背面投影屏幕的制作方法

专利名称:背面投影屏幕的制作方法
背面投影屏幕有下述装置组成所述屏幕前表面上的光扩散装置，它可以接收从图象源发射出来的光线并将射来的各条光线偏转使图象在很宽的视角范围内以相当均匀的亮度显示出来;所述的光扩散装置是由一组紧密排列的，通常是一般平行的凸透镜组成;至少有一些这样的凸透镜是由基底部分、第一侧面部分、第二侧面部分及与第一侧面部分相对的顶端部分所组成。
背面投影屏幕可以用在各种类型的设备中，象为产生用户所显示用的投影雷达显示器、飞行模拟器、航空电子显示器、交通控制信号灯、微缩胶卷阅读器、电视游戏机，投影视频监视器及胶卷背面投影显示器。在这些应用中，位于屏幕后面的图象源沿着投影轴向屏幕发射光线以使在屏幕平面上形成一图象，而观众在屏幕前方观看。
在观众人数较多的情况下，观众往往是沿着水平方向散布的，这时就要求一个很宽的水平视角。特别在背投影电视的场合中，观众常常坐在相对于屏幕来说是很宽的水平视角范围内。
背投影系统遇到的一个问题是沿着投影轴的方向光线比其它地方要强，这样，距离投影轴越近，影象就显得越亮。背屏幕彩色电视投影仪一般使用三个阴极射象管，即红色、绿色及兰色射象管，它们通过各自的投影镜头向屏幕投影。在典型的阴极射象管的水平排列中，绿色射象管往往放在中间投影轴上，红色与兰色射象管放在其光学轴与绿色射象管的光学轴成5度到10度的位置上。如果不经过屏幕的校正，这样的排列会产生所谓色粉偏移的现象。即如果对于坐在中间的观众来说，红色、绿色及兰色都很正常的话，那么，对整个观众的水平面来说，各种色粉的比例会随视角而变化。这样，观众看到的图象取决于相对于屏幕的水平位置。
除此以外，如果在存在背景光的情况下使用背投影屏幕，投影影象的对比度会受到屏幕前方背景光反射的影响。所以，应该减少背景光在屏幕前面的反射。曾使用了各种遮蔽技术，在透镜之间插入黑色无反射面，以最大限度减少反射。
为增加水平视角范围，曾提出了各种背投影屏幕。其中有一种威廉姆·爱尔默(WilliamR·Elmer)曾获得美国专利3578·841的背投影屏幕是这样一种屏幕其后表面象弗雷斯耐尔(Fresnel)镜片，能将从图象源发出的光线变成平行光线，其前表面由垂直助形镜片所组成，能在特定的水平视角内散光。镜片的垂直助形由一方程确定，而该方程与所要求的以中心线为基准的散光角度有关。但是，当散光视角超过60度，即从中心线算起二边超过30度时，由这个方程算出的助形就没有什么作用了。这时必须将这些助形镜片的形状改得更光一些，这样可将视角扩大到90度，即从中心线起两边各45度。
Yoshito Miyatka及Yoshitomi Nagaoka在日本展览会83-587出版的名为“单片式超广角背投影屏幕”的文章里谈到其它类型的背投影屏幕。其中有一种称为“飞斯Ⅲ(Phase-Ⅲ)”的屏幕系统，使用了梯形透镜而不是传统的园柱型透镜，其顶面截面与传统的园柱型透镜相同而侧面平直且向屏幕的中心微微倾斜。文章中说，这种系统的水平视角为±60度，但是用作背投影电视屏幕时容易产生色粉偏移。另一种称为“飞斯Ⅳ(Phase Ⅳ)”的系统，也用梯形透镜来代替标准的园柱型透镜，这些透镜的表面形成两个园柱面。在这两个园柱面之间再插入标准的园柱型透镜。文章认为这种构成能保持较大的水平视角而减少“飞斯Ⅳ”的色粉偏移。然而，“飞斯Ⅳ”的透镜在横截面上缩得极短，宽度比高度还要大，顶部的宽度仅比透镜的整体宽度略微小一点，这就限制了黑遮蔽技术的使用。
