DE69926401T2

DE69926401T2 - Fresnellinse für projektionsschirm

Info

Publication number: DE69926401T2
Application number: DE69926401T
Authority: DE
Inventors: W. Daniel HENNEN; S. Robert MOSHREFZADEH; C. John NELSON; M. Scott TAPIO; A. Patrick THOMAS
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: AU3892099A; CN100386693C; CN1333885A; WO2000042469A1; EP1147456B1; EP1147456A1; DE69926401D1; KR20010093261A; US6407859B1; JP2002535699A; US6710941B2; US20020154401A1

Description

Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen an eine Fresnel-Linse zur Verwendung mit Projektionsschirmen und insbesondere an eine Fresnel-Linse, welche die Wirkung von Reflexbildern reduziert, gerichtet.
Fresnel-Linsen werden häufig in Projektionsschirmen zum Kollimieren von Licht verwendet, das von der Beleuchtungsquelle empfangen wird. Die Fresnel-Linse wird normalerweise verwendet, um die Verstärkung des Schirms am Schirmrand zu erhöhen, derart dass ein Betrachter ein Fehlen von Gleichmäßigkeit der Helligkeit über den Schirm nicht bemerkt.
Eine Fresnel-Linse erzeugt jedoch normalerweise ein Reflexbild, welches das Ergebnis von inneren Reflexionen innerhalb der Linse und des Substrats, auf dem die Linse befestigt sein kann, ist. Das Reflexbild kann durch den Betrachter wahrgenommen werden, mit der Wirkung, dass die Bildqualität verringert und der Betrachter abgelenkt wird. Folglich muss der Schirmhersteller einen Kompromiss schließen zwischen der Gleichmäßigkeit der Helligkeit und der Bildqualität.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Fresnel-Kollimationslinse zur Verwendung mit einem Projektionsschirm, welche die Erzeugung von Reflexbildern verringert oder vermeidet. Die Fresnel-Kollimationslinse sollte außerdem die Fähigkeit zum wirksamen Kollimieren von Licht aufrechterhalten, um eine gleichmäßigere Helligkeit über den Schirm bereitzustellen.
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung einen Schirm mit einer Fresnel-Linse, die auf eine andere Schicht zur Unterstützung laminiert ist.
Die vorstehende Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt nicht, jede. veranschaulichte Ausführungsform oder jede Realisierung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Figuren und die ausführliche Beschreibung, welche folgen, veranschaulichen diese Ausführungsformen genauer.
Die Erfindung wird unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei
1 die Beleuchtung eines Schirms ohne die Verwendung einer Kollimationsoptik veranschaulicht;
2 ein Graph ist, der die Verstärkung in der Mitte und am Rand des Schirms von 1 als eine Funktion des Betrachtungswinkels darstellt;
3 die Beleuchtung eines Schirms veranschaulicht, der eine Fresnel-Linse zur Kollimation verwendet;
4 die Erzeugung von Reflexbildern in einer Fresnel-Linse veranschaulicht;
5A, 5B, 5D und 5E eingebettete Fresnel-Linsen veranschaulichen;
5C und 5F verschiedene Ausführungsformen von eingebetteten Fresnel-Linsen veranschaulichen;
6 das Auftreten einer inaktiven Region in einer Fresnel-Linse veranschaulicht;
7A bis 7C abgeflachte Fresnel-Linsen veranschaulichen;
8 ein Graph ist, welcher die Verstärkung in der Mitte und am Rand eines Schirms als eine Funktion des Betrachtungswinkels für Streu- bzw. Mattscheiben mit und ohne Fresnel-Linse darstellt;
9 ein Fresnel-Muster über eine ganze Schirmfläche veranschaulicht;
10 ein teilweises Fresnel-Muster über einen Abschnitt eines Schirms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
11A, 11B und 12 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen von teilweisen Fresnel-Schirmen veranschaulichen;
13 einen Betrachtungsapparat gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
14A und 14B Anwendungen veranschaulichen, welche Schirme mit Fresnel-Linsen verwenden, die uneinheitliche Fokalprofile aufweisen;
15A bis 15D verschiedene Ausführungsformen von Fresnel-Linsen mit Rillen zur Vermeidung von Lufteinschluss während der Lamination und Linsenherstellung veranschaulichen; und
16 eine Fresnel-Oberflächenlinse veranschaulicht.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen offen ist, wurden Besonderheiten davon als Beispiel in den Zeichnungen dargestellt und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf die jeweiligen beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil ist beabsichtigt, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu erfassen, die in den Geist und Rahmen der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, fallen.
Die vorliegende Erfindung ist auf Fresnel-Linsen anwendbar und wird insbesondere für Fresnel-Linsen zur Verwendung mit Rückprojektionsschirmen und -monitoren für geeignet gehalten. Einer der Vorteile der Erfindung ist, dass das Auftreten von Reflexbildern verringert, wenn nicht überhaupt verhindert wird. Daher kann die Erfindung verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit der Helligkeit, die über den Schirm wahrgenommen wird, zu verbessern, während die Qualität des Bildes aufrechterhalten wird.
Zu den zahlreichen Faktoren, die bei der Konstruktion von Rückprojektionsschirmen und -monitoren von Bedeutung sind, gehören i) eine wirksame Lichtverwendung, ii) eine hohe Auflösung und iii) ein kleiner Formfaktor. Ein hoher Wirkungsgrad ist wünschenswert, derart dass die Leistung der Lichtquelle verringert werden kann, wodurch Probleme mit der Freisetzung von Abwärme verringert und Energiekosten herabgesetzt werden. Es besteht eine Tendenz zu zunehmend höherer Auflösung, zum Beispiel beim hoch auflösenden Fernsehen (HDTV für engl. high definition television), um den Betrachter mit einem schärferen, klareren Bild zu versorgen. Außerdem wird im Allgemeinen gewünscht, den Formfaktor zu reduzieren, wie beispielsweise Volumen, Stellfläche oder Gewicht, derart dass der Monitor in der Umgebung des Benutzers so wenig Raum als möglich einnimmt. Die Realisierung einer großen Schirmgröße unter der Einschränkung eines kleinen Formfaktors führt zur Verwendung von optischen Weitwinkelsystemen. Optische Weitwinkelgeometrien stellen höhere Anforderungen an die optischen Komponenten des Schirms als bei Schmalwinkelsystemen bestehen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Bedarf an Weitwinkelkomponenten, während sie eine wirksame Lichtverwendung und einen Betrieb mit hoher Auflösung erlaubt. Die vorliegende Erfindung erlaubt auch die Aufrechterhaltung und/oder Verbesserung der Schirmauflösung, der Helligkeit und der Gleichmäßigkeit der Helligkeit von der Schirmmitte zum Schirmrand.
Betrachten wir ein optisches Rückprojektionssystem 100, wie in 1 dargestellt, das eine Lichtquelle 102 aufweist, die einen Rückprojektionsschirm 104 beleuchtet. Die Lichtquelle 102 ist in einer Entfernung d vom Schirm 104 angeordnet, und der Halbwinkelkegel von Licht, das von der Quelle 102 ausgestrahlt wird, ist durch θ gegeben. Die Entfernung von der Mitte des Schirms 104 zum Rand ist durch t gegeben. Das Auge eines Betrachters ist normalerweise zentral an der Position 106 in einer Entfernung r vom Schirm 104 angeordnet. Die Winkel, der zwischen einer Normalen auf den Schirm 104 am Schirmrand und dem Auge des Betrachters gebildet wird, ist durch den Winkel α gegeben.
Am Rand des Schirms 104 trifft das Licht in einem Winkel gleich θ auf der Rückfläche 108 auf, wobei θ in Bezug auf eine Normale auf den Schirm gemessen wird. Daher geht die Vorwärtsrichtung von Licht, das durch den Schirm 104 durchgeht, in einem Winkel θ durch den Schirm weiter. Der Betrachter nimmt nur jenen Teil von Licht vom Rand des Schirms 104 wahr, der durch einen Winkel gleich θ + α gestreut wurde. Demgemäß nimmt der Betrachter wahr, dass die Helligkeit am Rand des Schirms gering ist.
Dies wird in 2 veranschaulicht, welche die Messwerte der Verstärkung für einen Schirm bei einem Betrachtungswinkel von 64° darstellt. Mit anderen Worten, ein kollimierter Lichtstrahl, der auf der Rückfläche des Schirms auftrifft, wird in einen Kegel mit einem Winkel von 64° gestreut, wie durch die Punkte gemessen, an welchen die Intensität auf die Hälfte des Maximums fällt. Die Kurven der gemessenen Verstärkung sind zum Beleuchten des Schirms in Winkeln von θ = 0° (durchgehende Linie, 202) und θ = 20° (gestrichelte Linie, 204). Der Betrachtungswinkel α ist der Winkel des Lichtstrahls in Bezug auf die Normale auf den Schirm.
