CN1352761A - 带光不对称发散装置的背投屏幕 - Google Patents

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CN1352761A
CN1352761A CN99816740A CN99816740A CN1352761A CN 1352761 A CN1352761 A CN 1352761A CN 99816740 A CN99816740 A CN 99816740A CN 99816740 A CN99816740 A CN 99816740A CN 1352761 A CN1352761 A CN 1352761A
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J·C·内尔森
P·R·弗莱明
T·W·赫达
P·A·托马斯
周鑫鑫
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

一种背投屏幕,包括具有多个透镜的水平与垂直方向发散光的膜层。透镜形成的水平视角可以不同于垂直视角。透镜以特定方向投射光,使最大光强光的方向不平行于垂直于屏幕面的轴线。镜膜可同块状漫射体等各向同性光散射体相组合。

Description

带光不对称发散装置的背投屏幕
背景技术
本发明一般涉及透射屏幕，尤其涉及适用于背投系统的透射屏幕。
背投屏幕通常被设计成把投射到屏幕背面的图像射入观察空间。投射系统的观察空间可能相当大(如背投电视)或相当小(如背投数据监视器)。背投屏幕的性能可用各种屏幕特性来描述，一般包括增益、视角、分辨率、对比度、存在的色斑等不希望的人为现象等。一般希望背投屏幕具有高分辨率、高对比度和大增益，还希望屏幕能在大的观察空间内散布光。不幸的是，正如下面更全面描述的那样，当一个屏幕特性改进后，一个或多个其它屏幕特性往往会变劣。例如，为了用小的整体结构来提高屏幕增益，就必须减小便于观看屏幕的视角。结果，为了制造特定背投显示装置总体上可以接受的性能的屏幕，要在屏幕特性与性能方面作一些折衷。
因此，对屏幕提出了一个要求，即在满足使用该屏幕的背投显示装置所需的最低性能标准的同时，要求总体性能有提高。
发明内容
本发明一般涉及背投屏幕，其膜后具有多个水平与垂直方向发散光的透镜。诸透镜形成的水平视角可以不同于垂直视角。另外，透镜能以特定方向投射光，使光强最大的方向与垂直于屏幕面的轴不平行。
在本发明一种实施例中，光散射屏幕包括具有第一表面的第一膜，限定了多个非双凸透镜的一部分第一表面。通过至少一块非双凸透镜的光形成一图像，且不对称地发散。
在本发明另一种实施例中，背投屏幕组件包括具有第一表面的第一层，限定了多个非双凸透镜的一部分第一表面。该屏幕还包括一光耦合至第一表面的对称光散射体，以便散射第一层发射的光。通过至少一块非双凸透镜的光形成一图像，且不对称地发散。
在本发明再一个实施例中，光散射屏幕包括第一膜，其上的光成像与发散装置用于形成图像，并且不对称地发散通过第一膜的光。
在本发明还有一个实施例中，光散射膜包括具有第一表面的第一膜，限定多个透镜的一部分第一表面，所有透镜的尺寸小于第一膜选定尺寸的1/20。通过至少一块透镜的光形成一图像，并且不对称地发散，选定的尺寸选自膜长与膜宽。
以上发明内容并未描述本发明的每个图示实施例或每种实施方法，下面的附图与详述将更具体地说明这些实施例。
附图简述
通过以下结合附图对本发明各种实施例的详细描述，读者可以更全面地理解本发明，其中：
图1示出一背投显示器；
图2示出背投显示器一特定实施例截面图；
图3示出光学增益与视角(垂直与水平视角)之间关系的曲线图；
图4示出本发明透镜阵列的一个实施例；
图5示出通过图4所示透镜阵列观察的截面；
图6示出单透镜(相当于图4阵列中的一个透镜)的光学特性；
图7A示出本发明透镜阵列的另一个实施例；
图7B与7C示出穿过图7A透镜阵列中单透镜各个垂直与水平截面的图；
图8A示出本发明透镜阵列的另一个实施例；
图8B与8C示出穿过图8A透镜阵列中单透镜的各个垂直与水平截面的图；
图9A示出本发明透镜阵列的另一个实施例；
图9B示出穿过图9A透镜阵列的截面；
图9C示出穿过图9A透镜阵列的另一截面；
图10A-C示出本发明透镜阵列中诸透镜不同的外形；
图11A示出本发明透镜阵列中诸透镜的六角外形；
图11B示出具有如图11A外形的透镜，有一条对称定位的光轴；
图11C示出有六角外形的透镜，有一条偏离透镜中心的光轴；
图12A与12B示出透镜阵列产生的光强图案，透镜形式分别示于图11B与11C；
图13与14示出本发明屏幕组件的实施例；
图15示出形成模板(molding master)时所用的设备，用来制作本发明的透镜阵列；
图16示出与图15所示设备联用的掩膜；
图17A-17F示出通过基板在各消蚀(ablation)阶段作激光消蚀的截面；
图18示出通过屏幕对靠近该屏幕的用户的光散射；
图19A示出透镜阵列的局部视图，具有偏置光轴的诸透镜将光导向屏幕轴线；
图19B示出穿过图19A所示透镜阵列的截面；
图20示出穿过透镜阵列的截面，阵列的诸透镜有不同的焦距；
图21示意示出本发明试样屏幕组件的截面结构；
图22示出图21屏幕组件的光学增益测量值。
虽然本发明适合于各种修正与替代形式，但是其特定形式在附图中以实例例示出并作详述。然而，应当理解，本发明并不限于所描述的具体实施例。相反，在权利要求书所限定的发明精神和范围内，本发明包含了所有的改进形式、等同形式和替代形式。
