專(zhuān)利名稱(chēng)：偏振敏感型前投影屏幕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于前投影系統(tǒng)的屏幕。
背景技術(shù)：
自十九世紀(jì)以來(lái)，前投影系統(tǒng)遍布全球各地，其中將圖像投射到屏幕上，并且觀看者看到自屏幕反射的光。典型的前投影機(jī)已從影院膠片投影機(jī)、家庭電影投影機(jī)、教育膠片投影機(jī)、幻燈片投影機(jī)和高射正片投影機(jī)演變?yōu)楝F(xiàn)在的基于LCD的投影機(jī)，在其演變道路上有多種變型。伴隨這些投影機(jī)的屏幕也隨時(shí)間推移而演變。據(jù)推測(cè)，最初的投影機(jī)投影到墻壁上。自墻壁反射的光主要為鏡面反射，鏡面反射中包含太多的光而沒(méi)有足夠的光散射進(jìn)其他反射角中。早期屏幕為一種優(yōu)于僅投影至墻上的改進(jìn)；因?yàn)閷?zhuān)用屏幕可整合粗糙表面或某個(gè)其他合適的結(jié)構(gòu)用于將反射光散射至某出射角范圍中，顧及比較寬的視角范圍。即使屏幕已經(jīng)歷了多年的演變，許多屏幕仍會(huì)由于環(huán)境光而性能劣化。例如，圖I中示出了典型的前投影屏幕I。投影機(jī)3將光投射至屏幕I上并在屏幕 I處形成圖像。當(dāng)觀看者觀看圖像時(shí)，來(lái)自投影機(jī)3的光反射離開(kāi)屏幕并進(jìn)入觀看者2的眼中；此光可稱(chēng)為“圖像”光。除離開(kāi)投影機(jī)3并到達(dá)觀看者2的“圖像”光之外，還存在所謂的“非圖像”光，其由投影機(jī)3之外的光源產(chǎn)生。例如，頂燈4會(huì)產(chǎn)生環(huán)境光，該環(huán)境光可自屏幕反射并到達(dá)觀看者2?；?，來(lái)自太陽(yáng)5的光會(huì)透過(guò)窗戶6進(jìn)入，從屏幕反射并到達(dá)觀看者2。此“非圖像” 光表現(xiàn)為跨越圖像的全部或大部分的背景光量級(jí)，其可降低圖像的對(duì)比度并使該圖像看起來(lái)褪色。圖2的曲線中示出圖I的典型屏幕I的性能，圖2為屏幕的功率反射率隨入射角而變化的曲線。通常，典型屏幕的反射率在大的入射角范圍內(nèi)相當(dāng)高。來(lái)自投影機(jī)3的“圖像”光以比較小的入射角照射在屏幕上，因?yàn)橥队皺C(jī)通常取向成適于垂直入射或接近垂直入射。相比之下，來(lái)自室內(nèi)頂燈4或窗戶6的“非圖像”以比較大的入射角照射在屏幕上。 典型屏幕I使得“圖像”和“非圖像”這兩者都較好地反射，因此，環(huán)境光與圖像光混合并使圖像的對(duì)比度降低。因此，需要一種前投影屏幕，其可排斥非圖像光的全部或一部分，以使圖像的對(duì)比度保持在高量級(jí)，并使投影圖像的品質(zhì)對(duì)環(huán)境光的敏感度降低。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施例為一個(gè)前投影系統(tǒng)，包括投影機(jī)，其用于將光投射至屏幕，該光具有第一偏振態(tài)；屏幕，其用于接收來(lái)自投影機(jī)的光并將光反射至觀看者，該屏幕包括吸收器；以及膜，其布置在吸收器和投影機(jī)之間并與吸收器相鄰，該膜具有以下性質(zhì)對(duì)第一偏振態(tài)在低入射角下具有高功率反射率，對(duì)第一偏振態(tài)在高入射角下具有低功率反射率，對(duì)垂直于第一偏振態(tài)的第二偏振態(tài)在低入射角下具有低功率反射率，并且對(duì)第二偏振態(tài)在高入射角下具有低功率反射率。另外的實(shí)施例為屏幕，其具有用于接收來(lái)自投影機(jī)的具有投影偏振取向的線偏振投影光并將光反射至觀看者的觀看側(cè)，包括光散射層，其包括多個(gè)能透射的部分球體并產(chǎn)生升高的有效入射折射率，該升高的有效入射折射率至少取決于能透射的部分球體的深度和折射率；以及薄膜結(jié)構(gòu)，其布置在觀看側(cè)的相反側(cè)與光散射層相鄰，并且包括多個(gè)交替的第一層和第二層。每個(gè)第一層均為雙折射的并對(duì)沿著投影偏振取向偏振的光具有第一折射率，同時(shí)對(duì)垂直于該投影偏振取向偏振的光具有第二折射率。每個(gè)第二層均為各向同性的并具有各向同性折射率，其與第二折射率匹配并與第一折射率失配。在至少一個(gè)入射角下入射到屏幕的觀看側(cè)上的P偏振光由于在交替的第一層和第二層之間的界面處發(fā)生的布魯斯特角效應(yīng)而具有降低的反射率。另一實(shí)施例為一種方法，包括提供設(shè)置在基板上的部分球體陣列，該基板具有表面法線；以相對(duì)于基板表面法線的非零初始入射角將初始光線導(dǎo)向至部分球體陣列上；使初始光線在部分球體的表面處折射以形成球體內(nèi)光線；使該球體內(nèi)光線透射穿過(guò)部分球體；以及使該球體內(nèi)光線透射至基板內(nèi)以形成以相對(duì)于基板表面法線的基板折射角傳播的基板內(nèi)光線。該基板折射角大于該基板在空氣中的臨界角。


圖I為已知前投影系統(tǒng)的示意圖。圖2為圖I的已知前投影系統(tǒng)的屏幕功率反射率的曲線。圖3為示例性前投影系統(tǒng)的屏幕功率反射率的曲線。圖4為圖3屏幕的各種偏振取向以及入射角和傳播取向的屏幕功率反射率的示意圖。圖5為入射光線和來(lái)自圖3屏幕的反射光線的取向的示意圖。圖6為入射光線和來(lái)自圖3屏幕的光散射層的折射光線的示意圖。圖7為用于圖6的光散射層的數(shù)學(xué)量的示意圖。圖8為以統(tǒng)計(jì)(光線跟蹤)方式計(jì)算并通過(guò)斯涅耳定律的修改版以及升高的有效入
射折射率計(jì)算的圖6的光散射層內(nèi)部的透射角的曲線。圖9為示例性薄膜結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖10為圖9的示例性薄膜結(jié)構(gòu)的另一個(gè)側(cè)視圖，其與圖9的視圖正交。圖11為圖9和圖10的薄膜結(jié)構(gòu)的模擬功率反射率的曲線。圖12為第二示例性薄膜結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖13為圖12的示例性薄膜結(jié)構(gòu)的另一個(gè)側(cè)視圖，其與圖12的視圖正交。圖14為圖12和圖13的薄膜結(jié)構(gòu)的模擬功率反射率的曲線。圖15為第三示例性薄膜結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖16為圖15的示例性薄膜結(jié)構(gòu)的另一個(gè)側(cè)視圖，其與圖15的視圖正交。圖17為圖15和圖16的薄膜結(jié)構(gòu)的模擬功率反射率的曲線。圖18為圖15和圖16的薄膜結(jié)構(gòu)在無(wú)光散射層情況下使用時(shí)的模擬功率反射率的曲線。圖19為光散射層的實(shí)施例。
