利用内反射的背投式屏幕及其制造技术

专利名称：利用内反射的背投式屏幕及其制造技术
技术领域：
本发明一般针对背投式屏幕，尤其针对结合全内反射结构使通过该屏幕的光色散(disperse)的背投式屏幕。
背景技术：
背投式屏幕通常被设计成把投射到屏幕背后的图像发射到观看空间里。投影系统的观看空间可能相当大(如背投电视)或相当小(如背投数据监视器)。背投式屏幕的性能可用各种屏幕特性来描绘。描述屏幕性能的典型屏幕特性包括增益、视角、分辨率、对比度、存在不希望有的色彩和斑点等人为因素，等等。一般希望背投式屏幕具有高分辨率、高对比度和大增益，还希望该屏幕在很大的观看空间内散布光。遗憾的是，一个屏幕特性提高了，另一个或另几个屏幕特性往往会劣化。例如，为了适应相对屏幕位于宽广位置范围内的观众，可以改变水平视角。然而，增大水平视角也会导致垂直视角增大得超过该特定应用所必需的程度，从而减小了整个屏幕增益。因此，为了制造一种对特定背投显示应用具有全面可接受性能的屏幕，要对屏幕特性与性能作若干折衷。
这样，要求屏幕既具有改进的全面性能，同时又能满足使用该屏幕的背投显示应用场合所必需的最低性能标准。

发明内容
本发明一般涉及背投式屏幕的光色散膜及其制造方法。该膜通过使光反射离开膜内的反射表面，而使通过该膜的光发生色散。反射表面形成在膜内的结构表面上。
在一特定实施例中，光色散膜包括由第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率。该结构在第二侧具有底部(base)，一个或多个侧壁向第一侧延伸。第一内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。第一内反射表面形成通过各光学发射区不对称地使光色散的反射单元。第一反射表面形成相对于第一光轴位于至少两个角度的表面。
在另一特定实施例中，该光色散膜包括由第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率。该结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸。第一内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。第一内反射表面形成使光通过各光学发射区不对称地色散的反射单元。第一反射表面设置成将光反射到一色散平面内的选定方向。
在另一特定实施例中，该光色散膜包括由第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率。该结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸。第一内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。第一反射表面形成相对于光轴位于两个或多个角度的表面。第一反射表面反射的所有光都在介质-介质界面上反射。
在另一特定实施例中，一种用于背投式屏幕的膜包括具有第一基片层侧的基片层。如此设置由第一折射率的第一材料形成的结构，从而将结构的底部做在第一基片层侧上。结构的侧壁沿远离基片的方向延伸。结构的底部用吸光材料形成。在结构的底部之间的第一基片层侧规定了透明区(clear area)。在结构与第一基片层侧的透明区上设置一由第二材料形成的覆盖层，该第二材料的第二折射率大于第一折射率。覆盖层与侧壁之间的界面形成内反射表面，使光在覆盖层内沿基本上与基片垂直的方向朝该基片传播。
在另一特定实施例中，背投式屏幕的光色散膜包括由第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的光轴。第一层包括用第二材料形成的结构，此第二材料具有小于第一折射率的第二折射率。结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸以限定第一反射表面。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。设置块状漫射体使光通过第二侧的光学发射区色散。
在另一特定实施例中，背投式屏幕的光色散膜包括第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括由第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，结构在第二侧具有底部，至少两个侧壁向第一侧延伸。内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。至少一个结构具有置于某一角度的两个侧壁中的至少一个侧壁，所述角度选成平行于从位于第一光轴上的图像光源通过该膜的发散光。
在光色散膜的另一特定实施例中，该膜包括具有相对的第一与第二侧的第一膜，第一膜的第一折射率在第一折射率范围内。第一膜包括用一结构材料形成的结构，该结构材料具有小于第一折射率范围的第二折射率。结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸。第一内反射表面由结构材料与第一膜的材料之间的界面形成。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。第一膜接近第一侧的第一折射率不同于第一膜接近第二侧的第一折射率。
在另一特定实施例中，该光色散膜包括由第一折射率的第一材料形成的第一层，第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括由第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率。结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸。在第一与第二材料之间的至少部分侧壁上设有金属涂层，以形成第一反射表面。结构的底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发射区限定在结构的底部之间。第一反射表面形成的反射单元使光通过各光学发射区不对称地色散。第一材料内设置一块状漫射体，使光通过第二侧的光学发射区色散。
一种制造光学膜的具体方法包括在基片上浇铸和固化结构，这些结构用第一折射率的第一材料形成，且具有基片上的吸光底部，敞开的基片区限定在基片上相邻的结构之间。该方法还包括用第二材料涂布结构和敞开的基片区，第二材料具有大于第一折射率的第二折射率，以在第一与第二材料之间的界面形成反射表面。该反射表面用于反射光，使光通过第二材料基片沿基本上平行于该膜光轴的方向向敞开的基片区传播。
形成光学膜的另一具体方法包括在具有第一折射率的第一材料的膜的第一侧上形成槽，第一侧的敞开区在槽之间。该方法还包括在第一侧的敞开区上形成光学散射体，用具有小于第一折射率的第二折射率的第二材料填充这些槽，第二材料吸光。
形成光学膜的还有一种具体方法包括在基片上浇铸和固化结构，这些结构用第一材料形成，并具有基片上的吸光底部，敞开基片区限定在基片上相邻的结构之间。该方法还包括在至少部分结构上设置一金属层以形成反射表面，並用第二材料涂布该金属层和敞开的基片区。设置的反射表面用于反射光，使光通过第二材料基片沿基本上平行于该膜光轴的方向朝敞开基片区传播。
上述的发明内容並不描述本发明的每个示例实施例或每种实施方法。附图和下面的详细描述将更具体地说明这些实施例。
