ЭКРАН Российский патент 1998 года по МПК G03B21/60 

Изобретение относится к устройствам формирования изображений, устройствам формирования диаграммы направленности световых пучков после прохождения или отражения от экрана, в частности к отражателям и рассеивателям света, которые могут быть использованы в автомобилях, дорожных знаках и т.д. а также к экранам, на которых формируется изображение и работающим на просвет или отражение, и может быть использовано в качестве экранов дисплеев, киноэкранов, просвечивающих экранов оптических микроскопов и т.д.

Известен экран, содержащий диффузно рассеивающее полотно и закрепленное с воздушным промежутком полотно с цилиндрическими прозрачными стержнями [1] Экран работает на отражение. Свет, падая на цилиндрические стержни, фокусируется на диффузно рассеивающей поверхности. Отраженный свет проходит через эти же стержни и в плоскости, перпендикулярной осям стержней, собирается в параллельный луч, тогда как свет в перпендикулярном направлении проходит практически без изменений. Изготовленный таким образом экран обеспечивает только асимметричную диаграмму рассеяния.

Известен "РИР-проекционный экран", содержащую переднюю и заднюю стороны [2] На передней стороне получают изображение. Экран содержит прозрачную пластину, имеющую на первой стороне параллельные светораспределительные элементы, которые ориентированы в первом направлении и распределяют свет в первой плоскости, перпендикулярной первому направлению. Эти элементы имеют наклонные кромки, обеспечивающие полное внутреннее отражение, и вершинный участок, создающий пропускание и преломление света. Задняя сторона имеет вторые параллельные светораспределительные элементы. Экран довольно сложен и, используя указанный принцип, трудно получить высокое разрешение. Кроме того, в пропускании света участвует только часть экрана, что снижает его эффективность.

Наиболее близким к изобретению является экран, содержащий две светопреломляющие пластины, поверхности которых выполнены в виде набора цилиндрических линзовых элементов [3] Оптические оси соответствующих линзовых элементов на пластине параллельны друг другу. Линзовые элементы на каждой стороне каждой пластины приведены в контакт бок о бок. Линзовые элементы на одной поверхности пластины расположены симметрично линзовым элементам на другой стороне пластины, причем каждая пара противолежащих линзовых элементов расположена на одной оси таким образом, что касательная плоскость к искривленной поверхности одних линзовых элементов лежит в фокальной плоскости других линзовых элементов и наоборот. Продольные оси линзовых элементов на одной пластине перпендикулярны оптическим осям линзовых элементов на другой пластине. Данный экран обеспечивает высокий коэффициент усиления, однородный цветовой баланс в широком угле зрения.

Недостатком является трудность получения высокого контраста, эффективности и разрешения при малых размерах изображения. Это определяется тем, что разрешение определяется размером линзовых элементов, а толщина экрана (соответственно и разрешение) жестко связана с размером линзовых элементов. Дополнительные потери возникают в зазоре между пластинами, что снижает контраст.

Техническим результатом изобретения является увеличение яркости, контрастности и разрешения изображения, а также получение заданной диаграммы направленности экрана (заданного коэффициента усиления) и получение экрана, простого в изготовлении.

Указанный технический результат достигается тем, что в экране, содержащем обращенную к проекционному источнику первую поверхность и вторую поверхность, между которыми размещена среда, а также преломляющие свет элементы, преломляющие свет элементы выполнены в виде волокон, отличающихся от среды коэффициентом преломления, и, по меньшей мере, частично погруженных в среду, среда и волокна, по меньшей мере, частично прозрачны, причем волокна уложены таким образом, что любой луч света проходит, по меньшей мере, через одно волокно;
волокна в каждом слое уложены параллельно друг другу;
экран содержит, по меньшей мере, два слоя волокон, при этом волокна в смежных слоях ориентированы в разных направлениях, волокна в смежных слоях ориентированы перпендикулярно друг относительно друга; по меньшей мере, в одном слое волокна уложены в виде спирали с центром, совпадающим с центром экрана; по меньшей мере, в одном слое волокна уложены в виде концентрических окружностей или спирали;
показатель преломления волокон удовлетворяют условию:
п₂ < п₁ < п₂/cos (0,5 arc sin (п₀/п₂)) (1) или
п₂ > п₁ > п₂cos (0,5 arc sin (п₀/п₂)) (2),
где п₁ показатель преломления волокон;
п₂ показатель преломления прозрачной среды;
п₀ показатель преломления среды вне экрана;
на второй поверхности нанесено зеркальное отражающее покрытие;
на первую поверхность нанесено просветляющее покрытие;
волокна или среда, или волокна и среда в разных слоях имеют разные коэффициенты преломления;
слои состоят из чередующихся волокон различного диаметра;
волокна являются волоконно-оптическими световодами;
по меньшей мере, часть волокон сплетены в ткань.

