DE60015992T2

DE60015992T2 - Rückseiten-projektionsschirm mit doppelbrechender schicht für asymmetrische lichtstreuung

Info

Publication number: DE60015992T2
Application number: DE60015992T
Authority: DE
Inventors: Richard C. Allen; Jeffrey C. Chang; William W. Merrill; Robert S. Moshrefzadeh; Michael F. Weber
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: AU3581700A; CN1196973C; DE60015992D1; CA2382775A1; US6239907B1; EP1212658A1; WO2001018599A1; CN1384928A; EP1212658B1; TW472168B; KR20020029396A; JP2003508822A

Description

Allgemeiner Stand der Techik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein durchlässige Schirme und insbesondere durchlässige Schirme, die sich zur Verwendung bei Rückprojektionssystemen eignen.
Rückprojektionssysteme sind im allgemeinen dafür ausgelegt, ein auf die Rückseite des Schirms projiziertes Bild in einem Betrachtungsraum zu übertragen. Der Betrachtungsraum des Projektionssystems kann relativ groß (z.B. Rückprojektionsfernseher) oder relativ klein (z.B. Rückprojektionsdatenmonitore) sein. Die Leistung eines Rückprojektionsschirms kann hinsichtlich verschiedener Eigenschaften des Schirms beschrieben werden. Zu typischen Schirmeigenschaften, die zum Beschreiben der Leistung eines Schirms verwendet werden, zählen Verstärkung, Betrachtungswinkel, Auflösung, Kontrast, das Vorliegen von unerwünschten Artefakten wie etwa Farbe und Sprenkelung und dergleichen. Es ist im allgemeinen wünschenswert, ein Rückprojektionssystem zu haben, das eine hohe Auflösung, einen hohen Kontrast und eine große Verstärkung aufweist. Es ist außerdem wünschenwert, daß der Schirm das Licht über einen großen Betrachtungsraum verteilt. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, verschlechtern sich bei Verbesserung einer Schirmeigenschaft eine oder mehrere andere Schirmeigenschaften oftmals. Um beispielsweise die Schirmverstärkung unter Verwendung der gleichen Gesamtstruktur zu erhöhen, muß der Betrachtungswinkel verringert werden, über den sich der Schirm ohne weiteres betrachten läßt. Infolgedessen werden bei der Schirmeigenschaft und -leistung bestimmte Kompromisse eingegangen, damit man einen Schirm erhält, der eine insgesamt annehmbare Leistung für die jeweilige Rückprojektiondisplayanwendung liefert.
Es besteht somit weiterhin eine Notwendigkeit für Schirme, die eine verbesserte Gesamtleistung aufweisen und gleichzeitig die Minimalleistungskriterien erfüllen, die für die Rückprojektionsdisplayanwendung erforderlich sind, bei denen der Schirm verwendet wird.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein dispergierendes Element für eine Rückprojektionsschirmbaugruppe, die für die Polarisation des durch das Element hindurchtretenden Lichts empfindlich ist. Insbesondere dispergiert das Element Licht mit einer ersten Polarisation anders als Licht mit einer orthogonal zu der ersten Polarisation verlaufenden zweiten Polarisation. Das dispergierende Element kann so ausgerichtet sein, daß eine Polarisationsachse weder parallel noch senkrecht zur Polarisation des durch das Element hindurchtretenden Lichts verläuft. Das dispergierende Element kann auch mit einem Polarisator verwendet werden, um unerwünschtes Licht zu entfernen, das sich durch das dispergierende Element ausbreitet. Das dispergierende Element kann auch relativ zu einer polarisierten Lichtquelle drehbar angebracht sein, um den Winkel zwischen der Polarisationsachse des Elements und der Polarisationsrichtung des Lichts zu variieren.
Bei einer Ausführungsform weist ein Rückprojektionssystem eine Lichtquelle auf, die Licht mit einer Polarisation parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung projiziert. Ein Transmissionsschirm ist so angeordnet, daß er Licht von der Lichtquelle erhält, und weist eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation auf. Der Winkel zwischen der ersten Polarisationsachse und der Quellenpolarisationsrichtung ist so ausgewählt, daß er größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Rückprojektionssystem eine Lichtquelle auf, die Licht mit einer parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung verlaufenden Polarisation projiziert. Ein Transmissionsschirm ist so angeordnet, daß er Licht von der Lichtquelle erhält. Der Transmissionsschirm weist eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation auf. Der Transmissionsschirm weist außerdem eine polarisierende Schicht auf, die so orientiert ist, daß sie Licht hindurchläßt, das parallel zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiert ist, und die Transmission von Licht blockiert, das senkrecht zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist eine Displayeinrichtung eine Lichtquelle auf, die Licht mit einer Polarisation parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung projiziert. Ein Transmissionsschirm ist so angeordnet, daß er Licht von der Lichtquelle erhält. Der Transmissionsschirm weist eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten streuenden Achse verlaufenden Polarisation auf. Die erste streuende Schicht ist drehbar in der Displayeinrichtung montiert. Eine Drehung der ersten streuenden Schicht führt zu einer Variation eines Winkels zwischen der ersten Polarisationsachse und der Quellenpolarisationsrichtung.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Lichtquelle eine Bildlichtquelle, die ein Bild aus polarisiertem Licht in Richtung des Transmissionsschirms überträgt.
Die obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung soll nicht jede dargestellte Ausführungsform oder jede Implementierung der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die Figuren und ausführliche Beschreibung, die folgen, exemplifizieren diese Ausführungsformen eingehender.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein umfassenderes Verständnis der Erfindung kann sich bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ergeben. Es zeigen:
1 ein Rückprojektionsdisplay;
2A und 2B Querschnittsansichten von besonderen Ausführungsformen von Rückprojektionsdisplays;
3 Kurven der optischen Verstärkung als Funktion des Betrachtungswinkels für vertikale und horizontale Winkel;
4 eine polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung (PSSD) gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A und 5B PSSDs gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6A ein Rückprojektionssystem unter Verwendung einer PSSD gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6B–6D ein Lichtstreuprofil für verschiedene Winkel zwischen einer Schirmstreuachse und der Polarisationsrichtung von einfallendem Licht für die in 6A dargestellte Ausführungsform;
7 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit von Verstärkung und Betrachtungswinkel von der relativen Orientierung einer PSSD zu einer polarisierten Lichtquelle veranschaulicht;
8A und 8B die Verwendung einer drehbaren PSSD zum Abstimmen des Betrachtungswinkels;
9A und 9B PSSD's in Kombination mit anderen lichtdiffundierenden Elementen; und
10A und 10B verschiedene Schirmbaugruppen unter Verwendung einer PSSD.
Wenngleich sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anbietet, sind Einzelheiten dieser in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt worden und werden ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt sein soll. Im Gegensatz sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt werden, die in den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung läßt sich allgemein auf eine Reihe verschiedener Schirmbaugruppen anwenden und eignet sich insbesondere für in Rückprojektionssystemen verwendete Schirmbaugruppen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere in solchen Anwendungen von Vorteil, bei denen die wahrscheinlichste Position des oder der Betrachter bekannt ist: die Erfindung eignet sich zum Lenken von Licht von allen Abschnitten des Schirms zu der wahrscheinlichsten Betrachterposition, um die Helligkeitsgleichförmigkeit über den Schirm hinweg zu erhöhen.