附图概述通过以下结合附图对本发明各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中

图1示出一背投显示器；图2A与2B示出背投显示器具体实施例的剖视图；图3示出光学增益与视角(垂直与水平视角)的关系曲线；图4A与4B示出光色散屏幕的一个实施例；图5A与5B示出不同的光色散层；图5C示出部分制作的光色散层；图6A与6B分别示出图6A中光色散层的增益分布曲线；图7A与7B示出本发明一实施例中具有曲面反射结构的光色散层；图8A与8B示出本发明一实施例中有小平面的反射结构的光色散层实施例；图9和10示出本发明不同的光色散层实施例；图11示出本发明另一光色散层实施例；图12和14示出本发明附加的具有二维光色散的光色散层实施例；图13A与13B示出穿过图12的光色散层的剖面；图15示出本发明一实施例中具有变化折射率的涂层的光色散层实施例；图16示出本发明一实施例中具有散射界面的光色散层的实施例；图17示出本发明一实施例中具有散射表面的光色散层的实施例；图18示出本发明另一光色散层实施例；
图19示出图16实施例中低折射率结构的拓展图；图20A-20B示出本发明制造膜的方法的制造步骤；图21A示出反射结构对杂散光的吸收；图21B示出反射结构对杂散光的再导向；图22示出本发明一实施例中光色散层的实施例，其中设置的折射结构用于折射通过敞开区的光；和图23示出本发明一实施例中形成金属反射膜的方法步骤。
虽然本发明能改成各种修正与替代形式，但是其特例在附图中举例示出，並将作详细描述。然而，应该明白，本发明並不限于所描述的具体实施例。相反地，本发明包括落在所附权项限定的本发明的精神与范围内的所有修改、等效与替代方案。
本发明的较佳实施方式本发明一般适用于多种不同的屏幕组件，尤其适用于背投系统使用的屏幕组件。具体地说，本发明有利地应用于最可能的观众位置是已知的场合本发明可将光线从屏幕的所有部分导向最可能的观众位置，以提高屏幕的亮度均匀性。
参照图1和2描述背投显示器100。显示器包括一把图像投射到屏幕104背侧的图像投影仪102。图像由屏幕104发射，使位于屏幕104外某一点的观众106能看见经屏幕104投影的该图像。背投显示器100可以是例如一台或几台背投电视机，或一台或多台背投计算机监视器，或任何其它背投显示设备。
根据本发明的一个实施例，可在背投显示器100中使用的图像投影仪102是，例如基于液晶显示器的光投影仪或任何其它类型的图像投影仪，把图像投射到屏幕组件104的背面上。背投显示器的尺寸不一，从较小的数据监视器到大屏幕电视与电视墙。投影显示器100还可依赖于其机箱内所迭的图像投影路径，诸如题为“Projecting Images”的欧洲专利申请EP783133所描述的各种投影系统，其内容通过引用包括在这里。从以下描述将会明白，这类系统应用下述各种屏幕组件尤为有利。
现在更详细地描述各种屏幕特性。一个主要的屏幕特性是增益。屏幕的增益代表作为视角函数的屏幕亮度。增益通常用一理想的Lambertian反射体校正，理想Lambertian标准对所有角度的增益都定为1。屏幕(或屏幕单元)的峰值增益对应于某一角度的最高增益，例如，对于通过该屏幕以垂直于屏幕表面的某一角度透射的光，通常观察到以法向入射角从后面照射的块状漫射体屏幕的峰值增益。
另一个重要的屏幕特性是视角。本文使用的屏幕的视角指屏幕增益跌到峰值增益一半时的角度。在许多场合中，该视角对应于最大光度角与透射图像光度跌到最大光度一半的角度之差。最大光度一般发生于沿垂直于屏幕表面的方向透射的光。
背投系统的具体应用场合决定着所需的视角。通过把光线导向观众最可能出现的区域来控制屏幕光度的角度相依性，通常是有利的。例如，在背投显示器为数据监视器的场合中，观众通常相对于该屏幕集中地定位，与屏幕相距1到3英尺以内。观众的眼睛可能高于屏幕中心的法线，但是通常不会从高于屏幕一或二英尺的距离观看该屏幕。另外，出于隐私或保密，可能希望减小从屏幕以相对屏幕的法线为例如30度或更大角度发出的光度，这样就减少了远离屏幕轴线而且或许未获准观看屏幕内容的人看见屏幕上信息的可能性。
背投式屏幕的另一个应用场合是家用电视系统，这时由于观众一般不直接位于电视屏幕正面的位置，所以通常希望以很大的水平角度引导屏幕光度的角度相依性。另一方面，很少有观众从远远高于或低于屏幕的位置观看电视屏幕，因而常常希望减小垂直方向的屏幕视角。相应地，电视机的较佳视角，在垂直方向一般小于水平方向。在某些场合中，光线从电视屏幕的垂直发散最好相对于电视系统的法线向下倾斜，这样可适合例如从地板上看电视的观众。在该例中，由于观众通常不会站着看电视，因此将光线从电视屏幕向上偏移无关紧要。
一个重要的屏幕特性是其避免不希望的色彩或斑点效应的能力。在有些屏幕中，色彩可能被视为屏幕上不同颜色像素状光点的随机图案。这类色彩的人为因素通常由波长相关效应造成，如不同波长以不同方向或不同效率散射的散射效应，结果，不同的色彩可能变得在物理上分开，在投影屏幕的观众一侧可以看到，无光光洁表面等散射表面尤其容易遇到斑点和色彩问题。
由于背投显示器被应用于分辨率要求越来越高的场合，如高清晰度电视，背投式屏幕提供的分辨率变得更重要了。屏幕的分辨率通常定义为在屏幕上投影图像中能予以区分的最细微细节的量度。
现在研究图2A的情况，图像投影仪102产生的图像光线110导向屏幕组件124。屏幕组件124一般包括几个不同的层以控制观众看见的图像，其中包括色散层134和提供支承的玻璃板136。色散层134把通过屏幕某一特定点的光色散或漫射成一锥角，使屏幕这侧的观众能探测到来自该特定点的图像光线。显然，色散层134通常使来自屏幕所有点的光线色散，让观众能看到由图像投影仪102投射到屏幕组件124上的整幅图像。
这里的术语“色散”用于指改变图像光线方向的任何过程，如散射、漫射、折射或反射，或者指任何一种以一个或多个方向产生视角的其它方法。应用该术语并不暗指波长相依特性。术语“色散角”是通过其使光相对于入射方向发生色散，如散射、折射或反射等的角度。色散可能呈对称或各向同性，通常利用块状漫射体得到。色散也可能呈不对称或非各向同性，例如在垂直方向视角与水平方向视角不同的时候。“色散平面”指色散的几何平面，例如，由膜以水平方向色散的光可指在水平色散平面内色散，或以平行于水平色散平面的方向色散。
光线112的同轴光线被色散层134色散而形成2θ视角。来自图像投影仪102的离轴光线110照射屏幕组件124的边缘，与同轴光线112分开α角。当离轴光线110通过该色散层时，它们围绕光线111色散±θ’，而光线111相对于屏幕法线成α角。由于散射现象的细节要依赖于背投式屏幕的其它光学特性，所以角θ’可能等于或可能不等于角θ。
另一个屏幕组件104示于图2B中，其中来自图像投影仪102的光线110在入射到色散层114之前，先由菲涅耳透镜113准直。色散层114支承在可以是玻璃屏幕等的支撑层116上，此时，透射过屏幕104边缘的色散光线围绕垂直于屏幕的光线115而色散。与没有任何菲涅耳透镜的屏幕组件124相比，屏幕组件104的一个优点在于，减小了来自屏幕边缘的光线必须色散才能被同轴的观众探测到的角度。由于色散光的强度一般随角度增大而减小，所以观众在具有菲涅耳透镜的屏幕组件104上看到的图像，通常比不用菲涅耳透镜的情况，具有更均一的屏幕强度。
