CN101124515A - 在背景光下工作的投影接收面 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可以作为投影屏的宽带投影接收面。这种表面即使在强背景光下也能提供高增益，防止眩光和散斑，提供高对比度，保留灰度级线性，提供亮度均匀性，提供快速角度截止，保留偏光，并且具有在大光谱范围内工作的性能。这些结果是根据一种生产方法获得的，此方法将用于制造超大波长形态(外形)的工艺过程有目的的划分成用于子波长形态(光洁度)的材料工艺过程。

Description

在背景光下工作的投影接收面

技术领域

本发明总体上涉及投影接收面和制造该表面的方法，尤其涉及在强背景光下提供高对比度并且支持多幅同步图像的宽带投影屏。

背景技术

投影屏在强背景光下不具有很好的效果。观众所看到的屏幕图像和原始投影图像有显著的差异。对于投影图像的较差再现效果的衡量尺度，如在相关的观看图像中，可以是任何一种客观的、可量化的度量参数或其组合。即使使用普通室内光作为投影屏的照明，投影到屏幕上的图像质量的许多度量也会严重恶化。直射太阳光投射到屏幕上一般会整体破坏图像质量的每个度量。现有技术已经试图克服投影屏的度量恶化，但在剧烈的环境光条件下保持高质量的复杂问题目前仍然没有解决方案。尽管一些技术保持了一个或几个图像质量度量，但各种现有技术在强背景光下都无法保持高质量图像的整组度量水平参数。

下面评述当屏幕用于强背景光时，任意类型的现有技术尝试实现所有图像度量的良好水平时的困难。此评述设置了一个用于理解本发明的目标、唯一性和非显而易见的框架结构。

对于现有技术，很重要的一点是要记住在本评述中，尽管现有技术屏幕已经在一个或多个性能度量方面成功获得了合适的水平，但没有单个现有技术屏幕能够在暴露于强背景光的情况下同时成功地获得所有度量。该评述中，可应用的现有技术类型中仅有少数例子被用于阐释各类型中获得各个度量的所需水平的性能。这些例子不是过分详细。而是相应类型的代表性实例，并提供一种手段用于理解度量的单个和交互复杂性。

度量组不只包括屏幕图像的亮度参数。实际上，一旦图像亮度超过视觉阈值，优选使用一个有效的反射屏来获得，当屏幕上显示投影图像时，通过防止眩光和散斑，保持投影图像的对比度，保留灰度级线性，保持图像亮度均匀性，保真再现色调和色饱和度，同时保持原始投影图像的分辨率来监控其质量。此外，避免莫尔条纹，消偏光最小化，同时获得宽带性能在高性能屏幕上具有重要的价值。

现有技术的类型。上述参照现有技术对于在强背景光下获得高质量投影图像的需求的评述，把现有技术粗略分为三种类型：传统单一增益漫散射屏幕，基于衍射的屏幕，以及反折射结构(组合了反射和折射)或纯反射形态的增益增强屏幕。

传统单一增益投影屏门产生了一个包括屏幕前方整个半球的观看范围(观看者满意地看到屏幕上图像光的区域)。这是通过光漫射、光散射或两者结合获得的。屏幕的光洁度(表面粗糙度)，而不是屏幕的图案(形状)控制反射角的轮廓。从各个方向能看到明显和百分比相对固定的反射图像。具有这样的亮度轮廓的理论屏幕是朗伯屏幕，其把图像集合光同向散射到前半球。油漆、粉末、纸张、塑料和卷曲金属是近似于朗伯性能的典型的屏幕表面。如下所述，单一增益屏幕不适用于强背景光下的操作。

基于衍射的屏幕使用光波干扰现象来产生屏幕本身，或优选把反射光产生到观看范围，其具有或不具有下述增益。由于许多原因，基于衍射的屏幕不考虑用于强背景光下的操作。

增益增强的投影屏对于一些观看位置，比起单一增益屏幕对相同位置提供了更大的亮度。这是把朗伯范围内的一部分光改变方向从而添加到另一部分上的结果。其效果是投射光的大部分受投影屏表面元件的图案(形状)影响而改变方向(散射)。如图1的8所示，反折射屏幕系统使用折射过程和反射过程获得增强的增益。首先，入射投影光投射到偏转光路的折射层(透镜阵列、光学玻璃珠、棱镜等)。然后光到达第二层。该层把光从折射层反射回去，由此光入射到比朗伯屏幕更小的观看范围。(其他反折射系统的细节不同，但概念相同。)稍后讨论将揭示反折射屏幕在强背景光下获得高质量图像的缺陷。许多问题是由残留漫射区域产生的，尽管不能获得所需反射元件的图案来控制散射也是一个因素。

使用纯反射形态的增益增强投影屏在屏幕正面具有小散射单元阵列，用于把投影光反射到缩小的观看范围内，这是通过在连续反射面本身上具有预设曲度或斜率的反射镜件(mirrorlette)阵列，或者在用于支撑反射器的屏幕上的介质内对单个反射器的取向，而不是用反折射屏幕系统将光衍射以改变方向。现有技术中使用反射形态能提供强背景光下的最佳操作光路。但是不具备反射形态的现有技术在这种条件下对于保持高质量图像所需的所有度量上具有足够好的性能。即使漫散射已经被降低到一部分散射(重定向)光；现有技术仍不能足够降低漫散射来解决强背景光的问题。

上述三种类型的现有技术的评述没有必要过于详尽，同样特定的现有技术的实例使用的划分成各个类型的分界参数也不是确定或绝对的。尽管如此，上述评述提供了现有技术的实现中公正和完整的概念表示。

由此来讨论现有技术在强背景光环境下不能产生高对比度图像的缺陷。此讨论在前面提及的度量下进行，即：亮度图像的产生效率，防止产生闪点和散斑，保持投影图像的对比度，保留灰度级的线性，保持图像亮度的均匀性，保真再现色调和色饱和度，同时保持原始图像的分辨率。为此，需要添加上述需要避免莫尔条纹、消偏光最小化、获取宽带性能，以及实现商业可用性。

下面是现有技术关于单个度量的讨论。

关于现有技术中屏幕亮度的产生效率：

当观众不是必须分布在屏幕的整个前半球时的任意情况下，图1中曲线11所示的单一增益屏幕的亮度效率不够。图1中曲线12(点线曲线)，14(实线曲线)，16(短划线)所示的增益增强屏幕效率较高。其向观看位置反射更大的光功率，而向外周角反射较少，即使在外围角处确实接收到了反射光，观众也会面临不能容忍的图像失真。其中，增益8定义为高于曲线11的任何增长，如图1所示。增益通常是等量投影光下屏幕亮度和朗伯亮度的比率。透镜阵列如Hong(1986)申请的U.S.专利4,606,609，Bradley等人(1988)申请的4,767,186，以及Van De Ven(1990)申请的4,911,529，和各种玻璃珠结构一起，都是代表性的反折射屏幕系统，以及代表增益增强反射屏的银网表面，如图1中曲线12和14所示。玻璃珠屏幕是市场上最常见的屏幕类型。其具有各种形式的衬底材料成分和形态(形状)。玻璃珠屏幕可获得的增益受到可允许的实际区域存储密度范围的固有限制。可以获得度量值接近三的增益，尽管该增益并不常见。其他反折射屏幕可以具有更高的增益，但通常不具有图1中曲线16所期望的轮廓。与玻璃珠屏幕相比，其他反折射屏幕不适用于附加要求，例如宽带光谱操作以及根据需求保持图像暗度以保持高对比率。

光的散射实际上是一个三维概念，所以屏幕的功率效率比图1所建议的二维图形要高得多。二维图形中，各个散射曲线下的面积保持恒定以满足能量守恒定律。三维图形中，能量守恒需要保持各个屏幕的散射表面下的体积。这加强了图1中屏幕增益的差异。当把强背景光偏离观看范围时，附加维对屏幕性能也有很大的效果。

反射镜件从理论上说能产生比反折射屏幕更高的屏幕增益。如图1中曲线16的性能理论上只能用反射镜件获得，且仅当能够克服适当的制造障碍时，而这些障碍目前还无法克服。但是，现有技术尝试生产具有曲线16的轮廓的大型反射镜件是不成功的，因为与所建议阵列相关的基本概念甚至不能解决制造几十万阵列的问题，更别提所需上百万个非常小的光学质量元件。

单个反射镜件的需求要考虑两个尺度。一个尺度是反射镜件的总尺寸和曲率，通常称为“外形(figure)”。单个反射镜件外形的外尺寸是其反射光波长的许多倍。也即，外形是指定的形状，并控制公差使其远大于反射镜件的设计光波长。反射镜件的外尺寸内的反射镜件表面外形设计成产生屏幕所需的光散射图案，假定该表面能获得镜面反射。与屏幕反射镜件外形相关的度量基于假设表面光洁度能产生良好的镜面反射。落入所获得的反射镜件形状内的光相对于所需分布光的比例就是外形质量。需要注意的是该度量不是平滑度的衡量尺度；它是当存在镜面反射面时衡量反射镜件获得所需或理论上的投影光分布的能力的尺度。

