CN101300517A - 用于高对比度应用的光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于期望高对比度应用的光学元件。所述光学元件包括多层光学膜，所述光学膜在设计的入射光波长处有多个反射带，其中至少一个所述反射带为窄反射带，其中每个反射带在设计的入射角处有标称光谱定位，并且其中对以所述设计角度之外的角度入射的光，每个反射带转移为色移反射带。所述光学元件还包括波长选择性吸收器，用来吸收至少一个所述色移反射带。

Description

用于高对比度应用的光学元件

技术领域

本发明专利申请涉及在高对比度应用中用作反射元件的光学元件。

背景技术

众所周知，正投影屏有多种。现有正投影屏在高环境光条件下表现欠佳。例如，在典型的会议室中，使用投影系统需要使用者降低室内环境光强度，以便观看屏幕上的投影图象。降低室内环境光强度是提高对比度的手段之一。提高正投影屏对比度的其它技术包括：使用偏振投影仪光源(例如美国专利No.6,381,068(Harada等人))，以及在主波长处优先反射、透射或散射(例如美国专利6,529,332(Jones等人)、6,836,361(Hou)、6,847,483(Lippey等人)以及美国专利7,054,063(Shimoda))。

发明内容

本发明公开了用于投影屏及其它期望高对比度的应用的光学元件。一方面，该光学元件包括多层光学膜，其在设计的入射光波长处有多个反射带，其中至少一个反射带为窄反射带，其中每个反射带在设计的入射角处有标称光谱定位，并且其中对以所述设计角度之外的角度入射的光，每个反射带转移为色移反射带。该光学元件还包括波长选择性吸收器，用以吸收至少一个色移反射带中的光。

另一方面，该光学元件包括多层光学膜，其包括两个干涉叠堆反射器，其中所述多层光学膜在光第一入射角处有至少两个窄反射带。该多层光学膜也可包含至少两个在光第二入射角处的色移反射带和设置在两个干涉叠堆反射器之间的波长选择性吸收(WSA)层。所述WSA层可包含所选的吸收边缘，以隐藏至少一个色移反射带。

在另一方面，该光学元件包括蓝光反射干涉叠堆、设置在该蓝光反射干涉叠堆之后的绿光WSA、设置在该绿光边缘吸收器之后的绿光反射干涉叠堆、设置在该绿光反射干涉叠堆之后的红光WSA、以及设置在该红光WSA之后的红光反射干涉叠堆。

本发明的以上概述并不旨在描述本发明的每一个公开的实施例或每一种实施方式。本专利申请的这些方面及其它方面在下面的详细描述中显而易见。在任何情况下都不应将以上概述理解为对受权利要求书保护的主题的限制。受权利要求书保护的主题仅由随附的权利要求限定，该权利要求在申请过程中可予以修正。

附图说明

通过以下结合附图的具体说明可以更全面地了解本发明，其中类似的附图标记标明类似的元件。附图旨在示例性而非限制性地给出实例。

图1为示例性多层光学膜的示意图。

图1a为示例性干涉叠堆反射器的示意图。

图2为图示说明多层光学膜在垂直入射角度和40°入射角度的反射光谱的坐标图。

图3为示例性投影仪和投影屏系统的示意图。

图4a为光学元件的示意图。

图4b为另一光学元件的示意图。

图5为图示说明用于实例1和2中使用的各种波长选择性吸收器的透射光谱的坐标图。

图6为图示说明实例1的光学元件的反射光谱的坐标图。

图7a-b为实例1的光学元件的光反射效率和投影仪源反射a^*和b^*值与入射角的坐标图。

图8a-b为说明实例2的光学元件的反射光谱的坐标图。

图9a-b为实例2的光学元件的光反射效率和投影仪源反射a^*和b^*值相对于入射角的坐标图。

图10为示出多种尺寸屏幕的近垂直角度屏幕对比比率估算值的坐标图，所述屏幕集成了实例1的光学元件。

图11为示出多种尺寸屏幕的近垂直角度屏幕对比比率估算值的坐标图，所述屏幕集成了实例2的光学元件。

图12为说明对比度预期提高比率的坐标图。

图13为示出在另一个实施例中光学元件的反射光谱的坐标图。

图14a-b为示出在其它实施例中光学元件的反射光谱的坐标图。

具体实施方式

本发明公开了在期望增大对比度的应用中用作反射元件的光学元件。例如，所述光学元件可用于高对比度正投影屏、显示器以及安全类应用。高对比度是通过反射投影光的同时大量吸收环境光达到的。所述光学元件的反射光谱可被调节到投影仪光源的光谱。本发明所公开的光学元件被设计成只反射具有选定波长和选定入射角度的光(投影光)，同时几乎全部吸收具有其它波长和角度的光(环境光)。

本发明中所公开的光学元件包括多层光学膜(MOF)，其专门用于选择性地反射电磁波谱中的某些狭窄的目标部分。多层光学膜可被设计成只反射光谱中的选定波长，同时透射其它波长。对于许多应用(例如投影屏及其它显示系统)，要反射的选定波长在光谱的可见光范围内。然而，光学元件可被设计成反射其它的选定波长，包括但不限于红外光(IR)和紫外光(UV)波长。合适的多层光学膜的实例包括无机多层光学膜、共挤出的聚合物多层光学膜和多节距胆甾型液晶膜。

多层光学膜是基于干涉作用的膜，可设计为偏振器或反射镜的形式。聚合物或胆甾型多层光学膜可设计为反射性的偏振器或反射镜。无机多层光学膜可设计为反射镜。如本文所提到的，MOF反射偏振器几乎完全反射含一种偏振光的光，同时几乎完全透射其它偏振光。胆甾型反射偏振器反射圆形偏振光的选定部分(手性)。共挤出的聚合物反射偏振器反射线性偏振光。MOF反射镜几乎完全反射以上两种偏振光。

多层光学膜(即，至少部分地采用不同折射率的微层构造以提供期望的透射和/或反射特性的膜)已为人知。众所周知，这类多层光学膜通过在真空室中将无机材料有序沉积于基底上的光学薄层(“微层”)而制成。无机多层光学膜在(例如)以下文献中有所描述：H.A.Macleod，Thin-Film Optical Filters，2nd Ed.，Macmillan Publishing Co.(1986)和A.Thelan，Design of Optical Interference Filters，McGraw-Hill，Inc.(1989)。

