DE10245881A1

DE10245881A1 - Kontrasterhöhende Bildwand

Info

Publication number: DE10245881A1
Application number: DE10245881A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Phys. Rickers; Michael Dr.rer.nat. Vergöhl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-08
Also published as: KR20050083706A; WO2004031852A1; KR100982319B1; AU2003280347A1; EP1546802A1; JP2006501504A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildwand zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder unter Verwendung von einer oder mehreren monochromatischen Laserlichtquelle(n), wobei die Bildwand eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung aufweist und die Bildwand zudem zur Erhöhung der räumlich selektiven Reflexion eine strukturierte Lackschicht aus einem härtbaren Lack enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontrasterhöhende Bildwand für die Darstellung statischer oder bewegter Bilder mittels Rufprojektion durch eine schmalbandige Lichtquelle, wie zum Beispiel einer oder mehrerer monochromatischer Lichtquellen.
Um projektierte Bilder möglichst unbeeinflusst von Störlicht, wie Tageslicht oder künstlicher Raumbeleuchtung, betrachten zu können, sollte das Reflexionsvermögen der Bildwand für den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts gering sein, ausgenommen für die Wellenlängen, die der Strahlung der Lichtquelle beziehungsweise der Lichtquellen entsprechen. Für die großflächige Auflichtprojektion insbesondere farbiger Bilder mittels Laserlichtquellen oder anderer mehr oder weniger schmalbandiger Lichtquellen für mehrere Primärvalenzen (etwa rot, grün, blau [RGB] wie LCD-Projektion oder CRT-Projektion) sind daher Bildwände wünschenswert, die ein stark wellenlängenselektives Reflexionsverhalten aufweisen: Das heißt, das Reflexionsvermögen der Bildwand für die Wellenlängen, die den zur Projektion verwendeten Primärvalenzen entsprechen, sollte möglichst hoch sein und für die anderen Wellenlängen zum Beispiel aus dem Umgebungslicht möglichst gering.
Im Sinne der Erfindung wird unter Reflexion die gesamte von der Bildwand zurückgestreute oder reflektierte Lichtintensität, bezogen auf die einfallende Intensität, verstanden.
Darüber hinaus sollte die Reflexion der Bildwand für diese Wellenlängen eine wählbare räumliche Winkelcharakteristik aufweisen, wobei die Reflexion in einem definierten Abstrahlwinkelbereich erfolgt, damit kein oder nur wenig Licht in solche Raumwinkelbereiche emittiert wird, in denen sich kein Betrachter aufhält. Idealerweise sollte die Reflexion in einem Winkelbereich von +/– 40° erfolgen, wobei von der Normalen auf die Bildwand horizontal nach links beziehungsweise nach rechts gemessen wird. Durch die räumliche Winkelcharakteristik wird eine spiegelnde Reflexion vermieden und statt dessen eine diffuse Reflexion bewirkt.
Um die statischen oder bewegten Bilder auf einer Bildwand auch bei Tageslicht deutlich und ungestört vom Tages- oder sonstigem Umgebungslicht beziehungsweise Störlicht wahrnehmen zu können, sollte die Bildwand spektral und räumlich selektives Reflexionsvermögen aufweisen.
Es wurden bereits verschiedene Vorschläge zur Verbesserung nicht nur der spektralen Selektivität, sondern zugleich auch der räumlichen Selektivität der Reflexion von Bildwänden gemacht.
So wird in DE 197 47 597 eine Bildwand beschrieben, bei der die spektrale Selektivität für monochromatisches Licht wie Laserlicht durch ein Mehrschichtsystem bewirkt wird, das aus Schichten aus dielektrischen Materialien aufgebaut ist, die abwechselnd hoch- und niedrigbrechend sind. Durch dieses Mehrschichtsystem, das als Interferenzfilter wirkt, wird die Reflektivität für die Wellenlängen des monochromatischen Laserlichts erhöht und außerhalb der Wellenlängenbereiche des Projektionslichtes abgesenkt.
Zur Einstellung der Winkelcharakteristik werden auf der Bildwand Pigmente in einer separaten Lackschicht vorgesehen.
DE 199 01 970 beschreibt eine spektral selektiv reflektierende Bildwand für die Rufprojektion mit schmalbandigem, insbesondere monochromatischem, Licht, wie es zum Beispiel von Lasern erzeugt wird, bei der die spektrale Selektivität durch eine Beschichtung aus cholesterischen Polymeren bewirkt wird.
Zur Einstellung der räumlichen Winkelcharakteristik wird hier die Oberfläche des Substrats, auf das die Beschichtung aufgebracht ist, strukturiert.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verwendung von Pigmenten zur Einstellung der Winkelcharakteristik zwar die gewünschte diffuse Reflektivität erhalten wird, jedoch andererseits durch die Partikel eine hohe Streuung verursacht wird. Diese hohe Streuung bewirkt, dass Licht, welches zuerst diese streuende Schicht durchlaufen muss, ehe es zur spektralselektiven Beschichtung vordringen kann, bereits in der Streuschicht selbst spektral unselektiv zurückemittiert wird, so dass im Ergebnis die spektrale Selektivität der Bildwand verringert oder sogar zerstört wird.
