专利名称：用于投影屏的菲涅耳透镜的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及用于投影屏的菲涅耳透镜，尤其涉及可减小叠影效应的菲涅耳透镜。
菲涅耳透镜通常在菲涅耳透镜中用于准直接收自发光源的光，一般用来增大屏边缘的增益，使观者注意不到整个屏的亮度缺少均匀性。
然而，菲涅耳透镜一般会产生叠影，这是由透镜与附接该透镜的基片内的内部反射造成的。叠影会被观者看到，使像质下降，干扰观者。因此，屏制造商不得不在亮度均匀性与像质间作折衷。
因此，要求有一种能减弱或避免产生叠影的菲涅耳准直透镜供投影屏使用，这种透镜还要能有效地准直光以在整个屏上产生更均匀的亮度。
发明内容
本发明一般涉及其菲涅耳透镜层迭于另一支持层的屏。
在本发明一实施例中，屏包括具有输出表面的菲涅耳透镜和支持附接在菲涅耳透镜输出表面第一侧的分散屏。
在本发明另一实施例中，屏包括具有输出表的菲涅耳透镜，其中至少一部分输出表面包括一种菲涅耳结构。第一光学层的第一表面支持附接于菲涅耳透镜的输出菲涅耳结构表面。
在本发明另一实施例中，第一层具有第一表面，将光再引导通过屏的再引导装置具有菲涅耳结构输出表面。在第一层与再引导装置中至少有一个的附接装置，将再引导装置的输出表面支持附接到第一层的第一表面。
在本发明另一实施例中，一层透明材料具有输入表面和菲涅耳结构输出表面，后者的脊部形成于功能斜面与提升体斜面之间，至少有些脊部被切成基本上平行于输入表面的平坦部分。
在本发明另一实施例中，一层透镜材料有一输出表面，且带有靠近其边缘的菲涅耳结构部分和基本上非结构的中心部分。
在本发明另一实施例中，第一层具有第一表面，菲涅耳透镜具有菲涅耳结构输出表面。菲涅耳结构输出表面包括功能斜面与提升体斜面，而且一块功能斜面的至少一部分和一部分提升体斜面埋在第一层第一表面中。
上述
发明内容
并不描述本发明的每个示例性实施例或每种实施方法。下面的附图与详述将更具体地说明这些实施例。
附图简述通过下面结合附图对本发明各实施例的详述，可以更全面地理解本发明，其中
图1示出不用准直光学元件的屏照明；图2曲线表示图1屏的中心和边缘的增益与视角的函数关系；图3示出用菲涅耳透镜准直的屏照明；图4表示菲涅耳透镜中产生的叠影；图5A-5F示出本发明不同实施例埋式菲涅耳透镜；图6示出菲涅耳透镜中出现的无效区域；图7A-7C示出本发明诸实施例的平顶菲涅耳透镜；图8曲线对有菲涅耳透镜和无菲涅耳透镜的漫射屏示出屏的中民和边缘增益与视角的函数关系；图9示出整个屏区内的菲涅耳图案；图10示出本发明部分屏上的局部菲涅耳图案；图11A、11B与12示出本发明不同实施例的局部菲涅耳的剖面；图13示出本发明的收视设备；图14A与图14B示出的应用使用了带非均匀焦点分布的菲涅耳透镜的屏；图15A-15D示出不同实施例的有槽菲涅耳透镜，以避免在层叠与透镜制造中加气；和图16示出本发明一实施例的第一表面菲涅耳透镜。
虽然本发明可参照各种更改和替代形式，但是它们的细节由附图的例子示明并作详细描述。然而，应当理解，发明内容并不限于所述的具体实施例。相反地，本发明包括落在所附权项定义的本发明精神与范围内的所有更改、等效物和替代物。
详细描述本发明适用于菲涅耳透镜，且相信特别适用于供背投影屏与监视器使用的菲涅耳透镜。本发明的优点之一是减少了叠影的出现，如果不能完全防止的话。因此，本发明可以改善整个屏上感觉到的亮度均匀性，同时保持图像的质量。
在背投影屏与监视器设计中的诸多因素中，主要的是1)光的有效利用，ii)高分辨率，和iii)小形状因素。期望有高效率，从而可减小光源功率，缓解废热处理问题并降低能源费用。如在高清晰度电视(HDTV)中，现在越来越趋向于更高的分辨率，以向观者提供更鲜明更清楚的图像。而且，一般还希望减小形状因数，如容积、占地面积或重量，尽量使监视器在用户环境中占居更小的空间。在限制小的形状因数的情况下实现大屏幕尺寸，导致了宽角光学系统的应用。宽角光学几何学对屏的光学元件的要求比现有窄角系统的更高。本发明解决了这种对宽角元件的要求，同时能有效地利用光并实现高分辨率操作。本发明从屏中心到屏边缘还能保护和/或提高屏分辨率、亮度和亮度均匀性。
研究一下图1的背投影光学系统100，它有一照射背投影屏104的光源102，光源102与屏104的距离为d，光源102发射光的半角锥形由θ规定，屏104中心到边缘的距离为t。观者肉眼一般中心位于位置106，与屏104的距离为r。屏104边缘的法线与观者肉眼形成的夹角为α。
在屏104边缘，光以θ角入射背面108，而θ相对于屏的法线测得，因而通过屏104正向传播的光以角θ通过屏继续传播。观者只是感受到来自屏104边缘已通过角度θ＋α散射的部分光，所以观光感到屏边缘的亮度减弱了。
