采用光透射屏幕的显示系统及其制造方法

专利名称：采用光透射屏幕的显示系统及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种采用光透射背投影屏幕的显示系统，该显示系统可用于电视接收机、电视监视器、VDU或其类似的装置。
在减小电视接收机的尺寸、重量和体积方面，人们已越来越感兴趣利用液晶显示器取代普通的阴极射线管来作为电视屏幕。事实上，各种采用液晶显示屏幕(LCD屏幕)的微型电视接收机已经成功地问世。然而，至今还未能制造出对角线长度超过5英吋的商品化的液晶显示电视屏幕。
此外，近来人们一直对与CRT型式电视显示相配合的背投影屏幕发生了兴趣，以提供比实用的最大的CRT型电视显象管还要大得多的图象屏幕。
本发明的目的是要提供一种可以增大液晶显示屏幕或普通CRT屏幕视在尺寸的方法，而避免了制造相应尺寸的液晶显示器或CRT显象管所固有的技术问题，并且不会增加整个装置的尺寸、重量或复杂性到人们不可接受的程度。因此，本发明提供了一种改进的显示系统。
根据本发明的一个方面，给出了这样一个显示系统，它包括了一个物屏、一个背投影象屏和一个投影系统，这个投影系统将物屏上的一个象投影到该背投影象屏上，这个后投影象屏由一层透明材料片组成，这层透明材料薄层由一个整体的具有梯度折射率分布的微透镜的阵列组成。
该后投影屏幕最好是这样一层透明塑料，该塑料层已经通过将一种可光聚合的树脂经过选择性的梯度聚合作用而形成整体的具有梯度折射率分布的透镜，这种梯度聚合作用是由制作过程中该薄层对其上方光线曝光度相应的变化产生的。
制作这种背投影象屏幕的一个较好的方法是在一个基片上施加一种具有局部变化折射率的材料，以便提供具有梯度折射率分布的微透镜或小透镜。
该方法最好将一种化合物以单体形式施加到该基片上，该化合物经过紫外线的选择性曝光后，将选择性地聚合成所说的具有梯度折射率的透镜，首先这个单体层的每个单元点都接受该层表面上方紫外线的曝光，在随后该层材料进行聚合后形成所希望的微透镜，然后将这层材料经受紫外线的覆盖曝光(blanketingexposure)以完成聚合作用。
在选择性曝光和覆盖曝光之间，最好将该材料加热到它的软化温度，以增加微透镜区域内的折射率变化。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一个三维的显示系统，它包括一个由这里规定的微透镜阵列构成的光透射屏幕，一个光学象源或两个光学象源，以及将所说象源的光线从屏幕的一侧引导到所说屏幕上的装置，这种安排方式使得当一个人从屏幕的另一侧用双眼观看该屏幕、并使其眼睛处在预定的位置或与所说阵列成预定角度方向时，他的一只眼睛接收到由该阵列中每隔一个的微透镜组成的第一组该微透镜来的光线，而另一只眼睛接收到由该阵列其余的透镜组成的第二组、即互补组微透镜来的光线，这种安排方式使得观看者的每只眼睛因此看到该屏幕范围内所述两个象中相应的一个，由此，当上述两个象与观看一个三维景物的人的两只眼睛看到的该三维景物相应的两个象吻合时，观看具有该微透镜阵列的屏幕的人就可以在阵列区域内感觉到一个相应的三维图象。
该透射薄层最好采用如下的形式其每一个微透镜或小透镜综合一个单纯会聚透镜和一个薄棱镜的功能，使得依次排列的微透镜将穿过它们的光线折射到左面和右面。这可由该薄层的表面局部成形获得。这种具有最后提到的特征的薄层例如可以用以下方法成形浇铸、模制或将一种合适的塑料材料挤压入一个具有互补构形表面的“原”模或模子内挤压成形。但是，更可取的是，至少可以根据本发明的第一个方面，使透镜阵列的折射率局部变化来给出每一微透镜的会聚功能。在这种情况下，如前所述，该薄层可以由一种可聚合的材料组成，该材料的折射率可以通过一定条件下的曝光而改变(可能接着是一个适当的“显影”过程)。这样一种这里称为光聚合物的介质，可以通过采用基本的摄影技术而被记录，例如利用一个适当的象一个纤维光学平面或一个照相微粒屏幕这样的原版通过光学接触过程被记录。
上述的采用一种光聚合物和利用体积效应来形成一个微透镜屏幕的方法类似于产生具有梯度折射率透镜(G.R.I.N.S)的制造过程。用这种方法制成的大体是管形的微透镜最好有一定的方向，使得能够控制光线沿观看屏幕人眼睛要求的方向到达。于是提出了克服在观看由一个小的源产生的放大象时会引起一个中间“辉点”效应的屏幕方向性问题。这样的方向控制可以在屏幕制作过程中通过利用一个激光源来调节记录射线的方向而实现。
如上所述，任何其它适当的技术也可以用于制作这种微透镜屏幕，例如，用光学成象技术、电子束技术或其它类似的技术。
