CN105005174A - 弯曲的背投屏幕及包括其的沉浸式显示器或模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯曲的背投屏幕及包括其的沉浸式显示器或模拟器，其具有大于180°的曲率的角度，例如，环绕式圆柱形或圆顶屏幕。该屏幕包括第一层和在第一层上的第二合成树脂漫射层，第二合成树脂漫射层包含光吸收材料和嵌入在树脂材料中的光漫射颗粒，第二合成树脂漫射层适于具有在0.1到2之间的吸收系数和厚度的乘积的值。可以通过喷射来施加第二合成树脂漫射层。

Description

弯曲的背投屏幕及包括其的沉浸式显示器或模拟器

本申请是申请日为2010年10月28日，申请号为201080070375.5，发明名称为“弯曲的背投屏幕”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种弯曲的背投屏幕(back-projection screen)，例如，环绕式圆柱形或圆顶屏幕(穹顶屏幕，dome screen)，例如，弯曲屏幕，特别是多角形，圆柱形或球形背投屏幕，并且还涉及一种使用该屏幕的沉浸式显示器(immersive display)或模拟器。

背景技术

Ed Lantz在2007年8月的新兴显示技术会议论文集(the EmergingDisplay Technology Conference Proceedings)中提供了一项由ACMSIGGRAPH公布的大型沉浸式显示器的调查。认为环绕式圆柱形或圆顶屏幕在电影应用场合中比直线沉浸式屏幕好，因为其在更大范围的视角和条件上提供了更无缝的外观。

在例如对如图1中示意性地示出的基本上球形的(球形的)或具有较大角度程度(例如大于180°)的模拟器提供背投屏幕时存在特殊问题，例如，半球或半圆柱屏幕。在半透明的球形(截锥球形)屏幕2的外部，将投影仪4布置为，将模拟器所需的图像投射在屏幕2上。来自投影仪的图像重叠，使得在重叠位置需要注意，使得图像保持逼真并且不会失真。

屏幕在漫射屏所需的背投中操作。虽然漫射平面背投屏幕是已知的，但是其并不是太容易适用于球形用途。在球形穹面内观察的一个问题是，来自屏幕的一侧的光将撞击另一侧。这与仅将光投射在屏幕上的平面屏幕的不同之处是，来自环境光源，并且，可通过模拟器所位于的外壳内的适当阴影来减小。但是，对于球形屏幕，图像本身位于屏幕的一侧上，其变成另一侧上的图像的环境光。这会影响可获得的对比度，并且，如果将达到相同等级的对比度，则会使适合于平面屏幕的材料不适合于球形屏幕。

目前，没有结合所有对球形屏幕相冲突的需求的商用漫射器(漫散屏，diffuser)。一些漫射器以锐度为代价，具有较宽的HGA。其他漫射器以斑点为代价，具有非常好的锐度。甚至其他漫射器具有透射/反射增益的非常好的平衡，这确保高图像亮度和高对比度，但是以透射半增益角度为代价。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种弯曲的背投屏幕，例如，环绕式圆柱形(wrap-around cylindrical)或圆顶屏幕(穹顶屏幕，dome screen)，例如，弯曲屏幕，特别是多角形，圆柱形或球形背投屏幕，并且还提供一种使用该屏幕的沉浸式显示器或模拟器。

本发明提供一种弯曲的背投屏幕，其具有大于180°的曲率的角度，例如，环绕式圆柱形或圆顶屏幕，该屏幕包括第一层和在第一层上的第二漫射层(扩散层，diffusing layer)，该第二漫射层包含光吸收材料和光漫射颗粒。这样的环绕式圆柱形或圆顶屏幕可以具有从1米可达超过15米的半径。

第二漫射层可以由合成树脂制成。光漫射颗粒嵌入(包埋，埋置)在树脂材料中。光吸收材料可以嵌入在树脂材料中。第二漫射层可适于具有在0.1到5之间(例如，0.5-5)的吸收系数和厚度的乘积的值。可通过喷涂来施加第二漫射层。

第二层的参数：

A.漫射颗粒

颗粒尺寸  <d>＝2.0–40.0[μm]

颗粒浓度  c＝1％-25％(按重量计)

B.包含颗粒的介质，配方

层厚度  <t>＝200-2000[μm]

介质和颗粒之间的RI差  Δn＝0.01–0.15

C.吸收体染料或颜料

吸收系数  α＝200-6000[1/m]

本发明提供一种包括用作后投屏幕(背投屏幕)的双层片的物品(制品)，其包括第一层和第二合成树脂漫射层，第一层是玻璃或合成树脂层，第二合成树脂漫射层包含光漫射颗粒和光吸收材料，光漫射颗粒在第二合成树脂漫射层中具有1-25％的重量浓度，颗粒和树脂材料之间的折射率的差的大小是0.01-0.15，漫射层的厚度变化在具有30cm的基圆半径的球冠内小于5％，并且，该物品具有＞45°或＞55°的透射半增益视角和＞0.25的透射峰值增益。

