专利名称：透射式显示屏的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及透射式显示屏。更具体而言，本发明涉及包括蝇眼透镜的透射式显示屏。
背景技术：
在现有技术中，在日本专利申请公开No.2000-131506中已经提出一种用于投射来自光学引擎的光学图像的透射式显示屏，通过使用具有旋光轴对象的透镜装置单元的蝇眼透镜(或微透镜)加宽了视角亮度分布。
但是，观看显示屏时，在水平方向上和在垂直方向上的视角范围通常存在差别。因此，美国专利No.4,666,248和日本专利申请公开No.2000-111708建议通过将透镜装置单元的形状形成为扭曲的或具有任意的曲面，单独控制水平方向和垂直方向的视角亮度分布，其在水平方向上和垂直方向上是不对称的。
同时，尽管通过加强透镜装置单元的透镜光学能力扩宽了视角亮度分布，但是，降低了显示屏从前方观看时的亮度。另外，尽管显示屏的视角被认为在水平方向上具有相当宽的范围，但是，其在垂直方向上却不是这样。因此，对于透镜装置单元的形状而言，需要在水平方向和垂直方向均具有适当的视角范围。然而，在现有技术中，没有提出和出现透镜装置单元的任何专用形状，问题在于，不可能总是获得相对于水平方向和垂直方向均具有理想的光学特征的显示屏。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够克服现有技术的上述缺陷之一的透射式显示屏(transmission type screen)。通过独立权利要求所描述的技术方案可以实现上述和其它目的。从属权利要求限定了本发明的其它优点和示范性技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种透射式显示屏，包括蝇眼透镜(fly-eye lens)，其包括多个透镜装置单元(lens unit cells)，每个透镜装置单元的一侧为凸透镜形状；以及光屏蔽层，设置在蝇眼透镜的透镜表面的相对侧上，具有多个设置在多个透镜装置单元的每个焦点的附近的开口(多个靠近每个焦点设置的开口)；其中，当使用显示屏时，多个透镜装置单元中的每个在水平方向的横截面相对于设置在第一透镜曲线(lens curve)和第二透镜曲线之间的区域是任意的凸透镜形状，该横截面通过多个透镜装置单元的每个的中心，该区域包括第二透镜曲线，其中，对于第一透镜曲线，当垂直于透镜装置单元的光轴的均匀光入射到透镜表面上时，显示屏的出射侧的亮度在透镜装置单元的光轴方向上最高，透镜装置单元的横截面上在光轴方向上的、从透镜装置单元的有效透镜表面和光轴之间的交点到与相邻的一个透镜装置单元的边界的距离最长，其中，对于第二透镜曲线，当在出射侧观看显示屏时，从相对于光轴方向倾斜最大水平视角的方向观看显示屏时的亮度，相对于从光轴方向观看显示屏时的亮度是一基准的比率(a proportion of areference，也可以称为参考比例或基准比例)，该比率小于1，该最大水平视角是在水平方向预定的，以及，当使用显示屏时，多个透镜装置单元中的每个在垂直方向的横截面相对于设置在该第二透镜曲线和第三透镜曲线之间的区域是任意的凸透镜形状，该横截面通过每个透镜装置单元的中心，该区域不包括第二透镜曲线，其中，对于该第三透镜曲线，当垂直于光轴的均匀光入射到透镜表面上时，从相对于光轴方向倾斜最大垂直视角的方向观看显示屏时的亮度，和从光轴方向观看所述显示屏时的亮度相比，是该基准的比率，该最大垂直视角小于该最大水平视角，该最大垂直视角是在垂直方向预定的。
最大水平视角是27度，最大垂直视角是16度，基准的比率是50％第一透镜曲线对应于当将折射率比较小的透光塑料用于蝇眼透镜时的透镜形状。在这种情况下，折射率优选为1.4。
第二透镜曲线对应于当将折射率比较大的透光塑料用于蝇眼透镜时的透镜形状。在这种情况下，折射率优选为1.65。
第三透镜曲线对应于当将折射率比较大的透光塑料用于蝇眼透镜时的透镜形状。在这种情况下，折射率优选为1.65。
如果将折射率比较小的透光塑料用于蝇眼透镜，则第二透镜曲线是一透镜形状，采用该透镜形状时，从垂直方向以最大视角观看显示屏时的亮度，与从光轴方向观看时的亮度相比，等于或大于该基准的比率。在这种情况下，折射率优选为1.4。
如果蝇眼透镜的透镜点距(lens pitch)Pr以及每个透镜装置单元的中心轴的距离分别用Pr和r表示，那么分别将第一透镜曲线、第二透镜曲线和第三透镜曲线定义为下面的表格和公式示出的第一参数组、第二参数组和第三参数组。
zr=Σk=115ak(1pr)2k-1r2k]]>
其中，Zr是光轴方向上到透镜的顶点的距离，k是对应于上表中各项的从1到15的数字。
透射式显示屏还包括朝向蝇眼透镜的透镜表面的菲涅耳透镜。
在蝇眼透镜的出射侧上形成有防反射涂层，在蝇眼透镜的入射侧也形成有防反射涂层。可选地，可以仅在蝇眼透镜的入射侧上形成防反射涂层。
根据本发明的第二方面，提供了一种透射式显示屏，包括蝇眼透镜，包括多个透镜装置单元，每个透镜装置单元的一侧具有凸透镜形状；以及光屏蔽层，设置在蝇眼透镜的透镜表面的相对侧上，具有多个设置在多个透镜装置单元的每个焦点的附近的开口(多个靠近每个焦点设置的开口)；其中，如果垂直于透镜装置单元的光轴的均匀光入射到透镜表面上，则使用显示屏时从相对于透镜的光轴在水平方向倾斜预定角度的方向观看时的亮度，大于使用显示屏时从在垂直方向倾斜与在水平方向倾斜的角度相同的角度的方向观看时的亮度。
发明内容部分没有描述本发明的所有特征。本发明还可以包含上述特征的子集。通过结合附图描述本发明的实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得显而易见。
