屏幕的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種屏幕。輸入光按照波長或偏振狀態(tài)等光學屬性的不同分為第一輸入光和第二輸入光，第一輸入光和第二輸入光所承載的圖像不同，并從同一投影光源同時或分時出射。屏幕包括棱鏡陣列，在棱鏡陣列的兩個法線方向不同的第一表面和第二表面上分別有第一濾光膜和第二濾光膜，第一濾光膜將入射于第一表面的輸入光過濾為第一輸入光，第二濾光膜將入射于第二表面的輸入光過濾為第二輸入光，該第一輸入光和第二輸入光分別被第一表面和第二表面折射或反射而具有不同的出射方向。本發(fā)明提出的屏幕和投影顯示系統(tǒng)，在不同方向上形成不同的圖像，這樣能夠使在不同位置的人看到不同的圖像，或者使同一個人的兩只眼睛看到不同的圖像，以形成全新的顯示效果。
【專利說明】屏幕
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及顯示【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及投影屏幕。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]投影顯示目前已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。投影顯示的原理是，利用投影機將圖像光投射到一個屏幕上，該圖像光在該屏幕上被散射，其中部分被散射的圖像光被人眼所接收，在人眼看來這些圖像光就如同是屏幕上發(fā)出來的，這樣屏幕上就形成了圖像。
[0005]投影顯示分為正投和背投。正投即投影機與觀眾在屏幕的同一側(cè)，背投即投影機與觀眾在屏幕的相對的兩側(cè)。對于正投來說，屏幕的作用在于散射和反射圖像光，對于背投來說，屏幕的作用則在于散射和透射圖像光。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提出一種屏幕，用于接收投影在其上的輸入光。輸入光按照波長或偏振狀態(tài)等光學屬性的不同分為第一輸入光和第二輸入光，第一輸入光和第二輸入光所承載的圖像不同，并從同一投影光源同時或分時出射。屏幕包括棱鏡陣列，在棱鏡陣列的兩個法線方向不同的第一表面和第二表面上分別有第一濾光膜和第二濾光膜，第一濾光膜將入射于第一表面的輸入光過濾為第一輸入光，第二濾光膜將入射于第二表面的輸入光過濾為第二輸入光，該第一輸入光和第二輸入光分別被第一表面和第二表面折射或反射而具有不同的出射方向，使得在觀看屏幕上至少一點A時，整個水平視角范圍內(nèi)必然存在相互不交疊的第一視角范圍和第二視角范圍，在第一視角范圍內(nèi)能夠看到第一輸出光且看不到第二輸出光，在第二視角范圍內(nèi)能夠看到第二輸出光且看不到第一輸出光。
[0008]本發(fā)明提出的屏幕，在不同方向上形成不同的圖像，這樣能夠使在不同位置的人看到不同的圖像，或者使同一個人的兩只眼睛看到不同的圖像，以形成全新的顯示效果。
[0009]【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1和圖2是本發(fā)明中投影顯示系統(tǒng)的工作原理的兩個舉例；
圖3a和3b分別是本發(fā)明投影顯示系統(tǒng)的一個實施例的俯視圖和側(cè)視圖；
圖3c是圖3a所示實施例中屏幕上微結(jié)構(gòu)的一個舉例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3d是圖3c中第一濾光膜和第二濾光膜的反射率隨波長變化示意圖；
圖3e和圖3f是圖3a所示實施例中屏幕上微結(jié)構(gòu)的另外兩個舉例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3g是圖3f所示微結(jié)構(gòu)的分光層的反射率隨波長變化示意圖； 圖3h和圖3i是圖3f所示的微結(jié)構(gòu)的一種變形；
圖4a是本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的另一個實施例的俯視圖；
圖4b是圖4a所示實施例中屏幕上微結(jié)構(gòu)的一個舉例；
圖5a是本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的另一個實施例的俯視圖；
圖5b和圖5c分別是圖5a所不實施例中屏幕的一個舉例的正視圖和仰視圖；
圖5d和圖5e分別是圖5a所示實施例中屏幕上兩個位置的微結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5f是圖5a所示的實施例的屏幕的另一個舉例的正視圖；
圖5g是圖5f所示的屏幕的微結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
圖6a是本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的另一個實施例的俯視圖；
圖6b是圖6a所示實施例的屏幕的一個舉例的正視圖；
圖6c和圖6d是圖6a所示實施例的屏幕的側(cè)視圖的兩個舉例；
圖7是本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)的另一個實施例的俯視圖；
圖8a至圖Sc是本發(fā)明中投影顯示系統(tǒng)的工作原理的另外三個舉例；
圖9是散射層對光線角度的作用的示意圖；
圖1Oa至圖1Oc是針對圖8a至圖8c的工作原理對圖5e的微結(jié)構(gòu)所做的改進的示意
圖；
圖11是本發(fā)明中投影顯示系統(tǒng)的工作原理的另外一個舉例；
圖12a和圖12b是針對圖11的工作原理對圖5e的微結(jié)構(gòu)所做的改進的示意圖。
[0011]
【具體實施方式】
[0012]圖1和圖2是本發(fā)明所提出的用于投影顯示系統(tǒng)的兩種工作方式的舉例。圖1中，屏幕101用于接收輸入光(輸入光未畫出)，并將至少部分輸入光投射為兩束分別承載不同圖像的第一輸出光111和第二輸出光112,且第一輸出光111和第二輸出光112的出射方向不同。在本發(fā)明中，光束“承載”圖像指的是光束根據(jù)圖像信號被調(diào)制而帶有圖像信息，而“投射”應(yīng)理解為向特定的方向或特定的方向范圍出射。圖中眼睛141和142分別代表兩個觀看的人所在的位置，可以看出用于代表第一輸出光111的三條光線均入射于眼睛141，用于代表第二輸出光112的三條光線則均入射于眼睛142。因此眼睛141能夠在屏幕101上看到第一輸出光111所攜帶的圖像，且看不到第二輸出光112所攜帶的圖像，同時眼睛142能夠在屏幕101上看到第二輸出光112所攜帶的圖像，且看不到第一輸出光111所攜帶的圖像。這樣的好處在于，只使用同一塊屏幕，占用唯一的屏幕空間，就可以為不同方位的人提供不同的影像顯示。這顯然可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域，例如櫥窗廣告，同一個行人走在不同的位置可以看到不同的廣告內(nèi)容，在達到宣傳目的的同時節(jié)省了成本。
[0013]圖2中的屏幕201的功能與圖1接近，不同之處在于，第一輸出光211和第二輸出光212的出射方向更靠近了一些，此時眼睛241和眼睛242分別代表了同一個觀察者的左右兩只眼睛。同樣的，眼睛241能夠在屏幕201上看到第一輸出光211所攜帶的圖像，且看不到第二輸出光212所攜帶的圖像，同時眼睛242能夠在屏幕201上看到第二輸出光212所攜帶的圖像，且看不到第一輸出光211所攜帶的圖像，即觀察者兩只眼睛看到圖像內(nèi)容不同。這樣只要控制第一輸出光211和第二輸出光212的圖像內(nèi)容分別對應(yīng)于3D圖像中左眼和右眼的圖像，觀察者就能夠看到3D圖像效果。
[0014]以上僅使用兩個例子說明本發(fā)明的投影顯示系統(tǒng)和屏幕的工作原理。下面將結(jié)合附圖來說明這種投影顯示系統(tǒng)及其屏幕的具體實現(xiàn)方法。
[0015]在下面的說明中，如沒有特殊說明，則:
1.輸入光以點線表不，第一輸出光以實線表不，第二輸出光以虛線表不;
2.為了說明方便，上下角度方向等同于屏幕的豎直角度方向，左右角度方向等同于屏幕的水平角度方向；
3.第一輸出光指向左，第二輸出光指向右，但這只是舉例，并不是限制。