一例电视屏幕期望的增益特性示于图3。图中示出两条曲线302和304，使增益与视角θ相关，可对电视机使用的屏幕获得。较宽的曲线302示出沿水平方向的作为角度θ的函数的增益G。换言之，曲线302描绘了观众从旁边移离屏幕时所感觉到的屏幕的亮度。水平视角θH是水平色散光的光度跌到最大光度一半的角度。
较窄的曲线304代表增益相对于沿垂直方向观看的屏幕与角度的函数关系。如上所述，在电视应用中，为避免浪费会照射地板与天花板的光，通常希望以相对窄的角度范围垂直地引导来自屏幕的图像。这样，提高了处于期望视区内的观众所感觉到的屏幕亮度。垂直视角θV，即光强为最大光强一半的角度小于水平视角θH。
因此，应该明白，在若干背投显示屏幕应用中，为使垂直视角θV不同于水平视角θH，色散呈不对称。而且，沿一个方向(例如垂直方向)的视角无须绕穿过屏幕的轴对称。例如，将角度增大到高于屏幕轴线比把角度减小到低于屏幕轴线会更迅速地使垂直方向的增益降落，如曲线306所示，在θ＝0度时具有峰值增益，但光向下比向上发散更多。
屏幕性能的一个重要量度是对比度。对比度通常是投影的白图像的光度与投影的黑图像的光度之比，因而数值上的对比度数字取决于光源与成像光学元件。反差比趋于随屏幕亮度增大而增大，投影的黑图像变得更黑。有时，对比度可用系统的动态范围来衡量。动态范围是在无环境光时的对比度量度。当在环境光中使用投影显示器时，屏幕会反射某些环境光，反射的光一般包含镜面反射与漫射两种分量。环境反射会降低屏幕对比度。因此，若屏幕用于有环境光的场合，对比度还依赖于该屏幕吸收环境光的能力尤其希望减少屏幕的环境光反射量。所以，环境光反射量是另一个有效的屏幕性能量度。
美国专利5,768,014讨论了图4A所示的一种光色散方法，应用一种单层屏幕400，其在输入侧的正面菲涅耳透镜接收来自图像光源的光。在该屏幕的出射表面406上设置了若干折射棱镜404，其形状做成等边三角形棱镜，底部与出射表面406齐平。棱镜404内部的吸光材料吸收传入棱镜404的任何光。将棱镜404排列成层410、412和414，棱镜404的位置在每层之间交错。出射表面406在棱镜404之间的透明部分416配有起到表面散射体作用的细微粗糙面。
参照图4B说明屏幕400的工作状况，该图示出穿过屏幕400的截面。来自图像光源的光420入射到菲涅耳透镜402，后者沿传播方向准直该光，于是光向出射表面406传播，有些光穿过棱镜404与块状材料408之间的界面422。选择棱镜顶角θ和棱镜404与块状材料的折射率之差，使光在棱镜表面422向出射表面406的透明部分416作全内反射。光以与表面法线成一角度通过出射表面406传播，并被细微粗糙面作一些散射。经菲涅耳透镜402准直的一些光直接入射到透明部分416，并以光线424所示的法向离开屏幕400传播。这样，棱镜404的全内反射使光沿水平方向色散，而细微粗糙面对垂直与水平两个方向提供各向同性散射。棱镜404的底部向屏幕400的观看表面提供吸光材料，棱镜底部对环境光的吸收提供了屏幕对比度。
美国专利5,768,014留下了若干未解决的屏幕400的问题，一个问题是应用表面散射体。若屏幕400的出射表面不存在各向同性散射，则光只沿三个不同的方向(标为A、B、C)出射，因而屏幕400的水平增益有三个峰值，一个在零度(方向A)，另两个峰值围绕中心峰对称，对应于方向B和C。为了提供相对平滑的水平增益曲线并防止增益分布被这三个峰值控制，细微粗糙面必须有大量散射，即细微粗糙面必须通过相对大的角度散射光。然而，利用表面散射体尤其是具有高度散射作用的表面散射体形成垂直视角具有高度散射作用的表面散射体形成垂直视角并且弄平水平增益分布曲线，会导致观看图像中出现色彩和斑点问题。通过增强散射体的散射程度，可以减少表面散射体造成的色彩和斑点。然而，增强光散射作用而减少色彩和斑点的要求，可能恰恰与产生所需的水平和垂直视角所需的散射量相违背。
应用表面散射体的另一个缺点是，若将膜层迭于另一膜上，则会牺牲散射特性。层迭作用减小了光从高折射率材料传播出来所经历的折射率差，也减弱了散射作用。若该表面散射体是膜用于平滑水平增益分布曲线的唯一机构，这一点尤为重要。因此，应用细微粗糙面会限制屏幕的性能范围。
屏幕400的另一个问题是，若光的内反射不止一次，就会减少通过该膜的透射。因此，相邻的棱镜实现最大透射的间距大得是以使光不被一块以上的棱镜反射。这样，对于最大透射而言，棱镜的间距依赖于所要求的视角若要求更大的水平视角，就要增大棱镜间的间距。然而，增大棱镜间的间距减少了黑区在屏幕上的比率，也降低了屏幕的对比度，所以屏幕对比度并非与屏幕透射或视角无关。
屏幕400的另一个问题是制造膜的方法很复杂，导致制造成本增大。
本发明的一大优点是削弱了膜对应用表面散射体的相依性。因此，本发明可以明显减小内反射造成的增益分布的不均匀性，这样可在水平与垂直方向建立不同的视角，对膜的其它特性并无不利影响。另外，可减少对屏幕对比度的限制，允许增大屏幕对比度而不限制视角或屏幕透射。本发明一实施例的屏幕，设置的内反射表面用来对屏幕400减少上述增益曲线的大峰值，即减小增益分布的不均匀性。本发明允许设计者在色散平面内选择图像光以不同的方向反射。
本发明一特定实施例示于图5A、膜500包括一基片层502，在其一面具有三角形结构504，用于吸光，且折射率较低。结构在其底部由透明区508分开。高折射率材料的层506覆盖着结构504，填满相邻结构504之间的空间。高折射率层506可以装填起块状漫射体的漫射粒子，块状漫射体没有上述那样的细微粗糙面问题。首先，由于块状漫射体结束了光通过屏幕的相干性，所以减少了色彩和斑点问题。其次，由于多次散射现象趋于均衡散射现象的波长相依性，故减少了色彩问题。再次，可把块状漫射体层迭于其它层，对其光色散特性并无不利影响。
结构504可以做成短小结构，在膜中排成交错图案，像图4A所示的图案。也可把结构做成近似在膜整个宽度延伸的肋条，或做成三维结构，将其反射表面排成沿平行于一个以上色用平面的方向反射光。
另一类屏幕层520示于图5B，其中基片502和结构504同第一色散层500中的情况一样。一层块状漫射体522位于结构504之间的谷底，透明区508之上。高折射率材料顶层524位于结构504与块状漫射层522上方。在另一实施例中(未示出)，可将漫射粒子的密度分级，靠近结构顶部很少有漫射，靠近结构的底部则漫射增大。漫射粒子的密度还可分级成靠近结构顶部增大漫射，而靠近结构的底部很少漫射。
色散层500的制造方法是应用浇铸与固化法通过聚碳酸酯基片膜(Bayer制造的DE6-2)把结构504做成肋状结构，以产生图5C所示的粒子。结构504用紫外固化的聚氨酯丙烯酸酯树脂(Photomer6010)形成，该树脂固化到折射率约为1.51。树脂混入的碳黑含量约为1500ppm重量水平。结构形成的节距为100μm各结构604的底部宽度为80μm，透明区608的宽度为20μm。各结构604的顶角(也称为夹角)为30度，高度约150μm。
高折射率层506是应用载珠(bead-loaded)树脂通过平面化形成的，该树脂为紫外固化的溴化丙烯酸酯，掺以固化的折射率为1.59，装有丙烯酸酯-聚苯乙烯珠以提供各向同性漫射。珠的平均直径约5μm，珠折射为1.54。在平面化与固化处理时，装上松开(release)衬垫。做成的物体为图5A所示的色散层500。为了增添不同的各向同性散射量，使用了不同的珠装载量0％，3％、7％和15％(重量)。