图1是示出涉及本发明的示范性实施例的背投显示器的结构的示意图。
图2是示出透射式显示屏的结构的示意图。
图3是示出蝇眼透镜装置的结构的示意图。
图4是示出相对于蝇眼透镜装置的光线路径的示意图。
图5是示出蝇眼透镜装置的示范性透视图。
图6是示出蝇眼透镜装置在水平方向上的横截面的示意图。
图7是示出蝇眼透镜装置在垂直方向上的横截面的示意图。
图8是示出当蝇眼透镜装置的透镜光学能力太强时光线路径的示意图。
图9是示出当蝇眼透镜装置的透镜光学能力不够强时光线路径的示意图。
图10是示出在背投显示器的水平方向观看时的示意图。
图11是示出在背投显示器的垂直方向观看时的示意图。
图12是示出透镜装置单元的透镜形状的范围的示意图。
图13是示出在采用第一透镜曲线、折射率是1.4的情况下的视角亮度分布的曲线图。
图14是示出在采用第二透镜曲线、折射率是1.65的情况下的视角亮度分布的曲线图。
图15是示出在采用第二透镜曲线、折射率是1.4的情况下的视角亮度分布的曲线图。
图16是示出在采用第三透镜曲线、折射率是1.65的情况下的视角亮度分布的曲线图。
图17示出了透镜装置单元的横截面的形状的部分发生弯曲时光线的路径。
图18示出了如果透镜装置单元的横截面的形状的部分发生弯曲，开口扩大时光线的路径。
图19是示出和相邻的透镜装置单元交界的边界区域的形状的示意图。
图20示范性地示出了透镜装置单元的结构。
图21是示出从光轴方向观看时设置成六边形形状的蝇眼透镜的示意图。
图22是示出从光轴倾斜的方向观看时设置成六边形形状的蝇眼透镜的示意图。
图23示出蝇眼透镜装置308的另一结构。
图24示出不包括前板312的透射式显示屏306的结构。
具体实施例方式
下面将根据优选实施例描述本发明，这些优选实施例并不用于限制本发明的范围，而是用于说明本发明。在实施例中描述的特征及其组合对于本发明来说并不是必需的。
图1示出了涉及本发明的示范性实施例的背投显示器300的结构。背投显示器300包括光学引擎302、反射镜304、和透射式显示屏306。来自光学引擎302的光学图像输出被反射镜304反射，入射到透射式显示屏306上。透射式显示屏306通过向观众侧散射和射出入射的光学图像，实现适当的观看区域。
同时，在使用(观看)时，本实施例的透射式显示屏306的在水平方向的观看区比在垂直方向的观看区宽。也就是说，从在水平方向倾斜一定角度的方向观看显示屏时的亮度高于从在垂直方向倾斜相同角度的方向观看显示屏时的亮度。另外，当从垂直于其表面的方向观察显示屏时，显示屏的亮度是最高的。从而，透射式显示屏306分别在水平方向和垂直方向实现了足够等级的视角亮度分布。
图2示出了图1中的透射式显示屏306的A部分的详细结构。透射式显示屏306包括菲涅耳透镜310、蝇眼透镜装置308、以及前板312。菲涅耳透镜310将光学引擎302射出的、在传播方向的光收集到蝇眼透镜装置308的光轴方向。蝇眼透镜装置308在水平方向和垂直方向分别以不同的角度漫散入射光。另外，前板312用于保护蝇眼透镜装置308，还通过采用诸如在前板的表面上涂覆AR涂层等防眩措施来减少外部光线反射。
图3示出了蝇眼透镜装置308的结构。蝇眼透镜装置308包括蝇眼透镜171，多个透镜装置单元170以相邻的方式设置在其中，透镜装置单元具有凸透镜形状；基底材料172，用于支撑蝇眼透镜171；以及光屏蔽层173，设置在基底材料172朝向蝇眼透镜171的一侧的相对侧。光屏蔽层173包括多个开口174，位于每个透镜装置单元170的焦点附近。另外，光屏蔽层173比透镜装置单元170更靠近观众侧(出射侧)设置。因此，需要透镜装置单元170的透镜形状能够将入射光聚焦到比透镜装置单元170更接近观众侧(出射侧)的位置。
对蝇眼透镜171所使用的材料，其折射率大约在1.4至1.65的范围内，用于至少传播(通过其的光中的)可见光。如果使用折射率低于1.4的材料，则透镜装置单元170不能具有足够的透镜光学能力以合适的角度漫射入射光线。相反，如果使用折射率高于1.65的材料，则入射到透镜装置单元170上的光会因为透镜的形状而向内反射，降低了显示屏的透射效率。由于存在大量的折射率在1.4至1.65范围内的塑料和玻璃材料，优选根据制造方法或材料成本来选择用于蝇眼透镜171的材料。下面将描述蝇眼透镜装置308的制造方法。另外，如果使用折射率为1.4至1.65的材料，由于材料属性的变化，折射率可能低于1.4或高于1.65。这样的变化在本实施例可接受的范围内。尽管变化范围会随着材料的类型或材料制造者的不同而不同，但其大约为1.4±0.05和1.65±0.05。
图4示出了相对于蝇眼透镜装置308的光线的路径。来自透镜装置单元170的透镜表面的入射光线93基本上平行于透镜装置单元170的光轴，相对于透镜的入射表面以一定角度折射，聚集在透镜装置单元170的光轴上的焦点上，并从光屏蔽层173的开口174射出。光屏蔽层173的最小尺寸的开口174允许射出的光线94在透镜装置单元170的附近通过它们。因此，使得有选择地仅允许应被射出的光线通过并屏蔽产生噪声的光线。从而，透射式显示屏306能够将高对比度的图像投射到观众侧。
下面，将说明透镜装置单元170的形状。
图5是示范性示出透镜装置单元170的透视图。主要通过在水平面102上通过透镜装置单元170的光轴101的横截面以及在水平面103上通过同样的光轴101的横截面限定透镜装置单元170的有效表面的形状。水平面102和垂直面103之间的透镜的形状优选平滑地互补，使得透镜的曲面上没有弯曲点。
