投影荧光屏和投影显示器的制作方法

专利名称：投影荧光屏和投影显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影荧光屏，特别是适用于观看成像光的投影荧光屏，所述成像光是从蜂窝结构的成像光源，例如LCD(液晶显示器)或DMD(数字微镜面装置)倾斜投影到荧光屏上，并涉及包括投影荧光屏的投影显示器。
背景技术：
通常都知道，作为背投式显示器(背投式电视)，它是使用红、绿和蓝三种色彩的CRT做成像光源的投影显示器，在成像光源中，从这样的成像光源发射的成像光投影在透射投影荧光屏的背面产生图像，从观众侧观看。
在这种投影荧光屏中使用的投影荧光屏通常由菲捏耳透镜片和双凸透镜片组成，使成像光源发射的成像光形成一幅图像，并作为定向扩散光向观众出射。
具体地说，例如，如图20所示，投影荧光屏300包括在它出射的那面和菲捏耳透镜片301的观众那面形成的带有圆形的菲捏耳透镜302的菲捏耳透镜片301，在它的入射面形成水平扩散的双凸透镜304的双凸透镜片303。在双凸透镜片303的出射面配备有光出射透镜305和黑条纹306。
其中的菲捏耳透镜片301上的菲捏耳透镜302可以通过对透明树脂材料，例如丙烯酸树脂，以预定的角度和预定的间隔开槽获得，并具有向观众侧聚光的功能和将从菲捏耳透镜片301背面的成像光源(图中未示出)发射的成像光沿径向扩散的功能。在双凸透镜片303上的双凸透镜304可以通过形成柱面组合透镜获得，使它们在一个平面上沿纵向有规则地扩展，并具有主要在水平方向扩散的功能，通过菲捏耳透镜片301对成像光聚光，使光作为定向扩散光沿水平方向出射。
与此同时，用蜂窝结构的成像光源，例如LCD或DMD的单透镜模式的投影显示器代替上述使用红、绿和蓝三色的CRT投影显示器，并且在单透镜模式的投影显示器中，从这样的成像光源发射的成像光投影到透射投影荧光屏的背面，产生的图像可以从观众侧观看，近年来，对这种单透镜模式的投影显示器的需求在不断增长。
迄今为止，这样一种单透镜模式的投影显示器通常采用的投影模式是，成像光从它的背面几乎是垂直于投影荧光屏地投影到投影荧光屏。所述模式的投影显示器的缺点是，由于它需要的深度近似等于通常的CRT投影显示器的深度，使它不能做得更小。
在这些情况下，有人建议一种投影显示器，在所述投影显示器中，从成像光源发射的成像光是倾斜投影到投影荧光屏上的，以便使显示器在不损害图象质量的情况下大大地小于通常的显示器(见日本公开特许公报No.208041/1986和No.180967/2000)。
这样的投影显示器，在它的入射面上具有一组三角形横截面的单元棱镜(全反射棱镜透镜)作为将成像光聚光成倾斜入射到投影荧光屏上的光学装置；每一个单元棱镜的第一平面(入射平面)将入射成像光折射，单元棱镜的第二平面(全反射平面)将折射光全部反射，使反射光从投影显示器的出射面出射。
在具有这种全反射棱镜透镜的投影荧光屏中，在靠近成像光源一侧的区域(在单元棱镜在同心圆中心周围，而不是在荧光屏的平面上，在靠近所述同心圆中心一侧的区域同心扩展的情况下)中，在成像光的入射角(成像光与荧光屏的夹角)较小时，成像光入射在全反射棱镜透镜310的每一个单元棱镜311的入射面311a上的一部分，在单元棱镜311的全发射平面311b上没有全发射，并且如图21所示，通过该平面的光变成了杂光，它将产生双图像(重影)问题。在图21中，参考字符L11表示变成寻常光的成像光部分的光路，参考字符L12表示变成杂光的成像光部分的光路。因此，当每一个单元棱镜311具有较大的顶角λ时，产生的杂光量较大，当每一个单元棱镜311具有较小的顶角λ时，产生的杂光量较小。
另一方面，在具有上述全反射棱镜透镜的投影荧光屏中，在远离成像光源一侧的区域(在单元棱镜在同心圆中心周围，而不是荧光屏上，在远离所述同心圆中心一侧的区域同心扩展的情况下)中，在成像光的入射角大时，每一个单元棱镜311都有一个较小的顶角λ，它的入射面311a得到反锥形，如图22所示。因此，存在这样一个问题，成像光入射在每一个单元棱镜311的入射面311a上的部分，在单元棱镜311的全反射面311b上被全发射，并且在入射面311a上再次被反射变成杂光，引起成像光的损失。在图22中，参考字符L21表示变成寻常光的成像光部分的光路，参考字符L22表示变成杂光的成像光部分的光路。而且，还存在这样的问题，如果单元棱镜311的入射面311a为反锥形，那么生产在模制单元棱镜311时使用的模具就很困难，并且在模制透镜过程中单元棱镜也难以脱模。而且，在用切割模具材料生产单元棱镜311的模制过程中使用的模具的情况下，要将模具成型成与单元棱镜311的入射平面311a的反锥形也是困难的，这样，单元棱镜311的入射平面311a就变成了带有在切割过程产生的瑕疵的粗糙面。这种情况将引起如下问题单元棱镜311的入射平面311a为镜面的区域和单元棱镜311的入射平面311a为粗糙面的区域都存在于荧光屏上，使得荧光屏上产生的图像在两个区域之间的边界上出现不一致，因而看起来不规则。
因此，通常的投影荧光屏具有以下缺点由于它们的成像光的入射角范围窄，并因产生杂光等引起成像光的损失，因此，它们很容易降低荧光屏的亮度和对比度。
本发明慨述本发明是针对技术背景中的上述缺点而完成的。本发明的一个目的，就是通过增大成像光入射角的允许范围，在所述范围里成像光不会因产生杂光等引起损失，提供一种投影荧光屏和投影显示器，与成像光源的成像光几乎垂直投影在投影荧光屏上获得的图像相比，它们不会降低荧光屏表面的亮度和对比度，能显示高质量图像。
本发明提供一种投影荧光屏，它使从投影荧光屏背面的投影光学系统倾斜投影的成像光可以向投影荧光屏的观众一侧出射，投影荧光屏包括全反射棱镜透镜，所述全反射棱镜透镜具有设置在成像光入射平面的背面的多个单元棱镜，每一个单元棱镜具有对入射光进行折射的第一平面和对第一平面折射的光进行全反射的第二平面，其中，每一个单元棱镜具有一个与第一和第二平面之间夹角对应的顶角，并且单元棱镜在荧光屏上的顶角随每一个单元棱镜的位置变化。
在本发明中，单元棱镜最好围绕一个不在荧光屏平面上的同心圆中心同心扩展。而且，单元棱镜最好做成有变化的顶角，使得远离同心圆中心一侧的顶角比靠近同心圆中心一侧的顶角更大。此外，单元棱镜的顶角最好在30°和45°之间变化。单元棱镜的顶角最好随单元棱镜的位置，从靠近同心圆中心的一侧到远离所述中心的一侧连续变化。
除此之外，在本发明中，全反射棱镜透镜最好具有第一顶角固定区，在所述区里单元棱镜具有固定在预定的第一角上的顶角；第二顶角固定区，其位置与第一顶角固定区的位置不同，并且在所述区里，单元棱镜具有固定在预定的第二角上的顶角，第二角与第一角不同；及顶角变化区，它位于第一和第二顶角固定区之间，并且在所述区中，单元棱镜具有的顶角随荧光屏上的位置不同在第一和第二角之间变化。
在上述情况下，上述顶角变化区最好包括第一顶角变化部分，在所述部分中单元棱镜具有仅仅随单元棱镜的第一平面与荧光屏之间的夹角变化而变化的顶角，单元棱镜的第二平面与荧光屏之间的夹角保持不变。而且，顶角变化区最好还包括位于第一顶角变化部分和第一顶角固定区之间的第二顶角变化部分，在所述部分中，单元棱镜具有随单元棱镜的第一平面与荧光屏之间的夹角、和单元棱镜的第二平面与荧光屏之间夹角的变化而变化的顶角；及位于第一顶角变化区和第二顶角固定区之间的第三顶角变化部分，在所述部分中，单元棱镜具有随单元棱镜的第一平面与荧光屏之间的夹角、和单元棱镜的第二平面与荧光屏之间的夹角的变化而变化的顶角。
另外，在本发明中，每一个单元棱镜的第一平面最好具有一个0°或大于0°至垂直于荧光屏的斜角(draft angle)。而且，单元棱镜的第一平面最好具有其粗糙度在整个荧光屏平面上均匀的表面。
而且，在本发明中，投影荧光屏最好还包括对穿过全反射棱镜透镜的光进行扩散的双凸透镜，它安装在全发射棱镜透镜的观众一侧。
