CN107111181A - 应用具有微透镜或微镜的阵列的屏幕的显示系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于沉浸式显示系统，其包括屏幕，该屏幕被配置为减轻至少部分地由于入射在屏幕上的外围光的对比度降低。沉浸式显示系统包括至少一个屏幕，该屏幕具有：微透镜阵列；在微透镜阵列的顶部的光偏振层；偏振旋转层；光反射层；以及用于微透镜阵列中的单独的微透镜的非偏振光散射材料片段。在使用中，来自与屏幕相关联的投影仪的光实质上被非偏振光散射材料散射，以及来自与沉浸式显示系统中的不同的屏幕相关联的投影仪的光实质上被偏振层吸收。

Description

应用具有微透镜或微镜的阵列的屏幕的显示系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月27日递交的、标题为“Display Systems and MethodsEmploying Screens with an Array of Micro-Lenses or Micro-Mirrors”的美国临时专利申请号62/069,095的优先权，通过参考的方式将其完整并入本文。
技术领域
本公开整体涉及具有设置用于图像的沉浸式观察的一个或多个投影显示器的投影显示系统和方法，以及包括至少部分地基于一个或多个投影屏幕的选择性入射角反射来至少增强图像的动态范围和对比度的系统和方法。
背景技术
数字影院服务器和投影仪接收用于电影院或其他剧场中的投影的数字内容。该内容可以打包在一个或多个数字文件中以传递和存储在媒体服务器上。媒体服务器然后可以从一个或多个数字文件提取数字内容以使用一个或多个投影仪来显示。在一些情况中，内容可以是投影到屏幕上的3D视频，其中在屏幕上投影略微不同的视频内容以便观看者的右眼和左眼中的同时观察以创建深度的错觉。多投影系统可用于在剧场中如在电影院或会堂中的多个屏幕上显示视频，以助于观看者的沉浸式体验。
发明内容
本文描述的示例性实施例具有新颖的特征，它们中的任意一个都不是对于它们希望的属性不可缺少的或者唯一表示。现在将概述有利的特征中的一些，而不是限制本发明的范围。
沉浸式显示系统可以包括设置为提供视频的沉浸式观看的多个投影系统。该沉浸式显示系统可以包括多个投影仪系统，每个投影仪系统投影这样一种视频即该视频被配置为彼此补偿以为观看者提供沉浸式观看体验。每个投影仪系统可以被配置为投影其视频到围绕观看者放置的投影表面上。这样，观看者可以体验沉浸到视频中所描述的环境中的感觉。由多个投影仪系统提供的视频可以投影到用于创建统一的视频呈现的多个投影表面上。至少部分地由于提供在多个投影表面上的图像的质量，该沉浸式显示系统能够以相对高的真实性生成试听呈现。
然而，具有多个投影表面可能导致光从第一投影表面发射到第二投影表面以及随后反射到观看者上。该光与从第一投影表面直接反射到观看者的光混合。多个投影表面上的光的这种混合可能降低投影表面的对比度和/或动态范围，从而损坏提供在沉浸式显示系统中的图像的质量。该光混合可以称为串扰或者交叉反射并且可能是沉浸式显示系统中的挑战。至少部分地由于观看者中的观看者的观看角度的宽范围，对于设计用于相对大群人如在电影院中的沉浸式显示系统，该串扰或者交叉反射可能甚至更难以克服。
因此，本文提供了用于包括多个投影表面(例如屏幕)的沉浸式显示系统的系统和方法，其中该多个投影表面在宽范围的观看角度上可用以及对于该多个投影表面实质上降低由于多个投影表面的不同部分之间的串扰或者交叉反射导致的对比度和/或动态范围的降低。在一些实施例中，本文公开的系统和方法使用两个或更多个弯曲的或平面的屏幕提供相对高对比度高动态范围的沉浸式观看，其中在该屏幕中通过经过这样一种多层结构选择性地散射和吸收光来实质上抑制交叉反射，即该多层结构散射定制的入射角范围内的入射光并且吸收该定制的入射角范围外的入射光。这可以通过光偏振层、光旋转层、反射层或结构以及与微透镜和/或微镜的阵列结合的非偏振光散射材料的组合来实现。
在第一方案中，提供了一种用于沉浸式显示系统的屏幕，屏幕包括：微透镜阵列，微透镜阵列中的单独的透镜具有宽度D；光偏振材料层；偏振旋转层；光反射层；以及用于微透镜阵列中的单独的透镜的非偏振光散射材料片段。非偏振光散射材料片段具有小于宽度D的宽度。在使用中，来自与屏幕相关联的投影仪的光实质上被非偏振光散射材料散射，以及来自与沉浸式显示系统中的不同的屏幕相关联的投影仪的光实质上被偏振层吸收。
在第一方案的一些实施例中，微透镜阵列包括球面微透镜。在另一个实施例中，微透镜阵列进一步包括非球面微透镜。
在第一方案的一些实施例中，微透镜阵列包括圆柱微透镜。在另一个实施例中，微透镜阵列进一步包括这样一种圆柱微透镜即圆柱微透镜在与圆柱微透镜的纵轴垂直的平面中具有非球面形状。在另一个实施例中，非偏振光散射材料的每个片段形成与关联的圆柱微透镜的纵轴平行的条带。
在第一方案的一些实施例中，屏幕进一步包括定位在微透镜阵列的微透镜之间的过渡带处的穿孔。在另一个实施例中，穿孔阵列中的穿孔定位在球面微透镜之间的转角处。在另一个实施例中，穿孔阵列中的穿孔定位在圆柱微透镜之间的边缘处。在另一个实施例中，穿孔阵列中的穿孔沿直线等距离。在另一个实施例中，穿孔阵列中的穿孔是圆形的。
在第二方案中提供了一种用于沉浸式显示系统的屏幕。屏幕包括：微镜阵列，微镜阵列中的单独的镜具有宽度D；偏振旋转层；线性偏振层；以及用于微镜阵列中的单独的微镜的非偏振光散射材料片段。非偏振光散射材料片段具有小于宽度D的宽度。在使用中，来自与屏幕相关联的投影仪的光实质上被非偏振光散射材料散射，以及来自与沉浸式显示系统中的不同的屏幕相关联的投影仪的光实质上被偏振层吸收。
在第二方案的一些实施例中，微镜阵列包括球面微镜。在另一个实施例中，微镜阵列进一步包括非球面微镜。
在第二方案的一些实施例中，微镜阵列包括圆柱微镜。在另一个实施例中，非偏振光散射材料的每个片段形成与关联的圆柱微镜的纵轴平行的条带。在第二方案的一些实施例中，屏幕进一步包括定位在微镜阵列的微镜之间的过渡带处的穿孔。
在第三方案中提供了一种沉浸式显示系统，包括一个或多个根据第一方案和第二方案的屏幕。在第三方案的一些实例中，一个或多个屏幕是弯曲的。
附图说明
各种实施例为了说明的目的被描述在附图中，并且不以任何方式限制本发明的范围。另外，不同的所公开实施例的各种特征可以组合以形成作为本公开的一部分的附加实施例。可以去除或省略任意特征或结构。贯穿附图，附图标记可以重复使用以指示参考元件之间的对应。
图1A和1B示出了用于提供沉浸式显示体验的示例性沉浸式显示系统；
图2A和2B示出了包括三个屏幕的沉浸式显示系统的实例，以及示出了该沉浸式显示系统中的串扰的实例；
图3A示出了前投影屏幕的横截面视图和前视图，其具有球面微透镜阵列以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影；
图3B和3C示出了单个球面微透镜的横截面视图，其具有带有非偏振光散射材料片段的偏振层、偏振旋转层和光反射层；
图4示出了会聚射线的位置基于具有球面微镜阵列的屏幕上的入射角的图；
图5示出了具有入射光线R1和原点O的笛卡尔坐标系统XYZ；
图6A示出了前投影屏幕的横截面视图和前视图，其具有球面微镜阵列以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影；
图6B和6C示出了单个球面微镜的横截面视图，其具有带有非偏振光散射材料片段的偏振层和偏振旋转层；
图7示出了会聚射线的位置基于具有球面微镜阵列的屏幕上的入射角的图；
图8示出了前投影屏幕的横截面视图和前视图，其具有圆柱微透镜阵列以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影；
图9A-9D示出了被圆柱透镜聚焦在线段上的平行光线束；
图10A和10B示出了具有带有圆柱微透镜或圆柱微镜的多个屏幕的沉浸式显示系统；
图11示出了前投影屏幕的横截面视图和前视图，其具有圆柱微镜阵列以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影；
图12示出了会聚射线的位置基于具有圆柱微镜阵列的屏幕上的入射角的图；
图13A和13B示出了屏幕的实例，该屏幕在微透镜或微镜之间的转角处具有直线等距离的穿孔以及在微透镜或微镜之间的转角和边缘处具有穿孔；
图14A示出了在圆柱微透镜或微镜的边缘处具有直线等距离圆形穿孔的设置；以及
图14B示出了在圆柱微透镜或微镜的边缘处具有交错穿孔的设置。
具体实施方式
