CN1875320A - 背投屏幕和使用该屏幕的背投系统 - Google Patents

Abstract

公开了背投屏幕(20)和使用该屏幕的背投视频系统。屏幕(20)的背面(20a)具有结构化表面，该表面包括具有透明平面和/或曲面小平面(10－13b)的多个光重定向元件；各个元件包括用于透射入射光(19)的小平面(10)、用于对透射光进行内反射的小平面(12)、位于所述小平面(10、12)之间并与它们邻接的至少一个小平面(11)以及用于将所述小平面与相邻元件的小平面分离的另一部分(13a、13b、52)。在第一和中间、中间和第二小平面(10& 11、11& 12)之间的接合处的内角为至少90°并且不大于180°。屏幕(20)的正面(20b)可以包括黑条(15、53)和柱面透镜(14、40a、59)，以增强屏幕的对比度。由此提高了在制造用于屏幕(20)的工具时的容差以及在系统组装过程中对于微小的组件未对准的容差，从而改善了屏幕微观结构的鲁棒性。

Description

背投屏幕和使用该屏幕的背投系统

技术领域

本发明涉及一种用于诸如背投电视系统的背投显示器的背投屏幕。

背景技术

传统的背投系统包括图像引擎源(engine source)、放大并引导图像光的光学系统(optics)、以及用于朝向观察空间散射图像的透射屏。

传统上，通过一组反射镜来减小背投系统的深度尺寸，该组反射镜以紧凑的方式设计并限定，以在相对小的机柜(cabinet)内产生相对大的连续图像。已公开的多种结构有效地利用了背投机柜内的一些空间。US 3,947,104公开了一种紧凑式成像设备，其使用一系列双折返反射镜来向上投影图像。US 6,388,810公开了一种背投反射镜结构，其包括曲面形状的反射镜以实现紧凑的机柜。

多年来，为了获得较薄的光学设备，已使用了结合有棱镜结构的膜。US 4,984,144公开了一种采用包括线性棱镜的膜的照明板，该线性棱镜的截面为等腰三角形并且内顶角在59°至79°的范围内，该膜用于将从近掠射角入射到其上的光重定向到与出射面大致垂直的方向。

最近，菲涅耳透镜(Fresnel lens)常被用作显示屏系统的一部分，用于会聚光并提高总体显示亮度的均匀性。然而，由于使用菲涅耳透镜而容易产生的莫尔图和幻像使得所观察的图像的亮度(intensity)降低：如在US 6,249,376中所述，这些假象代表了严重的限制。

US-Al-2003/0058532、US-B2-6,726,859和EP-Al-1,324,113公开了具有结构化表面的菲涅耳透镜，其包括混合棱镜元件，该混合棱镜元件包括折射棱镜单元和全内反射棱镜单元。图1表示了这种现有技术的一种结构。组合反射/折射元件的折射和全内反射部分的宽度比根据横穿该膜的入射角的变化而逐渐改变：这种结构显然制造起来复杂。另外，由于进入组合折射/反射元件的光的局部大致偏离法线的入射角，使得显示器的亮度均匀性的任何增加都以光效率为代价。图1所示的结构不允许将光源设置为相对于屏幕的相对平坦的宏观表面的法线产生光的大入射角。这是因为大入射角将意味着该结构的某些部分将由于它们处于由微观结构的其它部分导致的阴影中而不能被照明。这妨碍了实现非常薄外形的TV系统。

US-B1-6,597,417和US-A1-2002/0186465公开了另一种现有技术的结构，图2是它的一个示例。该附图表示了下述的设计，该设计通过全内反射对以斜角入射的光进行重定向，其目的在于提高光效率和对比度。然而，这种结构需要相对小的棱镜顶角，这意味着在制造和对准时需要更严格的容差。

在US-B2-6,608,961中公开了一种类似的棱镜结构。其它现有技术包括用于US-A-4,512,631中所述的类似目的的各种间距(pitch)和高度的棱镜结构。然而，其中描述的应用是用于垂直于屏幕入射的光。

希望提供一种背投屏幕，尤其是用于薄电视应用的背投屏幕，其可以实现高透射效率、高对比度、提高的鲁棒性、易于制造和/或提高的光学对准容差。

本发明旨在通过提供一种用作背投屏幕的改进光学面板来实现上述和其它目的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种包括光学膜的光学面板，用于对入射到该光学膜的背面上的光进行重定向，该光学膜包括：正面；以及背面，其上设置有多个大致周期性的偏光元件，各个相应元件都包括：透明的第一小平面(facet)，用于透射入射到其上的光；内反射的第二小平面，用于在所述元件内实现对所述透射光的内反射；至少一个中间小平面，其分别设置在所述第一小平面和所述第二小平面之间并在第一和第二接合处与所述第一小平面和所述第二小平面邻接；以及设置在所述元件的所述第二小平面与相邻元件的第一小平面之间的另一部分，其中，所述元件内的分别位于所述第一接合处和所述第二接合处的第一和第二全内角为至少90度且不大于180度。