在这种情况下，双凸透镜最好具有多个半椭圆形或梯形截面的单元棱镜。
梯形截面的单元棱镜最好是这样排列，使得每一个梯形的低底边和高基边分别面向入射面和出射面；在每两个相邻的单透镜之间产生V形截面；单元棱镜是由具有预定折射率的材料制成；每两个相邻的单透镜之间产生的那些部分是由折射率比制造单透镜的材料的折射率低的材料制成；以及单元棱镜之间的界面和每两个相邻的单元棱镜之间产生的部分都对光产生全反射。此外，V形截面部分最好对从投影荧光屏的观众一侧进入的光具有光吸收特性。另外，V形截面部分最好由树脂与光吸收粒子混合制成。
另外，在本发明中，最好把全反射棱镜透镜和双凸透镜做成一片镜片。
另外，在本发明中，投影荧光屏最好还包括对通过全反射棱镜透镜(或全反射棱镜透镜和双凸透镜)的光进行扩散的扩散镜片，扩散镜片应安装在全反射棱镜透镜(或双凸透镜)的观众一侧。
另外，在本发明中，投影荧光屏最好还包括一个功能层，它包括从由减反射层、硬涂膜层、防静电层、遮光层、防腐蚀层和传感器层组成的组中至少选择的一层。
本发明也提供一种投影显示器，它包括上述投影荧光屏和将成像光倾斜投影到投影荧光屏的投影光学系统。
根据本发明，在投影荧光屏中，位于它背面的投影光学系统将成像光倾斜投影到它上面，通过提供一个其背面有多个成像光入射在其上的单元棱镜的全反射棱镜透镜，就能够校正入射面(背面)上从投影光学系统倾斜投影的成像光的光轴，并使成像光朝观众一侧出射。在本发明中，单元棱镜制成有随在荧光屏上的位置而变化的顶角。特别是，例如，在单元棱镜围绕不在荧光屏平面上的同心圆中心扩展的情况下，单元棱镜的顶角在某个角度范围内变化(例如，30°或更大和45°或更小)，使得远离同心圆中心的一侧的顶角大于靠近同心圆中心一侧的顶角。换句话说，在靠近投影光学系统一侧的区域，成像光的入射角很小，单元棱镜制成有较小的顶角，而在远离投影光学系统一侧的区域，成像光的入射较大，单元棱镜制成具有较大的顶角。因此，就能增大成像光的入射角的允许范围，在所述范围里成像光不会出现因产生杂光等而引起损失，因此，能够获得一种不会降低荧光屏表面亮度和对比度的投影荧光屏和投影显示器，并能获得可与投影光学系统的成像光几乎垂直投影在投影荧光屏上所获得的图像相比美的高质量图像。
另外，根据本发明，通过在全反射棱镜透镜上提供第一顶角固定区，在所述区中，单元棱镜具有固定在预定的第一角的顶角固定区，其位置与第一顶角固定区不同的第二顶角固定区，在那里，单元棱镜具有固定在预定的与第一角不同的第二个角上的顶角，以及位于第一和第二顶角固定区之间的顶角变化区，在所述区中，单元棱镜具有在第一和第二角之间随荧光屏上的位置变化的顶角，就能够改变部分荧光屏(不是整个荧光屏)上的全反射棱镜透镜的单元棱镜的顶角。到这时，就能容易地制造一个在全反射棱镜透镜模制使用的模具，以及投影荧光屏和投影显示器，两者都能保证高的图像质量，因而能够获得更低的成本。
另外，根据本发明，通过在全反射棱镜透镜上的顶角变化区提供一个第一顶角变化部分，其中的单元棱镜具有只随单元棱镜的第一平面与荧光屏之间的夹角变化而变化的顶角，单元棱镜的第二平面与荧光屏之间的夹角保持不变，以及在第一顶角变化部分和第一顶角固定区之间、以及在第一顶角变化部分和第二顶角固定部分之间分别提供第二顶角变化部分和第三顶角变化部分，其中单元棱镜具有随第一平面与荧光屏之间的夹角和第二平面与荧光屏平面之间夹角的变化而变化，就能够进一步使上述区域之间的边界不明显，因而能够获得更高的图像质量。
另外，根据本发明，通过使每一个单元棱镜的第一平面具有0°或大于0°至垂直于(正交于)荧光屏的斜角(draft angle)，就能够防止产生杂光，因而就能够防止成像光的损失。此外，在这种情况下，由于在单元棱镜模制使用的模具没有包括反锥形部分，模具的制造就更简单，而且，单元棱镜就可以在透镜的模制过程中免除模具。
另外，根据本发明，通过使单元棱镜第一平面的表面粗糙度在整个荧光屏上都均匀，就可以防止荧光屏上的图像中出现不均匀，使观众可以看到高质量的图像。
附图的简要说明

图1是包括本发明第一实施例的投影荧光屏的投影显示器透视图；图2是图1所示的投影荧光屏主要部分的透视图；图3是说明图1所示投影荧光屏的全反射棱镜透镜中成像光的光路图；
图4是说明图1所示投影荧光屏的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的顶角和成像光入射角之间关系的简图；图5是说明图1所示的投影荧光屏的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和顶角之间关系的简图；图6A和6B是说明图1至图5所示的投影荧光屏的第一次改进的视图；图7是说明图6A和6B所示的投影荧光屏的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和顶角之间关系的简图；图8是表示图6A和6B所示的投影荧光屏的全反射棱镜透镜中，成像光的入射和每一个单元棱镜的透镜角之间关系的简图；图9A和9B是说明图1至图5所示的投影荧光屏的第二次改进的视图；图10是说明图9A和9B所示的投影荧光屏的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和顶角之间关系的简图；图11是包括本发明的第二实施例的投影荧光屏的投影显示器的透视图；图12是图11所示的投影荧光屏主要部分的透视图；图13是取自图12中沿线XIII-XIII的截面视图；图14是包括本发明第一或第二实施例的投影荧光屏的投影显示器的第一个组装实例的视图；图15是包括本发明第一或第二实施例的投影荧光屏的投影显示器的第二个组装实例的视图；图16是包括本发明第一或第二实施例的投影荧光屏的投影显示器的第三个组装实例的视图；图17是实例1至3的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和顶角之间关系的简图；图18是实例4和5的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和顶角之间关系(它们之间在单元棱镜的顶角变化的区域附近的关系)的简图；图19是实例4和5的全反射棱镜透镜中，每一个单元棱镜的位置和透镜角之间关系(它们之间在单元棱镜的顶角变化的区域附近的关系)的简图；图20是包括通常的非涅耳透镜片的投影荧光屏的一个实例视图；图21是说明在包括全反射棱镜透镜的投影荧光屏中，当单元棱镜具有很大的顶角时，成像光线的光路图；图22是说明在包括全反射棱镜透镜的投影荧光屏中，当单元棱镜具有小的顶角时，成像光的光路图。
本发明的详细说明下面，将参照附图详细说明本发明的实施例。
第一实施例首先，参照图1至10将说明本发明的第一实施例的投影荧光屏和投影显示器。
如图1所示，本发明第一实施例的投影显示器100包括投影荧光屏111和投影光学系统112，成像光L从投影光学系统倾斜投影到投影荧光屏111。投影光学系统112包括由LCD、DMD等组成的成像光源，及用于扩展成像光源发射的成像光的光学系统。
投影荧光屏111用于使位于其背面的投影光学系统112将成像光L向观众一侧倾斜投影，并包括全反射棱镜透镜114和安装在全反射棱镜透镜114的观众一侧的双凸透镜115。
如图2所示，这些部件中，全反射棱镜透镜114用于对投影光学系统112投影的成像光L折射和聚光，并在它的背面(最外面的入射平面)具有多个单元棱镜113，成像光L入射在其上。
每一个单元棱镜113都有一个将入射光折射的入射平面(第一平面)113a，和一个全反射平面(第二平面)113b，它将入射平面113a折射的光全部发射。因此，单元棱镜113可以将倾斜投影的成像光L折射和全部反射，使光以与荧光屏近似垂直的方向传播。单元棱镜113做成在同心圆的中心O附近(不在荧光屏上)同心扩展的圆弧形棱镜(参见图1)。具体地说，例如，单元棱镜113的棱镜间距最好是在100至200μm之间，每一个单元棱镜113的高度最好是在150至300μm之间。