Das Rückprojektionsdisplay 100 wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Das Display enthält eine Lichtquelle 102, die polarisiertes Licht in Richtung auf den Schirm projiziert. Beispielsweise kann die Lichtquelle 102 ein Bildprojektor sein, der ein polarisiertes Bild auf die Rückseite eines Schirms 104 projiziert. Das Bild wird von dem Schirm 104 durchgelassen, so daß ein Betrachter 106, der sich an einem gewissen Punkt jenseits des Schirms 104 befindet, das durch den Schirm 104 projizierte Bild sehen kann. Bei dem Rückprojektionsdisplay 100 kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Rückprojektionsfernseher, einen oder mehrere Rückprojektionscomputermonitore oder eine beliebige andere Rückprojektionsdisplayvorrichtung handeln, wie etwa die ILA^®-Projektionstechnologie, die von der Hughes-JVC Corporation erhältlich ist, das digitale DLP^®-Lichtverarbeitungsprojektionssystem, das von Texas Instruments erhältlich ist, und das Scanned Linear Grating Light Valve^®, das von Silicon Light Machines erhältlich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine auf einem Flüssigkristalldisplay (LCD) basierende bildprojizierende Lichtquelle 102 in dem Rückprojektionsdisplay 100 verwendet werden, um ein Bild auf die Rückfläche der Schirmbaugruppe 104 zu projizieren. Das Rückprojektionsdisplay kann hinsichtlich der Größe von relativ kleinen Datenmonitoren zu Fernsehern mit relativ großem Schirm und Videowänden variieren. Das Projektionsdispay 100 kann auch auf einem gefalteten Bildprojektionsweg innerhalb seines Gehäuses basieren, wie etwa den verschiedenen Projektionssystemen, die in der europäischen Patentanmeldung EP783133 mit dem Titel "Projecting Images" beschrieben werden, deren Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Wie aus den folgenden Beschreibungen zu sehen ist, profitieren solche Systeme insbesondere von der Verwendung der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Schirmbaugruppen.
Es wird nun eine ausführlichere Beschreibung der verschiedenen Schirmeigenschaften geliefert. Eine wichtige Schirmeigenschaft ist die Verstärkung. Die Verstärkung eines Schirms stellt die Helligkeit des Schirms als Funktion des Betrachtungswinkels dar. Die Verstärkung wird in der Regel mit einem idealen Lambert-Reflektor kalibriert, wobei die Verstärkung des idealen Lambert-Standards für alle Winkel auf 1 gesetzt ist. Die Spitzenverstärkung eines Schirms (oder Schirmelements) entspricht der größten Verstärkung bei einem bestimmten Winkel. Beispielsweise wird die Spitzenverstärkung eines Volumendiffusorschirms, von hinten bei senkrechtem Einfallen eliminiert, in der Regel für das Licht beobachtet, das durch den Schirm unter einem Winkel senkrecht zur Schirmoberfläche hindurchtritt.
Eine weitere wichtige Schirmeigenschaft ist der Betrachtungswinkel. Der Betrachtungswinkel eines Schirms, wie er hier verwendet wird, ist der Winkel, bei dem die Verstärkung des Schirms auf die Hälfte der Spitzenverstärkung abfällt. In vielen Situationen entspricht der Betrachtungswinkel der Differenz zwischen dem Winkel mit der größten Luminanz und dem Winkel, bei dem die Luminanz des übertragenen Bilds auf die Hälfte der größten Luminanz des Schirms abfällt. In der Regel tritt die größte Luminanz für Licht auf, das in einer Richtung senkrecht zur Schirmoberfläche übertragen wird.
Die jeweilige Anwendung eines Rückprojektionssystems bestimmt den gewünschten Betrachtungswinkel. Es ist in der Regel vorteilhaft, die Winkelabhängigkeit der Luminanz des Schirms dadurch zu steuern, daß Licht zu demjenigen Gebiet gelenkt wird, in dem sich der Betrachter mit der größten Wahrscheinlichkeit befindet. Wenn beispielsweise das Rückprojektionsdisplay ein Datenmonitor ist, ist der Betrachter in der Regel relativ zum Schirm zentral und innerhalb einer Entfernung von ein bis drei Fuß davon positioniert. Die Augen des Betrachters können über einer Linie positioniert sein, die senkrecht zur Mitte des Schirms verläuft, doch betrachtet der Betrachter in der Regel den Schirm nicht aus einer Entfernung von über ein oder zwei Fuß über dem Schirm. Aus Gründen der Geheimhaltung oder der Sicherheit kann es zudem wünschenswert sein, die aus dem Schirm austretende Luminanz auf einen Winkel von zum Beispiel 30° oder mehr relativ zu einer senkrechten zum Schirm zu reduzieren. Dies verringert die Möglichkeit, daß jemand, der weit weg von der Achse des Schirms positioniert ist und möglicherweise keine Autorität besitzt, den Inhalt des Schirms zu betrachten, die Informationen auf dem Schirm sieht.
Eine weitere Anwendung für ein Rückprojektionssystem ist ein Heimfernsehsystem, bei dem im allgemeinen erwünscht ist, die Winkelabhängigkeit der Luminanz des Schirms über große horizontale Winkel zu lenken, da es üblich ist, daß Zuschauer an einer anderen Position als direkt vor dem Fernseher sitzen. Andererseits betrachten die wenigen Zuschauer den Fernsehschirm von einer Position aus, die wesentlich über oder unter dem Schirm liegt, weshalb üblicherweise erwünscht wird, die Winkelabhängigkeit der Luminanz des Schirms in der vertikalen Richtung zu reduzieren. Dementsprechend sind die bevorzugten Betrachtungswinkel für einen Fernseher in der Regel in der vertikalen Richtung kleiner als in der horizontalen Richtung. Bei bestimmten Anwendungen kann die vertikale Divergenz des Lichts von einem Fernsehschirm bevorzugt relativ zu einer Senkrechten vom Fernsehschirm nach unten gekippt werden. Dies berücksichtigt beispielsweise Zuschauer, die den Fernseher vom Boden aus betrachten. Bei diesem Beispiel ist es nicht so wichtig, Licht vom Fernsehschirm nach oben abzulenken, da Zuschauer, die den Fernseher für längere Zeit betrachten, in der Regel nicht stehen.
Eine wichtige Eigenschaft eines Schirms ist seine Fähigkeit, unerwünschte Farb- oder Sprenkeleffekte zu vermeiden. Bei bestimmten Schirmen kann Farbe als ein Zufallsmuster aus unterschiedlich gefärbten pixelartigen Flecken auf dem Schirm beobachtet werden. Solche Farbartefakte entstehen in der Regel aus wellenlängenabhängigen Effekten wie etwa der Streuung, bei der verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Richtungen oder mit verschiedener Effizienz gestreut werden. Infolge der wellenlängenabhängigen Effekte können verschiedene Farben physikalisch getrennt oder auf der Zuschauerseite des Projektionsschirms sichtbar werden. Die Vergrößerung der Dicke des Schirms, bis der Beobachter keine Farbtrennung mehr auflösen kann, kann dazu verwendet werden, um Farbartefakte auf einem Schirm unter Verwendung eines Volumendiffusors zu reduzieren. Die Dicke des Volumendiffusors ist nicht notwendigerweise eine freie Variable, die nur zum Reduzieren von Farbeffekten gewählt wird, und so wird die Diffusordicke in der Regel als ein Kompromißwert gewählt, der mehrere verschiedene Schirmeigenschaften optimiert.
Die Auflösung des Rückprojektionsschirms wird immer wichtiger, weil Rückprojektionsdisplays in Anwendungen mit immer höheren Auflösungsanforderungen verwendet werden, beispielsweise beim hochauflösenden Fernsehen. Die Auflösung eines Schirms wird im allgemeinen als ein Maß des feinsten Details definiert, das in einem auf den Schirm projizierten Bild unterschieden werden kann.
Nunmehr unter Betrachtung der Darstellung von 2A wird das von dem Bildprojektor 102 erzeugte Bildlicht 110 zu der Schirmbaugruppe 124 gelenkt. Die Schirmbaugruppe 124 enthält in der Regel mehrere verschiedene Schichten zum Steuern des von dem Betrachter gesehenen Bilds, einschließlich einer dispergierenden Schicht 134 und einer Glasplatte 136 als Träger. Die dispergierende Schicht 134 dispergiert oder diffundiert durch einen bestimmten Punkt des Schirms hindurchtretendes Licht in einen Kegelwinkel, so daß ein Betrachter auf der abgelegenen Seite des Schirms Bildlicht von diesem jeweiligen Punkt detektieren kann. Es versteht sich, daß die dispergierende Schicht 134 in der Regel Licht von allen Punkten auf dem Schirm dispergiert, so daß der Betrachter das ganze von dem Bildprojektor 102 auf die Schirmbaugruppe 124 projizierte Bild sehen kann.
Hier wird der Ausdruck "dispergieren" so verwendet, daß er sich auf jeden Prozeß bezieht, der die Richtung des Bildlichts ändert, zum Beispiel Streuung, Diffusion, Divergieren oder Konvergieren unter Verwendung von Linsen oder jeder beliebige andere Ansatz, der einen Betrachtungswinkel in einer oder mehreren Richtungen erzeugt. Durch die Verwendung des Ausdrucks wird weder notwendigerweise eine wellenlängenabhängige Eigenschaft impliziert noch ausgeschlossen.