An der zentralen Position 106 betrachtet der Betrachter die Mitte des Schirms 104 in einem Betrachtungswinkel von null, der senkrechten Einfall bedeutet. An derselben Position 106 betrachtet der Betrachter den Rand des Schirms in einem Winkel α. Betrachten wird den ersten Fall, in dem das Licht, das auf dem Schirm 104 auftrifft, zwischen der Lichtquelle und dem Schirm nicht – zum Beispiel durch eine Fresnel-Kollimationslinse – umgeleitet wird. In diesem Fall traf das Licht, das durch den Betrachter von der Mitte des Schirms 104 erfasst wurde, in einem Winkel θ = 0° auf dem Schirm auf, weshalb wir die obere Kurve 202 verwenden. Da der Betrachter direkt auf die Mittelposition des Schirms schaut, beträgt der Betrachtungswinkel α = 0°. Daher beträgt die Verstärkung für Licht in der Mitte des Schirms 0,97, Punkt A.
Das Licht, das durch den Betrachter vom Rand des Schirms erfasst wurde, traf in einem Winkel θ = 20° auf dem Schirm auf, weshalb wir die untere Kurve 204 verwenden. Der Betrachter sieht Licht vom Rand des Schirms in einem Betrachtungswinkel a = –30°, d.h. Licht, das in einem Winkel von 50° (20° + 30°) gestreut wurde. Daher beträgt die Verstärkung für Licht am Rand des Schirms 104 0,51, Punkt B. Daher ist die Schirmhelligkeit, die durch den Betrachter wahrgenommen wird, am Schirmrand (Verstärkung = 0,51) um 47 % geringer als in der Schirmmitte (Verstärkung = 0,97). Dieser starke Helligkeitsabfall über den Schirm 104 ist unerwünscht und kann für einen Betrachter deutlich erkennbar sein.
In einer Lösung, um die Gleichmäßigkeit der Helligkeit, die über einen Schirm wahrgenommen wird, wesentlich zu erhöhen, kann eine Fresnel-Linse 302 verwendet werden, um das Licht von der Lichtquelle 102 vor dem Auftreffen auf der Rückfläche 108 des Schirms 104 umzuleiten, wie in 3 dargestellt. In dem veranschaulichten Fall wird das Licht, das auf dem Schirm 104 auftrifft, kollimiert. Das Licht pflanzt sich durch den Rand des Schirms 104 in einer Richtung parallel zu dem Licht, das durch die Mitte des Schirms 104 durchgeht, fort. Daher braucht das Licht, das durch den Betrachter an der Position 106 vom Rand des Schirms wahrgenommen wird, nicht in einem Winkel θ + α, sondern nur in einem Winkel α gestreut zu werden. Da in diesem Fall das ganze Licht, das auf dem Schirm 104 auftrifft, in einem Winkel von θ = 0° auftrifft, verwenden wir nur die obere Kurve 202. Wiederum weist das Licht, das den Betrachter von der Mitte des Schirms (α = 0°) erreicht, eine Verstärkung von 0,97 auf. In diesem Fall jedoch beträgt die Verstärkung des Lichts, das den Betrachter vom Rand des Schirms (α = 30°) erreicht, 0,78, Punkt C. Daher beträgt der wahrgenommene Helligkeitsabfall von der Mitte zum Rand des Schirms 104 nur etwa 20 %, wenn das Licht, das den Schirm 104 erreicht, durch die Fresnel-Linse kollimiert wird. Diese Figur kann noch weiter verbessert werden, wenn die Fresnel-Linse konfiguriert wird, um das Licht am Rand des Schirms zum Betrachter zu lenken.
Die Verwendung einer Fresnel-Linse führt jedoch zusätzliche Schwierigkeiten ein. Zum Beispiel wird die Fresnel-Linse normalerweise entweder um ihren Rand oder auf ihrer Eingangsfläche getragen, da normalerweise ein Luftspalt zwischen der Ausgangsfläche der Fresnel-Linse und der folgenden optischen Komponente besteht. Wenn die Fresnel-Linse am Rand angebracht wird, wird die Linse verhältnismäßig dick gemacht, damit ein gewisser Grad von Selbsttragung vorliegt, sonst kann es sein, dass die Linse sich mit anderen Komponenten in Kontakt bewegt oder durchhängt und die optischen Charakteristiken des Systems ändert. Wenn die Fresnel-Linse auf ihrer Eingangsfläche getragen wird, wird die Linse normalerweise an einer transparenten Platte, wie beispielsweise einer Glasplatte, befestigt. Bei beiden Lösungen sind die Fresnel-Linse oder die Fresnel-Linse/Träger-Kombination verhältnismäßig dick.
Eine Fresnel-Linse weist normalerweise wenigstens eine strukturierte Oberfläche auf, wobei jeder Abschnitt der oberflächenstrukturierten Linse eine funktionale Fläche aufweist, die in Bezug auf die Linse abgewinkelt ist, um Licht, das durch den konkreten Abschnitt durchgeht, umzuleiten. Benachbarte funktionale Flächen sind normalerweise durch Stoßflächenabschrägungen verbunden. Die funktionalen Flächen und die Stoßflächenabschrägungen stellen normalerweise eine Rillenstruktur dar, wenn im Querschnitt betrachtet. Das Muster von funktionalen Abschrägungen und Stoßflächenabschrägungen wird hierin im Allgemeinen als eine Fresnel-Struktur bezeichnet.
Ein Problem, das mit Fresnel-Linsen verbunden ist, ist die Erzeugung von Reflexbildern, was unter Bezugnahme auf 4 erörtert wird. Ein ankommender Strahl 402 tritt in eine Fresnel-Linse 400 als innerer Strahl 406 ein und verlässt dann die Fresnel-Linse 400 auf einer abgewinkelten Fläche 404, auch als funktionale Abschrägung bezeichnet. Der Strahl 418, der sich durch die funktionale Abschrägung 404 fortpflanzt, wird umgeleitet, um das primäre Bild zu erzeugen. Ein Teil des inneren Strahls 406 jedoch wird durch die funktionale Abschrägung 404 als reflektierter Strahl 408 reflektiert. Ein Teil des reflektierten Strahls 408 kann von der Eingangsfläche 410 der Fresnel-Linse als reflektierter Strahl 412 reflektiert werden. Der reflektierte Strahl 412 trifft auf einer anderen Facette, wie beispielsweise einer Stoßflächenabschrägung 414, der Linse 400 auf und tritt als austretender Strahl 416 aus. Der austretende Strahl 416 erzeugt ein sekundäres Bild. Das Reflexbild, das durch den austretenden Strahl 416 erzeugt wird, kann durch den Betrachter wahrgenommen werden und beeinträchtigt die Qualität des primären Bildes, das dem Betrachter präsentiert wird, und verringert effektiv die Auflösung des Bildes, das dem Betrachter präsentiert wird. Daher ist es wünschenswert, die Wirkung des Reflexbildes zu verringern.
Es gibt zwei Hauptlösungen zur Verringerung der Wirkungen von Reflexbildung. Eine ist, den räumlichen Abstand zwischen dem primären und dem Reflexbild in der Ebene des Schirms bis zu dem Punkt zu verringern, an dem es keinen erkennbaren Abstand mehr gibt, und die andere ist, die Lichtmenge im Reflexbild zu verringern.
Die Verlagerung des Reflexbildes in Bezug auf das primäre Bild hängt von a) der Dicke der Fresnel-Linse, b) der Entfernung zwischen der Fresnel-Linse und dem Schirm und c) dem Winkel der funktionalen Fläche ab. Das Verringern a) der Dicke der Fresnel-Linse und b) der Entfernung zwischen dem Schirm und der Fresnel-Linse oder beides führt zu einer Verringerung der Verlagerung des Reflexbildes in Bezug auf das primäre Bild. Auch das Reduzieren des Winkels der funktionalen Fläche führt zu einer Verringerung des Abstands zwischen dem Reflexbild und dem primären Bild. Der Winkel der funktionalen Fläche hängt zum Teil von der Entfernung von der Mitte der Linse und der Differenz der Brechzahl zwischen dem Material der Fresnel-Linse und dem Material, in das der primäre Strahl 418 eintritt, ab.
