EP1546802A1 - Kontrasterhöhende bildwand - Google Patents

Kontrasterhöhende bildwand

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Publication number
EP1546802A1
EP1546802A1 EP03770955A EP03770955A EP1546802A1 EP 1546802 A1 EP1546802 A1 EP 1546802A1 EP 03770955 A EP03770955 A EP 03770955A EP 03770955 A EP03770955 A EP 03770955A EP 1546802 A1 EP1546802 A1 EP 1546802A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
contrast
screen according
coating
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03770955A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Rickers
Michael Vergöhl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1546802A1 publication Critical patent/EP1546802A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/54—Accessories
    • G03B21/56—Projection screens
    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface

Definitions

  • the present invention relates to a contrast-increasing screen for the display of static or moving images by means of projection through a narrow-band light source, such as one or more monochromatic light sources.
  • the reflectivity of the screen should be low for the entire wavelength range of visible light, except for the wavelengths that correspond to the radiation from the light source or light sources.
  • projection screens are therefore desirable which have a strongly wavelength-selective reflection behavior have: That is, the reflectivity of the screen for the wavelengths that correspond to the primary valences used for the projection should be as high as possible and as low as possible for the other wavelengths, for example from ambient light.
  • reflection is understood to mean the total light intensity scattered or reflected back from the screen, based on the incident intensity.
  • the reflection of the screen should have a selectable spatial angle characteristic, the reflection taking place in a defined radiation angle range, so that little or no light is emitted into / from those spatial angle regions where there is no observer.
  • the reflection should take place in an angular range of +/- 40 °, measuring from the normal to the screen horizontally to the left or to the right. Due to the spatial angle characteristic, a specular reflection is avoided and instead a diffuse reflection is caused.
  • the contrast is further increased compared to a Lambert radiator.
  • the screen should have spectrally and spatially selective reflectivity.
  • DE 197 47 597 describes a projection screen in which the spectral selectivity for monochromatic light such as laser light is brought about by a multilayer system which is composed of layers of dielectric materials which are alternately high and low refractive index.
  • This multilayer system which acts as an interference filter, increases the reflectivity for the wavelengths of the monochromatic laser light and reduces it outside the wavelength range of the projection light.
  • pigments are provided on the screen in a separate lacquer layer.
  • DE 199 01 970 describes a spectrally selectively reflecting screen for the projection with narrow-band, in particular monochromatic, light, such as is generated by lasers, for example, in which the spectral selectivity is brought about by a coating of cholesteric polymers.
  • the surface of the substrate to which the coating is applied is structured here.
  • the spectrally selectively reflecting coating can in principle be applied to the structured surface itself, the structure being transferred to the coating.
  • the spectrally selectively reflective coating can first be applied to the smooth substrate, and then the structured layer can be applied.
  • interference filters e.g.
  • a scattering surface must be applied to the layer system. This is usually done by mechanical processing of the filter layer, whereby it is exposed to stresses and can be destroyed.
  • the object according to the invention is achieved by a contrast-increasing screen which contains a substrate and a spectrally selectively reflecting coating, the screen having at least one spatially reflecting layer, the spatially reflecting layer being selected from a layer which is formed from a curable lacquer, and a holographically structured film.
  • the invention further relates to the use of curable lacquers and holographically structured foils for the formation of such spatially reflecting layers.
  • any known spectrally selectively reflecting coating can be used for the screen according to the invention, as described, for example, in the aforementioned German patent application DE 197 47 597 A1, in the international application WO 98/36320 and in the German patent DE 199 01 970 C2 which are expressly referred to in this context and which are fully incorporated into the present application.
  • the spatially selective reflection is brought about by a layer with a structured surface, which consists of a curable lacquer, or is a holographically structured film in which the surface and / or its volume has been structured and / or modified using known holographic methods is.
  • Holographically structured foils are known per se and are e.g. already used by POC in combination with a spectrally unselective filter as a contrast-increasing screen (LORS).
  • LORS contrast-increasing screen
  • the structuring results in the course of the hardening of such lacquer layers by polymerization and crosslinking of the starting materials used, which leads to shrinkage processes which lead to the microfolding of the surface. This micro-folding results in the desired structuring on the surface of the lacquer layer.
  • Suitable methods and materials for structured lacquer layers that can be used according to the invention are described in principle in German patent application DE 198 42 510 A1. In general, there is a manufacturing process here of decorative and functional surfaces on rigid or flexible substrates, but without referring to specific applications. The methods and materials described there can in principle also be used for the production of the structured lacquer layer used according to the invention.
  • the lacquers that can be used for the present invention are preferably electron-beam or UV-curing coloring and lacquer layers.
  • these coloring or lacquer layers are obtained by starting mixtures of polymerizable and crosslinkable mono- and oligomers with or without The photoinitiator is applied in a conventional manner to a suitable base and hardened by means of suitable radiation, the extent of the microfolding and thus the appearance of the structuring vary depending on the monomer / oligomer system used, layer thickness, UV wavelength, Art of the substrate and coating technology, so that the structuring can be specifically adjusted as required by simply varying the parameters mentioned.
  • Suitable starting materials are acrylates, epoxies, vinyl ethers, unsubstituted and substituted styrenes and mixtures thereof. These can be in suitable solvents.
  • the acrylates preferably have a functionality of 2 or more.
  • Monochromatic UV light of a wavelength is preferably used for the curing, which is still able to directly form polymer radicals for the polymerization and crosslinking, is in the UV absorption range of the coating component and enables curing with an acceptable photon dose.
  • all wavelengths that are able to effect curing in the irradiated zone of the lacquer layer can be used to generate the micro-folding are used, provided they correspond to the absorption spectra of the paint components.
  • Examples of commercially available emitters which are suitable for the present invention are an excimer UV laser which emits monochromatic UV light at 172 nm and 222 nm, as is available, for example, from Heraeus Noblelight.
  • An argon excimer laser with a wavelength of 126 nm is also suitable.
  • the radiation for curing and folding the lacquer layer should preferably take place in an inert atmosphere.
  • urethane diacrylate is chosen as the lacquer component, preferably together with a flexible reactive thinner. With such flexible systems, fine matt gloss structures can be obtained.
  • a radiator as mentioned above can be used for curing.
  • the starting components can be present in pure form, diluted with organic solvents or as an aqueous dispersion.
  • the starting components can be mixtures of radiation-polymerizable mono- / oligomers and liquid or dissolved, non-radiation-polymerizable polymers.
  • the viscosity of the starting components at the time of exposure is less than 10,000 mPas.
  • higher-viscosity starting materials can also be processed, although supporting measures are generally required.
  • higher-viscosity acrylates can be structured with thermal support.
  • the thickness of the lacquer layer is chosen in a range that is customary for picture walls.
  • the lacquer layer used according to the invention preferably has a thickness which is in a range from 5 to 15 ⁇ m.
  • lacquer layers can also be used for the present invention, in which the hardening takes place by mechanisms other than by irradiation with electron beams or UV light, as long as there is a corresponding structuring of the surface, for example by radiation of different wavelengths or Heat etc.
  • the function results from a surface relief that is reproduced by a holographically fabricated master.
  • the completely random, non-periodic structures that can be obtained can be understood as randomly arranged microlenses.
  • the function of the foils is not dependent on the wavelength and is equally given with white, monochromatic, as well as with coherent and incoherent light.
  • the random structure of the holographically structured foils to be used according to the invention destroy undesired moiré effects and color diffraction.
  • the incident light can be precisely controlled in very defined areas.
  • the remi- Tiert light can thus be limited to a solid angle range, whereby the light yield can be optimized.
  • FIG. 1 shows two embodiments of the screen according to the invention with different arrangements of the spatially selectively reflecting layer
  • FIG. 2 shows a comparison of the optical performance of an image wall according to the invention with a planar substrate with an image wall with a conventionally structured substrate
  • FIG. 3 shows an illustration of the angle dependence of the reflection of an image wall according to the invention with a varnish layer of different fineness.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the development of a spectrally selectively reflecting coating using a genetic algorithm
  • FIG. 5 shows a diagram of the spectral profile of an image wall obtained by a method according to FIG. 4.
  • the spatially selectively reflecting layer 1 used according to the invention can be arranged in any way, it being possible for it to be located above (FIG. 1a) or below (FIG. 1b) the spectrally selective coating 2. In the illustration shown, it is located directly above or below the spectrally selective coating 2, the individual layers being arranged on a substrate 3.
