增强对比度的背投影屏的制作方法

专利名称：增强对比度的背投影屏的制作方法
背景本发明一般涉及透射屏，尤其涉及适用于背投影系统的透射屏。
背投影屏通常设计用来将投影到屏背后的图像透射到观看空间。投影系统的观看空间可以相对地大(例如背投影电视)或相对地小(例如背投影数据监视器)。背投影屏的性能可用屏的各种特性加以描述。用来描述屏之性能的屏的典型特性包括增益、视角、分辨率、对比度、存在诸如彩色和斑点等不希望有的赝像，等等。一般希望背投影屏具有高分辨率、高对比度和大的增益。还希望屏在整个较大的观看空间中传播光。不幸的是，如下面将详述的，当一个屏特性得到改善时，常降低一个或多个其他的屏特性。例如，为了用相同的总体结构来提高屏增益，就必须减小屏的借以方便观看的视角。结果，为了生产在特定的背投影显示应用中具有总体可接受性能的屏，要在屏特性和性能方面作出某些折衷。
因此，需要改善屏幕的总体性能，同时满足在采用屏的背投影显示应用中所需要的最低性能标准。
概要一般来说，本发明涉及投影屏组件。具体地说，本发明涉及包括一个或多个双折射延迟层和一个或多个偏振层的投影屏组件。延迟层和偏振层减少了不希望有的背景光和图像光的反射。
在一个实施例中，屏组件包括色散层和第一延迟层，其中色散层的输入侧接收来自光源的光，而第一延迟层经放置用于改变透过色散薄膜的光的偏振状态。第一偏振器大体上透过从第一延迟层接收到的且呈第一偏振状态的光，并吸收从第一延迟层接收到的且呈第二偏振状态的光，其中第二偏振状态垂直于第一偏振状态。
本发明的另一实施例是一投影系统，该系统具有屏和图像投影机，投影机将具有第一偏振状态的图像投射到屏上。屏包括光色散元件、第一延迟层和第一偏振层。第一延迟层经取向，将其中透过的图像的偏振状态转换成大体上平行偏振层之透射偏振方向的透射偏振状态。
本发明的另一实施例是一屏组件，它包括色散装置、第一双折射延迟装置和第一偏振装置，其中第一双折射延迟装置经放置用于延迟来自色散装置的光，而第一偏振状态经放置用于接收来自第二双折射延迟装置的光。
本发明的另一实施例是一屏组件，用于显示具有第一偏振状态的图像。该屏包括第一偏振层，其取向大体上能够透射第一偏振状态下的光；和第一延迟层，其放置用于接收来自第一偏振层的光。放置光色散层，用于接收来自第一延迟层的光。
上述本发明的概要并不打算用来描述本发明的每个所说明的实施例或每一种实施。附图与下面的详细说明更具体地例示这些实施例。
附图简述结合附图，阅读以下对本发明各种实施例的详细描述，将更完整地理解本发明，这些附图是

图1示出了一投影屏组件；图2A-2B说明了用于表征屏组件之分辨率的机理；图3A-3B分别示出了背景光和像光线在屏组件内的漫反射；图4A-4B示出了依照本发明一实施例的投影屏组件；图5示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图6示出了依照本发明再一实施例的投影屏组件；图7示出了依照本发明又一实施例的投影屏组件；图8示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图9示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图10示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图11示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图12示出了依照本发明另一实施例的投影屏组件；图13示出了透过本发明屏组件的透射率曲线，其中透射率是波长的函数。
尽管本发明可以修改成各种变化和替代形式，但在附图中通过举例显示了其具体方案，并将对这些方案作详细描述。但是，应该理解，本发明不限于所述的特定实施例。相反，本发明将覆盖落在后附权利要求书所限定的本发明精神和范围内的所有变化、等效物和替代物。
详细说明本发明一般适用于许多不同的屏组件，特别适用于背投影系统中所用的屏组件。
参照图1，描述背投影屏100。背投影屏100包括色散元件101和吸收偏振器元件103。色散元件101将投影机105投射然后入射到屏100之背面的偏振图像的光在屏的观察侧扩展至所需的视角107。依应用需要，视角既可以对称也可以不对称。吸收偏振元件103的一个作用是，在背景光109下使用屏100时，提高屏100的对比度。通过吸收一部分入射于屏观察侧的背景光(未经偏振)，来提高对比度，否则屏将反射这些背景光并降低图像的对比度。使偏振元件103的透射方向与投影图像的偏振方向一致，从而将偏振元件103对投影图像的吸收减到最低。如将被理解的那样，在背景光下测量时，吸收近一半背景光但不显著吸收通过屏组件100透射的图像，这将增强屏的对比度。
偏振元件103所吸收的图像光量部分地取决于屏的保偏能力。因而，一般愿意采用色散元件101，因为当图像光经色散元件101色散并透射时，色散元件101不会对图像光作显著的消偏振。色散元件亦常称为漫散元件。在一个实施例中，将一种保偏的体漫射器用作色散元件101，所述漫射器由悬浮在结合层内的粒子组成。所用粒子的类型及其分散在结合剂中的方式都会影响色散元件的保偏特性。为获得良好的保偏性能，一般希望粒子为球形、结合层薄，并且加入结合剂的粒子少。结合层的厚度和粒子加载还会影响屏的增益和视角，在设计色散元件101时必须考虑这些影响。
本发明的屏组件特别适用于利用偏振图像源的投影系统。依照本发明的一个实施例，例如基于液晶显示器(LCD)的投影机可用于投影系统，将偏振图像投射到这里所述的那类屏组件上。投影系统的尺寸可以从相对较小的数据监示器变到大屏幕TV和视频壁面。投影系统也可依赖于折叠式的图像投影路径，如题为“投影图像”的欧洲专利申请EP783133所述的各种投影系统，该专利的内容通过引用包括在此。从以下描述将理解到，采用这里所述的各种屏组件将特别有益于这种系统。凡使用EP783133所述偏振灵敏反射镜的投影系统，在屏组件中加用吸收偏振器将进一步增强投影系统的性能。屏组件的吸收偏振器还可用作投影系统中其他部件(例如，诸如LCD成像器等成像器、偏振灵敏分束器和反射镜、延迟器等)的清除偏振器(clean-up polarizer)。
