相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年10月27日遞交的、標(biāo)題為“displaysystemsandmethodsemployingscreenswithanarrayofmicro-lensesormicro-mirrors”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/069,095的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)參考的方式將其完整并入本文。

本公開(kāi)整體涉及具有設(shè)置用于圖像的沉浸式觀察的一個(gè)或多個(gè)投影顯示器的投影顯示系統(tǒng)和方法，以及包括至少部分地基于一個(gè)或多個(gè)投影屏幕的選擇性入射角反射來(lái)至少增強(qiáng)圖像的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)比度的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字影院服務(wù)器和投影儀接收用于電影院或其他劇場(chǎng)中的投影的數(shù)字內(nèi)容。該內(nèi)容可以打包在一個(gè)或多個(gè)數(shù)字文件中以傳遞和存儲(chǔ)在媒體服務(wù)器上。媒體服務(wù)器然后可以從一個(gè)或多個(gè)數(shù)字文件提取數(shù)字內(nèi)容以使用一個(gè)或多個(gè)投影儀來(lái)顯示。在一些情況中，內(nèi)容可以是投影到屏幕上的3d視頻，其中在屏幕上投影略微不同的視頻內(nèi)容以便觀看者的右眼和左眼中的同時(shí)觀察以創(chuàng)建深度的錯(cuò)覺(jué)。多投影系統(tǒng)可用于在劇場(chǎng)中如在電影院或會(huì)堂中的多個(gè)屏幕上顯示視頻，以助于觀看者的沉浸式體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文描述的示例性實(shí)施例具有新穎的特征，它們中的任意一個(gè)都不是對(duì)于它們希望的屬性不可缺少的或者唯一表示?，F(xiàn)在將概述有利的特征中的一些，而不是限制本發(fā)明的范圍。

沉浸式顯示系統(tǒng)可以包括設(shè)置為提供視頻的沉浸式觀看的多個(gè)投影系統(tǒng)。該沉浸式顯示系統(tǒng)可以包括多個(gè)投影儀系統(tǒng)，每個(gè)投影儀系統(tǒng)投影這樣一種視頻即該視頻被配置為彼此補(bǔ)償以為觀看者提供沉浸式觀看體驗(yàn)。每個(gè)投影儀系統(tǒng)可以被配置為投影其視頻到圍繞觀看者放置的投影表面上。這樣，觀看者可以體驗(yàn)沉浸到視頻中所描述的環(huán)境中的感覺(jué)。由多個(gè)投影儀系統(tǒng)提供的視頻可以投影到用于創(chuàng)建統(tǒng)一的視頻呈現(xiàn)的多個(gè)投影表面上。至少部分地由于提供在多個(gè)投影表面上的圖像的質(zhì)量，該沉浸式顯示系統(tǒng)能夠以相對(duì)高的真實(shí)性生成試聽(tīng)呈現(xiàn)。

然而，具有多個(gè)投影表面可能導(dǎo)致光從第一投影表面發(fā)射到第二投影表面以及隨后反射到觀看者上。該光與從第一投影表面直接反射到觀看者的光混合。多個(gè)投影表面上的光的這種混合可能降低投影表面的對(duì)比度和/或動(dòng)態(tài)范圍，從而損壞提供在沉浸式顯示系統(tǒng)中的圖像的質(zhì)量。該光混合可以稱為串?dāng)_或者交叉反射并且可能是沉浸式顯示系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)。至少部分地由于觀看者中的觀看者的觀看角度的寬范圍，對(duì)于設(shè)計(jì)用于相對(duì)大群人如在電影院中的沉浸式顯示系統(tǒng)，該串?dāng)_或者交叉反射可能甚至更難以克服。

因此，本文提供了用于包括多個(gè)投影表面(例如屏幕)的沉浸式顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，其中該多個(gè)投影表面在寬范圍的觀看角度上可用以及對(duì)于該多個(gè)投影表面實(shí)質(zhì)上降低由于多個(gè)投影表面的不同部分之間的串?dāng)_或者交叉反射導(dǎo)致的對(duì)比度和/或動(dòng)態(tài)范圍的降低。在一些實(shí)施例中，本文公開(kāi)的系統(tǒng)和方法使用兩個(gè)或更多個(gè)彎曲的或平面的屏幕提供相對(duì)高對(duì)比度高動(dòng)態(tài)范圍的沉浸式觀看，其中在該屏幕中通過(guò)經(jīng)過(guò)這樣一種多層結(jié)構(gòu)選擇性地散射和吸收光來(lái)實(shí)質(zhì)上抑制交叉反射，即該多層結(jié)構(gòu)散射定制的入射角范圍內(nèi)的入射光并且吸收該定制的入射角范圍外的入射光。這可以通過(guò)光偏振層、光旋轉(zhuǎn)層、反射層或結(jié)構(gòu)以及與微透鏡和/或微鏡的陣列結(jié)合的非偏振光散射材料的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在第一方案中，提供了一種用于沉浸式顯示系統(tǒng)的屏幕，屏幕包括：微透鏡陣列，微透鏡陣列中的單獨(dú)的透鏡具有寬度d；光偏振材料層；偏振旋轉(zhuǎn)層；光反射層；以及用于微透鏡陣列中的單獨(dú)的透鏡的非偏振光散射材料片段。非偏振光散射材料片段具有小于寬度d的寬度。在使用中，來(lái)自與屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光實(shí)質(zhì)上被非偏振光散射材料散射，以及來(lái)自與沉浸式顯示系統(tǒng)中的不同的屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光實(shí)質(zhì)上被偏振層吸收。

在第一方案的一些實(shí)施例中，微透鏡陣列包括球面微透鏡。在另一個(gè)實(shí)施例中，微透鏡陣列進(jìn)一步包括非球面微透鏡。

在第一方案的一些實(shí)施例中，微透鏡陣列包括圓柱微透鏡。在另一個(gè)實(shí)施例中，微透鏡陣列進(jìn)一步包括這樣一種圓柱微透鏡即圓柱微透鏡在與圓柱微透鏡的縱軸垂直的平面中具有非球面形狀。在另一個(gè)實(shí)施例中，非偏振光散射材料的每個(gè)片段形成與關(guān)聯(lián)的圓柱微透鏡的縱軸平行的條帶。

在第一方案的一些實(shí)施例中，屏幕進(jìn)一步包括定位在微透鏡陣列的微透鏡之間的過(guò)渡帶處的穿孔。在另一個(gè)實(shí)施例中，穿孔陣列中的穿孔定位在球面微透鏡之間的轉(zhuǎn)角處。在另一個(gè)實(shí)施例中，穿孔陣列中的穿孔定位在圓柱微透鏡之間的邊緣處。在另一個(gè)實(shí)施例中，穿孔陣列中的穿孔沿直線等距離。在另一個(gè)實(shí)施例中，穿孔陣列中的穿孔是圓形的。

在第二方案中提供了一種用于沉浸式顯示系統(tǒng)的屏幕。屏幕包括：微鏡陣列，微鏡陣列中的單獨(dú)的鏡具有寬度d；偏振旋轉(zhuǎn)層；線性偏振層；以及用于微鏡陣列中的單獨(dú)的微鏡的非偏振光散射材料片段。非偏振光散射材料片段具有小于寬度d的寬度。在使用中，來(lái)自與屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光實(shí)質(zhì)上被非偏振光散射材料散射，以及來(lái)自與沉浸式顯示系統(tǒng)中的不同的屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光實(shí)質(zhì)上被偏振層吸收。

在第二方案的一些實(shí)施例中，微鏡陣列包括球面微鏡。在另一個(gè)實(shí)施例中，微鏡陣列進(jìn)一步包括非球面微鏡。

在第二方案的一些實(shí)施例中，微鏡陣列包括圓柱微鏡。在另一個(gè)實(shí)施例中，非偏振光散射材料的每個(gè)片段形成與關(guān)聯(lián)的圓柱微鏡的縱軸平行的條帶。在第二方案的一些實(shí)施例中，屏幕進(jìn)一步包括定位在微鏡陣列的微鏡之間的過(guò)渡帶處的穿孔。

在第三方案中提供了一種沉浸式顯示系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)根據(jù)第一方案和第二方案的屏幕。在第三方案的一些實(shí)例中，一個(gè)或多個(gè)屏幕是彎曲的。

附圖說(shuō)明

各種實(shí)施例為了說(shuō)明的目的被描述在附圖中，并且不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。另外，不同的所公開(kāi)實(shí)施例的各種特征可以組合以形成作為本公開(kāi)的一部分的附加實(shí)施例?？梢匀コ蚴÷匀我馓卣骰蚪Y(jié)構(gòu)。貫穿附圖，附圖標(biāo)記可以重復(fù)使用以指示參考元件之間的對(duì)應(yīng)。

圖1a和1b示出了用于提供沉浸式顯示體驗(yàn)的示例性沉浸式顯示系統(tǒng)；

圖2a和2b示出了包括三個(gè)屏幕的沉浸式顯示系統(tǒng)的實(shí)例，以及示出了該沉浸式顯示系統(tǒng)中的串?dāng)_的實(shí)例；

圖3a示出了前投影屏幕的橫截面視圖和前視圖，其具有球面微透鏡陣列以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影；

圖3b和3c示出了單個(gè)球面微透鏡的橫截面視圖，其具有帶有非偏振光散射材料片段的偏振層、偏振旋轉(zhuǎn)層和光反射層；

圖4示出了會(huì)聚射線的位置基于具有球面微鏡陣列的屏幕上的入射角的圖；

圖5示出了具有入射光線r1和原點(diǎn)o的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xyz；

圖6a示出了前投影屏幕的橫截面視圖和前視圖，其具有球面微鏡陣列以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影；

圖6b和6c示出了單個(gè)球面微鏡的橫截面視圖，其具有帶有非偏振光散射材料片段的偏振層和偏振旋轉(zhuǎn)層；

圖7示出了會(huì)聚射線的位置基于具有球面微鏡陣列的屏幕上的入射角的圖；

圖8示出了前投影屏幕的橫截面視圖和前視圖，其具有圓柱微透鏡陣列以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影；

圖9a-9d示出了被圓柱透鏡聚焦在線段上的平行光線束；

圖10a和10b示出了具有帶有圓柱微透鏡或圓柱微鏡的多個(gè)屏幕的沉浸式顯示系統(tǒng)；

圖11示出了前投影屏幕的橫截面視圖和前視圖，其具有圓柱微鏡陣列以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影；

圖12示出了會(huì)聚射線的位置基于具有圓柱微鏡陣列的屏幕上的入射角的圖；

圖13a和13b示出了屏幕的實(shí)例，該屏幕在微透鏡或微鏡之間的轉(zhuǎn)角處具有直線等距離的穿孔以及在微透鏡或微鏡之間的轉(zhuǎn)角和邊緣處具有穿孔；