该情况在图2中作进一步显示，图2示出以64°视角对屏测得的增益值。换言之，入射到屏背面的准面光束被散射成64°角的锥形，该角度在光强降至最大值一半的诸点测得。测量的增益曲线为以θ＝0°(连续线202)和θ＝20°(虚线204)的角度照射该屏。视角α是光线相对于屏法线的角度。
在中心位置106，观者以零度视角观看屏104的中心，即法向入射。在同一位置106，观者以α屏观看屏边缘。考虑第一种情况，即入射在屏104上的光例如用准直菲涅耳透镜在光源与屏之间不再引导，此时观者从屏104中心看到的光以θ＝0°角入射到屏上，所以应用上面的曲线202。由于观者正直接注视着屏的中心位置，所以视角α＝0°。因此，光在屏中心的增益为0.97，点A。
观者从屏边缘看到的光以θ＝20°角入射在屏上，故应用下面的曲线204。观看以视角α＝-30°观看来自屏边缘的光，即已通知50°(20°＋30°)角散射的光，因而光在屏104边缘的增益为0.51，点13。因此，观者在屏边缘(增益＝0.51)感受的屏亮度比在屏中心(增益＝0.97)要低47％。屏104的亮度的这一大的落差是不希望有的，对观者十分明显。
在一种大大提高屏上感受的亮度均匀性的方法中，在光源102发出的光入射到屏104背面108之前，可用菲涅耳透镜302作再引导，如图3所示。在图示场合中，对入射到屏104的光进行准直。光通过屏104边缘传播的方向平行于通过屏104中心的光，因而观者在位置106从屏边缘感受的光不要求通过θ＋α的角度散射，而只要求以α角度散射。此时，由于所有的光均以θ＝0°角入射在屏104上，所以只要应用上面的曲线202。而且，从屏中心到达观者的光(α＝0°)的增益为0.97。然而，此时从屏边缘到达观者的光(α＝30°)的增益为0.78，点C。因此，当用菲涅耳透镜准直到达屏104的光时，从屏的中心到边缘感受的亮度落差仅约20％。若扰菲涅耳透镜配置成将光在屏边缘弯向观者，还可进一步改进这一数字。
然而，应用菲涅耳透镜引起了附加的难点。例如，菲涅耳透镜一般支承在其边缘周围或其输入表面上，因为菲涅耳透镜输出表示与后接光学元件之间一般都有气隙。在菲涅耳透镜作边缘安装的场合，透镜做得较厚，以便有一定的自支承度，否则透镜会移动或落入与其它元件接触，并且改变系统的光学特性。在菲涅耳透镜支承在其输入表面的场合中，一般将透镜附接于玻璃片一类的透明片。在这两种方法中，菲涅耳透镜或菲涅耳透镜/支承组合件都比较厚。
菲涅耳透镜一般包括至少一个结构表明，每部分结构表面透镜都有一个与透镜成角度的功能表面，以便再引导通过该特定部分的光。相邻的功能表面一般由提升体斜面连接。以剖面观看时，功能表面与提升体斜面通常呈现为有槽结构。这里把功能面与提升体斜面的图案统称为菲涅耳结构。
与菲涅耳透镜有关的一个问题是叠影的生成，该问题参照图4来讨论。输入光线402进入菲涅耳透镜400作为内部光线406，然后在角度面404(也称为功能斜面)上从透镜400出射。通过功能斜面404传播的光线418经再引导形成一次图像。然而，部分内部光线406被功能斜面404反射成反射光线408。部分反射光线408可以经反射离开菲涅耳透镜的入射面410成为反射光线412，反射光线412入射在透镜400的提升斜面414等另一小平面上，并作出射光416输出，出射光线416则形成二次图像。出射光线416形成的叠影可以被观者感受到，损害了呈现给观看一次图案的质量。有效地降低了呈现给观者的图像分辨率。因此，希望减小叠影的作用。
减小叠影作用主要有两种方法。一种方法是将屏平面的一次图像与叠影间的空间间隔减小到检测不出间隔的程度，另一种方法是减小叠影的光量。
叠影相对于一次图像的位移取决于a)菲涅耳透镜的厚度，b)菲涅耳透镜与屏的距离，和c)功能表面的角度。减小a)菲涅耳透镜厚度和b)屏与菲涅耳透镜的间距，或者两者都减小，导致叠影相对于一次图像的位移减小。而且，减小功能表面的角度会导致叠影与一次图像之间间距的缩小。功能表面的角度部分取决于与透镜中心的距离和菲涅耳透镜材料与一次光线418在其中传播的材料的折射率之差。
当屏平面内的叠影与一次图像之间的空间间隔减小到叠影照射出与一次图像一样的像素时，观者就看不出叠影了，此时，屏上的图像分辨率不受菲涅耳透镜影响，同时保持了提高亮度均匀性和光利用率的优点。如在屏具有1024像素的高清晰度电视(HDTV)的场合中，若叠影与一次图像的间距小于约屏宽度的0.098％，就看不出横向的叠影。
在有些情况中，菲涅耳透镜可能支承在玻璃片一类附接于菲涅耳透镜输入面的透明片上，此时，导致产生叠影的反射光线412会明显产生反射而离开透明片表面而不是菲涅耳透镜的输入表面由于折射率相匹配，菲涅耳透镜与透明片界面的反射很小。在此情况下，叠影与一次图像的间距不仅取决于菲涅耳透镜的厚度，还依赖于透明片的厚度。
以前减小叠影亮度的方法包括在菲涅耳结构的提升斜面414上淀积一吸收料层，但难以不让吸收涂层扩散到邻近的功能表面。另一方法是使提升斜面414高度散射，从而使通过提升斜面414出射的光416高度散射，由此减小叠影亮度。同样地，难以做以既使提升斜面414高度散射又不仅功能表面产生不利影响。此外，该方法未消除叠影416，而是将其散射，结果降低了分辨率。
