專利名稱：背面投影屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從背面照明和前面有光散射介質(zhì)的背面投影屏，所述光散射介質(zhì)用于接收來自具有一定視界的象源的光束以便在寬的視場角內(nèi)大體均勻地顯示圖象。光散射元件包括許多緊密排列的大體平行而且沿投影屏應(yīng)用位置的垂直方向伸展的透鏡元件，其具有兩個三角形透鏡、一個居間的柱透鏡和一個與所述三角形透鏡相鄰的透鏡。
這樣的投影屏用于不同的裝置中以便向觀察者產(chǎn)生可見圖象，例如投影雷達(dá)圖象、飛機(jī)模擬器、電視、交通管理信號燈、縮微影片閱讀器、視頻游戲機(jī)和具有投影圖象的視頻監(jiān)視器和投影通過背面投影的電影。在這樣的裝置中，放置在投影屏背面的光源預(yù)先把光沿著光軸向前投向投影屏，以便在投影屏的高度產(chǎn)生傳至所有位于投影屏前面的觀察者的圖象。
當(dāng)有許多觀察者時通常他們是水平散開的，因此希望光沿水平方向在大角度范圍內(nèi)散射。對于具有背面投影屏的電視機(jī)的情況尤其如此，有許多觀察者坐在投影屏前面相對投影屏沿水平高度方向的相當(dāng)大的角度內(nèi)。
對于背面投影系統(tǒng)必須克服的問題之一是大部分光沿投影軸方向投射，這意味著觀察者越靠近投影軸，圖象的強(qiáng)度增加。具有背面投影屏的彩色視頻裝置通常使用三個陰極射線管，也就是說每個射線管用于一個基色，例如，紅、綠和藍(lán)色，這些射線管通過自身的投影物鏡把圖象投影在投影屏上。在按傳統(tǒng)水平排列陰極射線管中通常是把綠色的陰極射線管放置在中央投影軸上，而紅色和藍(lán)色的陰極射線管以其光軸與綠色陰極射線管的投影軸成5至10度的角度放置。除非投影屏補(bǔ)償這些移位定位，否則將出現(xiàn)所謂的彩色偏移現(xiàn)象。這一現(xiàn)象實際中表現(xiàn)為如果三原色的亮度在觀察者群的中心歸一化，則亮度關(guān)系在整個觀察角度水平面內(nèi)隨著角度位置變化。這意味著觀察者觀察到的圖象依賴于他在投影屏前面的水平面內(nèi)的位置。
除此之外，當(dāng)背面投影屏在環(huán)境光中使用或暴露在環(huán)境光中時，投影圖象的對比度受投影屏前表面反射光線的影響。因此，希望減少環(huán)境光在投影屏前表面的反射。為了減少光線反射提出了不同的屏蔽技術(shù)，其中黑的不反射的板插在透鏡之間或者整個投影屏的前面，而與黑條紋沒關(guān)系。
為了增大水平面方向上的觀察角度提出了不同的背面投影屏。美國專利No.4,418,986和4,509,822描述了這樣的系統(tǒng)，其中使用了具有象菲涅爾透鏡一樣的后板和前板的投影屏，所述菲涅爾透鏡能夠把來自象源的平行光束準(zhǔn)直，所述前板由具有垂直方向連續(xù)的棱紋/峰的散射透鏡構(gòu)成，用于在特定的水平觀察角內(nèi)分散光。根據(jù)公知技術(shù)，投影屏的前面大體上分為兩個透鏡類型，用于把窄的向前視場傳播的的光散射的柱面透鏡，和進(jìn)一步增大觀察角的全反射透鏡。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道當(dāng)使用公知的透鏡結(jié)構(gòu)時技術(shù)上很難達(dá)到均勻的光散射，因為公知的系統(tǒng)是由一個或兩個透鏡構(gòu)成-一個透鏡在窄的水平觀察區(qū)域例如±25°內(nèi)傳輸光，一個全內(nèi)反射透鏡把光從±25°-30°區(qū)域擴(kuò)展到±60°區(qū)域。該系統(tǒng)應(yīng)用兩種類型的透鏡在技術(shù)上很難做到所述兩種類型透鏡之間充分重疊，尤其是當(dāng)背面投影屏用于視頻投影時，通常使用三個投影陰極射線管-一個陰極射線管用于一個基色，而且這些陰極射線管的光軸相互之間通常成7-12°角。