  • the structured lacquer layer / film which acts as a spatially selectively reflecting layer 1, ensures the scattering of the light projected onto the screen, illustrated here by the arrows 4, 5, 6 and 7, the spectral selectivity is achieved by the coating 2.
  • the holographically structured film can be used as a substrate. In this case, the spectrally selectively reflecting coating 2 is applied to the smooth back of the film.
  • a multilayer system is used as the spectrally selectively reflecting coating 2, such as an RGB filter, the structure must be adapted accordingly by producing the layer sequence during coating inversely to the coating sequence on a separate substrate, such as in FIG. 1a shown, carried out, and the changed incidence medium is taken into account that is now no longer air but the holographically structured film.
  • An advantage of the screen according to the invention is that spatial selectivity is obtained by means of a thin, flexible, structured film or foil, the scattering properties of which can be adjusted very finely in the course of production.
  • a further advantage which occurs in particular in the case of an arrangement according to FIG. 1a, in which the structured lacquer layer / film is applied to the spectrally selective coating 2, lies in the fact that the structuring of the surface as provided according to the invention means that the spectrally selective initially applied Coating 2 is not exposed to any mechanical influences that could damage or even destroy it.
  • the structure per se was created before the coating - this avoids the possible destruction of the filter by subsequent embossing and also has the advantage of coating on a smooth surface (back of the film or the substrate) to be able to.
  • any material can be used as the substrate 3, as is known per se for the production of such picture walls.
  • material alien are glass or plastic.
  • the substrate 3 can be transparent or non-transparent.
  • the screen can be used, for example, for a projection on transparent glass or plastic surfaces, such as on window panes, as a head-up display or the like.
  • the substrate can be highly absorbent, for example by being colored black, so that it shows minimal remission for all wavelengths of visible light.
  • the substrate can be made of a flexible or rigid material.
  • An example of a flexible substrate is a plastic film. If the holographically structured film is used for the spatially selectively reflecting layer 1, it can also be used directly as a substrate. In this case, the holographically structured film should be chosen to be transparent.
  • the spatially reflective layer 1 is applied to the spectrally selective coating 2 as shown in FIG. 1a, a clear lacquer or a transparent film is selected.
  • the spatially reflective layer 1 is applied between the substrate 3 and the spectrally selective coating 2
  • an arbitrarily transparent or non-transparent material that is more or less transparent to light
  • the lacquer layer can be colored with suitable dyes and / or pigments.
  • a correspondingly absorbent lacquer layer can be applied to a substrate which is transparent per se.
  • any spectrally selectively reflecting coating known per se can be used for the screen according to the invention.
  • the spectrally selective coating 2 can thus be formed from one or more cholesteric polymer layers, as described in DE 199 01 970 C2. Spectral selectivity is achieved on the basis of the properties of cholesteric polymers which, as a single layer, have the ability to circularly polarized light of a certain handedness (ie either right or left circular) and thus 50% of the unpolarized light in a certain wavelength band To reflect ⁇ .
  • the screen should have at least 2 mutually enantiomeric cholesteric polymer layers with corresponding selectivity for this wavelength for each selected wavelength. In this case, since cholesteric enantiomers reflect oppositely circularly polarized light, both the right-hand and the left-hand circularly rotating portion of the unpolarized light in the relevant wavelength band is reflected.
  • a screen that is particularly suitable for RGB radiation should therefore have at least six layers of cholesteric polymers, two adjacent layers being enantiomeric to each other and reflecting the blue, red or green light, so that a total reflection of approximately 100% for all RGB Wavelengths can be achieved.
  • the spectrally selective coating 2 can be constructed from a multi-layer system of at least two dielectric materials with different refractive index.
  • the at least two layer materials are applied alternately on the substrate, so that a low-index layer and a high-index layer are arranged alternately on the substrate.
  • the respective layer thicknesses of the high or low refractive index layers of a system can be the same or different. For example, one or more periods of a high-index layer with a first layer thickness and a low-index layer with a second layer thickness can be provided. In this case one speaks of a periodic arrangement.
  • the thicknesses of the high-index and low-index layers can also vary; in this case one speaks of a non-periodic arrangement.
  • suitable dielectric materials for the above coating 2 of layers with low and high refractive index materials are the oxides or nitrides of silicon, aluminum, titanium, bismuth, zircon, cerium, hafnium, niobium, scandium, magnesium, tin, zinc, yttrium and indium.
  • Preferred examples for low refractive index materials are SiO 2 and MgS 2 and in particular Al 2 O 3 .
  • high-index materials are tantalum oxide, titanium oxide and niobium oxide and Si 3 N 4 .
  • Examples of preferred combinations of high-index and low-index materials are silicon dioxide as the low-index material and titanium dioxide in the rutile phase or in the anatase phase as the high-index material, and the combinations SiO 2 / Si 3 N 4 and in particular Al 2 O 3 / Si 3 N 4 .
  • Another example of a suitable material is the mixing system
  • Coatings of this type made of a multi-layer system consisting of a sequence of alternately high and low refractive index dielectric materials act as an interference filter with which the wavelengths of the projection light are selectively reflected.
  • a filter system with a refractive index that is continuously and periodically modulated over the filter thickness can be used as a spectrally selective coating 2 - a so-called rugate filter.
  • the above-mentioned mixing system Si 1 can be used, for example. x . y O x N y are used, the refractive index being set here by varying the nitride concentration.
  • mixing systems consisting of a low refractive index and a high refractive index component such as mixing systems selected from SiO 2 / TiO 2 , SiO 2 / Ta 2 O 5 and SiO 2 / Nb 2 0 5 can be used.
  • the refractive index is set here via the mass ratio of the components.
  • spectrally selective coatings 2 on the basis of mixing systems, for example, cosputter processes or CVD processes, as are generally known, can be used.
  • Methods for producing the multilayered layer systems from dielectric materials are known per se and are described, for example, in DE 197 47 597 A1 and WO 98/36320.
  • suitable coating processes are vacuum coating processes such as magnetron sputtering and electron beam evaporation.
  • the angle dependency of such a layer system of low and high refractive index layers can be reduced.
  • the angle dependency can be reduced.
  • the angle dependency, and thus the shift of the peaks of the primary valences in the spectrum, is less for a layer system Al 2 O 3 / Si 3 N 4 than for a system SiO 2 / Si 3 N 4 .
  • the low-index material SiO 2 was replaced by Al 2 O 3 , which has a higher refractive index.
  • the scattering behavior of a given screen can be adjusted by simply modifying the structuring of the lacquer layer or the holographically structured film which form the spatially selectively reflecting layer 1, so that the angular characteristic of the screen can be varied as required.
  • FIG. 3 shows the angle dependence of the reflection from picture walls according to the invention with a lacquer layer as a spatially reflecting layer 1, which differ in the angle characteristic.
  • the differences in the angular characteristics result from the use of varnishes with different finishes.
  • planar substrates can be used, but also the angular characteristic of a screen can be set individually, depending on the requirements, by simply modifying the structuring of the lacquer layer or the film.
  • the spectrally selectively reflecting coating 2 can in principle be located above or below the substrate 3.
  • the geometric distance between the selectively reflecting coating 2 and the scattering surface that is to say the structure of the lacquer layer or the film, should be as possible be small, which can be achieved, for example, by minimizing the thickness of the lacquer layer or film.
  • the structured lacquer layer 1 is applied to the spectrally selectively reflecting coating 2.
  • the optical properties of the lacquer can be taken into account when designing the coating 2 in order to obtain an optimization of the optical properties of the screen.
  • the refractive index of the lacquer can be adapted to the properties of the coating and a so-called index adaptation can be obtained.
  • an anti-reflective coating 8 for anti-reflective treatment can additionally be provided on the spatially reflective layer 1 for an embodiment as shown in FIG. 1a, for example, in which the spectrally selectively reflective coating 2 is arranged below the spatially reflective layer 1.
  • an anti-reflective coating 8 any intrinsic reflections that may occur on the surface of layer 1, which can be approximately 4%, can be reduced to less than 1%.
  • anti-reflective coatings can be used for this.
  • An example of a suitable anti-reflective coating is a layer system consisting of TiO 2 (11 nm) -SiO 2 (40 nm) -TiO 2 (110 nm) -SiO 2 (85 nm).
  • Anti-reflective coatings can be deposited on the surface of the screen, for example, by a vacuum coating process (vapor deposition or sputtering) or by a wet chemical coating process (sol-gel process). Magnetron sputtering or electron beam evaporation can be mentioned as suitable methods.
  • the spatially selectively reflecting image wall according to the invention contains a spectrally selectively reflecting coating 2, which is optimized with regard to the fact that, in addition to the highest possible contrast, it offers the best compromise between a small layer thickness, a small number of layer materials to be used and a small number Has individual layers.
  • the screen should enable suppression or at least suppression as far as possible of the so-called color flop effect.
  • a color flop is understood to mean a change in the viewer's color impression, which is caused by a change in the viewing angle. The reason for this is the angle-dependent reflection transmission behavior of interference filters.
  • color neutrality means that e.g. B. projected white actually appears as white and not e.g. B. has a red cast.
  • a corresponding color neutrality can be achieved by comparing the intensities of the primary valences of the respective projector with the relevant screen.
  • the white balance is carried out here Adjust the color neutrality directly on the projector itself and not on the screen. In this case, significantly higher contrast values can be achieved with the same layer thicknesses than with a screen with the same peak heights for the primary valences. The reason for this is the possibility of reducing the green reflection, for which the human eye is very sensitive.
  • the spectral sensitivity of the human eye can also be taken into account in order to produce an optimal image impression on the viewer.
  • the layer system should have an optimal profile with regard to the properties mentioned above, in particular with a predetermined number of layers.
  • a spectrally selectively reflecting coating is preferably used for the screen according to the invention, which coating is obtained by using an evaluation method based on the colorimetry instead of the conventional optimization for a predetermined reflection spectrum based.
  • the colorimetric evaluation is combined with an optimization algorithm that does not require a predetermined initial design as input for the optimization, which essentially already reproduces the target spectrum.
  • the mode of operation of the genetic algorithm for optimizing spectrally selectively reflecting coatings for picture walls is explained in more detail below with reference to the flow chart in FIG.
  • the functioning of the genetic algorithm is based on the evolution and recombination strategies of nature. The basic idea is that out of a number of individuals that together form a generation, only those individuals are selected to generate a new generation who have the best characteristics in terms of their environment. In the present case, an individual is understood to mean a layer system with its layer thicknesses and material properties. The parameters of the layer system such as layer thicknesses and materials are called genes.
  • the algorithm first generates a population of individuals by randomly assigning materials and layer thicknesses (referred to as "static population" in FIG. 4). These individuals are then evaluated and sorted by quality.
  • a loop consisting of the steps recombination, mutation, Evaluation and selection (selection of the better individuals, ie strata), whereby bad strata are largely discarded.Repeatedly performing the loop improves the quality of the population on average and that of the best individual absolutely until an optimum is reached.
  • the advantage of the genetic algorithm compared to standard hill-climbing algorithms lies in its parallelism and the fact that currently worse individuals are involved, who can discover new search areas in the fitness function through further recombination in later generations. This is essential for a global search H.
  • the evaluation and thus optimization takes place on the basis of colorimetric considerations. Since the evaluation is based on the color metric, a specification of a discrete target spectrum can be dispensed with. The contrast results from this
  • k indicates the contrast that the screen achieves for primary valences of the corresponding wavelengths with respect to ambient light.
  • a modified formula (1) can be used for evaluating the contrast, the major change being that the sum is replaced by a product:
  • ⁇ R is the standard deviation of reflectivity and C is an empirical factor.
  • N is usually set to 3 for three primary valences. Using this exponent, a weighting between the reflected brightness and the resulting contrast is also possible by selecting other values.
  • the layer system must be designed so that the change in the reflected intensities caused by changing the viewing angle is the same for all wavelengths of the projection light.
  • the spectra of an individual (layer system) are calculated for different viewing angles and the change in the reflected intensities for the wavelengths of the primary valences is compared, using standard deviations of these values.
  • the color neutrality of the image can also be adjusted by means of white balance, the intensity of that reflected by the screen
  • the genetic algorithm is used to evaluate a layer system which does not require a fixed specification for a discrete reflection spectrum and which increases the contrast, at the same time suppressing the color flop.
  • coatings with a contrast of at least 2.5 and a thickness of the entire layer of less than 4.5 ⁇ m can be achieved with this.
  • FIG. 5 schematically shows the spectral profile of a spectrally selectively reflecting coating which has been obtained using the genetic algorithm described above.
  • the layer structure starting from the glass substrate is as follows:

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildwand zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder unter Verwendung von einer oder mehrerer monochromatischer Laserlichtquellen, wobei die Bildwand eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung aufweist und die Bildwand zudem zur Erhöhung der räumlichen Selektivität eine strukturierte Lackschicht aus einem härtbaren Lack oder eine von einem holographischen Master erstellte strukturierte Folie als räumlich selektiv reflektierende Schicht enthält.

Description

Kontrasterhöhende Bildwand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontrasterhöhende Bildwand für die Darstellung statischer oder bewegter Bilder mittels Aufprojektion durch eine schmal- bandige Lichtquelle, wie zum Beispiel einer oder mehrerer monochromatischer Lichtquellen.
Um projektierte Bilder möglichst unbeeinflusst von Störlicht, wie Tageslicht oder künstlicher Raumbeleuchtung, betrachten zu können, sollte das Reflexionsver- mögen der Bildwand für den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts gering sein, ausgenommen für die Wellenlängen, die der Strahlung der Lichtquelle beziehungsweise der Lichtquellen entsprechen. Für die großflächige Auflichtprojektion insbesondere farbiger Bilder mittels Laserlichtquellen oder anderer mehr oder weniger schmalbandiger Lichtquellen für mehrere Primärvalen- zen (etwa rot, grün, blau [RGB] wie LCD-Projektion oder CRT-Projektion) sind daher Bildwände wünschenswert, die ein stark wellenlängenselektives Reflexionsverhalten aufweisen: Das heißt, das Reflexionsvermögen der Bildwand für die Wellenlängen, die den zur Projektion verwendeten Primärvalenzen entsprechen, sollte möglichst hoch sein und für die anderen Wellenlängen zum Beispiel aus dem Umgebungslicht möglichst gering.
Im Sinne der Erfindung wird unter Reflexion die gesamte von der Bildwand zurückgestreute oder reflektierte Lichtintensität, bezogen auf die einfallende Intensität, verstanden.
Darüber hinaus sollte die Reflexion der Bildwand eine wählbare räumliche Winkelcharakteristik aufweisen, wobei die Reflexion in einem definierten Abstrahlwinkelbereich erfolgt, damit kein oder nur wenig Licht in/aus solche/n Raumwin- kelbereiche(n) remittiert wird, in denen sich kein Betrachter aufhält. Idealerweise sollte die Reflexion in einem Winkelbereich von +/- 40° erfolgen, wobei von der Normalen auf die Bildwand horizontal nach links beziehungsweise nach rechts gemessen wird. Durch die räumliche Winkelcharakteristik wird eine spiegelnde Reflexion vermieden und statt dessen eine diffuse Reflexion bewirkt. Zudem wird der Kontrast gegenüber einem Lambertstrahler weiter erhöht. Um die statischen oder bewegten Bilder auf einer Bildwand auch bei Tageslicht deutlich und ungestört vom Tages- oder sonstigem Umgebungslicht beziehungsweise Störlicht wahrnehmen zu können, sollte die Bildwand spektral und räumlich selektives Reflexionsvermögen aufweisen.
Es wurden bereits verschiedene Vorschläge zur Verbesserung nicht nur der spektralen Selektivität, sondern zugleich auch der räumlichen Selektivität der Reflexion von Bildwänden gemacht.
So wird in DE 197 47 597 eine Bildwand beschrieben, bei der die spektrale Selektivität für monochromatisches Licht wie Laserlicht durch ein Mehrschichtsystem bewirkt wird, das aus Schichten aus dielektrischen Materialien aufgebaut ist, die abwechselnd hoch- und niedrigbrechend sind. Durch dieses Mehrschicht- system, das als Interferenzfilter wirkt, wird die Reflektivität für die Wellenlängen des monochromatischen Laserlichts erhöht und außerhalb der Wellenlängenbereiche des Projektionslichtes abgesenkt.
Zur Einstellung der Winkelcharakteristik werden auf der Bildwand Pigmente in einer separaten Lackschicht vorgesehen.
DE 199 01 970 beschreibt eine spektral selektiv reflektierende Bildwand für die Aufprojektion mit schmalbandigem, insbesondere monochromatischem, Licht, wie es zum Beispiel von Lasern erzeugt wird, bei der die spektrale Selektivität durch eine Beschichtung aus cholesterischen Polymeren bewirkt wird. Zur Einstellung der räumlichen Winkelcharakteristik wird hier die Oberfläche des Substrats, auf das die Beschichtung aufgebracht ist, strukturiert.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verwendung von Pigmenten zur Einstellung der Winkelcharakteristik zwar die gewünschte diffuse Reflektivität erhalten wird, jedoch andererseits durch die Partikel eine hohe Streuung verursacht wird. Diese hohe Streuung bewirkt, dass Licht, welches zuerst diese streuende Schicht durchlaufen muss, ehe es zur spektralselektiven Beschichtung vordringen kann, bereits in der Streuschicht selbst spektral unselektiv zurückemittiert wird, so dass im Ergebnis die spektrale Selektivität der Bildwand verringert oder sogar zerstört wird.
Erfolgt die Einstellung der Winkelcharakteristik durch Strukturierung der Oberflä- ehe des Substrats, kann hierbei grundsätzlich die spektral selektiv reflektierende Beschichtung auf die strukturierte Fläche selbst aufgetragen werden, wobei sich die Struktur auf die Beschichtung überträgt. Alternativ kann zuerst die spektral selektiv reflektierende Beschichtung auf das glatte Substrat erfolgen, und dann die strukturierte Schicht aufgetragen werden. In Kombination mit Interferenzfil- tern z. B. ergibt sich das Problem, dass im Fall einer Beschichtung auf ein strukturiertes Substrat die spektrale Selektivität leidet, da sich die Peakpositio- nen der Wellenlängen im Spektrum ändern und der Untergrund stärker reflektiert, wie nachstehend ausführlicher im Zusammenhang mit Figur 2 diskutiert. Bei umgekehrter Reihenfolge, das heißt für den Fall, dass zuerst die spektral selektiv reflektierende die Beschichtung auf das glatte Substrat aufgetragen wird, muss auf das Schichtsystem eine streuende Fläche aufgebracht werden. Dies geschieht üblicherweise durch mechanische Bearbeitung der Filterschicht, wodurch diese Beanspruchungen ausgesetzt ist und zerstört werden kann.
Es bestand daher Bedarf an einer Möglichkeit, die räumliche Winkelcharakteristik von spektral selektiv reflektierenden Bildwänden einstellen zu können, ohne dass die vorstehend genannten Probleme auftreten. Zudem sollte die Einstellung auf einfache Art und Weise durchführbar sein und insgesamt eine Verbesserung der räumlich selektiven Reflektivität von Bildwänden ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine kontrasterhöhende Bildwand, die ein Substrat und eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung enthält, wobei die Bildwand mindestens eine räumlich reflektierende Schicht aufweist, wobei die räumlich reflektierende Schicht ausgewählt ist unter einer Schicht, die aus einem härtbaren Lack gebildet ist, und einer holographisch strukturierten Folie. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung von härtbaren Lacken und holographisch strukturierten Folien zur Ausbildung von derartigen räumlich reflektierenden Schichten.
Für die erfindungsgemäße Bildwand kann eine beliebige bekannte spektral selektiv reflektierende Beschichtung eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel in der vorstehend genannten Deutschen Patentanmeldung DE 197 47 597 A1 , in der internationalen Anmeldung WO 98/36320 und in dem Deutschen Patent DE 199 01 970 C2 beschrieben sind, auf die hier in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird und die voll inhaltlich in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen werden.
Erfindungsgemäß wird die räumlich selektive Reflexion durch eine Schicht mit strukturierter Oberfläche bewirkt, die aus einem härtbaren Lack besteht, oder eine holographisch strukturierte Folie ist, bei der die Oberfläche und/oder deren Volumen unter Einsatz an sich bekannter holographischer Verfahren strukturiert und/oder modifiziert worden ist.
Holographisch strukturierte Folien sind an sich bekannt und werden z.B. von der Firma POC in Kombination mit einem spektral unselektiven Filter bereits als kontrasterhöhende Bildwand (LORS) eingesetzt. Die hierbei erzielte Kontrasterhöhung ist jedoch nur ungenügend, da sie lediglich aus der ausschließlichen Remission von Licht aus einem definierten Raumwinkelbereich resultiert.
Im Falle der Verwendung des Lackes ergibt sich die Strukturierung im Verlauf der Härtung derartiger Lackschichten durch Polymerisation und Vernetzung der eingesetzten Ausgangsmaterialien, wobei es zu Schrumpfungsprozessen kommt, die zur Mikrofaltung der Oberfläche führen. Durch diese Mikrofaltung ergibt sich auf der Oberfläche der Lackschicht die gewünschte Strukturierung.
Geeignete Verfahren und Materialien für erfindungsgemäß einsetzbare strukturierte Lackschichten sind in der Deutschen Patentanmeldung DE 198 42 510 A1 prinzipiell beschrieben. Es wird hier ganz allgemein ein Verfahren zur Herstellung von dekorativen und funktionellen Oberflächen auf starren oder flexiblen Substraten offenbart, ohne jedoch auf konkrete Anwendungen Bezug zu nehmen. Die dort beschriebenen Verfahren und Materialien können prinzipiell auch für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten strukturierten Lackschicht ver- wendet werden.
"Bei den für die vorliegende Erfindung einsetzbaren Lacken handelt es sich vorzugsweise um Elektronenstrahl- oder UV-härtende Färb- und Lackschichten. Prinzipiell werden diese Färb- oder Lackschichten erhalten, indem Ausgangs- mischungen aus polymerisier- und vernetzbaren Mono- und Oligomeren mit oder ohne Photoinitiator auf an sich übliche Art und Weise auf eine geeignete Unterlage aufgebracht und mittels geeigneter Strahlung gehärtet werden. Das Ausmaß der Mikrofaltung und damit das Erscheinungsbild der Strukturierung variiert dabei in Abhängigkeit des eingesetzten Monomer-/Oligomersystems, Schichtdi- cke, UV-Wellenlänge, Art des Substrats und Beschichtungstechnik. Somit lässt sich durch einfache Variation der genannten Parameter je nach Bedarf die Strukturierung gezielt einstellen.
Geeignete Lacke beziehungsweise Lacksysteme sind ausführlich in DE 198 42 510 A1 beschrieben.
Beispiele für geeignete Ausgangsmaterialien sind Acrylate, Epoxide, Vinylether, unsubstituierte und substituierte Styrole und Mischungen davon. Diese können in geeigneten Lösungsmitteln vorliegen. Die Acrylate weisen hierbei vorzugsweise eine Funktionalität von 2 oder mehr auf.
Die Härtung dieser Materialien erfolgt üblicherweise durch Bestrahlung mit monochromatischem UV-Licht mit einer für das jeweilige System geeigneten Wellenlänge. Für die Härtung wird vorzugsweise monochromatisches UV-Licht einer Wellenlänge eingesetzt, das noch in der Lage ist, direkt Polymerradikale für die Polymerisation und Vernetzung zu bilden, im UV-Absorptionsbereich der Lackkomponente liegt und eine Härtung mit vertretbarer Photonendosis ermöglicht. Prinzipiell können alle Wellenlängen, die in der Lage sind, in der durchstrahlten Zone der Lackschicht die Härtung zu bewirken, zur Erzeugung der Mikrofaltung eingesetzt werden, sofern sie den Absorptionsspektren der Lackkomponenten entsprechen.
Beispiele für kommerziell erhältliche Strahler, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, ist ein Excimer-UV-Laser, der monochromatisches UV-Licht bei 172 nm und 222 nm emittert, wie er zum Beispiel von Heraeus Noblelight erhältlich ist. Geeignet ist zudem ein Argon-Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 126 nm.
Da Luft kurzwellige UV-Strahlung unter Ozonbildung absorbiert, sollte die Be- Strahlung zur Aushärtung und Faltung der Lackschicht vorzugsweise in inerter Atmosphäre erfolgen.
Es hat sich gezeigt, dass mit abnehmender Wellenlänge die Eindringtiefe der Photonen in die Lackschicht geringer ist und damit eine feinere Strukturierung erhalten wird. So wird mit Wellenlängen von kleiner 200 nm im Allgemeinen eine feine, nicht sichtbare Mikrofaltung ausgebildet und mit größeren Wellenlängen von 200 nm und mehr größere Strukturen, die sichtbar sind. Zudem hat sich gezeigt, dass bei längerwelliger Strahlung (222 nm) das Peak-Valley-Verhältnis der Oberflächenrauhigkeit und -welligkeit mit zunehmender Dicke der Lackschicht stärker wächst als bei kurzwelliger Bestrahlung (172 nm).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lackkomponente Urethan- diacrylat gewählt, vorzugsweise zusammen mit einem flexiblen Reaktivverdünner. Mit solchen flexiblen Systemen lassen sich feine Mattglanzstrukturen erhalten. Für die Härtung kann ein Strahler, wie er vorstehend genannt ist, eingesetzt werden.
Für die Herstellung der strukturierten Lackschicht können die Ausgangskompo- nenten in reiner Form, mit organischen Lösungsmitteln verdünnt oder als wäss- rige Dispersion vorliegen. Die Ausgangskomponenten können Mischungen aus strahlenpolymerisierbaren Mono-/Oligomeren und flüssigen oder gelösten, nicht strahlenchemisch polymerisierbaren Polymeren sein. Für die Verarbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Viskosität der Ausgangskomponenten im Belichtungszeitpunkt weniger als 10.000 mPas beträgt.
Grundsätzlich können auch höherviskose Ausgangsmaterialien verarbeitet wer- den, wobei jedoch im Allgemeinen unterstützende Maßnahmen erforderlich sind. So lassen sich höherviskose Acrylate mit thermischer Unterstützung strukturieren.
Systeme mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung weisen eine für die Mikrofaltung vorteilhafte Schrumpfung auf und verfügen über die erforderliche UV-Reaktivität.
Die Dicke der Lackschicht wird in einem für Bildwände üblichen Bereich gewählt. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäß verwendete Lackschicht eine Dicke auf, die in einem Bereich von 5 bis 15 μm liegt.
Es versteht sich jedoch, dass für die vorliegende Erfindung prinzipiell auch Lackschichten verwendet werden können, bei denen die Härtung durch andere Mechanismen als durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder UV-Licht erfolgt, so lange eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche auftritt, beispielsweise durch Strahlung anderer Wellenlängen oder Wärme etc.
Im Falle von holographisch strukturierten Folien resultiert die Funktion aus einem Oberflächenrelief, das von einem holographisch fabrizierten Master reproduziert wird. Von besonderem Vorteil ist hier die bei dieser Art der Herstellung mögliche vollständige Kontrolle über die Strukturierung der lichtstreuenden Oberfläche. Die dabei erhältlichen komplett zufälligen, nicht-periodischen Strukturen können als zufällig angeordnete Microlinsen verstanden werden. Die Funktion der Folien ist nicht wellenlängenabhängig und ist mit weissem, monochromatischem, sowie mit kohärentem und inkohärentem Licht gleichermaßen gegeben. Die zufällige Struktur der erfindungsgemäß einzusetzenden holographisch strukturierten Folien zerstören unerwünschte Moire-Effekte und Farbbeugung. Das einfallende Licht kann präzise in sehr definierten Bereichen kontrolliert werden. Das remi- tierte Licht kann somit auf einen Raumwinkelbereich eingeschränkt werden, wodurch die Lichtausbeute optimiert werden kann.
Mit der holographisch strukturierten Folie können vertikal und horizontal unterschiedliche Raumwinkelbereiche ausgewählt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil für Bildwände, da Bereiche, in denen sich keine Betrachter befinden wie der Deckenbereich, ausgeblendet werden können, und zudem die Räume, in denen Bildwände zum Einsatz kommen, häufig eine größere Breite als Höhe aufweisen.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben.
Diese zeigen in:
Figur 1 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bildwand mit unterschiedlicher Anordnung der räumlich selektiv reflektierenden Schicht,
Figur 2 einen Vergleich der optischen Leistung einer erfindungsgemäßen Bild- wand mit planarem Substrat mit einer Bildwand mit herkömmlich strukturiertem Substrat,
Figur 3 eine Darstellung der Winkelabhängigkeit der Reflexion einer erfindungsgemäßen Bildwand mit unterschiedlich fein strukturierter Lackschicht,
Figur 4 eine schematische Darstellung der Entwicklung einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung mit einem genetischen Algorithmus, und
Figur 5 ein Diagramm des spektralen Verlaufs einer nach einem Verfahren gemäß Figur 4 erhaltenen Bildwand.
Wie in den beiden Ausführungsformen a und b in Figur 1 gezeigt, kann die erfindungsgemäß eingesetzte räumlich selektiv reflektierende Schicht 1 beliebig angeordnet sein, wobei sie sich oberhalb (Figur 1a) oder unterhalb (Figur 1b) der spektral selektiven Beschichtung 2 befinden kann. In der gezeigten Darstellung befindet sie sich unmittelbar über beziehungsweise unter der spektral selektiven Beschichtung 2, wobei die einzelnen Schichten auf einem Substrat 3 angeordnet sind.
Während die strukturierte Lackschicht/Folie, die als räumlich selektiv reflektierende Schicht 1 wirkt, für die Streuung des auf die Bildwand projektierten Lichtes sorgt, hier durch die Pfeile 4, 5, 6 und 7 veranschaulicht, wird durch die Beschichtung 2 die spektrale Selektivität erreicht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die holographisch strukturierte Folie als Substrat benutzt werden. In diesem Fall wird die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 auf die glatte Rückseite der Folie aufgebracht.
Bezogen auf die Abbildung 1a bedeutet dies, dass das dort gezeigte Substrat 3 wegfällt. Wird zudem ein Mehrschichtsystem als Spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 eingesetzt, wie zum Beispiel ein RGB-Filter, ist der Aufbau entsprechend anzupassen, indem bei der Herstellung die Schichtabfolge bei der Beschichtung invers zu der Beschichtungsabfolge auf ein separates Substrat, wie zum Beispiel in Figur 1a gezeigt, durchgeführt wird, und das veränderte Einfallsmedium berücksichtigt wird, dass nun nicht mehr Luft sondern die holographisch strukturierte Folie ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Bildwand ist, dass räumliche Selektivität mittels eines dünnen, flexiblen, strukturierten Films oder Folie erhalten wird, dessen/deren streuende Eigenschaften sich im Verlauf der Herstellung sehr fein justieren lassen.
Ein weiterer Vorteil, der insbesondere bei einer Anordnung gemäß Figur 1a auftritt, bei der die strukturierte Lackschicht/Folie auf die spektral selektive Beschichtung 2 aufgebracht ist, liegt darin, dass durch die Strukturierung der Oberfläche wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, die zunächst aufgebrachte spektral selektive Beschichtung 2 keinerlei mechanischen Einwirkungen ausge- setzt ist, die diese beschädigen oder gar zerstören könnte.
Im Falle der Verwendung der holographisch strukturierten Folie ist die Struktur per se bereits vor der Beschichtung erzeugt worden - man vermeidet so die mögliche Zerstörung des Filters durch anschließende Prägung und hat zudem den Vorteil auf eine glatte Fläche (Rückseite der Folie bzw. des Substrats) beschichten zu können.
Prinzipiell kann als Substrat 3 ein beliebiges Material verwendet werden, wie es für die Herstellung derartiger Bildwände an sich bekannt ist. Beispiele für Materi- alien sind Glas oder Kunststoff. Das Substrat 3 kann transparent oder nicht transparent sein. Im Falle eines transparenten Substrates 3 kann die Bildwand zum Beispiel für eine Projektion auf durchsichtigen Glas- oder Kunststoffflächen verwendet werden, wie auf Fensterscheiben, als Head-Up-Display oder ähnli- ches. Im Falle eines nicht transparenten Substrates 3 kann das Substrat stark absorbierend sein, indem es zum Beispiel schwarz eingefärbt ist, so dass es für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts minimale Remission zeigt. Das Substrat kann aus einem flexiblen oder starren Material bestehen. Ein Beispiel für ein flexibles Substrat ist eine Kunststofffolie. Im Falle der Verwendung der ho- lographisch strukturierten Folie für die räumlich selektiv reflektierende Schicht 1 kann diese zudem direkt selbst als Substrat verwendet werden. In diesem Fall ist die holographisch strukturierte Folie transparent zu wählen.
Wird die räumlich reflektierende Schicht 1 wie in Figur 1a gezeigt, auf der spekt- ral selektiven Beschichtung 2 aufgebracht, wird ein klarer Lack beziehungsweise eine transparente Folie gewählt.
Wird dagegen die räumlich reflektierende Schicht 1 zwischen dem Substrat 3 und der spektral selektiven Beschichtung 2 aufgebracht, kann ein beliebig transparentes oder nicht transparentes Material, das für Licht mehr oder weniger durchlässig ist, verwendet werden. Beispielsweise kann in diesem Fall die Lackschicht mit geeigneten Farbstoffen und/oder Pigmenten eingefärbt sein. So kann zum Beispiel anstelle des vorstehend genannten nicht transparenten Substrats eine entsprechend absorbierende Lackschicht auf einem an sich transparenten Substrat aufgebracht sein.
Im Falle der Verwendung einer strukturierten Lackschicht wurde zudem beobachtet, dass der Zusatz von Pigmenten für die Ausbildung der Mikrofaltung förderlich ist. Zur Förderung der Mikrofaltung können daher in der Lackschicht entsprechende als Keime für die Mikrofaltung wirkende Materialien vorliegen.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann für die erfindungsgemäße Bildwand eine beliebige an sich bekannte, spektral selektiv reflektierende Beschichtung verwendet werden. So kann die spektral selektive Beschichtung 2 aus einer oder mehreren choleste- rischen Polymerschichten gebildet sein, wie sie in DE 199 01 970 C2 beschrieben sind. Hierbei wird spektrale Selektivität auf Basis der Eigenschaften von cholesterischen Polymeren erzielt, die als einzelne Schicht die Fähigkeit besit- zen, zirkulär polarisiertes Licht einer bestimmten Händigkeit (das heißt entweder rechts- oder linkszirkular) und damit jeweils 50 % des unpolarisierten Lichtes in einem bestimmten Wellenlängenband ΔΛ zu reflektieren. Für eine optimale Reflektivität sollte die Bildwand für jede ausgewählte Wellenlänge mindestens 2 zueinander enantiomere cholesterische Polymerschichten mit entsprechender Selektivität für diese Wellenlänge aufweisen. Da cholesterische Enantiomere entgegengesetzt zirkulär polarisiertes Licht reflektieren, wird in diesem Fall sowohl der rechts- als auch der linkszirkular drehende Anteil des unpolarisierten Lichtes in dem betreffenden Wellenlängenband reflektiert.
Eine für RGB-Strahlung besonders geeignete Bildwand sollte daher mindestens sechs Schichten aus cholesterischen Polymeren aufweisen, wobei jeweils zwei einander benachbarte Schichten zueinander enantiomer sind und das blaue, rote beziehungsweise grüne Licht reflektieren, so dass insgesamt eine Reflexion von annähernd 100 % für alle RGB-Wellenlängen erzielt werden kann.
Die spektral selektive Beschichtung 2 kann aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus mindestens zwei dielektrischen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut sein. Die mindestens zwei Schichtmaterialien sind abwechselnd auf dem Substrat aufgebracht, so das jeweils eine niedrigbrechende Schicht und eine hochbrechende Schicht abwechselnd auf dem Substrat angeordnet sind. Die jeweiligen Schichtdicken der hoch- beziehungsweise niedrigbrechenden Schichten eines Systems können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Perioden von jeweils einer hochbrechenden Schicht mit einer ersten Schichtdicke und einer niedrigbrechenden Schicht mit einer zweiten Schichtdicke vorgesehen sein. In diesem Fall spricht man von periodischer Anordnung.
Die Dicken der hochbrechenden und der niedrigbrechenden Schicht können aber auch variieren; in diesem Fall spricht man von nichtperiodischer Anordnung. Beispiele für geeignete dielektrische Materialien für die vorstehende Beschichtung 2 aus Schichten mit niedrig- und hochbrechenden Materialien sind die Oxide oder Nitride von Silizium, Aluminium, Titan, Wismut, Zirkon, Cer, Hafnium, Niob, Scandium, Magnesium, Zinn, Zink, Yttrium und Indium. Bevorzugte Bei- spiele für niedrigbrechende Materialien sind SiO2 und MgS2 sowie insbesondere AI2O3.
Bevorzugte Beispiele für hochbrechende Materialien sind Tantaloxid, Titanoxid und Nioboxid sowie Si3N4.
Beispiele für bevorzugte Kombinationen von hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien sind Siliziumdioxid als niedrigbrechendes Material und Titandioxid in der Rutilphase beziehungsweise in der Anatasphase als hochbrechendes Material sowie die Kombinationen SiO2/Si3N4 und insbesondere AI2O3/ Si3N4. Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Material ist das Mischsystem
Derartige Beschichtungen aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus einer Abfolge abwechselnd hoch- und niedrigbrechender dielektrischer Materialien wirken als Interferenzfilter, mit dem selektiv die Wellenlängen des Projektionslichtes reflektiert werden.
Alternativ zur Realisierung des Interferenzfilters mittels eines mehrlagigen Schichtsystems aus hoch- und niedrigbrechenden Schichten kann auch ein Filtersystem mit kontinuierlich und periodisch über die Filterdicke moduliertem Brechungsindex als spektral selektive Beschichtung 2 eingesetzt werden - ein sogenannter Rugate-Filter.
Zur Herstellung eines solchen Filters mit über der Schichtdicke modulierter Brechzahl kann beispielsweise das vorstehend angeführte Mischsystem Siι.x. yOxNy eingesetzt werden, wobei hier der Brechungsindex durch Variation der Nitridkonzentration eingestellt wird.
Es können auch andere Mischsysteme aus einer niedrigbrechenden und einer hochbrechenden Komponente wie Mischsysteme ausgewählt unter SiO2/TiO2, SiO2/Ta2O5 und SiO2/Nb205 verwendet werden. Hier wird der Brechungsindex über das Massenverhältnis der Komponenten eingestellt.
Für die Herstellung derartiger spektral selektiver Beschichtungen 2 auf Basis von Mischsystemen können zum Beispiel Kosputterprozesse oder CVD-Prozesse eingesetzt werden, wie sie allgemein bekannt sind.
Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Schichtsysteme aus dielektrischen Materialien sind an sich bekannt und zum Beispiel in DE 197 47 597 A1 und WO 98/36320 beschrieben. Beispiele für geeignete Beschichtungsverfahren sind Vakuum-Beschichtungsverfahren wie Magnetronsputtern und Elektronenstrahl- verdampfung.
Es wurde gefunden, dass durch Verringerung der Differenz der Brechungsindi- ces die Winkelabhängigkeit eines derartigen Schichtsystems aus niedrig- und hochbrechenden Schichten verringert werden kann. Beispielsweise wird durch Ersatz des niedrigbrechenden Materials durch ein Material, mit einem höheren Brechungsindex die Winkelabhängigkeit reduziert werden kann. So ist die Winkelabhängigkeit, und damit die Verschiebung der Peaks der Primärvalenzen im Spektrum für ein Schichtsystem AI2O3/Si3N4 geringer als für ein System SiO2/Si3N4. Hierbei wurde das niedrigbrechende Material SiO2 durch AI2O3, das einen höheren Brechungsindex aufweist, ersetzt.
In Figur 2 sind die optischen Leistungen von spektral selektiven Beschichtungen auf einem planaren Substrat und auf einem strukturierten Substrat einander gegenübergestellt. Hierbei wurde als spektral selektiv reflektierende Beschichtung ein dielektrisches Multischichtsystem verwendet, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Die Gegenüberstellung macht deutlich, dass die spektral gemessene Reflexion einer erfindungsgemäßen Bildwand gemäß Figur 1b bei der die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 auf einem planaren Substrat 3 abgeschieden ist, signifikant höher ist als die spektral gemessene Reflexion einer Bildwand, bei der die Beschichtung 2 auf einem strukturierten Substrat aufgebracht ist. Dieses Ergebnis verdeutlicht den Vorteil einer Beschichtung auf planaren Substraten mit anschließender Strukturierung bzw. wie mit der holographisch strukturierten Folie möglich, Strukturierung auf der der Beschichtung 2 abgewandten Substratseite, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Streuverhalten einer gegebenen Bildwand durch einfache Modifikation der Strukturierung der Lackschicht oder der holographisch strukturierten Folie, die die räumlich selektiv reflektierende Schicht 1 bilden, eingestellt werden, so dass die Winkelcharakteristik der Bildwand nach Bedarf variierbar ist.
In Figur 3 ist die Winkelabhängigkeit der Reflexion von erfindungsgemäßen Bildwänden mit einer Lackschicht als räumlich reflektierender Schicht 1 dargestellt, die sich in der Winkelcharakteristik unterscheiden. Die Unterschiede in der Winkelcharakteristik ergeben sich hier aus der Verwendung unterschiedlich fein strukturierter Lacke.
Erfindungsgemäß können damit nicht nur höhere Reflexionen erzielt werden, da planare Substrate eingesetzt werden können, sondern zudem kann die Winkel- Charakteristik einer Bildwand individuell je nach Anforderung durch einfache Modifikation der Strukturierung der Lackschicht beziehungsweise der Folie eingestellt werden.
Wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 ausgeführt, kann sich die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 grundsätzlich oberhalb oder auch unterhalb des Substrates 3 befinden. Vorzugsweise sollte jedoch der geometrische Abstand zwischen selektiv reflektierender Beschichtung 2 und streuender Oberfläche, das heißt Struktur der Lackschicht beziehungsweise der Folie, möglichst gering sein, was zum Beispiel über eine möglichst geringe Dicke der Lackschicht beziehungsweise Folie realisiert werden kann.
Liegen streuende Oberfläche und spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 zu weit auseinander, leidet die Schärfe der Abbildung und es kann zur Ausbil- düng von "Doppel- oder Geisterbildern" kommen.
In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform wie sie zum Beispiel in Figur 1a gezeigt ist, ist die strukturierte Lackschicht 1 auf die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 aufgebracht. In diesem Fall können die optischen Eigenschaften des Lackes bei der Ausgestaltung der Beschichtung 2 mit berücksichtigt werden, um so eine Optimierung der optischen Eigenschaften der Bildwand zu erhalten. Beispielsweise kann durch Einstellung der chemischen Zusammensetzung des Lackes der Brechungsindex des Lackes an die Eigenschaften der Beschichtung angepasst und eine sogenannte Indexanpassung erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann für eine Ausführungsform wie zum Beispiel in Figur 1a gezeigt, bei der die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 unterhalb der räumlich reflektierenden Schicht 1 angeordnet ist, auf der räumlich reflektierenden Schicht 1 zusätzlich eine Antireflexbeschichtung 8 zur Entspiegelung vorgesehen sein. Durch das Vorsehen einer Antireflexbeschichtung 8 lassen sich möglicherweise auftretende intrinsische Reflexionen an der Oberfläche der Schicht 1 , die ca. 4% betragen können, auf weniger als 1 % reduzieren.
Prinzipiell können hierfür übliche Antireflexbeschichtungen verwendet werden. Ein Beispiel für eine geeignete Antireflexbeschichtung ist ein Schichtsystem bestehend aus TiO2(11nm)-SiO2(40nm)-Tiθ2(110nm)-SiO2(85nm). Antireflexbeschichtungen können beispielsweise durch einen Vakuumbeschichtungsprozess (Aufdampfen oder Sputtern) oder durch einen nasschemischen Beschichtungs- prozess (Sol-Gel-Verfahren) auf der Oberfläche der Bildwand abgeschieden werden. Als geeignete Verfahren können das Magnetronsputtern oder die Elekt- ronenstrahlverdampfung genannt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße räumlich selektiv reflektierende Bildwand eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2, die im Hinblick darauf optimiert ist, dass sie neben möglichst hohem Kontrast den besten Kompromiss aus geringer Schichtdicke, gerin- ger Anzahl der zu verwendenden Schichtmaterialien und geringer Anzahl Einzelschichten aufweist.
Herkömmliche Schichtsysteme für Beschichtungen wie sie vorstehend beschrieben worden sind werden hergestellt, indem die Auswahl der Materialien für die einzelnen Schichten, die jeweilige Schichtdicke und Anzahl der Schichtdicken unter Vorgabe eines definierten diskreten Zielspektrums erfolgt. Die hierbei erhaltenen Schichtsysteme zeigen zwar einen für den praktischen Gebrauch geeigneten Kontrast, sind jedoch nicht im Hinblick auf weitere wünschenswerte Eigenschaften für eine Bildwand zur Erzielung eines möglichst op- timalen Bildeindrucks optimiert.
Wünschenswert sind jedoch Schichtsysteme, die nicht nur verbesserten Kontrast aufweisen, sondern diesen verbesserten Kontrast bei möglichst geringer Dicke des Gesamtschichtsystems und der einzelnen Schichten bei möglichst geringer Schichtanzahl aufweisen. Weiter sollte die Bildwand eine Unterdrückung oder zumindest möglichst weitgehende Unterdrückung des sogenannten Farb-Flop-Effekts ermöglichen. Unter Farb-Flop wird eine Veränderung des Farbeindrucks beim Betrachter verstanden, die durch eine Änderung des Blickwinkels verursacht wird. Der Grund hierfür ist das winkelabhängige Reflexions-Transmissionsverhalten von Interferenz- filtern.
Je nach Bedarf können für die Bildwand weitere Grenzbedingungen vorgegeben werden. So besteht eine Möglichkeit zur Verbesserung der Farbneutralität darin, dass die Bildwand für die Primärvalenzen möglichst gleiche Peakhöhen aufweist. Farbneutralität bedeutet, dass z. B. projiziertes Weiß auch tatsächlich als ein Weiß erscheint und nicht z. B. einen Rotstich hat. Umgekehrt wurde erfindungsgemäß gefunden, dass eine entsprechende Farbneutralität erzielt werden kann, indem die Intensitäten der Primärvalenzen des jeweiligen Projektors mit der betreffenden Bildwand abgeglichen werden. Hierbei erfolgt der Weißabgleich zur Einstellung der Farbneutralität direkt am Projektor selbst und nicht an der Bildwand. In diesem Fall lassen sich bei gleichen Schichtdicken wesentlich höhere Kontrastwerte erzielen, als mit einer Bildwand mit gleichen Peakhöhen für die Primärvalenzen. Ursache hierfür ist die Möglichkeit der Reduzierung der Grünre- flexion für die das menschliche Auge sehr empfindlich ist.
Weiter lässt sich die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigen, um einen optimalen Bildeindruck beim Betrachter hervorzurufen.
Das Schichtsystem sollte insbesondere bei einer vorgegebenen Anzahl an Schichten ein optimales Profil im Hinblick auf die vorstehend genannten Eigenschaften aufweisen.
Um eine räumlich selektiv reflektierende Bildwand mit den vorstehend genannten Eigenschaften zu erhalten, wird für die erfindungsgemäße Bildwand vorzugsweise eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung verwendet, die erhalten wird, indem anstelle der herkömmlichen Optimierung auf ein fest vorgegebenes Reflexionsspektrum ein Bewertungsverfahren eingesetzt wird, das auf der Farbmetrik basiert. Hierfür wird die farbmetrische Bewertung mit einem Optimierungsalgorithmus kombiniert, der für die Optimierung kein vorgegebenes Anfangsdesign als Input benötigt, das das Zielspektrum bereits im Wesentlichen wiedergibt. Als besonders geeignet hat sich hierfür ein sogenannter genetischer Algorithmus erwiesen, der an sich bekannt ist und zum Beispiel in Heistermann J., "Genetische Algo- rithmen - Theorie und Praxis evolutionärer Optimierung", B. G. Teubner, 1994, bzw. bei Goldberg, D.E., „Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning", Addison-Wesley, Reading, 1989 beschrieben ist. Durch Kombination mit farbmetrischen Bewertungsverfahren kann dieser Algorithmus, der robust und einfach zu implementieren ist, für die Optimierung von optischen Be- Schichtungen eingesetzt werden.
Nachstehend wird die Funktionsweise des. genetischen Algorithmus zur Optimierung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungen für Bildwände unter Verweis auf das Flussdiagramm in Figur 4 näher erläutert. Die Funktionsweise des genetischen Algorithmus lehnt sich an die Evolution und Rekombinationsstrategien der Natur an. Grundgedanke ist dabei, dass aus einer Anzahl von Individuen, die zusammen eine Generation bilden, im wesentlichen nur die Individuen zur Generierung einer neuen Generation ausgesucht werden, die im Hinblick auf ihre Umgebung die besten Eigenschaften haben. Für den vorliegenden Fall wird unter einem Individuum ein Schichtsystem mit seinen Schichtdicken und Materialeigenschaften verstanden. Die Parameter des Schichtsystems wie Schichtdicken und Materialien werden als Gene bezeichnet. Der Algorithmus generiert zunächst eine Population an Individuen, indem er zufällig Materialien und Schichtdicken zuordnet (in Figur 4 als "statische Population bezeichnet). Diese Individuen werden dann bewertet und nach Qualität sortiert. Anschließend erfolgt eine Schleife, bestehend aus den Schritten Rekombination, Mutation, Bewertung und Selektion (Auswahl der besseren Individuen, das heißt Schichten), wobei schlechte Schichten großteils verworfen werden. Durch wiederholte Durchführung der Schleife wird eine Verbesserung der Qualität der Population im Durchschnitt und der des besten Individuums absolut erzielt, bis ein Optimum erreicht ist. Der Vorteil des genetischen Algorithmus gegenüber Standard Hill-Climbing Algorithmen liegt in dessen Parallelität und der Mitführung aktuell schlechterer Individuen begründet, die durch weitere Rekombination in späteren Generationen neue Suchgebiete in der Fitness-Funktion aufdecken können. Dies ist für eine globale Suche wesentlich.
Genetische Algorithmen gibt es in einer Vielzahl von Abwandlungen, die prinzi- piell für die vorstehende Vorgehensweise eingesetzt werden können.
Für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten Bildwände erfolgt die Bewertung und damit Optimierung auf Grundlage von farbmetrischen Gesichtspunkten. Indem die Bewertung auf Grundlage der Farbmetrik erfolgt, kann auf eine Vorgabe eines diskreten Zielspektrums verzichtet werden. Der Kontrast ergibt sich hierbei aus
^Blau + RGrün + R Rot k = (D
3 Y
wobei Y der Normfarbwert ist und damit ein Maß für die Helligkeit des Reflexionsspektrums, k gibt den Kontrast an, den die Bildwand für Primärvalenzen der entsprechenden Wellenlängen gegenüber Umgebungslicht erzielt.
Für die Durchführung des Algorithmus kann eine modifizierte Formel (1 ) für die Bewertung des Kontrasts eingesetzt werden, wobei als wesentliche Änderung die Summe durch ein Produkt ersetzt wird:
k = -ir ( π R, ) + - (2)
Y ι = B, G, R Rσ
und σ R die Standardabweichung des Reflexionsvermögens und C ein empirischer Faktor ist. N wird in der Regel für drei Primärvalenzen gleich 3 gesetzt. Über diesen Exponent ist zusätzlich durch Wahl anderer Werte eine Gewichtung zwischen reflektierter Helligkeit und entstehendem Kontrast möglich.
Für die Minimierung beziehungsweise Eliminierung des Farb-Flops-Effekts ist das Schichtsystem so auszulegen, dass die durch Änderung des Betrachterwinkels verursachte Änderung der reflektierten Intensitäten für ale Wellenlängen des Projektionslichts gleich ist. Als Grundlage für die Bewertung durch den Algorithmus werden hierfür die Spektren eines Individuums (Schichtsystems) für ver- schiedene Betrachtungswinkel berechnet und die Änderung der reflektierten Intensitäten für die Wellenlängen der Primärvalenzen verglichen, wobei Standardabweichungen dieser Werte verwendet werden.
Weiter kann bei Bedarf die Einstellung der Farbneutralität der Abbildung mittels Weißabgleich erfolgen, wobei die Intensität des von der Bildwand reflektierten
Lichtes einer der Wellenlängen der Primärvalenzen (Rot, Grün, Blau) mit der Intensität des monochromatischen Lichtes der entsprechenden Wellenlänge wie sie vom Projektor abgestrahlt wird, abgestimmt wird.
Anhand der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erfolgt mit Hilfe des genetischen Algorithmus eine Bewertung eines Schichtsystems, das ohne eine feste Vorgabe für ein diskretes Reflexionsspektrum auskommt und den Kontrast erhöht, wobei gleichzeitig der Farb-Flop unterdrückt wird.
Durch die beschriebene Kombination eines genetischen Algorithmus' mit einer auf der Farbmetrik beruhenden Bewertung werden spektral selektiv reflektierende Beschichtungen erhalten, die einen deutlich verbesserten Kontrast bei gleichzeitig optimal geringer Gesamtschichtdicke und Anzahl an Einzelschichten enthalten.
Beispielsweise können hiermit Beschichtungen mit einem Kontrast von mindes- tens 2,5 bei einer Dicke der Gesamtschicht von weniger als 4,5 μm erreicht werden.
In Figur 5 ist schematisch der spektrale Verlauf einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung gezeigt, die nach dem vorstehend beschriebenen geneti- sehen Algorithmus erhalten worden ist.
Es handelt sich hierbei um eine Beschichtung aus einem Schichtsystem aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien. Die Beschichtung besteht aus zwölf Einzelschichten, mit SiO2 als niedrigbrechendem Material (n = 1 ,46) und Si3N4 als hochbrechendem Material (n = 2,05), die auf ein Glas- substrat abgeschieden worden sind
Der Schichtaufbau ist ausgehend von dem Glassubstrat nach oben wie folgt:
Glas
Si3N4 239 nm, SiO2 210 nm,
Si3N4 324 nm; SiO2 319 nm, Si3N4 435 nm, SiO2 197 nm, Si3N4 22 nm, SiO2 241 nm, Si3N4 72 nm, SiO2 372 nm, Si3N4 249 nm, SiO2 35 nm. Diese Beschichtung zeigt eine Kontrastverbesserung k von 3,55. Eine detaillierte Beschreibung der Entwicklung von spektral selektiven Beschichtungen mittels genetischem Algorithmus, insbesondere von Schichtsystemen aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien findet sich in Ch. Rickers, M. Vergöhl, C.-P. Klages in: "Design and manufacture of spectrally selective reflecting coatings for the use with laser display projection screens", Applied Optics, Band 41, Nr. 16, Juni 2002, auf die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vollinhaltlich bezug genommen wird.
Es verbleibt anzumerken, dass für die Erhöhung des Kontrasts weniger eine besonders hohe Reflexion im Bereich der Laserwellenlängen ausschlaggebend ist, sondern vielmehr eine möglichst niedrige Reflexion im Spektralbereich außerhalb davon. Im genetischen Algorithmus kann dieser Effekt durch Beeinflussung der Ge- wiehtung berücksichtigt werden, mit der der Untergrund unterdrückt wird. Dies geschieht, indem in Gleichung (2) der Exponent von Y entsprechend variiert wird.
Ferner wurde gefunden, dass eine Reduzierung der Peakbreite der Wellenlängen des Laserlichts im Spektrum nur bedingt sinnvoll für die Erhöhung des Kon- trasts ist, da damit eine starke Abnahme der reflektierten Intensität bei Betrachtung unter einem anderen Winkel in Kauf genommen werden muss, das heißt eine Erhöhung der Winkelabhängigkeit.

Claims

Ansprüche
1. Kontrasterhöhende Bildwand, die ein Substrat (3) und eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwand mindestens eine räumlich reflektierende Schicht (1 ) aufweist, wobei die räumlich reflektierende Schicht (1) ausgewählt ist unter einer Schicht, die aus einem härtbaren Lack gebildet ist, und einer holographisch strukturierten Folie.
2. Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1 ) eine gehärtete Schicht aus mindestens einem Material ausgewählt unter Acrylaten, Epoxiden, Vinylether, unsubstituierten oder substituierten Styrolen ist.
3. Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1) eine gehärtete Schicht auf Basis von Acrylaten ist.
4. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1) aus einem UV-härtbaren Mate- rial besteht.
5. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) ein Schichtsystem aus zwei oder mehreren Schichten ist, wobei als Schichtmaterial mindestens eine Kombination aus einem niedrig- und hochbrechenden Material eingesetzt ist.
6. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektive Beschichtung (2) ein Schichtsystem aus mindestens zwei Schichten aus einem cholesterischen Polymer ist.
7. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralselektive Beschichtung (2) ein Filtersystem mit kontinuierlich und periodisch über &er Filterdicke moduliertem
Brechungsindex ist. (JL L
8. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) eine Kombination aus cholesterischen Polymerschichten und dielektrischen Schichten ist.
9. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) einen Kontrast k von mindestens 2,5 und eine Gesamtschichtdicke von weniger als 4,5 μm aufweist.
10. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) ein Schichtsystem ausgewählt unter SiO2/Si3N4 und AI2O3/Si3N ist.
11. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für das Substrat (3) ausgewählt ist unter einem transparenten und nicht transparenten Material.
12. Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material für das Substrat (3) ausgewählt ist unter einem flexiblen und starren Material.
13. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) planar ist.
14. Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch strukturierte Folie als Substrat wirkt.
15. Verwendung einer härtbaren Lackschicht als räumlich selektiv reflektierende Schicht (1 ) für eine Bildwand.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Lacksicht aus einem Elektronenstrahl- oder UV-härtbaren Lack besteht.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht aus einem härtbaren Lack auf Basis eines Materials ausgewählt unter Acrylaten, Epoxiden, Vinylether, unsubstituierten und substituierten Styrolen besteht.
18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Lackschicht aus einem Material auf Acrylat-Basis besteht.
19. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht aus einem mit UV-Licht härtbaren Lack besteht.
20. Verwendung einer holographisch strukturierten Folie als räumlich reflektierende Schicht (1) für eine Bildwand mit spektral selektiv reflektierender Beschichtung (2).
21. Verwendung einer holographisch strukturierten Folie als Substrat für eine Bildwand mit spektral selektiv reflektierender Beschichtung (2).
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