專利名稱：微觀結(jié)構(gòu)的背投屏幕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及背投屏幕，尤其涉及結(jié)合了引導(dǎo)光線通過(guò)屏幕的微觀結(jié)構(gòu)以及增加對(duì)比度的光吸收層的背投屏幕。
背景背投屏幕一般被設(shè)計(jì)成將投影到屏幕背面的圖像發(fā)送到觀察空間。投影系統(tǒng)的觀察空間可以相對(duì)很大(如，背投電視機(jī))，或者相對(duì)很小(如，背投數(shù)據(jù)監(jiān)視器)。背投屏幕的性能可以用屏幕的各種特性來(lái)描述。用于描述屏幕性能的典型屏幕特性包括增益、視角、分辨率、對(duì)比度、諸如顏色和斑點(diǎn)等不期望人工假像的存在、等等。一般期望具有高分辨率、高對(duì)比度和大增益的背投屏幕。也可能期望該屏幕使光線遍布在大的觀察空間。不幸的是，隨著一種屏幕特性的改進(jìn)，一種或多種其它屏幕特性通常降級(jí)。例如，為了適應(yīng)位于相對(duì)于屏幕的很大范圍內(nèi)的觀察者，可以改變水平視角。然而，增加水平視角也會(huì)造成垂直視角增加到特定應(yīng)用所需的視角之上，并且因此減少了總屏幕增益。因此，為了生產(chǎn)對(duì)于特定背投顯示應(yīng)用具有總的可接受性能的屏幕，需要在屏幕特性和性能之間作出折衷。
發(fā)明摘要某些背投屏幕包括引導(dǎo)光線通過(guò)屏幕朝向觀察者的微觀結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)管之間的空間用吸收材料裝滿來(lái)提高對(duì)比度。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，由于光吸收材料中的吸收，可能會(huì)損失某些要在波導(dǎo)管內(nèi)被內(nèi)部反射的光。其原因之一可能在于，波導(dǎo)管中光的入射角小于波導(dǎo)管中完全內(nèi)反射所需的臨界角，完全內(nèi)反射給出波導(dǎo)管材料和光吸收材料之間的折射率差異。
在本發(fā)明中，提供一種結(jié)合了錐形波導(dǎo)管以及屏幕前部的波導(dǎo)管之間的光吸收層的背投屏幕，光吸收層產(chǎn)生可由空氣或其它低折射率媒質(zhì)組成的波導(dǎo)管之間的間隙空間。這使波導(dǎo)管/間隙區(qū)域分界面的折射率差異大于整個(gè)間隙區(qū)域用吸收材料填滿時(shí)的折射率差異。較大的折射率差異可以用來(lái)增加屏幕效率以及允許進(jìn)一步提高對(duì)比度的屏幕設(shè)計(jì)、提供較大的視角，等等。
一方面，本發(fā)明提供了包括多個(gè)淀積在透射襯底上的波導(dǎo)管的背投屏幕，波導(dǎo)管的錐形從襯底附近較寬后部逐漸變細(xì)直到遠(yuǎn)離襯底的較窄前部，光吸收層淀積在鄰近波導(dǎo)管之間并且位于波導(dǎo)管前部或其附近，從而限定了鄰近波導(dǎo)管和光吸收層之間的間隙區(qū)域，間隙區(qū)域的折射率小于波導(dǎo)管的折射率。
另一方面，本發(fā)明提供了一種制造背投屏幕的方法，包括將多個(gè)波導(dǎo)管淀積在透射襯底上，波導(dǎo)管的錐形從襯底附近的較寬后部逐漸變細(xì)直到遠(yuǎn)離襯底的較窄前部；以及將光吸收層淀積在鄰近波導(dǎo)管之間并且位于波導(dǎo)管前部或其附近，從而限定了鄰近波導(dǎo)管和光吸收層之間的間隙區(qū)域，間隙區(qū)域的折射率小于波導(dǎo)管的折射率。
附圖簡(jiǎn)述

圖1(a)是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分截面圖；圖1(b)是圖1(a)的區(qū)域1b的放大視圖；圖2(a)-(c)是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分透視圖；圖3是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分截面圖；圖4是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分截面圖；圖5是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分截面圖；圖6是按照本發(fā)明的背投屏幕的部分截面圖。