Erfolgt die Einstellung der Winkelcharakteristik durch Strukturierung der Oberfläche des Substrats, kann hierbei grundsätzlich die spektral selektiv reflektierende Beschichtung auf die strukturierte Fläche selbst aufgetragen werden, wobei sich die Struktur auf die Beschichtung überträgt. Alternativ kann zuerst die spektral selektiv reflektierende Beschichtung auf das glatte Substrat erfolgen, und dann die strukturierte Schicht aufgetragen werden. In Kombination mit Interferenzfiltern z. B. ergibt sich das Problem, dass im Fall einer Beschichtung auf ein strukturiertes Substrat die spektrale Selektivität leidet, da sich die Peakpositionen der Wellenlängen im Spektrum ändern und der Untergrund stärker reflektiert, wie nachstehend ausführlicher im Zusammenhang mit 2 diskutiert.
Bei umgekehrter Reihenfolge, das heißt für den Fall, dass zuerst die spektral selektiv reflektierende die Beschichtung auf das glatte Substrat aufgetragen wird, muss auf das Schichtsystem eine streuende Fläche aufgebracht werden. Dies geschieht üblicherweise durch mechanische Bearbeitung der Filterschicht, wodurch diese Beanspruchungen ausgesetzt ist und zerstört werden kann.
Es bestand daher Bedarf an einer Möglichkeit, die räumliche Winkelcharakteristik von spektral selektiv reflektierenden Bildwänden einstellen zu können, ohne dass die vorstehend genannten Probleme auftreten. Zudem sollte die Einstellung auf einfache Art und Weise durchführbar sein und insgesamt eine Verbesserung der räumlich selektiven Reflektivität von Bildwänden ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine kontrasterhöhende Bildwand, die ein Substrat und eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung enthält, wobei die Bildwand mindestens eine räumlich reflektierende Schicht aufweist, die aus einem härtbaren Lack gebildet ist.
Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung von härtbaren Lacken zur Ausbildung von derartigen räumlich reflektierenden Schichten.
Für die erfindungsgemäße Bildwand kann eine beliebige bekannte spektral selektiv reflektierende Beschichtung eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel in der vorstehend genannten Deutschen Patentanmeldung DE 197 47 597 A1 , in der internationalen Anmeldung WO 98/36320 und in dem Deutschen Patent DE 199 01 970 C2 beschrieben sind, auf die hier in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird und die voll inhaltlich in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen werden.
Erfindungsgemäß wird die räumlich selektive Reflexion durch eine Schicht mit strukturierter Oberfläche bewirkt, die aus einem härtbaren Lack besteht.
Die Strukturierung ergibt sich hier im Verlauf der Härtung derartiger Lackschichten durch Polymerisation und Vernetzung der eingesetzten Ausgangsmaterialien, wobei es zu Schrumpfungsprozessen kommt, die zur Mikrofaltung der Oberfläche führen. Durch diese Mikrofaltung ergibt sich auf der Oberfläche der Lackschicht die gewünschte Strukturierung.
Geeignete Verfahren und Materialien für erfindungsgemäß einsetzbare strukturierte Lackschichten sind in der Deutschen Patentanmeldung DE 198 42 510 A1 prinzipiell beschrieben. Es wird hier ganz allgemein ein Verfahren zur Herstellung von dekorativen und funktionellen Oberflächen auf starren oder flexiblen Substraten offenbart, ohne jedoch auf konkrete Anwendungen Bezug zu nehmen. Die dort beschriebenen Verfahren und Materialien können prinzipiell auch für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten strukturierten Lackschicht verwendet werden.
Bei den für die vorliegende Erfindung einsetzbaren Lacken handelt es sich vorzugsweise um Elektronenstrahl- oder UV-härtende Farb- und Lackschichten. Prinzipiell werden diese Farb- oder Lackschichten erhalten, indem Ausgangsmischungen aus polymerisier- und vernetzbaren Mono- und Oligomeren mit oder ohne Photoinitiator auf an sich übliche Art und Weise auf eine geeignete Unterlage aufgebracht und mittels geeigneter Strahlung gehärtet werden. Das Ausmaß der Mikrofaltung und damit das Erscheinungsbild der Strukturierung variiert dabei in Abhängigkeit des eingesetzten Monomer-/Oligomersystems, Schichtdicke, UV-Wellenlänge, Art des Substrats und Beschichtungstechnik. Somit lässt sich durch einfache Variation der genannten Parameter je nach Bedarf die Strukturierung gezielt einstellen.
Geeignete Lacke beziehungsweise Lacksysteme sind ausführlich in DE 198 42 510 A1 beschrieben.
Beispiele für geeignete Ausgangsmaterialien sind Acrylate, Epoxide, Vinylether, unsubstituierte und substituierte Styrole und Mischungen davon. Diese können in geeigneten Lösungsmitteln vorliegen. Die Acrylate weisen hierbei vorzugsweise eine Funktionalität von 2 oder mehr auf.