菲涅耳透镜400的输入面410可以例如作无光光洁处理，以减少镜面反射成反射光线412的光量。然而，该方法会减少进入菲涅耳透镜的光量，或会散射光，从而分辨率。输入面410和/或功能面404还可用防反层处理，以减少反射成光线412的光量。然而，该方法的应用有限，因为防反层的带宽和有效锥角有限，其外面的反射未明显减小。因此，由于输入面410和/或功能面404上的防反射必须在宽范围的波长与入射角工作，所以防反层并非是减小叠影亮度的好方法。
要着重指出的是，为了减少输入面410与屏使用的光学系统(如旋转镜)互作用产生的镜面反射造成的叠影，也可对菲涅耳透镜400的输入面410作适度的无光光洁或防反涂覆。
减小叠影亮度的另一种方法是在菲涅耳透镜自身内部形成某种光互作用，通过对菲涅耳透镜加载互作用粒子422而减少叠影。图4示出，一次图像418中的光只通过菲涅耳透镜400传播一段短距离，而叠影中的光416在菲涅耳透镜内传播长得多的距离。如果设置在菲涅耳透镜400内的光互作用粒子422有散射粒子，则反射光束408与412中的光就有很高机率被散射(如散射光线420)后呈现为叠影418。另一方面，一次图像中的光418被散射的机率就较小。再者，由于叠影416在菲涅耳透镜400内具有较长的路径，所以叠影与反射光束408和412散射的光一般有较大间距。因此，由于散射明显，叠影416就看不清楚，而且一次图像418分辨率仅稍有降低。菲涅耳透镜内的散射度经选择，既能减少叠影，又可保持一次图像。
在另一方面中，设置在菲涅耳透镜400内的光互作用粒子422可以是吸收粒子，此时由于叠影中的光416在菲涅耳透镜400内的路径很长，所以被吸收的机率很高。另一方面，一次图像中光418被吸收的机率较小。因此，叠影416因其大部分光已被吸收而变成看不清楚，一次图像418的亮度减小得很少，并不影响分辨率。菲涅耳透镜400内的吸收度经选择，可减少叠影416，并保持一次图像418。应当相白，光互作用粒子422可以包括吸收与散射粒子的混合物。
在本发明一实施例中，减小菲涅耳透镜的厚度，导致叠影与一次图像间距的减小。本发明中，薄的菲涅耳透镜经附接于菲涅耳透镜外侧上的光学层而得以支承。将菲涅耳透镜支承在其外侧的光学层上还缩小了透镜与光学层的间距，进一步减小了叠影与一次图像的间距。
薄菲涅耳透镜的具体支承方法示于图5A-5C，图中示出不同实施例的“埋”式菲涅耳透镜，至有一部分菲涅耳透镜埋在屏中。
先看图5A的实施例，屏500由支承层504与菲涅耳透镜502形成，菲涅耳透镜502的菲涅耳结构506完全埋入支承层504，后者可以是漫射屏膜。然而，不要求支承层504也是漫射膜，并不想把本发明限制成这样。支承层可以是另一类合适的弥散屏、表面漫射屏、全息漫射或微细结构漫射屏，不再一一列举。
图5D示出一例包括珠状屏的支承层，如美国专利申请连续号09/192,118描述的那样，该专利结合在此作参照。屏560包括埋入第一透明层564的菲涅耳透镜562，透明层564的折射率比菲涅耳透镜562低。一层折射珠566设置在第一透明层564与第二透明层568之间。珠566埋入一层吸收材料570，防止光通过珠之间的空隙。珠566的上表面接收来自菲涅耳透镜562的光572，光572经珠566聚集，在通过屏560后发散。
图5E示出一例具有表面漫射屏的屏580。屏580包括埋入第一透明层584的菲涅耳透镜582，透明层584的折射率比菲涅耳透镜582低。透明层584层迭于折射率与其不同的表面漫射体586。光通过菲涅耳透镜582，经再引导，通过第一透明层584，再通过表面漫射体586；当光通过表面漫射体586的漫射表面588时，通常会散射。该例中，透明层层迭于表面漫射体586的漫射表面588，而漫射表面588可以例如是图示的全息漫射表面，或是任意或微细结构表面。漫射表面588还可以位于表面漫射体586的输出表面上而不是输入表面上。此外，表面漫射体还可加载散射粒子以提供附加的大量漫射。
菲涅耳结构的功能表面的再引导作用取决于菲涅耳透镜材料与再引导光线从中传播的材料的折射率差。在菲涅耳结构处于空气中的常规菲涅耳透镜中，由于再引导光线从菲涅耳透镜射入空气，所以折射率差很大。在埋式菲涅耳透镜的情况中，折射率减小了，因为支承层504的折射率比空气大。一般而言，扩大菲涅耳透镜502与支承层504的折射率之差是有利的。菲涅耳透镜502可应用的材料包括聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧丙烯酸盐与改型丙烯酸盐，或其它适用材料，如载有精细高折射率无机粒子的树脂。可用于支承层504的材料包括含氟聚合物和丙烯酸物，如聚氟乙烯、乙酸纤维、三乙酸纤维或乙酸丁酸纤维。菲涅耳结构506基于透镜502与支承层504的折射率差而设计，使光线508与510从定位成与菲涅耳透镜502源有一设计距离的照明源进入菲涅耳透镜502，以平行方向从菲涅耳透镜502射入支承层504。