镜面反射可理解为反射光分量沿着与反射面法线对称的线传输。由此，本文中使用的镜面反射是指反射分量遵循简单的书本关系，其中当从入射光投射表面的法线处(垂直)测量时，反射角的幅度等于入射角的幅度；其中角度测量面包括入射光线，表面法线，以及反射光线。镜面反射角的幅度等于入射角，但是符号相反，因为其相对于表面法线对称。(实际应用中，光采集设备的孔径大小影响是否将反射光认为是全反射谱的镜面反射分量。)根据镜面反射的几何界定，甚至朗伯反射面也具有镜面反射分量，虽然该分量仅表示表面反射光总量中的一小部分。

反射镜件表面能够获得所需镜面反射的能力与第二个且与比外形尺度更小的尺度相关：表面粗糙度，称为“表面光洁度”。表面光洁度的质量使用接近反射光波长的单位尺度来衡量。反射镜件表面光洁度量是波长单位的均方根表面粗糙度。图2提出了表面光洁度和未被镜面反射的光量部分之间的二维关系。此曲线给出了十分之一波长18、半波长20，一个波长22和两个波长24相对于理想镜面反射线26的均方根(rms)光洁度的反射分布。反射镜件类型的投影屏在强背景光下的操作性能非常依赖于适当的外形和额外的表面光洁镜面反射性。在绘制三维而不是图2中的二维时，更加强调后一种要求。对于可见光，表面光洁的度量必须是子波长级，以能够把非镜面反射降低到把强光充分偏离观看范围的程度，从而保持较高的图像质量。一般来说，对于可见光的均方根表面粗糙度必须小于0.1微米。对于可见光，0.1微米的均方根产生了曲线18。

常规的用于切削单独的反射镜件外形的机械切削和研磨技术产生了远比曲线24粗糙的表面。这离产生最大镜面反射程度所需的光学质量光洁度的要求很远。由此，光学抛光必须在对反射镜件器件的机械切削和机械平级抛光之后进行。通常该过程是通过用在各个反射镜件上的逐渐变小的研磨用砂粒序列，其便于上千个小型反射镜件的最大程度的对准和排序。除了光学抛光，化学和电子蚀刻技术也可以用于获得所需的光学表面。但是，由于一些原因，包括化学过程中化学反应的微米级变化和电子过程中的电场变化，这两者在实验室内都不易于应用，以获得曲线20或更佳的较大尺度，更别提将其商业实现。相同的问题也否定了使用电镀技术在加工反射镜件之后对粗糙度进行填补。(需要注意的是喷射模塑法等方法会复制出大多数加工缺陷。)类似于镀铬的工艺能够进行充分的填补并产生光学质量表面，但是，这离实际情况还很远。曲线24能获得令人满意的发光度，但其不支持高分辨率。其也不支持强光(例如太阳光)的偏轴抑制，而强光会使分辨率、对比度、色饱和度和光偏振严重退化。而且，需要指出的是最大程度的表面光洁度并不是高增益屏幕的要求；它是强光抑制的要求。

高增益屏幕的现有技术基于有适当外形的表面的开发，然后对该外形做适当的表面抛光。在一些情况下，例如喷射模塑法和标准工具的电铸仿制法，表面光洁度的设置等同于强制接受了表面外形。尽管表面外形足以获得屏幕增益，但光洁度(曲线24或更差)不足于抑制强光(其要求曲线20或更好的光洁度)。即使低于光学性能子波长的光洁度产生的很小的残余漫射也会影响抑制强背景光的性能。也即抑制不必要背景光的屏幕增益的关键是使得漫散射光分量的比例更小，而直接散射光分量的比例更大。这对于屏幕技术是非常决定性的差别。

机械加工和随后光学抛光的反射镜件的另一个障碍是制造凸面反射镜件的较大难度。一个反射镜件和其相邻镜件的间距通常必须非常薄(对于一毫米的反射镜件为五十微米或更小)。在每平方米内上万或几十万个反射镜件阵列内保持如此窄的间隙是极度困难的。至于凹面反射镜件，弯曲切削工具很容易用于随后产生窄边，但这些边是投影屏幕常用状况中很容易被破坏的脊。(此外，这些脊有静电效应)。

现有技术的另一个缺点是其不能够提供一个具有实时可变增益的高质量屏幕。当现有技术对整个屏幕的总体形状进行一些形式或实时的改变，如Rain(1977)申请的美国专利4,022,522；其对增益修正是没有价值的。实质上，现有技术的可调整性不能提供一个具有实时可变增益的高增益投影屏幕。

关于使用现有技术防止眩光和散斑：眩光是一种聚光效应，其中屏幕的大部分能提供所需的投影图像，但较大的强光斑纹叠加到图像上。眩光斑纹通常看起来类似于当屏幕是简单的标准镜子时获得的眩光。眩光斑纹的视觉物理大小包括了高增益结构中使用的许多单元。此概念如图1和3所示。如28(图1)和30(图3)中眩光的外观可以被概念化为靠近大多数单元的小块近似平面的镜面单元，其具有镜面角度，由此能把投影仪的近似准直光直接反射回观众的眼睛。眩光的度量是基于屏幕区域的大小，其边界32由大于屏幕设计变化率至少两倍的亮度角变化率确定，且在整个区域内保持过大的亮度，或者更多，边界不需对称。理想中，屏幕应没有眩光。此量度假定投影均匀发光的图像。

对于使用连续表面反射镜件的高增益屏幕设计，眩光是很常见的，例如Antes等人(1981)申请的美国专利4,297,001。这种性质的技术能生成具有所需形状的弯曲的镜面反射单元，在各个反射镜件单元的中心具有高增益，但也产生投影光的过增益(实质上是眩光)而不是均匀散射。眩光发生在反射镜件单元之间的过渡面，此处曲率角被明显展平。Holzel(1976)申请的美国专利3,994,562中电铸方法中使用的尖点凹槽技术在一定程度上减轻了眩光，但由于电铸的光洁度限制而产生了偏轴背景光过度散射的严重代价。同样，该项现有技术也具有无缝屏幕尺寸的实际限制。眩光也可以用另一种现有技术来减轻，例如Vlahos(1980)申请的美国专利4,235,513，其中放弃了连续表面的优点，使得必须单个生产各个反射镜件，并安装到一个矩形耐火板上，通过电铸方法来复制其光洁度的质量限制。Cinque等人(1977)申请的美国专利4,040,717采用了一种相关方法，其中构造了单独的凹形单元，由于凹面结构附带产生的缺点是生产简单性和单元边缘易于受到损坏。典型的反折射屏幕，如Dotsko(1978)申请的美国专利4,068,922，Iwamura(1981)申请的4,298,246，Hong(1986)申请的4,606,609，和Glenn(1997)申请的5,625,489以及其他屏幕通常仍由粘连材料或透镜件的前表面效应而显示眩光，但至少此眩光比其他现有技术倾向于在可以接受的范围内。但是当该屏幕在强背景光下操作时，其他许多屏幕度量的性能很差。

如前所述，眩光28和30是屏幕器件区域的聚光效应，而散斑34和36是局部区域效应，如图1和2所示。散斑是由于几个视觉分辨率器件在观众视场内分布的小位置上具有相当高的增益所产生的结果。屏幕散斑的度量是，假定投影图像具有均匀亮度，散斑分辨率元素的个数相对于分辨率元素的总数。较好的设计目标是散斑数量保持在低于万分之一。

散斑看起来类似于将亮点星场叠加在图像上。星场的情况下，聚焦在视网膜上的散斑不需要像视网膜细胞一样大；其仅需激励起细胞上的反应，且该反应比相邻细胞束上的光激励要大的多。现有技术中常用的减少散斑的方法是制造一种屏幕，在区域内有大批远小于眼睛分辨率的散射元件。因此，通过集成许多随机散射体而减少了散斑。但是，如随机情况所预料，仍存在偶然集成区域比相邻区域亮得多并看起来像个散斑的可能性。这在大多数玻璃珠屏幕和许多网状屏幕能观察到该现象。

关于现有技术控制角度截止率：控制角度截止率38(图1)的能力对于抵制强背景光是很重要的，其中切口表示亮度变化相对于角度的变化。此外，图1中曲线16所示的最大截止率，通过在对各个观众的观看范围的不同适当角位置上使用多个投影仪，允许屏幕对不同的观看范围提供不同的图像，且图像之间没有干扰。现有技术，如Chang等人(1992)申请的美国专利5,112,121，尝试获得足够快的截止以通过多个偏离的投影仪支持清晰同步的观看范围。Chang的情况中使用了全息屏幕。由于全息屏幕的特殊性质，其对于背景光是极其易损的，不能支持色彩完整性，具有显著的亮度旁瓣，且对机械位移高度敏感。