本发明对背投影屏幕结构有所改进，可以避免这些缺点。新发明的投影屏幕有如下特点第一侧面部分相对于基底部分的平均斜度为大约43度至85度之间;第二侧面部分相对于基底部分的平均斜度也大约为43度至85度之间;第一侧面平均斜度及第二侧面平均斜度是根据下述原则决定的第一侧面部分和第二侧面部分具有高度内反射性，镜片的高度与基底部分的宽度之比大于1∶1，基底部分的宽度与顶部宽度的比大于2∶1，顶部与第一侧面部分及第二侧面部分相接，顶部部分由两个凸园柱部分及一中央凹园柱部分组成，顶部具有很强的折射性。
我们新提出的背投影屏幕系统的透镜组的侧面将投影物的光线直射到顶尖部，顶尖部的作用主要是折射光线，反射到观众视野中的光很少。顶尖部由两园柱形凸镜及一中央凹园柱形透镜组成，具有超常的水平光学散射性。此外，当投影物具有多重色彩时，例如用在背投影彩色电视系统中，有三个分离的水平阴极射象管，本发明的透镜组的色彩偏移最小。而且，透镜的整体高度对宽度的比例及顶尖部宽度对整体宽度的比例使背投影屏幕面积的60%可以黑遮蔽起来。
下面将对照图示详细介绍本发明图一显示了本发明中背投影屏幕在彩色电视投影中使用的情况。
图二是本发明中背投影屏幕所使用的透镜组的放大了的部分横视图。
图三是图二中3-3这一部分的横视图。
图四是图三中一个透镜的尖顶部分的放大图。
图五很象图三，描绘了从投影物出发的光线经过透镜镜片发射至观众席的情形。
图六亦类似图三，显示了入射背景光投射在屏幕透镜上的情形。
为便于了解新发明的背投影屏幕，首先介绍使用本投影屏幕的投影系统的放置及操作，随后介绍屏幕中使用的各种镜片表面形状及导出这些形状的方法。
图一中10是背投影彩色电视系统，12是该系统中使用的背投影屏幕。在这种放置情况下，电视接收线路14接收到电视影象源信号，分别通过独立的红色、绿色及兰色投影阴级射象管成16、18及20投影屏幕12的背面22。这三个阴级射象管(CRT)16、18及20相对于投影轴23是水平放置的，绿色射象管18在中间。这样的水平放置情况下，CRT16、18及20的光学轴线分别为24、26及28，相互之间形成一定的角度。一种很典型的做法是红光轴24及兰光轴28相对于绿光轴26成5到10度的角度。背投影屏幕12的背面22是一平面，通常装有象弗雷斯耐尔镜片那样的将光束转交成平行光束的镜片，这样，根据熟知的弗雷斯耐尔镜片的原理，可将从投影器16、18及20发射出来的发散光线变成平行光线。屏幕12的前长面30一般也是一平面，装有很多紧密排列的垂直镜元32。本发明中透镜片32具有一定的形状以将光线折射到观众席33中一个相当宽的水平视角α中去。
以往，象图一中那样的背影屏幕系统有用两片或屏幕也有用一片式屏幕的，这取决于屏幕的特性。例如，两片式屏幕的特点是水平视角很宽，但投影图象的分辨率降低且有幻影。另外，在这样宽的水平视角下，为了最大限度地减小色彩偏移，在制造过程中，屏幕的配准控制及屏幕厚度必须很精确。一片式屏幕的特点是分辨率较高但水平视角较小，一般只有大约±30度左右。本发明中垂直镜片结构在一片式及二片式屏幕中都可使用，在±85度的视角范围内散光效果良好，亮度均匀，色彩偏移小。
图二中可以看到在投影屏幕12的前表面30中有许多平行的垂直透镜32。图三透镜组32中从中心到邻近中心的距离即透镜间距W。本发明投影屏幕12的透镜间距在各种使用场合下可调整而屏幕的性能不变，因为透镜组32的各组件是同时按比例调整的。实际上，透镜间距是根据屏幕的大小及要求的透镜个数来决定的。例如用作背投影电视屏幕时，屏幕大小在26英吋至72英吋(对角线长度)范围内，透镜间距大致从0.3毫米至1.0毫米。透镜组32做得很细很密，观众看到的是连续图象，正象电视萤光屏中水平直线在正常距离观看时呈现为连结的图象一样。
