ПРОЕКЦИОННЫЙ ЭКРАН
PROJECTION SCREEN

Область техники
Настоящее изобретение относится к конструкции экранов для цифровой проекционной техники, более конкретно - к лицевой оптической части проекционных экранов, являющейся фронтальной для зрителей и формирующей видимое зрителями изображение. Настоящее изобретение относится преимущественно к пассивным устройствам световозвращающих экранов прямой проекции и светопропускающих экранов обратной проекции, формирующих изображения из световых импульсов света проекционных источников света на стадии их финишной подготовки к органолептическому зрительному восприятию конечными потребителями видеоинформации.
Уровень техники
Проецируемое на экран цифровое изображение представляет собой мозаичную сетку пикселей, освещаемых последовательностью пиксельных импульсов света источника изображения. Каждый дискретный по площади и во времени пиксельный суммарный кадровый импульс света воспроизводит усредненную и затем оцифрованную яркость основных составляющих цветности (RGB). Временная последовательность пикселей данного положения на экране ступенчато меняет яркость импульсов засветки каждой из основных цветовых составляющих на каждом пикселе изображения, как минимум с кадровой частотой, для непосредственного конечного органолептического восприятия зрителями.
Существующие конструкции световозвращающих и светопропускающих экранов рулонного, натяжного и жесткого подвидов обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих функциональные возможности их применения. К числу основных недостатков существующих экранов и систем на их основе следует отнести следующие.
Внешняя засветка сторонними источниками света, которая снижает контрастность воспринимаемого изображения, резко ухудшая различимость оттенков серой шкалы и требуя от его источника значительного увеличения светового потока. Поэтому для воспроизведения полной фотографической широты отснятого материала существующие экраны требуют практически полного затемнения помещений, что не всегда желательно, а иногда даже и невозможно, так как не только ограничивает дополнительные функциональные потребности зрителей, сопутствующие демонстрации, как например, на уроках, лекциях и семинарах, конференциях, круглых столах и т.п., но и принципиально недопустимо в ряде случаев из соображений элементарной безопасности при работе с малолетними детьми и престарелыми инвалидами.
Заметность мерцания изображения, связанная с временной дискретностью последовательной проекции кинокадров и их составляющих. Импульсная техногенная засветка кадров изображения приводит не только к потерям части светового потока от проектора, но и резко повышает нагрузку на зрение, так как в природе не существует реальных источников изображений подобного импульсного характера отражения естественного дневного освещения, особенно при значительной скважности импульсов, как например, при светоклапанном разделении кадров стереопар в 3D проекции, когда длительность импульсов света даже отдельных кадров изображения становится меньшей промежутков времени между этими импульсами.
С появлением электронной цифровой проекции, практически вытеснившей аналоговую технику из всех сфер ее применения, к существовавшим в аналоговой технике недостаткам добавились еще и новые:
- к временной покадровой кусочно-линейной экстраполяции добавилась упомянутая выше искусственно созданная геометрическая кусочно-линейная экстраполяция аналоговых изображений путем придания единого, условно репрезентативного дискретно-битового значения параметрам цветности и яркости в пределах границ каждого пикселя оцифрованного изображения на каждом кадре изображения;
- неподвижная, максимально контрастная межпиксельная сетка границ освещаемых пикселей, фактически являющая собой систематическую помеху восприятию полезной информации, как дополнительная графическая псевдоинформация, которой не было в исходно регистрируемых событиях и представляющая собой искусственные резкие перепады (переходные процессы) важнейших для восприятия информационных параметров сигнала в одних и тех же координатах места и периодов поступления полезной информации, искусственно регулярно разбитой этой сеткой приемной матрицы на отдельные суррогатные доли, не коррелированные с распознавательными признаками регистрируемых объектов;
- дополнительная временная дискретизация, импульсная интенсификация и повышенная скважность поступления цветовых кадровых импульсов освещения пикселей, особо усиленная при последовательной передаче цветовых составляющих в одноматричных проекторах, еще более усиленная в проекторах с замедленной реакцией матриц (жидкокристаллический LCD принцип и его модификации) по сравнению с микрозеркальным DLP, и еще более осложненная при проецировании 3D изображений в системе с последовательной передачей стереокадров для их просмотра в светоклапанных очках, попеременно открывающих просмотр каждым глазом, синхронно с предназначением каждого кадра каждой из объединенных сюжетом синхронных стереопар изображений проектора.
Эти хорошо известные недостатки приводят к неполноценности и некомфортности просмотра, к резкому увеличению нагрузки и быстрой утомляемости органов зрения и всей органолептической системы восприятия зрителей, к недостаточной эффективности работы систем проекции в условиях умеренного освещения в большинстве практических случаев мультимедийного применения в реально существующих помещениях демонстрации фактически универсального назначения и жизнеобеспечения - на уроках в школах и на семинарах и лекциях в ВУЗах, на конференциях, в квартирах-студиях, в кафе, барах и ресторанах, на дискотеках и в танцзалах, в спортивных и оздоровительных центрах, в переговорных комнатах с удаленным доступом к материалам и собеседникам, в ситуационных и диспетчерских центрах управления, в медицинских и судебных учреждениях, в имитационных тренажерах и игровых системах, как и в обширном многообразии других подобных мультимедийных приложений.
