專利名稱：采用全息屏和部分遮擋投影透鏡的投影電視的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影電視接收機(jī)領(lǐng)域，且尤其涉及具有全息屏和改進(jìn)的投影透鏡的投影電視，該投影透鏡通過(guò)遮擋投影管光瞳透鏡的中心部分，提高了屏幕的整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的亮度均勻性。
背景技術(shù)：
投影電視屏幕需要至少三個(gè)圖象投影器以形成各個(gè)不同顏色的圖象，如紅，藍(lán)和綠色。投影屏在第一端接收來(lái)自三個(gè)投影器的圖象；在第二端顯示這些圖象，并對(duì)所有顯示圖象進(jìn)行光散射控制。投影器之一，通常為綠色的且通常處于投影器排列中心，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。至少兩個(gè)投影器，通常為紅色和藍(lán)色且通常在排列上位于中心綠色投影器相對(duì)兩側(cè)，它們具有向第一光路會(huì)聚且不與屏幕正交而以一傾角入射的各自光路。投影器的這種位置安排的結(jié)果是，當(dāng)從不同的角度觀看時(shí)屏幕上的圖象會(huì)有色偏，且圖象在中心區(qū)比在邊緣區(qū)要亮，或表現(xiàn)出不均勻的亮度。因此，需要減小投影屏幕電視系統(tǒng)的色偏提高亮度的均勻性。
色偏被定義為當(dāng)從水平面的不同角度觀看時(shí)，由紅、綠、和藍(lán)投影管發(fā)出的投射圖象在投影屏中心處形成的白圖象的紅/藍(lán)或綠/藍(lán)比例，相對(duì)于在垂直觀看角度的峰值亮度時(shí)所看到的改變。紅藍(lán)投影器相對(duì)于屏幕和綠投影器的非正交關(guān)系導(dǎo)致了色偏。色偏的結(jié)果是，在屏幕上各個(gè)位置的色調(diào)可能不相同。色調(diào)差別大的情況通常是白色均勻度較差。色偏越小白色均勻度越好。
用數(shù)碼標(biāo)注色偏，其中較低的數(shù)值表示較小的色偏和較好的白色均勻度。根據(jù)通行的規(guī)程，從各個(gè)水平視角測(cè)量屏幕中心的紅綠藍(lán)亮度值，通常從至少大約-40°至+40°，到大約-60°至+60°的范圍，并以5°或10°為遞增間隔。正負(fù)角度分別代表屏幕中心右側(cè)和左側(cè)的水平視角。這些測(cè)量值是在峰值垂直視角處獲得的。在0°處歸一化紅、綠、藍(lán)的數(shù)據(jù)。在每個(gè)角度處用下述一或兩個(gè)等式(Ⅰ)和(Ⅱ)進(jìn)行評(píng)價(jià)
C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ))---(I)]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))---(II)]]>其中θ是水平視角范圍內(nèi)的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色的亮度值，blue(θ)是θ角處藍(lán)色的亮度值，而green(θ)是θ角處綠色的亮度值。這些值的最大值是屏幕的色偏。
一般地，色偏不應(yīng)當(dāng)大于5這個(gè)商業(yè)上可接受的標(biāo)定屏幕設(shè)計(jì)值。其他工程和設(shè)計(jì)約束條件可能有時(shí)需要色偏比5大一些，盡管這樣的色偏性能是不希望有的，并常常導(dǎo)致觀看效果低劣的白色均勻度較差的圖象。
投影電視接收機(jī)的屏通常是通過(guò)擠壓法利用一或多個(gè)有圖案的輥形成熱塑性板材表面的形狀而制造的。其輪廓一般為凸透鏡元件陣列。凸透鏡單元可以形成在相同板狀材料的一側(cè)或兩側(cè)；或者僅形成在不同板的一側(cè)上，再將這些不同的板永久地結(jié)合成一個(gè)疊層單元，或另外彼此相鄰地安裝而使其具有疊層單元的功能。在許多的設(shè)計(jì)中，屏幕的一個(gè)表面是能夠提供光散射的菲涅爾透鏡型。現(xiàn)有技術(shù)減小色偏和改進(jìn)白色均勻度的努力，僅僅集中在屏幕的兩個(gè)方面。一個(gè)方面是凸透鏡元件的形狀和布局。另一個(gè)方面是屏幕材料、或其中某些部分為控制光散射而摻雜光散射顆粒的程度。這些努力的例子見(jiàn)下列專利文獻(xiàn)。
在美國(guó)專利US.4，432，010和US.4，536，056中，投影屏包括一個(gè)具有輸入表面和出射表面的透光凸透鏡板。輸入表面的特點(diǎn)表現(xiàn)在水平散開(kāi)的凸透鏡輪廓方面，其凸透鏡深度Xv與近軸曲率半徑R1的比值(Xv/Rl)在0.5到1.8范圍內(nèi)。該輪廓沿著光軸方向延伸，且形成許多非球面輸入凸透鏡。
通常采用的是雙側(cè)具有凸透鏡的屏幕。這種屏幕在其輸入表面上具有柱面輸入凸透鏡元件，和形成在該屏幕輸出表面?zhèn)鹊闹嫱雇哥R元件，以及形成在輸出表面上不會(huì)聚光部分的光吸收層。輸入和輸出凸透鏡元件都是圓，橢圓或雙曲線形的，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是圓錐曲線的常數(shù)。
