Проекционный экран (варианты)

Изобретение относится к области оптики, а именно к проекционным экранам отражательного типа. Проекционный экран содержит расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, светоотражающий слой, основу, светопоглощающий слой, который находится между светопропускающим и светоотражающим слоями, и расположенный в светопоглощающем слое массив прозрачных окон, которые находятся напротив микролинз и заполнены диффузионной средой. Радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где r₀ ^a - радиус когерентности окружающего света и r^s ₀ - радиус когерентности проецируемого света. Микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на окна в виде пятен, размер которых равен размеру окон, а менее когерентного окружающего света на светопоглощающий слой и окна в виде пятен, размер которых значительно больше размера окон. Светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а окна прозрачности с возможностью пропускания проецируемого света и меньшей части окружающего света на отражающее покрытие, которое выполнено с возможностью отражения проецируемого света обратно на окна. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к проекционным экранам отражательного типа, и может быть использовано для визуализации изображения, формируемого проекторами.

Обычный проекционный экран отражательного типа состоит из диффузионного слоя, поглощающего слоя, отражательного слоя и основы. Диффузионный слой обычно состоит из дисперсных частиц в полимерном слое и рассеивает свет, увеличивая угол обзора. Для увеличения угла обзора используют также массивы микролинз. В качестве поглощающих слоев используют черные пленки или поляризационные пластины. Проекционные экраны разделяют на спектрально-избирательные, поляризационно-избирательные и экраны с угловой избирательностью.

В опубликованной заявке на Европейский патент ЕР-А2-0421809 [1] описан проекционный экран, состоящий из нескольких слоев, расположенных на фоне светопоглощающей пленки, причем каждый слой отражает свет определенного цвета и пропускает свет другого цвета. Таким образом, удается увеличить контраст между падающим проецируемым светом и посторонним светом, что приводит к повышению яркости изображения. Однако данный проекционный экран имеет относительно сложную структуру из-за большого числа слоев, которая увеличивает стоимость изготовления. Более того, такой проекционный экран имеет сильную зависимость от угла обзора вследствие узкой диаграммы направленности отраженного излучения, т.е. качество изображения сильно зависит от угла, с которого смотрят на экран.

В патенте США US 6597501 [2] предложен проекционный экран, позволяющий получить улучшенный контраст между проецируемым светом и посторонним светом. Экран состоит из поглощающего слоя и активного слоя, расположенного на лицевой стороне поглощающего слоя. Активный слой прозрачен для света с одной поляризацией и отражает свет с другой поляризацией. Отражающий поляризующий слой может быть расположен между активным слоем и поглощающим слоем. Недостаток этого изобретения заключается в низкой эффективности использования света, и, как следствие, в низкой яркости изображения. Низкая эффективность использования света обусловлена тем, что поляризующий слой отражает свет только с определенной поляризацией, т.е. половина падающего света поглощается в поглощающем слое.

Наиболее близким к заявленному изобретению является патент Японии JP 6059341 [3], в котором описан проекционный экран отражательного типа, состоящий из массива микролинз, диффузионного слоя, отражательного слоя, материала из волокон и поглощающего слоя. Недостаток этого экрана заключается в невозможности достижения желаемой контрастности между падающим проецируемым светом и посторонним светом, а значит и контрастности изображения, вследствие того, что экран не позволяет отделять посторонний свет, падающий в пределах угла обзора, от проецируемого света.

Задачей заявленного изобретения является создание простого, дешевого проекционного экрана с увеличенной яркостью и контрастом изображения.

Поставленная задача решена путем создания проекционного экрана, который содержит расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, светоотражающий слой, основу, а также светопоглощающий слой, который находится между светопропускающим и светоотражающим слоями, и расположенный в светопоглощающем слое массив прозрачных окон, которые находятся напротив микролинз и заполнены диффузионной средой, причем радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где - радиус когерентности окружающего света и - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на окна в виде пятен, размер которых равен размеру окон, а менее когерентного окружающего света на светопоглощающий слой и окна в виде пятен, размер которых значительно больше размера окон, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а окна прозрачности с возможностью пропускания проецируемого света и меньшей части окружающего света на отражающее покрытие, которое выполнено с возможностью отражения проецируемого света обратно на окна.

Для функционирования экрана важно, чтобы светопоглощающий слой был выполнен плоским.

Для функционирования экрана важно, чтобы микролинзы были расположены вплотную друг к другу.

