CN100573312C - 屏幕、屏幕的制造方法和图像显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种投影屏幕，通过在衬底上按层依次形成用于反射红色的精细粒子层、用于反射绿色的精细粒子层和用于反射蓝色的精细粒子层而构成。在每个精细粒子层中，在最紧密结构中例如以11周期规则放置各精细粒子。用于反射红色的精细粒子具有约280nm的直径，用于反射绿色的精细粒子具有约235nm的直径，而用于反射蓝色的精细粒子具有约212nm的直径。每个精细粒子层通过自组织技术沉积。使用这样的衬底，使其能吸收不同于红、绿和蓝三基色的光。

Description

屏幕、屏幕的制造方法和图像显示系统
技术领域
本发明涉及一种特别适用于投影各种图像的屏幕、屏幕的制造方法和图像显示系统。
背景技术
传统上，投影仪屏幕基本上是白色背景屏幕，可反射或散射可见光波长区的光的几乎所有部分。在此情形，因为在与图像无关的外部光闯入到屏幕上时这样的屏幕也散射或反射之，所以图像对比度劣化。因此，投影通常在暗房进行。
然而，即使在暗房间中投影期间，该暗房间中从与图像无关的任何光或外部过滤的任何光使图像对比度劣化，并且提高了黑色显示部分的亮度级。
在广泛使用的如CRT或液晶显示器之类的显示器中，因为各基色光具有宽的光谱半高全宽(FWHM)，所以色品图(chromaticity diagram)上的彩色重现范围窄，而难于表示纯色。而且在液晶或CRT投影仪类显示器中，从屏幕散射或反射形成图像的光具有宽的光谱半高全宽，色品图上的彩色重现范围窄，而难于表示纯色。
因此，本发明的目的是提供一种能呈现清晰图像的屏幕，其中甚至在与图像无关的任何外部光闯入时黑色显示部分的亮度级低，而不使图像对比度劣化；并且还提供一种屏幕制造方法和使用该屏幕的图像显示系统。
本发明的目的还在于提供一种屏幕，甚至在普通荧光灯下或在暴露空气中也不使图像对比度劣化，因而不要求在暗房间中投影；并且还提供一种屏幕制造方法和使用该屏幕的图像显示系统。
本发明的目的还在于提供一种屏幕，它能通过有效地选择性地专门反射图像的光并去除其它波长的光来维持高对比度，并且在半导体激光器或发光二极管(LED)的发射谱的半高全宽窄而通过投影精良纯色光形成图像的情形，能同时降低黑色显示部分的亮度级；并且提供一种屏幕制造方法和使用该屏幕的图像显示系统。
本发明的目的还在于提供一种屏幕，甚至在从如液晶投影仪之类的显示器投影光、而各基色具有宽的谱半高全宽时，它能确保色品图上的宽彩色重现范围，并且能呈现纯色；并且提供一种屏幕制造方法和使用该屏幕的图像显示系统。
发明内容
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种屏幕，包括一种结构，其中具有不大于1μm大小的粒子规则排列。
根据本发明的第二方面，提供了一种屏幕，配置为通过使用光子晶体(photonic crystal)反射特定波长的光。
光于晶体是一种人造晶体，其制造是通过规则排列折射率(介电常数)大为不同的透明介质(例如两种不同透明介质)到接近光的波长的周期，如到成百到千和几百纳米的周期。依赖于周期结构的阶(order)，称为一维光子晶体、二维光子晶体或三维光子晶体。光子晶体等价于具有周期结构和具有反射光的功能的特征的粒子的规则排列结构。换句话说，粒子的规则排列结构可视为一种光子晶体。
根据本发明的第三方面，提供了一种屏幕，包括使用介电多层膜的结构，以反射特定波长的光。
介电多层膜可视为一维光子晶体。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于制造屏幕的方法，该屏幕包括一种结构，其中具有不大于1μm大小的粒子规则排列，其特征在于，所述粒子通过自组织排列。
自组织根据一种外部信息结构一般属于自治地系统化自身，但这里，它属于自治地累积粒子并将其规则排列在系统中，使粒子根据系统的特征参数累积(例如液体)。
通过自组织累积粒子典型地以下面的方式发生。
即，根据本发明的第五方面，提供了一种用于制造屏幕的方法，该屏幕包括一种结构，其中具有不大于1μm大小的粒子规则排列，该方法包括：
第一步，将衬底浸入包含2％重量比的粒子的粒子溶液；
第二步，所述粒子溶液将所述衬底的表面弄湿且通过以不低于30μm/s的速度拉起所述衬底到空气中；以及
第三步，在空气中将用所述粒子溶液弄湿的所述衬底干燥。
更优选地，重复所述第一到第三步，直到获得所述粒子的规则排列结构的期望光学性质，即粒子层，或者直到它达到期望厚度。使用第一到第三步的一个周期，难于在衬底表面的平面上获得粒子层的均匀厚度。因此，最好在将衬底浸入前，在将衬底浸入(拉起前)期间或紧接拉起衬底后，通过在其自身平面内旋转它来改变衬底定向。在此情形，在衬底平面内，粒子层的厚度可在干燥该衬底后进行检查，以便根据结果控制衬底的定向。多达2％重量的粒子溶液的浓度通常足够平滑地进行粒子层累积。不过，从有效堆积粒子层的观点，希望有更高的浓度。另一方面，虽然依赖于粒子材料，但是如果浓度高于50％重量比，它就会妨碍粒子层良好形成。因此，最好控制浓度不超过50％重量比。至于衬底的拉起速度，不低于30μm/s的速度通常足够无问题地进行粒子层的沉积。不过，如果拉起速度过分慢，沉积的粒子层的厚度趋于增加。因此，从有效累积粒子层的观点，比较高的速度是期望的。考虑拉起速度没有上限，但从实际观点，通常将其限于不超过3m/s。
根据本发明的第六方面，提供了一种图像显示系统，包括：
屏幕，配置为通过使用光子晶体反射特定波长的光；以及
投影仪光源，包括用于发射所述特定波长的光的多个半导体发光器件。
根据本发明的第七方面，提供了一种图像显示系统，包括：
屏幕，包括一种结构，其中具有不大于1μm大小的粒子规则排列；以及
投影仪光源，包括多个半导体发光器件，每个所述发光器件发射由所述粒子的大小和排列确定的特定波长的光。
根据本发明的第八方面，提供了一种图像显示系统，包括：
屏幕，配置为通过使用介电多层膜来反射特定波长的光；以及
投影仪光源，包括用于发射所述特定波长的光的多个半导体发光器件。
在本发明中，用于屏幕的粒子大小限于不超过1μm的原因在于，考虑粒子大小和由粒子反射的光的波长的实际上的比例关系，粒子大小必须限于不超过1μm以便可靠地反射对形成图像有贡献的可见光。特别在将粒子排列成紧密填塞(close-packed)结构时，为了可靠反射三基色的光，粒子大小应该典型地控制在大约150nm到320nm的范围。
基本上，可使用任何方法堆积用于形成屏幕的粒子，只要它能形成规则排列结构。不过，典型地，通过使用自组织技术可容易地累积粒子。粒子典型地排列成紧密填塞结构。紧密填塞结构是其中粒子排列形成面心立方体晶格的紧密填塞立方体结构，或者是其中粒子排列形成紧密填塞六边形晶格的六边形紧密填塞结构。
