CN1350648A - 反射型投影屏和投影系统 - Google Patents

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Abstract

揭示了能够在存在相对较高强度的背景光情况下投影具有高对比度和宽视角的像的反射型前投影屏,以及使用这些屏的投影系统。投影屏包括反射偏振元件,并结合漫射元件和/或眩光抑制元件。反射偏振元件透射一种偏振状态的光,反射另一种偏振状态的光。反射偏振元件可以漫反射或镜面反射,并且根据反射偏振元件的光学性能可以选择漫射元件/或眩光抑制元件的光学性能,从而进一步提高像的亮度和对比度。投影系统最好用被屏中反射偏振元件反射的偏振状态的光投射影像,以便进一步提高像的亮度和对比度。

Description

反射型投影屏和投影系统
发明领域
本发明涉及反射型投影屏和使用反射型投影屏的投影系统。尤其，本发明提供了包括反射偏振元件并结合漫射元件和/或眩光抑制元件的投影屏。
发明背景
例如架空式投影仪、幻灯机和液晶投影仪等用的常规投影屏一般在透明介质中包括透明或半透明的多孔细粒，并在细粒后面包括一种反射材料。投影屏基本上能够反射所有的入射光，即它们反射背景光以及来自影像源的光。由于一部分背景光向观察者方向反射，所以通常会降低像的对比度和/或像的视亮度(apparent brightness)，尤其是在背景光强度相对较强的地方。
为了提高反射像的亮度，一些投影屏包括诸如玻璃珠等回射元件，使背景光沿其达到屏幕的反方向回射。但是，增加回射元件使得可以观察像的角度范围变窄，因为成像光也会向后反射。另外，如果背景光源对准观察者，那么背景光还会与影像一起向观察者回射。
特别是，由于液晶显示器的成像特性使得只有一种偏振状态的光可以投影到屏幕上，所以液晶投影仪的成像亮度相对较低。当投影屏将背景光与亮度减弱的投影像一起反射时，像的对比度明显降低。因此，液晶投影仪主要用在背景光强度较低的地方，例如在房间里用窗帘遮住窗户，和/或使室内的人工照明减弱，以便限制背景光降低对比度的作用。但是，这又会削弱室内观察者在显像期间参考书面资料、做笔记等能力，所以并不理想。
有关液晶投影仪亮度和对比度问题的尝试解决办法包括将吸收性偏振器联同反射材料一起使用。由于屏幕中包含了吸收性偏振器，所以投影屏可以吸收大约一半背景光，而传统屏幕不包含吸收性偏振材料，会反射背景光。
投影屏用的吸收性偏振材料优先透射具有第一偏振状态的光，并阻止透射具有第二偏振状态的光。然后，透射光被反射材料反射，经吸收性偏振材料射回。由于液晶投影仪用只有一种偏振状态的光成像，  所以该成像光最好被投影屏反射。但是，背景光一般具有两种偏振状态，所以入射到投影屏上的背景光中有很大一部分被吸收，而不是被反射。因此，与传统投影屏反射具有两种偏振状态的光的情况相比，包含吸收性偏振材料的液晶投影仪可以提高其在投影屏上成像的对比度和视亮度。
尽管理想的吸收性偏振材料应透射具有第一偏振状态的所有入射光，并吸收具有第二偏振方向的所有入射光，但实际吸收性偏振材料除了吸收具有第二偏振状态的入射光之外，还至少吸收一些具有第一偏振状态的光。因此，成像光有一些被吸收而不是被反射，从而降低了像的对比度和亮度。另外，在使用吸收性偏振材料的投影屏中，吸收性偏振材料位于反射镜的前面。这种结构使得具有第一偏振状态而可优先透射的入射光和成像光在达到观察者之前必须两次通过吸收性材料。每通过一次，吸收性偏振材料都会吸收相当大部分的具有第一偏振状态的光，从而降低了像的亮度。
除了上述问题外，投影屏中的吸收性偏振器包含诸如漫散材料等其他元件，如果这些附加元件会改变一些成像光的偏振状态，则投影屏像的亮度和/或对比度会降低。经改变偏振状态致使被吸收性偏振材料吸收的那部分成像光不会达到观察者。结果也会降低像的亮度和/或对比度。
发明内容
本发明提供了一种反射型前投影屏，该投影屏能够在存在相对较高强度的背景光情况下投影具有高对比度和宽视角的像，还提供了一种使用该屏的投影系统。投影屏将反射偏振元件与漫射元件和/或眩光抑制元件结合，提供所希望的综合效果。这反射偏振元件可透射一种偏振状态的光，并反射另一种偏振状态的光。
反射偏振元件可以漫反射或镜面反射。根据反射偏振元件的光学性能可以选择漫射元件/或眩光抑制元件的光学性能，从而进一步提高像的亮度和对比度。
本发明的投影系统最好用被屏中反射偏振元件反射的偏振状态的光投射影像，以便进一步提高像的亮度和对比度。
与现有的屏相比，在所希望的视角范围上，本发明的前投影屏最好具有改善的光学增益。如本文所使用的，前投影屏的“光学增益”被定义为在某一给定角度处测得的屏亮度与理想朗伯(Lambertian)屏在该角的期望亮度值之比，其中入射光沿法向轴射向屏。理想朗伯屏在相对法向轴0-90度的所有方向上均匀地漫反射光。
在一个方面，本发明提供了一种反射型前投影屏，它具有面向观察者的前表面。此屏包括：镜面反射偏振元件，用于基本上反射第一偏振状态的光，且基本上透射第二偏振状态的光；和漫射元件，用于散射具有被反射偏振元件反射的第一偏振状态的光，漫射元件位于反射偏振元件和屏的前表面之间。
在另一方面，本发明提供了一种反射型前投影屏，该屏具有面向观察者的前表面。此屏包括：漫反射偏振元件，用于基本上反射第一偏振状态的光，并基本上透射第二偏振状态的光；和眩光抑制元件，用于抑制来自漫反射偏振元件的镜面眩光，眩光抑制元件位于漫反射偏振元件与屏的前表面之间。
以下将参考本发明说明性的实施例，描述本发明的这些和其它特征和优点。
附图概述
图1是一局部截面图，示出了依照本发明的一种投影屏。
图2示出了本发明一投影屏的各向同性漫射模式。
