CN102301276B

CN102301276B - 漫射屏幕

Info

Publication number: CN102301276B
Application number: CN2010800063621A
Authority: CN
Inventors: P.马萨尔卡
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: WO2010088078A3; EP2391923A4; CN102301276A; US20110273673A1; JP5739349B2; US8169701B2; WO2010088078A2; EP2391923A2; US8004759B2; JP2012517026A; KR20110128274A; US20100195202A1

Abstract

公开了涉及被配置成减少在用户不太可能观看到光的观看角度处的光的强度的背投影显示屏幕的各种实施例。一个公开的实施例提供一种漫射屏幕，其包括对一种或多种波长的光透明的片状结构。该片状结构具有观看表面并且包括漫射图案，该漫射图案被配置成创建在垂直于屏幕的观看表面的平面的方向上传播的光的选取的波长的相消干涉。

Description

漫射屏幕

背景技术

漫射（diffusing）屏幕用于重定向光并且产生来自屏幕的光强度的期望的空间分布。入射在屏幕上的光在它从屏幕移动到另一个传输介质（例如空气）中时被折射或反射。通过使用具有变化的表面形貌（topography）的屏幕，光在不同方向上发送，从而横跨相对于屏幕平面的角度范围分布光。

漫射屏幕可以与图像源（比如投影设备）配对，以分布用于投影的图像的光。在这样的应用中，经常期望横跨相对于屏幕的观看方向的范围均匀地分布光。因此，漫射屏幕经常被配置成产生反射光等的朗伯（Lambertian）分布。

发明内容

本文公开了涉及被配置成减少在用户不太可能观看到光的观看角度处的光的强度的背投影显示屏幕的各种实施例。例如，一个公开的实施例提供一种漫射屏幕，其包括对一种或多种波长的光透明的片状（sheet-like）结构，其中该片状结构具有观看表面并且包括漫射图案，该漫射图案被配置成创建在垂直于观看表面的平面的方向上传播的光的选取的波长的相消干涉。

提供该发明内容以便用简化的形式引入构思（concept）的选择，所述构思在下面在具体实施方式中进一步描述。该发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。而且，要求保护的主题不限于解决本公开的任何部分中记录的任何或所有缺点的实施方式。

附图说明

图1示出包括漫射屏幕实施例的交互式显示设备实施例的框图。

图2示出在平常使用期间可被用户观看到的从图1的交互式显示设备发射的光的空间范围的示意性描绘。

图3示出包括具有漫射图案的观看表面的显示屏幕的实施例的放大顶视图。

图4示出图3的实施例的截面图。

图5示出包括具有漫射图案的观看表面的显示屏幕的另一个实施例的放大的顶视图。

图6示出图5的实施例的截面图。

图7示出显示屏幕的另一个实施例。

具体实施方式

如上所述，用于投影显示系统的许多漫射屏幕被配置成产生透射的或反射的光的朗伯分布或其他相对均匀的分布。这是因为，在许多应用中对于投影的图像而言，期望横跨观看角度的范围具有相似的亮度。作为特定实例，具有垂直取向的显示屏幕的背投影电视可以具有漫射屏幕，该漫射屏幕被配置成横跨角度范围提供相似光强度的图像，观看者可能可以以所述角度坐在电视前面。

然而，在其他应用中，显示屏幕可以水平地取向。例如，一些交互式计算设备可以被配置成具有类似于用户坐在其周围的桌面的水平取向的背投影屏幕。因为这样的设备的用户主要以与显示屏幕表面平面倾斜的角度观看这样的显示屏幕，所以在垂直于该屏幕的方向上投影的光不会到达坐在这样的设备周围的观看者并且因此被浪费。

减少这种被浪费的光可以导致各种优点。例如，在使用相对较亮、较高功率的光源（比如弧光灯）的场合，减少这种浪费的光可以导致功率的更高效的使用。同样，在使用相对较暗的、较低功率的光源（比如LED阵列）的场合，减少这种浪费的光可以允许更多光被导向观看者，从而提高观看者感知的亮度。