圖14a示出了在圓柱微透鏡或微鏡的邊緣處具有直線等距離圓形穿孔的設(shè)置；以及

圖14b示出了在圓柱微透鏡或微鏡的邊緣處具有交錯(cuò)穿孔的設(shè)置。

具體實(shí)施方式

雖然本文描述了特定實(shí)施例和實(shí)例，但是發(fā)明主題延伸超出具體公開(kāi)的實(shí)施例到其他可替換實(shí)施例和/或使用，以及到其修改和等效物。因此，所附權(quán)利要求的范圍不是由下文描述的具體實(shí)施例限制的。為了比較各種實(shí)施例，描述了這些實(shí)施例的特定方案和優(yōu)點(diǎn)。沒(méi)有必要由任意具體實(shí)施例實(shí)現(xiàn)全部該方案或優(yōu)點(diǎn)。因此各種實(shí)施例可以例如以實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化本文教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而無(wú)需實(shí)現(xiàn)本文同樣可能教導(dǎo)或暗示的其他方案或優(yōu)點(diǎn)的方式執(zhí)行。

沉浸式顯示系統(tǒng)能夠生成具有高的真實(shí)性水平的圖像，因?yàn)閳D像在多個(gè)方向中同時(shí)提供給觀看者。典型的沉浸式顯示系統(tǒng)可能至少部分地由于串?dāng)_或者交叉反射而遭受低對(duì)比度和低動(dòng)態(tài)范圍。如本文所使用的，串?dāng)_和/或者交叉反射整體涉及這樣一種情況即在該情況中從沉浸式顯示系統(tǒng)的一部分發(fā)射的光入射在沉浸式顯示系統(tǒng)的屏幕的其他部分上，并且這些發(fā)射射線隨后在漫射之后部分地反射回到一個(gè)或多個(gè)觀看者。至少部分地由于屏幕實(shí)質(zhì)上反射入射在其上的所有光，所以該串?dāng)_或者交叉反射可能出現(xiàn)在典型的沉浸式顯示系統(tǒng)中。通常，入射在顯示屏幕上并且未被顯示屏幕吸收的外圍光，例如與投影在屏幕上的或者由顯示器提供的本地圖像不相關(guān)的光，疊加在顯示的圖像上導(dǎo)致降低的圖像對(duì)比度。外圍光或亮度可能強(qiáng)烈惡化圖像的對(duì)比度。類似地，外圍光可能惡化圖像的顏色飽和度，并且因此惡化圖像的動(dòng)態(tài)范圍。因此，整體上降低或最小化外圍光的反射以及尤其降低或最小化串?dāng)_是希望的和有利的。

因此，本文公開(kāi)了用于改善外圍光在前投影屏幕上的排斥以便增強(qiáng)由前投影生成的圖像的對(duì)比度的系統(tǒng)和方法。具體地，本文公開(kāi)了用于沉浸式顯示系統(tǒng)中的時(shí)間復(fù)用的屏幕和投影儀系統(tǒng)，沉浸式顯示系統(tǒng)的屏幕和投影儀系統(tǒng)被時(shí)間復(fù)用以降低或最小化所投影的圖像上的串?dāng)_的影響。

本文提供的系統(tǒng)和方法被配置為利用多個(gè)投影儀系統(tǒng)改善具有多個(gè)投影表面的沉浸式顯示系統(tǒng)的對(duì)比度和/或動(dòng)態(tài)范圍。可能存在大量可以與本公開(kāi)的系統(tǒng)和方法組合以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)具體優(yōu)點(diǎn)的用于改善對(duì)比度和/或動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)現(xiàn)中，這些系統(tǒng)和方法具有本公開(kāi)的系統(tǒng)和方法自己或與其他系統(tǒng)和方法結(jié)合已克服的特定缺點(diǎn)。例如，用于改善沉浸式圓頂劇院的對(duì)比度的方法將圖像的亮度集中在劇院中單向就坐的觀看者的中央視場(chǎng)內(nèi)。然而，這可能不利地犧牲朝向觀看者的視場(chǎng)的角度的外面邊緣的亮度。用于改善對(duì)比度的另一種方法包括利用用于提供有紋理的表面并且作為微阻板以抑制投影的圖像的交叉反射的可視反射涂層來(lái)涂覆屏幕。用于改善完全的背投屏幕或沉浸式顯示器的對(duì)比度的另一種方法包括使用專門定制或優(yōu)化的后屏涂層。

通過(guò)使用分布在主體材料中的光吸收顆粒和金屬鱗片，可以改善前投影屏幕的對(duì)比度。類似地，反射型投影屏幕可以包括光反射層和透明的光漫射層，光反射層包括具有分散在其中的反光材料鱗片的透明樹(shù)脂，以及透明的光漫射層包括具有分散在其中的方解石或無(wú)色染料或顏料的精細(xì)晶體顆粒的透明樹(shù)脂。該屏幕可以改善亮度和圖像對(duì)比度同時(shí)實(shí)質(zhì)上維持相同的漫射角或者不會(huì)實(shí)質(zhì)上降低漫射角。

通過(guò)圖像顯示光的波長(zhǎng)范圍中的光的選擇性反射以及通過(guò)吸收環(huán)境光，可以改善前投影屏幕的對(duì)比度。例如，在前投影系統(tǒng)中使用的屏幕可以包括被配置為反射目標(biāo)波長(zhǎng)或目標(biāo)波長(zhǎng)范圍的片段，其反射大于非目標(biāo)波長(zhǎng)或者非目標(biāo)波長(zhǎng)范圍。該屏幕可以增強(qiáng)入射投射光與環(huán)境光之間的對(duì)比度。作為另一個(gè)實(shí)例，選擇性反射投影屏幕可以包括這樣一種結(jié)構(gòu)即該結(jié)構(gòu)被配置為選擇性地反射多個(gè)相對(duì)窄帶的波長(zhǎng)范圍的入射光學(xué)能量并且吸收波長(zhǎng)落入該窄帶之間和/或之外的光。該投影屏幕可以包括微鏡結(jié)構(gòu)，用于聚焦進(jìn)入光，使得當(dāng)光從屏幕反射時(shí)傳遞經(jīng)過(guò)具有高的漫射或光束擴(kuò)散的相對(duì)小的點(diǎn)。

在投影屏幕中可以通過(guò)將屏幕被配置為對(duì)于不同的入射角和/或偏振具有不同的反射率，改善環(huán)境光的排斥。例如通過(guò)將屏幕被配置為對(duì)于具有相對(duì)低的入射角以及偏振與投影儀的偏振平行的光具有相對(duì)高的反射率，對(duì)于具有相對(duì)高的入射角以及偏振與投影儀的偏振平行的光具有相對(duì)低的反射率以及對(duì)于偏振與投影儀的偏振垂直的光(具有高或低的入射角)具有相對(duì)低的反射率。反射式前投影屏幕可以被配置為通過(guò)包括與擴(kuò)散元素和/或強(qiáng)光抑制元素結(jié)合的反射式偏振元件，在出現(xiàn)相對(duì)高水平的環(huán)境光時(shí)投影具有增強(qiáng)的對(duì)比度和相對(duì)寬的視角的圖像。投影屏幕可以包括膽甾相液晶、偏振光選擇性反射層以選擇性并且擴(kuò)散性反射目標(biāo)或已知的偏振光分量。前投影屏幕還可以疊加偏振片。

高對(duì)比度前投影屏幕可以包括多個(gè)包括這樣一種表面的微元件即該表面被配置為通過(guò)開(kāi)關(guān)切換設(shè)置在基板(例如活動(dòng)屏幕)上的合適的結(jié)構(gòu)從低反射率狀態(tài)變化到高反射率狀態(tài)。微元件的表面可以對(duì)于投影圖像或視頻的黑片段處于低反射率狀態(tài)以及對(duì)于在投影圖像或視頻的黑片段之外的片段處于高反射率狀態(tài)。

前投影屏幕可以包括覆蓋偏振旋轉(zhuǎn)片的雙凸透鏡片，偏振片覆蓋反射表面，偏振膜覆蓋雙凸透鏡片。偏振膜可以包括在每個(gè)雙凸透鏡的焦點(diǎn)出的非偏振片段，從而來(lái)自投影儀的光被偏振膜相對(duì)未衰減，而來(lái)自其他源的光被衰減。來(lái)自投影儀的光整體分布有與雙凸透鏡片的透鏡的視角高寬比相等的視角高寬比。

前投影屏幕可以用這樣一種塑料片覆蓋即該塑料片用聚合物分散液晶填充并且在塑料片的兩個(gè)側(cè)面具有透明電極。塑料片在第一狀態(tài)中是透明的并且可以通過(guò)在塑料片上施加電壓轉(zhuǎn)成白色。塑料片可以在一個(gè)側(cè)面上涂黑，從而當(dāng)沒(méi)有電壓施加給電極時(shí)，屏幕至少部分地由于來(lái)自透明塑料片的背面的反射光而是黑色的。當(dāng)電壓施加到電極時(shí)，在施加電壓的時(shí)間期間屏幕可以轉(zhuǎn)成白色。屏幕可以接收與投影儀的脈沖同步的電壓脈沖。在該情況中，屏幕可以被配置為在投影儀活動(dòng)的期間是白色或者具有相對(duì)高的反射率以及當(dāng)投影儀不活動(dòng)時(shí)是黑色的或者具有相對(duì)低的反射率。

一些屏幕可以具有應(yīng)用到液晶面板(open-cell)泡沫的內(nèi)表面的可視反射層。反射涂層可以應(yīng)用得足夠薄以使得不填充和/或阻擋液晶面板泡沫結(jié)構(gòu)。反射涂層可以涂覆液晶面板的內(nèi)部。這可以產(chǎn)生這樣一種投影表面即該投影表面反射大部分處于近乎正常入射角的光并且將來(lái)自更傾斜的入射角的光陷落在液晶面板中，從而降低交叉反射。結(jié)果屏幕包括微旋流屏幕表面，其具有相對(duì)高的定向性以及具有相對(duì)快的角度切斷。然而，該設(shè)計(jì)在希望或優(yōu)選寬范圍的視角具有相同的或幾乎相同的亮度的沉浸式顯示系統(tǒng)中可能是不希望的和/或不利的。這在希望或優(yōu)選亮度基于視角而平滑和逐漸減小的沉浸式顯示系統(tǒng)也可能是不希望的和/或不利的。

以上系統(tǒng)和方法可用于通過(guò)降低交叉反射來(lái)增強(qiáng)沉浸式顯示系統(tǒng)的對(duì)比度，但是可能遭受被本文所述的系統(tǒng)和方法克服的一些不利。具體地，本文公開(kāi)的一些實(shí)施例提供給了一種沉浸式顯示系統(tǒng)，其抑制交叉反射并且具有基于視角的目標(biāo)或希望亮度(例如亮度基于視角的平滑和逐漸的減小)。

上述屏幕設(shè)計(jì)中的一些假設(shè)觀看者使用相同或類似的中央視場(chǎng)。這可能是不利的，因?yàn)槠湎拗屏顺两斤@示系統(tǒng)的使用。一些上述問(wèn)題可以通過(guò)本文所述的系統(tǒng)和方法來(lái)解決。具體地，描述了一種沉浸式顯示系統(tǒng)，其抑制交叉反射同時(shí)提供對(duì)比度的實(shí)質(zhì)性改善以允許觀看方向擴(kuò)大到超出普通中央視場(chǎng)。該沉浸式顯示系統(tǒng)可以用在更多情況和配置中因?yàn)槠鋵?duì)更大量觀看者提供了改善的觀看體驗(yàn)。