图3示出了本发明一投影屏的各向异性漫射模式。
图4是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图4A是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图5是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图6是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图7是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图8是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图9是一局部截面图，示出了依照本发明的另一种投影屏。
图10是一示意图，示出了例2-13使用的测试设备。
图11是一曲线图，示出了具有例2-5中各种结构的前投影屏的测试结果。
图12是一曲线图，示出了具有例3，6和7中不同厚度漫射层的前投影屏的测试结果。
图13是一曲线图，示出了具有例8-11中各种结构的前投影屏的测试结果。
图14是一曲线图，示出了具有9，11和13中不同厚度漫射层的前投影屏的测试结果。
本发明说明性实施例的详细描述
反射型投影屏和使用该投影屏的投影系统包括一反射偏振元件，以及一漫射元件和/或一眩光抑制元件。漫射和眩光抑制元件可以合并成一单体结构，同时提供眩光和光漫射作用，或者两种元件分开提供。反射性偏振元件和漫射元件也可以由一单体结构提供，同时具有反射偏振和光漫射作用，或者如下所述分开提供。
投影屏/系统还可以包括诸如光吸收元件、折射元件、回射元件、反射元件等其它元件，用以提高投射到屏上的像的亮度和/或对比度。
如本文中使用的，术语“镜面反射”和“镜面反射率”是指进入出射锥内的光线的反射，其中所述出射锥具有相对较窄的顶角，顶角以镜面角为中心，例如顶角可以约为10度或更小，较好的是约为5度或更小，更好的是约为2度或更小。术语“漫反射”或“漫反射率”是指镜面锥外的光线反射。术语“总反射率”或“总反射”是指来自一表面的所有光的联合反射。因此，总反射是镜面反射与漫反射之和。
同样，本文使用的术语“镜面透射”和“镜面透射率”是指进入出射锥内的光线的透射，其中所述出射锥具有相对较窄的顶角，顶角以镜面方向为中心，例如顶角可以约为10度或更小，较好的是约为5度或更小，更好的是约为2度或更小。本文使用的术语“漫透射”和“漫透射率”是指镜面锥外所有光线的透射。术语“总透射”或“总透射率”是指通过光学体的所有光的联合透射。因此，总透射是镜面透射与漫透射之和。如本文中使用的，术语“消光比”是指按一种偏振状态透射的总光与按另一种偏振状态透射的光之比。
图1是一截面图，示出了本发明的一种投影屏。投影屏10包括一眩光抑制元件15、漫射元件20和反射偏振元件30。眩光抑制元件15与漫射元件20位于前投影屏20靠近观察者12的一侧，用以减少投影屏10之反射光的镜面分量，并提供所需的观察角。反射偏振元件30透射具有一种偏振状态的光，反射具有另一偏振状态的光。
偏振光可以是线偏振或圆偏振。但是，无论偏振光是线偏振还是圆偏振，都可以分解成两个偏振状态。例如，线偏振光描述成具有第一偏振状态以及与第一状态正交的第二偏振状态。圆偏振状态可以描述成具有第一偏振状态和第二偏振状态，其中当沿透射轴观察时第一偏振状态顺时针旋转，而第二偏振状态逆时针旋转。
无论光是线偏振或是圆偏振，反射偏振元件30都反射具有一种偏振状态的光，透射具有另一种偏振状态的光。将反射偏振元件30与一种特殊类型的将像投影到投影屏10上的光相匹配，可以择优反射成像光，而使入射到屏10上的大部分背景光透射通过眩光抑制元件15、漫射元件20和反射偏振元件30。因此，与传统投影屏和含吸收性偏振材料的投影屏相比，可以提高像的对比度和视亮度。
本发明投影屏中使用的眩光抑制元件15、漫射元件20和反射偏振元件30可以用各种不同的材料来制造。除了漫射光、反射一种偏振状态的光以及透射另一种偏振状态的光等基本功能外，眩光抑制元件、漫射元件和反射偏振元件还具有其它不同的光学性能。以下将对这些元件一一描述。眩光抑制元件
眩光抑制元件15用于抑制入射到屏10上的光由屏10的第一元件与空气之间的界面而产生的镜面反射(这里第一元件是屏中最靠近观察者12的元件)。如果屏10的第一元件具有光学上光滑的表面，那么入射到该元件的一部分光会被空气与第一元件之间的界面反射。此镜面反射在外部光源位置与屏10之平面所限定的反射角上产生了该光源的像。这种反射像会导致不希望有的眩光。用于抑制这种第一界面眩光的一种技术包括用一种减反射材料(例如，一种涂层)降低眩光强度。这类材料一般通过控制空气到屏的界面的折射率差，将不希望有的眩光强度降低到可接收的大小。
另一种抑制眩光的方法为提供一种光学上粗糙的表面。可以为本发明投影屏提供眩光抑制元件的光学粗糙表面的例子有无光饰面、结构化表面、微结构化表面或研磨表面。光学粗糙表面的作用是将第一界面反射的光分布成一较宽的角度，使眩光不能观察。漫射可以是随机的、有序的或部分有序的。
本发明使用的眩光抑制元件是将减反射材料与光学粗糙表面结合。眩光抑制元件还提供了其它方式，能够理想地抑制本发明前投影屏的镜面眩光。
由于眩光抑制元件可以是光学粗糙表面形式，所以这种结构，即光学粗糙表面结构可以为本发明的前投影屏同时提供眩光抑制元件和漫射元件。参照图1，眩光抑制元件15和漫射元件20可以用单个结构或不同的结构来提供。漫射元件