显示设备最好包含有一个高分辨率的液晶显示器作为相应的电视接收机、电视监视器、VDU或其它类似装置的屏幕。或者，显示设备也可以包含一个比普通家用电视机的尺寸小的高亮度的CRT显象管。然而，为了叙述方便起见，以下将把发生光学图象的显示设备的屏幕称为“LCD屏幕”，以区别于微透镜屏幕。位于LCD屏幕之前例如几英吋的距离，但不要求一定与之平行，是前面所述的具有微透镜或小透镜阵列的屏幕，可以采用了光折弯技术(见下面)。为了方便起见，这种上面装有微透镜阵列的屏幕在这里被称为微透镜屏幕。在LCD屏幕和微透镜屏幕之间加入一个光学系统，它把LCD屏幕上的图象真实地在微透镜屏幕上形成一个实象。这个光学系统最好采用了光线折弯技术，例如安装有反射镜或内反射棱镜或其它类似装置，以便从光学角度来看，有效地将微透镜屏幕安置在一个相对于LCD屏幕比实际距离远得多的视在距离上，因为考虑到LCD屏幕与微透镜屏幕之间的实际距离是受到要求所限制的。于是，举例来说，采用如下的安置方式，在一个对角线尺寸3英吋的LCD屏幕以及设在微透镜屏幕后面3英吋间距的情况下，观众将在对角线尺寸为13英吋的微透镜屏幕上感觉到一个在视在尺寸上与LCD屏幕的图象相对应的图象。
微透镜屏幕的这种功能类似于由半透明材料、如用在某些电影摄影技术中或用于反射式照相机调焦屏上的毛玻璃构成的背投影屏幕，在这些已知的装置中，半透明屏的每一部分实际上向各个方向散射光线，但也透射通过(基本上不散射)一大部分落在该部分的光线，引起众所周知的“光晕”或“辉点”效应，即看到的图象的光照强度从屏幕的中央向边缘区域递减。此外，这些已知的装置具有另外的缺陷，即成象的相当一部分光线沿着不要求观察到图象的方向散射掉了，因此浪费了光线。此外，在这样一些普通装置中，屏幕上的图象会出现一定的发花或模糊不清的现象。如果将这种常规的半透明屏幕用在背投影技术中以获得电视接收机或类似设备的LCD屏幕的放大图象时，这些缺陷将是很明显的。而在本发明的显示系统中通过适当地构造这种微透镜阵列的形状，这些缺陷可以被避免。
因此，本发明装置使得对一个位于相对于屏幕一个比较窄的视扇形区域内的观看者来说，对于LCD屏幕上的一个在LCD屏幕纵横两个方向均匀一致亮度的图象，相应的在微透镜屏幕上形成的象也在微透镜屏幕纵横两个方向具有均匀一致的亮度，而且只有可忽略不计的很小部分光线穿过微透镜屏幕进入该视扇形以外的区域。这样的安置方式使得在一个相对于微透镜屏幕通常的观看距离位置上，与屏幕上的象的尺寸有关系，该视扇形的宽度和高度可能不超过1英呎或2英呎。
本发明的基本原理和最佳实施例的特征在下面将参照附图予以更详细的讨论

图1说明用一个漫散射屏幕作为背投影屏幕的一个普通的背投影显示系统的示意图;
图2是说明一个用微透镜阵列构成的背投影屏幕是怎样获得相应效应的示意图;
图3是说明一个表面接受穿过一个开孔掩膜的光线曝光的示意图;
图4是对图3说明由于衍射作用而产生的表面照射强度的变化，可以用于制造体现本发明构思的一个系统;
图5是一个表面接受来自紧挨着一层不透明层边缘的光线曝光的示意图;
图6是与图5类似的图，说明在一个不透明长条下面的一个表面接受被该棒部分地遮断了的光线照射时照射强度的变化;
图7所示的是由于照射而产生的折射率的变化，它导致聚合物的聚合作用;
图8是一个说明梯度折射率透镜外形的示意图;
图9表示了梯度折射率透镜的各种成象条件;
图10所示是适用于梯度折射率透镜的接收角的概念;
图11是说明制造用于体现本发明构思的显示器上的微透镜屏幕的示意图;
图12所示是在体现本发明构思的显示器中，梯度折射率透镜怎样被安排得起导光管的作用，以保证光线的净偏折;
图13说明一个包含有两个有效层的背投影屏幕的示意图。
借助于图示，参看图1，一个成象系统40将一个物屏41(例如一个电视显象管)的一个实象投射到一个普通的漫散射屏42(例如一个毛玻璃屏)上。对于任意一条光线，如图中所示的A、B、C和D，入射到屏幕上，从屏幕的另一侧形成一束散射的光线。在每一条光线A、B、C和D的P处表示了在形成散射射线点处，相对于原来射线A、B、C和D轴的各种不同角度处由漫散射屏得到的光线相对强度的各个极座标分布图。观察者主要看到具有一个窄扩散角的中央辐射，于是他会在图象的中央部分感觉到一个视觉“辉点”。这个中心“辉点”是毛玻璃型过份简单的扩散屏的特性。
如图2所示，为便于比较，将在图1中普通扩散屏位置处用一个装有微透镜M阵列的屏幕44取代。每一块微透镜M将入射光线会聚到接近透镜阵列平面的焦点上。于是观察者可以把透镜阵列看成是一个漫散射面。这样一个光学系统将一个LCD或CRT电视显象屏幕上的图象放大呈现在微透镜屏幕上。
应当知道，透镜阵列的每一块微透镜可以根据其位置作成一定的形状，使之综合一个薄棱镜和一个透镜本身的功能，并且此处所使用的术语“微透镜”和“小透镜”打算广义地包括这样的有效结合。
还应明白，微透镜分布在屏幕所希望的视在区域里，例如如果观看者希望电视屏幕的可视面积为13英吋见方，那么它就分布在13英吋见方的范围里。显示设备是这样设计的，在工作时，从正在观看者角度看，LCD屏幕按一个更大的比例被有效地映射到具有微透镜阵列的屏幕上，使得屏幕上的每一点(或象素)在微透镜屏幕上相应的位置处产生一个相应的点(或放大的象素)，这样观看者就看到一个放大了的LCD屏幕。