Die Härtung dieser Materialien erfolgt üblicherweise durch Bestrahlung mit monochromatischem UV-Licht mit einer für das jeweilige System geeigneten Wellenlänge. Für die Härtung wird vorzugsweise monochromatisches UV-Licht einer Wellenlänge eingesetzt, das noch in der Lage ist, direkt Polymerradikale für die Polymerisation und Vernetzung zu bilden, im UV-Absorptionsbereich der Lackkomponente liegt und eine Härtung mit vertretbarer Photonendosis ermöglicht.
Prinzipiell können alle Wellenlängen, die in der Lage sind, in der durchstrahlten Zone der Lackschicht die Härtung zu bewirken, zur Erzeugung der Mikrofaltung eingesetzt werden, sofern sie den Absorptionsspektren der Lackkomponenten entsprechen.
Beispiele für kommerziell erhältliche Strahler, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, ist ein Excimer-UV-Laser, der monochromatisches UV-Licht bei 172 nm und 222 nm emittert, wie er zum Beispiel von Heraeus Noblelight erhältlich ist. Geeignet ist zudem ein Argon-Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 126 nm.
Da Luft kurzwellige UV-Strahlung unter Ozonbildung absorbiert, sollte die Bestrahlung zur Aushärtung und Faltung der Lackschicht vorzugsweise in inerter Atmosphäre erfolgen.
Es hat sich gezeigt, dass mit abnehmender Wellenlänge die Eindringtiefe der Photonen in die Lackschicht geringer ist und damit eine feinere Strukturierung erhalten wird. So wird mit Wellenlängen von kleiner 200 nm im Allgemeinen eine feine, nicht sichtbare Mikrofaltung ausgebildet und mit größeren Wellenlängen von 200 nm und mehr größere Strukturen, die sichtbar sind. Zudem hat sich gezeigt, dass bei längenwelliger Strahlung (222 nm) das Peak-Valley-Verhältnis der Oberflächenrauhigkeit und -welligkeit mit zunehmender Dicke der Lackschicht stärker wächst als bei kurzwelliger Bestrahlung (172 nm).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lackkomponente Urethandiacrylat gewählt, vorzugsweise zusammen mit einem flexiblen Reaktivverdünner.
Mit solchen flexiblen Systemen lassen sich feine Mattglanzstrukturen erhalten. Für die Härtung kann ein Strahler, wie er vorstehend genannt ist, eingesetzt werden.
Für die Herstellung der strukturierten Lackschicht können die Ausgangskomponenten in reiner Form, mit organischen Lösungsmitteln verdünnt oder als wässrige Dispersion vorliegen. Die Ausgangskomponenten können Mischungen aus strahlenpolymerisierbaren Mono-/Oligomeren und flüssigen oder gelösten, nicht strahlenchemisch polymerisierbaren Polymeren sein. Für die Verarbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Viskosität der Ausgangskomponenten im Belichtungszeitpunkt weniger als 10.000 mPa·s beträgt.
Grundsätzlich können auch höherviskose Ausgangsmaterialien verarbeitet werden, wobei jedoch im Allgemeinen unterstützende Maßnahmen erforderlich sind. So lassen sich höherviskose Acrylate mit thermischer Unterstützung strukturieren.
Systeme mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung weisen eine für die Mikrofaltung vorteilhafte Schrumpfung auf und verfügen über die erforderliche UV-Reaktivität.
Die Dicke der Lackschicht wird in einem für Bildwände üblichen Bereich gewählt. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäß verwendete Lackschicht eine Dicke auf, die in einem Bereich von 5 bis 15 μm liegt.
Es versteht sich jedoch, dass für die vorliegende Erfindung prinzipiell auch Lackschichten verwendet werden können, bei denen die Härtung durch andere Mechanismen als durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder UV-Licht erfolgt, so lange eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche auftritt, beispielsweise durch Strahlung anderer Wellenlängen oder Wärme etc.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben.
Diese zeigen in:
1 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bildwand mit unterschiedlicher Anordnung der räumlich selektiv reflektierenden Schicht,
2 einen Vergleich der optischen Leistung einer erfindungsgemäßen Bildwand mit planarem Substrat mit einer Bildwand mit strukturiertem Substrat,
3 eine Darstellung der Winkelabhängigkeit der Reflexion einer erfindungsgemäßen Bildwand mit unterschiedlich fein strukturierter Lackschicht,
4 eine schematische Darstellung der Entwicklung einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung mit einem genetischen Algorithmus, und
5 ein Diagramm des spektralen Verlaufs einer nach einem Verfahren gemäß 4 erhaltenen Bildwand.
Wie in den beiden Ausführungsformen a und b in 1 gezeigt, kann die erfindungsgemäß eingesetzte strukturierte Lackschicht 1 beliebig angeordnet sein, wobei sie sich oberhalb (1a) oder unterhalb (1b) der spektralselektiven Beschichtung 2 befinden kann. In der gezeigten Darstellung befindet sie sich unmittelbar über beziehungsweise unter der spektralselektiven Beschichtung 2, wobei die einzelnen Schichten auf einem Substrat 3 angeordnet sind.
