CN101030027A - 一种具有全息柱面透镜结构的投影屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全息柱面透镜结构的投影屏，包括屏幕主体，设置于屏幕主体一侧表面的菲涅尔透镜层，设置于屏幕主体另一侧表面的全息柱面透镜阵列层，其特征在于：所述全息柱面透镜阵列上附带有散斑信息结构，所述散斑信息结构是以经过全息柱面透镜和散斑屏的出射光为物光，与参考光干涉成像获得的，全息柱面透镜阵列及附带于其上的散斑信息结构由其制备光路条件限定。本发明采用全息柱面透镜与散斑屏相结合，控制出射光线竖直和水平方向的视场，从而压缩竖直方向视场、增大水平方向视场，获得了高亮度、大视场的全息投影屏，且可方便地实现三维投影。

Description

一种具有全息柱面透镜结构的投影屏

                          技术领域

本发明涉及一种投影装置的部件，具体涉及一种具有全息柱面透镜结构的投影屏及其制造方法。

                          背景技术

在投影系统中，投影屏与投影机的配合是获得好的投影效果的必要条件。

目前市场上常见的投影屏幕有：白塑布投影屏幕、玻璃珠投影屏幕和银色珍珠投影屏幕。

白塑布投影屏幕属于扩散型，从理论上来说，所有方向的显示屏增益值(GS)都是1，但其实际值接近于0.9。由于增益低，对环境光线非常敏感，只能在暗室中使用。

玻璃珠投影屏幕属于回归型，这种投影幕的反射特性有点类似反光路标的光学特点。当光线投射在玻璃珠上时，光线会自然返回，简而言之，最大辐射强度返回到光源，也就是投影机。这种类型的投影屏幕，增益(GS)约为1.5到3。

银色珍珠投影屏幕属于反射型，这种类型的投影幕可以提供最大辐射强度，就像镜子反射光一样。投影幕的增益和扩散是互相作用的，如果光线的扩散不足，就可获得较高的投影屏幕增益值，但易出现明显的亮斑。银色珍珠投影屏幕的增益范围较广，从1.5到10。这种投影幕亮度很高，但增益值越高，带来的代价是视角越窄。

现实世界是三维立体世界，而现有的投影设备绝大多数都只能显示二维信息，并不能给人以深度感觉。为了使显示的场景和物体具有深度感觉，人们在各方面进行了尝试。3D显示技术的研究经历了十几年的发展，取得了十分丰硕的成果，从各种手执式观测器、3D立体眼镜、头盔显示器，到现在最新的不需要眼镜的3D显示器，有用棱镜的、透镜的、光栅的、电子开关的等等。

立体显示可分为需要佩带辅助眼镜装置的立体显示和无需佩带任何辅助眼镜装置的自动立体显示。其中，需要佩带辅助眼镜装置的立体显示装置有液晶开关眼镜、滤色眼镜等；而无需佩带任何辅助眼镜装置的自动立体显示技术方面的报道主要有：

(1)视差照明技术

在透射式的显示屏(如液晶显示屏)后形成离散的、极细的照明亮线，将这些亮线以一定的间距分开，这样人的左眼通过液晶显示屏的偶像素列能看到亮线，而观察者的右眼通过显示屏的偶像素列是看不到亮线的，反之亦然。因此，观察者的左眼只能看到显示屏偶像素列显示的图像，而右眼只能看到显示屏的奇像素列显示的图像。这样观察者就能接受到视差立体图像对，产生深度感知。

(2)视障技术

视障技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、一个偏振膜和一个高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列的旋光方向成90°的垂直条纹，这些条纹宽几十微米，通过这些条纹的光就形成了垂直的细条栅模式。在立体显示模式时，哪只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就由这些视差障栅来控制。应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼。如果把液晶开关关掉，显示器就能成为普通的二维显示器。

(3)微透镜投射技术

微透镜投射技术是在显示屏的前面加上一层微柱透镜，使显示屏的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素，双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。但同时像素间的间隙也被放大了，因此不能简单地叠加子像素，更好的做法是使一组子像素交叉排列。另一种改进方式是，让柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度，这样做是为了使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。投影机向屏幕投射的画面中，画面信息是由同一编码的一系列体视对信息构成，由于每一个柱透镜所形成的投影像都会通过柱透镜的焦线进入人眼，从而人的瞳孔就通过该透镜接收到透镜像素上的一部分，又由于柱透镜阵列对应的画面是一系列同一编码的体视对信息，所以人的左右眼就会接受到不同的画面信息，产生视差，便能看到一个立体实像，从而实现立体投影。

