CN102057312A - 背投影系统和背投影屏幕 - Google Patents
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Abstract
为了提供一种提供高透明度和高效率的投影的背投影系统,提出了一种背投影系统,包括:投影仪(18)以及可在透明模式与衍射模式之间切换的投影屏幕(16),其中该投影仪(18)相对于投影屏幕(16)定位,以使得来自投影仪(18)的光以一倾角入射到投影屏幕(16)的背侧上,投影屏幕(16)适于在其衍射模式下将入射光偏转到相对于屏幕(16)的前表面法线的有限角度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种背投影系统以及背投影屏幕,特别涉及一种用于橱窗(shopping window)的背投影系统。
背景技术
透明投影屏幕提供宽广领域的应用,其中这些应用之一是使用这种屏幕用于交互式橱窗。目前,使用所谓的“全息屏幕”来将信息投影到屏幕上,同时允许看到屏幕后面的对象。这些屏幕的主要问题是它们不是真正透明的,从而妨碍橱窗后面的对象的可见性。
在US 6,522,311中描述了显示系统的这种全息屏幕。这里,显示单元包括透明支撑物、附接到该透明支撑物的全息屏幕、用于将图像信息投影到该全息屏幕上的投影仪、以及用于确定在全息屏幕的视角中的区域内是否有人的传感器。此显示系统优选地用于橱窗。另外,提供了控制器,其响应于来自传感器的信号而控制投影仪,以使得:如果传感器在全息屏幕的视角中的区域内、特别是在橱窗的前面检测到人,则控制器激活投影仪以将图像信息投影到橱窗中的全息屏幕上。
从US 6,191,876 B1已知关于通过可电气重配置的全息光学元件进行的光扩散控制的另一投影系统。这里,每个可重新配置的全息元件包括夹在两个电极层之间的全息图。该全息图是已经与液晶组合并且具有响应于所施加的电场而改变的光学性质的全息聚合物膜。投影屏幕的扩散特性可以通过选择性地将一个或者多个可重新配置的全息光学元件设置为衍射状态而改变。这里,在一个应用中,利用屏幕来关于光强度最优地扩散所投影的图像,以使得所投影的图像对于在不同的观看区域的多个观看者看来是一样亮的。在另一个应用中,利用屏幕以立体的形式显示所投影的图像。
发明内容
因此,本发明的一个目的是提供一种提供高透明度和高效率的投影的背投影系统和背投影屏幕。
此目的是通过独立权利要求的特征而解决的。
特别地,本发明基于提供可以在透明模式和衍射模式之间切换的用于橱窗等的投影屏幕的思想。这里,衍射模式必须被理解为其中屏幕像扩散全息图那样起作用的屏幕的状态。由此,在屏幕的背面以特定角度入射的光被偏转并且被直接透射给屏幕前面的观看的人。在衍射模式下,所显示的、即偏转的光的强度可以高达投影仪的入射光束的强度的10%或者更高。在透明模式下,屏幕充当像普通玻璃或者另一种相当的基板那样的透明基板。由此,优选地被用作橱窗或者被安装在橱窗处的投影屏幕后面的对象在屏幕的透明模式下可以被容易地看到,而在衍射模式下,包含感兴趣的对象的信息的图像可以从投影仪投影到屏幕的背侧,以高亮度到达关注对象的(objecting)人。
这里,投影仪和投影屏幕相对于彼此定位,以使得来自投影仪的光束是以一倾角入射到投影屏幕的背侧上,然后在衍射模式下主要沿着与投影屏幕的表面法线平行的方向偏转。
概括而言,本发明的背投影系统包括投影仪、以及可在透明模式与衍射模式之间切换的投影屏幕,其中该投影仪相对于投影屏幕定位,以使得来自投影仪的光以一倾角入射到投影屏幕的背侧上,投影屏幕适于在其衍射模式下将入射光偏转到相对于屏幕的前表面法线的有限的角度范围内。
本发明的此背投影系统优选地用于橱窗,其中该屏幕可被用作橱窗或者被简单地安装到橱窗。在透明模式下,橱窗后面的对象可以被容易地观看,其中在屏幕的衍射模式下,有关这些对象的信息或者服装商感兴趣的信息可以被渐显。
