CN101512433B - 高对比度投影屏 - Google Patents
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Abstract
一个图像显示系统包含一具有反射表面的反射屏。该反射表面包含一些具有大量突脊反射表面的微小突脊，其中，这些反射突脊表面组成一个菲涅尔镜。这些反射突脊表面对所有从位于菲涅尔镜焦点的一个光源来的投射光束反射成平行的反射光束。这些微小突脊还具有许多低反射系数的黑暗的突脊表面以减少背景反射。这些微小突脊还组成一连续的同心突脊，它具有对着指向所说投影屏底部位置附近用以放置光源的菲涅尔镜焦点方向的所说的突脊反射表面。该同心突脊还具有对着离开菲涅尔镜焦点的顶部方向的降低反射系数的突脊表面。
Description
技术领域
本发明所述的是把图像投射于屏，以在该屏上显示该图像的显示系统。更为显著的特点是，本发明所述之投影屏通过使背景反射光偏离观察者以完全消除背景干扰而具有改良的对比度。
背景技术
在前投影屏上的图像显示，通常会遭遇这样的难题，该图像的观察者在观察时，由于发生从投影屏上反射的背景光的干扰而难以获得良好的对比度。这种由背景反射形成的干扰在光照充足的房间内则尤为突出。为此，就经常要求把房间内的灯光关闭以能较好的观察被显示的图像。一种能克服这种观察图像效果不良的方法是以较高的亮度来投影该图像。然而当前投影屏用强光源投影仪投照时，背景反射常常使观察者的眼睛看到刺目的眩光。而用以提供高对比度投影屏的常规技术仍被一些困难局限着，这就是把屏或者制造成多层的，或者需要特殊的工艺或材料。这种多层的屏或经特殊加工的表面的制作工艺复杂且成本高昂。因此，应用反射型显示屏的前投影显示，就受到这些技术难题的困扰且也受到经济条件的限制，因为要提供消除或减弱背景光的高对比度投影屏，耗资是很大的。
Braun等人在专利5,335,022中披露了一种前投影视频显示系统，它实现了一种元件组合方法来克服由背景反射所引起的困难。该视频显示系统包含的组件有：一个前投射视频投影仪，它投射一个具有特定偏振方向的图像；几个偏振透镜，它们使从房间灯具上发射的光发生偏振，其方向与投影图像的偏振方向相互正交；一个偏振滤光器，它能大量通过偏振与投影图像相平行的光且大量地阻断与该投影图像相互正交的光；以及一个偏振(PM)保持投影屏来接收投影图像以供观察者观看。然而，由于所需要的若干个元件应组合于一个低对比度的视频投影系统以内，这样的系统成本更高且更难制造。该偏振投影屏会进而减小光强，并由于仅仅是特定偏振的光束发生反射而导致显示图像亮度降低的不良结果。通过应用偏振器，这个方法能把背景光减少一半，由于仍然存在剩余的无用背景光引起的相当严重的干扰，它并不能完全解决问题。
Lambert等人在专利6,597,501中披露了一种投影屏，改善了投射光与背景光之间的对比度。该投影屏包括一个光吸收层和一个位于该光吸收层之前的活性层。此活性层对具有第一种偏振方向的光是通透的，对于具有第二种偏振方向的光则是反射的。能反射的偏振层可置于活性层与光吸收层之间。同样，这种具有偏振反射的多层屏成本也很高，且难以制作。此外，如上所述，偏振投射会降低显示图像的亮度从而恶化图像质量。再者，与以上讨论过的情形相似，应用偏振器，这种方法可减少一半背景光，但是由于剩余的无用背景光形成相当严重的干扰也就不能完全解决问题。
Kuoda等人在专利6,842,282中披露了一种前投影屏，它具有一个正面屏蔽薄片面对着用透光材料制成的观察侧。该正面屏蔽薄片有一个具备大量水平的平行的微小突脊的正表面，这些微小突脊有三角形的横切面，且每一个的上侧表面均覆盖一屏蔽层。该投影屏还包含一个后面的透光填充物层，它是用折射率和正面屏蔽薄片透光材料的折射率几乎相同的材料形成的。此外，在该透光填充物层的后表面的一平面内均匀的嵌置着透光玻璃球，并且该透光填充物层的后表面覆盖以白色反射粘附层。在该反射粘附层的后表面上涂附一层不透光的暗黑色薄膜。该正面投影屏具有大视角，即使在光照明环境中也不反射环境的图像并且能够显示具有高黑度和高对比度的高清晰度图像。不过显而易见，这种嵌置着玻璃球的多重分层投影屏成本很高且不便制造。并且正如所披露的，那些水平突脊只能减少从屏上方来的入射光束的背景干扰。当入射光束是从观察者的方向或从屏的其他侧边投射时，这些水平的突脊则无减少背景干扰的效果。所以，由于背景反射的减少受到限制，图像显示的对比度仅能得到部分改进。
专利申请登记公报20050128583披露了一种应用宽带投射接收表面的高对比度投射屏。这种投影屏的表面是用专门的表面制造工艺构成的，该工艺采用了在亚波长结构情形所用的合乎特定要求的材料区分方法，该亚波长结构的抛光，它乃是用于制作超波长结构的方法。然而，这种专门的制作方法需要特殊的加工设备和材料，也就大幅度地提高了成本和制作该投影屏的复杂性。