对于＞30°的散射角，反射增益可以为＜0.1，对于＞15°的散射角，反射增益可以为＜0.2，散射角是散射方向和镜面反射方向之间的角度。

第二合成树脂漫射层的吸收系数可以在200-6000/米的范围内。

颗粒可以具有2.0-40微米的等价球形直径。

本发明还提供一种包括用作后投屏幕(背投屏幕)的多层片的物品，其包括至少一个包含光漫射颗粒和光吸收材料的合成树脂漫射层，光漫射颗粒在合成树脂漫射层中具有1-25％的重量浓度，颗粒和树脂材料之间的折射率的差的大小是0.01-0.15，所有吸收层的总厚度变化在具有30cm的基圆半径的球冠内小于其总厚度的5％，并且，该物品具有＞55°的透射半增益视角和＞0.25的透射峰值增益。

对于＞30°的散射角，反射增益可以为＜0.1，对于＞15°的散射角，反射增益可以为＜0.2，散射角是散射方向和镜面反射方向之间的角度。

至少一个合成树脂漫射层的吸收系数可以是200-6000/米。

颗粒可以具有2.0-40微米的等价球形直径。

本发明还提供一种包括用作后投屏幕(背投屏幕)的多层片的物品，其包括至少一个包含光漫射颗粒的合成树脂漫射层和至少一个合成树脂吸收层，光漫射颗粒在至少一个合成树脂漫射层中具有1-25％的重量浓度，颗粒和树脂材料之间的折射率的差的大小是0.01-0.15，所有吸收层的总厚度变化在具有30cm的基圆半径的球冠内小于其总厚度的5％，并且，该物品具有＞55°的透射半增益视角和＞0.25的透射峰值增益。

对于＞30°的散射角，反射增益可以为＜0.1，对于＞15°的散射角，反射增益可以为＜0.2，散射角是散射方向和镜面反射方向之间的角度。

吸收系数可以是200-6000/米。

颗粒可以具有2.0-40微米的等价球形直径。

附图说明

图1示出了如在本发明中使用的圆顶屏幕。

图2示出了如在本发明中使用的具有入口孔的圆顶屏幕。

图3示出了用根据本发明的双层屏幕使光向前散射。

图4示出了根据按照本发明的一个实施方式获得的视角的亮度，前向散射(正向散射)。

图5示出了来自屏幕的其他部分的入射光(来自球体的内层上的图像的其他部分的散射光)如何影响对比度。

图6示出了反向散射(背散射)的光和对如在本发明中使用的屏幕的表面反射。

图7示出了对在本发明的一个实施方式上的法向入射的反向散射。

图8和图9示出了如在本发明中使用的屏幕上的准直光束的入射光通量。

图10示出了根据本发明的一个实施方式的涂层上的透射增益的值。

图11示出了根据本发明的一个实施方式的涂层上的反射增益的值。

图12和图13示出了用于施加根据本发明的实施方式的涂层的喷涂图案。

图14示出了着色添加剂的百分比与如用根据本发明的实施方式的涂层获得的峰值增益之间的关系。

图15示出了前向和反向散射。

图16示出了体积散射。

图17示出了体积散射透射(左)和反射(右)。

图18示出了透射(左)和反射(右)屏幕增益。

图19示出了由于体积漫射而产生的锐度损失：(a)理想屏幕；(b)实际屏幕。

图20示出了由于环境光而产生的对比度减小。

图21示出了由于前向散射的光的反向反射而产生的对比度减小。

图22示出了如在本发明的实施方式中使用的基本上弯曲的屏幕上的背投。

图23示出了对于屏幕左前方的观察者的亮度均匀性：(a)具有较小HGA的RP屏幕，单个投影仪；(b)具有较大HGA的RP屏幕，单个投影仪；(c)具有较小HGA的RP屏幕，三个投影仪，理想的柔和阴影(软边线)L(％)；(d)具有较大HGA的RP屏幕，三个投影仪，理想的柔和阴影(软边线)L(％)。

具体实施方式

将相对于特殊实施方式并参考某些附图描述本发明，但是，本发明并不限于其，而是仅由权利要求限制。所述附图仅是示意性的和非限制性的。在图中，为了说明性的目的，可能放大一些元件的尺寸并且不按比例地绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”的地方，并不排除其他元件或步骤。此外，术语第一，第二，第三等在说明书中和在权利要求书中用于区分相似的元件，并且，并非必须用于描述连续或先后的顺序。应理解，这样使用的术语可在适当情况下互换，并且，这里描述的发明的实施方式能够以除了这里描述或说明的顺序以外的顺序操作。

本发明涉及一种后投或背投屏幕。后投(RP)屏幕使在不同方向上来自投影仪的入射光散射(图15)。可将光散射分成前向散射和反向散射。反向散射的光线位于屏幕的与入射光相同的一侧上，前向散射的光线位于相对的一侧上。对于后投屏幕，在前向方向上散射的光是有用的光，因为将看到该光。损失反向散射的光，并应将其最小化。光线的反向散射图案的特征在于双向反射分布函数(BRDF)，前向散射的图案的特征在于双向透射分布函数(BTDF)。这些函数包含作为参数的入射和出射光线的方向。后投屏幕的特征通常在于更简单的函数，屏幕增益。用屏幕的亮度与理想的、零吸收的朗伯屏幕的亮度的比率来定义屏幕增益。用以下等式定义理想的、零吸收的朗伯屏幕的亮度：