Wenn der räumliche Abstand zwischen dem Reflex- und dem primären Bild in der Ebene des Schirms bis zu dem Punkt verringert wird, an dem das Reflexbild dasselbe Pixel wie das primäre Bild beleuchtet, dann kann der Betrachter kein Reflexbild erkennen. In solch einem Fall wird die Auflösung des Bildes auf dem Schirm durch die Fresnel-Linse nicht beeinflusst, während die Vorteile von erhöhter Gleichmäßigkeit der Helligkeit und erhöhtem Lichtverwendungswirkungsgrad aufrechterhalten bleiben. Zum Beispiel ist im Falle von hoch auflösendem Fernsehen (HDTV) mit 1.024 Pixel über den Schirm, wenn das Reflexbild vom primären Bild um weniger als ungefähr 0,098 % der Schirmbreite getrennt ist, kein transversales Reflexbild sichtbar.
In einigen Situationen kann die Fresnel-Linse auf einer transparenten Platte, wie beispielsweise einer Glasplatte, getragen werden, die an der Eingangsfläche der Fresnel-Linse befestigt wird. Wenn dies der Fall ist, kann der reflektierte Strahl 412, der zur Erzeugung des Reflexbildes führt, in erster Linie von der Reflexion von einer Fläche der transparenten Platte herrühren statt von der Eingangsfläche der Fresnel-Linse; die Reflexion an der Grenzfläche der Fresnel-Linse und der transparenten Platte kann aufgrund der Brechzahlübereinstimmung gering sein. In solch einem Fall hängt der Abstand zwischen dem Reflex- und dem primären Bild nicht nur von der Dicke der Fresnel-Linse, sondern auch von der Dicke der transparenten Platte ab.
Frühere Lösungen zur Verringerung der Helligkeit des Reflexbildes umfassen Auftragen einer absorbierenden Beschichtung auf den Stoßflächenabschrägungen 414 der Fresnel-Struktur. Dies ist schwer zu machen, ohne die absorbierende Beschichtung auf eine benachbarte funktionale Fläche zu streichen. Eine andere Lösung ist, die Stoßflächenabschrägungen 414 hoch streuend zu machen, derart dass das Licht 416, das durch die Stoßflächenabschrägungen 414 austritt, hoch gestreut wird, wodurch die Helligkeit des Reflexbildes verringert wird. Wiederum ist es schwer, die Stoßflächenabschrägungen 414 hoch streuend zu machen, ohne die funktionale Fläche 404 negativ zu beeinflussen. Außerdem beseitigt dies das Reflexbild 416 nicht, sondern streut es, was zu einer Verringerung der Auflösung führt.
Die Eingangsfläche 410 der Fresnel-Linse 400 kann behandelt werden, zum Beispiel mit einer mattierten Oberflächenbeschaffenheit, um die Menge von Licht, das spiegelnd in den reflektierten Strahl 412 reflektiert wird, zu verringern. Diese Lösung kann jedoch die Menge von Licht, das in die Fresnel-Linse eintritt, ver ringern oder sie kann Licht streuen und somit die Auflösung beeinträchtigen. Die Eingangsfläche 410 und/oder die funktionale Fläche 404 können auch mit einer Antireflexionsbeschichtung behandelt werden, um die Menge von Licht, das in den Strahl 412 reflektiert wird, zu verringern. Diese Lösung weist jedoch einen begrenzten Nutzen auf, da Antireflexionsbeschichtungen eine begrenzte Bandbreite und einen begrenzten effektiven Konuswinkel aufweisen, außerhalb dem die Reflexion nicht wesentlich verringert wird. Da die Antireflexionsbeschichtung auf der Eingangsfläche 410 und/oder der funktionalen Fläche 404 über einen großen Bereich von Wellenlängen und Einfallswinkeln zu funktionieren hat, ist die Antireflexionsbeschichtung daher keine sehr zufrieden stellende Lösung, um die Helligkeit des Reflexbildes zu verringern.
Es ist wichtig zu beachten, dass eine leichte mattierte Oberflächenbeschaffenheit oder eine Antireflexionsbeschichtung auch auf der Eingangsfläche 410 der Fresnel-Linse 400 bereitgestellt werden können, um Reflexbilder zu verringern, die von spiegelnden Reflexionen von der Eingangsfläche 410 herrühren, die mit dem optischen System, das mit dem Schirm verwendet wird, zum Beispiel Drehspiegeln, interagiert.
Eine andere Lösung zur Verringerung der Helligkeit des Reflexbildes ist, eine gewisse optische Interaktion innerhalb der Fresnel-Linse selbst bereitzustellen, indem die Fresnel-Linse mit optisch interagierenden Teilchen 422 geladen wird, um das Reflexbild zu verringern. Eine Überprüfung von 4 zeigt, dass Licht im primären Bild 418 nur einen kurzen Weg durch die Fresnel-Linse 400 zurücklegt, wohingegen das Licht 416 im Reflexbild eine wesentliche längere Entfernung innerhalb der Fresnel-Linse zurücklegt. Wenn die optisch interagierenden Teilchen 422, die innerhalb der Linse 400 angeordnet sind, streuende Teilchen sind, dann weist das Licht in den reflektierten Strahlen 408 und 412 eine hohe Wahrscheinlichkeit auf, vor dem Austreten als das Reflexbild 418 zum Beispiel als ein Streustrahl 420 gestreut zu werden. Andererseits weist das Licht 418 im primären Bild eine geringere Wahrscheinlichkeit auf, gestreut zu werden. Da das Reflexbild 416 eine verhältnismäßig lange Weglänge innerhalb der Linse 400 aufweist, besteht außerdem normalerweise ein großer Abstand zwischen dem Reflexbild und dem Licht, das von den reflektierten Strahlen 408 und 412 gestreut wird. Daher kann das Reflexbild 416 aufgrund von erheblicher Streuung weniger erkennbar gemacht werden, während nur eine kleine Verringerung der Auflösung im primären Bild 418 vorliegt. Der Streuungsgrad innerhalb der Fresnel-Linse wird so ausgewählt, dass das Reflexbild verringert wird, während das primäre Bild aufrechterhalten wird.
In einer anderen Lösung können die optisch interagierenden Teilchen 422, die innerhalb der Fresnel-Linse 400 angeordnet werden, absorbierende Teilchen sein, in welchem Fall das Licht 416 im Reflexbild aufgrund seiner langen Weglänge in der Fresnel-Linse 400 eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweist, absorbiert zu werden. Andererseits weist das Licht 418 im primären Bild eine geringere Wahrscheinlichkeit auf, absorbiert zu werden. Daher kann das Reflexbild 416 bei einer nur geringen Verringerung der Helligkeit des primären Bildes 418 und ohne Beeinträchtigung der Auflösung weniger erkennbar gemacht werden, da ein wesentlicher Anteil seines Lichts absorbiert wurde. Der Absorptionsgrad innerhalb der Fresnel-Linse 400 wird so ausgewählt, dass das Reflexbild 416 verringert wird, während das primäre Bild 418 aufrechterhalten wird. Es ist zu erkennen, dass die optisch interagierenden Teilchen 422 eine Mischung aus absorbierenden und streuenden Teilchen aufweisen können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Dicke der Fresnel-Linse verringert, was zur Verringerung des Abstands zwischen dem Reflexbild und dem primären Bild führt. In der vorliegenden Erfindung kann die dünne Fresnel-Linse getragen werden, indem sie auf der Ausgangsseite der Fresnel-Linse an einer optischen Schicht befestigt wird. Das Tragen der Fresnel-Linse auf der optischen Schicht auf der Ausgangsseite der Fresnel-Linse verringert auch den Abstand zwischen der Linse und der optischen Schicht, was den Abstand zwischen dem Reflex- und dem primären Bild weiter verringert.
Eine besondere Lösung, eine Fresnel-Linse zu tragen, ist in 5A bis 5C veranschaulicht, welche verschiedene Ausführungsformen einer „eingebetteten" Fresnel-Linse darstellen, wobei wenigstens ein Abschnitt der Fresnel-Linse in den Schirm eingebettet ist.
Zuerst unter Berücksichtigung der Ausführungsform von 5A ist der Schirm 500 aus einer Trägerschicht 504 und der Fresnel-Linse 502 gebildet. Die Fresnel-Struktur 506 der Fresnel-Linse 502 ist zur Gänze in die Trägerschicht 504 eingebettet. Die Trägerschicht 504 kann eine Streu- bzw. Mattscheibenfolie sein. Es besteht jedoch nicht das Erfordernis, dass die Trägerschicht 504 eine Streufolie sein muss, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf eine solche zu beschränken. Die Trägerschicht kann auch eine andere geeignete Art von Dispersionsscheibe sein, wie beispielsweise ein Linsenraster, eine Perlwand, eine Oberflächenstreuscheibe, eine holografische Streuscheibe oder eine mikrostrukturierte Streuscheibe. Diese Liste soll nicht erschöpfend sein.