На фиг.1 схематично представлен экран; на фиг.2 и 3 представлен ход световых лучей через экран для двух случаев соотношений между показателями преломления среды, волокна и среды вне экрана; на фиг.4-10 представлены другие примеры исполнения экрана.

На фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми цифрами.

Наиболее простой вариант исполнения экрана, представленный на фиг.1, содержит среду 1 и полностью погруженные в нее волокна 2, показатели преломления которых отличаются от показателя преломления среды. Волокна 2 и среда 1 могут быть полностью прозрачны, но для улучшения контрастности их целесообразно делать полупрозрачными. В качестве волокон могут быть использованы полимерные, стеклянные нити или волоконно-оптические световоды. Экран ограничен первой поверхностью 3 и второй поверхностью 4. Поверхности 3 и 4 могут быть гладкими, тогда в просветных экранах на них целесообразно наносить просветляющие покрытия для увеличения контрастности и пропускания. В отражающих экранах на поверхность 4 наносят отражающее покрытие. Поверхности 3 и 4 могут быть и не гладкими, а волнистыми для увеличения угла рассеяния или для уменьшения бликов от неиспользуемых источников света. В этом случае волнистость может быть достигнута тем, что волокна 2, примыкающие к поверхностям 3 и 4, не полностью погружены в среду 1.

Волокна в самом простом случае, показанном на фиг.1, составляют один слой. В этом случае они должны касаться друг друга, чтобы исключить возможность какому-нибудь лучу пройти через экран, не преломляясь хотя бы на одном волокне. В противном случае экран будет давать "горячее пятно", что ухудшает его характеристики, как однородно рассеивающего экрана. Волокна могут быть и не уложены в слой, однако для упрощения технологии изготовления целесообразно укладывать их слоями, а в слоях ориентировать параллельно друг другу. Для улучшения однородности экрана целесообразно увеличивать число слоев, а различие показателей преломления среды 1 и волокон 2 уменьшать. Однако при этом за счет увеличения толщины экрана и количества элементарных актов отражения на волокнах ухудшается разрешение экрана и контраст.

Для получения рассеяния в двух взаимно перпендикулярных направлениях необходимо использовать, по меньшей мере, два слоя волокон, направление укладки волокон в этих слоях разориентированы. Для простоты угол разориентирования целесообразно делать равным 90^o.

В ряде случаев, когда экран не служит для формирования на нем изображения, а используется для формирования необходимой диаграммы направленности светового луча, рассеяние в двух направлениях можно осуществить одним слоем волокон, уложенных спиралью или в виде концентрических колец.

Экран может быть изготовлен из стеклоткани, погруженной в среду.

Поверхности 3 и 4 могут иметь достаточно произвольную форму, не обязательно плоскую, в частности сферическую или цилиндрическую.

В случае использования экрана для формирования изображения на просвет, на первую поверхность 3 направляется свет. На фиг.1 падающий свет показан в виде остронаправленного (слабо сходящегося) пучка 5, формирующего элемент изображения 6. С другой поверхности 4 выходит рассеянный в плоскости, перпендикулярной к волокнам в слое, пучок света 7. Для однородности рассеяния экрана размер элемента должен быть, по меньшей мере, равен диаметру волокна.