被配置為增強(qiáng)前投影系統(tǒng)的對(duì)比度的上述系統(tǒng)和方法中的一些旨在排斥與單獨(dú)的前投影儀一起使用的環(huán)境光。該系統(tǒng)和方法可能不能對(duì)于被配置為投影圖像到多個(gè)前和/或后投影屏幕上的全體投影儀的有效地抑制交叉反射和改善對(duì)比度。在具有多個(gè)投影儀和/或屏幕的該沉浸式顯示系統(tǒng)中，相對(duì)屏幕定向和光學(xué)屏幕特征可能產(chǎn)生交叉反射，其降低投影的圖像的對(duì)比度和/或顏色飽和度。因此，本文公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括有效地抑制交叉反射的沉浸式顯示系統(tǒng)。

在特定實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)前投影屏幕的角度選擇性吸收，可以抑制交叉反射。前投影屏幕可以例如具有優(yōu)選光反射方向，同時(shí)可以優(yōu)選地或者實(shí)質(zhì)上吸收來(lái)自其他方向的光。優(yōu)選光反射方向可以對(duì)應(yīng)于來(lái)自意圖在目標(biāo)前投影屏幕上顯示圖像的一個(gè)或多個(gè)投影儀的光射線的方向，同時(shí)來(lái)自其他方向的光從不意圖在目標(biāo)前投影屏幕上顯示圖像的投影儀出現(xiàn)。

優(yōu)選光反射方向可以至少部分地基于位于球面和/或非球面微透鏡的頂部或者球面和/或非球面微鏡的前面的非偏振光散射片段的位置。也可以包括利用圓柱微透鏡和/或圓柱微鏡的屏幕。在使用圓柱微透鏡和/或圓柱微鏡的一些實(shí)現(xiàn)中，優(yōu)選光反射方向可以至少部分地基于位于圓柱微透鏡的頂部和/或圓柱微鏡的前面的非偏振光散射片段的位置。

屏幕的光散射特性可以被配置為獨(dú)立于微透鏡和/或微鏡的幾何形狀，并且散射可以做成對(duì)稱的或非對(duì)稱的。

本文還提供了解決沉浸式顯示系統(tǒng)中的聲學(xué)挑戰(zhàn)的配置。例如公開(kāi)了屏幕中的穿孔設(shè)置，其被配置為維持屏幕的光學(xué)質(zhì)量(例如，可以包括穿孔而不導(dǎo)致屏幕的光學(xué)特征的顯著的或?qū)嵸|(zhì)性的惡化)。

沉浸式顯示系統(tǒng)

圖1a和1b示出了示例性沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b，其包括被配置為投影圖像到對(duì)應(yīng)的屏幕105a、105b、105c上以提供沉浸式顯示體驗(yàn)的多個(gè)投影儀200a、200b、200c。屏幕105a-105c可以是如圖1a中所示的平面前投影顯示器或者如圖1b中所示的彎曲前投影顯示器。在相鄰顯示器之間可以存在縫隙。例如，屏幕105a-105c之間可以存在如圖1a和1b中所示的縫隙。在一些實(shí)施例中，縫隙可以相對(duì)小、接近于零或者為零。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以包括多個(gè)平坦或彎曲的顯示器或屏幕，或者其可以包括單個(gè)彎曲的顯示器或屏幕。屏幕可以相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)。屏幕105a-105c還可以相對(duì)彼此分別具有傾斜。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b的屏幕105a-105c可以包括平坦屏幕、彎曲屏幕或者兩者的組合。

示例性沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b包括三個(gè)前投影屏幕105a-105c，其中，由投影儀系統(tǒng)提供每個(gè)屏幕上的圖像。投影儀系統(tǒng)200a被配置為投影視頻到屏幕105a上，投影儀系統(tǒng)200b被配置為投影視頻到屏幕105b上，以及投影儀系統(tǒng)200c被配置為投影視頻到屏幕105c上。聲音系統(tǒng)可以安裝在屏幕105a、屏幕105b和/或屏幕105c后面。投影儀系統(tǒng)p1、p2和p3發(fā)射的光可以具有希望的或選擇的偏振狀態(tài)或者可以隨機(jī)偏振。

在一些實(shí)施例中，屏幕105a-105c可以是彎曲屏幕，圖1b中顯示了其實(shí)例。考慮的曲率可以在紙的平面中，在與紙的平面垂直的平面中或者在紙的平面和與紙的平面垂直的平面中。沉浸式顯示系統(tǒng)100b例如包括三個(gè)彎曲前投影屏幕105a-105c，并且每個(gè)屏幕上的圖像從一個(gè)或多個(gè)投影儀投影。投影儀系統(tǒng)p1200a可以例如是在屏幕1105a上投影圖像的一個(gè)或多個(gè)投影儀，投影儀系統(tǒng)p2200b可以例如是在屏幕2105b上投影圖像的一個(gè)或多個(gè)投影儀，投影儀系統(tǒng)p3200c可以例如是在屏幕3105c上投影圖像的一個(gè)或多個(gè)投影儀。

從投影儀系統(tǒng)200a-c發(fā)射的光中的每一個(gè)可以具有不同的頻譜。這可能導(dǎo)致由這些投影儀系統(tǒng)提供的圖像之間的色差。這些色差可以電子補(bǔ)償。在b.maximus等人的美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2007/0127121中公開(kāi)了用于補(bǔ)償兩個(gè)投影儀之間的色差的示例性方法，通過(guò)參考的方式將其完整并入本文。投影儀系統(tǒng)200a-c的頻譜可以被配置為在電子補(bǔ)償之后以例如根據(jù)rec.709或dcip3的色階投影彩色圖像。

投影儀系統(tǒng)200a-c涉及被配置為投影視頻到屏幕105a-105c上的設(shè)備。投影儀系統(tǒng)200a-c可以包括媒體服務(wù)器和投影儀。在一些實(shí)施例中，媒體服務(wù)器與投影儀物理上分離并且可通信地耦接(例如通過(guò)有線或無(wú)線連接)到投影儀。在一些實(shí)施例中，投影儀系統(tǒng)包括集成的媒體服務(wù)器和投影儀。投影儀系統(tǒng)的媒體服務(wù)器部分可以包括被配置為接收、存儲(chǔ)和解碼媒體內(nèi)容的硬件和軟件組件。媒體服務(wù)器可以包括被配置為攝取和解碼數(shù)字內(nèi)容文件以產(chǎn)生媒體流(例如視頻或音頻)以發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到投影儀的硬件或軟件組件。媒體服務(wù)器可以包括用于攝取數(shù)字內(nèi)容、解碼攝取的內(nèi)容、提供安全證書(shū)以訪問(wèn)安全內(nèi)容以及以生成或轉(zhuǎn)換同步信號(hào)以提供同步內(nèi)容等等的模塊。投影儀可以包括光學(xué)引擎、調(diào)制元件、光學(xué)鏡等等以允許投影儀產(chǎn)生、調(diào)制和投影圖像?？梢岳缡褂藐帢O射線管(crt)、液晶顯示器(lcd)、數(shù)字光處理(dlp)、數(shù)字微鏡器件(dmd)等等實(shí)現(xiàn)投影儀。

投影儀系統(tǒng)200a-c可以被配置為給視頻提供符合大量標(biāo)準(zhǔn)例如但不限于4k(例如3636x2664、3996x2160、3840x2160、4096x2160等等)、2k(例如1828x1332、1998x1080)、hd(例如1920x1080、1280x720)等等中的任意一個(gè)的高寬比和分辨率。投影儀系統(tǒng)200a-c可以被配置為提供具有多種幀速率包括但不限于24fps、30fps、60fps、120fps等等的視頻。投影儀系統(tǒng)200a-c可以被配置為在兩個(gè)或更多個(gè)屏幕上顯示同步的3d內(nèi)容(例如立體視頻)。

作為一個(gè)實(shí)例，沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以包括符合dci的投影儀系統(tǒng)200a-c，被配置為在電影院中顯示符合dci的內(nèi)容。符合dci的內(nèi)容可以包括媒體流(例如從數(shù)字內(nèi)容提取的視頻數(shù)據(jù)或視頻和音頻數(shù)據(jù))。在一些實(shí)現(xiàn)中，提供媒體內(nèi)容作為數(shù)字影院包(“dcp”)，其包括壓縮、加密和打包的數(shù)據(jù)以例如分配給電影院。數(shù)據(jù)可以包括數(shù)字影院分配大師(“dcdm”)，其包括映射成數(shù)字文件格式的圖像結(jié)構(gòu)、音頻結(jié)構(gòu)、字幕結(jié)構(gòu)等等。數(shù)據(jù)可以包括用于構(gòu)成dcp中的視聽(tīng)呈現(xiàn)的圖形要素文件和音頻要素文件。dcp可以包括這樣一種成分即該成分包括特寫、宣傳片、廣告、標(biāo)識(shí)語(yǔ)等等單個(gè)數(shù)字呈現(xiàn)所需要的全部要素和元數(shù)據(jù)。投影儀系統(tǒng)200a-c可以被配置為攝取dcp并且生成dcdm的視覺(jué)不可區(qū)分的副本并且隨后使用dcdm的該副本來(lái)生成圖像和聲音以呈現(xiàn)給觀看者。

圖1a和1b示出了三個(gè)投影儀系統(tǒng)200a-c和三個(gè)屏幕105a-105c。然而，沉浸式顯示系統(tǒng)可以包括不同數(shù)量的投影儀系統(tǒng)和/或屏幕。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以例如包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或多于10個(gè)投影儀系統(tǒng)。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或多于10個(gè)屏幕。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以被配置為使得多個(gè)投影儀系統(tǒng)在單個(gè)屏幕上提供視頻，使得圖像實(shí)質(zhì)上重疊。沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b可以被配置為使得投影儀系統(tǒng)在單個(gè)屏幕上提供視頻，其中來(lái)自投影儀系統(tǒng)的視頻最低限度重疊，彼此相鄰或者彼此靠近以提供實(shí)質(zhì)上統(tǒng)一的視頻呈現(xiàn)。

沉浸式顯示系統(tǒng)中的聲音可能是重要的，并且重要性可能比得上可視信息。至少部分地基于觀看表面用作聲音反射器，典型的沉浸式顯示系統(tǒng)可能經(jīng)歷音頻或聲音問(wèn)題。這可能導(dǎo)致在沉浸式環(huán)境中不希望和/或不想要的回聲和聲音回響。在一些實(shí)現(xiàn)中，沉浸式顯示系統(tǒng)100a、100b包括穿孔的顯示屏105a、105b和/或105c以降低該問(wèn)題。穿孔的顯示器屏幕可以被配置為允許沉浸式環(huán)境中的聲音逃離該環(huán)境并且允許來(lái)自屏幕后面的揚(yáng)聲器的聲音進(jìn)入沉浸式環(huán)境。這可以在沉浸式環(huán)境中降低或者消除不想要或不希望的回聲和回響同時(shí)增加希望的聲音。