下面更详细地描述屏的各种特性。一个重要的屏特性是增益。屏的增益是屏之亮度的表示，而屏的亮度是视角的函数。通常用理想的Lambertian反射器来校准增益，而理想的Lambertian标准增益对于所用角度被设置为1。屏(或屏元件)的峰值增益对应于某一角度上的最高增益。例如，从背后正入射体扩散器屏，一般以垂直于屏表面的角度可以对屏透射过的光观察到其峰值增益。
另一个重要屏特性是视角。这里所用的屏的视角是屏增益跌落至峰值增益一半或者轴向增益一半时的角度。视角通常对应于透射图像强度跌落到垂直屏表面透射的光强的一半时的角度。
屏性能的一个重要量度是对比度。对比度一般指投影白色图像之亮度与投影黑色图像之亮度的比值。因此，对比度数值依赖于光源和成像光学器件。对比度随着屏亮度增加以及投影黑色图像更黑而倾向于增大。在一种场合中，对比度用系统的动态范围来量度。动态范围是在没有背景光的情况对对比度的量度。当在背景光下使用投影显示器时，屏会反射一些背景光。反射光一般包括镜面分量和漫射分量两者。背景反射降低了屏的对比度。因而，如果在背景光下使用屏，那么对比度还依赖于屏吸收背景光的能力，特别希望降低屏的背景反射量。因此，背景反射量提供了对屏性能的又一个有用的量度。
屏的另一个特性是其消除彩色和斑点影响的能力。在某些屏中，可观察到色彩在屏上形成由不同颜色的、类似像素的点所组成的随机图案。这种彩色赝像一般是由与波长有关的作用所引起的，诸如按不同方向或以不同效率散射不同波长的散射作用。在与波长相关的作用影响下，不同的色彩变得可以在空间上相互分离，并且在投影屏的观察侧可以观察到不同的颜色。用体漫射器增加屏的厚度直至观看者不能分辨任何色分离，由此减少了屏上的彩色赝像。体漫射器的厚度不必被选择成唯一用于减少彩色效应的自由变量，一般将漫射器的厚度选择成为一折衷值，用于优化屏的几个不同特性。
由于在分辨率要求不断提高的场合中使用背投影显示器(例如高清晰度电视)，所以背投影屏的分辨率变得更加重要。屏的分辨率通常定义为，能够区分在屏上投影的图像中最精细细节的尺度。测量分辨率的一种方法是，在屏上投影一幅表示许多组亮线和暗线的图像，亮暗线之间的间隔逐渐变小，以确定能够分辨的每毫米的极限线数。用此法，屏的分辨率可定量为，分辨不同空间频率下水平和/或垂直线条的能力。
以图2A和2B所示的方式，通过测量屏的调制深度(MD)能对屏的分辨率进行定量。如图2A所示，通过考察透过屏的图案201来测量调制深度，在图案201中，重复亮线205和暗线207的图像，并具有规定的空间频率。沿垂直于线条的线203扫描图案201。该扫描将光强测量成为沿扫描线203的位置的函数。如图2B所示，该扫描结果可以通过将强度描绘成沿扫描线203的位置的函数而图形表示出来。
用扫描得到的强度可以计算字符间对比度(ICC)的值，ICC是按下式关系的强度比ICC=Imax/Imin，其中Imax是扫描的最大强度211,Imin是扫描的最小强度213。
按下式，可以从ICC计算同屏的调制深度MD=(ICC-1)/(ICC+1)，它代表一归一化值。如将被理解的那样，任何被测元件的调制深度介于0和1之间，其中1是理想的分辨率，而0是不能分辨的图像。一般认为，ICC越高，则调制深度越高。对于确定屏的性能以及比较不同屏和屏组件的相对性能来说，屏组件的调制深度提供了一种特别有用的量度。背景光强度较高的情况下，Imax和Imin一般偏移相同的量。结果，ICC降低，从而减小调制深度。因此，对于保持较高的对比度和较高的分辨率来说，减少背景光反射是很重要的。
来自屏观察侧的背景光会被漫反射或镜面反射。通常通过在屏表面上使用减反射(AR)涂层或者使用无光面层，或者两种方法的结合，来减小镜面反射。由于屏幕不同层之间的折射率匹配，所以发生这些层之间界面上的镜面反射通常较少。但是，折射率匹配一般不理想，会发生一些镜面反射。另外，通常存在漫反射，尤其当屏幕包括漫散射层时。图3示出了这种情况，其中屏300处于背照明结构，图像投影机302位于入射侧。背景光304入射到屏300的输出侧306。屏304包括许多不同的层310、312、314和316。屏300的正面306反射入射背景光的一部分R0。另一些部分R1、R2和R3在第一层310和第二层312之间的界面、第二层312和第三层314之间的界面以及第三层314和第四层316之间的界面上反射。背景光300的剩余部分R4从第四层316的入射面318反射。另外，在某一层，一般为散射层，漫反射掉一部分光RD。所有反射光的相当大部分向着屏300之输出侧的观察者方向透射出屏300。从屏出射的背景光降低了所需图像的对比度，并由此对分辨率产生负作用。因此，减少屏300内向观察者方向反射的背景光是很重要的。
还应该注意，例如如图3B所示，屏300可以部分地反射从图像投影机302入射到屏300上的图像光320。图像光320可以在各层310、312、314和316之间的界面上，以及在入射和出射表面318和306上被镜面反射。为清楚起见，图中未示出直接的镜面反射。镜面反射光会产生观察者看到的假像。入射面318通常具有一无光面层，用以减少镜面反射。
考虑轴向光320a。除了镜面反射之外，在第二层312漫反射掉轴向光320a的一部分RD。例如通过第三层314和第四层316之间界面上的镜面反射，经漫反射的光可以被反射回到正方向，如光线R5所示；以及通过入射面318的镜面反射，如光线R6所示被反射回到正方向。另外，如果在屏300和图像投影机302之间存在诸如光学镜片、折叠式反射镜等任何光学元件(一般性地图示为元件322)，那么会存在附加的反射，例如反射R7。这些反射R5、R6和R7会产生较亮的背景光强，从而增大Imin的值。较高的背景光强降低了字符间的对比度ICC，并由此减小了调制深度MD。结果，较亮的背景光导致对比度下降，并由此导致分辨率下降。应该理解，此等讨论一般地适用于入射到屏300上的所有图像光320。因此，减少由屏300向图像投影机302方向反射的光也是很重要的。