$L=\frac{E}{\mathrm{\&pi;}}$

其中，E是屏幕的背面的亮度，并且L是屏幕前方的观察者看到的亮度。通常，理想的朗伯屏幕的亮度仅取决于屏幕表面的照明。

体积漫射后投屏幕利用体积漫射(图16)来使入射光在不同的方向上散射。这些屏幕通常是圆形对称的，即，亮度仅取决于观察方向和镜面方向之间的角度(图17)：

增益 $\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;L\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{E}$

在该情况中，后投屏幕的增益特性可以由两张二维图表表示(图18)。零角度处的增益叫做峰值增益，增益是峰值增益的一半时的角度叫做半增益角度(＝HGA)。

体积漫射屏幕的光学特性是重要的。一种实现RP屏幕的直接方式是，通过向透明体积材料(例如，聚酯，聚碳酸酯或PMMA)中添加硫酸钡，氧化铝，氧化锌，碳酸镁，碳酸钙，硫酸钙，硅酸钠，粘土，白垩，等等。这种添加的重量百分比在20％的范围内。通过添加这些矿物，引入导致材料看起来不透明的腔(cavities)。这种RP屏幕的质量将非常差。使大量光反向散射，和/或使其终止于相邻像素，从而破坏锐度和对比度(图19)。这将称作像素串话。除此之外，透射增益将较差，并且，屏幕看起来将是混浊的。

即使是对于具有低像素串话的清晰的体积漫射屏幕，也可能以低的对比度结束。如果将屏幕放在具有大量环境光的环境中，则这种环境光可能破坏对比度。每个像素(包括深的像素)由环境光照亮，并使光在观察者的方向上部分地反向散射(图20)。因此，感觉到深像素比没有环境光时亮，即，减小图像的对比率。

如果我们采用朗伯屏幕，则可将对比率写成：

如果我们现在假设暗照明E_暗(E_dark)非常低，则我们以如下等式结束：

由该等式，显而易见的是，有两种方式增加对比度，首先，通过减小环境照明，其次，通过引入透射/反射增益特性的不平衡(g_透射(g_trans)＞＞g_反射(g_refl))。

在弯曲屏幕的情况中，前向散射的光的一部分终止于暗像素中，在那里，使其在所有方向上反向散射，包括观察者方向(图21)。因此，同样在这种情况中，减小对比率。根据以上等式，显而易见的是，对于设定的环境照明条件，引入透射/反射增益特性的不平衡(g_透射(g_trans)＞＞g_反射(g_refl))将导致更高的对比率。

以上推理还支持考虑非朗伯屏幕的情况。

根据本发明的实施方式，已经优化了漫射涂层的光学特性。包括涂层的屏幕适合于基本上弯曲的后投屏幕，例如，具有180°或更大的曲率的角度。弯曲的还包括多角形曲率，例如，与船舶驾驶台的窗户的模拟器屏幕相似。在背投布置中(图22)，屏幕的观察侧是空心侧，投射侧是凸起侧。关于基本上弯曲的，我们指的是，在观察侧包含至少两条彼此基本上相对的屏幕法线的屏幕。换句话说，存在至少两条形成接近180°的角度的屏幕法线。对于这种屏幕，存在至少一个接收在相对方向上来自屏幕的前向散射的光的区域(参见图21)。从上面可以得出，需要在透射和反射增益特性之间产生不平衡，以便最终具有良好的对比率。

体积漫射屏幕涂层的第二需求是透射半增益角度，其应该尽可能大(参见图18)。对于多观察者应用和观察者头部移动的应用来说，这都是必须的。如果HGA将非常小，则屏幕将是非常定向的。这意味着，没有电子或光学补偿(即，屏幕背面上的照度不取决于屏幕位置)，屏幕的亮度均匀性将非常差(见图23)。电子或光学补偿可能使亮度均匀，但是这仅对于一个观察者来说是这样。

除了这些需求以外，还有其他需求，例如图像锐度和斑点。

根据本发明的实施方式，决定涂层的前向和反向散射特性的参数是：包括在漫射层内的光漫射颗粒，包含这些颗粒的介质，以及吸收体染料(吸收剂染料)、颜料或其他用于光吸收的材料。光漫射颗粒的特征在于其形状，尺寸，折射率和浓度。包含颗粒的介质的特征在于其折射率和厚度。该介质在时间上应是非常稳定的，不可能出现随着时间的变色。吸收体材料(例如颜料)的特征在于其稳定性，浓度，并且不应是中性色的。

通过调节所有影响漫射涂层的光学参数的参数，可发现导致高分辨率、高对比率、高亮度、高半增益角度、无斑点漫射涂层的参数组合。所达到的不对称的特征在于，大于0.25的前向散射峰值增益，大于45°(更优选地，大于55°并小于80°或70°)的前向散射半增益角度，以及对于大于15°的角度小于0.20且对于大于30°的角度小于0.10的反向散射增益。