[0016]圖3a是本發(fā)明第一實施例所示的投影顯示系統(tǒng)的俯視圖。其中，投影光源351位于屏幕301左右方向上的中部，并與觀察者位于屏幕301的同側(cè)。因此屏幕301的作用在于反射投影光源351發(fā)出的光線使其被觀察者看到。以點線表示的輸入光(光線321a和321b是其中的兩條光線)從投影光源351射出并投影于屏幕301，輸入光的照射范圍覆蓋整個屏幕范圍。以光線321a和321b為例來說明屏幕301的反射效果。光線321a入射于屏幕上的301a區(qū)域后，被屏幕分為兩部分，這兩部分光分別被屏幕反射到不同的方向以形成輸出光線311a和312a，光線311a被投射往左側(cè)，光線312a被投射往右側(cè)。光線321b入射于屏幕上的301b區(qū)域后，被屏幕分為兩部分，這兩部分光分別被屏幕反射到不同的方向形成輸出光線311b和312b，光線311b被投射往左側(cè)，光線312b被投射往右側(cè)。
[0017]圖3b為圖3a所示的投影顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。投影光源351位于屏幕301上下方向上的下部，光線321a被屏幕301反射為輸出光線311a和312a，光線321b被屏幕301反射為輸出光線311b和312b。
[0018]由圖3a和圖3b可見，屏幕301的作用在于在左右角度方向和上下角度方向分別控制輸入光線321a和321b使其被反射形成特定方向上的輸出光。在本發(fā)明所描述的屏幕和投影顯示系統(tǒng)中，重點在于屏幕在左右角度方向上對輸入光線和輸出光線的控制方法，而對于在上下角度方向上的對輸入光線和輸出光線的控制則可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的方法。例如最常用的方法是，對光線在上下角度方向上進行充分的散射，使得從屏幕下方入射的輸入光線在上下角度方向上不會直接被鏡面反射而向上出射，而是被散射成在上下角度方向上覆蓋相當大的范圍，以保證部分反射光可以入射于觀察者的眼睛。又例如另一種常用的方法是，利用屏幕上的微結(jié)構(gòu)對從屏幕下方入射的輸入光線進行定向的反射(參考附圖6c和6d)，使其被反射到觀察者的眼睛，這樣的好處在于入射于觀察者眼睛的光強較大，缺點在于反射光的角度覆蓋范圍小，從觀察者的角度來說就是屏幕的視角范圍小。當然可以理解，這兩種對上下角度方向上光線的控制方法也可以結(jié)合使用。無論使用哪種對上下角度方向上光線的控制方法，都并不影響本發(fā)明的效果。本發(fā)明中對左右角度方向上光線的控制方法可以結(jié)合任意一種對上下角度方向上光線的控制方法使用，對此本發(fā)明并不做限制。
[0019]圖3c和圖3e分別為圖3a中屏幕上中部的301b區(qū)域和偏右的301a區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖，以下將分別結(jié)合圖3c和圖3e來說明本實施例中屏幕301的工作方法。
[0020]首先結(jié)合圖3c描述在中部區(qū)域301b上如何實現(xiàn)在左右角度方向上將輸入光線321b反射到不同方向以形成輸出光線311b和312b的方法。在屏幕上的301b區(qū)域，包括至少一個棱鏡單元302b，這些棱鏡單元形成一個棱鏡陣列(圖3c中只標出一個棱鏡單元302b以示意)。棱鏡單元302b面向輸入光線的入射方向包括法線方向不同的兩個面，第一表面和第二表面。在棱鏡單兀的第一表面上鍍有第一濾光膜304b,使得入射于第一表面的輸入光321b被分成兩束，一束是反射光311b, —束是透射光331b,其中透射光331b被設(shè)置于棱鏡陣列后方的吸收層303b吸收。在棱鏡單元的第二表面上鍍有第二濾光膜305b，使得入射于第二表面的輸入光321b被分成兩束,一束是反射光312b,—束是透射光332b,其中透射光332b被設(shè)置于棱鏡陣列后方的吸收層303b吸收。
[0021]在本實施例中，第一濾光膜和第二濾光膜是按照波長將輸入光321b分成兩部分的，第一濾光膜和第二濾光膜的反射率隨波長的變化曲線如圖3d所示。圖3d中，實線所示的折線為第一濾光膜304b的反射率變化曲線，它包含三個高反射率區(qū)域304b-B(對應(yīng)于藍色光譜區(qū)域)、304b-G (對應(yīng)于綠色光譜區(qū)域)、304b-R (對應(yīng)于紅色光譜區(qū)域)；虛線所示的折線為第二濾光膜305b的反射率變化曲線，它包含三個高反射率區(qū)域305b-B(對應(yīng)于藍色光譜區(qū)域)、305b-G (對應(yīng)于綠色光譜區(qū)域)、305b-R (對應(yīng)于紅色光譜區(qū)域)；第一濾光膜的三個高反射率區(qū)域與第二濾光膜的三個高反射率區(qū)域在波長上相互交叉。此時，可以設(shè)置投影光源351使得輸入光321b同時攜帶兩個圖像，第一圖像是以304b-B、304b-G和304b_R所對應(yīng)的三個光譜段作為三基色，第二圖像以305b-B、305b-G和305b_R所對應(yīng)的三個光譜段為三基色。這樣第一圖像就會被棱鏡302b的第一表面的第一濾光膜304b反射為第一輸出光311b,第二圖像則會被棱鏡302b的第二表面的第二濾光膜305b反射為第二輸出光312b。
[0022]投影光源的輸入光所攜帶的兩個圖像，可以是同時出射的，也可以是分時出射的。這都是現(xiàn)有技術(shù)，此處僅舉例說明其實現(xiàn)方法。兩個圖像同時出射的情況是，先根據(jù)輸入的兩個圖像信號分別產(chǎn)生兩個圖像光，再利用兩個圖像光的光譜不同使用濾光片進行合光成為一束出射。另個圖像同時出射的另一種情況是，先根據(jù)輸入的兩個圖像信號分別產(chǎn)生兩個圖像光，兩個圖像光分別經(jīng)過鄰近的鏡頭投影至屏幕，這樣兩個圖像光由于比較靠近也近似為一束。兩個圖像分時出射的情況是，在投影光源中可以使用包含圖3d中兩組三基色的色輪來分時的產(chǎn)生兩組基色光，光閥根據(jù)輸入的兩個圖像信號對這兩組基色光分別進行同步的調(diào)制以產(chǎn)生分時出射的兩個圖像光。
[0023]圖3e為圖3a中屏幕上偏右的301a區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖3c所表示的301b區(qū)域不同的是，圖3e中的棱鏡陣列中包含兩個棱鏡單元302a，這兩個棱鏡單元分別有一個表面被輸入光321a照射,這兩個表面分別是表面304a和表面305a，且這兩個被照射的表面的法線方向不同。這樣分別在這兩個表面上鍍第一濾光膜304a和第二濾光膜305a，就可以將輸入光分為兩個不同波長范圍的輸出光311a和312a并投射向不同的方向?？梢岳斫?，圖3e中的屏幕結(jié)構(gòu)與圖3c中的屏幕結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別點在于，圖3c中利用了同一個棱鏡的兩個表面將輸入光分解為兩束，即第一輸入光和第二輸入光，并將其分別反射投射為第一輸出光311b和第二輸出光312b ;而圖3e中利用了兩個棱鏡的各一個表面來達到相同的目的。
[0024]圖3e表示的是圖3a中屏幕上偏右的301a區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖，其中由于輸入光321a從左側(cè)入射而來，因此第一濾光膜304a和第二濾光膜305a分別鍍在兩個棱鏡單元的左側(cè)的表面上以迎向入射光；可以理解對于屏幕上偏左的區(qū)域，則由于輸入光將從右側(cè)入射而來，則第一濾光膜和第二濾光膜鍍在對應(yīng)的兩個棱鏡單元的右側(cè)的表面上以迎向入射光。對于屏幕上偏左的區(qū)域不做重復說明。在后面的實施例中，都是以屏幕中部和右側(cè)區(qū)域為例進行說明的，而屏幕左側(cè)則可以根據(jù)右側(cè)的結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的推導。
[0025]容易理解的，在本實施例的屏幕中，中部區(qū)域301b與邊緣區(qū)域301a的結(jié)構(gòu)有所不同，這主要是由于投影光源351處于屏幕在左右方向上的中部，導致入射于區(qū)域301b和區(qū)域301a的輸入光的入射角度差別很大。在實際應(yīng)用中則并不一定有這樣的限制。例如當投影光源位于屏幕的左側(cè)，則對于整個屏幕范圍來說每個位置的光線都是從左側(cè)入射，此時本領(lǐng)域技術(shù)人員容易根據(jù)圖3e的描述設(shè)計出屏幕上每個區(qū)域上的結(jié)構(gòu)，此時則可能不采用圖3c所示的結(jié)構(gòu)。