图4A是一截面示意图，示出了依照本发明一特定实施例的屏。屏400包括若干层。屏400设计为如背投影屏一般工作，光沿箭头420所示的方向从左到右传播通过屏。第一层402是偏振延迟层。第二层404是色散层，并且固定在色散层衬底406上。第四层408是第二偏振延迟层，而第五层是起偏层410，它固定在一玻璃片412上。AR层414位于玻璃片412的输出侧。玻璃片412可以是透明的、可以具有选定的漫射特性、或者具有选定的吸收特性，诸如提供中性密度。应该理解，可以用几种不同的方法将一层与另一层固定，所述方法包括但不限于将一层涂敷在另一层上，将一层层叠在另一层上，两层之间可以使用或不使用粘合层，等等。
偏振延迟层402和408是双折射的，换句话说，对于正交的偏振状态，折射率是不同的。因此，当具有混合偏振的光线传播通过延迟层时，两种偏振状态之间的相位关系会改变。例如，如果输入延迟层的光具有两个彼此同相的正交偏振状态，并且振幅相同，那么该光相对于延迟器的偏振轴呈45°线偏振。但是，在传播通过具有一定厚度的延迟层之后，两个偏振状态之间出现π/2的相位延迟，这样光变成圆偏振光。如果延迟层的厚度使得该层引起的两偏振状态之间的相位延迟为π/2，那么该层称为1/4波长偏振延迟器。可以选择延迟层402和408的延迟量，以适应入射到屏上的不同偏振状态。例如，可以使入射光420不偏振、椭圆偏振、线偏振，或者圆偏振。一般选择延迟层的延迟量，以控制光420的偏振状态，使其与偏振层410的通过偏振状态匹配，产生最大透射。
在某些情况下，屏400可以只使用第二延迟层408，而省略第一延迟层。例如，当入射到屏400上的光420是圆偏振光，并且第二延迟层408是1/4波长延迟器时，光420的偏振状态会转换成线偏振，然后通过偏振层410。
延迟层402和408可以由经拉伸产生双折射现象的聚合物片制成，选择厚度，使其成为可见光的1/4波长延迟器。将延迟量设置在光谱中可见部分之中心的某个波长(例如550纳米左右)的1/4波长处。由于聚合物材料的相速度色散一般较小，所以1/4波长延迟器施加的延迟量在整个可见光谱上相对均匀。聚合物延迟片可以由任何合适的聚合物制成，包括聚丙烯腈和丙烯酸甲酯或其共聚物、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚烯烃和聚苯乙烯。如美国专利5,867,239所揭示的，丙烯腈基聚合物特别适于用作大角度延迟器，因为ny≈nz，这里ny是延迟层对沿y方向偏振的光的折射率，而nz是对沿z方向偏振的光的折射率。所述美国专利的内容通过引用包括在此。由于沿某一轴的折射率与沿另一轴的折射率相同，所以称其为单轴材料。对于双轴材料，沿所有三个轴x、y和z的折射率都是不同的。
色散层404的常用类型是体漫射器，一般在体漫射器中，具有第一折射率的粒子悬浮在具有第二折射率的材料内。其它类型的色散层也可以使用，诸如双面凸状层、珠状层、表面漫射层、全息漫射层，或者微结构漫射层，或其各种组合。双面凸状层是在一侧或两侧具有一系列双凸透镜的薄膜。珠状层已在美国专利申请09/095,835中描述过。表面漫射和微结构漫射层具有特殊设计的表面，用于漫射从中通过的光。全息漫射层可以是面全息图或体全息图，用以漫射从中通过的光。如以上所讨论的，由色散层产生的视角可以是对称的或者不对称的。
对于屏400中不同的位置，图示了通过屏400的光的偏振状态。位置z1、z2、z3、z4、z5、z6、z7和z8分别位于第一1/4波长延迟薄膜402的输入面(z1)；1/4波长延迟薄膜402和色散薄膜404之间(z2)；色散薄膜404和色散层衬底406之间(z3)；色散层衬底406和第二1/4波长延迟薄膜408之间(z4)；1/4波长延迟薄膜408和吸收偏振薄膜410之间(z5)；吸收偏振薄膜410和玻璃片412之间(z6)；玻璃片412和AR层414之间(z7)；以及AR层414的输出面(z8)上。来自图像投影机的光束420的各种偏振状态被图示成好像是沿从左到右通过屏400的方向观察到的。
屏的工作方式如下来自图像投影机的光420一般是线偏振的，并且图示成在位置z1处呈垂直偏振。选择第一1/4波长延迟器402的光轴，使得来自位置z1的偏振光以圆偏振状态射出延迟器402(如图所示，在位置z2)，并且相对于来自图像投影机的光的偏振方向，一般呈±45°。色散层404和色散层衬底406对偏振的影响不明显，因此在位置z3和z4处，光的偏振状态保持不变。在此特定实施例中，第一和第二延迟层402和408的光轴平行，致使光420以垂直于位置z1处线偏振状态的线偏振状态射出第二延迟层408。在本例中，为水平偏振。换句话说，两个延迟层402和408如半波长延迟器一样工作，将偏振方向旋转了90°。剩余各层，即线偏振器410、玻璃层412和AR层414，基本上不影响光的偏振。因此光420在位置z8处以水平偏振状态射出屏。偏振层410与其透射轴水平对准，即平行于从第二1/4波长延迟层408入射偏振层410的光偏振方向。
如图4B所示，屏400的结构对于减少背景光反射是有效的。从屏400之右侧入射的背景光422一般不偏振。图中，沿反方向通过的背景光422的偏振状态示于a)行。背景光422进入屏400，具有混合的偏振状态，图中在位置z8处示为水平和垂直的偏振混合。非偏振的背景光通过AR涂层414和玻璃片412，到达位置z6，不发生明显的偏振变化。然后，背景光通过偏振器410，偏振器410吸收垂直偏振光，致使在位置z5处出射偏振器的光为水平偏振。因此，吸收掉一半背景光。在通过第二1/4波长延迟薄膜408后，背景光为圆偏振，如位置z4所示。在通过衬底406和色散薄膜404之后，背景光保持圆偏振，如位置z3和z2所示。通过第一1/4波长延迟层402的任何背景光以垂直偏振状态射出，如位置z1所示。