如果例如綠色圖象垂直投影在投影屏的背面，藍(lán)色和紅色圖象則以一定的傾斜角例如上述的與投影屏的法線成7°角方向投影在投影屏的背面。然而，這可能產(chǎn)生如下的效果，即從前面斜向觀看投影屏的人將看到藍(lán)色或者紅色占優(yōu)勢的圖象-即根據(jù)所討論的這個人是靠近投影藍(lán)色圖象的投影系統(tǒng)的光軸還是靠近投影綠色圖象的系統(tǒng)的光軸而定。這種顏色失真在下面將稱為顏色不均。
根據(jù)本發(fā)明的背面投影屏其特征在于應(yīng)用了五個透鏡。其中三個傳輸從背面來的光，其余兩個與投影屏的法線彼此成不同的傾斜角。此外，他們對于來自背面的光是全反射的，這樣光在寬的扇形區(qū)內(nèi)從透鏡兩側(cè)部(side parts)被全反射出來。
因此，當(dāng)來自背面的光傳播到兩個對稱的三角形透鏡的內(nèi)側(cè)時將百分之百地反射，因為具備了全反射的先決條件。以這種方式傳播到左邊透鏡部分內(nèi)側(cè)的光束將從該透鏡的右側(cè)部分以不同于最近位置處的三角形透鏡的出射方向出射。這樣，通過這些透鏡的非對稱結(jié)構(gòu)，可以做到使光在較寬的扇形區(qū)內(nèi)傳播。由此也可以看到上述的顏色不均將由于下列事實而得到中和，即通過這些反射透鏡出射的全反射光將在大約比光源的光軸之間形成的角度大10-30％的弧形角度內(nèi)傳播。
這樣觀察者從前面斜向觀察圖象將看到三個合并的圖象，因為非對稱透鏡將以如下方式偏轉(zhuǎn)光，即將來自三個光源的光束當(dāng)作大體平行。同時可以獲得與具有百分之百全反射面的透鏡有關(guān)的優(yōu)點可以在寬的側(cè)面觀察角內(nèi)看到圖象。為了也確保中間透鏡在向前傳輸?shù)墓馔ㄟ^透鏡頂點出射處能夠以中和顏色不均問題的方式混合，該透鏡制成具有不同的曲率。這意味著根據(jù)在具體應(yīng)用中顏色不均問題的嚴(yán)重程度，通過非對稱透鏡的頂點出射的光量與中間和外部透鏡的關(guān)系可以在寬的限度內(nèi)變化。
下面將參照附圖進(jìn)一步解釋本發(fā)明，其中

圖1表示視頻裝置的截面圖；圖2表示包括投影屏和帶有相關(guān)透鏡的三個陰極射線管的彩色投影電視系統(tǒng)；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的投影屏的透視截面圖；圖4表示通過圖3所示附圖的根據(jù)本發(fā)明的截面，用于描述光束的光路；圖4A/4B表示公知結(jié)構(gòu)的光束光路；圖5表示本發(fā)明的截面，其中三角形透鏡已經(jīng)根據(jù)圖4橫向移位；圖6表示本發(fā)明的另一實施例；圖7表示用于描述根據(jù)本發(fā)明的投影屏的又一實施例；圖8表示具有說明書中所述例子的參考尺寸和角度的本發(fā)明的截面；圖9分別表示根據(jù)本發(fā)明作為觀察角的函數(shù)的全反射透鏡和傳輸透鏡的光透過率曲線；圖10表示根據(jù)本發(fā)明的試驗的光學(xué)測量結(jié)果；
圖11表示本發(fā)明的另一實施例。
在描述本發(fā)明的實施例之前，先特別參照圖1和2解釋應(yīng)用本發(fā)明的背面投影屏的投影系統(tǒng)的一般設(shè)計。圖1表示一臺投影電視機(jī)的截面圖的實例。視頻投影裝置1通常由三個顯象管2、透鏡4、機(jī)械耦合3、反射鏡5以及背面投影屏6構(gòu)成。
圖2表示具有三個光源的背面投影屏，所述光源具有配備了投影透鏡的表面而且應(yīng)用了這里討論的投影屏類型。三個投影器7、8和9把電視圖象投影在投影屏23的背面。每個投影器分別提供綠、紅和藍(lán)光。所述三個投影器以如下方式并排垂直放置，使投影器8通常為綠色投影器且其光軸垂直于投影屏23。
投影器7的光軸15和投影器9的光軸13通常與投影系統(tǒng)8成8-12°角。