图6示出了水平方向的透镜装置单元170的横截面。水平截面111上有一曲线，透镜装置单元170的有效透镜表面通过此曲线穿过水平面102。水平横截面111和透镜材料的折射率确定了透镜装置单元170在水平方向的视角亮度分布。相应地，对于水平横截面111来说，如果从与光轴101的交点到与相邻的透镜装置单元170的边界的在光轴101方向的距离用ZH表示，透镜点距是固定的，那么，ZH越长，透镜装置单元170在水平方向上的透镜光学能力就越强。
图7示出了透镜装置单元170在垂直方向的横截面。垂直横截面121上有一曲线，透镜装置单元170的有效透镜表面通过此曲线穿过垂直面103。垂直横截面121和透镜材料的折射率确定了透镜装置单元170在垂直方向的视角亮度分布。相应地，对于垂直横截面121来说，如果从与光轴101的交点到与相邻的透镜装置单元170的边界的在光轴101方向的距离用ZV表示，透镜点距是固定的，那么，ZV越长，透镜装置单元170在垂直方向上的透镜光学能力就越强。
因此，对于根据本发明的透镜装置单元170的来说，可以建立以下公式ZH＞ZV从而，在水平方向上的透镜光学能力大于在垂直方向上的透镜光学能力，可以在水平方向上获得比在垂直方向上更大的观看区域。
但是，如果透镜光学能力超过预定的值，则显示屏的透射效率下降。
图8示出了当透镜装置单元170的透镜光学能力太强时的射线路径。对于本图中的透镜装置单元170，从有效透镜表面和光轴的交点到与相邻的透镜装置单元170的边界的距离大于将在下面描述的上限。在这种情况下，入射光中以虚线箭头示出的光线31在进入透镜装置单元170后，反射到透镜的内部，所以其不能从开口174发出，而是被光屏蔽层173阻挡。结果，显示屏的透射效率降低，相对于观看面的亮度减少。
同时，如果透镜装置单元170的透镜光学能力太弱，则入射光不能以足够的角度漫射。
图9示出了当透镜装置单元170的透镜光学能力不够强时的光线的路径。对于本图中的透镜装置单元170，从有效透镜表面和光轴的交点到与相邻的透镜装置单元170的边界的距离小于下述的下限。在这种情况下，入射光通过开口174射出，但是其不能以足够的角度漫射。
因此，为了使得透射式显示屏306分别在水平方向和垂直方向实现足够等级的视角亮度分布，需要将透镜装置单元170的有效透镜表面的形状形成在预定的区域内。
这里，在使用显示屏的条件的范围内，优化显示屏所需要的视角亮度分布是重要的。
图10示出了在背投显示器300的水平方向的观看状态。假定观众320在垂直于透射式显示屏306表面的方向与透射式显示屏306的水平方向的一端的距离为D的位置，观看透射式显示屏306的水平方向的另一端。因此，如果透射式显示屏306的水平方向的观看角度在这种情况下被认为是水平方向上最大的水平视角θH，则要求透射式显示屏306在观看角度从0度到最大的水平视角θH的观看范围内具有足够的亮度等级。特别地，要求当从水平方向的最大的水平视角θH观看显示屏时的亮度等于或大于当从0度的观看角度(也就是在光轴方向)观看显示屏时的亮度的50％。
同时，图11示出了背投显示器300的垂直方向的观看状态。假定观众320在垂直于透射式显示屏306表面的方向与透射式显示屏306的垂直方向的一端的距离为D的位置，观看透射式显示屏306的垂直方向的另一端。因此，如果透射式显示屏306的水平方向的观看角度在这种情况下被认为是垂直方向上最大的垂直视角θV，则要求透射式显示屏306在观看角度从0度到最大的垂直视角θV的观看范围内具有足够的亮度等级。特别地，要求当从垂直方向的最大的垂直视角θV观看显示屏时的亮度等于或大于当从0度的观看角度(也就是在光轴方向)观看显示屏时的亮度的50％。
另外，对于主流的16∶9宽的显示屏来说，由于水平尺寸H大于垂直尺寸V，最大水平视角θH大于最大垂直视角θV。也就是，透射式显示屏306所需要的水平方向的观看区域最小宽于垂直方向的观看区域。
另外，在本实施例中，假设从3米的观看距离处观看70英寸宽的显示屏。在这种情况下，最大水平视角θH和垂直水平视角θV分别为27度和16度。如果显示屏尺寸大于70英寸，观看距离与显示屏尺寸的扩展而成比例地延长，而θH和θV为常量。另一方面，如果显示屏尺寸小于70英寸，观看距离随着显示屏尺寸的缩小而成比例地变短，而θH和θV为常量。相对于从较远的位置观看，从上述确定的观察距离处观看时，显示屏具有特别优良的视角亮度分布。
图12示出当透镜点距Pr是100微米(micrometer)时，透镜装置单元170穿过光轴的横截面的一半形状的范围的示意图。垂直轴对应于透镜装置单元170的光轴，代表在光轴方向到透镜的顶点的距离Z。水平轴代表到透镜的中心轴(光轴)的距离r。水平轴和垂直轴的原点(0，0)是透镜装置单元170的光轴和有效透镜表面的交点。
第一透镜曲线200是透镜装置单元170的形状时，透镜装置单元170的透镜光学能力最强，如果平行于光轴的均匀光从透镜的表面入射，显示屏光轴方向相对于出射侧的亮度最大，从有效透镜表面和透镜装置单元170的光轴的交点(0，0)到与透镜装置单元的横截面的边界的距离最大。
第二透镜曲线202是透镜装置单元170的形状时，如果在出射侧观看显示屏，和从光轴方向观察显示屏时的亮度相比，当从在水平方向相对于光轴方向倾斜预定的最大水平视角的方向观看显示屏时的亮度，与从光轴方向观看显示屏时的亮度相比，是一基准的比率，该比率小于1。此处，如上所述，最大水平视角是27度，相对于该基准的比率是50％。
第三透镜曲线204是透镜装置单元170的形状时，如果平行于光轴的均匀光从透镜的表面入射，和从光轴方向观察显示屏时的亮度相比，当从在水平方向相对于光轴方向倾斜最大垂直视角的方向观看显示屏时的亮度，和从光轴方向观看显示屏时的亮度相比，是上述基准的比率，该最大垂直视角是在垂直方向预定的。此处，如上所述，最大垂直视角是16度，与基准的比率是50％。