聲音系統(tǒng)可以安裝在前投影屏幕1105a、屏幕2105b和/或屏幕3105c后面。為了降低高頻聲波的衰減，可以使用穿孔(例如圓形孔洞)陣列。屏幕中的穿孔可以布局為使得孔洞的中心在例如但不限于交錯(cuò)的或者直線的孔洞配置中等距離。每個(gè)單位面積的等距離孔洞的數(shù)量、孔洞直徑和/或屏幕厚度是可以調(diào)諧以在大于越1khz的頻率上實(shí)現(xiàn)可接收的或者合適的傳輸損失的參數(shù)。本文參考圖13a-14b更詳細(xì)地描述了穿孔屏幕的實(shí)例。

示例性沉浸式顯示系統(tǒng)屏幕

圖2a和2b示出了包括三個(gè)屏幕的沉浸式顯示系統(tǒng)100的實(shí)例以及示出了該沉浸式顯示系統(tǒng)中的串?dāng)_的實(shí)例。沉浸式顯示系統(tǒng)100可以包括多個(gè)屏幕。屏幕可以被配置為使得在相鄰的顯示器之間存在縫隙。圖2a中所示的沉浸式顯示系統(tǒng)100可以例如具有縫隙b1、b2、b3和b4，以及圖2b中所示的沉浸式顯示系統(tǒng)100可以例如具有縫隙d1和d2。在一些實(shí)施例中，縫隙可以相對(duì)小，接近零或者為零。屏幕可以具有例如以角度γ1和γ2為特征的相對(duì)定向。屏幕1、2和3還可以具有與角度γ3、γ4和γ5相對(duì)應(yīng)的各自的傾斜，其中角度是關(guān)于與紙面的平面垂直的方向測(cè)量的。

參考圖2a，射線1表示從投影到屏幕1的圖像反射的光，射線1反射自屏幕的區(qū)域1并且入射到屏幕的區(qū)域2。射線3表示到達(dá)觀看者的在區(qū)域2處的從投影到屏幕2的圖像反射的光。射線2表示在屏幕2上在區(qū)域2處從射線1反射的光。在不存在射線1的情況下，射線3由屏幕2反射到觀看者，射線3是原始圖像的一部分。然而，在存在從區(qū)域1到區(qū)域2的串?dāng)_的情況下，射線2也被觀看者觀察到。射線2與射線3的混合被稱為串?dāng)_并且可能實(shí)質(zhì)性降低原始圖像的對(duì)比度和顏色飽和度，相應(yīng)地降低原始圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2b示出了串?dāng)_的另一個(gè)實(shí)例，其強(qiáng)度可以依賴于相互照亮的區(qū)域之間的距離。例如，沉浸式顯示系統(tǒng)100包括多個(gè)相鄰的或者幾乎相鄰的屏幕，在可以從相對(duì)短的距離彼此照亮的屏幕的部分上以及在屏幕之間的角度相對(duì)小的屏幕配置上串?dāng)_可能顯著。隨著所考慮的屏幕區(qū)域之間的距離增加，由串?dāng)_導(dǎo)致的亮度減小(例如近似平方反比定律)，并且當(dāng)屏幕之間的角度增加時(shí)亮度也減小(例如近似亮度余弦定律)。例如，對(duì)于沉浸式顯示系統(tǒng)100，區(qū)域1與區(qū)域2或者區(qū)域3與區(qū)域4之間的串?dāng)_將比區(qū)域2與區(qū)域5、區(qū)域3與區(qū)域6或者區(qū)域5與區(qū)域6之間的更強(qiáng)。當(dāng)反射光的輻射模式具有寬的角度分布例如對(duì)于朗伯或者半朗伯反射屏幕時(shí)該串?dāng)_現(xiàn)象可能尤其顯著。在一些實(shí)例中，當(dāng)反射光的輻射模式相對(duì)定向例如對(duì)于高增益屏幕時(shí)該串?dāng)_現(xiàn)象可能較不顯著。在本文公開(kāi)的一些實(shí)施例中，寬的觀看角度可能是優(yōu)選的并且因此反射光的輻射模式典型地具有寬的角度分布。在該實(shí)施例中，串?dāng)_的降低和消除可能尤其有利。

為了說(shuō)明串?dāng)_對(duì)對(duì)比度的影響，將提供簡(jiǎn)單的實(shí)例。對(duì)比度涉及顯示系統(tǒng)的質(zhì)量。全開(kāi)(full-on)/全關(guān)(full-off)對(duì)比度(例如順序?qū)Ρ榷?可以定義為最大亮度與最小亮度的比。最大亮度lmax可以是利用100％白信號(hào)驅(qū)動(dòng)的顯示器輸出的亮度值，以及最小亮度lmin可以是利用0％白電平(例如黑電平)驅(qū)動(dòng)的顯示器輸出的亮度值。

測(cè)量亮度總體取決于觀察角度，并且對(duì)比度總體基于觀察角度。在外圍照明入射到顯示器的屏幕的情況下，其可能部分地反射到觀看者并且疊加到自顯示器的亮度。利用非零外圍照明，全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比度是：

其中，la對(duì)應(yīng)于外圍照明以及顯示屏幕的反射特征。

用于特征化顯示器的對(duì)比度的另一個(gè)方法有時(shí)候稱為“檢驗(yàn)板方法”并且在ansi1992,iec2002中描述了。在該方法中，使用覆蓋顯示器的完整圖像區(qū)域的4x4黑白矩形檢驗(yàn)板模型。測(cè)量在每個(gè)矩形的中心處的亮度。求8個(gè)白色值的平均<lcb,max>以及求8個(gè)黑色值的平均<lcb,min>。有時(shí)候被稱為ansi的對(duì)比度然后為：

ansi對(duì)比度可以總體取決于觀察角度；并且如果外圍照明為非零則該非零照明也可能影響測(cè)量的ansi對(duì)比度：

提供了投影顯示器的值以給出對(duì)比度(例如conoff和cansi)的一些示例性值。如這些值所演示的，在存在外圍照明的情況下，對(duì)比度可能總體降低。給定當(dāng)外圍光為零時(shí)的全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比度2000：1，第一示例性投影顯示器具有在屏幕的對(duì)角線方向測(cè)量的最大亮度500cd/m²以及最小亮度0.25cd/m²。相反，如果存在反射到觀看者的入射外圍光以及反射外圍光增加5cd/m²，則全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比度降低到～96：1。對(duì)于典型的投影顯示器，ansi對(duì)比度低于全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比度并且可以例如是～200：1。由于本章節(jié)描述的外圍光的相同反射，ansi對(duì)比度降低到～67：1。

具有球面和/或非球面微透鏡的示例性屏幕

圖3a示出了前投影屏幕300的橫截面視圖和前視圖，其具有微透鏡301的陣列以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影。前投影屏幕300具有包括這樣一種片材的多層結(jié)構(gòu)即該片材具有例如但不限于平凸微透鏡301的陣列和在該陣列上面的光偏振材料層302。平凸微透鏡301的片材的背面包括偏振旋轉(zhuǎn)層304，其后接著光反射層303。單獨(dú)的微透鏡具有半徑r、折射率n，并且可以具有例如但不限于邊長(zhǎng)為d的正方形。在微透鏡301上面的光偏振材料層302可以具有用于單獨(dú)的微透鏡的相對(duì)小片段的非偏振光散射材料306。該非偏振光散射材料片段306的位置可以至少部分地取決于微透鏡301的陣列中的微透鏡的位置。該非偏振光散射材料片段306的位置可以至少部分地取決于投影儀設(shè)置，本文更詳細(xì)其描述了投影儀設(shè)置的實(shí)例。

圖3b示出了單個(gè)微透鏡301a的橫截面視圖，其具有帶有非偏振光散射材料306的偏振層302、偏振旋轉(zhuǎn)層304和光反射層303。半徑為r的微透鏡301a具有位于距微透鏡301a的頂部距離f的焦點(diǎn)f。焦點(diǎn)f的位置至少部分地基于微透鏡301a的材料的半徑r和折射率n。該材料可以例如但不限于是折射率為大約n＝1.4914的pmma(有機(jī)玻璃)。具有例如但不限于入射角α＝0的一束隨機(jī)偏振平行光線305可以被偏振層302線性偏振并且被反射到焦點(diǎn)f的方向中。當(dāng)光線到達(dá)光反射層303時(shí)，它們可能被反射回去。通過(guò)兩次傳播經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)層304，線性偏振光線的偏振方向可能被旋轉(zhuǎn)90°。微透鏡301a的頂部與光反射層之間的距離大約是f/2，其可以將射線聚焦到點(diǎn)a。在該點(diǎn)a周圍，可以存在非偏振光散射材料片段306，并且到達(dá)點(diǎn)a的光線可以傳播經(jīng)過(guò)非偏振光散射材料片段306并且散射在觀看者的方向中。

圖3c示出了用于表示散射光線的一束光線307。平行光束可以被微透鏡301b聚焦在透鏡301b的頂部(例如在點(diǎn)a)，以及其他不平行的光線(例如光線308)可以被光偏振層302吸收。散射光線307的散射特征可以是對(duì)稱的或非對(duì)稱的并且可以獨(dú)立于該光學(xué)結(jié)構(gòu)的其他光學(xué)特征來(lái)適應(yīng)應(yīng)用的需要。在一些應(yīng)用中，這些線性偏振光線可以實(shí)質(zhì)上在光偏振層302被阻擋以及可以實(shí)質(zhì)上或顯著地不受該偏振層302影響。

在角度α>0之下的隨機(jī)偏振入射光線(例如圖3c的射線8)在被偏振層302偏振，被微透鏡301a反射，被光反射層303反射以及被層304偏振旋轉(zhuǎn)90°之后可以再次擊中線性偏振器302。至少部分地由于重新回到線性偏振器302的光的偏振狀態(tài)被旋轉(zhuǎn)了90°，所以由于這些光線不傳播經(jīng)過(guò)非偏振光散射材料片段306，這些光線可能實(shí)質(zhì)上或完全地被偏振層302吸收。

屏幕300的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以被配置為漫射地反射入射角α≈0的光以及吸收入射角α>0和/或α<0的光。散射特性的特征至少部分地在于點(diǎn)a周圍的非偏振光散射材料片段306的材料的散射特性，并且可以被制造成獨(dú)立于該光學(xué)材料的其他光學(xué)特性。

圖4示出了基于屏幕400上的入射角來(lái)會(huì)聚射線的位置的圖，屏幕400被配置為類似于本文參考圖3a-3c所述的屏幕300。通過(guò)改變微透鏡的前面區(qū)域上的偏振層的非偏振光散射片段406(例如點(diǎn)a)的位置，可以改變可能被散射片段406漫射地散射的入射平行光線的入射角α，以具有正的入射角和負(fù)的入射角。因此，至少部分地取決于光散射片段406的位置，可以選擇一些入射光線方向在點(diǎn)a經(jīng)過(guò)透鏡傳輸。至少部分地取決于片段a的散射特性，傳輸?shù)墓饪梢栽谶x擇的、靶向的和/或希望的方向中散射。這些散射特性可以獨(dú)立于光學(xué)結(jié)構(gòu)的其他光學(xué)特性進(jìn)行。