虽然本文描述了特定实施例和实例，但是发明主题延伸超出具体公开的实施例到其他可替换实施例和/或使用，以及到其修改和等效物。因此，所附权利要求的范围不是由下文描述的具体实施例限制的。为了比较各种实施例，描述了这些实施例的特定方案和优点。没有必要由任意具体实施例实现全部该方案或优点。因此各种实施例可以例如以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点而无需实现本文同样可能教导或暗示的其他方案或优点的方式执行。
沉浸式显示系统能够生成具有高的真实性水平的图像，因为图像在多个方向中同时提供给观看者。典型的沉浸式显示系统可能至少部分地由于串扰或者交叉反射而遭受低对比度和低动态范围。如本文所使用的，串扰和/或者交叉反射整体涉及这样一种情况即在该情况中从沉浸式显示系统的一部分发射的光入射在沉浸式显示系统的屏幕的其他部分上，并且这些发射射线随后在漫射之后部分地反射回到一个或多个观看者。至少部分地由于屏幕实质上反射入射在其上的所有光，所以该串扰或者交叉反射可能出现在典型的沉浸式显示系统中。通常，入射在显示屏幕上并且未被显示屏幕吸收的外围光，例如与投影在屏幕上的或者由显示器提供的本地图像不相关的光，叠加在显示的图像上导致降低的图像对比度。外围光或亮度可能强烈恶化图像的对比度。类似地，外围光可能恶化图像的颜色饱和度，并且因此恶化图像的动态范围。因此，整体上降低或最小化外围光的反射以及尤其降低或最小化串扰是希望的和有利的。
因此，本文公开了用于改善外围光在前投影屏幕上的排斥以便增强由前投影生成的图像的对比度的系统和方法。具体地，本文公开了用于沉浸式显示系统中的时间复用的屏幕和投影仪系统，沉浸式显示系统的屏幕和投影仪系统被时间复用以降低或最小化所投影的图像上的串扰的影响。
本文提供的系统和方法被配置为利用多个投影仪系统改善具有多个投影表面的沉浸式显示系统的对比度和/或动态范围。可能存在大量可以与本公开的系统和方法组合以实现一个或多个具体优点的用于改善对比度和/或动态范围的系统和方法。在一些实现中，这些系统和方法具有本公开的系统和方法自己或与其他系统和方法结合已克服的特定缺点。例如，用于改善沉浸式圆顶剧院的对比度的方法将图像的亮度集中在剧院中单向就坐的观看者的中央视场内。然而，这可能不利地牺牲朝向观看者的视场的角度的外面边缘的亮度。用于改善对比度的另一种方法包括利用用于提供有纹理的表面并且作为微阻板以抑制投影的图像的交叉反射的可视反射涂层来涂覆屏幕。用于改善完全的背投屏幕或沉浸式显示器的对比度的另一种方法包括使用专门定制或优化的后屏涂层。
通过使用分布在主体材料中的光吸收颗粒和金属鳞片，可以改善前投影屏幕的对比度。类似地，反射型投影屏幕可以包括光反射层和透明的光漫射层，光反射层包括具有分散在其中的反光材料鳞片的透明树脂，以及透明的光漫射层包括具有分散在其中的方解石或无色染料或颜料的精细晶体颗粒的透明树脂。该屏幕可以改善亮度和图像对比度同时实质上维持相同的漫射角或者不会实质上降低漫射角。
通过图像显示光的波长范围中的光的选择性反射以及通过吸收环境光，可以改善前投影屏幕的对比度。例如，在前投影系统中使用的屏幕可以包括被配置为反射目标波长或目标波长范围的片段，其反射大于非目标波长或者非目标波长范围。该屏幕可以增强入射投射光与环境光之间的对比度。作为另一个实例，选择性反射投影屏幕可以包括这样一种结构即该结构被配置为选择性地反射多个相对窄带的波长范围的入射光学能量并且吸收波长落入该窄带之间和/或之外的光。该投影屏幕可以包括微镜结构，用于聚焦进入光，使得当光从屏幕反射时传递经过具有高的漫射或光束扩散的相对小的点。
在投影屏幕中可以通过将屏幕被配置为对于不同的入射角和/或偏振具有不同的反射率，改善环境光的排斥。例如通过将屏幕被配置为对于具有相对低的入射角以及偏振与投影仪的偏振平行的光具有相对高的反射率，对于具有相对高的入射角以及偏振与投影仪的偏振平行的光具有相对低的反射率以及对于偏振与投影仪的偏振垂直的光(具有高或低的入射角)具有相对低的反射率。反射式前投影屏幕可以被配置为通过包括与扩散元素和/或强光抑制元素结合的反射式偏振元件，在出现相对高水平的环境光时投影具有增强的对比度和相对宽的视角的图像。投影屏幕可以包括胆甾相液晶、偏振光选择性反射层以选择性并且扩散性反射目标或已知的偏振光分量。前投影屏幕还可以叠加偏振片。
高对比度前投影屏幕可以包括多个包括这样一种表面的微元件即该表面被配置为通过开关切换设置在基板(例如活动屏幕)上的合适的结构从低反射率状态变化到高反射率状态。微元件的表面可以对于投影图像或视频的黑片段处于低反射率状态以及对于在投影图像或视频的黑片段之外的片段处于高反射率状态。
前投影屏幕可以包括覆盖偏振旋转片的双凸透镜片，偏振片覆盖反射表面，偏振膜覆盖双凸透镜片。偏振膜可以包括在每个双凸透镜的焦点出的非偏振片段，从而来自投影仪的光被偏振膜相对未衰减，而来自其他源的光被衰减。来自投影仪的光整体分布有与双凸透镜片的透镜的视角高宽比相等的视角高宽比。
前投影屏幕可以用这样一种塑料片覆盖即该塑料片用聚合物分散液晶填充并且在塑料片的两个侧面具有透明电极。塑料片在第一状态中是透明的并且可以通过在塑料片上施加电压转成白色。塑料片可以在一个侧面上涂黑，从而当没有电压施加给电极时，屏幕至少部分地由于来自透明塑料片的背面的反射光而是黑色的。当电压施加到电极时，在施加电压的时间期间屏幕可以转成白色。屏幕可以接收与投影仪的脉冲同步的电压脉冲。在该情况中，屏幕可以被配置为在投影仪活动的期间是白色或者具有相对高的反射率以及当投影仪不活动时是黑色的或者具有相对低的反射率。
一些屏幕可以具有应用到液晶面板(open-cell)泡沫的内表面的可视反射层。反射涂层可以应用得足够薄以使得不填充和/或阻挡液晶面板泡沫结构。反射涂层可以涂覆液晶面板的内部。这可以产生这样一种投影表面即该投影表面反射大部分处于近乎正常入射角的光并且将来自更倾斜的入射角的光陷落在液晶面板中，从而降低交叉反射。结果屏幕包括微旋流屏幕表面，其具有相对高的定向性以及具有相对快的角度切断。然而，该设计在希望或优选宽范围的视角具有相同的或几乎相同的亮度的沉浸式显示系统中可能是不希望的和/或不利的。这在希望或优选亮度基于视角而平滑和逐渐减小的沉浸式显示系统也可能是不希望的和/或不利的。
以上系统和方法可用于通过降低交叉反射来增强沉浸式显示系统的对比度，但是可能遭受被本文所述的系统和方法克服的一些不利。具体地，本文公开的一些实施例提供给了一种沉浸式显示系统，其抑制交叉反射并且具有基于视角的目标或希望亮度(例如亮度基于视角的平滑和逐渐的减小)。
上述屏幕设计中的一些假设观看者使用相同或类似的中央视场。这可能是不利的，因为其限制了沉浸式显示系统的使用。一些上述问题可以通过本文所述的系统和方法来解决。具体地，描述了一种沉浸式显示系统，其抑制交叉反射同时提供对比度的实质性改善以允许观看方向扩大到超出普通中央视场。该沉浸式显示系统可以用在更多情况和配置中因为其对更大量观看者提供了改善的观看体验。
被配置为增强前投影系统的对比度的上述系统和方法中的一些旨在排斥与单独的前投影仪一起使用的环境光。该系统和方法可能不能对于被配置为投影图像到多个前和/或后投影屏幕上的全体投影仪的有效地抑制交叉反射和改善对比度。在具有多个投影仪和/或屏幕的该沉浸式显示系统中，相对屏幕定向和光学屏幕特征可能产生交叉反射，其降低投影的图像的对比度和/或颜色饱和度。因此，本文公开的一个或多个实施例包括有效地抑制交叉反射的沉浸式显示系统。
在特定实现中，通过前投影屏幕的角度选择性吸收，可以抑制交叉反射。前投影屏幕可以例如具有优选光反射方向，同时可以优选地或者实质上吸收来自其他方向的光。优选光反射方向可以对应于来自意图在目标前投影屏幕上显示图像的一个或多个投影仪的光射线的方向，同时来自其他方向的光从不意图在目标前投影屏幕上显示图像的投影仪出现。
优选光反射方向可以至少部分地基于位于球面和/或非球面微透镜的顶部或者球面和/或非球面微镜的前面的非偏振光散射片段的位置。也可以包括利用圆柱微透镜和/或圆柱微镜的屏幕。在使用圆柱微透镜和/或圆柱微镜的一些实现中，优选光反射方向可以至少部分地基于位于圆柱微透镜的顶部和/或圆柱微镜的前面的非偏振光散射片段的位置。
屏幕的光散射特性可以被配置为独立于微透镜和/或微镜的几何形状，并且散射可以做成对称的或非对称的。
本文还提供了解决沉浸式显示系统中的声学挑战的配置。例如公开了屏幕中的穿孔设置，其被配置为维持屏幕的光学质量(例如，可以包括穿孔而不导致屏幕的光学特征的显著的或实质性的恶化)。
沉浸式显示系统