现在考虑在屏400内反射的背景光。通过屏400处于衬底406和第二1/4波长延迟层408之间位置z4处界面上的背景光是圆偏振光。在z4界面上反射的任何背景光在位置z5上以垂直偏振状态离开第二1/4波长延迟层，即偏振状态垂直于原通过偏振器410时的偏振状态。此情况示于b)行。因此，此反射光被偏振器410吸收，不再向后通过屏400射向观察者。符号“n/a”表示没有可应用的偏振状态可示，因为光被吸收了。
c)行示出了色散层404中在位置z3和z2之间被漫反射的背景光的偏振状态。到达位置z3之界面的背景光是圆偏振光。因此，被反射的背景光也是圆偏振的，并且保持圆偏振直到作为垂直偏振光从第二1/4波长延迟层408射出。具有此偏振状态的光被偏振器410吸收。因此，从位置z3之界面上反射的背景光不会逃离屏400。
应该理解，在位置z2之界面上反射的背景光同样在偏振器410中被吸收。因此，在屏400内被反射的背景光被偏振器410所吸收，从而减少了屏对背景光的反射量。这种屏的结构对于增大屏的对比度乃至屏的分辨率是有效的。
图4C示出了屏450的另一个实施例，它在许多方面与屏400类似。屏400与450的主要差别在于，屏450中第二1/4波长延迟层408a的光轴垂直于第一1/4波长延迟层402的光轴。因此，并不象前述屏400的情况那样用两个1/4波长延迟层的组合使通过屏的光偏振状态旋转90°，通过两个1/4波长延迟层402和408a之后的净效应是偏振不旋转。因此，对于图示在位置z1处进入屏450的垂直偏振光，从第二1/4波长延迟层408离开的光也具有垂直偏振状态。相应地对偏振层410a定向，以透射该垂直偏振光。屏450按类似于对屏400描述的方式吸收反射光。
使用延迟层光轴交叉的屏可以获得某些好处。例如，1/4波长延迟薄膜402和408的偏振延迟效应有些依赖于入射光的波长。因此，延迟层402和408只对可见光谱中的一部分光起理想的1/4延迟器的作用。延迟器一般针对可见光谱中心处的光进行设计，因此对于光谱的蓝色端和红色端，延迟量通常小于理想的1/4波长。通过从一个延迟层作用中减去另一个延迟层的作用，可以消除延迟对波长的依赖关系。另一方面，如果两延迟层具有平行的光轴，那么两个延迟层的合并效果是相加的，因而导致通过屏的光发生色移。另外，如果延迟层的作用是相减的，那么允许薄膜的不理想性有更大的容限。如果延迟层的作用是相加的，那么要求延迟层的性能非常好，以证明在延迟层经历的波长范围和入射角内具有相同的延迟量。另外，两个延迟层的延迟量必须匹配，以产生理想的半波延迟，否则的话，透射光会发生色移，并使透射光强度下降，偏移最佳值。
施加于通过延迟层的光上的延迟量不仅依赖于材料双折射，而且依赖于延迟层内的路径长度。因此，延迟量随光通过延迟层的角度而变化。一般针对光以正入射通过延迟层的情况来设计延迟层。经过色散层散射的光以非直角通过延迟层，光会被延迟一个非最佳的延迟量。但是，如美国专利5,867,239所述的丙烯腈基宽角度延迟层特别适于此应用，因此减小了离轴效应。
因此，1/4波长延迟层会呈现波长和角度的影响，导致彩色效应，降低屏的性能。这些影响可以被减小，方法是例如用准直光减小角度作用，以及用由低色散材料制成的零阶延迟层来增大延迟层成为有效1/4波长延迟器的波长范围。
用图4C所示的屏450可以进一步减小波长和角度的影响。在本例中，由于延迟层402和408a的光轴是交叉的，所以一个延迟层的波长和角度作用将抵消另一延迟层的作用，由此减小整个屏450的波长和角度作用。这与屏400中延迟层402和408的波长和角度作用相加的情况形成对比。因此，屏450中延迟层402和408a的相对定向为减小波长和角度作用提供了益处。
应该理解，由图像投影机投影在屏组件上的光不需要线偏振化。在这种情况下，屏组件适于接收从图像投影机接收到的图像光，并将其偏振状态转换成偏振层可以透射的状态。这只要求使用单个延迟层。例如，如果图像投影机射出圆偏振光，那么色散层和图像投影机之间没有任何延迟层，并且色散层将圆偏振光透射到位于色散层和偏振层之间的延迟层。延迟层将图像光的偏振状态转换成偏振层可以透射的偏振状态。因此，这种屏组件只要求单个延迟层，它位于色散层和偏振层之间，同时仍有效地降低被漫反射的背景光量。
图5示出了依照本发明另一实施例的屏。图中用相同的标号表示屏500中与屏450各元件相同的元件。在本实施例中，屏500在输入侧504具有一偏振层502。在(a)行中示出了沿正方向从图像投影机通过屏到达观察者的光在位置z1-z8和z10处的各种偏振状态。位置z10是第一偏振器502的输入面。位置z1-z8与前述相同。偏振层502和410a的取向是平行的，即这两个偏振层的透射偏振方向是平行的，并且1/4波长延迟层402和408的光轴也相应对准，以允许来自图像投影机的光透过。来自图像投影机并入射到屏500上的光一般沿平行于偏振层401a和502之透射偏振方向被线偏振化，因此增加第一偏振层502不会影响图像光通过屏500的透射率。
第一偏振层502可用于减少反射回光源的图像光强(或者是漫射，或者是镜面反射)。例如，考虑(从左到右)正向传播的光在位置z4处的界面上反射，其中位置z4位于衬底406和第二1/4波长延迟层408a之间。(b)行示出了反射光的偏振状态。此反射光以圆偏振状态通过衬底406和色散层404返回至第一1/4波长延迟层402。当光在位置z1处从1/4波长延迟层402射出时，光是线偏振的，偏振方向垂直于第一偏振层502的透射方向，从而被吸收。因此，第一偏振器502可用来减少反射回图像投影机的图像光量。这对于将折叠式反射镜放置在屏500之输入面504附近的折叠式投影系统来说特别有用。如果没有第一偏振器502，那么屏内漫反射的光会从反射镜反射回到屏500的输入面504上，并向观察者方向透射。按这种方式反射的光构成漫射背景强度，而这种漫射背景强度会降低屏的对比度，从而对分辨率产生负面影响。偏振层502减少了漫反射光的量，因此增强了对比度，并保持较高的分辨率。这种屏还可以有效地减小来自观察侧的背景光的反射，如同以上对屏400和450所描述的。