Поставленная задача решена также путем создания проекционного экрана, который содержит расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, светоотражающий слой, основу, светопоглощающий слой, который расположен между светопропускающим и светоотражающим слоями и имеет рельеф в форме пирамид, массив прозрачных окон, расположенных в светопоглощающем слое на вершинах пирамид напротив микролинз и заполненных диффузионным материалом, а также диффузионный слой, расположенный между светопоглощающим и отражающим слоями, причем со стороны диффузионного слоя светопоглощающий слой покрыт светоотражающим материалом, при этом радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где - радиус когерентности окружающего света и - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на окна в виде пятен, размер которых равен размеру окон, а менее когерентного окружающего света на светопоглощающий слой и окна в виде пятен, размер которых значительно больше размера окон, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а окна прозрачности с возможностью пропускания проецируемого света и меньшей части окружающего света в диффузионный слой, который выполнен с возможностью уменьшения степени когерентности света и рассеяния его на светоотражающий слой, который выполнен с возможностью отражения света на отражающее покрытие светопоглощающего слоя, которое выполнено с возможностью отражения света на окна.

Поставленная задача решена также путем создания проекционного экрана, который содержит расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, основу, светопоглощающий слой, а также массив отражающих выпуклых зеркал, расположенных в основании светопропускающего слоя напротив микролинз, причем радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где - радиус когерентности окружающего света и - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на зеркала в виде пятен, размер которых равен размеру зеркал, а менее когерентного окружающего света на зеркала и на светопоглощающий слой в виде пятен, размер которых значительно больше размера зеркал, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а зеркала с возможностью отражения проецируемого света и меньшей части окружающего света обратно на микролинзы.

Для функционирования экрана важно, чтобы светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, был выполнен двусторонним.

Для функционирования экрана важно, чтобы профиль поверхности микролинз был выбран из набора профилей, включающего в себя параболический, сферический, асферический профили.

Для функционирования экрана важно, чтобы форма основания микролинз была выбрана из набора форм, включающего в себя цилиндрическую, квадратную, прямоугольную, гексагональную и треугольную форму.

Для функционирования экрана важно, чтобы форма основания микролинз совпадала с формой сечения окон.

Для функционирования экрана важно, чтобы форма основания микролинз совпадала с формой сечения зеркал.

Для функционирования экрана важно, чтобы он дополнительно содержал защитный прозрачный слой, расположенный над светопропускающим слоем.

Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции и удешевлении, а также в увеличении яркости и контраста изображения путем применения простой конструкции, которая позволяет эффективно отделять падающий проецируемый свет от постороннего (окружающего) света для всех углов, включая сектор углов обзора, за счет использования эффекта когерентной избирательности, то есть различия степени когерентности проецируемого и постороннего света.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1. Схема первого варианта проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Фиг.2. Схема второго варианта проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Фиг.3. Схема третьего варианта проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Фиг.4. Схема проекционного экрана с защитным слоем, выполненного согласно изобретению.

Фиг.5. Схема микролинзы проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

В первом варианте выполнения проекционный экран содержит расположенные последовательно светопропускающий слой 1 (Фиг.1), состоящий из массива 2 микролинз, светоотражающий слой 3, основу 4, а также светопоглощающий слой 5, который находится между светопропускающим и светоотражающим слоями 1, 3, и расположенный в светопоглощающем слое 5 массив 6 прозрачных окон, которые находятся напротив микролинз 2 и заполнены диффузионным материалом. Причем светопоглощающий слой 5 выполнен плоским, а микролинзы расположены вплотную друг к другу, образуя массив 2.

Проекционный экран, выполненный согласно второму варианту заявленного изобретения, содержит расположенные последовательно светопропускающий слой 1 (Фиг.2), состоящий из массива 2 микролинз, светоотражающий слой 3, основу 4, светопоглощающий слой 5, который расположен между светопропускающим и светоотражающим слоями 1, 3 и имеет рельеф в форме пирамид, а также массив 6 прозрачных окон, расположенных в светопоглощающем слое 5 на вершинах пирамид, расположенных напротив массива 2 микролинз и заполненных диффузионным материалом, а также диффузионный слой 7, расположенный между светопоглощающим и отражающим слоями 5, 3. Причем со стороны диффузионного слоя 7 светопоглощающий слой 5 покрыт светоотражающим материалом 8.

В третьем варианте выполнения проекционный экран включает в себя расположенные последовательно светопропускающий слой 1 (Фиг.3), состоящий из массива 2 микролинз, основу 4, светопоглощающий слой 5, а также массив 9 отражающих выпуклых зеркал, расположенных в основании слоя 1 напротив массива 2 микролинз.

Проекционный экран может дополнительно содержать защитный прозрачный слой 10 (Фиг.4) над светопропускающим слоем 1.