图1A和1B示出了示例性沉浸式显示系统100a、100b，其包括被配置为投影图像到对应的屏幕105a、105b、105c上以提供沉浸式显示体验的多个投影仪200a、200b、200c。屏幕105a-105c可以是如图1A中所示的平面前投影显示器或者如图1B中所示的弯曲前投影显示器。在相邻显示器之间可以存在缝隙。例如，屏幕105a-105c之间可以存在如图1A和1B中所示的缝隙。在一些实施例中，缝隙可以相对小、接近于零或者为零。沉浸式显示系统100a、100b可以包括多个平坦或弯曲的显示器或屏幕，或者其可以包括单个弯曲的显示器或屏幕。屏幕可以相对彼此旋转。屏幕105a-105c还可以相对彼此分别具有倾斜。沉浸式显示系统100a、100b的屏幕105a-105c可以包括平坦屏幕、弯曲屏幕或者两者的组合。
示例性沉浸式显示系统100a、100b包括三个前投影屏幕105a-105c，其中，由投影仪系统提供每个屏幕上的图像。投影仪系统200a被配置为投影视频到屏幕105a上，投影仪系统200b被配置为投影视频到屏幕105b上，以及投影仪系统200c被配置为投影视频到屏幕105c上。声音系统可以安装在屏幕105a、屏幕105b和/或屏幕105c后面。投影仪系统P1、P2和P3发射的光可以具有希望的或选择的偏振状态或者可以随机偏振。
在一些实施例中，屏幕105a-105c可以是弯曲屏幕，图1B中显示了其实例。考虑的曲率可以在纸的平面中，在与纸的平面垂直的平面中或者在纸的平面和与纸的平面垂直的平面中。沉浸式显示系统100b例如包括三个弯曲前投影屏幕105a-105c，并且每个屏幕上的图像从一个或多个投影仪投影。投影仪系统P1 200a可以例如是在屏幕1 105a上投影图像的一个或多个投影仪，投影仪系统P2 200b可以例如是在屏幕2 105b上投影图像的一个或多个投影仪，投影仪系统P3 200c可以例如是在屏幕3 105c上投影图像的一个或多个投影仪。
从投影仪系统200a-c发射的光中的每一个可以具有不同的频谱。这可能导致由这些投影仪系统提供的图像之间的色差。这些色差可以电子补偿。在B.Maximus等人的美国专利公开号2007/0127121中公开了用于补偿两个投影仪之间的色差的示例性方法，通过参考的方式将其完整并入本文。投影仪系统200a-c的频谱可以被配置为在电子补偿之后以例如根据Rec.709或DCI P3的色阶投影彩色图像。
投影仪系统200a-c涉及被配置为投影视频到屏幕105a-105c上的设备。投影仪系统200a-c可以包括媒体服务器和投影仪。在一些实施例中，媒体服务器与投影仪物理上分离并且可通信地耦接(例如通过有线或无线连接)到投影仪。在一些实施例中，投影仪系统包括集成的媒体服务器和投影仪。投影仪系统的媒体服务器部分可以包括被配置为接收、存储和解码媒体内容的硬件和软件组件。媒体服务器可以包括被配置为摄取和解码数字内容文件以产生媒体流(例如视频或音频)以发送图像数据到投影仪的硬件或软件组件。媒体服务器可以包括用于摄取数字内容、解码摄取的内容、提供安全证书以访问安全内容以及以生成或转换同步信号以提供同步内容等等的模块。投影仪可以包括光学引擎、调制元件、光学镜等等以允许投影仪产生、调制和投影图像。可以例如使用阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、数字光处理(DLP)、数字微镜器件(DMD)等等实现投影仪。
投影仪系统200a-c可以被配置为给视频提供符合大量标准例如但不限于4K(例如3636x2664、3996x2160、3840x2160、4096x2160等等)、2K(例如1828x1332、1998x1080)、HD(例如1920x1080、1280x720)等等中的任意一个的高宽比和分辨率。投影仪系统200a-c可以被配置为提供具有多种帧速率包括但不限于24fps、30fps、60fps、120fps等等的视频。投影仪系统200a-c可以被配置为在两个或更多个屏幕上显示同步的3D内容(例如立体视频)。
作为一个实例，沉浸式显示系统100a、100b可以包括符合DCI的投影仪系统200a-c，被配置为在电影院中显示符合DCI的内容。符合DCI的内容可以包括媒体流(例如从数字内容提取的视频数据或视频和音频数据)。在一些实现中，提供媒体内容作为数字影院包(“DCP”)，其包括压缩、加密和打包的数据以例如分配给电影院。数据可以包括数字影院分配大师(“DCDM”)，其包括映射成数字文件格式的图像结构、音频结构、字幕结构等等。数据可以包括用于构成DCP中的视听呈现的图形要素文件和音频要素文件。DCP可以包括这样一种成分即该成分包括特写、宣传片、广告、标识语等等单个数字呈现所需要的全部要素和元数据。投影仪系统200a-c可以被配置为摄取DCP并且生成DCDM的视觉不可区分的副本并且随后使用DCDM的该副本来生成图像和声音以呈现给观看者。
图1A和1B示出了三个投影仪系统200a-c和三个屏幕105a-105c。然而，沉浸式显示系统可以包括不同数量的投影仪系统和/或屏幕。沉浸式显示系统100a、100b可以例如包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或多于10个投影仪系统。沉浸式显示系统100a、100b可以包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或多于10个屏幕。沉浸式显示系统100a、100b可以被配置为使得多个投影仪系统在单个屏幕上提供视频，使得图像实质上重叠。沉浸式显示系统100a、100b可以被配置为使得投影仪系统在单个屏幕上提供视频，其中来自投影仪系统的视频最低限度重叠，彼此相邻或者彼此靠近以提供实质上统一的视频呈现。
沉浸式显示系统中的声音可能是重要的，并且重要性可能比得上可视信息。至少部分地基于观看表面用作声音反射器，典型的沉浸式显示系统可能经历音频或声音问题。这可能导致在沉浸式环境中不希望和/或不想要的回声和声音回响。在一些实现中，沉浸式显示系统100a、100b包括穿孔的显示屏105a、105b和/或105c以降低该问题。穿孔的显示器屏幕可以被配置为允许沉浸式环境中的声音逃离该环境并且允许来自屏幕后面的扬声器的声音进入沉浸式环境。这可以在沉浸式环境中降低或者消除不想要或不希望的回声和回响同时增加希望的声音。
声音系统可以安装在前投影屏幕1 105a、屏幕2 105b和/或屏幕3 105c后面。为了降低高频声波的衰减，可以使用穿孔(例如圆形孔洞)阵列。屏幕中的穿孔可以布局为使得孔洞的中心在例如但不限于交错的或者直线的孔洞配置中等距离。每个单位面积的等距离孔洞的数量、孔洞直径和/或屏幕厚度是可以调谐以在大于越1kHz的频率上实现可接收的或者合适的传输损失的参数。本文参考图13A-14B更详细地描述了穿孔屏幕的实例。
示例性沉浸式显示系统屏幕
图2A和2B示出了包括三个屏幕的沉浸式显示系统100的实例以及示出了该沉浸式显示系统中的串扰的实例。沉浸式显示系统100可以包括多个屏幕。屏幕可以被配置为使得在相邻的显示器之间存在缝隙。图2A中所示的沉浸式显示系统100可以例如具有缝隙b1、b2、b3和b4，以及图2B中所示的沉浸式显示系统100可以例如具有缝隙d1和d2。在一些实施例中，缝隙可以相对小，接近零或者为零。屏幕可以具有例如以角度γ1和γ2为特征的相对定向。屏幕1、2和3还可以具有与角度γ3、γ4和γ5相对应的各自的倾斜，其中角度是关于与纸面的平面垂直的方向测量的。
参考图2A，射线1表示从投影到屏幕1的图像反射的光，射线1反射自屏幕的区域1并且入射到屏幕的区域2。射线3表示到达观看者的在区域2处的从投影到屏幕2的图像反射的光。射线2表示在屏幕2上在区域2处从射线1反射的光。在不存在射线1的情况下，射线3由屏幕2反射到观看者，射线3是原始图像的一部分。然而，在存在从区域1到区域2的串扰的情况下，射线2也被观看者观察到。射线2与射线3的混合被称为串扰并且可能实质性降低原始图像的对比度和颜色饱和度，相应地降低原始图像的动态范围。
图2B示出了串扰的另一个实例，其强度可以依赖于相互照亮的区域之间的距离。例如，沉浸式显示系统100包括多个相邻的或者几乎相邻的屏幕，在可以从相对短的距离彼此照亮的屏幕的部分上以及在屏幕之间的角度相对小的屏幕配置上串扰可能显著。随着所考虑的屏幕区域之间的距离增加，由串扰导致的亮度减小(例如近似平方反比定律)，并且当屏幕之间的角度增加时亮度也减小(例如近似亮度余弦定律)。例如，对于沉浸式显示系统100，区域1与区域2或者区域3与区域4之间的串扰将比区域2与区域5、区域3与区域6或者区域5与区域6之间的更强。当反射光的辐射模式具有宽的角度分布例如对于朗伯或者半朗伯反射屏幕时该串扰现象可能尤其显著。在一些实例中，当反射光的辐射模式相对定向例如对于高增益屏幕时该串扰现象可能较不显著。在本文公开的一些实施例中，宽的观看角度可能是优选的并且因此反射光的辐射模式典型地具有宽的角度分布。在该实施例中，串扰的降低和消除可能尤其有利。