背投机柜的深度会受到入射到屏幕的背面上的光的入射角很大影响。为了减小背投机柜的深度，可以将图像光引擎设置在屏幕侧并靠近屏幕，以使得入射角可以增大到45°以上。在本发明的一些实施例中，可以使入射光线与屏幕背面的(宏观上的)相对平坦表面近似平行。

有利地，所述背投屏幕可以实现高透射效率，同时对于倾斜入射光束在整个屏幕上可选择地提供高对比度。屏幕的背面包括棱镜结构，该棱镜结构可以在整个屏幕上重复的棱镜单元中结合一个或更多个曲面小平面。如果采用双凸透镜状棱镜，则双凸透镜状棱镜的一个或更多个曲面小平面用作使光聚焦的聚光器，以提高所显示图像的对比度。

该屏幕的正面可以包括双凸透镜元件的阵列，其与用于吸收环境光的黑条组合。另选地或另外地，该屏幕的背面可以包括多个黑条。在任一情况下，黑条被设置为不与穿过屏幕的光所采用的一条或更多条路径干涉。在操作中，从图像引擎接收的图像光通过棱镜的一个小平面透射，并通过该棱镜的一个或更多个小平面进行内反射(其优选地为全内反射(TIR))，以将光朝向观察空间重定向和散射。尽管为了光效率而优选地通过TIR来实现透射光的内反射，但是也可以另选地采用镜面反射。

所述背投屏幕可以通过图像引擎源进行照明，光以至少45度的入射角入射到该屏幕上。该屏幕的微观结构使得其便于制造批量生产所需的工具(tooling)，并且能够适应在TV系统组装过程中屏幕的微小不对准。

所述中间小平面优选地仅包括一个小平面，但也可以另选地包括设置在所述第一和第二小平面之间的两个或更多个小平面或者部分。所述至少一个中间小平面可以设置为在使用时与入射到所述第一小平面上的光的方向大致平行。另选地，在使用时，所述至少一个中间小平面可以与处于下述范围内的任何方向大致平行，即，在入射到所述第一小平面上的光的方向与由所述第一小平面的最靠近与所述中间小平面的第一接合处的区域透射的光的方向之间的范围内。

优选地，所述元件的所述另一部分不具有透射或反射光学功能，尽管其可以被设置为根据具体应用的要求而执行这样的一种或多种功能。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学面板，用于显示入射到该光学面板上的投影光，该光学面板包括正面和背面，在该背面上设置有多个大致周期性的偏光元件，各个相应的元件包括：透明的第一小平面，用于透射入射到其上的光；内反射的第二小平面，用于在所述元件内实现透射光的内反射，该第二小平面与所述第一小平面邻接；以及设置在所述元件的所述第二小平面与相邻元件的第一小平面之间的另一部分，其中，所述元件的第一和第二小平面中的至少一个是凸曲面，使得协同工作的第一和第二小平面的功能包括使透射和反射光在由所述面板的正面限定的平面处或附近聚焦。

所述屏幕的正面可以包括双凸透镜元件的阵列，它们与用于吸收环境光的黑条组合。另选地或另外地，所述屏幕的背面可以包括多个黑条。在任一情况下，黑条被设置为不与穿过屏幕的光所采用的一条或更多条路径干涉。

根据本发明的另一方面，提供了一种背投视频系统，其包括：本发明任一实施例的光学面板；以及背投器，其被设置用来将视频图像投影到该光学面板的背面上，以向该光学面板的正面的下游提供可视图像。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于光学面板的光学膜，该光学膜是根据本发明任一实施例的光学膜。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学面板，例如用于背投视频系统，该面板包括透明体，该透明体具有下述的背面，该背面的特征在于具有多个肋和槽，每一个所述肋都包括位于该肋的一侧的透明面和位于该肋的相对侧的内反射面，以使得例如来自投影系统的相对于该面板倾斜引导以朝向邻接的内反射面通过所述透明面的光将由该邻接的内反射面反射，以朝向所述面板的正面通过所述透明体。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学面板，用于显示由设置在该光学面板后面的主要源形成的投影光，其中所述光学面板包括：背面，其具有(透明的)大致周期性的结构，该结构包括一系列的面或部分的组；各个所述组包括：用于透射所述光的透明的第一部分或面，(与所述第一部分邻接并基本平行于所述光的透明的第二部分或面，)以及用于实现对所述透射光的全内反射的(透明的)第三部分或面(与所述第二部分邻接)，(所述第二部分位于所述第一部分和所述第三部分之间，并且第四部分使所述第三部分与相邻的所述第一部分邻接)。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学面板，用于显示由设置在该光学面板后面的主要源形成的投影光，所述光学面板包括：背面，其具有透明的大致周期性的结构，该结构由一组透明的小平面构成；用于透射所述光的透明的第一部分；以及与所述第一部分邻接的用于实现对所述透射光的全内反射的透明的第二部分(位于所述第一部分和所述第二部分之间)，以及使所述第二部分与相邻的所述第一部分邻接的第三部分。