在一个实施方式中，本发明涉及一种弯曲屏幕，特别是圆顶屏幕。圆顶屏幕可以是多角形的，圆柱形的，类球形的或球形的后投屏幕2(参见图1和图2)。例如，圆顶(例如球体)内的观察空间可具有理论上0≤θ≤2π且(通常原点位于球体中心的球面坐标(r,θ,))的视野。圆顶(例如球体)可以具有一个切掉(截去)以在底部提供开口4的截面。这可用于接触(接近)，或者可提供分开的开口6以用于接触。在该情况中，视野可以是0≤θ≤2π且(通常原点位于球体中心的球面坐标(r,θ,))。然而，本发明的实施方式还发现，使用具有0≤θ≤π且 的视野的弯曲屏幕是有利的。例如，可在船舶驾驶台的模拟器中使用这种屏幕，因为会限制驾驶台的窗户之外的观察，例如，顶部阻止在垂直方向上向外看。另一实例是半圆顶屏幕，其中，观察者仅面向前。在该情况中，视野可以是0≤θ≤π且(通常原点位于球体中心的球面坐标(r,θ,))。

弯曲屏幕或圆顶(特别是多角形的，圆柱形的或球形的屏幕，例如球体)包括光学透明的结构，其具有保证稳定的机械结构的机械特性和尺寸。一个表面(典型地是弯曲屏幕(例如圆顶或球体)的内表面)具有内层，其具有所需的漫射光学特性。通常需要以下特性的良好平衡：高对比率、高分辨率(MTF值)、没有伪像，以及大视角。几个投影仪8位于弯曲屏幕(例如球体)之外，并在内层上形成来自这些投影仪的图像。MTF代表调制传递函数，并用来表征光学系统可如何好地分辨黑色和白色图像。这与圆顶的眼睛限制特性相关。例如，在用于飞行模拟的圆顶中，具有飞行员可看到几千米之外的模拟飞机的分辨率是重要的，即，模拟器具有与对于20/20视力的实际极限匹配的分辨率。参见http://www.bobatkins.com/photography/technical/mtf/mtfl.html，http://www.videovantage.com/？p＝805。

不受理论限制，以下光学特性对于在内层上形成良好的图像是优选的：

对于理想的投影屏幕，亮度与视角无关(朗伯发射器：L(θ’)＝常数＝L0)。将屏幕的增益g定义为，相对于具有100％反射率的理想朗伯反射率标准的亮度，屏幕在前向方向上的亮度。虽然在一些应用中限制观察体积(观察者的眼镜盒)，但是优选地接近朗伯发射器，因为在来自不同投影仪的图像的重叠区域中也需要良好的混合。

为了良好的可见度，亮度等级优选地比某一最小等级高。亮度等级是由投影仪产生的光通量、图像的面积以及内层的光学特性的函数。

为了良好的图像再现，在弯曲屏幕(例如球体)内观察的图像的对比率优选地比某一最小等级高。通常用棋盘图案测量对比率。从屏幕的照明部分散射的光将照亮图像的黑暗部分(串话和集成效应)，从而减小对比率。弯曲屏幕(例如球体)的内层将使照亮图像的黑暗部分的散射光的影响最小化。内层的反向散射特性减小串话对对比率的影响。

内层必须保持图像的分辨率。由于内层中的光的散射的原因，像素图像上的模糊效果是可能的。可将这表达为脉冲响应，或者，MTF值可量化该效应。由于屏幕的原因而产生的MTF减小应是最小的。

内层优选地不产生斑点噪声。斑点噪声是在所显示的图像上重叠的颗粒状图案，并且，是光的空间和时间相干的结果。由表面粗糙度或散射颗粒散射的小波可在观察点处干涉，并产生颗粒状图案。

前向散射

可通过表面漫射、全息漫射或体积漫射导致光的前向散射(参见图3)。通过内层的体积中的散射颗粒(也叫做光漫射颗粒)实现体积漫射，在该情况中，将具有折射率n1的散射颗粒分布在例如具有折射率n2的树脂或玻璃的材料中。颗粒的形状优选地是球形的，但是，它们可具有其他形状，例如类球形、土豆形、圆柱形、椭圆形、卵形，等等。在体积散射的情况中，散射锥角θ_s取决于Δn＝n1-n2，散射球形颗粒的平均直径d，散射颗粒的重量百分比c和内层的厚度t：

${\mathrm{\&theta;}}_s\&Proportional;\frac{\mathrm{\&Delta;}n\&CenterDot;t\&CenterDot;c}{1n\left(d\right)}$

漫射器的特征在于振幅透射率|d(x,y)|，其是随机可变的。对于许多类型的漫射器，漫射器的振幅透射率的自相关函数R(x,y)是：R(x,y)＝exp[-π·(x²+y²)/L²]；L是漫射器的相关长度。漫射器的散射角θ_s与相关长度有关：

将体积漫射器设计为，提供所需的亮度分布L(θ_v)。在实际实现方式中，图4示出了根据按照本发明的一个实施方式获得的视角θ_v的亮度。

理想的朗伯发射器将具有对于-π/2≤θ_v≤π/2恒定的亮度。

一个重要特性是这样的角度，在该角度下，亮度至少是最大亮度等级的50％，叫做“半增益角度”。在该实施方式中，半增益角度是大约70°≈1.22弧度。所测量的0°亮度值是大约74cd/m²。在该情况中，理想的朗伯发射器的0°亮度是191cd/m²。在该情况中，0°下的屏幕增益(叫做“屏幕峰值增益”)是0.38。