透镜元件组32中相邻的元件最好紧挨着，这样，元件间的距离为零而透镜间距恰好等于每个元件的宽度。然而，实际上元件间会有一个过渡间隔，这可以有很多办法来处理，比如在元件间加上一个幅条。如果要加这样一个过渡间隔，其宽度最好不要超过元件宽度的百分之一。
每个透镜元件32有侧面34、36及一尖顶面38。侧面34及36可以是线性的、近似线性的，或向外凸的。最好是向外凸的。侧面34及36的平均斜度分别用θ及θ来表示(见图三)。θ及θ′的范围大约在43度到85度之间，由所要求的内反射性能来决定。如θ和θ′不一定要求相等时，本发明中的θ和θ′最好都要大于70度。侧面具有这样的角度可以确保通过透镜元32的光线以大于由斯耐尔(Snell)定理导出的临界角的角度射到侧面34、36上，这样光线可以由这些肋状透镜元定全内反射。θ和θ′最好相等，32的肋状结构最好是侧向对称的。如果θ和θ′不相等，而观众席是对称的，屏幕显示面30上的透镜元就会是相互的镜象。
侧面34及36可设计成既可反射又可折射光线，但最好是几乎完全内反射的！且能将从投影源出发的光线射到尖顶面38。
从图四中看得很清楚，顶面38是由三个半经相等的园弧40、42及44组成的。如图中所示，园弧面40及44是凸园柱面而园弧面42是凹园柱面。顶面38可折射又可反射光线，最好能做成使光绒完全折射到观众视野中去。
顶面38的宽度W′取决于侧面34及36的平均斜度θ和θ′、材料的折射指标及镜片特能。本发明的目的是提出一种透镜组结构，它能给出实际上为180度的视角、且图象亮度均匀，色彩偏移小。为达到这个目的，透镜宽W与透镜高度h之比、顶宽W′与镜宽W之比应取一定的数值。镜高h对镜宽W之比要大于1∶1，最好不小于3∶2，镜宽W对顶宽W之比大于2∶1，大于3∶1则更好。
利用这样一些结构特点并考虑到透镜结构的其它特点，可以设计出对某一特定目的来说是最佳的背投影屏幕。如果只考虑以上提到的结构数据，在±85度的视角范围内，设计的屏幕效果也极佳。本发明屏幕可以用各种方法来制造，如压力造型、注入造型、挤压，铸造及光致聚合。这种屏幕可以用透明的固体材料如无机玻璃及各种塑料来做。也可以用混合材料来做，最好是用有机玻璃。
一片式屏幕由二个贴合性较强的片构成。一片式屏幕的优点是造价低、简单。其厚度不是很要紧，也不要求正反面的图象配准性。
屏幕12的垂直散光性相对来说比较小。因此，屏幕12可能有一些漫射性。例如，漫射可以由屏幕材料的宏观折射性引起，可以由背面的表面纹理(或在二片式屏幕中除了正面以外的任何一个表面的纹理)引起，可以由各层粘合时形成的漫射层引起，或由它们的综合效果所产生。一般来说，这种漫射具有高斯分布，且在光强减弱不到50%时大约有±10度的垂直散光，即漫射会产生一个约为±10度的垂直半视角。
应该指出，背投影屏幕12的前表面30上的镜片组32的排列方法，会产生很宽的水平散光角度。可以很容易地将背投影屏幕12旋转一个适当的角度，比如90度，就可以在垂直方向上产生一个很广的散光角度。如果要求在水平方向及垂直方向上都有很亮的角度，可以在本发明中的水平肋状结构上再增加垂直肋状结构。
图五说明了光线通过本发明中透镜元件32时的散射情况。从投影源来的光束Y1、Y2及Y3被象弗雷斯耐尔镜片那样的镜片变成平行光。光束Y1、Y2及Y3在透镜源32的均匀介质中直线前进。当它们遇到侧面34、36时，由于34、36的内反射结构，光束被反射，入射角与反射角相等。最后到达顶面38时，其入射角小于镜片与空气的交界面的临界角，光束按斯耐尔定理折射。