圖20為光散射層的另一個(gè)實(shí)施例。圖21為光散射層的另一個(gè)實(shí)施例。圖22為光散射層的另一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式需要對(duì)環(huán)境光的靈敏度降低的前投影屏幕。這種屏幕的一般化形式在圖3-5中示出，然后在隨后的附圖和正文中更詳細(xì)說(shuō)明。簡(jiǎn)略地評(píng)述典型的現(xiàn)代投影機(jī)的內(nèi)部工作原理是有益的。對(duì)所述投影機(jī)的說(shuō)明僅為示例性的，并且不應(yīng)理解為以任何方式進(jìn)行限制。在一種投影機(jī)中，由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚光器集中后被導(dǎo)向到像素化面板上，如硅基液晶(LCOS)面板。光經(jīng)過(guò)像素化面板反射之后由投影透鏡在遠(yuǎn)處的屏幕上成像。在這類(lèi)投影系統(tǒng)中，與屏幕上可見(jiàn)的圖像相比，像素化面板通常很小，并且通常認(rèn)為，理想情況下應(yīng)使用數(shù)量最少的元件將光源、聚光器、像素化面板和中間光學(xué)元件(不包括投影透鏡) 位于盡可能最小的空間內(nèi)。通常，像素化面板依賴(lài)偏振效應(yīng)來(lái)執(zhí)行其逐像素衰減，并有效地位于兩個(gè)偏振片之間(或，換句話講，在鄰近單個(gè)偏振片處以反射方式動(dòng)作)。因此，來(lái)自這種投影機(jī)的輸出通常為線偏振的。根據(jù)投影機(jī)設(shè)計(jì)，投影機(jī)輸出光可具有水平、垂直或介于水平和垂直之間的任何特定取向的偏振取向。由于投影機(jī)輸出光可被偏振化，這對(duì)于所述屏幕對(duì)垂直于投影機(jī)輸出光而偏振的光具有低反射率可能有益。所有此類(lèi)光將由除投影機(jī)之外的光源產(chǎn)生，并可視為“非圖像” 光或環(huán)境光。對(duì)于平行于投影機(jī)輸出光而偏振的光，考慮兩種方案可能是有益的。第一方案為光以低入射角照射在屏幕上，其將與來(lái)自投影機(jī)的光對(duì)應(yīng)?？蓪⒋斯庖暈椤皥D像”光。第二方案為光以高入射角照射在屏幕上，其將由除投影機(jī)之外的光源產(chǎn)生，例如室內(nèi)光或來(lái)自窗戶的光?？蓪⒋斯庖暈椤胺菆D像”光。圖3示出屏幕針對(duì)這些偏振取向和入射角情況的示例性的理想性能。來(lái)自投影機(jī)的光通過(guò)特定偏振取向以大體上低的入射角照射在屏幕上；可取的是屏幕對(duì)該投影機(jī)光具有高反射率，并對(duì)所有其他光具有低反射率。理想的是，在一些應(yīng)用中，“平行”曲線對(duì)于“低”入射角具有盡可能高的反射率，對(duì)于“高”入射角具有盡可能低的反射率，并且在“低”和“高”角度部分之間具有盡可能急劇的轉(zhuǎn)變?！案摺惫β史瓷渎世硐氲乜蛇_(dá)100%，“低”功率反射率理想地可達(dá)0%，并且“高”和 “低”之間的區(qū)別可發(fā)生于特定入射角處，例如20度、25度、30度、35度、40度、45度或任何合適的值，具體取決于投影光學(xué)元件和屏幕幾何形狀?！案摺焙汀暗汀惫β史瓷渎实倪@些值是理想化的，并且實(shí)際上，真實(shí)屏幕可能具有小于100%并大于0%的功率反射率。實(shí)際上，對(duì)于“高”功率反射率，超出特定角度范圍內(nèi)的特定值可能就已足夠，并且對(duì)于“低”功率折射率，小于特定角度范圍內(nèi)的特定值可能就已足夠。例如，“高”功率反射率可大于70%、75%、80%、85%、90%、92%、95%、98%、99%、99. 5%或任何其他合適的值。相似地，“低”功率反射率可為30%、25%、20%、15%、10%、5%、2%、1%、0. 5%或任何其他合適的值。
值得注意的是，“高”功率和“低”功率角度范圍無(wú)需嚴(yán)格相鄰，而是可以隔開(kāi)一個(gè)角度過(guò)渡，其中反射率從“高”轉(zhuǎn)變至“低”。例如，“高”和“低”功率角度范圍可隔開(kāi)O度、
O.5度、I度、2度、5度、10度、15度、20度或任何其他合適的值。對(duì)于屏幕10的一個(gè)應(yīng)用而言，圖3的功率反射率性能總結(jié)于圖4的示意圖中。該投影機(jī)發(fā)出具有沿著方向49取向的偏振態(tài)的光。所謂的“圖像光”，為具有平行于投影機(jī)偏振態(tài)的偏振態(tài)并以低入射角照射在屏幕10上的光。所有其他光可被稱(chēng)為“環(huán)境”或“非圖像”光?？扇〉氖瞧聊?0對(duì)“圖像”光具有高反射率，并對(duì)“非圖像”光具有低反射率，并且可將此視為設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖4相對(duì)于投影機(jī)偏振49和屏幕10示出“圖像”和“非圖像”光的幾何形狀。通常，照射在屏幕上的光可具有介于O和90度之間的任何入射角，并可具有任何偏振態(tài)。我們考慮圖4的入射光的8種代表性情況，其中每種情況均具有低入射角和高入射角、P偏振態(tài)和s偏振態(tài)以及平行于投影機(jī)偏振49和垂直于投影機(jī)偏振49的入射平面的獨(dú)特組合。 通常，可將任意入射光束分解為這8種代表性光束的組合，以使得可以這8個(gè)光束充分地表示屏幕10的全部性能。光束41、43、45和48具有比較小的入射角。光束42、44、46和47具有比較大的入射角。光束41、42、45和46為P偏振的。光束43、44、47和48為s偏振的。光束41、42、43 和44具有平行于投影機(jī)偏振49的入射平面。光束45、46、47和48具有垂直于投影機(jī)偏振 49的入射平面。從投影機(jī)發(fā)出的光具有偏振取向49，并以比較小的入射角照射在屏幕10上。圖4 示出光束41和48可表示從投影機(jī)發(fā)出的該“圖像”光。通常，可取的是屏幕10對(duì)“圖像” 光具有比較高的功率反射率(“R”)，使得離開(kāi)投影機(jī)的光以比較低的損耗到達(dá)觀看者。可將照射在屏幕上的包括光束42、43、44、45、46和47在內(nèi)的所有其他光視為“非圖像”光。這可包括來(lái)自其他光源(例如室內(nèi)燈)的環(huán)境光，或來(lái)自窗戶的外部光。通常，可取的是屏幕10對(duì)“非圖像”光具有相對(duì)低的功率反射率，使得“非圖像”光可被盡可能地排除在導(dǎo)向至觀看者的光之外。因此，對(duì)于屏幕10 (投影機(jī)和觀看者均對(duì)該屏幕取向?yàn)橄喈?dāng)接近于垂直入射)，可取的是對(duì)光束41和48具有高功率反射率(R)并對(duì)光束42-47具有低功率反射率。