专利名称：背面投影屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及从背面照明和前面有光散射介质的背面投影屏，所述光散射介质用于接收来自具有一定视界的象源的光束以便在宽的视场角内大体均匀地显示图象。光散射元件包括许多紧密排列的大体平行而且沿投影屏应用位置的垂直方向伸展的透镜元件，其具有两个三角形透镜、一个居间的柱透镜和一个与所述三角形透镜相邻的透镜。
这样的投影屏用于不同的装置中以便向观察者产生可见图象，例如投影雷达图象、飞机模拟器、电视、交通管理信号灯、缩微影片阅读器、视频游戏机和具有投影图象的视频监视器和投影通过背面投影的电影。在这样的装置中，放置在投影屏背面的光源预先把光沿着光轴向前投向投影屏，以便在投影屏的高度产生传至所有位于投影屏前面的观察者的图象。
当有许多观察者时通常他们是水平散开的，因此希望光沿水平方向在大角度范围内散射。对于具有背面投影屏的电视机的情况尤其如此，有许多观察者坐在投影屏前面相对投影屏沿水平高度方向的相当大的角度内。
对于背面投影系统必须克服的问题之一是大部分光沿投影轴方向投射，这意味着观察者越靠近投影轴，图象的强度增加。具有背面投影屏的彩色视频装置通常使用三个阴极射线管，也就是说每个射线管用于一个基色，例如，红、绿和蓝色，这些射线管通过自身的投影物镜把图象投影在投影屏上。在按传统水平排列阴极射线管中通常是把绿色的阴极射线管放置在中央投影轴上，而红色和蓝色的阴极射线管以其光轴与绿色阴极射线管的投影轴成5至10度的角度放置。除非投影屏补偿这些移位定位，否则将出现所谓的彩色偏移现象。这一现象实际中表现为如果三原色的亮度在观察者群的中心归一化，则亮度关系在整个观察角度水平面内随着角度位置变化。这意味着观察者观察到的图象依赖于他在投影屏前面的水平面内的位置。
除此之外，当背面投影屏在环境光中使用或暴露在环境光中时，投影图象的对比度受投影屏前表面反射光线的影响。因此，希望减少环境光在投影屏前表面的反射。为了减少光线反射提出了不同的屏蔽技术，其中黑的不反射的板插在透镜之间或者整个投影屏的前面，而与黑条纹没关系。
为了增大水平面方向上的观察角度提出了不同的背面投影屏。美国专利No.4,418,986和4,509,822描述了这样的系统，其中使用了具有象菲涅尔透镜一样的后板和前板的投影屏，所述菲涅尔透镜能够把来自象源的平行光束准直，所述前板由具有垂直方向连续的棱纹/峰的散射透镜构成，用于在特定的水平观察角内分散光。根据公知技术，投影屏的前面大体上分为两个透镜类型，用于把窄的向前视场传播的的光散射的柱面透镜，和进一步增大观察角的全反射透镜。
本领域的技术人员都知道当使用公知的透镜结构时技术上很难达到均匀的光散射，因为公知的系统是由一个或两个透镜构成-一个透镜在窄的水平观察区域例如±25°内传输光，一个全内反射透镜把光从±25°-30°区域扩展到±60°区域。该系统应用两种类型的透镜在技术上很难做到所述两种类型透镜之间充分重叠，尤其是当背面投影屏用于视频投影时，通常使用三个投影阴极射线管-一个阴极射线管用于一个基色，而且这些阴极射线管的光轴相互之间通常成7-12°角。
如果例如绿色图象垂直投影在投影屏的背面，蓝色和红色图象则以一定的倾斜角例如上述的与投影屏的法线成7°角方向投影在投影屏的背面。然而，这可能产生如下的效果，即从前面斜向观看投影屏的人将看到蓝色或者红色占优势的图象-即根据所讨论的这个人是靠近投影蓝色图象的投影系统的光轴还是靠近投影绿色图象的系统的光轴而定。这种颜色失真在下面将称为颜色不均。
根据本发明的背面投影屏其特征在于应用了五个透镜。其中三个传输从背面来的光，其余两个与投影屏的法线彼此成不同的倾斜角。此外，他们对于来自背面的光是全反射的，这样光在宽的扇形区内从透镜两侧部(side parts)被全反射出来。