Der axial angeordnete Lichtstrahl 112 wird von der dispergierenden Schicht 134 dispergiert, um einen Betrachtungswinkel von 2θ zu erzeugen. Die außeraxialen Lichtstrahlen 110 von dem Bildprojektor 102 beleuchten den Rand der Schirmbaugruppe 124 und sind durch einen Winkel von α von dem axial angeordneten Strahl 112 getrennt. Wenn die außeraxialen Strahlen 110 durch die dispergierende Schicht hindurchtreten, werden sie um ±θ' um einen Strahl 111 dispergiert, der unter einem Winkel α relativ zu einer Schirmnormalen verläuft. Der Winkel θ' kann möglicherweise gleich dem Winkel θ sein, da die Einzelheiten des streuenden Ereignisses von anderen optischen Eigenschaften des Rückprojektionsschirms abhängen.
Eine weitere Schirmbaugruppe 104 ist in 2B dargestellt, bei der Licht 110 vom Bildprojektor 102 von einer Fresnel-Linse 113 kollimiert wird, bevor es auf die dispergierende Schicht 114 auffällt. Die dispergierende Schicht 114 wird von einer Trägerschicht 116 getragen, bei der es sich beispielsweise um einen Glasschirm handeln kann. In diesem Fall wird das durch den Rand des Schirms 104 durchgelassene dispergierte Licht um einen Strahl 115 dispergiert, der senkrecht zum Schirm verläuft. Ein Vorteil der Schirmbaugruppe 104 gegenüber der Schirmbaugruppe 124 ohne jegliche Fresnel-Linse besteht darin, daß der Winkel, durch den Licht vom Rand des Schirms dispergiert werden muß, um von einem auf der Achse angeordneten Betrachter detektiert zu werden, reduziert ist. Da die Intensität von dispergiertem Licht im allgemeinen mit größerem Winkel abnimmt, erscheint das von einem Betrachter auf der Schirmbaugruppe 104 mit einer Fresnel-Linse gesehene Bild über den Schirm hinweg eine gleichförmigere Intensität zu haben, als wenn keine Fresnel-Linse verwendet wird.
Ein Beispiel einer erwünschten Verstärkungseigenschaft für einen Fernsehschirm ist in 3 dargestellt. Die 3 zeigt zwei Kurven 302 und 304, die die Verstärkung zum Betrachtungswinkel θ in Beziehung setzen, wie er für einen in einem Fernseher verwendeten Schirm erhalten werden könnte. Die breitere Kurve 302 veranschaulicht die Verstärkung G als Funktion des Winkels θ in einer horizontalen Richtung. Mit anderen Worten beschreibt Kurve 302 die von einem Zuschauer wahrgenommene Helligkeit des Schirms, während sich der Zuschauer seitlich vom Schirm wegbewegt. Der horizontale Betrachtungswinkel θ_H ist der Winkel, bei dem die Luminanz des horizontaldispergierten Lichts auf die Hälfte der größten Luminanz abfällt.
Die schmalere Kurve 304 stellt die Abhängigkeit der Verstärkung als Funktion des Winkels relativ zu dem in einer vertikalen Richtung betrachteten Schirm dar. Wie oben erörtert wurde, ist es in der Regel bei einer Fernsehanwendung erwünscht, daß das Bild von dem Schirm vertikal in einem relativ schmalen Bereich von Winkeln gerichtet wird, um zu vermeiden, daß Licht weggeworfen wird, das ansonsten den Boden und die Decke beleuchten würde. Dies erhöht die von den Zuschauern wahrgenommene Schirmhelligkeit. Der vertikale Betrachtungswinkel θ_V, der Winkel, bei dem die Lichtintensität die Hälfte der größten Intensität beträgt, ist kleiner als der horizontale Betrachtungswinkel θ_H.
Es ist dementsprechend zu verstehen, daß es mehrere Anwendungen für Rückprojektionsdisplayschirme gibt, bei denen der Betrachtungswinkel nicht symmetrisch ist, mit anderen Worten ist der vertikale Betrachtungswinkel θ_V vom horizontalen Betrachtungswinkel θ_H verschieden. Außerdem braucht der Betrachtungswinkel in einer Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung, nicht eine symmetrische Funktion des Winkels zu sein. Beispielsweise kann die Verstärkung in der vertikalen Richtung bei zunehmendem Winkel über der Schirmachse schneller abfallen als für abnehmende Winkel unter der Schirmachse, wie für Kurve 306 gezeigt, die ihre Spitzenverstärkung bei θ = 0° aufweist, die aber mehr Licht nach oben als nach unten abwirft.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer polarisationsempfindlichen, lichtdispergierenden optischen Einrichtungen zum Erzeugen von unterschiedlichen Betrachtungswinkeln in der horizontalen und vertikalen Richtung. Eine polarisationsempfindliche lichtdispergierende optische Einrichtung streut oder diffundiert übertragenes Licht je nach der Polarisation des einfallenden Lichts mehr oder weniger. Der Betrachtungswinkel kann in der horizontalen und vertikalen Richtung gleich oder verschieden sein.
Eine besondere Ausführungsform für eine derartige optische Einrichtung ist in 4 veranschaulicht. Die optische Einrichtung 400 enthält eine kontinuierliche Materialphase 402, bespielsweise aus einem Polymer ausgebildet, die diskrete Körper 404 eines anderen Materials darin eingebettet enthält. Die Körper 404 können aus einer dispersen Phase eines Polymers ausgebildet sein, das von der kontinuierlichen Phase 4D2 verschieden ist. Die Körper 404 können auch aus Flüssigkristallen oder einem anderen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex ausgebildet sein, der vom Brechungsindex der kontinuierlichen Phase verschieden ist. Die eingebetteten Körper 404 können verschiedene Morphologien haben und können beispielsweise teilchenförmig oder faserförmig sein.
Die Einrichtung 400 wird unter Bezugnahme auf den kartesischen Achsensatz beschrieben. Die hier verwendete Konvention lautet, daß sich Licht durch die Einrichtung 400 im wesentlichen in der z-Richtung ausbreitet, während die x- und y-Achse Richtungen senkrecht zur z-Achse bezeichnen. Der Brechungsindex der kontinuierlichen Phase 402 wird unter Bezugnahme auf die Achsen x, y und z beschrieben. Die kontinuierliche Phase weist drei Brechungsindizes n_x, n_y und n_z auf, die jeweils die Brechungsindexerfahrung von sich durch die kontinuierliche Phase 402 ausbreitendem Licht beschreiben, wobei der elektrische Vektor des Lichts jeweils parallel auf die x-, y- und z-Achse ausgerichtet ist. Die kontinuierliche Phase 402 kann isotrop sein, wobei n_x = n_y = n_z. Die kontinuierliche Phase 402 kann uniaxial doppeltbrechend sein, wobei einer der Brechungsindizes von den anderen verschieden ist, beispielsweise n_x = n_z ≠ n_y. Die kontinuierliche Phase 402 kann auch biaxial doppeltbrechend sein, wobei die drei Brechungsindizes voneinander verschieden sind, n_x ≠ n_y ≠ n_z. Analog können die Körper 404 isotrop, uniaxial doppeltbrechend oder biaxial doppeltbrechend sein. Damit die optische Einrichtung 400 polarisationsempfindlich ist, sind entweder die kontinuierliche Phase 402 oder die Körper 404 doppeltbrechend oder sowohl die kontinuierliche Phase 402 als auch die Körper 404 können doppeltbrechend sein.
Eine Streuung tritt auf, wenn eine Brechungsindexdifferenz zwischen den Körpern 404 und der kontinuierlichen Polymerphase 402 vorliegt. Im allgemeinen nimmt der Streugrad für größere Differenzen beim Brechungsindex zu. Bei einer Ausführungsform ist die kontinuierliche Phase 402 isotrop und die Körper 404 sind doppeltbrechend. Somit tritt eine Streuung für x-polarisiertes Licht auf, wobei n_cx ≠ n_px, während wenig Streuung für y-polarisiertes Licht auftritt, wenn beispielsweise n_cy ≠ n_py, wobei die Brechungsindexdifferenz relativ zur y-Achse Δn_y = |n_cy – n_py| ≈ 0. Der zusätzliche Index "c" bezeichnet den Brechungsindex der kontinuierlichen Phase 402, und der Index "p" bezeichnet den Brechungsindex der Körper 404. In der Darstellung ist n_cx der Brechungsindex der kontinuierlichen Phase 402 für parallel zur x-Achse polarisiertes Licht, während n_py der Brechungsindex der Körper 404 für parallel zur y-Achse polarisiertes Licht ist. Somit führt Doppeltbrechung zu einer polarisationsabhängigen Streuung.