菲涅耳透镜只需将光层向观看者有好处，且无须对光准直。但在有些场合中，最好作准直，以使屏的全特性最佳。因此，在描述本发明时，应用再引导这一术语应被理解为包括通过菲涅耳透镜将光再引导以更有利于观者。这包括对光再引导，让光束从菲涅耳透镜发散；使光平行或准直，使发射的光束既不发散也不会聚；对光再引导，使它会聚于菲涅耳透镜后面的某一点。该范围的可能性可以视为将光弯曲，让它从菲涅耳透镜以一个或多个角度出射，这些角度可在连续的角度范围内选择，从光从透镜发散时的极少改向到光从透镜会聚时的大量改向。
应当明白，在整个透镜宽度，不要求菲涅耳结构的焦距为恒定。例如，菲涅耳透镜的焦距由透镜中心的高值减小到透镜边缘的低值。在这一结构中，中心部分的光只受透镜影响，而透镜边缘的光通过大角度再引导。另外，焦距分布，即与通过透镜的位置比较的焦距值不要求呈对称，可以不对称，将光导向屏的一个边缘。如在屏1400安装得靠近墙1402而观看1404远离墙1402的情况下(图14A所示)，这是有利的。在屏1410位于屏阵列1412边缘，而且希望将光导向相对于屏阵列1412居中的观者1414时也是有利的。
可以用几种不同的方法制作屏500。菲涅耳透镜502可用一种或几种不同的方法形成，包括但不限于模压、挤压、浇铸与固化、压模与注模。形成了菲涅耳透镜502后，可用若干涂覆技术之一形成支承层504，如可将支承层504的聚合材料浇到菲涅耳结构上，将在其上刮涂的材料填入菲涅耳结构的槽中。然后，可对聚合材料作例如固化、干燥或冷却处理，制成永久性支承层504。本发明不作限制，聚合材料可以是紫外线固化、基于溶剂、无溶剂、可干燥或热塑性材料。可以应用的其它涂覆技术包括滚压、浸渍、印模涂覆、自旋和喷涂。
显然，接着可作补充加工，先形成支承层504，在一个表面上完成菲涅耳结构，此时可用模压、挤压、浇铸与固化、压模与注模等某种工艺形成支承层504。然后，用上述的某种涂覆技术在支承层504的顶部形成菲涅耳层。支承层504上的互补表面可作为模具来形成菲涅耳透镜。
埋式菲涅耳屏的另一种制作方法示于图5B，屏520包括附接于中央层526的菲涅耳透镜522，支承层524附接于中央层526的另一侧。本实施例中，中央层526用折射率比菲涅耳透镜522低的材料形成，例如可以是一种粘层，如压敏粘剂、异八丙烯酸盐—丙烯酸共聚物或热塑性热熔粘剂。三种层结构可通过过层压、热成形、压缩模或超声、射频焊接等组装。
各实施例在设计菲涅耳透镜506与522时，显然已考虑了光从菲涅耳透镜502或522分别传入相邻层504与526时的折射率变化，因而菲涅耳透镜的设计不必与工作于空气中的菲涅耳透镜的设计一样，然而，菲湿耳槽结构506与528被设计成基本上将光引导成通过菲涅耳透镜502与522以优选的方向传播，可以包括准直。
埋式菲涅耳透镜的另一种方法示于图5C，屏540包括附接于中央层546的菲涅耳透镜542，支承层544附接于中央层546的另一侧，菲涅耳透镜542的菲涅耳结构548部分埋入中央层546，在菲涅耳结构548的功能斜面522与中央层546之间留有气隙550。形成这种屏540时，例如可将支承层544涂一薄层粘剂以形成中央层546，然后通过粘剂中央层546压制菲涅耳透镜542，接着如用紫外线固化、加热、冷却、干燥等方向处理屏540，使中央层546固定。该实施例的优点在于可对薄菲涅耳透镜配置支承，但仍保持透镜与空气有很大的折射率差。支承层544可以是一种漫射层。
埋式菲涅耳透镜的另一种方法示于图5F。屏1560包括附接于中央层1566的菲涅耳透镜1562，支承层1654附接于中央层1566的另一侧，菲涅耳透镜1562的输出表面1568有一包括提升斜面1572与功能斜面1574的菲涅耳结构1570。菲涅耳结构1570相邻功能与提升斜面1572和1574之间的峰1576不一定是图5C所示的直角三角形截面，部分功能斜面埋入中央层1546。此时，峰1576的埋入部分1578具有不同的截面形状。图示的埋入部分，截面为方形或矩形，也可采用其它截面。埋入部分1578的优点在于，当峰1576通过中央层1546推动时，比图5C的结构很少受损。
埋入部分1578可以对应于菲涅耳结构1570更靠近透镜1562更大的无效或不用的部分。在一种方法中，埋入部分1578可能比透镜1562的中心更大地靠近边缘，较小的埋入部分1580更靠近透镜1562的中心。另外，透镜1562的中心部分可以设置埋入部分1580，尽管对应的功能斜面无无效部分。透镜1562中心的埋入部分1580不一定明显影响透镜1562的再引导能力，因为通过透镜1562的中心部分传播的光一般比通过透镜1562的边缘传播的光更少要求再引导。