为了说明串扰对对比度的影响，将提供简单的实例。对比度涉及显示系统的质量。全开(full-on)/全关(full-off)对比度(例如顺序对比度)可以定义为最大亮度与最小亮度的比。最大亮度Lmax可以是利用100％白信号驱动的显示器输出的亮度值，以及最小亮度Lmin可以是利用0％白电平(例如黑电平)驱动的显示器输出的亮度值。
测量亮度总体取决于观察角度，并且对比度总体基于观察角度。在外围照明入射到显示器的屏幕的情况下，其可能部分地反射到观看者并且叠加到自显示器的亮度。利用非零外围照明，全开/全关对比度是：
其中，La对应于外围照明以及显示屏幕的反射特征。
用于特征化显示器的对比度的另一个方法有时候称为“检验板方法”并且在ANSI1992,IEC 2002中描述了。在该方法中，使用覆盖显示器的完整图像区域的4x4黑白矩形检验板模型。测量在每个矩形的中心处的亮度。求8个白色值的平均<Lcb,max>以及求8个黑色值的平均<Lcb,min>。有时候被称为ANSI的对比度然后为：
ANSI对比度可以总体取决于观察角度；并且如果外围照明为非零则该非零照明也可能影响测量的ANSI对比度：
提供了投影显示器的值以给出对比度(例如Conoff和CANSI)的一些示例性值。如这些值所演示的，在存在外围照明的情况下，对比度可能总体降低。给定当外围光为零时的全开/全关对比度2000：1，第一示例性投影显示器具有在屏幕的对角线方向测量的最大亮度500cd/m2以及最小亮度0.25cd/m2。相反，如果存在反射到观看者的入射外围光以及反射外围光增加5cd/m2，则全开/全关对比度降低到～96：1。对于典型的投影显示器，ANSI对比度低于全开/全关对比度并且可以例如是～200：1。由于本章节描述的外围光的相同反射，ANSI对比度降低到～67：1。
具有球面和/或非球面微透镜的示例性屏幕
图3A示出了前投影屏幕300的横截面视图和前视图，其具有微透镜301的阵列以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影。前投影屏幕300具有包括这样一种片材的多层结构即该片材具有例如但不限于平凸微透镜301的阵列和在该阵列上面的光偏振材料层302。平凸微透镜301的片材的背面包括偏振旋转层304，其后接着光反射层303。单独的微透镜具有半径R、折射率n，并且可以具有例如但不限于边长为D的正方形。在微透镜301上面的光偏振材料层302可以具有用于单独的微透镜的相对小片段的非偏振光散射材料306。该非偏振光散射材料片段306的位置可以至少部分地取决于微透镜301的阵列中的微透镜的位置。该非偏振光散射材料片段306的位置可以至少部分地取决于投影仪设置，本文更详细其描述了投影仪设置的实例。
图3B示出了单个微透镜301a的横截面视图，其具有带有非偏振光散射材料306的偏振层302、偏振旋转层304和光反射层303。半径为R的微透镜301a具有位于距微透镜301a的顶部距离f的焦点F。焦点F的位置至少部分地基于微透镜301a的材料的半径R和折射率n。该材料可以例如但不限于是折射率为大约n＝1.4914的PMMA(有机玻璃)。具有例如但不限于入射角α＝0的一束随机偏振平行光线305可以被偏振层302线性偏振并且被反射到焦点F的方向中。当光线到达光反射层303时，它们可能被反射回去。通过两次传播经过偏振旋转层304，线性偏振光线的偏振方向可能被旋转90°。微透镜301a的顶部与光反射层之间的距离大约是f/2，其可以将射线聚焦到点A。在该点A周围，可以存在非偏振光散射材料片段306，并且到达点A的光线可以传播经过非偏振光散射材料片段306并且散射在观看者的方向中。
图3C示出了用于表示散射光线的一束光线307。平行光束可以被微透镜301b聚焦在透镜301b的顶部(例如在点A)，以及其他不平行的光线(例如光线308)可以被光偏振层302吸收。散射光线307的散射特征可以是对称的或非对称的并且可以独立于该光学结构的其他光学特征来适应应用的需要。在一些应用中，这些线性偏振光线可以实质上在光偏振层302被阻挡以及可以实质上或显著地不受该偏振层302影响。
在角度α>0之下的随机偏振入射光线(例如图3C的射线8)在被偏振层302偏振，被微透镜301a反射，被光反射层303反射以及被层304偏振旋转90°之后可以再次击中线性偏振器302。至少部分地由于重新回到线性偏振器302的光的偏振状态被旋转了90°，所以由于这些光线不传播经过非偏振光散射材料片段306，这些光线可能实质上或完全地被偏振层302吸收。
屏幕300的光学结构可以被配置为漫射地反射入射角α≈0的光以及吸收入射角α>0和/或α<0的光。散射特性的特征至少部分地在于点A周围的非偏振光散射材料片段306的材料的散射特性，并且可以被制造成独立于该光学材料的其他光学特性。
图4示出了基于屏幕400上的入射角来会聚射线的位置的图，屏幕400被配置为类似于本文参考图3A-3C所述的屏幕300。通过改变微透镜的前面区域上的偏振层的非偏振光散射片段406(例如点A)的位置，可以改变可能被散射片段406漫射地散射的入射平行光线的入射角α，以具有正的入射角和负的入射角。因此，至少部分地取决于光散射片段406的位置，可以选择一些入射光线方向在点A经过透镜传输。至少部分地取决于片段A的散射特性，传输的光可以在选择的、靶向的和/或希望的方向中散射。这些散射特性可以独立于光学结构的其他光学特性进行。
对于无象差的微透镜描述了二维的考虑。也可以在三维中对于入射方向描述会聚射线的位置以及单独的微透镜上的非偏振光散射片段的位置和尺寸。例如，图5示出了具有入射光线R1和原点O的笛卡尔坐标系统XYZ。点P1表示投影仪的投影透镜的出射瞳的中心，以及投影透镜的光轴与x轴重合。点P2具有坐标(0,y0,z0)并且对应于微透镜的曲率的中心。光线R1从P1传播到在P2处的微透镜的曲率的中心。为了方便起见，光线R1可以表示为向量P1P2。
微透镜(微透镜的曲率中心在(0,y0,z0))上与向量P1P2同方向的入射光线在被微透镜反射并且被反射层(例如本文参考图3A-3C所述的反射层303)反射之后可以在微透镜的表面上实质上相同的位置处出射。该位置采取第一近似至少部分地取决于向量P1P2的位置。微透镜的象差(例如球面象差和/或彩色象差)可以导致焦点(例如例如本文参考图3A-3C和/或图4所述的点A)周围的污点。通过当确定非偏振光散射片段的尺寸时考虑象差，可以降低或消除由该模糊导致的不利的影响。
微透镜接收在选择的、希望的、靶向的或者定义的入射角范围中来自投影仪的光线。该范围采取第一近似取决于：z0、y0、|OP1|以及微透镜的尺寸(例如微透镜的侧面的长度D)。该入射角范围内的光线在被微透镜反射以及被反射层(例如本文参考图3A-3C所述的反射层303)反射之后将在微透镜的表面上的不同位置处射出。该扩散对于小的入射角可能是显著的，并且可以至少部分地受微透镜的尺寸控制。该影响连同微透镜的光学象差可以进一步激发改变(例如增加)非偏振光漫射区域(例如本文参考图3A-3C所述的非偏振光散射片段306)的横截面。微透镜接收的入射角范围还至少部分地取决于投影透镜的出射瞳的尺寸。较大的出射瞳导致例如较大的入射角范围。
可以经过每个微透镜的非偏振光散射片段(例如本文参考图3A-3C所述的非偏振光散射片段306)传输的光线入射角范围至少部分地取决于非偏振光散射片段的横截面面积，并且有利的或优选的尺寸至少部分地取决于多个因素，包括例如但不限于：微透镜的位置(0,y0,z0)、投影距离|OP1|、微透镜的尺寸、投影透镜的出射瞳的直径以及透镜象差。使得非偏振光散射片段的横截面面积大于该有利的或优选的尺寸可以允许更多方向的入射光线传输经过非偏振光散射片段。这可能是不希望的，因为这些具有更大入射角的光线可能来自“外围光”例如交叉反射和/或环境入射光线。使得非偏振光散射片段的横截面面积小于该有利的或优选的尺寸可能导致来自投影仪的光线在偏振层(例如本文参考图3A-3C所述的偏振层302)被吸收。
为了进一步定制非偏振光散射片段的横截面面积，可以通过使用定制的非球面微透镜代替或补足球面透镜来有利地降低微透镜的球面象差。
已关于作为可能的投影建立的一个实例的同轴投影系统描述了以上实施例。然而，可以对于离轴投影设置类似的前投影屏幕的尺寸。