另外，透鏡具有高于二次項(xiàng)的曲線。
在用這種雙側(cè)凸透鏡構(gòu)成的屏幕中，已經(jīng)規(guī)定了出輸入透鏡與輸出透鏡或構(gòu)成這些透鏡的凸透鏡元件之間的位置關(guān)系。例如，美國(guó)專利US.4，443，814所教導(dǎo)的，按這樣的方式確定輸入透鏡與輸出透鏡的位置一個(gè)透鏡的透鏡表面在另一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處。日本專利JP.58-59436也教導(dǎo)輸入透鏡的偏心率基本等于構(gòu)成凸透鏡的材料折射率的倒數(shù)。美國(guó)專利US.4，502，755還教導(dǎo)，按以下方式組合出兩個(gè)雙側(cè)有凸透鏡的板各凸透鏡的光軸平面彼此互成直角，并按如下方式形成這種雙側(cè)凸透鏡在透鏡外圍的輸入透鏡和輸出透鏡關(guān)于光軸是不對(duì)稱的。美國(guó)專利US.4，953，948還教導(dǎo)，只有輸入透鏡凹谷處的光會(huì)聚位置應(yīng)該偏向輸出透鏡觀看一側(cè)的表面，以使光軸失準(zhǔn)的公差和厚度差可以較大，或色差可以較小。
除了色偏問(wèn)題之外，投影電視不能在觀看者能看見(jiàn)屏幕的足夠?qū)捤揭暯欠秶峁┯凶銐蛄炼鹊膱D象大多數(shù)體格亮度的方案是集中在提供全屏幕的增益，它定義為在正交或垂直于屏幕的方向測(cè)量，從源向觀看表面后方傳輸?shù)墓鈴?qiáng)，與從觀看表面前面向觀看者所傳遞光強(qiáng)的商。
在美國(guó)專利US.5，196，960中可以找到，通過(guò)加強(qiáng)圖象的增益和在水平和垂直方向確保合適視場(chǎng)，從而改進(jìn)投影屏性能的各種方案。這些技術(shù)不是本文所要考慮的內(nèi)容，在此不作詳述。這些方案的要點(diǎn)可以從美國(guó)專利US.5，196，960找到，該文獻(xiàn)教導(dǎo)了一種雙側(cè)凸透鏡板，它包括具有輸入透鏡的輸入透鏡層和具有輸出透鏡且其透鏡表面形成在輸入透鏡光會(huì)聚點(diǎn)和其附近的輸出透鏡層。輸入透鏡層和輸出透鏡層均由基本透明的熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，且至少輸出層包括光散射微粒。輸入透鏡層和輸出透鏡層之間的光散射特性存在著差別。輸入透鏡組是一種柱透鏡。輸出透鏡由一組輸出透鏡層構(gòu)成，其每一層都有一個(gè)透鏡表面位于輸入透鏡層各透鏡光會(huì)聚點(diǎn)所在的面和其附近。光吸收層形成在輸出透鏡層不會(huì)聚光的部分。所述的這種屏幕設(shè)計(jì)具有更大的屏幕增益，且因而整個(gè)圖象更亮了。
盡管雙側(cè)凸透鏡屏幕的總增益和亮度比簡(jiǎn)單散射屏幕的要好，投影電視設(shè)計(jì)的另一個(gè)性能問(wèn)題是在具有可比亮度條件下，屏幕邊緣與屏幕中心亮度的相對(duì)差異。通常是，畫(huà)面的邊角不如畫(huà)面的中心明亮。相對(duì)亮度差部分地是由于從投影器到屏幕中心的光路比投影器到屏幕邊緣的光路短而產(chǎn)生的；部分地是由于投影器一般都對(duì)準(zhǔn)屏幕的中心，其射束一般都會(huì)聚在中心的緣故。所以，投影器照射到邊角的光強(qiáng)小(由于距離所致)，且不如中心處那么直接。
處理邊緣亮度的一種方法是在屏幕的散射或凸透鏡面板后面采用菲涅爾透鏡。該菲涅爾透鏡為一準(zhǔn)直透鏡，并其焦距等于該準(zhǔn)直透鏡與投影器輸出透鏡出瞳的軸向距離。目的是引導(dǎo)從投影器發(fā)散出來(lái)的光線，以使沿著每個(gè)投影管子投影軸的光線平行于該軸地從屏幕射出。
菲涅爾透鏡被細(xì)分為逐漸向著透鏡邊緣傾斜的凸脊，并其斜度基本等于實(shí)心準(zhǔn)直透鏡斜度，選擇凸脊的具體角度，以使得透鏡表面空氣/玻璃(或空氣/塑料)折射本領(lǐng)能夠按所需的方向彎折光線。尤其是，從屏幕中心軸發(fā)散的光線被向內(nèi)彎折向中心軸，以便平行于該中心軸地出射。并且，向著屏幕的邊緣，需要逐漸增大的折射本領(lǐng)，而中心無(wú)需有折射本領(lǐng)。
已知傳統(tǒng)的投影屏菲涅爾凸脊的焦距長(zhǎng)度從畫(huà)面中心向外逐漸增大。屏幕邊緣的離軸光線被彎折而偏離開(kāi)平行于中心軸的方向，而被向內(nèi)引導(dǎo)偏向中心軸。這使得在沿著中心軸觀看屏幕時(shí)圖象邊緣的亮度較高，但對(duì)于從其它方向觀看沒(méi)有幫助。
在按照從屏幕中心上方一點(diǎn)沿著使用者視線方向引導(dǎo)光線的方式安置菲涅爾透鏡的投影電視中，例如在具有較小機(jī)殼的投影電視中，還能出現(xiàn)另一個(gè)亮度變化的問(wèn)題。這要通過(guò)將菲涅爾透鏡中心線相對(duì)于屏幕中心向上偏移而實(shí)現(xiàn)。盡管這樣可以提高相對(duì)亮度，尤其是在中心處，屏幕的頂部通常也有比屏幕底部高的亮度。