显然，图5C与5F的部分埋式菲涅耳透镜542与1562也可用部分直接埋入各支承层544与1564而不是部分埋入中央层的菲涅耳透镜形成。
埋式菲涅耳透镜法使菲涅耳透镜做得极薄，如不到0.010英寸厚，大大缩小了菲涅耳透镜形成的一次图像与叠影的间距。
将菲涅耳透镜装到支承层的另一种方法用图6和7来描述。该法称为“平顶”菲涅耳，其基础参照图6来说明。图中示出部分菲涅耳透镜640和入射至菲涅耳透镜600的输入面606的两条光线602与604，每条光线602与604一进入菲涅耳透镜600就折射而分别产生内部光线602A与604A，后二者入射在功能表面608上，通过时发生折射，产生再引导的光线602Bgn 604B。
功能表面608的一部分608A在光学上保持不使用，因为它位于相邻提升体斜面610的阴影中。因此，配有无效部分608A的标为ABC的三角形材料部分不用来再引导通过菲涅耳透镜640的光。该三角形材料部分ABC可从菲涅耳透镜640中除去，以便沿直线AB产生一平坦表面612，而表面612可用于将菲涅耳透镜640附接于支承膜。
配用平顶菲涅耳透镜的屏700示于图7A，它由同支承层704接触的菲涅耳透镜702构成，支承层704例如可以是漫射屏。菲涅耳透镜702的菲涅耳结构706具有切平的尖端708与709，且各自具有附接于支承层704的平坦表面710与712。外尖端708的平坦表面712的宽度通常大于内尖端708的平坦区710的宽度，因为菲涅耳透镜上入射光的角度朝向透镜边缘更大，从而在边缘形成更大的“阴影”区域，该区域可以除去以形成平坦接触表面。
平顶菲涅耳透镜700的优点在于提供了基本上平坦的区域，可将菲涅耳透镜702附接于支承层704，由此支承了薄菲涅耳透镜。平顶设计还在菲涅耳结构706的有效部分与支承屏704之间保持一气隙，在设计菲涅耳结构时，让透镜设计者可以依靠大的折射率差。较大的折射率差可以缩小菲涅耳结构706的功能部分的角度，提高菲涅耳透镜的可制造性。此外，从制造的观点出发，在组装屏时粘剂流入菲涅耳透镜槽内的可能性很小，而应用切平的尖端减少了损坏菲涅耳透镜尖端的机会。还有，叠影与一次图像之间的间距若不能消除的话，可以大大缩小，因为菲涅耳透镜非常靠近支承层，而且菲涅耳透镜可以做得很簿，如只有0.010英寸或更薄。
平顶菲涅耳透镜702的另一优点是，切平的尖端708和709即使不直接接触第二层704a，仍让菲涅耳结构更接近第二层704a，如图7B所示。在透镜702与第二层704a之间紧密靠近，如漫射体之类的弥散屏，减小了叠影与一次图像的间距，此时透镜702可以整齐地位于周边框架内。
另一例使用平顶菲涅耳透镜的屏示于图7C。屏750包括附接于珠屏754的平顶菲涅耳透镜752，珠屏754具有上透明层756、珠层758和下透明层760。不透明层762防止光通过珠758之间的空隙，还可防止环境光从屏750前方反射。正如美国专利申请09/192,118所讨论的，改变珠758与上透镜层756的折射率差，可调节屏的增益。将平顶菲涅耳透镜752与珠屏754一起使用的优点在于，通过菲涅耳透镜752的光可进入菲涅耳透镜752与上透旬层756之间的气隙764，因此可调节上透明层756的折射率而产生期望的屏增益，不会影响菲涅耳透镜752的再引导或准直作用。
图8示出，使用平板菲涅耳屏可改进整个屏的亮度均匀性，表明增益是视角的函数。曲线802与804对应于单纯漫射屏的增益曲线，曾在图2中示出。上面曲线802示出以θ＝0°角入射在屏上的光的增益，而下面曲线804表示屏边缘上入射光的增益。对于屏中心的法向入射观察，中心的增益(0°视角)为0.97，点D。屏边缘的增益(-30°视角)为0.51，点E。
屏的亮度明显地更均匀，包括平顶菲涅耳透镜、曲线806与808。屏中心测得的增益用实曲线806表示，屏边缘测得的增益用点曲线808代表。实曲线806紧紧跟随菲涅耳准直屏802的理想曲线，只是增益的小损耗是由平顶菲涅耳透镜引入的反射损耗造成。观者在带平顶菲涅耳透镜的屏的中心看到的增益(视角＝0°)为0.91，点F，而屏边缘的增益(视角-30°)为0.70，点G。因此，带平顶菲涅耳透镜屏从中心到边缘的亮度跌落约23％。对于曲线802的理想屏，从中心到边缘的亮度落差约20％，十分接近带平顶菲涅耳透镜屏的23％的值。所以平顶菲涅耳透镜屏准直来自光源的光并使屏亮度变均匀是有效的。与弥散屏不同的是，平顶菲涅耳透镜没有附加支承，可做得薄得足以让观者看不清叠影。
要注意，图5C埋式菲涅耳透镜实施例中的菲涅耳透镜542可以埋入中央层546，其深度可埋置菲涅耳结构在光学上无效的部分，而功能斜面552在光学上有效的部分550则暴露于气隙。这种设计可让菲涅耳透镜542以菲涅耳透镜与空气之间很大的折射率差工作，同时保持了支承层的支承作用，还使薄菲涅耳透镜保持接近于支承层以减少叠影的出现。