上述技术使得微透镜的排列能产生一个有规律的位置排列。一个总体是有规律的透镜阵列不会在看到的图象中产生任何颗粒感(或者可认为是一种视觉“噪声”)。由于小透镜位置的有规律排列而造成的“颗粒度”的下降导致了这样的投影图象在噪声和清晰度显著的改进，从观众的角度，作为体现本发明构思的显示系统，具有在整个屏幕上具有均匀亮度的明亮图象的优点，而且这个图象清晰，轮廓分明。但是，由于制作的原因，透镜阵列排得过于规则可能会导致一个实际上的所谓二维低频衍射光栅的衍射效应〔尤其是对于彩色电视过于规则的排列还可能产生网纹干扰效应(Moire效应)〕。可以通过引入一定的有控制量的无规律性(否则是总体有规律的阵列)来避免衍射和莫尔效应问题。也可以在微透镜屏幕上用一个凹凸的“蛾眼”(“motheye”)表面作为微透镜阵列的附加物，于是使得屏幕上的杂散光反射大为减少。
下面将更详细地讨论生产用于体现本发明构思的显示系统中的微透镜屏幕的一些方法。
在以下考虑的方法中，在微透镜屏幕的制作过程中采用了照相技术或类似的技术。
已经考虑了两种方法，第一种方法的目标是最终制成一个透明薄片层，在它的一个表面有一个形成透镜的凸圆区域组成的阵列，这种方法被称为凹凸图象方法。这种方法可以采用本身是公知的技术，在该方法中，一个基片上的一层光阻材料层接受穿过某个屏的光线的选择性曝光。第二种考虑的方法包括用可变折射率材料来制作实际上是管形或圆筒形透镜形式的微透镜，它们的轴垂直于或接近垂直于微透镜的平面。下面将对这种透镜的性质和特征作更详细的讨论。这种方法也可以采用一种涉及将一光聚合物同样地接受穿过某个屏的光线的选择性曝光的方法。在这两种考虑的方法中，一个重要的特点就是在所涉及的照相或准照相方法中，以一种很容易实现的方式，在与每个微透镜阵列的透镜相对应的区域上保证一个预定的曝光强度的变化。
聚合物材料具有可变的折射率这一点本身是众所周知的，在这里是指光聚合物。于是，例如，人们知道丙烯酰胺单体的聚合作用可在光、例如激光照射下起动。于是，例如，人们知道，在光聚合物中产生全息信息可以采用以下的方法，将一层由一个相应的单体分散在一种合适的粘合剂中并涂到一个基片上，对该涂层进行曝光，该单体聚合的程度取决于该涂层中的光强度。由于该材料的折射率随聚合作用的程度而变化，因而通过在光照过程中控制局部照射强度的变化就可以产生折射率的局部变化。具有这种特性的一种已知物质是以丙烯酰胺单体为基础的。该单体的聚合作用可由紫外光、例如UV激光照射而起动，或者通过在该单体涂层中加入一种可变色的敏感剂，使该单体借助于一个可见光激光器或其它高强度光源产生一个波长的可见光能够进行聚合，该敏感剂可在聚合作用后的一个漂白步骤中被接着漂白出去，或者如M.J.Jeudy和J.J.Robillard的文章“一种用于高效率记录相位全息图的可变折射率材料的光谱光敏作用”(“光学通讯”第13卷第1期，1975年1月)所公开的、通过在单体涂料中加入一种通过接收紫外线照射可被瞬间激活的以致能暂时吸收可见光谱中一个波长光线的光致变色敏感剂，且同时将涂层接收如激光那类波段的光线的选择性照射来起动聚合。于是，例如如上述文献所公开的那样，可以制造出包含(在照射之前)丙烯酰胺单体、聚乙烯醇粘合剂、三乙醇胺助聚剂、二氢吲哚螺吡喃光致变色敏感剂的薄膜形式的被使用的可变折射率材料。
正如下面要讨论的那样，可以予期，假如满足某些条件，那么每块透镜区域上的相应的光敏材料的曝光程度所必需的梯度分布可以用与一个非常简单的屏相关的衍射效应来获得。因此，例如可以用这样一个屏，它实际上是一个透明屏，上面具有规则分布的许多呈圆形的完全不透明的点，或者相反，可以用一个不透明的、具有圆形透明孔阵列的屏。
如果我们检查一下通过一个透明孔隙的衍射光，那么我们就能看到由于衍射的局限性将对这种方法的有效性占支配地位。
参照图3，令y1是成象屏50的一个座标，而y是孔隙的一个座标。考虑P点的衍射幅度，并注意到r2＝(y′-y)2+D2，则P点的总的衍射幅度是
∫-d2+d2Aeikrrdy]]>K＝2π/λa，其中λa是入射光在空气中的波长。
积分的求值是十分困难的，但是通常采用的近似，将1/r移到积分号外被容易证明是有理由的。进一步的困难是指数项Kr的近似。通常采用远场近似(D＞＞y，y′，d)，但这样不会足够精确。
首先考虑通常的远场方法，于是我们近似有r≈D 〔1+ 1/2 ((y′-y)2)/(D2) 〕通常，一个成象透镜将被用来收集由该开口衍射的光线这实际上引入了指数项exp(-iky2/2f′)的一个相移，其中f1是透镜的焦距。如果我们选取D＝f′，那么，在相位因子kr中的y的平方项将方便地被消除。于是，P点该振幅的积分变为∫Aeikr·eiky1/2f′dy]]>于是这个积分现在可以依照下式计算∫d2+d2Aeikr+iky2/2f′dy]]>=AeikD+iky′/2D∫-d2+d2eiky12[1D-1f′]e-ikyy′Ddy]]>
注意到如果D＝f′，那么棘手的指数平方项部分就消失，并且我们得到一个以下形式的P点处总的衍射振幅