上面已经提到，透镜元32侧面上是逐个相接的。每一个镜元的侧面34与相邻的镜元的另一向侧面36之间形成一向外开口的V字形沟。本发明中要求镜元的宽度W与顶宽W′的比不小于3∶1，所以，整个前表面的三分之二面积可以黑遮蔽起来。屏幕12上的黑遮蔽不应该破坏侧面34及36的反射特性。最好的方法是在沟16里绝大部分空间中填入能吸收可见光的黑色颗位48，并用联结侧边的表皮50将其覆盖起来。
即使没有黑遮蔽，透镜元组的构造使反射到观众席中的背景光比传统的一片式屏幕要少。这是因为沟46的面积大约占了整个屏幕30面积的三分之二，到达沟部的背景光在肋形结构32的侧边34及36间的大致路径。图中，实线表示入射光及反射光，虚线表示折射光。如果屏幕是用中性色彩的材料制成的，入射光会逐渐衰减。从背面12反射并经过前面30回到观众席上去的光线在屏幕中经过的距离平均来说要比从投影源来的光线经过的距离大一倍，因此，图象的对比度良好。
将前表面纹理化以增加漫射可使前表面30不反光。根据要求，整个前表面30都可以纹理化，如果屏幕有黑遮蔽，也可以只将顶面38纹理化，使屏幕不反光。对遮蔽屏幕，甚至可以将暴露的顶面38用无反射涂料覆盖以消除反射、进一步提高图象的对比度。
下面给出一个例子来说明在背投影彩色电视系统中使用状况良好的本发明中透镜元的构造。这个例子仅仅是为了将问题说得更清楚一些，不要把本发明局限在所述的例子中。座标系如图3所示，原来记为0，X轴表示从左下角向右方的距离，Y轴表示从左下角向上的距离。透镜元的宽度为0.55毫米，对于X＝0.275毫米是对称的。Y值都是大于或等于零的，镜元是Y及Y的斜率的连续函数。
对称的侧面由397个直线段构成，由下式定义斜率＝Mn＝TAN〔90°-0.5×ARCTAN〔(0.2888-Xn)÷(0.9280-Yn)〕〕其中X1＝0，Y1＝0D＝0.2131÷397＝5.371×10-4M1＝6.5786Xn＝(n-1)×DYn＝Yn-1+D×Mn-1第397个线段的端点是X398＝0.21310，Y398＝0.88348，侧边的形状由下述内插公式确定给定X，X＜0.21310及Xi≤X≤Xi+1则Y＝Yi+(X-Xi)×Mi+D尖顶部分的形状如下确定对0.21310≤X＜0.25735，Y＝-R2-(X-X01)2+Y01其中X01＝0.23971，Y01＝0.86896，R＝0.03076毫米，对0.25735≤X＜0.2750(中间部分)，Y＝+R2-(X-X02)2+Y02
其中X02＝0.22750，Y02＝0.91936，R＝0.03076毫米上面的式子给出了本发明中镜宽为0.55毫米的对称透镜元的一个侧边。正如前面已经指出的，如所有镜元都作同样的改变，镜宽的改变并不影响镜元的性能。将这些镜元组成透镜屏幕时，相邻的镜元最好是联结的，如果中间有间隔的话，最好不要超过镜宽W的百分之一。如此组成的镜元组用传统的方法打光。经过检验，这样设计的透镜的增益大于2.5，效率为79%。当漫射在极值强度方向对垂直方向9.5度给定的半强度充分大的情况，就能达到以上的增益和效率。如漫射更强或增加一些水平透镜组，可得到更大的垂直视影，但这要损失同量的屏幕增益。
透镜组最好用精密设备加工，如钻石旋转机床及钻石工具。加工的条件是一个相当重要的因素，可以允许细微的偏差，透镜组的总体构成，即镜宽对高度的比、镜宽对顶宽的比、及侧面内反射性和顶面折射性，是决定屏幕性能的基本因素。
以上详细说明了本发明的一些具体细节，希望本行的高手提出修改意见。另外，本发明只限于附录中申明的范围。
权利要求
