透明投影屏幕的制作方法與工藝

本發明涉及一種透明投影屏幕，具體涉及一種采用微納結構實現高增益投影顯示的透明投影屏幕。

背景技術：
目前市場上常見的投影屏幕包括：白塑布投影屏幕、玻璃珠投影屏幕和銀色珍珠投影屏等，這類屏幕基于反射及散射原理，無法實現透明投影顯示，且存在增益低、信噪比低和易受環境光干擾等不足。近期出現了一種透明或者半透明的投影屏幕，這類屏幕在投影顯示圖像的同時能夠透過屏幕觀察屏幕后面的物體，具有魔幻新奇的效果，應用廣泛。公開號為WO99/64902的PCT國際專利中公開了一種基于全息光學元件的多層透明投影顯示屏幕，其全息光學元件在普通環境光照明下肉眼不可見，成透明狀態。當特定角度的投影光照射屏幕時，屏幕顯示投影圖像，觀察者能夠同時看到投影圖像和屏幕后的物體。日本DNP公司利用4層全息結構設計了一種具有類似效果的透明投影屏幕。這類屏幕結構復雜制作成本高。中國發明專利CN101030027A公開了一種具有全息柱面透鏡結構的投影屏；中國發明專利CN101034252A公開了一種具有像面全息結構的投影屏；中國發明專利CN101030028A公開了一種衍射投影屏；中國發明專利CN1811589A公開了一種基于全息透鏡的投影屏幕。這類投影屏幕具有一定的透明度，但是其顯示亮度受到衍射效率的嚴重制約，光能利用率低。中國發明專利CN102354081A公開了一種基于聚合物分散液晶的透明投影屏幕，液晶材料成本高，制作工藝復雜。中國發明專利CN103246102A公開了一種反式應變液晶多功能調光玻璃可用于透明投影顯示，這種屏幕需通過外加電壓來調節其透明程度，不利于節能環保。