优选地，所述第一部分是聚焦元件。有利地，所述第一部分是包括至少一个曲面小平面的聚焦元件。优选地，所述第一部分是包括多个小平面的聚焦元件。另选地，所述第一部分是平面小平面。

优选地，所述第二部分的长度控制所述光学面板的厚度。另选地，所述第一部分的聚焦能力控制所述光学面板的厚度。

有利地，所述第三部分是折返和聚焦元件。有利地，所述第三部分是包括至少一个曲面元件的折返和聚焦元件。优选地，所述第三部分是包括多个小平面的折返和聚焦元件。另选地，所述第三部分是折返平面小平面。

有利地，对所述第三部分进行涂覆以增强全内反射效果。

优选地，所述第四部分是单个或多个透明小平面。另选地，所述第四部分是单个或多个吸收小平面。

有利地，所述光学面板包括与所述背面相对的正面，所述正面包括：用于吸收光的多个黑挡板(barrier)；以及位于所述黑挡板之间的用于透射由所述第三部分反射的重定向光的透明间隔。

优选地，所述光学面板包括位于所述周期性的结构之间的一个或更多个附加元件，以实现非周期性的结构。

优选地，所述第一部分是平面小平面，而所述第二部分是聚焦元件。

优选地，所述第一部分的聚焦能力控制所述光学面板的厚度。

有利地，所述第二部分是折返和聚焦元件。优选地，所述第二部分是包括至少一个曲面元件的折返和聚焦元件。另选地，所述第二部分是包括多个小平面的折返和聚焦元件。另选地，所述第二部分是折返平面小平面。

优选地，对所述第二部分进行涂覆，以增强全内反射效果。

有利地，所述第三部分是单个或多个透明小平面。另选地，所述第三部分是单个或多个吸收小平面。

有利地，所述光学面板包括与所述背面相对的正面，所述正面包括：用于吸收光的多个黑挡板；以及位于所述黑挡板之间的用于透射由所述第二部分反射的重定向光的透明间隔。优选地，所述黑挡板包括涂料。优选地，所述黑挡板包括黑涂层。

优选地，所述透明间隔包括柱面透镜的阵列。优选地，所述柱面透镜被设置用来增大水平视角。

根据本发明的另一方面，提供了一种背投视频系统，其结合有根据本发明的光学面板。优选地，该背投视频系统还包括至少一个光产生系统。有利地，所述光产生系统包括：单个光源或多个光源；以及用于减少图像的梯形失真的数字处理单元。另选地，所述光产生系统包括：单个光源或多个光源；以及用于减少图像的梯形失真的变形光学元件。另选地，所述光产生系统包括：单个光源或多个光源；以及用于减少图像的梯形失真的一个或更多个混合光学/数字元件。

有利地，所述光产生系统包括用于产生光的光源，以及用于对所述光进行调制以形成图像的调制器。优选地，所述光源包括从以下组中选择的源，该组包括：液晶显示器(LCD)、数字微镜装置(DMD)、激光光栅扫描仪、微机电系统(MEMS)、阴极射线管(CRT)、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或光栅光阀(GLV)。

优选地，所述光产生系统包括用于水平和垂直地分布光的图像光学系统。有利地，所述图像光学系统包括聚焦透镜和反射镜。另选地，所述图像光学系统包括扩展光学系统。

有利地，存在多种用于提供光的光产生系统，优选地多达并包括四种系统。

优选地，所述背投视频系统包括立方体壳体，该立方体壳体密封所述光产生系统、相关的成像光学系统、相关的电子元件、以及作为用于显示图像的正面的所述光学面板。有利地，所述光学面板的第一部分是平面小平面，并基本垂直于入射光线。