因此，本文公开了涉及背投影显示屏幕的各种实施例，所述背投影显示屏幕被配置成减小用户不太可能观看到光的观看角度处的光强度。在详细讨论这些实施例之前，描述利用水平显示屏幕的实例设备。

图1示出以表面计算系统10为形式的交互式显示设备的实施例的示意性描绘。该表面计算系统10包括投影显示系统，其具有图像源12和图像被投影到其上的显示屏幕14。图像源12可以是能够将图像投影到显示屏幕14上的背投影仪。图像源12可以包括光源16，比如所描绘的宽带源弧光灯16、被配置成发射三种颜色（例如三种原色）的光的多个LED和/或任何其他适当的光源。图像源12还可以包括图像产生元件18，比如所描述的LCD（液晶显示器）、LCOS（硅上液晶）显示器、DLP（数字光处理）显示器或任何其他适当的图像产生元件。

显示屏幕14可以包括清晰透明的部分20（比如玻璃片）和置于清晰透明部分20之上的漫射器（本文中被称为漫射屏幕层22）。在一些实施例中，附加的透明层（未示出）可以置于漫射屏幕层22之上，以向显示屏幕提供光滑的外观和感觉。以此方式，透明部分20和漫射屏幕层22可以形成显示屏幕14的触敏区域的非限制性实例。将会理解，漫射屏幕层或者可以是与清楚透明部分20分开的部分，或者可以形成在清楚透明部分20的表面中，或者不同地，与该清楚透明表面20集成。

继续来看图1，表面计算系统10可以进一步包括逻辑子系统24和操作地耦合到该逻辑子系统24的数据保持（hold）子系统26。表面计算系统10可以包括用户输入设备（未示出），比如被配置成与其他设备通信的无线发射器和接收器。

为了感测正在接触显示屏幕14或在其附近的对象，表面计算系统10可以包括一个或多个图像捕获设备（例如，传感器28、传感器30、传感器32、传感器34和传感器36），其被配置成捕获显示屏幕14的背面的图像并且将该图像提供给逻辑子系统24。漫射屏幕层22可以用来减少或避免对未接触显示屏幕14或未置于距显示屏幕14几毫米或其他合适距离内的对象的成像，因此帮助确保至少正在触摸显示屏幕14的对象被图像捕获设备检测到。尽管在基于视觉的多点触控显示系统背景下描述所公开的实施例，但是将理解，这些实施例可以在任何其他适当的触敏显示系统上实现，该触敏显示系统包括但不限于电容性和电阻性系统。

所述图像捕获设备可以包括任何适当的图像感测机构。适当的图像感测机构的实例包括但不限于CCD和CMOS图像传感器。而且，这些图像感测机构可以以足够的频率或帧速率捕获显示屏幕14的图像以便检测对象横跨显示屏幕14的运动。在其他实施例中，扫描激光器可以与适当的光电检测器组合使用以获取显示屏幕14的图像。显示屏幕14可以可替代地或进一步包括可选的电容性、电阻性或其他电磁触敏机构，其可以经由有线或无线连接38将触摸输入传送到逻辑子系统。

所述图像捕获设备可以被配置成检测任何适当波长的反射或发射的能量，所述适当波长包括但不限于红外和可见波长。为了帮助检测放置在显示屏幕14上的对象，该图像捕获设备可以进一步包括发光体，比如一个或多个发光二极管（LED）。图1示出被配置成产生红外光的红外光源40和红外光源42。来自该发光体的光可以被接触显示屏幕14或在其附近的对象反射并且然后被图像捕获设备检测到。与可见LED相对的红外LED的使用可以帮助避免洗掉（wash out）投影图像在显示屏幕14上的显露。

在一些实例中，红外光源90和/或红外光源42中一个或多个可以置于表面计算系统10内的任何适当位置处。在图1的实例中，红外光源42可以沿着显示屏幕14的侧面放置。在该位置中，来自红外光源的光可以经由内部反射穿过显示屏幕14而传播，而一些光可以从显示屏幕14逃出以供显示屏幕14上的对象来反射。在其他实例中，红外光源40可以放置在显示屏幕14的下方。