其中φ＝KD+Ky′2/2D这导致结果为
其中SinCZ＝SinZ/Z因此，强度正比于振幅×振幅＊其中＊表示复共轭。当进行乘法运算时，那么与φ有关的项就消失了，强度就正比于Sin C2(Kdy′/2D)这可由图4表示出来，图4显示了一个狭缝典型的弗琅荷费(Fraunhofer)衍射的光强(X轴)对位置(y轴)的分布。
中间峰的宽度由下式给出Kd△y′/2D＝2u 或 △y′＝ (2Dλa)/(d)尽管严格来说，这个结果不应用于近场的情况，但我们可以看到，如果△y′＝d，那么我们就必有d2≈2Dλa，这是一个衍射图形位于几何阴影范围内约束的一个近似条件。
让我们来试一些例子。假如λa＝0.5μ。设D例如D＝100μ，那么一个宽度为d≈2.100 ·0.5]]>≈10μ的缝隙应当产生一个一致性的结果。这个计算有助于给出一个最小宽度缝隙的标准，这个最小宽度缝隙可以给出一个局限于一种几何阴影内的衍射图形。显然这个计算从严格的意义上讲是不精确的，因为它在没有把握的情况下应用了远场理论。
因此，事实上，我们需要一个更严格的小范围衍射理论以说明系统可能的性能。这导致我们采用与已研究的弗琅荷费情形有区别的菲涅耳衍射理论。
事实上，菲涅耳近似仍然只是一种对于真值部分严格的近似，但是它比已使用的方法要严格得多。提高精度的方法可以简单地通过在r半径因子的展开式中包括进额外项而获得。记得在前面的情形中我们通过引入一个透镜的技巧方便地将y2消去。现在让我们撇开透镜来研究如图5所示的在一个边缘处的菲涅耳衍射问题，图5所示的是一个不透明屏55的边缘53处的菲涅耳衍射情形，该不透明屏55置于接收表面57上方L距离处，光线向下射到表面57和屏55上，曲线是表示相对于边缘53沿表面57的水平方向上表面57上的光强分布图。
注意到在屏以下的几何阴影内的区域中观察平面上的光强并不是急剧下降的。在“阴影”的边缘处光强是未被阻碍值的四分之一，而就在阴影边缘(图中垂直虚线所示)以外，光强度上升到未被阻碍值(图中水平虚线所示)的1.37倍。由下式定义变量V=y2λ aL]]>其中y是观察平面中的实际长度座标。当V≈-3时，衍射分布图实际上在阴影中衰弱为零，这使得我们可以以一个粗略的方式来估计这个问题。因此，我们预料会要求如下所示一个不透明屏应当具有长度V≈6，以得到独立的边缘效应。图6是一个类似于图5的图，但显示了在一个不透明长条65后面的照射强度的梯度分布。如果不透明长条的长度足够长，那将有一个明显的几何阴影区域。
比如，象前面一样选取L＝100μ，λ＝0.5μ，我们有y＝6502]]>或y≈30μ由于十分依赖于记录媒质精确的感光特性，因此，一个曝光量的“阈值”意味着预料得到的边缘增强。在采用可变折射率光聚合物技术中，光聚合物的实时特性可能是重要的。因此，菲涅耳衍射图的最明亮部分可以在记录期间吸收更多的光线到光聚合物上。
图7所示的是一个光聚合物。一个假定的△n(y轴)相对于曝光量(X轴)的变化情况。图中垂直虚线所示的阈值能量意味着低于这个曝光水平将不起作用。
这个模型和前面弗琅荷费情形中所使用的模型得出这样的结论，即对于100μ的距离因子，一个适当的障碍或孔的尺寸是在10至30微米之间。这个对于一个圆点圆柱对称的一般性结论并不被看成产生数目上引人注目的变化。
如果我们能够达到比100μ更好的近似，那么能够采用更小的障碍尺寸。我们得出结论，通过一个孔径的曝光，在足够大的孔径或足够小的波长下将产生相似尺寸的照射图案。
现在我们来更详细地考虑采用可变折射率光聚合物的技术，以下的讨论表明以上的考虑是怎样实施于采用对一种介质进行变化的曝光来制作GRIN透镜的，这种介质对光线的曝光后呈现出变化的折射率。让我们先看一下一个普通的GRIN(梯度折射率)透镜。
图8所示的是一个典型的GRIN透镜结构。GRIN透镜的参数由以下规定折射率通常设计成随r成抛物线分布，于是nr＝n00〔1- (A)/2 r2〕这里n00是光轴上的折射率，而A是一个正常数。注意到折射率随r减小，于是在接触记录情况下，用一个光聚合物模拟这个效应，将需要一个透明孔的屏幕，而不是一个阻塞点的屏。
我们定义倾斜角(Pitch)P如下P＝2π/A]]>如果我们已知倾斜角，就能够通过透镜长度的变化来确定各种成象特性。
图9所示是用GRIN透镜的各种成象条件。
在考虑的由一个在光聚合物层上形成这样的透镜阵列的情况下，改变每块GRIN透镜的长度相当于改变成象介质的厚度。看图，我们可能要规定L＝0.25P。将rmax规定等于d/2，其中d是透镜的直径，那么我们有n边缘＝n轴〔1- (Ad2)/8 〕现在让我们定义△n＝n轴-n边缘，我们近似有(△n)/(n) = (Ad2)/8其中n是折射率的平均值。现在让我们来计算一个例子，例如L＝50μ(介质的层厚)，d＝10μ，n＝1.6，现在来找出得到正确的长度对倾斜角之比所要求的△n值。显然，由于L＝0.25P＝(0.25)2π/A，我们有△nn=d28(0.25 × 2π)2L2=1008·(0.25 ×2π)2(50)2=0.012]]>由此给出△n≈0.02。这个结果在实际中例如采用象聚丙烯酰胺(见下面)这样的光聚合物做的厚层是可以获得的。
