透明投影屏幕的制作方法与工艺

本发明涉及一种透明投影屏幕，具体涉及一种采用微纳结构实现高增益投影显示的透明投影屏幕。

背景技术：
目前市场上常见的投影屏幕包括：白塑布投影屏幕、玻璃珠投影屏幕和银色珍珠投影屏等，这类屏幕基于反射及散射原理，无法实现透明投影显示，且存在增益低、信噪比低和易受环境光干扰等不足。近期出现了一种透明或者半透明的投影屏幕，这类屏幕在投影显示图像的同时能够透过屏幕观察屏幕后面的物体，具有魔幻新奇的效果，应用广泛。公开号为WO99/64902的PCT国际专利中公开了一种基于全息光学元件的多层透明投影显示屏幕，其全息光学元件在普通环境光照明下肉眼不可见，成透明状态。当特定角度的投影光照射屏幕时，屏幕显示投影图像，观察者能够同时看到投影图像和屏幕后的物体。日本DNP公司利用4层全息结构设计了一种具有类似效果的透明投影屏幕。这类屏幕结构复杂制作成本高。中国发明专利CN101030027A公开了一种具有全息柱面透镜结构的投影屏；中国发明专利CN101034252A公开了一种具有像面全息结构的投影屏；中国发明专利CN101030028A公开了一种衍射投影屏；中国发明专利CN1811589A公开了一种基于全息透镜的投影屏幕。这类投影屏幕具有一定的透明度，但是其显示亮度受到衍射效率的严重制约，光能利用率低。中国发明专利CN102354081A公开了一种基于聚合物分散液晶的透明投影屏幕，液晶材料成本高，制作工艺复杂。中国发明专利CN103246102A公开了一种反式应变液晶多功能调光玻璃可用于透明投影显示，这种屏幕需通过外加电压来调节其透明程度，不利于节能环保。

技术实现要素：
本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种零能耗、结构简单、高增益、高能量利用率的透明投影显示屏。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案提供一种透明投影屏幕，它的结构为：第一基材层的上表面与空气接触，第一基材层的下表面依次分布聚焦结构和扩散结构；所述聚焦结构将来自投影系统的光线聚焦于观察者所在位置，所述扩散结构将来自投影系统的光线在观察者所在位置扩散成一个观察区域；在所述的扩散结构上镀有部分反射薄膜结构；部分反射薄膜结构表面覆盖有折射率匹配层，折射率匹配层材料的折射率与聚焦结构和扩散结构材料的折射率一致；第二基材层的一个表面覆盖于折射率匹配层上，第二基材层的另一表面与空气接触；所述的投影系统与观察者所在位置在投影屏幕的同侧。本发明所述的聚焦结构为V型槽结构、变频光栅结构、微棱镜阵列结构中的一种。各具体结构为：所述的V型槽结构的分布、取向、槽深与槽宽为连续变化，其结构参数满足将入射的投影光线聚焦于观察者所在位置；所述的变频光栅结构的分布、取向、频率参数满足将入射的投影光线聚焦于观察者所在位置；所述的微棱镜阵列结构包括棱镜单元，棱镜单元的截面为直角三角形，其中一条直角边与阵列所在的平面垂直，另一条直角边位于阵列平面内，棱镜单元的顶角为锐角，顶角的角度与棱镜的取向满足将入射的投影光线聚焦于观察者所在位置。本发明所述的扩散结构为随机相位结构、微透镜阵列结构、二元光学元件结构中的一种。各具体结构为：所述随机相位结构为表面起伏的浮雕结构，浮雕结构的形状、尺寸高度为随机分布，浮雕结构的扩散性能包括扩散角度分布和能量分布，由浮雕结构的形状与平均尺度确定，满足在观察者所在位置形成一个均匀观察区域；所述的微透镜阵列结构的扩散性能包括扩散角度分布和能量分布由微透镜的半径与口径形状确定，满足在观察者所在位置形成一个均匀观察区域；所述的二元光学元件通过二元光学设计方法获得相应的扩散结构，满足在观察者所在位置形成一个均匀观察区域。本发明所述的部分反射薄膜结构为介质膜结构，介质膜结构对投影系统输出的光谱实现部分反射，对其余的可见光谱实现透射，介质膜结的平均反射率为5%～70%。所述的部分反射薄膜结构也可以为金属膜结构，金属膜结构对可见光谱实现部分反射，平均反射率为5%～70%。