Принцип действия заявленного проекционного экрана заключается в следующем: экран осуществляет пространственное разделение падающего проецируемого света и окружающего постороннего света с последующим отражением проецируемого света и поглощением окружающего света. Пространственное разделение основано на эффекте когерентной избирательности, который проявляется при фокусировке двух пучков света с различной степенью пространственной когерентности, когда более когерентный пучок проецируемого света фокусируется микролинзами сильнее, чем пучок окружающего света с меньшей когерентностью, а также при последующем прохождении сфокусированного пучка проецируемого света через прозрачные окна 6 (отражении сфокусированного пучка света от зеркал 9) и поглощении пучка окружающего света светопоглощающим слоем 3. Отношение размера пятна сфокусированного окружающего света к размеру пятна сфокусированного проецируемого света определяется выражением где а₀ - радиус общего пучка света (проецируемого и окружающего), падающего на одну микролинзу - радиус когерентности постороннего света и - радиус когерентности проецируемого света.

Для возникновения вышеописанного эффекта когерентной избирательности и правильного функционирования заявленного экрана должны быть выполнены следующие условия: радиус R_L микролинзы (Фиг.5) должен быть больше, чем радиус когерентности окружающего света, но меньше, чем радиус когерентности проецируемого света .

Приближенная оценка радиуса когерентности прямого солнечного света, т.е. окружающего света, показывает, что радиус когерентности равен ˜20μm. Рассеянный облаком солнечный свет в пасмурный день имеет радиус когерентности порядка длины волны, т.е. он меньше, чем 1μm. Радиус когерентности падающего проецируемого света на поверхности экрана, расположенного на расстоянии z=1500mm от источника света (проектора), равен . Для этих значений радиусов когерентности и радиуса пучка порядка размера пикселя (а₀ ˜ 1mm) отношение размеров пятен сфокусированных пучков окружающего и проецируемого света . Это означает, что только незначительная часть окружающего света пройдет через окно 6 размером с фокусированное пятно для проецируемого света или отразится от поверхности зеркала 9 такого же размера.

Рассмотрим более подробно принцип действия каждого из описанных выше вариантов заявленного проекционного экрана.

В первом варианте проецируемый свет от проектора и окружающий свет от посторонних источников входят в светопропускающий слой 1 (Фиг.1), состоящий из массива 2 микролинз. Микролинзы фокусируют более когерентный проецируемый свет на окна 6 в виде пятен, размер которых равен размеру w₀ окон 6, а менее когерентный окружающий свет на светопоглощающий слой 5 и окна 6 в виде пятен, размер которых значительно больше размера w₀ окон 6. Светопоглощающий слой 5 поглощает большую часть попавшего на него окружающего света. Окна 6 прозрачности пропускают проецируемый свет и меньшую часть окружающего света на отражающий слой 3. Отражающий слой 3 отражает свет обратно на окна 6. Свет проходит через окна 6, светопропускающий слой 1 и выходит из экрана, при этом диффузионная среда внутри окон 6 увеличивает угол расходимости и уменьшает степень когерентности отраженного света.

Во втором варианте проецируемый свет от проектора и окружающий свет от посторонних источников входят в светопропускающий слой 1 (Фиг.2), состоящий из массива 2 микролинз. Микролинзы фокусируют более когерентный проецируемый свет на окна 6 в виде пятен, размер которых равен размеру w₀ окон 6, а менее когерентный окружающий свет на светопоглощающий слой 5 и окна 6 в виде пятен, размер которых значительно больше размера w₀ окон 6. Светопоглощающий слой 5 поглощает большую часть попавшего на него окружающего света. Окна 6 прозрачности пропускают проецируемый свет и меньшую часть окружающего света в диффузионный слой 7. Диффузионный слой 7 уменьшает степень когерентности света и рассеивает его на светоотражающий слой 3, который отражает свет на окна 6 и отражающее покрытие 8 светопоглощающего слоя 5, которое в свою очередь направляет свет на окна 6. После прохождения окон 6 и светопропускающего слоя 1 свет выходит из экрана. Этот вариант экрана имеет более широкий угол обзора по сравнению с другими вариантами вследствие переотражения света между отражающим слоем 3 и отражающим покрытием 8.

В третьем варианте проецируемый свет от проектора и окружающий свет от посторонних источников входят в светопропускающий слой 1 (Фиг.3), состоящий из массива 2 микролинз. Микролинзы фокусируют более когерентный проецируемый свет на зеркала 9 в виде пятен, размер которых равен размеру w₀ зеркал 9, а менее когерентный окружающий свет на светопоглощающий слой 5, расположенный за прозрачной основой 4, и зеркала 9 в виде пятен, размер которых значительно больше размера w₀ зеркал 9. Светопоглощающий слой 5 поглощает большую часть окружающего света, а зеркала 9 отражают проецируемый свет и меньшую часть окружающего света обратно на массив 2 микролинз светопропускающего слоя 1. После прохождения светопропускающего слоя 1 свет выходит из экрана. Данный вариант экрана отличается от предыдущих вариантов использованием отражающих зеркал вместо окон прозрачности для отделения проецируемого света от постороннего света. Для изготовления такого экрана могут быть применены более дешевые технологии.