在支承层上支承菲涅耳透镜的另一种方法示于图9-12，该法称为“局部菲涅耳”。
有菲涅耳透镜的屏一般具有覆盖整个屏的菲涅耳结构，如图9所示，屏900由菲涅耳透镜902与支承层904组成，菲涅耳透镜902上的菲涅耳结构906覆盖了整个屏900表面。
一种制作屏900的方法是将菲涅耳透镜902加到支承层904上，但将菲涅耳透镜加到支承层904上有一定难处，如在膜相互层迭时，菲涅耳透镜902的径向槽结构906会引起加气，导致观者看得清的粉饰缺陷。因此，在不需要菲涅耳结构的地方最好避免有菲涅耳结构。具体而言，根据对图8的讨论，显然最希望在侧缘处作再引导，尤其在整个屏宽度和屏四角，以增大这些区域所感受的亮度，需要时，在屏中心略作再引导。
因此，屏可以包括一块菲涅耳透镜，只在要求再引导的那些屏部分(如边缘与四角)具有菲涅耳结构。这种方法示于图10，屏1000在其边缘与四角配有菲涅耳图案1002，其中心部分1004无任何菲涅耳结构，因为这部分难得再引导光。该实施例的优点是可以减少制作时因加气等造成的缺陷，由此提高了合格屏的成品率。另外，由于在中心部分消除了空气面，且入射角很小，所以减小了反射损失，可提高菲涅耳透镜中心部分的增益。
局部菲涅耳透镜的一种具体实施方法示于图11A，图示的屏剖面使用附接于支承层1104的菲涅耳膜1102，该膜的中心部分1106无菲涅耳结构，此时基本上呈平坦状。菲涅耳膜1102的边缘配有菲涅耳槽结构1108，用于再引导通过屏1100边缘1114的光。
这里的术语“附接”用于描述将菲涅耳透镜与支承层联接的任一方法，如粘接(带或不带粘层)、层迭、热层迭、熔融，或者超声或射频接合或焊接等。
在该特定实施例中，菲涅耳透镜1102也是一种平顶透镜，菲涅耳结构的尖端具有平坦表面110，用于接触支承层1104。
在图11B所示的另一实施例1120中，菲涅耳透镜1122包括具有平坦中心部分1126的输出面1124。透镜1122边缘的菲涅耳结构1128具有由功能与提升体斜面形成的尖端1130。平坦中心部分1126的高度选成基本上与尖端1180一样高，使尖端1130紧密接触支承层1104的表面1132。
同样包括埋式结构的局部菲涅耳结构的另一种方法示于图12。屏1200的菲涅耳透镜1202埋入支承层1204，菲涅耳透镜1202的中心区域1206无菲涅耳结构且附接于支承层1204。埋入支承层1204的菲涅耳透镜1202边缘有一菲涅耳结构1208，支承层1204的折射率小于菲涅耳膜1202的折射率。菲涅耳结构1208设计成再引导从菲涅耳膜1202进入支承层1204的光。
显然，其它组合方法也可用于制作配支承的薄菲涅耳透镜的屏，如可将平顶菲涅耳结构埋入具有全菲涅耳图案或局部菲涅耳图案的支承层。另外，可将部分菲涅耳透镜部分地埋入支承层或心层。这些仅是其它方法的例子，并不用以限制本发明。
在菲涅耳透镜层迭到屏上时减少俘气泡的另一种方法示于图15A-15D。在该方法中，菲涅耳透镜1500具有完整的菲涅耳结构1502，穿过菲涅耳结构1502切割的排气槽1504，在透镜层迭到其支承层或在制作菲涅耳结构时，可让空气从菲涅耳结构的一个谷底通到另一个谷底。排气槽1504可按不同方式穿过菲涅耳结构1502切割。图15A示出排气槽1504的部分径向图案，可在沿基本上平行于箭头的方向作层迭加工时使用。图15B示出排气槽1504的整个径向图案。
排气槽1504的部分直线图案示于图15C，其全部直线图案示于图15D。当以各箭头方向(即基本上平行于槽1504)作层迭或菲涅耳透镜制作时，可使用此类直线图案。
排气槽1504不一定是端直的，只要将空气排放成从菲涅耳结构的一个谷底流向另一谷底，可以采用其它形状。方法示于图15A-15D。在该方法中，菲涅耳透镜1500具有完整的菲涅耳结构1502。穿过菲涅耳结构1502切割的排气槽1504，在透镜层迭到其支承层或在制作菲涅耳透镜时，可让空气从菲涅耳结构的一个谷底通到另一个谷底。排气槽1504可按不同方式穿过菲涅耳结构1502切割。图15A示出排气槽1504的部分径向图案，可在沿基本上平行于箭头的方向作层迭加工时使用。图15B示出排气槽1504的整个径向图案。
排气槽1504的部分直线图案示于图15C，其全部直线图案示于图15D。当以各箭头方向(即基本上平行于槽1504)作层迭或菲涅耳透镜制作时，可使用此类直线图案。
排气槽1504不一定是端直的，只要将空气排放成从的一个各底流向另一谷底，可以采用其它形状。
减小叠影作用的另一菲涅耳屏实施例示于图16。屏1600有一块正面菲涅耳透镜1602，通过例如层迭法附接于弥散层1604，而后者可附接于基板层1606作支承。该屏的优点是菲涅耳表面1608与弥散层1604间的“接合区”(即菲涅耳透镜1602在弥散层1604的表面与提升体斜面1612同功能斜面1614之间槽底面1610之间的厚度)可以极小，这样就缩小了叠影与一次图像的间距。