为了使得能同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光，使用了一种结构，包括三种直径的粒子或三种周期的光子晶体或介电多层膜。各种粒状材料可用作为粒子，并且依赖于其使用可选择任何。最好，使用二氧化硅粒子或折射率与二氧化硅相同的其它粒子。二氧化硅的折射率一般范围在1.36到1.47，尽管它可根据用于其制造的条件改变。在此情形，不管粒子材料是什么，当粒子的折射率是n时，这里使用直径范围从269×(1.36/n)nm到314×(1.36/n)nm用于反射红色的粒子，直径范围从224×(1.36/n)nm到251×(1.36/n)nm用于反射绿色的粒子，而直径范围从202×(1.36/n)nm到224×(1.36/n)nm用于反射蓝色的粒子。更典型地，这里使用直径范围从278×(1.36/n)nm到305×(1.36/n)nm用于反射红色的粒子，直径范围从224×(1.36/n)nm到237×(1.36/n)nm用于反射绿色的粒子，而直径范围从208×(1.36/n)nm到217×(1.36/n)nm用于反射蓝色的粒子。不过，如果必要，这些反射红色的粒子、反射绿色的粒子和反射蓝色的粒子可能是不同的材料。为了使得能同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光，在衬底上分别堆积用于反射红、绿和蓝的光子晶体或粒子层。这些光子晶体或粒子层的堆积顺序基本上是自由的，但可以这样的顺序堆积用于红反射、绿反射和蓝反射的光子晶体或粒子层，或者相反。前面的堆积配置有利于最小化Rayleigh散射的影响，而后面的特别有利于改进粒子层的晶体性质。在此情形，用于各颜色的光子晶体或粒子层的堆积周期最好范围从8周期到15周期，以增强波长选择性。
用于红反射、绿反射和蓝反射的光子晶体或粒子层可在衬底上以横向阵列排列。这里再一次，用于各颜色的光子晶体或粒子层的堆积周期最好范围从8周期到15周期，以增强波长选择性。用于红反射、绿反射和蓝反射的粒子层可能是条形、矩形或正方形，并且它们在所述衬底上以预定排列图案排列。这些用于红反射、绿反射和蓝反射的光子晶体或粒子层的排列顺序基本上是自由的。
为了吸收穿过光子晶体、粒子层或介电多层膜的不同于红、绿和蓝三基色的波长的可见光，所述屏幕最好包括能吸收那部分可见光厚的衬底的层。最优选地，该层或厚的衬底吸收所有波长带的可见光。吸收这些部分可见光的层或厚的衬底最好位于所述光子晶体、粒子或介电多层膜下面(在从屏幕观察方向观看的背面上)。在其背面具有用于吸收可见光的层的透明衬底可能用作为所述衬底。各种材料可用于形成衬底，如碳和其它无机材料、聚乙烯对苯二酸(polyethylene terephthalate，PET)和其它聚合材料、类似树脂的有机材料以及合成无机材料和有机材料的复合材料。在光子晶体或粒子层以液相形成在衬底上的情形，有些种类的衬底不充分润湿。在此情形，最好在形成粒子层或光子晶体前，处理衬底以提高其表面的润湿性。更具体地，可在衬底表面上通过表面粗糙技术形成凹凸不平，可用SiO2膜或类似物涂覆表面，或者表面用如化学液体处理。此外，在粒子层以液体堆积在衬底上的情形，最好在衬底上预先形成粒子缓冲层以提高其润湿性。用作为缓冲层的粒子层中的粒子直径控制为小于蓝反射粒子的直径，其范围从208×(1.36/n)nm到217×(1.36/n)nm。即，它被控制为小于208×(1.36/n)nm。虽然它依赖于衬底材料，但如果控制衬底的厚度不小于20μm，那么衬底的优点一般在于如不可能打破(break)的屏幕一样的足够的强度。另一方面，如果厚度不大于500μm，那么在卷和运输时处理屏幕更灵活和方便。在介电多层膜用于制造屏幕的情形，每个介电多层膜的周期结构最好包括10周期或更多以增强其波长选择性。
为了通过使用衍射效应分出反射光，光子晶体或粒子聚集体的横向大小限于不超过22周期。或者，可能使用组合倾斜表面和与所述倾斜表面角度不同的另一个表面的光子晶体、粒子聚集体或介电多层膜。在此情形，倾斜表面的角度θ在范围70°≤θ≤90°调整。或者，光子晶体、粒子聚集体或介电多层膜可能有弯曲的表面。也可接受将光子晶体、粒子聚集体或介电多层膜的晶体轴从光的所述入射方向倾斜角度α，其范围是77.4°≤α≤90°。此外，从缓和由屏幕反射的光的方向性的观点，光子晶体、粒子聚集体或介电多层膜可能有波动。另外，在衬底表面上制造凹凸不平也有利于缓和光的方向性。
为了缓和由屏幕反射的光的方向性和在整个屏幕上均匀发光度，通过涂覆或其它适当技术提供光漫射介质。具体地，光漫射介质可能是漫射膜、微透镜膜或微棱镜膜，例如由聚合材料组成。为了增强屏幕的机械强度，粒子间的缝隙用聚合材料粘合剂掩埋。在此情形，粒子改变为空隙。
根据本发明的第九实施例，提供了一种屏幕，包括规则排列的粒子，以反射特定波长的电磁波。
根据本发明的第十实施例，提供了一种屏幕，包括：
第一粒子，规则排列以反射第一波长的电磁波；以及
第二粒子，规则排列以反射不同于所述第一波长的第二波长的电磁波，
其中所述第一粒子和所述第二粒子直径不同。
在本发明的第九和第十实施例，电磁波典型地是可见光。在此情形，在与其性质一致的程度内，这里再次应用结合本发明的第一到第八方面已经引用的前述主题内容。
根据具有上述概要配置的本发明，有可能通过光子晶体、粒子或介电多层膜选择性地仅仅反射特定波长的光，并且通过使用如吸收层吸收其它波长的其它部分的光。
而且，通过以自系统化方式规则排列粒子，可容易地形成期望的粒子层。
附图说明
图1A到2B是说明根据本发明的屏幕原理的示意图；图3和图4是显示多层膜的反射谱的示意图；图5是显示规则排列粒子的反射谱的示意图；图6A到6C是说明紧密填塞结构的示意图；图7是显示规则排列粒子的散射光谱的示意图；图8是说明为什么特定波长的光被反射的原因的示意图；图9A到10是显示用于计算粒子光场的模型的示意图；图11A到31B是显示粒子光场计算的结果的示意图；图32是显示用于计算对绿反射的粒子的光场的模型的示意图；图33A到39B是显示计算对绿反射的粒子的光场的结果的示意图；图40是显示用于计算对蓝反射的粒子的光场的模型的示意图；图41A到47B是显示计算对蓝反射的粒子的光场的结果的示意图；图48是显示二氧化硅粒子的直径和引起Bragg反射的波长之间关系的示意图；图49是显示用于计算反射三基色的粒子的光场的模型的示意图；图50A到54B是显示计算横向反射三基色的粒子的光场的结果的示意图；图55是根据本发明的第一实施例的屏幕的横截面视图；图56是说明根据本发明的第一实施例的屏幕的制造方法的示意图；图57A到60D是说明根据本发明的第一实施例的屏幕的更具体的制造方法的示意图；图61是说明光如何通过偏转扩散的示意图；图62A到65C是显示粒子的光场计算结果的示意图；图66到67是说明光如何通过偏转扩散的示意图；图68是显示用于计算粒子的光场的模型的示意图；图69A到75B是显示粒子的光场计算结果的示意图；图76是显示延伸反射光作为远场样式的延伸的示意图；图77A到77B是说明倾斜晶体轴的结果的示意图；图78是显示倒易晶格空间的示意图；图79是说明倾斜晶体轴和满足Bragg条件的波长的关系的示意图；图80是显示缓和方向性的结构示例的示意图；图81是显示倒易晶格空间的示意图；图82和83是显示多层介电膜的反射谱的示意图；图84到87是显示从LCD投影仪发射的光的测量谱的示意图；图88到91是显示从DLP投影仪发射的光的测量谱的示意图；图92是显示色度(chromaticity)图的示意图；图93是根据本发明的第二实施例的屏幕的横截面视图；图94是根据本发明的第三实施例的屏幕的横截面视图；图95是根据本发明的第四实施例的屏幕的横截面视图；图96是根据本发明的第五实施例的屏幕的横截面视图；图97A到97C是显示在根据本发明的第五实施例的屏幕上反射三基色的粒子层排列的平行衬底图案的俯视图；图98是根据本发明的第六实施例的屏幕的横截面视图；图99是根据本发明的第七实施例的屏幕的横截面视图；图100是根据本发明的第八实施例的屏幕的横截面视图；图101是根据本发明的第九实施例的屏幕的横截面视图；图102是根据本发明的第十实施例的屏幕的横截面视图；图103是根据本发明的第十一实施例的屏幕的横截面视图；以及图104和105是根据本发明的第十二实施例的图像显示系统的横截面视图。
具体实施例