Кроме того, существующие проекторы даже стандартизованных HD форматов качества не позволяют воспринимать изображения в естественно широком угле зрения, к которому поэтапно и целенаправленно шла вся эволюция развития индустрии кино, преследуя своей целью максимальное вовлечение зрителя в события демонстрируемых сюжетов через создание виртуального «эффекта присутствия». Следствием этих устремлений стала пошаговая смена форматов проекции в аналоговой кинопроекции от классического соотношения ширины экрана к его высоте 4:3 к широкоэкранному 16:9 и далее к широкоформатному 2,35:1 виду и к еще более современному формату «I-MAX», означающего «максимальность изображения», имея в виду максимальность телесного угла возможного восприятия всего изображения каждым зрителем в каждый момент его демонстрации. Это развитие форматов и сопутствующее ему изменение конфигурации залов от продольной проекции на короткую торцевую стену к поперечной проекции на самую длинную, продольную стену зала преследовало своей целью радикальное расширение телесного угла восприятия изображения зрителями вплоть до оптимальных значений, соответствующих границам естественного восприятия (от 70 до 120÷140 градусов по горизонтали) с соответствующим включением в работу периферийного зрения, наиболее ответственного за восприятие информационных образов, объема и относительных движений зрительных объектов во всем поле по крайней мере одномоментного зрения, включающем в себя и его периферийные области (Measurement Protocols for Medium-Field Distance Perception in Large-Screen Immersive Displays. http://www.cse.msstate.edu/~swan/publications/papers/2009_Klein-etal_Distance-Percep-Large-Screen_IEEE-VR.pdf). Однако современная техника электронной проекции, даже форматов высокой четкости (HD), разработанных и стандартизованных с учетом психофизиологических порогов телесно-угловой остроты человеческого зрения обоснованно рекомендована изготовителями для дистанций комфортного просмотра не менее удвоенной ширины экрана, что обеспечивает величину угла восприятия изображения в горизонтальной плоскости всего около 30 градусов.
Борьбе с отдельными из указанных недостатков посвящен ряд изобретений, например RU 2078362, RU 2102786, RU 2324211, WO 1998/045753, WO 2004/0131853.
В патенте RU 2078362 описан материал для проекционных экранов, содержащий слои люминесцентных частиц и распределенных по площади экрана зеркальных линз. Это решение помогает бороться с импульсным характером проекционной засветки с помощью интерполяционного перераспределения свечения экрана в промежутки времени между импульсами. Однако спектральная специфичность послесвечения люминофоров, указанных в этом изобретении, делает невозможным применение этого экрана и его люминесцентных материалов для адекватного воспроизведения отснятых видеоматериалов, и поэтому такие экраны предназначены только для устройств, создающих по-своему оригинальные, фоновые и специальные светотехнические эффекты.
В патенте RU 2102786 для расширения угла просмотра, в том числе и в условиях внешней засветки, в матрице экрана применены слои рефракционных оптических волокон, расположенных в плоскости матрицы, причем направление расположения волокон в одном слое предлагается делать преимущественно перпендикулярным направлению расположения волокон в следующем слое. Данное техническое решение не учитывает пиксельной структуры современных цифровых форматов изображений и преследует своей целью только снижение влияния внешней засветки, не задаваясь вопросами оптической интерполяции, как в ее геометрическом, так и во временном планах.
Наиболее близким к настоящему изобретению является решение по патенту RU 2324211, в котором применен слой фокусирующих линз над слоем диафрагм, расположенных по оптической оси каждой из линз фокусирующего слоя. Эффективность этого устройства объясняется авторами тем, что свет проектора, падающий на экран под малыми углами, фокусируется линзами существенно сильнее, чем свет сторонних источников, и поэтому попадает через отверстия диафрагм на светоотражающий слой. К недостаткам этого известного решения следует отнести его высокую конструктивно-технологическую сложность и соответственно высокую цену, а также регулярность растровой структуры, шаг которой принципиально невозможно сделать намного меньшим по сравнению с размерами пикселя на экране, так как при этом уменьшение размера оптических ячеек до соизмеримости с длиной волны падающего света в воздухе вызовет смену законов корпускулярно-лучевой оптики на принципиально иные представления волновой оптики. Сопоставимость же размеров оптических ячеек с размерами пикселя вызывает дифракционные эффекты в зоне Фраунгофера - биения геометрической периодичности регулярной растровой структуры с геометрической периодичностью оцифрованных сигналов с проекторов.
Более того, стратегическим недостатком подхода, используемого в решении по патенту RU 2324211, является представление авторов об обеспечении высокой разрешающей способности цифровых видеосистем не путем воссоздания содержательных деталей воспроизводимых изображений в виде распознавательных признаков зрительных образов реальных объектов в динамике их движений, а путем повышения четкости воспроизведения искусственно привнесенных техногенных особенностей цифровых изображений - компьютерной графики и анимации, текстов, диаграмм и иных видеопродуктов дисплейно-компьютерного происхождения и обращения, не имеющих непосредственного отношения к реальности, регистрируемой с использованием дискретизации по аналогии с известным с древних времен методом «Прокрустова ложа». Эти техногенные информационные объекты компьютерной графики исходно формируются в границах прямоугольных сеток пикселей мозаичной структуры изображений при равномерной цветояркостной заливке в границах каждого пикселя и с дополнительным импульсным дроблением во времени кадровых и цветовых составляющих частей изображений. Они исходно техногенны, не имеют природных оригиналов и детальной внутрипиксельной структуры и поэтому не могут требовать интерполяционного восстановления каких-либо промежуточных значений параметров при воспроизведении, как этого требуют скомпрессированные цифровые выборки съемки реальных объектов, осуществленные с вынужденным ограничением углового и временного разрешения в пределах использованного стандарта оцифровки и используемой технологии воспроизведения, но тем не менее призванных в итоге адекватно представлять органолептическому восприятию исходные аналоговые реалии, имеющие априори неопределенно высокое угловое и временное разрешение.