對(duì)于無(wú)象差的微透鏡描述了二維的考慮。也可以在三維中對(duì)于入射方向描述會(huì)聚射線的位置以及單獨(dú)的微透鏡上的非偏振光散射片段的位置和尺寸。例如，圖5示出了具有入射光線r1和原點(diǎn)o的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xyz。點(diǎn)p1表示投影儀的投影透鏡的出射瞳的中心，以及投影透鏡的光軸與x軸重合。點(diǎn)p2具有坐標(biāo)(0,y0,z0)并且對(duì)應(yīng)于微透鏡的曲率的中心。光線r1從p1傳播到在p2處的微透鏡的曲率的中心。為了方便起見(jiàn)，光線r1可以表示為向量p1p2。

微透鏡(微透鏡的曲率中心在(0,y0,z0))上與向量p1p2同方向的入射光線在被微透鏡反射并且被反射層(例如本文參考圖3a-3c所述的反射層303)反射之后可以在微透鏡的表面上實(shí)質(zhì)上相同的位置處出射。該位置采取第一近似至少部分地取決于向量p1p2的位置。微透鏡的象差(例如球面象差和/或彩色象差)可以導(dǎo)致焦點(diǎn)(例如例如本文參考圖3a-3c和/或圖4所述的點(diǎn)a)周圍的污點(diǎn)。通過(guò)當(dāng)確定非偏振光散射片段的尺寸時(shí)考慮象差，可以降低或消除由該模糊導(dǎo)致的不利的影響。

微透鏡接收在選擇的、希望的、靶向的或者定義的入射角范圍中來(lái)自投影儀的光線。該范圍采取第一近似取決于：z0、y0、|op1|以及微透鏡的尺寸(例如微透鏡的側(cè)面的長(zhǎng)度d)。該入射角范圍內(nèi)的光線在被微透鏡反射以及被反射層(例如本文參考圖3a-3c所述的反射層303)反射之后將在微透鏡的表面上的不同位置處射出。該擴(kuò)散對(duì)于小的入射角可能是顯著的，并且可以至少部分地受微透鏡的尺寸控制。該影響連同微透鏡的光學(xué)象差可以進(jìn)一步激發(fā)改變(例如增加)非偏振光漫射區(qū)域(例如本文參考圖3a-3c所述的非偏振光散射片段306)的橫截面。微透鏡接收的入射角范圍還至少部分地取決于投影透鏡的出射瞳的尺寸。較大的出射瞳導(dǎo)致例如較大的入射角范圍。

可以經(jīng)過(guò)每個(gè)微透鏡的非偏振光散射片段(例如本文參考圖3a-3c所述的非偏振光散射片段306)傳輸?shù)墓饩€入射角范圍至少部分地取決于非偏振光散射片段的橫截面面積，并且有利的或優(yōu)選的尺寸至少部分地取決于多個(gè)因素，包括例如但不限于：微透鏡的位置(0,y0,z0)、投影距離|op1|、微透鏡的尺寸、投影透鏡的出射瞳的直徑以及透鏡象差。使得非偏振光散射片段的橫截面面積大于該有利的或優(yōu)選的尺寸可以允許更多方向的入射光線傳輸經(jīng)過(guò)非偏振光散射片段。這可能是不希望的，因?yàn)檫@些具有更大入射角的光線可能來(lái)自“外圍光”例如交叉反射和/或環(huán)境入射光線。使得非偏振光散射片段的橫截面面積小于該有利的或優(yōu)選的尺寸可能導(dǎo)致來(lái)自投影儀的光線在偏振層(例如本文參考圖3a-3c所述的偏振層302)被吸收。

為了進(jìn)一步定制非偏振光散射片段的橫截面面積，可以通過(guò)使用定制的非球面微透鏡代替或補(bǔ)足球面透鏡來(lái)有利地降低微透鏡的球面象差。

已關(guān)于作為可能的投影建立的一個(gè)實(shí)例的同軸投影系統(tǒng)描述了以上實(shí)施例。然而，可以對(duì)于離軸投影設(shè)置類似的前投影屏幕的尺寸。

已經(jīng)參考在前表面具有正方形的微透鏡描述了以上實(shí)施例。要理解，在前表面具有矩形、圓形、多邊形或者任意形狀的微透鏡的使用也在本文的范圍中。

微透鏡的材料的雙折射可以被配置為足夠低以保持在微透鏡中傳播的光的偏振狀態(tài)。光反射層也可以被配置為足以保持光的偏振狀態(tài)。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。

具有本文所述的投影屏幕的投影屏幕組合可以被配置為漫射地反射從該投影儀屏幕組合的投影儀出現(xiàn)的光線。這至少部分地由于所述前投影屏幕包括多個(gè)多層結(jié)構(gòu)，其具有從投影透鏡的出射瞳的中心到微透鏡的曲率的中心漫射地反射入射角范圍在向量p1p2(例如參考圖5所述的入射光線向量)的方向的相對(duì)小的范圍內(nèi)光線的微透鏡。

沉浸式顯示系統(tǒng)(本文中參照?qǐng)D2a-2b更詳細(xì)地描述了其實(shí)例)中的交叉反射光線可以以與向量p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍不同的入射方向在每個(gè)微透鏡擊中屏幕，并且這些交叉反射光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其他類型的前投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

環(huán)境光也可以以與向量p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍不同的入射方向在每個(gè)微透鏡擊中屏幕，并且這些光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的入射環(huán)境光的反射并且與其他類型的前投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

具有球面和/或非球面微鏡的示例性屏幕

圖6a示出了前投影屏幕600的橫截面視圖和前視圖，其具有微鏡陣列603以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影。前投影屏幕600具有多層結(jié)構(gòu)，其包括具有球面微鏡603的陣列的片材、這些微鏡603上面的偏振旋轉(zhuǎn)層604、和在偏振層604上面的線性偏振層602。要理解，在一個(gè)或多個(gè)反射層之間、在這些層上面或者在這些層下面，可以將一個(gè)或多個(gè)層增加到該結(jié)構(gòu)中。微鏡603可以具有半徑r并且具有例如但不限于側(cè)面長(zhǎng)度為d的正方形前面形狀。具有線性偏振器602的層可以在單獨(dú)的微鏡的前面中具有小的非偏振光散射材料片段606。該非偏振光散射片段606的位置至少部分地取決于該微鏡在微鏡陣列603中的位置。該位置可以至少部分地取決于如本文所述的投影儀建立。

圖6b示出了單個(gè)球面微鏡603a的橫截面視圖，其具有帶有非偏振光散射材料片段606的偏振層602和偏振旋轉(zhuǎn)層604。微鏡603a可以包括介質(zhì)601，光在到達(dá)微鏡603a的反射表面之前傳播經(jīng)過(guò)該介質(zhì)601。微鏡603a可以包括在偏振層602與偏振旋轉(zhuǎn)層604(例如，這些層可以是分離的層)之間的層609。層609可以是功能層，提供附加的功能給微鏡603a。例如，單獨(dú)的微鏡可以是半徑為r的球面鏡。焦點(diǎn)f位于距離f＝r/2。具有例如但不限于入射角α＝0的隨機(jī)偏振光線的水平束可以被偏振層602線性偏振并且可以在焦點(diǎn)f的方向中被鏡603反射。通過(guò)兩次傳播經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)層604，這些線性偏振光線的偏振方向可以被旋轉(zhuǎn)90°。非偏振光散射片段606可以定位在焦點(diǎn)f周圍。到達(dá)焦點(diǎn)f的光線因此可以傳播經(jīng)過(guò)片段606并且可以被散射。至少部分地由于這些線性偏振光線傳播經(jīng)過(guò)非偏振光散射片段606的事實(shí)，這些線性偏振光線可能實(shí)質(zhì)上不受偏振層602影響。光線束607表示散射的光線。光散射片段的散射特征可以是對(duì)稱的或非對(duì)稱的，并且可以獨(dú)立于光學(xué)結(jié)構(gòu)的其他光線特征來(lái)適應(yīng)應(yīng)用的需要。

具有角度α>0或α<0的隨機(jī)偏振入射光線可以再次擊中線性偏振層602。因?yàn)樵诰€性偏振器602處回來(lái)的光的偏振狀態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°，所以這些光線可以被偏振層602吸收。該射線的一個(gè)實(shí)例是光線608。

以上光學(xué)結(jié)構(gòu)可以被配置為漫射地反射入射角為大約α＝0的光，并且將吸收入射角度大約α>0或α<0的入射光。散射特性至少部分地基于球面鏡的焦點(diǎn)f周圍的小片段606中的材料的散射特性，并且可以被制造得獨(dú)立于光學(xué)結(jié)構(gòu)的其他光線特性。

在圖6c中示出了微鏡603b的另一個(gè)實(shí)例，其中，偏振層602和偏振旋轉(zhuǎn)層604是集成的片材(例如非分離的片材)。這可以簡(jiǎn)化該光學(xué)組件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖7示出通過(guò)改變偏振層(例如本文參考圖6a-6c所述的偏振層602)的非偏振光散射片段a的位置，被散射片段a漫射地散射的入射平行光束的入射角α可以改變成正入射角和/或負(fù)入射角。至少部分地取決于光散射片段a的位置，一些靶向的、選擇的或者希望的入射光線方向可以選擇為傳輸經(jīng)過(guò)a。至少部分地取決于片段a的散射特性，該傳輸光可以在靶向的、選擇的或希望的方向中散射。這些散射特性可以獨(dú)立于光學(xué)結(jié)構(gòu)的其他光線特性進(jìn)行。

對(duì)于無(wú)象差的微鏡描述了二維的考慮。用于確定針對(duì)針對(duì)三維建立的非偏振光散射片段的位置和尺寸的考慮與本文如上所述的類似。例如，圖5示出了具有入射光線r1和原點(diǎn)o的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xyz。點(diǎn)p1是投影儀的投影透鏡的出射瞳的中心，以及投影透鏡的光軸與x軸重合。點(diǎn)p2具有坐標(biāo)(0,y0,z0)并且對(duì)應(yīng)于微鏡的曲率的中心。光線r1從p1傳播到在p2處的微鏡的曲率的中心。為了方便起見(jiàn)，光線r1可以表示為向量p1p2。

微鏡(微鏡的曲率中心在(0,y0,z0))上與向量p1p2同方向的入射光線可以被配置為在被微鏡反射之后在偏振層(例如本文中參照?qǐng)D6a-c描述的偏振層)上的實(shí)質(zhì)上相同的位置處到達(dá)。該位置采取第一近似至少部分地取決于向量p1p2的方向。微鏡的象差(例如球面象差)可以導(dǎo)致焦點(diǎn)(例如本文參考圖6a-6c和/或圖7所述的點(diǎn)f)周圍的污點(diǎn)。通過(guò)當(dāng)確定非偏振光散射片段的尺寸時(shí)考慮鏡象差，可以降低或消除由該模糊導(dǎo)致的不利的影響。