每一个单元棱镜113都有一个顶角λ，它与入射平面113a与全反射平面113b之间的夹角对应，并且单元棱镜113的顶角λ根据荧光屏上每一个单元棱镜113的位置而变化。更具体地说，单元棱镜113最好具有从30°至45°连续变化的顶角λ，使得远离同心圆中心O(在所述图的上边)的一侧的顶角λ比靠近同心圆中心O(在所述图的下边)的一侧上的顶角λ大。
另一方面，双凸透镜115用于对通过全反射棱镜透镜114的光进行水平扩散，并在成像光L进入的入射平面上具有多个柱面单透镜116。特别是，例如，每一个单透镜116最好具有横向半径为140μm、纵向半径为100μm的半椭圆形截面；透镜间距最好为140μm；每一个单透镜的高最好为50μm；并且当用半角(从所述角度的某方向观察到的亮度为从正面观察到的亮度的一半)表示时水平扩散角最好在20至50°之间。
正如图1和2所示，全反射棱镜透镜114和双凸透镜115都做成分立的镜片(棱镜片和双凸透镜片)。而且，在图1和2中，为了便于理解，全反射棱镜透镜114和双凸透镜115都将它们之间分离的距离画成比实际的大。
接着，将参照图3说明图1所示的投影荧光屏111的全反射棱镜透镜114中成像光L的光路。
如图3所示，投影光学系统发射的成像光L(参见图1中的参考编号112)，以入射角θ1入射在全反射棱镜透镜114的每一个单元棱镜113的入射平面113a上，入射角θ1的变化取决于荧光屏上单元棱镜113的位置。成像光L入射在单元棱镜上的入射角θ1最好做成35°或更大(最好为45°或更大)和50°或更小，单元棱镜位于靠近投影光学系统一侧的荧光屏边缘(靠近同心圆的中心O的边缘)上。
入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上的成像光L在入射平面113a上被折射，然后在全反射平面113b上被全反射，所述全反射光在近似于垂直荧光屏的方向朝观众一侧传播。
为了获得成像光L的上述光路，每一个单元棱镜113的形状应根据成像光L的入射角θ1确定。特别是，当每一个单元棱镜113的透镜角(全反射平面113b与荧光屏之间的夹角)用φ表示；单元棱镜113的顶角用λ表示；全反射棱镜透镜114的材料的折射率用n表示；及在单元棱镜113的全反射平面113b上反射的成像光L与荧光屏的法线之间的夹角用θ4表示时，单元棱镜113的形状就可以用以下方程式(1)确定tanφ＝{nsin(λ+θ4)+sin(λ+θ1)}/{ncon(λ+θ4)-con(λ+θ1)}...(1)另外，如果全反射棱镜透镜114出射面为平面，那么，成像光L在全反射棱镜透镜114中传播的角度θ4与成像光L从全反射棱镜透镜114出射的角度θ5之间满足以下方程式(2)sinθ4＝sinθ5/n...(2)当每一个单元棱镜113的入射平面113a与荧光屏的法线之间的夹角用γ表示时，所述角最好满足下式γ＝φ+λ-π/2≥0...(3)其原因说明如下当每一个单元棱镜113的入射平面113a的角度γ为负时，单元棱镜113的入射平面113a成为反锥形；在这种情况下，难以制造单元棱镜113模制用的模具，也难以使用模具模制获得单元棱镜113。
每一个单元棱镜113的透镜角φ相对于成像光L的入射角θ1单调地减少，使得在成像光L的入射角θ1较大(远离同心圆中心O一侧的区域)的荧光屏区域中，每一个单元棱镜113的入射平面113a的角度γ都趋于负值。在每一个单元棱镜113的入射平面113a没有形成反锥形的条件下，当成像光L在全反射棱镜透镜114中以近似等于0的角度传播时，角度θ4由下式(4)给出cos-1{cos(θ1)/n}/2≤λ。...(4)另一方面，在成像光L的入射角θ1小的荧光屏区域中(靠近同心圆中心O一侧的区域)，入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上，在全反射平面113b上没有被全部反射的成像光L部分，穿过所述平面变成杂光。
为了说明在每一个单元棱镜113中杂光是如何产生的，现在将综述在单元棱镜113的入射平面113a中被折射的、并朝着单元棱镜113的最底部传播的基本成像光线L0(即，从一个单位棱镜113的从其中通过而变为杂光的部分和从其中通过而变为有用光的另一部分之间边界通过的成像光L)。
当用θ2表示成像光L入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上的入射角；用θ3表示成像光L在单元棱镜113的入射平面113a上的折射角；用p表示单元棱镜113的棱镜间距；用e1表示成像光L在单元棱镜113的全反射平面113b上全部反射、并适合用作有用光的那部分的宽度；用e2表示成像光L在单元棱镜113的全反射平面113b上没有全部反射、并穿过所述平面变成杂光的那部分的宽度；用h表示单元棱镜113的高度；以及用s表示单元棱镜113的入射平面113a的、穿过所述部分变成杂光的成像光L的部分，和单元棱镜113的入射平面113a的、已经穿过所述部分变成有用光的其它部分之间的边界高度，成像光L变成有用光部分的宽度e1由以下方程式(5)给出e1＝(h-s)×(tan(φ+λ-π/2)+tanθ1)。...(5)上式中的h和s分别由以下方程式(6)和(7)给出h＝p×tan(φ+λ)× tanφ/(tan(φ+λ)-tanφ)；...(6)s＝-p×tan(φ+λ)/(1+tan(φ+λ)×tan(φ+λ+θ3))，...(7)
其中，θ3＝sin-1{sin(θ1+φ+λ)/n}。...(8)正如从图3清楚看到的，棱镜间距p和成像光L变成有用光的那部分的宽度e1之间的关系为e1≤p。而且，成像光L变成有用光的那部分的宽度e1与透镜间距p之比e1/p随成像光L的入射角θ1的增大而增加，并在某点上e1等于p。在这种情况下，在成像光L的入射角θ1比e1＝p那点上的入射角大的区域里，入射在单元棱镜113的入射平面113a上的成像光L，在全反射平面113b上将全部被反射，没有杂光存在。
如上所述，成像光L的入射角θ1小的荧光屏上的区域(靠近同心圆中心O一侧的区域)存在以下问题，入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上，在全反射平面113b上没有全部被反射的成像光L的一部分，并且穿过所述平面变成杂光，而在成像光的入射角θ1大的荧光屏上的区域(远离同心圆中心O一侧的区域)存在以下问题，每一个单元棱镜113的入射平面113a都得到反锥形。
图4是说明每一个单元棱镜113的顶角λ与成像光L在图1所示的投影荧光屏111的全反射棱镜透镜114中的入射角θ1之间关系的简图。
在图4中，线205表示在成像光L在全反射单元棱镜透镜114传播的角度θ4(即成像光L从全反射单元棱镜透镜114出射的出射角θ5)为0的情况下，由上述方程式(5)至方程式(8)确定的、在每一个单元棱镜113中杂光产生的边界；线206表示在相同情况下，由上述方程式(4)确定的、每一个单元棱镜113的入射平面113a的反锥形形成的边界。205和206这些线是在全反射棱镜透镜114的材料的折射率n为1.55的条件下获得的。
在图4中，由两条线205和206围成的内部区域不存在这样的问题，即入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上，在全反射平面113b上没有被反射的成像光L的那部分，穿过所述平面变成为杂光，及每一个单元棱镜113的入射平面113a得到反锥形。因此，只要每一个单元棱镜113的顶角λ和随荧光屏上的单元棱镜113的位置变化的成像光L的入射角θ1出现在所述区域，就既不会出现杂光问题也不会出现反锥形平面问题。特别是，例如，在单元棱镜113具有35°的固定顶角情况下，如果成像光L的入射角θ1处于45°至60°的范围内，既不会出现杂光问题也不会出现反锥形平面问题(见参考编号207)。