通過三個投影器7、8和9以及安置在前面的透鏡10、11和12，能夠在投影屏上形成相對投影器放大的圖象。通常投影屏23在背面16和前面17具有透鏡結(jié)構(gòu)。背面16通常設(shè)計成把發(fā)散的光束變換為平行光束的菲涅爾透鏡。通過背面投影屏23平行傳輸?shù)墓馐鴱耐哥R結(jié)構(gòu)的前表面17適中散射為適合的觀察角。
下面將參照附圖描述本發(fā)明的最佳實施例。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的背面投影屏的透視圖。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的背面投影屏在圖象一側(cè)的表面上具有表面26，其配置有一些沿投影屏使用位置的垂直方向伸展的透鏡。圖中18表示柱面透鏡。該透鏡的橫向邊緣與兩個非對稱的全反射透鏡19和20相鄰，所述全反射透鏡19和20依次與他們的傳輸透鏡21和22相鄰接。
背面24表示用于使來自光源25的光變?yōu)槠叫泄獾馁M涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的一部分。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的圖3的一部分截面，以便描述光路。為了清楚起見，只表示綠光的光路。如圖所示，來自綠色光源的光束29將通過投影屏透鏡18的中心而不反射。在透鏡18的弧形部分光將在小視場例如±15°范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)。柱面透鏡18與全反射透鏡19和20相鄰接。本發(fā)明與公知技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于，全反射三角透鏡19和20以他們的對稱軸不平行的方式構(gòu)成。這樣，能夠在寬的視場內(nèi)散射光，從光束27、27′和28、28′，以及光束30、30′和31、31′也可以看到這點，通過這種方式消除了上述的顏色不均問題。
根據(jù)圖4A給出一個公知技術(shù)的全反射透鏡的例子。這種類型透鏡的對稱軸34總是垂直于投影屏的表面。為了清楚起見只表示來自綠色光源的光束。如圖所示，被透鏡35和36的內(nèi)側(cè)全反射的光束將通過透鏡的另一面在一個方向而且只在一個特定方向上平行出射。那么只有觀察者坐在某一位置的條件下才能夠看到來自投影屏的側(cè)光。
圖4B表示公知技術(shù)的所有三個光源的光束的光路。如圖所示，采用公知技術(shù)顏色不均問題變得更嚴(yán)重，因為當(dāng)光束通過透鏡33以后光軸之間的夾角θ4和θ5將變?yōu)棣?和θ10。那么從側(cè)面斜向觀看投影屏的觀察者將看到三個來自各自光源的基色分開。
圖5表示本發(fā)明的另一個實施例。在這一實施例中，透鏡19和20反轉(zhuǎn)為他們的陡面彼此相對。這些透鏡陡面的角度用相對于投影屏的法線N的角度表示。這些透鏡的外邊之間的夾角為X。基本上該透鏡的工作模式與圖4中所示的透鏡相同。
圖6表示本發(fā)明的又一實施例，其中透鏡37′和38′圍繞平行于投影屏平面的軸橫向反轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)的工作模式與上述本發(fā)明的工作模式相同。
圖7表示已知的本發(fā)明的又一個例子。該圖與圖6的本質(zhì)不同在于透鏡37和38已通過小的分隔距離分開。這樣透鏡39和40的工作模式相應(yīng)于透鏡37′和38′。
在圖4、5、6和7中特別表示根據(jù)本發(fā)明的投影屏的不同實施例的附加透鏡。與非對稱透鏡19和20相接的透鏡可以是凸面、凹面或者兩者的組合。
