具有三维全息屏的投影电视的制作方法

专利名称：具有三维全息屏的投影电视的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及投影电视接收机领域，且尤其涉及具有减小了的色偏和/或明显减小的机箱深度的电视接收机。
背景技术：
色偏被定义为当从水平面的不同角度观看时，由红、绿、和蓝投影管发出的投射图象在投影屏幕中心处形成的白图象的红/蓝或绿/蓝比例，相对于在垂直观看角度的峰值亮度时所看到的改变。
色偏问题是由必须有不同颜色图象，如红，蓝和绿色，的至少三个图象投影器而引起的。投影屏幕在第一侧接收来自至少三个投影器的图象，并在第二侧通过控制所有显示图象的光偏转而显示这些图象。通常为绿色的且通常位于投影器阵列中心的一个投影器，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。通常为红色和蓝色且通常位于阵列中心绿色投影器相对两侧的至少两个投影器，分别具有以非正交取向的入射角向第一光路会聚的光路。红、蓝投影器相对于屏幕和绿投影器的非正交关系导致了色偏。色偏的结果是，在屏幕上各个位置的色调可能不相同。色调差别大的情况通常是白色均匀度较差。色偏越小白色均匀度越好。
用数码标注色偏，其中较低的数值表示较小的色偏和较好的白色均匀度。根据通行的规程，从各个水平视角测量屏幕中心的红、绿、蓝亮度值，通常从至少大约-40°至+40°，到大约-60°至+60°的范围，并以5°或10°为递增间隔。正负角度分别代表屏幕中心右侧和左侧的水平视角。这些测量值是在峰值垂直视角处获得的。在0°处归一化红、绿、蓝的数据。在每个角度处用下述一或两个等式(I)和(II)进行评价C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ))---(I)]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))---(II)]]>
其中θ是水平视角范围内的任意角度，C(θ)是θ角处的色偏，red(θ)是θ角处红色的亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色的亮度值，而green(θ)是θ角处绿色的亮度值。这些值的最大值是屏幕的色偏。
一般地，色偏不应当大于5这个商业上可接受的标定屏幕设计值。其他工程和设计约束条件可能有时需要色偏比5大一些，尽管这样的色偏性能是不希望有的，并常常导致观看效果低劣的白色均匀度较差的图象。
投影电视接收机的投影屏幕通常是通过挤压法利用一或多个有图案的辊形成热塑性板材表面的形状而制造的。其轮廓一般为凸透镜元件阵列。凸透镜单元可以形成在相同板状材料的一侧或两侧；或者仅形成在不同板的一侧上，再将这些不同的板永久地结合成一个叠层单元，或另外彼此相邻地安装而使其具有叠层单元的功能。在许多的设计中，屏幕的一个表面是能够提供光散射的菲涅尔透镜型。现有技术减小色偏和改进白色均匀度的努力，仅仅集中在屏幕的两个方面。一个方面是凸透镜元件的形状和布局。另一个方面是屏幕材料、或其中某些部分为控制光散射而掺杂光散射颗粒的程度。这些努力的例子见下列专利文献。
在美国专利US.4,432,010和US.4,536,056中，投影屏幕包括一个具有输入表面和出射表面的透光凸透镜板。输入表面的特点表现在水平散开的凸透镜轮廓方面，其凸透镜深度Xv与近轴曲率半径R1的比值(Xv/R1)在0.5到1.8范围内。该轮廓沿着光轴方向延伸，且形成许多非球面输入凸透镜。
通常采用的是双侧具有凸透镜的屏幕。这种屏幕在其输入表面上具有柱面输入凸透镜元件，和形成在该屏幕输出表面侧的柱面凸透镜元件，以及形成在输出表面上不会聚光部分的光吸收层。输入和输出凸透镜元件都是圆，椭圆或双曲线形的，并由下列等式(III)表示Z(x)=Cx21+[1-(K+1)C2x2]12---(III)]]>其中C是主曲率，而K是圆锥曲线的常数。