Ein Beispiel für eine Trägerschicht, welche eine Perlwand aufweist, zum Beispiel wie sie in der US-Patentanmeldung Seriennummer 09/192,118 beschrieben und hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, ist in 5D veranschaulicht. Der Schirm 560 weist eine Fresnel- Linse 562 auf, die in eine erste transparente Schicht 564 mit einer niedrigeren Brechzahl als die Fresnel-Linse 562 eingebettet ist. Eine Schicht von Brechungsperlen 566 ist zwischen der ersten transparenten Schicht 564 und einer zweiten transparenten Schicht 568 angeordnet. Die Perlen 566 sind in eine Schicht von absorbierendem Material 570 eingebettet, das verhindert, dass Licht durch die Zwischenräume zwischen den Perlen durchgeht. Die oberen Flächen der Perlen 566 empfangen Licht 572 von der Fresnel-Linse 562. Das Licht 572 wird durch die Perlen 566 gebündelt, was dazu führt, dass das Licht 572 nach dem Durchgang durch den Schirm 560 divergiert.
Ein Beispiel für einen Schirm 580 mit einer Oberflächenstreuscheibe ist in 5E veranschaulicht. Der Schirm 580 weist eine Fresnel-Linse 582 auf, die in eine erste transparente Schicht 584 mit einer niedrigeren Brechzahl als die Fresnel-Linse 582 eingebettet ist. Die transparente Schicht 584 ist auf einen Oberflächendiffusor 586 mit einer Brechzahl, die sich von jener der transparenten Schicht 584 unterscheidet, laminiert. Das Licht geht durch die Fresnel-Linse 582, wo es umgeleitet wird, durch die erste transparente Schicht 584 und dann durch den Oberflächendiffusor 586 durch. Das Licht wird normalerweise gestreut, wenn es durch die Diffusionsfläche 588 des Oberflächendiffusors 586 durchgeht. In dem veranschaulichten Beispiel ist die transparente Schicht an die Diffusionsfläche 588 des Oberflächendiffusors 586 laminiert. Die Diffusionsfläche 588 kann zum Beispiel eine holografische Diffusionsfläche sein, wie dargestellt, oder sie kann eine beliebige oder mikrostrukturierte Fläche sein. Die Diffusionsfläche 588 kann auch auf der Ausgangsfläche des Oberflächendiffusors 586 statt auf der Eingangsfläche sein. Außerdem kann der Oberflächendiffusor mit streuenden Teilchen geladen werden, um eine zusätzliche Volumendiffusion bereitzustellen.
Der Umleitungseffekt einer funktionalen Fläche der Fresnel-Struktur hängt von der Differenz der Brechzahl zwischen dem Material der Fresnel-Linse und dem Material, in welche sich die umgeleiteten Strahlen fortpflanzen. In einer herkömmlichen Fresnel-Linse mit der Fresnel-Struktur an der Luft besteht eine große Brechzahldifferenz, da die umgeleiteten Strahlen von der Fresnel-Linse in die Luft durchgehen. Im Falle einer eingebetteten Fresnel-Linse ist die Differenz der Brechzahl gering, da die Trägerschicht 504 eine Brechzahl aufweist, die höher als die von Luft ist. Es ist im Allgemeinen vorteilhaft, die Differenz zwischen den Brechzahlen der Fresnel-Linse 502 und der Trägerschicht 504 zu erhöhen. Materialien, die für die Fresnel-Linse 502 verwendet werden können, umfassen Polycarbonat, Polystyrol, Expoxidacrylate und modifizierte Acrylate oder andere geeignete Materialien, wie beispielsweise ein Harz, das mit feinen anorganischen Teilchen mit hoher Brechzahl geladen ist. Materialien, die für die Trägerschicht 504 verwendet werden können, umfassen Fluorpolymere und Acrylharzderivate, wie beispielsweise Polyvinylfluorid, Celluloseacetat, Cellulosetriacetat oder Celluloseacetatbutyrat. Die Konstruktion der Fresnel-Struktur 506 basiert auf der Brechzahldifferenz zwischen der Linse 502 und der Trägerschicht 504, derart dass die Lichtstrahlen 508 und 510, die von einer Beleuchtungsquelle, die in einer Konstruktionsentfernung von der Quelle der Fresnel-Linse 502 positioniert ist, in die Fresnel-Linse 502 eintreten, aus der Fresnel-Linse 502 in parallelen Richtungen in die Trägerschicht 504 austreten.
Die Fresnel-Linse braucht das Licht nur zum Betrachter umzuleiten, um eine vorteilhafte Wirkung zu erzielen, und muss das Licht nicht kollimieren. Dennoch wird Kollimation in bestimmten Situationen möglicherweise bevorzugt, um die Gesamtleistung des Schirms zu maximieren. Daher sollte in der Beschreibung der Erfindung die Verwendung des Begriffs des Umleitens so verstanden werden, dass er das Umleiten von Licht durch die Fresnel-Linse, um für den Betrachter vorteilhafter zu sein, einbezieht. Dies umfasst das Umleiten von Licht, derart dass der Lichtstrahl aus der Fresnel-Linse divergiert, wobei das Licht parallelisiert oder kollimiert wird, derart dass der durchgelassene Strahl im Wesentlichen weder divergiert noch konvergiert, und der Lichtstrahl so umgeleitet wird, dass er an einem bestimmten Punkt außerhalb der Fresnel-Linse konvergiert. Dieser Bereich von Möglichkeiten kann so betrachtet werden, dass das Licht derart gelenkt wird, dass es aus der Fresnel-Linse in einem oder mehreren Winkeln austritt, die innerhalb eines Kontinuums von Winkeln ausgewählt werden, das von einer sehr geringen Umleitung, in welchem Fall das Licht aus der Linse divergiert, bis zu einem erheblichen Maß an Umleitung, in welchem Fall das Licht aus der Linse konvergiert, reicht.
Es sollte auch zu erkennen sein, dass die Brennweite der Fresnel-Struktur über die Breite der Linse nicht konstant zu sein braucht. Zum Beispiel nimmt die Brennweite der Fresnel-Linse von einem hohen Wert in der Mitte der Linse auf einen niedrigen Wert am Rand der Linse ab. Bei solch einer Konfiguration kann das Licht im Mittelabschnitt durch die Linse kaum beeinflusst werden, während das Licht am Rand der Linse in einem weiten Winkel umgeleitet wird. Außerdem braucht das Profil der Brennweite, d.h. der Wert der Brennweite im Vergleich zur Position über die Linse, nicht symmetrisch zu sein, um das Licht zu einem Rand des Schirms zu leiten. Dies kann nützlich sein, wenn zum Beispiel der Schirm 1400 in unmittelbarer Nähe zu einer Wand 1402 angebracht wird und der Betrachter 1404 so von der Wand 1402 entfernt positioniert ist, wie in 14A dargestellt. Dies kann auch nützlich sein, wenn der Schirm 1410 am Rand einer Reihe 1412 von Schirmen positioniert wird und gewünscht wird, das Licht zum Betrachter 1414 zu leiten, der in Bezug auf die Reihe 1412 von Schirmen zentral positioniert ist.
Es können mehrere verschiedene Verfahren zur Herstellung des Schirms 500 verwendet werden. Die Fresnel-Linse 502 kann unter Verwendung eines oder mehrerer verschiedener Verfahren gebildet werden, welche Prägen, Extrusion, Gießen und Härten, Pressformen und Spritzgießen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Nach der Bildung der Fresnel-Linse 502 kann die Trägerschicht 504 durch etliche Beschichtungstechniken gebildet werden. Zum Beispiel kann Polymermaterial für die Trägerschicht 504 auf die Fresnel-Struktur geschüttet und das Material mit dem Messer darüber aufgestrichen werden, um die Rillen der Fresnel-Struktur zu schließen. Das Polymermaterial kann dann bearbeitet, zum Beispiel gehärtet, getrocknet oder abgekühlt, werden, um eine dauerhafte Trägerschicht 504 zu bilden. Ohne die Erfindung zu beschränken, kann das Polymermaterial UV-härtbar, lösemittelbasiert, lösemittelfrei, trocknungsfähig oder thermoplastisch sein. Es können auch andere Beschichtungstechniken verwendet werden, welche Walzen-, Tauch-, Schmelz-, Spinn- und Sprühbeschichtung umfassen.