Оптические анизотропные структурные элементы в виде оптических волокон были использованы для повышения качества изображений, получаемых с оптических экранов для прямой проекции в условиях внешней засветки, как указывалось в патентах US 7116873, US 6741779, US 6535674 и в заявке WO 2008/0285125. Но эти известные устройства преследовали целью только повышение контрастности изображений в условиях внешней засветки. Принципиально неустранимыми недостатками указанных конструкций является их высокая техническая и технологическая сложность, неизбежно влекущая за собой повышенную стоимость изделий. Кроме того, геометрическая регулярность (периодичность, детерминированность) оптической неоднородности рабочей поверхности таких видеоинтерфейсов неизбежно способствуют проявлениям интерференции с другой геометрической периодичностью - пиксельной сетки яркости светового потока проектора, приводящей тем самым к появлению дополнительных геометрических узоров в виде чередующихся полос, разводов и «перьев» с разной цветностью и яркостью за счет эффекта биений двух и более периодических процессов. Эти интерференционные узоры, как и упомянутые выше артефакты оцифровки изображений, принципиально отсутствуют в исходной информации. Их появление тоже обусловлено лишь только несовершенством примененных технических средств регистрации, сжатия, хранения, обработки, передачи и воспроизведения изображений. Общим недостатком всех указанных известных устройств является отсутствие в них полноценного учета перцептуальных психофизиологических особенностей восприятия органами зрения субъектов восприятия типовых визуальных образов и индивидуальных распознавательных признаков, присущих изображениям реальных объектов съемки.
Стратегической задачей интерполяционного восстановления промежуточных значений сигналов, заведомо отбрасываемых при оцифровке за счет вынужденной экономии дефицитных технических ресурсов, является воссоздание перцептуально существенных распознавательных признаков информационных сигналов, осуществляемое только до достижения пределов заметности привнесенных техногенных элементов пикселизованных изображений. Сжатие информации в цифроаналоговых устройствах регистрации осуществляется за счет экстраполяционной выборки условно репрезентативных значений яркости основных цветов, используемых далее современными алгоритмами регистрации сигналов для однородного заполнения всей площади каждого из пикселей в данный кадровый отрезок времени. Такой алгоритм первичного сжатия информационного потока характерен для всех систем регистрации сигналов, каковыми по сути являются все известные форматы аналогово-цифровых преобразований сигналов и кодеки (как без потерь, так и с потерями информации), являющиеся устройствами дальнейшего сжатия информационных сигналов за счет отбрасывания условно несущественных и априорно восстановимых частей этих сигналов. Для восстановления промежуточных значений видеосигналов, упущенных при выборке, в интеллектуальных системах улучшения изображений и иных устройствах декодирования выборок, вплоть до устройств прогрессивной развертки и скейлеров, в подавляющем большинстве случаев используются интеллектуальные программы компьютерной предварительной обработки сигналов, использующие две способности зрения:
1) интерполяционное усреднение покадровых и внутрикадровых импульсных значений составляющих цветности и яркости сигналов;
2) априорное предожидание движений, предвосхищающее вероятные изменения положений границ характерных распознавательных особенностей и признаков наблюдаемого реального объекта при его естественных движениях и поворотах относительно его окружения, с учетом перспективных искажений масштабов, цветовой насыщенности и атмосферной дымки.
Однако компьютерно-вычислительное интерполяционное восстановление детальности сигналов является достаточно эффективным средством восстановления его информационного содержания, только если проекционная техника обладает кратно более высоким пиксельным и кадровым разрешением, чем заложенное в воспроизводимый материал. С появлением и внедрением камер, кодеков, мониторов и проекторов с форматами высокого разрешения (HD) возможности существенного улучшения качества изображений за счет кратного увеличения числа пикселей практически исчерпали свой потенциал. Кроме того, сама стратегия снижения заметности цифровой природы изображений за счет уменьшения размеров их дискретных элементов решает проблемы средствами интенсификации техники и преследует только косвенную цель, не уделяя должного внимания конечной цели восстановления исходного аналогового характера отснятых оригиналов изображаемых объектов.
Существующие проекционные системы, состоящие из источника светового потока (проектора) и проекционного экрана, до последнего времени не уделяли должного внимания к возможностям снижения заметности цифровой структуры изображений реальных объектов распознавания непосредственно на экранах, включая динамику движений этих объектов. Этому недостатку внимания к оптической интерполяции способствовало и отсутствие достоверных детальных данных о критериях заметности пиксельной структуры изображений в кинопроекции, что оставляло разработчикам проекционной и экранной техники только критерии статических порогов заметности отличий изображений для зрения в фотографии (Measurement Protocols for Medium-Field Distance Perception in Large-Screen Immersive Displays. http://www.cse.msstate.edu/~swan/publications/papers/2009_Klein-etal_Distance-Percep-Large-Screen_IEEE-VR.pdf).