角度截止率的度量是每偏离镜面反射投影光束的光轴一度时的相对亮度变化。在观看范围边缘获得每度99％截止率的性能是在强背景光下操作时所需要的屏幕特性。单一增益屏幕在这点上没有便利性。使用现有技术的反折射类型的增益增强屏幕对于同时获得陡峭的截止率和宽视角不具有很有效的性能。现有技术的结构中增益增强的反射镜件在一定程度上允许控制更大角度的观看范围。但是，当截止率量化为总角分量的一部分时，是不可选的；而且在所有观看范围边缘上也不能达到每度99％。现有技术不能从控制观看范围角度的性能中解耦出控制角度截止率的性能。

关于现有技术保持对比度暗度：整幅图像对比度的度量是图像最亮区域处测得的亮度与图像最暗部分测得亮度的比值。为了有效地向观众提供强背景光下的高对比度投影图像，使用高增益的屏幕还是不够的。这是因为对比度不是由亮度单独控制的。对比度也是屏幕如何很好的再现图像暗像素的结果。图4给出了此现象的理解。如果投影图像的最亮区域40的固有亮度是10个单位，最暗区域42的固有亮度是1个单位，那么总的亮度对比率就是10，如图4中曲线44所示。

图4中曲线44相关表格具有列出的投影光强度的图像像素的对比度假定最小投影光为1个单位观众看到的背景(非图像)光恒定为0个单位
				投影图像光(任意单位)	背景(非图像)光(任意单位)	对比度公式	对比度
1234567	0000000	(1+0)/(1+0)(2+0)/(1+0)(3+0)/(1+0)(4+0)/(1+0)(5+0)/(1+0)(6+0)/(1+0)(7+0)/(1+0)	1.002.003.004.005.006.007.00

8910

000

(8+0)/(1+0)(9+0)/(1+0)(10+0)/(1+0)

8.009.0010.00

图4中曲线48相关表格列出的投影光强度的图像像素的对比度假定最小投影光为1个单位观众看到的背景(非图像)光恒定为10个单位
				投影图像光(任意单位)	背景(非图像)光(任意单位)	对比度公式	对比度
1	10	(1+10)/(1+10)	1.00
				2	10	(2+10)/(1+10)	1.09
3	10	(3+10)/(1+10)	1.18
				4	10	(4+10)/(1+10)	1.27
5	10	(5+10)/(1+10)	1.36
				6	10	(6+10)/(1+10)	1.45
7	10	(7+10)/(1+10)	1.55
				8	10	(8+10)/(1+10)	1.64
9	10	(9+10)/(1+10)	1.73
				10	10	(10+10)/(1+10)	1.82

如果不需要的背景光散射到观众的视场中为5个单位那样少，如曲线46所示，那么亮度对比率退化为(10+5)/(1+5)＝2.5。对于更亮的背景源，例如中等天窗，会有10个单位亮度的光散射到观察空间，为此设计的反射镜件如曲线48所示。这使亮度对比率从最初的10∶1退化到1.8∶1。对于太阳光直接射到高增益玻璃珠屏幕的情况，该比率一般退化为1，这意味着观众完全不能观看到投影图像。很明显，投影图像中的暗元素是最不耐强背景光的。

大部分现有技术的屏幕都归总到用于柔和光，或使用现有技术中尝试设计适于强背景光的屏幕的有限特性并接受多种度量缺陷。现有技术例如Abe等人(2002)申请的美国专利6,384,970，Vlahos(1980)申请的4,235,513，Iwamura(1981)申请的4,298,246，Bradley等人(1988)申请的4,767,186，Van De Ven(1990)申请的4,911,529，Miwa等人(2000)申请的6,040,941仅给出了一部分，其包括带有光吸收挡板或光吸收掩模的固定屏幕元素，适度增加能够容忍的背景光的强度不会过度退化投影图像的对比度。Lewis(1993)申请的美国专利5,210,641考虑对该问题另一种不同的方法，其生成了一种覆盖光学单元的角通滤波器用于吸收或抑制偏轴光。其他现有技术，如Uetsuki等人(1994)申请的美国专利5,296,965，Braun等人(1994)申请的5,335,022和Glenn(1997)申请的5,62,489试图通过使用与室光不匹配偏光的屏幕使背景光柔化。后一种现有技术不幸损坏了稍后将讨论的利用偏光特点的性能，而且该技术也降低了屏幕增益。

将入射的非投影仪的强光偏离观看范围需要一个光学平面和一个单元外形，这实际上对于使用现有技术的大型阵列的小反射镜件是不能获得的。尽管现有技术的光洁度对于适度的背景光是可以接受的，其对于亮光源，如车灯、日光和太阳光的直接照明是存在缺陷的。

该领域内专利的数量是背景光抑制重要性的一个很明显的指示符。但是，包括使用反射镜件在内的现有背景光抑制技术对于其他所需屏幕属性很难获得适当的度量值。

关于使用现有技术保持灰度级线性(和量化)：上述对于在强背景光条件下保持对比度的讨论仅考虑最暗和最亮图像区域的极端情况时的效果。但是，一幅图像内所有中等亮度上也施加了相同的效果。其结果是使原始图像的灰度级非线性化。也即观众所看到的图像内各个区域的亮度比由投影仪从完全相同的区域提供的亮度比发生变化。投影图像灰度级保真度的损失表明背景光对于对比率的影响并不仅局限于图像最亮和最暗的区域。灰度级线性的损失如图4中曲线46和48所示。曲线44(其不具有灰度级线性损失)上可以看出所观察到的图像亮度相当于2、4、6、8和10个单位的投影图像亮度。对于较暗的背景光，所看到的图像亮度的比率能够匹配投影本身的比率。但是，对于背景光条件46和48，所看到的图像亮度的比率与图像灰度级的线性不匹配。图像灰度级的线性已经损失。关于这一点，现有技术通过增加屏幕增益在一定程度上提供了帮助。这减低了背景光的部分冲击效果。但是由于和对比度讨论中相同的原因，对于非常亮的背景光，现有技术保持灰度级线性的能力也是有限的。实际上，对于直射太阳光的情况，现有技术中投影图像必须足够亮，甚至使观众不能直视。此外，所需的投影灯的功率可能会烧坏图像存储介质。

保持灰度级线性的度量是图像对比度斜度的比率。这是通过计算根据投影图像的对比度范围所划分的图像的对比度范围而获得的。图4的曲线44、46和48的灰度级范围分别是1.0，0.25和0.18。低于0.5的值会显著退化相对于投影图像的观察图像的质量。

关于使用现有技术保持图像均匀性：通常如果能在整个范围内支持亮度均匀的投影屏认为是较佳的。如果屏幕随角度缓慢改变其图像亮度，那么其均匀性对于观看者是可以接受的。如果其衰退太快，那么观看者对于图像是不满意的。这种衰退与有目的使用屏幕增益是不同的，也不同于眩光效应和散斑。但是，图像均匀性的一个度量是前述图像眩光度量的变化。为了均匀性，根据屏幕设计者的目标，眩光度量应用于不同的亮度差分。屏幕技术应能够产生各种均匀性度量值。大多数现有技术不是这种情况。

图3给出了阐释均匀性50的亮度等高线51，以及眩光30和散斑36形式的图像非均匀性，后者与屏幕产生的图像亮度的变化率相关。现有技术用许多方法解决了均匀性频响，有时是以其他屏幕度量为代价。例如，Ansley等人(1996)申请的美国专利5,541,769中，提供均匀亮度非常重要，以致于通过有目的的应用吸收使亮于其他的区域减弱反射光来牺牲亮度。这意味着最大亮度由最差的不可调整元件来控制，其对于投影能量的使用效率很差。使用反射镜件屏幕，现有技术使整个屏幕具有一定曲率，以保持观看范围内看到的屏幕上的亮度均匀性。

通过定义，单一增益朗伯屏幕可以是均匀型，但投影图像质量会由于背景光散射到观看范围而受到很大损害。背景光可能没有以相同的亮度投射到屏幕平面上的每一处。在这种情况下产生了非均匀的观看图像。对于近似朗伯光散射谱的全漫射屏幕也是相同的情况。