近几年来，出现了一种制造较大投影荧光屏111的趋势，并且与这趋势相一致，成像光L的入射角θ1的范围增大。因此，如果单元棱镜113具有固定的顶角λ，在成像光L的入射角θ1小的荧光屏上的区域和成像光L的入射角θ1大的荧光屏上的区域中，成像光L的入射角θ1将超出由线205和206围成的内部区域。
为了克服上述情况中的杂光问题，降低由线205确定的成像光L的入射角θ1的允许范围的下限是有效的。为了做到这一点，位于成像光L的入射角θ1小的荧光屏区域(靠近同心圆中心O一侧的区域)中的单元棱镜113最好做成具有较小的顶角λ。另一方面，为了克服反锥形平面的问题，提高由线206确定的成像光L的入射角θ1的允许范围的上限是有效的。为了做到这一点，位于成像光L的入射角θ1大的荧光屏区域(远离同心圆中心O一侧的区域)中的单元棱镜113最好做成具有较大的顶角λ。
为此，在本实施例中，在整个荧光屏上，单元棱镜113做成有连续变化的顶角λ，使得远离同心圆中心O一侧上的顶角λ比靠近同心圆中心O一侧上的顶角λ大(见参考编号201至203)。这样，就能扩大成像光L的入射角θ1的允许范围，因而能够使整个荧光屏不会出现杂光问题和反锥形平面问题。图4中的线201至203用成像光L的入射角θ1表示了单元棱镜113的顶角λ的变化。然而，很自然，单元棱镜113的顶角λ的变化也可以用单元棱镜113的位置(远离同心圆O中心)表示，这种情况示于图5中。
在上述实施例中，每一个单元棱镜113的入射平面113a最好具有0°或大于0°(最好为1/100 0°或大于1/100 0°)至垂直于(正交于)荧光屏的斜角(draft angle)(在入射平面113a与荧光屏的法线之间的夹角γ为正的的倾角)。而且，单元棱镜113的入射平面113a的表面粗糙度最好在整个荧光屏上都是均匀的。
(第一改型)参照单元棱镜113的顶角λ在整个荧光屏上连续变化的情况，对上述实施例进行了说明。本发明并不局限于此，单元棱镜113的顶角λ也可以在荧光屏平面内逐步变化。
参照图6A、6B、7和8将说明图1至5所示的投影荧光屏111的第一改型。由于所述第一改型的基本结构与图1至5所示的投影荧光屏111相同，因此在以下说明中，只强调与图1至5所示的投影荧光屏111的那些不同点。
图6A是从荧光屏的入射平面观察到的第一改型的投影荧光屏111的视图，图6B是从荧光屏一侧观察到的第一改型的投影荧光屏111(和投影光学系统112)的视图。
如图6A和6B所示，第一改型的投影荧光屏111包括在成像光L入射的背面(最外的入射平面)形成的具有多个单元棱镜的全反射棱镜透镜114A，及在全反射棱镜透镜114A的观众一侧的双凸透镜115。
正如图1至5所示的投影荧光屏111中的全反射棱镜透镜114的情况那样，全反射棱镜镜片114A的单元棱镜围绕不在荧光屏平面上的同心圆中心O同心扩展。而且，如图6B所示，投影光学系统112安装在与同心圆中心O(不是在荧光屏上)的高度相同的高度上。
根据距同心圆中心O的距离不同，全反射棱镜透镜114A被分成A1、A2和A3三个区域。
其中，区域A1是比位于距开同心圆中心O距离为r1更靠近同心圆中心O位置的第一顶角固定区域，在所述区域中，单元棱镜的顶角λ固定为λ1(第一角)。
区域A2是位于比离开同心圆中心O距离为r2的更远离同心圆中心O位置的第二顶角固定区域，在所述区域中，单元棱镜的顶角λ固定为λ2(第二角)。如果λ1和λ2进行比较的话，λ2大于λ1(λ2＞λ1)。
区域A3是位于区域A1和A2之间的顶角变化区域(在所述位置上，距同心圆中心O的距离比距同心圆中心O的距离r1更远，比距同心圆中心O的距离r2更近)，在所述情况下，单元棱镜具有的顶角λ随荧光屏上的位置不同在λ1和λ2之间变化。
图7示出了单元棱镜的顶角λ怎样在区域A1、A2和A3中变化在区域A3中，单元棱镜的顶角λ象在单元棱镜的入射平面(见图3中的参考编号113a)与荧光屏之间的夹角逐步变化那样从λ1至λ2逐步变化，单元棱镜的全反射平面(见图3中的参考编号113b)与荧光屏之间的夹角保持不变。
如果仅仅提供A1和A2，没有提供A3，在荧光屏的某一点上，单元棱镜的顶角λ就从λ1至λ2急剧变化。在此情况下，不仅仅单元棱镜的顶角λ，而且单元棱镜的全反射平面的角(透镜角φ)自然也将急剧变化。更详细地说，就单元棱镜的透镜角φ的变化而言，在所述点上，随单元棱镜的位置从靠近同心圆中心O的一侧变化到远离同心圆中心O的一侧逐步变小的，单元棱镜的透镜角φ将急剧变化。因此，当观察产生的图像时，两个区域A1和A2之间的边界可能看起来不舒服。
相反，在上述第一改型中，在区域A1和A2之间设置有区域A3，单元棱镜在区域A3中具有随荧光屏上的位置不同而在λ1和λ2之间变化的顶角λ，在A1和A2区域中，单元棱镜分别具有固定在λ1和λ2的顶角λ，使得单元棱镜的顶角λ连续变化。而且，在区域A3中，单元棱镜做成具有顶角λ，所述顶角随单元棱镜的入射平面与荧光屏之间夹角的变化而变化，不随单元棱镜的全反射平面与荧光屏之间夹角(透镜角φ)而变化，使全反射平面角中的变化不会出现反向变化。
图8是具体表示在成像光L在全反射透镜114A中的传播角度θ4为0°(即成像光L从全反射棱镜透镜114A出射的出射角θ5为0°)的情况下，成像光L的入射角θ1和全反射棱镜透镜114A中每一个单元棱镜的透镜角φ之间关系的简图。
现在假设，如图8所示，在位于靠近同心圆中心O一侧的区域A1中，每一个单元棱镜的顶角λ为λ1(＝35°)，在位于远离同心圆中心O一侧的区域A2中，每一个单元棱镜的顶角λ为λ2(＝45°)。在这种情况下，当入射角θ1为52.5°时，如果单元棱镜的顶角λ急剧变化，随单元棱镜的位置从靠近同心圆中心O一侧进一步到达远离同心圆中心O一侧的方向上，逐步减小的全反射平面的角(透镜角φ)在所述点上将急剧增加2.6°(见参考编号208)。因此，当观察产生的图像时，所述边界可能看起来不舒服。
相反，在上述第一改型中，单元棱镜的顶角λ，例如从λ1(＝35°)变化到λ2(＝45°)，在成像光L的入射角θ1在52.5°和59.2°之间的区域中，只有每一个单元棱镜的入射平面的角，随每一个单元棱镜的全反射平面的角度(透镜角φ)变化固定在57°上，如图8中的实线所示(见参考编号209)。因此，每一个单元棱镜的全反射平面角中的变化不可能部分发生反向变化。
(第二改型)接着，将参照图9A、9B和10说明图1至5所示投影荧光屏111的第二改型。第二改型是上述第一改型的进一步修改，它还可以进一步保证人们不会觉察到每一个单元棱镜的顶角λ的变化。由于第二改型的基本结构与上述第一改型的相同，在下面的说明中强调与第一改型不同的那些部分。
图9A是从荧光屏的入射面看到的第二改型的投影荧光屏111的视图，图9B是从荧光屏一侧看到的第二改型的投影荧光屏111(及投影光学系统112)的视图。
如图9A和9B所示，投影荧光屏111包括在成像光L入射的背面(最外的入射平面)形成的具有多个单元棱镜的全反射透镜114B，和在全反射棱镜透镜114B的观众一侧上的双凸透镜115。
正如在图1至5所示投影荧光屏111的全反射棱镜透镜114的情况那样，全反射棱镜透镜114B围绕不在荧光屏平面上的同心圆中心O同心扩展。而且，如图9B所示，投影光学系统112安装在与不在荧光屏平面上的同心圆中心O相同的高度上。
全反射单元棱镜透镜114B包括区域A1’、A2’和A3’，它们分别与上述第一改型中的A1、A2和A3对应。
换句话说，区域A1’是第一顶角固定区，它位于比距同心圆中心O的距离为r1更靠近同心圆中心O的位置，在所述区域，单元棱镜具有固定在λ1(第一角)的顶角λ。
区域A2’是第二顶角固定区，它位于比距同心圆中心O的距离为r2更远离同心圆中心O的位置，在所述区域，单元棱镜具有固定在λ2(第二角)的顶角λ。如果将λ1和λ2比较，λ2大于λ1(λ2＞λ1)。