Während die strukturierte Lackschicht 1 für die Streuung des auf die Bildwand projektierten Lichtes sorgt, hier durch die Pfeile 4, 5, 6 und 7 veranschaulicht, wird durch die Beschichtung 2 spektrale Selektivität erreicht.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Bildwand ist, dass räumliche Selektivität mittels eines dünnen, flexiblen, strukturierten Films erhalten wird, dessen streuende Eigenschaften sich im Verlauf der Herstellung sehr fein justieren lassen.
Ein weiterer Vorteil, der insbesondere bei einer Anordnung gemäß 1a auftritt, bei der die strukturierte Lackschicht 1 auf die spektral selektive Beschichtung 2 aufgebracht ist, liegt darin, dass durch die Strukturierung der Oberfläche wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, die zunächst aufgebrachte spektral selektive Beschichtung 2 keinerlei mechanischen Einwirkungen ausgesetzt ist, die diese beschädigen oder gar zerstören könnte.
Als Substrat 3 kann prinzipiell ein beliebiges Material verwendet werden, wie es für die Herstellung derartiger Bildwände an sich bekannt ist. Beispiele für Materialien sind Glas oder Kunststoff. Das Substrat 3 kann transparent oder nicht transparent sein. Im Falle eines transparenten Substrates 3 kann die Bildwand zum Beispiel für eine Projektion auf durchsichtigen Glas- oder Kunststoffflächen verwendet werden, wie auf Fensterscheiben, als Head-Up-Display oder ähnliches. Im Falle eines nicht transparenten Substrates 3 kann das Substrat stark absorbierend sein, indem es zum Beispiel schwarz eingefärbt ist, so dass es für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts minimale Remission zeigt. Das Substrat kann aus einem flexiblen oder starren Material bestehen. Ein Beispiel für ein flexibles Substrat ist eine Kunststofffolie.
Wird die Lackschicht 1 wie in 1a gezeigt, auf der spektral selektiven Beschichtung 2 aufgebracht, wird für die Lackschicht 1 ein klarer Lack gewählt. Wird dagegen die Lackschicht 1 zwischen dem Substrat 3 und der spektral selektiven Beschichtung 2 aufgebracht, kann ein beliebig transparentes oder nicht transparentes Material, das für Licht mehr oder weniger durchlässig ist, verwendet werden. Beispielsweise kann in diesem Fall die Lackschicht mit geeigneten Farbstoffen und/oder Pigmenten eingefärbt sein.
So kann zum Beispiel anstelle des vorstehend genannten nicht transparenten Substrats eine entsprechend absorbierende Lackschicht auf einem an sich transparenten Substrat aufgebracht sein.
Es wurde zudem beobachtet, dass der Zusatz von Pigmenten für die Ausbildung der Mikrofaltung förderlich ist. Zur Förderung der Mikrofaltung können daher in der Lackschicht entsprechende als Keime für die Mikrofaltung wirkende Materialien vorliegen.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann für die erfindungsgemäße Bildwand eine beliebige an sich bekannte, spektral selektiv reflektierende Beschichtung verwendet werden.
So kann die spektral selektive Beschichtung 2 aus einer oder mehreren cholesterischen Polymerschichten gebildet sein, wie sie in DE 199 01 970 C2 beschrieben sind. Hierbei wird spektrale Selektivität auf Basis der Eigenschaften von cholesterischen Polymeren erzielt, die als einzelne Schicht die Fähigkeit besitzen, zirkular polarisiertes Licht einer bestimmten Händigkeit (das heißt entweder rechts- oder linkszirkular) und damit jeweils 50% des unpolarisierten Lichtes in einem bestimmten Wellenlängenband Δλ zu reflektieren. Für eine optimale Reflektivität sollte die Bildwand für jede ausgewählte Wellenlänge mindestens 2 zueinander enantiomere cholesterische Polymerschichten mit entsprechender Selektivität für diese Wellenlänge aufweisen. Da cholesterische Enantiomere entgegengesetzt zirkular polarisiertes Licht reflektieren, wird in diesem Fall sowohl der rechts- als auch der linkszirkular drehende Anteil des unpolarisierten Lichtes in dem betreffenden Wellenlängenband reflektiert.
Eine für RGB-Strahlung besonders geeignete Bildwand sollte daher mindestens sechs Schichten aus cholesterischen Polymeren aufweisen, wobei jeweils zwei einander benachbarte Schichten zueinander enantiomer sind und das blaue, rote beziehungsweise grüne Licht reflektieren, so dass insgesamt eine Reflexion von annähernd 100% für alle RGB-Wellenlängen erzielt werden kann.
Die spektral selektive Beschichtung 2 kann aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus mindestens zwei dielektrischen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut sein. Die mindestens zwei Schichtmaterialien sind abwechselnd auf dem Substrat aufgebracht, so das jeweils eine niedrigbrechende Schicht und eine hochbrechende Schicht abwechselnd auf dem Substrat angeordnet sind. Die jeweiligen Schichtdicken der hoch- beziehungsweise niedrigbrechenden Schichten eines Systems können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Perioden von jeweils einer hochbrechenden Schicht mit einer ersten Schichtdicke und einer niedrigbrechenden Schicht mit einer zweiten Schichtdicke vorgesehen sein. In diesem Fall spricht man von periodischer Anordnung.