优选的是:投影仪的入射光与屏幕的背表面法线之间的入射角大于30度,因为在此优选的几何布置中,投影仪可以被放置在观看橱窗后面的对象的人的视野之外。
由于在衍射模式下,偏转光的扩散部分非常低,因此从屏幕发射到前侧的光相对于屏幕的前表面法线的角度范围是有限的,并且优选地在垂直方向上从-10度延展到10度并且在水平方向上至少从-30度延展到30度。
对于具有液晶材料的屏幕的应用,优选地为投影仪使用偏振光。
在根据本发明的背投影系统的优选实施例中,投影屏幕包括具有第一透明电极的第一透明基板、液晶材料与复合材料的合成物、以及具有第二电极的第二透明基板。这里,布置在第一基板与第二基板之间的液晶材料的折射率可借助于由第一电极和第二电极生成的电场而切换。这里,这样选择液晶材料和复合材料的折射率,以使得在存在电场的情况下,就来自投影仪的偏振光而言,液晶材料的折射率与复合材料的折射率相同,并且在不施加电场的情况下,液晶材料的折射率与复合材料的折射率不同。然而,也可以选择折射率和取向,以使得在存在电场的情况下,就来自投影仪的偏振光而言,液晶材料的折射率不同于复合材料的折射率,并且在不存在电场的情况下,液晶材料的折射率等于复合材料的折射率。
优选地,该复合材料是聚合物,其被液晶材料环绕,并且被聚合以使得其形成体布拉格光栅。该布拉格光栅在液晶材料和复合材料的折射率不同的情况下光学地出现,并且因此是可切换的。由此,本发明具有以下优点:包括液晶材料以及形成可切换的布拉格光栅的复合材料的合成物的投影屏幕可以通过简单地施加电场而容易地在衍射模式与透明模式之间切换。
在一个优选的实施例中,液晶材料和复合材料的合成物是全息散布液晶(HPDLC)材料。在本发明的另外的优选实施例中,液晶材料和复合材料的合成物是聚合物液晶聚合物切片(POLICRYPS)材料或者聚合物液晶聚合物全息图电可管理(POLIPHEM)材料。形成布拉格光栅的这些另外的合成物具有以下优点:在该合成物中没有构建液晶材料的液滴,由此强有力地降低了散射损耗,开关电压低得多,并且可以实现微秒范围内的时间响应。另外,可实现更高的折射率调制并且可以获得光栅的更锐利的分辨率。
在本发明的又一个实施例中,根据本发明的背投影系统的投影屏幕包括作为单丙烯酸酯、二丙烯酸盐、非反应性液晶材料的光聚合混合物的合成物,其形成在第一基板与第二基板之间布置的液晶胶体(liquid crystal gel)。
另外,本发明的目的可替代地由可在透明模式与衍射模式之间切换的背投影屏幕解决,其中该投影屏幕包括第一透明基板、布置在第一透明基板上的液晶材料、以及第二透明基板。第一透明基板包括第一透明电极以及具有表面起伏的光栅的起伏部分。液晶材料位于第一透明基板的起伏部分旁边并且填充该表面起伏的光栅。这里,液晶材料的折射率借助于分别布置在第一透明基板和第二透明基板上的第一电极和第二电极的电场而改变为基本等于或者不等于第一透明基板的起伏部分的折射率。由此,液晶材料到第一透明基板的起伏部分的过渡处的表面起伏的光栅取决于所施加的电场而可见或者不可见,由此形成液晶材料与第一透明基板的起伏部分之间的过渡面中的可切换的二维布拉格光栅。
例如,第一透明基板包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的支撑层以及朝向液晶层的形成起伏部分的聚碳酸酯的起伏层。
另外,第二基板优选地包括玻璃或者透明聚合物的支撑层以及朝向液晶层的摩擦聚酰亚胺层,以提供液晶层中液晶的预先确定的取向。
为了在可见光的光学范围内有利地应用根据本发明的背投影屏幕,优选地制造具有大约1000 nm的光栅周期和大约100 – 300 nm的调制深度的表面起伏的光栅。