关于使用现有技术再现色饱和度及色调：当强背景光被散射到观看范围时，添加到形成图像的投影光中的背景光会改变图像颜色的饱和度和色调。如果入射的背景光是白色的，那么增加其会使得图像色彩损失其饱和度并变得更柔和。如果背景光不是非常白，且因此相对饱和，那么图像光的任何色彩改变都会使图像色调向中间色调漂移。图5给出了这种效应，其中色调52由从圆心开始的径向基准线和56之间测得的色角表示，饱和度56是圆周的径向距离的最高处。饱和度线56的长度L1表示饱和度的幅度。圆心点57表示从黑到白的中和色。图5给出了由于背景光60散射入系统时图像色彩58的减饱和及色调偏移。但是，背景光通常具有同时使投影图像减饱和及改变色调的特性。径向位移62的量是饱和保真度的量值，期望具有较小的径向位移62。径向位移线62的长度L2确定了饱和保真度的幅度。角度位移的量是色调保真度的量值，期望具有较小的角位移，并且角度长度L3确定了幅度。背景光颜色60和颜色58混合，引起了角度位移L3，产生了颜色64。

现有技术能够增强屏幕增益，从而增加了投影图像相对于背景源的光量。这减少了但不能取消背景光的不利效果。且现有技术不能够有利地减轻色彩的减饱和及色调偏移，同时仍保持图像度量讨论中所述的其他所需属性。实际上，一些用来增加屏幕增益的技术，如玻璃珠和透镜阵列反折射屏幕引入了附加的问题，例如由于玻璃珠具有不同的折射率对于不同的颜色产生了色差效应。使用现有技术的反射反射镜件能够更有效地降低减饱和及色调偏移，但同时损害了眩光和散斑。

关于使用现有技术保持分辨率：背景光的另一个效果是损失了图像分辨率，对于观众从许多方面都表示出这点，包括增加了察觉明亮目标旁边的模糊目标的困难，并且降低了分辨细节的能力。用于分辨率的一种度量是确定观看图像中持续具有可接受对比度的投影图像中高对比度平行线(等宽和等间隔)之间的最小尺寸。因为设计许多单一增益屏幕时横向散射光，如塑料漫射膜，会大量损失观察小细节的能力。较亮的光点漫射入投影图像的相邻暗点。这种效果，如反折射屏中所述，会损害目标边缘的绘制，同时使小的图像元素完全模糊。同样，需要记住的是人体视觉的分辨率是保持相邻图像元素之间的亮度差和维持原始图像亮度谱的函数，例如灰度级线性。因此，尽管现有技术反射镜件屏幕相比起单一增益屏幕和反折射屏幕能降低横向散射，但是现有技术反射镜件屏幕的眩光分量也会损害分辨率。此外，基于订制的熔融塑料形状的反射镜件屏幕不能容忍会增加眩光和散斑的表面条痕和不均匀性。

一些现有技术反射镜件概念需要单个镜子抛光，然后作为例如电铸技术中的复制工具。由于要考虑该类光学抛光过程的实际尺寸，结果产生的反射镜件单元尺寸很大适用于会议室、室内电影院、家庭娱乐中心及模拟器的近距离观看。这种限制导致了不能保持投影图像的分辨率，并且在较大的反射镜件尺寸时会导致莫尔条纹。

关于使用现有技术避免莫尔条纹：一些现有技术的发明者，例如Antes等人(1981)申请的美国专利4,297,001提出了在反射镜件屏幕中散射元件的中心和大小的随机性需求。由此，随机性是Antes发明的一个特征。但是，现代采样技术指出这种建议没有价值。实际上，是由图像采样频率决定是否随机设置光散射中心。实际上，避免莫尔条纹的较好度量是屏幕散射中心的设置空间频率超过称为奈奎斯特采样率的信息理论准则的因素。现有反射镜件技术对于屏幕分辨率和观看距离的典型需求方面不能提供较高的量值，在其他方面仍能给出较好的量值。同时，对于如Antes所述的制造过程，如果获得了随机性，其会与快速角度截止率、避免散斑以及亮度均匀性相抵触，这是因为在真随机情况下，此发明所依赖的气泡曲率半径对于各个反射镜件是不同的。反射镜件的曲率半径和投影仪的光轴与反射镜件边缘处反射镜件表面法线的角度是支配反射镜件技术的散射角的因素。

关于使用现有技术使消偏光最小化：除了反折射屏幕在强光环境下的前述缺陷，发现玻璃珠屏幕和大多数透镜阵列屏幕不能维持入射光的偏光性。当期望使用偏光差时，这是一个严重的缺陷。例如，3D电影的优选模式是在一个屏幕上同时投射两幅图像。一幅图像由观看者的左眼处理，另一幅图像由观看者的右眼处理。屏幕上的两幅图像互相正交偏振，观众由一副在两个透镜孔分别具有适当取向的偏光器将两幅图像分离。根据透镜的正交偏振用正确的眼睛适当的观看图像，每一只眼睛都被屏蔽了两幅图像中不合适的一幅。但是，因为玻璃珠屏幕和其他反折射屏幕当反射投影光时不足以维持投影图像的偏振，损失了3D效果，正常观看的屏幕增益没有用处。偏光维持的度量是当通过与投影偏光图像对准的偏光器观看图像时，与当观看者通过旋转90度(正交偏振)偏光器观看时，所观看图像的亮度比值。给出了很好的增益和任意有效的背景光抑制量的现有技术屏幕的偏振亮度比是五或更低。

使用现有屏幕技术的薄膜工艺必须采用基本没有增益的屏幕。这是其缺乏3D开发的一个重要因素。投影仪强度必须非常大以克服通过观看镜片的透射损失，薄膜过热容易过早损坏。同时，因为没有增益的屏幕不能维持偏光保真度，图像分离性很差。其结果是眼睛之间的重叠和交叉馈送，这会引起观看者的头痛和眼睛疲劳，同时提供很差的图像。

银/银透镜屏幕提供了比单一增益适度大的增益，但色调会向蓝色偏移，且有眩光的趋势。然而此屏幕仍被许多人考虑为3D投影的最佳现有技术介质。反射镜件屏幕在一些现有技术理论中被看作是一个更大的提高。但是，现有技术屏幕用强于背景光环境时不能在面临眩光、散斑、均匀性、分辨率和暗度问题的同时使消偏振最小化。

关于使用现有技术的宽带谱性能：投影屏应用并不局限于电磁波谱的视觉领域。许多仿真系统需要在其他光谱工作的屏幕，例如紫外、近红外和热红外。没有一种基于反折射技术的现有技术的投影屏能够适应这些投影光谱范围。可视波长的增益增强并不表示其他光谱范围的相同增益。光谱范围不能大于玻璃、聚合物或用于折射元件的其他材料传输的光谱。由此，例如玻璃珠屏幕的屏幕不仅缺乏可视光谱波长外的增益，其甚至在此光谱外不能工作。这意味着此屏幕不能用于枪支发出的光远离紫外和红外域的拱廊。其也意味着玻璃珠屏幕不能用于如军事训练和夜视装备开发等活动所期望的热红外屏幕的仿真。

现有技术中定义的增益增强反射镜件屏幕能够增加可视域之外的光谱性能范围，但不能保持分辨率、眩光、散斑、均匀性和陡峭角度截止率的较好量值。

关于现有技术的商业可用性：假定存在市场，投影屏幕的商业可用性包括可制造性、可靠性、可维护性、安全性、重量、柔韧性、成本的相关参数，以及上述市场需求的其他参数。

单一增益屏幕很容易在市场中找到，或由可用材料例如油漆和织物制成。尽管在制造单一增益方法上已经有许多变化，一些是非常昂贵或可操作性不实际的；而且一些由于基本概念有误而易于发生故障。这可以通过Takada等人(1977)申请的美国专利4,006,965，Ferro(1988)申请的4,190,320以及类似的不同代表性方法来理解。

这种情况与使用简便生产方法获得增强增益的简单反折射和网状屏幕是相似的，例如美国专利Martinez(1977)申请的4,025,160，Dotsko(1978)申请的4,068,922，Schudel(1 978)申请的4,089,587，Hodges(1980)申请的4,191,451和Cobb等人(1980)申请的4,206,969。

增益增强仅反射屏幕的上述结构在市场上还没有成功。生产成本是一个主要因素。例如，通过因特网和文献搜索确定Vlahos(1980)申请的美国专利4,235,513中的结构是不成功的。此外查询到世界上三个最大的屏幕公司(DaLite，Draper和Bedford)在设置前述专利类型时也失败了。同样，试图寻找基于Vlahos(1980)申请的美国专利4,235,513概念的屏幕的努力也是不成功的。后一种情况下，缺乏大规模商业化具有根本的技术起源。

许多希望合理的生产性的发明都依靠了错误概念和错误的假定。例如，Vlahos(1980)申请的美国专利4,235,513依靠气泡之间的固定接触角以及拉伸相邻的塑性材料制成的气泡阵列的能力。此发明假设的固定角仅发生在包括两个气泡的曲率中心的一个平面内，且该角度垂直于平面通过时两个气泡的切线。这个角度对于连续气泡阵列不是固定的，当平面绕着垂直于气泡平面的轴旋转时，这个角度是不同的。此外，气泡和阵列的形成并不像一组肥皂泡。肥皂泡具有这样的效果，因为其是薄膜，表面张力超过内聚力和引力。熔融塑料的每单位表面的重量与肥皂泡是不同的。很明显，肥皂泡的实验结果不能自动延伸到其他气泡，包括连续气泡片的侧向伸展。