Die Dicken der hochbrechenden und der niedrigbrechenden Schicht können aber auch variieren; in diesem Fall spricht man von nichtperiodischer Anordnung.
Beispiele für geeignete dielektrische Materialien für die vorstehende Beschichtung 2 aus Schichten mit niedrig- und hochbrechenden Materialien sind die Oxide oder Nitride von Silizium, Aluminium, Titan, Wismut, Zirkon, Cer, Hafnium, Niob, Scandium, Magnesium, Zinn, Zink, Yttrium und Indium. Bevorzugte Beispiele für niedrigbrechende Materialien sind SiO₂ und MgS₂ sowie insbesondere Al₂O₃.
Bevorzugte Beispiele für hochbrechende Materialien sind Titanoxid und Nioboxid sowie Si₃N₄.
Beispiele für bevorzugte Kombinationen von hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien sind Siliziumdioxid als niedrigbrechendes Material und Titandioxid in der Rutilphase beziehungsweise in der Anatasphase als hochbrechendes Material sowie die Kombinationen SiO₂/Si₃N₄ und insbesondere Al₂O₃/Si₃N₄.
Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Material ist das System Si₁-x-yO_xN_y mit variabler Schichtdicke, bei dem sich der Brechungsindex durch Variation der Nitridkonzentration einstellen lässt.
Derartige Beschichtungen aus einem mehrlagigen Schichtsystem aus einer Abfolge abwechselnd hoch- und niedrigbrechender dielektrischer Materialien wirken als Interferenzfilter, mit dem selektiv die Wellenlängen des Projektionslichtes reflektiert werden.
Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Schichtsysteme aus dielektrischen Materialien sind an sich bekannt und zum Beispiel in DE 197 47 597 A1 und WO 98/36320 beschrieben. Beispiele für geeignete Beschichtungsverfahren sind Vakuum-Beschichtungsverfahren wie Magnetronsputtern und Elektronenstrahlverdampfung.
Es wurde gefunden, dass durch Verringerung der Differenz der Brechungsindices die Winkelabhängigkeit eines derartigen Schichtsystems aus niedrig- und hochbrechenden Schichten verringert werden kann. Beispielsweise wird durch Ersatz des niedrigbrechenden Materials durch ein Material, mit einem höheren Brechungsindex die Winkelabhängigkeit reduziert werden kann. So ist die Winkelabhängigkeit, und damit die Verschiebung der Peaks der Primärvalenzen im Spektrum für ein Schichtsystem Al₂O₃/Si₃N₄ geringer als für ein System SiO₂/Si₃N₄. Hierbei wurde das niedrigbrechende Material SiO₂ durch Al₂O₃, das einen höheren Brechungsindex aufweist, ersetzt.
In 2 sind die optischen Leistungen von spektral selektiven Beschichtungen auf einem planaren Substrat und auf einem strukturierten Substrat einander gegenübergestellt. Hierbei wurde als spektral selektiv reflektierende Beschichtung ein dielektrisches Multischichtsystem verwendet, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Die Gegenüberstellung macht deutlich, dass die spektral gemessene Reflexion einer erfindungsgemäßen Bildwand gemäß 1b bei der die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 auf einem planaren Substrat 3 abgeschieden ist, signifikant höher ist als die spektral gemessene Reflexion einer Bildwand, bei der die Beschichtung 2 auf einem strukturierten Substrat aufgebracht ist. Dieses Ergebnis verdeutlicht den Vorteil einer Beschichtung auf planaren Substraten mit anschließender Strukturierung, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Streuverhalten einer gegebenen Bildwand durch einfache Modifikation der Strukturierung der Lackschicht eingestellt werden, so dass die Winkelcharakteristik der Bildwand nach Bedarf variierbar ist. In 3 ist die Winkelabhängigkeit der Reflexion von erfindungsgemäßen Bildwänden dargestellt, die sich in der Winkelcharakteristik unterscheiden. Die Unterschiede in der Winkelcharakteristik ergeben sich aus der Verwendung unterschiedlich fein strukturierter Lacke.
Erfindungsgemäß können damit nicht nur höhere Reflexionen erzielt werden, da planare Substrate eingesetzt werden können, sondern zudem kann die Winkelcharakteristik einer Bildwand individuell je nach Anforderung durch einfache Modifikation der Strukturierung der Lackschicht eingestellt werden.
Wie bereits in Zusammenhang mit 1 ausgeführt, kann sich die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 grundsätzlich oberhalb oder auch unterhalb des Substrates 3 befinden. Vorzugsweise sollte jedoch der geometrische Abstand zwischen selektiv reflektierender Beschichtung 2 und streuender Oberfläche, das heißt strukturierter Lackschicht 1, möglichst gering sein.
Liegen streuende Oberfläche und spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 zu weit auseinander, leidet die Schärfe der Abbildung und es kann zur Ausbildung von "Doppel- oder Geisterbildern" kommen.