在使用显示屏的水平方向，透镜穿过透镜装置单元170的中心的横截面的形状相对于第一透镜曲线200和第二透镜曲线202之间设置的区域是凸透镜形状的，该区域包括第二透镜曲线202。从而，透镜装置单元170可以实现在水平方向具有足够的亮度等级的视角亮度分布。
另外，在使用显示屏的垂直方向，透镜穿过透镜装置单元170的中心的横截面的形状相对于第二透镜曲线202和第三透镜曲线204之间设置的区域是凸透镜形状的，该区域不包括第二透镜曲线202。从而，透镜装置单元170可以实现视角亮度分布，其中，在垂直方向的亮度等级既不太高也不太低，尤其在显示屏的前方具有较高的亮度等级。
如果蝇眼透镜171的透镜点距和到每个透镜装置单元170的中心轴的距离分别用Pr和r表示，第一透镜曲线200、第二透镜曲线202、以及第三透镜曲线204分别被限定为如下表和下面的公式所示的第一参数组、第二参数组、以及第三参数组。
zr=Σk=115ak(1Pr)2k-1r2k]]>
其中，Zr是在光轴方向到透镜的顶点的距离，k是对应于上表中各项的从1到15的数字。
图13是示出视角亮度分布的曲线图，其中，折射率是1.4，透镜通过透镜装置单元170的中心的横截面的形状是第一透镜曲线200。水平轴示出相对于光轴方向倾斜的观看角度。垂直轴是示出显示屏对应于观看角度的亮度，其中，当在0度的观看角度(也就是从光轴方向)观看显示屏时的亮度是1。对于第一透镜曲线200的视角亮度分布来说，当在0度的观看角度(也就是从光轴方向)观看显示屏时的亮度最大。另外，在27度的观看角度(最大的水平视角)实现了大于0.5的亮度比率的亮度等级。
相对于透镜的横截面的形状，如果从有效透镜表面和光轴的交点到透镜与相邻的透镜装置单元170的横截面交界在光轴上的距离大于第一透镜曲线200，透镜光学能力强于采用第一透镜曲线200时的透镜光学能力，亮度比率超过大于零度的观看角度处的亮度比率。在这种情况下，当从前方观看时的亮度高于从倾斜方向观看时的亮度，所以，存在视角亮度分布不自然的问题。另外，即使相对于第一透镜曲线200选择折射率高于1.4的材料，亮度比率也会超过透镜光学能力较强和观看角度大于零时的亮度比率。因此，在透镜装置单元170的形状是第一透镜曲线200的情况下，优选使用折射率为1.4的材料。但是，如果折射率小于约1.65，视角亮度也分布在可接受的范围内。
图14是示出在采用第二透镜曲线202、折射率为1.65的情况下的视角亮度分布的曲线图。对于第二透镜曲线202的视角亮度分布，亮度比率在观看角度为27度(最大水平视角)时为0.5。也就是说，通过将透镜在使用显示屏时的水平方向的通过透镜装置单元170中心的横截面的形状设置在第一透镜曲线200和第二透镜曲线202之间，并在包括第二透镜曲线202的区域将其形成凸透镜形状，水平方向的视角亮度分布可以在适当的范围内。
图15是示出在采用第二透镜曲线202、折射率为1.4的情况下的视角亮度分布的曲线图。在这种情况下，在观看角度为27度(最大水平视角)时不能实现亮度比率0.5。从而，如果透镜装置单元170在水平方向的横截面的形状是第二透镜曲线202，透镜材料的折射率优选等于或大于1.65。
同时，对于在第二透镜曲线202的情况下的折射率为1.4的视角亮度分布，在观看角度为16度(最大垂直视角)时能够实现亮度比率0.5。因此，在第二透镜曲线202被用作透镜装置单元170在垂直方向的横截面的形状时，有可能根据垂直方向的观看条件实现亮度的足够等级的视角亮度分布。
图16是示出在采用第三透镜曲线204、折射率为1.65的情况下的视角亮度分布的曲线图。在这种情况下，在观看角度为16度(最大垂直视角)时能够实现亮度比率0.5。另外，如果在采用第三透镜曲线204、折射率小于1.65的情况下，在观看角度为16度时不能实现亮度比率0.5。从而，在透镜装置单元170在垂直方向的横截面是第三透镜曲线204的情况下，理想的是，透镜材料的折射率等于或大于1.65。
也就是，在使用显示屏的垂直方向，通过将透镜通过透镜装置单元170的在垂直方向的横截面设置在第二透镜曲线202和第三透镜曲线204之间，将其在包括第二透镜曲线202的区域中形成凸透镜形状，垂直方向的视角亮度分布能够在合适的范围内。
从以上描述显然可知，在本实施例的透射式显示屏306中，使用时水平方向的视角亮度分布在观看角度上宽于在垂直方向上的视角亮度分布。另外，垂直方向上的亮度分布被限制在既不过大也不过小的范围内，作为显示屏的使用条件被考虑。因此，透射式显示屏306可以具有合适的视角亮度分布，在水平方向和垂直方向具有高等级的亮度。
图17和图18示出了透镜装置单元170的形状部分弯曲时光线的路径。入射到弯曲区域的光线被折射到开口174，但被光屏蔽层173屏蔽，如图17所示。从而，显示屏的透射效率降低，可观看的光的亮度降低。就此点而言，尽管可以通过扩大开口174来增加透射效率，如图18所示，但是，此时，屏蔽产生噪音的外部光的能力降低，存在着减小图像的对比度的问题。因此，理想的情况是，透镜装置单元170的横截面的形状是水平方向或垂直方向的上述区域中的形状，此外，透镜的特定横截面的形状朝外凸起。
图19示出了与相邻的透镜装置单元170的边界区域的形状。由于蝇眼透镜171高效地和有选择地仅射出可被发送的光线，优选地是，透镜的形状是朝向透镜装置单元170的边界区域的外侧的曲面。在这种情况下，然而，透镜装置单元170的边界区域是不连续的并具有陡沿，如图19A所示。这样的陡沿造成诸如制造蝇眼透镜308时的边际损失的问题。因此，对于透镜边缘而言，需要连接透镜装置单元170的边界，使得它们变得连续和具有曲面，如图19B所示。