最近，多层光学膜已通过共挤出交替聚合物层的共挤出法被证明(参见例如美国专利3,610,729(Rogers)、4,446,305(Rogers等人)、4,540,623(Im等人)、5,448,404(Schrenk等人)、以及5,882,774(Jonza等人))。在这些共挤出的聚合物多层光学膜中，聚合材料主要或者专门用于构成各层。这类膜可以采用大量生产工艺进行制造，并且可制成大型薄板和卷材。

用于光学滤波器的共挤出的聚合物多层光学膜在例如以下文献中有所描述：美国专利5,882,774(Jonza等人)；以及PCT专利公开WO95/17691、WO95/17692、WO95/17699和WO99/36262。一种可以多层反射偏振器形式商购获得的多层光学膜由3M(St.Paul，Minnesota)市售，其销售名称为“反射偏光增亮膜(DBEF)”。聚合物多层光学膜通常由折射率不同的聚合材料交替的层形成。通常，可以使用任何聚合物，只要该聚合物在透射的波长范围内是相对透明的。对于偏振应用，第一光学层、第二光学层或这两层都使用双折射或可制成双折射的聚合物形成。双折射聚合物也可用于非偏振应用。

胆甾型液晶光学膜在以下文献中有所描述，例如美国专利No.5,793,456、美国专利No.5,506,704、美国专利No.5,691,789和欧洲专利申请公布No.EP 940 705。一种胆甾型反射偏振器由Merck Co.以商品名TRANSMAX^TM市售。胆甾型液晶光学膜在光波长的具体带宽内，几乎完全反射圆形偏振光(例如左旋或右旋圆形偏振光)，并且几乎完全透射其它圆形偏振光(例如右旋或左旋圆形偏振光)。此特征描述了在垂直入射角度处，反射或者透射被导向胆甾型液晶材料的指向矢的光。在其它角度处被导向的光通常被胆甾型液晶材料椭圆偏振。胆甾型材料可由任何已知材料组成，包括但不限于单体和聚合物。

胆甾型液晶光学膜的节距是决定被胆甾型液晶反射的光的中心波长和光谱带宽的重要因素。这些光学膜的节距类似于无机和共挤出的聚合物多层光学膜的层厚度。在数值范围内，使用多节距重复单元通常会增加光学膜的带宽。具有多节距单元的胆甾型液晶光学膜(例如为了增大带宽)可通过例如以下方法形成：叠堆使用胆甾型液晶光学膜，该胆甾型液晶光学膜是用不同的材料或相同的材料的不同组合制成的。一种可选择形成光学膜的方法是，改变穿过一个或多个层的每一层的节距。不同数值的节距作为不同的光学层，反射不同波长的光。

另外，每个节距单元有具体数值，这些节距单元的数量类似于无机和共挤出聚合物多层光学膜中的重复单元的数目。通常，胆甾型液晶MOF中重复节距单元的数量越多，获得反射率越高。

如本文所用，“膜”是指延展的光学体，其厚度一般比其横向尺寸小得多。在某些情况下，可将膜固定或施加到另一个光学体(诸如刚性基底)上或另一个具有合适反射或透射特性的膜上。该膜也可是物理柔性的形式，不管它是自立式的，还是固定到其它柔性层上的。

多层光学膜通常包含一个或多个干涉叠堆。每个干涉叠堆包含不同折射率特性的各个微层的相干分组，以使得某种光在邻近微层之间的界面处反射。所述微层很薄，足以使得在多个界面处反射的光经受相长或相消干涉作用，从而给干涉叠堆获得以期望的反射或透射特性。对于设计用于反射紫外光、可见光或近红外光波长处的光的干涉叠堆，每个微层的光学厚度(物理厚度乘以折射率)通常小于约1μm。在本专利申请中，设计成反射光的干涉叠堆称为干涉叠堆反射器。设计中也可包括较厚的层，例如干涉叠堆反射器外表面的表层，或设置在干涉叠堆之间、分隔微层相干分组的保护性边界层。多层光学膜也可包含一个或多个厚的粘结剂层，该层粘结层合物中两个或更多个片状的干涉叠堆反射器。

在简单的实施例中，所述微层的厚度可相当于1/4波长叠堆，即，布置于光学重复单元或单位晶胞中，每个所述光学重复单元或单位晶胞基本上由两个邻近的、光学厚度(f-比率＝50％)相同的微层组成，这类光学重复单元可通过积极干涉有效地反射光，被反射的光的波长λ是光学重复单元的总光学厚度的两倍。沿膜厚度轴(例如z轴)的厚度梯度可用于提供加宽的反射带。也可使用使这类反射带边缘锐化的厚度梯度，正如美国专利6,157,490(Wheatley等人)中所讨论的一样。对于共挤出的聚合物多层光学膜，反射带可被设计为具有锐化的谱带边缘，以及“平顶”的反射带。还可以想到其它层结构，诸如2微层光学重复单元的多层光学膜(其f-比率不同于50％)，或光学重复单元基本由两个以上的微层组成的膜。这些可供选择的光学重复单元的设计可用于提高或减少某些高阶反射。参见例如美国专利No.5,360,659(Arends等人)和5,103,337(Schrenk等人)。

多层光学膜可被设计成在至少一个已知为反射带的光谱带上反射一个或两个偏振光。该膜也可以进行定制，以使其在反射带的一侧或两侧呈现锐利的谱带边缘，由此获得高色彩饱和度。所述多层光学膜内的干涉叠堆的层厚度和折射率可受控制，以反射至少一种具体波长的偏振光(在具体的入射角度处)，同时对于其它波长几乎完全透明。通过仔细操纵这些层沿多个膜轴的厚度和折射率，多层光学膜可被制成跨越一个或多个光谱区域的反射镜或反射偏振器。因此，例如，多层光学膜可被调节为反射光谱的可见光区域中的两种偏振光，同时对光谱的其它部分透明，从而使得它们尤其适用于投影屏。