本发明所述的折射率匹配层填充在由部分反射膜、聚焦结构与扩散结构形成的微结构空隙中；折射率匹配层材料的折射率与聚焦结构和扩散结构的材料的折射率一致。光线透过聚焦结构、扩散结构、部分反射膜、折射率匹配层如同穿过一层透明玻璃，不发生汇聚或者发散现象。本发明的一个具体的优选方案是：在第一基材层和第二基材层与空气接触的表面设有增透抗反射结构，所述增透抗反射结构为普通光学增透膜或纳米蛾眼抗反射结构。所述的第一基材层和第二基材层的材料为有机材料的板材、有机材料的膜材、玻璃材料中的一种。有机材料包括聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1．本发明可同时实现高透明度投影与高亮度投影。2．本发明可以使光能集中在观察区域中，显著提升光能利用率，节能环保。3．本发明提出的透明投影结构易于批量制作，可有效降低透明投影显示的成本。附图说明图1是本发明实施例1提供的一种随机扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。图2是实施例1中提供的部分反射薄膜结构的可见光谱透射率曲线。图3是本发明实施例2提供的一种微透镜扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。图4是实施例3中一种增透型的随机扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。其中：1、透明投影屏幕；2、第一基材层；3、聚焦结构；4、扩散结构；5、部分反射薄膜结构；6、折射率匹配层；7、第二基材层；8、投影机；9、输出光线；10、散射光线；11、屏幕后面的物体；12、观察者；13、屏幕中心法线；14、抗反射层。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。实施例1：参见附图1，它是本实施例中一种随机扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。透明投影屏幕1由第一基材层2、聚焦结构3、扩散结构4、部分反射薄膜结构5、折射率匹配层6、第二基材层7构成。聚焦结构3为棱镜结构位于第一基材层2下表面，扩散结构4为随机相位结构位于聚焦结构3表面，部分反射薄膜结构5为介质膜结构镀在随机相位结构4表面，折射率匹配层6填充在第二基材层7与部分反射薄膜结构5之间，其材料折射率与所述聚焦结构与扩散结构材料的折射率一致。投影机8投影输出光线9将图像投射在透明投影屏幕1上，通过屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光线10，散射光线10在观察者12所在方位（相对于屏幕中心法线13）形成明亮均匀的观察区域。观察者12在观察区域内可同时看到投影图像与屏幕后面的物体11。本实施例中聚焦结构3为微棱镜阵列结构，包括棱镜单元，棱镜单元的截面为直角三角形，其中一条直角边与阵列所在的平面垂直，另一条直角边位于阵列平面内，棱镜单元的顶角为锐角，顶角的角度与棱镜的取向满足将入射的投影光线聚焦于观察者所在位置。棱镜单元的顶角的大小与棱镜的取向与分布由投影光线的方向、观察者的方位、屏幕中心法线的方向通过光线追迹确定。本实施例中的扩散结构4中的随机相位结构的结构与分布由观察区域的大小、形状、观察者与屏幕之间的距离确定。随机相位结构为表面起伏的浮雕结构，浮雕结构的形状、尺寸高度为随机分布，浮雕结构的扩散性能包括扩散角度分布和能量分布，由浮雕结构的形状与平均尺度确定，满足在观察者所在位置形成一个均匀观察区域；本实施例中投影系统输出的红、绿、蓝三色光的中心波长分别为630nm，532nm，450nm。参见附图2，是本实施例中设计的部分反射薄膜结构的可见光谱透射率曲线，部分反射膜结构在所述红绿蓝三色中心波长附近具有大于90%的反射率，而在可见光的其它光谱范围内的透射率接近100%。