详细描述
本发明通常适用于若干不同的屏幕组件，尤其适用于背投系统应用的屏幕组件。
本发明通常适用于若干不同的屏幕组件，尤其适用于背投系统应用的屏幕组件。具体而言，在正知观看者最可能的位置的场合中，本发明最适用：本发明适用于将来自所有屏幕部分的光投射到最可能的观看者位置，以提高整个屏幕的亮度均匀性。
现在更详细地描述各种屏幕特性。一个主要的屏幕特性是增益。屏幕增益代表作为视角的函数的亮度。增益通常用一理想lambertian反射器来校正，理想Lanbertian标准的增益对所有角度都定为1。屏幕(或屏幕单元)的峰增益对应于某一角度的最高增益。例如，对于通过该屏幕以垂直于屏幕面的角度发射的光，一般可观察到从屏幕表面法向入射后面照射的块状漫射屏幕的峰值增益。
另一主要的屏幕特性是视角。这里使用的屏幕的视角是屏幕增益跌至峰增益一半时的角度。在许多场合中，视角对应于发送图像的光强跌至屏幕面法向发射光的一半光强时的角度。
背投系统的具体应用决定了所需的视角。通常最好将尽可能多地将光从屏幕投射到观看者最可能所处的区域。例如，在背投显示器为数据监视器的情况下，观看得一般相对屏幕居中，且离该屏幕约1～3英尺以内。观看者的眼睛可能高于垂直于屏幕中心的一条线，但是观看者一般不会从高于屏幕一～二英尺的距离观看屏幕。另外，出于私密性，人们希望减少从屏幕以相对屏幕法向成如30°或更大角度发射的光量，这样就减少了远离屏幕轴线而且或许未获准观看屏幕内容的人偷看屏幕上信息的可能性。
背投屏幕的另一种应用为家用电视系统，由于观看者通常坐在不直接面对电视屏幕的位置上，所以一般希望沿水平方向以大角度投射屏幕图像。另一方面，很少有人从远远高于或低于屏幕的位置上观看电视屏幕，因而通常希望减小在垂直方向上发射图像的角度。因此，电视机的视角一般在垂直方向上比水平方向上小。另外，相对于屏幕的法线方向，最好使来自电视屏幕的光的纵向发散度向下倾斜。例如，这样可让观看者从地板的方向上观看电视。由于观看者通常不会长时间站着看电视，所以将光从电视屏幕向上偏移并不主要。
参照图1、2A与2B2来描述背投显示器100。该显示器包括图像投影仪102，可将图像投射到屏幕104的背面。图像由屏幕104发射，使位于屏幕104以外某一点处的观看者106能看到经屏幕104投射的图像108。背投显示器100可以是例如背投电视或背投计算机监视器，或任何其它背投显示设备。
根据本发明一种实施例，在背投显示器100中，可用液晶显示器(LCD)图像投影仪102把图像投射到屏幕组件104的背面上。背投显示器的尺寸可以小到数据监视器，大到屏幕电视与视频墙。投射显示器100还取决于其机壳内的折迭式图像投射路径，如题为“Projcting Images”的欧洲专利申请EP783133中所描述的各种投影系统。正如从下文的描述中，读者将会明白，此类系统通过应用下述各种屏幕组件尤有好处。
现在参见图2A，图像投影仪102产生的图像光110投射到屏幕组件124上。屏幕组件124通常包括若干控制被观看者看到的图像的不同层，包括散射层134和提供支承的玻璃板136。散射层134把通过屏幕某一特定点的光散射或漫射入一锥角，使屏幕远侧的观看者能探测出来自该特定点的图像光。显然，散射层134通常散射整个屏幕所有点的光，让观看者看到图像投影仪102投射到屏幕组件124上的整幅图像。
同轴光线112被散射层134散射而产生2θ的视角。来自图像投影仪102的傍轴光线110照射屏幕组件124的边缘，与同轴光线112相隔α角。当傍轴光线110通过该散射层时，它们围绕光线111以±θ(与屏幕法线成α角)散射。应该明白，由于光散射现象可能对来自图像光源的光的入射角很敏感，所以屏幕边缘的视角不必与屏幕中心的视角一样。
另一屏幕组件104示于图2B，其中，来自图像投影仪102的光110在散射层114上入射之前，还被菲涅耳透镜113准直。散射层114支承在可以是例如玻璃屏幕等支持层116上。此时，通过屏幕104边缘发射的散射光围绕垂直于该屏幕的光线115散射。与不带任何菲涅耳透镜的屏幕组件124相比，屏幕组件104的一个优点在于，减小了来自屏幕边缘的光必须通过其散射才能被同轴的观看者探测到的角度。与不用菲涅耳透镜的情况相比，由于散射光的光强一般随散射角增大而减小，所以观看者在带菲涅耳透镜的屏幕组件104上看到的图像，通常整个屏幕有更均匀的强度。
一例期望的电视屏幕增益特性示于图3。图中给出两条曲线302与304，对电视机使用的屏幕可获得增益与视角Dc的相关性。较宽的曲线302示出沿水平方向作为角Dc函数的增益G。换言之，随着观看者从屏幕侧面离开，该曲线描绘了该观看者感觉到的屏幕亮度。水平视角DCH是水平散射光线的光强跌至同轴光强一半或跌至最大光强一半的角度。
较窄的曲线304代表作为角度函数的增益相对屏幕沿垂直方向的依赖关系。如上所述，在电视应用中，可避免废弃照射地板与天花板的光，从而增大观看者感觉到的屏幕亮度，一般希望以较窄的角度范围垂直方向引导来自屏幕的图像。此时，垂直视角DCV，即光强为同轴光强一半或最大光强一半的散射角，要远远小于水平视角DCH。
因此，应该明白，在背投显示屏幕的若干应用中，视角呈不对称，换言之，垂直视角DCV不同于水平视角DCH。还有，一个方向(如垂直方向)的视角不一定为角度的对称函数。例如，随着角度在屏幕轴线以上增大，垂直方向增益可以跌得比角度在屏幕轴线以下减小更迅速，如曲线306所示，其峰增益位于θ＝0°，但是向下比向上散发更多的光。
讨论至此，一直是假设最大屏幕亮度出现于同轴。不一定是这种情况，最亮的图像方向可以不是同轴方向，可以是傍轴方向。