图6示出了依照本发明另一实施例的屏。图中，1/4波长延迟层602和608、色散层604、色散层衬底606、吸收偏振器610、玻璃片612和AR层614与上述类似。第一1/4波长延迟层602通过第一层光学粘合剂603层叠在色散层衬底606上。在本实施例中，色散层衬底606面向屏组件600的输入侧620。与图5相比，色散层604和色散层衬底606的位置颠倒了。
在本文所说明的所有实施例中，要求将输入面(即图像投影表面)处理成能够减少镜面反射。在本实施例中，将输入面620处理成具有无光纹理，减少镜面反射。在另一个实施例中，在输入面620上施加一AR涂层作为另一种或附加的方法，以减少投影在屏组件600之输入面620上的图像光的镜面反射。
图7示出了屏组件的又一个实施例。屏组件700包括1/4波长延迟层702和708、色散层704、偏振层710、玻璃片712和AR层714。第二1/4波长延迟层可以例如通过层叠固定于偏振层710，并且将1/4波长延迟层708和偏振层710的组合用作衬底，涂覆色散层706，随后固化色散层706。然后，将偏振层710固定于屏组件的其它元件上，例如通过光学粘合层711固定于玻璃712上。玻璃片712可以具有AR层714和消斑点涂层716。第一1/4波长延迟层702可以直接层叠在色散层704上。
此屏组件700的一个突出优点是，避免用一个分立的色散层衬底来支撑色散层704。避免使用分立的漫射衬底可以消除例如因漫射衬底双折射而引起性能的劣化。
在另一实施例中，屏组件700可通过下述方式来制造，即先在转移衬底(未画出)上涂覆色散层704，然后固化色散层704。然后，通过粘合剂(未图示)将固化色散层706与转移衬底相对的表面层叠到第二1/4波长延迟层708上。在除去转移衬底之后，将第一1/4波长延迟层层叠在层704上，其间可以使用或不使用光学粘合剂。得到了确实不包含分立色散层衬底的屏组件。转移衬底可以具有一个结构化表面，例如微结构的压花表面，所述色散层704形成于该表面上。在除去转移衬底之后，转移衬底之结构化表面赋予色散层704互补的无光面层。
图8示出了本发明的再一个实施例。色散层804经由漫射粘合剂805层叠到1/4波长延迟层808上。漫射粘合剂805为通过屏组件800的图像光提供附加的色散，由此在获得同样的总体色散大小的情况下，允许减小色散层804的厚度。这使得整个屏组件的厚度减小。随后，将第一1/4波长延迟层802和偏振层810层叠到层804和第二1/4波长延迟层808的相应表面上。
应当理解，虽然图8中没有示出屏组件的其他选用元件，但如需要作上述用途时也可以提供。例如，可以通过漫射粘合剂805将色散层804层叠到色散层衬底(未图示)上，并将衬底层叠到1/4波长延迟层808上。当使用漫射粘合剂805时，其色散特性应该与色散层804的色散特性兼容。例如，漫射粘合剂805应该大体上不对光消偏振。在公告的PCT专利申请WO97/01610中描述了一种漫射粘合剂，题为“光漫射粘合剂”，其内容通过引用包括在此。
图9图示了本发明另一个实施例的屏组件900。屏组件900包括第一1/4波长延迟层902、色散层904、第二1/4波长延迟层908和偏振层910。用粘合剂(未画出)将不同层层叠在一起。可以连同所述的屏元件提供附加的屏元件。还应注意，未画出色散层衬底。虽然可以用衬底，但在一个实施例中，色散层904可直接涂在1/4波长延迟薄膜902和908之一上，于是它们也起到色散层衬底的作用。可以将美国专利5,867,239揭示的丙烯腈基延迟层直接层叠在色散层上，或者与色散层接触。
图10示出了依照本发明再一实施例的另一个屏组件1000。屏组件1000包括第一偏振层1002、第一1/4波长延迟层1003、色散层1004、第二1/4波长延迟层1008和偏振层1010。用粘合剂(未图示)将屏组件1000的不同层层叠在一起。连同所述的屏元件还可以提供附加屏元件。
图11示出了依照本发明另一实施例的另一屏组件1100。屏组件1100包括第一偏振层1101、1/4波长延迟层1102、色散层1104和玻璃片1112。此结构特别适用于减少屏组件1100向图像投影机1110漫反射的图像光量。可以用一层或多层粘合层(未图示)层叠屏组件1100的不同层。
可以将诸如Fresnel透镜等聚焦元件1116与屏组件1100一起使用，以改变光从图像投影机1110射入屏组件1100时的发散度。聚焦元件1116可以将图像准直，或者用其它方式改变从图像投影机1110接收到的图像的发散度，例如所述其它方式是减小但不完全消除发散。沿非法向通过第一延迟层的任何光线，其延迟量与沿法向通过的光线不同。Fresnel透镜的准直作用可以使光线更平行于法向，从而降低不同光线穿越屏组件1100时延迟的不均匀性。
图12示意地示出了另一实施例屏组件1200。图像投影机1210将偏振光1202射到屏组件1200上，屏组件1200包括色散层1204、延迟层1208、偏振层1210和用于支撑的玻璃片1212。入射到屏组件1200上的光1202具有第一偏振状态，该偏振状态经选择使得在透过延迟层1208之后，光1202具有可通过偏振层1210的第二偏振状态。延迟层的延迟程度可以是任何有用的值。
例如，第一偏振状态可以是圆偏振，并且延迟层1208可以是1/4波长延迟器。图像投影机1210可以投射圆偏振光本身，或者投射具有其它偏振状态的光，然后由位于图像投影机和屏组件1200之间的延迟器1220将其转换成圆偏振。本实施例的优点包括减少屏组件1200中的层数，以及可以象屏组件400中的那样使用比屏组件输入侧包含的延迟器更小的延迟器1220。