Подобная задача интерполяционного восстановления промежуточных значений яркости изображений в геометрическом плане ставилась в радиологических медицинских устройствах - томографах, от полноты информации с которых зависит здоровье и жизнь пациентов, см. патенты US 4680709 и US 5058011. Однако эти устройства производят интерполяционно-голографическое восстановление исходно неизвестных конкретных подробностей анатомических аномалий пациента, представленных в виде аналоговой информации между последовательными дискретными отсчетами значений параметров изображения неподвижного объекта при задаваемых изменениях углового направления зондирующего луча, и только за счет специальных программных средств, не ставя при этом задачи интерполяционного восстановления предожидаемых промежуточных значений сигналов в режиме реального времени поступления преобразуемых сигналов, описывающих движущиеся объекты.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на достижение необходимого минимума функциональных потребительских качеств проекционных экранов и дисплеев в большинстве случаев их мультимедийного и конкретного функционального применения. При этом основной задачей является обеспечение эргономики просмотра кино в широком угле одномоментного восприятия изображения каждым зрителем, а дополнительными являются:
1) обеспечение комфорта при просмотре в том числе современных 3D форматов объемного изображения; и
2) повышение воспринимаемого контраста изображений для обеспечения реализации фотографической широты отснятых материалов при их воспроизведении в условиях умеренной боковой засветки экрана сторонними источниками света.
Решение указанных основной и дополнительных задач достигается в настоящем изобретении тем, что предложен проекционный экран, выполненный в виде объемного слоя композита с матрицей из прозрачного материала и с распределенными по толщине слоя матрицы функциональными неоднородностями, имеющими заданные оптические свойства, причем преобразование излучения в изображение, предназначенное для непосредственного восприятия зрением, распределено в объеме полупрозрачного материала преобразующей среды экрана в пределах границ этой среды по толщине ее слоя и ее поверхностных покрытий, функциональные неоднородности распределены по толщине матрицы послойно и/или с непрерывно меняющейся концентрацией в пределах слоя или всей толщины матрицы, а толщина d слоя преобразующей среды от фронтальной поверхности до тыловой находится в диапазоне от ширины межпиксельной решетки до десятикратной величины диагонального размера пикселя оцифрованного изображения проектора на экране.
В случае прямой проекции изображений с отражением светового потока проектора тыльная сторона преобразующего слоя экрана имеет светоотражающее покрытие с коэффициентом отражения от 0,1 до 0,999, а величина неровностей отражающей поверхности составляет не более 1/4 длины волны фиолетового света в прозрачном материале матрицы преобразующего слоя. Светотражающее покрытие может быть выполнено зеркально-матовым, а его задняя сторона может иметь непрозрачное покрытие, поглощающее световое излучение, прошедшее сквозь зеркальное покрытие.
Фронтальная или обе наружные поверхности преобразующего слоя композитной матрицы могут быть выполнены сатинированными с микролинзовой, растровой, призменной или многоострийной структурой со случайным распределением размеров и/или направлений структур, протяженных в плоскости поверхности и с характерным размером сечений неровностей менее 1/4 длины волны светового излучения в воздухе в фиолетовом пределе диапазона частот видимого света.
В объем слоя прозрачной основы матрицы введена мелкодисперсная светорассеивающая компонента в виде аэрогеля, микросферул, микрокристаллитов, пудры и тому подобных компонент или их смесей из окиси титана, карбонатов кальция или иных пигментов белого цвета с характерным размером не более 1/5 толщины промежутков между дискретными элементами изображения на экране, а общее количество этих компонент композита в матрице выбирается таким, чтобы они суммарно перекрывали не менее 15% площади изображения.
Кроме того, в матрицу или в ее рассеивающий краситель введена микродисперсная люминесцентная добавка с характерным временем послесвечения от 0,02 до 0,3 секунд, а общее количество этой компоненты выбирается из органолептического критерия незаметности мерцаний изображения при кадровой частоте проекции проектора. В матрицу может быть введена микродисперсная смесь люминесцентных добавок с преимущественно резонансной люминесценцией, обладающих частотной избирательностью с максимумами люминесцентной отдачи, соответствующими стандартизованным частотным максимумам пропускания цветоделительной системы используемого проектора.
Для обеспечения контрастности и воспроизведения черного цвета в преобразующую среду матрицы введена мелкодисперсная светопоглощающая компонента в виде волокон, порошка, игольчатых или сферовидных наноструктур (букиболов и/или фуллеронов), при этом общее количество этой компоненты определяется условием сохранения по крайней мере одной трети суммарного полезного светового потока источника. Светопоглощающая компонента может быть выполнена из угольного волокна, в том числе наноразмерного в поперечных сечениях, причем длина волокон составляет от 0,05 до 1,0 от толщины слоя матрицы, а соотношение длины волокон к их толщине составляет не менее 10, при этом волокна ориентированы по ходу лучей излучения поперек слоя матрицы, а характерное расстояние между волокнами составляет до 1,5 расстояний между дискретными элементами изображения проектора на экране.
Матрица может быть выполнена из высокомолекулярных полимерных материалов, в которых полимерные макромолекулы ориентированы преимущественно вдоль по ходу световых лучей источника воспроизводимого изображения.
Фронтальная поверхность экрана может быть покрыта светопоглощающими волокнами, ориентированными перпендикулярно плоскости поверхности экрана. Светопоглощающие волокна могут быть ориентированы преимущественно вдоль хода световых лучей проектора в экран обратной проекции или по медиане хода прямых и обратных лучей проектора в световозвращающем экране прямой проекции. Кроме того, проекционный экран по настоящему изобретению снабжен может быть снабжен системой автоматической регулировки светопропускания в зависимости от яркости внешней засветки.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку на проекционную систему и зону просмотра для прямой и обратной проекций;
на фиг. 2 - схематический разрез композитной матрицы проекционного экрана по настоящему изобретению с непрерывным распределением функциональных неоднородностей в пределах толщины матрицы;
на фиг. 3 - схематический разрез композитной матрицы проекционного экрана по настоящему изобретению с послойным распределением функциональных неоднородностей;
на фиг. 4 - схематический разрез композитной матрицы проекционного экрана по настоящему изобретению, в которую введены направленные светопоглощающие волокна, со схемой прохождения лучей света от проектора и сторонних источников сквозь матрицу.