还有一些新近尝试来提供投影屏，如图1所示。该投影屏具有很多劈尖，它们接受从一个位于观察者区域的光源水平投射来的入射光20。于是，另一劈尖表面把该入射光按照平行于观察者方向的方向，以平行光反射回去。如图1所示，还有其他一些背景光，例如入射光40，及来自天花板或者来自诸如入射于劈尖表面上的太阳光与其他光源的光。这些背景入射光，例如入射光40，将从劈尖表面上反射回去成为反射光50，而它则会与光源(未示出)投射来的显示图像发生干扰。因此，这种有劈尖表面的投影屏，当光源位于观察者区域附近时，对于要把图像光水平地投射到即使是具有劈尖的反射屏以降低背景反射，也不足以解决背景光干扰的难题。
还有许多有关能减少或消除背景光的投影屏的专利，它们包含美国专利6,829,086，6,624,936，6,346,311，4,911,529和4,566,756，以及若干美国专利申请包括公报20030137728，20010030804，和20010028501。然而，这些发明并未对在技术上具有一般能力的人就克服上述的局限性和困难，给予说明或提供直接解决方法。
因而，在图像显示系统技术方面就仍有必要提供新颖的并且改进的投影屏以减少或消除背景光反射，从而使上述的难题得以解决。
发明内容
本发明的反射屏包含：一个反射表面由许多具有大量反射突脊表面的微小突脊组成，其中上述反射突脊表面构成一菲涅尔镜，上述反射突脊表面将从位于上述菲涅尔镜焦点处的光源投射来的所有入射光束反射为实际是平行的反射光束，其特征在于：上述大量反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是抛物面曲率的表面。
所述微小突脊还有许多黑色的低反射系数突脊表面用以减少背景反射。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续的同心突脊具有朝向上述菲涅尔镜焦点方向的所述反射突脊表面。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续的同心突脊具有对着指向上述投影屏底部位置附近用以放置光源的菲涅尔镜焦点方向的所说的反射突脊表面。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续同心突脊具有一个朝向离开上述菲涅尔镜焦点方向的低反射系数的突脊表面。
所述微小突脊还构成一个支撑于平整的板上的由一种柔性冲压材料组成的连续的同心突脊。
所述微小突脊还构成一个支撑于平整的板上的由一种紫外固化树脂组成的连续的同心突脊。
本发明的反射屏包含：一个反射表面由许多具有大量反射突脊表面的微小突脊组成，其中上述反射突脊表面构成一菲涅尔镜，上述反射突脊表面将从位于上述菲涅尔镜焦点处的光源投射来的所有入射光束反射为实际是平行的反射光束，其特征在于：上述大量反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是椭圆曲率的表面。
本发明的图像显示系统包含：一个具有由一些微小突脊组成的反射表面的反射屏，它具有众多的反射突脊表面，其中反射突脊表面构成一个菲涅尔镜，借此，上述突脊反射表面对从位于上述菲涅尔镜焦点的光源投射来的所有入射光束反射为平行反射光束，其特征在于：上述众多反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是抛物面曲率的表面。
上述微小突脊具有许多低反射系数的暗色的突脊表面，以减少背景反射。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有朝向上述菲涅尔镜焦点方向的反射突脊表面。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有对着指向所说投影屏底部位置附近用以放置光源的菲涅尔镜焦点方向的所说的反射突脊表面。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有朝向离开上述菲涅尔镜焦点的方向的低反射系数的突脊表面。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它是由一种支撑于实际平整的板上的柔性冲压材料所构成。
所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它是由一种支撑于实际平整的板上的紫外固化树脂所构成。
本发明的图像显示系统包含：一个具有由一些微小突脊组成的反射表面的反射屏，它具有众多的反射突脊表面，其中反射突脊表面构成一个菲涅尔镜，借此，上述突脊反射表面对从位于上述菲涅尔镜焦点的光源投射来的所有入射光束反射为平行反射光束，其特征在于：上述众多反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是椭圆曲率的表面。