實(shí)際上， 8個(gè)光束中的一些可能比其他光束更容易產(chǎn)生所需的R值；后文將對(duì)此深入探究。值得注意的是，在一些投影機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)于光譜中的所有顏色而言其偏振態(tài)可不被取向在相同方向上。例如，投影機(jī)可使用來(lái)自三個(gè)彩色光源的光，例如紅色、綠色和藍(lán)色， 并可依賴(lài)偏振敏感型分光光學(xué)元件將來(lái)自這三個(gè)源的光組合在一起。因此，一種顏色的偏振態(tài)可垂直于其他兩種顏色的偏振態(tài)。對(duì)于此類(lèi)一種顏色的偏振態(tài)不符的一種處理方法是，在投影機(jī)后面放置偏振旋轉(zhuǎn)器，其在一種顏色的光譜區(qū)中起作用但對(duì)另外兩種顏色的作用可忽略不計(jì)。此類(lèi)偏振旋轉(zhuǎn)器將使該特定顏色的偏振態(tài)重新取向約90度以與另外兩種顏色的偏振態(tài)一致，使得離開(kāi)旋轉(zhuǎn)器的光的所有三個(gè)偏振態(tài)能夠平行。已知有這種顏色敏感型偏振旋轉(zhuǎn)器，由供應(yīng)商(例如總部設(shè)于Boulder, Colorado的ColorLink。出售。這種顏色敏感型偏振旋轉(zhuǎn)器可通過(guò)將薄聚合物膜夾在涂有抗反射層的玻璃基板之間或通過(guò)任何其他合適的方法來(lái)制造?；蛘撸?也可以合適的角度使用半波片(或延遲片)以“翻轉(zhuǎn)”一種特定顏色的線性偏振態(tài)。在一些應(yīng)用中，這種延遲片在該特定顏色的波長(zhǎng)范圍內(nèi)可為大致消色差的，并可在另外兩種顏色的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有接近于O的延遲量。圖3和4示出示例性屏幕10的強(qiáng)度性能或功率反射率性能，其從實(shí)質(zhì)上回答了針對(duì)特定光束取向和偏振態(tài)的“特定光束中有多大部分被反射？”的問(wèn)題。圖5示出反射光束的預(yù)期方向，并且從本質(zhì)上回答了 “反射光束具有什么方向？”的問(wèn)題。屏幕10可具有一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)散片或光散射層,其可將入射光線散射到反射角范圍內(nèi)。擴(kuò)散片或光散射層可具有小于入射光束的像素空間范圍的特征，以使得盡管每一細(xì)微特征上的特定(x，y)位置可以某確定方式導(dǎo)向反射或折射光線，但所有這些(x，y)位置的總體效應(yīng)為形成反射或折射光線的概率分布。例如，圖5不出屏幕10上的入射光線52。入射光線52相對(duì)于表面法線51形成入射角53。表面法線51與入射光線52形成入射平面，其為圖5中紙面。光散射層的效應(yīng)為產(chǎn)生出射或反射角的范圍55。該范圍可具有概率分布，例如具有平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布，其對(duì)應(yīng)于反射光進(jìn)入各種方向的分布。例如，反射光線54b可表不平均方向，而光線54a 和54c可表示平均方向+/_標(biāo)準(zhǔn)偏差方向。物理上，這意味著比起沿著方向54a和54c，更多的光沿著方向54b行進(jìn)。在一些應(yīng)用中，光線54b可表示來(lái)自屏幕10的鏡面反射,其中反射角與入射角相等并且鏡面反射光線54b依然在入射平面內(nèi)。圖5可用數(shù)值例有利地說(shuō)明。屏幕10上的示例性光散射層的作用可以使得20度入射角的入射光可在具有20度+/-5度的反射角的分布中反射。其他分布寬度可包括(例如)+/-10 度、+/-15 度、+/-20 度、+/-25 度、+/-30 度、+/-40 度、+/-50 度、+/-60 度、+/-70 度或任何其他合適的值。分布中心值(在本例中為20度)可為分布的均值、分布的中值或任何其他合適的值。其他分布中心值可包括(例如)5度、10度、15度、25度、30度、40度、50 度、60度、70度或任何其他合適的值。該分布的邊緣(在本例中為15度和25度)可為+/-I個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差值或I個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差值乘以數(shù)值常數(shù)(例如O. 5、1、2、3等等)?；蛘撸鼈兛蔀榘敕迦珜掽c(diǎn)、IQ和3Q分布點(diǎn)或任何其他合適的寬度。通常，反射光分布的寬度部分地由光散射層的特征大小和形狀確定。值得注意的是，光散射層還可將光線導(dǎo)出入射平面之外或圖5頁(yè)面的平面之外。 可以有與該面外取向相關(guān)的角分布，其可等于或不等于平面內(nèi)的角分布。 在一些應(yīng)用中，擴(kuò)散片或光散射層可為比較適度的散射器，其可使反射光僅偏轉(zhuǎn)數(shù)度。相比之下，比較強(qiáng)效的擴(kuò)散片可使反射光偏轉(zhuǎn)成整個(gè)2 π球面度。這些強(qiáng)效擴(kuò)散片可適用于例如光積分球之應(yīng)用，但可能并不適用于屏幕10的一些應(yīng)用。比較適度的散射器可足以模糊鏡面反射，使得以鏡面反射的嚴(yán)格取向觀看屏幕的觀看者可免于看到圖像中的極高強(qiáng)度。 對(duì)屏幕10的一般要求做如是匯總是有益的。在一些應(yīng)用中，所述屏幕對(duì)于平行于投影機(jī)偏振的偏振(光束41和48)在低入射角下具有高反射率，對(duì)于平行于投影機(jī)偏振的偏振(光束42和47)在高入射角下具有低反射率，并且對(duì)于垂直于投影機(jī)偏振的偏振(光束 43、44、45和46)在低入射角和高入射角下均為低反射率。對(duì)于平行于投影機(jī)偏振的入射平面而言，所述屏幕的一個(gè)應(yīng)用對(duì)于P偏振光(光束41)在低入射角下具有高反射率，對(duì)于 P偏振光(光束42)在高入射角下具有低反射率,并且對(duì)于S偏振光(光束43和44)具有低反射率。對(duì)于垂直于投影機(jī)偏振的入射平面而言，所述屏幕的一個(gè)應(yīng)用對(duì)于s偏振光(光束 48)在低入射角下具有高反射率，對(duì)于s偏振光(光束47)在高入射角下具有低反射率，并且對(duì)于P偏振光(光束45和46)具有低反射率。在一些應(yīng)用中，屏幕10具有一個(gè)或多個(gè)光擴(kuò)散層，其將反射光導(dǎo)向到反射角范圍(入射平面內(nèi)外均包括)中。在一些應(yīng)用中，反射范圍可包括鏡面反射。圖6-18涉及此類(lèi)屏幕10的具體應(yīng)用。