Подробное описание изобретения
Проекционный экран 1 по настоящему изобретению может использоваться как для прямой проекции (светоотражающий экран), когда проектор 2 установлен на той же стороне от экрана, что и глаза 3 зрителей, так и для обратной проекции (светопропускающий экран), когда проектор 4 и глаза 3 зрителей расположены по разные стороны от экрана (фиг. 1). Если в качестве источника изображения используется светоизлучающая панель 5, то экран 1 выполняет роль накладки на эту панель.
Экран 1 содержит матрицу 6 из композитного материала (фиг. 2), по толщине слоя которой распределены функциональные неоднородности (включения) в виде светопоглощающих частиц 7, светорассеивающих частиц 8 и люминесцентных частиц 9. На тыльную сторону матрицы 6 нанесено отражающее покрытие 10, задняя сторона которого имеет непрозрачное покрытие 11.
Частицы 7, 8 и 9 могут быть распределены по толщине матрицы 6 с непрерывно меняющейся концентрацией в пределах всей толщины матрицы (фиг.2) или послойно (фиг.3). При послойном распределении концентрация частиц 7, 8 и 9 в слое может быть как постоянной, так и переменной по толщине соответствующего слоя.
В показанном на фиг.3 варианте матрица 6 содержит последовательно расположенные по ее толщине в направлении от фронтальной поверхности 12 к непрозрачному покрытию 11 слой преимущественного анизотропного поглощения со светопоглощающими частицами 7, слой преимущественного рассеивания со светорассеивающими частицами 8, слой преимущественной люминесценции с люминесцентными частицами 8 и слой неоднородной рефракции 13.
В показанном на фиг.4 варианте полимерные макромолекулы 14 матрицы ориентированы вдоль ее толщины, причем в среду матрицы введена светопоглощающая компонента из угольных волокон 15, ориентированных вдоль толщины матрицы. Фронтальная поверхность 12 матрицы покрыта светопоглощающими волокнами 16, ориентированными перпендикулярно плоскости поверхности экрана. Световые лучи 17 проектора проходят через толщину матрицы с макромолекулами 14 и светопоглощающими волокнами 16 и возвращаются к зрителю, а лучи 18 сторонней засветки преимущественно поглощаются на боковых поверхностях волокон 15 и 16.
Рабочий слой проекционного экрана по настоящему изобретению выполнен в виде трехмерной объемной листовой матрицы, перекрывающей всю площадь рабочей поверхность экрана. Толщина листа матрицы находится в диапазоне от ширины межэлементного (межпиксельного) промежутка до десятикратной величины характерных габаритов дискретного элемента изображения (диагоналей пикселя) проектора на данном экране. Для устранения отблесков, бликов и отражений предметов на поверхности экрана, по крайней мере, фронтальная поверхность матрицы (обращенная к зрителям) имеет антибликовую обработку поверхности матрицы и/или покрытие с антибликовыми свойствами. Сама матрица выполнена из относительно формоустойчивого композита, состоящего из прозрачного материала, в объеме которого равномерно по площади экрана и преимущественно неоднородно по толщине слоя матрицы распределены частицы функциональных включений. Относительная устойчивость формы предусматривает возможность изготовления матрицы из эластичного материала, обеспечивающего сохранение его толщины и гладкость поверхности. Такое исполнение функциональной части экрана позволяет распределить функциональные включения по толщине слоя композитной матрицы, обеспечивая анизотропию ее оптических свойств и тем самым высокую эффективность взаимодействия полезных лучей света проектора с экраном, дозирование временной междуимпульсной и пространственно-геометрической межпиксельной интерполяции, но при этом обеспечивая блокирование и преимущественное поглощение лучей сторонней засветки. Тыльная сторона матрицы световозвращающих экранов имеет светоотражающее покрытие. Частицы функциональных неоднородностей (включений) композита матрицы обеспечивают: а) преимущественное поглощение стороннего света, б) преимущественное рассеивание, в) индуцированное резонансное люминесцентное переизлучение света проектора с дозированной интерполяцией света соседних пикселей и импульсов их засветки как по геометрии расположения, так и по времени их поступления. Функциональные свойства экрана зависят от угла падения света на его поверхность. Для оптимизации интерполяционных и дискриминационных свойств экрана в условиях внешней засветки функциональные микрочастицы композитной матрицы экрана могут быть распределены в матрице по ее толщине послойно, непрерывно или в совокупности слоистого и непрерывного распределения с переменной концентрацией и/или оптической плотностью.