本实施例中的第一基材层与第二基材层的材料是折射率为1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦结构3与扩散结构4的材料为折射率为1.56的紫外固化胶，折射率匹配层6的材料也为折射率为1.56的紫外固化胶。实施例2：参见附图3，是本实施例中一种微透镜扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。透明投影屏幕1由第一基材层2、聚焦结构3、扩散结构4、部分反射薄膜结构5、折射率匹配层6、第二基材层7构成。聚焦结构3为V型槽结构位于第一基材层2下表面，扩散结构4为微透镜阵列结构位于聚焦结构3表面，部分反射薄膜结构5为金属薄膜镀在微透镜结构4表面，折射率匹配层6填充在第二基材层7与部分反射薄膜结构5之间，其材料折射率与聚焦结构与扩散结构材料的折射率一致。投影机8投影输出光线9将图像投射在透明投影屏幕1上，通过屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光线10，散射光线10在观察者12所在方位（相对于屏幕中心法线13）形成明亮均匀的观察区域。观察者12在观察区域内可同时看到投影图像与屏幕后面的物体11。本实施例中聚焦结构3中的V型槽结构的取向、槽深与槽宽连续变化，参数由投影光线的方向、观察者的方位、屏幕中心法线的方向通过光线追迹确定。本实施例中的扩散结构4采用微透镜阵列结构，其扩散性能包括扩散角度分布和能量分布，由透镜单元口径、曲率由观察区域的大小、形状、观察者与屏幕之间的距离确定。本实施例中投影系统输出连续的可见光谱光线，设计的部分反射膜结构在所述投影系统输出光谱范围内具有30%的反射率。本实施例中的第一基材层与第二基材层的材料是折射率为1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦结构3与扩散结构4的材料为折射率为1.56的紫外固化胶，折射率匹配层6的材料也是折射率为1.56的紫外固化胶。实施例3：参见附图4，是本实施例中一种增透型的随机扩散透明投影屏幕及其投影显示结构示意图。透明投影屏幕1由第一基材层2、聚焦结构3、扩散结构4、部分反射薄膜结构5、折射率匹配层6、第二基材层7、抗反射结构14构成。所述聚焦结构3为棱镜结构位于第一基材层2下表面，所述扩散结构4为随机相位结构位于聚焦结构3表面，所述部分反射薄膜结构5为介质膜结构镀在所述随机相位结构4表面，所述折射率匹配层6填充在第二基材层7与部分反射薄膜结构5之间，其材料折射率与所述聚焦结构与扩散结构材料的折射率一致，所述抗反射结构位于第一基材层的上表面与第二基材层的下表面。投影机8投影输出光线9将图像投射在透明投影屏幕1上，通过屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光线10，散射光线10在观察者12所在方位（相对于屏幕中心法线13）形成明亮均匀的观察区域。观察者12在观察区域内可同时看到投影图像与屏幕后面的物体11。本实施例中聚焦结构3中的棱镜单元的顶角的大小与棱镜的取向与分布由投影光线的方向、观察者的方位、屏幕中心法线的方向通过光线追迹确定。本实施例中的扩散结构4中的随机相位结构的分布由观察区域的大小、形状、观察者与屏幕之间的距离确定。本实施例中投影系统输出的红、绿、蓝三色光的中心波长分别为630nm，532nm，450nm。本实施例中设计的部分反射膜结构在所述红绿蓝三色中心波长附近具有大于90%的反射率，而在可见光的其它光谱范围内的透射率接近100%。本实施例中的第一基材层与第二基材层的材料是折射率为1.52的玻璃，聚焦结构3与扩散结构4的材料为折射率为1.51的紫外固化胶，折射率匹配层6的材料也为折射率为1.51的紫外固化胶。本实施例中抗反射结构14选用周期为100nm，高度为200nm的纳米蛾眼抗反射结构，可显著降低表面反射光的干扰。抗反射结构亦可采用单层或者多层薄膜抗反射结构，降低反射光的干扰。