以上各种关于立体投影的研究成果由于结构的限制和昂贵的成本，大部分仍停留于实验和开发阶段，没有形成工业化产品，没有得到较好的市场应用。

                          发明内容

本发明目的是提供一种清晰度高、耐强光，且可以适于显示三维影像的投影屏，并通过压缩无用视角，提高投影光线的利用率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有全息柱面透镜结构的投影屏，包括屏幕主体，设置于屏幕主体一侧表面的菲涅尔透镜层，设置于屏幕主体另一侧表面的全息柱面透镜阵列层，所述全息柱面透镜阵列上附带有散斑信息结构，所述散斑信息结构是以经过全息柱面透镜和散斑屏的出射光为物光，与参考光干涉成像获得的，全息柱面透镜阵列及附带于其上的散斑信息结构由其制备光路条件限定，制备时，以柱面透镜焦距为F，散斑屏到柱面透镜的距离为L，光阑的孔径为d，均匀照射柱面透镜光束孔径为D，则0.8F≤L≤1.2F，1mm≤d≤0.2D，D＞10mm。

上述技术方案中，通过对柱面透镜和散斑屏的合理组合，来控制出射光线竖直和水平方向的视场，从而压缩竖直方向视场、增大水平方向视场，获得了高亮度、大视场的全息投影屏。

上述技术方案中，所述全息柱面透镜阵列沿纵横方向，以邻接方式排布于屏幕主体一侧表面。

在所述全息柱面透镜阵列层中每一全息柱面透镜的形状为圆形、椭圆形或规则多边形。

采用上述技术方案，根据需要增加其它的层次结构，即可分别获得下列投影屏：

(1)正投型普通投影屏：在屏幕主体的全息柱面透镜阵列一侧压一漫反射层，另一侧压一菲涅耳透镜层，并在菲涅耳透镜层外侧压一高反射层，即可获得所需的正投型普通投影屏。其中，屏幕主体可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜；高反射层可以采用SiO₂、TiO₂或ZnS等。

(2)背投型普通投影屏：在屏幕主体一侧压一漫反射层，另一侧压一菲涅耳透镜层即可。屏幕主体可以为压制了全息柱面透镜阵列的刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。

(3)正投型3D投影屏：在该全息柱面透镜阵列结构基体层一侧通过利用粘合剂或本领域技术人员能想到的其它方法压一菲涅耳透镜层在全息柱面透镜阵列结构层上，并在菲涅耳透镜层另一侧通过粘合剂或本领域技术人员已知的其它技术层压一高反射层在菲涅耳透镜层上。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。该高反射层可以为SiO₂、TiO₂或ZnS等。对于3D投影屏，需要通过调整物光和参考光的夹角，拍二块母版，拼版的时候交替拼。

(4)背投型3D投影屏：在该全息柱面透镜阵列结构基体层一侧通过利用粘合剂或本领域技术人员能想到的其它方法压一菲涅耳透镜层在全息柱面透镜阵列结构层上。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。

上述具有全息柱面透镜结构的投影屏的制造方法，包括如下步骤：

(1)利用分束器将激光光束分为两路，一种作为物光，另一种作为参考光，物光经一柱面透镜和一散斑屏后，由透镜聚焦，与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上，使光刻胶板曝光，记录带有散斑信息结构的全息柱面透镜结构，其中，以柱面透镜焦距为F，散斑屏到柱面透镜的距离为L，光阑的孔径为d，均匀照射柱面透镜光束孔径为D，则0.8F≤L≤1.2F，1mm≤d≤0.2D，D＞10mm；

(2)利用照相快门的开闭控制光路，同时移动光刻胶板至下一位置进行曝光，重复上述过程，完成整个光刻胶板的曝光，获得带有散斑信息结构的全息柱面透镜阵列；可以通过激光全息光刻系统的计算机控制曝光时间、曝光量等，同时计算机通过驱动器控制二维平台的位移使光刻胶板在x方向和y方向的精确移动；

(3)对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版获得全息透镜阵列母版；

(4)采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备将所述母版转压至热塑材料上，获得具有柱面透镜结构的衍射投影屏的基体层；

(5)在基体层的另一侧表面复合菲涅尔透镜层，获得投影屏。

其中，所述的热塑材料为透明或半透明材料；可以是聚氯乙烯、聚碳酸酯、双向拉伸聚丙烯或透明聚酯薄膜。

进一步的技术方案，在基体层的全息柱面透镜阵列一侧表面镀制透明或半透明的保护层。

实现上述方法的制作系统，至少包括计算机、激光器、照相快门、分束器、柱面透镜、透镜、散斑屏、光阑、三维平台、驱动器和光刻胶板，其中，所述的激光器发出激光光束，所述激光光束通过分束器分为两路，一路获取透镜的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上；所述的照相快门置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板上的曝光；所述计算机控制照相快门的开闭、曝光量，和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相协调。