另外,优选地通过压印工艺来制造表面起伏的光栅。这里,优选地使用压印母盘(embossing master),在该压印母盘上,使用鉴于图2而描述的机构来形成第一光栅,以便生成干涉图案,该干涉图案然后依靠电铸为镍来转印到该压印母盘。这可以被用作用于诸如注塑(injection moulding)、热压印或者连续胶片复制之类的精确微复制工艺的压印工具。
本发明的目的进一步通过一种用于投影图像的方法来实现,该方法包括以下步骤:提供投影仪以及可在透明模式与衍射模式之间切换的投影屏幕,相对于投影屏幕而定位投影仪,以使得来自投影仪的光以一倾角入射到投影屏幕的背侧,并且在图像必须被显示时将投影屏幕从透明模式切换到衍射模式,其中投影仪的入射光被偏转到相对于投影屏幕的前表面法线的有限的角度范围内。
此投影图像的方法优选地用于在橱窗中投影图像。
另外,在该用于投影图像的方法中优选地使用根据本发明的所描述的实施例之一的可切换的投影屏幕。
附图说明
本发明的这些和其它目的、特征和其它优点将根据结合附图进行的以下详细描述而被更清楚地理解。现在将在下文中参照附图中示出的实施例、通过非限制的示例的方式更详细地描述本发明。
图1是图示根据本发明的投影系统的投影仪和投影屏幕的布置的示意图;
图2是图示用于制造根据本发明的投影屏幕的机构的视图;
图3是根据本发明的投影屏幕的实施例;
图3a是示出图3的投影屏幕中进入的光在可切换的布拉格光栅处的衍射的示意图;
图4是根据本发明的投影屏幕的另一实施例,以及
图4a是示出图4的投影屏幕中进入的光在起伏表面光栅处的衍射的示意图。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的投影系统的布置。这里,橱窗10位于关注对象的人12与被放置在橱窗10之后的展示室中的感兴趣对象14之间。投影屏幕16布置在橱窗10中。投影屏幕16可以集成到橱窗10中,或者安装到橱窗10的内表面或者外表面。另外,投影屏幕16可以是位于橱窗10之后的单独屏幕,其中投影屏幕16可以悬挂在展示室的天花板上或者被安装在地轴架上。
投影屏幕16具有朝向关注对象的人12的前侧,以便为人12提供有关感兴趣对象14的信息或者关于一般消费者兴趣的其它信息。另外,投影屏幕16具有后侧,投影仪18的图像投影在该后侧上并且然后被偏转向人12。投影仪18位于投影屏幕16上方、橱窗10之后的展示室的上部,并且将图像以一倾角投影到投影屏幕16。这里,入射角α优选地大约为30度或者更大,以使得能够隐藏投影仪18的放置。可替代地,投影仪8可以放置在展示室的底部区域中,其中投影屏幕16必须被调节以将进入的光偏转到水平方向上相反的方向。
所发射的光在投影屏幕16的方向接近平行于投影屏幕16的表面法线,并且优选地在-10度到10度的有限角度范围内。
本发明的投影屏幕16可以在透明模式与衍射模式之间切换,其中此投影屏幕16的详细结构及其制造方法将在下文中更详细地描述。
图2示出了用于制造根据本发明的投影屏幕16的机构。这里,可以使用这样的布置,该布置也适用于制造包括附接到透明或者扩散基板的全息膜的静态全息投影屏幕。
用于制造投影屏幕16的机构包括用于发射激光束22的激光源20,该激光束22被分束器24分为两部分。被分束的激光束22中表示参考光束的第一分支26被镜28反射到用于对参考光束进行扩束并且照亮投影屏幕16的第一棱镜30。被分束的激光束22的第二分支32被第二棱镜分散并且被镜38反射到扩散器36。被扩散器36散射的光然后到达投影屏幕16。与参考光束一起在投影屏幕16中形成干涉图案,该干涉图案表示扩散器36的全息图。垂直于投影屏幕16表面的线被视为系统的光轴。在此机构中,记录在投影屏幕16上的干涉图案具有在光轴与投影屏幕16的表面交叉点处入射的、同心环的形状。因此,当投影屏幕16被投影仪18照射时,对于投影仪18的任意波长的光,来自投影屏幕16的反射光束将会聚到该轴。在全息学中,使用扩散器36是增强全息图可见性的一种常见的方式。在此情况下,使用扩散器36是必要的,因为其提供屏幕16的期望的投影属性。
