RU2321875C1

RU2321875C1 - Projection screen

Info

Publication number: RU2321875C1
Application number: RU2006131033/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Братищев (RU); Алексей Владимирович Братищев; Ирина Владимировна Сергиевска (RU); Ирина Владимировна СЕРГИЕВСКАЯ
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-04-10

Abstract

FIELD: optical engineering.

SUBSTANCE: projection screen can be used for visualization of image built by projectors. Projection screen has flexible substrate, mass of optical fibers inserted into substrate in perpendicular to its surface, and layer of light-dissipating material disposed onto substrate among optical fibers. Any optical fiber has side surface, internal edge, which is disposed inside substrate, and external edge being disposed outside. There are mirrors among internal edges of optical fibers and substrate. Reflecting surfaces of mirrors are oriented in direction of optical fibers.

EFFECT: higher quality of visualization.

7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно - к проекционным экранам, и может быть использовано для визуализации изображения, формируемого проекторами.The invention relates to the field of optics, and more specifically to projection screens, and can be used to visualize the image formed by projectors.

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.Currently, there are various designs of projection screens used for direct projection, i.e. when the projector and the audience are on one side of the screen, the image. The main problem of modern projection screens is that the image quality on the screen greatly degrades the background radiation, for example, from daylight, a lamp and other sources, which drowns out the light from the projector. There are two ways to solve this problem. One of them is a significant increase in the brightness of the projected image by increasing the output power of the projector. This method is unacceptable in structures of small size, for example in pocket projectors, and is also too expensive. The second method consists in the selective absorption of light entering the screen, namely, in the creation of projection screens that reflect the light coming from the projector and at the same time absorb or scatter background radiation. Consider examples of projection screens made according to the second method.

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.US Pat. No. 5,361,163 [1] describes a projection screen that contains adjacent substrate, a reflective layer, a scattering layer, an absorbent layer made in the form of a lightproof coating with an array of transparent windows, and a transparent film, the outer surface of which is made in the form of an array convex elements that are located opposite transparent windows and are configured to focus light on transparent windows. The projector light enters the convex elements at small angles to the normal, focuses the convex elements on transparent windows, passes through transparent windows and, reflected from the reflective layer, leaves the screen in the direction of the user. The background radiation hits the convex elements at large angles to the normal, focuses the convex elements on the opaque coating and is absorbed by it. Thus, the light of the projector is reflected from the screen in the direction of the user, and the background radiation is absorbed in it.

Недостаток данного проекционного экрана заключается в сложности конструкции, состоящей из множества слоев, и, как следствие, требует много времени на его изготовление.The disadvantage of this projection screen is the complexity of the design, consisting of many layers, and, as a result, requires a lot of time for its manufacture.

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.Closest to the claimed invention is a projection screen disclosed in US patent No. 7,012,743 [2], in which for selective absorption of light using a microlens layer, the light-emitting surface of which consists of an array of lenses and dark bands located between the lenses, and the lenses are in contact with the side surface dark stripes, and the reflective surface consists of an array of adjacent lenses. The projector light falls at small angles to the normal from the side of the light emitting surface. A portion of the light rays of the projector passes through the lenses of the light-emitting surface, is reflected by the lenses of the reflective surface and exits at or near the border between the lenses and the dark strip towards the user in front of the screen. Another part of the projector’s rays of light falls on the dark bands and is absorbed by them. Background radiation is absorbed both by dark bands and after passing through the microlens layer. This projection screen is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатком прототипа является низкая яркость изображения, вследствие недостаточной эффективности использования света проектора, из-за наличия темных полос, которые поглощают часть света проектора.The disadvantage of the prototype is the low brightness of the image, due to the lack of efficiency of use of light from the projector, due to the presence of dark bands that absorb some of the light from the projector.

Задачей заявляемого изобретения является создание проекционного экрана с увеличенной яркостью изображения и меньшим временем изготовления.The task of the invention is to provide a projection screen with increased image brightness and shorter manufacturing time.

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.The problem is solved by creating a projection screen, which consists of a flexible substrate, an array of optical fibers inserted into the substrate perpendicular to its surface, and a layer of light-scattering material located on the substrate between the optical fibers, each optical fiber having a side surface, an inner end that is inside the substrate, and the outer end that is outside, while between the inner ends of the optical fibers and the substrate are mirrors, reflecting on top which is directed towards optical fibers.

Для функционирования экрана важно, чтобы диаметры и числовая апертура оптических волокон имели различные значения в центре и по краям экрана.For the screen to function, it is important that the diameters and numerical aperture of the optical fibers have different values in the center and at the edges of the screen.

Для функционирования экрана важно, чтобы торцы оптических волокон были параллельны поверхности подложки.For the screen to function, it is important that the ends of the optical fibers are parallel to the surface of the substrate.

Для функционирования экрана важно, чтобы оптические волокна имели оболочку и сердцевину, которые изготовлены из оптически прозрачного материала и имеют разные коэффициенты преломления.For the screen to function, it is important that the optical fibers have a sheath and a core that are made of optically transparent material and have different refractive indices.

Для функционирования экрана важно, чтобы слой светорассеивающего материала примыкал к боковой поверхности оптических волокон.For the screen to function, it is important that the layer of light-scattering material adjacent to the side surface of the optical fibers.

Для функционирования экрана важно, чтобы оптические волокна имели одинаковый размер.For the screen to function, it is important that the optical fibers have the same size.

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.For the screen to function, it is important that the optical fibers are inserted into the substrate so that part of each optical fiber is inside the substrate and part of the fiber protrudes outward.

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.The technical result of the claimed invention is to reduce the manufacturing time of the screen by creating a simple structure consisting of a substrate, an array of optical fibers and a light-scattering layer, and increasing the brightness of the image due to more efficient use of projector light, most of which is captured by the optical fibers and reflected in the direction of the user, and the smaller one is scattered by the light-scattering layer.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the present invention, the following is a detailed description thereof with corresponding drawings.

