CN1084885C - 背面投影屏及其制造方法和包括该投影屏的图象投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种背面投影屏(5)及其制造方法和包括该投影屏的图象投影装置，该屏包括透光板(13)、第一表面(15)，该表面(15)配置沿第一方向延伸的并列柱面透镜(21)结构和面对观众侧(25)带有光吸收材料条带(19)的与第一表面相对的第二表面(17)。条带(19)也沿第一方向延伸。板(13)还包括在第二表面(17)上的利用全息图的单一部件形成的漫射装置，该部件同时沿第一方向以第一角度和沿与第一方向垂直的第二方向以第二角度散射光线，该第一和第二角度互不相同。

Description

背面投影屏及其制造方法和包括该投影屏的图象投影装置

本发明涉及包括透光板的背面投影屏，该透光板的第一表面具有沿第一方向延伸的并列柱面透镜结构，第二表面与第一表面相对设置，面向观众侧并配置着也沿第一方向延伸的第一类型光吸收条带，上述板包括第二表面上的漫射装置。

本发明也涉及包括这种背面投影屏的图象投影装置和涉及制造这种屏的方法。

当将图象投射在观众侧时，其目的在于在观众席的限定部分即仅观众出席的部分欣赏到投影屏上形成的均匀和亮度高的图象。对于观众所看到的图象来说，以这种方式可以最佳地利用有效辐射能量。但是，容纳观众的部分相对有限，并且沿水平和垂直方向其尺寸也不相同。沿水平方向的视角应尽可能大些，而沿垂直方向的视角通常要小得多。为了满足不同的视角，图象投影屏可设有保证光线水平扩展的装置和保证光线垂直扩展的装置。

据美国专利US-A-3,832,032可了解在本公开文本中所述的这种背面投影屏。在该专利中所述的投影屏具有在面对投影器的表面上沿垂直方向延伸的并列柱面透镜结构。柱面透镜将来自投影器的光信号在面向观众侧的表面上聚集成聚焦线。面向观众的表面配有位于由透镜结构形成的聚焦线外侧的第一类型光吸收材料条带，并保证沿水平方向光线的扩散。由于柱面透镜使光信号聚集在光吸收条带之间的区域，因而这些条带基本上不会吸收该光线，而吸收和消除在观众侧的大量环境光。以这种方式就能获得具有很高对比度的图象。

为了漫射从透镜部分进入观众侧的入射光，应使正对观众侧的表面上在光吸收条带之间的区域变粗糙。通过作成大量的相互平行的划痕或密纹来使其变粗糙。因为沿水平和垂直方向的漫射取决于沟纹纵轴的排列，因此光沿水平方向的扩散由透镜结构和沟纹的结合来保证，同时反由沟纹来保证光沿垂直方向的扩散。可是，美国专利3,832,032明确地表示对沟纹取向更倾向于光的主要扩散方向垂直于透镜结构扩散光的方向，主要是垂直方向。

该已知投影屏的不足是需要两个分离的部件实现水平和垂直方向预定的光扩散，如果希望屏具有非对称的漫射就必须使该部件以不同的角度漫射光线。

由于在已知屏上是通过喷砂制成沟纹，因此准确地调整沟纹的漫射角度还很困难。实际上，散射角取决于待打毛的板与喷砂嘴之间的方向。而且，垂直方向即沟纹沿此延伸的方向恰好是控制漫射的更重要的方向。可在观众侧获得最佳照射分布。

应指出，球粒形式的漫射器已广为人知，它能保证光同时沿水平和垂直方向漫射。然而，由于这种漫射是圆形对称，因此当希望在垂直和水平方向具有不同的视角时，就必须采取特殊措施，这正是其不足之处。

本发明的目的是提供一种背面投影屏，在观众侧可获得最佳投射光分布，同时可避免上述缺陷，该屏还具有高对比度并能用简单的方法制得。

为此，本发明的背面投影屏的特征在于通过以按照漫射全息图形成的第二类型漫射条带形式的单一部件构成漫射装置，该装置同时具有沿第一方向以第一角度和沿与第一方向垂直的第二方向以第二角度漫射的效果，该第一和第二角度互不相同。

全息图是例如通过物体光束与标准光束的干涉获得的干涉图形。

通过由常规漫射器发射的物体光束得到全息漫射器。原则上，全息漫射器是用包括常规散射漫射器的光学干涉系统获得斑点模式的图。可以选择全息光拾取装置的几何图形以使得到的斑点图形沿两相互垂直方向具有不同的结构。在再现得到全息图时，当用光信号照射全息漫射器时，由于斑点图形沿两个方向具有不同结构，所以该光信号就沿这些方向进行不同的基于衍射的漫射。

以这种方式可保证使漫射变为非对称的例如椭圆形。实际上这意味着沿水平方向扩散的角度能作得比垂直方向扩散的角度大。以这种方式相对简便地在观众侧得到最佳的照射分布。

应指出可以用计算机制作的全息图代替通过干涉激光束得到的全息图。

由于在面对观众侧的大部分表面上设置有光吸收材料，该材料可有效地消除环境光，因而可获得高对比度的图象。

在面对漫射器的屏表面上的并列柱面透镜结构保证将入射在该表面和来自投影器的光信号聚焦于面对观众侧的表面的焦点线或其附近。

在已知投影屏中，在屏表面上的柱面透镜结构具有沿指定方向扩散光的功能。特别是当涉及水平扩散时，由于通常希望具有较大的水平视角，因此透镜应具有较大的放大倍数。为了得到这种扩散，应使透光板较薄。由于在本发明的投影屏中的柱面透镜在这种情况下没有漫射器功能，而必须将光信号聚集在面对观众的表面附近，又因为第二类型条带保证圆满的漫射，因此完全可以使用较低倍数的透镜并可使透光板较厚些。这有利于投影屏的刚度。柱面透镜可沿水平或垂直方向延伸，并使光吸收条带和柱面透镜沿同样的方向延伸。