詳細(xì)說(shuō)明圖1(a)示出包括淀積在襯底120上的一系列波導(dǎo)管110的背投屏幕100?；蛘?，波導(dǎo)管110和襯底120可以是一個(gè)整體。波導(dǎo)管110的錐形從鄰近于襯底的后部逐漸變細(xì)直到朝向觀察者位置160的前部。錐形程度可由鄰近波導(dǎo)管間包括的角度來(lái)測(cè)量，指定為圖1(a)中的θ。雖然說(shuō)明性地示出波導(dǎo)管110帶有對(duì)稱的截面，然而它們的截面也可以是不對(duì)稱的，例如一個(gè)側(cè)壁比另一側(cè)壁更陡。另外，盡管圖1(a)中示出波導(dǎo)管110的錐形壁為直線，然而它們也可以是曲線的，譬如凹入或凸起。
光吸收層130存在于鄰近波導(dǎo)管之間并且位于波導(dǎo)管前部。光吸收層130增加了屏幕100的對(duì)比度并且減少了來(lái)自觀察者一邊(由160表示的觀察者位置)存在的環(huán)境光的眩光。間隙區(qū)域140存在于鄰近波導(dǎo)管和吸收層之間。操作中，可以定向投射屏幕100以便來(lái)自投影儀或其它適當(dāng)顯示器的光150可以通過(guò)屏幕100被發(fā)送到觀察者位置160。光可以直接地通過(guò)波導(dǎo)管到達(dá)觀察者或者可從波導(dǎo)管側(cè)壁被反射然后通過(guò)波導(dǎo)管到達(dá)觀察者。
在某些示例性實(shí)施例中，投射屏幕可包括在屏幕的前部或后部的任一面(或兩面)的剛性襯底(未示出)，從而得到結(jié)構(gòu)上的整合性。
在本發(fā)明中，光吸收層是位于波導(dǎo)管前部或其附近的一層，由此產(chǎn)生間隙區(qū)域。間隙區(qū)域無(wú)須用任何特定材料來(lái)填滿，實(shí)際上可由空氣或折射率為1或接近于1(1是真空的折射率)的其它氣體媒質(zhì)組成?；蛘撸g隙區(qū)域可以用非氣體材料填滿，最好是低折射率的材料。通過(guò)具有相對(duì)低的間隙折射率，最好接近真空的折射率，波導(dǎo)管和間隙區(qū)域間的折射率差異可能相對(duì)大，這取決于波導(dǎo)管的材料。
對(duì)于以超過(guò)臨界角的入射角入射到波導(dǎo)管側(cè)壁上的光，光完全被內(nèi)部反射，從而被導(dǎo)出波導(dǎo)管到達(dá)觀察者位置。波導(dǎo)管110的折射率(折射率表示為nw)與間隙區(qū)域140的折射率(折射率表示為ni)之比越大，臨界角越小，很可能光完全被內(nèi)部反射并且以最小的損耗到達(dá)觀察者。這可以增加通過(guò)量，并從而提高屏幕效率。為了簡(jiǎn)化，并且不喪失一般性，本文件中將波導(dǎo)管側(cè)壁和間隙區(qū)域的媒質(zhì)間表面處的折射率之比(nw/ni)指定為N。使用了該術(shù)語(yǔ)以后，可以說(shuō)較大的N會(huì)導(dǎo)致更高效率的屏幕，這是由于即使在較寬范圍的入射角上，光也很可能完全被內(nèi)部反射，而沒(méi)有由于穿透間隙區(qū)域引起的很大損耗。
較大的N也允許具有對(duì)呈現(xiàn)給觀察者的光吸收材料的較大比例表面區(qū)域覆蓋的屏幕設(shè)計(jì)，從而得到較大的對(duì)比度。這個(gè)概念可通過(guò)參考圖1(b)來(lái)理解，該圖示出圖1(a)的區(qū)域1b的放大視圖。圖1(b)示出以角度α1(從入射點(diǎn)處側(cè)壁的法線測(cè)得)入射到錐形波導(dǎo)管的側(cè)壁上的光線R。光線R被反射并且在離開(kāi)波導(dǎo)管之前遇到另一個(gè)波導(dǎo)管側(cè)壁。由于波導(dǎo)管側(cè)壁呈錐形，也就是它們?cè)诮咏F形基部處較寬而在接近錐形頂部處較窄，光線R在第二波導(dǎo)管側(cè)壁上的入射角α2小于α1。如果N足夠大，則α2和α1都可能超出臨界角，并且兩個(gè)反射可能都會(huì)發(fā)生完全內(nèi)反射(TIR)。然而當(dāng)N較小時(shí)，α1可能超出臨界角，而α2可能小于臨界角。在這些情況下，由于缺少TIR可能會(huì)丟失某些光，除非使波導(dǎo)管較短以便像光線R這樣的光線在遇到第二側(cè)壁之前就能離開(kāi)波導(dǎo)管。
雖然減短波導(dǎo)管可以減少由波導(dǎo)管中多次反射的非TIR反射引起的損耗，它也減少了屏幕前部光吸收材料對(duì)波導(dǎo)管頂部的覆蓋面積比例。參考圖1(b)，所示層130的部分橫跨波導(dǎo)管頂部附近鄰近波導(dǎo)管110之間的間隙。如果波導(dǎo)管被截?cái)?，則鄰近波導(dǎo)管之間的間隙較小，從而減小光吸收層的面積覆蓋，從而降低了對(duì)比度。通過(guò)提供較大的N，本發(fā)明的投射屏幕允許較高波導(dǎo)管(對(duì)于特定的錐形角)的設(shè)計(jì)，這是由于TIR的臨界角較小，從而適應(yīng)諸如圖1(b)所示的多重反射情況。這又增加了屏幕前部光吸收層的覆蓋面積比例，從而增加了對(duì)比度。
