光和第二输入光 所承载的图像都是由多个像素组成，第一输入光的每个像素与第二输入光的对应像素在屏 幕上 对准； 在被所述第一输入光和第二输入光的每一个像素覆盖的范围内，所述屏幕包括微结构 阵列，该像素被微结构阵列分为多个子像素，每个微结构对应于一个子像素，且每个子像素 所携带的图像信息相同；该微结构阵列包括表面镀有反射层的第一微面和第二微面，其中， 第一微面面向第一输入光并反射第一输入光的对应子像素的光以形成屏幕的第一输出光， 该第一输出光最终入射于至少一个观众的某一只眼睛中，第二微面面向第二输入光并反射 第二输入光的对应子像素的光以形成屏幕的第二输出光，该第二输出光最终入射于至少一 个观众的另一只眼睛中。
6. 根据权利要求5所述的屏幕，其特征在于： 所述微结构阵列中包括至少一个微结构，该微结构的第一微面和/或第二微面为曲面 或由多个具有不同法线方向的小块平面拼接而成，使得从该棱镜射出的第一输出光和/或 第二输出光的方向分布为预定的分布； 或者，所述微结构阵列中包括η个相邻的子微结构，η大于等于2,这个子微结构的对应 的第一微面和/或第二微面的法线方向不同，使得这η个子微结构作为一个整体所投射的 第一输出光和/或第二输出光的方向分布为预定的分布。
7. 根据权利要求5所述的屏幕，其特征在于，所述第一微面不面向所述第二输入光，和 /或所述第二微面不面向所述第一输入光。
8. 根据权利要求5所述的屏幕，其特征在于： 微结构阵列为并排排列的沿特定方向延伸的棱镜阵列，第一微面和第二微面是棱镜的 面向输入光的两个上表面； 或者，微结构阵列中各微结构呈阵列排布或不规则排布，微结构为不规则多面体，其第 一微面正面向第一输入光，第二微面正面向第二输入光。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的屏幕，其特征在于，还包括散射层，该散射层独 立于屏幕的其它元件或者是其它元件的一部分；该散射层包括阵列排布或杂散排布的沿水 平方向延伸的多个柱面或柱体。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的屏幕，其特征在于，所述屏幕由多块子屏幕拼 接而成，至少一块子屏幕包括空间调整装置使得其安装角度可以调节。
【文档编号】G02B5/04GK104090456SQ201310462885
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】吴震 申请人:吴震