[0026]值得說明的是，在實際應(yīng)用中，第一濾光膜和第二濾光膜的位置也不一定在棱鏡的面向輸入光入射方向的面上，也可以位于棱鏡面向吸收層的面上。而且，第一濾光膜和第二濾光膜本身可以是吸收型的濾光膜，這樣就將吸收層的功能集成在濾光膜上，此時吸收層可以省略。
[0027]由于輸入光是從投影光源投影到屏幕上的，因此入射于屏幕上任一位置A的輸入光的入射錐角都非常小(該錐角的立體角等于投影光源的投影鏡頭口徑與投影鏡頭到位置A的距離之比)，因此在本實施例中，通過在屏幕上設(shè)計的棱鏡單元可以精確地控制輸出光的出射方向。這是本發(fā)明具有優(yōu)異效果的本質(zhì)原因。
[0028]除了圖3c外，圖3f是圖3a中屏幕上中部301b區(qū)域的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。在該結(jié)構(gòu)中，輸入光321b首先入射于一個棱鏡陣列(圖中只畫出一個棱鏡307b以不意)。在本實施例中，棱鏡307b的背向輸入光入射方向的面上附有分光層308b(在實際應(yīng)用中分光層可能直接鍍于棱鏡表面)，能夠按照波長的不同將入射光分為透射和反射兩束。棱鏡陣列中的不同棱鏡上的分光層也構(gòu)成一個分光層陣列，而在本實施例中，分光層陣列都在同一個平面內(nèi)且屬性相同，因此分光層陣列應(yīng)構(gòu)成一個整體的分光層。輸入光321b經(jīng)過棱鏡307b的折射后發(fā)生偏轉(zhuǎn)并入射于分光層308b,被分光層308b反射的一束光再次經(jīng)過棱鏡307b折射后出射形成第一輸出光311b，而經(jīng)分光層308b透射的一束則入射于位于分光層308b光路后端的反射層30%，在反射層表面被反射后再次透射分光層308b，并經(jīng)過棱鏡307b的折射后出射形成第二輸出光312b。由于在分光層308b上透射光和反射光的光路不同，因此由它們分別所形成的第一輸出光311b和第二輸出光312b的出射方向不同。具體來說，通過控制棱鏡307b的形狀可以控制第一輸出光311b的出射方向，進一步的通過控制反射層304b可以控制第二輸出光312b的方向，這樣就達到了控制兩個輸出光方向的目的。
[0029]在本實施例中，反射層30%為反射單元陣列，每個反射單元在水平方向呈鋸齒狀，且該鋸齒在水平方向上的頂角為90度，這樣根據(jù)幾何知識可知其對入射光會達到將其沿原方向反射的作用。實際上鋸齒的頂角也可以不是90度，控制該角度可以達到控制反射光方向的目的。另外實現(xiàn)反射層的方法還有很多，例如直接采用在有一定結(jié)構(gòu)的襯底上鍍金屬薄膜或介質(zhì)薄膜的方式，通過控制結(jié)構(gòu)的形狀來控制反射光的方向，再例如使用玻璃微珠陣列來達到使入射光沿原方向反射的目的。
[0030]圖3g表示了圖3f中分光層308b的反射率隨波長的變化。在圖中包括三個高反射率區(qū)域308b-rB (對應(yīng)于藍色光譜區(qū)域)、308b-rG (對應(yīng)于綠色光譜區(qū)域)和308b_rR (對應(yīng)于紅色光譜區(qū)域)，在這三個高反射率區(qū)域的夾縫中包括三個高透射率區(qū)域308b-tB (對應(yīng)于藍色光譜區(qū)域)、308b-tG (對應(yīng)于綠色光譜區(qū)域)和308b-tR (對應(yīng)于紅色光譜區(qū)域)?？梢岳斫?，經(jīng)過分光層308b分光的兩束光，反射的一束以這三個高反射率區(qū)域所對應(yīng)的光譜顏色為三基色，透射的一束則以三個高透射率區(qū)域所對應(yīng)的光譜顏色為三基色。這樣只要設(shè)置投影光源351使得輸入光321b同時攜帶兩個圖像，一個圖像是以308b-rB、308b-rG和308b-rR所對應(yīng)的三個光譜段作為三基色，另一個圖像以308b-tB、308b-tG和308b_tR所對應(yīng)的三個光譜段為三基色。這樣這兩個圖像就會在屏幕內(nèi)部被分為兩束，即第一輸入光和第二輸入光，并分別被反射到不同的方向形成第一輸出光311b (311a)和第二輸出光312b (311a)。投影光源的輸入光所攜帶的兩個圖像，可以是同時出射的，也可以是分時出射的，并不受限制。
[0031]圖3h和圖3i是圖3f所示結(jié)構(gòu)的一種變形，圖3h的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于屏幕301的中間區(qū)域301b，圖3i的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于屏幕301的偏右的區(qū)域301a。
[0032]在圖3h所示的結(jié)構(gòu)中，分光層308b鍍在棱鏡307b的面向輸入光方向的面上，輸入光321b入射于分光層308b后分為兩束，反射部分形成輸出光311b,透射部分穿過棱鏡307b后被反射層309b反射，并再次透射棱鏡307b和分光層308b后形成輸出光312b。該結(jié)構(gòu)與圖3f所示的結(jié)構(gòu)只是在部件次序上有所變化，反射層的形狀有所不同，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)描述可以自己設(shè)計，因此都屬于本發(fā)明的保護范圍。在本實施例中，棱鏡陣列上每一個棱鏡上的分光層構(gòu)成一個陣列，這些分光層必然不在同一個平面上，也不能形成一個整體的分光層。
[0033]在圖3i所示的結(jié)構(gòu)中，反射層309a是反射單元陣列，其中圖中只畫出一個反射單元309a，反射單元309a呈鋸齒狀。輸入光321a從左側(cè)方向入射到棱鏡307a表面的分光層308a，相應(yīng)的調(diào)整棱鏡307a的形狀使得反射光部分311a的出射方向得以控制，同時透射部分經(jīng)過反射單元陣列309a的一次反射，再經(jīng)過棱鏡307a的折射后出射形成輸出光312a。比較圖3i和圖3h的區(qū)別可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)上述描述，對于屏幕的不同位置進行不同的設(shè)計以實現(xiàn)對輸出光的出射方向的控制。
[0034]在上面實施例中，第一濾光膜、第二濾光膜和分光層都是按照波長的不同而對光進行過濾或分光。在實際應(yīng)用中，也可以按照偏振態(tài)的不同對光進行過濾或分光。例如，在圖3c和圖3e所示的結(jié)構(gòu)中，第一濾光膜可以反射A方向的偏振態(tài)光，透射或吸收B方向的偏振態(tài)光，而第二濾光膜可以反射B方向的偏振態(tài)光,透射或吸收A偏振態(tài)光，A方向和B方向相互垂直。再例如，在圖3f、圖3h和圖3i所示的結(jié)構(gòu)中，分光層可以是反射A方向偏振態(tài)光同時透射B方向偏振態(tài)光,A方向和B方向相互垂直。這樣，只要設(shè)置投影光源使得輸入光同時攜帶兩個圖像，一個圖像是以A方向偏振態(tài)光所攜帶，另一個圖像以B方向偏振態(tài)光所攜帶，這樣這兩個圖像就會在屏幕內(nèi)部被分為兩束并分別被反射到不同的方向形成第一輸出光和第二輸出光。投影光源的輸入光所攜帶的兩個圖像，可以是同時出射的，也可以是分時出射的，并不受限制。
[0035]在圖3f至圖3i所示結(jié)構(gòu)中，圖中只畫出了一個棱鏡單元、一個分光層單元和一個反射單元，實際應(yīng)用中則可能是多個棱鏡組成的棱鏡陣列和由多個反射單元組成的反射陣列。棱鏡單元和反射單元并不一定是一一對應(yīng)的，而且透射一個棱鏡單元的透射光經(jīng)過反射單元反射后可能入射于另一個棱鏡單元。另外，反射層也可能是與棱鏡結(jié)合為一體的。因此，圖3f至圖3i所做的光路設(shè)計只用于舉例說明，并不構(gòu)成限制。
[0036]需要強調(diào)的是，與圖3c至圖3e所示的結(jié)構(gòu)相比，圖3f至圖3i所示的結(jié)構(gòu)的效率更高。這是因為前者有部分光被吸收掉，而后者的輸入光被分成兩束，這兩束光都得以利用。
[0037]綜合圖3a至圖3i所示的實施例可以看出，屏幕301按照特定光學屬性的不同將輸入光分為兩束，第一輸入光和第二輸入光，并且第一輸入光被投射形成第一輸出光，第二輸入光被投射形成第二輸出光，兩束輸出光攜帶不同的圖像且出射角度不同。其中特定光學屬性包括但不限于波長和偏振狀態(tài)。利用對屏幕的設(shè)計，可以實現(xiàn)對兩束輸出光的角度的精確控制。