除了提高效率并且允許波導(dǎo)管中的多次TIR反射之外，波導(dǎo)管和間隙區(qū)域間較大的N能允許較大包含的側(cè)壁角(如圖1中的θ)而保持高通量。較大的側(cè)壁角能導(dǎo)致鄰近波導(dǎo)管在其頂部的更大空間，這可以導(dǎo)致吸收層的較大覆蓋比例以及較大的對(duì)比度。如果沒(méi)有這種波導(dǎo)管側(cè)壁間的大折射率差異，那么增加的側(cè)壁角會(huì)導(dǎo)致光很可能不被完全內(nèi)反射(較大的側(cè)壁角減少給定光線的入射角，當(dāng)從入射表面到法線測(cè)量時(shí))。這種效應(yīng)可由增加的N來(lái)抵消，從而較少了臨界角并允許較大的側(cè)壁角而保持TIR。當(dāng)在一維或多維中增加可視角度范圍是期望的屬性時(shí)，較大的側(cè)壁角能允許較大的視角范圍。
具有相對(duì)大N的本發(fā)明的投射屏幕也能提供較大范圍的視角而不會(huì)在較大的視角處損失大量光強(qiáng)。如上所述，較大的N意味著較小的臨界角，這允許較大角度范圍的光能經(jīng)受波導(dǎo)管中的TIR并且不損失大量光強(qiáng)而通過(guò)波導(dǎo)管到達(dá)觀察者。結(jié)果，較大角度范圍的光能離開(kāi)投射屏幕，它在較大范圍的視角上都具有相對(duì)均勻的強(qiáng)度。
波導(dǎo)管110可以是任何適當(dāng)?shù)牟牧?，它在期望范圍的波長(zhǎng)內(nèi)大致能透射光，并且可通過(guò)模壓或者其它方式形成適當(dāng)形狀。例如，波導(dǎo)管可由丙烯酸鹽、聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂及其它適當(dāng)材料制成。為了獲得波導(dǎo)管和間隙區(qū)域間的大折射率，波導(dǎo)管最好具有相對(duì)大的折射率，例如大約1.3或更大，更好的是大約1.4或更大。
可以通過(guò)壓模、用模子鑄造或固化材料(可固化材料的選擇性聚合)、或者通過(guò)形成薄膜并選擇性地移去薄膜部分而留下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而將波導(dǎo)管提供在襯底上。波導(dǎo)管的基部，即后部，最好被緊密地壓縮，從而完全或基本上覆蓋它們?cè)谄渖闲纬傻囊r底的表面。通過(guò)這種方式，大部分投射到屏幕后部的光可以通過(guò)波導(dǎo)管被發(fā)送到觀察者。
波導(dǎo)管可以具有任何錐形形狀以及適用于特定應(yīng)用的維數(shù)。一般而言，波導(dǎo)管高度為約50微米到約250微米，最大寬度為約50微米到約800微米，最小寬度為約10微米到約400微米。波導(dǎo)管的側(cè)壁呈錐形并且可以是扁平或彎曲的。如果波導(dǎo)管是彎曲的，它們可以凸起或凹入。彎曲的波導(dǎo)管包括那些分段線性的波導(dǎo)管。
雖然波導(dǎo)管最好大致透射可見(jiàn)光(或光譜的其它期望部分)，然而波導(dǎo)管也可以包括適當(dāng)數(shù)量的諸如顏料或染料這樣的著色劑來(lái)提供過(guò)濾以及/或者對(duì)屏幕的附加對(duì)比度。此外，波導(dǎo)管可以包括粒子、空隙、相位色散的材料、或其它當(dāng)光通過(guò)波導(dǎo)管時(shí)使其散射和/或擴(kuò)散的元素。這種“散射位置”可以對(duì)稱或不對(duì)稱，如果它們是不對(duì)稱的，則它們可以定向，例如優(yōu)先沿著期望的軸散射光。適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)管、材料、結(jié)構(gòu)和制造方法在被轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?9/348809的文件中已作描述，其所揭示的內(nèi)容通過(guò)引用被完全結(jié)合于此。
圖2說(shuō)明了可用波導(dǎo)管形狀的一些實(shí)例。如同圖1，為了說(shuō)明使圖2所示的波導(dǎo)管為對(duì)稱的，但也可以使用不對(duì)稱的波導(dǎo)管。圖2(a)示出包括淀積在襯底204上的肋狀波導(dǎo)管202的背投屏幕200。光吸收層206位于波導(dǎo)管202前部附近以及波導(dǎo)管之間而產(chǎn)生間隙區(qū)域208。通過(guò)使用肋狀波導(dǎo)管，可以得到不對(duì)稱的視角。通過(guò)改變波導(dǎo)管的側(cè)壁角，可以改變不對(duì)稱視角的量。