漫射元件用于帮助投射影像信息分布到较佳的视角范围内。当与镜面反射偏振元件一起使用时，漫射元件特别有利。漫射元件可以是块状、表面、全息漫射器，或者上述任何漫射器的组合。例如，体漫射器可以是透明介质中的颗粒。表面漫射器可以是，例如研磨表面、结构化表面、微结构化表面等。漫射元件提供的漫射可以是随机的、有序的或部分有序的。
除了抑制眩光和漫射光的基本功能之外，与本发明前投影屏一起使用的眩光抑制元件15和漫射元件20还具有其它各种光学性能。最好将这些光学性能选择成能够补充屏中特定反射偏振元件的光学性能。眩光抑制和漫射元件可能具有的光学性能是：a)对入射光具有相对较高的前向透射能力；b)受控制的散射模式；和c)光通过漫射元件后保持其偏振状态。眩光抑制与漫射元件15和20最好具有这些性能中的一个或多个。除了列出的光学性能，眩光抑制与漫射元件15和20还可以具有其它光学性能，即上述光学性能并不试图限制用于本发明的眩光抑制和漫射元件15和20的光学性能。
上述第一光学性能，即对光具有较高的前向透射率，例如对入射光的透射率不小于约70％，更好的是不小于约80％，这有助于在光到达反射偏振元件30之前可以防止或减少眩光抑制元件15或漫射元件20对背景光的反射。最好对沿两个方向传播通过眩光抑制元件15和漫射元件20的光都具有较高的前向透射率。换句话说，向反射偏振元件30传播的光最好能高度透射，射向反射偏振元件30，而经反射偏振元件30反射的光最好也被高度透射，射离反射偏振元件。
漫射元件20可以对光进行受控散射，用于提高前投影屏10的光学增益。在某种程度上，如果眩光抑制元件15使用例如光学粗糙表面，那么它也可以对光进行受控散射。如果眩光抑制元件15具有一些受控散射作用，那么它也可以用来提高前投影屏10的光学增益。
在基本水平上，眩光抑制元件15和/或漫射元件20可以对入射光进行各向同性散射。各向同性散射意味着光散射一般是直立圆锥形状，散射光圆锥的轴与入射光的方向一致。图2例示了一种各向同性散射，抵达屏10的光42在具有圆形准线44的锥体内反射。结果，光42在投影屏10平面内x轴和y轴限定的两个方向上均等漫射。
另一方面，希望提供能够各向异性漫射的眩光抑制元件15和/或漫射元件20。例如，特别希望有一种投影屏，其对光的散射或漫射模式在一个方向上较宽而在另一个方向上较窄。通过控制本发明前投影屏对光的散射，可以获得光学增益方面的好处。
图3示出了一种能够进行各向异性散射的投影屏110，屏中光142在具有椭圆形准线144的锥体中反射，其中所述椭圆具有长轴146和短轴148。长轴146一般与y轴对准，短轴148一般与投影屏110的x轴一致。图3所述的漫射模式对会客室或类似场所特别有用，会客室的听众坐在屏10两侧角度相对较宽的地方，其高度相对屏110几乎没有变化(高度是沿Y轴测量的)。如果原来要在较长短轴148上漫射的光量现在在较短短轴148上散射，同时散射模式的长轴146保持不变，那么投影屏110可以提高光学增益。尽管图3例示了一种各向异性的漫射模式，但应该理解，在本发明投影屏中使用的眩光抑制和/或漫射元件可以提供许多其它的各向异性漫射模式。美国专利5,473,454(授予Blanchard)描述了一例漫射元件。
除了具有各向同性或各向异性漫射能力之外，眩光抑制元件和/或漫射元件还可以同时具有各向同性和各向异性漫射。例如，漫射元件可以通过使用体漫射结构(例如，透射介质中的颗粒)提供各向同性漫射，还通过使用例如另外的体漫射器或者具有结构化、微结构化或研磨表面的表面漫射器提供各向异性漫射。另一种方法是，漫射元件提供各向异性漫射，并由一个分立的眩光抑制元件提供各向同性漫射，作为其功能的一部分用于减少镜面眩光。再一种方法是，漫射元件提供各向同性漫射，而眩光抑制元件提供各同异性漫射。
与本发明投影屏一起使用的眩光抑制元件和漫射元件可以具有的另一个光学性能是保持偏振。换句话说，眩光抑制元件和漫射元件最好不要转换或影响从中通过的大部分光的偏振状态。对于包括反射偏振元件的投影屏来说，此光学性能特别重要，因为当为像光提供由反射偏振元件择优反射的特定偏振状态时，改变通过眩光抑制元件或漫射元件的光的偏振状态会降低像的亮度和/或对比度。与体漫射器相比，表面漫射器一般可以提高保偏方面的性能。反射偏振元件
各种反射偏振元件可以用于本发明的投影屏。但是，基本上用于本发明的所有反射偏振元件都透射一种偏振状态的光，而反射另一种偏振状态的光。用于实现这些功能的材料和/或结构可以变化，只要对于入射光来说能透射一种偏振状态的光而反射另一种偏振状态的光。
实现这些功能的材料和结构如多层反射偏振器、连续/分散相反射偏振器、胆甾醇型反射偏振器(它可以结合四分之一波片一起使用)和线栅偏振器。一般地说，多层反射偏振器和胆甾醇型反射偏振器是镜面反射器，连续/分散相反射偏振器是漫反射器，尽管这些特性不是普遍的(例如参见美国专利5,867,316描述的漫射多层反射偏振器)。另外，上面举例说明的反射偏振元件不是对用于本发明的反射偏振元件的穷举。
多层反射偏振器和连续/分散相反射偏振器都依赖于至少两个不同材料(最好是聚合物)的折射率差，以便有选择地反射一种偏振状态的光，并透射具有正交偏振方向的光。例如，PCT公开文本WO 95/17303；WO 95/17691；WO95/17692；WO 95/17699和WO 96/19347描述了说明性的多层反射偏振器。一种在市场上可购得的多层反射偏振器是由Minnesota州St.Paul市的3M公司制造的Dual Brightness Enhanced Film(DBEF)。
用于本发明的漫反射偏振器包括例如美国专利5,825,543中描述的连续/分散相反射偏振器，以及例如美国专利5,867,316中描述的漫反射多层偏振器。PCT公开文本WO 96/31794描述了其它可以用于本发明的反射偏振元件。