这里讨论的折衷方案导致这种小透镜问题的一个可能的适合的解。透镜层应当有与取得的△n相一致的足够厚度。对于L＝0.25P的条件，接收角由下式给出θ＝Sin-1〔n轴(d)/2A]]>〕＝Sin-1〔1.6 (2n(0.25))/2 · 1/5 〕＝Sin-1〔0.25〕＝14°30′这决定了在其接收表面上的小透镜的角度接收条件。
图10表示了接收角的概念，它规定了入射光线经历全内反射或全“捕获”的角度范围。
等效焦距是f =1n 轴ASin 〔LA〕]]>但L＝0.25P＝(0.25)2n/A]]>
让我们来估算二次常数A，并与一个可从商业上得到的SELFOC透镜作一个比较。对于我们的情况，我们有A=8△nnd2=8 · (0.02)1.6 · 100=0.032]]>微米＝32mm这可与固态加工型微透镜，例如L＝5.2mm，d＝2.0mm，A]]>＝0.3/mm作一比较。值得注意的不同点是，与折射率比较低的固态加工的情形相比，我们能制造用光学方法产生的非常高的折射率梯度。
我们可以看到，如果要求一个较宽的接收角，那么由于θ＝Sim-1〔n轴(d)/2A]]>〕＝Sin-1〔n轴(d)/2 · (2n(0.25))/(L) 〕则我们唯一的选择是减小L，但我们只有在增加△n时才能做到这一点。
让我们简要地看一下将△n增加到0.1的结果。将d保持在10μ值上，我们可以按比率0.02/0.1]]>减小L，给出一个长度L′＝0.44×50μ＝22μ。这就使得接收角增加到θ′＝Sin-1〔n轴(d)/2 (2n(0.25))/(L′) 〕＝Sin-1〔1.6 (2n(0.25))/2 · 10/22 〕＝45°这一效果是惊人的。
假如采取以下方法也可以得到△n值的显著增加在最初的对紫外线成象曝光之后，将聚合物加热到它的软化温度一段时间，然后使它冷却并对紫外光进行最后的覆盖曝光。加热增加了聚合物/单体层中的分子迁移性，使得单体分子向最初曝光和聚合的区域迁移，于是这就增强了由最初曝光开始的这种过程。
在这一部分我们概略指出的小透镜成型被限制于知道的抛物线折射率分布的情况，但是显然，这些方法对于具有任意折射率分布的更一般的情况也是适用的。很明显，我们只需要建立一些圆筒形的元件，它的折射率朝着中心方向增加以模拟这里讨论的结果。非抛物线型分布的一般情况从理论上看是困难的，但可以用数值计算来进行处理。
显然，小透镜问题的微妙部分在于实现会聚效应。注意到折射率不具有一定的分布就不会产生这种会聚效应。因此，在透镜边缘的折射率的一个阶跃不连续性将只能模拟一根光学纤维的情况，而接收角和出射角的分布将相应地被限制。
我们最后得出结论，绕一个诸如一个小点这样的不透明屏(不论是直接的或是互补的形式)的衍射导致一种具有近似象这里描述型式的圆柱面透镜密码的衍射图案。例如，一个正态高斯分布的激光光束可用于使用一个扫描器进行单点记录的情形中。
如上所指出的那样，我们提出了采用基于通过一个透明点的掩膜屏对一种材料进行曝光的技术来制造这种微透镜屏幕，该材料对于空间上的光强度变化的曝光会呈现出变化的折射率。
所提出的这个方案使用一个特别准备的点阵屏幕，该屏是由直接的底片来制作并复制成正片得到的。这种屏，例如可以由一种近似2微米乳胶厚度的Eastmankodak图象艺术感光板制成。喜欢用这种材料是由于它是正色片而且薄到足以避免屏层内的衍射作用。我们可以预料，在生产过程中，穿过屏照射在聚合物表面的照射将由一个uv激光器(象激发物)所发出的光来实现。借助于这样一个光源，我们可以期望得到许多瓦特功率的u.v和获得快速和有效的曝光能力。u.v.的另一大优点是由于其较短的波长(约等于200nm)而减少了衍射效应。
照射可以借助于一个对准系统或者可以使用一个如图11中所示的扫描器来进行，图中激光光束60被对准到反射镜62上，反射镜62被移动以使得被反射的激光光束穿过具有点的掩膜66扫描要被选择性聚合的单体层64。
喜欢将紫外线用于光聚合物前体的聚合作用是因为这种聚合物/单体天然对紫外线的敏感性。因此不需要任何敏化染料，结果可以制造出一个绝对透明的聚合物层，而不需要经过任何漂白步骤把敏化剂漂白出去。
以上所说的聚合物严格地说只是一种在本发明的方法中产生出微透镜阵列的成象曝光之后的聚合物。
这种材料最初是以一种单体形式，它包括有一种粘性流体，将它作为一种涂料涂到一个支承基片上，用紫外线对所希望的带孔掩膜曝光一段时间，结果在被照射的区域中开始发生聚合作用，同时单体中的分子就向这些聚合区域迁移。接着，整个涂层都对紫外线进行“覆盖”照射，使剩余的材料聚合。
注意到在照射几何学中，导引辐射光线的到达角是可能的，因此可以如图12示意画出的那样，根据小透镜70按照它们在屏72表面的位置发生倾斜。
将净的光学定向性引入到屏幕中是这种方案中的一个有趣的可能的变化。