光通过透镜的发散度可称为“不对称性”，表示水平方向的发散度不同于垂直方向的发散度；发散度曲线不对称，如曲线306所示；或者最大光传输方向不沿方向θ＝0°，而是沿不垂直于膜表面的方向。在这三种状态的任何一种以组合方式出现时，也可应用该术语“不对称性”。
本申请针对屏幕组件使用的散射膜，该散射膜上面有多个透镜。这些透镜也称为小透镜，在膜400上能以某种阵列图案排列，如图4所示的示意形式。若干小透镜表面402设置于膜阵列400的一侧。在该特定实例中，镜面402以规则阵列图案形成，尽管不一定这样。术语小透镜一般指小型透镜，但出于讨论的目的，术语透镜与小透镜为同一种透镜。
像与投射屏幕通常使用的那样，装在膜上的透镜不是双凸透镜，换言之，其曲面相对于第一轴线测量具有有限的半径，而相对与第一轴线正交的第二轴线测量则具有无限的曲率半径，因此，双凸透镜以一维方式聚焦光。有些双凸透镜在膜表面上不是直线，而是非线性。然而，仍可在这些透镜上规定若干点，使之相对一条轴线有一有限的曲率半径，而相对正交轴线有一基本上无限曲率半径。与之相比，这里描述的非双凸透镜具有非无限的曲率半径，以水平与垂直两个方向发散光。透镜尺寸，如长或宽，一般都远远小于膜的长或宽。透镜相对于膜的尺寸越小，屏幕提供的分辨率越高。在许多场合中，单个双凸透镜在整个屏幕的高度或宽度上延伸。相反，在本发明一个实施例中，所有透镜的尺寸都小于屏幕高或屏幕宽的1/20，甚至还可小于例如屏幕尺寸的千分之一或更小。
截面5-5示于图5。各镜面402有一球型面，并且有方形轮廊404。光轴410通过一镜面412位于某一位置，使轴410对镜面412与膜440呈法向入射。镜面412像透镜一样工作，焦距为f0。此时，轴410相当于表面412居中。图示的两条光线414与416法向入射在膜400上，并在通过镜面412后，各光线414与416以与镜面412分开的一光距横穿过光轴410达焦距f0。
图示的其他光线510与512通过位于膜阵列400顶部附近的透镜514，图示的其它光线516与518则通过膜400底部的底镜520。膜400的各透镜的焦距均为f0，因而对通过不同透镜412、514与420的光而言，发散角都一样。另外，各透镜都形成一幅观看者在远场看得到的图像。在图示实施例中，各透镜412、514与520均为正透镜，从而形成实像。当通过透镜的光到达透镜输出侧的焦点时，就形成实像。可把图像平面Li画成通过阵列400中各透镜402的焦点。当所有透镜有同一焦距时，该图像平面为平面，如图所示。阵列400中的透镜402可以是负透镜，此时透镜402形成虚像，即自各透镜发散的光似乎来自阵列400输入侧的某一物体。
阵列中的透镜各自形成一实像或虚像，其作用像某一物体在观看者眼中形成一远像。阵列中所有透镜的组合作用使观看者感觉到投射到屏幕上的整幅图像。
单一透镜表面412可以近似为图6所示的单透镜640，表面602与表面412等同。各条光线614与616进入透镜640，并在与曲面602隔开一光距(等于曲面602的焦距f0)的位置横穿过光轴610。透镜640的截面为方形，类似于阵列膜400上的各透镜402。透镜600的尺寸为d。透镜640产生的最大发散光线620由准直光线造成，该准直光线在离光轴610最远的位置进入透镜600。结果，透镜600产生的光的发散度与该透镜焦距f0和尺寸d都相关。在许多情况下，发散度Dcd表示为Dcd d/2f0，式中，Dcd为发散度半角。
阵列膜中的诸透镜在X与Y方向不必具有同样的尺寸。在图7A的另一透镜阵列膜700实施例中，透镜在Y方向的尺寸为dy，而透镜702在X方向的尺寸为dx，这里dx dy。
阵列700的单透镜702示于图7B，沿Y轴方向看，把X方向的尺寸示为dx。投射到膜700的图像充满了透镜702。因此，光线712与714在其各自的上下边缘进入透镜702，并以发散角Dcx从透镜702发散，称为X发散度，可计算为Dcx dx/2f1，式中f1为透镜702的焦距。
图7C示出沿X轴看到的透镜702的正交图，把Y方向的透镜702的尺寸示为dy。光线722与724在透镜702各自的边缘进入，并以角度Dcy从透镜向外发散，称为Y发散，这里把Dcy计算为Dcy dy/2f1。由于dy大于dx，所以发散大于X发散。这样，由于Dcy Dcx，所以屏幕700不对称地散射通过其间的光。这种不对称性是使用尺寸在X与Y方向不同的透镜而造成的。
图8A以截面形式示出了另一种透镜阵列膜800，该膜包括一透镜阵列802，各透镜具有同样的曲面804。穿过一个透镜802的截面示于图8B与8C。表示X尺寸dx的截面示于图8B。形成镜面804，使光轴810在X方向偏离透镜802的中心。第一光线812在一个边806处进入透镜802，与光轴810的距离为dx1。第一光线812以角度DCX1从透镜802发散，该角度可计算为DCX1 dx1/2f2，式中，f2是透镜802的焦距。第一光线814在另一边缘808进入透镜802，与光轴810的距离为dX2。下面的光线814以角度DCX2从透镜802发散，该角度可计算为DCX2 X2/2f2。由于dX1 dX2，所以该光线以某种围绕光轴810不对称的图案从透镜802发散。
表明Y尺寸dY的截面示于图8C。在此情况下，形成镜面804，使光轴810相对于透镜的Y方向居中。因此，各条光线822与824以DCY dy/2f2给出的角度DCY从透镜802发散。
因此，使用有一透镜阵列的膜(其光轴偏离各透镜的中心)，导致以不对称方式从该膜散射光。但应明白，形成的镜面可使光辆在X与Y两个方向偏离透镜中心。