不需要严格按以上所述结构投影屏组件。例如，可以组装一种这样的屏组件，其1/4波长延迟层可以位于色散层的任何一侧，而偏振层位于1/4波长延迟层之外，这样偏振层的透射轴是交叉的，而不象所述为平行的。应该理解，应该对延迟层的光轴作相应的取向，以使投影图像透过屏组件。还应该理解，屏组件中还可以包括其它层，例如那些主要目的是为了提高生产率或者为屏组件提供支撑的层。另外，当输入图像光不是线偏振而是椭圆偏振时，可以设置延迟层的双折射程度，使得偏振器透射到色散层输出侧上的光发出最大的光量。延迟层不需要是1/4波长延迟器，它可以具有其它的双折射值，即使来自图像投影机的输入光是线偏振的。
以下描述本发明的不同屏组件以及一些测得的屏特性。这些例子示范了如何组合1/4波长延迟器和偏振层来减少背景光和图像光的漫反射并由此提高对比度和分辨率，从而提高屏的总体性能。这些例子还显示了具有交叉光轴的延迟层所提供的优点。第一组试样(2和3)说明了具有图4A-4C所示类型的屏，它们具有单个位于色散层输出侧的偏振层。第二组试样(4-12)说明了具有图5所示类型的屏，它们具有两个偏振层。
试样1试样1的屏组件按顺序包括体漫射层、漫射衬底、线偏振层、透明玻璃片以及位于玻璃片输出侧的减反射涂层。试样1用作对照。漫射层是将平均直径大约为5微米、折射率为1.54、重量占25％的粒子分散在折射率为1.47、厚度大约为260微米的丙烯酸脂层内。漫射衬底是厚度为175微米的聚碳酸酯。偏振层是HNT42型吸收偏振片，厚度为175微米，可以从Polaroid公司获得。各层用非双折射的光学粘合剂层叠。
试样2试样2的结构与图4A和4B所示的类似，并且依次包括以下各层第一1/4波长延迟层、色散层、色散层衬底、第二1/4波长延迟层、偏振层以及在输出表面具有AR涂层的透明玻璃片。偏振层是与试样1中所用相同的HNT42吸收偏振片。1/4波长延迟层由丙烯腈-丙烯酸甲酯共聚物BAREX制成，并且在大约555纳米处对延迟层优化1/4波长延迟量。延迟层的光轴相互平行，而偏振片的透射偏振方向相互垂直。第一偏振层的输入面是无光面层，用以减少镜面反射。
试样3试样3与试样2相同，除了延迟层的光轴大致垂直，并且偏振片的透射偏振平行。
试样4试样4的结构类似于图5所示的结构，并且依次包括以下各层偏振层、第一1/4波长延迟层、色散层、色散层衬底、第二1/4波长延迟层、偏振层以及在输出面上带有AR涂层的透明玻璃片。试样4与试样2的主要区别是在屏组件的输入侧包括一偏振层。该偏振层相同于试样1所用的HNT42吸收偏振片。1/4波长延迟层由丙烯腈-丙烯酸甲酯共聚物BAREX制成，并且在大约555纳米处对1/4波长延迟进行优化。延迟层的光轴相互平行，而偏振片的透射偏振方向相互垂直。第一偏振层的输入面是无光面层，用以减少镜面反射。
试样5试样5与试样4相同，除了延迟层的光轴大致垂直，并且偏振片的透射偏振方向平行。
试样6试样6与试样4相同，除了在大约450纳米处对延迟层优化1/4波长延迟量。
试样7试样7与试样6相同，除了延迟层的光轴是交叉的，大致垂直，并且偏振片的透射偏振方向是平行的。
试样8试样8与试样4相同，除了延迟层比试样4中的延迟层薄。
试样9试样9与试样8相同，除了延迟层的光轴是交叉的，大致垂直，并且偏振片的透射偏振方向是平行的。
试样10试样10与试样4相同，除了延迟层比试样4中的延迟层厚，并且在550纳米和700纳米之间的某个波长处对延迟层优化1/4波长延迟量。
试样11试样11与试样10相同，除了延迟层的光轴是交叉的，大致垂直，并且偏振片的透射偏振方向是平行的。
在所有试样中，各层是用非双折射光学粘合剂层叠在一起的。表Ⅰ概述了不同试样的特征性能。
项d*Δn表示延迟层之延迟量对波长的依赖程度，并且是延迟层厚度d与双折射Δn(λ)=nx(λ)-ny(λ)的积，其中λ是特定波长，nx和ny是两个正交偏振状态的折射率。给出了三个不同波长450纳米、550纳米、700纳米下的积d*Δn。对于特定波长处的1/4波长延迟量，积d*Δn等于波长的四分之一。因此，关于λ=450纳米处的1/4波长延迟量，d*Δn=112.5纳米；在λ=550纳米处，d*Δn=137.5纳米；而在λ=700纳米处，d*Δn=175纳米。表中所列的值表示在每个给定波长处获得的实际薄膜延迟值，单位为纳米。试样4和5在大约550纳米处获得最优的1/4波长延迟量，延迟量为d*Δn=138.8纳米。试样6和7在大约450纳米处获得最优的1/4波长延迟量，延迟量为d*Δn=112.4纳米。试样8和9在450纳米波长处的延迟量为d*Δn=107.9纳米，略小于最佳值112.5纳米。试样10和11在700纳米波长处的延迟量为d*Δn=145.5纳米，小于最佳的1/4波长延迟量175纳米，但其在550纳米波长处的延迟量为168.4纳米，大于最佳的1/4波长延迟量137.5纳米。因此，试样10和11之1/4波长延迟量的最佳波长在550纳米和700纳米之间。
表Ⅰ屏组件特性
“PG”列给出了峰值即薄膜的轴向增益。给出了每处薄膜沿水平方向“Hor”和沿垂直方向“Ver”的视角“VA”。反射率表示为屏的两表面的百分值，即源侧或输入侧“S”的百分值以及观察侧或输出侧“V”的百分值。
接下来的两列描述了薄膜的色移，用Δu′和Δv′标注。用于测量的光源是D65源，其色坐标为u′=0.19766和v′=0.46857。列Δu′和Δv′给出了光在通过薄膜后色坐标的变化。最后一例给出了调制深度MD的增量，用ΔMD表示。
首先考虑峰值增益。试样1之对照薄膜的峰值增益为0.85，而其它试样的峰值增益小些，因为它们都包括一附加的偏振层，而该偏振层的透射率大致为90％。试样3、5、7、9和11的薄膜具有光轴交叉的延迟层，而试样2、4、6、8和10的薄膜具有光轴平行的延迟层，一般来说，前者的峰值增益大于后者的峰值增益。此现象的一个原因是，对于光轴交叉的那些薄膜，即试样3、5、7、9和11，一个延迟器的作用与另一个相减，因此抵消了延迟器中的任何缺陷。但是，在试样2、4、6、8和10中，偏振器是垂直的，这要求通过第一偏振器的光偏振方向必须旋转90°，以便通过第二偏振器。光在经过第一偏振器后，偏振方向未被准确旋转90°的任何部分在第二偏振器中被吸收。由不同波长的薄膜延迟值可以看出，延迟薄膜在可见光谱上不是理想的1/4波长延迟器。用具有交叉光轴的延迟器可以减小此非理想的作用。