1.背面投影屏幕具有了屏幕前表面的散光性能，它可以接收从影象源射出的光线并将其用相当均匀的亮度在很宽的视角内显示出来这些散光手段包括一系列平行的紧密排列的透镜片；至少其中一部分透镜由基底，第一侧面，第二侧面及与基底相对的顶部组成；其特点是第一侧面对于基底部分的平均坡度为大约43度至85度之间；第二侧面对基底部分的平均坡度大约在43度至85度之间，第一侧面的平均坡度与第二侧面平均坡度的确定应使第一侧面和第二侧面具有很强的内反射性，镜片高度与基底部分的比大于1∶1，基底部分的宽度与光顶部分的宽度之比大于2∶1，光顶部分与第一侧面和第二侧面部分相接，光顶部分由二个凸园柱部分和一个中央凹的园柱部分组成，光顶部分具有高度折射性。
2.权利要求
1中所述背影影屏幕的特征之一是所有紧密排列的平行透镜具有相同结构。
3.权利要求
2中所述背投影屏幕的特征是所述第一侧面平均坡度及所述号二侧面平均坡度均大于70度。
4.权利要求
3中所述背投影屏幕的特征是所述第一平均坡度和第二平均坡度相等。
5.权利要求
1中所述背投影屏幕的特征是所述光顶部分的二个凸园柱部分及所述中央凹园柱部分的半径相等。
6.权利要求
5中所述背投影屏幕的特征是所述透镜是关于中央轴对称的。
7.权利要求
1中所述背投影屏幕的特征是所述高度对宽度之比大于3∶2
8.权利要求
7中所述背投影屏幕的特征是所述宽度对宽度之比大于3∶1。
9.权利要求
6中所述背投影屏幕的透镜有第一侧面、第二侧面及光顶部分，透镜的宽度为0.55毫米，对于X＝0.275毫米是对称的，每一对称侧面由397个直线段组成，由下式确定斜率＝Mn＝TAN〔90°-0.5×ARCTAN((0.28888-Xn)÷(0.9280-yn))〕其中X1＝0，Y1＝0，D＝0.2131÷397＝5.371×10-4M1＝6.5786Xn＝(n-1)×DYn＝Yn+1+D×Mn-1第397个线段的端点是X398＝0.21310，Y398＝0.88438;第一侧面的形状由下宁内插公式确定给定X，X＜0.21310及Xi≤X≤Xi+1，则Y＝Yi+(X-Xi)×Mi+D;所述光顶部分的形状由下式确定对0.21310≤X＜0.25735，是一园弧Y＝-R2-(X-X01)2+Y01其中X01＝0.23971，Y01＝0.86896，R＝0.3076毫米，对0.25735≤X＜0.2750(中间部分)，也是园弧Y＝+R2-(X-X02)+Y02其中X02＝0.22750，Y02＝0.91936，R＝0.3076毫米;这里，Y所有的值都大于或等于零，肋状结构是Y及Y的斜率的连续函数。
10.权利要求
1中所述背投影屏幕的特征是所述平行透镜之间的沟及其中吸光固体颗粒能吸收可见光，系统对可见背景光的反射会减弱。
11.申明10中所述背投影屏幕的特征是在沟中填有颗粒。
12.申明1中所述背投影屏幕的特征是它还有漫射性能。
13.以上各权权中所述背投影屏幕的特征是屏幕的背面具有准直性能，能接收从图象投影器发出的发散光并将其变成平行光线在所述屏幕上显示出来。
专利摘要
提出了一种背投影屏幕，这种屏幕的前长面上的透镜陈列可以将从投影光源的光线用均匀的亮度以实际上为180度的水平角度散布出去。该透镜陈列的每一个透镜元的特点是与镜宽之比不小于1∶1镜间宽度与顶宽的比不小于2∶1。透镜陈列的另一个特征是前表面的大约三分之二的部分可以黑布遮蔽起来。
文档编号G03B21/60GK85101770SQ85101770
公开日1987年3月4日 申请日期1985年4月1日
发明者布雷顿莱 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan