проекционный экран и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Проекционный экран с многослойной структурой, селективный по длине волны, углу падения света и поляризации, содержащий первый и второй оптические слои, каждый из которых имеет внешнюю поверхность и противоположную ей внутреннюю поверхность, профиль которой выполнен в форме массива одинаковых вогнутых и выпуклых пирамидальных призм, причем внутренние поверхности слоев вставлены в друг друга с образованием зазора, в котором расположены третий, четвертый и пятый тонкие оптические слои, каждый из которых имеет профиль в форме массива одинаковых элементов пирамидальной формы, повторяющих форму пирамидальных призм внутренних поверхностей первого и второго слоев, третий и четвертый слои имеют низкий показатель преломления, а первый, второй и пятый слои имеют высокий показатель преломления, причем пятый слой выполнен из материала с аномальной дисперсией показателя преломления, при этом третий слой расположен на внутренней поверхности первого слоя, четвертый слой расположен на внутренней поверхности второго слоя, а пятый слой расположен между третьим и четвертым слоем, кроме того, на внешней поверхности второго слоя выполнен отражающий слой, на котором расположен поддерживающий слой, при этом внутренние поверхности первого и второго слоя, а также третий, четвертый и пятый тонкие оптические слои образуют зигзагообразную структуру, выполненную с возможностью пропускания лучей проецируемого света с определенным углом падения и длиной волны за счет эффекта резонансной дифракции, и рассеивания некогерентного окружающего света за счет отражения от внутренней поверхности первого слоя.

2. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что первый оптический слой выполнен из полимера с расположенными в нем частицами, которые рассеивают свет.

3. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что пятый слой выполнен с возможностью пропускания проецируемого света с заданным состоянием поляризации, отражая окружающий свет с другим состоянием поляризации, за счет анизотропного распределения показателя преломления.

4. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность первого слоя представляет собой массив одинаковых микролинз в виде полусферы, выполненных с возможностью увеличения угла расхождения отраженного луча света.

5. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность первого слоя представляет собой массив микролинз с градиентным профилем распределения показателя преломления, выполненных с возможностью увеличения угла расхождения отраженного луча света.

6. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что угол наклона боковых граней пирамидальных призм и элементов пирамидальной формы меняется по мере удаления от центра экрана соответственно изменению угла падения проецируемого света, при этом поверхность отражающего слоя имеет призматический рельеф для отражения света в противоположном, но в параллельном направлении.

7. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что толщина третьего, четвертого и пятого тонких слоев меняется при отдалении от центра экрана для компенсации изменения угла падения проецируемого света.

8. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления третьего и четвертого слоев меньше показателя преломления первого, второго и пятого слоев.

9. Способ изготовления проекционного экрана, включающий выполнение следующих операций: на полимерном слое изготавливают первый слой с призматической внутренней поверхностью и высоким показателем преломления, на внутреннюю призматическую поверхность первого слоя наносят третий слой с низким показателем преломления, пятый слой с высоким показателем преломления наносят на третий слой с низким показателем преломления, на пятый слой наносят четвертый слой с низким показателем преломления, на четвертый слой наносят второй слой с высоким показателем преломления, после чего наносят отражающий слой и присоединяют поддерживающий слой.

Описание изобретения к патенту

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 диффузного слоя, поглощающего слоя, отражательного слоя и основы. Диффузный слой, как правило, 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 выложенной заявке США №2005/0280898 [1] описан избирательный по длине волны отражательный экран, который имеет отражающий элемент, светорассеивающий элемент и связывающий слой, соединяющий отражающий элемент со светорассеивающим элементом, причем связывающий слой содержит окрашивающий материал, который поглощает свет в определенном диапазоне длин волн. Отражающий элемент отражает свет во множестве определенных диапазонов длин волн, то есть свет проектора или свет, формирующий изображение, и поглощает свет в видимом диапазоне длин волн вне данных определенных диапазонов длин волн. Отражающий элемент содержит отражающий слой и оптическое покрытие, которое содержит диэлектрическую пленку и светопоглощающую тонкую пленку, обладающую пропускающими свойствами.

Однако данный проекционный экран дорог в изготовлении, так как имеет сложную структуру из-за наличия большого числа слоев.

Наиболее близким к заявленному изобретению является проекционный экран, описанный в патенте США №6,437,921 [2], который состоит из двух отражающих элементов. Первый отражающий элемент имеет призматическую внутреннюю поверхность и противолежащую наружную рабочую поверхность. Второй отражающий элемент имеет призматическую внешнюю поверхность и противолежащую внутреннюю поверхность. Внешняя поверхность второго элемента соединена с внутренней поверхностью первого элемента. Между соединенными поверхностями оставлен воздушный зазор. Данный экран выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.

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

Поставленная задача решена путем создания проекционного экрана с многослойной структурой, селективного по длине волны, углу падения света и поляризации, который содержит первый и второй оптические слои, каждый из которых имеет внешнюю поверхность и противоположную ей внутреннюю поверхность, профиль которой выполнен в форме массива одинаковых вогнутых и выпуклых пирамидальных призм, причем внутренние поверхности слоев вставлены в друг друга с образованием зазора, в котором расположены третий, четвертый и пятый тонкие оптические слои, каждый из которых имеет профиль в форме массива одинаковых элементов пирамидальной формы, повторяющих форму вогнутых и выпуклых пирамидальных призм внутренних поверхностей первого и второго слоев, третий и четвертый слои имеют низкий показатель преломления, а первый, второй и пятый слои имеют высокий показатель преломления, причем пятый слой выполнен из материала с аномальной дисперсией показателя преломления, при этом третий слой расположен на внутренней поверхности первого слоя, четвертый слой расположен на внутренней поверхности второго слоя, а пятый слой расположен между третьим и четвертым слоем, кроме того, на внешней поверхности второго слоя нанесен отражающий слой, на котором расположен поддерживающий слой, при этом внутренние поверхности первого и второго слоя, а также третий, четвертый и пятый тонкие оптические слои образуют зигзагообразную структуру, выполненную с возможностью пропускания лучей проецируемого света с определенным углом падения и длиной волны за счет эффекта резонансной дифракции, и рассеивания некогерентного окружающего света за счет отражения от внутренней поверхности первого слоя.

Для функционирования экрана важно, чтобы первый оптический слой был выполнен из полимера с расположенными в нем частицами, которые рассеивают свет.

Для функционирования экрана важно, чтобы пятый слой был выполнен с возможностью пропускания проецируемого света с определенным состоянием поляризации и отражения окружающего света с другим состоянием поляризации за счет анизотропного распределения показателя преломления.

Для функционирования экрана важно, чтобы внешняя поверхность первого слоя представляла собой массив одинаковых микролинз в виде полусферы, выполненных с возможностью увеличения угла расхождения отраженного луча света.

Для функционирования экрана важно, чтобы внешняя поверхность первого слоя представляла собой массив микролинз с градиентным профилем распределения показателя преломления, выполненных с возможностью увеличения угла расхождения отраженного луча света.

Для функционирования экрана важно, чтобы угол наклона боковых граней пирамидальных призм и элементов пирамидальной формы менялся по мере удаления от центра экрана соответственно изменению угла падения проецируемого света, при этом поверхность отражающего слоя имела призматический рельеф для отражения света в противоположном, но в параллельном направлении.

Для функционирования экрана важно, чтобы толщина третьего, четвертого и пятого тонких слоев менялась при отдалении от центра экрана для компенсации изменения угла падения проецируемого света.

Для функционирования экрана важно, чтобы показатель преломления третьего и четвертого слоев был меньше показателя преломления первого, второго и пятого слоев.

Технический результат заявленного изобретения заключается в удешевлении экрана за счет применения более простой конструкции с дешевыми слоями, а также в увеличении яркости и контраста изображения путем применения конструкции с хроматической, угловой и поляризационной фильтрацией проецируемого света от постороннего (окружающего) света, при этом угловая и спектральная фильтрация происходит за счет резонансной дифракции (эффекта НПВО - нарушенного полного внутреннего отражения) при прохождении света через многослойную структуру с активным слоем, обладающим аномальной дисперсией показателя преломления, а поляризационное отделение окружающего света происходит за счет выполнения активного слоя из анизотропного материала.

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

Фиг.1: вид 1.1 - схема резонансного прохождения волны через систему двух потенциальных барьеров; вид 1.2 - схема распределения коэффициента преломления в слоях заявленного проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Фиг.2 - схема варианта проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Фиг.3 - график зависимости угла падения от длины волны при резонансном пропускании. Вид 3.1 - активный слой с нормальной дисперсией показателя преломления; вид 3.2 - активный слой с аномальной дисперсией показателя преломления.

Фиг.4 - схема альтернативного варианта проекционного экрана с микролинзовой внешней поверхностью, выполненного согласно изобретению.

Фиг.5 - схема изменения угла наклона боковых граней пирамидальных призм и элементов пирамидальной формы по мере удаления от центра экрана соответственно изменению угла падения проецируемого света.

Фиг.6 - схема способа изготовления проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.

Заявленный экран эффективен в проекционных системах с белым лазерным лучом и со светоизлучающим диодом (СИД) в качестве источника света и позволяет осуществлять пространственное разделение проецируемого света и окружающего света с последующим отражением проецируемого света и рассеянием окружающего света. Пространственное разделение основано на эффекте резонансной дифракции при прохождении луча света через неоднородную многослойную структуру, то есть эффекте нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), который состоит в хроматической и угловой фильтрации пропущенного луча света.

Известно, что резонансные эффекты возникают при распространении электромагнитных волн в слоях неоднородной планарной тонкой пленки. Это происходит в случае, если на пути распространения волны расположены два или более слабопроницаемых непоглощающих слоя, которые и играют роль барьеров, и в области между барьерами формируются стоячие волны. При резонансе амплитуда стоячей волны между барьерами возрастает многократно по сравнению с амплитудой поля входящего света. Одновременно прозрачность барьера для входящей волны может резко возрастать. В заявленном изобретении барьерами являются слои экрана с низким коэффициентом преломления. Квантово-механическое представление аналогичных процессов в непланарных системах при резонансном прохождении волны Де-Бройля через систему двух потенциальных барьеров (эффект Рамзауэра) показано на Фиг.1. Данный резонансный эффект в планарных многослойных структурах наблюдается на практике: в акустике, при прохождении волн в плазме, в оптических системах типа интерференционных фильтров, резонансном туннелировании, эталонах Фабри-Перо и т.д.

Основные принципы функционирования проекционного экрана, выполненного в соответствии с заявленным изобретением, описаны со ссылкой на Фиг.2, на которой представлена схематическая модель одного из возможных вариантов выполнения экрана. Проекционный экран содержит первый и второй оптические слои 1 и 2, каждый из которых имеет внешнюю поверхность и противоположную ей внутреннюю поверхность, профиль которой выполнен в форме массива одинаковых пирамидальных призм, причем внутренние поверхности слоев вставлены друг в друга с образованием зазора, в котором расположены третий, четвертый и пятый тонкие оптические слои 3-5, каждый из которых имеет профиль в форме массива одинаковых элементов пирамидальной формы, повторяющих форму вогнутых и выпуклых пирамидальных призм внутренних поверхностей первого и второго слоев 1 и 2, третий и четвертый слои имеют низкий, а первый, второй и пятый слои имеют высокий показатель преломления, причем пятый слой выполнен из изотропного или анизотропного материала с аномальной дисперсией показателя преломления, при этом третий слой расположен на внутренней поверхности первого слоя, четвертый слой расположен на внутренней поверхности второго слоя, а пятый слой расположен между третьим и четвертым слоями, кроме того, на внешней поверхности второго слоя выполнен отражающий слой 6, на котором расположен поддерживающий слой 7.

