专利名称：用于图像显示器之类的背投式屏幕的光学元件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及光学元件，例如用于图像显示装置的背面投影式屏幕，和生产这种元件的方法，更具体地说，涉及装有由UV可固化树脂制成的菲涅耳透镜的屏募，该树脂比先有热塑材料即加到薄膜上然后附到支承部件的UV可固化树脂具有较少收缩量和改善的对支承部件的附着力。
1983年11月8日颁发给K.E.Conley的美国专利4，414，316描述了制作供例如比较薄的、软性菲涅耳透镜使用的和供投影屏幕用的浮雕图案板的几种先有方法。这样的一种方法包括了冲压或用压印机压纹。这方法涉及把热塑材料投入具有相应于所需浮雕图案的蚀刻表面的压印机中。该压印机被关闭并经受一加热周期，以加热和使热塑材料软化并使它与压印机的蚀刻表面相符。然后压机经历冷却期以使热塑材料冷却和硬化，使得它保持形状并且能从压机中提取它。由于所需加热和冷却周期，压印方法是缓慢的而且比较昂贵。此外，压印法还有截留气泡的可能性。其它方法更适于生产连续长度形式的浮雕图案。一般，这种连续方法利用了花滚筒，浮雕图案是通过滚筒模压处于软化或熔融状态下的热塑材料而形成。然而，这样的方法不能用来制造菲涅耳透镜，因为这样的透镜具有会与滚筒上的图案联结起来的锯齿形结构。由于热塑材料的弹性以及模压滚筒所传递的内应力，用这种方法生产的浮雕板具有恢复其原来平坦的和不受应力的造型的倾向。所以，在板上形成的特定透镜型或其它造型改变了它们原来所需形状，因而失去某些它们所需的光学质量。此外，由于冷却期间对板的凝缩作用，用这种方法生产的板在制造作业期间非常容易产生斑纹。另外，该板易受模压机械尺寸变形的影响，除非精确地保持滚筒速度和卷材的拉力。
这些问题通过使用热固性聚合物，而不是热塑性物质加以克服。固化的热固性聚合物不会因受热或湿度而易发生变形或尺寸变化;也不会因在产生凸纹花样的过程中所赋予的弹性复原性而呈现改变形状的倾向。除加热固化之外，较好的热固性材料是那些能用光化辐射，例如用UV或电子束辐射加以固化的材料。上面引证的美国专利4，414，316揭示了一种制造包含带基薄膜的复合板的方法，该薄膜涂有可流动的包括其内形成具有所需透镜状图案的陶形曲面的未固化热固性树脂。为了加强带基薄膜和热固性树脂涂层之间的附着力，在涂敷树脂之前，最好在薄膜的正面涂敷一层底剂或增粘剂。然后或用加热法或用光化辐射使树脂固化致使它变硬。该凸纹花样热固性聚合物涂层是依附和永久地粘接在带基薄膜上的。不是以这种形式使用复合板材料，就是它可以有附加的涂层即附加到其上的叠层。复合板的厚度从大约0.15到0.76mm不等。该复合板材料可用作就其它最终用途而言，在生产带有形成于其两表面上的预定凸纹花样的板材过程中的间产品。对这类用途来说，有凸纹花样热固性聚合物涂层是以较弱的结合强度粘结到带基薄膜上的，这种弱粘结使得有可能剥去带基薄膜上的热固性聚合物涂层，而再接着对该热固性聚合物涂层进行其它处理。但是，这种合成结构被描绘成比较薄和能变形，所以在没有把复合板粘结到适当的背衬板的情况下，不适用于投影屏幕。
1991年11月19日颁发给T.Yoshida等人的美国专利5，066，099描述了一种背面投影屏幕及其生产方法。在已获专利的该结构中，把UV可固化材料浇涂在屏幕的透镜状出射表面上，以形成其硬度高于底层板材硬度的光散射体。在该专利中，没有暗示UV可用可固化材料图样化而制造任何一种屏幕的透镜元件。
因此需要一种简单的结构和方法，其中在没有叠层或使用附加底剂或增粘剂的情况下，可用UV可固化材料在基本上为刚性的透明材料上形成透镜元件。
按照本发明的光学元件包括基本为刚性的板部件，它具有相对排列的主表面以及在其中一个主表面上形成的由辐射可固化材料制成的透镜。
附图中
图1显示利用本发明的背投式图像显示装置的剖面视图。
图2是按照本发明的新型背投式屏幕的透视图。
图3是用于制造该新型投影屏幕的设备的平面图。
图1显示背投式图像显示装置的剖视图，该装置包括背投式屏幕1、作为视频信号源的投影式CRT7、投影透镜8、用于将CRT7耦合到透镜8的耦合器9、投影光通量或光10、用于反射光10的反射镜11、和外壳12。