本发明的一个方面是这样的，对于反射入射图像光束的前投影屏具有在平面上形成的圆环形突脊，在突脊上的反射部分组合而成一个菲涅耳面，以把从该菲涅耳面一个焦点来的所有入射光反射成指向观察者的水平平行光束。在背景光干扰能被减少的同时，如同在常规偏振反射屏情形中所披露的那样，仅仅是由于一部分光反射使得图像亮度减弱的现象就被消除了。
在另一方面，本发明提供一个反射入射图像光束的前投影屏，它具有微小突脊，这些突脊的构成有两部分：一个是位于其底上的反射部分，它朝向在该屏底部上的图像光源，另一个是无反射的顶端部分。该无反射的顶端的突脊表面涂敷以暗黑色不反射材料，以至能使从一般的安置在天花板上的光源入射的大部背景光可被消除掉。这个方法能够避免从顶部，侧面以及从观察者方向，例如从反射屏的正面方向，投射到该屏上的背景光的干扰。
还有一个方面，本发明提供了一种具有在其屏的底部安置着图像光源以把图像投射到反射屏上的前投影显示系统。该反射屏上微小突脊具有对着入射图像光的底部反射部分。这些微小突脊的底部进而组合形成菲涅耳面把全部入射光束反射成到观察者那里去的水平的反射光，以便提供高清晰质量的图像显示器，它具有位于该菲涅耳面焦点上的图像光源，而它则离该投影屏有一短小距离。
另外还有一个方面，提供了一个制作前投影屏的方法，依靠的是把一个可用UV(紫外光线)固化的表面压挤成圆环形的突脊，这些微小突脊的底部则构成一个菲涅耳面。因此，这种投影屏的制造很为经济，勿须复杂的高级加工过程。
简要地说，在一个推荐设计方案中，本发明披露了一种具有一个反射面的反射屏。该反射面包括具有许多反射性突脊面的微小突脊，其中反射的突脊面组成一个菲涅耳镜，借此面镜那些反射的突脊面对于从该菲涅耳镜焦点处光源投射的所有入射光束反射成平行的反射光束。那些微小突脊还包含大量的暗黑突脊面，其反射率被降得很低，用以减少背景反射。这些微小突脊还组合成一个连续的同心突脊，它具有对着底部方向朝着在投射屏底部位置近处安置光源的菲涅耳镜焦点的反射突脊表面。该连续的同心突脊还有许多朝向背离菲涅耳镜焦点，对着顶部方向的低反射率的突脊面。
本发明的各种意图与优点，对于在此项技术上具有一般能力的人们来说，在阅读过下面在各个绘图中将予以说明的推荐方案的详细描述之后，无疑将会非常清楚。
本发明的详细说明于下，有附图供参阅。
附图说明
图1是常规的有突脊的投影屏的横切面视图，用于把水平的入射光线以平行的水平方向投射回去，但是它不能减弱当入射光束是从其他方向入射时的背景干扰。
图2A是一个把从焦点处来的入射光束反射成平行反射光束的抛物面的横切面视图。
图2B是一个有平整表面却具有抛物面曲率的菲涅耳镜进行反射的横切面视图，把从焦点来的入射光束反射为平行的反射光束。
图2C是形成有圆环形突脊的菲涅耳镜的俯视图，其中，那些突脊面的一部构成了如在图2B中所示的菲涅耳镜。
图3是前投影显示系统的侧面横切图，它具有安置于如在图2B和2C中所示菲涅耳镜焦点上的光源。
图4是在图3的投影屏上形成的微小突脊的横切视图，其底部表面形成为菲涅耳镜，而顶部表面则涂敷以暗黑材料以减少背景反射。
具体实施方式
图2A所示为一个具有抛物面曲率的面镜100，它接收从光源110投射来的光线。该光源110位于抛物面的焦点上，从该抛物面反射的光120都平行的沿水平方向指向观察者。因而，从理论上来说，抛物面形状的反射投射屏，例如面镜100，最适宜用作前投影显示系统的投射屏。然而，观察者观看抛物面的屏时感觉不适应。再者，抛物面屏较难于制作，成本也较高。
图2B与图2C是具有本发明中一个设计方案的抛物面曲率的菲涅耳镜130的横切面视图与正视图。该菲涅耳镜130支撑在一个实际上既平且薄的表面上。菲涅耳镜130能达到如图1B中所示的同样结果，其中从安置于菲涅耳镜焦点上的光源140投射的光束也反射为沿水平方向指向观察者的平行光150。菲涅耳镜给观察者提供了一个适宜得多的外形条件，与图1A中所示的抛物面镜相比，其制造成本也大为降低。
图3示出本发明的一个前投影电视机，其前端反射屏是用如图2B和图2C中的菲涅尔镜130实现的。一个TV光源140安放于菲涅尔镜130在底部的焦点处，以投射图像光束到屏130，并把这光束反射成平行光束150至位于现已组成菲涅尔镜的投射屏前的观查者处。
图4是本发明的反射投影屏的横切面图。该反射投影屏是由尖劈组成的，每一个尖劈包含两个反射面：130-B表示底表面和130-T表示上表面。该底部反射表面130-B是反射表面并形成菲涅尔镜130用以反射从位于焦点的一个光源140来的所有入射光束145成为反射束150至观察者，此处反射束150是作为水平平行束投射到观察者。该上表面130-T被着色以降低反射系数来消除背景干扰。
再参照图4，反射投影屏130阐明了一个本发明可以示范的方案。该反射投影屏制作方法是首先在一片或一卷加有光敏剂的丙烯酸塑胶上加紫外固化树脂，接着用印模或图形滚筒形成菲涅尔图形，然后用紫外曝光来固化该材料。于是，用一个反射覆盖层覆盖表面以在上部和底部表面130-T和130-B两表面上形成反射表面。用一个由碳或其他非反光物质材料组成的黑暗色的低反射系数覆盖层覆盖底部和上部表面。应用光刻胶并将底部表面130-B对位于菲涅尔镜的抛物面焦点的光源曝光。在底部表面130-B曝光后，执行光刻从已曝光表面130-B除掉黑色覆盖物，使反射表面暴露出来以反射入射光束成为平行水平光束到观测者处。与此同时，该上表面130-T还是涂黑，以减少背景光线的反射，以改善图像显示的对比度，该图像显示具有从位于投射反射屏130底部的焦点投射入射光的图像光源。