圖6為屏幕10的一個(gè)應(yīng)用的示意圖。光散射層11面向投影機(jī)和觀看者兩者(圖 6中均未示出)，并且附接在基板12上或與基板12做成一體，基板12包括薄膜結(jié)構(gòu)13。吸收器或吸收層14也附接在基板12上或與基板12做成一體并且與光散射層11相對(duì)。在與吸收器14相對(duì)的側(cè)面上可以有可選的支承基板68。光透過(guò)光散射層11進(jìn)入屏幕10并隨后進(jìn)入基板12。薄膜結(jié)構(gòu)13對(duì)于某些偏振和某些傳播方向產(chǎn)生高反射率，并且以此高反射率反射的光離開(kāi)基板12，透射穿過(guò)光散射層11，然后在面向觀看者的側(cè)面離開(kāi)屏幕10。對(duì)于不具有高薄膜反射率的偏振和傳播方向，光透過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)13并且由吸收層14吸收。通常，薄膜結(jié)構(gòu)本身可由透明、非吸收(介質(zhì)) 材料制成。一般而言，薄膜結(jié)構(gòu)13可針對(duì)類(lèi)似布魯斯特角條件的條件、針對(duì)具有特定傳播和偏振取向的光線提供減小的反射率。對(duì)于薄膜結(jié)構(gòu)13，如果其位于具有空氣入射角的完全平坦介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，則這種傳播取向可能難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵摫∧そY(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播角可能超出臨界角。換句話講，如果薄膜結(jié)構(gòu)13用于具有空氣入射角的完全平坦介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，則薄膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)部的布魯斯特角條件可能要求在物理上和數(shù)學(xué)上均不可能的大于90度的空氣入射角?；蛘撸谝恍┣闆r下，薄膜結(jié)構(gòu)13中的布魯斯特角可通過(guò)在空氣中小于90度的入射角而實(shí)際得到。因此，薄膜結(jié)構(gòu)13可位于鄰近光散射層11的位置，這可以增加對(duì)于特定入射角在薄膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)的傳播角。這可允許在空氣中(相對(duì)于基板表面法線)小于90度的入射角 (其在物理和數(shù)學(xué)兩者上均是可能的)在薄膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)達(dá)到布魯斯特角條件。上述兩個(gè)段落僅為光散射層11和薄膜結(jié)構(gòu)13的功能的概述。這兩種結(jié)構(gòu)在下文有更為詳盡的描述。以下段落描述光散射層11的結(jié)構(gòu)和功能。通常，光散射層11具有接收入射光線和發(fā)出折射光線的作用。對(duì)于與沿著光散射層11的表面的一個(gè)或多個(gè)特征對(duì)向的較大光束而言,入射角和出射角之間的關(guān)系變得具有概率性，而非確定的。例如，較大數(shù)量的光線可被導(dǎo)向至一個(gè)主角內(nèi)，而較少數(shù)量的光線被導(dǎo)向至偏離該主角的角內(nèi)。在圖6的示意圖中，考慮入射到屏幕10上的光線66的集合。光線沿著代表性入射方向62在空氣中行進(jìn),并且相對(duì)于基板表面法線61形成特定的入射角63。該入射角63 并非某特定光線在光散射層11的表面上的物理入射角，但假設(shè)屏幕局部地平坦，入射角就會(huì)如此。值得注意的是，入射光線66的集合無(wú)需平行。因此，對(duì)于具有相關(guān)入射角63 (相對(duì)于基板表面法線61形成)的特定入射光線取向62而言,折射光線可具有概率分布,該分布通過(guò)具有代表性折射角67的代表性方向64 和折射角范圍65進(jìn)行描述。通常,對(duì)于射出光散射層11的光而言，較多的光沿著代表性方向64行進(jìn)，并且較少的光沿著范圍65邊緣處的方向行進(jìn)。該范圍可以對(duì)稱(chēng)或可以不對(duì)稱(chēng)，并且其中心可以在或可以不在代表性方向64附近。該概率關(guān)系的有益效果是雙重的。首先，對(duì)于特定入射角63而言，代表性折射角 67可大于假設(shè)以平坦結(jié)構(gòu)替代光散射層11會(huì)實(shí)現(xiàn)的折射角。這樣，光散射層可使在薄膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)部的特定傳播方向成為可能，該特定方向原本是通過(guò)完全平坦介質(zhì)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的。第二有益效果如下由于特定入射角產(chǎn)生有限折射角范圍65，其反射離開(kāi)薄膜結(jié)構(gòu)13并且第二次透射穿過(guò)光散射層11，因此光散射層可有助于將鏡面反射從屏幕10散射開(kāi)?？赏ㄟ^(guò)斯涅耳定律的修改版來(lái)近似概算入射角63和代表性出射角67之間的關(guān)系，斯涅耳定律對(duì)于平坦界面規(guī)定對(duì)于該界面中的每一層，折射率與傳播角(相對(duì)于基板表面法線)的正弦的乘積恒定。斯涅耳定律的該修改版將光散射層視為是平坦的，且對(duì)于可在I和光散射層材料的折射率之間變化的入射介質(zhì)具有“有效”折射率，所述“有效”折射率取決于光散射層表面上的彎曲特征的幾何形狀。通常，彎曲特征越深(或換句話講，彎曲特征越接近于半球體)，“有效”入射折射率越高。同樣，彎曲特征越淺(或換句話講，彎曲特征越接近于平坦表面)，“有效”入射折射率越低。值得注意的是，此近似概算針對(duì)代表性傳播角67而非傳播角范圍65而言。此類(lèi)近似概算的一個(gè)有益效果為，一旦針對(duì)特定幾何形狀確定了有效入射折射率，則根據(jù)斯涅耳定律容易確定入射角63和傳播角67 (兩者均相對(duì)于基板表面法線61)之間的關(guān)系，斯涅耳定律規(guī)定在整個(gè)界面內(nèi)折射率與傳播角正弦之積恒定。舉例而言，入射折射率為有效值，透射折射率為光散射層的折射率，并且入射傳播角63和透射傳播角67均相對(duì)于基板表面法線61,如圖6所不。有效折射率可為I. 0,1. 05,1. 1、1· 15,1. 18,1. 2,1. 25,1. 3,1. 35,1. 4,1. 45,1. 5