[0038]在圖3a至圖3i所示的實施例中，屏幕都是反射型的，即觀察者與投影光源在屏幕的同側(cè)。實際上，屏幕也可以是透射型的，即觀察者與投影光源在屏幕的相對的兩側(cè)。如圖4a所示，投影光源451發(fā)出的光(圖中以光線421b為例)，經(jīng)過屏幕401透射后，形成兩束輸出光(圖中以光線411b和412b為例)并投射往不同的方向。
[0039]圖4b為圖4a中屏幕上401b區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖。輸入光421b入射于棱鏡陣列(圖中僅畫出一個棱鏡402b以示意)，并入射于每個棱鏡的兩個表面，該兩個表面具有不同的法線方向，且分別鍍有不同的濾光膜，第一濾光膜404b和第二濾光膜405b。輸入光421b被第一濾光膜404b過濾后,部分光透射棱鏡表面并被棱鏡折射形成輸出光411b,反射光431b則反射回投影光源方向。輸入光421b被第二濾光膜405b過濾后，部分光透射棱鏡表面并被棱鏡折射形成輸出光412b，反射光432b則反射回投影光源方向。此時，只要投影光源投射的輸入光攜帶兩個不同的圖像，該兩個圖像所使用的基色光的光譜分別與第一濾光膜和第二濾光膜的透射譜對應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同圖像的輸出光投射到不同的方向。
[0040]比較圖3c和圖4b可以理解，兩者的原理類似，區(qū)別僅在于圖3c的結(jié)構(gòu)為反射型而圖4b結(jié)構(gòu)為透射型，因此將圖3d的縱坐標改為“透過率”就可以表示第一濾光膜和第二濾光膜的透過率與波長的關(guān)系。在實際應(yīng)用中，圖3e、圖3f、圖3h、圖3i這些圖3c結(jié)構(gòu)的變形，都可以相應(yīng)的應(yīng)用于透射型的設(shè)計中，此處不再贅述。
[0041]在上述實施例中，只使用一臺投影光源產(chǎn)生輸入光，該輸入光根據(jù)波長或偏振態(tài)等光學屬性的不同攜帶兩個不同的圖像，這兩個圖像在屏幕上再根據(jù)波長或偏振態(tài)等光學屬性的不同被分開而形成第一輸入光和第二輸入光，并分別經(jīng)由屏幕內(nèi)部不同的光路投射為出射方向不同的第一輸出光和第二輸出光。實際上，也可以使用兩臺投影光源從不同的位置分別產(chǎn)生第一輸入光和第二輸入光，第一輸入光和第二輸入光分別攜帶不同的圖像(如下面實施例所示的)。其中，第一輸入光被屏幕投射形成第一輸出光，第二輸入光被屏幕投射形成第二輸出光。若這兩個圖像存在時間上的聯(lián)系，例如這兩個圖像分別對應(yīng)于人的左眼圖像和右眼圖像以用于實現(xiàn)3D效果，這樣就需要控制兩臺投影光源輸出的第一輸入光和第二輸入光進行同步。若兩個圖像不相關(guān)，則無需同步控制。
[0042]本發(fā)明的另一個實施例的投影顯示系統(tǒng)的俯視圖如圖5a所示。該投影顯示系統(tǒng)包括兩個投影光源，第一投影光源551和第二投影光源552分別位于屏幕501在左右方向上的兩側(cè)，第一投影光源551發(fā)出的第一輸入光(圖中僅畫出兩條光線521a和521b以示意)從左側(cè)投射到屏幕501上，第二投影光源552發(fā)出的第二輸入光(圖中僅畫出兩條光線522a和522b以示意)從右側(cè)投射到屏幕501上。光線521a和光線522a都入射于屏幕上的右側(cè)區(qū)域501a，光線521b和光線522b都入射于屏幕上的中部區(qū)域501b。右側(cè)區(qū)域501a將第一輸入光521a反射形成第一輸出光511a,同時將第二輸入光522a反射形成第二輸出光512a,第一輸出光511a和第二輸出光512a的方向不同。相似的，中部區(qū)域501b將第一輸入光521b反射形成第一輸出光511b,同時將第二輸入光522b反射形成第二輸出光512b,第一輸出光511b和第二輸出光512b的方向不同。第一輸出光511a和511b射往相同的方向并被觀察者看到，這樣在這個方位的觀察者就能夠同時看到屏幕上不同位置射過來的第一輸出光以形成一副完整的圖像；同樣道理，在第二輸出光512a和512b的出射方向上的觀察者也能夠看到屏幕上不同位置射過來的第二輸出光以形成一副完整的圖像。
[0043]在實際應(yīng)用中，為了滿足包括3D顯示在內(nèi)的特殊需求，該投影顯示系統(tǒng)還可能包括圖像同步控制裝置(圖中未畫出)，用于控制第一投影光源551和第二投影光源552，使得第一輸入光和第二輸入光所承載的圖像相互同步。
[0044]圖5b至圖5e顯示了屏幕501的結(jié)構(gòu)的一種舉例，下面結(jié)合這幾幅圖進行說明。圖5b是圖5a所示系統(tǒng)的正視圖。屏幕上包括微結(jié)構(gòu)層，該微結(jié)構(gòu)層在本實施例中為棱鏡陣列。棱鏡陣列中每一個棱鏡都包括面向輸入光的兩個表面，第一微面和第二微面。第一微面和第二微面上附有反射層，具體來說可能是鍍于第一微面和第二微面表面的金屬反射層或介質(zhì)反射層。圖5c為屏幕501的仰視圖。值得說明的是，圖5b和圖5c中的棱鏡陣列并不代表真實的尺寸和比例，實際應(yīng)用中棱鏡陣列中的棱鏡相對于屏幕的尺寸比圖中所示要小得多；這里為了說明方便所以放大顯示。
[0045]圖5d顯不了屏幕上501b區(qū)域的工作原理。圖5d中為一個棱鏡的俯視圖，該棱鏡面向輸入光的兩個表面為第一微面504b和第二微面505b，第一微面504b和第二微面505b表面附有或鍍有反射膜。第一微面504b面向第一輸入光521b，接收并投射第一輸入光521b為第一輸出光511b,第二微面505b面向第二輸入光522b,接收并投射第二輸入光522b為第二輸出光512b。這樣,通過控制棱鏡的形狀，即控制第一微面504b和第二微面505b的法線方向，就可以精確的控制第一輸出光511b和第二輸出光512b的出射方向。同時值得注意的是，第一微面504b在面向第一輸入光521b的同時不面向第二輸入光522b,這樣第二輸入光522b就不會照射到第一微面504b上；同樣道理，第二微面505b在面向第二輸入光522b的同時不面向第一輸入光521b，第一輸入光521b也不會照射到第二微面505b上，這樣可以使第一輸出光和第二輸出光之間的串擾最小化。實際上，即使有少部分第一輸入光入射于第二微面的情況出現(xiàn)，由于第二微面的法線方向不合適，這部分第一輸入光仍不會被投射往第二輸出光的出射方向而形成串擾。
[0046]圖5e則顯示了屏幕501上偏右的501a區(qū)域的工作原理。圖5e中畫出了一個棱鏡的俯視圖，該棱鏡面向輸入光的兩個表面為鍍有反射膜的第一微面504a和第二微面505a。第一微面504a用于接收并投射第一輸入光521a為第一輸出光511a,第二微面505a用于接收并投射第二輸入光522a為第二輸出光512a。與圖5d中的棱鏡略有不同的是，由于區(qū)域501a的位置與區(qū)域501b的位置不同，因此入射光的角度不同，這樣就需要調(diào)整棱鏡的形狀，即調(diào)整第一微面和第二微面的法線方向，使得控制第一輸出光511a和第二輸出光512a的出射方向。具體來說，區(qū)域501a在屏幕的右側(cè)，這樣相較于區(qū)域501b，第一輸入光的入射方向與屏幕的夾角更小(即更接近于平行于屏幕的方向)，而第二輸入光的入射方向與屏幕的夾角更大(即更接近于垂直屏幕的方向)，因此為了實現(xiàn)第一輸出光511a與屏幕中部反射的第一輸出光511b有大致相同的出射方向,第二輸出光512a與屏幕中部反射的第二輸出光512b有大致相同的出射方向，圖5e中的棱鏡相較圖5d中的棱鏡中心更向左偏。[0047]根據(jù)以上設(shè)計思路，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計出整個屏幕不同位置上的棱鏡形狀，此處不做贅述。
[0048]在圖5b至圖5e所示的系統(tǒng)中，微結(jié)構(gòu)層為平行排列的沿豎直方向延伸的棱鏡陣列。實際上若第一投影光源和第二投影光源分別放置于屏幕的上方和下方，則微結(jié)構(gòu)層也可能為平行排列的沿水平方向延伸的棱鏡陣列。因此本發(fā)明對于棱鏡的延伸方向以及投影光源的擺放方位并不做限制。另外，雖然在圖5b至圖5e中棱鏡都是突出于屏幕本體的，但是實際上也可以凹陷進去(凹陷進去也稱之為棱鏡)，凹陷進去所形成的兩個微面同樣可以起到分別反射第一輸入光和第二輸入光的作用。
