Проекционный экран
Изобретение относится к проекционным экранам и может быть использовано для визуализации изображения, формируемого проекторами. Проекционный экран состоит из гибкой подложки, массива оптических волокон, вставленных в подложку перпендикулярно ее поверхности, и слоя светорассеивающего материала, расположенного на подложке между оптическими волокнами. Каждое оптическое волокно имеет боковую поверхность, внутренний торец, который находится внутри подложки, и внешний торец, который находится снаружи. Между внутренними торцами оптических волокон и подложкой расположены зеркала, отражающая поверхность которых направлена в сторону оптических волокон. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области оптики, а более конкретно - к проекционным экранам, и может быть использовано для визуализации изображения, формируемого проекторами.
В настоящее время существуют различные конструкции проекционных экранов, используемых для прямой проекции, т.е. когда проектор и аудитория находятся по одну сторону от экрана, изображения. Основная проблема современных проекционных экранов состоит в том, что качество изображения на экране сильно ухудшает фоновое излучение, например, от дневного света, лампы и других источников, которое заглушает свет проектора. Существует два способа решения данной проблемы. Один из них - это значительное увеличение яркости проецируемого изображения за счет увеличения выходной мощности проектора. Данный способ неприемлем в конструкциях небольшого размера, например в карманных проекторах, а также является слишком дорогим. Второй способ заключается в выборочном поглощении света, попадающего на экран, а именно в создании проекционных экранов, которые отражают свет, поступающий от проектора, и в то же время поглощают или рассеивают фоновое излучение. Рассмотрим примеры проекционных экранов, выполненных согласно второму способу.
В патенте США №5,361,163 [1] описан проекционный экран, который содержит примыкающие друг к другу подложку, отражающий слой, рассеивающий слой, поглощающий слой, выполненный в виде светонепроницаемого покрытия с массивом прозрачных окон, и прозрачную пленку, внешняя поверхность которой выполнена в виде массива выпуклых элементов, которые расположены напротив прозрачных окон и выполнены с возможностью фокусирования света на прозрачные окна. Свет проектора попадает на выпуклые элементы под малыми углами к нормали, фокусируется выпуклыми элементами на прозрачных окнах, проходит через прозрачные окна и, отразившись от отражающего слоя, выходит из экрана в направлении пользователя. Фоновое излучение попадает на выпуклые элементы под большими углами к нормали, фокусируется выпуклыми элементами на светонепроницаемом покрытии и поглощается им. Таким образом, свет проектора отражается от экрана в направлении пользователя, а фоновое излучение поглощается в нем.
Недостаток данного проекционного экрана заключается в сложности конструкции, состоящей из множества слоев, и, как следствие, требует много времени на его изготовление.
Наиболее близким к заявленному изобретению является проекционный экран, раскрытый в патенте США №7,012,743 [2], в котором для селективного поглощения света используют микролинзовый слой, светоизлучающая поверхность которого состоит из массива линз и темных полос, расположенных между линзами, причем линзы соприкасаются с боковой поверхностью темных полос, а светоотражающая поверхность состоит из массива примыкающих друг к другу линз. Свет проектора падает под малыми углами к нормали со стороны светоизлучающей поверхности. Часть лучей света проектора проходит через линзы светоизлучающей поверхности, отражается линзами светоотражающей поверхности и выходит на границе между линзами и темной полосой или рядом с этой границей по направлению к пользователю, находящемуся перед экраном. Другая часть лучей света проектора падает на темные полосы и поглощается ими. Фоновое излучение поглощается как темными полосами, так и после прохождения микролинзового слоя. Данный проекционный экран выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком прототипа является низкая яркость изображения, вследствие недостаточной эффективности использования света проектора, из-за наличия темных полос, которые поглощают часть света проектора.
Задачей заявляемого изобретения является создание проекционного экрана с увеличенной яркостью изображения и меньшим временем изготовления.
Поставленная задача решена путем создания проекционного экрана, который состоит из гибкой подложки, массива оптических волокон, вставленных в подложку перпендикулярно ее поверхности, и слоя светорассеивающего материала, расположенного на подложке между оптическими волокнами, причем каждое оптическое волокно имеет боковую поверхность, внутренний торец, который находится внутри подложки, и внешний торец, который находится снаружи, при этом между внутренними торцами оптических волокон и подложкой расположены зеркала, отражающая поверхность которых направлена в сторону оптических волокон.
Для функционирования экрана важно, чтобы диаметры и числовая апертура оптических волокон имели различные значения в центре и по краям экрана.
Для функционирования экрана важно, чтобы торцы оптических волокон были параллельны поверхности подложки.
Для функционирования экрана важно, чтобы оптические волокна имели оболочку и сердцевину, которые изготовлены из оптически прозрачного материала и имеют разные коэффициенты преломления.
Для функционирования экрана важно, чтобы слой светорассеивающего материала примыкал к боковой поверхности оптических волокон.
Для функционирования экрана важно, чтобы оптические волокна имели одинаковый размер.
Для функционирования экрана важно, чтобы оптические волокна были вставлены в подложку таким образом, чтобы часть каждого оптического волокна находилась внутри подложки, а часть волокна выступала наружу.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение времени изготовления экрана за счет создания простой конструкции, состоящей из подложки, массива оптических волокон и светорассеивающего слоя, и увеличение яркости изображения за счет более эффективного использования света проектора, большая часть которого захватывается оптическими волокнами и отражается в направлении пользователя, а меньшая рассеивается светорассеивающим слоем.
Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1 - схема проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.
Фиг.2 - схема способа изготовления проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.