Für eine polarisationsabhängige lichtstreuende optische Einrichtung, bei der die Brechungsindexdifferenz Δn kleiner ist als 0,03 bis 0,05 je nach anderen Faktoren hinsichtlich der Art des Systems, wird Licht im wesentlichen ungestreut durch die optische Einrichtung übertragen. Deshalb kann die polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung sich dort hindurch mit einer ersten Polarisation ausbreitendes Licht streuen, während sie gestattet, daß Licht mit einer orthogonal zur ersten Polarisation verlaufenden zweiten Polarisation im wesentlichen ungestreut hindurchtritt. Der Streugrad kann groß sein, wobei dann Licht in der ersten Polarisation durch einen großen Winkel gestreut werden kann oder im wesentlichen zurückgestreut werden kann.
Die Brechungsindexdifferenzen für die beiden Polarisationen können derart gewählt werden, daß keine Polarisation ohne wesentliche Streuung hindurchtritt. Die polarisationsabhängigen Brechungsindexdifferenzen können auch derart gewählt werden, daß jede Polarisation um ein ausgewähltes Ausmaß gestreut wird. Beispielsweise kann Licht in einer Polarisation durch die optische Einrichtung mit einer diffusen Vorwärtsstreuung durchgelassen werden, während Licht in der orthogonalen Polarisation rückgestreut wird, so daß es von der optischen Einrichtung im wesentlichen reflektiert wird.
Die charakteristische Streuung des Films 400 hängt zusätzlich zu der Brechungsindexdifferenz von mehreren Parametern ab. Zu den Parametern zählen der Volumenanteil der eingebetteten Körper, die charakteristische Abmessung der Körper und die Gesamtdicke der optischen Einrichtung.
Der Grad der Lichtstreuung ist im allgemeinen umgekehrt proportional zu der charakteristischen z-Achse-Abmessung des eingebetteten Körpers, wobei die z-Achse die Richtung der Lichtausbreitung in den Körper ist. Somit nimmt die Streuung im allgemeinen zu, wenn kleinere eingebettete Körper verwendet werden. Wenn zudem die eingebetteten Körper längliche Formen aufweisen, dann kann die Streuung richtungsabhängig werden. Mehrere verschiedene Ausführungsformen von polarisationsempfindlichen lichtstreuenden Körpern sind aus dem US-Patent Nr. 5,751,388 bekannt, das durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Bei einer in 5A dargestellten Ausführungsform der optischen Einrichtung 500 weisen die in einer kontinuierlichen Matrix 502 angeordneten eingebetteten Körper 504 in der y-Richtung eine kleinere Abmessung als in der x-Richtung auf. Die eingebetteten Körper 504 können beispielsweise Tropfen aus Flüssigkristall in einer kontinuierlichen Polymermatrix 502 sein. Die länglichen Achsen der Körper 504 werden parallel zu einer gemeinsamen Achse ausgerichtet, beispielsweise durch Dehnen der Einrichtung 500 entlang der Achse 506. Bei einer anderen, in 5B dargestellten Ausführungsform weist die optische Einrichtung 520 in einer Polymermatrix 522 eingebettete Polymerfasern 524 auf. Die Fasern 524 sind parallel zu einer gemeinsamen Achse in der Matrix 522 ausgerichtet. Zu weiteren Ansätzen zum Herstellen von polarisationsempfindlichen lichtstreuenden Körpern zählen das Einbetten von Polymertropfen in einer Polymermatrix und das Dehnen der Matrix, wie beispielsweise aus US-Patent Nr. 5,825,543 bekannt, das durch Bezugnahme hier aufgenommen ist, das Einbetten von doppeltbrechenden Kristallen (oder ähnlichen Teilchen) in einer Matrix, entweder doppeltbrechend oder nicht-doppeltbrechend; und andere aus US-Patent Nr. 5,751,388 bekannte Verfahren.
Entlang einer ersten Achse gedehnte Teilchen bewirken, daß eine Streuung bei größeren Winkeln in einer zweiten orthogonalen Achse als für nichtgedehnte Teilchen auftritt, obwohl die Einzelheit der Streuprofile von einer Reihe von Eigenschaften der optischen Einrichtung abhängen. Die Teilchenabmessungen relativ zu zwei orthogonalen Achsen können so gewählt werden, daß man ein gewünschtes Streuprofil erhält. Mit anderen Worten kann ein ausgewähltes Verhältnis der Teilchenabmessung in der x-Richtung und der Teilchenrichtung in der y-Richtung eingeführt werden, um einen gewünschten Wert für das Verhältnis θ_x/θ_y zu erzeugen, wobei θ_x bzw. θ_y den in der x-z-Ebene und der y-z-Ebene gemessenen Betrachtungswinkel darstellen. Beispielsweise kann eine optische Einrichtung wie in 5B gezeigt in einem Schirm verwendet werden, um die verschiedenen, in 3 dargestellten horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkel zu erzeugen, wobei die Größe der Faserlänge größer ist als der Faserdurchmesser, um eine ungleiche Dispersion in der vertikalen und horizontalen Richtung zu erzeugen.
Der Volumenanteil der eingebetteten Teilchen beeinflußt das Streuen von Licht in der vorliegenden Erfindung. Innerhalb von Grenzen nimmt mit einer Zunahme des Volumenanteils der eingebetteten Teilchen im allgemeinen auch das Ausmaß der Streuung zu, die ein Lichtstrahl nach dem Eintritt in die optische Einrichtung sowohl für angepaßte als auch fehlangepaßte Richtungen des polarisierten Lichts erfährt. Dieser Faktor ist wichtig beim Steuern der Reflexions- und Transmissionseigenschaften der optischen Einrichtung. Wenn jedoch der Volumenanteil der eingebetteten Teilchen zu groß wird, nimmt die Lichtstreuung ab. Ein Grund für dieses Phänomen besteht darin, daß die eingebetteten Teilchen, wenn sie relativ zu der Wellenlänge des durch die optische Einrichtung hindurchtretenden Lichts nahe beieinanderliegen, im allgemeinen wie eine kleine Anzahl von größeren effektiven Teilchen wirken.
Auch die Dicke der optischen Einrichtung ist ein wichtiger Steuerparameter, der manipuliert werden kann, um Reflexions- und Transmissionseigenschaften in der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen. Mit Zunahme der Dicke der optischen Einrichtung und der Beibehaltung der gleichen Teilchendichte wird auch die diffuse Reflexion vergrößert und die Transmission, sowohl spiegelnde als auch diffuse, nimmt ab.
Dementsprechend können mehrere Parameter verstellt werden, damit man eine optische Einrichtung mit einer bestimmten polarisationsempfindlichen streuenden Eigenschaft erhält. Auch wenn dies nicht einschränkend ist, lautet ein Satz von Parameterbereichen, der für eine polarisationsempfindliche, lichtstreuende optische Einrichtung verwendet werden kann, die eine ausgewählte Polarisation des Lichts diffus durchläßt:
Δn für die streuende Polarisation zwischen etwa 0,03 und 0,25;
d_z zwischen etwa 0,1 μm und etwa 20 μm;
Volumenanteil zwischen etwa 5 und 50 Prozent und Dicke der optischen Einrichtung zwischen etwa 5 μm und 10000 μm.
Es versteht sich, daß polarisationsempfindliche diffusdurchlassende optische Einrichtungen möglicherweise auch außerhalb dieser Bereich funktionieren können.
Die Ausdrücke "spiegelnde Transmission" und "spiegelnder Transmissionsgrad" werden dafür verwendet, die Transmission von Strahlen durch die polarisationsempfindliche lichtstreuende Einrichtung in einer im wesentlichen spiegelnden Richtung ohne jegliche signifikante Diffusion oder Dispersion zu bezeichnen. Die Ausdrücke "diffuse Transmission" und "diffuser Transmissionsgrad" werden dazu verwendet, die Transmission durch die optische Einrichtung zu bezeichnen, die diffus oder dispergierend ist. Die Ausdrücke "Gesamttransmission" und "Gesamttransmissionsgrad" beziehen sich auf die kombinierte Transmission allen Lichts durch einen optischen Körper. Somit ist die Gesamttransmission die Summe der spiegelnden und diffusen Transmission.