In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform wie sie zum Beispiel in 1a gezeigt ist, ist die strukturierte Lackschicht 1 auf die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 aufgebracht. In diesem Fall können die optischen Eigenschaften des Lackes bei der Ausgestaltung der Beschichtung 2 mit berücksichtigt werden, um so eine Optimierung der optischen Eigenschaften der Bildwand zu erhalten. Beispielsweise kann durch Einstellung der chemischen Zusammensetzung des Lackes der Brechungsindex des Lackes an die Eigenschaften der Beschichtung angepasst und eine sogenannte Indexanpassung erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann für eine Ausführungsform wie zum Beispiel in 1b gezeigt, bei der die spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2 unterhalb der streuenden Lackschicht 1 angeordnet ist, auf der Lackschicht 1 zusätzlich eine Antireflexbeschichtung 8 zur Entspiegelung vorgesehen sein. Durch das Vorsehen einer Antireflexbeschichtung 8 lassen sich möglicherweise auftretende intrinsische Reflexionen an der Oberfläche der Lackschicht 1, die ca. 4% betragen können, auf weniger als 1% reduzieren.
Prinzipiell können hierfür übliche Antireflexbeschichtungen verwendet werden. Ein Beispiel für eine geeignete Antireflexbeschichtung ist ein Schichtsystem bestehend aus TiO₂(11 nm)-SiO₂(40 nm)-TiO₂(110 nm)-SiO₂(85 nm). Antireflexbeschichtungen können beispielsweise durch einen Vakuumbeschichtungsprozess (Aufdampfen oder Sputtern) oder durch einen nasschemischen Beschichtungsprozess (Sol-Gel-Verfahren) auf der Oberfläche der Bildwand abgeschieden werden. Als geeignete Verfahren können das Magnetronsputtern oder die Elektronenstrahlverdampfung genannt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße räumlich selektiv reflektierende Bildwand eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung 2, die im Hinblick darauf optimiert ist, dass sie neben möglichst hohem Kontrast den besten Kompromiss aus geringer Schichtdicke, geringer Anzahl der zu verwendenden Schichtmaterialien und geringer Anzahl Einzelschichten aufweist.
Herkömmliche Schichtsysteme für Beschichtungen wie sie vorstehend beschrieben worden sind werden hergestellt, indem die Auswahl der Materialien für die einzelnen Schichten, die jeweilige Schichtdicke und Anzahl der Schichtdicken unter Vorgabe eines definierten diskreten Zielspektrums erfolgt. Die hierbei erhaltenen Schichtsysteme zeigen zwar einen für den praktischen Gebrauch geeigneten Kontrast, sind jedoch nicht im Hinblick auf weitere wünschenswerte Eigenschaften für eine Bildwand zur Erzielung eines möglichst optimalen Bildeindrucks optimiert.
Wünschenswert sind jedoch Schichtsysteme, die nicht nur verbesserten Kontrast aufweisen, sondern diesen verbesserten Kontrast bei möglichst geringer Dicke des Gesamtschichtsystems und der einzelnen Schichten bei möglichst geringer Schichtanzahl aufweisen.
Weiter sollte die Bildwand eine Unterdrückung oder zumindest möglichst weitgehende Unterdrückung des sogenannten Farb-Flop-Effekts ermöglichen. Unter Farb-Flop wird eine Veränderung des Farbeindrucks beim Betrachter verstanden, die durch eine Änderung des Blickwinkels verursacht wird. Der Grund hierfür ist das winkelabhängige Reflexions-Transmissionsverhalten von Interferenzfiltern.
Je nach Bedarf können für die Bildwand weitere Grenzbedingungen vorgegeben werden. So besteht eine Möglichkeit zur Verbesserung der Farbneutralität darin, dass die Bildwand für die Primärvalenzen möglichst gleiche Peakhöhen aufweist. Farbneutralität bedeutet, dass z. B. projiziertes Weiß auch tatsächlich als ein Weiß erscheint und nicht z. B. einen Rotstich hat. Umgekehrt wurde erfindungsgemäß gefunden, dass eine entsprechende Farbneutralität erzielt werden kann, indem die Intensitäten der Primärvalenzen des jeweiligen Projektors mit der betreffenden Bildwand abgeglichen werden. Hierbei erfolgt der Weißabgleich zur Einstellung der Farbneutralität direkt am Projektor selbst und nicht an der Bildwand. In diesem Fall lassen sich bei gleichen Schichtdicken wesentlich höhere Kontrastwerte erzielen, als mit einer Bildwand mit gleichen Peakhöhen für die Primärvalenzen.
Weiter lässt sich die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigen, um einen optimalen Bildeindruck beim Betrachter hervorzurufen.
Das Schichtsystem sollte insbesondere bei einer vorgegebenen Anzahl an Schichten ein optimales Profil im Hinblick auf die vorstehend genannten Eigenschaften aufweisen.
Um eine räumlich selektiv reflektierende Bildwand mit den vorstehend genannten Eigenschaften zu erhalten, wird für die erfindungsgemäße Bildwand vorzugsweise eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung verwendet, die erhalten wird, indem anstelle der herkömmlichen Optimierung auf ein fest vorgegebenes Reflexionsspektrum ein Bewertungsverfahren eingesetzt wird, das auf der Farbmetrik basiert.
Hierfür wird die farbmetrische Bewertung mit einem Optimierungsalgorithmus kombiniert, der für die Optimierung kein vorgegebenes Anfangsdesign als Input benötigt, das das Zielspektrum bereits im Wesentlichen wiedergibt. Als besonders geeignet hat sich hierfür ein sogenannter genetischer Algorithmus erwiesen, der an sich bekannt ist und zum Beispiel in Heistermann J., "Genetische Algorithmen – Theorie und Praxis evolutionärer Optimierung", B. G. Teubner, 1994, beschrieben ist. Durch Kombination mit farbmetrischen Bewertungsverfahren kann dieser Algorithmus, der robust und einfach zu implementieren ist, für die Optimierung von optischen Beschichtungen eingesetzt werden.
Nachstehend wird die Funktionsweise des genetischen Algorithmus zur Optimierung von spektral selektiv reflektierenden Beschichtungen für Bildwände unter Verweis auf das Flussdiagramm in 4 näher erläutert.
Die Funktionsweise des genetischen Algorithmus lehnt sich an die Evolution und Rekombinationsstrategien der Natur an. Grundgedanke ist dabei, dass aus einer Anzahl von Individuen, die zusammen eine Generation bilden, nur die Individuen zur Generierung einer neuen Generation ausgesucht werden, die im Hinblick auf ihre Umgebung die besten Eigenschaften haben. Für den vorliegenden Fall wird unter einem Individuum ein Schichtsystem mit seinen Schichtdicken und Materialeigenschaften verstanden. Die Parameter des Schichtsystems wie Schichtdicken und Materialien werden als Gene bezeichnet. Der Algorithmus generiert zunächst eine Population an Individuen, indem er zufällig Materialien und Schichtdicken zuordnet (in 4 als "statische Population" bezeichnet). Diese Individuen werden dann bewertet und nach Qualität sortiert. Anschließend erfolgt eine Schleife, bestehend aus den Schritten Rekombination, Mutation, Bewertung und Selektion (Auswahl der besseren Individuen, das heißt Schichten), wobei schlechte Schichten verworfen werden. Durch wiederholte Durchführung der Schleife wird eine Verbesserung der Qualität der Population im Durchschnitt und der des besten Individuums absolut erzielt, bis ein Optimum erreicht ist.
Genetische Algorithmen gibt es in einer Vielzahl von Abwandlungen, die prinzipiell für die vorstehende Vorgehensweise eingesetzt werden können.
Für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten Bildwände erfolgt die Bewertung und damit Optimierung auf Grundlage von farbmetrischen Gesichtspunkten. Indem die Bewertung auf Grundlage der Farbmetrik erfolgt, kann auf eine Vorgabe eines diskreten Zielspektrums verzichtet werden.
Der Kontrast ergibt sich hierbei aus
wobei Y der Normfarbwert ist und damit ein Maß für die Helligkeit des Reflexionsspektrums. k gibt den Kontrast an, den die Bildwand für Primärvalenzen der entsprechenden Wellenlängen gegenüber Umgebungslicht erzielt.
Für die Durchführung des Algorithmus wird eine modifizierte Formel (1) für die Bewertung des Kontrasts eingesetzt, wobei die Summe durch ein Produkt ersetzt ist:
und σ_R die Standardabweichung des Reflexionsvermögens und C ein empirischer Faktor ist.
Für die Minimierung beziehungsweise Eliminierung des Farb-Flops-Effekts ist das Schichtsystem so auszulegen, dass die durch Änderung des Betrachterwinkels verursachte Änderung der reflektierten Intensitäten für alle Wellenlängen des Projektionslichts gleich ist. Als Grundlage für die Bewertung durch den Algorithmus werden hierfür die Spektren eines Individuums (Schichtsystems) für verschiedene Betrachtungswinkel berechnet und die Änderung der reflektierten Intensitäten für die Wellenlängen der Primärvalenzen verglichen, wobei Standardabweichungen dieser Werte verwendet werden.
Weiter kann bei Bedarf die Einstellung der Farbneutralität der Abbildung mittels Weißabgleich erfolgen, wobei die Intensität des von der Bildwand reflektierten Lichtes einer der Wellenlängen der Primärvalenzen (Rot, Grün, Blau) mit der Intensität des monochromatischen Lichtes der entsprechenden Wellenlänge wie sie vom Projektor abgestrahlt wird, abgestimmt wird.
Anhand der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erfolgt mit Hilfe des genetischen Algorithmus eine Bewertung eines Schichtsystems, das ohne eine feste Vorgabe für ein diskretes Reflexionsspektrum auskommt und den Kontrast erhöht, wobei gleichzeitig der Farb-Flop unterdrückt wird.