图13示出的投影系统使用了配薄菲涅耳透镜的屏。投影系统1300的光投射器1302有一产生光束1305的光源1304(l.s.)，光束1305在照射反射偏振器1308(如PCT公报WO96/19347描述的反射偏振片)之前，可通过光束处理光学元件1306传播。某些偏振光被偏振分束器1308反射到LCD阵列1310，后者将光向偏振分束器1308回射，并将偏振旋转约90°，对入射在其上的光束1309作空间调制。因此，偏振器1308将光束1311经LCD阵列1310反射且其偏振被阵列1310转过的那些部分作为光束1313而发射。光束1313在照射屏1314之前可以通过传输光学元件1312，元件1312可以包括例如投影透镜和/或偏振器以整理屏1314上的图像。屏1314包括后接弥散屏1318的菲涅耳透镜1316。如上所述，弥散屏可以是整体弥散体、表面弥散体、珠屏等。屏1314可以是上述的任一实施例或其组合形式，其中将薄菲涅耳透镜1316支承在弥散屏1318上。观者在位置1320可看到屏1314的光。
图13不显示任何光束的横向内容，而是提出各光束的中心光线。光束的横向内容至少部分决定于投影系统1300所采用的具体光束处理光学元件1306和传输光学元件1312。投影系统1300可以包括缩小系统深度的一块或多块折叠镜。当对规定尺寸的屏将系统的形状因数做得更小时，就增大了光沿光源与并之间光路的发散作用，这通常更加要求在屏上增设菲涅耳透镜一类的再引导透镜，以保持亮度均匀性和光有效利用。
很明显，投影系统不必像图示那样严密地配置，如可将传输光学元件置于偏振器1308与LCD阵列1310之间，或者将传输光学元件1312置于偏振器1308与并1314之间。此外，投影系统可用传输性LCD显示器配置而不用反射性LCD显示器。
应该明白，上述诸实施例用于示例目的，诸实施例的某些特征可以改变而不影响本发明，如菲涅耳透镜不一定有圆形菲涅耳图案，可以具有直线形菲涅耳图案以便沿一根轴线再引导光，或者也可以是二维的菲涅耳图案，沿两根轴线再引导光。
如上所述，本发明适用于配菲涅耳透镜的显示系统，深信特别有利于减小背投影显示器与屏的叠影作用。应用本发明的菲涅耳透镜，可减小屏的形状因数，提高光利用率，同时减少叠影而实现高分辨率操作。因此，不应理解成本发明限于上述诸具体例子，而应理解为包括所附权项适当提出的本发明的所有方面。对于接受本说明书指导的本发明内容的本领域技术人员而言，显然明白对本发明的各种更改、等效加工和各种适用的结构。所附权项意在包括这类更改和装置。
权利要求
1.一种屏，其特征在于包括具有输出表面的菲涅耳透镜，至少部分输出表面包括一种菲涅耳结构；和第一光学层，其第一表面支承附接于菲涅耳透镜的输出表面。
2.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜有一输入表面，菲涅耳结构包括定位成从输入表面通过菲涅耳透镜的光被各相邻提升体斜面遮蔽的无效部分，无效部分与第一层的第一表面接触。
3.如权利要求2所述的屏，其特征在于无效部分的平坦表面基本上与第一层的第一表面平行接触。
4.如权利要求2所述的屏，其特征在于无效部分包括形成在功能斜面与各别提升体斜面之间的脊部，而且脊部与第一层的第一表面接触，第一层的第一表面具有符合脊部的形状。
5.如权利要求4所述的屏，其特征在于无效部分具有方形截面形状和矩形截面形状中的一种形状。
6.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳结构包括设置成相对菲涅耳透镜再引导的输出光的方向成一角度的功能斜面和提升体斜面，部分功能斜面和提升体斜面附接于第一层的第一表面，第一层第一表面的形状与附接于第一层的功能和提升体斜面部分相符。
7.如权利要求6所述的屏，其特征在于功能和提升体斜面的整个区域附接于第一层。
8.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜在一部分接近屏的至少一个边缘的输出表面上包括菲涅耳结构，而输出表面具有附接于第一层第一表面的基本上平坦的中心部分。
9.如权利要求8所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜有一输入表面，而菲涅耳结构包括从输入表面通过菲涅耳膜的光被各自相邻提升体斜面遮蔽的无效部分，无效部分附接于第一层第一表面。
10.如权利要求9所述的屏，其特征在于无效部分的平坦表面基本上与第一层第一表面平行附接。
11.如权利要求8所述的屏，其特征在于菲涅耳结构包括设置成相对菲涅耳透镜再引导的输出光方向成一角度的功能斜面和提升体斜面，部分功能与提升体斜面与第一层第一表面接触，而第一层第一表面的形状与功能和提升体斜面的接触部分相符。
12.如权利要求11所述的屏，其特征在于输出菲涅耳结构表面上的几乎所有菲涅耳结构都会接于第一层第一面。