Dimensionsausrichtung weist einen Effekt auf das Streuverhalten der eingebetteten Teilchen auf. Insbesondere streuen in gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Körpern ausgerichtete Streuer Licht nicht symmetrisch um die Richtungen der spiegelnden Transmission, wie zufällig ausgerichtete Streuer. Beispielsweise streuen eingebettete Körper, die verlängert sind, um Stäben innerhalb der kontinuierlichen Phasenmatrix zu ähneln, Licht in erster Linie in eine Richtung senkrecht zur Verlängerungsachse, und das gestreute Licht erscheint als ein Lichtband in der senkrecht zur Verlängerungsrichtung laufenden Ebene mit einer Intensität, die mit zunehmendem Winkel von der Einfallsrichtung weg abnimmt. Indem die Geometrie der eingebetteten Körper zugeschnitten wird, kann eine gewisse Kontrolle über die Verteilung von gestreutem Licht in der durchlässigen Halbkugel erzielt werden.
Zu geeigneten Diffuserteilchen zählen phasengetrennte Teilchen aus Extrusions- und Polymerteilchen, insbesondere vorgeformte Perlen. Nicht-doppeltbrechende Teilchen können aus Acrylpolymeren und Copolymeren hergestellt sein, Polyurethan und Polycarbonat können als nicht-doppeltbrechende Harze verwendet werden, während doppeltbrechende Teilchen aus halbkristallinen (Co)-Polymeren wie etwa Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterphthalat (PET), einem Copolymer aus PEN und PET (CoPEN) und syndiotaktischem Polystyrol, Polyamiden und einer großen Vielfalt von nichtabsorbierenden Materialien hergestellt sein können.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Streuwinkel für das durchgelassene Licht von dem relativen Winkel zwischen dem Polarisationsvektor des auf die optische Einrichtung einfallenden Lichts und den jeweiligen Achsen der optischen Einrichtung abhängt. Dies kann zum Wählen eines bestimmten Betrachtungswinkels verwendet werden. Man betrachte die in 5B dargestellte optische Einrichtung 520, bei der die Körper 524 isotrop sind und einen Brechungsindex von n_p aufweisen und das kontinuierliche Phase aufweisende Polymer 522 doppeltbrechend ist, wobei die Brechungsindizes n_cx ≠ n_p und n_cy ≈ n_p, so daß y-polarisiertes Licht im wesentlichen von der optischen Einrichtung spiegelnd durchgelassen wird, während x-polarisiertes Licht diffus durchgelassen wird. Bei diesem Beispiel ist das einfallende Licht horizontal polarisiert, parallel zur x-Achse.
Eine Ausführungsform eines Projektionssystems ist in 6A dargestellt, die eine Bildlichtquelle 602 zeigt, die Licht in Richtung eines Schirms 604 durchläßt, der ein dispergierendes Element mit einem Aufbau enthält, der dem der optischen Einrichtung 520 in 5B ähnlich ist. Die Bildlichtquelle 602 läßt Licht mit einer durch den Doppelkopfpfeil dargestellten Polarisation parallel zur vertikalen Richtung durch. Der Schirm 604 ist mit der Streckungsrichtung der Körper 606, von denen einige schematisch gezeigt sind, parallel zur x-Richtung orientiert. Der Winkel β ist als der Winkel zwischen der x-Achse und der Polarisationsrichtung des Lichts definiert, wie gezeigt. Für die jeweilige dargestellte Orientierung des Schirms verläuft die x-Achse parallel zur Richtung der Lichtpolarisation, weshalb β = 0°. Da die Eigenschaften des Films für parallel zur x-Achse und zur y-Achse polarisiertes Licht verschieden sind, können die x- und y-Achse als Polarisationsachsen bezeichnet werden.
Das Streuprofil des vom Schirm 604 diffus durchgelassenen Lichts wird durch die Kurve 610 in 6B dargestellt. Die Ellipse stellt die Luminanz oder Verstärkung dar, die die Hälfte der Spitzenluminanz oder -verstärkung darstellt, als Funktion des Winkels θ für Licht, das normal auf dem Schirm 604 auftrifft. Der elliptische Charakter der Kurve 610 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Betrachtungswinkel in der vertikalen Richtung θ_V kleiner ist als der Betrachtungswinkel in der horizontalen Richtung θ_H. Die Kurve 610 stellt das Streuprofil dar, durch das in der Richtung des Doppelkopfpfeils polarisiertes Licht beim Durchtreten durch die optische Einrichtung gestreut wird. Hier wird das Licht parallel zur x-Achse der optischen Einrichtung polarisiert.
Wenn der Schirm 604 um die Einfallsachse gedreht wird, beispielsweise β = 45°, dann weist das auf den Schirm 604 fallende Licht Komponenten sowohl mit x- als auch y-Polarisation auf. Die y-Komponente wird ungefähr spiegelnd übertragen, während die x-Komponente diffus übertragen wird. Sowohl θ_V als auch θ_H werden relativ zu dem in 6B gezeigten Fall reduziert, wie in 6C gezeigt. Die Hauptachse des abgeflachten Streuprofils 620 bleibt parallel zur y-Achse. Die Winkelgröße des Streuprofils ist verringert, weil sich in dem diffus gestreuten Licht weniger optische Leistung befindet und weil sich in dem spiegelnd übertragenen Licht mehr optische Leistung befindet.
Licht wird von dem Schirm 604 größtenteils spiegelnd übertragen, wenn der Schirm 604 so gedreht wird, daß die y-Achse bei β = 90° parallel zur Polarisationsrichtung verläuft, wie in 6D dargestellt. Folglich ist das Streuprofil im wesentlichen kreisförmig, wie von dem kleinen Kreis 630 gezeigt, und die Betrachtungswinkel θ_V und θ_H sind erheblich reduziert.
Dieses Verhalten kann auch im Hinblick auf den Betrachtungswinkel und die auf der Achse liegende Verstärkung veranschaulicht werden. Die in 7 gezeigten Kurven 700 und 702 stellen jeweils die Abhängigkeit des Betrachtungswinkels und der auf der Achse liegenden Verstärkung als Funktion des Winkels β zwischen der Polarisationsrichtung und der x-Achse dar. Der Betrachtungswinkel nimmt von einem Maximalwert bei β = 0° auf ein Minimum bei β = 90° ab, während die axiale Verstärkung von einem Minimalwert bei β = 0° auf ein Maximum bei β = 90° zunimmt.
Ein von der Abhängigkeit des Betrachtungswinkels von dem Winkel β hergeleiteter Vorteil besteht darin, daß der von der optischen Einrichtung bereitgestellte Betrachtungswinkel verstellt werden kann, was zu einer damit einhergehenden Änderung bei der axialen Verstärkung führt. Wenn beispielsweise eine polarisationsempfindliche, diffusdurchlassende optische Einrichtung als ein Streuschirm für eine Quelle polarisierten Lichts verwendet wird, kann die optische Einrichtung so um die optische Achse gedreht werden, daß sich β ändert, und somit werden verschiedene Werte für Betrachtungswinkel und Verstärkung gewählt. Dies kann in Situationen von Vorteil sein, wenn sich die Umgebungslichtbedingungen ändern, wenn ein Benutzer bereit ist, auf Betrachtungswinkel zugunsten von Verstärkung zu verzichten.