下面将说明本发明的各实施例。在说明各实施例的所有附图中，共同和等价部件用共同的标号标记。
如图1A和1B所示，能降低黑色显示部分的亮度级的屏幕可通过组合反射层和光吸收层实现，以便反射仅仅特定波长的光并吸收其它波长的光。图1A所示的屏幕的特征在于高的波长选择性，而图1B所示的屏幕的特征在于简单结构。
图2A和2B显示用于专门反射特定波长的光的结构的特定示例。图2A所示的结构由在衬底上预先优化大小的规则排列的粒子组成，以便选择地反射满足Bragg条件(λ＝2nΛ/m，λ：入射光波长；n：模型折射率；Λ：结构周期(cycle)；m：阶order)的波长的光。图2B所示的结构通过交替堆积具有折射率n1和n2(≠n)的膜来在衬底上形成多层膜而得到。
首先说明通过有效Fresnel系数方法估计多层膜的反射谱的结果。该多层膜是两种不同折射率的介电膜的交替迭片结构，每个堆积到与每个的折射率有关的mλ0/4n厚。一般地，m是不小于1的整数，但这里是1。λ0是光的特定波长。结果显示在图3中。这里通过将一种介电膜的折射率设置为n＝1.2、另外一种介电膜的折射率设置为n＝1.8及λ0＝520nm来进行计算。该结果显示，随着多层膜的周期从1增长到5，反射增长，并且在膜堆积到5周期时得到不小于90％的反射。还可知，半高全宽宽到～200nm。
图4显示在5周期条件下关于波长λ0＝490nm(蓝)、λ0＝520nm(绿)和λ0＝650nm(红)的三基色的计算结果。从该结果可知，对于三基色的任何波长，由于峰的宽的半高全宽，可在一定程度上反射特定波长的光。
虽然将在后面详细说明制造方法，但图5显示了通过自组织规则排列为紧密填塞结构的二氧化硅粒子(直径D＝280nm)的测量反射谱。不过在此测量中，白光垂直射入粒子层，而计算垂直反射光。通过用扫描电子显微镜(SEM)观察，假定通过自组织，粒子形成面心立方体晶格或紧密填塞六边形晶格的紧密填塞结构，如图6A、6B和6C所示。在图5中，在波长625nm附近观察到峰。还观察到，最大反射相对低到～54％，而半高全宽窄到～30nm。该反射是通过规则排列的粒子的Bragg反射。以此方式，由于与可见光波长量级相同的单元周期(＜1μm)的周期结构，发生Bragg反射。
下面将详细说明Bragg反射。
在紧密填塞结构中，存在排列A、B和C的三种样式，如图6A所示。在面心立方体晶格情形，以A、B、C、A、B、C、...的顺序堆积样式，如图6B所示。如果粒子直径是D＝280nm，周期是Λ＝727.5nm。但在紧密填塞六边形晶格情形，因为以如图6C所示的A、B、A、B、...的顺序堆积样式，周期是Λ＝485.0nm。考虑它们，满足Bragg条件的波长(λ＝2nΛ/m)可通过表1所示的计算估计。这里使用的模型折射率n是～1.3。
表1
  m   面心立方体晶格λ(nm)   紧密填塞六边形晶格λ(nm)
  1234   1891946630473   1261630420315
计算给出两个候选作为最接近625nm的值。即，可知在反射谱中观察到的强度峰是面心立方体晶格的第三Bragg反射或紧密填塞六边形晶格的第二Bragg反射。这意味着通过由自组织堆积的粒子的规则排列已经确定Bragg反射。
图7显示由粒子层散射的光的测量谱，通过倾斜样品表面20°得到。在此情形，确定倒易(reciprocal)样式(dip结构)，其中几乎没有接近625nm波长的光反射。这表明，散射光被强的Bragg反射抑制。这种现象可说明如下。如图8所示，接近625nm波长的光在粒子层表面附近受到的Bragg反射，而不能传播更深。因此，其散射弱，而只强烈地接收到Bragg反射。另一方面，没有Bragg反射而能传播更深的不同于625nm波长的光结果被散射。
另外，使用排列为上述引用的紧密填塞结构的粒子，呈现强烈光反射的波长带通过使用Maskwell方程的光场计算来估计。这里注意，虽然每个实际的粒子具有如图9A所示的圆形，但是计算是通过将每个粒子近似为如图9B所示的近似正方形进行的。在计算中，正方形粒子的横向(x)和纵向(y)间隔假定为与圆形的相等(x＝242nm，y＝280nm)。两个也均以填充系数补偿。粒子的折射率取为n＝1.36，并且考虑采样的厚度，其堆积周期取为30周期(图10)。计算结果显示于图11到19。这里光的密度分布通过将从图中的左边进入粒子层的光分为向前传输的部分(也如图中“向前”所指示的从左到右)和相反方向传输的另一部分(也如图中“向后”所指示的从右到左)。不过要注意，这些密度分布图通过先用彩色打印机打印彩色图像然后用黑白复印机将其复印而得到，而密度不总是对应光的密度(也在下面的说明中)。而且因为纸张大小的限制，各图像在横向尺寸缩小了。图11到19显示的结果说明，在波长470nm、500nm、525nm、540nm、580nm、600nm、645nm和675nm的光中，只有向前传播的部分强，并且该光到达粒子层的右端然后从其表面向右射出。相反，在相反方向传播的部分光仅仅存在于体积内，即使它到达粒子层的左端，几乎也没有光从其表面向左射出。不过，如图17所示，在波长625nm的光中，在相反方向传播的部分强烈产生于表面附近，并且光从其表面向左密集射出。还应该知道，因为在相反方向传播的密集光，在向前方向的光不会从其表面向前进入超过8到15周期的深度。特别是，考虑11周期左右为其边界。这些结果与实验结果符合，实验说明波长接近625nm的光发生密集反射。图20到31显示使用接近625nm的波长的详细分析结果。这些结果说明，在从605nm到632nm范围的波长发生反射，并且它们与反射峰的半高全宽窄到～30nm(图5)的实验结果很好地符合。与多层膜比较，由粒子反射的反射峰的窄半高全宽的可能原因可能是，在粒子的情形，Bragg反射也发生在横向方向并导致强烈的约束效应，此外，在导致Bragg反射的具有625nm波长的光的情形，光不会从其表面进入超过8到15周期，并且这对应散射光被抑制的事实。
下面说明绿和蓝光如何被反射。因为每个粒子的直径D和被粒子反射的光的波长λ近似成比例，所以如果要反射光的波长是λ0，那么对绿(λ0＝525nm)和蓝(λ0＝475nm)从λ0＝475nm相对于D＝280nm的关系分别获得直径D＝235nm和D＝212nm。对各情形进行光场计算。绿反射的模型显示在图32中，计算结果显示在图33到39中。蓝反射的模型显示在图40中，计算结果显示在图41到47中。这些结果说明，强反射仅仅分别发生在对绿反射的525nm和对蓝反射的475nm的波长，并且类似红反射，光传播了近似8到15周期深。
因为粒子的直径D和波长λ几乎成比例，它们呈现图48所示的关系。这里说明，直径对蓝反射是D＝202～224nm，对绿反射是D＝224～251nm，而对红反射是D＝269～314nm。特别是对色品图上纯的三基色，对蓝反射D＝208～217nm、λ0＝475±10nm，对绿反射D＝224～237nm、λ0＝515±15nm，而D＝278～305nm、λ0＝650±30nm。
从那些结果要知道，通过在衬底上对红反射堆积11周期粒子层，在其上对绿反射堆积11周期粒子层以及在其上对蓝反射堆积11周期粒子层，可能仅仅反射三基色光而传输其它波长的光。它们通过光场计算类似估计。用于其的模型显示在图49中，而计算结果显示在图50到54中。这些结果说明，强反射分别发生在对绿反射、蓝反射和红反射当波长是475nm、525nm和623nm时的粒子层的部分，并且光不会传播更深。相反，对不同于三基色的波长的如590nm和555nm的波长，几乎不发生反射，因而对红反射，光到达粒子层的右端并从此向右射出。因此，不同于三基色颜色的光可通过在深部分放置光吸收材料而有效去除，例如通过放置如衬底的光吸收材料。