图3示出了根据本发明的投影屏幕16的示意结构。
投影屏幕16包括第一透明基板42上的第一透明电极40以及第二透明基板46上的第二透明电极44,其中液晶材料50和复合材料52的合成物48夹在第一透明基板42与第二透明基板46之间。应注意:第一透明电极40和第二透明电极44不必布置在第一透明基板42和第二透明基板46的外表面上。然而,也可以将这些电极布置在合成物48的旁边。这里,可以在电极40、44与合成物48之间额外地提供平面化层(planarization layer)(在图3中未示出)。另外,可以提供摩擦中间层(图3中未示出),其朝向液晶材料50和复合材料52的合成物48,以相对于基板42、46设置液晶材料50的角取向。
在下文中,将描述根据本发明的第一实施例的合成物48的制造工艺。如已经关于图2中用于制成投影屏幕16的机构所讨论的那样,在制造工艺中将具有明和暗区域的干涉图案投影到投影屏幕16上,并且相应地投影到图3的合成物48的前体混合物(precursor mixture)中。这里,作为前体混合物,将光敏预聚合物和非反应性的液晶的均匀混合物暴露给由图2的机构生成的干涉图案。在此工艺中,聚合物复合材料52的聚合在干涉图案的亮区域中比在暗区域中更迅速地出现,这迫使非反应性的液晶材料50进入暗区域。此反扩散过程快速地建立富液晶层与富聚合物层之间的分层的合成轮廓,其在光聚合过程中被最终锁定。这里,所形成的聚合物复合材料52的形态可以是通道状的(如图3所示,仅用于图示),或者可以具有跨富液晶区域的聚合物台架(polymer scaffolding)。然而,更常见的情况是液晶完全被包封到液滴中。
此所谓的全息聚合物散布液晶(HPDLC)建立可切换的布拉格光栅53,其在图3a中图示。这里,由聚合物复合材料52形成的布拉格光栅53可以通过将环绕的(或者包封的)液晶材料50的折射率从等于复合材料52的折射率切换到不等于复合材料52的折射率而被覆盖或者不覆盖。
由此,如图3a所示,离到投影屏幕16的表面法线有一倾角的光入射到合成物48的布拉格光栅53,并且由于由复合材料52和液晶材料50(如图3所示)形成的布拉格光栅结构53的反射而被偏转到基本上平行于投影屏幕16的表面法线的方向。光栅结构的优选周期将是1000 nm,此光栅结构的斜角度可以是相对于投影屏幕16的表面法线为大约10度(如由合成物层48形成的布拉格光栅结构53的线所指示的)。
HPDLC膜呈现优秀的光学属性,其中具有可见和近红外中的低散射和吸收、与光聚合物全息介质的衍射效率相当的衍射效率、以及快速的动态响应时间。然而,该HPDLC层是高度极化选择性的。强极化依赖性是由于液晶的高度对齐的特性造成的,对于大多数透射模式的HPDLC材料,其趋于平均起来与全息面正交地对齐。因此,p偏振的光比s偏振的光被更高效地衍射。实际上,在没有电场的情况下,液晶材料的折射率几乎等于s偏振的聚合物的折射率,因此有很小的衍射或者没有衍射。
当在第一电极40与第二电极44之间不施加电压时,合成物48的两种类型的层具有不同的折射率,导致与入射光的衍射相关的HPDLC材料的周期结构。在透明模式下,设置第一电极40与第二电极44之间的电压,以使得液晶材料50和复合材料52的折射率相同,导致在合成物48中没有衍射或者几乎没有衍射。由此,投影屏幕16可以在衍射模式与透明模式之间切换。
在下文中,将讨论液晶材料50和复合材料52的合成物48的其它实施例。HPDLC材料的第一替代物是所谓的聚合物液晶聚合物切片(POLICRYPS)材料,其相当于HPDLC材料的结构,然而,该替代聚合物和液晶层的光栅比HPDLC材料中的光栅更纯净,这是因为避免了液晶材料的液滴形成。