因此，当来自背面的光传播到两个对称的三角形透镜的内侧时将百分之百地反射，因为具备了全反射的先决条件。以这种方式传播到左边透镜部分内侧的光束将从该透镜的右侧部分以不同于最近位置处的三角形透镜的出射方向出射。这样，通过这些透镜的非对称结构，可以做到使光在较宽的扇形区内传播。由此也可以看到上述的颜色不均将由于下列事实而得到中和，即通过这些反射透镜出射的全反射光将在大约比光源的光轴之间形成的角度大10-30％的弧形角度内传播。
这样观察者从前面斜向观察图象将看到三个合并的图象，因为非对称透镜将以如下方式偏转光，即将来自三个光源的光束当作大体平行。同时可以获得与具有百分之百全反射面的透镜有关的优点可以在宽的侧面观察角内看到图象。为了也确保中间透镜在向前传输的光通过透镜顶点出射处能够以中和颜色不均问题的方式混合，该透镜制成具有不同的曲率。这意味着根据在具体应用中颜色不均问题的严重程度，通过非对称透镜的顶点出射的光量与中间和外部透镜的关系可以在宽的限度内变化。
下面将参照附图进一步解释本发明，其中
图1表示视频装置的截面图；图2表示包括投影屏和带有相关透镜的三个阴极射线管的彩色投影电视系统；图3表示根据本发明的投影屏的透视截面图；图4表示通过图3所示附图的根据本发明的截面，用于描述光束的光路；图4A/4B表示公知结构的光束光路；图5表示本发明的截面，其中三角形透镜已经根据图4横向移位；图6表示本发明的另一实施例；图7表示用于描述根据本发明的投影屏的又一实施例；图8表示具有说明书中所述例子的参考尺寸和角度的本发明的截面；图9分别表示根据本发明作为观察角的函数的全反射透镜和传输透镜的光透过率曲线；图10表示根据本发明的试验的光学测量结果；
图11表示本发明的另一实施例。
在描述本发明的实施例之前，先特别参照图1和2解释应用本发明的背面投影屏的投影系统的一般设计。图1表示一台投影电视机的截面图的实例。视频投影装置1通常由三个显象管2、透镜4、机械耦合3、反射镜5以及背面投影屏6构成。
图2表示具有三个光源的背面投影屏，所述光源具有配备了投影透镜的表面而且应用了这里讨论的投影屏类型。三个投影器7、8和9把电视图象投影在投影屏23的背面。每个投影器分别提供绿、红和蓝光。所述三个投影器以如下方式并排垂直放置，使投影器8通常为绿色投影器且其光轴垂直于投影屏23。
投影器7的光轴15和投影器9的光轴13通常与投影系统8成8-12°角。
通过三个投影器7、8和9以及安置在前面的透镜10、11和12，能够在投影屏上形成相对投影器放大的图象。通常投影屏23在背面16和前面17具有透镜结构。背面16通常设计成把发散的光束变换为平行光束的菲涅尔透镜。通过背面投影屏23平行传输的光束从透镜结构的前表面17适中散射为适合的观察角。
下面将参照附图描述本发明的最佳实施例。
图3表示根据本发明的背面投影屏的透视图。如图所示，根据本发明的背面投影屏在图象一侧的表面上具有表面26，其配置有一些沿投影屏使用位置的垂直方向伸展的透镜。图中18表示柱面透镜。该透镜的横向边缘与两个非对称的全反射透镜19和20相邻，所述全反射透镜19和20依次与他们的传输透镜21和22相邻接。
背面24表示用于使来自光源25的光变为平行光的费涅尔透镜结构的一部分。
图4表示根据本发明的图3的一部分截面，以便描述光路。为了清楚起见，只表示绿光的光路。如图所示，来自绿色光源的光束29将通过投影屏透镜18的中心而不反射。在透镜18的弧形部分光将在小视场例如±15°范围内偏转。柱面透镜18与全反射透镜19和20相邻接。本发明与公知技术的本质区别在于，全反射三角透镜19和20以他们的对称轴不平行的方式构成。这样，能够在宽的视场内散射光，从光束27、27′和28、28′，以及光束30、30′和31、31′也可以看到这点，通过这种方式消除了上述的颜色不均问题。