已经参考在前表面具有正方形的微透镜描述了以上实施例。要理解，在前表面具有矩形、圆形、多边形或者任意形状的微透镜的使用也在本文的范围中。
微透镜的材料的双折射可以被配置为足够低以保持在微透镜中传播的光的偏振状态。光反射层也可以被配置为足以保持光的偏振状态。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。
具有本文所述的投影屏幕的投影屏幕组合可以被配置为漫射地反射从该投影仪屏幕组合的投影仪出现的光线。这至少部分地由于所述前投影屏幕包括多个多层结构，其具有从投影透镜的出射瞳的中心到微透镜的曲率的中心漫射地反射入射角范围在向量P1P2(例如参考图5所述的入射光线向量)的方向的相对小的范围内光线的微透镜。
沉浸式显示系统(本文中参照图2A-2B更详细地描述了其实例)中的交叉反射光线可以以与向量P1P2的方向周围的相对小范围不同的入射方向在每个微透镜击中屏幕，并且这些交叉反射光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其他类型的前投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
环境光也可以以与向量P1P2的方向周围的相对小范围不同的入射方向在每个微透镜击中屏幕，并且这些光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的入射环境光的反射并且与其他类型的前投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
具有球面和/或非球面微镜的示例性屏幕
图6A示出了前投影屏幕600的横截面视图和前视图，其具有微镜阵列603以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影。前投影屏幕600具有多层结构，其包括具有球面微镜603的阵列的片材、这些微镜603上面的偏振旋转层604、和在偏振层604上面的线性偏振层602。要理解，在一个或多个反射层之间、在这些层上面或者在这些层下面，可以将一个或多个层增加到该结构中。微镜603可以具有半径R并且具有例如但不限于侧面长度为D的正方形前面形状。具有线性偏振器602的层可以在单独的微镜的前面中具有小的非偏振光散射材料片段606。该非偏振光散射片段606的位置至少部分地取决于该微镜在微镜阵列603中的位置。该位置可以至少部分地取决于如本文所述的投影仪建立。
图6B示出了单个球面微镜603a的横截面视图，其具有带有非偏振光散射材料片段606的偏振层602和偏振旋转层604。微镜603a可以包括介质601，光在到达微镜603a的反射表面之前传播经过该介质601。微镜603a可以包括在偏振层602与偏振旋转层604(例如，这些层可以是分离的层)之间的层609。层609可以是功能层，提供附加的功能给微镜603a。例如，单独的微镜可以是半径为R的球面镜。焦点F位于距离f＝R/2。具有例如但不限于入射角α＝0的随机偏振光线的水平束可以被偏振层602线性偏振并且可以在焦点F的方向中被镜603反射。通过两次传播经过偏振旋转层604，这些线性偏振光线的偏振方向可以被旋转90°。非偏振光散射片段606可以定位在焦点F周围。到达焦点F的光线因此可以传播经过片段606并且可以被散射。至少部分地由于这些线性偏振光线传播经过非偏振光散射片段606的事实，这些线性偏振光线可能实质上不受偏振层602影响。光线束607表示散射的光线。光散射片段的散射特征可以是对称的或非对称的，并且可以独立于光学结构的其他光线特征来适应应用的需要。
具有角度α>0或α<0的随机偏振入射光线可以再次击中线性偏振层602。因为在线性偏振器602处回来的光的偏振状态被旋转90°，所以这些光线可以被偏振层602吸收。该射线的一个实例是光线608。
以上光学结构可以被配置为漫射地反射入射角为大约α＝0的光，并且将吸收入射角度大约α>0或α<0的入射光。散射特性至少部分地基于球面镜的焦点F周围的小片段606中的材料的散射特性，并且可以被制造得独立于光学结构的其他光线特性。
在图6C中示出了微镜603b的另一个实例，其中，偏振层602和偏振旋转层604是集成的片材(例如非分离的片材)。这可以简化该光学组件的机械结构。
图7示出通过改变偏振层(例如本文参考图6A-6C所述的偏振层602)的非偏振光散射片段A的位置，被散射片段A漫射地散射的入射平行光束的入射角α可以改变成正入射角和/或负入射角。至少部分地取决于光散射片段A的位置，一些靶向的、选择的或者希望的入射光线方向可以选择为传输经过A。至少部分地取决于片段A的散射特性，该传输光可以在靶向的、选择的或希望的方向中散射。这些散射特性可以独立于光学结构的其他光线特性进行。
对于无象差的微镜描述了二维的考虑。用于确定针对针对三维建立的非偏振光散射片段的位置和尺寸的考虑与本文如上所述的类似。例如，图5示出了具有入射光线R1和原点O的笛卡尔坐标系统XYZ。点P1是投影仪的投影透镜的出射瞳的中心，以及投影透镜的光轴与x轴重合。点P2具有坐标(0,y0,z0)并且对应于微镜的曲率的中心。光线R1从P1传播到在P2处的微镜的曲率的中心。为了方便起见，光线R1可以表示为向量P1P2。
微镜(微镜的曲率中心在(0,y0,z0))上与向量P1P2同方向的入射光线可以被配置为在被微镜反射之后在偏振层(例如本文中参照图6A-C描述的偏振层)上的实质上相同的位置处到达。该位置采取第一近似至少部分地取决于向量P1P2的方向。微镜的象差(例如球面象差)可以导致焦点(例如本文参考图6A-6C和/或图7所述的点F)周围的污点。通过当确定非偏振光散射片段的尺寸时考虑镜象差，可以降低或消除由该模糊导致的不利的影响。
微镜可以接收在选择的、希望的、靶向的或者定义的入射角范围中来自投影仪的光线。该范围采取第一近似取决于：z0、y0、|OP1|以及微镜的尺寸(例如微镜的侧面的长度D)。该入射角范围内的光线在被微镜反射之后可以在偏振层(例如本文中参照图6A-C所述的偏振层602)上的不同位置处达到。该扩散对于小的入射角可能是显著的，并且可以至少部分地受微镜的尺寸控制。该影响连同微镜的光学象差可以进一步激发改变(例如增加)非偏振光漫射区域(例如例如本文参考图6A-6C所述的非偏振光散射片段606)的横截面。微镜接收的入射角范围还至少部分地取决于投影透镜的出射瞳的尺寸。较大的出射瞳导致例如较大的入射角范围。
可以经过每个微镜结构的非偏振光散射片段(例如本文参考图6A-6C所述的非偏振光散射片段606)传输的光线入射角范围至少部分地取决于非偏振光散射片段的横截面面积，并且有利的或者优选的尺寸至少部分地取决于多个因素，包括例如但不限于：微镜的位置(0,y0,z0)、投影距离|OP1|、微镜的尺寸、投影透镜的出射瞳的直径以及镜象差。使得非偏振光散射片段的横截面面积大于该有利的或优选的尺寸可以允许更多方向的入射光线传输经过非偏振光散射片段。这可能是不希望的，因为这些具有更大入射角的光线可能来自“外围光”例如交叉反射和/或环境入射光线。使得非偏振光散射片段的横截面面积小于该有利的或优选的尺寸可能导致来自投影仪的光线在偏振层(例如本文参考图6A-6C所述的偏振层602)被吸收。
为了进一步定制非偏振光散射片段的横截面面积，可以通过使用定制的非球面微镜代替或补足球面镜来有利地降低微镜的球面象差。
已关于作为可能的投影建立的一个实例的同轴投影系统描述了以上实施例。然而，可以对于离轴投影设置类似的前投影屏幕的尺寸。
已经参考在前表面具有正方形的微镜描述了以上实施例。要理解，在前表面具有矩形、圆形、多边形或者任意形状的微镜的使用也在本文的范围中。
微镜的光反射层可以被配置为足够保持光的偏振状态。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。
具有上述的投影屏幕的投影屏幕组合可以被配置为漫射地反射从该投影仪屏幕组合的投影仪出现的光线。这至少部分地由于所述前投影屏幕包括多个多层结构，其具有从投影透镜的出射瞳的中心到微镜的曲率的中心漫射地反射入射角范围在向量P1P2(例如参考图5所述的入射光线向量)的方向的相对小的范围内光线的微镜。
沉浸式显示系统(本文中参照图2A-2B更详细地描述了其实例)中的交叉反射光线可以以与向量P1P2的方向周围的相对小范围不同的入射方向在每个微镜击中屏幕，并且这些交叉反射光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其他类型的前投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