该系统还包括两个空间滤波器，所述的两个空间滤波器分别置于物光和参考光的光路中，对物光和参考光进行相应的滤波处理。所述的空间滤波器包括扩束镜和针孔，所述的扩束镜置于针孔的前端。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明采用全息柱面透镜与散斑屏相结合，控制出射光线竖直和水平方向的视场，从而压缩竖直方向视场、增大水平方向视场，获得了高亮度、大视场的全息投影屏。

2.通过配合菲涅尔透镜和不同的漫反射层或高反射层，可以用于实现正投、背投及3D投影，实现三维投影的成本低，适于工业化生产。

3.由于本发明的投影屏本具有高亮、清晰及透明的特点，对环境的要求不高，适合高端的消费场所。如：政府机关及主管部门、企事业单位集团消费的控制室、会议室、商业情报(咨询)中心、背投箱和视频墙、电教室；商业广告展示领域的展览场、大型购物中心；装饰与展示并重的名品店、专卖店、汽车4S店、橱窗展示、婚纱摄影、办公大楼和酒店大堂、餐厅；机场、车站、银行和其他人流密集地段的销售点的产品、商业信息的告示等；也适合追求时尚的人士做家庭影院使用。

                          附图说明

附图1为本发明实施例一的制作系统的光学结构示意图；

附图2为实施例一中的具体制作流程示意图；

附图3为实施例一获得的全息柱面透镜阵列排布示意图；

附图4为实施例一中正八边形的全息柱面透镜阵列示意图；

附图5为实施例一中正六边形的全息柱面透镜阵列示意图；

附图6为实施例一中圆形的全息柱面透镜阵列示意图；

附图7为实施例二的投影成象结构原理示意图；

附图8为实施例三的投影成象结构原理示意图；

附图9为实施例四中的视差原理示意图；

附图10为实施例四中的视差图片；

附图11为实施例四中的正投型3D投影屏投影成象结构原理示意图；

附图12为实施例四中的背投型3D投影屏投影成象结构原理示意图；

附图13为本发明应用示例示意图；

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

参见附图1，本实施例的制作系统包括：激光器1、照相快门2、分束器3、平面反射镜41、42、空间滤波器5包括扩束镜51和针孔52、透镜61、62、63、柱面镜7、条形散斑屏8、光阑91、92、光刻胶板10、驱动器11和计算机12。

激光器1发出的激光光束通过分束器3分为两路，一路经透镜61构成物光，另一路经透镜62作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板10上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器5，空间滤波器5包括扩束镜51和针孔52，扩束镜51置于针孔52的前端，两个空间滤波器5分别对物光和参考光进行相应的滤波处理，在物光的光路中透镜63起到对散斑成像作用。在物光与参考光的光路中设置光阑91、92，光阑分别对物光与参考光进行相应光束的限制。

为了能够克服不必要的光线浪费，制造出高亮度，大视场的全息投影屏。通过对柱面透镜和散斑屏的合理组合，来控制出射光线竖直和水平方向的视场，最终达到压缩竖直方向视场和增大水平方向上的视场。假定柱面透镜焦距为F，散斑屏的位置为L，光阑91的孔径为d，均匀照射柱面透镜光束孔径为D，则柱面透镜与散斑屏的关系为0.8F≤L≤1.2F，光阑91与均匀照射柱面透镜光束的关系为1mm≤d≤0.2D。

照相快门2置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板10上的曝光，计算机12通过驱动器控制照相快门2的开闭、曝光量和光刻胶板10的移动，使照相快门2的开闭和光刻胶板10的移动相协调。

如图1所示，物光光路如下：

激光器1→照相快门2→分束器3→平面反射镜42→空间滤波器5→透镜62→柱面镜7→散斑屏8→透镜63→光阑92→光刻胶板10

参考光光路如下：

激光器1→照相快门2→分束器3→平面反射镜41→空间滤波器5→透镜61→光阑91→光刻胶板10

参见附图2，本实施例的具体制作流程如下：

1.采用自动控制激光全息光刻系统在光刻胶板10上记录柱面透镜结构的全息透镜阵列，包括：

(1)激光器1发出激光光束，激光光束通过分束器3分为两路，一路经透镜61构成物光，另一路经透镜62作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板10上曝光。