区域A3’是第一顶角变化部分，它位于区域A1和A2之间(在比距同心圆中心O的距离为r1更远离同心圆中心O的位置上，和比距同心圆中心O的距离为r2更靠近同心圆中心O的位置上)，在所述区域，单元棱镜具有随荧光屏上的位置不同在λ1和λ2之间变化的顶角λ。
在区域A1’和A3’之间的边界上，设置了预定宽度的区域A4，在区域A3’和A2’之间的边界上，还设置了具有预定宽度的区域A5。为此，由于存在区域A4和A5，在第二改型中的区域A1’、A2’和A3’分别比第一改型中的区域A1、A2和A3更窄。
区域A4是第二顶角变化部分，它位于区域A1’和A3’之间，在所述区域中，单元棱镜具有随荧光屏上的位置不同而变化的顶角λ。
区域A5是第三顶角变化部分，它位于区域A3’和A2’之间，在所述区域中，单元棱镜具有随荧光屏上的位置不同而变化的顶角λ。
第一顶角变化部分的区域A3’、第二顶角变化部分的区域A4和第三顶角变化部分的区域A5构成顶角变化区域。
图10示出了单元棱镜的顶角λ在区域A1’、A2’、A3’、A4和A5中是怎样变化的。
在上述第一改型中的区域A3中，象单元棱镜的入射平面(见图3的参考编号113a)与荧光屏之间夹角逐步变化、全反射平面(见图3的参考编号113b)与荧光屏之间夹角保持不变那样，单元棱镜具有从λ1至λ2逐步变化的顶角λ。然而，即使在这种情况下，与其它部分相比，在区域A3和A1之间及区域A3和A2之间的边界上，全反射平面角(透镜角φ)的变化更大。因此，存在这种可能，当观看产生的图像时，是否清楚地看到这些区域之间的边界取决于每一个单元棱镜的形状设计。
为此，在第二改型中，在区域A3和A1之间及区域A3和A2之间的边界上，分别设置预定宽度的区域A4和A5，在A4和A5这些区域中，每一个单元棱镜的顶角λ都是通过不仅仅改变入射平面与荧光屏之间的夹角，而且也改变全反射平面和荧光屏之间的夹角(透镜角φ)来改变。这样，就能使全反射平面角的变化平滑，因而，就能防止在观看产生的图像时清楚地看到上述区域之间的边界，从而使图像出现的不均匀较少。
在第二改型中，在区域A1’、A2’和A3’中，荧光屏与全反射平面夹角(透镜角φ)的变化可用数学公式表示，所述数学公式遵循的实例5所示的样条内插函数，将在后面说明，从而确定区域A4和A5中全反射平面角的变化程度。
第二实施例接着，参照图11至13将说明本发明第二实施例的、包括投影荧光屏的投影显示器。除了双凸透镜的结构与第一实施例的不同、全反射棱镜透镜和双凸透镜被集成一片镜片外，本发明第二实施例与上述第一实施例相同。在本发明的第二实施例中，与前述第一实施例中对应的部分用相同的参考编号表示，对这些部分的详细说明将忽略。
如图11所示，本发明第二实施例的投影显示器100’包括投影荧光屏111’和投影光学系统112，成像光L从投影光学系统倾斜投影到投影荧光屏111’上。
投影荧光屏111’用于将成像光L从位于其背面的投影光学系统112倾斜投影，向观众一侧出射，并包括全反射棱镜透镜114’和安装在全反射棱镜透镜114’的观众一侧上的双凸透镜115’。
如图12所示，在这些部件中，全反射棱镜透镜114’用于对从投影光学系统112投影的成像光L进行折射和聚光，并包括基片23和在基片23的入射一面(成像光L入射的最外边的入射平面)形成的多个单元棱镜113。正如上述第一实施例那样，每一个单元棱镜113都有一个对入射光进行折射的入射平面(第一平面)113a，和对入射平面113a上折射的光全部反射的全反射平面(第二平面)113b。而且单元棱镜113被制成以圆弧形状围绕不在荧光屏平面上的同心圆中心O同心扩展的棱镜(见图11)，并具有随荧光屏上的位置变化的顶角λ。更详细地说，单元棱镜113最好具有从30°到45°连续变化的顶角λ，使得远离同心圆中心O一侧(图中最上一侧)的顶角λ比靠近同心圆中心O一侧(图中最下一侧)的顶角λ更大。单元棱镜113的顶角λ可以象上述第一实施例中的各种方式(图5、7和10等)作相同的变化。
另一方面，如图12和13所示，双凸透镜115’被安装在基片23的出射面上，并具有多个梯形截面的梯形部分25(单透镜)。
这样设置梯形部分25，使得每一个梯形的下底边和上底边分别面对入射面和出射面，并在每两个相邻的梯形部分25之间设置带有V形截面的V形部分26。梯形部分25由具有预定折射率的材料制成。而且，V形部分26是在每两个梯形部分25之间的空间，用折射率低于制造梯形部分25的材料填充形成，从而在每两个相邻的梯形部分25之间提供的梯形部分25与V形部分26之间的界面可以对成像光L进行全反射和扩散(见图12和13)。
另外，V形部分26最好对从观众一侧进入这些部分的光具有吸收光的特性。虽然任何材料都可以用作V形部分的材料，但是，最好使用，例如，具有低折射率的合成树脂和由染料、颜料、彩色树脂细粒等组成的吸收光的粒子混合制造它们。
在图11至13所示的投影荧光屏111’中，从投影光学系统112倾斜投影的成像光L入射在全反射棱镜透镜114’的每一个单元棱镜113的入射平面113a上。
入射在每一个单元棱镜113的入射平面113a上的成像光L在所述平面上被折射，然后在全反射平面113b上被全反射，全反射的光以几乎垂直于荧光屏的方向朝观众一侧传播。
其后，从全反射棱镜透镜114’出射的成像光L入射在双凸透镜115’的梯形部分25的下底边上；所述入射光的一部分穿过双凸透镜115’，而剩下的一部分则在梯形部分25和V形部分26之间的界面上被全反射，最终，从梯形部分25的上底边出射的所有光都朝观众一侧传播。
因此，根据本发明的第一和第二实施例，成像光L从位于其背面的投影光学系统112倾斜投影在其上的投影荧光屏111、111’中，安装在其背面的、成像光L入射在在其上的全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’的多个单元棱镜113，应该制成具有在某一个角度范围内(例如，30°或更大和45°或更小)变化的顶角λ，使远离同心圆中心O一侧上的顶角λ比靠近同心圆中心O一侧的顶角λ大。这样，在位于靠近投影光学系统112一侧区域中，成像光L的入射角θ1小，单元棱镜113的顶角λ就能够做得更小，而在位于远离投影光学系统112一侧区域中，成像光L的入射角θ1大，单元棱镜113的顶角λ就能够做得更大。因此，可以增大成像光L的入射角θ1的允许范围，在所述范围内，不会出现成像光L因产生杂光而造成损失的问题，因而能够获得不会降低荧光屏的表面亮度或对比度、可与成像光L从投影光学系统112以近似垂直方向投影到投影荧光屏上获得的图像相比美的高质量图像的投影荧光屏111、111’和投影显示器100、100’。
另外，根据本发明的第一和第二实施例，象第一改型那样，在全反射棱镜透镜114A上提供有第一顶角固定区A1，在所述区域单元棱镜113具有固定在预定的第一角λ1的顶角λ，其位置与第一顶角固定区A1不同的第二顶角固定区A2，在所述区域单元棱镜113具有固定在预定的、与第一角λ1不同的顶角λ，以及位于第一和第二顶角固定区A1和A2之间的顶角变化区A3，并且在A3中单元棱镜113具有随荧光屏上的位置在第一角λ1和第二角λ2之间变化的顶角λ，使全反射棱镜透镜114A的单元棱镜113的顶角λ仅仅能够在整个荧光屏中部分发生变化。这样，制造在全反射棱镜透镜114A模制中使用的模具就变得容易，并保证能够显示高图像质量的投影荧光屏111、111’和投影显示器100、100’可以以更低的成本生产。
而且，根据本发明的第一和第二实施例，象第一改型那样，在全反射棱镜透镜114B上的顶角变化区中提供第一顶角变化部分A3’，在A3’中，单元棱镜113具有象荧光屏与入射平面113a之间的夹角变化那样变化的顶角λ，而荧光屏与全反射平面113b之间的夹角保持不变，以及分别位于第一顶角变化部分A3’和第一顶角固定区A1’及第一顶角变化部分A3’和第二顶角固定区A2’之间的第二和第三顶角变化部分A4和A5，在A4和A5中，单元棱镜113具有象荧光屏与入射平面113a之间的夹角、及荧光屏与全反射平面113b之间夹角变化那样变化的顶角λ，就能够使上述区域之间的边界更加不清楚。因而能够获得比第一改型获得的图像质量更高。