然而，如果透镜装置单元170的边界被连续连接并具有曲面，入射到边界区域的光线不能通过开口174，透射效率降低。从而，理想地是，代表透镜装置单元170的边界区域的范围的ΔPr的值尽可能小。尽管蝇眼透镜171或其制造方法要求改变量ΔPr最小，优选其满足以下关系ΔPr＜1/10Pr，其中Pr是透镜点距。
图20示出透镜装置单元170的第一结构实例。蝇眼透镜171中的透镜装置单元170的边界形状由每个透镜装置单元170的结构确定。例如，如图20所示，如果透镜装置单元170被设置为使得当从光轴方向观看时透镜装置单元170的边界形状是圆形的，那么，在蝇眼透镜171中存在对于透镜来说是无效的空间151。由于入射到空间151的光线被蝇眼透镜171的出射侧上的光屏蔽层173吸收，蝇眼透镜171的透射效率降低。
但是，优选通过将多个透镜装置单元靠近设置来去除空间151。如果靠近设置多个透镜装置单元，则根据设置结构，透镜装置单元170的边界形状是多边形，例如，三角形、四边形、六边形、八边形。
图21和图22分别是示出从光轴方向观看是六边形状的蝇眼透镜171的示意图和从偏离光轴的方向观察的立体图。根据这种结构，不存在空间151，透射效率高。
下面，将说明制造蝇眼透镜装置308的方法。通过应用制造双凸透镜或菲涅尔透镜的传统方法或使用下述的新方法可以实现制造根据本实施例的蝇眼透镜装置308的方法。
理想的情况是，透镜材料至少传输可见光，其折射率的范围为从约1.4到1.65。例如，可以采用已知的热固树胶、光固树脂、热塑树脂、玻璃等。也就是，可以采用以下方法通过将填充到阴模中的树脂用作基底材料的方法；将诸如紫外固化树脂的光固树脂均匀地涂覆到基底材料上，用光线照射将被形成透镜的部分使其硬化，并除去非必要的部分，机械地切割基底材料的表面并形成透镜的形状的方法；将这些方法结合起来的方法等。
其中通过将透镜材料填充到阴模和基底材料之间进行模塑的方法是最有效和最可行的，优选用来制造蝇眼透镜171。也就是，如图3所示，基底材料172是透明塑料膜，设置在蝇眼透镜171和在透镜的表面的相对侧上的光屏蔽层173之间。
对于用于制造阴模的方法，已知有对其上部分形成有掩模的玻璃进行蚀刻、切割/机床加工、光刻技术、MEMS(Micro-machine，微机械)等，可以使用它们中的任意一种。在这种情况下，尽管阴模可以被形成盘状的，在基底材料172具有可塑性的情况下优选使用作用成形阴模(role-shaped female die)。在使用作用成形阴模的情况下，使用具有可塑性的基底材料可以在其宽广的区域连续形成蝇眼透镜171。从而，可以非常高效地制造蝇眼透镜171。
另外，可以使用以下方法，即，层压诸如紫外固化树脂的能量射线固化树脂，仅用诸如紫外线的固化能量照射所需要的部分，使得所需要的部分硬化，除去没有硬化的部分。
对于透镜材料，光固化树脂由于其可加工性、精确成形、以及生产工具简单而非常理想。特别地，如果基底材料172是薄塑料膜，则考虑到可加工性、精确成形、以及生产工具简单性，优选将可被光线固化的光固化树脂(特别是紫外固化树脂)用作透镜材料。通过改变光固化树脂组分(诸如单体、预聚物、聚合体、光聚合引发剂等)可以调整光固化树脂的属性。
尽管优选用作构成光固化树脂的一种组分的单体和预聚物基本上包括至少一个官能团，如果起作用的固化能量射线是紫外射线，除了主要的组分之外，有必要用固化能量射线照射以增加产生离子或原子团的属性，称之为光聚合引发剂(photopolymerizationinitiator)。
这里，尽管官能团是指原子团或诸如乙烯基团、羧基团、羟基团等键合模式，其是反应的原因，但考虑到固化属性，优选使用具有诸如丙烯酰基团的乙烯基团的物质，原因在于在本发明中可以通过用固化能量射线照射来硬化树脂合成物。
可以从已知的单体中适当地选择并使用这样具有丙烯酰基团的单体，但不局限于此。作为典型的例子，可以选用单官能团物质，诸如丙烯酸-2-乙基己酯、丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸-2-羟基丙酯、四氢糠基酯及其丙烯酸酯衍生物；可以选用双官能团物质，诸如丙烯酸双环戊烯基酯、1，3-丁二醇二丙烯酸酯、1，4-丁二醇二丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、(7-羟基新戊酸新戊二醇酯)的酯及其二丙烯酸酯衍生物、三丙二醇二丙烯酸酯、二羟甲基三环癸烷二丙烯酸酯(dimethyloltricyclodecane diacrylate)；以及三官能团或更多官能团物质，例如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(trimethylolpropane triacrylate)、季戊四醇三丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯。
理想的是，在上述单体中使用三官能团或更低数量官能团的物质，原因在于，薄膜固化后的硬度为HB或更低，从而使得可塑性优良、交联密度小，又因为很多物质的体积收缩率低，使得弯曲阻抗优良。
除了上述的单体外，在本实施例中，预聚物经常和单体一起使用。并不将在本实施例中使用的预聚物特别限制为和单体一样。其通常是丙烯酸聚酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸氨基甲酸乙酯等，以及具有三官能团或更低数量官能团的物质，考虑到体积收缩率、可塑性等因素，优选使用具有双官能团或三官能团的物质。