在说明书和所附从属权利要求中给出了其它优选特征。

附图说明

可以按照多种方式来实施本发明，下面将参照附图仅以非限制性示例的方式描述一些实施例，附图中：

图1表示用于混合菲涅耳透镜屏幕的棱镜结构的现有技术结构；

图2表示棱镜结构的现有技术结构，在该结构上具有黑色材料，以增加对比度，并具有用于提高光效率的凹口；

图3是表示根据本发明的背投系统的示意图；

图4是通过图3所示系统的光学面板或屏幕的放大比例的剖视图；

图5是与图4相对应的视图，但表示了通过全内反射对光束进行重定向；

图6是包括柱面透镜元件的背投屏幕的实施例的放大剖视图。该图表示了根据该实施例的对图像光束的重定向和聚焦效果；

图7是表示屏幕的水平和垂直视角的示意图；

图8是屏幕的实施例的剖视图，表示使用散射体而不是柱面透镜元件对图像光束进行重定向和散射；

图9A表示通过现有技术的结构透射给观察者的幻像光的存在；

图9B表示可以吸收幻像光以使其不会呈现给观察者的本发明的实施例；

图10是类似于图5的视图，但表示了在屏幕的背面结合有用于增强对比度的黑条的实施例；

图11表示根据另一实施例的光学面板，其组合双凸透镜片以构成整个屏幕；

图12表示类似于图6的另一实施例，其表示通过全内反射对图像光束进行聚焦和重定向；

图13表示类似于图6的另一实施例，其表示通过全内反射对图像光束进行聚焦和重定向；

图14表示类似于图8的另一实施例，其表示使用散射体对图像光束进行重定向和散射，但在背面上具有不同的结构；以及

图15表示类似于图6的另一实施例，其表示通过全内反射对图像光束进行聚焦和重定向。

具体实施方式

参照图3，其示出了表示根据本发明的示例性实施例的背投视频系统中的光学面板20的示意图。

该系统可以容纳在具有光学面板20的薄且紧凑的机柜中：该容纳(housing)将包括所有的工作组件。在图3所示的实施例中，与投影仪18组合地设置光学面板20，该投影仪被适当地设计为将视频图像3投影到光学面板上以供面对着该光学面板的观察者30直接观看。

该系统允许针对任何期望的应用(从适于由体育场的人群观看的大屏幕到适于便携式显示器的小屏幕(例如，移动电话上的便携式显示器))缩放面板20的尺寸。

在所示结构中，投影仪18包括光源18c、光调制器18b和成像光学系统18a，该成像光学系统18a将来自光源18c的经调制器18b进行了调制的光引导到光学面板20的背面20a上。所述的投影仪18可以包括能够投影图像3的任何传统形式。图像光19可以具有准直或发散特性，然而在光学面板20的背面20a上的小平面的曲率优选地至少对入射到其上的任何发散光束进行准直或聚焦。

光源18c可以是灯泡、幻灯机、视频投影仪或激光器。在一些实施例中，在投影仪18中可以包括光调制器18b：其可以对图像光19进行调制以形成图像3。存在多种类型的可以包含在最终薄背投电视机的不同实施例中的调制器18b。例如，各个实施例可以涵盖但不限于以下中的任何一种或组合：传统的液晶显示器(LCD)、数字微镜装置(DMD)、激光光栅扫描仪、微机电系统(MEMS)技术系统、阴极射线管(CRT)、或者单个发光二极管(LED)或其阵列、有机发光二极管(OLED)或光栅光阀(GLV)。

投影仪18用作下述的装置，该装置用于产生被倾斜地引导到光学面板20的背面20a上的图像3。该投影仪18还可以包括适当的成像光学系统18a，用于将图像光19水平和垂直地分布在光学面板的背面20a上以通过其透射。可以包括折返反射镜和透镜的成像光学系统18a在光学面板的背面20a与光调制器18b之间光学对准。该光学系统可以包括用于减少图像的梯形失真的数字信号处理单元、或者用于减少图像的梯形失真的变形光学元件、或者用于减少图像的梯形失真的一个或更多个混合光学/数字元件。

图4和图5表示图3中所示的光学面板20的放大部分5。

光学面板20可以包括整体(unitary)面板，该整体面板的背面设置有多个平行肋和槽，其纵向长度沿大致垂直于从图像投影装置传播到该面板的背面的光线19的方向延伸。限定了一系列偏光元件的这些肋和槽在其整个长度上优选地(但根据应用，不是必须的)具有恒定的截面。

在该实施例中，在相对大的尺度上(宏观地)，光学面板20的背面20a可以视为大致平面的；然而，在相对小的尺度上(微观地)，该背面具有波形或基本上周期性变化的轮廓。光学面板20的包括肋和槽的该层被称为光学膜。当然，尽管优选的是该光学膜与面板20的其余部分集成为一体，但是其也可以另择地单独制造和提供，然后固定或接合在面板上。