圖2(b)示出包括淀積在襯底224上的柱狀波導(dǎo)管222的背投屏幕220。所示波導(dǎo)管222具有正方形基部，然而也可以使用任何適當(dāng)形狀的基部。光吸收層226位于波導(dǎo)管222前部附近以產(chǎn)生間隙區(qū)域228。通過(guò)使用正方形、柱狀的波導(dǎo)管，可以使視角對(duì)稱。此外，柱狀波導(dǎo)管在制造不對(duì)稱波導(dǎo)管時(shí)提供另一種自由度。例如，可以使垂直屏幕方向上鄰近柱狀波導(dǎo)管之間的角度不同于水平方向上鄰近柱狀波導(dǎo)管之間的角度。例如，這可以提供不同范圍的垂直和水平視角。這是設(shè)計(jì)不對(duì)稱性的一種自由度。另一種自由度在于設(shè)計(jì)具有一面陡另一面平緩的側(cè)壁的柱狀波導(dǎo)管。這使從左到右和/或從上到下的視角不同。術(shù)語(yǔ)垂直、水平、左、右、上和下僅為了說(shuō)明而被使用，它們尤其關(guān)于圖2(b)，并且不應(yīng)限制本發(fā)明的范圍。除了提供更多設(shè)計(jì)自由度之外，如圖2(b)所示，使用柱狀波導(dǎo)管能提供由光吸收層226覆蓋的大比例的屏幕220的前部區(qū)域。這能產(chǎn)生高對(duì)比度和眩光的減少。
圖2(c)示出包括淀積在襯底244上的圓錐狀波導(dǎo)管242的背投屏幕240。不像在圖2(b)中所示，所示波導(dǎo)管222具有圓形基部。光吸收層246位于波導(dǎo)管242的前部來(lái)產(chǎn)生間隙區(qū)域248。同樣，光吸收層246覆蓋了大比例的屏幕240的前部區(qū)域，從而導(dǎo)致高對(duì)比度和眩光的減少。
當(dāng)通過(guò)利用如六角形排列這樣的密集柱狀排列而使用柱狀波導(dǎo)管時(shí)，可以增加通量。
回過(guò)頭參考圖1，襯底120可以使任何適當(dāng)材料，它大致透射期望范圍的波長(zhǎng)并且選擇性地向屏幕提供期望的機(jī)械整合性。適當(dāng)材料的實(shí)例包括聚碳酸酯、玻璃、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、及其它適當(dāng)?shù)囊r底材料。襯底120的材料可以與波導(dǎo)管110所用材料相同，并且可與波導(dǎo)管同時(shí)形成以便波導(dǎo)管和襯底成一整體?；蛘?，波導(dǎo)管可以在鑄模波導(dǎo)管期間或者通過(guò)層壓附著(如，光學(xué)透明粘附)而連接到襯底。此外，波導(dǎo)管可以通過(guò)鑄造和固化方法在襯底上形成。襯底120的折射率最好與波導(dǎo)管110的折射率大致相同。
可能期望給出襯底的背表面，這是方向離開(kāi)波導(dǎo)管的襯底的表面，是減少來(lái)自圖像光源的眩光的漫射面。根據(jù)所使用的特定結(jié)構(gòu)，當(dāng)襯底的背面不是漫射面時(shí)，某些來(lái)自成像器的光可從襯底的背面反射并且在與先前不同的位置處重新通過(guò)屏幕。這會(huì)引起幻象的形成。
吸收層130一般包括分布在粘合劑中的光吸收材料的混合。適當(dāng)?shù)墓馕詹牧习ㄌ亢?、諸如黑染料或其它暗色染料這樣的光吸收染料、光吸收顏料或其它暗色顏料、及其它適當(dāng)材料。適當(dāng)?shù)恼澈蟿┌崴芩芰?、輻射彎曲的或熱固丙烯酸鹽、環(huán)氧樹(shù)脂、硅基材料、或其它適當(dāng)?shù)恼澈蟿┎牧?。也可以包括其它材料，諸如分散劑、表面活性劑、粘度調(diào)節(jié)劑、固化劑，等等。在優(yōu)選配置中，由光吸收層接觸的波導(dǎo)管側(cè)壁區(qū)域部分相對(duì)很小。這樣，光吸收層和波導(dǎo)管之間的相對(duì)折射率就較不重要。當(dāng)吸收層130是投射屏幕100的最外表面時(shí)，可能期望提供帶有粗糙質(zhì)地的外表面(朝向觀察者的表面)。在某些情況下，光吸收層130不是投射屏幕100的最外面一層。例如，諸如線性偏振器或圓偏振器這樣的偏振器、粗糙襯底、其它理想薄膜、組件或器件可以作為最外面的層。這些其它元件可以提供理想的光學(xué)、美學(xué)、機(jī)械的、和/或化學(xué)的屬性以及附加的功能(例如，接觸屏用戶界面)。
吸收層130可以多種方式淀積在波導(dǎo)管110上。例如，光吸收層可被直接擠塑到波導(dǎo)管頂部?？梢詫?shí)現(xiàn)將適當(dāng)吸收層材料擠塑到波導(dǎo)管上以便光吸收層材料遺留在波導(dǎo)管前部附近并且不填充間隙區(qū)域。不填充波導(dǎo)管之間的間隙區(qū)域而擠塑吸收層材料的能力取決于波導(dǎo)管的尺度(特別是波導(dǎo)管前面部分處波導(dǎo)管間的距離)、被擠塑的光吸收層的厚度、擠塑期間光吸收層的粘度、和/或波導(dǎo)管襯底的溫度。最好是，當(dāng)使用擠塑方法時(shí)，熱塑塑料吸收層材料被擠塑在波導(dǎo)管上，熱塑塑料吸收層材料在接觸波導(dǎo)管后冷卻得足夠快以便光吸收層材料不流入或滲入間隙的谷部。