在高折射率层506与结构504之间的界面上入射的光大部分作全内反射，因为界面上的入射角大于幅界角θc，θc＝sin-1(nL/nH)，其中nL为结构504的折射率，nH是高折射率层506的折射率。然而，一些吸光粒子可能存在于结构504与高折射率层506之间的界面，阻止了全内反射。因此，结构504与高折射率层506之间界面上的大部分入射光会全内反射，而小部分光不作全内反射，它们可能部分地反射或被吸收。界面反射的光称为内反射。内反射主要由两种介质材料之间的界面引起。
对于在光色散层500输入面上以法向入射角入射的准直光，图6A和6B分别示出了光色散层500的水平与垂直增益。在图6A中，上面的曲线602与604示出水平方向的增益，载珠量为0％。其它曲线606、608和610分别示出载珠量为3％、2％与15％的水平增益。可以看出，对于所有的各向同性散射值，增益在约20度时有一跌落，而在约40度时有一偏离中心的峰值，该峰值由结构504内反射的光造成，该光对应于图4B中沿方向“B”发射的光。在载珠量值很低时，跌落和偏离中心峰值尤为明显，一般不利于屏幕的操作。观众一般喜欢屏幕亮度随着视角从法向入射角增大而连续下降，而不是随着角度增大先下降至低值再重新升高。还发现，色散层600透射的光量并不明显地受到载珠量的影响载珠量为0％的透射大于载珠量为15％时的透射不到10％。
等效的一组垂直增益曲线示于图6B，曲线622、624、626、628与630分别对应于水平增益曲线602、604、606、608与610。随着各向同性散射量的增大，垂直增益减小了，垂直视角增大了，结果，当水平增益曲线处于其最平滑处时，垂直视角最高。显然，色散层500遇到了与屏幕400同样的问题，即为了保证水平增益平坦，必须有高度各向同性散射。然而，由于该屏幕使用块状漫射而不是表面散射，所以该实施例与屏幕400相比，具有减少色彩和斑点和色分离的优点，而且可将它层迭于另一层而不会对其光散射特性产生不利影响。
对于应用内反射结构使光色散的屏幕面言，可用几种方法减少在增益中形成跌落和偏离中心峰值。其中一些方法应用的反射结构，对穿过屏幕的轴线呈现位于一个以上角度的反射表面，例如不同的结构可以有不同的顶角，或者单个结构可以具有水平面的反射表面或曲折的反射表面。
内反射色散层700的一特定实施例示于图7A。用低折射率材料制作的吸光结构704置于基片702表面上。结构704涂布的高折射率层706可以装载漫射珠，沿水平与垂直两个方向提供色散作用。敞开区708位于结构704的底部之间。结构的内反射表面710不是像前述实施例那样笔直，而是弯曲的，因此，不管目前的任何各向同性色散，结构704内反射的光以不同的方向范围通过敞开区708。这与如在图4A中图示的实施例相反，其中内反射的光以单一方向通过透明部分416，造成大的偏离中心增益峰值。
这种情况示于图7B中，该图示出进入两相邻结构704之间谷底的准直光712。本例的结构表面710为抛物面形状，但是这些表面可以使用任何合适的曲面。入射到结构704顶部的光部分以高度掠射角反射，因而通过较小的角度偏移并从基片702以角α1出射。靠近结构704底部714的表面710相对于进入光方向比结构704顶部处于更大的角度，因而在靠近底部714的表面710上入射的光以更大的角度反射，并从基片702以α2＞α1的角度出射。因此，即便不考虑块状漫射体的各向同性色散，内反射光也以某一角度范围从色散层700出射，可以减小偏离中心的增益峰值。来自例如高折射率层706内置的色散珠的各向同性色散作用，可用来使出射光进一步色散。由于曲面710在某一角度范围内使出射光色散，所以减小了漫射体均衡偏离中心峰值并消除跌落所需的色散度，这样很少要求对垂直视角值折衷。
另一特定实施例示于图8A。图中，色散层800用位于基片802表面的吸光内反射结构804形成。相邻结构804之间的谷底填有高折射率材料806，透明区808位于结构804的底部812之间。结构804的内反射表面810包括两个或多个直线部分或水平面，相互处于不同的角度。在该特定示例中，表面810由三个直线部分810a、810b与810c形成。对于离结构的底部渐近的部分，光在直线部分810a、810b与810c的入射角增大，因此，即使没有任何块状漫射或其它各向同性色散作用，内反射光也从基片802以某一角度范围出射。所以，为了使光在某一角度范围内水平扩散，并依此减小跌落和偏离中心峰值对水平增益分布的影响，可以形成一种表面带直线部分的结构810。相应地，该实施例降低了对各向同性色用的要求，因而很少要求损害垂直视角值。
在该特定实施例中，通过选择各水平面的角度，可以让不偏转的内反射光以等距或渐增的角度从高折射率材料出射。再者，通过选择各水平面的长度，可以使以不同角度出射的光量相等，在增大出射角时逐渐减小，或具有某种其它选择的特性。当在底部812之间或整个高折射率材料806里设置一合适的漫射体时，该实施例允许增益分布基本上消除跌落和偏离中心峰值。
这种情况在图8B中作了进一步显示，该图以示意图形式示出用带两个水平面的结构810形成的反射表面820a与820b。图示出了在反射表面820a与820b与不同的点入射的三条光线822、824和826的路径。反射表面820a与820b各自的水平尺度分别为w1与w2，二者可以相同，或可以设置得不同，使各反射表面截取不同的入射光量。
第一光线822入射到上反射表面820a的顶线，以角度β1通过高折射率材料806的下表面828。第二光线824靠近上反射表面820a的底线入射，离开上反射表面820a反射下反射表面820b，并离开下反射表面820b穿过高折射率材料806的下表面828，在那里以大于β1的角度β2出射。第三光线826直接入射到下反射表面820b上，离开后经反射通过高折射率材料806的下表面826以大于β2的角度β3出射。
当然，光可以通过屏幕800不偏转，因而其结构只有两个水平面的膜可以产生以四个不同方向出射的光，无须考虑漫射体或散射体的作用。漫射体或散射体可以沿各个这样的方向扩散光，以减少偏离中心峰值并消除增益跌落。
图7A和8A所示实施例的一个重要优点在于，该结构能有效地聚集光；因而可以减小相邻结构之间透明空间的宽度。这样，屏幕上的透明区减少了，黑色区增加了，从而可以增大整个屏幕的对比度而不减小整个透射或视角。
结构斜率不必要求在结构顶部最高而在结构的底部附近最低。相反地，结构的斜率，即其表面相对于基片或结构的底部的角度，对更靠近结构顶部的结构表面可以较小，而对更靠近结构的底部的表面可以更高。
另一特定实施例示于图9，其中在基片902上设置了若干吸光的内反射结构904，相邻结构904之间的谷底填有高折射率材料906，透明区908位于结构904的底部912之间。结构可以具有平坦的反射表面910，尽管表面910也可以是曲面或含胃直线部分。对不同的结构使用不同的顶角，如结构904a、904b、904c与904d的顶角全部不同。偏离中心的增益峰与增益跌落的位置取决于内反射结构的顶角。相应地，由于色散层900的结构904具有不同的顶角，若不计各向同性色散，则内反射光在某一方向范围内从基片902出射。因而在本例中，可以减少偏离中心峰值与跌落的不利影响，并减少了对各向同性色散的要求，所以很少要求牺牲垂直视角值。
与图7A与8A的实施例不同，各结构908的反射表面对入射光只呈现一个角度，所以光只以一个角度从该结构出射。然而，可以把结构908做成小得足以让观众的眼睛看得到来自单个像素的光，而该像素的尺度大得足以覆盖几个有不同顶角的结构，这样，综合的效果是光以某一角度范围从各像素出射。