具体地，图4和图5的实施例中所示的光学膜的各个相应元件包括从小平面10的最后极限位置延伸的小平面或部分11，其在光学上不起作用并大致垂直于小平面10延伸，因而与光线19平行。小平面11延伸到内反射小平面或部分12，该内反射小平面或部分12从小平面11朝向面板20的正面倾斜并终止于槽的底部。该槽的相对壁由光学上不起作用的小平面或部分13a形成，该小平面或部分13a向后延伸至另一小平面或部分13b。小平面13b与面板20的正面大致平行地延伸至下一/相邻肋/槽元件的边缘，另一小平面10从该边缘开始。

光线19通过元件的小平面10传播到面板20中，并在小平面12处在元件中内部地反射。然后，光线19大致垂直于面板的主长度平面(即，由宏观的正面和背面限定的平面)传播，并通过正面射出以供面板下游的观察者观看。

可以根据应用将形成光学面板20的材料适当地选择为透明的。图像光19的光线沿着大致垂直于小平面10的方向入射，这减小了出现幻像光的范围。

在该优选实施例中，图4和图5中的大致平面的透明小平面10具有曲面形状。小平面10的曲率控制了平板显示器的垂直视角，如图7所示，并沿垂直方向对透射光19进行会聚或聚焦。这使得能够在光学面板20的正面上设置黑条15以提供优异的对比度。在黑条15(其存在是优选的但不是必须的)之间透射所反射的图像光19a的同时，黑条15吸收环境光。黑条15在光学面板20的正面上的位置以及在屏幕前部的可以覆盖吸收材料的区域的大部分使得能够更大地提高可以由该屏幕实现的对比度。具体地，通过前部的吸收材料对环境光进行吸收，防止了环境光在显示系统中的折射或发射，这提高了屏幕的关闭状态(即，黑暗状态)的暗度，从而导致在屏幕上显示图像时的更大对比度。很好地限定了用于(全)内反射和朝向观察者重定向的屏幕的有效区域，并且在来自光源的光的入射角方面有较大的容差，从而防止产生并通过该系统透射幻像。

在该微观结构中，在小平面10与11、小平面11与12之间的物理接合处之间的全内角通过在此由该微观结构执行的几何函数限定为不小于90°且不大于180°。

本领域技术人员将理解，在第一小平面10为凸曲面以用作聚焦元件的情况下，第二小平面11的方向并不限于与入射在第一小平面10上的光的方向平行，而是可以采用与入射到小平面10上的光和由小平面10的最靠近小平面11的部分透射的光之间的方向平行的任何方向。

图4中描述的本发明的实施例提供了多个优点。图2表示一种现有技术的设计，其通过全内反射对以倾斜角入射的光进行重定向。然而，这种结构需要相对小的棱镜顶角，这意味着在显示系统组装过程中在膜制造和光学对准方面要求更严格的容差。包括小棱镜顶角的结构不能很好地耐受在标准工具(master tool)(通过该标准工具来制造光学膜)的切削过程中对切削单元(cutting element)产生的磨损，因为切入到该标准工具中的结构的形状对于对切削单元产生的磨损相对敏感。在US5,919,551中给出了对工具制造的背景论述。从该标准工具切除材料导致对切削单元的磨损，使得难以对整个标准工具实现结构的一致性。例如，棱镜单元元件结构可以是100μm宽，而该标准工具可以是1m宽，这意味着需要切除10,000量级的这种微观结构，同时保持微观结构形状的一致性；例如，对于微观结构尺寸，微观结构的内角和微观结构小平面之间的接合处的锐度。在图4所示的实施例中，在“光学操作/功能”小平面(即，小平面10和12)与位于它们之间并和它们邻接的小平面之间的相应内角处于从90°到180°的范围内。这样，在制造过程中，光学膜结构可以受益于对标准工具的切削单元的相对较大的磨损容差。

图4中所述的本发明实施例的另一优点在于，提高了该膜对于对微观结构的损害的鲁棒性，该损害可能导致在屏幕上出现可以由屏幕的观察者感知的诸如亮点或暗点的光学缺陷。随着微观结构的内角变得越小，该微观结构变得越脆弱并且例如在以下情况下越容易受到损害：在膜制造过程中从该工具释放该膜时；在光学面板组装过程中；以及在光学面板的使用寿命期间，在该过程中光学面板可能受到机械扰动，例如在长途运输过程中或在室内重新定位的过程中。因此，图4中所述的本发明实施例的相对大的内角提高了该膜对于对微观结构的损害的鲁棒性，尤其是对于对如图2所示的微观结构的顶端的损害的鲁棒性。

图4中所述的本发明实施例的另一优点在于，增加了在膜制造过程中标准工具的可用生产寿命。对于给定的切削单元磨损轮廓/率，棱镜内角越尖锐，标准工具的微观结构在制造期间显著变化得越快(例如，通过对小平面之间的接合处的圆整)。因此，图4中所公开的微观结构的光学功能部分的内钝角提高了其标准工具的可用生产寿命。