考虑到它，本发明的第一实施例配置屏幕具有如图55所示的横截面结构。即，屏幕的制造是通过对红反射在衬底1上堆积11周期的D＝280nm的粒子层2，对绿反射在其上堆积11周期的D＝234.5nm的粒子层3，以及对蓝反射在其上堆积11周期的D＝212nm的粒子层4。在任何粒子层2到4中，粒子5排列为紧密填塞结构。粒子层2到4的粒子可能是二氧化硅粒子。用作为衬底1的是可以吸收不同于三基色波长的光的任何材料。例如，可使用碳黑色衬底。衬底1的厚度的范围在20μm到500μm，并且它可能在50μm上下。如果衬底1的厚度在50μm上下，那么屏幕不可能破裂，同时，因为高弹性可容易地卷动它。屏幕面积可根据其使用适当确定。
例如，图55所示的屏幕可通过使用自组织技术容易地制造。即，如图56所示，例如，如果使用包含分散粒子5的水溶液6使粒子5慢慢在水溶液6中累积，粒子5通过其自组织规则排列。因而，通过使用该自组织技术，粒子层2到4可以规则排列顺序堆积在衬底1上，从而制造该屏幕。
屏幕的制造方法将在下面详细说明。制造这种屏幕一般使用的方法包括自然沉淀(例如Masuda，et al(2001)Material Integration 14，37-44)和浸入拉起(immerse pull-up)单层粒子膜制造方法(单层粒子膜拉起)(例如Nagayama(1995)Powder Technology 32，476-485)。在自然沉淀过程中，将低浓缩粒子溶液倒在衬底上，或者将衬底垂直浸入低浓缩粒子溶液。然后，沉淀在衬底上的粒子通过蒸发溶剂以自组织方式在衬底上结晶。自然沉淀是通过这种过程在衬底上获得粒子的三维晶体薄膜的方法。用这种方法的问题是需要至少几小时用于溶剂的蒸发。因此，干燥衬底费时长，而且因为溶剂从衬底沿表面不均匀蒸发，薄膜沿表面变得厚度不均匀，特别是制造大到几个cm2的大面积晶体薄膜时。另一方面，单层粒子膜拉起技术是使用在单层粒子中形成二维晶体薄膜的过程的方法，通过将衬底浸入低浓缩粒子溶液并将其拉起到空气中。在这种方法中，具有任何期望厚度的三维晶体薄膜通过重复上述过程以堆积每个是单层粒子的薄膜而获得。使用这种方法的问题是堆积每个单层粒子膜的过程复杂并且需要长时间制造，而且拉起速度必须保持低以确保沿表面二维均匀结晶。在大到几个cm2的大面积晶体薄膜的情形，要求长时间控制以保持空气-液体弯月面界面适宜，而这是不容易的。
考虑到它们，这里使用拉起和旋转过程，作为显著缩短制造时间的方法，既使用由自然沉淀进行的三维晶体制造，也使用由单层粒子膜拉起技术减轻沿表面的不均匀厚度。虽然由单层粒子膜拉起技术可在一个浸入和拉起周期中制造只有单层二维粒子排列的薄膜，但是通过使用高浓缩粒子溶液，拉起和旋转方法可在类似单层粒子膜拉起技术的一个浸入和拉起周期中制造三维排列的晶体薄膜。结果，这种方法可象自然沉淀那样制造三维晶体。然后，通过旋转衬底，沿表面的厚度不均匀性可象单层粒子膜拉起方法被减少。此外，这种方法可显著缩短制造过程需要的时间。
在这种拉起和旋转方法中，在将衬底浸入高浓缩粒子溶液并拉起到空气中时，由于衬底干燥费时长而使厚度变得不均匀，并且粒子浓缩到潮湿部分。厚度不均匀性从衬底的垂直方向的较低部分和水平方向的左和右端发生。因而在浸入期间或紧接拉起它控制潮湿后，在浸入前将衬底平行其表面旋转。结果，减少了厚度不均匀性，并且获得具有遍及其整体延伸的均匀厚度的薄膜。
参考图57到60，下面以更实际的方式说明拉起和旋转方法。
如图57A所示，首先准备包含高浓缩(例如从重量比2％到50％)粒子溶液8的溶液容器7。此后，如图57B所示，从溶液容器7上方降低衬底1进入粒子溶液8。然后，在如图57C所示高速(例如范围从30μm/s到3m/s)拉起衬底1后，如图57D所示在空气中自然干燥。
在这些步骤中，以前粘附在衬底1上的粒子溶液8在其干燥时由于重力向下移动。因此，粒子分布局限于衬底1的较低部分，在衬底1干燥后，得到的薄膜使得产生不均匀分布，在其伸展(extension)内的垂直方向上较低部分厚而较高部分薄。在垂直方向上，薄膜的伸展的厚度不均匀性可通过执行下面的步骤避免。
如图58A所示，在如图57D所示步骤中干燥后的衬底1平行其平面颠倒旋转180°。此后，如图58B所示，从溶液容器7上方降低衬底1进入粒子溶液8。此后，以已经说明的同样方式，执行衬底1的高速拉起(图58C)和在空气中自然干燥(图58D)的步骤。结果，虽然粒子层厚度具有包括在衬底1的较低部分的局部厚部分和在衬底1的较高部分的局部薄部分的分布，但是由于它与较早堆积的粒子层的厚度分布相反，因而整体的衬底1的厚度分布在垂直方向是均匀的。同样在浸入期间执行衬底1的颠倒旋转时，或紧接代替浸入前旋转的拉起之后，获得了同样的效果。
为了衬底1上在水平方向上也有均匀的厚度分布，执行类似图57和58的步骤。
即，如图59A所示，在如图58D所示步骤中干燥后的衬底1平行其平面顺时针旋转90°。此后，以已经说明的同样方式，执行将衬底1浸入粒子溶液8(图59B)，快速拉起衬底1(图59C)和在空气中自然干燥(图59D)。
此后，如图60A所示，在如图59D所示步骤中干燥后的衬底1颠倒旋转180°。随后，以已经说明的同样方式，执行将衬底1浸入粒子溶液8(图60B)，快速拉起衬底1(图60C)和在空气中自然干燥(图60D)。
通过上面说明的方法，以在其伸展遍及之处均匀结晶的宽面积粒子薄膜可在短时间获得。
有可能利用降低厚度不均匀性的替代方法：通过水平放置衬底1，从而使遍及衬底1整个平面的液体保持能力均匀，此后将其干燥。不过，就本发明人实际尝试地，液体保持能力不能保持均匀，而在其平面内产生了厚度不均匀性。
这里说明通过自然沉淀准备的粒子薄膜和通过拉起和旋转方法准备的粒子薄膜之间的厚度不均匀性的比较结果。
在此比较中，具有280nm直径的二氧化硅粒子(Nippon Catalyst的产品KE-P30)用作为粒子，纯水作为溶剂，而商用可得的等离子体洗涤过的(plasma-washed)铝箔(每短边26mm和每长边76mm的矩形形式)作为衬底。
在通过自然沉淀准备样品时，将包含20％重量比的二氧化硅的20μl量的水溶液倒在衬底的一个表面上并扩展。保持衬底水平并在树脂的样品容器内干燥三天。
在通过拉起和旋转方法准备样品时，将衬底浸入包含20％重量比的二氧化硅的水溶液中，衬底的较长边垂直定向，然后保持那个姿态以10m/s速度垂直拉起并干燥。在它干燥后，颠倒旋转衬底，类似地浸入、拉起并干燥。随后，平行其表面旋转衬底90°，然后以其短边垂直定向浸入，在保持姿态时以10mm/s速度垂直拉起并干燥。在它干燥后，颠倒旋转衬底，并类似地浸入、拉起和干燥。以此方式，重复4周期浸入和拉起步骤。
作为两个样品的可视比较结果，厚度不均匀性在通过拉起和旋转方法的样品中小于通过自然沉淀的样品。此外，呈现的Bragg反射和二氧化硅粒子都被确认形成三维晶体。
每个准备的薄膜的厚度沿连接其短对边的直线在5点(中心点和离中心点距离10mm和20mm的各点)上测量。通过光学测量来测量厚度，作为每个准备的薄膜表面和作为衬底的铝箔表面之间的垂直距离。其结果如下。
自然沉淀：
平均值：14.8μm
标准差：3.1μm
拉起和旋转方法：
平均值：9.9μm
标准差：0.6μm
从标准差之间的差别可以确认：通过拉起和旋转方法的膜厚度的变化远小于通过自然沉淀的膜厚度的变化。通过4周期拉起和旋转过程，可以获得由具有小的厚度不均匀性的大约35层组成的三维晶体的二氧化硅薄膜。