Es ist zu erkennen, dass ein Ergänzungsprozess befolgt werden kann, bei dem die Trägerschicht 504 zuerst gebildet wird, wobei sie das Gegenstück der Fresnel-Struktur auf einer Oberfläche aufweist. In solch einem Fall kann die Trägerschicht 504 durch solch einen Prozess wie Prägen, Extrusion, Gießen und Härten, Pressformen und Spritzgießen gebildet werden. Die Fresnel-Schicht kann dann unter Verwendung einer Beschichtungstechnik, wie zum Beispiel im vorhergehenden Absatz beschrieben, auf der Oberseite der Trägerschicht 504 gebildet werden. Die Ergänzungsfläche auf der Trägerschicht 504 dient als ein Formwerkzeug, um die Fresnel-Linse zu bilden.
In einer anderen Lösung für einen Schirm mit eingebetteter Fresnel-Linse, die in 5B veranschaulicht ist, weist der Schirm 520 eine Fresnel-Linse 522 auf, die an einer mittleren Schicht 526 befestigt ist. Die Trägerschicht 524 ist auf der anderen Seite der mittleren Schicht 526 befestigt. In dieser Ausführungsform ist die mittlere Schicht 526 aus einem Material mit einer niedrigeren Brechzahl als jener der Fresnel-Linse 522 gebildet. Die mittlere Schicht kann zum Beispiel eine Klebstoffschicht sein, wie beispielsweise ein selbstklebender Klebstoff, ein Isooctalacrylat-Acrylsäure-Copolymer oder ein thermoplastischer Heißschmelzklebstoff. Die dreischichtige Struktur kann durch Lamination, Thermoformung, Pressformung oder Ultraschall- oder HF-Schweißung zusammengesetzt werden.
Es ist zu erkennen, dass die Konstruktion der Fresnel-Linsenstruktur 506 und 522 in den jeweiligen Ausführungsformen die Änderung der Brechzahl für Licht berücksichtigt, das sich aus der Fresnel-Linse 502 oder 522 in die benachbarte Schicht 504 beziehungsweise 526 fortpflanzt. Daher braucht die Konstruktion der Fresnel-Linse nicht mit einer Fresnel-Linse, die an der Luft funktioniert, identisch sein. Die Fresnel-Rillenstruktur 506 und 528 ist jedoch so ausgelegt, dass sie Licht, das sich durch die Fresnel-Linse 502 und 522 in einer bevorzugten Richtung fortpflanzt, im Wesentlichen umleitet, was Kollimation einbeziehen kann.
In einer anderen Lösung für eine eingebettete Fresnel-Linse, die in 5C veranschaulicht ist, weist der Schirm 540 eine Fresnel-Linse 542 auf, die an einer mittleren Schicht 546 befestigt ist. Die Trägerschicht 544 ist an der anderen Seite der mittleren Schicht 546 befestigt. Die Fresnel-Struktur 548 der Fresnel-Linse 542 ist nur teilweise in die mittlere Schicht 546 eingebettet, wodurch Luftspalte 550 zwischen den funktionalen Abschrägungen 552 der Fresnel-Struktur 548 und der mittleren Schicht 546 gelassen werden. Solch ein Schirm 540 kann zum Beispiel durch Beschichten der Trägerschicht 544 mit einer dünnen Klebstoffschicht, um die mittlere Schicht 546 zu bilden, und anschließendes Drücken der Fresnel-Linse 542 durch die mittlere Klebstoffschicht 546 gebildet werden. Der Schirm 540 kann bearbeitet werden, um die mittlere Schicht 546 zum Beispiel durch UV-Härten, Erwärmen, Abkühlen, Trocknen und dergleichen zu fixieren. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass eine dünne Fresnel-Linse mit Träger bereitgestellt wird, während eine große Brechzahldifferenz zwischen dem Linsenmaterial und der Luft aufrechterhalten wird. Die Trägerschicht 544 kann eine Diffusionsschicht sein.
Eine andere Lösung für eine eingebettete Fresnel-Linse ist in 5F veranschaulicht. Ein Schirm 1560 weist eine Fresnel-Linse 1562 auf, die an einer mittleren Schicht 1566 befestigt ist. Die Trägerschicht 1564 ist an der anderen Seite der mittleren Schicht 1566 befestigt. Die Ausgangsfläche 1568 der Fresnel-Linse 1562 weist eine Fresnel-Struktur 1570 auf, welche Stoßflächenabschrägungen 1572 und funktionale Abschrägungen 1574 aufweist. Die Spitze 1576 zwischen benachbarten funktionalen und Stoßflächenabschrägungen 1572 und 1574 der Fresnel-Struktur 1570 braucht nicht den einfachen Dreiecksquerschnitt aufzuweisen, wie in 5C veranschaulicht, wo ein Teil der funktionalen Abschrägung in die mittlere Schicht 1546 eingebettet ist. In diesem Fall weist die Spitze 1576 einen eingebetteten Abschnitt 1578 mit einer anderen Querschnittsform auf. Der veranschaulichte Fall weist eingebettete Abschnitte auf, die einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es können auch andere Querschnitte verwendet werden. Ein Vorteil, der durch den eingebetteten Abschnitt 1578 bereitgestellt wird, ist, dass die Spitze 1576 weniger Schaden erleiden kann, wenn sie durch die mittlere Schicht 1546 gestoßen wird, als die Struktur, die in 5C veranschaulicht ist.
Die eingebetteten Abschnitte 1578 können den inaktiven oder nicht verwendeten Abschnitten der Fresnel-Struktur 1570 entsprechen, welche näher zum Rand der Linse 1562 größer sind. In einer Lösung können die eingebetteten Abschnitte 1578 näher zum Rand größer als zur Mitte der Linse 1562 sein, wobei kleinere eingebettete Abschnitte 1580 näher zur Mitte der Linse 1562 sind. Außerdem kann der Mittelabschnitt der Linse 1562 mit den eingebetteten Abschnitten 1580 versehen sein, auch wenn entsprechende funktionale Abschrägungen keine inaktiven Abschnitte aufweisen. Die eingebetteten Abschnitte 1580 in der Mitte der Linse 1562 brauchen die Umleitfähigkeiten der Linse 1562 nicht wesentlich zu beeinflussen, da Licht, das sich durch den Mittelabschnitt der Linse 1562 fortpflanzt, normalerweise weniger Umleitung benötigt als Licht, das sich durch den Rand der Linse 1562 fortpflanzt.
Es ist zu erkennen, dass die teilweise eingebetteten Fresnel-Linsen 542 und 1562, die in 5C und 5F veranschaulicht sind, auch aus Fresnel-Linsen gebildet sein können, die direkt teilweise in die jeweilige Trägerschicht 544 und 1564 eingebettet sind, statt teilweise in eine mittlere Schicht eingebettet zu sein.
Die Lösung mit der eingebetteten Fresnel-Linse lässt zu, dass die Fresnel-Linse sehr dünn ist, zum Beispiel weniger als 0,010 Inch (250 μm) dick, wodurch der Abstand zwischen dem primären Bild und dem Reflexbild, das durch die Fresnel-Linse gebildet wird, wesentlich verringert wird.
Eine andere Lösung zur Anbringung einer Fresnel-Linse an einer Trägerschicht wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben. Diese Lösung wird als „abgeflachte" Fresnel-Linse bezeichnet. Die Basis der Lösung mit der abgeflachten Fresnel-Linse wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, welche einen Abschnitt einer Fresnel-Linse 600 und zwei Strahlen 602 und 604, die auf der Eingangsfläche 606 der Linse 600 auftreffen, veranschaulicht. Jeder Strahl 602 und 604 wird beim Eintreten in die Linse 600 gebrochen, um innere Strahlen 602A beziehungsweise 604A zu erzeugen. Die inneren Strahlen 602A und 604A treffen auf der funktionalen Fläche 608 auf und werden beim Durchgang dadurch gebrochen, um umgeleitete Strahlen 602B und 604B zu erzeugen.
Ein Abschnitt 608A der funktionalen Fläche 608 bleibt optisch unverwendet, da er im Schatten der benachbarten Stoßflächenabschrägung 610 liegt. Demgemäß wird dieser dreieckige Materialabschnitt, der mit ABC gekennzeichnet ist und den inaktiven Abschnitt 608A umfasst, nicht verwendet, um Licht umzuleiten, das durch die Fresnel-Linse 600 durchgeht. Dieser dreieckige Materialabschnitt ABC kann von der Fresnel-Linse 600 entfernt werden, um eine flache Fläche 612 entlang der Linie AB zu erzeugen. Die Fläche 612 kann verwendet werden, um die Fresnel-Linse 600 an einer Trägerfolie anzubringen.