另一种透镜阵列膜900示于图9A，穿过膜9B-9B与9C-9C的正交截面分别示于图9B与9C。膜900包括一透镜902阵列，各透镜具有同样的曲面904。透镜902为像散透镜，换言之，在研究X-Z平面和Y-Z平面的光聚焦时，它具有不同的焦距。研究一下图9B的截面。表面904为曲面，光在Y-Z平面聚焦的焦距为fy。对于图9C的截面，该表面也是曲面，但光在X-Z平面聚焦的焦距为fx。透镜902是像散透镜，fy fx。
相应地，光在X-Z平面内的发散度为DCX d/2fx，式中，d为透镜902在X-Z平面内的尺寸。若假定在Y-Z平面内为同尺寸，则Y发散度为DCY d/2fy。由于焦距在各平面内不同，所以发散度在各平面内也不同。例如，将表面904的曲率半径在X-Z平面内做成不同于在Y-Z平面内的曲率半径，就可将透镜902做成像散透镜。
因此，至少有三种方法使光从透镜阵列膜不对称地散射，即，相对于正交方向以一个方向改变透镜的尺寸、使透镜光轴偏离透镜中心以及使用像散透镜。当然，在单个透镜阵列中显然可以组合使用这三种方法中的任何一种。例如，可用其光轴偏离其各自中心位置的像散透镜构成透镜阵列。形成的这类透镜，其轮廓尺寸例如在X方向与Y方向不一样。
阵列中的诸透镜可形成不同的轮廓形状。透镜轮廓通常形成得在任何相邻透镜之间不留空间。上述诸实例使用了方形或矩形的透镜形状。图10A-10C示出其它形状的实例。在图10A中，阵列膜1000具有三角形透镜1002阵列，透镜排列在三角的顶角，向上或向下指向。这种配置可避免在相邻透镜1002之间有任何无用的空间，从而形成一种“瓦面”图案。在图10B中，阵列膜1050有一六角形透镜1052阵列。如在膜1050中看到的六角形，可以有规则地排成“瓦面”图案，在透镜间不留无用空间。
当然，应该理解，也可使用不规则的透镜图案，透镜之间的定位不呈周期的图案。另外，单块膜可以包含不同形状的透镜，如图10C所示，阵列膜1070具有随机或伪随机成形透镜的图案1072。随机或伪随机图案可避免周期性透镜图案通常出现的衍射效应。
透镜阵列膜还可与光散射器一起使用，如块状漫射器、双凸层、珠层(beadedlayer)、表面漫射器、全息漫射体、微结构漫射器或其各种组合。散射器对光作散射或漫射，由此破坏任何可能由周期性透镜阵列造成的衍射图案。散射器可以位于透镜阵列的前后。
另一透镜阵列膜1100示于图11A。在该特定实施例中，透镜1102形状呈六角形，高为h，宽为w。一块这样的透镜1102的拓展图示于图11B。圆圈1110表示通过该透镜的光轴的位置，这里把光轴1110定位于透镜1102的中心。
对通过单透镜1102的光计算的光强图案1200示于图12A。轮廓线代表光强步幅，各步幅约为最大光强的12％。假定透镜1102在125μm厚的聚碳酸酯膜上形成，透镜1102表面是非球面，以减小焦点上的球面像差，而且不产生像散。焦距接近125μm，透镜尺寸为h＝w＝100μm。角41与42分别为131.4°与114.3°。把光强图案绘成等光强与X-Z平面发散度θy和y-x平面发散度θx的轮廓线。
透镜1152的另一实施例示于图11C。图中，该透镜为扁六角形，光轴1160在透镜1152内不居中，而是位于透镜中心线1162下面△h。
通过透镜1152的光产生的远场光强图案1210示于图12B。每条轮廓线代表光强步幅，约为最大光强的7％。假设w＝100μm，h＝60μm，△h＝10μm。假定内角41为131.4°。光强图案1210比图12A的图案更不对称。除了光强图案的宽大于高外，该图案明显是傍轴的。水平半角θx约35°。在垂直方向，半光强发散度，即对一半最大光强点的角度，为+32°与-13°，这是光轴偏离透镜1152的中心造成的。利用像散透镜可对该光图案引入更大的不对称性。
本发明的透镜阵列可应用于许多不同的屏幕结构。屏幕组件1300另一具体实施例示于图13，它运用透镜阵列散射通过该组件的光。屏幕组件1300包括若干层，用于和散射入射在该屏幕组件输入面1302上的图案光1301。图像光在照射屏幕组件1300之前可以作准直，如图所示，或可以不准直。第一层为透镜阵列1304，如上述类型的透镜阵列，利用透镜轮廓形状、傍轴镜面和透镜像散之一，至少部分地控制水平与垂直视角的对称性。透镜阵列膜1304还用颗粒1305形成的整块个漫射器散射光，颗粒的折射率不同于阵列膜1304连续相的折射率，颗粒1305随机置于阵列膜1304里。这样，在单块膜中组合了该透镜阵列的不对称散射和某一其它类散射器的对称散射。例如，假设块状漫射器是-20°散射器，并把该透镜阵列配置成按X方向±30°、Y方向±10散射图像光，因而在通过透镜阵列/块状漫射层1304后，X散射对一次近似为±50°，而散射对一次近似为±30°。
不用块状漫射器，可以使用某种其它类型的散射器。例如，膜1304的第二表面1307可形成包括某种其它形式的光散射器，例如周期不同于透镜阵列周期的双凸面、漫射面、全息漫射层或微结构漫射面，或者其各种组合。通常，这些散射器可对称地散射光。另外，阵列膜1304的第二面可以设置第二透镜阵列，该透镜阵列为非周期性，或具有变化的周期性，或者不同于第一面上阵列的周期性，以减小衍射效应。
下一层1306可以是一种阻止层，通常是光谱可见光区中某一波长的1/4波延迟器，而第三层1308可以是一偏振层，用于吸收一种偏振的光而发射正交的第二偏振的光。延迟器与偏振器可以组合使用而减少环境光的反射，如题为“Rear Projection Screen With Enhanced Contrast”的美国专利申请90/274,585中所讨论的，其申请日为1999年3月23日。偏振器1308可装在玻璃片1310上，该玻璃片可以但不一定以某种方式作烟熏或处理，以影响其传输特性。