微鏡可以接收在選擇的、希望的、靶向的或者定義的入射角范圍中來(lái)自投影儀的光線。該范圍采取第一近似取決于：z0、y0、|op1|以及微鏡的尺寸(例如微鏡的側(cè)面的長(zhǎng)度d)。該入射角范圍內(nèi)的光線在被微鏡反射之后可以在偏振層(例如本文中參照?qǐng)D6a-c所述的偏振層602)上的不同位置處達(dá)到。該擴(kuò)散對(duì)于小的入射角可能是顯著的，并且可以至少部分地受微鏡的尺寸控制。該影響連同微鏡的光學(xué)象差可以進(jìn)一步激發(fā)改變(例如增加)非偏振光漫射區(qū)域(例如例如本文參考圖6a-6c所述的非偏振光散射片段606)的橫截面。微鏡接收的入射角范圍還至少部分地取決于投影透鏡的出射瞳的尺寸。較大的出射瞳導(dǎo)致例如較大的入射角范圍。

可以經(jīng)過(guò)每個(gè)微鏡結(jié)構(gòu)的非偏振光散射片段(例如本文參考圖6a-6c所述的非偏振光散射片段606)傳輸?shù)墓饩€入射角范圍至少部分地取決于非偏振光散射片段的橫截面面積，并且有利的或者優(yōu)選的尺寸至少部分地取決于多個(gè)因素，包括例如但不限于：微鏡的位置(0,y0,z0)、投影距離|op1|、微鏡的尺寸、投影透鏡的出射瞳的直徑以及鏡象差。使得非偏振光散射片段的橫截面面積大于該有利的或優(yōu)選的尺寸可以允許更多方向的入射光線傳輸經(jīng)過(guò)非偏振光散射片段。這可能是不希望的，因?yàn)檫@些具有更大入射角的光線可能來(lái)自“外圍光”例如交叉反射和/或環(huán)境入射光線。使得非偏振光散射片段的橫截面面積小于該有利的或優(yōu)選的尺寸可能導(dǎo)致來(lái)自投影儀的光線在偏振層(例如本文參考圖6a-6c所述的偏振層602)被吸收。

為了進(jìn)一步定制非偏振光散射片段的橫截面面積，可以通過(guò)使用定制的非球面微鏡代替或補(bǔ)足球面鏡來(lái)有利地降低微鏡的球面象差。

已關(guān)于作為可能的投影建立的一個(gè)實(shí)例的同軸投影系統(tǒng)描述了以上實(shí)施例。然而，可以對(duì)于離軸投影設(shè)置類似的前投影屏幕的尺寸。

已經(jīng)參考在前表面具有正方形的微鏡描述了以上實(shí)施例。要理解，在前表面具有矩形、圓形、多邊形或者任意形狀的微鏡的使用也在本文的范圍中。

微鏡的光反射層可以被配置為足夠保持光的偏振狀態(tài)。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。

具有上述的投影屏幕的投影屏幕組合可以被配置為漫射地反射從該投影儀屏幕組合的投影儀出現(xiàn)的光線。這至少部分地由于所述前投影屏幕包括多個(gè)多層結(jié)構(gòu)，其具有從投影透鏡的出射瞳的中心到微鏡的曲率的中心漫射地反射入射角范圍在向量p1p2(例如參考圖5所述的入射光線向量)的方向的相對(duì)小的范圍內(nèi)光線的微鏡。

沉浸式顯示系統(tǒng)(本文中參照?qǐng)D2a-2b更詳細(xì)地描述了其實(shí)例)中的交叉反射光線可以以與向量p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍不同的入射方向在每個(gè)微鏡擊中屏幕，并且這些交叉反射光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其他類型的前投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

環(huán)境光也可以以與向量p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍不同的入射方向在每個(gè)微鏡擊中屏幕，并且這些光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的入射環(huán)境光的反射并且與其他類型的前投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

具有圓柱微透鏡的示例性屏幕

圖8示出了前投影屏幕800的橫截面視圖和前視圖，其具有圓柱微透鏡陣列801以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影。前投影屏幕800具有多層結(jié)構(gòu)，其包括圓柱透鏡片材801，在這些圓柱透鏡801上面具有光偏振材料層802。圓柱透鏡片材801的背面可以具有偏振旋轉(zhuǎn)層804，光反射層803緊接著偏振旋轉(zhuǎn)層804。單獨(dú)的圓柱透鏡具有半徑r、折射率n和寬度d。在圓柱透鏡801上面的光偏振材料層802對(duì)于每個(gè)圓柱透鏡具有寬度為w的非偏振光散射材料條帶806。該非偏振光散射材料條帶806的位置至少部分地取決于圓柱透鏡801在陣列中的位置。此外，該非偏振光散射材料條帶806的位置至少部分地取決于本文更詳細(xì)地描述的投影儀的建立。

為了說(shuō)明屏幕800的功能，現(xiàn)在再次參考圖5。圖5示出了具有入射光線r1和原點(diǎn)o的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xyz。點(diǎn)p1是投影儀的投影透鏡的出射瞳的中心，以及投影透鏡的光軸與x軸重合。點(diǎn)p2具有坐標(biāo)(0,y0,z0)并且對(duì)應(yīng)于微透鏡的曲率的中心。光線r1從p1處傳播到p2處的微透鏡的曲率的中心。為了方便起見(jiàn)，光線r1可以表示為向量p1p2。

半徑為r以及折射率為n的每個(gè)圓柱微透鏡具有位于距離f處的聚焦平面。下文中光線被圓柱透鏡折射的實(shí)例可用于說(shuō)明具有圓柱透鏡的實(shí)施例的特征。圖9a示出了聚焦在線條ef上與x’軸平行的(α＝0以及β＝0，其中，角度α是距x’y’平面中的x’軸的角度以及角度β是距x’y’平面的角度)平行光線束abcd。圖9b和9c在二維而不是三維中示出了在與x’y’平面平行的平面中形成角度+α、0和-α的平行光線束。這些平行光線分別聚焦在線條e’f’、ef、和e”f”上。圖9c示出了圓柱透鏡上的入射光線束，其中，圓柱透鏡具有定位在距離圓柱透鏡的聚焦平面的f/2處的光反射層。在該實(shí)施例中，光線被反射并且平行光線束對(duì)于α＝0在透鏡表面上的距離ω處，對(duì)于+α在透鏡表面上的距離ψ處，對(duì)于-α在透鏡表面上的距離π處，被聚焦成與z’軸平行的線段。

圖9d示出了對(duì)于α＝0和β＝0在圓柱透鏡的聚焦平面中的平行光線折射束abcd，其中，這些平行光線聚焦在線條ij上。在平行光線束具有不同入射角的情況下，聚焦位置不同。例如，在平行光線的入射角具有角度α>0并且角度β>0的情況下，聚焦位置是i’j’，其中，水平偏移δy取決于α并且垂直偏移δz取決于β。對(duì)于圓柱透鏡，具有相同角度α和不同角度β的不同的平行光線束被反射到圓柱透鏡的聚焦平面的線段中，其中，該線段具有距線條ij相同的偏移距離(例如δy)但是沿z’軸不同的偏移距離(例如δz)。偏移δy取決于α并且δz取決于β。

在一些實(shí)施例中，圓柱透鏡可以包括(例如本文參考圖8和9c所述的)反射層。光反射層可以位于距圓柱透鏡的聚焦平面的距離f/2處。光反射層可以將光線反射回圓柱透鏡的表面。具有相同的角度α的平行射線束可以在偏移相同距離δy的線段上聚焦在圓柱透鏡的表面上。這些平行光線束可以具有不同的角度β并且因此可以沿z’軸偏移不同的距離δz。光散射材料條帶(例如本文參考圖8所述的光散射材料806)可以被配置為與靶向的線段重合(例如光散射材料可以與z’軸平行)以散射靶向光線。類似地，具有不同的入射角的其他光線束可以被折射和反射，從而它們不與光散射材料條帶重合，因而它們實(shí)質(zhì)上被光偏振層(例如本文參考圖8所述的光偏振層802)吸收。這樣，屏幕可以被配置為當(dāng)入射光在靶向入射角范圍內(nèi)入射到屏幕上時(shí)選擇性地朝向觀看者散射光。

從投影透鏡的出射瞳的中心出現(xiàn)的入射光線在投影屏幕上的方向的特征可以在于對(duì)于屏幕上的每個(gè)位置的角度α和β?？梢岳缡褂猛队皟x的出射瞳位置、投影儀相對(duì)于投影屏幕的方向、以及投影屏幕的尺寸來(lái)確定這些角度。投影屏幕可以分割成具有與z軸平行的軸和寬度d的圓柱透鏡(例如本文參考圖8描述了其實(shí)例)。

屏幕(例如前投影屏幕、主投影屏幕、輔投影屏幕等等)的圓柱透鏡可以接收以在α0(y0,z0)周圍相對(duì)小的角度范圍δα來(lái)自其投影儀的光線，并且單獨(dú)的圓柱透鏡可以被配置為具有寬度為w的非偏振光散射材料垂直條帶，其定位在來(lái)自投影儀的折射和/或反射光線所導(dǎo)向的地方。來(lái)自x’y’平面中的其他方向的光可能不會(huì)到達(dá)非偏振光散射材料條帶并且因此可以被屏幕吸收。因此，來(lái)自投影儀的光可以被散射，從而被就坐在相對(duì)屏幕的多種位置中的觀看者觀看到，然而環(huán)境光和/或來(lái)自不同投影儀的光可以被屏幕吸收。如本文所描述的，在α0(y0,z0)周圍相對(duì)小的角度范圍δα中方向?yàn)楱Cπ<β<π的光線也可能在折射和反射之后到達(dá)非偏振光散射材料條帶，并且可以被散射到觀看者或者到觀看者可能位于的位置(例如觀看者空間)。

非偏振光散射條帶的寬度w至少部分地取決于多個(gè)因素。例如，為了增加或最大化對(duì)比度維持，可以定制或優(yōu)化非偏振光散射條帶的寬度w。寬度可以被配置為散射來(lái)自與屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光的大部分或全部，同時(shí)吸收從不同的投影儀到達(dá)的光和/或環(huán)境光的大部分或全部。增加該寬度可能是不希望的或不利的，因?yàn)檫@可能允許屏幕的水平平面中的交叉反射和/或環(huán)境入射光線傳輸經(jīng)過(guò)非偏振光散射條帶。類似地，減小該寬度可能是不希望的或不利的，因?yàn)椋@可能導(dǎo)致來(lái)自與屏幕相關(guān)的投影儀的光線的吸收。

為了確定非偏振光散射條帶的定制的或最佳的寬度，可以考慮多個(gè)因素。圓柱透鏡的象差(例如球面象差和/或顏色象差)可以導(dǎo)致聚焦線(例如本文參考圖9a-9c所述的線條ef)周圍的污點(diǎn)。通過(guò)當(dāng)確定非偏振光散射條帶尺寸時(shí)考慮象差，可以降低或消除由該模糊導(dǎo)致的不利的影響。

圓柱透鏡接收在選擇的、希望的、靶向的或者定義的入射角范圍中來(lái)自投影儀的光線。該范圍采取第一近似取決于：z0、y0、|op1|以及圓柱透鏡的尺寸(例如圓柱圓柱透鏡寬度d)。該入射角范圍內(nèi)的光線在被圓柱透鏡反射以及被反射層(例如本文參考圖8所述的反射層803)反射之后將在圓柱透鏡的表面上的不同位置處射出。該擴(kuò)散對(duì)于小的入射角可能是顯著的，并且可以至少部分地受圓柱透鏡的尺寸控制。該影響連同圓柱透鏡的光學(xué)象差可以進(jìn)一步激發(fā)改變(例如增加)非偏振光漫射條帶(例如本文參考圖8所述的非偏振光散射條帶806)的橫截面。圓柱透鏡接收的入射角范圍還至少部分地取決于投影透鏡的出射瞳的尺寸。較大的出射瞳導(dǎo)致例如較大的入射角范圍。