尽管并不对光聚合引发剂进行特别的限制，但是通常可以采用诸如苯乙酮、羰基化合物、苯并苯、米希勒酮、苯甲基、苯偶姻、苯偶姻醚、苯甲基二甲基缩酮、苯酸苯偶姻酯(benzoin benzoate)、α-酰基肟酯等的羰基化合物，诸如一硫化四甲基秋兰姆、噻吨酮等的含硫化合物，或者诸如2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基环氧化膦(2，4，6-trimethyl benzoyl diphenyl phosphine oxide)等的含磷化合物，这些物质可以被单独使用，也可以两种或多种混合使用。
理想的是，待添加的光聚合引发剂为每100重量份单体和/或预聚物组分中有0.1至20重量份(也就是，重量百分比为0.1％-20％)，优选为0.5至15重量份(也就是，重量百分比为0.5％-15％)。非理想的情况是，如果光聚合引发剂低于上述范围，则固化特性较差，如果其超过上述范围，则在固化后会发生渗出。
另外，在本实施例中，为了在树脂化合物的固化之前、过程中、或之后，控制树脂的特性和属性以及固化膜的特性和属性，可以使用各种添加剂。此处，作为在固化前控制特性和属性的材料，可以使用涂层稳定剂(防止胶凝、防止固化)、增稠剂(改善被覆性能)等。另外，作为在固化过程中控制特性和属性的材料，可以采用光聚合助催化剂、光吸收剂(均用于调整固化性能)等。另外，作为在固化后控制薄膜属性的材料，可以使用增塑剂(可塑性改善)、UV-吸收剂(抗光性)等。
此处，可以将聚合物增加到本实施例中使用的可光致固化树脂，用于增加强度、可塑性、抗弯曲度等。并不对这种聚合物进行特别限制，可以采用众所周知的聚合物、聚脂树脂、丙烯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等。考虑到耐用性、粘附性等因素，在这些聚合物中，特别优选使用含氯的聚合物。含氯的聚合物可以分成两类含氯的单体聚合物，例如，聚乙烯氯化物(polyvinyl chloridepolyvinylchloride)及其共聚物，聚乙二烯氯化物及其共聚物，氯丁二烯橡胶；通过对各种聚合物进行氯化处理所得到的所谓过氯化化合物，例如氯化聚丙烯、聚氯乙烯、聚氯乙烯酯、氯化橡胶、含氯的聚异戊二烯等。在本实施例中优选使用过氯化化合物。
尽管并不对用于对聚合物进行氯化处理的方法进行特别的限制，但是，以下生产方法是最简单的，在诸如四氯化碳、氯仿等氯基溶液中溶解橡胶或聚合物，在40摄氏度至90摄氏度的温度执行氯化处理，进行蒸馏、洗涤、和烘干等。氯化聚合物的量为每100重量份的单体和预聚物中的10至100重量份，优选为20至60重量份。非理想的是，如果氯化聚合物的量小于上述范围，则添加物的效率较低，如果氯化聚合物的量超过上述范围，可光致固化树脂的光敏性降低。
在本实施例中，作为设置在蝇眼透镜171和光屏蔽层173之间的基底材料172，优选使用塑料板或薄膜。此处，作为塑料膜的材料，可以采用丙烯酸树脂、甲基丙烯树脂(metacryl resin)、聚苯乙烯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚醚、砜(sulfone)、马来酰亚胺树脂、聚氯乙烯、聚(间位)丙烯酸酯(poly(meta)acrylic ester)、三聚氰胺甲醛树脂、三乙酰纤维素树脂、降冰片烯树脂等。另外，尽管可以使用其共聚物、混合材料或另外的关联材料，在这些聚酯薄膜中，考虑到诸如透明度等的光学属性的差异和机械强度，优选使用双向拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(biaxially orientedpolyethylene telephtalate film)。
上述用于制造蝇眼透镜171的方法适用于在焦距相对于排列间隔较小的情况下的蝇眼透镜，例如，透镜装置单元170的点距等于或小于200微米和焦距等于或小于200微米。特别地，如果透镜装置单元170的点距等于或小于100微米，其适于在焦距小于排列间隔的情况下精确和稳定地制造蝇眼透镜板。
当光屏蔽层173的开口174被精确地设置在与透镜装置单元170的光轴匹配的位置处时，可以实现外部光线反射的有效缩小值(effective reduction)。也就是，开口174的位置与透镜装置单元170的光轴的精确对准是控制蝇眼透镜装置308的光学属性的重要因素。从而，有必要精确地控制透镜装置单元170和光屏蔽层173之间的位置关系。
使用已知的公开技术进行单元对准可以解决这一问题。因此，由于通过相对于透镜装置单元170的单元对准操作，形成开口174，尽管在测量蝇眼透镜171时有一些改变，但是，高精确度地和容易地控制蝇眼透镜和光屏蔽层之间的位置关系是可能的。另外，即使蝇眼透镜板具有超过100平方厘米的较大面积，也有可能精确维持开口174和透镜装置单元170之间的位置关系，可以高效地制造透射率和对比度优良的蝇眼透镜板。
可以根据所获得的蝇眼透镜板的属性，不同地选择蝇眼透镜171上射出的能量射线的平行度和蝇眼透镜表面的均匀度。为了获得对应于透镜装置单元分布图案的多条能量射线的密度分布，当用全部宽度的最大值的一半表示时，使用平行度为6度或更低的能量射线。另外，在考虑到均匀度的情况下，理想的是，在照射表面中的任意9个点上的照射强度的最小值等于或高于其最大值的80％。
然而，在这种方法中，实际使用时，照射的能量射线(诸如紫外射线)的路径和可见光的路径通常根据蝇眼透镜171和基底材料172的折射率的波长关系而不同。为了修正这种差别(差值)，可以使照射的光具有合适的漫射度，可以同时采用从透镜装置单元170的光轴在±10度的范围扫描和曝光(暴露)的方法。