环境光也可以以与向量P1P2的方向周围的相对小范围不同的入射方向在每个微镜击中屏幕，并且这些光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的入射环境光的反射并且与其他类型的前投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
具有圆柱微透镜的示例性屏幕
图8示出了前投影屏幕800的横截面视图和前视图，其具有圆柱微透镜阵列801以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影。前投影屏幕800具有多层结构，其包括圆柱透镜片材801，在这些圆柱透镜801上面具有光偏振材料层802。圆柱透镜片材801的背面可以具有偏振旋转层804，光反射层803紧接着偏振旋转层804。单独的圆柱透镜具有半径R、折射率n和宽度D。在圆柱透镜801上面的光偏振材料层802对于每个圆柱透镜具有宽度为w的非偏振光散射材料条带806。该非偏振光散射材料条带806的位置至少部分地取决于圆柱透镜801在阵列中的位置。此外，该非偏振光散射材料条带806的位置至少部分地取决于本文更详细地描述的投影仪的建立。
为了说明屏幕800的功能，现在再次参考图5。图5示出了具有入射光线R1和原点O的笛卡尔坐标系统XYZ。点P1是投影仪的投影透镜的出射瞳的中心，以及投影透镜的光轴与x轴重合。点P2具有坐标(0,y0,z0)并且对应于微透镜的曲率的中心。光线R1从P1处传播到P2处的微透镜的曲率的中心。为了方便起见，光线R1可以表示为向量P1P2。
半径为R以及折射率为n的每个圆柱微透镜具有位于距离f处的聚焦平面。下文中光线被圆柱透镜折射的实例可用于说明具有圆柱透镜的实施例的特征。图9A示出了聚焦在线条EF上与X’轴平行的(α＝0以及β＝0，其中，角度α是距X’Y’平面中的X’轴的角度以及角度β是距X’Y’平面的角度)平行光线束ABCD。图9B和9C在二维而不是三维中示出了在与X’Y’平面平行的平面中形成角度+α、0和-α的平行光线束。这些平行光线分别聚焦在线条E’F’、EF、和E”F”上。图9C示出了圆柱透镜上的入射光线束，其中，圆柱透镜具有定位在距离圆柱透镜的聚焦平面的f/2处的光反射层。在该实施例中，光线被反射并且平行光线束对于α＝0在透镜表面上的距离Ω处，对于+α在透镜表面上的距离Ψ处，对于-α在透镜表面上的距离Π处，被聚焦成与Z’轴平行的线段。
图9D示出了对于α＝0和β＝0在圆柱透镜的聚焦平面中的平行光线折射束ABCD，其中，这些平行光线聚焦在线条IJ上。在平行光线束具有不同入射角的情况下，聚焦位置不同。例如，在平行光线的入射角具有角度α>0并且角度β>0的情况下，聚焦位置是I’J’，其中，水平偏移Δy取决于α并且垂直偏移Δz取决于β。对于圆柱透镜，具有相同角度α和不同角度β的不同的平行光线束被反射到圆柱透镜的聚焦平面的线段中，其中，该线段具有距线条IJ相同的偏移距离(例如Δy)但是沿Z’轴不同的偏移距离(例如Δz)。偏移Δy取决于α并且Δz取决于β。
在一些实施例中，圆柱透镜可以包括(例如本文参考图8和9C所述的)反射层。光反射层可以位于距圆柱透镜的聚焦平面的距离f/2处。光反射层可以将光线反射回圆柱透镜的表面。具有相同的角度α的平行射线束可以在偏移相同距离Δy的线段上聚焦在圆柱透镜的表面上。这些平行光线束可以具有不同的角度β并且因此可以沿Z’轴偏移不同的距离Δz。光散射材料条带(例如本文参考图8所述的光散射材料806)可以被配置为与靶向的线段重合(例如光散射材料可以与Z’轴平行)以散射靶向光线。类似地，具有不同的入射角的其他光线束可以被折射和反射，从而它们不与光散射材料条带重合，因而它们实质上被光偏振层(例如本文参考图8所述的光偏振层802)吸收。这样，屏幕可以被配置为当入射光在靶向入射角范围内入射到屏幕上时选择性地朝向观看者散射光。
从投影透镜的出射瞳的中心出现的入射光线在投影屏幕上的方向的特征可以在于对于屏幕上的每个位置的角度α和β。可以例如使用投影仪的出射瞳位置、投影仪相对于投影屏幕的方向、以及投影屏幕的尺寸来确定这些角度。投影屏幕可以分割成具有与Z轴平行的轴和宽度D的圆柱透镜(例如本文参考图8描述了其实例)。
屏幕(例如前投影屏幕、主投影屏幕、辅投影屏幕等等)的圆柱透镜可以接收以在α0(y0,z0)周围相对小的角度范围Δα来自其投影仪的光线，并且单独的圆柱透镜可以被配置为具有宽度为W的非偏振光散射材料垂直条带，其定位在来自投影仪的折射和/或反射光线所导向的地方。来自X’Y’平面中的其他方向的光可能不会到达非偏振光散射材料条带并且因此可以被屏幕吸收。因此，来自投影仪的光可以被散射，从而被就坐在相对屏幕的多种位置中的观看者观看到，然而环境光和/或来自不同投影仪的光可以被屏幕吸收。如本文所描述的，在α0(y0,z0)周围相对小的角度范围Δα中方向为–π<β<π的光线也可能在折射和反射之后到达非偏振光散射材料条带，并且可以被散射到观看者或者到观看者可能位于的位置(例如观看者空间)。
非偏振光散射条带的宽度w至少部分地取决于多个因素。例如，为了增加或最大化对比度维持，可以定制或优化非偏振光散射条带的宽度w。宽度可以被配置为散射来自与屏幕相关联的投影仪的光的大部分或全部，同时吸收从不同的投影仪到达的光和/或环境光的大部分或全部。增加该宽度可能是不希望的或不利的，因为这可能允许屏幕的水平平面中的交叉反射和/或环境入射光线传输经过非偏振光散射条带。类似地，减小该宽度可能是不希望的或不利的，因为，这可能导致来自与屏幕相关的投影仪的光线的吸收。
为了确定非偏振光散射条带的定制的或最佳的宽度，可以考虑多个因素。圆柱透镜的象差(例如球面象差和/或颜色象差)可以导致聚焦线(例如本文参考图9A-9C所述的线条EF)周围的污点。通过当确定非偏振光散射条带尺寸时考虑象差，可以降低或消除由该模糊导致的不利的影响。
圆柱透镜接收在选择的、希望的、靶向的或者定义的入射角范围中来自投影仪的光线。该范围采取第一近似取决于：z0、y0、|OP1|以及圆柱透镜的尺寸(例如圆柱圆柱透镜宽度D)。该入射角范围内的光线在被圆柱透镜反射以及被反射层(例如本文参考图8所述的反射层803)反射之后将在圆柱透镜的表面上的不同位置处射出。该扩散对于小的入射角可能是显著的，并且可以至少部分地受圆柱透镜的尺寸控制。该影响连同圆柱透镜的光学象差可以进一步激发改变(例如增加)非偏振光漫射条带(例如本文参考图8所述的非偏振光散射条带806)的横截面。圆柱透镜接收的入射角范围还至少部分地取决于投影透镜的出射瞳的尺寸。较大的出射瞳导致例如较大的入射角范围。
为了进一步定制非偏振光漫射片段的横截面面积，通过在圆柱透镜的水平面中使用定制的球面形状来代替或补足在圆柱透镜的水平面中的球面形状，可以有利地降低圆柱透镜的球面象差。
已关于作为可能的投影建立的一个实例的同轴投影系统描述了以上实施例。然而，可以对于离轴投影设置类似的前投影屏幕的尺寸。
圆柱微透镜的材料的双折射可以被配置为足够低以保持在圆柱微透镜中传播的光的偏振状态。光反射层也可以被配置为足以保持光的偏振状态。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。
使用球面和圆柱微透镜之间存在差异。对于球面透镜，例如，参考图5，用于给定距离|OP1|的光漫射片段的位置至少部分地取决于y0和z0。因此，在P1P2的方向周围的相对小范围中的方向的光线聚焦在光漫射片段上并且在观看者空间中散射。来自在P1P2的方向周围的相对小范围之外的方向的光被偏振材料吸收。对于圆柱透镜，例如，方向之间的区分主要发生在圆柱透镜的水平面中。因此，利用圆柱透镜的实现可以在观看者空间中从这样一种方向散射光即该方向在圆柱透镜的水平面中具有相对小的角度范围以及在圆柱透镜的垂直面中整体大角度范围。与利用圆柱透镜的实现相比，利用球面透镜的实现可以更有效抑制来自除了其关联的投影仪之外的其他源头的光。与利用圆柱透镜的实现相比，可以更有效地抑制交叉反射光线。与利用圆柱透镜的实现相比，还可以更有效地抑制环境光。然而，可以更容易制造利用圆柱透镜的实现。例如，至少部分地由于圆柱透镜固定的横截面轮廓在大片材上使用挤压工艺制造圆柱透镜可能是更容易的。