可用于制造共挤出的聚合物多层光学膜的示例材料可见于美国专利6,827,886(Neavin等人)。可提供适当折射率差值和足够夹层附着力的示例性两种聚合物组合包括：(1)对于使用主要以单轴拉伸为主工艺制成的偏振多层光学膜，PEN/coPEN、PET/coPET、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/Eastar^TM和PET/Eastar^TM，其中“PEN”指聚萘二甲酸乙二醇酯，“coPEN”指基于萘二羧酸的共聚物或共混物，“PET”指聚对苯二甲酸乙二醇酯，“coPET”指基于对苯二甲酸的共聚物或共混物，“sPS”指间规立构聚苯乙烯及其衍生物，Eastar^TM是聚酯或共聚酯(据信包含对苯二酸环己烷二甲酯单元和对苯二酸酯单元)，可从Eastman Chemical Co.商购获得；(2)对于通过控制双向拉伸方法的工艺条件制成的偏振多层光学膜，PEN/coPEN、PEN/PET、PEN/PBT、PEN/PETG和PEN/PETcoPBT，其中“PBT”指聚对苯二甲酸丁二醇酯，“PETG”指利用第二乙二醇(通常是环己烷二甲醇)的聚对苯二甲酸乙二醇酯的共聚物，“PETcoPBT”指对苯二甲酸的共聚酯或其与乙二醇和1，4-丁二醇的混合物的酯；(3)对于反射镜膜(包括着色反射镜膜)，PEN/PMMA、coPEN/PMMA、PET/PMMA、PEN/Ecdel^TM、PET/Ecdel^TM、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/coPET、PEN/PETG和PEN/THV^TM，其中“PMMA”指聚甲基丙烯酸甲酯，Ecdel^TM是共聚酯醚弹性体，可从Eastman Chemical Co.商购获得，THV^TM是含氟聚合物，可从3M Company商购获得。

合适的多层光学膜及相关设计和构造的更详细的信息可见于美国专利5,882,774(Jonza等人)、6,531,230(Weber等人)、PCT专利公开WO 99/39224(Ouderkirk等人)，以及“Giant Birefringent Opticsin Multilayer Polymer Mirrors”，Science，Vol.287，March 2000(Weber等人)。多层光学膜和膜体可包括附加层和涂层，这些层是根据其光学、机械和/或化学特性进行选择的。例如，UV吸收层可被添加在光学元件的入射侧，以保护含此光学元件的投影屏组件不发生UV光引起的降解。附加的层和涂层也可包括抗刮涂层、抗撕层和硬化剂。参见例如美国专利6,368,699(Gilbert等人)。

设计为反射一种或多种可见光窄带的多层光学膜通常会透射大部分其它可见光波长。这类膜的吸收通常低得足以被忽略，以使得反射光(R)的量与透射光(T)的量之和非常接近等于入射光总量。

在本专利申请的背景下，反射带是由低反射(高透射)光谱区界定的高反射光谱区。然而，即使在给定MOF的透射带中也会发生少量反射。反射带可以通过中心波长和宽度表征。该中心波长是反射带中心的波长，通常(但不一定)接近其反射率峰值所在的反射带的波长。反射带的宽度可表示为半最大值处的全宽度(FWHM)，即反射带内位于最大反射值的百分之五十处的两个波长之间的距离，以nm为单位。

本文所用的多层光学膜通常具有多个反射带，其中至少一个反射带为窄反射带，宽度优选为50nm或更窄。如果与合适的光源一起使用，所述窄反射带的波长位置可以提供投影图象的高亮度、色彩真实的影像。多层光学膜在正投影屏或其它高对比度应用中担当光学元件的反射元件。多层光学膜可用于反射投影光的目标部分，该多层光学膜包括多个反射带，这些反射带遍布以设计角度入射的光的选定可见光波长。

图1示出示例性多层光学膜100，含有三个不同的干涉叠堆反射器110、112和114。每个干涉叠堆反射器包含交替聚合物微层、无机微层或多节距胆甾型液晶的光学重复单元。图1a示出含有交替层A和B(分别为16和17)的干涉叠堆反射器的一个实例。在AB这种情况下，每个重复的微层组形成光学重复单元18。还可以想到其它干涉叠堆设计，包括本领域已知的含有光学重复单元的设计。例如，还可以想到含有两个以上微层的光学重复单元(例如ABC、CACDBD和7A1B1A7B1A1B)。

在如图1所示设计的一个实施例中，三个干涉叠堆反射器110、112和114分别被选定为反射蓝光、绿光和红光。这三种被反射的原色可以混合，在显示器上基本上获得任何颜色。在图1中，示出设计为反射蓝光的第一干涉叠堆反射器110靠近多层光学膜100的入射侧102。入射光包括投影仪光20和环境光50。第二干涉叠堆反射器112设计为反射绿光，从多层光学膜的入射侧102观察，它被设置在蓝光反射干涉叠堆110之后。第三干涉叠堆反射器114设计为反射红光，它被设置在绿光反射干涉叠堆112之后。

图2示出构造如图1所示的共挤出聚合物多层光学膜的反射光谱200a。反射光谱200a有三个窄反射带210、212和214，一个在蓝光光谱区(210)，一个在绿光光谱区(212)，一个在红光光谱区(214)，以及在所述反射带之间的居间透射带。每个反射带宽约30nm。

多层光学膜的特性之一是反射带随入射角转移。对于垂直入射或近垂直入射光，反射带位于一组波长范围内。对于倾斜入射光，这些反射带会移到更短的波长处。例如，在反射带被设计为在垂直入射角度处位于绿光波长的多层光学膜中，当入射光角度增加时，该绿光反射带将移向蓝光波长处。在图2中，红光反射带214在垂直入射角度处反射640nm与670nm之间的波长。对于在40°处入射的光，此红光反射带移至585-615nm，如曲线200b所示。多层光学膜的色移特性在美国专利No.6,531,230(Weber等人)中有详细描述。

图3示出包括投影仪光源30的实施例，该光源发出以设计角度θ射到屏幕10上的光20。屏幕10包括含有反射元件的光学元件。投影光20在含有15°半锥角的角范围25内入射。此范围内的角度通常被称为近直角，并且包括垂直入射或0°的光。该角圆锥的中心角度为设计角度θ(在示出的实施例中为0°)。光学元件反射的具体波长范围可调节为投影仪光源30的发射波长。典型的投影仪光源包括填充氙或汞(包含气体)的超高压短弧灯和激光光源，激光光源包括VCSEL、光纤激光、边缘发射激光、固态直接波长生成激光、非线性光学波长生成激光、以及二极管泵浦光学玻璃和水晶(包括Nd:YAG和YLF)。LED源也可以用作投影仪光源。例如，可以使用含有红光、绿光和蓝光LED的投影仪光源。通常，投影仪光源在图象生成过程中通过吸收或反射分色元件得以滤光，进一步改善投影仪光的光谱，以使投影图象要求的光谱内容调和到最佳。