盡管在投影屏設(shè)計(jì)中危害性的研究已有許多年，但是有關(guān)的改進(jìn)仍不斷地提出。而且，還沒(méi)有突破某些基準(zhǔn)。圖象投影器的幾何尺寸限定的入射角度，本文中稱為α角，一般限定為大于0°且小于或等于約10°或11°。圖象投影器的尺寸使α角基本不可能接近0°。在小于約10°或11°的α角范圍內(nèi)，如根據(jù)等式(Ⅰ)和(Ⅱ)所確定的，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最佳色偏性能在5左右。在大于約10°或11°的α角范圍內(nèi)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最佳色偏性能沒(méi)有商業(yè)價(jià)值。事實(shí)上，具有在大于約10°或11°α角的投影電視接收機(jī)還未在市場(chǎng)上出現(xiàn)。
小入射角α有一個(gè)明顯且不希望的效果，即必須有很大的機(jī)殼深度來(lái)容納投影電視接收機(jī)。大的深度是需要容納具有小入射角(α)光路的直接結(jié)果。對(duì)于給定尺寸的圖象投影器和光學(xué)元件而言，僅僅可以通過(guò)增加圖象投影器或其光學(xué)件與屏幕之間的光路長(zhǎng)度來(lái)減小入射角度。減小投影電視機(jī)殼尺寸的技術(shù)，一般取決于反射鏡的布置。這些努力所獲得的色偏最終還受到入射角度范圍小的限制。
寶麗來(lái)公司出售一種標(biāo)牌為DMP-128光致聚合物，寶麗來(lái)公司可以用有專利權(quán)的方法將其制成三維全息元件。US.5，576，853描述了該全息攝影制造方法的一部分，該文獻(xiàn)在本文中作為參考。全息光致聚合物通常用于借助將相干光分裂成照明光和參考光來(lái)記錄全息元件象。照明光照射在拍攝對(duì)象上。從被攝物反射的光束和從被攝物旁邊記過(guò)的參考光束照射在光致聚合物媒質(zhì)上，該媒質(zhì)包含可顯影的光敏攝影組合物。兩光束的光波相互干涉，即它們通過(guò)構(gòu)造和重構(gòu)的干涉，產(chǎn)生出駐波圖案，該圖案具有對(duì)局部攝影組合物曝光的正弦波峰，和不對(duì)局部組合物進(jìn)行曝光的零點(diǎn)。在攝影媒質(zhì)顯影時(shí)，相應(yīng)的干涉圖案就被記錄在媒質(zhì)中。用相干參考光照射該媒質(zhì)，被攝物的圖象被再現(xiàn)出來(lái)，并且可以在其視角范圍內(nèi)觀看到。
由于從被攝物上所有被照明點(diǎn)發(fā)出的光與全息元件上所有點(diǎn)的參考光相互干涉，所以代表普通全息被攝物的全息元件所記錄的干涉圖案很復(fù)雜。通過(guò)記錄空白被攝物(通過(guò)兩個(gè)參考光的有效干涉)應(yīng)該能夠產(chǎn)生一空白全息元件，也就是公知的正弦光柵，其中的干涉圖案更為規(guī)則。于是，干涉圖案會(huì)形成一個(gè)衍射光柵，其分辨率比形成有更大尺寸凸透鏡單元以便從后面的投影器沿特定方向彎折或折射光線的投影屏幕間距要細(xì)。
在為建立DMP-128光致聚合物全息產(chǎn)品市場(chǎng)的所做努力中，作為多種建議的一種，寶麗來(lái)公司提出了投影電視三維全息屏的原理。該建議是基于寶麗來(lái)公所希望的司高亮度高分辨率，低制造成本，低重量，和裝運(yùn)過(guò)程中避免受到雙片屏幕所受磨損的優(yōu)點(diǎn)而提出的。寶麗來(lái)公司從未提出過(guò)任何可制成這種全息投影電視屏的體全息元件的具體全息結(jié)構(gòu)，也從未涉足過(guò)全息或其它任何類型投影電視屏的色偏問(wèn)題。
總之，盡管多年來(lái)進(jìn)行了很多的開(kāi)發(fā)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°的屏幕的投影電視接收機(jī)，但是與傳統(tǒng)投影屏凸透鏡元件形狀位置和散射體的不斷變化出新不同，在解決色偏問(wèn)題方面則沒(méi)有進(jìn)展。而且，盡管建議了三維全息元件可以用于投影屏，但由于沒(méi)有涉及色偏問(wèn)題，也就不曾在提供有三維全息屏的投影電視方面作過(guò)嘗試。因此，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)一種具有大大提供色偏性能且還可以被裝入一個(gè)更小機(jī)殼內(nèi)的投影電視接收機(jī)的需求，還沒(méi)有得到滿足。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的一個(gè)目的是開(kāi)發(fā)大大提高增益的投影系統(tǒng)中全息屏，并因此優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)色彩分布。尤其是，通過(guò)沿著每個(gè)投影管的中心軸遮擋每個(gè)投影管的透鏡一個(gè)區(qū)域，而放棄每個(gè)投影管的一部分亮度。這樣做改進(jìn)了色彩總分布而沒(méi)有引起亮度，否則將減損最佳觀看所必需的亮度。
根據(jù)本文所教導(dǎo)的發(fā)明方案的投影電視接收機(jī)，提供了色偏性能(按幅值量級(jí)測(cè)量)方面的顯著改進(jìn)入射角α在小于10°或11°的范圍內(nèi)的投影電視接收機(jī)可以達(dá)到2或更小的色偏。而且，該色偏性能顯然可以提供符合商業(yè)要求的裝于很小機(jī)殼內(nèi)且入射角大于30°的投影電視接收機(jī)。這種大α角接收機(jī)的色偏性能至少與傳統(tǒng)的小α角接收機(jī)(例如等于5的色偏)一樣好，并在小α角接收機(jī)的情況下有望接近或達(dá)到低至大約2的值。