[0049]在圖5b至5e所示的屏幕結(jié)構(gòu)中，其缺點在于屏幕在上下角度方向上的光線控制不佳，例如屏幕上部的區(qū)域，反射來自比該區(qū)域位置低的輸入光所形成的反射光的出射角度會偏上。這可以使用散射層來解決。散射層可以放置于屏幕前方(即輸入光首先入射于散射層然后再入射于屏幕)，也可能是屏幕的一部分，例如在微結(jié)構(gòu)表面形成散射顆粒層，再例如將微結(jié)構(gòu)表面打毛。在本實施例中，微結(jié)構(gòu)面向輸入光，而實際應(yīng)用中微結(jié)構(gòu)也可能背向輸入光(參考圖6d),即輸入光必須先透射屏幕本體后才能入射于微結(jié)構(gòu)表面,此時散射層也可能是摻入到屏幕本體內(nèi)部的散射顆粒。而為了實現(xiàn)在上下角度方向上散光同時在左右角度方向上的方向控制，優(yōu)選的，散射層在左右角度方向的散射角度小于在上下角度方向的散射角度。例如散射層在左右角度方向上的散射角度很小，為3飛度，同時在上下角度方向上的散射角度為20-50度。這種散射層是現(xiàn)有技術(shù)，例如在表面形成左右方向(水平方向)延伸的微柱面結(jié)構(gòu)，這些微柱面結(jié)構(gòu)可以陣列排列，也可以雜散排列；再例如在屏幕本體內(nèi)摻入沿左右方向(水平方向)延伸的微圓柱體，也可以達到相似的效果。而且，屏幕上部和下部的微柱面結(jié)構(gòu)或微圓柱體可能不同，以控制屏幕上下方向上不同位置有不同的散射方向。至于對散射程度的控制方法，現(xiàn)有的散射技術(shù)中也已經(jīng)包括，此處不贅述?？梢岳斫?，此處所描述的散射技術(shù)和應(yīng)用方法同樣適用于本發(fā)明的其它實施例。
[0050]另一種解決圖5b至圖5e所示的屏幕結(jié)構(gòu)上下角度方向上光線控制不佳的方法是改進屏幕結(jié)構(gòu)，如圖5f所示。圖5f為另一種屏幕結(jié)構(gòu)的正視圖，圖中的微結(jié)構(gòu)層中的微結(jié)構(gòu)與圖5b所示的不同。在圖5f所示的實施例的屏幕中，微結(jié)構(gòu)層包括若干個形狀不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，圖中畫出了 其中4個(為了方便仍然不以原比例畫出，實際微結(jié)構(gòu)要小得多)，微結(jié)構(gòu)5011、5014、5017和5018。首先以微結(jié)構(gòu)5011為例說明每一個微結(jié)構(gòu)的工作原理。
[0051]圖5g是微結(jié)構(gòu)5011的立體不意圖，微結(jié)構(gòu)5011表面包括兩個微面,第一微面5012和第二微面5013，這兩個微面在圖5f中是以這兩個面與屏幕本體的交線表示的。在圖5g中，第一微面5012大體上正朝向第一投影光源551，它與屏幕本體的交線在以第一投影光源551的出光口為圓心的圓上。這樣就有效避免了在上下方向上對光線控制不佳的問題，第一微面5012能夠?qū)⒌谝惠斎牍?21反射為第一輸出光511,且第一輸出光511的方向在上下角度方向和左右角度方向上都是可控的。同樣的道理，第二微面5013用于將第二輸入光522反射為第二輸出光512，第二微面5013大體上正朝向第二投影光源552，其曲面形狀用于控制第二輸出光512的出射方向。第二微面5013與第一微面5012略有不同的是，第二微面5013與屏幕本體的交線為直線段而非曲線段，這條直線段與以第二投影光源的出光口為中心的圓相切。由于直線段較短，所以其效果與曲線段相近，但其加工起來要容易得多。進一步的，第一微面與屏幕本體的交線也可以近似為一條直線段，這樣整個微結(jié)構(gòu)5011就是一個棱錐結(jié)構(gòu),加工難度較小。事實上,微結(jié)構(gòu)5011的頂部也可以不是尖頂而是一條線或者一個平頂。對這些微結(jié)構(gòu)的變形本發(fā)明不做限制。
[0052]可以看出，對于微結(jié)構(gòu)5011，第一微面5012面向第一投影光源而不面向第二投影光源，而第二微面5013面向第二投影光源而不面向第一投影光源。而微結(jié)構(gòu)5011的另外兩個面的設(shè)計原則優(yōu)選的是，盡量不面向第一投影光源和第二投影光源，即盡量少的被第一輸入光和第二輸入光照射到。因此這兩個面就被設(shè)計為沿著從第一投影光源的出光口出發(fā)的放射線方向延伸，或沿著從第二投影光源的出光口出發(fā)的放射線方向延伸。從圖5f中可以看出，對于微結(jié)構(gòu)5011,其位于第一微面5012和第二微面5013下方的微面,是沿著從第一投影光源551的出光口出發(fā)的放射線方向延伸的，而微結(jié)構(gòu)5011的位于第一微面5012和第二微面5013上方的微面，是沿著從第二投影光源552的出光口出發(fā)的放射線延伸的。對于這兩個微面來說，即使被輸入光照射到，由于法線方向不合適，所以并不會造成圖像的串擾，但是會形成雜散光，降低屏幕的效率。與圖5d和圖5e的微結(jié)構(gòu)相比，由于圖5g中的微結(jié)構(gòu)的設(shè)計并不局限于沿某一個特定方向延伸，因此圖5g中的微結(jié)構(gòu)具有更大的設(shè)計自由度，更能夠精確的控制輸出光的走向(左右角度方向和上下角度方向)。
[0053]下面以微結(jié)構(gòu)5014、5017和5018來解釋說明微結(jié)構(gòu)的排列方式。微結(jié)構(gòu)5014包括第一微面5015和第二微面5016,分別正朝向第一投影光源551和第二投影光源552。其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與微結(jié)構(gòu)5011相同，不做重復說明。微結(jié)構(gòu)5017和5018并排的位于微結(jié)構(gòu)5014的下方?？梢钥闯?，為了滿足第一微面和第二微面分別正朝向第一投影光源551和第二投影光源552的條件，微結(jié)構(gòu)5014、5017和5018之間是不能夠完全相接的，而是存在一個空白區(qū)域，這與圖5b所示的結(jié)構(gòu)不同?？梢岳斫猓灰⒔Y(jié)構(gòu)足夠小，這個空白區(qū)域就足夠小。
[0054]與圖5a所示的實施例不同的是，在圖6a所示的另一個實施例中，第一投影光源651和第二投影光源652不再位于屏幕相對的兩側(cè)，而是同時位于屏幕的下側(cè)，并在左右方向上拉開一定距離(參考圖6b)。這樣同樣可以通過屏幕651來實現(xiàn)對第一輸入光和第二輸入光分別投射以形成不同出射方向的第一輸出光和第二輸出光的目的。下面結(jié)合圖6b來做具體的解釋說明。
[0055]在圖6b中，屏幕601上包括多個微結(jié)構(gòu)，圖中只畫出其中4個微結(jié)構(gòu)6011、6014、6015和6016。首先以微結(jié)構(gòu)6011為例說明其工作方法。與圖5g所示的實施例相近的，微結(jié)構(gòu)6011為凸起的微結(jié)構(gòu)，并包括三個微面，其中兩個微面朝向屏幕下方，第一微面6012正朝向第一投影光源651,第二微面6013正朝向第二投影光源652。在圖6b中第一微面和第二微面均以這兩個面與屏幕本體的交線來表示。第一輸入光621入射于第一微面，通過控制第一微面6012的法線方向，可以控制反射光的方向，即控制第一輸出光611的出射方向。同樣的，第二輸入光622入射于第二微面,通過控制第二微面6013的法線方向，可以控制反射光的方向，即控制第二輸出光612的出射方向。
[0056]由于第一投影光源和第二投影光源都位于屏幕的下方而不是相對的，因此在屏幕上有些位置，微結(jié)構(gòu)的第一微面將部分的面向第二投影光源，或微結(jié)構(gòu)的第二微面將部分的面向第一投影光源。在本發(fā)明中，面X “面向”物體Y，指的是從Y發(fā)出的放射線至少有一條會落在面X上，面X “不面向”物體Y，指的是從Y發(fā)出的放射線完全不能落在面X上。例如在本實施例中，從第一投影光源發(fā)出的第一輸入光623入射于第二微面6013上,并被反射為雜散光613。這造成了屏幕效率的下降,但由于光線613的出射方向與第二輸出光612的方向不同，因此并不會形成兩個圖像之間的串擾。