圖8表示說明書中給出的具有參考尺寸和角度例子的輪廓圖。
在圖9中表示右邊的透鏡19和左邊的透鏡20的相對測量結(jié)果曲線41和42。中間的鐘形曲線43是圖7中的透鏡40、39和18整體測量結(jié)果。
圖10表示根據(jù)圖7所示的輪廓圖分別水平和垂直測量所有透鏡的功能的圖。從圖中可以看到，似乎根據(jù)本發(fā)明投影屏在水平方向在±50°觀察角內(nèi)給出非常恒定的光。為了也獲得一定的垂直方向的光散射，可以在投影屏中加入光折射粒子而不改變投影屏的其他特性。當(dāng)這些粒子的光學(xué)折射率在1.5-1.58范圍內(nèi)、粒子大小在3μm至65μm時，光散射粒子的分量最多為45g/m2。
當(dāng)加入玻璃粉末時只得到圖10中的鐘形曲線44。應(yīng)該注意到通常觀察者位于橫向平面內(nèi)，所以設(shè)計者盡量在水平方向獲得最寬的觀察角。
例1利用圖7所示輪廓的鑄造模具，每平方米加入21g粒子大小為3-28μm的SiO2鑄造2mm的PMMA(丙烯酸)板材。表示透鏡元件重復(fù)頻率的分隔距離P為0.80mm。透鏡40的寬度為Z1-Z2=0.2mm,Z3=Z5=0.10mm。柱面透鏡18的寬度為0.16mm。透鏡19和20相對投影屏的法線的頂角分別為20°和25°。透鏡40、39和18具有相同的頂角98°，相同的效率半徑0.03mm。投影屏的結(jié)果如下峰值增益3.81/2水平峰值增益37°1/2垂直峰值增益12.4°投影屏表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，即使得在±90°的視場范圍內(nèi)可以看到圖象。術(shù)語“峰值增益”表示在某一距離處沿垂直于投影屏方向測量的光量。
例2參照圖8的模具的規(guī)格如下P=0.80mm,Z1=Z2=Z4=0.18mm,Θ6=Θ7=Θ8=103°，曲率半徑R1=R2=R3=0.03mm,Z3=Z5=0.08mm,β1=β2=26°,α1=α2=19°。
投影屏鑄造成大小為300×350mm。當(dāng)向模具中澆鑄PMMA(丙烯酸)液體時，混入7g粒度為2-28μm的SiO2和少量的黑染色劑。模具水平放置，也就是說，1-2小時之后所述特定粘度的SiO2粒子沉積在透鏡結(jié)構(gòu)處的模具邊上。然后把模具加熱到大約55℃5小時，隨后固化
小時。模具緩慢冷卻約2小時，然后可以把模具分開。反復(fù)按照如下方式進(jìn)行試驗，使得粒子沉積在板材的兩邊。后面的測量表明第一次和第二次的實驗結(jié)果幾乎一樣。
投影屏的結(jié)果如下峰值增益3.81/2水平峰值增益42°1/2垂直峰值增益9.8°投影屏表現(xiàn)出大致如圖10所示的顏色純度和光分布。
用下面這些CaCo3、BaSo4中的光散射劑以及折射率比基本材料的大或小0.04-0.08的精細(xì)玻璃粉末、玻璃球或者塑料球代替SiO2，重復(fù)上述兩個試驗。舉例來說可以使用PMMA、苯乙烯、PMMA與苯乙烯的混合物或者類似可以利用的塑料材料。改變粒子大小和添加量。使用結(jié)果是上述的光散射材料中沒有一種產(chǎn)生與SiO2有本質(zhì)差別的結(jié)果。
另外，在該試驗中光散射材料在投影屏中的位置改變了。即把它放置在投影屏中心處的透鏡一側(cè)的大體限定的層內(nèi)，以及放置在朝著投影器轉(zhuǎn)動的一側(cè)并且在整個層厚度內(nèi)。這樣并沒有產(chǎn)生很大變化。此外，通過試驗，在菲涅爾透鏡24和雙凸透鏡(Lenticular)投影屏26之間插入散射板，本質(zhì)上也沒有改變結(jié)果。
權(quán)利要求