Durch die beschriebene Kombination eines genetischen Algorithmus' mit einer auf der Farbmetrik beruhenden Bewertung werden spektral selektiv reflektierende Beschichtungen erhalten, die einen deutlich verbesserten Kontrast bei gleichzeitig optimal geringer Gesamtschichtdicke und Anzahl an Einzelschichten enthalten.
Beispielsweise können hiermit Beschichtungen mit einem Kontrast von mindestens 2,5 bei einer Dicke der Gesamtschicht von weniger als 4,5 μm erreicht werden.
In 5 ist schematisch der spektrale Verlauf einer spektral selektiv reflektierenden Beschichtung gezeigt, die nach dem vorstehend beschriebenen genetischen Algorithmus erhalten worden ist.
Es handelt sich hierbei um eine Beschichtung aus einem Schichtsystem aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien. Die Beschichtung besteht aus zwölf Einzelschichten, mit SiO₂ als niedrigbrechendem Material (n = 1,46) und Si₃N₄ als hochbrechendem Material (n = 2,05), die auf ein Glassubstrat abgeschieden worden sind Der Schichtaufbau ist ausgehend von dem Glassubstrat nach oben wie folgt:
Glas
Si₃N₄ 239 nm, SiO₂ 210 nm,
Si₃N₄ 324 nm; SiO₂ 319 nm,
Si₃N₄ 435 nm, SiO₂ 197 nm,
Si₃N₄ 22 nm, SiO₂ 241 nm,
Si₃N₄ 72 nm, SiO₂ 372 nm,
Si₃N₄ 249 nm, SiO₂ 35 nm.
Diese Beschichtung zeigt eine Kontrastverbesserung k von 3,55.
Eine detaillierte Beschreibung der Entwicklung von spektral selektiven Beschichtungen mittels genetischem Algorithmus, insbesondere von Schichtsystemen aus niedrig- und hochbrechenden dielektrischen Materialien findet sich in Ch. Rickers, M. Vergöhl, C.-P. Klages in: "Design and manufacture of spectrally selective reflecting coatings for the use with laser display projection screens", Applied Optics, Band 41, Nr. 16, Juni 2002, auf die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vollinhaltlich bezug genommen wird.
Es verbleibt anzumerken, dass für die Erhöhung des Kontrasts weniger eine besonders hohe Reflexion im Bereich der Laserwellenlängen ausschlaggebend ist, sondern vielmehr eine möglichst niedrige Reflexion im Spektralbereich außerhalb davon.
Im genetischen Algorithmus kann dieser Effekt durch Beeinflussung der Gewichtung berücksichtigt werden, mit der der Untergrund unterdrückt wird. Dies geschieht, indem in Gleichung (2) der Exponent von Y entsprechend variiert wird.
Ferner wurde gefunden, dass eine Reduzierung der Peakbreite der Wellenlängen des Laserlichts im Spektrum nur bedingt sinnvoll für die Erhöhung des Kontrasts ist, da damit eine starke Abnahme der reflektierten Intensität bei Betrachtung unter einem anderen Winkel in Kauf genommen werden muss, das heißt eine Erhöhung der Winkelabhängigkeit.

Claims

Kontrasterhöhende Bildwand, die ein Substrat (3) und eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwand mindestens eine räumlich reflektierende Schicht (1) aufweist, die aus einem härtbaren Lack gebildet ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1) eine gehärtete Schicht aus mindestens einem Material ausgewählt unter Acrylaten, Epoxiden, Vinylether, unsubstituierten oder substituierten Styrolen ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1) eine gehärtete Schicht auf Basis von Acrylaten ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich reflektierende Schicht (1) aus einem UV-härtbaren Material besteht.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) ein Schichtsystem aus zwei oder mehreren Schichten ist, wobei als Schichtmaterial mindestens eine Kombination aus einem niedrig- und hochbrechenden Material eingesetzt ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektive Beschichtung (2) ein Schichtsystem aus mindestens zwei Schichten aus einem cholesterischen Polymer ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) eine Kombination aus cholesterischen Polymerschichten und dielektrischen Schichten ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) einen Kontrast k von mindestens 2,5 und eine Gesamtschichtdicke von weniger als 4,5 μm aufweist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektiv reflektierende Beschichtung (2) ein Schichtsystem ausgewählt unter SiO₂/Si₃N₄ und Al₂O₃/Si₃N₄ ist.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für das Substrat (3) ausgewählt ist unter einem transparenten und nicht transparenten Material.
Kontrasterhöhende Bildwand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für das Substrat (3) ausgewählt ist unter einem flexiblen und starren Material.
Kontrasterhöhende Bildwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) planar ist.
Verwendung einer härtbaren Lackschicht als räumlich selektiv reflektierende Schicht (1) für eine Bildwand.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Lackschicht aus einem Elektronenstrahl- oder UV-härtbaren Lack besteht.
Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht aus einem härtbaren Lack auf Basis eines Materials ausgewählt unter Acrylaten, Epoxiden, Vinylether, unsubstituierten und substituierten Styrolen besteht.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Lackschicht aus einem Material auf Acrylat-Basis besteht.
Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht aus einem mit UV-Licht härtbaren Lack besteht.