Диаграмма направленности рассеянного света определяется показателями преломления среды 1 и волокон 2, а также числом слоев волокон и их взаимной ориентацией. Для достаточно большого различия в показателях преломления и большого количества слоев полный угол рассеяния может составлять 180^o в плоскости, перпендикулярной к направлению волокон. При большом различии в показателях преломления, чем то, при котором достигнуто рассеяние на 180^o для "просветного" экрана, начинает ухудшаться коэффициент пропускания экрана, его разрешение и контрастность. В связи с этим для однослойного для рассеяния света в одном направлении или для рассеяния в двух направлениях многослойного с разориентированными волокнами экранов показатель преломления среды и волокон целесообразно выбирать из приведенных выше условий (1) и (2).

Сущность этих условий поясняется фиг.2 и 3, на которых представлены разрезы экранов перпендикулярно направлению волокон. Луч 8, падающий перпендикулярно к поверхности 3 среды 1 и проходящий через центр цилиндрического волокна 2, выходит из среды 1 через поверхность 4 не преломляясь. Лучи 9 и 10, не проходящие через центр волокна, отклоняются при вхождении в волокно и при его выходе на угол β и попадают на поверхность 4, разграничивающую экранную среду 1 с окружающей экран средой, имеющей показатель преломления п₀. На фиг. 2 и 3 показан случай п₁ > п₂. Чтобы лучи 9 и 10 вышли из среды 1 с достаточной эффективностью, они должны падать на поверхность 4 под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, т.е.

2β < arcsin(п₀/п₂) (3)
Для крайнего луча 10 угол β равен углу, дополнительному к углу полного внутреннего отражения на границе раздела среда 1 и волокно 2:
b = π/2-arcsin(п₂/п₁) (4)
Подставляя соотношение (4) в неравенство (3) получают соотношение (1). Аналогично получают соотношение для случая п₁ < п₂.

Если соотношения (1) и (2) не выполняются, то часть лучей, преломляемых волокном, не выходит из среды 1 через поверхность 4 за первый проход экрана, тем самым уменьшая прозрачность экрана и снижая контраст изображения. На фиг.3 показан именно такой случай, когда луч 11 после преломления на волокне 2 не выходит через поверхность 4. Этот луч далее может опять преломиться на соседнем волокне и, в конце концов, выйти через поверхность 4 на некотором расстоянии от первого волокна, тем самым ухудшается разрешение изображения на экране и его контрастность.

На фиг.4 представлен другой вариант экрана, имеющий горизонтальную диаграмму рассеяния. Этот экран содержит несколько слоев волокон 2, погруженных в среду 1. И в этом случае для увеличения эффектности экрана целесообразно выбирать показатели преломления среды 1 и волокон 2 таким образом, чтобы выполнялось условие (3) при п₁ > п₂, где в качестве β подставляется угол:
b = N(π/2-arcsin(п₂/п₁)), где (5)
N число слоев укладки волокон 2 в среде 1.

А окончательное соотношение выглядит следующим образом:
п₂ < п₁ < п₂/cos((2N)^-1arc sin(п₀/п₂)) (6)
и для случая п₂ > п₁
п₂cos((2N)^-1arc sin(п₀/п₂)) < п₁ < п₂ (7)
Для получения диаграммы рассеяния с половинным углом α показатель преломления волокна надо выбирать из соотношения

Выражение (9) однако следует использовать лишь для оценки значения п₁ сверху, поскольку при его выводе не учитывалась зависимость интенсивности рассеянного луча от угла рассеяния.

Можно также оценить сверху разрешающую способность экрана. Пусть на входной 3 свет формирует элемент 12 диаметром d, существенно превышающим диаметр волокна. Тогда на выходной поверхности 4 экрана толщиной H мы имеет увеличенное пятно 13 диаметром D:
D<{d²+(βH)²}^0.5≤{d²+H²}^0.5 (10)
Таким образом, разрешающая способность экрана определяется его толщиной H, которая не должна быть больше диаметра элемента разложения изображения d. Например, для формирования изображения 1 х 1 м² с числом элементов 1000 х 1000, толщина экрана не должна превышать 1 мм. Если в качестве волокон брать волоконно-оптические световоды диаметром 10-30 мкм, то экран может содержать 30-100 слоев.