(2)计算机12通过驱动器控制照相快门2的开闭和光刻胶板10的移动，使照相快门2的开闭和光刻胶板10的移动相协调，在光刻胶板10上均匀地记录全息柱面透镜阵列的信息。计算机12可以通过激光全息光刻系统控制曝光时间、曝光量等，同时，计算机12通过驱动器控制二维平台的位移使光刻胶板10在x方向和y方向精确移动。

(3)每次在一个位置曝光后，计算机12通过驱动器控制二维平台进行位移使光刻胶板10移动至下一个位置，再进行曝光，如此循环，在光刻胶板10上均匀地记录全息柱面透镜阵列。

2.对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版产生全息透镜阵列母版。

通常采用LIGA(光刻-电铸)工艺，便于母版复制，具体工艺流程是，先对光刻胶浮雕表面进行金属化处理，生产电极，然后置于电铸槽中，用电铸方式在光刻胶上沉积成一定厚度的金属镍版，与光刻胶分离，金属镍板上形成了浮雕结构，形成金属镍母版，再用母版翻铸金属工作版。

3.采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备制造具有像面全息结构的投影屏。采用微纳米压印技术可以加工透明热塑材料，例如聚氯乙烯(PVC：PolyrinylChloride)、聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)或双向拉伸聚丙烯(BOPP：BiaxialOrlentedPlypropylene)等；采用精密薄膜模压设备制造可以加工透明聚酯(PET：Polyester)或BOPP薄膜，在实际生产工艺中，可将平面工作版包裹在模压滚筒上，对PET或者BOPP进行连续滚动模压复制，制作薄膜全息屏。

4.在模压后的热塑材料的具有像面全息结构的投影屏上镀保护层，保护层可采用透明或半透明介质保护层，如硫化锌ZnS或二氧化硅SiO₂等。

参见附图3所示，为本实施例获得的全息柱面透镜阵列排布示意图。全息透镜以纵、横方向均匀排布屏幕体上，且全息透镜以邻接方式排布于屏幕体上，制作时，只需使计算机12通过驱动器控制二维平台的位移使光刻胶板10在x方向和y方向的精确移动与照相快门2的开闭相协调即可。附图3中的全息柱面透镜在屏幕体中的形状为正方形，可以通过选择光阑91和92的入射截面形状以获取相应的全息透镜形状，光阑91和92的入射截面形状采用圆形，则全息透镜在屏幕体中的形状为圆形，参见附图3、4、5、6所示，全息柱面透镜在屏幕体中的形状分别为正方形、正八边形、正六边形和圆形，相对于圆形或椭圆形，正方形和正六边形等规则多边形可取得更高的占空比，对于占空比的选择，可以根据实际应用的需要进行选取。

实施例二：正投型普通投影屏。

参见附图7所示，正投型普通投影屏的组成结构包括：屏幕主体13、全息柱面透镜阵列结构14、菲涅耳透镜层15、高反射层16、漫反射层17。

正投型普通投影屏，在屏幕主体一侧表面上压制有全息柱面透镜阵列，另一侧表面利用粘合剂或本领域技术人员已知的其它方法压一菲涅耳透镜层，并通过粘合剂或本领域技术人员已知的其它技术层压一高反射层在菲涅耳透镜层上，在该全息柱面透镜阵列表面通过利用粘合剂或本领域技术人员已知的其它方法压一漫反射层。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。该高反射层可以为SiO₂、TiO₂或ZnS等。

实施例三：背投型普通投影屏。

参见附图8所示，背投型普通投影屏的组成结构包括：屏幕主体13、全息柱面透镜阵列结构14、菲涅耳透镜层15、漫反射层17。

背投型普通投影屏，在屏幕主体一侧表面上压制有全息柱面透镜阵列，另一侧表面利用粘合剂或本领域技术人员已知的其它方法压一菲涅耳透镜层，在该全息柱面透镜阵列表面通过利用粘合剂或本领域技术人员能想到的其它方法压一漫反射层。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。但此处的全息柱面透镜阵列结构层的结构与正投型普通投影屏的全息柱面透镜阵列结构层的结构不同。

实施例四：

参见附图9所示，为本发明中立体成像的原理图。

投影机向屏幕体投射的画面中，画面信息是由按同一编码的一系列体视对信息构成，如图10所示，在同一编码中对应多个体视对信息，通过投影屏幕定向衍射使左视图和右视图分别分配给左右眼，以达到视觉系统的立体融合得到立体显示效果。