尽管对本发明所作的描述是通过目前推荐的方案，但是可以知道，在此所作的披露不应解释成是有限制的。那些对本领域技术娴熟的工作者，在读过以上披露后，无疑会作出多种多样的修改与替换。因而可以期望，以下附加的诸项权利要求应解释为涵盖所有那些属于本发明领域并符合本发明精神实质的替换与修改。
Claims (16)
1.一个反射屏包含：一个反射表面由许多具有大量反射突脊表面的微小突脊组成，其中上述反射突脊表面构成一菲涅尔镜，上述反射突脊表面将从位于上述菲涅尔镜焦点处的光源投射来的所有入射光束反射为实际是平行的反射光束，其特征在于：上述大量反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是抛物面曲率的表面。
2.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还有许多黑色的低反射系数突脊表面用以减少背景反射。
3.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续的同心突脊具有朝向上述菲涅尔镜焦点方向的所述反射突脊表面。
4.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续的同心突脊具有对着指向上述投影屏底部位置附近用以放置光源的菲涅尔镜焦点方向的所说的反射突脊表面。
5.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，该连续同心突脊具有一个朝向离开上述菲涅尔镜焦点方向的低反射系数的突脊表面。
6.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还构成一个支撑于平整的板上的由一种柔性冲压材料组成的连续的同心突脊。
7.权利要求1中的反射屏中：所述微小突脊还构成一个支撑于平整的板上的由一种紫外固化树脂组成的连续的同心突脊。
8.一个反射屏包含：一个反射表面由许多具有大量反射突脊表面的微小突脊组成，其中上述反射突脊表面构成一菲涅尔镜，上述反射突脊表面将从位于上述菲涅尔镜焦点处的光源投射来的所有入射光束反射为实际是平行的反射光束，其特征在于：上述大量反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是椭圆曲率的表面。
9.一个图像显示系统包含：一个具有由一些微小突脊组成的反射表面的反射屏，它具有众多的反射突脊表面，其中反射突脊表面构成一个菲涅尔镜，借此，上述突脊反射表面对从位于上述菲涅尔镜焦点的光源投射来的所有入射光束反射为平行反射光束，其特征在于：上述众多反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是抛物面曲率的表面。
10.权利要求9中的图像显示系统中：上述微小突脊具有许多低反射系数的暗色的突脊表面，以减少背景反射。
11.权利要求9中的图像显示系统中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有朝向上述菲涅尔镜焦点方向的反射突脊表面。
12.权利要求9的图像显示系统中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有对着指向所说投影屏底部位置附近用以放置光源的菲涅尔镜焦点方向的所说的反射突脊表面。
13.权利要求9的图像显示系统中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它具有朝向离开上述菲涅尔镜焦点的方向的低反射系数的突脊表面。
14.权利要求9的图像显示系统中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它是由一种支撑于实际平整的板上的柔性冲压材料所构成。
15.权利要求9的图像显示系统中：所述微小突脊还构成一个连续的同心突脊，它是由一种支撑于实际平整的板上的紫外固化树脂所构成。
16.一个图像显示系统包含：一个具有由一些微小突脊组成的反射表面的反射屏，它具有众多的反射突脊表面，其中反射突脊表面构成一个菲涅尔镜，借此，上述突脊反射表面对从位于上述菲涅尔镜焦点的光源投射来的所有入射光束反射为平行反射光束，其特征在于：上述众多反射突脊表面组成许多分立反射表面，以组成一个实际是椭圆曲率的表面。
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