然后可以选定投影屏中光学元件的反射带，以使得反射带居中位于相应的投影光光谱的输出峰值上，正如下文将要描述的一样。在一些实施例中，投影光的峰值只能部分地与光学元件的反射峰值重叠。

投影仪光可以偏振或不偏振。在光学元件包括反射偏振器多层光学膜的情况下，可以使用偏振光源。光学元件可以被构造成只反射一种偏振状态(线性偏振或圆偏振)，对于其它偏振状态则呈现高透射性(透过可见光带)。这样在投影仪输出线性光或圆偏振光的情况下会有利，并且其中投影仪偏振与屏幕反射偏振共同对齐。使用共挤出的聚合物反射偏振器MOF的光学元件的实例在实例2中有所描述。

如图1所示构造的多层光学膜可用作图3的投影系统中投影屏的元件，以获得投影光的目标反射。然而，本设计的屏幕趋向于反射相当数量的环境光，降低了对比度。参见例如图2，在近垂直角度被投射的650nm红光被红光MOF反射带(640-670nm)反射。相同的650nm波长的环境光50在近垂直角度处入射时也被反射。在较高的倾斜角度处入射，由于红光反射带移向短于650nm的波长处，环境光将被所述MOF透射。另一方面，适合色移反射带的波长的环境光在倾斜角度处入射会被MOF反射。在设计角度之外的角度处环境光的这种反射导致低对比度。对比度由屏幕反射的投影光与反射的环境光的光量的比率确定。因此，增加对比比率的方法之一是减少光学元件反射的环境光的光量。

可以通过添加波长选择性吸收器(WSA)来隐藏光学元件的色移反射带，以增加对比度。图4a示出光学元件的示意图，所示光学元件包括两个干涉叠堆反射器12和14，以及设置在反射器12和14之间的波长选择性吸收层24。该WSA层24被选定使其具有吸收边缘，该吸收边缘位于设计角度的反射带和色移反射带(给定色反射干涉叠堆)之间的波长处。采用这种设计，波长选择性吸收器可以有效地隐藏色移反射带。

在示例性实施例中，干涉叠堆反射器14可被选定为反射红光，其中心波长为660nm，如图2所示。红光WSA层24可以被选定使其在大约620nm处有吸收边缘，并且该吸收边缘设置在红光反射干涉叠堆14之前。该红光WSA层吸收短于620nm的波长。采用这种设计，原本被红光反射干涉叠堆(居中位于大约600nm处，40°入射)的色移带反射的光将被红光波长选择性吸收器吸收，从而减少光学元件所反射的环境光的光量。

由于波长选择性吸收器基本上与角度无关，所以以任意角度进入屏幕的选定波长的光都会被吸收。波长选择性吸收器可以被选定使其有单一吸收边缘，以使得在吸收边缘以下波长的光被吸收，并且吸收边缘以上波长的光得以透射。图5示出此类波长选择性吸收器的光谱实例。图5示出三种示例性波长选择性吸收器的透射光谱。曲线40示出绿光WSA的透射光谱，该透射光谱有大约505nm的吸收边缘，曲线42示出红光WSA，其有约620nm的吸收边缘，曲线44示出黑色WSA，其有约780nm的吸收边缘。

作为另外一种选择，波长选择性吸收器可以在吸收边缘以下透射，在吸收边缘以上吸收。也可以设计这两者的组合，以使得波长选择性吸收器在选定波长范围内吸收，并且在该范围以上和以下透射。一种或多种此类波长选择性吸收器可以用于隐藏色移反射带。

在包含红光、绿光和蓝光反射带的实施例中，可以小心布置所述红光、绿光和蓝光光反射干涉叠堆和WSA层的顺序，以使得在设计角度之外入射的环境光被吸收。对于设计用来反射近垂直角度入射光的光学元件，如果红光反射干涉叠堆和红光WSA层被放置在屏幕的入射侧，则所有短于620nm红光吸收边缘的波长将被吸收。因此，处于蓝光和绿光波长(分别约430nm和530nm)的光，会在到达蓝光和绿光反射干涉叠堆之前被吸收，并且不会被此设计的光学元件反射。

图4b示出实施例，其中MOF层(干涉叠堆反射器)和WSA层被布置为在近垂直入射角度处反射三种选定原色，同时吸收在近垂直入射角度以外入射的多余环境光，包括相当于三种干涉叠堆反射器中的两种的色移波长。

蓝光反射干涉叠堆110被放置在光学元件的入射侧152上。该蓝光反射干涉叠堆被设计为反射430和460nm之间垂直入射和近垂直入射的波长，如图2所示(曲线200a)。在40°处，色移蓝光反射带位于大约390-420nm处。在此实施例中，色移蓝光反射带未被波长选择性吸收器隐藏，因为色彩组合和人眼对深蓝波长较不敏感的原因，这些反射的蓝光波长是适宜的。在其它实施例中，蓝光WSA层可以被添加在蓝光反射干涉叠堆之前。也可以添加附加层或涂层，包括UV吸收层、抗刮涂层等，如前文所述。

绿光反射干涉叠堆112被放置在蓝光反射干涉叠堆110之后。该绿光反射干涉叠堆被设计以反射520和550nm之间、垂直入射和近垂直入射的波长。该色移绿光反射带位于大约480-510nm处。为隐藏该绿光色移反射带，添加绿光波长选择性吸收(WSA)层120。该绿光WSA层在大约505nm处有吸收边缘(参见图5，曲线40)。该绿光WSA层120设置在蓝光反射和绿光反射MOF层之间，以使得波长短于505nm的光被吸收，且波长长于505nm的光被透射穿过绿光WSA层120。适合该绿光反射干涉叠堆112的反射带波长的光随后被绿光反射干涉叠堆112反射。