或任何其他合適的值?；蛘?，有效折射率可在1-1. 5、1. 1-1. 3或I. 15-1. 25的范圍內(nèi)。也可使用任何其他合適的范圍?！坝行А闭凵渎实慕聘潘愕念~外有益效果為可在薄膜結(jié)構(gòu)13的設(shè)計(jì)期間將“有效”入射折射率用作變量。一旦設(shè)計(jì)選定了所需的“有效”入射折射率，就可調(diào)整彎曲特征的幾何形狀，直至實(shí)現(xiàn)“有效”入射折射率。圖7示出用于光散射層11的一些應(yīng)用的數(shù)學(xué)量。光散射層11由具有以η表示的折射率的材料制成，η通常落在約I. 4至約I. 9的范圍內(nèi)。通常，折射率η為I. 5。光散射層11包括部分球體的陣列，每一球體均具有半徑R和深度PR。無(wú)量綱量P可從O變化至 I :為O時(shí)，球體特征本質(zhì)上沒(méi)有深度并且光散射層基本上平坦；為I時(shí)，球體特征基本上完全為半球。有效入射折射率nrff可根據(jù)光線跟蹤模擬來(lái)確定，并且取決于折射率η和深度無(wú)量綱量P。此關(guān)系式可寫(xiě)為neff=neff(n, P)一旦確定了 neff，就可使用斯涅耳定律針對(duì)具有入射角Θ in的任意入射光線62大致預(yù)測(cè)代表性光線64的出射角θ_。值得注意的是，斯涅耳定律可被視為“被修改”的， 因?yàn)槿肷浣呛统錾浣窍鄬?duì)于基板表面法線61而非實(shí)際的、該處的表面法線獲得，所述實(shí)際的、該處的表面法線取決于(x，y)位置并且在球形特征的整個(gè)表面內(nèi)變化。該“被修改”的斯涅耳定律使入射角Gin和出射角與光散射層的真實(shí)折射率n和有效入射折射率ntff 相關(guān)，此關(guān)系如下
neff sin Θ in=n sin Θ out在圖8中針對(duì)折射率為I. 5并且深度無(wú)量綱量為O. 8的典型光散射層示出統(tǒng)計(jì)跟蹤分析和對(duì)應(yīng)被修改的斯涅耳定律預(yù)測(cè)之間的比較。針對(duì)O至80度的入射角范圍給出透射角。圖8中的曲線示出斯涅耳定律預(yù)測(cè)值(虛線)和使用光線跟蹤以統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算的代表性光線的值(實(shí)線)之間的極佳一致性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)示出透射角范圍，例如O度+/-12度。該范圍與圖6中示出的角度范圍65 —致，并且數(shù)據(jù)可解釋如下。對(duì)于O度入射角而言，最“常見(jiàn)”的透射角為O度，表示大多數(shù)光學(xué)功率以O(shè)度角傳播。與O度相比，較少光學(xué)功率以其他角在+/-12度范圍內(nèi)傳播。值得注意的是，透射角的范圍在高入射角下減小。另外值得注意的是，透射角的范圍無(wú)需以代表性透射角值為中心，但可任選地關(guān)于該值不對(duì)稱(chēng)。統(tǒng)計(jì)分析可通過(guò)任何合適的光線跟蹤程序例如Zemax、Oslo、Code V、ASAP等等執(zhí)行。分析結(jié)果并不強(qiáng)烈依賴(lài)于球體部分在表面上的堆積布置方式。換句話講，球體可以三角形、矩形、六邊形或任何其他合適的排列來(lái)堆積，而不顯著影響計(jì)算的有效入射折射率。產(chǎn)生圖8的結(jié)果的光線跟蹤計(jì)算，可在任何其他折射率和深度下重復(fù)。對(duì)于I. 5 的折射率而言，I、0. 8和O. 2的深度無(wú)量綱量P分別產(chǎn)生約I. 30、I. 30和I. 18的有效入射折射率。還可以直接方式計(jì)算折射率和深度的其他組合。值得注意的是，除了或替代圖6和7中所示部分球體，還可以使用其他形狀和幾何體。例如，圖19示出包括非球形彎曲輪廓的光散射層190，所述輪廓可為圓錐形和/或非球面形、或者兩者均不是。又如，圖20示出包括歪斜輪廓的光散射層200。再如，圖21示出包括歪斜輪廓的光散射層，該歪斜輪廓包括一個(gè)或多個(gè)直的部分。最后，圖22示出包括鋸齒狀、非重復(fù)圖案的光散射層220。該鋸齒狀輪廓包括大體上直的部分，但它可任選地僅包括彎曲部分，或可為直的部分和彎曲部分兩者的混合。應(yīng)當(dāng)理解，可將許多其他合適的輪廓用于光散射層中，例如與不同重復(fù)特征交替的重復(fù)特征(即，每隔一個(gè)特征重復(fù))、彎曲部分和直的部分的混合、隨屏幕區(qū)域變化的特征(例如特征高度或特定曲率)、隨屏幕區(qū)域變化的特征至特征間隔、火焰狀特征(例如非對(duì)稱(chēng)鋸齒)等等。一般說(shuō)來(lái)，任何其他表面于是可產(chǎn)生較大的有效折射率。歸根到底，確定光散射層的有效入射折射率特性的是表面法線的概率分布。如果由相同材料制成的兩個(gè)光散射層具有相同的表面法線分布，則當(dāng)它們用于增大光學(xué)系統(tǒng)的有效入射折射率時(shí)可相似地進(jìn)行。概括地說(shuō)，光散射層的功能可說(shuō)明如下。首先，光散射層可對(duì)與光散射特征中的若干特征對(duì)向的相對(duì)較大反射或透射光束提供擴(kuò)散效應(yīng)，其在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為對(duì)于單一入射角非零的反射或透射角范圍。第二，光散射層可以改變透射光的傳播方向，以擴(kuò)展而超出可從完全平坦的空氣入射結(jié)構(gòu)獲得的傳播方向。該擴(kuò)展在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為大于I的“有效”入射折射率，其可用于使相對(duì)于基板表面法線的入射角和出射角相關(guān)的斯涅耳定律修改版中。有效入射折射率取決于光散射層的真實(shí)折射率和光散射特征的幾何形狀。對(duì)于具有I. 5折射率的光散射層，具有在半球的20%至80%范圍內(nèi)的深度的部分球形特征產(chǎn)生在約I. 18至約