根据图4A给出一个公知技术的全反射透镜的例子。这种类型透镜的对称轴34总是垂直于投影屏的表面。为了清楚起见只表示来自绿色光源的光束。如图所示，被透镜35和36的内侧全反射的光束将通过透镜的另一面在一个方向而且只在一个特定方向上平行出射。那么只有观察者坐在某一位置的条件下才能够看到来自投影屏的侧光。
图4B表示公知技术的所有三个光源的光束的光路。如图所示，采用公知技术颜色不均问题变得更严重，因为当光束通过透镜33以后光轴之间的夹角θ4和θ5将变为θ9和θ10。那么从侧面斜向观看投影屏的观察者将看到三个来自各自光源的基色分开。
图5表示本发明的另一个实施例。在这一实施例中，透镜19和20反转为他们的陡面彼此相对。这些透镜陡面的角度用相对于投影屏的法线N的角度表示。这些透镜的外边之间的夹角为X。基本上该透镜的工作模式与图4中所示的透镜相同。
图6表示本发明的又一实施例，其中透镜37′和38′围绕平行于投影屏平面的轴横向反转。该结构的工作模式与上述本发明的工作模式相同。
图7表示已知的本发明的又一个例子。该图与图6的本质不同在于透镜37和38已通过小的分隔距离分开。这样透镜39和40的工作模式相应于透镜37′和38′。
在图4、5、6和7中特别表示根据本发明的投影屏的不同实施例的附加透镜。与非对称透镜19和20相接的透镜可以是凸面、凹面或者两者的组合。
图8表示说明书中给出的具有参考尺寸和角度例子的轮廓图。
在图9中表示右边的透镜19和左边的透镜20的相对测量结果曲线41和42。中间的钟形曲线43是图7中的透镜40、39和18整体测量结果。
图10表示根据图7所示的轮廓图分别水平和垂直测量所有透镜的功能的图。从图中可以看到，似乎根据本发明投影屏在水平方向在±50°观察角内给出非常恒定的光。为了也获得一定的垂直方向的光散射，可以在投影屏中加入光折射粒子而不改变投影屏的其他特性。当这些粒子的光学折射率在1.5-1.58范围内、粒子大小在3μm至65μm时，光散射粒子的分量最多为45g/m2。
当加入玻璃粉末时只得到图10中的钟形曲线44。应该注意到通常观察者位于横向平面内，所以设计者尽量在水平方向获得最宽的观察角。
例1利用图7所示轮廓的铸造模具，每平方米加入21g粒子大小为3-28μm的SiO2铸造2mm的PMMA(丙烯酸)板材。表示透镜元件重复频率的分隔距离P为0.80mm。透镜40的宽度为Z1-Z2=0.2mm,Z3=Z5=0.10mm。柱面透镜18的宽度为0.16mm。透镜19和20相对投影屏的法线的顶角分别为20°和25°。透镜40、39和18具有相同的顶角98°，相同的效率半径0.03mm。投影屏的结果如下峰值增益3.81/2水平峰值增益37°1/2垂直峰值增益12.4°投影屏表现出优良的性能，即使得在±90°的视场范围内可以看到图象。术语“峰值增益”表示在某一距离处沿垂直于投影屏方向测量的光量。
例2参照图8的模具的规格如下P=0.80mm,Z1=Z2=Z4=0.18mm,Θ6=Θ7=Θ8=103°，曲率半径R1=R2=R3=0.03mm,Z3=Z5=0.08mm,β1=β2=26°,α1=α2=19°。
投影屏铸造成大小为300×350mm。当向模具中浇铸PMMA(丙烯酸)液体时，混入7g粒度为2-28μm的SiO2和少量的黑染色剂。模具水平放置，也就是说，1-2小时之后所述特定粘度的SiO2粒子沉积在透镜结构处的模具边上。然后把模具加热到大约55℃5小时，随后固化
小时。模具缓慢冷却约2小时，然后可以把模具分开。反复按照如下方式进行试验，使得粒子沉积在板材的两边。后面的测量表明第一次和第二次的实验结果几乎一样。
投影屏的结果如下峰值增益3.81/2水平峰值增益42°1/2垂直峰值增益9.8°投影屏表现出大致如图10所示的颜色纯度和光分布。