在以下文献中给出了总体的背景讨论：A1tan，T.，Oh，S.I.和Gegel，H.L.(1983)，″Metal Forming Fundamentals and Applications″，American Society for Metals，Metals Park，Ohio，USA，以及M.A.Davies等人，″Lithographic and Micromachining Techniques forOpticai Component Fabrication II″，Proc.Of SPIE，Vol.5183，pp.94-108，edited by E.-B.Kley，H.P.Herzig(SPIE，Bellingham，WA，USA，2003)。

掠入射角α(其为90。减去入射角(即，其余角))控制了显示系统的机柜外壳的深度。除非在该说明书中对于特定情况的另外指定/限定，术语“入射角”通常是指入射到该面板的背面上的入射光线与该背面的大致(在宏观上)平面表面的法线之间形成的角度。在本实施例中，α具有锐角值。优选地，掠入射角α的值大致在0°到45°之间，更优选地，α的值大致在0°到30°之间。

在图4所示的实施例中，小平面11基本是平面的并大致平行于入射光线19。可以具有诸如圆锥、椭圆、双曲线或球形的凸起形状的小平面12优选地为平面，并与小平面11形成适当的角度以朝向观察者30反射透射光19。为了更有效地进行内反射，可以对小平面12的表面进行涂覆。因为如图5所示，环境介质(例如，周围空气)的折射率小于光学面板20的折射率，所以小平面12根据特定的折射率和反射角通过全内反射来重定向图像光19。

在图4和图5所示的情况下，小平面13a和13b是平面。然而，小平面13a和13b可以具有曲面或任意形状，该形状由不阻挡来自屏幕外部的图像光源的光朝向小平面10传播的需要进行限制。

如上所述，在光重定向元件的相邻小平面之间形成小角度要求相对高的机械加工精度。在图4所示的实施例中，仅有的锐角是形成在小平面12和13a之间的接合处的角。该结构的这一部分不具有光学功能，因此对于在制造过程中实现的角度和接合处形状有很宽的容差，包括在该接合区域中产生的任何表面粗糙度的宽容差。例如通过减少机械加工(machine tool)的废品或由其形成的光学膜，并通过增加机床的切削单元的工作寿命，这些容差可以导致显著的制造利益。

可以通过由任何已知方法制造的工具来生产该光学膜。如果用于生产膜的工具是辊，则其可以通过切入磨削或通过任何其它有用的方法来制造。也可以采用在US 5,183,597中所述的平面加工。存在多种制造光学膜的合适材料，例如但并不限于在US 5,175,030中所述的材料。

图6和图8表示由于提供了曲面小平面而获得的透镜聚焦效果。该聚焦效果可以仅通过小平面10或仅通过小平面12、或者通过协同工作的小平面10和12而实现。在小平面12处的反射之后，图像光会聚在光学面板20的正面20b上或其附近。在所示实施例中，如图7所示，然后光19a沿水平方向散射或分布，以相应地增大视角。在图6中，这是通过柱面双凸透镜14来实现的，该柱面双凸透镜14沿着该正面20b的下述部分水平地延伸：通过相应的偏光元件将光聚焦到这些部分上。在图8中，这是通过使用用于扩大水平视角的散射层21来实现的。对于给定的小平面曲率，例如可以仅由小平面10给出的曲率，其导致光聚焦在两个黑条15之间的位置处，通过增加小平面11的长度而增加了光透射小平面10与光反射小平面12之间的间隔，使得能够减小光学面板的厚度。光学面板20的厚度的这种减少使得能够显著地减小膜材料体积，因此意味着更轻的结构和更低的总材料成本。还可以通过下述的方式来减小光学面板20的厚度：将小平面10和/或小平面12的曲率设置为使得这两个小平面的光透射效果、光反射效果和光聚焦效果使光通过从入口到进入面板的相对短的路径长度而聚焦，即，通过实际减小光重定向元件的焦距。

另外，聚焦元件消除了对光学面板20与图像光19之间的对准的约束。这相对于现有技术的优点在于，如图9A所示，光源的未对准会导致产生幻像。如图9B中以曲面小平面10为例所示，可以通过使用小平面10或小平面12处的聚焦元件来防止这种不期望的幻像或使其强度显著减小。

由于在大多数实施例中，小平面13a和13b不具有光学功能，所以可以在该微观结构的这一部分中采用的形状和材料存在较宽的选择范围。在图10中示出了可能实施例的一示例，其中将小平面13a和13b替换为黑条16。另选地，小平面13a和13b可以涂覆有适当的吸收材料或结构。尽管图10中的实施例可以实现比图6和图8中所示的实施例小的对比度，但是实际上可以较为简单地实施图10中的实施例，因为不需要吸收材料16的位置与入射或透射光19、19a的方向之间的精确对准。