I.30范圍內(nèi)的有效入射折射率。當(dāng)與薄膜結(jié)構(gòu)13聯(lián)合使用時(shí)，光散射層11可允許光在膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)以某傳播角傳播，該傳播角高于通過(guò)完全平坦的空氣入射結(jié)構(gòu)會(huì)在物理上可能的傳播角。就數(shù)值例子而言，薄膜結(jié)構(gòu)13內(nèi)部(n sin Θ )的值可由于添加光散射層而在約18%至約30%范圍內(nèi)提升。以下段落描述薄膜結(jié)構(gòu)13的結(jié)構(gòu)和功能。屏幕10的設(shè)計(jì)目標(biāo)為對(duì)于來(lái)自投影機(jī)的光具有高反射率，并且對(duì)于其他一切光具有低反射率。來(lái)自投影機(jī)的輸出通常是線偏振的，并且來(lái)自投影機(jī)的光通常以低入射角照射在屏幕10上，因此，適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)是對(duì)于平行于投影機(jī)輸出而偏振的光在低入射角下具有高反射率，并且對(duì)于其他一切光具有低反射率。在屏幕10的一些應(yīng)用中，薄膜結(jié)構(gòu)13由非吸收材料制成，以使得不從薄膜結(jié)構(gòu)13 反射的光透過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)13并由專(zhuān)用吸收器14吸收。在這些應(yīng)用中，檢查薄膜結(jié)構(gòu)本身的反射特性就足以確定整個(gè)屏幕10的反射特性。在一些應(yīng)用中，薄膜結(jié)構(gòu)13可裝入保護(hù)外殼中，可層合至或生長(zhǎng)于一個(gè)或多個(gè)保護(hù)層上，或可與一個(gè)或多個(gè)保護(hù)層做成一體。在這些應(yīng)用中，保護(hù)外殼和薄膜結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成基板12。通常，基板12中在薄膜結(jié)構(gòu)13任一側(cè)或兩側(cè)的保護(hù)層是光學(xué)厚層，意味著從每個(gè)保護(hù)層的兩側(cè)反射的光非相干地相加。換句話講，源自基板外部面的反射本質(zhì)上不產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉或相消干涉；唯一相干干涉效應(yīng)由薄膜結(jié)構(gòu)12本身產(chǎn)生。通常，保護(hù)層與薄膜結(jié)構(gòu) 13中其各自的相鄰層折射率匹配，以減少由保護(hù)層和薄膜結(jié)構(gòu)13之間的界面產(chǎn)生的反射。 值得注意的是，基板12可只是薄膜結(jié)構(gòu)13本身，而沒(méi)有任何額外的保護(hù)層。圖9和圖10為典型薄膜結(jié)構(gòu)93的示意圖。圖9和圖10兩者示出相同的薄膜結(jié)構(gòu)93，但從兩個(gè)相正交的方向觀看。光(自圖9和圖10的頂部)進(jìn)入面向觀看者一側(cè)上的屏幕，穿過(guò)光散射層11，進(jìn)入基板92并進(jìn)入薄膜結(jié)構(gòu)93。透過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)93的光射出基板 92并進(jìn)入吸收器14，在該處被吸收。從薄膜結(jié)構(gòu)93反射的光離開(kāi)基板92，穿過(guò)光散射層 11并在面向觀看者的一側(cè)射出屏幕10。薄膜結(jié)構(gòu)93被繪制為具有五個(gè)層，但典型的薄膜結(jié)構(gòu)可具有更多層，例如50、100、150、200、250、300、350、400、500、700、1000或任何合適的值。薄膜結(jié)構(gòu)93依賴(lài)于偏振和干涉效應(yīng)對(duì)于投影機(jī)光實(shí)現(xiàn)相對(duì)高反射率(對(duì)于平行于投影機(jī)偏振態(tài)的偏振態(tài)在低入射角下的情況參見(jiàn)圖9的頂部右側(cè)和圖10的頂部右側(cè))， 并且對(duì)于其他一切光實(shí)現(xiàn)相對(duì)低反射率(對(duì)于平行于投影機(jī)偏振態(tài)的偏振態(tài)在高入射角下的情況-參見(jiàn)圖10的頂部左側(cè))。薄膜結(jié)構(gòu)93包括交替材料的疊堆，其中通常一種材料具有相對(duì)高折射率并表示為“高”或“H”，并且另一種材料具有相對(duì)低折射率并表示為“低”或“L”。疊堆中材料的任一者或兩者可為雙折射的，并且根據(jù)雙折射材料光學(xué)軸的取向，特定材料對(duì)于一種偏振態(tài)可為“H”并且對(duì)于正交偏振態(tài)可為“L”。對(duì)于圖9和圖10的應(yīng)用，每一層對(duì)包括雙折射層和非雙折射層，所述雙折射層對(duì)于一種偏振態(tài)具有約1.62( “H”)的折射率并且對(duì)于正交偏振態(tài)具有約1.51( “L”)的折射率，并且所述非雙折射層具有約I. 51 (對(duì)于兩種偏振態(tài)均為“L”)的折射率。每一層的光學(xué)厚度為四分之一波長(zhǎng)。高反射率通過(guò)由每一高低界面產(chǎn)生的反射的相長(zhǎng)干涉而實(shí)現(xiàn)；每一反射功率可相對(duì)較小，例如O. 1%，但由這些較小反射中的多個(gè)產(chǎn)生的相長(zhǎng)干涉的組合效應(yīng)可導(dǎo)致比較高的功率反射率，例如90%、95%、98%、99%、99· 5%、100% 或任何合適的值。
每一層的物理厚度取決于該層具有四分之一光學(xué)波長(zhǎng)厚度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和入射角。如果在特定波長(zhǎng)下在垂直入射角度這些層將具有四分之一波長(zhǎng)光學(xué)厚度，則通過(guò)(波長(zhǎng))/(4n)得出每一層的物理厚度，其中“η”為在該波長(zhǎng)下特定層的折射率。可在可見(jiàn)光譜中使用介于400nm和700nm之間的任何合適波長(zhǎng),但光譜綠色區(qū)域中的波長(zhǎng),例如500nm或 550nm，是最常用的?！癏”層和“L”層可分別具有I. 62和I. 51的折射率，但可使用其他合適的值。對(duì)于其中所有“H”層具有相同厚度并且所有“L”層具有相同厚度的一些薄膜結(jié)構(gòu)而言，光譜反射率分布可能無(wú)法接受地窄。此類(lèi)四分之一波長(zhǎng)薄膜疊堆在一個(gè)特定設(shè)計(jì)波長(zhǎng)下可良好地發(fā)揮作用，但在小的波長(zhǎng)范圍之外可能表現(xiàn)不佳?？赏ㄟ^(guò)改變“H”層和“L” 層的厚度而增大工作波長(zhǎng)范圍，如下所述。在一些應(yīng)用中，各“H”層和“L”層可從薄膜結(jié)構(gòu)的頂部至底部具有不同的厚度。例如，薄膜疊堆一側(cè)附近的“H”層的厚度可不同于薄膜疊堆相對(duì)側(cè)附近的“H”層的厚度。同樣，薄膜疊堆一側(cè)附近的“L”層的厚度可不同于薄膜疊堆相對(duì)側(cè)附近的“L”層的厚度。更具體地講，可將薄膜疊堆的一側(cè)調(diào)成一個(gè)波長(zhǎng)，例如400nm，此處“H”層和“L”層在400nm下均為四分之一波長(zhǎng)厚度，同時(shí)可將薄膜疊堆的相對(duì)側(cè)調(diào)成不同波長(zhǎng)，例如700nm，此處“H” 層和“L”層在700nm下均為四分之一波長(zhǎng)厚度?！