用下面这些CaCo3、BaSo4中的光散射剂以及折射率比基本材料的大或小0.04-0.08的精细玻璃粉末、玻璃球或者塑料球代替SiO2，重复上述两个试验。举例来说可以使用PMMA、苯乙烯、PMMA与苯乙烯的混合物或者类似可以利用的塑料材料。改变粒子大小和添加量。使用结果是上述的光散射材料中没有一种产生与SiO2有本质差别的结果。
另外，在该试验中光散射材料在投影屏中的位置改变了。即把它放置在投影屏中心处的透镜一侧的大体限定的层内，以及放置在朝着投影器转动的一侧并且在整个层厚度内。这样并没有产生很大变化。此外，通过试验，在菲涅尔透镜24和双凸透镜(Lenticular)投影屏26之间插入散射板，本质上也没有改变结果。
权利要求
1．一种从背面照明和在前面(26)有光散射材料的背面投影屏，所述光散射材料用于接收来自象源的光束和把单个的光束偏转以便准备在宽的视场角内大体均匀地投影图象，所述光散射元件包括许多紧密排列的大体平行而且沿垂直方向伸展的透镜元件，所述透镜元件中有两个非对称的全反射三角形透镜，在这些透镜之间可以插入其他或者更多的传输透镜，此处在所述非对称透镜的外部两两与多个传输透镜相邻接，其特征在于反射透镜(19)和(20)具有两两的透镜顶部，所述两两透镜顶部关于它们的对称轴形成一些角度，所述这些角度分别彼此相向和相背，其中这些透镜顶部的角度彼此相对绕其对称轴横向反转。
2．根据权利要求1所述的背面投影屏，其特征在于全反射透镜(19,20)的顶角α1和α2为5°至25°，最好为18°，角度β1和β2为15°，最好为28°。
3．根据权利要求1和2所述的背面投影屏，其特征在于不只两对透镜(19和20)形成具有成对不同的角度α和β的全反射透镜。
4．根据权利要求1、2和3所述的背面投影屏，其特征在于所述双凸透镜系统(26)由丙烯酸(PMMA)或丙烯酸与苯乙烯的混合物或其他具有好的光学性能的适合的塑料材料制成。
5．根据权利要求1、2、3和4所述的背面投影屏，其特征在于所述双凸透镜投影屏采用层压法制成。
6．根据权利要求1、2、3、4和5所述的背面投影屏，其特征在于所述双凸透镜投影屏部件(26)在投影屏对着投影器的部分具有菲涅尔透镜，或者所述投影屏由两部分构成，一个双凸透镜部分和一个菲涅尔部分。
7．根据权利要求1、2、3、4、5和6所述的背面投影屏，其特征在于前部(26)例如通过蚀刻所使用的模具或者后续的涂敷而轻微磨砂。
8．根据权利要求1、2、3、4、5、6和7所述的背面投影屏，其特征在于所述投影屏中的光散射介质是有机、无机颜料或者上述两种材料的混合物。
9．根据权利要求1、2、3、4、5、6、7和8所述的背面投影屏，其特征在于所述投影屏分为两部分，并且在双凸透镜投影屏的背面具有沿水平方向平行伸展的透镜，用于在垂直方向散射光。
10．根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8和9所述的背面投影屏，其特征在于图11所示的光传输透镜(46和47)具有非对称的两侧部分。
全文摘要
本发明涉及从背面照明和前面有光散射介质的背面投影屏,所述光散射介质用于接收来自具有一定视界的象源的光束以便在宽的视场角内大体均匀地显示图象。光散射元件包括许多紧密排列的大体平行而且沿垂直方向伸展的透镜元件,所述透镜元件包括一个或多个相对它们的对称轴成角度的三角形非对称的透镜对,它们的对称轴与投影屏的法线不同,而且其中每个透镜(19,20)具有全反射的内表面,而且在这些一个或多个透镜之间插入透镜(18),用于传输来自象源的光,而且在每个透镜对(19和20)的外部也放置传输透镜。
文档编号G03B21/62GK1216617SQ9719397
公开日1999年5月12日 申请日期1997年3月17日 优先权日1996年3月18日
发明者埃里克·科劳森 申请人:扫描影像屏幕公司