小平面11不具有光学功能，因此其可以涂覆有较暗或吸收材料的薄层，以使得图像光19不被偏转或吸收。当小平面11涂覆有吸收材料时，因为阻挡了杂散光的路径，所以光学面板20实现了更高的对比度。可以通过使用标准的涂覆技术(例如，受控定向喷涂)来实现涂覆小平面11的处理。图5表示用于这种涂覆处理的大致喷射方向，由箭头500表示。对于本领域技术人员显而易见的是，当从合适的倾斜方向(例如，图5中的箭头500所示)进行喷涂时，小平面10由于其透射功能而保持未涂覆。尽管期望在上述处理过程中小平面12的一部分被涂覆吸收材料，但是应该通过小平面10将光19朝向小平面12的未涂覆部分进行折射和/或聚焦。这样，可以在小平面12处通过全内反射对光19进行发射，而不会由于涂覆而导致光损失，这将会改变在小平面12的涂覆部分上的全内反射的临界角。因此，涂覆处理可以构成本发明所公开的制造优点的一部分。

已经使用由ZEMAX Development Corporation，San Diego，California，USA出售的光学仿真软件对以下的非限制性示例进行了模拟和验证。本发明的一个示例是大约2毫米厚的光学面板，其间距为40微米并由聚碳酸酯制成。小平面10的曲率半径为1.24毫米，并且棱镜结构的全高为16微米。该光学面板被设计为对以α＝12度入射(入射角为78°)的光进行重定向。在该示例中，小平面11与入射光平行。小平面12和11形成141度的角。小平面12在光学上平坦(平面)。小平面10和小平面11的长度分别为16.3微米和5微米。

在这些实施例之一中，光学面板20可以与现有技术的各种元件组合使用。例如，如图11所示，在光学面板20的前面设置具有用于水平散射的双凸透镜40a的双凸透镜片40，以增大水平视场并通过包括吸收结构40b来增强平面的对比度。另选地，除了双凸透镜片40之外，另一示例为交替波导和黑色层的叠层，如在WO-A1-2004/023176中所述。另选地，可以使用杂散光吸收板82，其包括与薄膜光吸收层84交替层叠的多个光透射层83，如现有技术的图1所示。

图12和图13所示的实施例提供了光学面板55。光学面板55具有设置在背面上的多个光重定向元件。在图12中，各个元件包括透明的平面小平面50，而在图13中，小平面50是凸起的，例如圆锥、椭圆、双曲线或球形。小平面50与内反射小平面51邻接，该内反射小平面51在图12中是曲面而在图13中为平面。优选地，小平面50、51中的至少一个是曲面，而在一些实施例中，这两个小平面可以都为曲面以作为聚焦元件协同工作。在光学面板55的背面上的各个元件通过另一部分52与相邻元件分离。

可以根据应用将形成光学显示板55的材料适当选择为透明的。图像光线19大致垂直于小平面50，这确保了高透射率并防止形成幻像光。小平面50的曲率控制了平板显示器55的垂直视角，如图13所示，并且沿垂直方向对图像光19进行会聚，以使光19a在该面板正面上的用于吸收环境光的黑条53之间通过，以提供并加强对比背景。如图12所示的曲面小平面51(其也可以是如图13所示的平面)通过全内反射朝向观察者30反射该透射光19。如图12和图13所示，通过柱面双凸透镜59沿水平方向散射重定向的光19a，以相应地增大视角。图14表示其中使用散射体60来增大水平视角的另一实施例。

在图12、13和14所示的当前实施例中结合小平面52使得能够更加容易并节省成本地制造光学面板55。通过结合小平面52，可以减小为了复制微观结构而在金属标准工具中切出的相对锐角的数量密度，即每单位长度的数量。当然，在膜表面的较大部分上存在小平面52(小平面52与该膜基本共面)意味着在标准工具的对应部分上需要非常少的切削或不需要切削，从而减少了切削单元的磨损。

在涉及将形成物(formation)切入到工具(例如。在US 5,175,030中描述的用于UV固化处理的鼓，或者用于注模工艺的狭槽模具)中的光学膜制造处理中，钝角切削改善了对于切削单元磨损的容差。因此，由于具有较大内角的结构对于切削单元磨损的较大容差，减小了更换切削单元的所需频率。当不利的切削单元磨损对可在光学面板上获得的均匀性存在影响时，其是非常有害的因素：其导致在整个金属标准工具上局部获得的轮廓的角度变化，并且增大了可能非均匀性的可能性，在金属标准工具的切削过程中，因磨损而必须更换切削单元时会出现该非均匀性。应该强调的是，当按比例增大制造工艺以生产更宽的光学膜时，例如从几十厘米的膜宽按比例增大为几米的膜宽，必须对应地按比例增大该标准工具，这显然导致了与生产高质量的标准工具相关的问题。这些问题同时适用于生产用于非拼接(tiled)大屏幕的单个膜和用于较小屏幕的膜，因为制造大宽度的膜，然后将所制造的膜切割成较小尺寸的多个块使得能够通过比例效应的经济性而节省成本。