由于光通过高折射率层906与基片902的界面，扩大顶角使结构904顶部反射的光从结构的底部位移更大的距离，因此，一对相邻结构904之间透明空间908的宽度d，最好选择成让从结构908顶部反射的光通过而没有二次反射。所以把结构904c与904d之间的间隔选成让光线914和916通过其间的透明区908a。二次内反射可能有问题，因为反射表面910上的入射角大于第一反射，从而二次反射到反射表面可能处于比临界角更小的角度，造成吸光损失。另外，二次内反射在高折射率层906内延长了路径长度，若层906载有漫射粒子，损失就更大。
另一方面，由于屏幕对比度依赖于屏幕观看表面上一部分吸光区，若结构相互靠近，会增大屏幕的对比度。因此，相邻结构之间的节距可以按结构的纵横比而变化。对于纵横比导致光贯穿结构的底部附近的透明区的那些结构，如顶角较小的结构，则可缩小结构间的间距。还有，在结构纵横比导致光从结构的底部贯穿透明区更深的情况下，如顶角较大的结构，可以扩大结构间的间距。
结构间的间距或节距，可对不同的结构选择成不变或可以变化，如可对不同结构的结构间的间距作随机处理。为了优化透射通过该膜，结构间距随机化的膜，可以按该随机化间距选择其结构顶角。
该实施例有利于减少莫尔图案，因为结构904的图案固定的周期。莫尔图案是一种干扰图案，其生成原因是采样频率(屏幕节距)小于显示图案频率的二倍(如成像器与像素尺寸相关的节距)。生成莫尔图案的另一个机理是采样频率(屏幕节距)与图像频率相互极其接近，导致相互振动。消除莫尔图案或至少使它看不见的一种方法是减小屏幕节距，使屏幕频率比像素频率高得多。因此，把结构间距的周期选成小于像素尺寸，可以减少莫尔图案。另外，使不同结构间的间距不同，如作随机处理，也可减少莫尔图案。
另一实施例示于图10。色散层1000包括位于基片1002表面上的内反射结构1004，它用较低折射率的材料形成，结构1004之间的谷底填有较高折射率的层1006。各结构1004的底部部分1005含有吸光材料，以增强色散层1000提供的对比度。各结构1004的其余部分不要求含吸光材料。
光色散导1000还可配上菲涅耳透镜以准直图像光源发出的光，使之与图像光源和屏幕之间的轴线平行，或者至少部分地再导图像光源与光色散层之间传播的光。可以使用第一表面菲涅耳透镜，但该方法存在前述问题。
应用埋置菲涅耳透镜的另一种方法示于图10。1999年1月13日提交的美国专利申请连续号09/229198已更全面地讨论了埋置菲涅耳透镜，该申请通过引用包括在这里。埋置菲涅耳透镜用较高折射率材料形成并埋置在较低折射率材料中，以便允许在菲涅耳透镜输出表面折射，对光完全准直或再导向。因此，本实施例包括设置在高折射率层1006上方的较低折射率材料层12020，菲涅耳透镜1022置于低折射率1020上方，将菲涅耳透镜表面1024埋在低折射率材料1020里。
第二层面上空气中的菲涅耳透镜可与本发明联用。这类菲涅耳透镜一般存在光离轴反射引起至像的问题，如美国专利申请连续号09/229198所述。本发明的一个特定优点在于，离轴重像光(ghost light)能以低于临界角的某一角度入射到结构，这样可吸收掉重像，如图21A所示。杂散光2110以小于临界角的角度入射到结构2104，使一部分光传入结构2104被吸收。为了示出光进入结构2104的路径，把结构2104画成阴影。一部分光2110可能反射光光线2122，再入射到另一结构2104a将另一部分吸收掉。因此，这些结构可用来吸收进入屏幕输入的杂散光。
另一个优点是重像可以通过输入面反射退出该屏幕，使重像不再传给观众。这种情况示于图21B，该图示出杂散光2120在两个结构2104之间反射多次，并被导离屏幕的观众一例，因而不会通过结构2104之间的透明空间2108传出。这样，该结构还可用来再导进入屏幕输入侧的杂散散光。
因此，本发明可用来消除使用菲涅耳透镜而造成的重像，而且有利于减少从屏幕输入侧传向屏幕观众侧的杂散光量。
应该明白，包括第一面的菲涅耳透镜和第二面菲涅耳透镜，埋置菲涅耳透镜和第二面在空气中的菲涅耳透镜，都可应用于本文所述的其它实施例。
反射的吸光结构可以排列成不同的几何图案，也可成形为使光以一个以上方向色散。首先研究一下图11所示的结构，它是图6A实施例的透视图，为清楚起见，没有高折射材料层。结构604平行排列，形成肋状结构，并成形得只沿x方向使光色散，如光一1102通过基片无偏移，而光线1104反射离开表面610在x-z平面内传播，一方向分量平行于x轴。
结构604不要求笔直，可以呈曲折状以将光导入期望的方向。
另一实施例示于图12，其中基片1202的结构1204位于一个表面1206上。一层高折射率材料可以置于结构1204和基片上方，但为了简化，未作图示，结构1204之间有透明区1208，结构1204反射的光在此传入基片1202。结构1204被成形为使光以两个方向即在x-z平面与y-z平面内色散，使光分别以x方向分量与y方向分量传播。光线1210直接入射到透明区1208传入基片而不反射。光线1212反射离开水平面1216之一面对x方向，并从基片1202出射沿x-z平面传播，一个方向分量平行于x轴。光线1214在水平面传播，一方向分量平行于y轴。因此，可将结构形成具有反射面，并定向成沿x与y两个方向反射光。
面沿一个方向的角度可以不同于面沿另一方向的角度，以在x与y方向提供不同的色散量，如结构1104可以是金字塔形，沿x与y方向有几组不同的色散角。这种情况示于图13A和13B。图13A示出穿过平行于x轴的色散层1200的截面。以上述图9同样的方法，对三个结构1204设置三个不同的顶角θ1x、θ2x与θ3x，以减小偏离中心峰和增益跌落效应。同样地，结构可以设置不同的顶角使光沿y方向色散。图13B示出穿过平行于y轴的色散层1200的截面。为了减小偏离中心峰和增益跌落，结构1204可设置不同的顶角θ1y、θ2y、θ3y、θ4y与θ5y。显然，结构1204当然也可以配置曲折的反射表面或带直线部分的反射表面，以减小偏离中心峰和增益跌落效应。
图12的结构1204定位成提供透明区1208，该区沿x与y方向具有“交错”图案条。结构的位置可以不同，形成不同图案的透明区，如在图14中，结构1404排列在基片1402上，使它们的底部角接触。这样形成的透明区1408图案类似于一张棋盘，优点是可提高屏幕的对比度而不减少来自图像光源的净光通量。显然，还可采用其它空间排列的结构。
应该明白，可以应用形状与图12和14所示不同的二维结构，如可把结构形成具有矩形底部，或者底部具有另一种四边形。另外，可将结构形成具有其它边数的底部，包括三边、五边、六边等等。
光色散层的另一实施例示于图15。色散层1500由位于基片1502表面上的吸光内反射结构1504形成，相邻结构1504之间的谷底填有高折射率材料1506，透明区1508位于结构1504的底部1512之间。结构1504的内反射表面1510可以笔直。高折射率材料1506涂层包括折射率渐增的层1506a、1506b与1506c，用于扩散超过一个方向反射出来的光并对该光聚焦，因而允许减小相邻结构1504之间透明区的尺度，由此提高对比度。
第一光线1514在第一高折射层1506a内从反射表面1510反射，并朝平行于屏幕轴线1520的方向折射而传入第二高折射层1506b，后者的折射率高于第一高折射层1506b。第一光线1514在进入基片1502之前，还向屏幕轴线1520折射面传入第三高折射层1506c。
第二光线1516在第二高折射层1506b内从反射表面1510反射，并朝平行于屏幕轴线1520的方向折射而传入第三高折射层1506c，后者的折射率高于第二高折射层1506b。然后，第二光线1516传入基片1502。