散射颗粒产生的漫射的一个重要缺点通常是，通过增加散射锥角而增加图像的模糊程度。

反向散射

来自球体(图5)内的图像的其他部分的入射光减小对比率。为了将该对比度减小减到最小，应尽可能地减小反射和反向散射。这通过在内层中添加光吸收材料来实现，例如，黑暗或黑色材料，其中染料或颜料或染色剂是实例，对内层具有重量浓度C_染料。内层还包含具有折射率n1的光散射颗粒。光散射颗粒的折射率比树脂的折射率n2小，n1＜n2。黑色染料将导致反射系数ρ＜1和光吸收系数α(单位m^-1)。

反射的光具有两种成分：从树脂中的散射体反向散射的光，以及取决于涂层(见图6)的表面特性的表面反射。

在图7中示出了对在本发明的一个实施方式上的法向入射的所测量的反向散射。

与前向散射相比，反向散射是更镜面的。更强的镜面反射导致基本上更高的对比率。

反向散射具有相对小的散射角。如下所述地对其进行说明：

a)由于光吸收体中的光的吸收系数α的原因，例如染料或内层的颗粒

b)用于反向反射的光的平均前进距离是用于前向方向的光的平均前进距离的2倍，内层的更薄的层(平均厚度δ＜t)将有助于反向散射，从而将具有更小的散射角。

分辨率

根据本发明的实施方式，在屏幕的内层中存在光吸收材料，例如对其添加光吸收材料，例如黑暗材料，例如，对内层添加黑色染料或颜料，以减小漫射器的模糊效果并实现具有高MTF值的图像。根据本发明，可用颜料、染色剂或材料的固有光吸收特性来实现该效果。一个实例是碳颗粒。

内层的吸收系数α

黑暗材料(例如黑色染料或颜料)的浓度＝C_染料

(考虑符号一维情况的简单性)

对于没有吸收染料的内层，我们假设以x＝0为中心且在x＝0周围对称的脉冲响应函数I(x)。如果我们假设增加具有吸收系数α的黑暗材料(例如黑暗染料或颜料)。对于更大的|x|值，光必须(平均起来)传播更长的距离，通过内层，从而经历更强的吸收。因此，用于具有黑暗材料(例如具有吸收系数α的染料或颜料)的内层的点扩散函数：I(x)·exp(-α·f(x))。

f(x)＝f(-x)，f(x)＞0和

这说明，当增加黑暗材料(例如染料或颜料)时强烈减小MTF的减小。

斑点噪声

虽然投影系统的光不是单色的且由扩展光源产生，但是形成于屏幕上的图像可表现出斑点噪声。通过冯西泰-塞尼克定理，可计算相干宽度(M.Born和E.Wolf，Principles of Optics(光学原理))。对于具有开口2θ’的投影透镜，相干区域直径是：

$\mathrm{\&Delta;}D=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{sin\left({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\right)}$

对于具有放大倍数m和光圈数F/#的投影系统，相干区域直径是：

△D＝2·λ·m·F/#

具有小光调制器(对角线～1英寸)的投影仪需要大放大倍数，因为这种投影仪中的光圈数是大约2.5，所以高相干度的面积相对较大。这意味着，当散射时，来自这种区域的光会干涉，并在接受器一侧产生斑点噪声。

实例：

对于λ＝550nm，m＝80且F/2.5，我们具有220μm的相干宽度；

(θ'≈2.5·10^-3拉德(rad))

具有散射锥角140°的漫射层的相干面积的直径≈0.59μm。

眼睛具有大约1弧分＝0.29.10^-3拉德的分辨能力，并且，在1.5m的观察距离处具有直径≈436μm的分辨单元。在该情况中，在眼睛分辨位置中的统计上独立的相干区域的数量大约是500.10³。该漫射器将有效地减少斑点噪声。

(“Speckle-free rear-projection screen using two close screens in slow relativemotion”，E.Rowson，A.Nafarrate，R.Norton，J.Goodman，J.Opt.Soc.Am.Vol.66，No.11，November 1976).

根据本发明的一个方面，对于适当地选择参数α，t，d，c和Δn，具有散射颗粒(d，c，Δn，n1＜n2)的带色彩的内层(α，t)保持具有低MTF减小的清晰图像。这可应用于平板屏幕和弯曲屏幕。然而，弯曲屏幕需要与平板屏幕不同的参数。

根据本发明的一个方面，对于适当地选择参数α，d，c和Δn，具有散射颗粒(d，c，Δn，n1＜n2)的带色彩的内层(具有吸收系数α)可实现接近朗伯发射器(半增益角度≥50°)的前向散射，以及接近镜面反射器的反向散射。