我们也可以设想将没有一定分布型式的点屏与具有一定分布形式的点阵屏幕接触在一起，也可能产生不存在辉点的光强分布，例如，如图13所示，其中标号74表示一个模拟的玻璃纤维屏幕(其中纤维垂直于屏幕的表面，从其中一个面到另一个面延伸)与一个有一定分布的梯度折射率的微透镜屏幕相接触，两个屏幕都以聚合物形式被形成。如图中78所示的那样，对像光线80这样倾斜射到屏幕74上的光线的引导是通过屏幕74中各个单元或模拟光学膜片内该射线的全内射实现的。
注意到在一切辐射几何学中，光线的方向是重要的。接触系统的漫散照射将导致该微透镜象沿该成象介质深度方向上的杂乱。
有必要来研究光聚合物层与通过它光聚合物层被曝光的屏蔽之间的紧密接触问题，应当强调的是该聚合物可以以粘性单体形式粘附在该掩膜屏上。辐射然后将使聚合物交联，并产生一层有粘性的脱落层，它可以被转移到一个刚性的透明基片上。这种自身有粘性的特点具有很大的优点。
可以设想生产线的方式制造微透镜屏幕，可以采用环形的基片，例如以输送机皮带形式的光滑的塑料薄片，该薄片上面涂有单体材料，在该皮带工作运行的上游端，这个皮带在一个扫描紫外线激器的下方接续地经过，借助于该激光器在它向前传送时，在该材料表面上，各个“微透镜”区域将一个接一个地被照射，在此之后，可在经过一个无源区域之后，传输机使得每一个曝光过的“微透镜”区域“固化”一段时间，接着经过一个加热炉把该材料加热到100℃附近，再经过一个冷却段使材料冷却下来，然后经过一个进行“覆盖”曝光的紫外线辐射区域使其余的单体聚合，最后随皮带传送到一个工作站，在那里该聚合物被从基片上剥下，并被横向地切割成分离的长方形的聚合物薄片，形成各个微透镜屏幕。
如果需要，聚合物可以被夹在上、下两层透明塑料之间，既是为了对聚合物起保护作用，也是为了保密，避免企图未经许可复制该微透镜阵列而对聚合物表面轮廓进行的分析。
更具体地说，未经曝光的流体单体可以在对紫外光线曝光之前夹在这样的透明薄片中间，接着进行聚合，或者，作为另一种选择，组成微透镜的经过曝光的聚合物薄片可以被夹在这样的塑料薄片中间，例如在曝光和聚合作用之后在其中加入一种透明粘合介质。
适合用在实施本发明的光聚合物是可以得到的，它具有疏水性这个额外的优点，并且在聚合过的形式下，在普通家庭环境条件下具有良好的稳定性，因此在制造过程中不需要严格地保持受控制的环境条件以及不需要在处理过程中采用额外的防护措施，也不需要提供附加的保护层(尽管如上面所指出的，可能由于其它原因会采用这些保护层)。
在另一个制造含有形成传统形式屏幕凹凸结构的微透镜的方法中，一个合适的可变形的材料(如软金属)作成的原模片被设置的一台压印设备扫描，每一次驱动都在模片表面形成一个(相当于形成单独一个微透镜的)互补的下凹，这种扫描通过压印设备和/或模片的转位运动实现，在每一步上，压印设备被驱动。该压印设备可以采用一个小金刚石的形式，它有一个适当成形的端部(例如，若模片要形成一个负的微透镜屏幕表面，则它具有一个凸的部分球面的表面，如果模片要形成一个“正”的微透镜屏幕表面，则它要具有一个凹的部分球面的表面)该金刚石被安装在一个压电电机元件上，安置成通过电方式被驱动，将该金刚石工具冲入到模片材料中。
已经发现采用以下措施可以获得改进的效果微透镜屏幕的安置使得对于穿过它的光线有一个予先确定的角度偏差，并使观看者位于该被偏离的光线路程上，这样使得观看者在相对于该投影系统主光轴一个较大的角度处观看屏幕。这一点最好通过如下方法获得将微透镜屏幕相对于该投影系统的主光轴略微地倾斜，使得微透镜被安置得具有所希望的角度偏离。如上所述，如果采用了梯度折射率透镜(GRINS)，这种角度偏离将自动地由透镜的性质产生，这种透镜的作用在某些方面象纤维光学设备。在这样一个系统中，微透镜屏幕相对于投影系统的光轴和观看者的视线均有倾斜。
已经发现，前面所述的这种相对于投影系统光轴/观看者视线的偏离能显著地减少衍射效应，提供被观看图象更好的色彩平衡并大体上消除微透镜屏幕正面的光线散射，得到改进的对比度和色彩饱和度。应当知道，微透镜屏幕相对光学投影系统的主光轴的倾斜可能表示了一个“梯形畸复”(“Keystone”)效应问题，但是，这个问题可以通过适当的改进光学系统或通过LCD屏幕的补偿构形，或适合于一个CRT显象管的电子的或结构上的补偿措施来消除。
上面所讨论的微透镜屏幕设备的一个变形可以用来产生避免已有系统的某些缺点的一个三维图象显示系统。于是，可能提供这样一个三维图象的显示系统，它包含有一个由微透镜阵列(如本发明所限定的)构成的光透射屏幕、一个光学成象源或两个相应的光学成象源、以及将所说源的光线从屏幕的一侧引导到屏幕上的装置。显示系统的安置方式使得当一个人用双眼从屏幕的另一侧观看该屏幕，并使其眼睛处于预定的位置或与屏幕成预定角度方向时，他的一只眼睛接收来自由该阵列中每隔一个的微透镜组成的第一组所说微透镜的光线，而另一只眼睛接收来自由该阵列中其余的透镜所组成的第二组、即互补组微透镜的光线，显示系统的安置方式使得观看者的每只眼睛因此看到在该屏幕范围内的上述两个象中相应的一个，因此，当所述两个象与一个可被观看该三维景物的人的双眼感觉到的相应的象相吻合时，观看具有微透镜阵列屏幕的人就可以在阵列区域内感觉到一个相应的三维图象。