同样，红光反射干涉叠堆114被放置在绿光反射干涉叠堆112之后。红光反射干涉叠堆114被设计以反射640和670nm之间、近垂直入射角度处的波长。在40°角度，色移红光反射带位于大约585-615nm处。为隐藏此反射带，在绿光反射和红光反射MOF层之间添加红光WSA层122。可选地，黑色吸收层130可以添加在红光反射干涉叠堆114之后，以吸收任何会被其它层的组合透射的光。可选地，光学元件也可以包括正向漫射层，以便于将投影图象背向散射到合适的视角范围内。光学元件通过反射光的角分布来表征。当具体应用期望不同的角分布时，可以添加漫射元件，以改变光的角分布。

在正投影屏应用中，投影图象通常以近垂直的设计角度范围投射到屏幕上。也存在其它实施例，其中投影光可以在具体的设计角度处入射。可以构造这样的系统：该系统有投影仪或光源系统，这种布置方式使得光以设计角度(例如30°)投射到投影屏上。在这样的系统中，当入射光角度向垂直角度变化时，多层光学膜的色移反射带朝较长的波长移动。对于在高于30°的角度处入射的光，反射带移向更短波长，如前文所述。

对于设计成反射在30°设计角度处入射的投影仪光的光学元件，可选择不同的波长选择性吸收器组合，以隐藏更高波长的色移反射带。例如，设计为反射以大约30°入射的490-520nm波长的绿光反射干涉叠堆，可以在更长的垂直入射光的波长(例如530-560nm)处存在色移反射带。波长选择性吸收器设置在干涉叠堆反射器之前，并且选定为透射530nm以下的波长，但吸收从530nm到600nm的波长，可以用于隐藏垂直入射角度的色移反射带。

在30°设计角度的实施例中，也可以存在第二色移反射带以用于更高的入射角。此第二色移反射带将移向更短的波长。要隐藏此反射带，可以在所述干涉叠堆反射器之前添加第二波长选择性吸收器，如前文所述。还可以想到其它的实施例，包括含有两个或更多个干涉叠堆反射器的光学元件，所述反射器被设计为在第一选定角处有两个或更多个反射带，以及布置大量的波长选择性吸收层，从而赋予光学元件所需的角度选择特性。

在一些实施例中，所述波长选择性吸收器的物理位置被设计为使光学元件具有近垂直入射角度，在可见光谱的目标部分具有高反射性，同时提供某些选定反射带，当入射角度明显偏离垂直入射角度时，可被波长选择性吸收器隐藏。在其它实施例中，反射带的角选择性被设计为垂直角度之外的角度处。

本文所公开的光学元件提供了适合投影仪光谱的波长的高目标反射性，并且其中所述高目标反射性在选定的设计角度范围内。通过波长选择性吸收层的吸收，所述光学元件最大程度低减少了以设计角度之外角度入射的环境光。虽然没有波长选择层的多层光学膜在波长空间中是选择性反射的，但是多层光学膜含有WSA层的光学元件可以同时具有波长和角度选择性。目前，本发明所公开的光学元件适用于高对比度正投影屏、显示器，以及安全应用领域，其特征在于同时具有角度和波长选择性的反射。

本发明所公开的光学元件在第一入射角处有选定数量的反射带，并且在第二入射角处具有不同数量的反射带。通过隐藏(吸收)入射光的设计角度之外的角度的色移反射带，在设计角度处的反射带数量可以被选定为与设计角度之外的角度处的反射带数量不同。正如下面将要详细描述的一样，图6示出光学元件的实例，所示光学元件在0°设计角度(曲线202)处有三个反射带，而在40°(曲线212)处的入射光只有一个反射带。

在一些实施例中，所有处于可见光波长中的反射带可为窄反射带。在其它实施例中，一个或多个窄反射带可以与一个或多个宽反射带组合。这样的组合包括设计为包含第一窄反射带和第二宽反射带的多层光学膜。这类实施例的实例在图13中示出。在图13中，在可见光谱的蓝光-绿光部分中，红光反射带270为窄反射带，而第二反射带272为宽反射带。这样的多层光学膜可由两个不同的干涉叠堆构造而成，例如，一个导致窄的红光反射带270，另一个被设计在蓝光-绿光反射带272中反射。要隐藏色移红光反射带，可以在大约620nm处添加具有吸收边缘274的波长选择性吸收器。在此实施例中，可以省略隐藏蓝光色移带的第二WSA，因为反射带移入紫外光范围内，人眼在此范围内无响应。

其它可能的设计包括延伸到可见光外的反射带，此时人眼无响应，因此有效地使此类反射带将可见光波长反射带变窄。两种可供选择的实施例的反射光谱在图14a和14b中示出。

图14a示出多层光学膜的反射光谱285，所述多层光学膜在垂直入射角度处有两个窄反射带280和282。这些反射带可以是可见光外的1阶反射的更高阶谐波反射，或者可以是来自两个不同干涉叠堆的1阶反射。第三反射带284是延伸到紫外光波长的宽反射带。对于在40°处入射的光，色移反射带在反射光谱曲线286中示出。要隐藏色移反射带，可以使用这样的波长选择性吸收器：位于绿光和蓝光反射带(分别为282和284)之间的约505nm处有吸收边缘283。要达到这一点，蓝光WSA被设置在光学元件内的绿光反射干涉叠堆与宽带的蓝光反射干涉叠堆之间。反射曲线288表示本设计的光学元件的反射光谱。

图14b示出另一个实施例的光学元件的反射光谱。此处，第一干涉叠堆反射器被设计为在红光波长具有宽的反射带290，并从可见光区域延伸到红外光波长。第二多层光学膜被设计为有两个窄反射带，一个在绿光波长中，一个在蓝光波长中(分别为292和294)。如图14a的实施例所示，这些反射带可以是可见光外的1阶反射的更高阶谐波反射，或者可以是来自两个不同干涉叠堆的1阶反射。在此设计中，WSA被选定以具有吸收边缘291，在约620nm处隐藏以非设计角度入射的光的色移红光反射带。反射光谱295示出此设计的多层光学膜的反射率，在垂直入射角度处具有反射带290、292和294。反射光谱296示出相同的多层光学膜在40°处入射的光的反射率。在曲线296中，所有反射带都移至更短的波长段，如箭头所示。光学元件包括添加了波长选择性吸收器的多层膜，其反射光谱如曲线298所示。在此曲线中，色移宽反射带变成了较窄的反射带。