第三光线1518在第三高折层1506c内从反射表面1510反射，在进入基片1502之前，在高折射层1506内不再折射。第三光线1518以比第二光线1516更高的角度从基片1502出射，因为它在高折射层1506内不折射。而且，由于第二光线1516比第一光线1514经历更少次折射，所以它以比第一光线1514更高的角度从基片出射。
这样，分层的高折射材料1506可以用来扩展从带直反射表面的结构1504反射的光，从而减小离轴增益峰的增益跌落。当然，分层高折射材料也可以配用于带小平面或曲折光色散膜的反射结构。再者，由于分层高折射材料1506的作用是把光层向屏幕轴线1520，所以可减小结构的底部1512的间距，同时提高屏幕对比度。
分层高折射材料可以应用于折射率从上到下递减而不是递增的场合。这类分层高折射层还具有扩大从平坦反射表面反射的光的角度范围。然而，由于光传播通过这种层，所以该层易于使光散焦而不是对光聚焦，所以为了避免相邻结构的二次反射，要将反射结构分散得更开，因而降低了对比度。
应该明白，折射率从上到下分级的高折射材料，其工作原理类似于分层高折射率材料，所以膜1500的分层高折射材料可用分级高折射层代替。
由于本发明尤其适用于减小水平与垂直视角的相依性，所以表面散射体可用于光在垂直色散平面内色散。图16的一实例表示膜1600被透明区1608分开，膜1600的基片在上部基片表面上有结构1604。高折射率材料涂层1606覆盖着结构1604和透明区1604。高折射率材料涂层1606覆盖着结构1604和透明区1608。在结构的底部1612之间的透明区1608，可将涂层1606与基片1602之间的界面1614构成对通过透明区1608的光进行光散射，此处在涂层1606与基片之间存在着折射率差，例如界面1614可以具有各向同性散射光的随机毛面，或具有不对称散射光的表面，诸如微细结构的或微细全息结构的界面。一例形成表面散射体的方法是在形成结构1604之前，先在基片1602上形成散射表面。然后在基片1602上形成结构1604，其折射率与基片密切相配，于是折射率匹配将有效地消除结构1604底部上的散射体，仅在结构的底部之间的透明区1608在留下表面散射体。该方法的优点是，从观众一侧进入基片的环境光在进入吸光底部1612之前不散射。
应用表面散射体的另一实例示于图17，该图示基片1702上有一低折射结构1704的膜1700，高折射材料涂层1706覆盖着结构的底部1712之间的透明区1708。基片1702的下表面1714可以构成对从基片1702出射的光作光学散射，例如下表面1714可以具有各向同性散射光的随机毛面，或具有不对称地散射光的表面，如细微结构的或细微全息结构的表面。
应用于敞开区的细微结构表面的一特定实例示于图22。图中，吸光的低折射率材料结构2204位于基片2202上方，较高折射率涂层2206覆盖着结构2204和结构2204之间的敞开区2208。在敞开区2208，折射结构2210位于基片2202上面部分，使光折射通过敞开区。折射结构2210可以是例如埋在革片里的双凸镜，也可以成形为小透镜使光在一个以上色散平面内发散。小透镜折射结构2210可用来例如沿结构2204造成反射色散同样的方向使光在水平色散平面内色散，并在垂直色散平面内使光色散。
光色散层1800的另一实施例示于图18，其中内反射结构的形状作为与屏幕中心距离的函数而变化。图中，源1820将图像光导向光色散层1800，后者的若干低折射率材料结构1804埋在高折射率材料层1806内。结构1804还可包括对并提供对比度的吸光材料。
结构1804可以成形得减少屏幕出射光的发散。结构1804可以形成为肋，作为偏置金字塔，或者还能以径向对称设计形成为环绕屏幕中心的环。
选择结构1804与高折射层1806之间的折射率差，使入射到结构1804的光经历全内反射，并最终引导通过结构1804之间的敞开空间1808。在参照图19描述的一实施例中，将结构设置成前缘1804a的角度θL为5度，后缘1804b可以置成平行于刚绕过结构1804顶部通过高折射层1806的光线。在该角度，没有光以离开屏幕中心的方向作内反射，从而减少了来自屏幕的光的总发散。
为保持高的屏幕分辨率，结构1804之间的间距最好小于屏幕像素尺寸。将敞开空间1808的总面积减至最小，可提高屏幕对比度，因为对屏幕的观看一侧呈现出更大的吸光区域。然而，若结构1804置成靠得过近，则反射离开一个结构1804前缘1804a的光会反射入相邻结构1804的后缘1804a，导致光损失。因此，要在屏幕透射与屏幕对比度之间作折衷。
制造本发明膜的另一种方法参照图20A-20C描述。首先，用较高折射率材料形成图20A的开槽膜2000，该膜用浇铸与固化工艺形成，固化可以用加热或光学方法。膜2000下侧的槽2002用平表面2004(也称为地面)分开。
平表面2002涂一层漫射体2006，可以是与上述相似的块状漫射体，制成图20B的未完成的物件。运用印制工艺如石印术或活版印刷或胶印方法，把漫射体2006涂布在平表面2002上。
涂上漫射体2006后，通常以平面化工艺对槽2002填充较低折射率材料而形成低折射结构2008，如图20C所示。可以在平表面2004上留下装有吸光材料的低折射材料薄层2010，以形成低折射材料薄地面。
制造另一实施例中反射色散屏幕膜的方法示于图23。第一步是例如应用上述的浇铸与固化工艺，在基片2302上形成若干结构2304，以形成步骤1所示的膜。接着，在结构2304和基片2302上方涂布可除去材料涂层。可除去材料可以是一种聚合物，诸如能以可控方式去除的光刻胶或另一种聚合物，去除方法如有湿法深腐、激光剥蚀或干法腐蚀。美国专利申请连续号08/999,287讨论了如何去除聚合物的附加深腐蚀工艺，通过引用包括在这里。于是，以某种可控方工去除该可除去材料，在相邻结构2304之间的谷底只留下部分2310，覆盖着透明区2308，如步骤2和3所示。
然后例如通过真空涂布法，在膜2300上方设置金属涂层2312。该金属可以是铝或任何其它对特定应用场合具有合适反射特性的金属。得到的膜示于步骤4。
然后，例如以剥离工艺去除的可除去材料2310。例如，若可除去材料是光刻胶，则剩余光刻胶部分可在氢氧化钠浴或喷雾中除去。对于其它类型的可除去材料，可用合适的试剂除去剩余部分2310。接着，例如应用平面化工艺，在金属化结构2304和敞开区2308上面设置涂层2334。得到的膜2330示于步骤5，金属化部分2332涂在结构2304上。
如图23所示的金属化涂层可以配用于上述任何一种其它实施例，只要适用，也可配用于不同的实施例组合。
虽然以上提供了各种实例，但是本发明并不限于特定的图示实施例，例如虽然许多实施例以基片层来描述，但是可以把内反射结构埋在高折射率层内而没有基片层。另一方面，内反射的光色散层可以是背投式屏幕中使用的若干层之一。再者，应该明白，光在通过膜时可以经历一次以上的内反射，如光可以离开第一结构反射到第二结构，并在通过结构间的透明区之前反射离开第二结构。在结构与高折射层的折射率差足够高时，二次反射可能是全内反射。另外，可以在高折射材料与结构之间的界面以小于临界角的角度出现内反射，在光到达该界面之前已发生漫散射时尤其如此。此时，尽管不发生全内反射，大部分光仍可被反射。
应该明白，膜内的结构不必都形成得一样高。还应明白，光色散层和/或屏幕的外表面可用附加涂层处理的防物理损伤，诸如硬质涂层和防污涂层。此外，可在外表面上设置防反射涂层以减少反射损失。