在光吸收層被擠塑在波導(dǎo)管上的某些情況下，剩余數(shù)量的光吸收層可能遺留在波導(dǎo)管的頂部，光在頂部離開(kāi)波導(dǎo)管到達(dá)觀察者。在某些情況下，由于剩余吸收層中的光吸收，這可能不期望地減少到達(dá)觀察者的光強(qiáng)。于是，可能期望在波導(dǎo)管上共擠塑一個(gè)透明層和一個(gè)光吸收層，透明層朝向觀察者位置。結(jié)果如圖3所示，其中背投屏幕300包括淀積在襯底320上的多個(gè)波導(dǎo)管，共擠塑的雙層330淀積在波導(dǎo)管300的前部。雙屏330包括光吸收層332和透明層334。如圖所示，雙層330的一部分覆蓋波導(dǎo)管頂部。由于雙層的上層是透明的，因此雙層可被擠塑在波導(dǎo)管上以便覆蓋波導(dǎo)管頂部的雙層部分是透明層而非光吸收層的一部分。雙層最好足夠薄以便在鄰近波導(dǎo)管310和光吸收層332之間產(chǎn)生間隙區(qū)域340。同樣，透明層334最好具有與波導(dǎo)管相同的折射率，從而減少由界面反射引起的光強(qiáng)損失。
雖然使用了術(shù)語(yǔ)透明層，然而可以理解，可以使用大致透射期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的任何適當(dāng)材料。同樣可以構(gòu)想，透明層可以包含材料來(lái)提高對(duì)比度并且/或者在光離開(kāi)波導(dǎo)管時(shí)將其漫射或散射。此外，當(dāng)透明層是屏幕的最外一層時(shí)，可以給予透明層一個(gè)粗糙的外表面來(lái)減少眩光，例如由環(huán)境光反射引起的眩光。
也可以將光吸收層擠塑在波導(dǎo)管上來(lái)改變波導(dǎo)管前部的形狀。例如，當(dāng)波導(dǎo)管由在擠塑光吸收層的溫度處軟化的熱塑塑料材料組成時(shí)，經(jīng)擠塑的吸收層與波導(dǎo)管的接觸會(huì)引起波導(dǎo)管的頂部成“蘑菇狀”。這可以從圖4中所見(jiàn)，該圖示出包括淀積在襯底420上的一系列波導(dǎo)管410的背投屏幕400。吸收層430已擠塑在熱塑塑料波導(dǎo)管410上，因此波導(dǎo)管410的頂部軟化而形成小透鏡412。小透鏡412的形成可以用來(lái)在光離開(kāi)波導(dǎo)管到達(dá)觀察者時(shí)改變其在一個(gè)或多個(gè)方向上的角色散。雖然經(jīng)擠塑的吸收層足夠熱來(lái)軟化波導(dǎo)管，然而光吸收層最好足夠快地冷卻來(lái)保持鄰近波導(dǎo)管410和光吸收層430之間的間隙區(qū)域440。
圖5示出與圖4類(lèi)似的情形，其中經(jīng)擠塑的“層”是由光吸收材料532和透明材料534組成的雙層530。屏幕500包括淀積在襯底520上的波導(dǎo)管510。波導(dǎo)管510具有擠塑雙層530時(shí)在其前部形成的小透鏡512。雙層530可被擠塑以便小透鏡512和觀察者之間遺留的雙層530的部分為透明層534。最好在鄰近波導(dǎo)510和吸收層532間產(chǎn)生間隙區(qū)域540。
投射屏幕上錐形波導(dǎo)前部上的小透鏡可以用除將光吸收層擠塑到熱塑塑料波導(dǎo)管上之外的其它方法來(lái)形成。例如，可以提供包括淀積在襯底上的一系列錐形熱塑塑料波導(dǎo)管的屏幕。其次，可以將光吸收材料填入波導(dǎo)管之間的空間。然后，可以通過(guò)使部件通過(guò)包膠夾輥、最好是加熱的包膠夾輥來(lái)重新塑形波導(dǎo)管，使波導(dǎo)管頂部成“蘑菇狀”，從而形成小透鏡。本發(fā)明中構(gòu)想了該形成小透鏡的方法、上述擠塑方法、以及其它形成小透鏡或重新塑形錐形波導(dǎo)管的方法的各種變體。
可以通過(guò)除擠塑之外的方法在本發(fā)明投射屏幕的波導(dǎo)管上形成吸收層。例如，光吸收層可被層壓在波導(dǎo)管上，或壓入波導(dǎo)管。為了說(shuō)明，圖6示出包括淀積在襯底620上的一系列錐形波導(dǎo)管610的投射屏幕600。光吸收層632可被涂覆或者淀積在載體層634上以形成“層壓部件”630。然后，可以將層壓部件630層壓(或壓入)在波導(dǎo)管610上，其中光吸收層632與波導(dǎo)管頂部接觸。光吸收層在層壓期間最好至少有點(diǎn)是可流動(dòng)的，以便波導(dǎo)管頂部和載流層之間的吸收層材料可被推出周遭區(qū)域。例如，光吸收層可包括當(dāng)施加壓力和/或加熱時(shí)能流動(dòng)的熱熔性附著成分。作為另一例，光吸收層可包括輻射彎曲的材料，它能在彎曲前被壓入波導(dǎo)管然后通過(guò)暴露在諸如紫外線等適當(dāng)?shù)妮椛湎露诓▽?dǎo)管上硬化。