为了制造这种材料,将光敏引发剂-单体-液晶混合物的样本加热到高于液晶成分的向列-各向同性转变点的温度。此步骤防止在固化过程期间出现向列相。在加热样本之后,利用具有如上所述的干涉图案的固化UV辐射照亮样本。在此之后,在固化UV辐射已经被关闭并且聚合过程已经结束之后,将该样本缓慢地冷却到各向同性-向列转变点以下。
合成物48的另一个实施例是所谓的电可管理的聚合物液晶聚合物全息图(POLIPHEM),其具有相对于POLICRYPS材料相当的形态。这两个实施例提供以许多积极的方式影响复合材料52的布拉格光栅的属性的非液滴结构,诸如:由于不存在不相干反射而因此强有力地减少了散射损耗;切换电压低得多,这是因为液晶域的尺寸不由液滴大小、而是由光栅间隔给出;可实现更高的折射率调制;并且可以实现光栅条纹的更锐利分辨率以及微秒范围内的时间响应。此材料也仅与偏振光一起工作,如上面相对于HPDLC材料所描述的那样。
液晶材料50和复合材料52的合成物48的另一个实施例是形成液晶胶体的单丙烯酸酯、二丙烯酸盐、以及非反应性液晶材料的光聚合混合物。这里,在聚合之后,产生通过非反应性分子膨胀的轻交联的各向异性的聚合物网络,其中液晶聚合物形成中间有液晶的刚性结构。通过使用有图案的辐射,可以产生具有不同切换阈电压的区域。这里,交联的网络为系统提供存储器功能,并且便于在切换之后反转到初始取向状态。由此,可以在胶体中创建像布拉格光栅那样的图案,其通过施加电场而变为可见/不可见。此胶体在零电压时是透明的,而在施加电压时液晶材料可以被取向以使得光被散射。
图4示出了根据本发明的背投影屏幕116的另一实施例。该投影屏幕116包括第一透明基板54,在该第一透明基板54上,在一侧上布置第一透明电极56。在该第一透明基板54的另一侧上,定位具有表面起伏的光栅58的起伏部分。第一透明基板54由以下组成:由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成的支撑层60以及由聚碳酸酯制成的起伏层62。投影屏幕16还包括第二透明基板64,其具有第二透明电极66、由玻璃或者PMMA制成的支撑层68、以及摩擦聚酰亚胺层70,它们以此顺序堆积。
在第一透明基板54与第二透明基板64之间,定位液晶层72,其在其第一透明基板54旁边的一侧朝向起伏部分或者起伏层62,并且填充表面起伏的光栅58。在其第二透明基板64旁边的另一侧,液晶层72朝向摩擦聚酰亚胺层70,其中提供摩擦聚酰亚胺层70以设置夹在第一透明基板54与第二透明基板64之间的液晶材料的取向角。
第一电极56和第二电极66可以布置在不同于如图4所示的堆积层的布置的各部分处,例如第一透明电极56也可以布置在第一透明基板54的支撑层60与起伏层62之间,第二透明电极66可以布置在支撑层58与摩擦聚酰亚胺层70之间。
液晶材料的折射率可以切换为等于或者不等于相邻的聚碳酸酯层,由此可以由于在这些层之间的过渡处、液晶材料和起伏层的折射率之间的可切换差异而隐藏/取消隐藏表面起伏的光栅。
二维光栅的周期大约为1000 nm,此光栅的调制深度大约为200 nm。再一次,光栅优选地由像图2所示的机构那样的机构制成,其中使用扩散器提供在角度和波长方面期望的扩展量。
另外可以通过压印来制造表面起伏的光栅结构,其中可以使用图2的机构来形成第一光栅,以便生成干涉图案,该干涉图案然后借助于电铸为镍来转印到该压印母盘。这可以被用作用于诸如注塑、热压印或者连续胶片复制之类的精确微复制过程的压印工具。
投影屏幕116的衍射机制不同于上面鉴于投影屏幕16的体布拉格光栅而描述的衍射。为了图示投影屏幕116的此衍射机制,图4a中示出了众所周知的衍射光栅处的衍射的示意图。
Claims (17)
1.一种背投影系统,包括:
- 投影仪(18),以及
- 可在透明模式与衍射模式之间切换的投影屏幕(16),