将会理解，表面计算设备10可以用于检测任何适当的物理对象，该物理对象包括但不限于手指、触针、蜂窝电话、相机、其他便携式电子消费设备、条码和其他光学可读标签等等。

图2示出表面计算设备的用户200的使用环境。表面计算设备10包括在水平取向上支撑先前描述的显示屏幕14的托架（housing）220。显示屏幕14包括具有观看表面230的片状结构，该观看表面230向外面向表面计算设备10的用户。如上所述，观看表面可以包括漫射屏幕层22的表面，并且/或者可以包括放置在漫射屏幕层22之上的透明光滑层。术语“观看表面”在本文中也可以用于描述漫射屏幕层22在使用期间面对观看者的表面，无论漫射屏幕层22的该表面实际上是否是显示屏幕14的最外的表面。

如上所述，具有传输的光强度的朗伯分布的漫射屏幕的使用可以导致光沿着通常不被坐在表面计算设备10处的用户200观看到的方向传输。因此，漫射屏幕层22可以包括这种漫射屏幕并且可以被设置成创建对沿着这样的方向来自光源的可见光的选取的波长的相消干涉。

例如，在所描绘的实施例中，如果朗伯漫射屏幕被用作表面计算设备10的漫射屏幕层22，则从观看表面230发射的和/或穿过观看表面230透射的光的相当一部分将在垂直于显示屏幕240和/或观看表面230的平面的方向上（即沿着方向N）被投影。然而，如图2中所描绘，用户200倾向于在倾斜取向的角度范围V内观看显示在显示屏幕14上的图像。因此，沿着垂直方向N定向的光不如在角度范围V内定向的光有用。

因此，为了减少在通常不被表面计算设备10的用户观看的方向上传输的光的量，漫射屏幕层22可以包括漫射图案，其被配置成创建在垂直于观看表面230的平面的方向N上传播的光的选取的波长的相消干涉。

观看表面230的漫射图案可以根据图像源的性质来配置。例如，当图像源包括弧光灯时，该漫射图案可以被配置成横跨例如以具有介于520纳米（nm）和590nm之间的波长的嫩绿色光为中心的光的波长分布来创建相消干涉。在其他实例中，当图像源包括多个LED时，漫射图案可以被配置成围绕对应于三种颜色（例如红色、绿色和蓝色）的光的三个波长中的每一个来创建相消干涉。

此外，该漫射图案可以被配置成通过针对一定角度范围（例如角度范围V）内的可见光的一个或多个波长创建相长干涉来创建图像的相长干涉。在一些实施例中，所述角度范围可以是从第一角度到第二角度的分布（例如与观看表面230成15度到75度），并且可以集中在在其处期望最大强度的角度附近。在一个特定实施例中，所述角度范围可以是以与观看表面230成51度的最大角度为中心的瓣（lobe）分布或钟形分布。将理解，在可替代配置中，所述角度范围和漫射图案配置可以根据例如用户的预期位置、观看表面230的配置和取向等等变化，并且该相消干涉和相长干涉可以在相对于观看表面的平面的任何适当角度处创建。

漫射屏幕层22可以具有被配置成创建在垂直于观看表面的平面的方向上传播的光的选取的波长的相消干涉的任何适当的结构。例如，在一些实施例中，所述漫射图案可以包括多个图案元件。这些图案元件可以被设置成通过包括但不限于衍射元件和/或观看表面形貌元件的各种机构沿着方向N创建相消干涉。在一些实施例中，该漫射图案可以包括存在于不同折射率的两个介质（比如屏幕和空气）之间或两个或更多不同屏幕材料之间的边界处的阶梯（terraced）形貌。而且，在一些实施例中，漫射图案可以在显示屏幕240的片状结构中形成或嵌入其中，而在其他实施例中，漫射图案可以在观看表面230上或与观看表面相对的漫射屏幕层22的表面上形成。这样的实施例的其他实例在下文中描述。