另一种屏幕结构1400示于图14。这里由图像投影仪发出的发散光1402入射在菲涅耳透镜1404上，后者相对于屏幕轴使光准直。菲涅耳透镜1406可以埋入低折射率层1408，如美国专利申请90/229,198中所揭示的那样，该申请的申请日为1999年1月13日。菲涅耳透镜在结构镜面与后续层之间一般有一气隙，低折射率层1408让菲涅耳透镜1406执行准直功能，但仍让它紧紧贴近屏幕的其它层，从而减小了叠影，提高了分辨率。透镜阵列膜1410位于低折射率层1408的第二侧，低折射率层也可提供折射率对比度，使菲涅耳透镜1404与透镜阵列1410以预期的方式使光折射。透镜阵列膜1410的后面是块状漫射层1412，用于进一步散射，并减小可能由透镜阵列膜1410造成的任何衍射效应。散射不一定只用块状漫射器引入，可用其它方法引入散射作用，如珠层、表面漫射层、全息漫射层、或微结构漫射层、或其各种组合。块状漫射体也可被例如阵列膜1410输出面上的双凸阵列或另一透镜阵列代替。在应用两个透镜阵列时，最好是，第一透镜阵列与第二阵列，即双凸阵列或透镜阵列的周期不同于阵列膜输入面的周期。可把块状漫射层装到作支承的玻璃片1414。
应该明白，除了图示的结构外，还有许多可以使用该透镜阵列的其它屏幕结构，这类图示结构化用于表明可使用透镜阵列的屏幕的类型，并不加以限制。
阵列中诸透镜不一定全都均一，在许多方面可以不同，如尺寸、形状、偏离光轴和焦距。如图18所示，如在观看者靠近屏幕1800时，这样是有利的。图中，来自屏幕边缘的光线1804、1806通过α角散射，以便让位置X的观看者看到，而屏幕对来自屏幕1800中心的同轴光1802不散射。总之，通过屏幕而不散射的光具有比散射的光更高的光强。另外，散射角α越大，屏幕发射光的光强越低，这对大型高分辨率计算机监视器成为越来越重要的作用：监视器越大，观看者与屏幕边缘的夹角越大，这样观看者更容易感到屏幕边缘比中心更暗淡。来自屏幕边角的光一般必然通过最大的角度散射，因而常常感到边角是最暗淡的屏幕部分。
现参照图19A与19B讨论解决这一问题的一种方法。回顾一下对图8B的讨论，若透镜被成形为使光轴偏离该透镜的中心，则远场的光沿偏离方向偏移。因此，可将阵列1900中的诸透镜排列成使各透镜的光轴向阵列1900中心偏移。假定观看者的眼睛与屏幕中心同轴。显然，若预计观看者的位置在另一地方，则应将各透镜的轴线位置定成沿观看者的方向投射光。
图19A示出的屏幕1900具有透镜阵列的各种六角形透镜，为简明起见，未示出全部透镜。各透镜的光轴从图示平面伸出成为一黑点，1900中心的透镜1902，其轴线1904位于透镜1902中心。从中心向上的第一透镜1906，其光轴1908从透镜1906中心略为下移。屏幕1900顶部的透镜1910，其轴线1912从透镜1910中心下移比透镜1906更大的距离。
中心透镜1902下面的第一透镜1914，其光轴1916略高于透镜中心，而屏幕1900底部中心的透镜1918，其光轴1920从透镜中心上移更大距离。屏幕1900左侧的透镜1922的光轴1924位于透镜中心的右边，而屏幕1900右侧的透镜1926的光轴1928位于透镜中心的左边。
光轴各自为1932、1936、1940与1944的边角透镜(corner lenses)1930、1934、1938与1942，朝中心透镜1902的方向移离透镜中心。
穿过屏幕1900的截面示于图19B，表明光1950通过中心透镜1902而以角度β散射，但是散射光的锥体1958以角度γ导向中心透镜1902的轴线1904。角度γ的值部分取决于光轴1924和1928从它们各自的透镜1922与1926的中心转移的量。
应该明白，光轴在特定透镜中偏移的量并不是透镜在屏幕1900中的位置的对称函数，例如，偏移光轴的净效应可能使整幅图像偏离屏幕1900到达左侧或右侧。
另一透镜阵列2000实施例的截面示于图20。这里，诸透镜的聚焦能力并不完全一样，例如  心透镜2002的焦距可能是f10，而阵列2000左右边缘的透镜2004与2006的焦距f11均小于f10。因此，光在阵列2000边缘要通过比在阵列中心(锥角β10)更大的锥角β11散射。该实施例可用于例如从阵列2000边缘把更多的光导向观看者，这样在应用于屏幕组件时，可减少任何感到的整个阵列2000光强的不均一性。直线Li通过阵列2000透镜焦点画出。
在另一实施例中，接近屏幕中心的透镜比接近屏幕边缘的透镜具有更短的焦距，以减小屏幕中心的增益。在相对于图像光源，屏幕边缘的像素比屏幕中心的像素对着更小立体角的情况下，这样做是有利的，可以使屏幕边缘的发光度低于中心。此时，减小屏幕中心的增益可以使屏幕亮度更均一。
读者将会理解，对于透镜阵列中不同X与Y位置的透镜，显然可以改变阵列2000中诸透镜的焦距。因此，阵列2000边角处的透镜的焦距可以最短，而边缘中心的透镜2002的焦距更长。还应明白，整个阵列诸透镜的焦距变化不一定呈对称，若具体应用场合需要的话，可以呈不对称。另外，各块透镜的尺寸和焦距显然可以不同，这样可进一步影响光通过诸透镜发射的发散度。
制作上述透镜阵列的一种方法是用例如美国专利申请08/429,302所揭示的激光消蚀法形成一种复制模板(replication master)，该申请的申请日为1995年4月26日。形成复制模板后，可用该模板形成一模具，再用它复制透镜阵列。在另一实施例中，所需的透镜阵列具有正透镜，因而复制模板必须有负凹陷。透镜阵列可直接用模板或子模板形成，而子模板用模板制作的模具制成。可用其它方法应用该模板。