在使用在图4a中示出的光学元件的实施例中，每个MOF层可被设计为含有一个或多个反射带。在聚合物微层的单干涉叠堆的情况下，多个反射带可以是单个一阶反射带的谐波。在设计在投影屏中使用的光学元件中，每个MOF层中的至少一个反射带应该在给定设计角度的可见光范围内。例如，可以设计包括三个干涉叠堆反射器的光学元件，如图4b所示。另一个实例是包括两个干涉叠堆反射器的光学元件，一个反射红光和绿光，另一个反射蓝光。另一个实例是包括两个干涉叠堆反射器的光学元件，其中第一反射器有两个反射带(例如蓝光和绿光)，且第二反射器只有一个红光反射带。在这些实例中，所述反射带可以是一阶反射，或者是任何更高阶(谐波)的反射。例如，红光反射带可以是红外光(IR)反射带的二阶谐波反射。另外的可见光外的反射带(诸如IR带)无助于观察目的的光学元件，但如果需要，可以出于其它设计目的考虑使用。例如，可见光外的反射带可能期望用于安全应用，其中不可见光源可用于诸如鉴别等目的。

尽管本发明在本文中频繁结合光谱的可见光区域进行描述，但是通过对不同参数的适当调整(例如光学层的光学厚度和材料选择)，本发明的实施例也可以用于在电磁辐射的不同波长(和频率)处工作。虽然一些实施例在投影屏的背景下有所描述，但是同样的技术还应用于其它期望高对比度的应用中所用的光学元件，包括多种显示器(例如标示牌、活动或动态显示器应用、以及背光显示器)和安全应用(例如产品标签、制造标签证明、以及鉴别标记)。

对于期望柔性的应用，诸如在便携式投影屏中，优先选用例如聚合材料。由聚合材料构成的光学元件可以被制成柔性件，因而具有此类光学元件的投影屏在不使用时，可以容易地卷成圆筒以供存放或运输。

使用上述原理，可以设计多种光学元件。光学元件可以包括两个或更多个干涉叠堆反射器，以及一个或多个波长选择性吸收器，这些波长选择性吸收器作为层散布在于选定的邻近干涉叠堆反射器对之间。当每个MOF层的反射带针对设计角度之外的角度发生转移时，该波长选择性吸收器可被选择用来隐藏色移反射带。这使得光学元件同时具有波长选择性和角度选择性。高对比度应用，诸如采用本文所述的任何光学元件的正投影屏或显示器，通过反射几乎所有在第一角度范围内射入屏幕的投影光，同时最大限度地吸收在第二角度范围入射的环境光，可提供更高的对比度。该第一角度范围可以是近垂直角度或另一个设计的角度范围。

尽管已对具体的实施例进行详细描述，还可以想到其它的实施例。例如，具有两个干涉叠堆反射器及单个波长选择性吸收器的光学元件也可以被设计为在任何两个波长范围内反射，而不限于上述示例性实施例中的红光、绿光和蓝光。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，也可以添加任选的附加层。例如，黑色吸收层可以添加在多层光学膜之后。同样，漫射层可以添加在光学元件的入射侧，以改变光学元件反射的光的角分布，从而得到适当的视角。任选的附加层或涂层包括UV保护层、抗刮涂层、硬化涂层等等。

正投影屏的对比比率表征了投影图象的反射效率，这是相对于投影环境中环境光的反射效率而言的。屏幕的对比比率的精确值取决于投影仪输出(流明)、屏幕尺寸、环境光源的光谱和亮度、以及所要达到的一定程度的屏幕增益。一般来讲，对于典型的办公投影环境和标准的HTPS或DLP投影仪，标准的“白色”粒状投影屏特征是具有大约2∶1的垂直入射角度对比比率。对于相似的投影场景，一些可商购获得的高对比度正投影屏其特征为具有范围从10∶1到20∶1的视角对比比率。如下面实例所示，光学元件包括本文所公开的多层光学膜和波长选择性吸收器，与无波长选择性吸收器的同样设计的屏幕相比，使用这样的光学元件的屏幕可以获得提高大约100％(即两倍)的对比比率。

实例

实例1

在实例1中，计算构造(即模型设计)包括多层光学膜反射镜的光学元件。该MOF结构由3个相干多层光学膜四分之一波长叠堆组成，每个叠堆包括160层聚碳酸酯(材料1)和PMMA(材料2)。实例1中所有材料是各向同性的，其折射率n₁＝1.579，且n₂＝1.495。折射率较低的PMMA层在空气到干涉叠堆反射器界面处。这些设置降低了干涉叠堆反射带之间的波长区域内的反射程度。交替聚合物微层的每组相干叠堆(本文称为“蓝光反射干涉叠堆”、“绿光反射干涉叠堆”等)，被设计为在设计的可见光波长附近具有反射带。公式1表示一阶谐波(m＝1)反射带中心波长λ_0，m、每个干涉叠堆反射器中微层的物理厚度d_1，i和d_2，i、以及包含重复微层的两种材料的折射率值n₁和n₂之间的关系。在此设计实例中，所选梯度极低，接近于1，以使得所有单位晶胞(材料1和材料2的四分之一波长对)在同一波长附近共振。这样使得一阶反射带在可见光中相对狭窄。

${\mathrm{\λ}}_{0,m}=(2/m)(n_1\underset{i=1,j}{\mathrm{\Σ}}{d}_{1,i}+n_2\underset{i=1,j}{\mathrm{\Σ}}{d}_{2,i})$ 公式1

在该实例中，每个干涉叠堆的一阶反射带的波长位置被选定，以适合投影仪在红光、绿光和蓝光波长具有的发射峰值。在该实例中，投影光的光谱假定为LED型窄带光谱，提供峰中心在430nm、530nm和650nm波长处的高斯形峰。图2示出所述MOF在垂直入射角度处的反射光谱200a(无WSA层)和投影光的光谱250。

通过计算整个入射角范围内的多层光学膜的光谱，并使用比色分析工具，可以绘制入射角范围内的光反射率和投影光的颜色变化图。图7a示出对投影光光谱的光反射效率60和经由MOF主体反射的投影光的颜色变化(a^*值64和b^*值66)，二者只取决于多层光学膜的入射角。投影光的颜色变化使用CIE Lab色度系统进行计算。还示出了紧凑型荧光源(代表典型的环境光源)的发光反射效率62，取决于同一多层光学膜的入射角。