Eine polarisationsempfindliche, diffusübertragende optische Einrichtung kann in einem von hinten beleuchteten Display verwendet werden. Beispielsweise kann eine Armbanduhr 800 mit einer drehbaren, polarisationsabhängigen, diffusübertragenden optischen Einrichtung 802 ausgestattet sein, wie in 8A dargestellt. Bei schwachen Beleuchtungsbedingungen kann die optische Einrichtung zu einer Position mit niedriger Verstärkung und großem Betrachtungswinkel gedreht werden, so daß der Benutzer die großen Betrachtungswinkel nutzen kann: die Lichtstrahlen 804 breiten sich von der Einrichtung 802 über einen großen Bereich von Winkeln aus. Bei hellen Beleuchtungsbedingungen ist möglicherweise mehr Licht von der Armbanduhrvorderseite erforderlich, damit der Benutzer die Informationen vor einem hellen Hintergrund sehen kann. In einem derartigen Fall kann der Benutzer die optische Einrichtung 802 zu einer Position mit größerer Verstärkung und kleinerem Betrachtungswinkel drehen, wie in 8B dargestellt. Die Zweckmäßigkeit eines großen Betrachtungswinkels kann reduziert werden, doch kann der Benutzer das Licht von der Armbanduhrvorderseite unter ungünstigen Beleuchtungsbedingungen deutlicher sehen.
Displays mit abstimmbarem Betrachtungswinkel/abstimmbarer Verstärkung können in anderen Situationen wie etwa bei Instrumentendisplaybrettern verwendet werden, beispielsweise in Avionikanwendungen, wenn sich die Umgebungsbeleuchtungsbedingungen schnell ändern. Solche Displays und Schirme können auch dazu verwendet werden, die Fähigkeit einer außeraxial positionierten Person zu reduzieren, Informationen auf dem Schirm zu sehen, beispielsweise bei Anwendungen, wenn Datenschutz wichtig ist.
Eine polarisationsempfindliche, diffusübertragende optische Einrichtung kann auch zum Dispergieren von Licht in ausgewählten Richtungen verwendet werden. Eine derartige optische Einrichtung kann alleine oder in Verbindung mit anderen Mitteln dazu verwendet werden, Licht in den bestimmten gewünschten horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkeln zu dispergieren. Ein bestimmtes Beispiel eines Kombinationstransmissionsschirms 900 ist in 9A dargestellt. Der Transmissionsschirm 900 enthält eine erste Schicht 902 aus einer polarisationsempfindlichen, asymmetrischdiffus übertragenden optischen Schicht, die Licht in einem größeren Grad in einer Richtung als in einer anderen diffundiert. Der Schirm 900 enthält außerdem eine isotropstreuende optische Volumendiffusorschicht 904, die Licht isotrop diffundiert. Beispielsweise kann die polarisationsempfindliche optische Einrichtung 902 einen horizontalen Betrachtungswinkel von 30° und einen vertikalen Betrachtungswinkel von 10° erzeugen. Die isotropstreuende optische Einrichtung 904 kann ein 20°-Streuer sein, so daß der resultierende Betrachtungswinkel für durch den Schirm durchgelassenes Licht sowohl in der horizontalen als auch der vertikalen Richtung vergrößert wird, wobei der horizontale Betrachtungswinkel größer ist als der vertikale Betrachtungswinkel.
Eine weitere Ausführungsform eines polarisationsempfindlichen, diffusübertragenden Schirms 920 ist in 9B dargestellt. Die polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung 922 weist eine streuende Oberfläche 924 auf, die so konturiert ist, daß sie das dort hindurchtretende Licht dispergiert. Die streuende Oberfläche 924 kann eine linsenförmige Oberfläche sein, die Licht in einer Dimension divergieren läßt, wie dargestellt. Es versteht sich, daß es sich bei der Oberfläche 924 um eine beliebige andere geeignete lichtdispergierende Oberfläche wie etwa eine zufällig aufgerauhte Oberfläche, eine mikroholographische streuende Oberfläche, eine mit Mikrolinsen versehene Oberfläche und dergleichen handeln kann. Eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Schicht 926 kann auf der Ausgabeseite der streuenden Oberfläche 924 angebracht sein, um die Herstellung zu erleichtern. Dadurch kann die polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung 922 mit einer strukturierten Ausgabeoberfläche 924 mit anderen Schichten des Schirms ohne Notwendigkeit eines Luftspalts integriert werden. Alternativ kann die streuende Oberfläche 924 auf einer Eingabeseite der polarisationsempfindlichen streuenden optischen Einrichtung 922 angeordnet sein.
Eine polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung kann in verschiedenen Arten von Transmissionsschirmbaugruppen enthalten sein. Viele verschiedene Kombinationen von optischen Einrichtungen können in einer Schirmbaugruppe verwendet werden, von denen zwei hier dargestellt sind. In 10A wird eine Schirmbaugruppe 1000 aus vier Schichten hergestellt. Eine Fresnel-Linse 1002 kann in einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schicht 1004 eingebettet sein, wie in der am 13. Januar 1999 eingereichten US-Patentanmeldung 09/229,198 gelehrt, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende optische Schicht 1004 kann auf einer Eingabefläche 1006 der polarisationsempfindlichen, diffusdurchlassenden optischen Einrichtung 1008 laminiert sein, die an einer isotropstreuenden Schicht 1010 wie etwa einem massiven diffundierenden Film laminiert oder auf andere Weise angebracht ist. Es versteht sich, daß zusätzlich zu der hier dargestellten besonderen Ausführungsform andere Ausführungsformen von polarisationsempfindlichen streuenden optischen Einrichtungen in einer derartigen Schirmbaugruppenstruktur enthalten sein können. Eine Fresnel-Linse 1002 kann sich dafür eignen, von einem nicht gezeigten Bildprojektor erhaltenes Licht zu kollimieren oder zumindest umzulenken, um über eine Schirmfläche hinweg eine Helligkeitsgleichförmigkeit beizubehalten. Der Schirm 1000 kann anstelle der isotropstreuenden Schicht 1010 einen Oberflächendiffusor verwenden.
Eine weitere Ausführungsform einer Schirmbaugruppe ist in 10B dargestellt. Die Baugruppe 1020 enthält eine polarisationsempfindliche, diffusdurchlassende optische Einrichtung 1022, die an einer streuenden Einrichtungsubstratschicht 1024 angebracht ist, um einen Träger für die streuende optische Einrichtung 1022 zu liefern. Die Baugruppe enthält außerdem eine linearpolarisierende Schicht 1026, die so orientiert ist, daß sie Licht mit der Polarisation überträgt, die diffus durch die polarisationsempfindliche, diffusdurchlassende optische Einrichtung 1022 durchgelassen wird. Die polarisierende Schicht 1026 verhindert die Übertragung von Licht mit der orthogonalen Polarisation.
Die Figur zeigt einen einfallenden Strahl 1032, der unpolarisiert sein kann oder eine Mischung aus verschiedenen Polarisationskomponenten enthalten kann. Eine Polarisationskomponente des einfallenden Strahls 1032 ist die Polarisation, die von der polarisationsempfindlichen streuenden optischen Einrichtung 1022 diffus gestreut wird und als Strahl 1034 diffus übertragen wird. Licht mit der orthogonalen Polarisation kann von der polarisationsempfindlichen, diffusdurchlassenden streuenden optischen Einrichtung 1022 durchgelassen werden. Beispielsweise kann sie als Strahl 1036 spiegelnd übertragen werden. Der Lichtstrahl 1036 wird in der polarisierenden Schicht 1026 absorbiert. Deshalb überträgt die polarisierende Schicht 1026 nur diejenige Komponente 1034 des einfallenden Lichts, die von der polarisationsempfindlichen streuenden optischen Einrichtung 1022 diffus übertragen wird. Dies ist nützlich beim Verstärken des Schirmkontrasts durch Reduzieren der Transmission von Licht mit der unerwünschten Polarisation der Einrichtung 1022 zu der Betrachterseite. Die polarisierende Schicht 1026 eignet sich außerdem zum Reduzieren der Reflexion von Umgebungslicht, das von der Betrachterseite aus auf die Einrichtung 1022 fällt, wodurch der Schirmkontrast weiter erhöht wird.
Die optische Einrichtung 1022 kann außerdem das orthogonal zu der Polarisation des Lichtstrahls 1034 polarisierte Licht diffus übertragen. Die polarisierende Schicht 1026 kann sich auch dafür eignen, die Übertragung von orthogonal zur Polarisation des Lichtstrahls 1034 polarisiertem Licht durch den Schirm 1020 zu verhindern.
Die polarisierende optische Einrichtung kann zur Unterstützung an einer Glasplatte 1028 angebracht sein.
Jede Schicht 1022, 1024, 1026 und 1028 kann auf die andere Schicht laminiert sein, an eine andere Schicht geklebt sein, wobei beispielsweise ein optisch transparenter Kleber verwendet wird, oder durch irgendein anderes Verfahren an den anderen Schichten befestigt werden.