有利地，具有圆柱透镜的屏幕可以用于优选地抑制和/或增强来自定制的方向的光。图10A和10B示出了具有多个屏幕的沉浸式显示系统。虚线表示各个屏幕上的圆柱透镜的轴以及箭头表示交叉反射光的方向。例如，参考图10A，前投影屏幕可以垂直于XY平面或者“近似”垂直于XY平面(例如，其中“近似”意味着屏幕可以围绕水平轴具有相对小的旋转)并且辅屏幕可以关于XY平面倾斜。在该情况中，从辅屏幕到主屏幕上的交叉反射和/或从主屏幕到辅屏幕上的交叉反射具有这样一种光线即该光线具有在水平面或者关于水平面略微倾斜的平面中的方向。在该实施例中，圆柱透镜的轴可以被配置为垂直于XY平面(例如平行于Z轴)以优选地抑制这些交叉反射同时优选地散射来自与特定投影屏幕关联的投影仪的光。类似地，图10B中示出了另一个实例，其显示了沉浸式显示系统具有两个前投影屏幕，其平行于或“近似”平行于XY平面，例如，屏幕可以安装到地面和/或天花板。在该实施例中，交叉反射具有这样一种光线即该光线具有在垂直平面或者关于垂直平面略微倾斜的平面中的方向。圆柱透镜的轴可以被配置为平行于XY屏幕以优选地抑制交叉反射同时优选地散射来自相关投影仪的光。
具有本文所述的投影屏幕的投影仪屏幕组合可以被配置为漫射地反射来自该投影屏幕组合的投影仪的光线。这至少部分地由于所述的前投影屏幕包括多个这样一种多层结构即该多层结构具有圆柱微透镜，其漫射地反射入射方向在水平平面中在靶向角度范围内以及在垂直平面中在相对大的角度范围内光线。水平平面中的靶向角度范围和垂直平面中的相对大的角度范围可以包括来自该投影屏幕组合的投影仪的大部分或者实质上全部光线方向。
沉浸式显示系统(本文参考图2A-2B更详细描述了其实例)中的交叉反射光线可以在每个球面透镜处以这样一种入射角击中屏幕即该入射角在被漫射地反射的范围之外，并且这些交叉反射光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其它类型前向投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
环境光也可以以在被漫射地反射的范围之外的入射方向击中每个圆柱透镜，并且这些光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其它类型前向投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
具有圆柱微镜的示例性屏幕
图11示出了前投影屏幕1100的横截面视图和前视图，其具有圆柱微镜1103以利用实质上与x轴重合的光轴建立投影。前投影屏幕1100具有多层结构，其包括圆柱微镜片材1103，其具有位于圆柱微镜片材1103上面的偏振旋转层1104，紧接着光偏振材料层1102。单独的圆柱微镜1103具有半径R和宽度D。光偏振材料层1102对于每个圆柱微镜具有宽度为w的非偏振光散射材料条带1106。该非偏振光散射材料条带1106的位置至少部分地取决于圆柱微镜1101在阵列中的位置。此外，该非偏振光散射材料条带1106的位置至少部分地取决于如本文描述的投影仪的建立。在具有圆柱微镜的示例性实施例和本文所述的具有圆柱微透镜的示例性实施例之间存在大量相似。
为了说明屏幕1100的功能，现在再次参考图5。图5示出了具有入射光线R1和原点O的笛卡尔坐标系统XYZ。点P1是投影仪的投影透镜的出射瞳的中心，且投影透镜的光轴与x轴重合。点P2具有坐标(0,y0,z0)并且对应于微透镜的曲率的中心。光线R1从P1处传播到P2处的微透镜的曲率的中心。为了方便起见，光线R1可以表示为向量P1P2。
从投影透镜的出射瞳的中心出现的入射光线在投影屏幕上的方向的特征可以在于对于屏幕上的每个位置的角度α和β，其中，α是XY平面中距x轴的角度以及β是距XY平面的角度。可以例如使用投影仪的出射瞳位置、投影仪相对于投影屏幕的方向、以及投影屏幕的尺寸来确定这些角度。投影屏幕可以分割成具有与Z轴平行的轴和宽度D的圆柱微镜(例如本文参考图11描述了其实例)。
屏幕(例如前投影屏幕、主投影屏幕、辅投影屏幕等等)的圆柱微镜可以接收以在α0(y0,z0)周围相对小的角度范围Δα来自其投影仪的光线，并且单独的圆柱微镜可以被配置为具有宽度为W的非偏振光散射材料垂直条带，其定位在来自投影仪的反射光线所导向的地方。来自X’Y’平面中的其他方向的光可能不会到达非偏振光散射材料条带并且因此可以被屏幕吸收。因此，来自投影仪的光可以被散射，从而被就坐在相对屏幕的多种位置中的观看者观看到，然而环境光和/或来自不同投影仪的光可以被屏幕吸收。如本文所描述的，在α0(y0,z0)周围相对小的角度范围Δα中方向为–π<β<π的光线也可能在反射之后到达非偏振光散射材料条带，并且可以被散射到观看者或者到观看者可能位于的位置(例如观看者空间)。
图12示出了圆柱透镜和会聚射线的位置基于入射角(1)α＝0、β＝0，(2)α>0、β＝0，和(3)α<0、β＝0的实例的图。平行光线束可以聚焦在聚焦平面FP中的线段上，该线段在图12中由点A表示。对于以入射角α>0、β＝0和/或α<0、β＝0从投影仪出现的光线，光散射条带(例如本文参考图11所述的光散射条带1106)可以定位在光线会聚的位置(例如点A)。要理解–π<β<π的光线也可以会聚到光散射条带并且可以在观看者的方向中散射。
非偏振光散射条带的宽度w至少部分地取决于多个因素。例如，为了增加或最大化对比度维持，可以定制或优化非偏振光散射条带的宽度w。宽度可以被配置为散射来自与屏幕相关联的投影仪的光的大部分或全部，同时吸收从不同的投影仪到达的光和/或环境光的大部分或全部。增加该宽度可能是不希望的或不利的，因为这可能允许屏幕的水平平面中的交叉反射和/或环境入射光线传输经过非偏振光散射条带。类似地，减小该宽度可能是不希望的或不利的，因为，这可能导致来自与屏幕相关的投影仪的光线的吸收。
为了确定非偏振光散射条带的定制的或最佳的宽度，可以考虑多个因素。圆柱透镜的象差(例如球面象差和/或颜色象差)可以导致聚焦线(例如本文参考图12所述的由点A表示的线)周围的污点。通过当确定非偏振光散射条带尺寸时考虑象差，可以降低或消除由该模糊导致的不利的影响。
圆柱微镜接收在选择的、希望的、靶向的或者定义的入射角范围中来自投影仪的光线。该范围采取第一近似取决于：z0、y0、|OP1|以及微镜的尺寸(例如圆柱圆柱微镜宽度D)。该入射角范围内的光线在被微镜(例如本文参考图11所述的微镜1103)反射之后将在屏幕的表面上的不同位置处射出。该扩散对于小的入射角可能是显著的，并且可以至少部分地受圆柱镜的尺寸控制。该影响连同圆柱镜的光学象差可以进一步激发改变(例如增加)非偏振光漫射条带(例如本文参考图11所述的非偏振光散射条带1106)的横截面。圆柱镜接收的入射角范围还至少部分地取决于投影透镜的出射瞳的尺寸。较大的出射瞳导致例如较大的入射角范围。
为了进一步定制非偏振光漫射片段的横截面面积，通过在圆柱镜的水平面中使用定制的球面形状来代替或补足在圆柱镜的水平面中的球面形状，可以有利地降低圆柱镜的球面象差。
已关于作为可能的投影建立的一个实例的同轴投影系统描述了以上实施例。然而，可以对于离轴投影设置类似的前投影屏幕的尺寸。
光反射层也可以被配置为足以保持光的偏振状态。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。
使用球面和圆柱微镜之间存在差异。对于球面镜，例如，参考图5，用于给定距离|OP1|的光漫射片段的位置至少部分地取决于y0和z0。因此，在P1P2的方向周围的相对小范围中的方向的光线聚焦在光漫射片段上并且在观看者空间中散射。来自在P1P2的方向周围的相对小范围之外的方向的光被偏振材料吸收。对于圆柱镜，例如，方向之间的区分主要发生在圆柱镜的水平面中。因此，利用圆柱镜的实现可以在观看者空间中从这样一种方向散射光即该方向在圆柱镜的水平面中具有相对小的角度范围以及在圆柱镜的垂直面中整体大角度范围。与利用圆柱镜的实现相比，利用球面镜的实现可以更有效抑制来自除了其关联的投影仪之外的其他源头的光。与利用圆柱镜的实现相比，可以更有效地抑制交叉反射光线。与利用圆柱镜的实现相比，还可以更有效地抑制环境光。然而，可以更容易制造利用圆柱镜的实现。例如，至少部分地由于圆柱镜固定的横截面轮廓在大片材上使用挤压工艺制造圆柱镜可能是更容易的。