接下来，考虑反射率。试样1作为对照屏，其输入面的反射率是9.55％，而输出面的反射率为4.26％。由于体漫射器的漫反射作用，所以这些值是基本的。对照屏输入(源)侧的反射率较高，因为在屏的源一侧所作的测量是用偏振光进行的，以便模拟用偏振图像源对屏的实际照明，而在屏的输出(观察)侧所作的测量是用非偏振光进行的，以便模拟非偏振的室内背景光。位于屏输出侧的偏振器使到达漫射器的背景光量减小了大约50％；而从输入侧到达漫射器的光没有被减小，因为试样1在输入侧没有偏振器，光直接照射漫射器。
试样2-11之两侧的反射率都明显小于对照试样1。与试样1一样，用偏振光测量源侧的反射率，该偏振光的取向与第一偏振器的通过偏振方向一致，并且用非偏振光测量观察侧的反射率。从任何一侧测量试样4-11(具有两个偏振层)的反射率，其中大多数试样的反射率在2-3％左右。试样2和3的反射率(具有一个偏振层)并不象使用两个偏振层时那样低，但仍然明显低于对照试样1。因此，使用偏振层和延迟层对于减少背景光和图像光漫反射并由此增强屏的对比度和分辨率是非常有效的。
接下来，考虑屏的彩色性能。在理想情况下，屏应该使光通过，不影响透射光的颜色。但是，由于延迟层的双折射性依赖于波长，所以偏振旋转量在可见光谱上会变化，从而导致彩色效应。彩色效应的量值通过色坐标的变化Δu′和Δv′来测量。改变越小，对透射光颜色的影响越小。试样3、5、7、9和11的屏具有光轴交叉的偏振器，而试样2、4、6、8和10的屏具有光轴平行的偏振器，一般来说，前者的色移小于后者的色移。例如，试样10具有Δu′=-0.0192,Δv′=-0.0516，而试样11的色坐标位移为Δu′=-0.0002,Δv′=-0.0125。对这些屏进行视觉比较，发现试样10具有明显的黄色，而试样11具有相对中性的颜色，并类似于试样1的对照薄膜。
图13示出了通过试样1、10和11的透射率，它是λ=400nm至λ=700nm范围内波长的函数。用非偏振光源进行透射率的测量。试样11的透射率(曲线1304)对于所有波长相对平坦，并且非常接近于试样1的透射率(曲线1302)。试样1和11之透射率曲线的差别主要是由试样11在其源侧增加偏振器而引起的。但是，试样10的透射率(曲线1306)在短波长处表现出较低的透射率，特别是低于大约550纳米的波长。蓝光的低透射率解释了试样10呈现黄色的现象。
与试样2、4、6、8和10相比，试样3、5、7、9和11之间的色移差别是延迟薄膜中光轴之不同相对取向的结果。如以上所讨论的，某些颜色通过第二偏振薄膜的程度大于其它颜色。当延迟薄膜的光轴平行时，每个薄膜的双折射作用相加，而当光轴交叉时，双折射作用相减。因此，当光轴交叉时，双折射对波长的依赖关系互补；而当光轴平行时不存在这种互补。
最后，考虑调制深度的改变ΔMD。先前已将调制深度MD定义为MD=(ICC-1)/(ICC+1)，其中ICC是字符间对比度值，而ICC为Imax/Imin。Imax和Imin是相邻的亮线和暗线对的最大强度和最小强度。在分辨率相对较高且为每毫米四条线对，并且背景光强为250lux的情况下测量MD。每个试样的结果给出了试样MD与对照试样1之MD之间的差。试样1的MD测量为0.355。每种试样的MD都明显大于对照试样，并且与观察侧漫反射的减少量谐调。
如上所述，本发明可应用于背投影屏，并且特别适用于对背景光呈现低反射的、对比度较高的屏。本发明还特别适用于这样的屏组件，它们可以减少向图像投影机漫反射的图像光量。这种性能增大了屏的分辨能力。
因此，不应将本发明局限于上述特定的例子，而应该认为本发明覆盖了如后附权利要求书中清楚叙述的本发明的所有方面。对于本发明涉及的领域的熟练技术人员来说，当阅读本说明书时，本发明适用的各种变化、等效过程以及各种结构都是显而易见的。权利要求书试图覆盖这些变化和装置。
权利要求
1．一种投影屏组件，其特征在于，包括色散层，它具有一输入侧，用于接收来自光源的光；第一延迟层，它经放置用于改变透过色散薄膜的光的偏振；和第一偏振器，它经设置用于基本上透过从第一延迟层接收到的且呈第一偏振状态的光，并吸收从第一延迟层接收到的且呈第二偏振状态的光，其中第二偏振状态垂直于第一偏振状态。
2．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，还包括第二延迟层，它经放置用于在光进入色散层的输入侧之前进行透射。
3．如权利要求2所述的投影屏组件，其特征在于，第一和第二延迟层大体上是1/4波长延迟层。
4．如权利要求2所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层的光轴大体上平行于第二延迟层的光轴。
5．如权利要求2所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层的光轴与第二延迟层的光轴交叉。
6．如权利要求5所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层的光轴大致上垂直于第二延迟层的光轴。
7．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，还包括图像投影机，它经放置用于将具有预选偏振状态的图像光投射到色散层上，并且第一延迟层经取向大体上可以将从色散层接收到的图像光转换成可以透过第一偏振器的线偏振光。
8．如权利要求7所述的投影屏组件，其特征在于，还包括第二延迟层，它位于图像投影机和色散层之间。
9．如权利要求8所述的投影屏组件，其特征在于，第一和第二延迟层大体上是1/4波长延迟层。