胆甾醇型反射偏振器也可用于本发明，美国专利5,793,456对此作了描述。Merck公司以商标TRANSMAXTM在市场上出售了一种胆甾醇型反射偏振器。还可以使用线栅偏振器，例如PCT公开文本WO 94/11766对此作了描述。
一般地说，本发明使用的反射偏振元件可以包括镜面反射偏振器，用于镜面反射具有某个偏振方向的光。反射偏振器也可以是漫反射偏振器，用于漫反射具有某个偏振方向的光。漫反射偏振器可以提供有利的各向异性漫反射性质。本发明投影屏可以只使用镜面反射偏振器，也可只使用漫反射偏振器，或者镜面和漫反射偏振器联合使用。
由于依照本发明在投影屏和系统中使用的漫射元件和反射偏振元件都具有各种光学性质，所以仔细选择这些元件提供的不同的光学性质组合会特别有利。例如，如果为特定屏选择的反射偏振元件是可以对具有某个偏振状态的光进行各向异性漫反射的漫反射偏振器，那么希望只提供一个眩光抑制元件，并且分立的漫射元件使用在先。在这种结构中，希望眩光抑制元件除了抑制镜面眩光之外，还能够作各向同性漫射。
如果反射偏振元件的各向异性漫反射不提供所需的散射模式，那么将漫射元件与眩光抑制元件联用可以附加地对反射光进行各向异性漫射，或者有利地对反射光进行各向同性漫射。在另一种变化中，漫射元件和眩光抑制元件可以同时提供附加的各向异性漫射和各向同性漫射。
另一种情况是，反射偏振元件可以是镜面反射偏振器，其中漫射元件可以有利地提供对入射光的高度透射、各向同性或各向异性漫射、偏振状态转换和眩光抑制。
现在将通过说明性实施例描述本发明。但是，本发明不限于这些实施例。
图4是一截面图，示出了将反射型投影屏210与像投影仪250联用的投影系统。图4还示出了背景光的光源260。反射型投影屏210包括反射偏振元件230和漫射元件220，以及眩光抑制元件215。反射偏振元件230最好反射一种偏振状态的光，并透射另一种偏振状态的光。
投影仪250能够将偏振光252投向屏210，在屏上形成反射像。尽管用一种偏振状态的光来成像的任何像投影仪都可用于本发明的系统中，但合适的像投影仪的例子为传统的液晶投影仪或依照美国专利申请No.＿＿＿＿描述的原理构造的投影仪，其中所述美国专利申请于1999年3月3日提交，题为“INTEGRATED FRONT PROJECTION SYSTEM”(发明人为Rodriguez，Jr.等人)(律师档案号为54675USA1A)。当具有反射偏振元件230的投影屏210与产生偏振光252的投影仪250联用时，以及当来自投影仪250的光252的偏振状态是被反射偏振元件230反射的偏振状态，那么光252的大部分都会从屏210反射回来。
例如，图4描绘出除了来自投影仪250的光252，来自光源260的背景光262也入射到投影屏210上。背景光源260例如可以是太阳，在该情况下，背景光262没有特定的偏振状态，并因此取随机的偏振方式。因此，反射偏振元件230反射大约一半的背景光262。由于图示的反射偏振元件230反射一种偏振状态的光，透射第二偏振状态的光，所以具有第二偏振状态的那部分光263会透过反射偏振元件230。
投影屏210包括漫射元件220和眩光抑制元件215，如图4所示，它们位于偏振元件230的一侧。当来自投影仪250的光252或来自光源260的光262入射到屏210中的眩光抑制元件215上时，由第一界面反射的光要么被漫反射(对于投影光252，如光线253、254、255所示，对于光源262，如光线264、265和266所示)，产生眩光抑制，要么以非常小的强度被镜面反射(对于减反射元件)。当来自投影仪250的光252经偏振元件230反射后通过漫射元件220时，如图4中光纤256、257和258所示，光沿各种方向漫射。结果，漫射元件220会扩大观察者观看投影到投影屏210上像的视角范围。
当偏振元件230是一镜面反射偏振器时，一部分光被镜面反射。此镜面反射光一般比漫射元件220再发射的光亮。尽管漫射光线的亮度比镜面反射光低，但它们最好保留足够的光亮，以便将像呈现给远离投影屏210一侧的观察者。
另一种方法是，反射偏振元件230是漫反射偏振器，在该情况下，选择漫射元件220所提供的漫射作用，以补充反射偏振元件230本身提供的漫射作用。例如，如果反射偏振元件230对反射光进行各向同性的漫射，那么可以选择漫射元件220为各向异性的漫射器，以便按一需要的模式各向异性地漫射反射光。
最好，漫反射偏振器以一有利的各向异性模式反射投影仪的像光252，图4中将其示作光线256、257和258，由此取消漫射元件220，而只需要眩光抑制元件215。
投影屏以反射投影光252的相同方式反射背景光262。结果，背景光262中被偏振元件230反射的那部分也以不同的方向分别被反射偏振和/或漫射元件230和220漫射，如光线267、268和269所示。但是，由于偏振元件230大约只反射背景光262的一半(另一部分263透过)，所以投影屏210提高了投影仪250通过光252投影的像的对比度。
与投影屏210联用的图4所示的漫射元件220例如可以是一体漫射器。体漫射器可含一透明基料，该材料例如由氯乙烯/乙酸乙烯酯/乙烯醇共聚物以及诸如颜料和/或玻璃珠等至少一种光漫射材料组成，分散在透明基料中。所用的色料可以包括白颜料(例如，氧化钛)，也可以包括一种或多种彩色颜料。在一实施例中，希望在透明基层中包括一种彩色颜料，例如碳黑，通过进一步降低被投影屏210反射的背景光的亮度，提高屏上像的对比度。