根据本发明的一个方面，当前向散射接近朗伯发射器且反向散射接近镜面反射器时，可在球体内，或对于具有一定曲率的屏幕，实现对比率＞10∶1。

根据本发明的一个方面，可通过适当地选择参数d，c，t和Δn，来实现低斑点噪声水平。这可应用于平板屏幕和弯曲屏幕。

根据本发明的一个方面，可在良好保持屏幕MTF的同时实现低斑点噪声水平。这可应用于平板屏幕和弯曲屏幕。

根据本发明的一个方面，弯曲屏幕或圆顶的最佳α(吸收系数)不需要与平面结构的相同。

根据本发明的一个实施方式，对于560μm的涂层厚度，适合于圆顶的α的值是大约1650/米，导致二者乘积α*d＝0.924。α*d是无量纲的常数。由于吸收系数取决于α*厚度d的乘积，所以二者的乘积是评估这种涂层的质量的有用参数。

对于另一实施方式，对于560μm的涂层厚度，适合于圆顶的α的值是大约3000/米，导致二者乘积α*d＝1.64。

对于又一实施方式，对于560μm的涂层厚度，适合于圆顶的α的值是大约4200/米，导致二者乘积α*d＝2.3。

α*d的值可用于参考本发明在下表中描述的涂层组成范围，并且，认为其或多或少地与所使用的粘合剂/聚合物+添加剂的精确性质无关。例如，α*d的适当范围将是0.8至1.2，或是0.5至1.5，或在一些条件下是0.1至2。色彩更重的层提供更好的对比度和/或分辨率的结果，使得，α*d的其他适当范围是0.1至5，或者例如是0.5至5。

并不希望用来获得吸收系数α的材料对本发明具有明显的效果，本发明不限于特定色彩或添加剂(例如碳)，也不限于特定的色彩浓度(例如，ppm)。

根据本发明的一个方面，Gr(反向散射的增益)在大角度下主要是α的函数。根据本发明的一个方面，对于角度＞40°，在Gr＜0.1时获得最佳结果。例如，优选的值将是Gr＜0.07。

本发明的实施方式对屏幕的内层涂层使用范围参数，如下所述：

颗粒可以由例如聚有机硅倍半氧烷制成，并且，其嵌入其中的树脂材料可以是丙烯酸聚合物，例如PMMA。光吸收颜料可以是碳颗粒。

前向散射(透射增益)和反向散射(反射增益)的差。

前向散射和反向散射特性之间的差是本发明的一个重要方面。

前向散射和反向散射之间的差的一种有意义且实际的量度是透射增益和反射增益的差。

和的比率是透射增益和反射增益之间的差的良好量度。

透射增益

反射增益

视角

Φ是屏幕的面积S上的平行光束的入射光通量。是所测得的亮度(参见图8和图9)。

在图10和图11中示出了在根据本发明的实施方式的材料上测量的反射增益和透射增益的值。

根据测量结果和我们可以计算：

对于10度度，度

并且

对于6度度，度

在该情况中，γ≈14

γ必须足够大，以在亮度、对比率和图像倾斜度等特性之间获得所需平衡。

根据本发明的实施方式，一个足够大的值是γ＞7

达到高CR的另一重要条件是，对于大θ，反射增益g_r(θ)的值是：对于θ＞40度，g_r(θ)＜0.1

本发明的一个重要方面是后投弯曲(例如球形)屏幕的涂层。本发明对透明圆顶的内部提供高质量后投屏幕涂层。基于平方根积分(＝SQRI)的公式，人们可计算出，对圆顶屏幕涂层的需求与一般平板屏幕涂层的需求不同。平方根积分是显示器的图像质量的数量。其只用几个显而易见的差的单位来表达。该值越大，屏幕质量越高。不必要的光对对比率的影响是非常重要的。在平板屏幕的情况中，此不必要的光是一定恒定水平下的环境光。在球形屏幕的情况中，这种不必要的光是由于球形屏幕的组合特性而由屏幕涂层反射的光。所有未在通过涂层散射之后立即进入观察者的眼睛的投影的光，可能在于球形屏幕上多次反射之后进入观察者的眼睛。因此，屏幕上的黑暗区域由明亮区域照亮，即，使球形屏幕的对比率减小。

环境光对调制深度的影响

对于一定的空间频率，SQRI与由阈值调制划分的调制深度的平方根成正比。人眼的对比灵敏度及其对图像质量的影响，P.G.J.Barten，p 157。如果我们采用恒定的亮度等级，则阈值调制也是恒定的，因此，我们可集中于环境光对调制深度的影响。将调制深度或对比度调制M定义为，亮度变化的振幅与亮度的平均值的比率。

$M=\frac{L_{max}-L_{min}}{L_{\max }+L_{min}}=\frac{\mathrm{\&Delta;}L}{2<L>}---\left(1\right)$

其中，ΔL是最大和最小亮度之间的差，<L>是平均亮度。

环境光将对最大和最小亮度具有相等的影响。对调制深度的表达改变成：

$M^{\&prime;}=\frac{(L_{max}+A)-(L_{min}+A)}{(L_{max}+A)+(L_{min}+A)}=\frac{\mathrm{\&Delta;}L}{2<L+A>}=M\frac{1}{1+\frac{A}{<L>}}---\left(2\right)$