具有圆柱镜的屏幕可以有利地用于优选地抑制和/或增强来自定制的方向的光。类似于本文参考图10A和10B所述的圆柱透镜，圆柱镜提供优选地反射和/或吸收来自定制方向的光的功能。将图10A和10B中的说明应用于圆柱镜，虚线表示各个屏幕上的圆柱镜的轴以及箭头表示交叉反射光的方向。例如，参考图10A，前投影屏幕可以垂直于XY平面或者“近似”垂直于XY平面(例如，其中“近似”意味着屏幕可以围绕水平轴具有相对小的旋转)并且辅屏幕可以关于XY平面倾斜。在该情况中，从辅屏幕到主屏幕上的交叉反射和/或从主屏幕到辅屏幕上的交叉反射具有这样一种光线即该光线具有在水平面或者关于水平面略倾斜的平面中的方向。在该实施例中，圆柱镜的轴可以被配置为垂直于XY平面(例如平行于Z轴)以优选地抑制这些交叉反射同时优选地散射来自与特定投影屏幕关联的投影仪的光。类似地，图10B中示出了另一个实例，其显示了沉浸式显示系统具有两个前投影屏幕，其平行于或“近似”平行于XY平面，例如，屏幕可以安装到地面和/或天花板。在该实施例中，交叉反射具有这样一种光线即该光线具有在垂直平面或者关于垂直平面略倾斜的平面中的方向。圆柱镜的轴可以被配置为平行于XY屏幕以优选地抑制交叉反射同时优选地散射来自相关投影仪的光。
与本文所述的投影屏幕的投影仪屏幕组合可以被配置为漫射地反射来自该投影屏幕组合的投影仪的光线。这至少部分地由于所述的前投影屏幕包括多个这样一种多层结构即该多层结构具有圆柱透镜，其漫射地反射入射方向在水平平面中在靶向角度范围内以及在垂直平面中在相对大的角度范围内光线。水平平面中的靶向角度范围和垂直平面中相对大的角度范围可以包括来自该投影屏幕组合的投影仪的大部分或者实质上全部光线方向。
沉浸式显示系统(本文参考图2A-2B更详细描述了其实例)中的交叉反射光线可以在每个圆柱镜处以这样一种入射方向击中屏幕即该入射方向在被漫射地反射的范围之外，并且这些交叉反射光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其它类型前向投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
环境光也可以以在被漫射地反射的范围之外的入射方向击中每个圆柱镜，并且这些光线可以被屏幕吸收。因此，所述光学系统可以被配置为实质上降低朝向观看者的交叉反射并且与其它类型前向投影屏幕相比具有实质上更高的对比度。
沉浸式显示系统中具有用于改善声音的穿孔的示例性屏幕
沉浸式显示系统中的声音在一些实现中可能跟可视信息一样重要。在沉浸式系统中存在声学挑战。例如，如果观看表面是声学反射的，则声音可能在沉浸式环境中导致回声和回响。降低该问题的一种方法是使用穿孔的显示屏幕。通过允许声音射出沉浸式环境并且通过允许来自显示屏幕后面的扬声器的声音进入沉浸式环境，穿孔的显示屏幕可以降低该问题。
在一些实施例中，声音系统可以安装在主投影屏幕和/或辅屏幕后面。为了降低声波的高频衰减，可以使用穿孔(例如圆形孔洞)阵列。屏幕中的穿孔可以例如布局为使得孔洞的中心在交叉或直线孔洞配置中近似等距离。每个单位面积的等距离圆形孔洞的数量、孔洞直径和屏幕厚度是至少部分地确定在大于大约1KHz的频率上的传输损失的参数。
对于具有微透镜和/或微镜结构的屏幕，穿孔(或孔洞)阵列可以定位在微透镜或者微镜之间的过渡带。穿孔的这些位置可以提供改善的性能，因为在从一个微透镜(或微镜)到另一个微透镜(或微镜)的这些过渡带处，微透镜(或微镜)的形状被畸变。该畸变至少部分地是由制造工艺(铸模或挤压)和模具自身的限制导致的。在这些区域中，光学性能可能恶化并且该孔洞不会强烈影响屏幕的光学性能。穿孔的形状可以是例如但不限于圆形、椭圆形或多边形。图13A和13B示出了屏幕的实例，该屏幕在圆柱微透镜或微镜之间的转角处具有直线等距离的穿孔(图13A)以及在圆柱微透镜或微镜之间的转角和边缘处具有穿孔(图13B)。
图14A示出了在圆柱微透镜或微镜的边缘处具有直线等距离圆形穿孔的设置。图14B示出了在圆柱微透镜或微镜的边缘处具有交错穿孔的设置。
结论
本文上述的各种特征可以彼此独立地使用或者可以按多种方式组合。全部可能的组合和子组合意图落入本公开的范围中。本文所述这些系统和组件的配置可以与描述的不同。例如，与所述的示例性实施例相比，可以增加，去除或重组元件。
本文使用的条件语言如尤其是“可以”、“可”、“可能”、“也许”等等不是整体意图暗示对于一个或多个实施例需要该特征、元件和/或步骤或者一个或多个实施例必须包括用于在需要或不需要作者输入或者提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤包括在或执行在任意具体实施例中的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等等是同义并且以开放式包含的方式使用的，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。并且，术语“或”是以包含的方式(并且不是排他的方式)来使用的，从而当例如用于连接一系列元件时，术语“或”意味着该列表中的一个、一些或全部元件。连接语言如短语“X、Y和Z中的至少一个”在上下文中整体地理解以传达该条款、术语等等可以是X、Y和Z中的任意一个，除非具体另外声明不是这样。因此，该连接语言不是整体意图暗示特定实施例需要至少一个X、至少一个Y和至少一个Z中的每一个都出现。术语“大约”或“近似”等等是同义的并且用于指示该术语修饰的值具有与之关联的理解范围，其中该范围可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。术语“实质上”用于指示结果(例如测量值)接近目标值，其中，接近可以意味着例如该结果在该值的80％内、该值的90％内、该值的95％内或该值的99％内。
虽然已经描述了特定示例性实施例，但是这些实施例仅仅以实例的方式给出并不意图限制本文公开的发明的范围。因此，前文的描述绝不是意图暗示任意具体特征和特性是必要的或必不可少的。事实上，本文描述的新颖的方法和系统可以用多种其他形式来体现；此外，在不脱离本文公开的发明的精神的前提下，可以做出本文所述的方法和系统的形式的各种省略、替换和改变。

Claims (20)

1.一种用于沉浸式显示系统的屏幕，所述屏幕包括：
微透镜阵列，所述微透镜阵列中的单独的透镜具有宽度D；
光偏振材料层；
偏振旋转层；
光反射层；以及
用于所述微透镜阵列中的单独的微透镜的非偏振光散射材料片段；
其中，所述非偏振光散射材料片段具有小于所述宽度D的宽度，
其中，在使用中，来自与所述屏幕相关联的投影仪的光实质上被所述非偏振光散射材料散射，以及来自与所述沉浸式显示系统中的不同的屏幕相关联的投影仪的光实质上被偏振层吸收。
2.根据权利要求1所述的屏幕，其中，所述微透镜阵列包括球面微透镜。
3.根据权利要求2所述的屏幕，其中，所述微透镜阵列进一步包括非球面微透镜。
4.根据权利要求1所述的屏幕，其中，所述微透镜阵列包括圆柱微透镜。
5.根据权利要求4所述的屏幕，其中，所述微透镜阵列进一步包括这样一种圆柱微透镜即所述圆柱微透镜在与所述圆柱微透镜的纵轴垂直的平面中具有非球面形状。
6.根据权利要求4所述的屏幕，其中，所述非偏振光散射材料的每个片段形成与关联的圆柱微透镜的纵轴平行的条带。
7.根据权利要求1所述的屏幕，进一步包括定位在所述微透镜阵列的微透镜之间的过渡带处的穿孔。
8.根据权利要求7所述的屏幕，其中，穿孔阵列中的所述穿孔定位在球面微透镜之间的转角处。
9.根据权利要求7所述的屏幕，其中，穿孔阵列中的所述穿孔定位在圆柱微透镜之间的边缘处。
10.根据权利要求7所述的屏幕，其中，穿孔阵列中的所述穿孔沿直线等距离。
11.根据权利要求7所述的屏幕，其中，穿孔阵列中的所述穿孔是圆形的。
12.一种沉浸式显示系统，包括一个或多个根据权利要求1所述的屏幕。
13.根据权利要求12所述的沉浸式显示系统，其中，所述一个或多个屏幕是弯曲的。
14.一种用于沉浸式显示系统的屏幕，所述屏幕包括：
微镜阵列，所述微镜阵列中的单独的镜具有宽度D；
偏振旋转层；
线性偏振层；以及
用于所述微镜阵列中的单独的微镜的非偏振光散射材料片段；
其中，所述非偏振光散射材料片段具有小于所述宽度D的宽度，
其中，在使用中，来自与所述屏幕相关联的投影仪的光实质上被所述非偏振光散射材料散射，以及来自与所述沉浸式显示系统中的不同的屏幕相关联的投影仪的光实质上被偏振层吸收。
15.根据权利要求14所述的屏幕，其中，所述微镜阵列包括球面微镜。
16.根据权利要求15所述的屏幕，其中，所述微镜阵列进一步包括非球面微镜。
17.根据权利要求14所述的屏幕，其中，所述微镜阵列包括圆柱微镜。
18.根据权利要求17所述的屏幕，其中，所述非偏振光散射材料的每个片段形成与关联的圆柱微镜的纵轴平行的条带。
19.根据权利要求14所述的屏幕，进一步包括定位在所述微镜阵列的微镜之间的过渡带处的穿孔。
20.一种沉浸式显示系统，包括一个或多个根据权利要求14所述的屏幕。
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