層壓期間光吸收材料的粘度會(huì)影響以理想方式將光吸收層層壓在波導(dǎo)管上的能力。如果粘度過(guò)低，光吸收層材料可能不期望地向下流入波導(dǎo)管間的凹槽。如果粘度過(guò)高，可能難以將光吸收層材料壓出波導(dǎo)管頂部的空間。光吸收層材料的粘度在層壓溫度下最好為約50000cps到約200000cps。在光吸收層要被層壓在波導(dǎo)管上的示例性情況下，光吸收層材料的粘度在層壓溫度下為約100000cps。
可以任選地將粘合劑用于波導(dǎo)管頂部和光吸收層之間來(lái)增加粘度。載體層634可被移去或者留在屏幕中。當(dāng)載體層作為屏幕的一部分時(shí)，載體層最好能大致透射期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，且載體層的折射率與波導(dǎo)管的折射率大致相同。載體層可任選地包括用于對(duì)比度增強(qiáng)、光漫射或散射等的材料。當(dāng)載體作為屏幕的最外層時(shí)，可以給予一個(gè)漫射面來(lái)減少眩光。如上所述，也可以添加諸如線性或圓偏振器、剛性襯底、接觸屏、及任何其它能提供理想特性和/或功能的適當(dāng)元件。
實(shí)例通過(guò)下列實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明了本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，然而這些實(shí)例中提到的特定材料和數(shù)量以及其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)被視作限制本發(fā)明的范圍。
例1背投屏幕以下列方式制成。
按照下面步驟制造了肋狀波導(dǎo)管，它們?nèi)鐖D2(a)所示并且具有如圖1(a)中所述的截面。樹(shù)脂配方由80重量％的聚氨酯-丙烯酸酯低聚物和20重量％的甲基丙烯酸2-苯氧基乙酯制成。樹(shù)脂的折射率大約為1.51。然后，粒子被混合成樹(shù)脂配方。粒子是甲基丙烯酸乙酯和聚苯乙烯的共聚物混合，且折射率大約為1.54。平均粒子直徑約為5微米，標(biāo)準(zhǔn)差約為0.5微米。使用了相對(duì)于樹(shù)脂為15重量％的粒子填充。粒子用高剪切攪拌機(jī)很好地分散開(kāi)。對(duì)混合物添加了數(shù)量為樹(shù)脂的2重量％的光引發(fā)劑。
然后，混合物鑄造在金屬模子上，它具有尺度相應(yīng)于理想肋狀波導(dǎo)管尺度的凹痕。大約0.25mm厚的聚碳酸酯薄膜(拜爾公司能商業(yè)上可供應(yīng))被施加在模子內(nèi)樹(shù)脂的頂部并且用滾筒來(lái)壓制。過(guò)量的樹(shù)脂被移去以便模子中的模型不會(huì)用形成斑塊表面的過(guò)度樹(shù)脂來(lái)填充。然后，樹(shù)脂在適當(dāng)位置被固化并附著到聚碳酸酯襯底。襯底和固化基體然后從工具上被移去，留下可再使用的干凈的金屬模子。產(chǎn)生的肋狀波導(dǎo)管的高從襯底起測(cè)量約為250微米，在其基部約為162微米寬，且包括的側(cè)壁角為18.5°，且具有對(duì)稱截面。肋骨頂部約為81微米寬，從而在施加了大約為總屏幕區(qū)域的0.5的光吸收層之后給出吸收材料在屏幕前部的覆蓋比例。
然后，在肋狀波導(dǎo)管上擠塑光吸收材料?？蓴D塑的光吸收材料的粘合劑是酸/丙烯酸煙改良的乙烯基乙酸乙酯，它由DuPont公司在商標(biāo)Bynel 3101下商業(yè)可供應(yīng)。為了擠塑，使用了四分之三英寸的通用單螺旋Killion擠壓機(jī)，它帶有齒輪泵和六英寸的模具。擠壓機(jī)中總共有四個(gè)區(qū)域，它們分別被保持在170℃、179℃、190℃和198℃的溫度下。模具溫度保持在219℃。聚乙烯/炭黑濃縮小球以相對(duì)于炭黑小球約為1重量％的濃度被添加到粘合劑。為了以每秒約2.3厘米(約每分鐘4.5英尺)的速度產(chǎn)生大約50微米厚的薄膜，把齒輪泵設(shè)置為7.0rpm來(lái)保持恒定的通量。間隙被設(shè)為約0.4mm(或15mils)光吸收材料被擠塑到肋狀波導(dǎo)管的頂部，其運(yùn)動(dòng)方向與肋狀物平行。極少的光吸收材料遺留在波導(dǎo)管頂部且產(chǎn)生的屏幕類(lèi)似于圖1(a)所示的屏幕。