На фиг.5 представлен экран, рассеивающий в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Он содержит несколько слоев волокон 14, ориентированных вертикально и формирующих диаграмму рассеяния в горизонтальной плоскости, и несколько слоев волокон 15, ориентированных горизонтально и формирующих диаграмму рассеяния в вертикальной плоскости. В общем случае показатели преломления волокон 14 могут отличаться от показателей преломления волокон 15 и в этом случае углы рассеяния в вертикальной и горизонтальной плоскостях будут различны. На фиг.5 слои волокон 14 и волокон 15 чередуются через один, однако чередование может быть выполнено и через несколько слоев.

Чередование через один слой увеличивает прочность экрана, хотя это и усложняет технологию изготовления. Вариантом такого экрана может быть также экран, выполненный следующим образом. На пластину виток к витку наматывают стеклянные нити, пропущенные предварительно через спиртовый раствор полимера (например, использующегося для изготовления полимерных оболочек волоконно-оптических световодов). На поверхности нитей таким образом формируют тонкий слой полимера. Нити касаются боковыми поверхностями, а полимерные оболочки слипаются, формируя прозрачную среду, повторяющую рельеф уложенных виток к витку нитей. Проводят полимеризацию. Затем в поперечном направлении аналогичным образом изготовляют второй слой (причем, полимер первого слоя "слипнется" с полимером второго слоя в местах касания) и т.д. В результате прозрачная среда в слоях будет повторять рельеф плотно уложенных нитей, а в промежутке между слоями будут области (канавки), заполненные воздухом. Такой экран будет малым количеством слоев обеспечивать широкую диаграмму рассеяния.

На фиг. 6 представлен вариант отражающего рассеивающего экрана. Экран содержит сферические первую поверхность 3 и вторую поверхность 4. На первую поверхность 3 нанесено просветляющее покрытие 16, а на вторую поверхность 4
отражающее покрытие 17. Отражающее покрытие 17 может быть спектрально селективным, что улучшает цветовые характеристики экрана. В этом заключается преимущество экрана с гладкими поверхностями 3 и 4. Причем в отражающем экране целесообразно поверхность 4 выбирать гладкой также из соображений максимального контраста и разрешения. Если поверхность 4 гладкая, то диаграмма рассеяния после отражения от поверхности 4 на выходе через поверхность 3 будет в первом приближении соответствовать диаграмме рассеяния "просветного" экрана с такой же укладкой волокон, но двойной толщины. Если же поверхность 4 не будет гладкой, то в этом случае на выходе экрана будет расходимость "просветного" экрана соответствующей двойной толщины, но содержащего внутри рассеивающую поверхность. Понятно, что после прохождения лучей через эту поверхность расходимость лучей значительно увеличится, появятся лучи, распространяющиеся вдоль экрана и рассеянные назад, что приведет к уменьшению разрешения и контрастности. Слой волокон 14, погруженных в среду 1, формирует диаграмму рассеяния света в горизонтальной плоскости, а слой волокон 15 в вертикальной плоскости. Такой экран может быть использован, как показано на фиг.6 в телепроекторе. В этом случае изображение на экране формируется с помощью проекционной электронно-лучевой трубки 18 и проекционного объектива 19. Каждый элемент изображения 6 освещается слабо сходящимся световым пучком 5. Световые лучи, формирующие элемент 6, проходят через просветляющее покрытие на поверхности 3 в среду 1 с погруженными в ней слоями волокон 14 и 15, преломляются на этих волокнах, доходят до поверхности 4 с отражающим покрытием 17, отражаются от нее, снова преломляются на волокнах 15 и 14 и выходят через поверхность 3 в окружающую среду, формируя пучок 20, имеющий требуемую диаграмму направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Сферичность поверхностей 3 и 4 целесообразна при больших требуемых коэффициентах усиления экрана. В этом случае световой пучок 20 формируют достаточно направленным.

На фиг. 7 представлен вариант экрана, в котором волокна 2 выполнены из волоконно-оптических световодов, имеющих сердцевину 21 и оболочку 22. В этом варианте изменением показателя преломления и/или коэффициента поглощения оболочки 22 по отношению к показателям преломления и/или коэффициента поглощения сердцевины 21 можно изменять распределение света по углам в диаграмме рассеяния. Следует отметить, что волоконно-оптические световоды могут быть полые, что позволяет относительно легко увеличить диаграмму рассеяния света, а также уменьшить вес экрана и его стоимость.

На фиг.8 представлен вариант отражательного экрана, содержащего волокна различного диаметра. В среде 1, ограниченной поверхностью 3 и второй поверхностью 4, погружены волокна 23 большего диаметра и волокна 24 меньшего диаметра, причем волокна 24 целесообразно укладывать в канавках, образованных между волокнами 23. Этим достигается более широкая и равномерная диаграмма рассеяния при малом числе слоев и исключается дефект "горячего пятна" при неплотной стыковке волокон 23 друг с другом.

На фиг.9 представлен вариант экрана, в котором волокна 25, рассеивающие свет в вертикальной плоскости, и волокна 26, рассеивающие свет в горизонтальной плоскости, сплетены в стеклоткань. Это позволяет упростить технологию изготовления экрана.

На фиг.10 представлен вариант экрана со спиральной укладкой волокон 27 в среде 1. Среда 1 ограничена первой сферической поверхностью 3 и второй сферической поверхностью 4 с нанесенным отражающим покрытием (на фиг. не показано). Центром спирали является центр экрана 28. Световой луч, исходящий от источника света, расположенного на оси спирали и не проходящий через центр экрана, рассеивается в плоскости, проходящей через центр экрана 28.

Формирование диаграммы рассеяния экрана осуществляется в основном внутри среды, содержащей преломляющие свет элементы. Это позволяет поверхности среды делать гладкими и использовать их для нанесения покрытий, что улучшает характеристики экрана. Использование волокон с зеркально-гладкими поверхностями в качестве преломляющих свет элементов и подбор коэффициентов преломления среды и волокон позволяет свести к минимуму отражения света и рассеяние его назад и вдоль экрана внутри среды, сформировав одновременно требуемую диаграмму рассеяния. Указанная конструкция позволяет в качестве преломляющих свет элементов использовать стеклонити и волоконно-оптические световоды, обладающие заданной структурой, имеющие малые поперечные сечения и высокую удельную прочность, причем технология их изготовления в настоящее время развита достаточно хорошо.

Примеры конкретного выполнения экрана.

Пример 1. На двояковыпуклую пластину с заданной кривизной укладывают виток к витку волоконно-оптические световоды диаметром 20 мкм с показателем преломления п₁ 1,6. Перед намоткой световоды пропускают через эпоксидную смолу с коэффициентом преломления в твердом состоянии п₂ 1,5. После намотки проводят процесс полимеризации, а затем световоды по торцу пластины разрезают. Полученные два экрана будут иметь в среде с п₀ 1 диаграмму рассеяния от каждой точки экрана в плоскости, перпендикулярной осям световодов. При этом выполняется условие (1). Разрешение экрана будет на уровне 20 мкм, пропускание около 90% а диаграмма рассеяния лазерного луча диаметром 3 мм представляет собой лепесток с угловой расходимостью до 80^o на полувысоте интенсивности в плоскости, перпендикулярной осям световодов, и в другом направлении сохраняет ширину 3 мм, соответствующую ширине и угловой расходимости лазерного пучка. При этом абсолютно отсутствует горячее пятно.

Пример 2. Как и в примере 1 изготавливают сначала экран с волокнами, уложенными виток к витку в одном направлении, затем проводят укладку в другом направлении. Такой экран будет иметь симметричную диаграмму рассеяния в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Экран эффективен при использовании в оптических микроскопах, проецирующих изображение объекта на большой экран, в качестве просветного направленного экрана телевизора и т.д.

Пример 3. Ткань из стеклянных нитей пропитывают эпоксидной смолой или лавсаном и полимеризуют под давлением между гладкими плоскостями. В результате получим экран с диаграммой рассеяния как в примере 2. Такой экран может быть изготовлен больших размеров и использоваться в кинотеатрах, световых шоу и т.д. причем использование на просвет увеличивает отношение сигнал/шум.