图2显示背投式屏幕1的透视图。屏幕1包括第一基本为刚性的透明板部件2和第二基本为刚性的板部件3，该部件大致透明，但其内或可选择地在其表面上可包含光散射材料。该第一和第二板部件2和3在其末端部分(图中未示)彼此相连。每个板部件具有大约3.18mm的厚度。第一板部件2包括第一主表面21和被材料的基体2B所隔开的相对设置的第二主表面22。第一主表面21提供了入射面，以供从管7发射的光10之用。第二主表面22提供该光的出射表面。透镜状阵列23设置在第一主表面21上。在第一板部件2的第一主表面21上的双凸透镜具有放大垂直视角的功能。菲涅耳透镜24是用以下描述的新颖方法形成在第一板部件2的第二主表面22的出射面上。菲涅耳透镜24转变从CRT7来的光图像以形成平行射线，然后投射到第二板部件3上。
第二板部件3具有第一主表面31和被材料的基体3B所隔开的相对排列的第二主表面32。第一主表面31提供投射到第二板部件3上的平行射线的入射面。双凸透视阵列33设置在第一主表面31上，其中双凸透镜的纵向是垂直地加以排列的。设有供第二板部件3用的出射面的第二主表面32装有类似于在第一主表面31上的透视33并沿其方向排列的双凸透镜35的阵列。分别在第二板3的第一和第二主表面31和32上的双凸透视与形成在第一板部件2的第一主表面21的入射面上的双凸透镜23是正交的。在第二板3上的双凸透视阵列33和35扩大了光线的水平视角，该光线是顺序透过背投式图像显示装置的板部件2和3的。在双凸透镜35的边界部分的光不透射区3N具有其上设有光吸收层36的平坦表面。
第一和第二部件的各个基体2B和3B是由一片聚丙烯或聚碳酸酯热塑性树脂制成。在板部件3的第一和第二主表面31和32上的透镜状阵列33和35是用已知方法形成的。例如，使板3在加热状态下在两个滚筒中间穿过，其中一滚筒配有用于双凸透镜阵列33的几何形状，供第一主表面31用的模板，另一个滚筒配有对应透镜状阵列35的几何形状供第二主表面32用的模板。通过这种操作，形成透镜状阵列。另一种可选方法是给板3加热并用压印机压制，该压印机使用配有分别供第一和第二主表面31和32用的双凸透镜阵列33和35的几何形状的模板的印版。按上面提到的美国专利5，066，099中所描述的方法，板材3可在其中包含适当数量的光散射材料或把该材料涂敷到它的一个表面上。
板部件2同样(例如)用以上所描述的其中一个传统方法，由热塑性材料和在其第一主表面21上形成的双凸透镜阵列23组成。但是，菲涅耳透镜24不是通过一般热压制过程形成的，因为这种过程倾向于使透镜变色，而且在冷却时由于其弹性复原性菲涅耳透镜还往往会变形，或改变尺寸，该菲涅耳透镜24是用以下描述的新颖工艺制成。
为制备按照本发明的第一板部件2，具有在第一表面21上形成的透镜状阵列23的板部件被配置成如图3所示，使透镜状阵列23与成型装置42的支承面40相接触。支承面40是一种平坦的透明材料，例如玻璃或塑料。支承在框架46内部，并具有设于其一个表面47上的菲涅耳透镜的负片图案(图中未示)的软性模子44起初以带图案表面朝上的方式置于装置42的互补支承面48上。该软性模子44是用配有其内形成有菲涅耳透镜图样的永久性原模(图中也未示)铸造。排除包括预拌树脂和催化剂的适量光学透明UV固化聚丙烯材料中的气体并从容器49通过软管50把该UV材料分送到软性模44的带图案表面47上，这些材料例如为从美国俄亥俄州西切斯特市的三联(ThreeBond)公司可买到的三联3001;从新泽西州新不伦端克市诺兰制品(NorlandProducts)股份有限公司可买到的诺兰UV材料;从特拉华州威尔明顿市大力神(Hercules)股份有限公司可买到的大力神UV材料;或从宾夕法尼亚州伊利市洛德(Lord)公司可买到的洛德photoglazeUV材料。最好，该UV材料的一个线条是沿模子44的一边缘形成并为填满菲涅耳透镜图案的凹部均匀地散布于图案表面47上，以形成未固化涂层52。此外，模架46是按弧线A-A摆动，以便在UV材料的未固化涂层52接近于在板2′的第二主表面22上的出射面的情况下，将软性模子44翻转过来。滚轮54被用来在板2的第二主表面22上均匀地整平软性模子及其涂层52。其次，通过把涂层52暴露于来自位于透明支承面40下面的光源56呈UV光形式的光化辐射之下，使其固化。最好，UV光是脉动的，以免加热UV涂层52，从而防止形成气泡导致菲涅耳透镜中的缺陷。当涂层固化时，它直接在第一板部件2的第二主表面22的出射面上形成菲涅耳透镜24。