另外，根据本发明的第一和第二实施例，由于每一个单元棱镜113的入射平面113a有一个0°的斜角或更垂直(法向)于荧光屏，单元棱镜113模制使用的模具就不需包括反锥形部分。这样，就使模具的制造更加容易，而且在透镜模制过程中更容易脱模，使单元棱镜113的制造更容易。
另外，根据本发明的第一和第二实施例，由于单元棱镜113的入射平面113a的表面粗糙度在整个荧光屏上都是均匀的，在荧光屏上就能产生均匀的图像；因而可以观看到高质量图像。
(其它实施例)本发明不局限于上述第一和第二实施例，并可以在下述(1)至(6)的项目中作各种修改或变化。这些修改和变化也属于本发明的范围。
(1)在上述第一和第二实施例中，全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’和双凸透镜115、115’都分别用作全反射棱镜透镜和双凸透镜。然而，至于全反射棱镜透镜、双凸透镜和其它透镜的具体形状，只要满足上述本发明的特征，也可以采用任何其它结构。
(2)在上述第一实施例中，虽然全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’和双凸透镜115、115’都做成分离的镜片(棱镜片和双凸透镜片)，但是它们也可以集成为一块镜片。另一方面，在上述第二实施例中，虽然全反射棱镜透镜114’和双凸透镜115’都集成一块镜片，但是它们也可以做成分离的镜片(棱镜片和双凸透镜片)。
(3)在上述第一和第二实施例中，对穿过全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’和双凸透镜115、115’的成像光L进行扩散的扩散镜片可以安装在图1和11中用参考编号117表示的、双凸透镜115、115’的观众一侧(如果没有双凸透镜115、115’，就是在全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’的观众一侧)的位置上。扩散镜片最好是一片扩散介质或其它介质组合成的镜片，以便将扩散特性赋予镜片。
(4)在上述第一和第二实施例中，虽然双凸透镜115、115’被安装在全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’的观众一侧，由扩散介质或其它介质对光进行扩散的扩散镜片，借助于光折射等对光扩散的许多小珠涂布的粒状荧光屏也可以用于代替双凸透镜115、115’。
(5)上述第一和第二实施例中，功能层也可以安装在图1和11中用参考编号117表示的、双凸透镜115、115’的观众一侧(如果没有双凸透镜115、115’，就是在全反射棱镜透镜114、114A、114B、114’的观众一侧)的位置上。可以采用各种各样的功能层，这种功能层的实例包括消反射层(AR层)、硬涂膜层(HC层)、抗静电层(AS层)、遮光层(AG层)、防腐蚀层和传感器层。
减反射层(AR层)用于限制光在投影荧光屏100、100’上的反射，并可以通过对透镜表面压制一层具有限制光反射功能的薄膜、或者通过对透镜表面直接作减光处理获得。硬涂膜层(HC层)用于防止投影荧光屏100、100’的表面被损伤，并可以通过对透镜表面压制一层具有增强作用的耐磨薄膜、或者通过对透镜表面直接作硬膜处理获得。抗静电层(AS层)用于消除出现在投影荧光屏100、100’上的静电，并可以通过对透镜表面压制抗静电薄膜、或者通过对透镜表面直接作抗静电处理获得。遮光层(AG层)用于防止投影荧光屏100、100’的闪烁，并可以通过给透镜表面压制具有防闪烁功能的薄膜、或者对透镜表面直接作遮光处理获得。防腐蚀层用于防止投影荧光屏100、100’的表面被腐蚀，并可以通过给透镜压制一层具有防腐蚀功能的薄膜、或者对透镜表面做防腐蚀处理获得。传感器层是一种可以作为触摸荧光屏等功能的功能层。
(6)根据上述第一和第二实施例，在投影显示器100、100’中，虽然采纳的是向上投影模式，在所述模式中，从投影光学系统112出射的成像光L向上投影到投影荧光屏111、111’，但是，也可以采纳向下投影模式，在所述模式中，从投影光学系统112出射的成像光L向下投影到投影荧光屏111、111’上。
在投影显示器100、100’中采纳向上投影模式的情况下，投影显示器111、111’和投影光学系统112都包含在，例如图14所示的与它们的位置相关的机壳151中。特别是，例如，通过使用LCD灯泡作为投影光学系统112中的成像光源，就能够将荧光屏以下的图像投影到50英寸的投影荧光屏111、111’上，使成像光L入射在荧光屏底部的入射角θ11为45°，及成像光L入射在荧光屏顶部的入射角θ10为60°。在这种情况下，投影荧光屏111、111’与投影光学系统112之间的水平距离为大约800mm。
另一方面，当在投影显示器100、100’中采纳向下投影模式时，投影荧光屏111、111’和投影光学系统112都包含在，例如图15所示的与它们的位置相关的机壳中。特别是，例如，通过使用DMD作为投影光学系统112中的成像光源，就能够将荧光屏以上的图像投影到50英寸的投影荧光屏111、111’上，使成像光L入射在荧光屏顶部的入射角θ20为45°，成像光L入射在荧光屏底部的入射角θ21为70°。在这种情况下，投影荧光屏111、111’与投影光学系统112之间的水平距离为大约700mm。
在图14和15所示的投影显示器100和100’中，从投影光学系统112出射的成像光L直接投影到投影荧光屏111、111’上。然而，投影荧光屏和投影光学系统也可以包含在图16所示的与它们的位置相关的机壳153中，使得从投影光学系统112出射的成像光L通过反射器155投影到投影荧光屏111、111’上。
实例现在，将在下面给出前述实施例的具体实例。
(实例1)在50英寸背投式电视中，使用包括一块棱镜片和一块双凸透镜片的投影荧光屏作为实例1的投影荧光屏。实例1的投影荧光屏与上述第一实施例对应。
首先，使用由NC(数控)机床加工得到的模具，对放在厚度为1.8mm的聚丙烯基片上的紫外线固化树脂(固化树脂的折射率为1.55)固化和成型，这样，在它的一个面上就获得了总厚度为2mm、带有全反射棱镜透镜的棱镜片。
在上述过程中，在棱镜片上就生成了全反射棱镜透镜，使它围绕同心圆中心(不在荧光屏上)同心扩展的圆弧形中具有多个棱镜(单元棱镜)。在荧光屏底部中心，单元棱镜的圆弧半径(距同心圆中心的距离)做成800mm；棱镜的间距做成100μm；每一个棱镜的高做成近似150μm。而且，位于荧光屏下边沿(最靠近同心圆中心的一侧)的单元棱镜做成37°的顶角λ；位于荧光屏上边沿(距同心圆中心最远的一侧)的单元棱镜做成40°的顶角λ；而位于上述两个单元棱镜之间的单元棱镜做成从37°至40°之间变化的顶角λ(见图17)。从每一个单元棱镜出射成像光的出射角θ5做成0°(法线出射)。
接着，使用柱面滚动模具，对抗冲击丙烯酸树脂挤压加工成双凸透镜片。
在上述过程中，在双凸透镜片上形成了双凸透镜，使得双凸透镜片上具有多个半椭圆截面的单元棱镜。每一个单透镜的横向直径做成140μm，每一个单透镜的纵向直径做成100μm。而且，透镜的间距做成140μm，每一个单透镜的高做成50μm。这样，就可以获得以下扩散特性用半角表示的水平扩散角为35°，用半角表示的垂直扩散角为15°。
当用挤压法制造双凸透镜片时，在抗冲击丙烯酸树脂中组合了非常少的黑染料和扩散剂。因此，制成的双凸透镜片具有70％的透过率，并具有防止外部光反射等特性，及扩散效应。