如附图11所示，背投型3D投影屏有三层结构组成：全息柱面透镜阵列结构基体层、菲涅耳透镜层、高反射层。

正投型3D投影屏，在该全息柱面透镜阵列结构基体层一侧通过利用粘合剂或本领域技术人员能想到的其它方法压一菲涅耳透镜层在全息柱面透镜阵列结构层上，并在菲涅耳透镜层另一侧通过粘合剂或本领域技术人员已知的其它技术层压一高反射层在菲涅耳透镜层上。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。该高反射层可以为SiO₂、TiO₂或ZnS等。但此处的全息柱面透镜阵列结构层的结构与普通投影屏的全息柱面透镜阵列结构层的结构又不同。

如图12所示，背投型3D投影屏有二层结构组成：全息柱面透镜阵列结构基体层、菲涅耳透镜层。

背投型3D投影屏，在该全息柱面透镜阵列结构基体层一侧通过利用粘合剂或本领域技术人员能想到的其它方法压一菲涅耳透镜层在全息柱面透镜阵列结构层上。全息柱面透镜阵列结构基体层可以为刚性的或柔性的透明或半透明的薄板或薄膜。但此处的全息柱面透镜阵列结构层的结构与正投型3D投影屏的全息柱面透镜阵列结构层的结构不同。

本实施例的一典型应用方式如图13所示，对于采用透明或半透明的屏幕体，以屏幕体为界，相对于观察位置的一侧，在屏幕体的另一侧安放特定的实物，这样无论是使用正面投影机还是背面投影机，从观察位置看见投影画面的同时，总是能看见屏幕体后面的实物，投影机的投影光源的光线却不会直接进入人眼影响观察效果，这是其它投影屏所不具备的特性，本发明中的观察方向和投射方向之间夹角的存在，使得看见投影画面的同时看见屏幕体后面的实物成为一种现实、新颖的观察效果，通过控制观察方向的角度，所成影像(画面)可使人感觉漂浮于半空中，给观察者带来了一个新鲜、且具有冲击力的印象。

Claims (6)

1.一种具有全息柱面透镜结构的投影屏，包括屏幕主体，设置于屏幕主体一侧表面的菲涅尔透镜层，设置于屏幕主体另一侧表面的全息柱面透镜阵列层，其特征在于：所述全息柱面透镜阵列上附带有散斑信息结构，所述散斑信息结构是以经过全息柱面透镜和散斑屏的出射光为物光，与参考光干涉成像获得的，全息柱面透镜阵列及附带于其上的散斑信息结构由其制备光路条件限定，制备时，以柱面透镜焦距为F，散斑屏到柱面透镜的距离为L，光阑的孔径为d，均匀照射柱面透镜光束孔径为D，则0.8F≤L≤1.2F，1mm≤d≤0.2D，D＞10mm。

2.根据权利要求1所述的具有全息柱面透镜结构的投影屏，其特征在于：所述全息柱面透镜阵列沿纵横方向，以邻接方式排布于屏幕主体一侧表面。

3.根据权利要求2所述的具有全息柱面透镜结构的投影屏，其特征在于：在所述全息柱面透镜阵列层中每一全息柱面透镜的形状为圆形、椭圆形或规则多边形。

4.一种具有全息柱面透镜结构的投影屏的制造方法，包括如下步骤：

(1)利用分束器将激光光束分为两路，一种作为物光，另一种作为参考光，物光经一柱面透镜和一散斑屏后，由透镜聚焦，与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上，使光刻胶板曝光，记录带有散斑信息结构的全息柱面透镜结构，其中，以柱面透镜焦距为F，散斑屏到柱面透镜的距离为L，光阑的孔径为d，均匀照射柱面透镜光束孔径为D，则0.8F≤L≤1.2F，1mm≤d≤0.2D，D＞10mm；

(2)利用照相快门的开闭控制光路，同时移动光刻胶板至下一位置进行曝光，重复上述过程，完成整个光刻胶板的曝光，获得带有散斑信息结构的全息柱面透镜阵列；

(3)对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版获得全息透镜阵列母版；

(4)采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备将所述母版转压至热塑材料上，获得具有柱面透镜结构的衍射投影屏的基体层；

(5)在基体层的另一侧表面复合菲涅尔透镜层，获得投影屏。

5.根据权利要求4所述的具有全息柱面透镜结构的投影屏的制造方法，其特征在于：所述的热塑材料为透明或半透明材料。

6.根据权利要求4所述的具有全息柱面透镜结构的投影屏的制造方法，其特征在于：在基体层的全息柱面透镜阵列一侧表面镀制透明或半透明的保护层。

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