特别地，通过以下步骤形成带有开口174图案的光屏蔽层173应用光敏树脂合成物(此后，又称之为正性光敏树脂)，光敏树脂合成物在溶剂中的溶解度根据蝇眼透镜171的透镜表面的相对侧上的能量射线而增加，通过透镜表面的曝光，仅溶解和去除光敏部分。
在这种情况下，优选采用以下方法，在蝇眼透镜171的透镜表面的相对侧上涂覆具有光敏性的正性树脂合成物，用垂直于透镜装置单元170的光轴的能量射线照射透镜，利用聚光机制溶解和去除不需要的部分。光敏树脂合成物层可以是单层结构也可以是多层结构，在采用单层结构时，层本身是具有光敏性的正性光敏树脂层，采用多层结构时，至少具有一个正性光敏树脂层和一个具有光敏性的正性树脂层。作为对后一方法的具体化，可以采用以下方法(1)将至少一个正性光敏树脂层形成为第一层以及将具有光敏性的正性树脂合成物层形成为第二层和随后的层(在第二层之后的层)，其中第一层、第二层、和随后的层在暴露给光的一侧顺序设置。
(2)将有光敏性的正性树脂合成物层形成为第一层，将至少一个正性光敏树脂层形成为第二层和随后的层。
基于开发容易的事实，优选采用方法(2)，另外，考虑到生产效率，理想的情况是，在显影剂中溶解具有光敏性的树脂合成物，溶解并去除曝光的正性光敏树脂。
在形成具有高精确度的光屏蔽层的布置图案的过程中，理想的是，增加曝光强度分布的对比度。从而，尽管要求光屏蔽层173设置在由透镜装置单元170的透镜形状确定的焦点处，通过调整设置在蝇眼透镜171和光屏蔽层173之间的基底材料172的厚度，可以容易地、精确地控制蝇眼透镜171和光屏蔽层173之间的距离。另外，可以容易地、精确地形成开口174的设置图案。
另外，光屏蔽层173由已知的材料构成，这些材料例如金属膜、其氧化物、添加有染料或涂敷材料的树脂合成物等。在这些材料中，优选使用添加有染料或涂敷材料的树脂合成物，其可以吸收产生噪声的外部光。理想的是，光屏蔽层173在可见光下为黑色。例如，优选使用树脂合成物，在树脂合成物中分散或溶解有诸如碳黑、钛黑等的颜料或黑色染料。另外，在使用染料的情况下，考虑到耐光性，优选使用对光的颜色坚牢度为5或更高的黑色染料，考虑到可分散性、与树脂的兼容能力、多功能性，更优选使用含氮的黑色染料。另外，作为用于分散或溶解上述颜料或染料的树脂成分，可以使用诸如丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酯、酚醛清漆树脂、聚酰胺、环氧树脂等。
根据上述制造方法，可以比常规方法更高精确度和更高生产率地获得蝇眼透镜装置308。
另外，蝇眼透镜装置308的硬度仅靠基底材料172的厚度和硬度可能是不够的。特别地，如果100微米或更小厚度的塑料膜用于基底材料172，当施加压力以支撑蝇眼透镜装置308时，蝇眼透镜板延伸，使得难以支撑其。
在这种情况下，如图23所示，优选通过粘合剂或粘附层183粘附第二透明支撑板184，以增加蝇眼透镜装置308的硬度。考虑到增加硬度的目的，理想的情况是，第二透明支撑板184的抗挠刚度等于或强于第一透明塑料膜的抗挠刚度。此处，抗挠刚度是指抗弯刚度，测试方法遵循JIS K-7106。和第一透明塑料膜一样，第二透明支撑板184采用至少可透过可见光的板状基底材料，可以被附着至光屏蔽层173侧或被附着至蝇眼透镜171的透镜表面侧。
另外，为了减少用于投射待投射图像的光源的反射、斑点、波纹(moiré)，可以使附着到光屏蔽层侧的透明支撑板184具有光漫射作用。可采用以下已知方法使透明支撑板184具有光漫射属性(1)在诸如聚酯、聚碳酸酯、丙烯等的薄膜上涂敷涂料，涂料是通过分散和混合诸如TiO2，SiO2的无机化合物和诸如粘合剂中的聚苯乙烯(透明树脂)的高分子材料形成的，薄膜的透光性非常优良(透光率为80％或更高)，并将漫射膜附着到蝇眼透镜装置308的平面上。
(2)将涂料直接涂敷到蝇眼透镜装置308的平面上，而不将其涂敷和形成到薄膜上。
(3)分散和混合没有形成涂料的无机化合物到蝇眼透镜171。
(4)对蝇眼透镜装置308的出射面进行诸如消光处理(matprocess)、细纹处理(hairline process)等的机械处理。
支撑板184能够使蝇眼透镜308具有硬度，并保护光屏蔽层173。另外，通过在支撑板184的观众侧提供防反射涂层或防斑点涂层，可以减少显示屏表面上外部光线的反射。结果，可以省略结合图2描述的前板312。在支撑板184的观众侧上提供防反射涂层是在蝇眼透镜装置308的出射侧上形成防反射涂层的示范性实施例。作为在蝇眼透镜装置308的出射侧上形成防反射涂层的另一实施例，可以通过溅射或沉积形成直接覆盖如图3所示的光屏蔽层173的开口174的防反射涂层。
图24示出了不包含前板312的透射式显示屏306的结构。在本实施例中，至少在透射式显示屏306的蝇眼透镜装置308的光出射侧(观众侧)上形成防反射涂层。从而，由于没有前板312，所以可以减少显示屏表面上的外部光的反射。另外，通过在入射侧上形成防反射涂层，减少了蝇眼透镜装置308的透镜表面上的入射光的反射，增加了透射效率。在另一实施例中，仅在蝇眼透镜装置308的入射侧形成防反射涂层。