Рассмотрим вариант выполнения заявленного проекционного экрана, показанный на фиг.1. Проекционный экран состоит из гибкой подложки 1, массива 2 оптических волокон, вставленных в подложку 1 перпендикулярно ее поверхности, и слоя 3 светорассеивающего материала, расположенного на подложке 1 между оптическими волокнами 2. Каждое оптическое волокно 2 имеет боковую поверхность 4, внутренний торец 5, который находится внутри подложки 1, и внешний торец 6, который находится снаружи. Между внутренними торцами 5 оптических волокон 2 и подложкой 1 расположены зеркала 7, отражающая поверхность которых направлена в сторону оптических волокон 2. Торцы 5, 6 оптических волокон параллельны поверхности подложки 1. Слой 3 светорассеивающего материала примыкает к боковой поверхности 4 оптических волокон 2. Каждое оптическое волокно 2 имеет сердцевину 8 и оболочку 9, которые изготовлены из оптически прозрачного материала и имеют разные коэффициенты преломления n1 и n2 соответственно. Кроме того, каждое оптическое волокно 2 имеет числовую апертуру (далее NA), которая варьируется в диапазоне от 0.1...0.3 для волокон маленького диаметра, т.е. чем меньше диаметр волокна, тем лучше разрешение экрана можно получить.
Заявленный проекционный экран работает следующим образом (фиг.1). Лучи 10 света проектора падают на внешние торцы 6 оптических волокон 2 под углом меньшим, чем NA данных волокон при определенном соотношении NA оптических волокон, размера экрана и проекционного расстояния, захватываются оптическими волокнами 2, распространяются по ним до внутренних торцов 5, отражаются от зеркал 7 и выходят из оптических волокон 2 через верхние торцы 6 под небольшим пространственным углом, меньшим NA, попадая в поле зрения пользователя, находящегося перед экраном. Лучи 11 паразитного света от внешних источников падают на внешние торцы 6 оптических волокон 2 под углом, большим, чем NA данных волокон, при условии, что внешние источники расположены сбоку от экрана, не захватываются оптическим волокном 2, попадают на рассеивающий слой 3 экрана и отражаются с большим пространственным углом 2π, не попадая в поле зрения пользователя, находящегося перед экраном.
Таким образом, оптические волокна обеспечивают пространственную фильтрацию падающего света - они разделяют свет от проектора и паразитную засветку от внешних источников, повышая контрастность и яркость изображения.
Как было сказано выше, лучи света проектора падают на внешние торцы оптических волокон под углом меньшим, чем NA данных волокон при определенном соотношении NA оптических волокон, размера экрана и проекционного расстояния. Например, если взять волокна с NA=0,2 и экран размером 100 мм, то минимальное проекционное расстояние должно быть (100/2)/tg(arcsin(NA))=50/0,2=250 мм. Если расположить проектор ближе минимального проекционного расстояния, то экран не будет эффективно работать, а если дальше, то экран будет работать эффективнее - улучшится контрастность и яркость изображения.
Зазоры между оптическими волокнами, заполненные светорассеивающим материалом, необходимы для придания гибкости проекционному экрану.
На фиг.2 (2.1, 2.2, 2.3, 2,4) показан способ изготовления проекционного экрана. Способ изготовления проекционного экрана включает в себя следующие операции. Создают матрицу 12 оптических волокон, при этом формируют на подставке 13 массив оптических волокон 2, располагая каждое волокно 2 перпендикулярно плоскости подставки 13 (фиг.2 (2.1)). Покрывают матрицу 12 зеркальным материалом со стороны оптических волокон 2, при этом покрывают зеркальным материалом, в том числе выступающие торцы 6 оптических волокон 2. Формируют подложку 1 и нагревают ее, чтобы размягчить. Запрессовывают матрицу 12 со стороны волокон 2 в подложку 1 и охлаждают матрицу и подложку (фиг.2 (2.2)). Наносят на поверхность подложки 1 рассеивающий материал 3, при этом заполняют рассеивающим материалом 3 зазоры между оптическими волокнами 2 (фиг.2 (2.3)). Разделяют матрицу 12 и подложку 1, разрезая поперек каждое оптическое волокно 2 между матрицей 12 и подложкой 1 таким образом, что большая часть каждого волокна остается в подложке 1 (фиг.2 (2.4)).
Предложенное изобретение может быть использовано в системе прямой проекции, с портативными проекторами.
Следует отметить, что указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
1. Проекционный экран, состоящий из гибкой подложки, массива оптических волокон, вставленных в подложку перпендикулярно ее поверхности, и слоя светорассеивающего материала, расположенного на подложке между оптическими волокнами, причем каждое оптическое волокно имеет боковую поверхность, внутренний торец, который находится внутри подложки, и внешний торец, который находится снаружи, при этом между внутренними торцами оптических волокон и подложкой расположены зеркала, отражающая поверхность которых направлена в сторону оптических волокон.
2. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что диаметры и числовая апертура оптических волокон имеют различные значения в центре и по краям экрана.
3. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что торцы оптических волокон параллельны поверхности подложки.
4. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что оптические волокна имеют оболочку и сердцевину, которые изготовлены из оптически прозрачного материала и имеют разные коэффициенты преломления.
5. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что слой светорассеивающего материала примыкает к боковой поверхности оптических волокон.
6. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что оптические волокна имеют одинаковый размер.
7. Проекционный экран по п.1, отличающийся тем, что оптические волокна вставлены в подложку таким образом, что часть каждого оптического волокна находится внутри подложки, а часть каждого оптического волокна выступает наружу.
