CN101030028A - 一种新型衍射投影屏及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型衍射投影屏，包括屏幕主体及覆盖于屏幕主体表面的防护层，其特征在于：所述屏幕主体由透明或半透明材料构成，其上分布全息像素单元，单元的点阵结构是基于散斑的像面全息。通过激光分束及毛玻璃成像，以及利用压印技术，可以获得本发明的投影屏。本发明获得的投影屏实现了全息投影，不受环境光干扰、高亮度、高清晰；并突破了传统投影光学理念，创造性地将全息光学投影引入投影屏幕制造领域。

Description

一种新型衍射投影屏及其制造方法

                          技术领域

本发明涉及一种投影装置的部件，具体涉及一种通过散斑全息结构产生衍射效果的衍射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。

投影屏根据屏幕对投影机光线的反射方式会不同可分为回射型、反射型和漫射型。根据屏幕材质的不同可分为白色粗面屏幕、玻璃珠球面屏幕、珠光面屏幕和银面屏幕等。这些当今市场上的主流屏幕都有以下的不足之处：

(1)抗干扰度低：对周围环境光线敏感，不能在光线明亮的地方使用，无法实现较高的增益，如白色粗面屏幕增益约为1.0左右，玻璃珠球面屏幕增益约为1.5～2.5；

(2)不透明：传统屏幕多基于传统光学漫反射原理，观察者无法透过屏幕看到屏幕后的物体；

(3)画面对比度较差：传统屏幕在图像还原过程中，由于光线大面积散射，造成大量光线浪费，使图像对比度下降，图像还原不自然，图像亮度降低，这种情况下要提高画面的对比度，只能提高投影机的光输出，对投影机的要求就要提高，成本就会增加；

(4)不利于保护眼睛：传统投影屏幕只能在光线较暗的环境中使用，从人体工学的原理来看，不利于保护眼睛。

综上所述，随着市场应用的不断深入，原有的投影屏幕已不能满足应用的要求，在使用功能上就需要有一种具有透明、高清晰、耐强光、超轻薄、抗老化、保护视力等功能的新型投影屏幕。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种具有透明、高清晰、耐强光等特点的投影屏以及制作该投影屏幕的系统和方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型衍射投影屏，包括屏幕主体及覆盖于屏幕主体表面的防护层，所述屏幕主体由透明或半透明材料构成，其上分布全息像素单元，单元的点阵结构是基于散斑的像面全息信息。

上述技术方案中，所述屏幕主体材料通常采用透明或半透明的热塑料或薄膜，可以选用聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：PolyrinylChloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)或聚烯(BOPP：Biaxial Orlented Plypropylene)等；所述防护层可以设于屏幕主体一侧，也可以分别设置于屏幕主体两侧，防护层可以通过镀覆构成透明或半透明状，防护层材料可以是二氧化硅(SiO₂)、硫化锌(ZnS)、氧化镁(MgO)等，也可以是金属或金属合金如铝(Al)、铜(Cu)、铝铜合金(Al-Cu)、镁铝合金(Mg-Al)等；防护层也可以采用玻璃或毛玻璃构成。

上述技术方案中，所述散斑像面全息信息以整幅面的形式分布于屏幕体上。

或者，所述散斑像面全息信息由多个散斑图像以点阵的形式分布于屏幕体上构成。

所述点阵结构中的每一散斑图像为圆形、椭圆形或多边形结构，相邻散斑图像以邻接或部分重合方式排列。其中的多边形结构可以是矩形、三角形、六边形、八边形、梯形等各种图形。

上述衍射投影屏的制造方法，包括如下步骤：

(1)在光刻胶板上记录散斑的像面全息点阵；

(2)对曝光后的光刻胶板进行显影、定影、电铸、拼板等处理，制作出投影屏幕母板；

(3)采用所述的母板对热塑料或薄膜进行模压，获得屏幕主体；

(4)在屏幕主体表面复合防护层。

进一步的技术方案，其中所述步骤(1)包含以下步骤：

(1a)激光光束经过分束器分为两束，一束作为毛玻璃的照明光，从而产生散斑物光，另一束作为参考光，两束光经过光阑后以一定夹角汇聚于光刻胶板上曝光，所述夹角大于0°小于90°；