Пример 4. В начале на плоскость укладывают три слоя стеклянных нитей диаметром 8 мкм в одном направлении. Затем четыре слоя таких же нитей, но в перпендикулярном направлении и опять четыре слоя таких же нитей в первоначальном направлении. После этого осуществляют пропитку и полимеризацию под давлением пластиком с требуемым коэффициентом преломления. В результате получают экран с асимметричной диаграммой рассеяния. Разделение направлений укладки увеличивает механическую прочность экрана и улучшает контраст.

Пример 5. Изготавливают экран по примерам 1-4, а затем на нужную сторону наносят зеркальное покрытие. Такой экран используют на отражение.

Пример 6. На плоскости укладывают световод по спирали виток к витку и заливают тонким слоем пластика (фиг.10). Полимеризуют под давлением. Отделяют от плоскости. Данный экран будет иметь диаграмму рассеяния в виде узких вееров от каждой точки экрана.

Пример 7. Изготавливают экран по примеру 2, но выбирают соотношение показателей преломления в соответствии с условием: показатели преломления слоев во взаимно перпендикулярных направлениях укладки. Такой экран будет иметь асимметричную диаграмму рассеяния, причем в плоскости, перпендикулярной волокнам с показателем преломления п₁, угол рассеяния будет больше.

Использование: устройства формирования изображения, устройства формирования диаграммы направленности световых пучков после прохождения или отражения от экрана и может быть использовано в автомобилях, фарах, дорожных знаках дисплеев, киноэкранах и т.д. Сущность изобретения: экран содержит среду 1, ограниченную первой поверхностью 3, на которую направляют свет, и второй поверхностью, в среду помещены преломляющие свет элементы, которые выполнены в виде волокон 2, отличающихся от среды 1 коэффициентом преломления и по меньшей мере частично погружены в среду 1. Среда 1 и волокна 2 по меньшей мере частично прозрачны, причем волокна 2 уложены таким образом, что любой луч света проходит по меньшей мере через одно волокно. Экран состоит из двух или более слоев, причем по меньшей мере в одном слое волокна 2 ориентированы перпендикулярно друг относительно друга. Волокна 2 уложены в виде спирали или концентрических окружностей. Слои состоят из чередующихся волокон 2 различного диаметра. 13 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Экран, содержащий обращенную к проекционному источнику первую поверхность и вторую поверхность, между которыми размещена среда, а также преломляющие свет элементы, отличающийся тем, что преломляющие свет элементы выполнены в виде волокон, отличающихся от среды коэффициентом преломления и по меньшей мере частично погруженных в среду, среда и волокна по меньшей мере частично прозрачны, причем волокна уложены так, что любой луч света проходит по меньшей мере через одно волокно. 2. Экран по п.1, отличающийся тем, что волокна уложены слоями. 3. Экран по п. 2, отличающийся тем, что волокна в каждом слое уложены параллельно друг другу. 4. Экран по п.3, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два слоя волокон, при этом волокна в смежных слоях ориентированы в разных направлениях. 5. Экран по п.4, отличающийся тем, что волокна в смежных слоях ориентированы перпендикулярно друг другу. 6. Экран по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном слое волокна уложены в виде спирали с центром, совпадающим с центром экрана. 7. Экран по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном слое волокна уложены в виде концентрических окружностей или спирали. 8. Экран по пп.1 7, отличающийся тем, что показатель преломления волокон удовлетворяет условию
n₂ < n₁ < n₂/cos (0,5 arcsin (n₀/n₂)) или n₂ > n₁ > cos (0,5 arcsin (n₀/n₂)),
где n₁ показатель преломления волокон;
n₂ показатель преломления прозрачной среды;
n₀ показатель преломления среды вне экрана. 9. Экран по пп.1 8, отличающийся тем, что на вторую поверхность нанесено зеркальное отражающее покрытие. 10. Экран по п.9, отличающийся тем, что на первую поверхность нанесено просветляющее покрытие. 11. Экран по пп. 2 11, отличающийся тем, что волокна, или среда, или волокна и среда в разных слоях имеют разные коэффициенты преломления. 12. Экран по пп.1 11, отличающийся тем, что слои состоят из чередующихся волокон различного диаметра. 13. Экран по пп.1 12, отличающийся тем, что волокна являются волоконно-оптическими световодами. 14. Экран по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть волокон сплетена в ткань.