為了進(jìn)一步定制非偏振光漫射片段的橫截面面積，通過(guò)在圓柱透鏡的水平面中使用定制的球面形狀來(lái)代替或補(bǔ)足在圓柱透鏡的水平面中的球面形狀，可以有利地降低圓柱透鏡的球面象差。

已關(guān)于作為可能的投影建立的一個(gè)實(shí)例的同軸投影系統(tǒng)描述了以上實(shí)施例。然而，可以對(duì)于離軸投影設(shè)置類似的前投影屏幕的尺寸。

圓柱微透鏡的材料的雙折射可以被配置為足夠低以保持在圓柱微透鏡中傳播的光的偏振狀態(tài)。光反射層也可以被配置為足以保持光的偏振狀態(tài)。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。

使用球面和圓柱微透鏡之間存在差異。對(duì)于球面透鏡，例如，參考圖5，用于給定距離|op1|的光漫射片段的位置至少部分地取決于y0和z0。因此，在p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍中的方向的光線聚焦在光漫射片段上并且在觀看者空間中散射。來(lái)自在p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍之外的方向的光被偏振材料吸收。對(duì)于圓柱透鏡，例如，方向之間的區(qū)分主要發(fā)生在圓柱透鏡的水平面中。因此，利用圓柱透鏡的實(shí)現(xiàn)可以在觀看者空間中從這樣一種方向散射光即該方向在圓柱透鏡的水平面中具有相對(duì)小的角度范圍以及在圓柱透鏡的垂直面中整體大角度范圍。與利用圓柱透鏡的實(shí)現(xiàn)相比，利用球面透鏡的實(shí)現(xiàn)可以更有效抑制來(lái)自除了其關(guān)聯(lián)的投影儀之外的其他源頭的光。與利用圓柱透鏡的實(shí)現(xiàn)相比，可以更有效地抑制交叉反射光線。與利用圓柱透鏡的實(shí)現(xiàn)相比，還可以更有效地抑制環(huán)境光。然而，可以更容易制造利用圓柱透鏡的實(shí)現(xiàn)。例如，至少部分地由于圓柱透鏡固定的橫截面輪廓在大片材上使用擠壓工藝制造圓柱透鏡可能是更容易的。

有利地，具有圓柱透鏡的屏幕可以用于優(yōu)選地抑制和/或增強(qiáng)來(lái)自定制的方向的光。圖10a和10b示出了具有多個(gè)屏幕的沉浸式顯示系統(tǒng)。虛線表示各個(gè)屏幕上的圓柱透鏡的軸以及箭頭表示交叉反射光的方向。例如，參考圖10a，前投影屏幕可以垂直于xy平面或者“近似”垂直于xy平面(例如，其中“近似”意味著屏幕可以圍繞水平軸具有相對(duì)小的旋轉(zhuǎn))并且輔屏幕可以關(guān)于xy平面傾斜。在該情況中，從輔屏幕到主屏幕上的交叉反射和/或從主屏幕到輔屏幕上的交叉反射具有這樣一種光線即該光線具有在水平面或者關(guān)于水平面略微傾斜的平面中的方向。在該實(shí)施例中，圓柱透鏡的軸可以被配置為垂直于xy平面(例如平行于z軸)以優(yōu)選地抑制這些交叉反射同時(shí)優(yōu)選地散射來(lái)自與特定投影屏幕關(guān)聯(lián)的投影儀的光。類似地，圖10b中示出了另一個(gè)實(shí)例，其顯示了沉浸式顯示系統(tǒng)具有兩個(gè)前投影屏幕，其平行于或“近似”平行于xy平面，例如，屏幕可以安裝到地面和/或天花板。在該實(shí)施例中，交叉反射具有這樣一種光線即該光線具有在垂直平面或者關(guān)于垂直平面略微傾斜的平面中的方向。圓柱透鏡的軸可以被配置為平行于xy屏幕以優(yōu)選地抑制交叉反射同時(shí)優(yōu)選地散射來(lái)自相關(guān)投影儀的光。

具有本文所述的投影屏幕的投影儀屏幕組合可以被配置為漫射地反射來(lái)自該投影屏幕組合的投影儀的光線。這至少部分地由于所述的前投影屏幕包括多個(gè)這樣一種多層結(jié)構(gòu)即該多層結(jié)構(gòu)具有圓柱微透鏡，其漫射地反射入射方向在水平平面中在靶向角度范圍內(nèi)以及在垂直平面中在相對(duì)大的角度范圍內(nèi)光線。水平平面中的靶向角度范圍和垂直平面中的相對(duì)大的角度范圍可以包括來(lái)自該投影屏幕組合的投影儀的大部分或者實(shí)質(zhì)上全部光線方向。

沉浸式顯示系統(tǒng)(本文參考圖2a-2b更詳細(xì)描述了其實(shí)例)中的交叉反射光線可以在每個(gè)球面透鏡處以這樣一種入射角擊中屏幕即該入射角在被漫射地反射的范圍之外，并且這些交叉反射光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其它類型前向投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

環(huán)境光也可以以在被漫射地反射的范圍之外的入射方向擊中每個(gè)圓柱透鏡，并且這些光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其它類型前向投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

具有圓柱微鏡的示例性屏幕

圖11示出了前投影屏幕1100的橫截面視圖和前視圖，其具有圓柱微鏡1103以利用實(shí)質(zhì)上與x軸重合的光軸建立投影。前投影屏幕1100具有多層結(jié)構(gòu)，其包括圓柱微鏡片材1103，其具有位于圓柱微鏡片材1103上面的偏振旋轉(zhuǎn)層1104，緊接著光偏振材料層1102。單獨(dú)的圓柱微鏡1103具有半徑r和寬度d。光偏振材料層1102對(duì)于每個(gè)圓柱微鏡具有寬度為w的非偏振光散射材料條帶1106。該非偏振光散射材料條帶1106的位置至少部分地取決于圓柱微鏡1101在陣列中的位置。此外，該非偏振光散射材料條帶1106的位置至少部分地取決于如本文描述的投影儀的建立。在具有圓柱微鏡的示例性實(shí)施例和本文所述的具有圓柱微透鏡的示例性實(shí)施例之間存在大量相似。

為了說(shuō)明屏幕1100的功能，現(xiàn)在再次參考圖5。圖5示出了具有入射光線r1和原點(diǎn)o的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xyz。點(diǎn)p1是投影儀的投影透鏡的出射瞳的中心，且投影透鏡的光軸與x軸重合。點(diǎn)p2具有坐標(biāo)(0,y0,z0)并且對(duì)應(yīng)于微透鏡的曲率的中心。光線r1從p1處傳播到p2處的微透鏡的曲率的中心。為了方便起見(jiàn)，光線r1可以表示為向量p1p2。

從投影透鏡的出射瞳的中心出現(xiàn)的入射光線在投影屏幕上的方向的特征可以在于對(duì)于屏幕上的每個(gè)位置的角度α和β，其中，α是xy平面中距x軸的角度以及β是距xy平面的角度?？梢岳缡褂猛队皟x的出射瞳位置、投影儀相對(duì)于投影屏幕的方向、以及投影屏幕的尺寸來(lái)確定這些角度。投影屏幕可以分割成具有與z軸平行的軸和寬度d的圓柱微鏡(例如本文參考圖11描述了其實(shí)例)。

屏幕(例如前投影屏幕、主投影屏幕、輔投影屏幕等等)的圓柱微鏡可以接收以在α0(y0,z0)周圍相對(duì)小的角度范圍δα來(lái)自其投影儀的光線，并且單獨(dú)的圓柱微鏡可以被配置為具有寬度為w的非偏振光散射材料垂直條帶，其定位在來(lái)自投影儀的反射光線所導(dǎo)向的地方。來(lái)自x’y’平面中的其他方向的光可能不會(huì)到達(dá)非偏振光散射材料條帶并且因此可以被屏幕吸收。因此，來(lái)自投影儀的光可以被散射，從而被就坐在相對(duì)屏幕的多種位置中的觀看者觀看到，然而環(huán)境光和/或來(lái)自不同投影儀的光可以被屏幕吸收。如本文所描述的，在α0(y0,z0)周圍相對(duì)小的角度范圍δα中方向?yàn)楱Cπ<β<π的光線也可能在反射之后到達(dá)非偏振光散射材料條帶，并且可以被散射到觀看者或者到觀看者可能位于的位置(例如觀看者空間)。

圖12示出了圓柱透鏡和會(huì)聚射線的位置基于入射角(1)α＝0、β＝0，(2)α>0、β＝0，和(3)α<0、β＝0的實(shí)例的圖。平行光線束可以聚焦在聚焦平面fp中的線段上，該線段在圖12中由點(diǎn)a表示。對(duì)于以入射角α>0、β＝0和/或α<0、β＝0從投影儀出現(xiàn)的光線，光散射條帶(例如本文參考圖11所述的光散射條帶1106)可以定位在光線會(huì)聚的位置(例如點(diǎn)a)。要理解–π<β<π的光線也可以會(huì)聚到光散射條帶并且可以在觀看者的方向中散射。

非偏振光散射條帶的寬度w至少部分地取決于多個(gè)因素。例如，為了增加或最大化對(duì)比度維持，可以定制或優(yōu)化非偏振光散射條帶的寬度w。寬度可以被配置為散射來(lái)自與屏幕相關(guān)聯(lián)的投影儀的光的大部分或全部，同時(shí)吸收從不同的投影儀到達(dá)的光和/或環(huán)境光的大部分或全部。增加該寬度可能是不希望的或不利的，因?yàn)檫@可能允許屏幕的水平平面中的交叉反射和/或環(huán)境入射光線傳輸經(jīng)過(guò)非偏振光散射條帶。類似地，減小該寬度可能是不希望的或不利的，因?yàn)?，這可能導(dǎo)致來(lái)自與屏幕相關(guān)的投影儀的光線的吸收。

為了確定非偏振光散射條帶的定制的或最佳的寬度，可以考慮多個(gè)因素。圓柱透鏡的象差(例如球面象差和/或顏色象差)可以導(dǎo)致聚焦線(例如本文參考圖12所述的由點(diǎn)a表示的線)周圍的污點(diǎn)。通過(guò)當(dāng)確定非偏振光散射條帶尺寸時(shí)考慮象差，可以降低或消除由該模糊導(dǎo)致的不利的影響。

