CN101034252A - 一种具有像面全息结构的投影屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有像面全息结构的投影屏，其特征在于：在投影屏幕主体上附着有像面全息信息，所述像面全息信息为在投影屏幕的竖直方向上带有延展趋势的散斑结构，定义组成散斑的微小衍射颗粒结构在竖直方向为长径L，在水平方向为短径W，则1.5W≤L≤10W。本发明同时公开了采用二步成像法制备所述投影屏的方法。本发明的投影屏具有高亮、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使用；也适合追求时尚的人士做家庭影院使用。

Description

一种具有像面全息结构的投影屏

                        技术领域

本发明涉及一种投影装置的部件，具体涉及一种具有像面全息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。

由于基于传统光学漫反射原理，上述几种投影屏幕都不透明，观察者无法透过屏幕看到屏幕后的物体；同时，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；且投影质量受到周边环境亮度的影响。

                        发明内容

本发明目的是提供一种具有透明度、高清晰、耐强光等特点的投影屏，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：一种具有像面全息结构的投影屏，在投影屏幕主体上附着有像面全息信息，所述像面全息信息为在投影屏幕的竖直方向上带有延展趋势的散斑结构，定义组成散斑的微小衍射颗粒结构在竖直方向为长径L，在水平方向为短径W，则1.5W≤L≤10W。

上述技术方案中，构成所述像面全息信息的散斑结构由均匀分布于投影屏幕上的散斑结构阵列构成，所述阵列中的每一像素均为所述的竖直方向上带有延展趋势的散斑结构。

提高投影屏的亮度，并使其对使用环境要求不高，本技术方案采用在竖直方向上有一定趋势的散班屏使其制作的投影屏在竖直方向对光线有一定的压缩。

根据图1所示，若把投影屏纵向分成2n块大像素组，投影屏第i块的入射角为θ_i可以根据以下方程得到：

tanθ_i＝((i-n)*l+L/tan(β))/L

根据θ_i角，我们可以得出制作光路中，入射角，再现角的角度。

为使其适合工业化制作，如附图2所示，对整个投影屏分成的每一像素块采用相同的最佳再现光角度。理论上投影仪的照射角度符合每一像素块的最佳再现光角度时其投影效果最好，而在实际制作中，投影屏属于薄全息，对角度的选择性不是特别敏感，所以投影仪的照射角度不完全符合每一像素块的最佳再现光角度对整体效果影响并不是很大。

上述具有像面全息结构的投影屏的制作方法，包括如下步骤：

(1)采用二步拍摄法在光刻胶板上记录像面全息的信息；

第一步：激光器发出激光光束通过分束器分为两路，一路作为物光，另一路作为参考光，物光经过散斑屏与参考光汇射于光刻胶板上曝光，获得第一光刻胶板；

第二步：激光器发出激光光束，激光光束通过分束器分为两路，一路作为第一光刻胶板的再现光，另一路作为参考光，从第一光刻胶板上产生的衍射光与参考光汇射于光刻胶板上曝光获得第二光刻胶板，再现光与第一光刻胶板中的物光互为共轭光，第一光刻胶板的像成在第二步中光刻胶板放的位置；

(2)对曝光后的第二光刻胶板进行显影，电铸、拼版，获得具有像面全息结构的母版；

(3)用步骤(2)获得的模板在热塑材料或薄膜上压制获得具有像面全息结构的投影屏。

上述技术方案中，所述的“在热塑材料或薄膜上压制”可以采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备实现。热塑材料或薄膜为透明或半透明材料可以选用聚氯乙烯、聚碳酸酯、双向拉伸聚丙烯或透明聚酯薄膜等。

进一步的技术方案，在获得的投影屏表面镀制透明或半透明介质的保护层，可以是单面镀层，也可以是双面镀层。

上述技术方案中，在步骤(1)的第一步和第二步中，分别在物光和参考光光路中设置空间滤波器，对物光和参考光进行滤波处理。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。