這些效果是由完全放棄擠壓透鏡屏幕技術(shù)而獲得的。相反，根據(jù)本發(fā)明方案的投影電視接收機(jī)，具有由形成在基板上，如Mylar等聚乙烯膜上的三維全息元件構(gòu)成的屏幕。
最初開(kāi)發(fā)的這種三維全息屏，是因?yàn)樗鼈兙哂性诟吡炼?、高分辨率、低制造成本、低重量和裝運(yùn)過(guò)程中避免受到雙片屏所受的磨損的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)試該三維屏幕的光學(xué)特性是否至少與傳統(tǒng)屏幕一樣好時(shí)，發(fā)現(xiàn)該三維全息屏的色偏。按照方程(Ⅰ)和(Ⅱ)所得到的三維全息屏的色偏性能出乎意料地低。限制現(xiàn)有技術(shù)提高的遮擋已經(jīng)完全消除?，F(xiàn)在可以開(kāi)發(fā)出具有更大入射角α投影結(jié)構(gòu)的更小機(jī)殼。
除了提高了色偏性能之外，三維全息屏幕比傳統(tǒng)擠壓透鏡投影屏幕所獲得的總增益更大。該全息屏獲得的更大亮度可以使投影器有改進(jìn)的余地，以使屏幕的總量度更為均勻。這是通過(guò)遮住投影其透鏡的中心，從而降低投射在屏幕上圖象的中心亮度而實(shí)現(xiàn)的。盡管傳統(tǒng)的擠壓透鏡投影屏幕也可以做此改進(jìn)，電視傳統(tǒng)的投影屏幕沒(méi)有足夠大的總量度來(lái)承受屏幕視場(chǎng)中任何象點(diǎn)的任何亮度損失。
根據(jù)本文教導(dǎo)的本發(fā)明方案，具有非凡特性三維全息屏的投影電視包括至少不同顏色各圖象的三個(gè)圖象投影器，其每個(gè)投影器都有一個(gè)部分被遮擋的透鏡；由布置在基板上的三維全息元件構(gòu)成的投影屏幕，該屏幕在第一端接收來(lái)自投影器的圖象，并在第二端顯示該圖象，且同時(shí)控制所顯示圖象的光散射；投影器之一具有基本與屏幕正交取向的第一光路，而至少兩個(gè)投影器分別具有以非正交取向的傾斜角度向第一光路會(huì)聚的光路；以及代表三維凸透鏡陣列并具有用于有效減小顯示圖象中色偏結(jié)構(gòu)的三維全息元件，該屏幕在大于0°且小于或近似等于30°入射角范圍內(nèi)具有小于或等于約5的色偏，如用至少下式之一所得到的最大值所確定的C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ));]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))]]>其中θ是一個(gè)水平視角范圍內(nèi)的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色亮度值，blue(θ)是θ角處藍(lán)色亮度值，而green(θ)是θ角處綠色亮度值。屏幕的色偏最好小于5，如小于或等于約4，3或甚至是2。
就已知的10°或11°左右入射角處遮擋而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內(nèi)，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圍內(nèi)，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。
該屏幕進(jìn)一步包括一個(gè)透光的加強(qiáng)組件，如用厚度在2-4mm左右范圍內(nèi)的一層丙烯酸材料構(gòu)成的?；灏ㄩL(zhǎng)壽命透明防水膜，如聚對(duì)苯二甲酸乙烯酯樹(shù)脂膜。該基板可以是厚度在1-10密耳(25.4-254微米)范圍內(nèi)的薄膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)7密耳(178微米)左右的厚度足以支撐三維全息元件。薄膜的厚度與性能無(wú)關(guān)。三維全息元件具有不大于約20微米范圍內(nèi)的厚度。投影電視還可以包括一個(gè)或多個(gè)位于圖象投影器與屏幕之間的反射鏡。
為了提高寬的投影光束入射角范圍內(nèi)的亮度和均勻性，精心安排全息元件。采用越到邊緣越顯現(xiàn)更高增益的所述全息屏幕可以實(shí)現(xiàn)這一目的。全息屏的增益還可以通過(guò)在屏幕的背后加一或多個(gè)直線型菲涅爾板得到進(jìn)一步加強(qiáng)，該菲涅爾板具有從中心到邊緣漸變焦距長(zhǎng)度的凸棱。屏幕增益的增大，使得投影器透鏡的中心可以全部或部分地被遮住。盡管屏幕圖象的中心因此而變暗，但全息屏所產(chǎn)生的增益可以抵償屏幕中心亮度的損失，并且增大了中心與邊緣的亮度比，或者說(shuō)整個(gè)屏幕的亮度均勻性更好了。


圖1是表示根據(jù)本文教導(dǎo)的發(fā)明方案的投影電視的示意圖。
圖2是解釋本發(fā)明方案所用的投影電視結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。
圖3是本發(fā)明方案的加強(qiáng)的投影屏幕側(cè)視圖。
圖4是表示具有兩個(gè)重疊全息元件的圖投影屏的可選實(shí)施例示意圖，它包括分別在水平和垂直視角方向的增益變化。
圖5是表示峰值白亮度比率作為水平視角函數(shù)的圖表，其中采用了重疊有或未重疊垂直變化全息元件的水平變化全息元件。
圖6是具有重疊的全息和準(zhǔn)直屏幕層疊可選實(shí)施例的示意圖。
圖7是一個(gè)投影器被遮擋透鏡的正面正視圖。
圖8是屏幕的示意圖，和給出屏幕上數(shù)字標(biāo)識(shí)的各點(diǎn)亮度與屏幕中心處亮度的比較。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明在圖1中示意性地表示出投影電視接收機(jī)10。投影陰極射線管14，16和18的陣列12分別提供了紅，綠和藍(lán)色圖象。這些陰極射線管分別具有透鏡15，17和19，每個(gè)透鏡在其中心都具有遮擋區(qū)44。反射鏡20將投影的圖象反射到投影屏幕22上。還可以使用附加的反射鏡，這取決于光路的具體結(jié)構(gòu)。綠色陰極射線管16沿著基本與屏幕22正交取向的光路32投影綠色圖象。紅藍(lán)陰極射線管分別具有光路34和36，它們以非正交取向的傾斜入射角α?xí)巯虻谝还饴?2。該入射角引入了色偏的問(wèn)題。
屏幕22包括位于基板24上的三維全息元件26。全息元件26是大致印在衍射圖象的主元件上，它控制投影器14、16、18發(fā)出的光的分布，并在屏幕的寬和/或高度上可變。在優(yōu)選實(shí)施例中，全息元件是“只在中心”的全息元件，以便入射光重新排列。該屏幕在第一入射表面端28接收?qǐng)D象，并在第二輸出表面端30顯示這些圖象，且全部顯示圖象都有受控的光散射?；暹m宜為長(zhǎng)壽命透明防水膜，如聚對(duì)苯二甲酸乙烯酯樹(shù)脂膜。一個(gè)這樣的膜是可以從E.I.du Pout de Nemours&Co.得到，其商標(biāo)為Mylar。該薄膜基片厚度在大約1-10密耳范圍內(nèi)，等效于大約0.001-0.01英寸或大約25.4-254微米。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大約7密耳(178微米)厚度的薄膜足以支撐置于其上的三維全息元件。薄膜的厚度一般不影響屏幕的性能或尤其是色偏性能，而且用不同厚度的膜。三維全息元件26具有不大于約20微米范圍內(nèi)的厚度。
三維全息屏幕至少可以從兩個(gè)來(lái)源得到。寶麗來(lái)公司利用有專利權(quán)的濕式化學(xué)方法將它的DMP-128光致聚合物材料制成三維全息元件。該方法包括在光致聚合物上形成衍射全息元件，該全息元件可以包含水平和/或垂直視角范圍內(nèi)的屏幕增益變化。用相干光對(duì)光致聚合物全息介質(zhì)進(jìn)行曝光可以制備出全息母板，該相干光包含參考光束，和具有與所需增益變化對(duì)應(yīng)的明暗變化平面圖案上反射出來(lái)的光束。
用于本文所述和權(quán)利要求書(shū)中投影電視接收機(jī)的三維全息屏幕優(yōu)選實(shí)施例，是根據(jù)以下性能說(shuō)明用寶麗來(lái)公司濕式化學(xué)方法制造的水平半視場(chǎng)角38°±3°，垂直半視場(chǎng)角10°±1°，屏幕增益≥8，色偏≤3，其中水平和垂直視場(chǎng)角很容易測(cè)得，屏幕增益是從源射向觀看表面后面光強(qiáng)與從觀看表面前面射向觀看者光強(qiáng)的商，正交于屏幕進(jìn)行測(cè)量，且如上所述測(cè)量色偏。如本文摘要所述的，三維全息投影屏幕超乎尋常的色偏性能完全是意想不到。
圖2是投影電視的簡(jiǎn)圖，其中為了解釋色偏性能省略了反射鏡和透鏡。紅色藍(lán)色陰極射線管14和18的光軸34和36，是關(guān)于綠色陰極射線管16的光軸32以入射角α對(duì)稱對(duì)準(zhǔn)的。機(jī)殼的最小深度D由屏幕22與陰極射線管后緣之間的距離確定。應(yīng)當(dāng)理解，α角越小，陰極射線管彼此越靠近，且還必須與屏幕間隔開(kāi)以免彼此撞擊。在α角足夠小時(shí)，這種干擾不可避免。這將增大機(jī)殼的最小深度D。相反地，α角越大，陰極射線管可以更為靠近屏幕22，減小機(jī)殼的最小深度D。
在屏幕22的觀看側(cè)，兩個(gè)水平半視場(chǎng)角用-β和+β表示。和在一起后的總水平視場(chǎng)角為2β。該半視場(chǎng)角通常可以在±40°至+60°的范圍內(nèi)。在每個(gè)半角內(nèi)是一組特定角度θ，在其中可以測(cè)量色偏，并根據(jù)上述等式(Ⅰ)和(Ⅱ)加以確定。
就已知的10°或11°左右入射角處遮擋而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內(nèi)，三維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圍內(nèi)，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。可以料想，第一子范圍中小于或等于2左右的色偏也可以在更大入射角的第二子范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
參考圖3，基板24包括一個(gè)透明膜，如上所述的Mylar。形成三維全息元件26的光致聚合物材料支撐在膜層24上。適合的光致聚合物材料是DMP-128。
該屏幕22還可以包括一個(gè)透光的加強(qiáng)組件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。加強(qiáng)組件38是一個(gè)厚度在約2-4mm范圍內(nèi)的層狀材料。屏幕22和加強(qiáng)組件是通過(guò)全息層26與加強(qiáng)組件38間的界面40彼此粘在一起的?？梢圆捎谜澈蟿椛浜?或熱粘合技術(shù)。加強(qiáng)層的表面42還可以做下述一和多種處理著色，防眩光，涂覆涂層和涂覆防劃傷涂層。
屏幕的各個(gè)表面和/或其構(gòu)造中的層，可以具有其它光學(xué)透鏡或凸透鏡陣列，以控制除了色偏性能之外投影屏性能特性方面，如傳統(tǒng)投影屏幕完成的，而同時(shí)而不削弱三維全息投影屏幕較好的色偏性能。圖4表示了第一個(gè)這樣的改變，其中至少有兩個(gè)全息元件被重疊或疊放。根據(jù)所示的實(shí)施例，在+40°視場(chǎng)范圍內(nèi)具有水平增益變化的第一全息元件，與在±20°視場(chǎng)范圍內(nèi)具有垂直增益變化的第二全息元件疊放在一起。圖中的陰影指示出增益的變化，但是當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，實(shí)際的全息元件簡(jiǎn)單地表現(xiàn)為其表面范圍內(nèi)有散射。將水平和垂直增益變化全息元件重疊的效果基本等于中心型全息元件；但是，亮度量值在水平方向和垂直方向?qū)⒁圆煌乃俾首兓@是因?yàn)樗娇缍缺却怪笨缍却蟮枚唷?br> 圖5是在±40°水平視角跨度上，測(cè)得的屏幕中心點(diǎn)處作為峰值白亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。圖中的兩條線分別表示僅僅采用水平變化全息元件時(shí)的亮度，和采用重疊的水平和垂直變化全息元件時(shí)的亮度。用重疊全息元件時(shí)的水平亮度變化基本等于只有水平全息元件時(shí)性能，或稍有改進(jìn)。
在設(shè)計(jì)全息屏各種性能指標(biāo)范圍時(shí)，很難使屏幕同時(shí)達(dá)到所有所需的性能特性。疊放可使不同要求得到分別對(duì)待，如增益的水平和垂直變化，。該方案不局限于兩個(gè)疊放在一起的全息元件，也可以采用附加疊放的全息元件，以控制屏幕透過(guò)光的其它方面。
圖6表示了一種變化，其中中心型全息元件26上疊置有直線型菲涅爾透鏡29和30，以產(chǎn)生水平的和轉(zhuǎn)到垂直準(zhǔn)直的效果。本實(shí)施例在成本意義上是可取的，其中直線型菲涅爾透鏡可以比圓形菲涅爾透鏡更廉價(jià)地壓軋或輥壓出來(lái)。圓形菲涅爾透鏡占傳統(tǒng)屏幕成本的60％。直線型菲涅爾透鏡的成本大約是圓形菲涅爾透鏡的25％。所以，可以節(jié)約30％的成本(即(25％+25％)×60％=30％)。對(duì)于如上述所討論的水平和旋轉(zhuǎn)的全息元件而言，如果需要，直線型菲涅爾透鏡可以在水平和/或垂直視角范圍內(nèi)變化，以便改變焦距長(zhǎng)度而與垂直和水平的跨度無(wú)關(guān)。兩個(gè)疊置的直線型菲涅爾與全息元件的放置次序可以隨意。
與凸透鏡屏幕相比，全息屏幕元件的增益有了很大提高，無(wú)論是采用單個(gè)全息元件，疊置的全息元件或是全息元件和傳統(tǒng)疊置直線型菲涅爾透鏡片的組合，均是如此。但是，與凸透鏡屏幕類似，全息屏幕對(duì)投影管和相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)提供的照明很敏感。沿著每個(gè)管子的投影軸從光學(xué)系統(tǒng)入射到全息屏幕上的照明光最亮。這是色平衡問(wèn)題的一個(gè)方面。
色平衡問(wèn)題的另一方面歸因于這樣的事實(shí)盡管凸透鏡屏幕可能對(duì)聚集入射光和在所需方向散射光很有效(如全息屏可能有99.9％的效率)，但該屏幕對(duì)剩余的光幾近透明。由于瑞利散射效應(yīng)，屏幕不能聚集這部分光，這與白晝天空為藍(lán)色而日落天空為紅色同理。在用大而散射光源投影的情況下，如CRT，圖象的效果很差，而在用高效全息元件，或采用附近減散射材料的情況下，才可以考慮這樣的源。在用小而聚焦光源投影的情況下，如用LCD或DMD投影的情況下，這個(gè)問(wèn)題更為嚴(yán)重。全息元件使藍(lán)色和綠色成分分散出去，常常不能形成很清楚的亮點(diǎn)。但是，來(lái)自紅光源的光不因全息元件而向外分散，并且可以在屏幕上產(chǎn)生清楚美明亮的紅點(diǎn)。光的損失和散射部分在圖象中對(duì)應(yīng)于后面光源的部分產(chǎn)生一個(gè)亮區(qū)。遮擋紅色光源投影透鏡的中心區(qū)和相鄰區(qū)，可解決這一問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)部分，全息屏幕優(yōu)異的增益性能，使得該問(wèn)題可以通過(guò)改變投影器透鏡15，17和19，減小沿每個(gè)投影軸中心線的照明，而得到解決。這是通過(guò)部分地或全部遮擋每個(gè)透鏡的中心區(qū)而實(shí)現(xiàn)的。如圖7所示，通過(guò)在透鏡17的中心直接放置不透明物即可將透鏡17中心遮住。由于這種遮擋不是放置在投影器所發(fā)光的焦點(diǎn)位置上，所以這種遮擋在屏幕上是看不見(jiàn)的，而來(lái)自投影CRT的整個(gè)圖象由未遮擋的透鏡其余部分進(jìn)行聚焦。但是，一些光(即沿著軸的光線)被遮住了，并由此因投影屏的散射和/或低效，而使光點(diǎn)亮度有所降低。
圖8是一個(gè)表格，它給出了作為屏幕中心光強(qiáng)百分比的屏幕上數(shù)字標(biāo)記點(diǎn)的亮度。表格的左起第二列列出了無(wú)遮擋時(shí)的百分比亮度，而左起第三列列出了有遮擋時(shí)的百分比亮度。這些測(cè)量值是用直徑為3.0″的透鏡上直徑為0.25″的圓遮擋取得的。例如，在沒(méi)有透鏡遮擋的情況下，屏幕上三點(diǎn)鐘位置的亮度僅僅是屏幕中心亮度的28％。但是在有透鏡遮擋時(shí)則是中心亮度的34％?？傊哥R遮擋，沿著主軸(3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘的位置)把亮度均勻性提高了22％；沿著輔軸(6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘的位置)白亮度均勻性提高了27％；并在角落區(qū)(2，4，8和10點(diǎn)鐘)也提高了27％。
發(fā)明的此方面適宜采用全息屏幕。統(tǒng)凸透鏡屏幕的透鏡遮擋應(yīng)該會(huì)降低中心線的亮度。但是，傳統(tǒng)屏幕不具有全息屏幕的增益，且在此情況下對(duì)中心線亮度的降低將不適當(dāng)?shù)厥箞D象變暗。
已經(jīng)結(jié)合前述的變化和實(shí)例、組合變化而公開(kāi)的本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是清楚的。本發(fā)明不局限于所述的具體變化，對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)的構(gòu)思和范圍認(rèn)定應(yīng)該以所附的權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)，而不是對(duì)優(yōu)選實(shí)例的前述討論。
權(quán)利要求
1．一種投影電視，包括多個(gè)圖象投影器(14，16，18)，其中每個(gè)投影器具有一個(gè)帶有中心遮擋區(qū)(44)的透鏡(15，17，19)并在屏幕(22)上形成一個(gè)圖象；投影屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一個(gè)全息元件(26)構(gòu)成，該基片重疊在至少一個(gè)光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述顯示圖象的光散射，其中所述的屏幕在屏幕的視場(chǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生總增益，從而在屏幕的視場(chǎng)范圍內(nèi)使亮度的均勻性得以提高。
2．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少兩個(gè)彼此重疊的全息元件，其中所述的至少兩個(gè)全息元件分別在視場(chǎng)的水平和垂直方向上具有變化的增益。
3．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少一個(gè)重疊在所述至少一個(gè)全息元件上的至少一個(gè)菲涅爾元件。
4．權(quán)利要求3的投影電視，包括至少兩個(gè)疊置在全息元件(26)后面的菲涅爾元件(29，31)，該至少兩個(gè)具有獨(dú)立準(zhǔn)直作用的菲涅爾元件是重疊的。
5．權(quán)利要求4的投影電視，其中該至少兩個(gè)菲涅爾元件(29，31)分別在視場(chǎng)的水平和垂直方向上具有變化的光學(xué)特性。
6．權(quán)利要求5的投影電視，其中該至少兩個(gè)菲涅爾元件(29，31)分別在視場(chǎng)的水平和垂直方向上具有變化的焦距長(zhǎng)度。
7．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)還包括光透明的加強(qiáng)支撐組件(38)。
8．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述的至少一個(gè)全息元件(26)包括涂覆在基片上的三維全息光聚合物材料。
9．權(quán)利要求8的投影電視，其中所述的至少一個(gè)全息元件(26)包括在所述基片上有至少兩層疊置的三維全息光聚合物材料，它們一起形成三維全息元件。
10．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述三維全息元件(26)具有下述性能規(guī)范水平半視場(chǎng)角38°±3°，垂直半視場(chǎng)角10°±1°，屏幕增益≥8。
11．權(quán)利要求1的投影電視，其中所述多個(gè)投影器(14，16，18)包括三個(gè)用于形成紅圖象、藍(lán)圖象和綠圖象的投影器。
12．權(quán)利要求11的投影電視，其中僅僅所述的紅(14)圖象投影器具有一個(gè)遮擋(44)的透鏡。
13．一種投影電視，包括多個(gè)用于在屏幕(22)上形成各個(gè)不同顏色圖象的圖象投影器(14，16，18)，所述的每個(gè)投影器具有一個(gè)帶有中心遮擋區(qū)(44)的透鏡(15，17，19)，其中至少一個(gè)所述投影器沿著會(huì)聚向正交于屏幕光路的光路取向，形成至少一個(gè)入射角；所述屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一個(gè)全息元件(26)構(gòu)成，該基片重疊在至少一個(gè)光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述顯示圖象的光散射，并形成沿視場(chǎng)水平和垂直方向有變化的光學(xué)特性的干涉陣列；使得屏幕(22)在屏幕的視場(chǎng)范圍呈現(xiàn)總增益，且在比大于0°且小于或近似等于30°更大的范圍內(nèi)的所有所述入射角，色偏小于或近似等于5，如從下列表達(dá)式得到的最大值所確定的C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ));]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))]]>其中θ是水平視角范圍內(nèi)的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色的亮度值，blue(θ)是θ角處藍(lán)色的亮度值，而green(θ)是θ角處綠色的亮度值；所述屏幕(22)接收來(lái)自投影器(14，16，18)的遮擋透鏡(15，17，19)的圖象，并在第二側(cè)以總增益顯示圖象，該總增益可以提高屏幕(22)視場(chǎng)范圍內(nèi)的亮度均勻性。
14．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少兩個(gè)彼此重疊的全息元件，其中所述的至少兩個(gè)全息元件分別在視場(chǎng)的水平和垂直方向上具有變化的增益。
15．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少一個(gè)重疊在所述至少一個(gè)全息元件(26)上的至少一個(gè)菲涅爾元件。
16．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述的至少一個(gè)全息元件(26)包括涂覆在基片(24)上的三維全息光聚合物材料。
17．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述的至少一個(gè)全息元件(26)包括在所述基片上有至少兩層疊置的三維全息光聚合物材料，它們一起形成三維全息元件。
18．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述三維全息元件(26)具有下述性能規(guī)范水平半視場(chǎng)角38°±3°，垂直半視場(chǎng)角10°±1°，屏幕增益≥8。
19．權(quán)利要求13的投影電視，其中所述的多個(gè)投影器(14，16，18)包括三個(gè)用于形成紅圖象、藍(lán)圖象和綠圖象的投影器，且其中僅僅所述的紅圖象投影器具有遮擋的透鏡。
全文摘要
一種電視投影屏幕(22)在其薄膜基片(24)上具有三維全息元件(26)。該屏幕(22)可以有重疊的全息元件和/或在分別水平和垂直方向具有變化的光學(xué)特性的菲涅爾透鏡。例如,垂直和水平的全息元件可以在±40°水平視角范圍和±20°垂直視角范圍內(nèi)具有變化的增益。投影管(14,16,18)向著屏幕(22)取向,至少一個(gè)(14,18)相對(duì)于屏幕的正交或垂直軸以α角度沿著光路(34,36)會(huì)聚。至少紅(14)投影管,且也選擇綠(16)和藍(lán)(18)投影管,具有其中心區(qū)被部分地或全部地遮擋的透鏡(15,17,19),它減弱了會(huì)產(chǎn)生明亮區(qū)的散射光。全息元件(26)由干涉圖案構(gòu)成,它有效地匯集了入射光并使光轉(zhuǎn)向而更接近平行于法線,減小由于離軸入射的投影而引起的色偏,并提高圖象總量度。提高的亮度彌補(bǔ)了透鏡(15,17,19)遮擋區(qū)(44)的變暗影響。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1284238SQ98813395
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期1998年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月29日
發(fā)明者小E·T·哈爾, W·R·普菲勒 申請(qǐng)人:湯姆森許可公司