图15示出的设备可用激光消蚀法形成复制模板。激光消蚀系统1500可以是一种应用图案掩膜的激光投射消蚀系统，尽管也可使用障板系统或相位掩膜系统。还可使用在模板表面与直接刻写的方法。消蚀法适合在基片表面上制作小型元件或小型结构，结构尺寸为1到几百微米量级，若不是几千微米的活。虽然图示的消蚀技术应用于激光源，但也可能用其它光源。
激光消蚀技术涉及从选择的复制模板基片的某一区域去除一薄层，消蚀区用图案掩膜选择。用不同的掩膜区至复消蚀过程，可在复制模板或基片表面上形成某种结构。
消蚀系统1500包括激光器，如氟化氮准分子激光器，发射光束的波长约248纳米。紫外激光消蚀的优点在于能分解小型特征，对四周材料表面的侧向损伤很小。紫外激光消蚀适合与在光谱紫外区具有高吸收的许多聚合物与陶瓷一起使用。另外，紫外线的吸收波长一般极短，可受控地去除极浅的材料层。
紫外线1522由激光器1520发射，照射图案掩膜1524。掩膜1524可用普通半导体光刻掩膜技术来形成。掩膜1524的图案部分不发射紫外线，而掩膜1524的支承衬底1525对紫外线透明，且可用熔融石英、氟化钙、氟化镁或某种其它紫外线透明材料制作。可将铝用作形成掩膜1524图案的图案形成材料，因为铝是紫外线有效的反射体。或者，可用另一种金属或图案反射介质堆形成掩膜。
紫外线1522散射通过掩膜1524后，由成像系统1526聚焦，该成像系统可以包括单块透镜，或是一种有多个透镜与其它光学元件的更复杂的光学系统。成像系统1526把掩膜1524的图像投射到复制模板基片1530的表面上。复制模板衬底1530可用能被紫外线消蚀的若干金属、陶瓷、聚合物或其他材料构成。合适聚合物的实例包括聚酰亚胺、聚脂、聚苯乙烯、有机玻璃(PMMA)和聚碳酸酯。基片1530也可用若干不同材料层制成，如顶层1532为聚酰亚胺，下层1534为铜等金属。可把金属底层用作边缘阻挡层或支承本身不能支承的图案。
基片1530支承在工作台1538上，在台上例如用真空吸盘1536使其就位。还可以用静电法、机械固定件或砝码将基片1530固定于工作台1538上。通过在X、Y与Z轴移动以及例如绕平行于成像系统1526的光轴的轴线转动基片1530，工作台1538能使基片1530定位。用工作台1538以小步幅移动基片，如步幅小至5纳米，距离的重现精度为0.1微米或更高。这一重现性使步进与重复过程配用于图案，在更大区域(几英尺或以上)作消蚀。工作台1538可以作计算机控制，使工作台1538移动的程序尽可能实现工作台移动与激光器1520的光发射同步。工作台1538还可例如使用接至计算机的摇杆作手控。
激光消蚀系统1500可应用步进与重复过程在基片上形成重复的消蚀图案。图16示出一例图案掩膜，可用于消蚀图11A那样的六角形透镜图案。应该明白，图案掩膜可应用若干不同的形状与几何结构，如方形、圆形、沟形、多边形等或不规则形状，在复制掩膜或基片上形成透镜阵列。在图示场合中，掩膜1600有若干从激光器发射紫外线的孔径，诸孔径1602、1604、1606、1608、1610和1612以等距离沿掩膜1600排列。用掩膜1600曝光复制模板的方法示于图17A～17F。
图17A的基片1700有一第一消蚀区1702a，它通过照射掩膜1600而形成，将基片1700定位，使消蚀区1702a位于第一孔径1602下面。然后，基片1700步进一个孔径间距，并再曝露于激光器消蚀光中。每次曝光都去除一定厚度的基片材料。例如，若基片材料为PMMA或聚酰亚胺，曝光激光器可以是工作于248纳米的氟化氮激光器，虽然其它波长也有效。消蚀深度通常为0.1～1微米，基片1700上消蚀光的能量密度(流量)为300～1000mJ cm-2。应当明白，应用不同材料和不同消蚀光流量，可得到不同的消蚀深度。
图17B表示基片1700在第二次步进与照射后的情况。第一消蚀区1702b现在的轮廓对应于用孔径1602然后用1604作后续的消蚀步进。第二消蚀区1704a表示的轮廓对应于图案掩膜1600的第一孔径1602。
在再次步进并照射基片1700表面之后，得到的消蚀图案示于图17C。此时，第一消蚀区1702c显示出对应于通过孔径1602、1604与1606作后续消蚀的轮廓。第二消蚀区1704b的轮廓对应于通过孔径1602与1604的后续消蚀脉冲。第三消蚀区1706a表示对应于通过孔径1602的光消蚀脉冲的轮廓。
在再次步进后，重复消蚀步进。因此，第一消蚀区1702d现在包括对应于第四孔径1608的轮廓，第二消蚀区1704c包括对应于第三孔径1606的轮廓，第三消蚀区1706b包括对应于第二孔径1604的轮廓，而第四消蚀区1708a包括对应于第一孔长1602的轮廓。
步进与重复过程继续下去，例如图17E的基片1700表示下一步进，此时第一消蚀区1702e现在的轮廓还对应于第五孔径1610。第二、第三和第四消蚀区1704d、1706c和1708b现在分别包括对应于第四、第三和第二孔径1607、1606与1604的轮廓。第五消蚀区1710a开始对应于通过孔径1602的光。
最后，在图17F中，第一消蚀区1702f包括依次对应于各孔径1602、1604、1606、1608、1610与1612的轮廓。其它消蚀区1704e、1706d、1708c、1710b与1712a各自包括对应于诸孔径的轮廓，而这些孔径对应于通过其光照射各消蚀部分的孔径。