В качестве светопоглощающих частиц могут быть использованы частицы с предельно достижимым минимальным альбедо - черные красители природного или синтетического происхождения, угольная, графитная или карбоновая пыль, сажа, тушь, карбоновые фуллерены, букиболы, карбоновые волокна и нити, нанотрубки, штапельные отрезки оптических волокон с углеродной оболочкой или покрытием и другие подобные сферически и аксиально симметричные микро- и наноразмерные частицы, в том числе и с развитой поверхностью микрофибры. Для эффективности защиты изображений от внешней засветки максимум оптической плотности светопоглощающих частиц должен быть расположен в области, находящейся от фронтальной поверхности экрана не далее, чем в матрице расположен максимум концентрации светорассеивающих частиц. Для повышения эффективности интерполяционных свойств экрана и дискриминации полезного света проектора от побочной засветки за счет дополнительной анизотропии оптических свойств композитной матрицы экрана наиболее целесообразно применение светопоглощающих микрочастиц протяженной формы, длина которых должна быть много больше их поперечного размера. Для того чтобы поперечные размеры обеспечивали дифракцию во Френелевском приближении, а длина волокон обеспечивала дифракцию в приближении Фраунгофера, размеры поперечного сечения этих частиц рационально выбирать из числа наноразмерных модификаций светопоглощающих материалов, как например, отрезки карбоновых волокон, углеродных нанотрубок, штапельные отрезки оптических волокон с углеродной оболочкой наноразмерной толщины и им подобные. Длина отрезков волокон светопоглощающих включений в композит матрицы должна быть многократно больше длины волны света в материале матрицы в красном пределе диапазона частот видимого света. Для максимального контраста изображений в условиях внешней засветки такие нановолокна или нанотрубки следует ориентировать в композите матрицы вдоль нормали к поверхности слоя, а еще эффективнее - преимущественно вдоль медианы хода луча света от проектора сквозь матрицу и далее в зону просмотра.
Для обеспечения высокой световой отдачи экрана в качестве светорассеивающих частиц могут применяться преимущественно микроразмерные частицы пигментов белого цвета с высоким значением альбедо (окислы титана, цинка, кальция, а также молотый мел, мрамор, перламутр и так далее), стеклянные и полимерные микросферы, пустотелые микросферулы и т.п. Концентрация светорассеивающих частиц в композите матрицы должна иметь максимум в зоне, расположенной вблизи тыльной стороны матрицы, чтобы лучи проектора, проходящие в матрицу и из нее под малыми углами к нормали по минимальной дистанции, практически определяемой толщиной матрицы экрана, соответственно подвергались и минимальному поглощению на этом пути даже при центрально симметричной форме светопоглощающих частиц. Лучи же света сторонней засветки падают на поверхность экрана под более значительными углами к нормали и вынуждены проходить при этом гораздо большие расстояния, соответственно подвергаясь гораздо большему поглощению. Отношение светопроводимостей для полезного света проектора к светопроводимости для сторонней засветки экрана может быть еще более усилено ориентированием светопоглощающих частиц протяженной формы по нормали к поверхности экрана, а еще более усилено ориентированием волокон светопоглотителя в соответствии с ходом лучей экранов. Так, для световозвращающих экранов прямой проекции наилучшим является ориентирование светопоглощающих волокон по медиане хода падающих и возвращающихся лучей проектора. При этом конструктивные особенности интерполяционного экрана могут оказаться зависящими от подвида оптики проектора (короткофокусный или длиннофокусный), однако длиннофокусная оптика в световозвращающих интерполяционных экранах не позволяет реализовать широкий угол просмотра, так как зритель при этом невольно будет вынужден перекрывать своим телом луч проектора. В случае же наиболее распространенной внеосевой прямой проекции с короткофокусной оптикой этой проблемы не возникает, и экраны конкретных размеров под проекторы со стандартным разрешением могут иметь унифицированную конструкцию.
Для временной интерполяции, направленной против заметности импульсных мерцаний изображений, в качестве люминесцентных частиц и/или добавок и покрытий светорассеивающих частиц могут применяться материалы с постоянной времени послесвечения в видимом спектре от 0,05 до 0,25 секунд, а для большего эффекта избирательности реакции на полезный свет проектора - квантовые точки, квантовые проволоки или ящики со спектрами люминесцентного индуцированного переизлучения, преимущественно резонансного вида, соответствующими спектральным окнам прозрачности цветоделительных систем проекторов. Концентрация люминесцентных частиц может быть равномерной по толщине слоя композитной матрицы экрана, а при анизотропии по толщине матрицы иметь локальный минимум вблизи фронтальной поверхности композитной матрицы экрана.
Для уменьшения бликов от сторонних источников света фронтальную поверхность матрицы экрана следует выполнить микро- или нанорельефной, например, сатинированной с призматической формой микрорельефных по длине и нанорельефных по глубине поверхностных бороздок со случайной направленностью. В другом варианте сатинирования поверхность матрицы может представлять собой совокупность микролинз, покрывающих всю поверхность матрицы. В третьем варианте антибликовая сатинированная поверхность представляет собой совокупность микроострий, полученных за счет растравливания материала матрицы или подложки, на которой отформован лист матрицы. Микрополости матрицы в этом случае могут быть заполнены прозрачным материалом с иным значением показателя преломления.
Для возвращения светового потока в световозвращающих экранах прямой проекции на тыльную сторону матрицы экрана нанесено зеркальное покрытие. Для уменьшения эффекта «горячего пятна» при попадании света лампы проектора прямо в глаза зрителей текстура зеркала с тыльной стороны матрицы световозвращающих экранов должна быть преимущественно матовой.
2
Анизотропия оптических свойств слоистого композита и степень рассеяния лучей проектора при выбранной поверхностной плотности концентрации светопоглощающих волокон или полимерно-молекулярных структур с анизотропной рефракцией определяются отношением диаметра волокон к их длине и соотношением их длины к среднему расстоянию между волокнами. Удельная оптическая плотность такого слоя композита для лучей, падающих вдоль волокон, фактически не будет зависеть от толщины слоя и будет пропорциональна удельной сумме поперечных сечений волокон на единицу площади экрана (n·πr), где n - удельная плотность волокон на единицу площади поверхности экрана, а r - радиус волокна. А удельная на единицу площади и глубины проникновения оптическая плотность слоя для лучей, падающих под острым углом к поверхности экрана при прочих равных условиях будет пропорциональна уже удельной суммарной площади продольных габаритных сечений волокон (n·2r·L·cosφ), где L - длина волокна, а φ - угол падения луча света сторонней засветки.