測(cè)得所產(chǎn)生的屏幕樣本的峰值增益為2.20、水平視角為46.5°(水平視角＝在半峰值增益點(diǎn)測(cè)得的垂直于肋狀物方向的視角范圍)、且垂直視角為18°(垂直視角＝在半峰值增益點(diǎn)測(cè)得的平行于肋狀物方向的視角范圍)。屏幕的總透射大約為72％。
例2背投屏幕以下列方式制成。
一系列平行肋狀波導(dǎo)管如例1所示在聚碳酸脂襯底上形成。波導(dǎo)管和襯底為相同材料且與例1具有相同尺度。
然后，下面光吸收層涂覆配方被稱重并混合10克的聚氨酯-丙烯酸酯(由Sartomer公司商業(yè)上可供應(yīng)，Exton，PA，商標(biāo)為CN963E75)、0.5克的炭黑分散物(由Penn Color公司商業(yè)上可供應(yīng)，Doylestown，PA)、5克的甲乙酮(MEK)、以及0.2克的光引發(fā)劑(由Ciba Geigy公司商業(yè)上可供應(yīng)，Hawthorne，NY，商標(biāo)Daracure為4265)。配方被涂覆為約為0.13mm厚的聚乙烯薄膜。配方的涂覆用線繞桿來(lái)執(zhí)行。所產(chǎn)生的涂覆的濕厚度約為55微米。在涂覆后，薄膜被空氣晾干來(lái)蒸發(fā)MEK。涂覆的干厚度約為38微米。
然后，干的光吸收涂覆以室溫被層壓到肋狀波導(dǎo)管的頂部。層壓用帶有兩個(gè)橡皮滾筒的包膠夾輥來(lái)執(zhí)行。然后，用劑量約為0.7Joules/cm2的熔化D燈(FusionD lamp)使層壓結(jié)構(gòu)暴露在紫外線輻射下，從而固化光吸收涂覆。所產(chǎn)生的屏幕結(jié)構(gòu)類(lèi)似于圖6所示的屏幕結(jié)構(gòu)。測(cè)得屏幕樣本的峰值增益為3.2，水平視角為28°，垂直視角為17°，總通量為68％。
權(quán)利要求
1.一種背投屏幕，其特征在于包括淀積在透射襯底上的多個(gè)波導(dǎo)管，波導(dǎo)管的錐形從襯底附近的較寬后部逐漸變細(xì)直到遠(yuǎn)離襯底的較窄前部；以及淀積在鄰近波導(dǎo)管之間并且位于波導(dǎo)管前部或其附近的光吸收層，由此定義了鄰近波導(dǎo)管和光吸收層之間的間隙區(qū)域，間隙區(qū)域的折射率低于波導(dǎo)管的折射率。
2.一種制造背投屏幕的方法，其特征在于包括下列步驟在透射襯底上淀積多個(gè)波導(dǎo)管，波導(dǎo)管的錐形從襯底附近的較寬后部逐漸變細(xì)直到遠(yuǎn)離襯底的較窄前部；以及在波導(dǎo)管前部或其附近淀積鄰近波導(dǎo)管之間的光吸收層，由此定義了鄰近波導(dǎo)管和光吸收層之間的間隙區(qū)域，間隙區(qū)域的折射率低于波導(dǎo)管的折射率。
3.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管由丙烯酸鹽、聚碳酸酯或環(huán)氧樹(shù)脂組成。
4.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管包括一系列平行凸紋。
5.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管包括一列柱狀凸起。
6.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管具有對(duì)稱的截面剖面。
7.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管具有不對(duì)稱的截面剖面。
8.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管包括漫射粒子。
9.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管還包括其最前部分上的小透鏡。
10.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述襯底包括聚碳酸酯、玻璃或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
11.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光吸收層包括分布在粘合劑內(nèi)的光吸收染料或顏料。
12.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光吸收層包括粘合劑內(nèi)的炭黑。