在本发明的一个包含这些特征的实施例中，两个象源由相应的用在微型电视接收机中这类的液晶显示屏幕组成，这种液晶显示屏幕由大量的被称为象素的各个显示单元组成。这两个LCD屏幕基本上安置在同一平面内，两者紧挨着，并且面向同一方向。在这两个屏幕之前相距一段间隔处平行地安置着一个由微透镜或小透镜阵列所组成的光透射屏幕，该阵列片与屏幕被固定在彼此相关联的位置上。所述的透光屏幕被居中于和垂直于一条通过两个LCD屏幕的中心轴，两个LCD屏幕对于这条中心轴是对称安置的。阵列中的微透镜或小透镜被制成这样的形状，使得它们每一个典型地结合了一个薄棱镜和一个透镜本身的功能。也就是说，每一个小透镜具有一个相应的角度偏转的特征，这种偏转允许光线穿过透镜。于是可将每一个小透镜说成是用相应的偏转角进行“编码”。此外，可以将阵列中的交错的微透镜有效地分配给不同的两个LCD屏幕，以使得分配给第一个LCD屏幕、并包括阵列中每隔一个微透镜的那些微透镜称为第一组，而将分配给第二个LCD屏幕、并包括阵列中剩余的夹在中间的微透镜称为第二组。一个观看者从一个预定的位置用其双眼理想地观看该微透镜屏幕，使得他正在看到微透镜屏的“正方形显示”，并正正面对着屏幕，在与屏幕隔开一个预定的距离位置上。这个位置被称为理想的观看位置。第一组微透镜屏幕的安置方式使得它将来自第一个LCD屏幕相应部分的光线引导到位于理想观看位置的观看者的右眼，而第二组微透镜的安置方式使得它将来自第二个LCD屏幕的光线引导到位于理想观看位置的观看者的左眼。以另一种方式来表示，这些小透镜的安置具有一定的角度编码，相对于中心轴要么向左偏一个小角度，要么向右偏一个小角度，于是来自两个LCD屏幕的视频图象加到该微透镜阵列上的方式使得它们以一个与微透镜编码相同的偏转角度到达该微透镜屏幕，第一组和第二组微透镜最好分别被排成使得几乎没有什么光线被引导到处于理想观看位置的观看者的左眼和右眼中。这可以容易地例如通过使得呈现到处于理想观看位置的观看者的左眼和右眼相应的光学象是无光泽暗区域的光学象来做到。这可以由不同的方法实现，例如用一个插入LCD屏幕和微透镜屏幕之间的阴影掩膜使得只有处在特定的适当方向的微透镜才能接收到中心轴右方或左方相应的入射图象。
由于上述的安排，使得位于理想观看位置的观看者的每只眼睛将在由微透镜屏幕的边缘限定的视野区域内接收到图象，其右眼看到第一个LCD屏幕的图象，左眼看到第二个LCD屏幕的图象。如果由第一个和第二个LCD屏幕呈现的图象与观看一个三维物体或景象的观看者的两眼所接收的图象相吻合，那么微透镜屏幕的观看者将感觉到相应的一个原象或原景三维图象的再现。因此，如果第一个和第二个LCD屏幕的图象内容基本上与例如由一个正在扫描一三维景物的双镜头摄象机相应的第一个和第二个电视摄象镜头得到的图象相一致，该第一和第二个电视摄象镜头安排得与人头上两只眼睛具有一样的方式，那么，那个景象将被处于理想观看位置观看再现图象的观看者实际上以三维形式看到。
应当知道，微透镜屏幕可以同时对观看者的两只眼睛呈现两个LCD屏幕的放大了的象。
当然，还要知道，上述的三维系统并不限于采用微型或LCD屏幕作为象源的装置。例如，这两个象源也可以用两个阴极射线管或两个电影放映屏幕来代替。然而，应当认识到，以所建议的方式使用LCD屏幕将使得LCD屏幕与微透镜屏幕一起可以组成一个不比常规的电视接收机来得大的整体。
同时，为了描述上的方便，显示系统的工作已经利用处于一个相对于屏幕的预定的位置和预定方向的观看者进行了描述，应当认识到，从光学的角度和精神物理学的角度考虑，这种所希望的三维图象的效果将在理想观看位置周围的一个比较宽的位置范围内感觉到，同时，在理想位置外的一些观察位置上，可能有某些缺陷，例如二个图象中的一幅或另一幅看不完全，或者观看者的一只眼睛或另一只眼睛看到两个象的相对被替换的部分，这样一些缺陷不一定对效果的可接受性产生特别的损害。
同时，为了描述上的方便，已经将LCD屏幕说成是直接位于微透镜屏幕的后面一段距离处，并对该微透镜屏幕的中心轴对称。在实践中，也可以在每一个LCD屏幕与微透镜屏幕之间插入一个相应的采用了光线弯折技术的光学系统，例如由反射镜或内反射棱镜或其类似物，和/或透镜、曲面反射镜等组成，由此LCD屏幕相对于微透镜屏幕只是看起来处在规定的位置上。这样一些光线弯折技术给LCD屏幕的位置提供了更大的范围(例如符合其它的设计要求)，使得该设备在前后尺度上做得很紧凑。
具有由第二个和第一个LCD屏幕或其等同物产生的完全的左象和右象是不必要的。例如，可能从第一个象源上得到80%的图象内容，而从另一个象源得到20%，在不使用阴影掩膜下，仍可能得到一个三维效果的图象。