Ein Schirm 700, der die abgeflachte Fresnel-Linse aufweist, ist in 7A veranschaulicht. Der Schirm 700 ist aus einer Fresnel-Linse 702 gebildet, die mit einer Trägerschicht 704 in Kontakt steht. Die Trägerschicht 704 kann zum Beispiel eine Streu- bzw. Mattscheibe sein. Die Fresnel-Linse 702 weist eine Fresnel-Struktur 706 mit stumpfen Spitzen 708 und 709 auf, welche jeweilige flache Flächen 710 und 712 zum Befestigen an der Trägerschicht 704 aufweisen. Die Breite der flachen Fläche 712 der äußeren Spitzen 708 ist normalerweise breiter als die Breite des flachen Bereichs 710 der inneren Spitzen 708, da der Winkel, in welchem Licht auf der Fresnel-Linse auftrifft, zum Linsenrand hin größer ist, wodurch eine größere „Schattenregion" am Rand geschaffen wird, die entfernt werden kann, um die flachen Kontaktflächen zu bilden.
Der Schirm 700 mit der abgeflachten Fresnel-Linse ist darin vorteilhaft, dass er einen im Wesentlichen flachen Bereich zum Befestigen der Fresnel-Linse 702 an der Trägerschicht 704 bereitstellt, wodurch einer dünnen Fresnel-Linse eine Unterstützung bereitgestellt wird. Die abgeflachte Konstruktion hält auch einen Luftspalt zwischen den aktiven Abschnitten der Fresnel-Struktur 706 und der Trägerscheibe 704 aufrecht und erlaubt es dem Linsenkonstrukteur, sich bei der Konstruktion der Fresnel-Linse auf eine große Brechzahldifferenz zu stützen. Eine größere Brechzahldifferenz erlaubt die Verringerung des Winkels der funktionalen Abschnitte der Fresnel-Struktur 706, wodurch die Herstellbarkeit der Fresnel-Linse gefördert wird. Außerdem besteht vom Gesichtspunkt der Herstellung aus eine geringe Wahrscheinlichkeit des Wanderns von Klebstoff in die Rillen der Fresnel-Linse beim Zusammensetzen des Schirms, und die Verwendung der stumpfen Spitzen reduziert die Möglichkeit, die Spitzen der Fresnel-Linse zu beschädigen. Außerdem kann der Abstand zwischen dem Reflexbild und dem primären Bild, wenn schon nicht entfernt, so doch wesentlich verringert werden, da die Fresnel-Linse in unmittelbarer Nähe zur Trägerschicht ist und die Fresnel-Linse dünn gemacht werden kann, zum Beispiel bis zu 0,010 Inch (250 μm) oder dünner.
Ein anderer Vorteil, der durch die abgeflachte Fresnel-Linse 702 bereitgestellt wird, ist, dass die stumpfen Spitzen 708 und 709, selbst wenn nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht 704a, es erlauben, die Fresnel-Struktur der zweiten Schicht 704a mehr anzunähern, wie zum Beispiel in 7B veranschaulicht. Die unmittelbare Nähe zwischen der Linse 702 und der zweiten Schicht 704a, zum Beispiel einer Dispersionsscheibe, wie beispielsweise ein Diffusor oder dergleichen, verringert den Abstand zwischen dem Reflexbild und dem primären Bild. In solch einem Fall kann die Linse 702 in einem Umfangsrahmen gespannt gehalten werden.
Ein anderes Beispiel für einen Schirm, der eine abgeflachte Fresnel-Linse verwendet, ist in 7C veranschaulicht. Hier weist der Schirm 750 eine abgeflachte Fresnel-Linse 752 auf, die an einer Perlwand 754 mit einer oberen transparenten Schicht 756, einer Schicht von Perlen 758 und einer unteren transparenten Schicht 760 befestigt ist. Eine lichtundurchlässige Schicht 762 verhindert, dass Licht durch die Zwischenräume zwischen den Perlen 758 durchgeht, und kann auch Reflexion von Umgebungslicht von der Vorderseite des Schirms 750 verhindern. Wie in der US-Patentanmeldung 09/192,118 erörtert, kann die Verstärkung des Schirms durch Variieren der Differenz der Brechzahl zwischen den Perlen 758 und der oberen transparenten Schicht 756 eingestellt werden. Ein Vorteil des Verwendens einer abgeflachten Fresnel-Linse 752 mit der Perlwand 754 ist, dass Licht, das durch die Fresnel-Linse 752 durchgeht, in die Luftspalte 764 zwischen der Fresnel-Linse 752 und der oberen transparenten Schicht 756 hindurch tritt. Daher kann die Brechzahl der oberen transparenten Schicht 756 so eingestellt werden, dass eine gewünschte Schirmverstärkung erzeugt wird, ohne den Umleitungs- oder Kollimationseffekt der Fresnel-Linse 752 zu beeinflussen.
Die Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der Helligkeit über einen Schirm, die aus der Verwendung eines Schirms mit abgeflachter Fresnel-Linse gewonnen werden kann, ist in 8 veranschaulicht, welche Verstärkung als eine Funktion eines Betrachtungswinkels darstellt. Die Kurven 802 und 804 entsprechen den Verstärkungskurven für eine Streu- bzw. Mattscheibe allein und wurden zuvor in 2 dargelegt. Die obere Kurve 802 veranschaulicht die Verstärkung für Licht, das in einem Winkel von θ = 0° auf dem Schirm auftrifft, während die untere Kurve 804 die Verstärkung für Licht veranschau licht, das am Rand des Schirms auftrifft. Für eine Betrachtung bei senkrechtem Einfall in der Mitte des Schirms beträgt die Verstärkung in der Mitte (bei einem Betrachtungswinkel von 0°) 0,97, Punkt D. Die Verstärkung am Rand des Schirms (bei einem Betrachtungswinkel von –30°) beträgt 0,51, Punkt E.
Die Helligkeit ist über den Schirm, der die abgeflachte Fresnel-Linse aufweist, wesentlich gleichmäßiger, Kurven 806 und 808. Die Verstärkung, die für die Mitte des Schirms gemessen wurde, ist durch die Volllinienkurve 806 dargestellt, und die Verstärkung, die für den Rand des Schirms gemessen wurde, ist durch die gestrichelte Kurve 808 dargestellt. Die Volllinienkurve 806 folgt der Idealkurve für einen Fresnel-kollimierten Schirm 802 dicht, mit der Ausnahme eines geringen Verlusts an Verstärkung, der durch einen Reflexionsverlust verursacht wird, der durch die abgeflachte Fresnel-Linse eingeführt wird. Die Verstärkung, die durch einen Betrachter in der Mitte des Schirms mit der abgeflachten Fresnel-Linse (Betrachtungswinkel = 0°) gesehen wird, beträgt 0,91, Punkt F, während die Verstärkung am Rand des Schirms (bei einem Betrachtungswinkel von –30°) 0,70 beträgt, Punkt G. Daher beträgt der Helligkeitsabfall von der Mitte zum Rand des Schirms bei der abgeflachten Fresnel-Linse ungefähr 23 %. Der Helligkeitsabfall von der Mitte zum Rand für den idealen Schirm, Kurve 802, beträgt etwa 20 %, was sehr nahe am Wert von 23 % für den Schirm mit der abgeflachten Fresnel-Linse ist.
Daher ist die abgeflachte Fresnel-Linse beim Kollimieren des Lichts aus der Lichtquelle und Gleichmäßigmachen der Schirmhelligkeit wirksam. Die abgeflachte Fresnel-Linse weist keinen anderen Träger zusätzlich zur Streu- bzw. Mattscheibe auf und kann dünn genug gemacht werden, damit für den Betrachter keine Reflexbilder zu erkennen sind.
Es ist zu beachten, dass die Fresnel-Linse 542, die in der Ausführungsform der eingebetteten Fresnel-Linse von 5C veranschaulicht ist, bis zu einer Tiefe in die mittlere Schicht 546 eingebettet werden kann, in der die optisch inaktiven Abschnitte der Fresnel-Struktur eingebettet sind, während die optisch aktiven Abschnitte 550 der funktionalen Abschrägungen 552 zu den Luftspalten offen sind. Solch eine Konstruktion erlaubt es der Fresnel-Linse 542, mit einer großen Brechzahldifferenz zwischen der Fresnel-Linse und der Luft zu funktionieren, während die Trägerfunktion der Trägerschicht aufrechterhalten wird und während außerdem die dünne Fresnel-Linse dicht an der Trägerschicht gehalten wird, um das Auftreten von Reflexbildern zu verringern.
Eine andere Lösung, eine Fresnel-Linse auf einer Trägerschicht zu tragen, ist in Bezug auf 9 bis 12 veranschaulicht. Diese Lösung wird als eine „teilweise Fresnel-Linse" bezeichnet.