其中，A是观察者在于屏幕上反射之后看到的环境光亮度。

在平板屏幕的情况中，此环境光亮度A是恒定的。环境光等级越大，调制深度的减小越大，并且SQRI值越小。为了减小环境光的影响，升高显示器的光级是有意义的。

在球形屏幕(作为弯曲屏幕的一个实例)的情况中，该环境光亮度A与球体中的平均亮度成正比。在此情况中，调制深度的表达是：

$M^{\&prime;}=M\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\&beta;}<L>}{<L>}}=M\frac{1}{1+\mathrm{\&beta;}}---\left(3\right)$

升高显示器的光级对调制深度没有影响，这会强制减小β。

诸如颜料或染料的吸收材料对调制深度的影响

假设屏幕涂层包含至少一层，使得涂层吸收的特征在于吸收系数α和厚度d。

通过该层一次的光以指数(-αd)减弱：

L'_max＝L_max·e^-αd

L'_min＝L_min·e^-αd  (4)

通过该层两次的光以指数(-2αd)减弱：

A'＝A·e^-2αd

β'〈L'〉＝β·e^-αd〈L〉·e^-αd  (5)

对于平板屏幕，这对调制深度产生以下表达：

$M^{\&prime;}=M\frac{1}{1+\frac{A\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&alpha;}d}}{<L>}}---\left(6\right)$

对于球形屏幕(作为弯曲屏幕的一个实例)，这对调制深度产生以下表达：

$M^{\&prime;}=M\frac{1}{1+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&alpha;}d}}---\left(7\right)$

在实际的后投情况中，环境光A仅是平均显示光<L>的一小部分，比如说0.1。因此，并非必须要吸收或仅需要有限的吸收来保持良好的调制深度(等式6)。对于球形屏幕，除了通过增加吸收(等式7)以外，无法保持调制深度。

现在，让我们瞄准两种情况(平板屏幕和球形屏幕)中的相同的调制深度。这利用：

$\frac{A\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&alpha;}}_{1}d}}{<L>}=\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&alpha;}}_{2}d}---\left(8\right)$

其中，我们采用相似的涂层厚度。由于A是观察者在于屏幕上反射之后看到的环境光亮度，因此，可将其写成：

A＝β'·A'  (9)

其中，A’是入射环境光的亮度，并β’是反射率值，其比β的值稍大。理论上，在范围内，这些可以是相等的。对于实际的投影情况，环境光A是屏幕的平均亮度的一小部分，比如说平均亮度的20％。这对反射率值给出以下等式：

$\frac{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&alpha;}}_{1}d}}{5}=\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&alpha;}}_{2}d}---\left(10\right)$

如果我们忽略反射率值之间的小差异，即，如果我们假设：

β'≈β  (11)

对于吸收系数中的差，我们得到以下等式：

${\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1=\frac{ln\left(5\right)}{d}---\left(12\right)$

即，对于相似的图像质量，球形屏幕涂层的吸收系数应比平板屏幕涂层的吸收系数大ln(5)/d。即，球形屏幕应吸收得比平板屏幕多得多，以产生相似的图像质量。如果我们假设350微米的涂层厚度，那么我们得出以下差值：

${\mathrm{\&alpha;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_1=4600\&lsqb;\frac{1}{m}\&rsqb;---\left(13\right)$

这意味着，对于具有相同涂层厚度的平板屏幕和弯曲屏幕的α*d之间的差是4600×d。因此，与背投平板屏幕的传统涂层相比，根据本发明的实施方式的弯曲屏幕涂层在α*d的值上明显不同。

添加吸收材料

向至少一层中添加吸收材料具有严重的后果。该涂层会对厚度变化非常敏感，当看亮度等式(等式4)中的指数因子时，这是显而易见的。为了实现可接受的亮度均匀性，必须小心地控制厚度变化。一种可能的施加该涂层的方法是通过喷漆。如果将局部亮度变化限制至3％，则对于一定的涂层结构，局部厚度变化可能必须小于2.7％。如果将局部亮度变化限制至5％，则对于一定的涂层结构，局部厚度变化可能必须小于4.5％。

根据一个优选实施方式，通过喷涂对球体内部施加涂层。优选地，将该涂层作为水悬浮液而施加。在可使用的喷涂类型中，真空喷涂是不太优选的，因为厚度均匀性不好。该涂层必须具有良好的表面质量，因为这对厚度公差来说很重要。当从球形屏幕的内部透射地观察时的厚度变化，可通过眼睛轻松地看到。此外，必须施加相当厚的层，例如＞70μm。从实验中已经发现，传统的空气喷涂方法也不是非常适合的。根据本发明的一个实施方式，空气辅助方法是优选的，或者旋转钟状杯是优选的。空气辅助方法是一种介于真空和传统喷涂技术之间的方法。空气辅助喷涂典型地使用2100-21000kPa的空气压力和流体压力，以实现涂层的雾化。该设备提供高传递和增加的施加。