图3示出在漫射屏幕上形成的漫射图案300的实例实施例。漫射图案300在漫射屏幕的观看表面中形成，并且包括形成观看表面的形貌的多个图案元件。每个图案元件310包括在垂直于观看表面的平面的方向上分开一定距离的第一阶梯（terrace）320和第二阶梯330，所述距离对应于可见光的选取的波长的一半加上整数个可见光的选取的波长。在一些实施例中（例如，其中相消干涉以单个波长为中心），每个图案元件310可以具有相同的分开距离。在其他实施例中（例如，其中相消干涉以多于一个波长为中心），不同的图案元件310可以包括具有不同分开距离的阶梯。

每个图案元件可以具有任何适当的大小（dimension）。例如，可以期望具有尺寸足够小而在使用中不会被坐在距屏幕平均观看距离处的观看者看到的图案元件。在一些实施例中，单独的图案元件可以具有.1与.4微米之间的特征尺寸312。其他实施例可以具有比这个范围大或小的特征尺寸。

当自顶向下观看时（如图3中所示），在伪随机设置中第一阶梯相对于第二阶梯的位置和空间设置可以针对每个元件变化。可替代地，单个元件可以重复地图案化以产生周期阵列。此外，每个元件的第一阶梯相对于第二阶梯的位置可以独立于漫射图案中的所有其他元件而确定，从而随机地设置该图案。图3示出直线形阶梯，但是将会理解，根据本公开的图案元件可以具有任何适当的形状，包括但不限于多边形、椭圆形、圆形、多曲线形（polycurved）和/或它们的组合。曲线图案元件的使用可以帮助避免穿过漫射屏幕透射的光中的周期效应。

第一阶梯320和第二阶梯330可以具有任何适当的相对表面积。例如，在一些实施例中，第一阶梯320的表面积等于第二阶梯330的表面积。在其他实施例中，第一阶梯320和第二阶梯330可以具有不同的表面积，这取决于要实现的相消干涉的期望的量级（magnitude）。另外，在一些实施例中，所有第一阶梯320的表面积的和可以等于第二阶梯330的所有表面积的和，而在其他实施例中这些和可以不相等。

现在转向图4，图3的实施例是以侧视图示出的。第一阶梯320被示出为与第二阶梯330以跃迁（transition）450分开，其中跃迁高度为在其处期望相消干涉的光的波长的一半。所描绘的跃迁450包括基本平行于垂直方向的台阶（step）。可替代地，在其他实施例中，跃迁可以包括不与垂直方向平行的阶梯之间的斜坡（slope）。

垂直于实例观看表面传播的光460穿过第一阶梯320和第二阶梯330透射。具有选取的波长的第一实例光线462用相位（phase）464示出。具有选取的波长的第二实例光线466用相位468示出。这两个光线的相位例如沿着虚线480相加为零。跃迁高度可以被调整，以使得期望的波长可以以上述方式在期望的波长处经受相消干涉。以此方式，漫射图案可以创建针对垂直于观看表面传播的光的选取的波长的光的相消干涉。另外，这种图案也可以在朝向观看者的方向上创建相长干涉，从而增加到观看者的光的视在强度。

图5示出用于漫射屏幕的漫射图案的另一个实施例。如根据图3-4的实施例，漫射图案500形成在片状结构的实例观看表面中并且包括形成观看表面的形貌的多个图案元件510。每个图案元件510包括第一阶梯520、与第一阶梯520以对应于可见光的选取的波长的一半加上整数个可见光的选取的波长的距离分开的第二阶梯530、以及以对应于整数个可见光的选取的波长的距离与第二阶梯分开的第三阶梯540。类似于上面图3的描述，每个元件可以具有相同的分开距离，或者可以具有不同的分开距离，这取决于在其处期望相消干涉的一个或多个波长。另外，如上面以图3为背景所述，图案元件510可以具有包括但不限于介于.1和.4微米之间的尺寸的任何适当的特征尺寸512。