10．如权利要求8所述的投影屏组件，其特征在于，第二延迟层固定在色散层上。
11．如权利要求8所述的投影屏组件，其特征在于，第二延迟层放置在图像投影机和色散层之间的光路上，与色散层分立。
12．如权利要求2所述的投影屏组件，其特征在于，还包括第二偏振器，它位于第二延迟层的输入侧。
13．如权利要求12所述的投影屏组件，其特征在于，第一和第二偏振器按通过偏振状态相互平行的方向取向。
14．如权利要求12所述的投影屏组件，其特征在于，第一和第二偏振器按通过偏振状态不平行的方向取向。
15．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是漫射层。
16．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是珠状层。
17．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是双面凸状层。
18．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是表面漫射层。
19．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是全息漫射层。
20．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，色散层是微结构漫射层。
21．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层由丙烯腈基聚合物制成。
22．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层由单轴材料制成。
23．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层的延迟值d*Δn在50纳米-500纳米的范围内，其中d是第一延迟层的厚度，而Δn是第一延迟层的双折射。
24．如权利要求23所述的投影屏组件，其特征在于，第一延迟层的延迟量在100-180纳米范围内。
25．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，还包括色散层衬底，它与色散层固定，起支撑作用。
26．如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，还包括一聚焦元件，它位于屏组件的输入侧，用于改变从光源进入屏组件的光的发散度。
27.如权利要求1所述的投影屏组件，其特征在于，在屏组件的输入面上还包括一无光面层。
28．一种投影系统，其特征在于，包括屏，它包括光色散层，第一延迟层，和第一偏振层，它与光色散层和第一延迟层层叠在一起；和图像投影机，它将具有第一偏振状态的图像投射到屏上；其中第一延迟层经取向，将从中透过的图像的偏振状态转换成大体上平行偏振层透射偏振方向的透射偏振状态。
29．如权利要求28所述的系统，其特征在于，屏还包括第二延迟层，它位于光色散元件的输入侧，用于将图像转换成第二偏振状态，第一延迟层将第二偏振状态转换成透射偏振状态。
30．如权利要求29所述的系统，其特征在于，第一延迟层的光轴大体上平行于第二延迟层的光轴。
31．如权利要求29所述的系统，其特征在于，第一延迟层的光轴与第二延迟层的光轴交叉。
32．如权利要求28所述的系统，其特征在于，屏还包括第二偏振层，它位于第二延迟层和图像投影机之间。
33．如权利要求28所述的系统，其特征在于，第一延迟层大体上是1/4波长延迟层。
34．如权利要求28所述的系统，其特征在于，还包括第二延迟器，它位于图像投影机和屏之间，用于将图像的偏振状态从第一偏振状态转换成第二偏振状态。
35．一种屏组件，其特征在于，包括色散装置，用于色散来自光源的光；第一双折射延迟装置，用于延迟从色散装置接收到的光；和第一偏振装置，用于偏振从第一双折射延迟装置接收到的光。
36．如权利要求35所述的屏组件，其特征在于，还包括第二双折射延迟装置，用于延迟透射到色散装置的光。
37．如权利要求36所述的屏组件，其特征在于，还包括第二偏振装置，用于偏振从中通过到第二双折射延迟装置的光。
38．一种用于显示具有第一偏振状态的图像的屏组件，其特征在于，包括第一偏振层，其取向大体上能够透射第一偏振状态下的光，第一延迟层，经放置用于接收来自第一偏振层的光；和光色散层，经放置用于接收来自第一延迟层的光。
39．如权利要求38所述的屏组件，其特征在于，还包括图像投影机，它经放置用图像照射第一偏振层的输入面。
40．如权利要求38所述的屏组件，其特征在于，第一偏振层、第一延迟层和光色散层一起层叠在单个集成的屏中。
41．如权利要求38所述的屏组件，其特征在于，光色散层至少包括漫射层、珠状层、双面凸状层、表面漫射层、全息漫射层和微结构漫射层中的一种。
42．如权利要求38所述的屏组件，其特征在于，还包括色散层衬底，它与色散层固定，起支撑作用。
43．如权利要求38所述的屏组件，其特征在于，还包括聚焦元件，它位于组件的输入侧，用于改变进入组件的光的发散度。
全文摘要
投影屏组件包括一个或多个双折射延迟层以及一个或多个偏振层。延迟层和偏振层减少了不希望有的背景光和图像光的反射。屏组件的一个实施例包括色散层和第一延迟层。色散层的输入侧接收来自光源的光,而第一延迟层经放置用于改变透过色散薄膜的光的偏振状态。第一偏振器大体上透过从第一延迟层接收到的且呈第一偏振状态的光,并吸收从第一延迟层接收到的且呈第二偏振状态的光,其中第二偏振状态与垂直于第一偏振状态。
文档编号G03B21/60GK1312919SQ99809466
公开日2001年9月12日 申请日期1999年5月24日 优先权日1998年6月11日
发明者R·S·莫什里芙扎达, P·A·托马斯, H·萨欧阿尼, D·克罗斯韦尔 申请人:3M创新有限公司