尽管对漫射元件220的厚度没有特别的限制，但，与投影屏210联用的漫射元件最好能够允许屏210在使用期间反复地卷起和展开。如果使用包含漫射粒子的透明基层，那么基层的厚度最好例如从约1微米至约3000微米。除了可能对投影屏210的柔性产生不利影响之外，较多的漫射元件220会增加放置屏210所需的空间。较厚的漫射元件还会增加屏210的重量。
使用具有有利的各向异性散射模式(参见图3)的漫反射偏振器230并因此免去分立的漫射元件220，可以获得特殊好处。但是，在这种前投影屏中，最好仍然采用眩光抑制元件215，以抑制来自屏210的镜面眩光。如果眩光抑制元件215依赖于来自光学粗糙表面的漫射而抑制镜面眩光，那么漫射最好是各向同性的，以便通过各向同性地漫射背景光以及像光而潜在地提高像的质量。
另一方面，希望以光学粗糙表面的形式提供一眩光抑制元件215，其中所述光学粗糙表面可以各向异性地漫射眩光，发生各向异性的轴一般与漫反射偏振器230各向异性反射像光时所沿的轴横交。例如，如果漫反射偏振器230沿水平轴在一较宽的角度范围内各向异性地反射光，那么最好眩光抑制元件215沿一垂直轴各向异性地反射眩光。结果是，眩光一般射向容纳屏210的房间的地面和天花板。
反射型投影屏的视角范围可以根据漫射元件的粒子直径、折射率和/或密度来控制。具体地说，光漫射材料与基料透明树脂的折射率差最好不小于0.01。另外，光漫射粒子的大小宜为0.1-500微米，较好的为1-100微米。如上所述，如果需要各向异性的散射模式，那么光漫射粒子不需要是球对称的。于是，在使用非对称粒子的情况下，上述较佳尺寸仅指粒子的一维尺寸。
光漫射材料与透明基料的相对比例可根据需要提供的视角范围而变化。另外，透明基料的厚度也会影响投影屏提供的视角范围。一般来说，基料包含较多的光漫射材料可以提供较宽的视角范围。对于用上述透明基料和光漫射材料制造的光漫射材料，光漫射元件最好包含光漫射材料例如约1％-约50％，较佳的是从约5％-约40％，以便提供所需的视角范围。
与本发明投影屏联用的光漫射元件不限于本文具体描述的漫射元件。在依照本发明的投影屏和系统中使用的漫射元件例如可以是市场可购得的光漫射薄膜，如Tsujimoto Denki K.K.生产的PCMS2。如果漫射元件以单独薄膜的形式提供，那么可以通过例如一光学透明的粘结层将薄膜固定在偏振元件的一个表面上。粘结剂的例子是透射因子不小于90％的聚碳酸酯树脂。
另一种方法是，如美国专利No.5,825,543所述的那样，通过选择成份和工艺来控制漫反射偏振器元件230提供的反射散射模式，无需使用漫射元件220便能提供受控制的视角范围。
图4所示的投影屏210还包括一个可选的光吸收元件240，它位于偏振元件230的与漫射元件220相对的一侧。光吸收元件240用于吸收透过反射偏振元件230的光。如果透射光263在通过反射偏振元件230之后未被吸收，那么有可能光会被反射回到反射偏振元件230。反射光会降低形成于投影屏210上的像的对比度。
在一个实施例中，吸收元件240宜于高度吸收至少具有透射偏振状态的光，较好的是高度吸收具有任何偏振状态的光。高度吸收意味着吸收元件240所吸收的、在通过偏振元件230之后到达光吸收元件240的入射光不小于约90％，较佳的是不小于95％。
在一些情况下，光吸收元件240还是不透明的为好，用以防止从例如屏(210)后光源发出的光经吸收元件240后到达偏振元件230。换句话说，吸收元件240最好在可见波长范围内是不透明的。
在一个实施例中，类似于上述漫射元件中所使用的，可以以基料的形式提供吸收元件240(例如，氯乙烯/乙酸乙烯酯/乙烯醇共聚物)，基料中有光吸收材料，例如碳黑之类的黑颜料。希望为基料提供大约20重量份含量的碳黑。基料和光吸收材料的厚度最好约15微米，以获得合适的光吸收性质。
吸收元件240的其它实施例如为光漫射薄膜，如Edmond Scientific Japan公司制造的光吸收遮蔽片，该光漫射薄膜通过任何合适的技术和材料固定在偏振元件上。以下结合本发明投影屏的其它实施例描述吸收元件240的其它实施例。
在另一实施例中，吸收元件240最好只在一部分可见波长范围内不透明。例如，其它吸收元件可以包括蓝颜料或其它蓝色添加剂，以赋予屏幕引人注目的外观。另一方面，如果反射偏振元件240的反射特性依赖于波长，或者更通常地说，屏幕210的反射特性依赖于波长，那么可以将吸收元件240精制成部分反射特定波长的光，以产生不依赖波长的反射光谱。
尽管在图4中，反射偏振元件230图示位于漫射元件220和眩光抑制元件215的一侧，但应该理解，如果反射偏振元件230是胆甾醇型反射偏振器和四分之一波片的组合，那么四分之一波片可以与胆甾醇型反射偏振器分开。应该理解，如果与特定前投影屏联用的光源射出被屏中胆甾醇型反射偏振器反射的圆偏振光，那么可以省略四分之一波片。
图4A示出了一结构，其中四分之一波片234′位于漫射元件220′的一侧，而胆甾醇型反射偏振器236′位于漫射元件220′的另一侧。漫射元件220′应该是保偏的，以便光通过后保持所需的偏振状态，以提高图像的亮度和/或对比度。应该理解，除了漫射元件220′之外，还可以有其它元件位于四分之一波片234′和胆甾醇型反射偏振器236′之间，只要这些附加元件也不影响通过其中的光的偏振状态。
再参照图4，本发明的投影屏可以与择优透射第一偏振状态之背景光的光阀或其它固定件和开窗(fenestration)联用。这些制品和方法的例子在例如美国专利5,686,979和美国专利申请08/986,281中有描述，后者于1997年12月6日提交，题为“LIGHT VALVE WITH ROTATING POLARIZING ELEMENT”。美国专利4,123,141(Schuler)；4,285,577(Schuler)；5,164,856(Zhang等人)；以及5,686,979(Weber等人)描述了其它合适的用于控制背景光偏振状态的制品和/或系统。