第一阶梯相对于第二和第三阶梯的位置（并且，类似地，第二阶梯相对于第一和第三阶梯的位置）可以针对每个图案元件而变化，从而这些元件在自顶向下被观看时（如图5中所示）可以形成伪随机设置。可替代地，单个图案元件设置可以横跨漫射屏幕而被重复以产生周期阵列。此外，第一阶梯相对于第二阶梯（且同样，第二阶梯相对于第三阶梯）的位置可以针对每个元件独立于漫射图案中的所有其他元件而确定，从而该图案被随机设置。另外，如上面针对图3所描述，图5示出直线形阶梯，但是在其他实施例中，每个阶梯和元件可以具有任何其他适当的形状。

第一阶梯520、第二阶梯530和第三阶梯540可以具有任何适当的相对表面积。例如，在一些实施例中，第一阶梯520和第三阶梯540的和的表面积等于第二阶梯530的表面积。在其他实施例中，第一阶梯520、第二阶梯530和第三阶梯540的相对表面积可以具有任何其他适当的值，这取决于相消干涉的期望的量值。同样，在一些实施例中，所有第一阶梯520和第三阶梯540横跨漫射屏幕的表面积的和可以等于所有第二阶梯的表面积的和，而在其他实施例中这些和可以不相等。

现在转到图6，图5的实施例是从侧视图示出的。第一阶梯520被示出为与第二阶梯530以跃迁650分开，其中跃迁高度为实例选取的波长的一半。另外第三阶梯540被示出为与第一阶梯520以一个选取的波长分开并且与第二阶梯530以选取的波长的一半分开。第三阶梯与第二阶梯以第二跃迁652分开。

所描绘的跃迁650和652包括基本平行于垂直方向的台阶。在其他实施例中，这些跃迁可以包括不与垂直方向平行的阶梯之间的斜坡。此外，在一些实例中，跃迁650和652可以对应于不同的波长，从而进一步使这样的实例的漫射图案随机化。

继续看图6，垂直于实例观看表面传播的光660穿过第一阶梯520、第二阶梯530和第三阶梯540透射。具有选取的波长的第一实例光线662用相位664示出。具有选取的波长的第二实例光线666用相位668示出。具有选取的波长的第三实例光线670用相位672（与664相同的相位）示出。相位672和662与相位668比如沿着虚线680相反。以此方式，漫射图案可以创建针对垂直于观看表面传播的光的选取的波长的光的相消干涉。而且，这种图案也可以在朝向观看者的方向上创建相长干涉，从而增加到观看者的光的视在强度。

尽管第一、第二和第三阶梯在所描绘的实施例中被示为在空间上有顺序，但是在其他实施例中，这些结构可以在空间上没有顺序。例如，第二阶梯（即具有中间高度的阶梯）可以与第三阶梯相比离第一阶梯更远。

上述屏幕表面形貌可以以任何适当的方式形成。例如，在一个实施例中，这样的阶梯形貌可以在玻璃的固化或聚合物的聚合、交联和/或固化期间通过主片（master）在光学材料上的滚动而形成。另外，这种形貌也可以经由浇铸、各种模制技术、蚀刻等等而形成。

参照图3-6描述的拓扑结构可以在漫射屏幕的观看表面上形成，或者可以在漫射屏幕背对（face away from）观看者的表面上形成。而且，在一些实施例中，所述拓扑结构可以例如通过在第一片材料的表面中形成引起相消干涉的漫射拓扑结构并且然后在第一片材料上的漫射表面上施加或形成一片或一层另一种材料而在漫射屏幕内部形成。将会理解，所述另一种材料可以被选择成具有适当的折射率以导致期望的漫射光学效应。另外，将会理解，除上述结构之外的其他结构可以用在漫射屏幕中以在垂直于显示屏幕的方向上创建相消干涉。例如，衍射光栅可以例如经由将具有适当材料的光栅图案印刷到漫射屏幕上来形成，所述适当的材料对选取的一个或多个可见波长（相消干涉以其为中心）是不透明的。