Unten werden zusammen mit einigen gemessenen Eigenschaften verschiedene Schirmbaugruppen unter Verwendung von polarisationsempfindlichen streuenden Schichten beschrieben. Diese Beispiele zeigen, daß polarisationsempfindliche, diffusdurchlässige Schichten effektiv für Rückprojektionsschirme verwendet werden können.
Beispiel 1. Thermoplastische Perlen, die in einem thermoplastischen Bindemittel dispergiert sind
Durch extrudieren einer Mischung aus 10 Gew.-% Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Perlen in Questra MA405^®, erhältlich von Dow Chemical Company, bei 270°C wurde eine polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung hergestellt. Die PMMA-Perlen wiesen einen mittleren Durchmesser von 5 μm und einen Brechungsindex von n_p = 1,49 auf. Ein Abschnitt der extrudierten optischen Einrichtung wurde um einen Faktor von vier in der Bahnabwärtsrichtung bei 125°C gedehnt, wodurch sich der Brechungsindex der kontinuierlichen Phase von Questra änderte. Die gedehnte optische Einrichtung zeigte, daß sich die PMMA-Teilchen in der gedehnten Richtung verlängert hatten. Die polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung weist Betrachtungswinkel von 3° und 8° in der Richtung der x-Achse (gedehnt) bzw. y-Achse (ungedehnt) auf. Wegen der hohen Extrusionstemperatur verklumpten sich einige der PMMA-Perlen wodurch der Streueffekt dieser optischen Einrichtung reduziert wurde.
Beispiel 2. Teilweise vernetzte Perlen, die in einem thermoplastischen Bindemittel dispergiert sind
Durch Extrudieren einer Mischung aus 40 Gew.-% modifizierten (teilweise vernetzten) PMMA-Perlen wurde eine polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung hergestellt. Der Modifizierer war Plexiglas-'L'-Modifizierer, erhältlich von AutoHaas, Philadelphia, PA, USA. Die PMMA-Perlen wiesen einen mittleren Durchmesser von 7 μm und einen Brechungsindex von n_p = 1,46 auf. Die kontinuierliche Phase war ein PMMA-Harz (Plexiglas DR-100, n=1,49 von AutoHaas, Philadelphia, PA, USA) Die Extrusion fand bei einer Temperatur von 22°C statt. Ein Abschnitt des extrudierten Films wurde um 30% in einer Richtung bei einer Temperatur von 105°C gedehnt, um eine 7-Milli-I-nch dicke polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung herzustellen. Eine Untersuchung der entstehenden optischen Einrichtung durch SEM ergab, daß die Teilchen entlang der gedehnten Richtung verlängert wurden. Der Diffusor wies eine Spitzenverstärkung von 12,5 und einen Betrachtungswinkel von 8° bzw. 11° in der Richtung der x-Achse (gedehnt) und y-Achse auf.
Beispiel 3. In einem doppeltbrechenden Harz dispergierte Polymerperlen
Durch Extrudieren einer Mischung von 15 Gew.-% vernetzter Styrol-Divinylbenzol-Copolymer-Perlen in Questra MA405^® bei 270°C wurde eine polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung hergestellt. Die Perlen wurden aus SBX-6-Material hergestellt, das von der Firma Nagase America, NY, NY, USA, erhältlich ist. Die Perlen wiesen einen mittleren Durchmesser von 6 μm und einen Brechungsindex von n_p = 1,59 auf. Der Brechungsindex einer klaren syndiotaktischen optischen Polystyrol-Einrichtung nimmt bei Dehnung in der x-Richtung bei 125°C von 1,58 auf 1,53 ab und nimmt in der y-Richtung auf 1,61 zu. Eine Probe der extrudierten optischen Diffusereinrichtung wurde um einen Faktor von 1,5 in der x-Richtung bei 125°C gedehnt, um eine 175 μmil dicke polarisationsempfindliche streuende optische Einrichtung auszubilden. Die optische Einrichtung wies Betrachtungswinkel von 14° und 26° in der Richtung der x-Achse (gedehnt) bzw. y-Achse auf.
Beispiel 4. Phasengetrennte Polystyrolteilchen in einem doppeltbrechenden Harz
In Beispiel 4 wurde ein dreischichtiger optischer Film gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, wobei herkömmliche Dreischichten-Koextrusionstechniken verwendet wurden. Der Film wies eine Kernschicht und eine Hautschicht auf jeder Seite der Kernschicht auf. Die Kernschicht wurde aus einer Mischung aus 88 Gew.-% eines ersten Copolyesters, 10 Gew.-% syndiotaktischem Polystyrol und 2 Gew.-% Dylark^® 332-80 hergestellt. Das erste Copolyester war ein Copolymer auf der Basis von 70 mol% Naphthalen-Dicarboxylat und 30 mol% Dimethylterephthalat. Das erste Copolyester wies bei Messung in 60% Phenol und 40% Dicholorobenzol eine Eigenviskosität von etwa 0,56 auf. Das syndiotaktische Polystyrol war ein Copolymer auf der Basis von 93 mol% Styrol und 7 mol% Paramethylstyrol und wies ein Molekülgewicht von 250000 Dalton auf. Das syndiotaktische Polystyrol wurde von Dow Chemical Company bezogen.
Die Hautschichten wurden aus einem zweiten Copolyester gebildet. Das zweite Copolyester basierte auf 70 mol% Naphthalen-Dicarboxylat und 30 mol% Dimethylisophthalat. Das zweite Copolyester wies bei Messung in 60% Phenol und 40% Dicholorobenzol eine Eigenviskosität von etwa 0,48 auf.
Beispiel 4 wurde in der Querrichtung auf einer konventionellen Polyesterstraße bei 118°C in Querrichtung gedehnt. Der Endfilm war nach der Dehnung 120 μm dick. Der Film wies eine Einfachdurchgangstransmission von 84,3 für linearpolarisiertes Licht auf, dessen Polarisation mit der Maschinenrichtung des Films übereinstimmte. Die Einfachdurchgangstransmission betrug 47,8 für linearpolarisiertes Licht, dessen polarisiertes Licht, dessen Polarisation mit der Querrichtung des Films übereinstimmte.
Die Spitzenverstärkung (PG) und der Betrachtungswinkel (VA) wurden unter Verwendung von polarisiertem Licht jeweils parallel zur Maschinenrichtung (MD) und der Querrichtung (TD) gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.
Tabelle I Verstärkungs- und Betrachtungswinkelmessungen
Ein symmetrischer Diffusor mit einem Betrachtungswinkel von 22° wurde auf die Oberfläche gegenüber dem einfallenden Licht laminiert, und die Spitzengewinne und Betrachtungswinkel wurden wieder gemessen. Qualitative Charakterisierungen wurden ebenfalls für Diffusion, Farbe und Fleckigkeit vorgenommen. Die Ergebnisse der Messungen und der quantitativen Charakterisierungen sind in Tabelle II zusammengefaßt.
Tabelle II Verstärkungs- und Betrachtungswinkelmessungen
Beispiele 5 und 6. Phasengetrennte Polystyrolteilchen in einem doppeltbrechenden Harz
Die Beispiele 5 und 6 wurden unter Einsatz der gleichen Technik wie für Beispiel 4 beschrieben mit der Ausnahme der Orientierungstemperatur hergestellt. Die Beispiele 5 und 6 wurden bei 130°C bzw. 135°C orientiert. Die Beispiele 5 und 6 wiesen Einfachdurchgangstransmissionswerte von 87,5% bzw. 87,3% für linearpolarisiertes Licht auf, dessen Polarisation mit der Maschinenrichtung des Films übereinstimmte. Die Beispiele 5 und 6 wiesen Einfachdurchgangstransmissionswerte von 59,6% bzw. 62,3% für linearpolarisiertes Licht auf, dessen Polarisation mit der Querrichtung des Films übereinstimmte.
Die Beispiele 5 und 6 wurden entsprechend dem in Beispiel 4 verwendeten Verfahren charakterisiert, und die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt.
Tabelle III Verstärkungs- und Betrachtungswinkelmessungen
Die Beispiele 4 bis 6 zeigen, daß der hier erörterte Ansatz dazu verwendet werden kann, einen lichtdispergierenden Film herzustellen, der signifikante asymmetrische lichtdispergierende Eigenschaften aufweist. Ein derartiger Film kann wahlweise mit einem symmetrischen Diffusor kombiniert werden. Es zeigt sich, daß die resultierende Struktur ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich Diffusion, Farbe und Fleckigkeit aufweist.