使用上述棱镜片和双凸透镜片的加工组合生产出了投影荧光屏。用这种方法生产的投影荧光屏组装到如图14所示的向上投影模式的投影显示器(背投式电视)中。投影荧光屏的尺寸为50英寸，而LCD灯泡用作投影光学系统的成像光源。投影光学系统安装在荧光屏下边沿下面800mm处，投影荧光屏与投影光学系统之间的水平距离(投影距离)做成800mm。而且，成像光入射在荧光屏底部的入射角θ11为45°，成像光入射在荧光屏顶部的入射角θ10做成60°。
(实例2)在50英寸背投式电视中，使用包括被集成为一块镜片的全反射棱镜透镜片和双凸透镜片的投影荧光屏作为实例2的投影荧光屏。实例2的投影荧光屏与上述第二实施例对应。
首先，使用由NC机床加工得到的模具，对放在厚度为1.8mm的聚丙烯基片上的紫外线固化树脂(固化树脂的折射率为1.55)固化和成型，这样，就获得了一个总厚度为2mm、在它的一个面上具有全反射棱镜透镜的棱镜片。
在上述过程中，在棱镜片上就生成了全反射棱镜透镜，使它围绕同心圆中心(不在荧光屏上)同心扩展的圆弧形中具有多个棱镜(单元棱镜)。在荧光屏底部中心，单元棱镜的圆弧半径(距同心圆中心的距离)做成800mm；棱镜的间距做成100μm；每一个棱镜的高做成近似150μm。而且，位于荧光屏下边沿(最靠近同心圆中心的一侧)的单元棱镜做成37°的顶角λ；位于荧光屏上边沿(距同心圆中心最远的一面)的单元棱镜做成40°的顶角λ；而位于上述两个单元棱镜之间的单元棱镜做成从37°至40°之间变化的顶角λ(见图17)。从每一个单元棱镜出射的成像光的出射角θ5做成0°(法线出射)。
接着，在用上述方法加工好的棱镜片的另一面上，形成多个有梯形截面的梯形部分(单元棱镜)，每两个相邻的梯形部分之间的空间，用包含光吸收粒子的低折射率树脂填充，因而形成V形部分。高折射率的环氧树脂丙烯酸盐用作构成梯形部分的材料。低折射率的尿烷丙烯酸盐用作构成V形部分的材料；由日本DainichiseikaColor & Chemicals Mfg.Co.Ltd.生产的RUBCOULEUR(商标)用作光吸收粒子。RUBCOULEUR的粒子平均直径为8μm，按重量添加的数量为45％。
在上述过程中，梯形部分的透镜间距做成50μm，这些部分的折射率为1.57。另外，V形部分的折射率为1.48。每一个梯形部分的上底边长度和V形部分三角形底边的长度都做成彼此相等，因而，使所谓的黑条纹占50％。每一个V形部分的垂角做成20°。
这样，把全反射棱镜透镜和双凸透镜整体地做成一块镜片，得到投影荧光屏。然后，像实例1中那样，所述投影荧光屏被组装成如图14所示的向上投影模式的投影显示器(背投式电视)。投影荧光屏的荧光屏尺寸为50英寸，LCD灯泡用作为投影光学系统中的成像光源。投影光学系统被安装在荧光屏下边沿下80mm处，投影荧光屏与投影光学系统之间的水平距离(投影距离)做成800mm。另外，成像光入射在荧光屏底部的入射角θ11做成45°，成像光入射在荧光屏顶部中心的入射角θ10做成60°。
(实例3)在实例2的投影荧光屏中，对双凸透镜的前一面(观众一侧的最外一面)压制厚度为0.1mm的AR涂膜，就加工成实例3的投影荧光屏。
(实例4)主要通过改变实例1的投影荧光屏中棱镜片的全反射棱镜透镜的单元棱镜的顶角λ的变化方式来制备实例4的投影荧光屏。实例4的投影荧光屏与上述第一实施例第一改型对应。
具体地说，在实例4中，在投影荧光屏的棱镜片上形成全反射棱镜透镜，使其具有在同心圆中心附近，而不是在荧光屏上，以圆弧形状同心扩展的多个棱镜(单元棱镜)。在荧光屏底部中心，单元棱镜的圆弧半径(距同心圆中心的距离)做成250mm；棱镜的间距做成100μm；另外，位于荧光屏较低边沿(最靠近同心圆中心的面)的单元棱镜做成35°的顶角λ；位于荧光屏较上边沿(距同心圆中心最远的面)的单元棱镜做成40°的顶角λ；而在位于距同心圆中心距离r1为529.6mm(入射角为57.3°)与距同心圆中心距离r2为605.9mm(入射角为60.7°)之间区域中的单元棱镜做成从35°至40°之间变化的顶角λ。图18中的实线表示位于单元棱镜的顶角λ是变化的区域附近，每一个单元棱镜的位置与顶角λ之间的关系。
正如图19中的实线表示的，位于距-同心圆中心距离r1为529.6mm(入射角为57.3°)与距同心圆中心距离r2为605.9mm(入射角为60.7°)之间的区域中的单元棱镜透的镜角φ固定在55.25°。从每一个单元棱镜出射的成像光的出射角θ5做成0°(法线出射)。
通过用上述方法加工的棱镜片和实例1中相同的双凸透镜片组合就生产出投影荧光屏。用这种方法生产的投影荧光屏就可组装成图14所示的向上投影模式的投影显示器(背投式薄电视)。投影荧光屏的尺寸为55英寸(16∶9)，LCD灯泡用作投影光学系统的成像光源。投影光学系统被安装在荧光屏较低边沿下的250mm处，投影荧光屏与投影光学系统之间的水平距离(投影距离)做成340mm。另外，成像光入射在荧光屏底部(距同心圆中心的距离为250mm)的入射角θ1做成36.3°，成像光线入射在荧光屏顶部(距同心圆中心距离为1116mm)的入射角θ1做成73.0°。
(实例5)在实例4的投影荧光屏中，通过修改棱镜片的全反射棱镜透镜的单元棱镜的入射角λ的变化方式，就可以加工得到实例5的投影荧光屏。实例5的投影荧光屏与上述第一实施例的第二改型对应。
只要将位于距同心圆中心500mm与距同心圆中心650mm之间的区域中，棱镜片的全反射棱镜透镜的单元棱镜做成由5个结点的样条内插函数确定的透镜角φ，就能加工得到与实例4相同的投影荧光屏作为实例5的投影荧光屏。
在单元棱镜的顶角λ变化的区域附近，每一个单元棱镜的位置与顶角λ之间的关系由图18中的虚线表示。而且，在单元棱镜的顶角λ变化的区域附近，每一个单元棱镜的位置与透镜角φ之间的关系由图19中的虚线表示。
下述方程式(9)用作样条内插函数φ=φ1+Σk=15Δk[{1+(1+r-rkr5-r1)m}1m-1],···(9)]]>其中Δ1＝(φ2-φ1)/a1，Δk＝(φk+1-φk)/ak-(φk-φk-1)/ak-1，
其中ak＝(r-rk)/(r5-r1)。
方程式(9)中的参数在下表中给出。
M＝32

使用上述方程式(9)的样条内插函数确定每一个单元棱镜的全反射平面角(透镜角φ)后，入射平面角γ和单元棱镜的顶角λ可由以下方程式(10)计算tanγ＝{cosθ1(tanφ·sinφ+cosφ)-n(tanφ·sinφ-cosφ)}/{sinθ1(tanφ·sinφ+cosφ)-2nsinφ}， ...(10)其中λ＝π/2+γ-φ。
通过将上述方法加工的棱镜片与实例1中相同的双凸透镜片组合就产生投影荧光屏。然后，如实例4中那样，产生的投影荧光屏组装成图14所示的向上投影模式的投影显示器(背投式薄电视)。投影荧光屏的尺寸为55英寸(16∶9)，LCD灯泡用作投影光学系统中的成像光源。投影光学系统安装在荧光屏较低边沿下面250mm处，投影荧光屏与投影光学系统之间的水平距离(投影距离)做成340mm。而且，成像光入射在荧光屏底部中心(距同心圆的距离为250mm)的入射角θ1做成36.3°，成像光入射在荧光屏顶角(距同心圆中心的距离为1116mm)的入射角θ1做成73.0°。
(比较实例1)除了投影荧光屏中的全反射棱镜透镜的单元棱镜被做成40°的固定顶角λ外，其余重复实例4的过程，因而，产生一个比较实例1的投影荧光屏。
(比较实例2)除了在投影荧光屏中，位于比距同心圆中心的距离小于544mm的区域(入射角为58.0°)中的全反射棱镜透镜的单元棱镜被做成35°的固定顶角λ外，其余重复实例4的过程，因而，产生一个比较实例2的投影荧光屏。
在比较实例2的全反射棱镜透镜中，根据涉及全反射棱镜透镜的上述方程式(1)至(3)，位于距同心圆中心距离大于544mm的区域中的单元棱镜的顶射角λ为负值(λ＜0)。因此，为了使成像光从所述区域垂直出射，位于所述区域的单元棱镜的入射平面应做成垂直的，菲涅耳透镜的透镜角φ由以下方程式(11)确定φ＝{sin-1(cosθ1/n)+π/2}/2。