尽管本文在水平背投影显示系统的背景下进行了公开，但是将会理解，本文中所描述的漫射屏幕也可以与适当的前投影系统一起使用，和/或与具有以任何其他适当角度取向的屏幕（包括但不限于垂直屏幕）的显示系统一起使用。

图7示出漫射显示屏幕700的实例，其图示了可以在与上述漫射屏幕组合的各种组合中使用的若干可选结构。显示屏幕700包括漫射屏幕层702和透明支持结构704，比如玻璃或刚性透明塑料片。漫射屏幕层702包括第一漫射器706，其被配置成创建在垂直于观看表面的平面的方向上传播的光的选取的波长的相消干涉，如上所述。漫射屏幕层也可以可选地包括置于第一漫射器下面（未示出）或上面（如图7中所示）的第二漫射器708。第二漫射器可以被配置为提供穿过该屏幕的光的附加均匀化。

漫射屏幕层702可以进一步可选地包括置于漫射器706下面的双凸透镜阵列710以帮助抵制环境光并提高图像对比度。在一些实施例中，微透镜阵列可以代替双凸透镜阵列使用或者作为双凸透镜阵列的附加而使用。另外，在各种实施例中，显示屏幕系统700还可以可选地包括菲涅尔透镜结构712、防反射涂层714和/或任何其他适当结构。

尽管本文在特定实例实施例的背景下进行了公开，但是将会理解，本文中所描述的配置和/或方法本质上是示范性的，并且这些特定实施例或实例不被认为在限制性意义下，因为多种变形是可能的。本公开的主题包括各种过程、系统和配置和本文公开的其他特征、功能、动作和/或属性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合，以及其任何和所有等价物。

Claims

1.一种背投影显示屏幕，包括：

片状结构（14），其对一种或多种波长的光是透明的，该片状结构具有观看表面（230）并且包括漫射图案（300），该漫射图案（300）被配置成创建在垂直于观看表面（230）的平面的平行方向（N）上传播的光的选取的波长的光线的相消干涉。

2.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案被随机设置。

3.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案被伪随机设置。

4.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案被周期性地设置。

5.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案包括衍射光栅。

6.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案被嵌入在片状结构内。

7.权利要求1的背投影显示屏幕，其中所述漫射图案在片状结构的观看表面中形成。

8.一种显示系统（10），包括：

托架（220）；

显示屏幕（14），其耦合到托架（220），该显示屏幕（14）包括观看表面（230）和漫射屏幕层（22），该漫射屏幕层（22）包括图案（300），该图案（300）包括多个图案元件（310），每个图案元件（310）包括以对应于可见光的选取的波长的一半加上整数个可见光的选取的波长的距离分开的第一阶梯（320）和第二阶梯（330），该图案（300）被配置成在垂直于观看表面（230）的方向（N）上创建可见光的选取的波长的相消干涉；以及

图像源（14），其被置于托架（230）内并且被配置成将图像投影到显示屏幕（14）上。

9.权利要求8的显示系统，其中所述图案被进一步配置成横跨以嫩绿色光为中心的分布创建相消干涉，该嫩绿色光具有介于520纳米和590纳米之间的波长。

10.权利要求8的显示系统，其中所述图案被进一步配置成围绕对应于三种颜色的光的三个波长创建相消干涉。

11.权利要求8的显示系统，其中所述图案进一步包括阶梯之间的跃迁，该跃迁包括基本平行于垂直于观看表面的方向的台阶。

12.权利要求8的显示系统，其中所述图案进一步包括阶梯之间的跃迁，该跃迁包括不平行于垂直于观看表面的方向的阶梯之间的斜坡。

13.权利要求8的显示系统，其中第一阶梯的表面积等于第二阶梯的表面积。

14.权利要求8的显示系统，其中所述距离是第一距离，并且其中每个图案元件进一步包括与第一阶梯以对应于整数个可见光的选取的波长的第二距离分开的第三阶梯。

15.权利要求14的显示系统，其中第一阶梯的表面积和第三阶梯的表面积的和等于第二阶梯的表面积。