如以上说明地，根据第一实施例，因为有可能在衬底1上在吸收其它波长的光时专门反射三基色的光，因而可获得降低黑色显示部分的亮度级的屏幕。在此情形，甚至在与图像无关的外部光进入屏幕时，也由于波长差别而被去除，而避免了对比度劣化。特别在图像形成于具有窄半高全宽发射峰和优异的纯色的光时，如来自半导体激光器或LED的光，有可能通过选择仅仅反射图像的光而去除其它波长的光，保持高对比度并降低黑色显示部分的亮度级。因此，图像的劣化甚至在非暗房间的环境中也不发生。此外，甚至在从如液晶投影仪投影具有宽的谱半高全宽的光时，由于选择窄波长光，因而扩大了在色品图上的彩色可重现范围，并且也提高了颜色纯度。
下面说明通过使用衍射效应扩展反射光的远场样式(FFP)的方法。
如图61所示，一般地，如果物体的尺寸在入射光方向的法向方向足够小，那么光被该物体衍射和扩散。考虑此，通过形成粒子聚集体屏幕，将有可能用粒子的衍射效应使反射光的FFP扩展。这对应在倒晶格(reciprocallattice)空间上横向扩展晶格点。考虑此，横向尺寸为22周期、16周期和11周期情形的反射波在宽区域(100μm×30μm)计算。其结果显示在图62到65。从这些结果可知，FFP随横向周期减小而变宽。更具体地，虽然横向尺寸为22周期时FFP窄到～8°，但随周期数减少FFP增大到～11°(16周期)及～17°(11周期)。
在图像显示在如剧院的大型场所中的屏幕上的情形，观看场的角度可能比较窄，而要求亮度更合适。在此情形，比较窄的FFP有可能窄到10～17°以给出一定方向从而增加光密度，即，使屏幕更亮。
下面说明通过使用折射扩展反射光的FFP的方法。
为了用通过折射扩展提供反射光的FFP，将有可能将粒子聚集体形成为如图66所示的具有水平表面和倾斜表面的结构，或将粒子聚集体的表面形成为如图67所示的曲面结构。在如图66所示的例子中，反射光仅仅在特定表面中倾斜发射，但在如图67所示的例子中，反射光按照曲面在任何方向发射。
通过改变如图68所示的粒子聚集体的倾斜表面相对法向方向(晶体轴方向)的角度θ进行计算。在此计算中，入射光波长是625nm，而每个粒子的直径是280nm(在光法向进入水平表面(图68中的左端表面)时，这些是导致Bragg反射的条件)。其结果显示在图69到73。从这些结果可知，几乎没有Bragg反射发生，而且甚至在光以θ＝14.4°和θ＝58.2°照射表面时光可通过。相反，在θ＝70.2°、θ＝75.7°和θ＝78.9°的倾斜表面上光被反射。
此外，在更宽的反射侧上向后的结果显示在图74和75中。从这些结果可知，倾斜反射在θ＝14.4°和θ＝58.2°不发生而在θ＝70.2°、θ＝75.7°和θ＝78.9°发生。图76是显示其结果作为FFP的图。该结果显示，峰出现在35°附近。从这些结果可知，如果倾斜表面在θ＝90～70°范围形成，折射方法可提供FFP直到70°的扩展。
下面说明晶体轴从如图77所示的光入射方向倾斜的情形。在此情形，满足Bragg条件的波长移动。如果垂直入射(入射方向平行于晶体轴)时的波长是λ0，满足Bragg条件的波长变成λ(θ)＝λ0sinθ。这意味着，由于偏离光入射方向，晶格点绕着在倒晶格空间中的原点旋转，并且导致不能位于同一Ewald球(半径1/λ的球)表面上。考虑此效应的计算结果显示在图79中。该结果显示，当谱的半高全宽是30nm时，Bragg反射发生在θ＝77.4～90°的范围。在θ＝77.4°的情形，光将在从法向方向倾斜2θ＝25.6°的方向反射。不过，如果轴向相反方向倾斜，即倾斜θ＝-77.4°，那么FFP总地增大到FFP＝51.6°。
使用折射的方法和倾斜晶体轴的方法适用于投射到如民用房屋(privatehouse)中窄空间中的屏幕上，因为强方向性将使图像从偏移位置不可见。
为了缓和方向性，粒子聚集体9可能具有如图80所示的波动。
下面解释屏幕的波长选择性。
波长选择性也可通过使用倒晶格空间解释。即，如图81所示，在光的入射方向的尺寸小的情形，倒晶格空间中的晶格点在那方向扩展。这导致存在与晶格点交叉的数个Ewald球，并且导致扩展满足Bragg条件的波长λ的范围。分别采用堆积5层和10层的介电多层膜，其反射谱通过有效Fresnel系数方法计算。其结果显示在图82和83中。从这些结果可知，在5层膜半高全宽约200nm，但在10层膜半高全宽窄到50nm。不过，为增强波长选择性而简单地增加层是不够地，但有必要增加对光的有效尺寸。即使堆积层直到100层左右(在几层的组合中100％反射)，有效尺寸也只是那几层，波长选择性仍不好。因此，希望最小化粒子的各衍射光栅的反射效率，以便形成其中衍射在许多层上发生的结构。
如上说明地，使用根据第一实施例的屏幕使三基色的每个的谱的半高全宽变窄。下面说明它提高颜色纯度并扩展在色品图上的可重现范围。
图84到87和图88到91分别显示从LCD(液晶显示)投影仪和DLP(数字光处理)投影仪发射的光的测量谱。图84和88显示在显示白色时测量的谱，图85和89显示在显示蓝色时测量的谱，图86和90显示在显示绿色时测量的谱，而图87和91显示在显示红色时测量的谱。因为使用滤色器选择波长，LCD投影仪和DLP投影仪都发射其中每基色的谱半高全宽宽到60～100nm的光。如果这里使用普通屏幕，甚至在反射光时在半高全宽中也不发生变化，并且谱半高全宽决定颜色重现性。相反，在使用根据第一实施例的屏幕的情形，甚至当在从投影仪反射的光中的每基色的谱具有宽的半高全宽时，在屏幕反射光时选择预定波长，而且半高全宽窄到30nm。此时，增大了色品图上的颜色重现范围，并且提高了颜色重现性。图92将它显示在色品图上。虽然用DLP和LCD颜色可重现范围窄，但使用根据第一实施例的屏幕增大了范围并同时提高了颜色重现性。
下面说明根据本发明的第二实施例的屏幕。图93显示该屏幕。
如图93所示，在根据第二实施例的屏幕中，漫射膜(diffusion film)10位于粒子层4的上表面上。漫射膜10用于漫射光并保护屏幕表面。即，通过用漫射膜10漫射屏幕反射的光，有可能缓和方向性来使全屏幕发光度均匀化。换句话说，可消除所谓热点。漫射膜10还可防止机械损伤引起的粒子脱落。
在可见光和漫射光区域透明的材料最好用作为漫射膜10。对漫射光，可平行膜表面产生不同折射率的分布，或可在膜表面产生波动。漫射膜10的特定材料包括光漫射聚乙烯(polyethylene)膜(在制造时内在具有平行膜表面的折射率的分布)、聚碳酸酯(polycarbonate)膜、聚乙烯对苯二酸酯(polyethylene terephthalate)膜和聚氯乙烯(polyvinyl chloride)膜，其表面被处理形成波动。漫射膜10的厚度通常不大于5mm，最好不大于1mm。
为了增加漫射膜10，在衬底1上堆积粒子层2到4后，可扩展漫射膜10并应用张力将其粘结在粒子层4表面上。或者，可使用先前涂覆在漫射膜10背面的粘合剂粘结漫射层10。此外，为了改进其光学性质，漫射膜10的表面可通过1/4波长涂层处理以防止反射。在此情形，重要的是涂层材料具有比膜材料更低的折射率。更具体地，通过机械涂覆或蒸发沉积涂覆SiO2玻璃膜到～100nm厚度。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，略去其详细说明。
下一步说明根据本发明的第三实施例的屏幕。图94显示该屏幕。
如图94所示，在根据第三实施例的屏幕中，形成二维微透镜阵列的微透镜膜11位于粒子层4的上表面。微透镜膜11的微透镜可为任何凸透镜、凹透镜或其混合。通过将用微透镜膜11从屏幕反射回的光漫射，有可能缓和方向性并使遍及屏幕的发光度均匀，从而消除热点。微透镜膜11还可防止机械损伤引起的粒子脱落。