Проекционный экран функционирует следующим образом (Фиг.2). Проецируемый луч 8 и луч 9 внешнего света входят в первый слой 1, нижняя часть которого имеет призматическую поверхность пирамидальной формы. Благодаря эффекту резонансной дифракции только луч с фиксированным углом падения и заданной длиной волны проходит через зигзагообразную структуру, образованную внутренними поверхностями первого и второго слоев, а также третьим, четвертым и пятым тонкими оптическими слоями, во второй слой с призматической внутренней поверхностью. Данный отфильтрованный свет отражается отражающим слоем 6 и проходит обратно через слоистую структуру в направлении наблюдателя. Свет с другими длинами волн и другими углами падения отражается от зигзагообразной многослойной структуры и рассеивается в разных направлениях.

На Фиг.3 (вид 3.1) угол падения проецируемого света представлен в виде функции длины волны при резонансном пропускании. Видно, что для заданной величины угла падения резонансное условие выполняется лишь на определенной длине волны. Это означает, что только свет данной длины волны пройдет через систему. В случае аномальной дисперсии показателя преломления в пятом активном слое резонансное пропускание происходит для трех определенных длин волн для данного угла падения (Фиг.3, вид 3.2). Это показывает, что три основных цвета пройдут через систему при одном и том же угле падения светового пучка.

За счет анизотропного активного слоя 5 (жидкий кристалл и т.п.) многослойная структура заявленного дисплея функционирует как поляризационный фильтр, то есть только одно линейное состояние поляризации света пропускается через структуру.

Оптимизация спектральной и угловой полосы пропускания пропущенного света может быть проведена путем изменения толщины слоев и коэффициентов преломления материалов.

В заявленном проекционном экране первый слой 1 с высоким коэффициентом преломления и призматической внутренней поверхностью может быть выполнен из полимера с расположенными в нем частицами, которые рассеивают свет, увеличивая угол обзора.

Активный слой 5 заявленного проекционного экрана может быть выполнен в виде анизотропной среды для полного пропускания света с поляризацией, соответствующей проецируемому свету и дискриминации половины постороннего света.

Внешняя поверхность первого слоя заявленного проекционного экрана может быть также выполнена в виде массива одинаковых микролинз в виде полусфер для увеличения угла расхождения отраженного луча света (см. Фиг.4).

При реализации заявленного экрана важно учитывать тот факт, что угол падения проецируемого света неодинаков для центра экрана и удаленных от центра областей экрана. Для компенсации неравномерности освещения предлагается, чтобы при практической реализации заявленного экрана угол наклона боковых граней пирамидальных призм и элементов пирамидальной формы изменялся по мере удаления от центра экрана соответственно изменению угла падения проецируемого света. Для света, падающего в центр экрана перпендикулярно его поверхности, боковые грани призм должны быть наклонены к горизонтальной поверхности на угол _i, соответствующий углу резонансного пропускания. Для луча света, отклоненного от перпендикуляра на угол , боковые грани призм должны быть наклонены к горизонтальной поверхности на углы _i+ и _i- соответственно (Фиг.5). При этом поверхность отражающего слоя 6 должна иметь призматический рельеф для отражения света в противоположном, но параллельном направлении.

Для компенсации изменения угла падения проецируемого света представляется целесообразным варьировать толщину третьего, четвертого и пятого тонких слоев в зависимости от расстояния до центра экрана.

Для изготовления заявленного проекционного экрана из полимеров имеется возможность использовать разнообразные технологии, поскольку условиям правильного функционирования экрана удовлетворяют диапазоны коэффициентов преломления широко распространенных полимерных материалов, значения которых изменяются обычно от n=1.30 до n=1.77.

Заявленный проекционный экран в описанном выше варианте изготовляется следующим способом (Фиг.6). На полимерном слое изготавливают первый слой 1 с призматической внутренней поверхностью и высоким показателем преломления. На внутреннюю призматическую поверхность первого слоя 1 наносят третий слой 3 с низким показателем преломления, например, путем напыления. Пятый слой 5 с высоким показателем преломления наносят на третий слой 3 с низким показателем преломления. На пятый слой 5 наносят четвертый слой 4 с низким показателем преломления. На четвертый слой 4 наносят второй слой 2 с высоким показателем преломления. После чего наносят отражающий слой 6 и присоединяют поддерживающий слой 7. Данный способ может также выполняться в обратном порядке.

Заявленный проекционный экран может применяться в проекционных дисплеях, устройствах визуализации изображения 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.