可以采用将包含防反射剂的液体涂敷或喷射到蝇眼透镜装置308的方法来形成防反射涂层。可选地，可以通过沉积，将防反射剂粘附到蝇眼透镜装置308。根据这些方法，可以按照想要的程度在蝇眼透镜装置308上形成防反射涂层。另外，可以通过所谓的浸涂法，将蝇眼透镜装置308浸泡在包含防反射剂的液体物质中，从而形成防反射涂层。通过浸涂法，可以高效率地在蝇眼透镜装置308的两侧形成防反射涂层。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种透射式显示屏，包括蝇眼透镜，包括多个透镜装置单元，每个透镜装置单元的一侧具有凸透镜形状；以及光屏蔽层，设置在所述蝇眼透镜的透镜表面的相对侧上，具有多个设置在所述多个透镜装置单元的每个焦点的附近的开口，其中，当使用所述显示屏时，所述多个透镜装置单元中的每个在水平方向的横截面相对于设置在第一透镜曲线和第二透镜曲线之间的区域是任意的凸透镜形状，所述横截面通过所述多个透镜装置单元的每个的中心，所述区域包括所述第二透镜曲线，其中，对于所述第一透镜曲线，当垂直于所述透镜装置单元的光轴的均匀光入射到所述透镜表面上时，所述显示屏的出射侧在所述透镜装置单元的光轴方向上的亮度最高，所述透镜装置单元的横截面上在光轴方向上的、从所述透镜装置单元的有效透镜表面和所述光轴之间的交点到与相邻的一个所述透镜装置单元的边界的距离最长，其中，对于所述第二透镜曲线，当在所述出射侧观看所述显示屏时，从相对于所述光轴方向倾斜最大水平视角的方向观看所述显示屏时的亮度，相对于从所述光轴方向观看所述显示屏时的亮度是一基准的比率，所述比率小于1，所述最大水平视角是在水平方向预定的，以及当使用所述显示屏时，所述多个透镜装置单元中的每个在垂直方向的横截面相对于设置在所述第二透镜曲线和第三透镜曲线之间的区域是任意的凸透镜形状，所述横截面通过每个所述透镜装置单元的中心，所述区域不包括所述第二透镜曲线，其中，当垂直于所述光轴的均匀光入射到所述透镜表面上时，从相对于所述光轴方向倾斜最大垂直视角的方向观看所述显示屏时的亮度，和从所述光轴方向观看所述显示屏时的亮度相比，是所述基准的比率，所述最大垂直视角小于所述最大水平视角，所述最大垂直视角是在垂直方向预定的。
2.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，所述最大水平视角是27度，所述最大垂直视角是16度，所述基准的比率是50％。
3.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，所述第一透镜曲线对应于当将折射率比较小的透明塑料材料用于所述蝇眼透镜时的透镜形状。
4.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，所述第二透镜曲线对应于当将折射率比较大的透明塑料材料用于所述蝇眼透镜时的透镜形状。
5.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，所述第三透镜曲线对应于当将折射率比较大的透明塑料材料用于所述蝇眼透镜时的透镜形状。
6.根据权利要求4所述的透射式显示屏，其中，用于所述蝇眼透镜的材料的折射率为1.65。
7.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，如果将折射率比较小的透明材料用于所述蝇眼透镜，则所述第二透镜曲线是一透镜形状，采用所述透镜形状时，在所述垂直方向以最大视角观看所述显示屏时的亮度，与从所述光轴方向观看时的亮度相比，等于或大于所述基准的比率。
8.根据权利要求3所述的透射式显示屏，其中，用于所述蝇眼透镜的材料的最小折射率是1.4。
9.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，如果所述蝇眼透镜的透镜点距Pr以及到每个所述透镜装置单元的中心轴的距离分别用Pr和r表示，那么分别将所述第一透镜曲线、所述第二透镜曲线、和所述第三透镜曲线定义为下面的表格和公式示出的第一参数组、第二参数组、和第三参数组zr=Σk=115ak(1pr)2k-1r2k]]>
其中，Zr是在所述光轴方向上到所述透镜顶点的距离，k是对应于上表中各项的从1到15的数字。
10.根据权利要求1所述的透射式显示屏，还包括朝向所述蝇眼透镜的透镜表面的菲涅耳透镜。
11.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，在所述蝇眼透镜的出射侧上形成有防反射涂层。
12.根据权利要求11所述的透射式显示屏，其中，在所述蝇眼透镜的入射侧上也形成有防反射涂层。
13.根据权利要求1所述的透射式显示屏，其中，在所述蝇眼透镜的入射侧上形成有防反射涂层。
14.一种透射式显示屏，包括蝇眼透镜，包括多个透镜装置单元，每个透镜装置单元的一侧具有凸透镜形状；以及光屏蔽层，设置在所述蝇眼透镜的透镜表面的相对侧上，具有多个设置在所述多个透镜装置单元的每个焦点的附近的开口，其中，如果垂直于所述透镜装置单元的光轴的均匀光入射到所述透镜表面上，则使用所述显示屏时从相对于所述透镜的光轴在水平方向倾斜预定角度的方向观看时的亮度，大于使用所述显示屏时从在垂直方向倾斜与在所述水平方向倾斜的角度相同的角度的方向观看时的亮度。
全文摘要
本发明提供了透射式显示屏(306)，包括蝇眼透镜(171)，其一侧为凸透镜形状；光屏蔽层(173)，设置在蝇眼透镜(171)的透镜表面的相对侧，具有多个设置在多个透镜装置单元(170)的每个焦点的附近的开口(174)，其中，如果垂直于透镜装置单元(170)的光轴的均匀光入射到透镜表面上，则使用显示屏时从相对于该透镜装置单元(170)的光轴方向在水平方向倾斜预定角度的方向观看时的亮度，大于从使用显示屏时在垂直方向倾斜与在水平方向倾斜的角度相同的角度的方向观看时的亮度。
文档编号H04N5/72GK1627182SQ200410086900
公开日2005年6月15日 申请日期2004年11月3日 优先权日2003年11月3日
发明者药师寺谦一, 安达圭辅 申请人:株式会社有泽制作所