Wie oben angemerkt, läßt sich die vorliegende Erfindung auf Rückprojektionsschirme anwenden, und es wird davon ausgegangen, daß sie sich besonders für Schirme eignet, die in Anwendungen verwendet werden, die einen asymmetrischen Betrachtungswinkel erfordern. Die Erfindung eignet sich außerdem dafür, einem Benutzer die Möglichkeit zu geben, einen gewünschten Betrachtungswinkel oder eine gewünschte optische Verstärkung einzustellen.
Die vorliegende Erfindung sollte dementsprechend nicht als auf die oben beschriebenen bestimmten Beispiele beschränkt angesehen werden, sondern es versteht sich vielmehr, daß sie alle Aspekte der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen entsprechend dargelegt sind, abdeckt. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Prozesse sowie zahlreiche Strukturen, auf die sich die vorliegende Erfindung anwenden läßt, ergeben sich ohne weiteres bei Betrachtung der vorliegenden Patentschrift dem Fachmann auf dem jeweiligen Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht. Die Ansprüche sollen alle derartigen Modifikationen und Einrichtungen abdecken.

Claims

Rückprojektionssystem, das aufweist: eine Lichtquelle, die Licht mit einer Polarisation parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung projiziert; einen Transmissionsschirm, der so angeordnet ist, daß er Licht von der Lichtquelle erhält, wobei der Transmissionsschirm eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation aufweist, wobei ein Winkel zwischen der ersten Polarisationsachse und der Quellenpolarisationsrichtung so ausgewählt ist, daß er größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Bildlichtquelle ist, die ein Bild aus polarisiertem Licht in Richtung des Transmissionsschirms überträgt.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die erste streuende Schicht eine Polymermatrixschicht aufweist, in die diskrete Körper eingebettet sind, wobei ein Unterschied beim Brechungsindex zwischen den diskreten Körpern und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer parallel zur ersten Polarisationsachse- verlaufenden Polarisation von einem Unterschied beim Brechungsindex zwischen den diskreten Körpern und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer Polarisation parallel zur zweiten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation verschieden ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 3, wobei die Polymermatrixschicht doppeltbrechend ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 3, wobei die diskreten Körper doppeltbrechend sind.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 3, wobei die diskreten Körper aus einem Polymermaterial ausgebildet sind.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 3, wobei die diskreten Körper im wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei ein erster Betrachtungswinkel, der für in der ersten streuenden Verteilung gestreutes Licht in einer Richtung entlang der ersten Polarisationsachse definiert ist, von einem zweiten Betrachtungswinkel für Licht, das in der ersten streuenden Verteilung in einer Richtung entlang der zweiten Polarisationsachse gestreut wird, verschieden ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsschirm ferner eine zweite streuende Schicht aufweist, die so angeordnet ist, daß sie durch die erste streuende Schicht hindurchtretendes Licht streut, wobei die zweite streuende Schicht eine dritte streuende Verteilung aufweist, die unabhängig ist von einer Polarisationsrichtung von durch die zweite streuende Schicht hindurchtretendem Licht.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsschirm ferner eine auf einer Schicht des Transmissionsschirms vorgesehene diffundierende Oberfläche aufweist, um durch die diffundierende Oberfläche hindurchtretendes Licht von der Lichtquelle wegzudiffundieren.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Fresnel-Linse auf einer Eingabeseite des Transmissionsschirms der Lichtquelle zugewandt aufweist, um die Divergenz von den Transmissionsschirm von der Lichtquelle erreichendem Licht zu ändern.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsschirm ferner eine Polarisatorschicht aufweist, die so orientiert ist, daß sie durch die erste streuende Schicht hindurchtretendes Licht hindurchläßt, das parallel zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiert ist, und die Transmission von durch die erste streuende Schicht hindurchtretendem Licht blockiert, das senkrecht zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiert ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsschirm drehbar ist und der Winkel zwischen der ersten Polarisationsachse und der Quellenpolarisationsrichtung drehbar zwischen 0° und 90° auswählbar ist.
Rückprojektionssystem, das aufweist: eine Lichtquelle, die Licht mit einer Polarisation parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung projiziert; und einen Transmissionsschirm, der so angeordnet ist, daß er Licht von der Lichtquelle erhält, wobei der Transmissionsschirm eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation aufweist, wobei der Transmissionsschirm auch eine polarisierende Schicht aufweist, die so orientiert ist, daß sie parallel zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiertes Licht durchläßt und die Transmission von senkrecht zu der Quellenpolarisationsrichtung polarisiertem Licht blockiert.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 14, wobei die Lichtquelle eine Bildlichtquelle ist, die ein Bild aus polarisiertem Licht in Richtung des Transmissionsschirms überträgt.
System nach Anspruch 14, wobei die erste streuende Schicht Licht mit einer senkrecht zu der Quellenpolarisationsrichtung verlaufenden Polarisationsrichtung im wesentlichen spiegelnd durchläßt.
System nach Anspruch 14, wobei die erste streuende Schicht eine Polymermatrixschicht enthält, in die diskrete Körper eingebettet sind, wobei ein Unterschied zwischen Brechungsindizes der diskreten Körper und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer parallel zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation von einem Unterschied zwischen Brechungsindizes der diskreten Körper und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer parallel zu der zweiten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation verschieden ist.
System nach Anspruch 17, wobei die Polymermatrixschicht doppeltbrechend ist.
System nach Anspruch 17, wobei die diskreten Körper doppeltbrechend sind.
System nach Anspruch 17, wobei die diskreten Körper aus einem Polymermaterial ausgebildet sind.
System nach Anspruch 17, wobei die diskreten Körper im wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind.
System nach Anspruch 14, wobei die Dispersion von durch den Schirm hindurchgelassenem Licht asymmetrisch ist.
System nach Anspruch 14, wobei der Transmissionsschirm ferner eine zweite streuende Schicht enthält, die so angeordnet ist, daß sie durch die erste streuende Schicht hindurchtretendes Licht streut, wobei die zweite streuende Schicht eine dritte streuende Verteilung aufweist, die unabhängig ist von einer Polarisationsrichtung von durch die zweite streuende Schicht hindurchtretendem Licht.
Displayeinrichtung, die aufweist: eine Lichtquelle, die Licht mit einer Polarisation parallel zu einer Quellenpolarisationsrichtung projiziert; einen Transmissionsschirm, der so angeordnet ist, daß er Licht von der Lichtquelle erhält, wobei der Transmissionsschirm eine erste streuende Schicht mit einer ersten streuenden Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer ersten Schirmpolarisationsachse verlaufenden Polarisation und eine zweite streuende Verteilung für Licht mit einer parallel zu einer zweiten Schirmpolarisationsachse orthogonal zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation aufweist, wobei die erste streuende Schicht drehbar in der Displayeinrichtung montiert ist; wobei eine Drehung der ersten streuenden Schicht zu einer Variation eines Winkels zwischen der ersten Polarisationsachse und der Quellenpolarisationsrichtung führt.
Displayeinrichtung nach Anspruch 24, wobei die erste streuende Schicht eine Polymermatrixschicht aufweist, in die diskrete Körper eingebettet sind, wobei ein Unterschied zwischen Brechungsindizes der diskreten Körper und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer parallel zu der ersten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation von einem Unterschied zwischen Brechungsindizes der diskreten Körper und der Polymermatrixschicht für Licht mit einer parallel zu der zweiten Polarisationsachse verlaufenden Polarisation verschieden ist.
Displayeinrichtung nach Anspruch 24, wobei der Transmissionsschirm ferner eine zweite streuende Schicht aufweist, die so angeordnet ist, daß sie durch die erste streuende Schicht hindurchtretendes Licht dispergiert, wobei die zweite streuende Schicht eine dritte streuende Verteilung aufweist, die unabhängig von der Polarisation von durch die zweite streuende Schicht hindurchtretendem Licht ist.
Rückprojektionssystem nach Anspruch 24, wobei die Lichtquelle eine Bildlichtquelle ist, die ein Bild aus polarisiertem Licht in Richtung des Transmissionsschirms projiziert.