上述讨论特殊专利的目的不是抨击这些专利，而是阐释这些在商业上很难执行的概念在实际中最终也很难实现。此外，基于错误假设的专利在市场上也会失败的，因为其不能按照所期望的去工作。

上述几种情况中，可以意识到反射镜件阵列对于强背景光下操作的高增益屏幕比起其他方法有相当多的优点。但是，使用现有技术不具有技术上和商业上的可行反射镜件阵列的实现性。屏幕技术的改进问题不是没有认识到反射镜件的潜力。相反，屏幕的改进问题是制造该类阵列的有效方法是难以理解的，甚至光学反射镜件的外形也被忽略了缺乏理解性。需要新的方法、工具和外形的发明来充分解决所有前述投影屏幕度量。这就是本发明的内容。

发明内容

正是考虑到上述问题，提出了本发明。本发明是在一些情况下相当于一般投影屏的投影接收面，以及制造此接收面的方法。本发明尤其涉及投影反射镜件屏幕，其即使在强背景光下也能提供高增益，避免眩光和散斑，高对比度，保留灰度级线性，亮度均匀，快速角度截止率，保留偏光，以及在很大的光谱范围内的功能性。这些指标是通过一种生产方法获得的，此方法是有目的把用于制造超大波长形态(外形)的工艺过程划分成用于子波长形态(光洁度)的材料工艺过程。本发明的制造工艺与以前的技术很大不同之处在于反射镜件的光洁度在反射镜件的外形之前设置，且大多数外形的获得不需要接触任何工具或模具。同样，本发明的目标反射镜件外形是从包括浅的悬垂曲线和悬垂曲面状外形的组中选择。

本发明提供了在强背景光环境下产生高质量图像所需的性能值，即使受到太阳直接照射的强光。本发明中解决这点的部分是一种新颖且非显而易见的制造方法，一种新颖且非显而易见的加工制品，以及一种新颖且非显而易见的外形制品。这些组合生成了以前从未获得的度量水平的组合。

关于本发明的投影接收面亮度的生成效率：本发明提供了一种制造弯曲反射镜件的方法，其中选择较大的弧度能够获得几乎任何连续外围形状的反射镜件。因此，能够获得几乎任何散射谱，包括垂直和水平角度上不同程度的散射。因为，单个反射镜件相对于可接受的图像分辨率较小，观看者足够远，反射镜件的焦距相对不合理。因此，不管反射镜件为凹形并在投影接收面之前(或者可能在之后)形成一个实焦点，还是为凸形并在投影接收面之后形成一个虚焦点，观看者会看到相同的图像和增益。不管反射镜件为凹形还是凸形，对不必要光的抑制也是相同的。

关于本发明避免眩光和散斑：本发明是一种阵列，其中反射镜件单元的面积和边界在可控制的轮廓内具有固定的曲率。这避免了产生会引起眩光的不必要的聚光效应，并且排除了统计一体化的需求从而避免散斑。本发明能获得低于千分之一的散斑量值。

关于本发明控制角度截止率：本发明混合可选择的反射镜件曲率和尺寸以生成混合角度散射谱。单元的效果能共同产生所需的角度截止率。如果保持相同的反射镜件尺寸和曲率，截止率会非常快，当观看者移动出预设的观看范围时会得到图像的快速下降。没有本发明的快速角度截止率和最大的子波长表面光洁度，观众不能观看到没有明显图像串扰的空间分离的多幅图像。本发明的优选实施例在观看范围边缘具有每度99％的角度截止率。

本发明可以根据观众和光学环境的要求从低于1％到99％调整角度截止率。99％的截止率对于根据相对于投影接收面的法线的不同观看角度来分离同一个投影接收面上的多幅图像是非常有用的。需要10％或更高的比率来获得有意义的功率增益。本发明能够分别调整水平和垂直角度截止率。

关于本发明保持对比度暗度：本发明包括一种生产方法，其中反射镜件的子波长光洁度的各处都有非常高的光学质量，曲线18或更佳，由此即使大多数强光进入镜面反射定义之外的任何角度，反射镜件区域也不会散射。由此，优选投影接收面设计者能够交替使用单元外形、投影接收面取向，投影仪位置和观看者位置，这样不必要的背景光被偏转出观看范围。优选实施例中，即使直射太阳光落到投影接收面上也不会淹没图像的暗区域。(如前面指出，现有技术不能以任何实际方式生产出具有所需表面光洁度的大型反射镜件阵列来获得所需的度量。)

本发明的一个优点是当在直射太阳光下操作时，在观看范围内具有低于0.001每球面度的散射比。为了用在非直射太阳光(日光)下，本发明的一个优点是低于0.01每球面度的观看范围散射比。为了用在室内光下，本发明的一个优点是低于0.05每球面度的观看范围散射比。

关于本发明保持灰度级线性：本发明的一个优选实施例获得了背景光到非观看区域的反射位移，不仅为了保留对比度，而且保留了灰度级线性。本发明获得了在直射太阳光下大于0.5的灰度级线性度量。

本发明在非直射太阳光(日光)下获得了大于0.75的线性度量。在柔和的室内光情况下获得了大于0.9的线性度量。本发明用于黑暗的电影院内获得了大于0.98的线性度量。

关于本发明保持图像的均匀性：本发明提供了一种方法来控制单个反射镜件的形状，其允许在投影接收面的不同位置上产生不同的散射，从而如果需要的话提供了一种平衡亮度的方法；尽管投影接收面上的反射镜件外形的均匀性已经是均匀的，通常不需要再做调整。但是，与所有增益非常高的投影接收面一样，必须适应几何形状。这种适应在现有技术中是通过对整个投影接收面给予一个补偿曲率来实现的。本发明允许生产使用相同的总补偿曲率的反射镜件阵列，或者在各个单独的反射镜件上设置一个倾斜度便于保持整个投影接收面的平面形状。另一个优选实施例提供了一种选择均匀性的方法。一种适当的均匀性量化度量是与完全均匀照明的投影仪相关的投影接收面再现亮度的均方根(rms)变化。该量度的rms值应该用几个采样速率来确定，作为绝对rms的无单位比率。

关于本发明再现色调和色饱和度：本发明采用对强背景光的反射抑制来避免图像色调和色饱和度的色彩偏移。在太阳光下，现有技术会受到高于90％的减饱和，而本发明受到低于10％的减饱和。本发明在较暗的环境下能获得调色盘上5度范围内的色调再现，在白光室内能获得15度范围内的色调再现。此外，本发明在直射、偏轴太阳光下能把饱和度保持在25％范围内，在较暗的室内能保持在2％内。

关于本发明保持分辨率：本发明提供了一种生产具有几百万个反射镜件的投影接收面的方法，每个反射镜件的尺寸都远小于1毫米。投影接收面很容易根据本发明制造，由此各个单元不能由肉眼在近于一米的距离内分辨出来。对于投影标志，例如告示板，本发明能提供超过5千万个反射镜件。这能够支持最高质量为35mm投影膜的分辨率。因为反射镜件具有高光学外形的表面，背景光被完全偏转，同时消除了单元间的串扰。保持分辨率的适当度量是用于光学系统的标准调制传递。在较暗的室内，本发明获得的平均调制传递函数从零空间频率到反相投影接收面单元的整个图像空间内在0.05的范围内平坦，在有光的室内，平坦度为0.15。

关于用本发明避免莫尔条纹：本发明生产了一组足够靠近的反射镜件以避免出现莫尔条纹。即使本发明的反射镜件组具有规则的图形，使用组密度也能完全避免莫尔条纹，其中采用了奈奎斯特准则进行图像采样。这对于本发明是很容易实现的。

关于本发明将消偏光最小化：本发明还对各个反射镜件提供了曲度，这样在反射时光的电场方向旋转很少。通过本发明，正交偏光投影仪和观看滤波器之间的隔离可以大于500∶1。本发明与尝试了高分辨率、无眩光、高增益、背景光抑制的投影接收面量值的现有技术相比，这个结果是现有技术的上百倍。另外，本发明获得偏光隔离并不像现有技术一样损失投影接收面的亮度以及色彩偏移，例如3D电影的工业标准：银网投影接收面。

关于本发明的宽带谱性能：本发明提供了一个宽带反射投影接收面，其中反射镜件可以设置成适应没有衍射的长波。本发明的投影接收面可以应用到远红外的长波段，也可以用到紫外的短波段。铝是本发明中一种可以用于反射镜件表面宽带涂层的材料。该涂层能够在大于0.3微米波长的整个电磁波谱内反射。

关于本发明的商业可用性：本发明在商业上是可行的，其生产出在前述各个度量上都具有高性能的投影接收面。本发明的投影接收面包括可制造性、可靠性、可维护性、耐用性、安全性、重量、柔韧性、成本，以及市场要求的其他因素。由此，本发明的生产方法解决了这些因素。本发明的专有方法尤其节省成本并且可靠。所有这些问题都在根据本发明的概念进行的实验过程中得到解决。使用本发明的生产方法能够成功制造上千平方英尺的屏幕。

与现有的反射镜件投影屏技术不同，如前所述，以前的技术伴随着材料和制造问题以及基本技术缺陷，本发明首先在技术上和商业上是可行的。很容易在市场上找到合适价位的本发明中的光学光洁度元件。外形控制元件是一种标准机床和模压实验可以制造的工具。并且组合光洁度和外形的方法是可靠的。这些因素使得反射镜件投影接收面具有合理的生产成本，至此，另一个商业必需性已经解决。此外，与现有技术不同，本发明的投影接收面可以制成非常大的无缝板。如实验中已经阐明的，投影接收面可以是很薄的、轻质并且可弯曲的。可以施加保护涂层来屏蔽清洁时的损害和环境暴露。

本发明的其他特征和优点，以及本发明的各个实施例的结构和操作，下面将参照附图详细说明。

附图说明

附图被包括在说明书内并作为说明书的一部分，给出了本发明的实施例及其说明，阐释本发明的原理。图中：

图1给出了例如投影接收面类型的二维亮度谱。

图2给出了表面光洁度和反射的扩散率之间的关系。

图3给出了眩光、散斑和均匀性的概念。

图4给出了不同程度的背景光散射入观看范围时，图像对比度的退化以及灰度线性级的退化。

图5给出了背景光散射入观看范围时，色调和色饱和度的损失。

图6给出了本发明的机械部分：高光洁度可弯曲板，一组外形控制单元，一个间距网格，一个夹具以及一个施加推进力的设备。

图7给出了一组由外形控制单元变形的可弯曲变形板。

图8给出了由固体衬底固定的反射镜件阵列。

图9给出了带有调整液体的连续阵列的一个单元。

图10给出了本发明的各个实施例，此外给出了各个剖视图。

图10A、10B、10C和10D给出了本发明各个实施例的截面图。

图11A、11B、11C、11D、11E和11F给出了各种非线性单元几何形状的顶视图和透视图。

图12A、12B、12C、12D、12E和12H给出了混合单元几何形状的顶视图和透视图。

图13A和13B给出了混合单元几何形状，包括非线性单元几何形状的顶视平面图和透视图。

图14A和14B给出了从投影仪的另一侧看到的投射到投影接收面上的图像。

具体实施方式

参看附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示出了本发明获得的功率密度与偏轴角轮廓16。轮廓16中的截止率足够陡峭，以致于可以在图1中绘制相同形状16的第二个轮廓而不会覆盖第一个轮廓。实际上可以在同一个曲线上绘制几个轮廓。这个事实允许在本发明的同一个平面上投射不止一幅图像，每幅图像可分离观看，不会互相干扰。从图1可以看出，使用非本发明轮廓(8，11和14)不能够在图上不重叠地重复轮廓。这个事实是本发明的一个区别特征，允许本发明的平面容纳多幅图像，每幅图像可以和其他图像互不干扰地观看。需要意识到投影接收面是二维的，图1仅给出了二维中一维上的轮廓，很明显可以看到几幅图像，其中看到特定的图像取决于从观看平面处相对于屏幕的水平和垂直角度。

图6给出了本发明的一个优选实施例，其形成了反射镜件外形100，后者的透视图如图8所示。反射镜件是将要弯曲变形板102悬挂在刀具108的连续单元106周围的尖缘104上形成的。特别适合的可弯曲变形板102(或薄膜)包括下列选择：PA 19007-1620布里斯托尔，沃顿路145号，Dunmore公司的铝化Kapton(千分之0.5到1.0英寸的厚度)以及亚利桑那，图森市，西格马公司的镀铝聚合物。四个点105a、105b、105c和105d以及尖缘104在板102变形时产生了足够大的磨擦系数来固定板102。

单元106的内部110相对于尖缘104确定的周边是凹陷的。可弯曲板102的一侧具有光学质量的光洁度。单元106的尖缘104相当于悬垂曲面似的悬挂边使得可弯曲板102的形状成为利于高增益反射的表面。获得悬垂曲面形状的关键是在各个拉伸点例如105a、105b、105c和105d之间拉伸可弯曲板102，同时使可弯曲板102不受到尖缘104引起的任何明显程度的变形。需要意识到可弯曲板102可以用一组纤维或钝针似的突起为可弯曲板102生成相同的接触点，但目前认为形成悬垂曲面状反射镜件的最可靠的方法就是使用尖缘104。

在可弯曲变形板102有两侧之间产生流体力差的设备112用于给悬挂可弯曲板102施加一个均匀推进力(悬挂在两个悬挂点之间受重力影响的一根电缆)。一个优选实施例中，可弯曲板102上流体力形式的均匀推进力是由设备112在单元内部产生真空来实现的。由于真空施加了逐渐增大的压力，可弯曲变形板102产生变形，因此开始呈现刀具108的形状。但是随着板变形，就在板102接触到内部110之前，真空压力就停止了。需要注意的是均匀推进力可以从上部把板102推入各个单元106，或从下部把板102拉入各个单元106，产生了如图7所示的板102。

在一个优选实施例中，均匀推进力是从下部施加的。特别可以在各个单元106的底部设置一个小孔H。这个小孔H提供了一种向可弯曲变形板102施加大约为24英寸汞柱的真空压力V的方法。对于较大的视场需要更大程度的变形，也要使用更大的真空压力V。目前已经发现当在小孔H和真空压力V之间使用复式/网格屏S来帮助把真空压力等量施加到板102表面时的工作效果最佳，此外复式/网格屏S可被用于从夹具T上分离刀具，通常表示为108，以避免刀具108被夹具卡住。最佳模式时，小孔H不位于各个单元106的底部，除非尖缘被精确定位。如果尖缘没有被精确定位，可以在特定的单元106内“省略”设置小孔H。

因此，可弯曲变形板102如图10A所示，表示为一组凹面118。可弯曲板102的表面形状在尖缘104之间的内部110处产生的变形就是弯曲反射镜件100的形状。反射镜件的形状由悬垂曲线和悬垂曲面的形状构成。可弯曲板102表面的光学质量是通过悬挂在单元的凹陷内部110保持的，因为凹槽足够深来保证当可弯曲板102由尖缘104支撑悬挂时，除了板的周围，板不会接触到刀具的任何地方。在一个优选实施例中，每个尖缘的边缘厚度在千分之一到千分之二英寸之间。由此，对于1mm×1mm的反射镜件100，边缘的不完整性可以忽略不计。如图9所示，当板102仍位于刀具108上时，向板102的非边缘一侧上的凹面118灌注或喷入设置流体120(固体填充剂)以固定可弯曲变形板102的形状。随后流体120粘连可弯曲板102，并固定了反射镜件100的形状。

已经证明对于本发明特别适合的设置流体固体填充剂120是用于制造基底的基底产品。基底材料是能将可变形薄膜102“锁定”形状的衬底材料。基底产品一般是环氧树脂、泡沫等。术语“基底材料”常用于区分板102之外的材料。板102可以是薄的镀铝膜，镀金属膜(例如金或银金属膜)，或非金属反射膜，例如3M公司生产并销售的产品。优选基底材料可以从加利福尼亚，Benicia，Applied Poleramics公司获得。Applied Poleramics的优选专用材料是266环氧树脂和AU16聚氨酯，以及EFM15和EFM18酚醛塑料。如果需要的话，可以借助使用粘合层124将可变形板102与固体填充材料相连接。如果266环氧树脂被用作基底，并且使用Sigma Technologies公司的镀铝聚合物，Rocky Hill，North American Group，Loctite公司的Loctite 770是优选粘合层。Loctite 770是结合使用266环氧树脂的任何板102的优选粘合层。

反射镜件100具有光学质量的光洁度。光学质量的光洁度一侧具有一个涂层116，此涂层在可弯曲板102变形过程之前或之后应用。因此，如果可弯曲板102已经适于反射，那么就不需要附加的涂层116。但是，板102可能会涂覆适用于投影接收面所使用光谱范围的反射材料，例如铝、银或其他材料。很明显可弯曲板102由至少两层材料组成，一个透明层和一个反射层。有时，透明层直接连接到反射层，不需要任何附加的表面制备。一些情况下，反射层必须被化学蚀刻以有效地连接透明层。另外一些情况下，利用了一个中间粘合层(未示出)来连接透明层和反射层。

如果需要，可以在表面的涂层116(特别参见图9和14A)之上施加一个附加的透明保护层，以防止环境暴露，例如薄丙烯酸涂层或聚乙烯涂层以防止氧化、磨损或其他表面损伤。这类涂层可以从费城，PA19143，第54大街1901号Peaboby实验室购买，其以PERMALAC商标出售。此外，优选可变形板102已经具有一个背对着刀具108的反射表面，和一个面对着刀具108的透明表面。因此，当施加了填充物后，反射表面已经有一个原始可变形板102的保护涂层。

因为除了非常窄的尖缘104处，可弯曲板102不需要接触反射镜件成形刀具108的其他任何部分，避免了反射镜件绝大部分接触到粗表面而产生的损伤结果。各个反射镜件100的大部分形成在空间内。

可以根据可弯曲板102的特性和流体压力的设备112来选择和调节单元缘104的尖点122，从而获得最终反射镜件100的预定外形。

如果凹陷单元内部110的底部被预制为期望的悬垂曲面形，这种情况下可弯曲板102会接触，可弯曲板102的相同悬垂曲面优点将在底部变得不规则，类似于在尖缘104之间悬浮的效果。只要尖缘104被切尖为合适的形状，反射镜件便可接近光学加工和图案的理论极限。尖缘104的尖点可被切削为用于产生预定增益和角度散射的任意外形。

大部分情况下商用的便宜薄膜具有在厚度和机械特性上的光学上光滑表面光洁度和精密度不均匀性。这些薄膜和板每年可生产数千万平方英尺。它们被用于人造卫星的热控制，并且用于热绝缘。然而，镜面反射薄膜的主要生产是用于食品包裹，包装材料，气球，窗户色彩，视觉满意度显示以及其它商业应用，其中不是恰当形状的维持成为问题，就是应用到大型基板的定型(例如窗户色彩的情况)。该优选实施例将这种易于得到的薄膜用于可弯曲板102。

图10A到10D给出了另外一些实施例。每幅图中，刀具108的截面图绘制了可弯曲板102与尖缘104相接触。

使用粘合层124也可以使流体压力差反转从而产生凸面阵列126，如图10B所示，可弯曲板102没有与刀具108脱离。根据应用情况，这些凸面126可以被固定或者不固定。应该理解如图6所示，可弯曲变形板102可以通过一些方法固定以产生反射镜件100。这些方法包括用材料进行周围区域填充，或通过化学、热、光聚酯的硬化，或者其它方法。如果保留不固定，伴随着增益的改变，流体压力能及时变化以产生投影接收面。

由于可弯曲板102两侧的内外压强的差异，图中所示的真空力128实际上是净压力130的结果。可以通过使用气动或液动流体增加外部气压128来产生相同的效果。此外，为了制造固定反射镜件阵列100，薄层可在匹配颜料间被箍缩，箍缩中有液体，并且仍保持子波长表面光洁度。

现在参看图10C，该实施例能合并刀具108的不同单元中的混合压强及真空，从而获得凸面126和凹面118的混合。真空128和压力130的水平在各个单元106中可以是不同的，相邻单元106不必具有相同的几何形状。图12A和图12B中给出了明显的几何形状上的差异。真空压力128和压强力130的分布给每个单元106带来了不同的增益并且能混合控制截止率38。此外，图10D示出了尖缘104之间的间隔不是必须均匀的。只要单元106是连续的并且尖缘104能保持很薄，单元106的形状不必处处一致。图12A和图12B示出了具有连续的、不同几何形状的、但具有薄尖缘104的单元106。在一些实施例中，单元106可以是具有相同面积的正方形，或是具有相同面积的矩形，或是面积相同但介于矩形与正方形之间，或具有保持单元连续的不同大小和任意形状。正方形(图11A，图11B)，矩形，三角形(图11C，图11D)和六边形(图11E，图11F)是该可选形状的实例；但其它形状也可遵从该实例并且被本发明的可选实例所包含。加工、铸塑、成型或材料塑形工艺上的其它操作可用于这些附加实例中相关适当工具的制造。

作为本发明的结果，考虑涂层16时，需要指出投影接收面能反射包括红外光或紫外光的宽光谱分辨率图像。因此，当投影仪投影一个红外或紫外光的图像时，投影接收面将一定程度反射红外或紫外图像，以使得该反射图像是可分辨的有用图像。相反，如果相同的投影仪要投影一个红外或紫外光的图像到光滑的铝表面，图像将被反射，但是不能被分辨出来。

如图14A和图14B所示，投影到本发明的接收面上的图像154能从投影仪152相同方位观看(正面投影)，从投影仪的反面观看(背面投影)，或二者的组合。这可作为本发明的一个元件获得，因为提供抛光的可弯曲板102可以用具有选定反射值的反射材料116进行涂覆，并且基板120对任意选定度数是透明的。因此，本发明能生产大量透镜件以及反射镜件。此外在这种情况下，单元150可以是反射镜，透镜，或同时是透镜和反射镜。

本发明的另一方面，如果省略了基板材料120，可以获得变化的视场。在这个实施例中，可弯曲板102可以是弹性材料，从而根据均匀推进力的大小直接改变形状。当该力是增加或减少时，在每个单元中的板102的曲率将相应改变。这使得可弯曲板102穿过刀具108从而产生可通过改变推进力来持续调节自身增益的投影接收面。换句话说，可以得到不同的视场。

下述投影面可以在大量产品中应用。作为第一个例子，如果使用半透射膜(薄膜至少对部分光是透射的)，薄膜相当于一个窗户，使接近百分之九十(90％)的光穿过而进入房间，但在百分之十(10％)反射上仍具有高增益。该应用可使得投影接收面相当于一个窗户允许光透射，但又使得在投影接收面上的图像投影具有高对比度，从而能看见图像。

作为第二个例子，投影面的单元具有几何形状上不完整的边缘，但相比于整个投影接收面是可忽略的。由于每个单元具有适当的表面抛光/粗糙度测量值是0.1微米，并且单元宽度的表面外形测量值为0.001rms，观看范围(可以为锥状)遵守反射定律。由于投影接收面的精性，观看范围是精确的，因此可以实现多图像观看。多图像观看将使得诸如三个分离的电影在相同投影接收面上得以观看。三个电影投影仪可以在一个投影接收面上分别投影不同的电影，根据观看者的位置给观看者提供一个单独的电影，投影接收面(包括投影屏)可被用于室外环境中。在高背景光照明条件下的操作性能，例如在直射太阳光照明下，取决于投影接收面的反射单元来维持图像和光洁度的程度有多高。在制造悬垂曲面状单元时，薄膜所悬浮的边缘受到不同因素的影响，包括单元壁的厚度和与悬垂曲面轮廓一致的尖点形状的程度。相应地，受单元边缘影响的表面积与单元的总面积的比率很小是一个优点。比率越小，边缘在投影接收面系统上的影响就越小，在亮的背景照明下对于小的影响的需要是特别灵敏的。这样，可以考虑单元图案和期望分辨率来选择尖缘的厚度，以获得最优的投影接收面。反射镜件单元的面积和边缘一般情况下具有预定形状的连续曲率。本发明制造的曲率范围从1∶100到更好。优选的实施例中，在可弯曲变形板102中每平方英尺有576(24×24)到90,000(300×300)个单元106。

作为第三个例子，本发明的投影面保持了偏振。当三维电影当前呈现在投影接收面上，而提供给观赏者红/蓝偏振眼镜(在一个眼睛水平偏振，在另一个眼睛垂直偏振)，本投影面取消了佩戴这种眼镜的需求。

更具体地说，当偏振光从投影接收面反射，由于一些物理机理，光的偏振被改变了。其中包括相对光滑元件诸如玻璃珠的折射，以及粗糙元件例如作为颜料的小微粒的散射。为了保持偏振，使用反射镜件100形状的外形大于反射光波长是比较有利的，并且设计成高增益，从而把表面曲率限制到合适的角度。本发明结合了这些所希望的参数并且提供用于偏振的保持。保持的角度可表示为100％线性偏振光能够保持相同的偏振被投影接收面反射。例如，具有垂直偏振的投影光将从投影接收面返回只有50％的垂直偏振光，并且其余50％的入射光将旋转为水平偏振。这将给出50∶50的比率，其实际结果根本不保留偏振。本发明的另一个投影接收面可反射(返回)100％垂直偏振入射光，其中只有1％转换为水平偏振。这种情况下，偏振保持率为99∶1。

具有低偏振保持率的投影接收面不适合诸如3D(三维)影院及显示的多图像应用。使用现有技术的屏幕，电影院或娱乐场所可给出勉强接受的3D图像。尤其，图像的对比度，3D效果的逼真度和观看者的疲劳程度与要求相距甚远，并且不满足3D的不常见商业应用。事实上，大量投影接收面的偏振不足以使得剧院3D需要彩色分离多幅图像的较差技术，这个效果是很难接受的，同时会引起生理疲劳。即使配有较好的投影接收面的剧院也仅能获得低于4∶1的偏振比率。本发明提供了超过100∶1的比率，优选为250∶1，但如果需要的话能够达到500∶1，所有的情况都不会影响投影图像的色饱和度质量。由此，投影接收面可以通过偏光或色彩进行图像区分。