13.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，光透射層淀積在光吸收層上。
14.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述間隙區(qū)域由空氣組成。
15.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管和間隙區(qū)域之間的折射率差異約為0.3或更大。
16.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)管的折射率與間隙區(qū)域的折射率之比約為1.3或更大。
17.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕，其特征在于還包括淀積在投射屏幕與透射襯底相反的一面上的線性偏振器。
18.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕，其特征在于還包括淀積在投射屏幕與透射襯底相反的一面上的圓偏振器。
19.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕，其特征在于還包括淀積在投射屏幕與透射襯底相反的一面上的接觸屏用戶界面。
20.如權(quán)利要求1所述的背投屏幕或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述透射襯底還包括漫射面。
21.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，淀積光吸收層的步驟包括將光吸收材料擠塑在淀積在襯底上的波導(dǎo)管上。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述將光吸收材料擠塑在波導(dǎo)管上引起波導(dǎo)管前部的局部變形，從而形成小透鏡。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述將光吸收材料擠塑在波導(dǎo)管上包括將光吸收材料和大致透明的材料共擠塑在波導(dǎo)管上。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述將光吸收材料擠塑在波導(dǎo)管上引起波導(dǎo)管前部的局部變形，從而形成小透鏡。
25.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述淀積光吸收層包括將光吸收層層壓在淀積在襯底上的波導(dǎo)管上。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述光吸收層在層壓條件下的粘度范圍約為50000cps到200000cps。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述層壓光吸收層包括層壓由光吸收層和第二層組成的分層結(jié)構(gòu)，光吸收層在層壓期間位于波導(dǎo)管和第二層之間。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述第二層包括在層壓步驟后可從光吸收層移去的釋放層。
全文摘要
所揭示的背投屏幕包括多個(gè)錐形波導(dǎo)管以及淀積在波導(dǎo)管頂部的光吸收層，但不完全填充波導(dǎo)管之間的空間，從而形成光吸收層下以及波導(dǎo)管之間低折射率的間隙區(qū)域。低折射率的間隙區(qū)域可以包括空氣或具有比波導(dǎo)管材料的折射率低的折射率的材料。這種背投屏幕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增加了的效率和較高的對(duì)比度，并且允許在構(gòu)造具有理想特性的屏幕時(shí)有更大的設(shè)計(jì)自由度，理想特性有視角、視角不對(duì)稱性，等等。同樣也揭示了制造所述微觀結(jié)構(gòu)的背投屏幕的方法。
文檔編號(hào)G03B21/62GK1483156SQ01821227
公開(kāi)日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2001年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)明者R·S·莫什雷夫扎德, S·J·賴內(nèi)爾, P·F·卡倫, P·A·托馬斯, R·J·波科爾尼, J·C·納爾遜, R S 莫什雷夫扎德, 卡倫, 托馬斯, 波科爾尼, 納爾遜, 賴內(nèi)爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司