Светопропускающий слой 1, состоящий из массива 2 микролинз, может быть выполнен двусторонним для уменьшения фокусного расстояния и толщины экрана.

Оптическая эффективность заявленного экрана может быть улучшена за счет оптимизации профиля поверхности микролинз (параболический, сферический, асферический и т.д.), формы основания микролинз (цилиндрическая, квадратная, прямоугольная, гексагональная, треугольная, др.), размера микролинз, материала и т.д. Причем в заявленных вариантах проекционного экрана форма основания микролинз не обязательно совпадает с формой сечения окон 6 и зеркал 9.

Массивы 2 микролинз с прямоугольной формой основания являются предпочтительными из-за различия размеров экрана в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Заявленное изобретение может быть использовано в проекционных дисплейных системах, в различных устройствах воспроизводства изображения на экране и т.д.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

1. Проекционный экран, содержащий расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, светоотражающий слой, основу, а также светопоглощающий слой, который находится между светопропускающим и светоотражающим слоями, и расположенный в светопоглощающем слое массив прозрачных окон, которые находятся напротив микролинз и заполнены диффузионной средой, причем радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где r₀ ^a - радиус когерентности окружающего света; и r₀ ^s - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на окна в виде пятен, размер которых равен размеру окон, а менее когерентного окружающего света на светопоглощающий слой и окна в виде пятен, размер которых значительно больше размера окон, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а окна прозрачности с возможностью пропускания проецируемого света и меньшей части окружающего света на отражающее покрытие, которое выполнено с возможностью отражения проецируемого света обратно на окна.

2. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что светопоглощающий слой выполнен плоским.

3. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что микролинзы расположены вплотную друг к другу.

4. Проекционный экран, содержащий расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, светоотражающий слой, основу, светопоглощающий слой, который расположен между светопропускающим и светоотражающим слоями и имеет рельеф в форме пирамид, массив прозрачных окон, расположенных в светопоглощающем слое на вершинах пирамид напротив микролинз и заполненных диффузионным материалом, а также диффузионный слой, расположенный между светопоглощающим и отражающим слоями, причем со стороны диффузионного слоя светопоглощающий слой покрыт светоотражающим материалом, при этом радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где r^a ₀ - радиус когерентности окружающего света; и r₀ ^s - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на окна в виде пятен, размер которых равен размеру окон, а менее когерентного окружающего света на светопоглощающий слой и окна в виде пятен, размер которых значительно больше размера окон, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а окна прозрачности с возможностью пропускания проецируемого света и меньшей части окружающего света в диффузионный слой, который выполнен с возможностью уменьшения степени когерентности света и рассеяния его на светоотражающий слой, который выполнен с возможностью отражения света на отражающее покрытие светопоглощающего слоя, которое выполнено с возможностью отражения света на окна.

5. Проекционный экран, содержащий расположенные последовательно светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, основу, светопоглощающий слой, а также массив отражающих выпуклых зеркал, расположенных в основании светопропускающего слоя напротив микролинз, причем радиус микролинз R_L удовлетворяет условию , где r₀ ^a - радиус когерентности окружающего света, и r₀ ^s - радиус когерентности проецируемого света, при этом микролинзы выполнены с возможностью фокусировки более когерентного проецируемого света на зеркала в виде пятен, размер которых равен размеру зеркал, а менее когерентного окружающего света на зеркала и на светопоглощающий слой в виде пятен, размер которых значительно больше размера зеркал, при этом светопоглощающий слой выполнен с возможностью поглощения большей части окружающего света, а зеркала с возможностью отражения проецируемого света и меньшей части окружающего света обратно на микролинзы.

6. Проекционный экран по любому из пп.1, 4, 5, отличающийся тем, что светопропускающий слой, состоящий из массива микролинз, выполнен двусторонним.

7. Проекционный экран по любому из пп.1, 4, 5, отличающийся тем, что профиль поверхности микролинз выбран из набора профилей, включающего в себя параболический, сферический, асферический профили.

8. Проекционный экран по любому из пп.1, 4, 5, отличающийся тем, что форма основания микролинз выбрана из набора форм, включающего в себя цилиндрическую, квадратную, прямоугольную, гексагональную и треугольную форму.

9. Проекционный экран по п.8, отличающийся тем, что форма основания микролинз совпадает с формой сечения окон.

10. Проекционный экран по п.8, отличающийся тем, что форма основания микролинз совпадает с формой сечения зеркал.

11. Проекционный экран по любому из пп.1, 4, 5, отличающийся тем, что дополнительно содержит защитный прозрачный слой, расположенный над светопропускающим слоем.