在可见光区域透明的任何材料基本可用作为微透镜膜11。例如，聚碳酸酯、聚乙烯对苯二酸酯和聚氯乙烯是可接受的。微透镜膜11的微透镜足够等于或小于像素尺寸，并且例如直径约0.1mm大小的透镜可沿平面紧密填塞。此外，为了改进其性质，表面可通过1/4波长涂层处理以防止反射。在此情形，重要的是涂层材料具有比微透镜膜11的透镜材料更低的折射率。更具体地，通过机械涂覆或蒸发沉积可涂覆SiO2玻璃膜到～100nm厚度。
这里再次使用与第二实施例中相同的方法增加微透镜膜11。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
下一步说明根据本发明的第四实施例的屏幕。图95显示该屏幕。
如图95所示，在根据第四实施例的屏幕中，形成二维微棱镜阵列的微棱镜膜12位于粒子层4的上表面。通过将用微棱镜膜12从屏幕反射回的光漫射，有可能缓和方向性并使遍及屏幕的发光度均匀，从而消除热点。微棱镜膜12还可防止机械损伤引起的粒子脱落。
在可见光区域透明的任何材料基本可用作为微棱镜膜12。例如，聚碳酸酯、聚乙烯对苯二酸酯和聚氯乙烯是可接受的。微棱镜膜12的微透镜足够等于或小于像素尺寸，并且例如直径约0.1mm大小的棱镜可沿平面紧密填塞。此外，为了改进其性质，表面可通过1/4波长涂层处理以防止反射。在此情形，重要的是涂层材料具有比微棱镜膜12的棱镜材料更低的折射率。更具体地，通过机械涂覆或蒸发沉积可涂覆SiO2玻璃膜到～100nm厚度。
这里再次使用与第二实施例中相同的方法增加微棱镜膜12。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
下一步说明根据本发明的第五实施例的屏幕。图96显示该屏幕。
在已经说明的第一到第四实施例中，红色反射粒子层2、绿色反射粒子层3和蓝色反射粒子层4以垂直方向(垂直于衬底的方向)堆积在衬底1上。不过，在第五实施例中，粒子层2到4在横向方向(平行于衬底的方向)排列形成。
即，如图96所示，在根据第五实施例的屏幕中，红色反射粒子层2、绿色反射粒子层3和蓝色反射粒子层4在衬底1上并排排列。
粒子层2到4的平行衬底配置及其平行衬底排列图案的例子显示在图97中。在图97中，每个具有条形平行衬底配置的粒子层2到4交替排列。每个粒子层2、3、4的宽度可等于或小于1/3像素尺寸。在图97B显示的例子中，每个具有矩形平行衬底形状的粒子层2、3、4以棋盘格图案排列。每个矩形粒子层2、3、4的尺寸可等于或小于1/3像素尺寸。在图97C显示的例子中，每个具有正方形平行衬底形状的粒子层2、3、4以棋盘格图案排列。每个正方形粒子层2、3、4的尺寸可等于或小于1/3像素尺寸。
为了在衬底1上形成粒子层2到4，可在衬底1上选择各颜色粒子以喷墨方式或者通过屏幕印刷或凹版印刷局部涂覆。也可能使用具有对应各粒子层2到4的图案的开口的掩膜，分别在使用掩膜涂覆的三步中涂覆各颜色粒子。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第五实施例，因为三基色粒子层在横向方向排列在衬底1上，整个粒子层2到4使厚度在垂直方向小于垂直堆积在衬底1上的粒子层，从而减小通过光散射的损失，例如确保光的有效吸收。
下一步说明根据本发明的第六实施例的屏幕。图98显示该屏幕。
如图98所示，在根据第六实施例的屏幕中，粘合剂13掩埋粒子层2到4中的粒子5中间的缝隙。重要的是，作为粘合剂13的材料，使用折射率不同于粒子材料的物质。更具体地，在粒子是二氧化硅粒子的情形，例如，如聚丙烯(polypropylene)、聚乙烯、聚异丁烯(polyisobutylene)和聚醋酸乙烯酯(polyvinyl acetate)这样的基于聚烯烃(polyolefin)的材料用作为粘合剂13。
为了制造该屏幕，有一些可利用的方法，如先在衬底1上形成粒子层2到4、此后将包含粘合剂材料的溶液引入粒子层2到4并将其在其中凝固(cure)的方法，以及先将包含粘合剂材料的溶液混合入粒子(如二氧化硅粒子)的胶体溶液、使粘合剂材料填充粒子间的缝隙作为粒子堆积的方法。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第六实施例，除了与第一实施例相同的优点，优点还有，如通过粘合剂13填充粒子5中间的缝隙对屏幕机械强度的增强，光学性质的改进，如通过控制粘合剂13相对于粒子5材料的折射率而使反射谱的半高全宽变窄。
下一步说明根据本发明的第七实施例的屏幕。图99显示该屏幕。
如图99所示，在根据第七实施例的屏幕中，对应图98所示的屏幕的粒子层2到4中的粒子5的部分保持为空隙(void)14以形成所谓的反向乳白(opal)结构。
制造该屏幕可通过一次在衬底1上形成粒子层2到4，然后将粘合剂材料引入粒子层2到4，此后将其在其中凝固以填充粒子5间的缝隙，此后衬底1和粒子层2到4浸入预定的如氢氟酸溶液的蚀刻剂(etchant)，以溶解粒子(如二氧化硅粒子)。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第七实施例，除了与第一实施例相同的优点，优点还有，例如，可获得比粒子5是二氧化硅粒子时大为不同的折射率，因为对应粒子的空隙14和粘合剂13之间折射率差异是空气(air)和粘合剂13之间折射率差异。结果，可减小确保要求的反射需要的粒子层的迭片结构周期，并且这有利于减小屏幕厚度。
下一步说明根据本发明的第八实施例的屏幕。图100显示该屏幕。
如图100所示，在根据第八实施例的屏幕中，在其背面具有吸收层16的透明衬底15用作为衬底。吸收层16可由能吸收不同于三基色波长的光的材料组成。例如，可使用碳膜。更具体地，透明衬底15可为如透明玻璃衬底或聚碳酸酯衬底，而吸收层16可为涂覆在衬底背面上的碳膜。
吸收层16的厚度根据其材料确定，以便充分吸收不同于三基色波长的光。这里说明在其是碳膜时、吸收层16的厚度。即，虽然依赖制造方法，但碳的吸收系数α一般是103～105cm-1。在吸收层16中光的传播距离是x时，光强P表示为P(x)/P(0)＝exp(-αx)。因此，在α＝105cm-1的情形，碳膜的厚度d可为0.1μm以使在充分吸收时光强减弱到1/e(e：自然对数的底)。因此，至少d＝0.1μm的厚度是必要的。此外，为了在α＝103cm-1下也使光强减弱到1/e，碳膜的厚度必须为d＝10μm。考虑到这些，重要的是碳膜的厚度不小于0.1μm，而更优选地不小于10μm。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第八实施例，除了与第一实施例相同的优点，优点还有，衬底材料可更自由地选择，因为衬底本身可能不能吸收光。
下一步说明根据本发明的第九实施例的屏幕。图101显示该屏幕。
如图101所示，在根据第九实施例的屏幕中，具有通过用沙处理使表面粗糙而成的粗糙表面的黑色(能吸收不同于三基色波长的光)PET膜17用作为衬底。沙处理是通过用如锉刀(file)摩擦而使表面粗糙的表面处理。PET膜17的表面上从底到顶凹凸不平的高度可能是例如0.8～4μm。在此情形，PET膜17的粗糙表面展示了好的润湿性，包含象在其中弥漫的二氧化硅粒子的粒子5的溶液6可容易地涂覆。此外，因为PET膜17的表面凹凸不平缓和了光的方向性，热点不可能产生。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第九实施例，除了与第一实施例相同的优点，优点还有，使用便宜的PET膜17作为衬底降低了屏幕的制造成本。
下一步说明根据本发明的第十实施例的屏幕。图102显示该屏幕。