圓柱微鏡接收在選擇的、希望的、靶向的或者定義的入射角范圍中來(lái)自投影儀的光線。該范圍采取第一近似取決于：z0、y0、|op1|以及微鏡的尺寸(例如圓柱圓柱微鏡寬度d)。該入射角范圍內(nèi)的光線在被微鏡(例如本文參考圖11所述的微鏡1103)反射之后將在屏幕的表面上的不同位置處射出。該擴(kuò)散對(duì)于小的入射角可能是顯著的，并且可以至少部分地受圓柱鏡的尺寸控制。該影響連同圓柱鏡的光學(xué)象差可以進(jìn)一步激發(fā)改變(例如增加)非偏振光漫射條帶(例如本文參考圖11所述的非偏振光散射條帶1106)的橫截面。圓柱鏡接收的入射角范圍還至少部分地取決于投影透鏡的出射瞳的尺寸。較大的出射瞳導(dǎo)致例如較大的入射角范圍。

為了進(jìn)一步定制非偏振光漫射片段的橫截面面積，通過(guò)在圓柱鏡的水平面中使用定制的球面形狀來(lái)代替或補(bǔ)足在圓柱鏡的水平面中的球面形狀，可以有利地降低圓柱鏡的球面象差。

已關(guān)于作為可能的投影建立的一個(gè)實(shí)例的同軸投影系統(tǒng)描述了以上實(shí)施例。然而，可以對(duì)于離軸投影設(shè)置類似的前投影屏幕的尺寸。

光反射層也可以被配置為足以保持光的偏振狀態(tài)。用于非偏振光散射的材料可以是例如但不限于前向散射型。

使用球面和圓柱微鏡之間存在差異。對(duì)于球面鏡，例如，參考圖5，用于給定距離|op1|的光漫射片段的位置至少部分地取決于y0和z0。因此，在p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍中的方向的光線聚焦在光漫射片段上并且在觀看者空間中散射。來(lái)自在p1p2的方向周圍的相對(duì)小范圍之外的方向的光被偏振材料吸收。對(duì)于圓柱鏡，例如，方向之間的區(qū)分主要發(fā)生在圓柱鏡的水平面中。因此，利用圓柱鏡的實(shí)現(xiàn)可以在觀看者空間中從這樣一種方向散射光即該方向在圓柱鏡的水平面中具有相對(duì)小的角度范圍以及在圓柱鏡的垂直面中整體大角度范圍。與利用圓柱鏡的實(shí)現(xiàn)相比，利用球面鏡的實(shí)現(xiàn)可以更有效抑制來(lái)自除了其關(guān)聯(lián)的投影儀之外的其他源頭的光。與利用圓柱鏡的實(shí)現(xiàn)相比，可以更有效地抑制交叉反射光線。與利用圓柱鏡的實(shí)現(xiàn)相比，還可以更有效地抑制環(huán)境光。然而，可以更容易制造利用圓柱鏡的實(shí)現(xiàn)。例如，至少部分地由于圓柱鏡固定的橫截面輪廓在大片材上使用擠壓工藝制造圓柱鏡可能是更容易的。

具有圓柱鏡的屏幕可以有利地用于優(yōu)選地抑制和/或增強(qiáng)來(lái)自定制的方向的光。類似于本文參考圖10a和10b所述的圓柱透鏡，圓柱鏡提供優(yōu)選地反射和/或吸收來(lái)自定制方向的光的功能。將圖10a和10b中的說(shuō)明應(yīng)用于圓柱鏡，虛線表示各個(gè)屏幕上的圓柱鏡的軸以及箭頭表示交叉反射光的方向。例如，參考圖10a，前投影屏幕可以垂直于xy平面或者“近似”垂直于xy平面(例如，其中“近似”意味著屏幕可以圍繞水平軸具有相對(duì)小的旋轉(zhuǎn))并且輔屏幕可以關(guān)于xy平面傾斜。在該情況中，從輔屏幕到主屏幕上的交叉反射和/或從主屏幕到輔屏幕上的交叉反射具有這樣一種光線即該光線具有在水平面或者關(guān)于水平面略傾斜的平面中的方向。在該實(shí)施例中，圓柱鏡的軸可以被配置為垂直于xy平面(例如平行于z軸)以優(yōu)選地抑制這些交叉反射同時(shí)優(yōu)選地散射來(lái)自與特定投影屏幕關(guān)聯(lián)的投影儀的光。類似地，圖10b中示出了另一個(gè)實(shí)例，其顯示了沉浸式顯示系統(tǒng)具有兩個(gè)前投影屏幕，其平行于或“近似”平行于xy平面，例如，屏幕可以安裝到地面和/或天花板。在該實(shí)施例中，交叉反射具有這樣一種光線即該光線具有在垂直平面或者關(guān)于垂直平面略傾斜的平面中的方向。圓柱鏡的軸可以被配置為平行于xy屏幕以優(yōu)選地抑制交叉反射同時(shí)優(yōu)選地散射來(lái)自相關(guān)投影儀的光。

與本文所述的投影屏幕的投影儀屏幕組合可以被配置為漫射地反射來(lái)自該投影屏幕組合的投影儀的光線。這至少部分地由于所述的前投影屏幕包括多個(gè)這樣一種多層結(jié)構(gòu)即該多層結(jié)構(gòu)具有圓柱透鏡，其漫射地反射入射方向在水平平面中在靶向角度范圍內(nèi)以及在垂直平面中在相對(duì)大的角度范圍內(nèi)光線。水平平面中的靶向角度范圍和垂直平面中相對(duì)大的角度范圍可以包括來(lái)自該投影屏幕組合的投影儀的大部分或者實(shí)質(zhì)上全部光線方向。

沉浸式顯示系統(tǒng)(本文參考圖2a-2b更詳細(xì)描述了其實(shí)例)中的交叉反射光線可以在每個(gè)圓柱鏡處以這樣一種入射方向擊中屏幕即該入射方向在被漫射地反射的范圍之外，并且這些交叉反射光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其它類型前向投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

環(huán)境光也可以以在被漫射地反射的范圍之外的入射方向擊中每個(gè)圓柱鏡，并且這些光線可以被屏幕吸收。因此，所述光學(xué)系統(tǒng)可以被配置為實(shí)質(zhì)上降低朝向觀看者的交叉反射并且與其它類型前向投影屏幕相比具有實(shí)質(zhì)上更高的對(duì)比度。

沉浸式顯示系統(tǒng)中具有用于改善聲音的穿孔的示例性屏幕

沉浸式顯示系統(tǒng)中的聲音在一些實(shí)現(xiàn)中可能跟可視信息一樣重要。在沉浸式系統(tǒng)中存在聲學(xué)挑戰(zhàn)。例如，如果觀看表面是聲學(xué)反射的，則聲音可能在沉浸式環(huán)境中導(dǎo)致回聲和回響。降低該問(wèn)題的一種方法是使用穿孔的顯示屏幕。通過(guò)允許聲音射出沉浸式環(huán)境并且通過(guò)允許來(lái)自顯示屏幕后面的揚(yáng)聲器的聲音進(jìn)入沉浸式環(huán)境，穿孔的顯示屏幕可以降低該問(wèn)題。

在一些實(shí)施例中，聲音系統(tǒng)可以安裝在主投影屏幕和/或輔屏幕后面。為了降低聲波的高頻衰減，可以使用穿孔(例如圓形孔洞)陣列。屏幕中的穿孔可以例如布局為使得孔洞的中心在交叉或直線孔洞配置中近似等距離。每個(gè)單位面積的等距離圓形孔洞的數(shù)量、孔洞直徑和屏幕厚度是至少部分地確定在大于大約1khz的頻率上的傳輸損失的參數(shù)。

對(duì)于具有微透鏡和/或微鏡結(jié)構(gòu)的屏幕，穿孔(或孔洞)陣列可以定位在微透鏡或者微鏡之間的過(guò)渡帶。穿孔的這些位置可以提供改善的性能，因?yàn)樵趶囊粋€(gè)微透鏡(或微鏡)到另一個(gè)微透鏡(或微鏡)的這些過(guò)渡帶處，微透鏡(或微鏡)的形狀被畸變。該畸變至少部分地是由制造工藝(鑄?；驍D壓)和模具自身的限制導(dǎo)致的。在這些區(qū)域中，光學(xué)性能可能惡化并且該孔洞不會(huì)強(qiáng)烈影響屏幕的光學(xué)性能。穿孔的形狀可以是例如但不限于圓形、橢圓形或多邊形。圖13a和13b示出了屏幕的實(shí)例，該屏幕在圓柱微透鏡或微鏡之間的轉(zhuǎn)角處具有直線等距離的穿孔(圖13a)以及在圓柱微透鏡或微鏡之間的轉(zhuǎn)角和邊緣處具有穿孔(圖13b)。

圖14a示出了在圓柱微透鏡或微鏡的邊緣處具有直線等距離圓形穿孔的設(shè)置。圖14b示出了在圓柱微透鏡或微鏡的邊緣處具有交錯(cuò)穿孔的設(shè)置。

結(jié)論

本文上述的各種特征可以彼此獨(dú)立地使用或者可以按多種方式組合。全部可能的組合和子組合意圖落入本公開(kāi)的范圍中。本文所述這些系統(tǒng)和組件的配置可以與描述的不同。例如，與所述的示例性實(shí)施例相比，可以增加，去除或重組元件。

本文使用的條件語(yǔ)言如尤其是“可以”、“可”、“可能”、“也許”等等不是整體意圖暗示對(duì)于一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例需要該特征、元件和/或步驟或者一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例必須包括用于在需要或不需要作者輸入或者提示的情況下決定這些特征、元件和/或步驟包括在或執(zhí)行在任意具體實(shí)施例中的邏輯。術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”等等是同義并且以開(kāi)放式包含的方式使用的，并且不排除附加的元件、特征、動(dòng)作、操作等等。并且，術(shù)語(yǔ)“或”是以包含的方式(并且不是排他的方式)來(lái)使用的，從而當(dāng)例如用于連接一系列元件時(shí)，術(shù)語(yǔ)“或”意味著該列表中的一個(gè)、一些或全部元件。連接語(yǔ)言如短語(yǔ)“x、y和z中的至少一個(gè)”在上下文中整體地理解以傳達(dá)該條款、術(shù)語(yǔ)等等可以是x、y和z中的任意一個(gè)，除非具體另外聲明不是這樣。因此，該連接語(yǔ)言不是整體意圖暗示特定實(shí)施例需要至少一個(gè)x、至少一個(gè)y和至少一個(gè)z中的每一個(gè)都出現(xiàn)。術(shù)語(yǔ)“大約”或“近似”等等是同義的并且用于指示該術(shù)語(yǔ)修飾的值具有與之關(guān)聯(lián)的理解范圍，其中該范圍可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上”用于指示結(jié)果(例如測(cè)量值)接近目標(biāo)值，其中，接近可以意味著例如該結(jié)果在該值的80％內(nèi)、該值的90％內(nèi)、該值的95％內(nèi)或該值的99％內(nèi)。

雖然已經(jīng)描述了特定示例性實(shí)施例，但是這些實(shí)施例僅僅以實(shí)例的方式給出并不意圖限制本文公開(kāi)的發(fā)明的范圍。因此，前文的描述絕不是意圖暗示任意具體特征和特性是必要的或必不可少的。事實(shí)上，本文描述的新穎的方法和系統(tǒng)可以用多種其他形式來(lái)體現(xiàn)；此外，在不脫離本文公開(kāi)的發(fā)明的精神的前提下，可以做出本文所述的方法和系統(tǒng)的形式的各種省略、替換和改變。