流体压力由真空泵提供，这允许比可能用喷气枪喷涂重得多的材料。将压缩空气从真空尖端(喷嘴)导入喷雾器，以改进雾化的细度。

旋转钟状杯用旋转喷雾器作为涂漆器。典型的钟状涂漆器由四个或五个主要元件组成：阀模块，钟状杯，涡轮机，成形空气罩，以及可选地静电系统。

阀模块是由用于油漆、溶剂和压缩空气的通道，以及控制材料的流动以传递油漆、用溶剂清洗和清除，并管理到达阀、涡轮机和成形空气罩的压缩空气的阀组成的歧管。钟状杯是固定至涡轮机的轴的圆锥形或弯曲圆盘。将油漆喷入圆盘后部的中心，并通过用离心力挤出至杯子的边缘而雾化。油漆在杯子上和离开边缘的流动将油漆分解为雾化液滴。

涡轮机是高速、高精度的空气发动机，其以范围从10000rpm到70000rpm的速度旋转钟状杯，取决于杯子直径、所需雾化，以及油漆的物理特性。用于该应用的典型涡轮机使用空气轴承，其中，将旋转轴悬挂在流动压缩空气的气垫中，几乎没有摩擦阻力。成形空气罩或成形空气环简单地是具有用于空气在杯子直径之外从雾化器前面流出的通道的环，以管理所产生的喷射图案的大小。当迫使更多空气通过罩子时，迫使雾化油漆进入更小的图案。

静电系统是可选的，并可以是内部的或外部的(或直接或间接充电)，并对施加器或围绕其的空气提供高压(30000至100000伏直流电)充电。这具有使油漆带负电的效果，同时导致在工件上形成正电荷的区域，在油漆和工件之间产生静电吸引。仅可在外部(或间接)电荷施加器上看到该静电系统，在那里，其看起来是钟状物周围的圆形阵列中的一系列的4-8个面向前方的电极。

由于厚度公差如此重要且球体内部上的几何形状较复杂，所以计算定制化的喷射路径非常重要。如果喷射路径没有任何重叠，那么是优选的。这意味着，喷射头的每个开口与之前的路径邻接。在矩形基板的情况中，该路径是笔直的(参见图12)。在球形基板的情况中，该路径是不太笔直的。根据本发明的实施方式，可将该基板(即球体)保持静止，并且，喷头优选地在机器人的控制下移动，或者，使球体移动，并将喷头保持明显地静止，或使球体移动，还允许喷头有一些运动。在静止球体的情况中，优选地使用圆形喷射图案，例如，来自圆形光束或旋转钟状物的喷射图案。该路径可能是螺旋形的(图13)。在球形基板的动态运动的情况中，这可能在其旋转轴线周围旋转。在该情况中，还可能使用平光束喷射技术。

对于所有喷射技术，施加多层(例如6-9)。在一个实施方式中，使用混合的漫射和吸收层(例如10-13层)，而不是使用一种油漆成分，因此，例如，可施加交替的漫射和吸收层。

图14示出了着色添加剂的％(百分比)和用根据本发明的实施方式的涂层获得的峰值增益之间的关系。着色材料的百分比以用于喷射的具有52％固体物质的液体油漆为基础。因此，为了在最终涂层中获得该百分比的吸收材料，必须将该图表的X轴上的值除以0.52。

Claims (15)

1.一种弯曲的背投屏幕，具有大于180°的曲率的角度，所述屏幕包括第一层和在所述第一层上的第二漫射层，所述第二漫射层包含光吸收材料和光漫射颗粒，所述第二漫射层是合成树脂层，并且所述光漫射颗粒被嵌入在树脂材料中，其中，所述第二漫射层在所述第一层的内表面上。

2.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述第二漫射层适于具有在0.1到5之间的吸收系数和厚度的乘积的值。

3.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述屏幕是环绕式圆柱形或圆顶屏幕。

4.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述第二漫射层包括多层。

5.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述第二漫射层包括漫射层和光吸收层的混合物。

6.根据权利要求5所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述第二漫射层包括交替的漫射层和光吸收层。

7.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，所述第一层是合成树脂层，或者由玻璃制成。

8.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，对于角度＞40°，反向散射的增益Gr具有值Gr＜0.1。

9.根据权利要求8所述的弯曲的背投屏幕，其中，Gr的值＜0.07。

10.根据权利要求2所述的弯曲的背投屏幕，其中，对于角度＞40°，反向散射的增益Gr具有值Gr＜0.1。

11.根据权利要求10所述的弯曲的背投屏幕，其中，Gr的值＜0.07。

12.根据权利要求1所述的弯曲的背投屏幕，其中，γ＞7。

13.一种沉浸式显示器或模拟器，包括：

至少一个投影仪和

弯曲的背投屏幕，具有大于180°的曲率的角度，所述屏幕包括第一层和在所述第一层上的第二漫射层，所述第二漫射层包含光吸收材料和光漫射颗粒，所述第二漫射层是合成树脂层，并且所述光漫射颗粒被嵌入在树脂材料中，其中，所述第二漫射层在所述第一层的内表面上。

14.根据权利要求13所述的沉浸式显示器或模拟器，其中，所述第二漫射层适于具有在0.1到5之间的吸收系数和厚度的乘积的值。

15.根据权利要求13所述的沉浸式显示器或模拟器，其中，对于角度＞40°，反向散射的增益Gr具有值Gr＜0.1。