当作为一个系统使用时，入射背景光262基本上是第一偏振状态263，它透过屏210，到达吸收元件240。在此特定结构中，具有不同偏振状态的光基本上不会反射成为光线267、268和269。因此，提高了对比度。
图5示出了将体漫射器与表面漫射器联用，以便对漫射元件提供的漫射模式进行附加控制。图5示出一投影屏310，它包括位于反射偏振元件330一侧的漫射元件320，以及位于偏振元件330另一侧的可选的吸收元件340。
在图示的投影屏310中，漫射元件320包括与表面漫射器324相结合的体漫射器322，其中表面漫射器324是由双凸透镜元件326组成的阵列形式。双凸透镜元件326可以提高光在垂直于元件326长度之方向上的分布。例如，如果双凸透镜元件326沿纵轴(例如，图3中的y轴)排列，那么双凸透镜元件326一般将反射光分散在较宽的水平范围内。表面漫射器324的结构化表面最好是例如微结构化表面。漫射元件320的体漫射器322可以是粘结剂的形式，用于将表面漫射器324层叠到屏310上。
本发明的投影屏可包括附加元件以获得所需的特性。一个这样的附加元件是吸收偏振器470，如与投影屏410一起同示于图6中。
吸收偏振器470最好吸收一种偏振方向的光，而透射另一种偏振方向的光。当在投影屏410中与反射偏振元件430和漫射元件420联用时，吸收偏振器470具有一透射轴472，该轴的方向最好垂直于反射偏振元件430的透射轴432(视觉上，它穿透图6的页面)。结果，吸收偏振器470吸收要被漫射元件420漫反射的一部分背景光，从而提高了形成于投影屏410上的像的对比度。
图7示出了本发明投影屏中吸收元件的另一种结构。投影屏510中的吸收元件540由吸收偏振器542提供，吸收偏振器542的透射轴543最好垂直于偏振元件530的透射轴532。另外，吸收元件包括偏振延迟器544和反射层546。吸收偏振器542、偏振延迟器544和反射层546的组合最好联合起来基本上吸收所有通过偏振元件530的光，吸收方式类似于上述包括碳黑的吸收层。
作为为投影屏中的漫射元件提供不同漫射器组合的补充或替代，还希望在本发明投影屏的偏振元件中组合两个或多个反射偏振器。图8示出了一投影屏610，它包括漫射元件620、偏振元件630和可选的吸收元件640。
偏振元件630包括两个反射偏振器632和634，它们最好在投影屏610的表面上彼此共同延伸。偏振器632具有透射轴633(延伸穿过图8的页面)，偏振器634具有透射轴635(位于图8页面的平面内)。在此说明的实施例中，透射轴633和635彼此垂直。因此，投影屏610可以与用非偏振光投射像的投影仪以及投射偏振光的投影仪联用。
图9示出了另一个投影屏710的实施例，它包括漫射元件720、偏振元件730和回射元件780。回射元件780可以提高像的质量，其方法是将到达投影屏710的背景光762以相对法向轴718成较大角度、大体沿其来的方向回射。
例子
通过以下例子说明本发明的优点。但是，这些例子中的特定材料及其数量以及其它条件和细节将解释为可以广泛地应用于本领域，并且非不适应地限制本发明。例1
用下述方式制备投影屏。首先，混合60％重量的MEK、23.48％重量的氯乙烯/乙酸乙烯酯/乙烯醇共聚物、8.52％重量的碳黑以及8.0％重量的酞酸二辛酯，制成一溶液。接着，将溶液加到由3M公司制造的DBEF薄膜上，然后干燥，形成干燥厚度为15微米的光吸收层。
混合70％重量的丙酮、22.5％重量的醋酸丁酯/丙烯酸以及9.5％重量的聚苯乙烯珠，制成另一种溶液。接着，将此溶液加到DBEF薄膜的另一表面上，然后干燥形成干燥厚度为56微米的光漫射层，从而制成一屏。比较例A
在本例中使用Kurare Plastics K.K.制造的高对比度反射型屏幕。此屏包括一种黑色织物的基料，织物上施加了铝颜料。比较例B
将3M公司制造的SILVERLUX薄膜用作光反射层，并用一种透明增粘剂将Nitto Denko K.K.制造的含碘的吸收型偏振膜(NPF F1025)附着在于光反射层的一侧。将例1中所述的光漫射层形成于偏振膜上，完成投射屏的制备。对例1和比较例A&B的测试过程
通过测量液晶投影仪射向这些屏的光经反射后的亮度，对例1和比较例A和B中描述屏进行评估。
液晶投影仪是Model 8030，由3M公司制造，将此投影仪与个人计算机相连，并用图形软件(Microsoft Corporation的POWERPOINT)形成图像。投影仪将黑色和白色像投影到屏上，用测光计(LS-1000，由Minolta公司制造)测量这些像的亮度，其中测光计的布置方向垂直于屏的表面。投影仪和测光计都离屏约5米。屏的形状为30厘米×30厘米的正方形。
利用此亮度计，首先测量当液晶投影仪将白光投影到屏上时的亮度。表1示出不同屏的亮度。由表1可见，例1的屏反射白光的亮度大约是比较例A和B的屏的2倍。
接着，利用图形软件形成一白色图形，在存在背景光的情况下，从投影仪投影相应的像，然后测量经屏反射的像的亮度。利用相同的方法，还测量了与白色图形相应的黑色图形的亮度。将如此测量得到的白色图形的亮度除以黑色图形的亮度，计算每一屏的对比度。
亮度计的布置方向偏离光漫射层的法向35度，以便测量亮度并用上述方式计算对比度。
表1示出了依照上述方法计算的对比度。由表1还可看出，在垂直于光漫射层表面的方向以及相对其法向35度的方向上，例1中屏的对比度都比比较例A的对比度大10倍，并几乎可与比较例B的对比度相比。