技術實現要素：
本發明所要解決的問題是克服現有技術存在的不足，提供一種零能耗、結構簡單、高增益、高能量利用率的透明投影顯示屏。為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案提供一種透明投影屏幕，它的結構為：第一基材層的上表面與空氣接觸，第一基材層的下表面依次分布聚焦結構和擴散結構；所述聚焦結構將來自投影系統的光線聚焦于觀察者所在位置，所述擴散結構將來自投影系統的光線在觀察者所在位置擴散成一個觀察區域；在所述的擴散結構上鍍有部分反射薄膜結構；部分反射薄膜結構表面覆蓋有折射率匹配層，折射率匹配層材料的折射率與聚焦結構和擴散結構材料的折射率一致；第二基材層的一個表面覆蓋于折射率匹配層上，第二基材層的另一表面與空氣接觸；所述的投影系統與觀察者所在位置在投影屏幕的同側。本發明所述的聚焦結構為V型槽結構、變頻光柵結構、微棱鏡陣列結構中的一種。各具體結構為：所述的V型槽結構的分布、取向、槽深與槽寬為連續變化，其結構參數滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置；所述的變頻光柵結構的分布、取向、頻率參數滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置；所述的微棱鏡陣列結構包括棱鏡單元，棱鏡單元的截面為直角三角形，其中一條直角邊與陣列所在的平面垂直，另一條直角邊位于陣列平面內，棱鏡單元的頂角為銳角，頂角的角度與棱鏡的取向滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置。本發明所述的擴散結構為隨機相位結構、微透鏡陣列結構、二元光學元件結構中的一種。各具體結構為：所述隨機相位結構為表面起伏的浮雕結構，浮雕結構的形狀、尺寸高度為隨機分布，浮雕結構的擴散性能包括擴散角度分布和能量分布，由浮雕結構的形狀與平均尺度確定，滿足在觀察者所在位置形成一個均勻觀察區域；所述的微透鏡陣列結構的擴散性能包括擴散角度分布和能量分布由微透鏡的半徑與口徑形狀確定，滿足在觀察者所在位置形成一個均勻觀察區域；所述的二元光學元件通過二元光學設計方法獲得相應的擴散結構，滿足在觀察者所在位置形成一個均勻觀察區域。本發明所述的部分反射薄膜結構為介質膜結構，介質膜結構對投影系統輸出的光譜實現部分反射，對其余的可見光譜實現透射，介質膜結的平均反射率為5%～70%。所述的部分反射薄膜結構也可以為金屬膜結構，金屬膜結構對可見光譜實現部分反射，平均反射率為5%～70%。本發明所述的折射率匹配層填充在由部分反射膜、聚焦結構與擴散結構形成的微結構空隙中；折射率匹配層材料的折射率與聚焦結構和擴散結構的材料的折射率一致。光線透過聚焦結構、擴散結構、部分反射膜、折射率匹配層如同穿過一層透明玻璃，不發生匯聚或者發散現象。本發明的一個具體的優選方案是：在第一基材層和第二基材層與空氣接觸的表面設有增透抗反射結構，所述增透抗反射結構為普通光學增透膜或納米蛾眼抗反射結構。所述的第一基材層和第二基材層的材料為有機材料的板材、有機材料的膜材、玻璃材料中的一種。有機材料包括聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：1．本發明可同時實現高透明度投影與高亮度投影。2．本發明可以使光能集中在觀察區域中，顯著提升光能利用率，節能環保。3．本發明提出的透明投影結構易于批量制作，可有效降低透明投影顯示的成本。附圖說明圖1是本發明實施例1提供的一種隨機擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。圖2是實施例1中提供的部分反射薄膜結構的可見光譜透射率曲線。圖3是本發明實施例2提供的一種微透鏡擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。圖4是實施例3中一種增透型的隨機擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。其中：1、透明投影屏幕；2、第一基材層；3、聚焦結構；4、擴散結構；5、部分反射薄膜結構；6、折射率匹配層；7、第二基材層；8、投影機；9、輸出光線；10、散射光線；11、屏幕后面的物體；12、觀察者；13、屏幕中心法線；14、抗反射層。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述。實施例1：參見附圖1，它是本實施例中一種隨機擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結構3、擴散結構4、部分反射薄膜結構5、折射率匹配層6、第二基材層7構成。聚焦結構3為棱鏡結構位于第一基材層2下表面，擴散結構4為隨機相位結構位于聚焦結構3表面，部分反射薄膜結構5為介質膜結構鍍在隨機相位結構4表面，折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結構5之間，其材料折射率與所述聚焦結構與擴散結構材料的折射率一致。投影機8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區域。觀察者12在觀察區域內可同時看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實施例中聚焦結構3為微棱鏡陣列結構，包括棱鏡單元，棱鏡單元的截面為直角三角形，其中一條直角邊與陣列所在的平面垂直，另一條直角邊位于陣列平面內，棱鏡單元的頂角為銳角，頂角的角度與棱鏡的取向滿足將入射的投影光線聚焦于觀察者所在位置。棱鏡單元的頂角的大小與棱鏡的取向與分布由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實施例中的擴散結構4中的隨機相位結構的結構與分布由觀察區域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。隨機相位結構為表面起伏的浮雕結構，浮雕結構的形狀、尺寸高度為隨機分布，浮雕結構的擴散性能包括擴散角度分布和能量分布，由浮雕結構的形狀與平均尺度確定，滿足在觀察者所在位置形成一個均勻觀察區域；本實施例中投影系統輸出的紅、綠、藍三色光的中心波長分別為630nm，532nm，450nm。參見附圖2，是本實施例中設計的部分反射薄膜結構的可見光譜透射率曲線，部分反射膜結構在所述紅綠藍三色中心波長附近具有大于90%的反射率，而在可見光的其它光譜范圍內的透射率接近100%。本實施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦結構3與擴散結構4的材料為折射率為1.56的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也為折射率為1.56的紫外固化膠。實施例2：參見附圖3，是本實施例中一種微透鏡擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結構3、擴散結構4、部分反射薄膜結構5、折射率匹配層6、第二基材層7構成。聚焦結構3為V型槽結構位于第一基材層2下表面，擴散結構4為微透鏡陣列結構位于聚焦結構3表面，部分反射薄膜結構5為金屬薄膜鍍在微透鏡結構4表面，折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結構5之間，其材料折射率與聚焦結構與擴散結構材料的折射率一致。投影機8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區域。觀察者12在觀察區域內可同時看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實施例中聚焦結構3中的V型槽結構的取向、槽深與槽寬連續變化，參數由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實施例中的擴散結構4采用微透鏡陣列結構，其擴散性能包括擴散角度分布和能量分布，由透鏡單元口徑、曲率由觀察區域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。本實施例中投影系統輸出連續的可見光譜光線，設計的部分反射膜結構在所述投影系統輸出光譜范圍內具有30%的反射率。本實施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.58的聚碳酸酯（PC），聚焦結構3與擴散結構4的材料為折射率為1.56的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也是折射率為1.56的紫外固化膠。實施例3：參見附圖4，是本實施例中一種增透型的隨機擴散透明投影屏幕及其投影顯示結構示意圖。透明投影屏幕1由第一基材層2、聚焦結構3、擴散結構4、部分反射薄膜結構5、折射率匹配層6、第二基材層7、抗反射結構14構成。所述聚焦結構3為棱鏡結構位于第一基材層2下表面，所述擴散結構4為隨機相位結構位于聚焦結構3表面，所述部分反射薄膜結構5為介質膜結構鍍在所述隨機相位結構4表面，所述折射率匹配層6填充在第二基材層7與部分反射薄膜結構5之間，其材料折射率與所述聚焦結構與擴散結構材料的折射率一致，所述抗反射結構位于第一基材層的上表面與第二基材層的下表面。投影機8投影輸出光線9將圖像投射在透明投影屏幕1上，通過屏幕中部分反射膜5的反射形成散射光線10，散射光線10在觀察者12所在方位（相對于屏幕中心法線13）形成明亮均勻的觀察區域。觀察者12在觀察區域內可同時看到投影圖像與屏幕后面的物體11。本實施例中聚焦結構3中的棱鏡單元的頂角的大小與棱鏡的取向與分布由投影光線的方向、觀察者的方位、屏幕中心法線的方向通過光線追跡確定。本實施例中的擴散結構4中的隨機相位結構的分布由觀察區域的大小、形狀、觀察者與屏幕之間的距離確定。本實施例中投影系統輸出的紅、綠、藍三色光的中心波長分別為630nm，532nm，450nm。本實施例中設計的部分反射膜結構在所述紅綠藍三色中心波長附近具有大于90%的反射率，而在可見光的其它光譜范圍內的透射率接近100%。本實施例中的第一基材層與第二基材層的材料是折射率為1.52的玻璃，聚焦結構3與擴散結構4的材料為折射率為1.51的紫外固化膠，折射率匹配層6的材料也為折射率為1.51的紫外固化膠。本實施例中抗反射結構14選用周期為100nm，高度為200nm的納米蛾眼抗反射結構，可顯著降低表面反射光的干擾。抗反射結構亦可采用單層或者多層薄膜抗反射結構，降低反射光的干擾。