其中所述投影仪(18)相对于所述投影屏幕(16)定位,以使得来自所述投影仪(18)的光以一倾角入射到所述投影屏幕(16)的背侧上,所述投影屏幕(16)适于在其衍射模式下将入射光偏转到相对于投影屏幕(16)的前曲面法线的有限的角度范围内。
2.如权利要求1所述的背投影系统,其中所述投影屏幕(16)被用作橱窗。
3.如权利要求1或2所述的背投影系统,其中所述入射光与所述投影屏幕(16)的背表面法线之间的入射角大于30度。
4.如上述权利要求之一所述的背投影系统,其中所述有限的角度范围在垂直方向上从-10度延展到10度。
5.如上述权利要求之一所述的背投影系统,其中来自所述投影仪(18)的光被偏振。
6.如上述权利要求之一所述的背投影系统,其中所述投影屏幕(16)包括:
- 具有第一透明电极(40)的第一透明基板(42),
- 液晶材料(50)与复合材料(52)的合成物(48),
- 具有第二透明电极(44)的第二透明基板(46),其中布置在第一基板(42)与第二基板(46)之间的液晶材料(50)的折射率可借助于由第一电极(40)和第二电极(44)生成的电场而切换,以基本上等于或者不同于所述复合材料(52)的折射率。
7.如权利要求6所述的背投影系统,其中所述复合材料(52)是聚合物。
8.如权利要求6或7所述的背投影系统,其中所述液晶材料(50)与复合材料(52)的合成物适于形成可切换的布拉格光栅。
9.如权利要求8所述的背投影系统,其中所述液晶材料(50)与复合材料(52)的合成物是全息聚合物散布液晶(HPDLC)材料。
10.如权利要求8所述的背投影系统,其中所述液晶材料(50)与复合材料(52)的合成物是聚合物液晶聚合物切片(POLICRIPS)材料或者电可管理聚合物液晶聚合物全息图(POLIPHEM)材料。
11.如权利要求8所述的背投影系统,其中所述液晶材料(50)与复合材料(52)的合成物是形成液晶胶体的单丙烯酸酯、二丙烯酸盐以及非反应性液晶材料的光聚合混合物。
12.一种可在透明模式与衍射模式之间切换的背投影屏幕(116),该投影屏幕(116)包括:
- 第一透明基板(54),其包括第一透明电极(56)以及具有表面起伏的光栅(58)的起伏部分,
- 液晶材料(72),其位于第一透明基板(54)的起伏部分旁边,并且填充该表面起伏的光栅(58),
- 具有第二透明电极(66)的第二透明基板(64),其中液晶材料(72)的折射率能够借助于第一电极(56)和第二电极(66)的电场而改变为基本等于或者不同于第一透明基板(54)的起伏部分的折射率。
13.如权利要求12所述的背投影屏幕(116),其中第一透明基板(54)包括由PMMA制成的支撑层(60)以及朝向所述液晶层(72)的、由聚碳酸脂制成的起伏层(62)。
14.如权利要求12或13所述的背投影屏幕(116),其中第二基板(64)包括由玻璃制成的支撑层(68)以及朝向所述液晶层(72)的摩擦聚酰亚胺层(70)。
15.如权利要求12、13、或14之一所述的背投影屏幕(116),其中所述表面起伏的光栅(58)具有大约1000 nm的光栅周期以及大约100 – 300 nm的范围内的调制深度。
16.一种用于制造如权利要求12到15之一所述的背投影屏幕(116)的方法,其包括以下步骤:
- 提供第一透明基板(54),其包括第一透明电极(56)以及为压印过程而准备的透明表面部分,
- 压印该透明表面部分以在第一透明基板(54)中形成具有表面起伏的光栅(58)的起伏部分,
- 将液晶材料(72)沉积在第一透明基板(54)的起伏的部分上,从而填充表面起伏的光栅(58),
- 提供具有第二透明电极(66)的第二透明基板(64),以及
- 组合第一透明基板(54)和第二透明基板(64)。
17.如权利要求16所述的方法,其中该压印通过注塑、热压印或者通过连续胶片复制来执行。
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