由此可以发现，例1屏反射的光亮度大于传统屏反射的光亮度，并且有效地提高了像的对比度。
表  1
    例1     比较例A     比较例B
法向亮度(白色)     279     108     149
对比度(法向)     26.3     3.9     20.4
对比度(35度)     11.9     3.5     12.1
对例2-13的测试过程
例2-13的前投影屏使用反射偏振元件，用图10所示的系统测量这些前投影屏，其中图10的系统包括提供水平线偏振光的光源800。屏中各反射偏振器的行轴垂直取向，以便对来自光源的水平偏振光提供理论上最大的反射。光源800是一光纤，它将白光沿垂直于平面型屏810的轴射向前投影屏810。每个屏810都为10厘米×10厘米的正方形，并且在测试期间，光源800的位置离每个屏810的距离约为46厘米。
还将一光电探测器820(Minolta公司的LS-100型)放在屏810的前面，用于测量屏的漫反射。光电探测器820与屏810的距离约为46厘米。光源800与光电探测器820之间的最小角度α约为6度。
利用图10的设备，测量每个屏的反射性能，其方法是相对光电探测器移动光源800和屏810，移动角度Sx的范围是相对于屏810的入射法向一70度至+70度。例2
用3M公司以DBEF薄膜出售的多层反射偏振材料制造一前投影屏。
把一漫射层施加到DBEF薄膜的前表面，构成DBEF/漫射器组合物。此漫射层在折射率为1.47的树脂中包含许多折射率为1.54的珠。这些珠的标称直径为5微米，并且以33％的加料率(重量)存在于树脂中。漫射层的厚度约为50微米。图11将前投影屏的反射性能测量结果绘成一增益曲线832，以与相对下述例3和例4中的其它结构相比说明本屏的性能。例3
如上述例2那样构造一前投影屏。另外，将一黑色吸收层施加在DBEF薄膜的背面，与漫射层相对，从而构成一吸收层/DBEF/漫射器组合物。所用的吸收层是平光的黑色喷漆，用于在DBEF薄膜的背面获得不透明的层。图11将前投影屏的反射性能绘制成一增益曲线833。
图12还用增益曲线843示出了前投影屏的性能，用于与下述例6和例7的具有较厚漫射层的其它屏相比较，说明本前投影屏的性能。例4
如上述例2那样构造一前投影屏。另外，在漫射层上附着一线偏振膜，构成一DBEF/漫射器/线偏振器组合件。线偏振器的轴与来自光源的光的水平偏振轴一致。图11将前投影屏的反射性能绘成增益曲线834。例5
如上述例4那样构造一前投影屏。另外，将一黑色吸收层施加在DBEF薄膜的背面，与漫射层相对，从而构成一吸收层/DBEF/漫射器/线偏振器组合物。所用的吸收层是平光的黑色喷漆，用于在DBEF薄膜的背面获得不透明的层。图11将此前投影屏的反射性能绘制成一增益曲线835。例6
如上述例3那样构造一前投影屏，但漫射层的厚度约为110微米。图12将此前投影屏的反射性能绘成增益曲线846。例7
如上述例3那样构造一前投影屏，但漫射层的厚度约为160微米。图12将此前投影屏的反射性能绘成增益曲线847。例8
用美国专利5,825,543所述的原理制造一种连续/分散相反射偏振材料，并用该材料制造一前投影屏。
把一漫射层施加到反射偏振膜的前表面，构成一反射偏振器/漫射器组合物。此漫射层在折射率为1.47的树脂中包含许多折射率为1.54的珠。这些珠的标称直径为5微米，并且以33％的加料率(重量)存在于树脂中。漫射层的厚度约为50微米。图13将引前投影屏的反射性能测量结果绘成增益曲线850。例9
如例8那样构造一前投影屏。另外，将一黑色吸收层施加在反射偏振膜的背面，与漫射层相对，从而构成一吸收层/反射偏振器/漫射器组合物。所用的吸收层是平光的黑色喷漆，用于在反射偏振材料的背面获得不透明的层。图13将此前投影屏的反射性能绘制成一增益曲线851。
图14还将此前投影屏的性能绘成增益曲线861，与下述例12和13中具有较厚漫射层的其它屏相比较，说明此前投影屏的性能。例10
如例8那样构造一前投影屏。另外，在漫射层上附着一线偏振膜，构成一反射偏振器/漫射器/线偏振器组合物。线偏振器的轴与来自光源的光的水平偏振轴一致。图13将此前投影屏的反射性能绘成增益曲线852。例11
如例10那样构造一前投影屏。另外，将一黑色吸收层施加在反射偏振材料的背面，与漫射层相对，从而构成一吸收层/反射偏振器/漫射器/线偏振器组合物。所用的吸收层是平光的黑色喷漆，用于在反射偏振材料的背面获得不透明的层。图13将此前投影屏的反射性能绘制成一增益曲线853。例12
如上述例8那样构造一前投影屏，但漫射层的厚度约为110微米。图14将此前投影屏的反射性能绘成增益曲线862。例13
如上述例8那样构造一前投影屏，但漫射层的厚度约为150微米。图14将此前投影屏的反射性能绘成增益曲线863。
本文引用的专利、专利文献以及出版物，其整个内容通过引用包括在此，就好象每个篇都被单独引用。对于本领域的熟练技术人员来说，在不脱离本发明范围的情况下，各种改变和改变都是显而易见的。因此，应该理解，本发明不限于本文叙述的说明性实施例，而是由后附权利要求书及其等效技术方案来限定。

Claims (35)

1.一种反射型前投影屏，该屏具有面向观察者的前表面，其特征在于，包括：
镜面反射偏振元件，用于基本上反射第一偏振状态的光，且基本上透射第二偏振状态的光；和
漫射元件，用于散射具有被反射偏振元件反射的第一偏振状态的光，所述漫射元件位于反射偏振元件和屏的前表面之间。
2.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，漫射元件各向同性地漫射光。