在已经说明的第一实施例中，红色反射粒子层2、绿色反射粒子层3和蓝色反射粒子层4顺序垂直堆积在衬底1上。不过，粒子层2到4的堆积顺序不需要总是按照这个顺序。从更好地排列(晶体的性质)粒子5的观点，反向堆积顺序更好。在第十实施例中，将说明以反向顺序堆积粒子层2到4的结构。
即，如图102所示，在根据第十实施例的屏幕中，蓝色反射粒子层4、绿色反射粒子层3和红色反射粒子层2顺序堆积在衬底1上。在此情形，因为在蓝色反射粒子层4中的粒子5的颗粒大小最小。所以，如果粒子5排列在衬底1上，粒子层的表面凹凸不平最小。在具有下一个较大颗粒大小的绿色反射粒子层3的粒子排列在最小凹凸不平的基表面的情形，其排列不可能变得劣化，其晶体质量改善了。类似地，也在具有下一个较大颗粒大小的红色反射粒子层2的粒子5排列在粒子层3上，其排列不可能变得劣化，而晶体质量改善了。以此方式，晶体质量可在所有粒子层2到4中改善。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第十实施例，除了与第一实施例相同的优点，优点还有，因为在所有粒子层中好的晶体质量，反射谱的半高全宽窄，在可靠地吸收进入衬底1的光的其它部分时，可能有效反射三基色。
下一步说明根据本发明的第十一实施例的屏幕。图103显示该屏幕。
如图103所示，在根据第十一实施例的屏幕中，红色反射粒子层2、绿色反射粒子层3和蓝色反射粒子层4经缓冲层18顺序堆积在衬底1上。缓冲层18是由直径比蓝色反射粒子层4的粒子(即如D＝120nm的粒子)小的粒子组成粒子层。
该屏幕的制造是通过先在衬底上堆积粒子层作为缓冲层18，此后在其上堆积粒子层2到4。
在其它方面，这里采用的屏幕与根据第一实施例的屏幕相同，因而略去其详细说明。
根据第十一实施例，除了与第一实施例相同的优点，还有下面的优点。因为粒子层形式的缓冲层18首先堆积在衬底1上并且粒子层2到4堆积在其上，所以与直接在衬底1上堆积粒子层2到4的结构比较，粒子层2到4的基层的润湿性改善了。结果，可改善粒子层2到4的晶体质量。此外，因为作为缓冲层18的粒子层的粒子直径是D＝120nm，小于蓝色反射粒子层4的粒子直径，在将光投射到屏幕上时，来自缓冲层18的Bragg反射的波长比可见光波长短，并且Bragg反射对屏幕性质没有不利影响。
下一步说明根据本发明的第十二实施例的图像显示系统。图104显示该图像显示系统的配置，而图105显示同一图像显示系统的外观视图。
如图104和105所示，根据第十二实施例的图像显示系统包括根据第一到第十一实施例的任何一个的屏幕19以及用于将图像投影在屏幕19上的投影仪20。投影仪20包括：光源21，能发射红、绿和蓝光；以及聚光器和投影仪透镜22、23。光源21包括可能是半导体激光器或发光二极管的半导体发光元件，能发射红、绿和蓝光。更具体地，在使用半导体激光器作为光源21的情形，例如，AlGaInP化合物半导体激光器可能用作为发射红光的半导体激光器，ZnSe化合物半导体激光器作为发射绿光的半导体激光器，而GaN化合物半导体激光器作为发射蓝光的半导体激光器。
直到此时，通过一些实施例已经说明了本发明。不过，本发明不限于这些实施例，而是在本发明的技术概念和范围内包括各种变化和修饰。
例如，结合实施例显示和说明的数值、结构、形状、材料和堆积粒子的方法仅仅是示例，可替代选择使用其它数值、结构、形状、材料和堆积粒子的方法。
此外，虽然已经说明第三实施例作为在粒子层4的上表面上提供微透镜膜11，而已经说明第四实施例作为在粒子层4的上表面上提供微棱镜膜12，但是在粒子层4的上表面上提供由微透镜和微棱镜混合组成的膜也是可接受的。
如上所述，根据本发明，甚至在与图像无关的外部光侵入到屏幕上时，也可得到清楚的图像，其中降低了黑色显示部分的亮度级而不劣化图像对比度。此外，使用根据本发明的屏幕，暗房间不总是需要用于投影，但是甚至在通常的荧光灯下或开放空气下，对比度也不降级。
此外，在从半导体激光器或LED投影光而形成图像的情形，它的半高全宽窄而且颜色纯度优良，提供有效选择性地专门反射图像的光而去除其它波长的光，可能保持高对比度并显著降低黑色显示部分的亮度级。而且，甚至在每基色的谱半高全宽宽的光从液晶投影仪投影时，例如，改进了色品图上的颜色可重现性，并且可表示纯色。

Claims (76)

1.一种屏幕，包括一种结构，其中具有不大于1μm直径大小的粒子规则排列，所述结构包括不同直径的三种所述粒子，同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光。
2.根据权利要求1所述的屏幕，其中所述粒子通过自组织规则地排列。
3.根据权利要求1所述的屏幕，其中所述粒子排列成紧密填塞结构。
4.根据权利要求1所述的屏幕，其中二氧化硅粒子或折射率等于二氧化硅的粒子用作所述粒子。
5.根据权利要求4所述的屏幕，其中直径不小于269×(1.36/n)nm并且不大于314×(1.36/n)nm的粒子用于反射红色，直径不小于224×(1.36/n)nm并且不大于251×(1.36/n)nm的粒子用于反射绿色，而直径不小于202×(1.36/n)nm并且不大于224×(1.36/n)nm的粒子用于反射蓝色，其中n是粒子的折射率。
6.根据权利要求4所述的屏幕，其中直径不小于278×(1.36/n)nm并且不大于305×(1.36/n)nm的粒子用于反射红色，直径不小于224×(1.36/n)nm并且不大于237×(1.36/n)nm的粒子用于反射绿色，而直径不小于208×(1.36/n)nm并且不大于217×(1.36/n)nm的粒子用于反射蓝色，其中n是粒子的折射率。
7.根据权利要求1所述的屏幕，其中红色反射粒子层、绿色反射粒子层和蓝色反射粒子层在衬底上的垂直方向堆积。
8.根据权利要求1所述的屏幕，其中蓝色反射粒子层、绿色反射粒子层和红色反射粒子层在衬底上的法向方向顺序堆积。
9.根据权利要求7所述的屏幕，其中所述堆积周期不少于8而且不多于15。
10.根据权利要求1所述的屏幕，其中红色反射粒子层、绿色反射粒子层和蓝色反射粒子层在衬底上的横向方向排列。
11.根据权利要求10所述的屏幕，其中所述堆积周期不少于8周期而且不多于15周期。
12.根据权利要求10所述的屏幕，其中所述红色反射粒子层、所述绿色反射粒子层和所述蓝色反射粒子层是条形或矩形，所述条形的粒子层在所述衬底上交替排列，而所述矩形的粒子层在所述衬底上以棋盘格图案排列。
13.根据权利要求1所述的屏幕，包括用于吸收可见光的层或衬底。
14.根据权利要求13所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底吸收所有波长带的可见光。
15.根据权利要求13所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底位于所述粒子下面。
16.根据权利要求7或10所述的屏幕，其中所述衬底是在其背面具有用于吸收可见光的层的透明衬底。
17.根据权利要求7或10所述的屏幕，其中所述衬底是PET膜。
18.根据权利要求7或10所述的屏幕，其中用于改进润湿性的凹凸不平部或膜形成在所述衬底的接触粒子层的表面上。
19.根据权利要求7或10所述的屏幕，其中在所述粒子层上设有光漫射介质。
20.根据权利要求19所述的屏幕，其中所述光漫射介质是漫射膜。
21.根据权利要求19所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微透镜膜。
22.根据权利要求19所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微棱镜膜。