...(11)在这种情况下，在比较实例2的投影荧光屏中，位于距同心圆中心距离大于544mm的区域中，全反射棱镜透镜的单元棱镜必须有从35°逐步增加的顶角λ，并且单元棱镜的入射平面应是在加工模具材料时产生瑕疵的粗糙表面。
(结果评价)发现实例1的投影荧光屏的入射角有宽的允许范围，用所述投影荧光屏，不会降低荧光屏的亮度或对比度，可获得高质量的图像。其透过率为60％，反射率为5％，增益为3。另外，垂直扩散角(垂直视角)为10°(半角)，水平扩散角(水平视角)为25°(半角)。
象实例1的投影荧光屏一样，发现实例2的投影荧光屏的入射角有宽的允许范围，用所述投影荧光屏，不会降低荧光屏的亮度或对比度，可获得高质量的图像。其透过率为80％，反射率为5％，增益为4。另外，垂直扩散角(垂直视角)为12°(半角)，水平扩散角(水平视角)为25°(半角)。
象实例2的投影荧光屏一样，发现实例3的投影荧光屏的入射角有宽的允许范围，用所述投影荧光屏，不会降低荧光屏的亮度或对比度，可获得高质量的图像。也发现所述荧光屏的反射率在实例2的投影荧光屏基础上提高了1.5％。
发现实例4和5的投影荧光屏的入射角有宽的允许范围，用这些投影荧光屏，不会降低荧光屏的亮度或对比度，可获得高质量的图像。更详细地说，在整个荧光屏上图像质量是均匀的，可获得非常高的图像质量。
另一方面，在比较实例1的投影荧光屏情况下，与实例1至4的投影荧光屏相比，荧光屏底部中心部分稍黑，并观察到重影。
在比较实例2的投影荧光屏情况下，在单元棱镜的入射平面角不同的两个区域之间及其附近、距同心圆中心544mm处清楚观察到它们之间的边界。
权利要求
1.一种投影荧光屏，它允许成像光从位于投影荧光屏背面的投影光学系统倾斜投影，向投影荧光屏的观众一面出射，它包括全反射棱镜透镜，它具有安装在其背面的、成像光入射在其上的多个单元棱镜，每一个单元棱镜都具有将所述入射光折射的第一平面和将由所述第一平面折射的光全反射的第二平面。其中，每一个所述单元棱镜具有对应于所述第一与第二平面之间夹角的顶角，并且所述单元棱镜的所述顶角随荧光屏上每一个所述单元棱镜的位置不同而变化。
2.如权利要求1所述的投影荧光屏，其中，所述单元棱镜围绕不在所述荧光屏上的同心圆中心同心扩展。
3.如权利要求2所述的投影荧光屏，其中，所述单元棱镜具有变化的顶角，使得远离所述同心圆中心一侧的所述顶角比靠近所述同心圆中心一侧的所述顶角大。
4.如权利要求1至3中任意一个所述的投影荧光屏，其中，所述单元棱镜具有从30°至45°之间变化的顶角。
5.如权利要求1至4中任意一个所述的投影荧光屏，其中，所述单元棱镜具有随所述单元棱镜的位置，从靠近所述同心圆中心一侧到远离所述中心一侧的变化而连续变化的顶角。
6.如权利要求1至5中任意一个所述的投影荧光屏，其中，所述全反射棱镜透镜具有第一顶角固定区，在该区域中，所述单元棱镜具有确定为预定的第一角的顶角；第二顶角固定区，其位置与所述第一顶角固定区不同，在所述区域中，单元棱镜具有确定为预定的第二角上的顶角，所述第二角与所述第一角不同；以及顶角变化区，它位于所述第一和第二顶角固定区之间，在所述区中，所述单元棱镜具有随在所述荧光屏上的位置不同而在所述第一和第二角之间变化的顶角。
7.如权利要求6所述的投影荧光屏，其中，所述顶角变化区包括第一顶角变化部分，在该部分中，所述单元棱镜具有仅仅随所述单元棱镜的所述第一平面与所述荧光屏之间夹角的变化而变化的顶角，所述单元棱镜的所述第二平面和所述荧光屏之间的夹角保持不变。
8.如权利要求7所述的投影荧光屏，其中，所述顶角变化区还包括位于所述第一顶角变化部分和所述第一顶角固定区之间的第二顶角变化部分，在所述第二顶角变化部分中，所述单元棱镜具有随所述单元棱镜的所述第一平面与所述荧光屏之间的夹角和所述单元棱镜的所述第二平面与所述荧光屏之间的夹角的变化而变化的顶角；以及位于所述第一顶角变化区和所述第二顶角固定区之间的第三顶角变化部分，并且在所述第三顶角变化部分中，所述单元棱镜具有随所述单元棱镜的所述第一平面与所述荧光屏之间的夹角和所述单元棱镜的所述第二平面与所述荧光屏之间的夹角的变化而变化的顶角。
9.如权利要求1至8中任意一个所述的投影荧光屏，其中，每一个所述单元棱镜的所述第一平面具有一个0°或大于0°至垂直于所述荧光屏的斜角。
10.如权利要求1至9中任意一个所述的投影荧光屏，其中，所述单元棱镜的所述第一平面在所述整个荧光屏上具有均匀的粗糙表面。
11.如权利要求1至10中任意一个所述的投影荧光屏，其中还包括设置在所述全反射棱镜透镜的观众一侧的、用于扩散穿过所述全反射棱镜透镜的光的双凸透镜。
12.如权利要求11所述的投影荧光屏，其中，所述双凸透镜具有多个半椭圆截面的单元棱镜。
13.如权利要求11所述的投影荧光屏，其中，所述双凸透镜有多个梯形截面的单元棱镜。
14.如权利要求13所述的投影荧光屏，其中，这样设置所述梯形截面的单元棱镜，使得每一个梯形的下底边和上底边分别面向入射面和出射面；在每两个相邻的单元棱镜之间生成V.形截面部分；所述单元棱镜由预定折射率的材料制成；在每两个相邻的所述单元棱镜之间生成的那些部分由折射率比制成所述单元棱镜的材料的折射率低的材料制成；以及在所述单元棱镜之间的界面和每两个相邻的所述单元棱镜之间生成的部分都允许光被全反射。
15.如权利要求14所述的投影荧光屏，其中，所述V形截面部分具有吸收从所述投影荧光屏观众一侧进入的光的光吸收特性。
16.如权利要求15所述的投影荧光屏，其中，所述V形截面部分由混合有光吸收粒子的树脂制成。
17.如权利要求11至16中任意一个所述的投影荧光屏，其中，把所述全反射棱镜透镜和所述双凸透镜整体地制成一块镜片。
18.如权利要求1至10中任意一个所述的投影荧光屏，其中还包括设置在所述全反射棱镜透镜观众一侧的、用于扩散穿过所述全反射棱镜透镜的光的扩散镜片。
19.如权利要求11至17中任意一个所述的投影荧光屏，其中还包括设置在所述双凸透镜的观众一侧的、用于扩散穿过所述全反射棱镜透镜和所述双凸透镜两者的光的扩散镜片。
20.如权利要求1至19中任意一个所述的投影荧光屏，其中还包括功能层，所述功能层包括从由消反射层、硬涂膜层、防静电层、遮光层、防腐蚀层和传感器层组成的组中选择的至少一层。
21.一种投影显示器，它包括如权利要求1至20中任意一个所述的投影荧光屏；以及用于将成像光倾斜投影到所述投影荧光屏上的投影光学系统。
22.一种用于投影荧光屏的全反射棱镜片，所述投影荧光屏允许成像光从位于所述投影荧光屏背面的投影光学系统倾斜投影，向所述投影荧光屏的观众一侧出射，所述全反射棱镜片包括全反射棱镜透镜，它具有多个安装在其背面、成像光入射在其上的单元棱镜，每一个所述单元棱镜具有折射入射光的第一平面和将由所述第一平面折射的光全反射的第二平面，其中，每一个所述单元棱镜具有与所述第一和第二平面之间的夹角对应的顶角，所述单元棱镜的所述顶角随每一个所述单元棱镜在荧光屏上的位置不同而变化。
全文摘要
投影荧光屏111包括全反射棱镜透镜114和安装在全反射棱镜透镜114的观众一侧的双凸透镜115。全反射棱镜透镜114在其背面(最外的入射平面)具有多个成像光入射在其上的单元棱镜113。每一个单元棱镜113都有一个对应于入射平面113a与全反射平面113b之间夹角的顶角λ，并且单元棱镜113的顶角λ随荧光屏上每一个单元棱镜的位置不同而变化。更详细地说，单元棱镜113具有从30°至45°之间连续变化的顶角λ，使得远离同心圆中心O的一侧上的顶角λ比靠近所述中心O的一侧的顶角λ大。
文档编号G03B21/62GK1662850SQ0381482
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月27日 优先权日2002年6月27日
发明者后藤正浩, 渡边一十六, 吉田由树, 关口博 申请人:大日本印刷株式会社