3.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，漫射元件各向异性地漫射光。
4.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，漫射元件包括一各向同性漫射器和一各向异性漫射器。
5.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，漫射元件包括一体漫射器。
6.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，漫射元件包括一表面漫射器。
7.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，反射偏振元件包括第一和第二材料，第一和第二材料中至少有一种材料是双折射的，对于第一偏振状态的光，第一和第二材料之间的折射率差大得足以基本上反射具有第一偏振状态的光，并且对于具有第二偏振方向的光，第一和第二材料之间的折射率差小得足以基本上透射第二偏振状态的光。
8.如权利要求7所述的投影屏，其特征在于，第一和第二材料处于交替的层中。
9.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，反射偏振元件包括一胆甾醇型反射偏振器。
10.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，还包括一眩光抑制元件。
11.如权利要求10所述的投影屏，其特征在于，漫射元件位于眩光抑制元件和反射偏振元件之间。
12.如权利要求10所述的投影屏，其特征在于，眩光抑制元件包括一光学上粗糙的表面。
13.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，还包括一吸收元件，用于基本上吸收所有通过反射偏振元件的透射光。
14.如权利要求13所述的投影屏，其特征在于，吸收元件是不透明的。
15.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，还包括一吸收偏振器，用于基本上吸收第二偏振状态的光，并基本上透射第一偏振状态的光。
16.如权利要求15所述的投影屏，其特征在于，吸收偏振器相对反射偏振元件位于漫射元件的另一侧。
17.如权利要求1所述的投影屏，其特征在于，还包括一回射元件，用于回射透过反射偏振元件的光。
18.如权利要求17所述的投影屏，其特征在于，回射元件包括多个立方隅角返回反射器。
19.一种投影系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1所述的投影屏，以及用具有第一偏振状态的光投射影像的像投影仪。
20.一种反射型前投影屏，该屏具有面向观察者的前表面，其特征在于，包括：
漫反射偏振元件，用于基本上反射第一偏振状态的光，并基本上透射第二偏振状态的光；和
眩光抑制元件，用于抑制来自漫反射偏振元件的镜面眩光，眩光抑制元件位于漫反射偏振元件与屏的前表面之间。
21.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，漫射反射偏振元件各向同性地漫射反射光。
22.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，漫反射偏振元件各向异性地漫射反射光。
23.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，眩光抑制元件各向异性地散射光。
24.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，眩光抑制元件各向同性地散射光。
25.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，反射偏振元件包括第一和第二材料，第一和第二材料中至少有一种材料是双折射的，对于第一偏振状态的光，第一和第二材料之间的折射率差大得足以基本上反射具有第一偏振状态的光，并且对于具有第二偏振方向的光，第一和第二材料之间的折射率差小得足以基本上透射第二偏振状态的光。
26.如权利要求25所述的投影屏，其特征在于，第二材料位于偏振元件的第一材料内。
27.如权利要求26所述的投影屏，其特征在于，第二材料包括一些置于偏振元件第一材料内而沿第一轴的细长体。
28.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，还包括一漫射元件。
29.如权利要求28所述的投影屏，其特征在于，漫反射偏振元件各向异性地漫射光，且漫射元件各向同性地漫散光。
30.如权利要求28所述的投影屏，其特征在于，漫反射偏振元件各向异性地漫射光，且漫射元件各向异性地漫散光。
31.如权利要求28所述的投影屏，其特征在于，漫反射偏振元件各向同性地漫射光，且漫射元件各向同性地漫散光。
32.如权利要求28所述的投影屏，其特征在于，漫反射偏振元件各向同性地漫射光，而漫射元件各向异性地漫散光。
33.如权利要求20所述的投影屏，其特征在于，还包括一吸收元件，用于基本上吸收所有透过反射偏振元件的光。
34.如权利要求33所述的投影屏，其特征在于，吸收元件是不透明的。
35.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求20所述的投影屏以及用具有第一偏振状态的光投射影像的像投影仪。
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