采用上述方法的具有像面全息结构的投影屏制作系统，至少包括激光器、照相快门、分束器、透镜、散斑屏和光刻胶板。其中，第一步中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第一光刻胶板上；所述的照相快门置于激光光束前端。第二步中所述激光光束通过分束器分为两路，一路为再现光，另一路作为参考光，所述第一光刻胶板的衍射光与参考光以一夹角汇射于第二光刻胶板上；所述的照相快门置于激光光束前端。

该系统还包括四个空间滤波器，其中两个空间滤波器分别置于第一步中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，另为两个空间滤波器分别置于第二步中再现光和参考光的光路中，对再现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。

上述制作方法的一种变例是，采用如下步骤：

1)采用全息拍摄法在光刻胶板上记录散斑屏的像信息。

2)采用自动控制激光全息光刻系统在光刻胶板上记录像面全息结构的阵列。

3)对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版产生像面全息结构阵列母版。

4)采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备制造具有像面全息结构的衍射投影屏。

所述的步骤1)包括如下步骤：

激光器发出激光光束，激光光束通过分束器分为两路，一路作为物光，另一路作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光记为H₁。

所述的步骤2)包括如下步骤：

21)激光器发出激光光束，激光光束通过分束器分为两路，一路作为物光，另一路作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光。

22)计算机通过驱动器控制照相快门的开闭和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调。在光刻胶板上均匀地记录像面全息阵列的信息，在本发明中，计算机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。

所述的步骤4)中，所述的热塑材料或薄膜为透明或半透明材料。所述的热塑材料可为聚氯乙烯、聚碳酸酯或双向拉伸聚丙烯等。所述的薄膜可以采用透明聚酯薄膜。

所述的步骤4)之后还包括如下步骤5)在模压后的全息柱面透镜阵列结构层基体上镀保护层。

所述的步骤5)中，所述的保护层为透明或半透明介质保护层。

其制作系统至少包括计算机、激光器、相快门、分束器、透镜、条形散斑屏、光阑、三维平台、驱动器和光刻胶板，其中，第一步，激光器发出激光光束，激光光束通过分束器分为两路，一路作为物光，另一路作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光记为H₁。第二步所述的激光器发出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谐调。

该系统还包括四个空间滤波器，所述的四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.本发明的投影屏由于在屏幕主体上采用了具有竖直方向趋势的散斑结构，可以压缩竖直方向的视角，从而提高光的利用率，在观察方向成像亮度高，克服了不必要的光浪费。

2.由于散斑像面全息结构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.由于采用了散斑结构，获得的投影屏具有消色差的效果，能够较好地实现图像的再现。

4.本发明的投影屏由于具有高亮、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为本发明制作不同像素组投影屏的示意图；

附图2为本发明制作同一像素组投影屏的示意图；

附图3为本发明实施例一制作系统第一步光学结构示意图；

附图4为实施例一制作系统第二步光学结构示意图；

附图5为实施例二中的制作系统光学结构示意图；

附图6为实施例一的制作流程示意图；

附图7为实施例一中在热塑料材料上的具体制作流程示意图；

附图8为实施例一中在薄膜上的具体制作流程示意图；

附图9为本发明像面全息阵列排布示意图；

附图10为本发明像面全息阵列在屏幕体中的(八边形)形状示意图；

附图11为本发明像面全息阵列在屏幕体中的(正六边形)形状示意图；

附图12为本发明像面全息阵列在屏幕体中的(圆形)形状示意图；

附图13为实施例一中卷对卷的压印方式示意图；

附图14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3所示，本实施例的第一步制作系统包括：激光器11、照相快门12、分束器13、平面反射镜141、142、143、144、空间滤波器15包括扩束镜151和针孔152、散斑屏16、透镜17和第一光刻胶板(H₁)18。

如图3所示，激光器11发出激光光束，激光光束通过分束器13分为两路，一路获取散斑屏16的物光，另一路获取透镜17作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板18上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器15，空间滤波器15包括扩束镜151和针孔152，扩束镜151置于针孔152的前端，两个空间滤波器15分别对物光和参考光进行相应的滤波处理。

其中，物光光路如下：

激光器11→照相快门12→分束器13→平面反射镜142→平面反射镜143→空间滤波器152→散斑屏16→光刻胶板18

参考光光路如下：

激光器11→照相快门12→分束器13→平面反射镜141→平面反射镜144→空间滤波器151→透镜17→光刻胶板18

参见附图4所示，本实施例的第二步制作系统包括：激光器21、照相快门22、平面反射镜231、232、233、分束器24、空间滤波器25包括扩束镜251和针孔252、透镜26、第一光刻胶板(H₁)18和第二光刻胶板(H₂)27。

如图4所示，激光器21发出激光光束，激光光束通过分束器24分为两路，一路获取透镜26作为H₁的再现光，另一路作为参考光，H₁的衍射光与参考光以一夹角汇射于第二光刻胶板27上，在再现光与参考光的光路中均设置空间滤波器25，空间滤波器25包括扩束镜251和针孔252，扩束镜251置于针孔252的前端，两个空间滤波器25分别对物光和参考光进行相应的滤波处理。其中H₁再现的像的位置在光刻胶板H₂面上，满足像面全息的要求已达到消色差的目的。

再现光光路如下：

激光器21→照相快门22→平面反射镜231→分束器24→平面反射镜232→空间滤波器25→透镜26→光刻胶板18→光刻胶板27

参考光光路如下：

激光器21→照相快门22→平面反射镜231→分束器24→平面反射镜233→空间滤波器25→光刻胶板27

具体制作流程如下：

1、激光器11发出激光光束，激光光束通过分束器13分为两路，一路获取散斑屏16的物光，另一路获取透镜17作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板18上曝光。

2、激光器21发出激光光束，激光光束通过分束器24分为两路，一路获取透镜26作为H₁的再现光，另一路作为参考光，H₁的衍射光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板27上曝光。

3、通常采用LIGA(光刻-电铸)工艺，便于母板复制，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。

4、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利用透明热塑材料，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，参见附图7所示。采用精密薄膜模压设备制造可以采用透明聚酯(PET：Polyester)或BOPP薄膜，参见附图8所示。其中在实际生产工艺中，可以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，如附图13所示。

5、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。

实施例二：

根据附图3和附图5所示，本实施例的制作系统包括：激光器11、照相快门12、分束器13、平面反射镜141、142、143、144、空间滤波器15包括扩束镜151和针孔152、散斑屏16、透镜17、第一光刻胶板(H₁)18、激光器31、照相快门32、分束器33、平面反射镜341、342、、空间滤波器35包括扩束镜351和针孔352、透镜361、362、H₁37、光阑381、382、光刻胶板39、驱动器310和计算机311。

如图3所示，激光器31发出激光光束，激光光束通过分束器33分为两路，一路获取透镜362的物光，另一路获取透镜361作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板39上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器35，空间滤波器35包括扩束镜351和针孔352，扩束镜351置于针孔352的前端，两个空间滤波器35分别对物光和参考光进行相应的滤波处理，在物光与参考光的光路中均设置光阑381和382，两个光阑分别对物光和参考光进行相应光束的限制。其中在第二步中H₁的再现光为第一步中物光的共轭光，第二部中光刻胶板的位置在H₁的像的位置。

如图5所示，照相快门32置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板39上的曝光，计算机311通过驱动器控制照相快门2的开闭、曝光量，和光刻胶板39的移动，使照相快门2的开闭和光刻胶板39的移动相谐调。

如图5所示，物光光路如下：

激光器31→照相快门32→分束器33→平面反射镜342→空间滤波器35→透镜362→光刻胶板H₁37→光阑381→光刻胶板39

参考光光路如下：

激光器31→照相快门32→分束器33→平面反射镜341→空间滤波器35→透镜361→光阑382→光刻胶板39

如图3和图5所示，基本制作流程如下：

1)采用全息拍摄法在光刻胶板上记录散斑屏的像信息。

2)采用自动控制激光全息光刻系统在光刻胶板上记录像面全息结构的阵列。

3)对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版产生像面全息结构阵列母版。

4)采用微纳米压印技术或采用精密薄膜模压设备制造具有像面全息结构的衍射投影屏。

如图3，图5，图6和图7所示，具体制作流程如下：

1、激光器11发出激光光束，激光光束通过分束器13分为两路，一路获取散斑屏16的物光，另一路获取透镜17作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板18上曝光。

2、激光器31发出激光光束，激光光束通过分束器33分为两路，一路获取透镜362的物光，另一路获取透镜361作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板39上曝光。

3、计算机311通过驱动器控制照相快门32的开闭和光刻胶板39的移动，使照相快门32的开闭和光刻胶板39的移动相谐调。在光刻胶板39上均匀地记录像面全息阵列的信息，在本发明中，计算机311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方向的精确移动。

4、通过自发研发的激光全息光刻程序使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的位移来控制光刻胶板10移动至下一个位置，再进行曝光，如此循环，在光刻胶板10上均匀地记录像面全息阵列，形成如图7所示的形态。

5、对曝光后的光刻胶板进行显影，电铸、拼版制作大幅面全息柱面透镜阵列母板。

6、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利用透明热塑材料，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采用透明聚酯(PET：Polyester)或BOPP薄膜。其中在实际生产工艺中，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。如图13

7、在模压后的热塑材料的全息柱面透镜阵列上镀保护层，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，也可以采用金属反射材料保护层(如镀铝、铜等)，最后取得如图8所示的，以热塑材料为基低材料的屏幕体，该屏幕体上附设全息柱面透镜阵列信息。

在本发明中，如图9所示，像面全息阵列均匀排布屏幕体上，且以邻接方式排布于屏幕体上，只需要在步骤2和步骤3中，使计算机311通过驱动器控制二维平台的位移使光刻胶板39在x方向和y方向的精确移动与照相快门32的开闭相谐调即可。图7中的全息柱面透镜在屏幕体中的形状为正方形，本发明可以通过选择光阑381和382的入射截面形状以获取相应的形状，光阑381和92的入射截面形状采用圆形，则像面全息阵列在屏幕体中的形状为圆形，图9和图11所示，像面全息阵列在屏幕体中的形状分别为正方形和正六边形，相对于圆形或椭圆形，正方形和正六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。

本发明的一典型应用方式如图14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)

1.一种具有像面全息结构的投影屏，其特征在于：在投影屏幕主体上附着有像面全息信息，所述像面全息信息为在投影屏幕的竖直方向上带有延展趋势的散斑结构，定义组成散斑的微小衍射颗粒结构在竖直方向为长径L，在水平方向为短径W，则1.5W≤L≤10W。

2.根据权利要求1所述的具有像面全息结构的投影屏，其特征在于：构成所述像面全息信息的散斑结构由均匀分布于投影屏幕上的散斑结构阵列构成，所述阵列中的每一像素均为所述的竖直方向上带有延展趋势的散斑结构。

3.一种权利要求1所述的具有像面全息结构的投影屏的制作方法，包括如下步骤：

(1)采用二步拍摄法在光刻胶板上记录像面全息的信息；

第一步：激光器发出激光光束通过分束器分为两路，一路作为物光，另一路作为参考光，物光经过散斑屏与参考光汇射于光刻胶板上曝光，获得第一光刻胶板；

第二步：激光器发出激光光束，激光光束通过分束器分为两路，一路作为第一光刻胶板的再现光，另一路作为参考光，从第一光刻胶板上产生的衍射光与参考光汇射于光刻胶板上曝光获得第二光刻胶板，再现光与第一光刻胶板中的物光互为共轭光，第一光刻胶板的像成在第二步中光刻胶板放的位置；

(2)对曝光后的第二光刻胶板进行显影，电铸、拼版，获得具有像面全息结构的母版；

(3)用步骤(2)获得的模板在热塑材料或薄膜上压制获得具有像面全息结构的投影屏。

4.根据权利要求3所述的具有像面全息结构的投影屏的制作方法，其特征在于：在步骤(3)之后，进一步在获得的投影屏表面镀制透明或半透明介质的保护层。

5.根据权利要求3所述的具有像面全息结构的投影屏的制作方法，其特征在于：在步骤(1)的第一步和第二步中，分别在物光和参考光光路中设置空间滤波器，对物光和参考光进行滤波处理。

6.根据权利要求5所述的具有像面全息结构的投影屏的制作方法，其特征在于：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。

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