(1b)通过计算机控制曝光器和二维平台干板支架，使曝光器的开闭与二维平台的移动相匹配，在光刻胶板上均匀记录散斑的像面全息点阵。

本发明的衍射投影屏的制作系统，至少包含计算机，激光器，毛玻璃，透镜组，透镜，曝光器，分束器，衰减片，滤波器，二维平台和光刻胶记录板等。

所述的计算机控制曝光器和二维平台，激光器发出激光光束，分束器将激光分为两束，一束作为毛玻璃照明光，产生散斑的物光，另一束作为参考光，两束光经过光阑后以一定夹角汇聚于光刻胶板上曝光，夹角可以取在0°与90°之间的任意值(两端点除外)。毛玻璃用于产生散斑场；透镜组将毛玻璃产生的散斑场成像在光刻胶板上；曝光器放置于激光光束的前端，控制物光和参考光在记录面上曝光；二维平台用于装载光刻胶板；滤波器分别放置于物光和参考光路中，对物光和参考光进行滤波处理。

本发明提供的投影屏幕有如下优点：半透明塑料或薄膜型：同时具有透光和投影功能。屏幕轻巧，易于安装维护。

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.本发明的投影屏由于在屏幕主体上采用了散斑结构，与传统光学投影不同，可以被称为全息投影，全息投影屏具有倾斜照明、正出射成像的效果；同时，在制作过程中，通过调整光光阑大小和光束夹角，可以调整散斑结构形状，从而改变投影屏的光线的出射视场，出射光的范围被约束在一定范围内，即，在所需的视角范围内，本发明投影屏的成像亮度高，克服了不必要的光浪费。

2.由于全息衍射投影屏需要比较严格的再现条件，环境光不满足再现条件，因此，本发明的投影屏可以在普通光线环境下获得较高的增益和对比度，既防止外界光线干扰，从人体工学和人体生理学来说，也更有利于保护观察者的视力。

3.本发明的屏幕主体为浮雕型结构，采用微纳米压印技术能进行超大幅面的批量复制，以降低制作成本。

4.由于成功运用了全息光学中像面全息原理，使屏幕的线模糊、色模糊量接近零，从而使投影图像色彩真实逼真。

5.通过调整观察角度，观众在看到屏幕上图像的同时能够透过屏幕看到后面的图像，而且，所成画面使人感觉浮于半空当中，有较好的立体效果。

                          附图说明

附图1为本发明实施例一的制作系统的示意图；

附图2为本发明实施例一的制作工艺流程图；

附图3为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵圆形排列示意图；

附图4为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵椭圆形排列示意图；

附图5为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵矩形排列示意图；

附图6为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵六边形排列示意图；

附图7为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵三角形排列示意图；

附图8为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵梯形排列示意图；

附图9为本发明实施例二获得的散斑像面全息点阵八边形排列示意图；

附图10为本发明实施例三获得的散斑像面全息信息整幅面分布示意图；

附图11为本发明的投影角度选择性光学原理示意图；

附图12为本发明的投影屏幕两侧加防护层示意图

附图13为本发明的背投影使用示意图；

附图14为本发明的正投影使用示意图。

                        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，为本发明实施例一的制作系统的示意图，包括激光器、计算机、曝光器1、光阑11、12、分束器2、全反镜31、32、滤波器41、42、透镜51、52、毛玻璃6、透镜组7、记录光刻胶板9。

如图1所示，激光器发出的光束，经过分束器2分为两路，一路获得毛玻璃6的散斑物光，经过透镜组7成像于记录光刻胶板9上；另一路经过透镜51和光阑11后作为参考光，两束光以一定的夹角的汇聚于记录光刻胶板9上。在物光和参考光中分别设置滤波器41、42，对物光和参考光进行相应的滤波处理。在记录光刻胶板9上，散斑的像面的大小8和参考光束的光斑的大小严格一致并重合。曝光器1放置于激光光束的前端，控制物光和参考光在记录面9上曝光。

其中，物光光路：

激光器→曝光器1→分束器2→全反镜32→滤波器41→透镜51→

光阑12→毛玻璃6→透镜组7→光刻胶板9(装载在二维平台上)。

参考光光路：

激光器→曝光器1→分束器2→全反镜31→滤波器42→透镜52→

光阑11→光刻胶板9(装载在二维平台上)。

如图1和图2所示，本发明的具体制作过程如下：

(1)激光器发出光束，经过分束器2分为两路，一路获得毛玻璃6的散斑物光，经过透镜组7成像于记录光刻胶板9上；另一路经过透镜51和光阑11后作为参考光，两束光以一定的夹角的汇聚于记录光刻胶板9上。

(2)由计算机控制曝光器1的开闭与二维平台的移动相匹配，在光刻胶板9上均匀记录散斑的像面全息点阵。

(3)对曝光后的光刻胶板进行显影、定影、电铸、拼板等处理制作出投影衍射屏母板。

(4)采用该母板对热塑料进行模压，热塑料是透明或半透明材料，可以选用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、丙烯酸(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。

(5)在模压后的散斑像面全息点阵上镀防护层。

实施例二：采用实施例一的制作系统和方法，改变光阑11和光阑12的形状，可以使得屏幕体上散斑像面全息点阵形状表现为圆形、椭圆形、矩形、六边形、三角形、梯形、八边形，从而改变图形占空比。获得的点阵形状示意图参见附图3～附图9。

实施例三：参见附图10所示，采用实施例一的制作系统和方法，取消光阑，可以获得散斑像面全息信息成整幅面分布的屏幕主体。

本发明的投影光线的角度选择性如图11所示，衍射投影屏幕体上精密的点阵结构具有对投影光线的选择性，通过点阵结构形状的调整，可以改变投影光线的出射视场，同时由于环境光线不满足再现条件而被忽略，所以在明亮环境下也可以获得较高增益，仍可以正常使用。

本发明的衍射投影屏幕的防护层结构如图12所示，防护层101和防护层102为透明或半透明的同等或不同材质，例如二氧化硅(SiO₂)、硫化锌(ZnS)、氧化镁(MgO)等，也可以是金属或金属合金如铝(Al)、铜(Cu)、铝铜合金(Al-Cu)、镁铝合金(Mg-Al)等。

本发明的使用示意图如图13、图14所示，投影机向屏幕投影分为正投衍射型和背投衍射型。观察者的观察方向和投射方向有一个明显的夹角，可以根据实际需要隐藏投影机。衍射投影屏的增益、色彩还原度等指标均高于当前的主流投影屏幕。

Claims (6)

1.一种新型衍射投影屏，包括屏幕主体及覆盖于屏幕主体表面的防护层，其特征在于：所述屏幕主体由透明或半透明材料构成，其上分布全息像素单元，单元的点阵结构是基于散斑的像面全息信息。

2.根据权利要求1所述的衍射投影屏，其特征在于：所述散斑像面全息信息以整幅面的形式分布于屏幕体上。

3.根据权利要求1所述的衍射投影屏，其特征在于：所述散斑像面全息信息由多个散斑图像以点阵的形式分布于屏幕体上构成。

4.根据权利要求3所述的衍射投影屏，其特征在于：所述点阵结构中的每一散斑图像为圆形、椭圆形或多边形结构，相邻散斑图像以邻接或部分重合方式排列。

5.权利要求1所述衍射投影屏的制造方法，包括如下步骤：

(1)在光刻胶板上记录散斑的像面全息点阵；

(2)对曝光后的光刻胶板进行显影、定影、电铸、拼板等处理，制作出投影屏幕母板；

(3)采用所述的母板对热塑料或薄膜进行模压，获得屏幕主体；

(4)在屏幕主体表面复合防护层。

6.根据权利要求5所述的衍射投影屏的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)包含以下步骤：

(1a)激光光束经过分束器分为两束，一束作为毛玻璃的照明光，从而产生散斑物光，另一束作为参考光，两束光经过光阑后以一定夹角汇聚于光刻胶板上曝光，所述夹角大于0°小于90°；

(1b)通过计算机控制曝光器和二维平台干板支架，使曝光器的开闭与二维平台的移动相匹配，在光刻胶板上均匀记录散斑的像面全息点阵。

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