13.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜的输入表面适合于减小镜面反射作用。
14.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜在其内部设置了散射粒子。
15.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜在其内部设置了吸收粒子。
16.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜的输入表面作过无光光洁。
17.如权利要求1所述的屏，其特征在于第一光学层是漫射屏、双凸透镜屏、球屏、表面漫射屏、全息漫射屏和微细结构漫射屏之一。
18.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳结构具有第一与第二部分，第一与第二部分分别具有第一与第二焦距，且第一焦距不同于第二焦距。
19.如权利要求1所述的屏，其特征在于菲涅耳结构还包括设置成通过折射结构切割的排气槽，以便在将菲涅耳透镜层迭于第一层时能排气。
20.如权利要求1所述的屏，其特征在于还包括一图像投影器，其光源照射菲涅耳透镜的输入表面。
21.一种屏，其特征在于包括具有输入表面的菲涅耳透镜；和在其第一侧支承附接于菲涅耳透镜输出表面的弥散屏。
22.如权利要求21所述的屏，其特征在于弥散屏包括漫射屏、双凸透镜屏、珠屏、表面漫射屏、全息漫射屏与微细结构慢射屏中的至少一种。
23.如权利要求21所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜层迭到弥散屏的输出表面包括菲涅耳结构表面。
24.如权利要求23所述的屏，其特征在于输出表面还包括穿过菲涅耳结构表面脊部的排气槽。
25.如权利要求21所述的屏，其特征在于菲涅耳透镜在相对输出表面的输入表面上包括一菲涅耳结构。
26.一种屏，其特征在于包括具有第一表面的第一层；再引导装置，用于再引导通过屏的光且具有菲涅耳结构输出表面；和在第一层和再引导装置至少之一上的附接装置，用于将再引导装置的输出表面支承附接于第一层第一表面。
27.如权利要求26所述的屏，其特征在于还包括图像投影装置，以将图像投影到再引导装置的输入表面上。
28.一种菲涅耳透镜，其特征在于包括一层具有输入表面和菲涅耳结构输出表面的透明材料，输出表面具有形成在功能斜面与提升体斜面之间的脊部，至少有些脊部被切成基本上平行于输入表面的平坦部分。
29.如权利要求28所述的屏，其特征在于平坦部分设置在预选成被相邻提升体斜面遮蔽的位置。
30.如权利要求28所述的屏，其特征在于平坦部分的宽度随与输出表面中心的距离增大而增大。
31.如权利要求28所述的屏，其特征在于还包括与菲涅耳结构输出表面平行且紧密接近的弥散层。
32.一种菲涅耳透镜，其特征在于包括一层具有输出表面和基本上非结构性中心部分的透明材料，输出表面的菲涅耳结构部分接近其边缘。
33.如权利要求32所述的菲涅耳透镜，其特征在于输出表面设置的菲涅耳结构部分围绕输出表面的中心轴线对称定位。
34.一种菲涅耳屏，其特征在于包括具有第一表面的第一层；和具有菲涅耳结构输出表面的菲涅耳透镜，菲涅耳结构输出表面包括功能斜面与提升体斜面，至少一部分一个功能斜面和一部分提升体斜面埋入第一层第一表面。
35.如权利要求34所述的菲涅耳屏，其特征在于功能与提升体斜面至少部分地埋入第一层第一表面。
36.如权利要求34所述的菲涅耳屏，其特征在于还包括在脊部中由功能斜面与相邻提升体斜面形成的排气槽。
37.如权利要求34所述的菲涅耳屏，其特征在于各功能与提升体斜面的整个区域都埋在第一层第一表面内。
38.如权利要求34所述的菲涅耳屏，其特征在于功能与提升体斜面埋在第一层第一表面内，其深度仅将在功能与提升体斜面间形成的脊部的遮蔽部分埋在第一层第一表面内。
39.一种菲涅耳透镜，其特征在于包括具有输入与输出表面的光发射层，至少一部分输出表面包括菲涅耳结构；和设置在光发射层内的光互作用粒子。
40.如权利要求39所述的菲涅耳透镜，其特征在于光互作用粒子是光吸收粒子。
41.如权利要求39所述的菲涅耳透镜，其特征在于光互作用粒子是光散射粒子。
全文摘要
本发明是一种诸如应用于背光照投影屏的屏,具有层迭于另一支承层的菲涅耳透镜。该屏包括一具有输出表面的菲涅耳透镜和一在第一侧支承附接于菲涅耳透镜输出表面的弥散屏。
文档编号G02B5/02GK1333885SQ99815576
公开日2002年1月30日 申请日期1999年5月7日 优先权日1999年1月13日
发明者D·W·享南, R·S·莫斯莱芙扎代, J·C·内尔森, S·M·塔皮奥, P·A·托马斯 申请人:3M创新有限公司