Фиг.1 - схема проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.Figure 1 - diagram of a projection screen made according to the invention.

Фиг.2 - схема способа изготовления проекционного экрана, выполненного согласно изобретению.Figure 2 - diagram of a method of manufacturing a projection screen made according to the invention.

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.Consider an embodiment of the claimed projection screen shown in figure 1. The projection screen consists of a flexible substrate 1, an array of 2 optical fibers inserted into the substrate 1 perpendicular to its surface, and a layer 3 of light-scattering material located on the substrate 1 between the optical fibers 2. Each optical fiber 2 has a side surface 4, an inner end 5, which located inside the substrate 1, and the outer end 6, which is located outside. Between the inner ends 5 of the optical fibers 2 and the substrate 1 are mirrors 7, the reflective surface of which is directed towards the optical fibers 2. The ends 5, 6 of the optical fibers are parallel to the surface of the substrate 1. A layer 3 of light-scattering material is adjacent to the side surface 4 of the optical fibers 2. Each optical fiber 2 has a core 8 and a sheath 9, which are made of optically transparent material and have different refractive indices n ₁ and n _2, respectively. In addition, each optical fiber 2 has a numerical aperture (hereinafter NA), which varies in the range from 0.1 ... 0.3 for fibers of small diameter, i.e. the smaller the fiber diameter, the better screen resolution you can get.

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.The claimed projection screen works as follows (figure 1). The rays of light 10 of the projector fall on the outer ends 6 of the optical fibers 2 at an angle less than the NA of these fibers at a certain ratio of NA optical fibers, screen size and projection distance, are captured by the optical fibers 2, propagate along them to the inner ends 5, reflected from the mirrors 7 and exit the optical fibers 2 through the upper ends 6 at a small spatial angle less than NA, falling into the field of view of the user in front of the screen. The rays 11 of stray light from external sources fall on the outer ends 6 of the optical fibers 2 at an angle greater than the NA of these fibers, provided that the external sources are located on the side of the screen, are not captured by the optical fiber 2, fall on the scattering layer 3 of the screen and are reflected with a large spatial angle of 2π, without falling into the field of view of the user in front of the screen.

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.Thus, optical fibers provide spatial filtering of the incident light - they separate the light from the projector and spurious illumination from external sources, increasing the contrast and brightness of the image.

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.As mentioned above, the projector’s rays of light fall on the outer ends of the optical fibers at an angle less than the NA of these fibers at a certain ratio of the NA of the optical fibers, screen size, and projection distance. For example, if you take fibers with NA = 0.2 and a screen with a size of 100 mm, then the minimum projection distance should be (100/2) / tg (arcsin (NA)) = 50 / 0.2 = 250 mm. If you position the projector closer than the minimum projection distance, the screen will not work efficiently, and if further, the screen will work more efficiently - the contrast and image brightness will improve.

Зазоры между оптическими волокнами, заполненные светорассеивающим материалом, необходимы для придания гибкости проекционному экрану.The gaps between the optical fibers, filled with light-scattering material, are necessary to give flexibility to the projection screen.

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)).Figure 2 (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) shows a method of manufacturing a projection screen. A method of manufacturing a projection screen includes the following operations. A matrix 12 of optical fibers is created, and an array of optical fibers 2 is formed on the stand 13, placing each fiber 2 perpendicular to the plane of the stand 13 (Fig. 2 (2.1)). The matrix 12 is covered with a mirror material from the side of the optical fibers 2, while the mirror material is coated, including the protruding ends 6 of the optical fibers 2. A substrate 1 is formed and heated to soften. The matrix 12 is pressed from the side of the fibers 2 into the substrate 1 and the matrix and the substrate are cooled (Fig. 2 (2.2)). A scattering material 3 is applied to the surface of the substrate 1, while the gaps between the optical fibers 2 are filled with the scattering material 3 (Fig. 2 (2.3)). Separate the matrix 12 and the substrate 1, cutting across each optical fiber 2 between the matrix 12 and the substrate 1 so that most of each fiber remains in the substrate 1 (Fig.2 (2.4)).

Предложенное изобретение может быть использовано в системе прямой проекции, с портативными проекторами.The proposed invention can be used in a direct projection system, with portable projectors.

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.It should be noted that the above embodiment of the invention was set forth to illustrate the claimed invention, therefore, it should be clear to those skilled in the art that various modifications, additions and replacements are possible without departing from the scope and meaning of the present invention disclosed in the attached claims.

Claims

1. A projection screen consisting of a flexible substrate, an array of optical fibers inserted into the substrate perpendicular to its surface, and a layer of light-scattering material located on the substrate between the optical fibers, each optical fiber having a side surface, an inner end that is inside the substrate, and an external end face, which is located outside, while mirrors are located between the inner ends of the optical fibers and the substrate, the reflecting surface of which is directed toward the optical windows.

2. The projection screen according to claim 1, characterized in that the diameters and numerical aperture of the optical fibers have different values in the center and along the edges of the screen.

3. The projection screen according to claim 1, characterized in that the ends of the optical fibers are parallel to the surface of the substrate.

4. The projection screen according to claim 1, characterized in that the optical fibers have a sheath and a core that are made of optically transparent material and have different refractive indices.

5. The projection screen according to claim 1, characterized in that the layer of light-scattering material is adjacent to the side surface of the optical fibers.

6. The projection screen according to claim 1, characterized in that the optical fibers have the same size.

7. The projection screen according to claim 1, characterized in that the optical fibers are inserted into the substrate so that part of each optical fiber is inside the substrate, and part of each optical fiber protrudes outward.