癏”層和“L”層的光學(xué)厚度可貫穿薄膜結(jié)構(gòu)的厚度離散地以階梯方式變化，或者以連續(xù)方式變化。這種厚度的非離散變化可稱(chēng)為薄膜結(jié)構(gòu)中層的“厚度連續(xù)梯度”，并且可有助于加寬薄膜結(jié)構(gòu)性能的工作波長(zhǎng)范圍。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于本文而言“四分之一波長(zhǎng)”層可為某范圍中特定波長(zhǎng)下的四分之一波長(zhǎng)，并且該特定波長(zhǎng)可從薄膜結(jié)構(gòu)的觀看者側(cè)至薄膜結(jié)構(gòu)的吸收器側(cè)離散地或連續(xù)地變化。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，人們使用薄膜分析中常用的“H”和“L”符號(hào)，并記住厚度的這種變化。對(duì)于平行于來(lái)自投影機(jī)的光而偏振的光，在低入射角下，薄膜疊堆表現(xiàn)為光散射層lLHLHLHI^^HLl吸收器，或光散射層I (LH)nL |吸收器，其中“η”為較大整數(shù)，例如100、 150、200、250、300、350、400、450、500或任何合適的值。這種薄膜疊堆具有高反射率，這是所希望的。對(duì)于垂直于來(lái)自投影機(jī)的光而偏振的光，在低入射角下，薄膜疊堆表現(xiàn)為光散射層IlLLI^-LLLI吸收器，或光散射層I L2n+11吸收器。該光散射層可具有與“L”材料折射率粗略匹配的折射率，例如I. 51，以使得薄膜結(jié)構(gòu)93可具有相對(duì)低反射率，這也是所希望的。在比較高的入射角下，對(duì)于平行于偏振態(tài)的入射平面(參見(jiàn)圖10的頂部左側(cè))而言，來(lái)自投影機(jī)的光以P偏振態(tài)進(jìn)入屏幕。對(duì)于P偏振光存在一種狀況，其中在稱(chēng)為“布魯斯特角”的特定入射角下，可使來(lái)自界面的反射最小化或減小。對(duì)于以接近該布魯斯特角條件的取向在薄膜結(jié)構(gòu)93內(nèi)傳播的P偏振光，使來(lái)自每一界面的功率反射率減小或最小化， 以使得在這些減小的表面反射之中的相長(zhǎng)干涉也減小。對(duì)于在屏幕上具有高入射角、平行于該投影機(jī)光而偏振的光，完全滿足或大致滿足該布魯斯特角條件?？扇缦掠?jì)算在薄膜結(jié)構(gòu)93內(nèi)部的實(shí)際布魯斯特角。對(duì)于在“L”層內(nèi)部行進(jìn)的P 偏振光，滿足布魯斯特角條件的傳播角(相對(duì)于基板表面法線)為sin—1 (I. 51/1. 62)或約43 度。對(duì)于在“H”層內(nèi)部行進(jìn)的P偏振光，滿足布魯斯特角條件的傳播角為^1^(1.62/1.51) 或約47度。值得注意的是，對(duì)于這兩種層，折射率和傳播角(其產(chǎn)生布魯斯特角效應(yīng))的正弦的乘積n sin Θ為約I. 10。該值大于1，這表示如果薄膜結(jié)構(gòu)93與完全平坦的膜/空氣界面一起使用，即，將光散射層11明確地排除在外，則從空氣中入射的光將無(wú)法在薄膜結(jié)構(gòu)93內(nèi)部實(shí)現(xiàn)布魯斯特角條件，甚至在掠入射下亦如此。通過(guò)在空氣入射(觀看者)和薄膜結(jié)構(gòu)93之間放置光散射層，這有效地賦予空氣入射高于I的有效折射率，例如I. 18、1. 30或任何其他合適的值，人們可針對(duì) sin—1 (I. 10/1. 18)=69度、sin—1 (I. 10/1. 30) =58度或任何其他合適值的空氣入射角在薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)布魯斯特角效應(yīng)。就數(shù)學(xué)而言，人們可針對(duì)某光線以分析方式計(jì)算(n sin Θ)的值，該光線在折射率為ηΑ和ηΒ的各向同性材料之間的界面處滿足布魯斯特角條件，并且發(fā)現(xiàn)該值等于如果上述計(jì)算值大于1，則從將空氣作為其入射介質(zhì)的完全平坦界面進(jìn)入的任何光線均無(wú)法滿足布魯斯特角條件。換句話講，如果從屏幕中移除光散射層11，則如果上述計(jì)算量大于1，則從空氣進(jìn)入薄膜結(jié)構(gòu)93的光線中無(wú)一能滿足薄膜結(jié)構(gòu)93中的布魯斯特角條件。如果上述計(jì)算值小于由光散射層11提供的有效入射折射率，則會(huì)有滿足薄膜結(jié)構(gòu)93內(nèi)部布魯斯特條件的某些穿過(guò)光散射層11的從空氣入射的光線存在。換句話講，假若使用光散射層11并且其提供超出上述計(jì)算值的有效入射折射率，則薄膜結(jié)構(gòu)93內(nèi)部的布魯斯特角條件可以由從空氣入射達(dá)到。值得注意的是，上述針對(duì)(n sin Θ )的表達(dá)式僅適用于各向同性介質(zhì)，但也是針對(duì)雙折射介質(zhì)的約略估計(jì)。雙折射介質(zhì)可見(jiàn)在X折射率和I折射率之外還依賴(lài)于Z折射率的布魯斯特角效應(yīng)，預(yù)測(cè)可發(fā)生這些效應(yīng)的角度的表達(dá)式因此比以上給出的用于各向同性介質(zhì)的對(duì)應(yīng)表達(dá)式更復(fù)雜。雙折射介質(zhì)中布魯斯特角的計(jì)算見(jiàn)于標(biāo)題為“Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”(多層聚合物反射鏡中的巨大雙折射光學(xué)元件)的期刊論文，該論文由 Michael F. Weber、Carl A. Stover> Larry R. Gilbert、Timothy J. Nevitt 和 Andrew J. Ouderkirk所寫(xiě)，刊載于日期標(biāo)注為2000年3月31日的《科學(xué)》雜志的第287卷第5462期第2451-2456頁(yè)中。該期刊論文全文以引用方式并入。通常，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，對(duì)P偏振和s偏振隨入射角而變化的菲涅耳反射系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可能比直接計(jì)算布魯斯特角更為有用?？扇缫韵露温渲兴鲇?jì)算這些振幅反射系數(shù)。人們參照?qǐng)D4的幾何結(jié)構(gòu)(其中多層光學(xué)膜在屏幕10內(nèi))，并且針對(duì)表示為“I”和 “2”的材料之間的界面計(jì)算菲涅耳反射系數(shù)。