在图15的实施例中，平面小平面52包括至少一些吸收材料61以提高显示板的对比度。在小平面52中结合黑色材料对于现有技术的显著优点在于，消除了对设置在面板正面上的黑条与包括小平面50和51的棱镜的精确对准的必要性。因此，该实施例在改善标准工具的制造方面组合了图12、13和14的前述实施例的优点以及使得能够容易地组装整个屏幕的益处。然后可以使该屏幕模块化并容易地结合到背投系统中。

本领域的技术人员应该理解，对于这里论述的本发明的各种实施例，用于提高由观察者感知的图像对比度的黑条可以设置在屏幕的两侧，而不仅仅在屏幕的一侧。

这里给出的示例可以使得本领域的技术人员能够更清楚地理解并实施本发明。不应该将这些示例视为对本发明的范围的限制，而应该视为仅是说明性的。本领域的技术人员根据该说明书可以想到本发明的各种修改和另选实施例，并且以下权利要求旨在涵盖所有这些修改和变化。

Claims (16)

1、一种包括光学膜的光学面板，用于对入射到该光学膜的背面上的光进行重定向，该光学膜包括：

正面；以及

背面，其上设置有多个大致周期性的偏光元件，各个相应的元件包括：

透明的第一小平面，用于透射入射到其上的光；

内反射的第二小平面，用于在所述元件内实现对所述透射光的内反射；

至少一个中间小平面，分别设置在所述第一小平面和所述第二小平面之间并在第一和第二接合处与所述第一小平面和所述第二小平面邻接；以及

设置在所述元件的所述第二小平面与相邻元件的第一小平面之间的另一部分，

其中，所述元件内的分别位于所述第一接合处和所述第二接合处的第一和第二全内角为至少90度并且不大于180度。

2、根据权利要求1所述的光学面板，其中，在使用时，所述至少一个中间小平面与入射到所述第一小平面上的光的方向大致平行。

3、根据权利要求1所述的光学面板，其中，在使用时，所述至少一个中间小平面与下述范围内的方向大致平行，即，在入射到所述第一小平面上的光的方向和由所述第一小平面的最靠近与所述中间小平面的第一接合处的区域透射的光的方向之间的范围内。

4、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，其中，所述至少一个中间小平面包括单个小平面，该单个小平面在第一接合处与所述第一小平面邻接并在第二接合处与所述第二小平面邻接。

5、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，其中，所述元件的所述另一部分不具有透射或反射光学功能。

6、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，其中，所述第二小平面被设置为通过全内反射来实现对所述透射光的内反射。

7、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，其中，所述第一小平面是凸曲面的聚焦元件。

8、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，还包括设置在所述光学面板的至少一个面上的多个黑条，而基本上不阻挡所述光通过所述面板的路径。

9、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学面板，其中，所述光学膜适于接收相对于所述膜的背面以45度或更大的入射角入射到其上的光，并对其进行重定向。

10、一种光学面板，用于显示入射到该光学面板上的投影光，该光学面板包括正面和背面，在该背面上设置有多个大致周期性的偏光元件，各个相应的元件包括：

透明的第一小平面，用于透射入射到其上的光；

内反射的第二小平面，用于在所述元件内实现对所述透射光的内反射，该第二小平面与所述第一小平面邻接；以及

设置在所述元件的所述第二小平面与相邻元件的第一小平面之间的另一部分，

其中，所述元件的第一和第二小平面中的至少一个为凸曲面，以使得协同工作的所述第一和第二小平面的功能包括使得所述透射和反射的光聚焦到由所述面板的正面限定的平面处或其附近。

11、根据权利要求10所述的光学面板，还包括设置在所述光学面板的至少一个面上的多个黑条，而基本上不阻挡光通过所述面板的路径。

12、一种背投视频系统，其包括：

前述权利要求中的任意一项所述的光学面板；以及

投影仪，其被设置为将视频图像投影到所述光学面板的背面上，以向所述光学面板的正面的下游提供可视图像。

13、一种用于光学面板的光学膜，该光学膜具有在权利要求1至9中的任意一项中所述的光学膜的特征。

14、一种光学面板，其基本上如在此参照附图所述。

15、一种背投视频系统，其基本上如在此参照附图所述。

16、一种用于光学面板的光学膜，其基本上如在此参照附图所述。

Images