由上所述，可以看出已经获得并达到了本发明的几个优点。首先，不管反射镜件为凹形并在投影接收面之前形成一个实焦点，还是为凸形并在投影接收面之后形成一个虚焦点，观看者会看到相同的图像和增益。不管反射镜件为凹形还是凸形，对不必要光的抑制也是相同的。本发明还提供了低于千分之一的散斑率。

第二，本发明是一个反射镜件阵列，其面积和边缘在可控制的轮廓内有固定的曲率。这避免了产生会引起眩光的不必要的聚光效应，并消除了统计一体化的需求从而避免散斑。

第三，本发明混合了可以选择的反射镜件曲率和尺寸，以生成混合的角度散射轮廓。本发明在观看范围边缘处具有每度99％的角度截止率。

第四，本发明可以根据观众和光学环境的要求从1％到99％调整角度截止率。99％的截止率对于根据相对于投影接收面的法线的不同观看角度来分离同一个投影接收面上的多幅图像是非常有用的。需要10％或更高的比率来获得有意义的功率增益。本发明能够分别调整水平和垂直角度截止率，并且可以在10％到99％之间调整角度截止率。

第五，本发明提供了一种生产方法，其中反射镜件的子波长光洁度在各处都有非常高的光学质量，曲线18或更佳，由此即使大多数强光进入镜面反射定义之外的任何角度，反射镜件区域也不会散射。由此，投影接收面设计者最好能够交替使用单元外形、投影接收面取向，投影仪位置和观看者位置，这样不必要的背景光被偏转出观看范围。在该优选实施例中，即使直射太阳光落到投影接收面上也不会淹没图像的暗区域，当在直射太阳光下操作时，在观看范围内具有低于0.001每球面度的散射比。为了用在非直射太阳光(日光)下，本发明能够获得低于0.01每球面度的观看范围散射比。为了用在室内光下，本发明能获得低于0.05每球面度的观看范围散射比。

第六，本发明把背景光反射转移到非观看区域，不仅保留对比度，而且保留了灰度级线性。本发明获得了在直射太阳光下大于0.5的灰度级线性度量。在非直射太阳光下大于0.75。在柔和的室内光情况下大于0.9，并且在黑暗的电影院内大于0.98。

第七，本发明提供了一种方法来控制单个反射镜件的形状，如果需要的话，其允许在投影接收面的不同位置上产生不同的散射，从而提供一种平衡亮度的方法；尽管投影接收面上的反射镜件外形的均匀性已经是均匀的，通常不需要再做调整。但是，与所有增益非常高的投影接收面一样，必须适应几何形状。本发明实际上必须选择均匀性。一种适当的均匀性量化度量是与完全均匀照明的投影仪相关的投影接收面再现亮度的均方根(rms)变化。该量度的rms值应该以几个采样速率来确定，作为绝对rms的无单位比率。如前所述，本发明获得了单元宽度0.001rms的数值。

第八，本发明采用对强背景光的反射抑制来避免图像色调和色饱和度的色彩偏移。在太阳光下，本发明受到低于10％的减饱和。并且在较暗的环境下能获得调色盘上5度范围内的色调再现，在白光室内能获得15度范围内的色调再现。此外，本发明在直射、偏轴太阳光下能把饱和度保持在25％范围内，在较暗的室内能保持在2％内。

第九，本发明在较暗的室内获得的平均调制传递函数从零空间频率到反转投影接收面单元的整个图像空间内在0.05的范围内平坦，在有光的室内，平坦度为0.15。

第十，本发明生产了一组足够靠近的反射镜件以避免出现莫尔条纹。

第十一，本发明提供了偏光投影仪和观看滤波器之间的隔离，隔离度可以大于500∶1。在特定方向上保持偏振的光量与不再偏振的光量的比值。

第十二，本发明提供了一个宽带频谱反射投影接收面，其中反射镜件的大小可以设置成适应没有衍射的长波。本发明的投影接收面可以应用到远红外的长波段，也可以用到紫外的短波段。铝是本发明中一种可以用于反射镜件表面宽带涂覆的材料。该涂层能够在大于0.3微米波长的整个电磁波谱内反射。

投影接收面适用于各种环境，包括墙壁、天花板，地板，车身，告示板，电视屏幕等等。

为了最佳地阐释本发明的原理及其实际应用而选择并详细说明了实施例，从而使本领域技术人员将本发明更好地适用于特定用途的各种实施例和各种修正。

由于可以对本文所述的构造和方法做各种修正而不会偏离本发明的范围，确定对前述说明书以及附图中所有内容做示意性而不是详细的阐释。因此，本发明的深度和广度并不局限于上述优选实施例，而是根据下面所附的权利要求书及其等同物来确定。

Claims (29)

1.一种投影接收面，其包括：

一个形成为多个悬垂曲面状反射镜件的单板。

2.一种投影接收面，其包括：

一个形成为多个悬垂曲面状反射镜件的单板，所述单板具有第一侧和第二侧；

附着在所述单板的所述第一侧和第二侧的其中一侧上的固体填充物。

3.一种制造屏幕的方法，其包括：

提供带有多个间隔开的尖缘的刀具，其中可以选择性地改变所述尖缘的尺寸；

将可弯曲变形板附着在所述尖缘上；

向所述可弯曲变形板施加一个力，使得所述板在所述尖缘的间隔内变形。

4.如权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：

向所述可弯曲变形板上灌注固体填充物。

5.如权利要求3所述的方法，其中附着步骤包括：

向所述尖缘上施加粘合胶，以及

将所述可弯曲变形板放置在所述粘合胶上。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述施加力的步骤可包括施加可变的力，并且所述力可以用气压和液压流体之一来施加。

7.如权利要求3所述的方法，其中所述尖缘可以确定的周边形状从下组中选择：

正方形，矩形，三角形，六角形，五边形，圆形，椭圆形和分割单元。

8.一种设计投影接收面的方法，其包括：

从一系列连续单元中选择一个单元图形；

为每个单元选择单元压力；

9.一种根据权利要求8的设计投影接收面的方法，还包括：

为每个单元选择尖缘厚度。

10.一种具有多个反射镜件的投影接收面，产生了大于100∶1的偏光比。

11.一种具有多个反射镜件的投影接收面，产生了大于250∶1的偏光比。

12.一种具有多个反射镜件的投影接收面，产生了大于500∶1的偏光比。

13.一种投影接收面，每平方英尺具有至少90000个单元。

14.一种投影接收面，每平方英尺具有至少576个单元。

15.一种具有多个单元的刀具，每个单元具有一定的宽度和边缘厚度，所述边缘厚度小于单元宽度的0.01到0.001之间。

16.一种包括一个反射镜件单元阵列的投影接收面，其中所述投影接收面单元的面积和边缘在预设的轮廓内有固定的曲率。

17.一种投影接收面，在观看范围边界处具有每度99％的角度截止率。

18.一种投影接收面，在观看范围边界处具有每度10％到99％之间的角度截止率。

19.一种投影接收面，具有0.05每球面度到0.01每球面度范围内的观看范围散射比。

20.一种投影接收面，在直射太阳光下具有大于0.5的灰度级线性。

21.一种投影接收面，在非直射太阳光下具有大于0.75的灰度级线性。

22.一种投影接收面，在柔和的室内光下具有大于0.9的灰度级线性。

23.一种投影接收面，在黑暗的电影院内具有大于0.98的灰度级线性。

24.一种投影接收面，在较暗环境下具有低于10％的减饱和度。

25.一种投影接收面，在直射、偏轴太阳光下保持在25％内的色饱和度，在较暗的室内保持在2％内的色饱和度。

26.一种投影接收面，在较暗的室内获得的平均调制传递函数从零空间频率到反转屏幕单元的空间频率的整个图像空间内在0.05的范围内相当平坦，在有光的室内，平坦度为0.15。

27.一种具有潜在可变视场的表面，其包括：

一个可变形板；

一个与所述可变形板接触的刀具；

施加到所述可变形板上的一个推进力，使得所述板相对于所述刀具变形。

28.一种宽谱投影接收面，其包括：

一个形成了多个悬垂曲面反射镜件的单板，以获得大于10％的角度截止率，所述板具有第一侧和第二侧；

所述第一侧和第二侧之一上的一个涂层；

其中所述表面反射红外和紫外光图像。

29.一种投影接收面，其包括：

一个形成为多个悬垂曲面反射镜件的单板，以获得大于10％的角度截止率，所述板具有第一侧和第二侧；

所述第一侧和第二侧之一上的一个涂层；

其中所述表面能够把投射的多幅图像对于不同视场反射到同一个点上。

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