1．一種從背面照明和在前面(26)有光散射材料的背面投影屏，所述光散射材料用于接收來自象源的光束和把單個的光束偏轉(zhuǎn)以便準(zhǔn)備在寬的視場角內(nèi)大體均勻地投影圖象，所述光散射元件包括許多緊密排列的大體平行而且沿垂直方向伸展的透鏡元件，所述透鏡元件中有兩個非對稱的全反射三角形透鏡，在這些透鏡之間可以插入其他或者更多的傳輸透鏡，此處在所述非對稱透鏡的外部兩兩與多個傳輸透鏡相鄰接，其特征在于反射透鏡(19)和(20)具有兩兩的透鏡頂部，所述兩兩透鏡頂部關(guān)于它們的對稱軸形成一些角度，所述這些角度分別彼此相向和相背，其中這些透鏡頂部的角度彼此相對繞其對稱軸橫向反轉(zhuǎn)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的背面投影屏，其特征在于全反射透鏡(19,20)的頂角α1和α2為5°至25°，最好為18°，角度β1和β2為15°，最好為28°。
3．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的背面投影屏，其特征在于不只兩對透鏡(19和20)形成具有成對不同的角度α和β的全反射透鏡。
4．根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的背面投影屏，其特征在于所述雙凸透鏡系統(tǒng)(26)由丙烯酸(PMMA)或丙烯酸與苯乙烯的混合物或其他具有好的光學(xué)性能的適合的塑料材料制成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的背面投影屏，其特征在于所述雙凸透鏡投影屏采用層壓法制成。
6．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4和5所述的背面投影屏，其特征在于所述雙凸透鏡投影屏部件(26)在投影屏對著投影器的部分具有菲涅爾透鏡，或者所述投影屏由兩部分構(gòu)成，一個雙凸透鏡部分和一個菲涅爾部分。
7．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5和6所述的背面投影屏，其特征在于前部(26)例如通過蝕刻所使用的模具或者后續(xù)的涂敷而輕微磨砂。
8．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6和7所述的背面投影屏，其特征在于所述投影屏中的光散射介質(zhì)是有機(jī)、無機(jī)顏料或者上述兩種材料的混合物。
9．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7和8所述的背面投影屏，其特征在于所述投影屏分為兩部分，并且在雙凸透鏡投影屏的背面具有沿水平方向平行伸展的透鏡，用于在垂直方向散射光。
10．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8和9所述的背面投影屏，其特征在于圖11所示的光傳輸透鏡(46和47)具有非對稱的兩側(cè)部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及從背面照明和前面有光散射介質(zhì)的背面投影屏,所述光散射介質(zhì)用于接收來自具有一定視界的象源的光束以便在寬的視場角內(nèi)大體均勻地顯示圖象。光散射元件包括許多緊密排列的大體平行而且沿垂直方向伸展的透鏡元件,所述透鏡元件包括一個或多個相對它們的對稱軸成角度的三角形非對稱的透鏡對,它們的對稱軸與投影屏的法線不同,而且其中每個透鏡(19,20)具有全反射的內(nèi)表面,而且在這些一個或多個透鏡之間插入透鏡(18),用于傳輸來自象源的光,而且在每個透鏡對(19和20)的外部也放置傳輸透鏡。
文檔編號G03B21/62GK1216617SQ9719397
公開日1999年5月12日 申請日期1997年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月18日
發(fā)明者埃里克·科勞森 申請人:掃描影像屏幕公司