Соотношение удельных оптических плотностей такой оптической системы для лучей стороннего света и проектора на единицу длины пробега луча составит 2L·cosφ/πr, то есть около 2/3·(L/r). Так, при соотношении длины волокон к их диаметру не менее 100, соотношение удельных оптических плотностей будет составлять около 120.
Эта оценка не учитывает еще и многократную разницу длины путей, преодолеваемых полезными и сторонними лучами в листовой основе интерполяционного экрана до выхода из него в сторону восприятия.
2
Расчетное дозирование плавного перекрытия световых потоков соседних пикселей в геометрическом плане базируется на средней величине угла рассеяния света проектора, проходящего между поглощающими волокнами к светоотражающим и рассеивающим частицам экрана. Этот угол ψ определяется по формуле tgψ/=Δ/L, где Δ - среднее расстояние между волокнами. Ориентировочно примем, что величина перекрытия пиксельных пятен должна составить около 15% от их длины. Тогда для формата Full HD при дистанции просмотра равной половине ширины экрана, угловой размер пикселя составит 0,06°, а угол перекрытия составит 0,004°. Отсюда следует, что среднее расстояние между волокнами должно составлять примерно 15% от их длины, а средняя поверхностная плотность ρ ориентированных волокон длиной L должна составить примерно ρ≈1/Δ, что при длине волокон в 1 мм составит примерно 50 волокон на квадратный миллиметр, отстоящих друг от друга в среднем примерно на 150 микрометров. При диаметре волокон примерно 10 микрометров полная удельная оптическая плотность их торцевых поверхностей для полезного света проектора составит примерно 0,4% от поверхности экрана, а удельная оптическая плотность этой структуры для лучей стороннего света достигнет примерно 50%.
Промышленная применимость
Возможность промышленного применения настоящего изобретения поясняется нижеприведенными примерами.
Пример 1. В простейшем случае матрица экрана с шириной рабочей поверхности от 2 до 3 метров, рассчитанная на работу с проектором разрешения от HD-ready до Full HD выполнена в виде плоского листа минерального, синтетического или органического стекла, прозрачного или тонированного на поверхности или в объеме в нейтральный серый цвет. Толщина листа может составлять от 0,2 до 8 мм. Фронтальная поверхность листа имеет антибликовую обработку, например в виде сатинирования. Тыльная сторона листа покрыта слоем прозрачного лака с микрочастицами из светопоглощающего вещества на основе сажи или анилинового красителя и люминесцентно-переизлучающего вещества, в качестве которого использован молотый перламутр. Для эффективного рассеивания света характерные размеры этих функциональных частиц должны составлять от 5 до 25 микрон. Относительная площадь покрытия тыльной поверхности матрицы светопоглощающими частицами составляет не более 50% этой поверхности. За слоем поглощения и переизлучения в световозвращающих экранах находится слой матового зеркального покрытия из алюминиевой пудры в прозрачном минеральном или органическом связующем или металлизация сатинированной поверхности, а за этим слоем - непрозрачный слой черной краски или непрозрачной для света пленки, например типа «Рокал» или иной подобной ей.
Пример 2. Интерполяционный экран с композитной матрицей из органического стекла. На тыльную сторону слоя с общей толщиной листа 2-5 мм из серийно производимого и поставляемого на рынок сатинированного полупрозрачного материала матрицы интерполяционного экрана из блочного органического стекла, тонированного в нейтральный серый цвет с коэффициентом пропускания не более 50% для светопропускающего экрана обратной проекции и не более 25% для световозвращающего экрана прямой проекции и с включениями люминесцентных частиц в объеме листа, с тыльной стороны листа нанесен слой толщиной от 0,1 мм до 2 мм из прозрачного связующего с распределенными в нем поглощающими свет волокнами из углерода или карбоновыми нанотрубками с соотношением характерной длины отрезков волокон к их диаметру не менее 100 и с плотностью (2-7) D/(P·L·d) волокон на единицу площади рабочей поверхности матрицы экрана, преимущественно ориентированными при нанесении вдоль толщины слоя матрицы, или вдоль медианы между направлениями (прямого и обратного, в случае экрана прямой проекции) распространения луча проектора в область просмотра в данном месте матрицы, где
D - толщина слоя с волокнами;
d - диаметр волокон;
L - длина отрезков волокон,
Р - размер диагонали пикселя используемого проектора на экране.
За этим слоем направленного поглощения нанесен слой со светорассеивающими частицами, а за ним в световозвращающих экранах прямой проекции - матово-зеркальное покрытие и следом за ним - сплошное светопоглощающее покрытие, как в Примере 1.
Пример 3. Интерполяционный экран с композитной матрицей, как в Примере 2, но с послойно и/или непрерывно распределенными функциональными частицами непосредственно в слое материала матрицы.
Пример 4. Интерполяционный экран с композитной матрицей, в которой концентрация светопоглощающих волокон по толщине слоя матрицы имеет локальные максимумы вблизи фронтальной и тыльной сторон, а концентрация светорассеивающих и люминесцентных функциональных частиц достигает максимума не ближе области максимума концентрации светопоглощающих волокон, расположенного у тыльной стороны матрицы.