还应该明白，反射色散屏幕膜可以形成得包括上述方法的各种组合，如可以用水平面结构形成内反射屏幕，在不同的相邻结构对之间有不同的结构间距。还有，可在曲折反射表面的结构上形成金属化涂层。
如上所述，本发明适用于显示系统作为光色散膜，尤其适用于背投显示器和背投屏幕。因此，本发明不限于上述的特定实例，而应理解成包括所附权项合理提出的本发明的所有方面。参阅本说明书而接受本发明指导的本领域技术人员显然明白本发明适用的各种修正、等效工艺和各种结构，权项意在包括此类修正和装置。
权利要求
1.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，所述第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的光轴，第一层包括用第二材料形成的结构，该第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁朝第一侧延伸，第一内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成，所述结构底部包括吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，第一内反射表面形成使光通过各光学发送区不对称地色散的反射单元，第一反射表面形成相对光轴位于至少两个角度的表面。
2.如权利要求1所述的膜，其特征在于第一内反射表面之一的至少一部分是曲面。
3.如权利要求2所述的膜，其特征在于第一内反射表面之一的曲面部分为抛物面。
4.如权利要求1所述的膜，其特征在于第一内反射表面中的至少一个表面包括相对光轴位于不同角度的两个或多个直线部分。
5.如权利要求1所述的膜，其特征在于第一对相邻结构的第一间距不同于第二对相邻结构的第二间距。
6.如权利要求1所述的膜，其特征在于对每个结构规定一个夹角，不同的结构具有不同的夹角。
7.如权利要求1所述的膜，其特征在于将第一内反射表面排列成对第一层内沿其本上平行于光轴的方向传播的光作反射，反射的光沿基本上平行于第一色散平面的方向传播，而且所述结构具有第二内反射表面，并定向成沿平行于与第一色散平面垂直的第二色散平面的方向来反射在第一层内沿基本上平行于光轴的方向传播的光。
8.如权利要求1所述的膜，其特征在于第二材料是吸光材料。
9.如权利要求1所述的膜，其特征在于在第一层中把所述结构形成为基本上在第一层整个宽度延伸的平行构件。
10.如权利要求1所述的膜，其特征在于第一层包括靠近第二侧的光学发送区的漫射部分。
11.如权利要求10所述的膜，其特征在于漫射部分包括在第二侧散射通过光学发送区传播的光的散射表面。
12.如权利要求10所述的膜，其特征在于漫射部分包括一从第二侧至少部分路径延伸入第一层的块状漫射部分。
13.如权利要求1所述的膜，其特征在于把光漫射粒子散布于整个第一材料。
14.如权利要求1所述的膜，其特征在于还包括附于第一层第二侧的基片层。
15.如权利要求1所述的膜，其特征在于第一内反射表面还排列成沿基本上平行于第一色散平面的方向，反射在第一层内沿近似平行于光轴的方向传播的光，而基片层的至少一个表面构成沿平行于同第一色散平面垂直的第二色散平面的至少一个方向使光色散。
16.如权利要求1所述的膜，其特征在于还包括设置成减少进入第一层第一侧的光的发散的菲涅耳透镜。
17.如权利要求1所述的膜，其特征在于还包括设置成以图像光照射第一层第一侧的图像光源。
18.如权利要求17所述的膜，其特征在于不同的结构安置了指向图像光源的结构顶点。
19.如权利要求1所述的膜，其特征在于接近第一层边缘的结构安置了导离屏幕边缘的结构顶点。
20.如权利要求1所述的膜，其特征在于至少一个反射单元包括反射表面，所述发射表面被设置成在光通过至少一个反射单元的光学发送区之前，不止一次地反射所述光，所述光沿基本上平行于第一光轴的方向入射到所述至少一个反射单元的一个反射表面。
21.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，所述第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴，第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸而限定第一反射表面，所述结构底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，第一反射表面形成使光通过各光学发送区不对称地色散的反射单元，第一反射表面设置成在色散平面内将光反射至选中的方向。
22.如权利要求21所述的膜，其特征在于第一反射表面之一的至少一部分为曲面。
23.如权利要求22所述的膜，其特征在于第一反射表面之一的曲面部分为抛物面。
24.如权利要求21所述的膜，其特征在于至少一个第一反射表面包括相对光轴处于不同角度的两个或多个直线部分。
25.如权利要求21所述的膜，其特征在于第一对相邻结构之间的第一间距不同于第二对相邻结构之间的第二间距。
26.如权利要求21所述的膜，其特征在于对每一结构规定一夹角，不同的结构具有不同的夹角。
27.如权利要求21所述的膜，其特征在于把第一反射表面安排成对在第一层内沿近似平行于光轴的方向传播的光作内反射，反射的光沿基本上平行于第一色散平面的方向传播。
28.如权利要求27所述的膜，其特征在于结构的第二反射表面定向成沿平行于同第一色散平面垂直的第二色散平面的方向，反射在第一层内沿近似平行于光轴的方向传播的光。
29.如权利要求21所述的膜，其特征在于第二材料为吸光材料。
30.如权利要求21所述的膜，其特征在于在第一层中把结构形成为在第一层的基本上整个宽度延伸的平行构件。
31.如权利要求21所述的膜，其特征在于第一层包括位于第二侧的光学发送区的漫射部分。
32.如权利要求21所述的膜，其特征在于漫射部分包括位于第二侧上对通过光学发送区传播的光作散射的散射表面。
33.如权利要求31所述的膜，其特征在于漫射部分包括从第二侧的至少部分路径延伸入第一层的块状漫射部分。
34.如权利要求31所述的膜，其特征在于光漫射粒子散布于整个第一材料。
35.如权利要求21所述的膜，其特征在于还包括附于第一层第二侧的基片层。
36.如权利要求35所述的膜，其特征在于第一反射表面安排成沿基本上平行于第一色散平面的方向，反射在第一层内沿近似平行于光轴的方向传播的光，而基片层的至少一个表面构成使光沿平行于同第一色散平面垂直的第二色散平面的至少一个方向色散。
37.如权利要求21所述的膜，其特征在于还包括设置成减少进入第一层第一侧的光的发散的菲涅耳透镜。
38.如权利要求21所述的膜，其特征在于还包括用图像光照射第一层第一侧的图像光源。
39.如权利要求21所述的膜，其特征在于不同的结构设置了指向不同方向的结构顶点。
40.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，所述第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴。第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸而限定第一反射表面，所述结构底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，第一反射表面形成相对光轴位于两上或多个角度的表面，和其中第一反射表面反射的所有光在介质-介质界面反射。