[0057]下面以微結(jié)構(gòu)6014、6015和6016來說明本實施例中微結(jié)構(gòu)之間的排列方式。優(yōu)選的，可以分別以第一投影光源的出光口和第二投影光源的出光口為圓心畫兩組同心圓，兩組同心圓將屏幕分割為小塊，每一個小塊內(nèi)填充一個微結(jié)構(gòu)，這樣就可以滿足每個微結(jié)構(gòu)都具有兩個分別正朝向第一投影光源和第二投影光源的第一微面和第二微面的條件。由此可見，在本實施例中，微結(jié)構(gòu)可能是如圖6b中畫的三棱錐或三棱臺形，但也并不限于此，因為每個微結(jié)構(gòu)的上半部的結(jié)構(gòu)是不受限制的(圖6b中每個微結(jié)構(gòu)的上半部都是空白的)，所以每個微結(jié)構(gòu)的外形也可以填滿由兩組同心圓分割成的小塊，只要不影響第一微面和第二微面的角度即可。
[0058]圖6c和圖6d顯示了本實施例中屏幕的側(cè)視圖的兩種舉例。在圖6c中，微結(jié)構(gòu)層面向輸入光621和622,輸入光直接被微結(jié)構(gòu)層反射形成輸出光611和612。通過控制微結(jié)構(gòu)層中微結(jié)構(gòu)的形態(tài)，可以控制輸出光在豎直方向和水平方向上的出射角度。圖6d則是另一個舉例，在該例子中，微結(jié)構(gòu)層背向輸入光621和622，輸入光首先透射屏幕601的本體后再入射于微結(jié)構(gòu)層的表面，并被反射形成射出光611和612?？梢岳斫?在圖5a至圖5g的實施例中，微結(jié)構(gòu)層同樣可以背向輸入光。
[0059]在圖5a至圖6d所示的實施例中，屏幕均是反射型的，下面結(jié)合圖7說明透射型的屏幕與兩臺投影光源結(jié)合使用的具體方式。如圖7所示，第一投影光源751和第二投影光源752與觀察者位于屏幕701的兩側(cè)。屏幕701具有菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)，第一投影光源751位于屏幕中心偏右的位置，它發(fā)出的第一輸入光721經(jīng)過屏幕701透射并匯聚后，形成第一輸出光711并朝向左側(cè)的觀察者；第二投影光源752位于屏幕中心偏左的位置，它發(fā)出的第二輸入光722經(jīng)過屏幕701透射并匯聚后，形成第二輸出光712并朝向右側(cè)的觀察者。在本實施例中，利用屏幕701的菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)對輸入光進行匯聚和透射，并利用第一輸入光和第二輸入光的入射方向不同來形成不同出射方向的第一輸出光和第二輸出光。
[0060]以上從圖3a至圖7，通過不同投影顯示系統(tǒng)和屏幕結(jié)構(gòu)的實施例，描述了如何控制第一輸出光和第二輸出光的發(fā)射方向，以及如何精確控制輸出光中每一條光線的方向的方法。同時，圖1和圖2則分別描述了應(yīng)用這些投影顯示系統(tǒng)和屏幕結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)的兩種第一輸出光和第二輸出光的光分布及其實際應(yīng)用。實際上，除了圖1和圖2所示的光分布和實際應(yīng)用外，應(yīng)用這些投影顯示系統(tǒng)和屏幕結(jié)構(gòu)，還可以實現(xiàn)其它的輸出光的分布，并實現(xiàn)其它的實際應(yīng)用。圖8a、圖8b、圖8c和圖11所不的就是另外四種舉例。
[0061]如圖8a所不,在該實施例中，從屏幕801上任意一點出射的第一輸出光和第二輸出光都具有相同的光分布，因此只使用屏幕801中心點為例來說明。在圖1和圖2所示的舉例中，屏幕上任意一點發(fā)出的光都具有一個特定方向，而在本舉例中，屏幕上任意一點的輸出光都具有一個特定的方向范圍而不僅僅是一個特定方向。例如如圖8a所不的,第一輸出光為以光線811和813為邊緣光線的光束，第二輸出光為以光線812和814為邊緣光線的光束。此時在水平視角范圍內(nèi)至少存在三個區(qū)域，即以光線811和光線812為邊緣光線的區(qū)域L，以光線812和光線813為邊緣光線的區(qū)域M，和以光線813和光線814為邊緣光線的區(qū)域N。可以理解，區(qū)域L內(nèi)的觀察者能看到第一輸出光而看不到第二輸出光的區(qū)域，區(qū)域N內(nèi)的觀察者能看到第二輸出光而看不到第一輸出光的區(qū)域，而區(qū)域M內(nèi)的觀察者則能同時看到第一輸出光和第二輸出光的區(qū)域。因此，觀察者在區(qū)域L能夠觀看第一投影光源發(fā)出的圖像，在區(qū)域N能夠觀看第二投影光源發(fā)出的圖像；而在區(qū)域M，觀察者能夠同時看到以上兩幅圖像，故而直接觀看會形成串擾。因此在區(qū)域M，觀察者可以佩戴3D眼鏡，該3D眼鏡左右兩個鏡片分別對光進行過濾。例如左鏡片過濾掉第二輸出光而剩下第一輸出光透射，則右鏡片過濾掉第一輸出光而剩下第二輸出光透射；或者反過來，左鏡片過濾掉第一輸出光而剩下第二輸出光透射，貝1J右鏡片過濾掉第二輸出光而剩下第一輸出光透射?？傊箸R片應(yīng)該過濾掉右眼所對應(yīng)的圖像而僅使左眼對應(yīng)的圖像透射，右鏡片應(yīng)該過濾掉左眼所對應(yīng)的圖像而僅使右眼對應(yīng)的圖像透射。
[0062]在目前的3D顯示器中，2D圖像和3D圖像可以選擇和切換，但是卻不可能同時放映。這帶來以下幾個問題:(I) 3D眼鏡一般比較貴，多人同時觀看時可能造成眼鏡不夠用；
(2)不是所有人都習慣佩戴3D眼鏡；(3)對兒童來說還沒有證明3D影像的視覺安全性。圖8a所示的實施例成功的使3D圖像和普通2D圖像同時在一塊屏幕上顯示:站在區(qū)域L和N即可以觀看2D圖像，站在區(qū)域M則可以觀看3D圖像。這種顯示方法顯然將帶來全新的生活體驗。
[0063]在圖8a所示的例子中，在區(qū)域M內(nèi)仍必須使用3D眼鏡來觀看，而3D眼鏡本身是很不方便的，而且3D眼鏡也增加了額外的成本。在圖Sb所示的例子中則避免了使用3D眼鏡。以屏幕上的左側(cè)的區(qū)域801c為例。從屏幕區(qū)域801c上出射的第一輸出光以光線815和光線816為邊緣光線，從屏幕區(qū)域801c上出射的第二輸出光以光線817和光線818為邊緣光線?？梢钥闯龅谝惠敵龉夂偷诙敵龉獠⒉恢丿B。設(shè)存在一個到屏幕為一定距離的觀察者K，其左眼在圖中表示為843a，其右眼在圖中表示為843b，則設(shè)計光線816入射于左眼843a，同時設(shè)計光線817入射于右眼843b。對于屏幕上的其它位置，也按照相同的原則設(shè)計，即第一輸出光和第二輸出光沒有交疊，且相互靠近的兩條邊緣光線分別入射于左眼843a和右眼843b。這樣對于觀察者K來說，其左眼843a能夠看到屏幕上任意一點的第一輸出光且看不到第二輸出光，右眼843b則能夠看到屏幕上任意一點的第二輸出光且看不到第一輸出光，因此只要配合投影光源進行合適的設(shè)置使得第一輸出光所攜帶的圖像對應(yīng)于左眼同時第二輸出光所攜帶的圖像對應(yīng)于右眼，則觀察者K看到的就是3D效果圖像。
[0064]與此同時，觀察者841和觀察者842分別只能看到屏幕上每一點的第一輸出光和第二輸出光，因此看到的是2D圖像。
[0065]圖8c則為圖8b的例子的變形。在圖8b的舉例中，屏幕上每一點的第一輸出光和第二輸出光之間存在一個縫隙，在這個縫隙內(nèi)既看不到第一輸出光也看不到第二輸出光。例如屏幕區(qū)域801c上的第一輸出光邊緣光線816和第二輸出光邊緣光線817之間就是這樣的縫隙。在實際應(yīng)用中這存在一個問題，就是這個系統(tǒng)對于觀察者K的位置要求很高，偏離一點就不能正常的看到3D。例如觀察者K偏左，則其左眼仍然能夠看到第一輸出光，但其右眼就落到了縫隙里看不到第二輸出光。同樣的，這也對屏幕的加工精度提出了非常高的要求。更為優(yōu)化的，是如圖8c所不的,第一輸出光的邊緣光線816和第二輸出光的邊緣光線817更為接近，均同時接近觀察者K的兩眼之間的眉心位置。這樣第一輸出光同樣覆蓋了左眼843a，第二輸出光同樣覆蓋了右眼843b，因此觀察者K的3D視覺效果是不變的，但是這樣對于觀察者K的位置要求，以及屏幕的加工精度的要求都大為降低了，即系統(tǒng)容錯性提高了。當然，第一輸出光的邊緣光線816和第二輸出光的邊緣光線817可以重合,此時系統(tǒng)容錯性最好。
[0066]圖8a至圖8c所示的輸出光的光分布，與圖1和圖2所示的不同的是，對于屏幕上每一個位置的輸出光不再是一條特定方向的光線，而是一個具有一定角度范圍的光束。然而在圖3a至圖7所示的實施例的說明中，都是針對如何控制輸出光的出射方向的，S卩如何實現(xiàn)一條特定方向的光線的輸出光的，這當然可以滿足圖1和圖2所代表的一類輸出光分布，但是卻不能直接的實現(xiàn)圖8a至圖Sc所示的輸出光的光分布。
[0067]實際上，在已經(jīng)能夠控制輸出光沿著特定方向出射(即圖3a至圖7所代表的多個技術(shù)方案)的技術(shù)基礎(chǔ)上，是容易實現(xiàn)輸出光具有一個特定角度范圍的要求的。例如使用散射層，該散射層可以放置于光與屏幕作用光路上的任何位置，也可以和屏幕結(jié)合為一體，其結(jié)合方式在前面已經(jīng)有描述和舉例。該散射層的作用在于將特定方向的光線散射成以原特定方向為中心的散射光束，其作用如圖9所示。圖9是光線散射前后的光強與角度的關(guān)系示意圖，其中曲線911是尖銳的，它代表一條沿特定方向的光線，而該光線經(jīng)過一定的散射后的曲線為912，可見912所代表的為一個以原光線方向為中心進行傳播的光束，其角度范圍取決于散射的程度，散射的越厲害則該角度范圍越大。由此可見，通過控制輸出光沿特定方向出射，再加上控制散射層的散射程度(例如通過控制散射顆粒的折射率、濃度和顆粒度等參數(shù))，就可以控制最終的輸出光的出射角度范圍。
[0068]通過對特定方向傳輸?shù)墓饩€進行散射來控制輸出光的出射角度范圍的方法，存在一個問題。如圖9中的散射后的光分布曲線912，其角度范圍是可以控制的，但是在這個范圍內(nèi)曲線形態(tài)(即光強分布)的控制是比較困難的。例如對于光分布912，呈現(xiàn)了明顯的散射后的光分布特征，即鐘形分布。在該分布的兩個邊界有比較長的拖尾912a。要想實現(xiàn)邊緣陡峭的光分布，使用一般散射的方法是難以做到的。
[0069]一種解決方法是，使用微柱面鏡陣列或微透鏡陣列對光線進行散射可以獲得特定光強分布的散射，該光強分布與微柱面鏡或微透鏡的面型設(shè)計有關(guān)。這是現(xiàn)有技術(shù)，此處不做過多介紹。
[0070]下面結(jié)合圖1Oa至圖1Oc說明另一種實現(xiàn)一定的輸出光出射角度范圍的方法?；仡檲D5e中控制出射光角度的方法，其中通過控制第一微面504a和第二微面504b的法線方向，可以控制第一出射光511a和第二出射光512a的出射方向。圖1Oa至圖1Oc則是對以圖5e作為原型進行改進的三個舉例。
[0071]在圖1Oa中，虛線的三角形表示的是圖5e中的微結(jié)構(gòu)，其中線條504a和504b分別表示原第一微面和原第二微面在左右方向上的截線。在本實施例中，第一微面在左右方向上的截線為曲線1004a，第二微面在左右方向上的截線為曲線1005a?？梢岳斫?，第一輸入光1021a入射于第一微面1004a后的反射光IOlla (也就是第一輸出光)不再只有唯一的出射方向，而是入射于不同位置的光有不同的反射方向；同樣的，第二輸入光1022a入射于第二微面1005a后的反射光1012a (也就是第二輸出光)也不是只有唯一的出射方向，而是入射于不同位置的光有不同的反射方向。因此只要控制微結(jié)構(gòu)的第一微面和第二微面的曲面形態(tài)，就可以控制輸出光的光分布為特定的分布。具體來說，第一微面1004a在微結(jié)構(gòu)頂端附近的位置與原第一微面504a基本一致，由這部分反射出來的光線IOlla-1與圖5e中的第一輸出光511a為同一方向。第一微面1004a越遠離微結(jié)構(gòu)的頂端其相對于原第一微面504a就越向內(nèi)彎曲，這導致由第一微面1004a中部反射出來的光線1011a_2的出射角度相對于光線IOlla-1更為遠離屏幕的法線方向，由第一微面1004a底部反射出來的光線1011a-3的出射角度相對于光線1011a-2更為遠離屏幕的法線方向?？梢岳斫猓捎诘谝晃⒚?004a是以原第一微面504a的形狀為起始的漸變的曲面，因此第一輸出光IOlla就是以原第一輸出光511a為邊緣光線的向遠離屏幕法線方向擴展的光束。第二微面1005a的設(shè)計方法與此相同。這種方法適用于產(chǎn)生圖8a至圖Sc的光分布的屏幕設(shè)計；值得指出的是，這種方法特別適用于圖8b和圖Sc這種對于至少一條邊緣光線(例如邊緣光線816和817)角度要求很高的情況。
[0072]由以上說明可知，第一輸出光IOlla的分布與第一微面1004a的形狀有關(guān)，對第一微面1004a形狀的適當設(shè)計可以相應(yīng)的控制第一輸出光IOlla的分布。同樣的，對第二微面1005a的形狀的設(shè)計可以控制第二輸出光1012a的分布。
[0073]在這個舉例中，第一微面1004a和第二微面1005a都是連續(xù)變化的，而實際上連續(xù)曲面不容易加工，因此可以使用多段法線方向連續(xù)變化的平面拼接來近似。
[0074]圖1Ob所示的例子與圖1Oa所達到的目的相同，而區(qū)別在于，第一微面1006a不是連續(xù)的，而是呈鋸齒形。每個鋸齒有一個面面向輸入光，這些面的法線方向連續(xù)變化使得輸出光實現(xiàn)特定的分布。
[0075]圖1Oc所示的例子與圖1Oa所達到的目的相同，但是在圖1Oc所示的例子中，原微結(jié)構(gòu)(虛線所示的三角形)被多個子微結(jié)構(gòu)所取代，每個子微結(jié)構(gòu)都能夠依靠其兩個微面對輸入光的反射對輸出光的方向進行控制，但每個微面所產(chǎn)生的輸出光的方向不同且連續(xù)變化，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)輸出光的特定分布。
[0076]可以理解，圖1Oa至圖1Oc雖然是針對圖5e中的微結(jié)構(gòu)進行改進，但這只是舉例而已，實際上相同的方法也可以應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例，只要這個實施例中通過控制微結(jié)構(gòu)、棱鏡單元、反射單元等的形狀來控制輸出光的方向，就可以進一步的應(yīng)用圖1Oa或圖1Ob對圖5e的改進方法，通過改變微結(jié)構(gòu)、棱鏡單元、反射單元的表面形狀來控制輸出光的分布，或者應(yīng)用圖1Oc對圖5e結(jié)構(gòu)的改進方法，通過使用多個不同的子微結(jié)構(gòu)、子棱鏡、子反射單元為一個整體來控制輸出光的分布。進一步的，圖1Oa至圖1Oc的改進方法，也可以與散射相結(jié)合以實現(xiàn)輸出光的角度控制。
[0077]圖11所示的是輸出光分布的另一種舉例，它是對圖2的一種改進型。圖2所示的光分布中，第一輸出光入射于觀察者的左眼241,第二輸出光入射于同一個觀察者的右眼242 ;這使得除了這個觀察者之外，其它位置都不能觀看到3D圖像。圖11所示的光分布則解決了這個問題，它可以使得在屏幕1101前的兩個方位上能夠看到3D圖像。在圖11的投影顯示系統(tǒng)中，存在兩個觀察者，第一觀察者的左眼和右眼分別表示為1141和1142，第二觀察者的左眼和右眼分別表示為1143和1144。屏幕1101上任意位置上出射的第一輸出光是分立的兩束，分別入射于第一觀察者和第二觀察者的左眼，而屏幕1101上任意位置上出射的第二輸出光也是分立的兩束，分別入射于第一觀察者和第二觀察者的右眼。這樣第一觀察者和第二觀察者就都可以看到3D圖像了。
[0078]由上面描述可知，圖2中的屏幕201上任意位置的出射光為一條具有特定出射方向的光線或光束，與之不同的是，圖11中屏幕1101上任意位置的出射光為分立的兩條具有不同的特定出射方向的光線或光束。要實現(xiàn)屏幕1101的這個效果，只需要對前面描述的屏幕技術(shù)進行改進。[0079]仍然以圖5e的實施例為例，通過對圖5e的屏幕結(jié)構(gòu)進行改進使其實現(xiàn)具有分立的兩條具有不同特定出射方向的光線的功能。如圖12a和圖12b就是對圖5e的兩種改進的舉例。圖12a中，第一微面變成由兩個具有不同法線方向的小塊平面1204a-l和1204a_2拼接而成。第一輸入光1221a入射于小塊平面1204a_l和1204a_2的表面,可以通過控制小塊平面1204a-l的法線方向使得從其表面出射的第一輸出光1211a-l入射于第一觀察者的左眼1141，同時可以通過控制小塊平面1204a-2的法線方向使得從其表面出射的第一輸出光1211a-2入射于第二觀察者的左眼1143。同樣的，第二微面1105a也由兩個具有不同法線方向的小塊平面拼接而成，第二輸入光1222a入射于這兩塊小塊平面上；可以通過控制這兩塊小塊平面的法線方向來控制形成分立的兩束第二輸出光1212a并分別入射于第一觀察者的右眼1142和第二觀察者的右眼1144。
[0080]圖12b所示的屏幕微結(jié)構(gòu)實際上是圖12a的一種變形。將圖12a中第一微面1204a的兩個小塊平面1204a-l和1204a-2與第二微面1205a的兩個小塊平面進行分別的組合以形成獨立的相互鄰接的兩個子微結(jié)構(gòu)，每一個子微結(jié)構(gòu)的面向第一輸入光的面分別與小塊平面1204a-l和1204a-2相同。可以理解，這些子微結(jié)構(gòu)作為一個整體，這樣可以達到與圖12a的屏幕微結(jié)構(gòu)同樣的技術(shù)效果。
[0081]可以理解，圖12a和圖12b中僅以在屏幕前有兩個觀察者來舉例。推而廣之，如果有η個觀察者存在，則對于圖12a的屏幕微結(jié)構(gòu)來說，每個微面就需要由法線方向不同的η個小塊平面拼接而成，這些微面分別對應(yīng)于η個觀察者；而對于圖12b的屏幕微結(jié)構(gòu)來說，就需要η個相鄰的形狀不同的子微結(jié)構(gòu)，每個微結(jié)構(gòu)上的微面分別對應(yīng)于η個觀察者。
[0082]可以理解，圖12a、圖12b雖然是針對圖5e中的微結(jié)構(gòu)進行改進，但這只是舉例而已，實際上相同的方法也可以應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例，只要這個實施例中通過控制微結(jié)構(gòu)、棱鏡單元、反射單元的形狀來控制輸出光的方向，就可以進一步的應(yīng)用圖12a對圖5e結(jié)構(gòu)的改進方法，通過改變微結(jié)構(gòu)、棱鏡單元、反射單元的形狀來控制輸出光的分布，或者應(yīng)用圖12b對圖5e結(jié)構(gòu)的改進方法，通過使用多個不同的子微結(jié)構(gòu)、子棱鏡、子反射單元為一個整體來控制輸出光的分布。
[0083]截至此處，我們可以對本發(fā)明所保護的輸出光的分布進行一個總結(jié)。圖1和圖2描述了輸出光分布的最簡單的形態(tài)，即從屏幕上任意點出射的第一輸出光和第二輸出光分別為一束特定方向的光束。圖8a至圖Sc描述了輸出光分布的另一種形態(tài)，即從屏幕上任意點出射的第一輸出光和/或第二輸出光具有一個特定的角度范圍，特別優(yōu)選的是在這個角度范圍內(nèi)輸出光的光強分布可控。圖12a和圖12b則描述了輸出光分布的第三種形態(tài)，即從屏幕上任意點出射的第一輸出光和第二輸出光分別為η (η不小于2)束分立的、不同方向出射的光束。
[0084]這三種輸出光分布的形態(tài)都是可以實現(xiàn)的，這在前面已經(jīng)通過實施里詳細的介紹了。而且，這三種輸出光分布的形態(tài)都是有其重要的應(yīng)用價值的。可以理解，第二種和第三種輸出光分布的形態(tài)可以混合使用，即第一輸出光和/或第二輸出光還可以是η (η不小于
2)束分立的子光束，每個子光束具有一個特定的角度范圍?；旌鲜褂玫诙N和第三種輸出光分布可以得到這樣的實際使用效果:在屏幕前有兩個或以上的位置具有3D視覺效果，而其它位置則可以同時觀看2D圖像。對以上這些輸出光分布進行一個總結(jié)，就是輸出光分布需要滿足以下的條件，就是屬于本發(fā)明的保護范圍: 觀察者在觀看屏幕上至少一點A時，整個水平視角范圍內(nèi)必然存在相互不交疊的第一視角范圍和第二視角范圍，在第一視角范圍內(nèi)能夠看到第一輸出光且看不到第二輸出光，在第二視角范圍內(nèi)能夠看到第二輸出光且看不到第一輸出光。
[0085]在以上說明中，以兩束輸出光為舉例，實際上也可以根據(jù)本發(fā)明的方法實現(xiàn)更多束的輸出光。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的描述，容易推而廣之得到多束輸出光的投影顯示系統(tǒng)和屏幕的設(shè)計方法。
[0086]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種屏幕，用于接收投影在其上的輸入光，其特征在于: 所述輸入光按照特定光學屬性的不同分為第一輸入光和第二輸入光，第一輸入光和第二輸入光所承載的圖像不同； 所述屏幕包括棱鏡陣列，在棱鏡陣列的兩個法線方向不同的第一表面和第二表面上分別附有第一濾光膜和第二濾光膜，第一濾光膜將入射于第一表面的第一輸入光以折射或反射的方式投射出來以形成屏幕的第一輸出光，同時將入射于第一表面的第二輸入光吸收或?qū)忡R陣列的背向第一輸出光出射方向的一側(cè)，第二濾光膜將入射于第二表面的第二輸入光以折射或反射的方式投射出來以形成屏幕的第二輸出光，同時將入射于第二表面的第一輸入光吸收或?qū)忡R陣列的背向第二輸出光出射方向的一側(cè)； 第一輸出光和第二輸出激光具有不同的出射方向，使得在觀看屏幕上至少一點A時，整個水平視角范圍內(nèi)必然存在相互不交疊的第一視角范圍和第二視角范圍，在第一視角范圍內(nèi)能夠看到第一輸出光且看不到第二輸出光，在第二視角范圍內(nèi)能夠看到第二輸出光且看不到第一輸出光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屏幕，其特征在于，第一輸入光和第二輸入光從同一投影光源同時或分時出射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屏幕，其特征在于，所述第一視角范圍位于從屏幕上A點到觀察者眉心的連線方向以左的視角范圍內(nèi)，所述第二視角范圍位于屏幕上A點到觀察者眉心的連線方向以右的視角范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屏幕，其特征在于，在整個水平視角范圍內(nèi)還包括位于第一視角范圍和第二視角范圍之間的第三視角范圍，在第三視角范圍內(nèi)能夠同時看到第一輸出光和第二輸出光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的屏幕，其特征在于，所述第一表面和第二表面是棱鏡陣列中一個棱鏡單元上的兩個面，或者第一表面和第二表面分別是棱鏡陣列中兩個棱鏡單元上的對應(yīng)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的屏幕，其特征在于: 所述輸入光按照波長的不同分為第一輸入光和第二輸入光； 所述第一濾光膜包括第一組三個高透過率波段，分別對應(yīng)于藍色、綠色和紅色波段，這三個波段對應(yīng)于第一輸入光所承載圖像的三個基色；同時所述第二濾光膜包括第二組三個高透過率波段，分別對應(yīng)于藍色、綠色和紅色波段，這三個波段對應(yīng)于第二輸入光所承載圖像的三個基色；其中第一組和第二組高透過率波段在波長上相互交叉； 或者，所述第一濾光膜包括第一組三個高反射率波段，分別對應(yīng)于藍色、綠色和紅色波段，這三個波段對應(yīng)于第一輸入光所承載圖像的三個基色；同時所述第二濾光膜包括第二組三個高反射率波段，分別對應(yīng)于藍色、綠色和紅色波段，這三個波段對應(yīng)于第二輸入光所承載圖像的三個基色；其中第一組和第二組高反射率波段在波長上相互交叉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的屏幕，其特征在于，在所述棱鏡陣列背向第一輸出光和第二輸出光出射方向的一側(cè)還包括吸收層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的屏幕，其特征在于: 所述棱鏡陣列中包括至少一個棱鏡，該棱鏡的至少一個表面為曲面或由多個具有不同法線方向的小塊平面拼接而成，使得從該棱鏡射出的第一輸出光和/或第二輸出光的方向分布為預定的分布； 或者，所述棱鏡陣列中包括η個相鄰的子棱鏡，η大于等于2，這η個子棱鏡用于投射第一輸出光和/或第二輸出光的對應(yīng)平面的法線方向不同，使得這η個子棱鏡作為一個整體所投射的第一輸出光和/或第二輸出光的方向分布為預定的分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的屏幕，其特征在于，還包括散射層，該散射層獨立于屏幕的其它元件或者是其它元件的一部分；所述散射層在水平角度方向的散射角度小于在豎直角度方向的散射角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的屏幕，其特征在于，所述散射層包括陣列排布或雜散排布的沿水平方向延伸的多個柱面或柱體。
【文檔編號】G03B21/60GK103809359SQ201310464074
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】吳震 申請人:吳震