Проекционный экран в наиболее простом случае его исполнения по Примеру 1 работает следующим образом. Падающий свет каждой цветовой составляющей цветоделительной системы проектора на каждом отдельном пикселе данного кадра проекции падает на антибликовую поверхность матрицы, разбиваясь при этом на множество частичных лучей, вновь образующих волновой фронт за счет взаимной интерференции согласно принципу Гюйгенса, затем проходит через толщу матрицы к ее тыльной поверхности раздела со следующим слоем, отклоняясь в сторону нормали к поверхности экрана по закону Синнелиуса. Попадая на люминесцентные частицы материала переизлучения в следующем слое напрямую и/или отражаясь от зеркальной задней поверхности в световозвращающих экранах, свет источника претерпевает резонансно-индуцированное и спонтанное переизлучение с преимущественными максимумами в полосах частот прозрачности фильтров цветоделительной системы проектора. Поглощаясь в люминофорах, это излучение возбуждает метастабильные уровни молекул люминофоров, вследствие чего переизлучаемый ими отклик на импульсное возбуждение задерживается на характерное время постоянной метастабильных уровней, выбранное примерно равным периоду повторения кадров в 2D проекции и 3D проекции с поляризационным разделением стереоизображений для каждого глаза или половине этого времени в 3D проекции со светоклапанным временным разделением, совершенно аналогично временной интерполяции, широко применявшейся в электронно-лучевых кинескопах (CRT) телевизионной аппаратуры. Рассеяние переизлученного света проектора на светорассеивающих микрочастицах композита матрицы также происходит по принципу Гюйгенса. При этом из множества точечных микроисточников переизлучения образуется фронт излучения, движущийся преимущественно в направлении фронтальной стороны экрана. Тем самым обеспечивается сглаживание импульсных пульсаций составляющих кадровых изображений во времени и избирательное спектральное переизлучение света источника изображения одновременно с преимущественным поглощением света побочных источников, падающих на матрицу под значительно большими углами к нормали и не попадающих в полосы спектров переизлучения люминесцентных частиц. Полученное таким образом рассеянное переизлучение каждого пикселя изображения на каждом кадре в светоотражающих экранах проходит обратно сквозь матрицу в сторону обозрения и становится видимым в плавно расширенной зоне, перекрывающей межпиксельные границы с соседними пикселями и накрывающей от 10% до половины минимального размера соседних пикселей, тем самым интерполяционно сглаживая цветояркостные цифровые геометрические особенности дискретизованных изображений в дополнение к вышеуказанной временной интерполяции за счет межкадровой задержки люминесцентного переизлучения. В более сложной конструкции по Примерам 2, 3 и 4 происходит дополнительное разделение преимущественно сохраняемого полезного света проектора и преимущественно поглощаемого света боковой засветки. Оптическая анизотропия матрицы за счет использования светопоглощающих частиц в форме волокон, ориентированных преимущественно вдоль толщины матрицы экрана по Примеру 2, а оптимальнее - по направлению медианы между углом падения лучей проектора и направлением на область просмотра по Примерам 3 и 4, приводит при работе экрана к тому, что полезный свет источника, падающий на экран под малым углом к нормали и/или к направлению ориентирования светопоглощающих волокон или покрытий оптических волокон, преимущественно дифрагирует на волокнах, лишь слегка поглощаясь только торцевой частью их поверхности, и распространяется сквозь матрицу, испытывая полное внутреннее отражение на границах прозрачного материала матрицы с волокнами, имеющими иной показатель преломления. Расчетная концентрация плотности распределения волокон в матрице при выбранном соотношении длины волокон к их диаметру используется при этом в качестве дозатора величины геометрической интерполяции, ограничивая расходимость переизлученного света в матрице в указанных выше пределах. Свет побочных источников засветки, падающий под большими углами к поверхности, напротив, во-первых, слабее преломляется в матрицу, не вызывая при этом отразившейся частью потока бликов за счет рефракции на микронеоднородностях выходов волокон на фронтальную поверхность матрицы, дополнительной к сатинированию формы ее поверхности или иным антибликовым покрытиям или обработкам, а во-вторых, свету боковой засветки, вошедшему в матрицу под большими углами, приходится преодолевать в матрице до выхода из нее соответственно гораздо большие дистанции, чем удвоенная толщина матрицы, встречаясь при этом с боковыми поверхностями волокон под малыми углами к нормали к их длине и испытывая поэтому преимущественное поглощение. Усилению этого эффекта дискриминации света проектора от боковой засветки дополнительно способствуют:
а) наноразмерность диаметра светопоглощающих волокон, и
б) дополнительное к ориентированию светопоглощающих волокон преимущественное ориентирование линейных макромолекул полимерного материала матрицы вдоль толщины ее слоя согласно Примеру 2, и еще более эффективно - по направлению медианы между направлениями преломленных падающих лучей проектора в объеме слоя данной области матрицы экрана и возвращающихся лучей света перед их преломлением на фронтальной поверхности раздела матрицы для дальнейшего распространения в направлении на зону просмотра, согласно Примеру №3.
Приведенные выше примеры исполнения экранов не исчерпывают всей полноты вариантов реализации настоящего изобретения, сущность которого определена формулой изобретения.
Кроме основного назначения этих экранов для систем цифровой проекции, они с успехом могут использоваться и во всех существующих системах аналоговой и дискретно-аналоговой проекции, придавая проецируемым изображениям и фильмам большую глубину и естественность информационных образов.
Кроме того, такие экраны могут использоваться и в качестве наиболее репрезентативных мониторов для видеомонтажа фильмов из отснятого материала, в качестве накладок к дисплеям и мониторам для компьютерной анимации и графики, повышая эргономику и снижая нагрузку на зрение операторов при длительной работе.