41.如权利要求40所述的膜，其特征在于至少一个第一反射表面是曲面。
42.如权利要求40所述的膜，其特征在于至少一个第一反射表面包括两个或多个相对光轴处于不同角度的直线部分。
43.如权利要求40所述的膜，其特征在于第一对相邻结构之间的第一间距不同于第二对相邻结构之间的第二间距。
44.如权利要求40所述的膜，其特征在于对每个结构规定一夹角，不同的结构具有不同的夹角。
45.如权利要求40所述的膜，其特征在于第二材料是吸光材料。
46.如权利要求40所述的膜，其特征在于在第一层中把结构形成基本上在第一层整个宽度延伸的平行构件。
47.如权利要求40所述的膜，其特征在于第一层包括靠近第二侧的光学发送区的漫射部分。
48.如权利要求47所述的膜，其特征在于漫射部分包括位于第二侧上对通过光学发送区传播的光作散射的散射表面。
49.如权利要求47所述的膜，其特征在于漫射部分包括从第二侧的至少部分路径延伸入第一层的块状漫射部分。
50.如权利要求40所述的膜，其特征在于光漫射粒子散布于整个第一材料。
51.如权利要求40所述的膜，其特征在于还包括附于第一层第二侧的基片层。
52.如权利要求40所述的膜，其特征在于第一反射表面安排成沿基本上平行于第一色散平面的方向，反射在第一层内沿近似平行于光轴的方向传播的光，而基片层的至少一个表面构成使光沿平行于同第一色散平面垂直的第二色散平面的至少一个方向色散。
53.一种用于背投式屏幕的膜，其特征在于包括具有第一基片层侧的基片层；用具有第一折射率的第一材料形成的结构，所述结构具有位于第一基片层侧的结构底部，所述结构的侧壁沿离开基片的方向延伸，所述结构底部用吸光材料形成，透明区限定在所述结构底部之间的第一基片层一侧上；和用第二材料形成的覆盖层，所述第二材料具有大于第一折射率的第二折射率，该覆盖层位于所述结构和第一基片层侧透明区上方，覆盖层与侧壁之间的界面形成内反射表面，使光在覆盖层内沿基本上垂直于基片的方向朝该基片传播。
54.如权利要求53所述的膜，其特征在于反射表面形成反射单元，使光通过第一基片层侧各个透明区不对称地色散。
55.如权利要求53所述的膜，其特征在于反射表面设置成减少光色散的不均匀性。
56.如权利要求53所述的膜，其特征在于内反射表面相对膜的光轴处于两个或多个角度。
57.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，所述第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴，第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸而限定第一反射表面，所述结构底部包括一种吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，使通过第二侧的光学发送区的光色散的块状漫射体。
58.如权利要求57所述的膜，其特征在于块状漫射体在靠近光学发送区的第一层中含有漫射粒子。
59.如权利要求57所述的膜，其特征在于块状漫射体包括散布于整个第一材料的光漫射粒子。
60.一种制造光学膜的方法以，其特征在于包括在基片上浇铸和固化结构，所述结构用具有第一折射率的第一材料形成且具有位于基片上的光学吸收底部，敞开区限定在基片上的相邻结构之间；用第二材料涂布所述结构和敞开基片区，所述第二材料具有大于第一折射率的第二折射率，以在第一与第二材料之间的界面形成反射表面，反射表面设置成把通过第二材料基片沿基本上平行于膜的光轴的方向传播的光朝敞开基片区反射。
61.一种形成光学膜的方法，其特征在于包括在具有第一折射率的第一材料的膜的第一侧形成槽，第一侧的敞开区在槽之间；在第一侧的敞开区上形成光学散射体；用第二材料填充槽，所述第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，第二材料吸光。
62.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，所述第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴，第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，至少两个侧壁朝第一侧延伸，内反射表面由第一与第二材料之间的界面形成，所述结构底部包括吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，至少一个结构具有位于某一角的两个侧壁中的至少一个侧壁，所述角度选择成平行于通过该膜来自第一光轴上图像光源的发散光。
63.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括具有相对的第一与第二侧和在第一折射率范围内的第一折射率的第一膜，该第一膜包括用结构材料形成的结构，所述结构材料具有小于第一折射率范围的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸，第一内反射表面由结构材料与第一膜材料间的界面形成，所述结构底部包括吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，第一膜靠近第一侧的第一折射率不同于第一膜靠近第二侧的第一折射率。
64.一种背投式屏幕的光色散膜，其特征在于包括用具有第一折射率的第一材料形成的第一层，该第一层具有相对的第一与第二侧和垂直于第一侧的第一光轴，第一层包括用第二材料形成的结构，第二材料具有小于第一折射率的第二折射率，所述结构在第二侧具有底部，一个或多个侧壁向第一侧延伸，在第一与第二材料之间的至少部分侧壁上设置金属涂层以形成第一反射表面，所述结构底部包括吸光材料，第二侧的光学发送区限定在所述结构底部之间，第一反射表面形成使光通过各光学发送区不对称地色散的反射单元，和设置在第一材料内使通过第二侧的光学发送区的光色散的块状漫射体。
65.如权利要求64所述的膜，其特征在于块状漫射体包含在靠近光学发送区的第一层中的光漫射粒子。
66.如权利要求64所述的膜，其特征在于块状漫射体包含散布于第一材料里的光漫射粒子。
67.一种形成光学膜的方法，其特征在于包括在基片上浇铸和固化结构，结构用第一材料形成且具有位于基片上的光学吸收底部，敞开基片区限定在基片上的相邻结构之间；在至少部分结构上设置金属层以形成反射表面，所述反射表面设置成将通过第二材料基片沿基片上平行于膜光轴的方向传播的光向敞开基片区反射；和用第二材料涂布金属层和敞开基片区。
全文摘要
一种背投系统的光色散膜,包括设置成将通过其中的光反射入至少一个色散平面的反射表面。该反射表面由置于一层具有第二折射率的材料内的第一折射率的结构形成,所述结构在膜观看一侧具有吸光底部。在一些实施例中,反射表面位于一个或多个角度,把光反射入若干不同的方向。在另一些实施例中,具有第二折射率的材料层包含漫射光的漫射粒子。该膜可在背投系统中不对称地使图像光色散,使光有选择地指向观众。
文档编号G02B5/08GK1378660SQ99816891
公开日2002年11月6日 申请日期1999年11月17日 优先权日1999年7月7日
发明者R·莫斯莱弗扎德耶, P·托马斯, J·奈而森, T·霍达普, 周鑫鑫, R·波科尔尼, R·拉迪雅什 申请人:3M创新有限公司