由于菲涅耳透镜24与第二主表面22构成整体，并且不需要用底剂或粘结剂把透镜24固定在该表面22上，所以在按照本发明制造的投影屏幕中，不存在附加的光衰减层;因此，不存在透射光亮度的降低。此外，由于菲涅耳透镜24是通过UV固化形成，(而不是热固化)，所以不存在合成透镜24的变形、收缩、变色或弹性复原松弛效应。因此，在传输从视频信号源7的光线过程中提供了较高精度。在涂层52被固化以后，使软性模子脱离第二板部件2以便在没有改变菲涅耳透镜24的形状的情况下均匀地松脱模子。最后，从成型装置42的支承面40提取板部件2。如图2所示，第一板部件2和第二板部件3是按相隔一定间距关系加以装配，以形成背面投影屏幕1。
尽管在本文中描述了某些具体UV固化材料，但也可应用其它UV可固化聚合物、二聚物和氰基丙烯酸。
权利要求
1.一种光学元件，包括具有相对设置的主表面基本为刚性的板部件，其特征在于，透镜(24)是用辐射可固化材料在所述部件(2)的至少一个(22)所述主表面(21，22)上形成。
2.用于图像显示装置的背投式屏幕，包括至少两个基本为刚性的板部件，这些板部件各具有顺序地透过光线的第一主表面和第二主表面，其中第一板部件和第二板部件在它们的各自所述主表面上分别包含一个菲涅耳透镜和一个双凸透镜阵列;其特征在于，所述第一板部件(2)的所述第二主表面(22)包括由辐射可固化材料构成的所述菲涅耳透镜(24)。
3.在基本为刚性的透明板部件之主表面上形成图像显示装置的背投式屏幕的菲涅耳透镜的方法，该透明板部件具有分别由入射面和出射面组成之第一和第二相对设置的主表面，其特征在于下述各步骤把所述板部件(2)的所述第一主表面(21)安置于成型装置(42)的支承面(40)上，把UV可固化材料均匀地散布在软性模子(44)的菲涅耳透镜图案(47)上以形成涂层(52)，使所述板部件(2)的所述第二主表面(22)的所述出射面同所述模子(44)接触，所述模子(44)其上具有所述UV可固化材料涂层(52)，使所述涂层(52)受到透过所述成型装置(42)的所述支承面(40)和所述板部件(2)的光化辐射的作用，以使所述涂层(52)固化并在所述第二主表面(22)的所述出射面上形成所述菲涅耳透镜(24)，以及从所述模子(44)松脱所述板部件(2)。
4.在基本为刚性透明板部件之一个主表面上形成供图像显示装置的背投式屏幕用的菲涅耳透镜的方法，该透明板部件具有分别由入射面和出射面组成的第一和第二相对配置的主表面，其特征在于下述步骤把所述板部件(2)的所述第一主表面(21)的所述入射面安排在成型装置(42)的支承面(40)上，在软性模子(44)的菲涅耳透镜模型(47)上提供一些脱气的UV可固化材料并均匀分布所述材料，以便在其上形成涂层(52)，在所述板部件(2)上，滚压所述软性模子(44)，产生所述涂层(52)，由此使所述板部件(2)的所述第二主表面(22)的所述出射面接触所述涂层，使所述涂层(52)受到穿过所述成型装置(42)的所述支承面(40)和所述透明板部件(2)透射的脉冲光化辐射的作用，以使所述涂层固化并在所述第二主表面(22)的所述出射面上形成所述菲涅耳透镜(24)，使所述软性模子(44)脱离所述板部件(2)，以便在没有改变所述菲涅耳透镜(24)的形状的情况下均匀地松脱所述模子，以及从所述成型装置(42)的所述支承面(40)提取所述板部件(2)。
5.如权利要求3或4中所描述的方法，其特征在于，所述UV可固化材料选自包括三联3001、诺兰UV材料、大力神UV材料和洛德photoglaze UV材料的一组材料。
全文摘要
一种光学元件，例如用于图象显示装置的背投式屏幕(1)，包括至少两个基本为刚性各具第一主表面(21；31)和第二主表面(22，32)的板部件(2；3)，分别提供顺序穿过光线(10)的入射面和出射面，第一板部件(2)和第二板部件(3)在其各个主表面(31，32)上分别包含一个菲涅耳透镜(24)和一个双凸透镜阵列33，35。第一板部件的第二主表面的出射面包括由辐射可固化材料形成的菲涅耳透镜。本文还描述了制造菲涅耳透镜的方法。
文档编号G02B3/00GK1083597SQ9310882
公开日1994年3月9日 申请日期1993年8月13日 优先权日1992年8月14日
发明者S·K·麦克克莱兰, R·E·麦科, 小·D·S·罗沙蒂 申请人:Rca汤姆森许可公司