显然，通过组合不同尺寸和/或形状的诸孔径，可在基片中构成具有特定轮廓的消蚀区，于是可用于复制模板。还应该明白，除了图17A-17F所示的处理外(其中可从内到外，从小掩膜尺寸到大掩膜尺寸制作消蚀区)，还能从外面开始，即从大尺寸掩膜孔长开始向较小尺寸加工而形成消蚀区。另外，可以使用一系列孔径，尺寸不是单调地增大，相邻孔径间的尺寸不是增大就是减小。
在采用这里讨论的激光消蚀技术形成复制模板时，基片一般用聚酰亚胺制成，并用248纳米的光消蚀。激光消蚀流量一般为600～700mJ cm-2，造成的消蚀深度约为每个脉冲0.25微米。若透镜阵列中各透镜的尺寸为100～200微米量级，为在消蚀区中形成期望的轮廓，要求去除许多消蚀层。因此，可用几百个不同的掩膜孔径对各消蚀区曝光。若对相邻消蚀部分之间由掩膜边缘造成的边缘作若干次曝光，可减少消蚀区的粗糙度。因此，以小孔径开始加工到大孔径束形成消蚀轮廓的“内—外”法，比之从大孔径开始加工到更小孔长形成消蚀区，可产生更光滑的表面。
激光消蚀技术制作的复制模板，可用于复制球面镜、非球面镜、半透镜或其它轮廓或形状的透镜，还可制造其光轴相对透镜轮廓位于任一特定位置的透镜。
可应用其它方法制作透镜模板模具，包括(但不限于)金刚石平削、光刻与重迭钻孔。
制作具有透镜阵列的屏幕组件，其结果如下。该屏幕组件的结构示于图21，组件2100的透镜阵列2102形成在Bayer生产的DE6-2型聚碳酸酯基片2104(250μm厚)上，然后将该基片2104层迭至Polaroid公司出售的一层偏振膜上。
透镜阵列膜2102用丙烯酸酯制作，折射率为1.51。膜2102上的透镜为规则的六角形，中心间距60μm，六角形中心与边角之一的距离是45μm。水平与垂直方向的视角相同。各透镜的焦距约134μm，高度h约为27μm。
透镜阵列膜2102在聚碳酸酯基片2104一个表面上用浇注固化法形成，基片2104的两面作粗糙的无光光洁，一面比另一面更粗糙，透镜阵列膜2102形成至更粗糙的无光光洁表面上。
基片2104层迭到偏振器2106之前，用偏振光测量样品作为水平与垂直方向角度函数的增益，结果示于图22。水平方向增益示为曲线2202，垂直方向增益示为曲线2204，两曲线宽度大体一样。然而，水平方向测得的增益曲线2202相对于曲线2204略有偏移，据信这是透镜略微不对称造成的，起因是透镜阵列膜在浇注固化处理后从模具上剥离的关系。这种不对称例如可应用不同的制作法或确保易于膜模而避免。
在基片2104后迭到偏振器2106之后，还沿水平与垂直方向测量增益。曲线2206示出水平方向的增益，曲线2208表示对垂直方向的角度测得的曲线。相对于曲线2202与2204的增益，曲线2206与2208的增益略为减小。这是可以预计的，因为光不以单向通过偏振器2106，而有些光以某一散射角通过偏振器2106，通过该偏振器的传输小于最大值。
如上所述，本发明适用于背投屏幕，并相信尤其适用于应用于要求不对称视角场合的屏幕。相应地，不应认为本发明限于上述诸具体实例，而应理解成包括所附权利要求合理提出的本发明的所有方面。参阅本说明书而得到本发明指导的本领域的技术人员显然明白，本发明适用的各种修正、同等处理的各种结构。权利要求旨在覆盖这些修正与装置。

Claims (47)

1.一种光散射屏幕，其特征在于，它包括：
具有第一表面的第一膜，一部分第一表面限定了多个非双凸透镜；
其中，将通过至少一块非双凸透镜的光形成一图像，并且不对称地发散。
2.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，将通过非双凸透镜的光形成虚像。
3.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，将通过非双凸透镜的光形成实像。
4.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，光在第一与第二平面内发散，所述第一平面由平行于一根光轴的X轴与垂直于Z轴的X轴线形成，所述第二平面由Z轴与垂直于X轴和Z轴的Y轴形成，而且第一平面内的光发散角大于第二平面内的光发散角。
5.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，有一块非双凸透镜具有基本上为非圆形的外周。
6.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述非双凸透镜的邻接方式排列成周期性阵列。
7.如权利要求6所述的屏幕，其特征在于，至少一块非双凸透镜具有第一光轴，第一透镜沿垂直于第一光轴的第一方向的尺寸大于第二透镜沿垂直于第一光轴和第一方向的第二方向上的尺寸。
8.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述多个非双凸透镜之一的光轴偏离所述多个非双凸透镜之一的中心点。
9.如权利要求8所述的屏幕，其特征在于，所述非双凸透镜相对于第一与第二互相垂直的方向以邻接方式排列成阵列，所述多个透镜之一的光轴相地于第一与第二方向偏离该透镜的中心点。
10.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述多个非双凸透镜之一是像散透镜。
11.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述非双凸透镜之一是正透镜。
12.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述非双凸透镜之一是负透镜。