在图7a中，投影光的颜色变化a^*值64和b^*值66表示，在适于近垂直设计角度(0到20度)的正投影屏的角度范围内，变化相对较小，而在该范围内，投影光的发光反射效率60为大约90％。在紧凑型荧光发光反射曲线62以下的区域，到第一逼近程度，表示反射环境光可能的对比度降低。设计高对比度正投影屏的一个技术难题是，使在交互作用的角度入射的任何环境源的光的反射极低，所述角度可能将光反射到观众的视角范围内。

环境荧光灯的光反射效率62在大于20°的入射角处有所提高，因为多层光学膜的反射带移入荧光源光谱的区域，增强了光反射。该角度的造成荧光反射的显著因素是红光和绿光反射带。

减轻缓解此对比度降低效应的方法是，当入射角增加时，促使红光和绿光反射带移入吸收边缘。下面论述计算设计，其中波长选择吸收层被插入干涉叠堆反射器中。所述WSA层由可商购获得的可见光染料吸收长波通滤光器(例如，Filtron E-520和Filtron E-620添加染料的丙烯酸树脂和聚碳酸酯板产品)制成。可以商购获得其它可挤出的染料和颜料，只要能生成具有锐利的可见光吸收的谱带边缘的波长选择性吸收器。图5示出用于实例1和2中光学元件的WSA层的透射光谱。

当光学元件包括具有一系列按适当的序列定位的波长选择性吸收器的MOF结构时，例如如图4b所示，由于入射角增加，光学元件的一些反射带变为隐藏(被吸收)。图6示出光学元件的计算的反射光谱202，该光学元件包括干涉叠堆反射器、WSA层和黑色吸收层，其布置如图4b所示。在垂直入射角度处，光谱202示出三个反射带，其所处波长位置与前面图2中所示的位置相似。然而，在40°入射角处，光谱212只有一个反射带相当于图2的蓝光色移反射带。图6表示包括三个干涉叠堆反射器及两个散布其中的WSA层的光学元件，该光学元件被设计为在垂直入射角度处有三个反射带，且对40°入射的光只有一个反射带。

使用这些方法，包括干涉叠堆反射器以及散布其中的WSA层的光学元件可以被设计为在一个入射角处有第一数量n的反射带，且在另一个入射角处有第二数量的反射带。此设计得到的光学元件同时具有波长选择性和角度选择性。本领域内的技术人员将会知道，不同干涉叠堆反射器可以如何与不同WSA层组合，使制成的光学元件对某些选定的设计波长和角度具有反射特性，同时吸收其它波长和角度。使用本实例中所述的设计，促成荧光反射的显著因素在大于30°的角度处被吸收。

如前面所述，通过计算整个入射角范围内的多层光学膜的反射光谱，并使用比色分析工具，可以绘制交互作用的角度范围内的光反射率和投影光颜色变化的图线，其角度适于正投影屏中的光学元件(包含WSA层)。图7b示出对投影光光谱的光反射效率70和经由光学元件反射后的投影光的颜色变化(a^*值74和b^*值76)，二者取决于入射角度。该荧光源的光反射效率72显示，在大于大约25°的角度处有显著降低，因为在这些角度处，红光和绿光反射带不再对反射有促进作用。荧光发光反射曲线72以下的区域再次示出经由光学元件反射的环境光对比度降低的量。当WSA层插在干涉叠堆反射器之间时，荧光反射总量显著减少(减少大约三分之二)。此设计的光学元件在近垂直入射角(投影仪设计角度)处具有高的目标反射性，但在与任何类型的杂散的环境光相关联的所有其它角度处，将成为吸收性结构。

图10示出使用本实例的光学元件的对比比率估算值。假定环境光输出在屏幕的正半球附近平均分布，通过估算视角(与屏幕接近垂直)图象亮度，和通过对环境光亮度归一化(反射进入近垂直入射的立体角)，可以计算对比比率的估算值。图10示出对不同环境光照度(假定为紧凑型荧光灯光谱)估算的对比比率。投影仪输出为1000流明。所述四条曲线代表四种不同的屏幕尺寸：每边1.5米(曲线300)、每边2.0米(曲线302)、每边2.5米(曲线304)以及每边3米(曲线306)。

光学元件上的可选扩散片覆盖物的光学效果将改变MOF反射响应的角度特征和环境光的重定向。具体地讲，如果扩散片覆盖物与MOF有光学接触，则可能产生穿过MOF结构的更高的传播角。这些光学效果将具体取决于该扩散覆盖物的扩散特性。

实例2

在实例2中，计算构造了MOF反射偏振器。该MOF结构由三个相干多层四分之一波长叠堆组成，每个叠堆包含160个双折射聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN；材料1)和PEN的非双折射共聚物微层(co-PEN；材料2)，聚萘二甲酸乙二醇酯微层在拉伸方向的折射率n_1，stretch＝1.757，在调和方向的折射率n_1，match＝1.614，它的非双折射共聚物的折射率n₂＝1.612。假定折射率较低的co-PEN层在空气到干涉叠堆的界面处。这样降低了干涉叠堆反射带之间的波长区域的反射程度。如同实例1具有MOF反射镜的情况，每个相干的干涉叠堆被设计为在设计的可见光波长处具有反射带，以调和投影仪的光输出光谱。公式1表示，关于应变硬化的双折射而引起折射率失谐的面内材料轴，一阶谐波反射波长(m＝1)与每个干涉叠堆中层的物理厚度之间的关系。沿着垂直于面内轴的方向，双折射的PEN折射率基本与各向同性的co-PEN折射率相匹配，导致基本上没有相干反射。

图8a示出光学元件的反射光谱，该光学元件包括三个反射性偏振器干涉叠堆，不包括任何WSA层。曲线205表示线性偏振入射光的垂直角度反射光谱，其电场位于垂直平面中，该平面包含折射率基本上失谐的材料轴。曲线215表示在40°入射角处的反射光谱。通过计算在入射角范围内的MOF反射性偏振器的反射光谱，并使用比色分析工具，可以绘制该入射角范围内和偏振状态下的光反射率，以及光源颜色变化的图线，其中投影仪的光输出偏振与折射率基本上失谐的MOF偏振轴匹配。图9a表示光反射效率160和投影仪光的颜色变化(a^*值164和b^*值166)，取决于针对此光学元件反射的入射角。还示出紧凑型荧光源的光反射效率162取决于入射角，其中荧光偏振状态假定为无规的。

