CN100372384C - 带光校正的全息屏投影电视 - Google Patents

Abstract

提供了一种投影电视(10)，它包括至少三个将不同颜色的图象投在投影屏幕(22)上的图象投影器(14，16，18)的光学系统，以及一个布置在与图象投影器(14，16，18)和屏幕(22)光通信的光路上的全息反射镜(20)，这样，投影器之一(16)具有与屏幕(22)基本正交的第一光路(32)且至少两个投影器(14，18)具有向着斜入射角限定的非正交的第一光路(32)会聚的各光路(34、36)。投影屏(22)是由代表布置在基底(24)上的凸透镜的三维阵列的三维全息元件(26)构成的。该屏幕在其第一侧从投影器(14，16，18)上接收图象，在其第二侧在所有显示图象的散射光控制之下显示图象。

Description

带光校正的全息屏投影电视

技术领域

本发明总体上涉及投影电视接收机领域，且尤其涉及明显减小色偏和/或机壳深度的全息投影电视屏。根据本发明的一个方面，采用一个全息镜来校正由全息屏幕引入的光学影响。

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：

$C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)---\left(I\right)$

$C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)---\left(\mathrm{II}\right)$

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：

$Z\left(x\right)=\frac{{\mathrm{Cx}}^2}{1+{[1-(K+1)C^2{x}^2]}^{\frac{1}{2}}}---\left(\mathrm{III}\right)$

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，已经规定出了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未知。

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(three dimensionalhologram)。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。

发明内容

根据本文所教导的发明方案的投影电视接收机，提供了一种在色偏性能(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°范围内可以达到2或更小的色偏的投影电视接收机。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α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三维衍射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：

$C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right);---\left(I\right)$

$C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)---\left(\mathrm{II}\right)$

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。根据本发明的一个方面，投影电视除了提供全息投影屏幕之外还可以包括一个或多个全息光元件。

在一个实施例中，提供一种投影电视包括：一种光学系统，包括至少三个图象投影器，用于将不同颜色的图象投到投影屏幕上，该光学系统还包括一个全息反射镜，放置在图象投影器和屏幕的光通路上，这样，投影器之一具有基本与屏幕正交的第一光路，并且投影器的至少两个具有以限定了入射角的非正交方式向第一光路会聚的各光路；

投影屏幕是由代表在基板上的一个三维衍射阵列的一个三维全息元件构成，该屏幕在其第一侧接收来自投影器的图象，并在其第二侧以全部显示的图象的受控光散显示该图象。

根据另一方面，所述的投影电视具有在图象投影器和屏幕的光通路上的全色全息反射镜。该全色全息反射镜包括根据适于预定图象的光反射特性预选的波长，以补偿由投影屏幕感生的色差。该投影屏幕是由代表基板上的三维衍射阵列的一个三维全息元件构成的。该屏幕在其第一侧接收来自投影器的图象，而在其第二侧以全部显示图象的受控光散显示图象。

发明还包括：

一种投影电视，包括：

投影屏幕，具有一个三维衍射阵列，所述三维衍射阵列包括一个三维全息元件，所述三维全息元件被置于含有透明聚乙烯树脂膜的基板上；

光学系统，包括至少三个图象投影器，用于将不同颜色的各图象投射所述三维全息元件上，该光学系统还包括一个具有凹镜光学特性的全息反射镜，所述全息反射镜被放置在带有所述图象投影器和所述屏幕的光通路上，这样，所述投影器之一具有基本与所述三维全息元件正交的第一光路，并且所述图象投影器的至少两个具有以所述三维全息元件限定入射角的非正交方向朝所述第一光路会聚的各光路；以及

所述投影屏幕在第一侧接收来自所述投影器的图象，并在第二侧显示所述图象，并且所述光学系统补偿在显示的图像中的色差，所述色差是由所述投影屏幕的依赖于波长的光散射引起的，

其中所述三维全息元件用湿式化学方法根据水平半视角、垂直半视角、屏幕增益、色偏的性能指标而制成，屏幕在大于零且小于30度入射角的范围内具有小于或等于5的色偏，

其中所述水平半视角：38°±3°，

所述垂直半视角：10°±1°，

所述屏幕增益：≥8，

所述色偏：≤3。

附图说明

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。

图4是根据本发明的另一实施例，与图1相似的投影电视示意图，但是投影器上没有透镜。

具体实施方式

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14，16和18提供了覆盖在投影屏后面的红色，绿色和蓝色的图象。这些阴极射线管具有出射光瞳，包括各透镜15，17和19，它们提供光能用于由阴极射线管14、16和18进行放大、聚焦和投影。透镜15、17和19通常是用已知的光学级的玻璃制成。投射出去的图象被反射镜20反射到投影屏幕22上。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。