Schirme mit einer Fresnel-Linse weisen die Fresnel-Struktur normalerweise so auf, dass sie den gesamten Schirm umfasst. Dies ist in 9 veranschaulicht, in welcher der Bildschirm 900 aus einer Fresnel-Linse 902 und einer Trägerschicht 904 gebildet ist. Die Fresnel-Struktur 906 auf der Fresnel-Linse 902 umfasst die gesamte Oberfläche des Schirms 900.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildschirms 900 ist, die Fresnel-Linse 902 auf die Trägerschicht 904 aufzutragen. Es können jedoch gewisse Schwierigkeiten beim Auftragen einer Fresnel-Linse auf eine Trägerschicht 904 auftreten. Zum Beispiel kann die radial gerillte Struktur 906 der Fresnel-Linse 902 zu einem Lufteinschluss führen, wenn eine Folie auf die andere laminiert wird, was zu Schönheitsfehlern führt, die für den Betrachter erkennbar sind. Daher kann es vorteilhaft sein, zu vermeiden, die Fresnel-Struktur dort zu haben, wo sie nicht gebraucht wird. Konkret ist aus der zuvor im Hinblick auf 8 dargelegten Erörterung ersichtlich, dass Umleitung hauptsächlich an den Seitenrändern, insbesondere über die Breite des Schirms, und an den vier Ecken des Schirms erforderlich ist, um die wahrgenommene Helligkeit in diesen Bereichen zu verstärken, während in der Mitte nur eine geringe, wenn überhaupt eine, Umleitung des Schirms erforderlich ist.
Daher kann ein Schirm eine Fresnel-Linse aufweisen, die nur in jenen Abschnitten eine Fresnel-Struktur aufweist, in welchen Umleitung erforderlich ist, z.B. an den Rändern und Ecken. Solch eine Lösung ist in 10 veranschaulicht, welche einen Schirm 1000 mit einem Fresnel-Muster 1002 an den Rändern und Ecken des Schirms 1000 darstellt. Der Mittelabschnitt 1004 des Schirms weist keinerlei Fresnel-Struktur auf, da im Mittelabschnitt 1004 des Schirms 1000 eine geringere Notwendigkeit einer Umleitung von Licht besteht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Anzahl von Defekten, die während der Herstellung auftreten, z.B. infolge von Lufteinschluss, herabgesetzt werden kann, wodurch die Ausbeute an akzeptablen Schirmen erhöht wird. Da Luftfacetten im Mittelabschnitt beseitigt werden und der Einfallswinkel niedrig ist, wodurch Reflexionsverluste verringert werden, kann außerdem die Verstärkung des Mittelabschnitts der Fresnel-Linse erhöht werden.
Eine bestimmte Lösung zur Realisierung einer teilweisen Fresnel-Linse ist in 11A veranschaulicht, welche einen Querschnitt eines Schirms darstellt, der eine Fresnel-Folie 1102 verwendet, die an einer Trägerschicht 1104 befestigt ist. Die Fresnel-Folie 1102 weist einen Mittelabschnitt 1106 auf, der keine Fresnel-Struktur hat und in diesem Fall im Wesentlichen flach ist. Die Ränder der Fresnel-Folie 1102 sind mit einer gerillten Fresnel-Struktur 1108 versehen, um das Licht, das durch die Ränder 1114 des Schirms 1100 durchgeht, umzuleiten.
Hier wird der Begriff befestigt verwendet, um jedes Verfahren zu beschreiben, durch welches die Fresnel-Linse mit der Trägerschicht verbunden wird, wie beispielsweise Haftung, mit oder ohne eine Klebstoffschicht, Lamination, Heißlamination, Verschmelzung oder Ultraschall- oder HF-Bindung oder -Schweißung oder dergleichen.
In dieser konkreten Ausführungsform ist die Fresnel-Linse 1102 ebenfalls eine abgeflachte Linse, bei welcher die Spitzen der Fresnel-Struktur flache Flächen 1110 aufweisen, um mit der Trägerschicht 1104 in Kontakt zu treten.
In einer anderen Ausführungsform 1120, die in 11B veranschaulicht ist, weist die Fresnel-Linse 1122 eine Ausgangsfläche 1124 mit einem flachen Mittelabschnitt 1126 auf. Die Fresnel-Struktur 1128 an den Rändern der Linse 1122 weist Spitzen 1130 auf, die durch die funktionalen und Stoßflächenabschrägungen gebildet werden. Die Höhe des flachen Mittelabschnitts 1126 wird so ausgewählt, dass sie ungefähr dieselbe Höhe wie die Spitzen 1130 aufweist, derart dass die Spitzen 1130 die Oberfläche 1132 der Trägerschicht 1104 fast berühren oder damit in Kontakt sind.
Eine andere Lösung für eine teilweise Fresnel-Struktur, die auch eine eingebettete Struktur aufweist, ist in 12 veranschaulicht. Der Schirm 1200 weist eine Fresnel-Linse 1202 auf, die in eine Trägerschicht 1204 eingebettet ist. Die Fresnel-Linse 1202 weist eine Mittelregion 1206 auf, die ohne Fresnel-Struktur und an der Trägerschicht 1204 befestigt ist. An den Rändern der Fresnel-Linse 1202 ist eine Fresnel-Struktur 1208 vorhanden, die in die Trägerschicht 1204 eingebettet ist. Die Brechzahl der Trägerschicht 1204 ist niedriger als die Brechzahl der Fresnel-Folie 1202. Die Fresnel-Struktur 1208 ist so ausgelegt, dass sie Licht, das aus der Fresnel-Folie 1202 in die Trägerschicht 1204 eintritt, umleitet.
Es ist zu erkennen, dass andere Kombinationen von Lösungen zur Herstellung eines Schirms mit einer getragenen dünnen Fresnel-Linse verwendet werden können. Zum Beispiel kann eine abgeflachte Fresnel-Linse entweder mit einem vollen Fresnel-Muster oder einem teilweisen Fresnel-Muster in eine Trägerschicht eingebettet werden. Außerdem kann eine teilweise Fresnel-Linse in eine Trägerschicht oder eine mittlere Schicht teilweise eingebettet werden. Dies sind lediglich Beispiele für andere Lösungen, und sie beabsichtigen nicht, die Erfindung einzuschränken.
Eine andere Lösung, das Problem des Einschließens von Luftbläschen, wenn die Fresnel-Linse an einen Schirm laminiert wird, zu verringern, ist in 15A bis 15D veranschaulicht. In dieser Lösung weist eine Fresnel-Linse 1500 eine volle Fresnel-Struktur 1502 auf. Entlüftungsschlitze 1504, die über die Fresnel-Struktur 1502 verlaufen, erlauben den Durchgang von Luft aus einem Tal der Fresnel-Struktur in ein anderes Tal, wenn die Linse auf ihre Trägerschicht laminiert wird oder wenn die Fresnel-Linse hergestellt wird. Die Entlüftungsschlitze 1504 können in verschiedenen Mustern über die Fresnel-Struktur 1502 geschnitten werden. 15A veranschaulicht ein teilweises radiales Muster von Entlüftungsschlitzen 1504, wie es beispielsweise verwendet werden kann, wenn der Laminationsprozess in einer Richtung erfolgt, die im Wesentlichen parallel zum Pfeil ist. 15B veranschaulicht ein volles radiales Muster von Entlüftungsschlitzen 1504.
Ein teilweises lineares Muster von Entlüftungsschlitzen 1504 ist in 15C veranschaulicht, und ein volles lineares Muster von Schlitzen 1504 ist in 15D veranschaulicht. Solche lineare Muster können verwendet werden, wenn die Lamination oder der Herstellungsprozess der Fresnel-Linse in einer Richtung erfolgt, die durch die jeweiligen Pfeile veranschaulicht ist, d.h. im Wesentlichen parallel zu den Schlitzen 1504.
Die Entlüftungsschlitze 1504 müssen nicht gerade sein und können andere Formen annehmen, solange sie eine Ablassöffnung bereitstellen, damit Luft von einem Tal in der Fresnel-Struktur in ein anderes Tal strömen kann.
Eine andere Ausführungsform eines Fresnel-Schirms, der die Wirkung von Reflexbildern verringert, ist in 16 veranschaulicht. Der Schirm 1600 weist eine Vorderflächen-Fresnel-Linse 1602 auf, die zum Beispiel durch Lamination an einer Diffusionsschicht 1604 befestigt ist. Die Diffusionsschicht 1604 kann an einer Trägerschicht 1606 befestigt sein, um Unterstützung bereitzustellen. Ein Vorteil dieses Schirms 1600 ist, dass der „Steg" zwischen der Fresnel-Fläche 1608 und der Diffusionsschicht 1604, mit anderen Worten, die Dicke der Fresnel-Linse 1602 zwischen der Oberfläche der Diffusionsschicht 1604 und dem Boden 1610 der Rille zwischen der Stoßflächenabschrägung 1612 und der funktionalen Abschrägung 1614, sehr klein sein kann. Dies verringert den Abstand des Reflexbildes vom primären Bild.