在图9a中，a^*值164和b^*值166表示在适于正投影屏的角度范围内(0-20°)只有微小变化，表明对投影光的白色状态基本上无改变，并且在该范围内对RGB源的光反射效率160在90％以上。在紧凑型荧光发光反射曲线162以下的区域，到第一逼近程度，为可能对比度降低的反射光。

所述WSA层被添加到MOF反射性偏振器结构中，按适当的序列布置(参见图4b)，以使得反射带随着入射角的增加而被隐藏(被吸收)。图8b示出光学元件的计算的反射光谱207，该光学元件包括共挤出的聚合物MOF反射性偏振器、WSA层和黑色吸收层，其布置如图4b所示。图9b表示此类光学元件对线性偏振的投影仪光源的反射效率170。当WSA层插入干涉叠堆反射器时，荧光反射总量基本减少，如实例1所述。此设计的光学元件在近垂直入射角(投影仪角度)处具有高的目标反射性，但在与任何类型的杂散的环境光相关联的所有其它角度处，将成为吸收性结构。

正投影屏对比比率的估算值在图11中示出，其中实例2提供带反射偏振器功能的光学元件(假定投影光谱具有线性偏振状态，与折射率失谐的材料轴对齐)。图11示出针对不同环境光照度估算的近垂直角度的屏幕对比比率(假定为紧凑型荧光灯光谱)。投影仪输出为1000流明。所述四条曲线代表四种不同的屏幕尺寸：每边1.5米(曲线310)、每边2.0米(曲线312)、每边2.5米(曲线314)以及每边3米(曲线316)。

图12示出估算的对比比率的增加，该增量由包括插入MOF的干涉叠堆的WSA层产生。对于实例1的光学元件和实例2的光学元件，估算的对比比率改善约二分之一。投影仪输出为1000流明，且屏幕尺寸为每边2米。曲线320表示实例2在不同环境光条件下的估算的对比比率，此时实例2无波长选择性吸收器的聚合物反射偏振器。曲线322表示实例2的估算的对比比率，此时实例2包括波长选择性吸收器的聚合物反射偏振器。比较这些曲线，例如，环境光为100勒时，无WSA层的反射偏振器(曲线320)估算的对比比率为约25，而插入WSA层的相同反射偏振器估算的对比比率为50。同样地，曲线324和326表示无WSA层(曲线324)和包括有WSA层(曲线326)的实例1的反射镜MOF结构的估算的对比比率。获得的类似的对比比率增加大约为100％。在100勒的荧光环境光条件下，无WSA层的MOF反射镜估算的对比比率为20，而包括有WSA层的相同MOF反射镜估算的对比比率为约42。

当设计屏幕包括含有本文所述的波长选择性吸收器的光学元件时，与类似设计但无波长选择性吸收器的屏幕相比，这样的屏幕估算的对比比率将提高大约100％(或两倍)。对于包含本文所公开的光学元件的显示器装置和安全应用，预计存在对比比率的类似改善。

虽然本发明有各种修改形式和替代形式，但其具体细节已通过附图和具体实施方式，以举例的方式示出。但应当理解，本发明并不局限于所描述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖属于由随附权利要求所限定的本发明的精神和范围的修改形式、等同物和替代形式。

Claims (19)

1.一种光学元件，其包括：

多层光学膜，其在设计的入射光波长处有多个反射带，其中至少一个所述反射带为窄反射带，其中每个反射带在设计的入射角处有标称光谱定位，并且其中对以非所述设计角度入射的光，每个反射带转移为色移反射带。

波长选择性吸收器，其用于吸收至少一个所述色移反射带中的光。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件在所述设计入射角处有n个反射带和少于n个色移反射带。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述反射带在所述设计入射角处包括红光、绿光和蓝光反射带。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述设计入射角为0°。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述多层光学膜为反射偏振器。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件通过反射光的角分布来表征，所述光学元件还包括漫射元件以改变反射光的所述角分布。

7.包括根据权利要求1所述的光学元件的屏幕，所述屏幕通过对比比率来表征，其中所述对比比率与类似设计但无所述波长选择性吸收器的屏幕相比，提高约100％。

8.一种系统，其包括：

投影光的光源；以及

包括根据权利要求1所述的光学元件的屏幕，其用于反射所述投影光。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述光学元件以所述设计的入射角被调节到所述光源。

10.一种光学元件，其包括：

包括两个干涉叠堆反射器的多层光学膜，其中所述多层光学膜在光第一入射角处有两个窄反射带，并且其中所述多层光学膜在光第二入射角处有两个色移反射带；以及

波长选择性吸收(WSA)层，其设置在所述两个干涉叠堆反射器之间，所述WSA层有选定的吸收边缘，用以隐藏至少一个所述色移反射带。

11.根据权利要求10所述的光学元件，其中所述第一入射角为近垂直入射角。

12.根据权利要求10所述的光学元件，其中所述光学元件在所述第一入射角处有n个反射带，并在所述第二入射角处有少于n个反射带。

13.根据权利要求10所述的光学元件，还包括黑色WSA层，其设置在所述多层光学膜之后。

14.根据权利要求10所述的光学元件，还包括漫射层，其设置在所述多层光学膜之前。

15.包括根据权利要求10所述的光学元件的屏幕，所述屏幕通过对比比率来表征，其中所述对比比率与类似设计但无所述波长选择性吸收器的屏幕相比，提高约100％。

16.一种光学元件，包括：

蓝光反射干涉叠堆；

绿光波长选择性吸收器，其设置在所述蓝光反射干涉叠堆之后；

绿光反射干涉叠堆，设置在所述绿光波长选择性吸收器之后；

红光波长选择性吸收器，其设置在所述绿光反射干涉叠堆之后；以及

红光反射干涉叠堆，其设置在所述红光波长选择性吸收器之后。

17.根据权利要求16所述的光学元件，还包括黑色WSA，其设置在所述红光反射干涉叠堆之后。

18.根据权利要求16所述的光学元件，还包括漫射层，其设置在所述蓝光反射干涉叠堆之前。

19.包括根据权利要求16所述的光学元件的屏幕，所述屏幕通过对比比率来表征，其中所述对比比率与类似设计但无所述波长选择性吸收器的屏幕相比，提高约100％。

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