根据本发明的一个方面，加在投影管和屏幕之间的光学校正可遍布在玻璃透镜15、17和19以及镜20之间，它们可弯曲而提供光学校正。

根据本发明的另一方面，镜20可以包括一个全色全息反射镜，它具有凹镜的光学特性，且其功能类似于球面镜或抛物镜系统。类似传统光学元件的全息光学元件是已知的。例如，全息光元件可同时具有正和负透镜的功能，即正弦波带片(sinusoidal zone plates)等等。这种全息光元件在由Addison-Wesley出版公司，书号为0-201-05509-0的“An Introduction to Lasers and Their Applications”的第7章有公开，其国会图书馆藏书号为76-46184，该文在此引作参考。

当使用由全色全息反射镜形成镜20时，光路32、34和36首先通过传统透镜15、17和19而会聚在镜20的表面。镜20还通过使光路32、34和36强烈地会聚在屏幕上而将图象聚焦在屏幕22上。以此方法，镜20增强在屏幕22上图象的会聚性。此结构的优点还在于使本发明的投影系统中的光路长度大大缩短，从而可以使用更小的光学系统并使电视机壳更小巧。

鉴于大部分光能是由全息镜贡献的，而透镜15、17和19的作用甚微，它因而可包括廉价的聚合物透镜。根据本发明的另一方面，可完全不用透镜15，17和19，其功能完全被全息反射镜(镜20)覆盖。在那种情况下，图象投影器的出射光瞳根本不放大或聚焦图象。以此种电路结构，以阴极射线管14，16和18射出的图象或平行于光路或相对光路稍微发散，并由全息镜20反射和会聚在屏幕22上。

根据本发明的另一方面，光学系统可适配以校正色偏，特别是由屏幕22进一步沿光路引入的反作用色偏。诸如屏幕22的全息光元件由于全息元件的衍射特性使其表现出很强的波长依赖性，该全息光元件大致包括一个拍摄下来的干涉图形。结果，全息光元件趋于高度分散，并在不同波长有不同表现。包括垂直光能的全息色散屏幕的使用(包括对屏22的使用)将在发送出的图象中产生色差。这些色差通常在沿屏幕22的垂直轴非常明显。全息镜20可以还包括一个全息元件，其沿垂直轴的色度特性(波长依赖特性)已是预选的，从而在色度上预设定了来自阴极射线管14，15和18的图象，从而补偿了由波长依赖色散屏幕22引入的相应色差。按此方法，图象被预对准，以在适当的预选角度进入屏幕22，这样，在他们从屏幕22上出射时，他们的衍射量正好使所有图象基本彼此平行，从而形成全色图象。

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 Pont deNemours &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.001-.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。

用于上述和本发明技术方案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。如发明内容中所说的，三维全息投影屏幕优异的色偏性能是完全出乎意料的。

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，阴极射线管或者彼此越靠近，且还必须与屏幕进一步隔开。这些管具有实际的尺寸，并且不能放得比并肩放置的情况更紧，仅通过加长光路就可进一步减小角度，这将不得已增大机壳的最小深度D。随着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。在一定范围的入射角内收集光并更平行于法向射出光的全息屏幕允许使光路长度大致减小。

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。

Claims (5)

1.一种投影电视，包括：

投影屏幕(22)，具有一个三维衍射阵列，所述三维衍射阵列包括一个三维全息元件(26)，所述三维全息元件(26)被置于含有透明聚乙烯树脂膜的基板上；

光学系统，包括至少三个图象投影器(14、16、18)，用于将不同颜色的各图象投射所述三维全息元件(26)上，该光学系统还包括一个具有凹镜光学特性的全息反射镜(20)，所述全息反射镜(20)被放置在带有所述图象投影器和所述屏幕的光通路上，这样，所述投影器之一(16)具有基本与所述三维全息元件(26)正交的第一光路，并且所述图象投影器的至少两个(14，18)具有以所述三维全息元件(26)限定入射角的非正交方向朝所述第一光路会聚的各光路；以及

所述投影屏幕(22)在第一侧接收来自所述投影器(14，16，18)的图象，并在第二侧显示所述图象，并且所述光学系统补偿在显示的图像中的色差，所述色差是由所述投影屏幕(22)的依赖于波长的光散射引起的，

其中所述三维全息元件(26)用湿式化学方法根据水平半视角、垂直半视角、屏幕增益、色偏的性能指标而制成，屏幕在大于零且小于30度入射角的范围内具有小于或等于5的色偏，

其中所述水平半视角：38°±3°，

所述垂直半视角：10°±1°，

所述屏幕增益：≥8，

所述色偏：≤3。

2.如权利要求1的投影电视，其特征是，所述至少三个图象投影器(14，16，18)的每一个图象投影器都包括适于将所述各图象聚焦的透镜(15，17，19)。

3.如权利要求2的投影电视，其特征是，所述透镜(15，17，19)包括一种聚合材料。

4.如权利要求1的投影电视，其特征是，所述图象投影器(14，16，18)包括至少无放大和聚焦性的出射光瞳。

5.如权利要求1的投影电视，其特征是，所述全息反射镜(20)具有全色光特性。

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