13.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，它还包括一块配备第一膜的光散射膜，用于散射所述第一膜发射的光。
14.如权利要求13所述的屏幕，其特征在于，所述光散射膜包括一块状漫射膜。
15.如权利要求14所述的屏幕，其特征在于，它还包括设置在所述第一膜内的光漫射颗粒。
16.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述第一膜还包括一光散射表面。
17.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，它还包括一个相对于所述第一膜输入侧设置的聚焦元件，用于使光重新传送到所述第一膜内。
18.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述多个透镜的邻接方式排列成非周期性图案。
19.如权利要求1所述的屏幕，其特征在于，它还包括一个设置成把图像投射到所述第一膜表面上的图像光投影仪。
20.一种背投屏幕组件，其特征在于，它包括：
具有第一表面的第一层，一部分第一表面限定多个非双凸透镜；以及
光学耦合至第一表面以使所述第一层发射的散射的对称光散射装置；
其中，通过至少一块非双凸透镜传送的光形成一图像，并且不对称地发散。
21.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，所述散射装置包括一块状漫射层。
22.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，所述对称光散射装置包括多粒置于所述第一层内的光散射颗粒。
23.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，所述对称光散射装置包括所述第一层上的散射面。
24.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，所述非双凸透镜相对于垂直于所述非双凸透镜之一的光轴的方向伸长。
25.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，所述非双凸透镜之一的光轴偏离该非双凸透镜之一的中心点。
26.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，至少一个非双凸透镜呈像散的。
27.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，它还包括一偏振层，用于发射由具有第一偏振的第一层发射的光。
28.如权利要求20所述的屏幕组件，其特征在于，它还包括一图像光源，用于以图像光照射所述第一层表面。
29.如权利要求28所述的屏幕组件，其特征在于，所述图像光源发射以第一偏振方向偏振的光，而且还包括一偏振层，用于发射具有第一偏振方向且由所述第一层发射的光。
30.如权利要求28所述的屏幕组件，其特征在于，它还包括一聚焦元件，用于将来自所述图像光源的光重新传送到所述第一层。
31.一种光散射屏幕，其特征在于，它包括：
第一薄膜，它具有限定光成像和光发散的第一表面，用于形成图像，并使通过所述第一膜的光不对称发散。
32.如权利要求31所述的屏幕，其特征在于，所述光成像与发散装置的外周沿垂直于第一光轴的一个方向伸长，沿垂直于一个方向与第一光轴的另一方向缩短。
33.如权利要求31所述的屏幕，其特征在于，所述第一光轴偏离光成像与发散装置的中心点。
34.如权利要求31所述的屏幕，其特征在于，所述光成像与发散装置是一像散透镜。
35.一种光散射膜，其特征在于，它包括：
具有第一表面的第一膜，一部分所述第一表面限定多个透镜，所有透镜的尺寸都小于选择的所述第一膜尺寸的1/20；
其中，通过至少一个透镜的光形成一图像，且不对称地发散，所选的尺寸选自膜长与膜宽。
36.如权利要求35所述的膜，其特征在于，光在第一平面与第二平面内发散，所述第一平面由平行于所述光轴之一的Z轴与垂直于所述Z轴的X轴形成，所述第二平面由Z轴与垂直于X轴和Z轴的Y轴形成，所述第一平面内的光发散角大于所述第二平面内的光发散角。
37.如权利要求35所述的膜，其特征在于，至少一个透镜的尺寸沿平行于所述膜的第一轴伸长。
38.如权利要求35所述的膜，其特征在于，所述透镜之一的光轴偏离所述透镜之一的中心点。
39.如权利要求35所述的膜，其特征在于，所述多个非双凸透镜之一是像散透镜。
40.如权利要求35所述的膜，其特征在于，所述透镜之一为正透镜。
41.如权利要求35所述的膜，其特征在于，所述透镜之一为负透镜。
42.如权利要求35所述的膜，其特征在于，它还包括一配备第一膜的光散射膜，用于散射所述第一膜发射的光。
43.如权利要求42所述的膜，其特征在于，所述光散射膜包括一块状漫射膜。
44.如权利要求35所述的膜，其特征在于，它还包括设置在所述第一膜内的光漫射颗粒。
45.如权利要求35所述的膜，其特征在于，所述第一膜还包括一光散射表面。
46.如权利要求35所述的膜，其特征在于，它还包括相对于所述第一膜的输入侧设置的聚焦元件，用于将光重新传送到所述第一膜内。
47.如权利要求35所述的膜，其特征在于，它还包括设置成把图像投射到所述第一膜表面上的图像光投影仪。
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