另外，透镜具有高于二次项的曲线。
在用这种双侧凸透镜构成的屏幕中，已经规定了出输入透镜与输出透镜或构成这些透镜的凸透镜元件之间的位置关系。例如，美国专利US.4,433,814所教导的，按这样的方式确定输入透镜与输出透镜的位置一个透镜的透镜表面在另一个透镜的焦点处。日本专利JP.58-59436也教导输入透镜的偏心率基本等于构成凸透镜的材料折射率的倒数。美国专利US.4,502,755还教导，按以下方式组合出两个双侧有凸透镜的板各凸透镜的光轴平面彼此互成直角，并按如下方式形成这种双侧凸透镜在透镜外围的输入透镜和输出透镜关于光轴是不对称的。美国专利US.4,502,755还教导，只有输入透镜凹谷处的光会聚位置应该偏向输出透镜观看一侧的表面，以使光轴失准的公差和厚度差可以较大，或色差可以较小。
除了这些减小色偏或白色不均匀性的各种方案之外，其他改进投影屏幕性能的方案是针对提高图象亮度，和在水平和垂直方向确保适当视场的。这些技术不是本文所要考虑的内容，在此不作详细的描述。这些方案的要点可以从美国专利US.5,196,960找到，该文献教导了一种双侧凸透镜板，它包括具有输入透镜的输入透镜层和具有输出透镜且其透镜表面形成在输入透镜光会聚点和其附近的输出透镜层，其中输入透镜层和输出透镜层均由基本透明的热塑性树脂构成，且至少输出层包括光散射微粒，而且输入透镜层和输出透镜层之间的光散射特性存在着差别。输入透镜组是一种柱透镜。输出透镜由一组输出透镜层构成，其每一层都有一个透镜表面位于输入透镜层各透镜光会聚点所在的面和其附近。光吸收层形成在输出透镜层不会聚光的部分。这种屏幕设计提供了很好的水平视角，较小的色偏和较亮的画面，并且易于用挤压法制造。
尽管在投影屏幕设计中危害性的研究已有许多年，但是有关的改进仍不断地提出。而且，还没有突破某些基准。图象投影器的几何尺寸限定的入射角度，本文中称为α角，一般限定为大于0°且小于或等于约10°或11°。图象投影器的尺寸使α角基本不可能接近0°。在小于约10°或11°的α角范围内，如根据等式(I)和(II)所确定的，已经实现的最佳色偏性能在5左右。在大于约10°或11°的α角范围内，已经实现的最佳色偏性能没有商业价值。事实上，具有在大于约10°或11°α角的投影电视接收机还是未知的。
小α角有一个明显且不希望的效果，即必须有很大的机壳深度来容纳投影电视接收机。大的深度是需要容纳具有小入射角(α)光路的直接结果。减小投影电视机壳尺寸的技术，一般取决于反射镜的布置。这些努力最终还受到入射角度范围小的限制。
宝丽来公司出售一种标牌为DMP-128光致聚合物，宝丽来公司可以用有专利权的方法将其制成三维全息元件。US.5,576,853描述了该全息摄影制造方法的一部分。
在为建立DMP-128光致聚合物全息产品市场的所做努力中，作为多种建议的一种，宝丽来公司提出了投影电视三维全息屏。该建议是基于宝丽来公司所希望的高亮度高分辨率，低制造成本，低重量，和装运过程中避免受到双片屏幕所受磨损的优点而提出的。宝丽来公司从未提出过任何可制成这种全息投影电视屏幕体全息图的具体全息结构，也从未考虑过全息或其它任何类型投影电视屏幕的色偏问题。
总之，尽管多年来进行了很多的开发研究，以提供有小于5，甚至大大小于5色偏，或具有低至5的色偏而α角大于10°或11°的屏幕的投影电视接收机，但是与传统投影屏幕凸透镜元件形状位置和散射体的不断变化出新不同，在解决色偏问题方面则没有进展。而且，尽管建议了三维全息元件可以用于投影屏幕，但由于没有涉及色偏问题，也就不曾在提供有三维全息屏的投影电视方面作过尝试。因此，长期以来对一种具有大大提供色偏性能且还可以被装入一个更小机壳内的投影电视接收机的需求，还没有得到满足。
发明概要根据本文所教导的发明方案的投影电视接收机在色偏性能(按幅值量级测量)方面有了很大提高，入射角α在小于10°或11°范围内的投影电视接收机可以达到2或更小的色偏。而且，该色偏性能显然可以提供符合商业要求的装于很小机壳内且入射角高达30°的投影电视接收机。这种大α角接收机的色偏性能至少与传统的小α角接收机(例如等于5的色偏)一样好，而在小α角接收机的情况下有望接近或达到低至大约2的值。
这些效果是由完全放弃挤压透镜屏幕技术而获得的。相反，根据本发明方案的投影电视接收机，具有由形成在基板上，如Mylar等聚乙烯膜上的三维全息元件构成的屏幕。
最初开发这种三维全息屏幕，是因为它具有在高亮度、高分辨率、低制造成本、低质量和在装运等过程中抗两片屏幕相互磨损方面的突出优点。在检测该三维屏幕的光学特性是否至少与传统屏幕一样好时，发现了该三维全息屏幕的色偏。按照方程(I)和(II)所得到的三维全息屏幕色偏性能出乎意料地低。限制现有技术改进提高的遮挡已经完全消除。现在可以开发出具有更大入射角α投影结构的更小机壳。
根据本文所教导的本发明方案，具有非凡特性三维全息屏幕的投影电视包括至少不同颜色图象的三个投影器；由布置在基板上三维全息元件构成的投影屏幕，该屏幕在第一侧接收来自投影器的图象，并在第二侧显示该图象且同时控制所显示图象的光散射；投影器之一具有基本与屏幕正交取向的第一光路，而至少两个投影器分别具有在非正交倾斜入射角内向第一光路会聚的光路；以及代表具有用于有效减小显示图象色偏结构的凸透镜三维阵列的三维全息元件，该屏幕在大于零且小于或近似等于30度入射角范围内具有小于或等于约5的色偏，如至少下式之一所获得的最大值确定的那样C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ));]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))]]>其中θ是水平视角范围内的任意角度，C(θ)是θ角处的色偏，red(θ)是θ角处红色的亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色的亮度值，而green(θ)是θ角处绿色的亮度值。屏幕的色偏最好小于5，例如小于或等于4，3或甚至2。
就已知的10°或11°左右入射角处障碍而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范围内，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于2左右；而在大于10°左右和小于或等于30°左右的入射角第二子范围内，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。
该屏幕进一步包括一个透光的加强组件，如用厚度在2-4mm左右范围内的一层丙烯酸材料构成的。基板包括长寿命透明防水膜，如聚对苯二甲酸乙烯酯树脂膜。该基板可以是厚度约在1-10密耳(25.4-254微米)范围内的薄膜。已经发现7密耳(178微米)左右的厚度足以支撑三维全息元件。薄膜的厚度与性能无关。三维全息元件具有不大于约20微米范围内的厚度。投影电视还可以包括一个或多个位于图象投影器与屏幕之间的反射镜。
在一个优选实施例中，提供一种投影电视，它包括用于将各不同颜色的图象投影到全息投影屏幕上的至少三个图象投影器。所述投影器之一具有第一个最短的基本与所述全息投影屏幕正交的光路，且至少两个投影器以彼此相邻、步进的关系放置，并且分别具有由下述条件确定的光路(i)由所述步进关系有选择确定的；(ii)在非正交方向朝所述第一光路汇聚，并限定与所述全息投影屏幕的所述图象的最低程序的色偏对应的入射角。该投影屏幕是由代表布置在基板上的三维透镜元件阵列的一个三维全息元件形成的，该屏幕在第一侧从所述投影器接收图象，并在所有显示的图象的光散射控制下在第二侧显示所述图象。


图1是表示根据本文教导的本发明方案的投影电视示意图。
图1A为用在本发明的投影电视中的光学系统的另一实施例的示意图。
图1B为用在本发明的投影电视中的光学系统的再另一实施例的示意图。
图2是解释本发明方案所用投影电视结构的简化示意图。
图3是本发明方案加强的投影屏幕侧视图。
对优选实施例的详细说明图1表示的是投影电视接收机10。排成阵列12的投影阴极射线管组件14，16和18分别提供了红色，绿色和蓝色的图象。这些阴极射线管透镜15，17和19。投射出去的图象被反射镜20反射到全息投影屏幕22上。还可以根据光路的具体结构，采用附加反射镜。绿色阴极射线管16沿着光路32投射绿色图象，该光路基本正交于屏幕22取向。换句话说，光路与屏幕成直角。红色和蓝色阴极射线管分别具有光路34和36，这两个光路非正交取向地以入射角α向低于光路32会聚。这个入射角引发了色偏的问题。
屏幕22包括布置在基板24上的三维全息元件26。该屏幕在第一输入表面一侧28接收来自投影器的图象，并在第二输出表面侧30显示该图象，并控制所有显示图象的光散射。基板适宜为长寿命透明防水膜，如聚对苯二甲酸乙烯酯树脂膜。这类膜的一种是可以从E.I.du Pontde Nemours & Co.公司得到的Mylar牌产品。该薄膜基板具有1-10密耳范围内的厚度，等于0.001-0.01英寸或25.4-254微米。已经发现，7密耳(178微米)左右厚度的薄膜足以支撑三维全息元件。薄膜的厚度一般与屏幕的性能无关，尤其是色偏性能，所用可采用不同的膜厚度。三维全息元件26具有不大于约20微米范围内的厚度。
三维全息屏至少可以从两个来源获得。宝丽来公司利用有专利权的湿式化学方法将它的DMP-128光致聚合物材料制成三维全息元件。
用于上述和本文权利要求书提出的投影电视接收机中的三维全息屏，其优选实施例是宝丽来公司利用有专利权的湿式化学方法根据下述性能指标而制成的水平半视角38°±3°，垂直半视角10°±1°，屏幕增益 ≥8，色偏 ≤3，其中水平和垂直视角是其传统方法测得的，屏幕增益是正交于屏幕进行测量时，从源射向观看表面后面光强与从观看表面前面射向观看者光强相除的商，而色偏按上述的方法测量。如发明概述中所说的，三维全息投影屏幕优异的色偏性能是完全出乎意料的。
已知熟知，诸如屏幕22的全息元件和全息光学元件因全息元件的衍射特性而包括很强的波长依赖性。结果，全息元件和全息光学元件具有高色散，即它们在不同的波长下具有不同的特性。在国会图书馆馆藏号76-46184由Addison-Wesley Publishing Company公司出版的书号为ISBN O-201-05509-0的图书《An Introduction to lasers andTheir Application》的第7章中公开了全息元件和全息光学元件的结构，特性及其应用，本文在此引作参考。
全息散射屏的使用包括通常由所发射的图象中的色偏导致的垂直光动能，例如屏幕22上的情况。当出现这些色偏时，它们通常是沿屏幕22的垂直轴发出来的。在本发明所用的那种三维全息屏中，屏幕22的折射率的影响明显依赖于波长，这使某些彩色比其它彩色更强烈地弯向屏幕的水平轴。这就导致某种形式的沿屏幕垂直轴的“彩色线束”。
在本发明的优选实施例中，光学系统被改进成可校正屏幕22中的色偏。现在参见图1A，分别包括透镜15、17和19的投影阴极射线管组件14、16和18依递进方式依次排列，以有选择性地改变输入角θr，θg，θb，从而补偿图象穿过屏幕22引生的输出角，这种输出角会引致明显可见的色偏。每个递进的步长，即每个投影阴极射线管组件14、16和18之间的渐进间距可通过下面的表达式假定红、绿和兰图象的全息屏22的平均折射平面使其相接近1nrSin(θr)=1ngSin(θg)=1nbSin(θb)]]>例如，对于三维全息屏22，作为波长的函数，一组典型的平均折射系数值为nr＝1.73ng＝1.50nb＝1.324ng＝24.215°注意，ng＝24.215°与900mm长的绿光路相对应。对于根据本发明的构成的具有900mm绿光路长度的46英寸投影电视来说，用于补偿屏幕22上的对应色偏的光路差，即步进距离Δb和Δr将为Δb＝123.19mm＝4.85”Δr＝-103.89mm＝-4.09”对于前述的Δb和Δr的值，产生分别用于兰和红光图象的适当输入角θb和θr。于是，通过有选择地调节红和兰CRT位置以及输入角θr和θb，使色偏(色束)明显减弱或全部除去。
在某些例子中，对于红、绿和兰图象的有效折射率是非常不同的。在这些情况下，所需的步长可能非常大(对应输入角非常小)，从而使一个投影组件有效地将向后的相邻投影组件隔开。在图1B的另一实施例中，投影CRT组件18(红)放在中间(需要光路最短)，组件14(兰)和16(绿)则靠近组件18放置，其各图像从镜22和25反射以直射向屏幕22。在此种结构中，各镜将建立起对兰和绿图象的汇聚角。由于红光路长稍短于绿和兰光路长度，使本发明的电视机机壳深度稍微小了一些。本实施例的另一优点在于每个镜都用作“原CRT”，它可比现存情况更靠近CRT真正的中心(投影CTR组件18)而放置。这使汇聚角、所需的色偏校正和汇聚动能减小。
图2是投影电视的简图，其中为了解释色偏性能省略了反射镜和透镜。红色蓝色阴极射线管14和18的光轴34和36，是关于绿色阴极射线管16的光轴32以入射角α对称取向的。机壳的最小深度D由屏幕22与阴极射线管后缘之间的距离确定。应当理解，α角越小，阴极射线管彼此越靠近，且还必须与屏幕隔开以免彼此撞击。当α角足够小时，这种烦恼是不可避免的。这将不得已增大机壳的最小深度D。相反地，α角越大，阴极射线管可以更为靠近屏幕22，可减小机壳的最小深度D。
在屏幕22的观看一侧，两个水平半视场角用-β和+β表示。和在一起后的总水平视场角为2β。该半视场角通常可以在40°至±60°的范围内。在每个半角内是一组特定角度θ，在其中可以测量色偏，并根据上述等式(I)和(II)加以确定。
就已知的10°或11°左右入射角处的障碍而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范围内，三维全息屏幕的色偏在所有角度都小于或等于2左右；而在大于10°左右和小于或等于30°左右的入射角第二子范围内，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。可以料想，第一子范围中小于或等于2左右的色偏也可以在更大入射角的第二子范围内实现。
参考图3，基板24包括一个透明膜，如上所述的Mylar。形成三维全息元件26的光致聚合物材料被放在膜层24上。适合的光致聚合物材料是DMP-128。
该屏幕22还可以包括一个透光的加强组件38，如丙烯酸材料，象聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等。也可以用聚碳酸酯材料。加强组件38是一个厚度在约2-4mm范围内的层状材料。屏幕22和加强组件是通过全息层26与加强组件38间的界面40彼此粘在一起的。可以采用粘合剂，辐射和/或热粘合技术。加强层的表面42还可以做下述一和多种处理着色，防眩光，涂覆涂层和涂覆防划伤涂层。
屏幕的各个表面和/或其构造中的层，可以有其它光学透镜或凸透镜阵列，以控制投影屏幕除了色偏性能之外性能特性方面，如已知用传统投影屏幕完成的，而同时不削弱三维全息投影屏幕较好的色偏性能。
权利要求
1.一种投影电视，包括用于将各个不同颜色的图象投射到全息投影屏幕(22)上的至少三个图象投影器(14、16、18)，所述投影器之一(16)具有第一个最短的基本与所述全息投影屏幕(22)正交的光路(32)，且至少两个投影器(14，18)以彼此相邻、步进的关系放置，并且分别具有由下述条件确定的光路(i)由所述步进关系有选择确定的，(ii)在非正交方向朝所述第一光路汇聚，并限定与所述全息投影屏幕的所述图象的最低程度的色偏对应的入射角；以及由代表布置在基板(24)上的三维透镜元件阵列的一个三维全息元件(26)形成的所述投影屏幕(22)，所述屏幕(22)在第一侧从所述投影器(14，16，18)接收图象，并在所有的所述显示出的图象的光散射的控制下在第二侧显示所述图象。
2.权利要求1的投影电视，其中，第一个最短的光路(32)是与所述全息投影屏幕(22)基本正交的。
3.权利要求1的投影电视，其中，所述图象投影器(14，16，18)的所述步进关系要满足下式1nrSin(θr)=1ng·Sin(θg)=1nbSin(θb)]]>上述关系是针对由所述图象投影器投射在所述全息投影屏幕(22)上的红、绿和兰图象来讲的。
4.权利要求1的投影电视，其中所述三维全息元件具有以下特性水平半视角38°±3°，垂直半视角10°±1°，屏幕增益 ≥8，色偏 ≤3。
5.一种投影电视，包括用于将各个不同颜色的图象投射到全息投影屏幕(22)上的至少三个图象的投影器(14，16，18)，所述投影器(14，16，18)之一具有与所述全息投影屏幕(22)基本正交的第一最短光路(22)；至少两个镜(20)，所述的镜(20)之一靠近所述第一投影器(16)的第一侧放置，而另一个则靠近所述第一投影器(16)的第二侧放置，每个镜(20)的取向使来自所述其余两个投影器(14，18)的至少其一的光向非正交方向的所述第一光路(32)汇聚，并且限定一个与所述全息投影屏幕(22)的所述图象的最低水平色偏相对应的入射角；以及由代表布置在基板(24)上的三维透镜元件阵列的一个三维全息元件(26)形成的所述投影屏幕(22)，所述屏幕(22)在第一侧从所述投影器(14，16，18)接收图象，并在所有的所述显示出的图象光散射的控制下在第二侧显示所述图象。
6.权利要求5的投影电视，其中所述镜(20)的取向和所述第一投影器(16)的所述光路长度满足下式1nrSin(θr)=1ng·Sin(θg)=1nbSin(θb)]]>上述关系是针对由所述图象投影器(14，16，18)射在所述全息投影屏幕(22)上的红、绿和兰图象来讲的。
7.权利要求5的投影电视，其中所述镜(20)相对图象投影器(14，18)在更靠近所述第一图象投影器(16)的位置形成一个虚拟图象，这样，所述反射图象的入射角则小于10°。
8.如权利要求5的投影电视，其中所述三维全息元件(26)具有以下特性水平半视角38°±3°，垂直半视角10°±1°，屏幕增益 ≥8，色偏 ≤3。
全文摘要
一种投影电视(10),包括用于将各个不同颜色的图象投射到全息投影屏蔽(22)上的至少三个图象投影器(14、16、18),投影器之一(16)具有第一个最短的基本与全息投影屏幕(22)正交的光路(32),且至少两个投影器(14,18)以彼此相邻、步进的关系放置,并且分别具有由下述条件确定的光路:(i)由投影器(14,16,18)的步进关系有选择确定的,(ii)在非正交方向朝第一光路(32)汇聚,并限定与全息投影屏幕(22)的图象的最低程度的色偏对应的入射角。投影屏幕(22)由代表布置在基板(24)上的三维透镜元件阵列的一个三维全息元件(26)形式,屏幕(22)在第一侧从投影器(14,16,18)接收图象,并在所有显示出的图象的光散射的控制下在第二侧显示图象。
文档编号G02B5/32GK1261502SQ9880651
公开日2000年7月26日 申请日期1998年1月29日 优先权日1997年6月24日
发明者小E·T·哈尔, W·R·普菲勒 申请人:汤姆森消费电子有限公司