Ein Projektionssystem, das einen Schirm mit einer dünnen Fresnel-Linse verwendet, ist in 13 veranschaulicht. Das Projektionssystem 1300 weist einen Lichtprojektor 1302 auf, der eine Lichtquelle 1304 (l.s.) aufweist, die einen Lichtstrahl 1305 erzeugt. Der Lichtstrahlen 1305 kann sich durch eine Strahlenverarbeitungsoptik 1306 fortpflanzen, bevor er einen Reflexionspolarisator 1308, zum Beispiel eine Reflexionspolarisationsplatte, wie in der PCT-Schrift WO 96/19347 beschrieben, beleuchtet. Licht einer be stimmten Polarisation wird durch den Polarisationsstrahlungsteiler 1308 auf ein LCD-Feld 1310 reflektiert. Das LCD-Feld reflektiert das Licht zum Polarisationsstrahlungsteiler 1308 zurück. Das LCD-Feld 1310 moduliert den Lichtstrahl 1309, der darauf auftrifft, räumlich durch Drehen der Polarisation um ungefähr 90°. Daher werden jene Teile des durch das LCD-Feld 1310 reflektierten Lichtstrahls 1311, deren Polarisation durch das Feld 1310 gedreht wird, durch den Polarisator 1308 als Strahl 1313 übertragen. Der Strahl 1313 kann durch die Durchstrahlungsoptik 1312 durchgehen, bevor es den Schirm 1314 beleuchtet. Die Durchstrahlungsoptik 1312 kann zum Beispiel Projektionslinsen und/oder einen Polarisator zum Reinigen des Bildes auf dem Schirm 1314 aufweisen. Der Schirm 1314 weist eine Fresnel-Linse 1316 auf, der eine Streu- bzw. Mattscheibe 1318 folgt. Wie bereits erwähnt, kann die Streu- bzw. Mattscheibe ein Volumendiffusor, ein Oberflächendiffusor, eine Perlwand oder dergleichen sein. Bei dem Schirm 1314 kann es sich um jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen oder eine Kombination davon handeln, bei welcher eine dünne Fresnel-Linse 1316 auf einer Streu- bzw. Mattscheibe 1318 getragen wird. Licht aus dem Schirm 1314 wird durch den Betrachter an der Position 1320 erfasst.
13 stellt von keinem der Lichtstrahlen den seitlichen Bereich dar, sondern zeigt einen Hauptstrahl in jedem Lichtstrahl an. Der seitliche Bereich der Strahlen wird wenigstens zum Teil durch die jeweilige Strahlenverarbeitungsoptik 1306 und Durchstrahlungsoptik 1312 bestimmt, die durch das Projektionssystem 1300 verwendet werden. Das Projektionssystem 1300 kann einen oder mehr Knickspiegel aufweisen, um die Tiefe des Systems zu verringern. Wenn der Formfaktor des Systems für eine bestimmte Schirmgröße kleiner gemacht wird, nimmt die Divergenz von Licht entlang des Lichtwegs zwischen der Lichtquelle und dem Schirm zu. Dies erhöht normalerweise die Notwendigkeit einer Um leitungslinse, wie beispielsweise einer Fresnel-Linse, am Schirm, um eine Gleichmäßigkeit der Helligkeit und eine wirksame Lichtverwendung aufrechtzuerhalten.
Es ist zu erkennen, dass das Projektionssystem nicht genauso konfiguriert werden muss, wie dargestellt. Zum Beispiel kann eine Durchstrahlungsoptik zwischen dem Polarisator 1308 und dem LCD-Feld 1310 zusätzlich zu der Durchstrahlungsoptik 1312 zwischen dem Polarisator 1308 und dem Schirm 1314 oder anstelle derselben positioniert werden. Außerdem kann das Projektionssystem so konfiguriert werden, dass es eine durchlässige LCD-Anzeige anstelle einer reflektierenden LCD-Anzeige verwendet.
Es ist zu erkennen, dass die zuvor dargelegten Ausführungsformen zu Veranschaulichungszwecken verwendet wurden und dass bestimmte Merkmale der veranschaulichten Ausführungsformen geändert werden können, ohne die vorliegende Erfindung zu beeinflussen. Zum Beispiel braucht die Fresnel-Linse kein kreisförmiges Muster aufzuweisen, wie veranschaulicht, sondern sie kann ein Fresnel-Muster aufweisen, das ein lineares Fresnel-Muster ist, um Licht entlang einer Achse umzuleiten, oder es kann auch ein nicht kreisförmiges zweidimensionales Fresnel-Muster sein, um Licht entlang zweier Achsen umzuleiten.
Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung auf Anzeigesysteme anwendbar, welche eine Fresnel-Linse einbeziehen. Sie wird insbesondere beim Verringern der Wirkung von Reflexbildern in Rückprojektionsanzeigen und -schirmen für nützlich gehalten. Die Verwendung der Fresnel-Linse der vorliegenden Erfindung erlaubt eine Verringerung des Formfaktors des Schirms und einen hohen Lichtverwendungswirkungsgrad, während sie Reflexbilder verringert, um einen Betrieb mit hoher Auflösung zu ermöglichen. Demgemäß sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die jeweiligen, zuvor be schriebenen Beispiele beschränkt angesehen werden, sondern vielmehr so verstanden werden, dass sie alle Aspekte der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen klar dargelegt, erfasst. Verschiedene Modifikationen und äquivalente Prozesse, sowie zahlreiche Strukturen, auf welche die vorliegende Erfindung möglicherweise anwendbar ist, sind für die Fachleute, an welche die vorliegende Erfindung gerichtet ist, bei Durchsicht der vorliegenden Spezifikation zu erkennen. Es ist beabsichtigt, dass die Ansprüche solche Modifikationen und Vorrichtungen erfassen.

Claims

Schirm, aufweisend: eine Fresnel-Linse (542, 1562) mit einer Eingangsfläche (410) und einer Ausgangsfläche (1568), wobei wenigstens ein Abschnitt der Ausgangsfläche eine Fresnel-Struktur (548, 1570) aufweist und die Fresnel-Struktur funktionale Abschrägungen (1574) und inaktive Abschnitte (1572, 608A, 1578) aufweist, die nicht dazu verwendet werden, Licht, das durch die Fresnel-Linse durchgeht, zurückzuleiten; und eine optische Schicht (544, 546, 1564, 1546), die auf der Fresnel-Linse angeordnet ist, wobei die Fresnel-Struktur teilweise in die optische Schicht eingebettet ist und Luftspalte (550) zwischen den funktionalen Abschrägungen und der optischen Schicht belässt.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die inaktiven Abschnitte eine flache Oberfläche (1578, 710) aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der optischen Schicht ist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die inaktiven Abschnitte (1576, 1578) eine quadratische Querschnittsform oder eine rechteckige Querschnittsform aufweisen.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsfläche der Fresnel-Linse einen flachen Mittelabschnitt (1126) und die Fresnel-Struktur (1002) an den Rändern und Ecken aufweist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei eine Eingangsfläche (410) der Fresnel-Linse so ausgelegt ist, dass sie spiegelnde Reflexion verringert.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Fresnel-Linse streuende Teilchen (422) darin angeordnet aufweist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Fresnel-Linse absorbierende Teilchen (422) darin angeordnet aufweist.
Schirm nach Anspruch 13, wobei die Eingangsfläche (410) der Fresnel-Linse eine mattierte Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die optische Schicht eine Streu- bzw. Mattscheibe, ein Linsenraster, eine Perlwand, eine Oberflächenstreuscheibe, eine holografische Streuscheibe oder eine mikrostrukturierte Streuscheibe ist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Brennweite der Fresnel-Struktur über die Breite der Fresnel-Linse nicht konstant ist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Fresnel-Linse ferner einen Entlüftungsschlitz (1504) aufweist, der quer über die Fresnel-Struktur verläuft.
Schirm nach Anspruch 1, welcher ferner einen Bildprojektor (1302) mit einer Lichtquelle (1304), welche die Eingangsfläche der Fresnel-Linse beleuchtet, aufweist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die optische Schicht haftfähig ist.
Schirm nach Anspruch 1, wobei die Fresnel-Linse durch die optische Schicht getragen wird.
Schirm nach Anspruch 14, wobei die Trägerschicht eine Streu- bzw. Mattscheibe, ein Linsenraster, eine Perlwand, eine Oberflächenstreuscheibe, eine holografische Streuscheibe oder eine mikrostrukturierte Streuscheibe ist.