材料“I”和“2”中的任一者或兩者可具有雙折射性，并具有沿著X、y和/或z軸的光學(xué)軸。材料“ I ”對(duì)于沿X、y和z方向取向的電場(chǎng)矢量分別具有折射率nlx、nly和nlz。同樣地，材料“2”具有相應(yīng)的折射率n2x、n2y和n2z。對(duì)于具有折射率％ (通常，空氣入射為1.0)的各向同性入射介質(zhì)，入射角為sin Qtl并且在 y-z平面中入射(參見(jiàn)圖4中的光束41-44)，P偏振光(參見(jiàn)光束41和42)的菲涅耳反射系數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種前投影系統(tǒng)，包括投影機(jī)，其用于將光投影至屏幕，所述光具有第一偏振態(tài)；屏幕，其用于接收來(lái)自所述投影機(jī)的光并且將光反射至觀看者，所述屏幕包括吸收器；以及膜，其布置在所述吸收器和所述投影機(jī)之間并與所述吸收器相鄰，所述膜對(duì)于所述第一偏振態(tài)在低入射角下具有高功率反射率，對(duì)于P偏振光的所述第一偏振態(tài)在高入射角下具有低功率反射率，對(duì)于垂直于所述第一偏振態(tài)的第二偏振態(tài)在低入射角下具有低功率反射率，并且對(duì)于S偏振光的第二偏振態(tài)在高入射角下具有低功率反射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的前投影系統(tǒng)，其中所述低入射角小于30度，并且所述高入射角大于65度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的前投影系統(tǒng)，其中所述低功率反射率小于20%，并且所述高功率反射率大于80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的前投影系統(tǒng)，所述屏幕還包括布置在所述膜和所述投影機(jī)之間與所述膜相鄰的光散射層，其用于將光導(dǎo)向至出射的反射角范圍中，所述范圍包括鏡面反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的前投影系統(tǒng)，其中所述膜包括多個(gè)交替的低折射率層和高折射率層，所述低折射率層和高折射率層中的至少一者為雙折射的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的前投影系統(tǒng)，其中每一雙折射層均具有取向在所述雙折射層的平面內(nèi)并且平行于所述第二偏振態(tài)的光學(xué)軸；其中所述高折射率層為雙折射的，并且具有尋常折射率和非尋常折射率；其中所述尋常折射率大于所述非尋常折射率，其中所述非尋常折射率和所述低折射率層的折射率之間的差值小于所述尋常折射率和所述低折射率層的折射率之間的差值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的前投影系統(tǒng)，其中所述第一偏振態(tài)包括在第一波長(zhǎng)下的第一線性偏振態(tài)；以及在第二波長(zhǎng)下的垂直于所述第一線性偏振態(tài)的第二線性偏振態(tài)，其中所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)介于400nm和700nm之間并且彼此不同。
8.一種屏幕，其具有用于接收來(lái)自投影機(jī)的具有投影偏振取向的線偏振投影光并且將光反射至觀看者的觀看側(cè)，所述屏幕包括光散射層，其具有多個(gè)透射的部分球體并且產(chǎn)生升高的有效入射折射率，所述升高的有效入射折射率至少取決于所述透射的部分球體的深度和折射率；以及薄膜結(jié)構(gòu)，其布置在所述觀看側(cè)的相反側(cè)與所述光散射層相鄰，并且包括多個(gè)交替的第一層和第二層；其中每個(gè)第一層為雙折射的并且對(duì)于沿著所述投影偏振取向偏振的光具有第一折射率，并且對(duì)垂直于所述投影偏振取向偏振的光具有第二折射率；并且其中每個(gè)第二層為各向同性的，并具有與所述第二折射率匹配并且與所述第一折射率失配的各向同性折射率；以使得在至少一個(gè)入射角下入射在所述屏幕的所述觀看側(cè)上的P偏振光由于在所述交替的第一層和第二層之間的界面處的布魯斯特角效應(yīng)而具有降低的反射率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的屏幕，還包括布置在所述觀看側(cè)的相反側(cè)與所述薄膜結(jié)構(gòu)相鄰的吸收器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的屏幕，其中所述各向同性折射率和所述第二折射率相差小于O. 03 ;并且其中所述各向同性折射率和所述第一折射率相差大于O. 09。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種投影系統(tǒng)，其中屏幕可通過(guò)以下方式改善對(duì)環(huán)境光的排斥對(duì)于平行于所述投影機(jī)偏振的偏振在低入射角下具有高反射率、對(duì)平行于所述投影機(jī)偏振的偏振在高入射角下具有低反射率并且對(duì)垂直于所述投影機(jī)偏振的偏振在低和高入射角下均為低反射率。在一些實(shí)施例中，對(duì)于平行于所述投影機(jī)偏振的p偏振光，所述功率反射率在低入射角下為高值并且在高入射角下減至低值。在一些實(shí)施例中，對(duì)于垂直于所述投影機(jī)偏振的p偏振光，所述功率反射率在低入射角下為低的。在一些實(shí)施例中，對(duì)于垂直于所述投影機(jī)偏振的s偏振光，所述功率反射率在所有入射角下均保持為低的。在一些實(shí)施例中，所述屏幕包括薄膜結(jié)構(gòu)，其具有交替的各向同性材料和雙折射材料的四分之一波長(zhǎng)層，所述層對(duì)于垂直于所述投影機(jī)偏振的光是折射率匹配的，對(duì)于平行于所述投影機(jī)偏振的光在垂直入射角度下形成高反射器，并且對(duì)于平行于所述投影機(jī)偏振的p偏振光在高入射角下表現(xiàn)出布魯斯特角效應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)使用增加所述有效入射折射率的光散射層來(lái)達(dá)到布魯斯特角效應(yīng)。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102612664SQ201080051948
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者劉宇鋒, 蒂莫西·J·內(nèi)維特, 邁克爾·F·韋伯 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司