在本发明的另一个变型中，前述的GRIN微透镜屏幕可以在其一个表面上加一个反射层，例如通过制作其上有一层在进行光聚合作用之前最初加于其上的单体层、在成品中支承该光聚合物层的金属萡或金属化聚酯基片的方法。在这个变型中，光学成象系统安置成可以引导来自LCD或CRT物屏的光线穿过光聚合物/微透镜层，并被金属或金属化层反射并再一次穿过微透镜层而朝向观看者。在这种安置方式中，尽管屏幕作为一个整体起一个反射屏幕或正投影屏幕的作用，但是如在前述的实施例中那样，由于光透射聚合物层中的梯度折射率微透镜阵列会产生漫散射效应，并且这里对该屏幕所使用的“光透射”这个名词应当被解释成包括这最后一个所述的变型。
应当指出的是，在采用上述的GRIN微透镜的微透镜屏幕中，屏幕的显示效应是一个体积效应，而不是一个表面效应，并且事实上，屏幕的表面最好越平越好。因为所提出的微透镜屏幕采用了在较厚层中的体积效应，因此可能除了直接模拟普通透镜的功能外，还例如像图12和图13所提到的那样利用了“光管”效应以保证所希望的效果。
虽然上述实施例涉及用电视显象管或LCD屏幕作为物屏的电视显示系统，该物屏上的图象被投影到微透镜屏幕上，但是人们也不难理解本发明也同样可以用于诸如缩微胶片显象器、幻灯片观看器、计算机或其它用途的电视显示设备等的类似显示系统。
权利要求
1.一个显示系统，包括有一个物屏、一个象屏和一个将物屏上的图象投影到象屏上的投影系统，其中象屏由一层整体的具有梯度折射率分布的微透镜阵列形成的透明材料片组成。
2.一个三维图象显示系统，包括有一个由这里规定的微透镜阵列构成的一层透明材料薄片组成的象屏、一个象源或两个光学象相应的源、以及将所说源的光线引导到所说屏幕上的装置，显示系统的安置方式使得当一个人用双眼观看屏幕、并使其眼睛处于预定的位置或与该屏幕成预定角度方向时，他的一只眼睛接收到来自由该阵列中每隔一个微透镜所组成的第一组微透镜的光线，而另一只眼睛接收到来自由该阵列中剩余透镜组成的第二组，即互补组微透镜的光线，显示系统的安置方式使得观看者的每只眼睛因此看到该屏幕范围内的上述两个象中相应的一个，因此，当所述两个象与一个三维景物(可被观看这个景物的人的双眼感觉到的)相应的象吻合时，观看具有微透镜阵列屏幕的人就可以在阵列区域内看到一个相应的三维图象。
3.根据权利要求2的一个显示系统，其中所说透明材料薄片由一个整体的具有梯度折射率分布的微透镜阵列的形式。
4.根据权利要求1或权利要求3的一个显示系统，其中该象屏是一个后投影屏幕。
5.根据权利要求1或权利要求3的一个显示系统，其中该象屏包括有其一个表面附着有一反射薄层的所说透明材料薄片，该投影系统安置成使光线投射穿过该透明材料薄片到所说反射层上，并被反射穿回所说透明材料薄片，由此使所说象屏是一个前投影屏幕。
6.根据权利要求1或权利要求3的一个显示系统，其中所说透明材料是一种透明光聚合物，在这个透明光聚合物中，已经通过对可光聚合的树脂进行选择性梯度聚合作用，形成所说整体的具有梯度折射率分布的透镜，这样的聚合作用可以通过在制作过程中该薄片对其上方光源的曝光量的相应变化来实现。
7.根据权利要求6的一个显示系统，其中所说透明塑料由聚丙烯酰胺构成。
8.一种制造权利要求4的显示系统的方法，包括以下步骤，设置所说物屏或二个物屏，设置所说投影系统，通过以下工艺提供所说的背投影屏幕，该工艺包括将一层可光聚合的单体施加到一基片上，并选择性地将所说层在一个点阵列的每一点处经受位于该层表面上方的紫外线的曝光，使得该单体选择性地以在一个相应阵列中提供具有所述梯度折射率透镜的方式聚合。
9.根据权利要求8的一种方法，其中在该工艺中，所说层在所述点处的选择性曝光、接着进行选择性聚合之后，对该层进行紫外线的覆盖曝光。
10.根据权利要求8或权利要求9的一种方法，其中在对紫外线选择性曝光之后和任何覆盖曝光之前，所说层的材料被加热到它的软化温度，以增加该微透镜区域内的折射率变化。
11.根据权利要求8到10的任何一个权利要求的一种方法，其中所说选择性曝光是通过将该薄层接受通过一个掩膜的紫外线的照射实现的，该掩膜由一个具有完全不透明点阵的透明屏构成或者由一个具有透明孔阵列的不透明的屏构成，其中衍射效应用来在每一微透镜范围里产生一个所希望的曝光量的变化。
12.根据权利要求6到8的任何一个权利要求的一种方法，其中所说选择性曝光是通过以下方式实现的将所说薄层的各个微透镜区域一个接一个地接受一个紫外激光器光束的曝光，并利用该激光光束横截面上光强度的变化以产生在每个微透镜区域里的曝光量的变化。
全文摘要
一个电视或其它的显示系统，包括有一个光学系统，用于将一个显象管或等同物的一个放大象投射到一个象屏上，该象屏是一个由微透镜阵列构成的光透射屏幕。
文档编号G03B21/62GK1031609SQ8810425
公开日1989年3月8日 申请日期1988年5月31日 优先权日1987年6月1日
发明者威廉·内维尔·希顿·约翰逊, N·J·菲利普斯, 布鲁斯·L·J·麦雷, 史蒂夫·多恩, 维森特·多纳霍格 申请人:科学应用研究有限公司