23.根据权利要求1所述的屏幕，其中所述粒子间的缝隙由粘合剂填充。
24.根据权利要求23所述的屏幕，其中所述粒子是空隙。
25.根据权利要求7或10所述的屏幕，其中红色反射粒子层、绿色反射粒子层和蓝色反射粒子层经缓冲层形成在所述衬底上。
26.根据权利要求25所述的屏幕，其中所述缓冲层是粒子直径不大于208×(1.36/n)nm的粒子层，其中n是粒子的折射率。
27.一种屏幕，配置为通过使用光子晶体反射光，其中包括三种周期的所述光子晶体，以同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光。
28.根据权利要求27所述的屏幕，其中所述光子晶体具有规则排列粒子的结构。
29.根据权利要求28所述的屏幕，其中所述粒子通过自组织规则排列。
30.根据权利要求28所述的屏幕，其中所述粒子排列为紧密填塞结构。
31.根据权利要求27所述的屏幕，其中红色反射光子晶体、绿色反射光子晶体和蓝色反射光子晶体在衬底上在垂直方向堆积。
32.根据权利要求27所述的屏幕，其中红色反射光子晶体、绿色反射光子晶体和蓝色反射光子晶体在衬底上在垂直方向顺序堆积。
33.根据权利要求31所述的屏幕，其中所述堆积周期不少于8而且不多于15。
34.根据权利要求27所述的屏幕，其中红色反射光子晶体、绿色反射光子晶体和蓝色反射光子晶体在衬底上在横向方向排列。
35.根据权利要求34所述的屏幕，其中所述堆积周期不少于8而且不多于15。
36.根据权利要求34所述的屏幕，其中所述红色反射光子晶体、所述绿色反射光子晶体和所述蓝色反射光子晶体是条形或矩形，所述条形的光子晶体在所述衬底上交替排列，而所述矩形的光子晶体在所述衬底上以棋盘格图案排列。
37.根据权利要求27所述的屏幕，包括用于吸收可见光的层或衬底。
38.根据权利要求37所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底吸收所有波长带的可见光。
39.根据权利要求37所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底位于所述粒子下面。
40.根据权利要求31或34所述的屏幕，其中所述衬底是在其背面具有用于吸收可见光的层的透明衬底。
41.根据权利要求31或34所述的屏幕，其中所述衬底是PET膜。
42.根据权利要求31或34所述的屏幕，其中用于改进润湿性的凹凸不平或膜形成在所述衬底的接触光子晶体的表面上。
43.根据权利要求31或34所述的屏幕，其中在所述光子晶体上设有光漫射介质。
44.根据权利要求43所述的屏幕，其中所述光漫射介质是漫射膜。
45.根据权利要求43所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微透镜膜。
46.根据权利要求43所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微棱镜膜。
47.根据权利要求27所述的屏幕，其中在平行所述衬底方向的每个所述光子晶体的大小不大于22周期。
48.根据权利要求27所述的屏幕，其中所述光子晶体具有从其晶体轴倾斜的倾斜表面和与所述倾斜表面角度不同的表面的组合。
49.根据权利要求48所述的屏幕，其中所述倾斜表面的角度θ的范围是70°≤θ≤90°。
50.根据权利要求27所述的屏幕，其中所述光子晶体具有弯曲的表面。
51.根据权利要求48所述的屏幕，其中所述光子晶体的所述晶体轴从光的所述入射方向倾斜角度α，其范围是77.4°≤α≤90°。
52.根据权利要求27所述的屏幕，其中所述光子晶体有起伏。
53.一种屏幕，包括使用介电多层膜的结构，以反射光，其中所述介电多层膜的结构包括三种周期的每个所述介电多层膜的结构，以同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光。
54.根据权利要求53所述的屏幕，其中每个所述介电多层膜的所述周期结构包括至少10周期。
55.根据权利要求53所述的屏幕，其中红色反射介电多层膜、绿色反射介电多层膜和蓝色反射介电多层膜在衬底上在垂直方向堆积。
56.根据权利要求53所述的屏幕，其中红色反射介电多层膜、绿色反射介电多层膜和蓝色反射介电多层膜在衬底上在垂直方向顺序堆积。
57.根据权利要求53所述的屏幕，其中红色反射介电多层膜、绿色反射介电多层膜和蓝色反射介电多层膜在衬底上在横向方向排列。
58.根据权利要求57所述的屏幕，其中所述红色反射介电多层膜、所述绿色反射介电多层膜和所述蓝色反射介电多层膜是条形或矩形，所述条形的介电多层膜在所述衬底上交替排列，而所述矩形的介电多层膜在所述衬底上以棋盘格图案排列。
59.根据权利要求53所述的屏幕，包括用于吸收可见光的层或衬底。
60.根据权利要求59所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底吸收所有波长带的可见光。
61.根据权利要求59所述的屏幕，其中用于吸收可见光的所述层或衬底位于所述粒子下面。
62.根据权利要求55或57所述的屏幕，其中所述衬底是在其背面具有用于吸收可见光的层的透明衬底。
63.根据权利要求55或57所述的屏幕，其中所述衬底是PET膜。
64.根据权利要求55或57所述的屏幕，其中用于改进润湿性的凹凸不平或膜形成在所述衬底的接触介电多层膜的表面上。
65.根据权利要求55或57所述的屏幕，其中在所述介电多层膜上设有光漫射介质。
66.根据权利要求65所述的屏幕，其中所述光漫射介质是漫射膜。
67.根据权利要求65所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微透镜膜。
68.根据权利要求65所述的屏幕，其中所述光漫射介质是微棱镜膜。
69.根据权利要求53所述的屏幕，其中所述介电多层膜具有从其晶体轴倾斜的倾斜表面和与所述倾斜表面角度不同的表面的组合。
70.根据权利要求79所述的屏幕，其中所述倾斜表面的角度θ的范围是70°≤θ≤90°。
71.根据权利要求53所述的屏幕，其中所述介电多层膜具有弯曲的表面。
72.根据权利要求69所述的屏幕，其中所述介电多层膜的所述晶体轴从光的所述入射方向倾斜角度α，其范围是77.4°≤α≤90°。
73.根据权利要求53所述的屏幕，其中所述介电多层膜有起伏。
74.一种图像显示系统，包括：
屏幕，具有一种结构，其中具有不大于1μm直径大小的粒子规则排列，所述结构包括不同直径的三种所述粒子，同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光；以及
投影仪光源，包括多个半导体发光器件，每个所述发光器件发射由所述粒子的大小和排列确定的红、绿和蓝波长的光。
75.一种图像显示系统，包括：
屏幕，配置为通过使用光子晶体反射特定波长的光，所述屏幕包括不同直径的三种所述粒子，同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光；以及
投影仪光源，包括用于发射所述红、绿和蓝波长的光的多个半导体发光器件。
76.一种图像显示系统，包括：
屏幕，配置为通过使用介电多层膜反射特定波长的光，所述屏幕包括不同直径的三种所述粒子，同时反射对应红、绿和蓝三基色的波长的光；以及
投影仪光源，包括用于发射所述红、绿和蓝波长的光的多个半导体发光器件。
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