本发明的背面投影屏的最佳实施例的特征在于全息图是表面凸出全息图的复制品。

在表面凸出全息图中，以表面凸出高度形式用光栅固定干涉图形。例如通过用两束干涉激光对设置在金属板上的光刻胶曝光、接着使光刻胶显影和蚀刻该板来制得具有凸出结构的表面。以这种方法得到可以如镍板的模型结构，然后借助公知的复制方法，例如UV复制、注模式冲压之类在透光板上进行复制。在以后的阶段光束射到此板上，由全息图沿水平方向以及沿垂直方向漫射。通过选择全息拾取装置的几何结构可以使产生漫射的角度随模型的不同而不同。

因此仅一次制作的全息图构形作为模具，然后就可用简单的方法在一系列板上复制。

本发明背面投影屏的第二实施例的特征在于全息图为体全息图。

在体全息图中，以沿感光层厚度折射率改变的形式固定干涉图形。该感光层是设置在透光板上的例如二色胶或光致聚合层。在这种情况下全息图本身就设置在屏上，勿需用模具复制。这种全息图的优点是它不具有表面结构，因此可容易设置而没有被光吸收带损坏的危险并且可无损坏地清洗。

应该指出，根据由J.M.Tedesco等人在SID文摘93第29～32页中的论文“Holographic Diffusers for LCD Backlights andProjection Screen”实质上可以了解漫射全息图、体全息图以及表面凸出全息图都利用Fresnel透镜，并可用作背面投影屏。这种屏通过指定角度、既沿垂直又沿水平方向高效地将入射光漫射到观众侧。可是，这种屏也将从观众侧入射到屏上的环境光如同光信号那样漫射到相同范围并沿相同方向进入观众侧。此外，在空气与全息图界面和在Fresnel透镜外将出现对进入屏的环境光的反射，这种反射也将使这些光线到达观众侧。

由于上述因素，如果观众侧不是很暗的话，投影图象的对比度将较低。

本发明背面投影屏的又一个实施例的特征在于：一方面透光板的厚度和柱面透镜的放大倍数，另一方面柱面透镜以及第二类型条带的相互位置是这样安排的，以使各个柱面透镜的聚焦线都落在位于或接近于第二表面的在第一类型条带之间的区域。

由于光信号聚集在光吸收带之间，基本上没有因吸收而丢失光信号。从另一方面来说，环境光入射在面对观众侧的整个表面上。带吸收材料的表面部分越大，吸收环境光的量就越大。这样就产生具有很高对比度的图象。

本发明背面投影屏的再一个实施例的特征在于在板的第二表面区域上，来自柱面透镜的各个光束的第一方向的宽度基本上等于相应于所说透镜的第二类型条带的宽度。

在这种情况下，在所有配置吸收材料的屏表面区域上不会有入射的光信号，光信号仅仅入射在没有吸收材料的区域上。以这种方式可获得最佳对比度。

本发明背面投影屏的再一个实施例的特征在于背面投影屏还包括在第一表面侧的Fresnel透镜。

该透镜具有会聚作用并将投影系统中的投影透镜的出射光孔成像在观众侧。

本发明也涉及包括图象投影器和图象投影屏的图象投影装置，该图象投影器配有用于按照待投射的图象调制辐射光束的图象显示系统。所说的图象投影装置的特征在于图象投影屏为如上文所述的背面投影屏。

图象投影器可以理解为是一种配有图象显示系统和光学设备的装置。此光学设备用于将由该系统产生的图象投影到图象投影屏上。

图象显示系统可以是例如一个液晶显示板(LCD)或为了彩色图象投影由三个液晶板连同多个分光器及聚光器构成的系统。

代替LCD板，可以采用DMD(数字微镜装置)板作为图象显示系统。DMD板是由包括可变形镜元矩阵的一个单硅晶片构成的元件。根据所施加的代表被投射的图象信息的电压，各个镜元可以倾斜。以这样方式，入射在镜元矩阵上的辐射光以不同角度被反射进或出投影系统。接着，借助光学系统将系统中反射的辐射光聚集成束，经过投影透镜系统就形成了放大的DMD图象。

也可以用一个或多个例如美国专利US-A-4,127,322所述的带有电光层的阴极射线管代替该图象显示系统。

参照下文所述的实施例的说明将明了本发明的种种概念。

在附图中：

图1示意性地表明本发明图象投影装置的实施例；

图2以透视图形式示出本发明背面投影屏的实施例。

图1所示的图象投影装置1包括图象投影器3和背面投影屏5.图象投影器3包括照明系统7、图象显示系统9和投影透镜系统11.照明系统7包括辐射源4、反射器8和聚焦透镜系统6，聚焦透镜系统6用于将来自辐射源4和反射器8的辐射光聚集成束；图象显示系统9用于按照将被投影的图象调制照明光束；为简化的缘故用单一透镜表示的投影透镜系统11用于将图象投射在投影屏5上。

图象显示系统可以是例如一个液晶显示板(LCD板)，或使用彩色图象投影时，使用与各个基色相对的三个图象显示板和多个分光及聚光器的系统。由于通过调制入射光的偏振状态将投射的图象信息加在该光束上，因此这种图象显示系统要求入射的辐射光束具有预定的偏振方向。

可以用DMD(数字微镜装置)板代替图象显示系统。DMD板是由包括可变形镜元矩阵的单硅晶片构成的元件。根据所施加的代表将被投射的图象信息的电压，各个镜元可以倾斜。因而入射在镜元矩阵上的光以不同的角度反射入投影系统或其附近。随后，借助光学系统将在系统中反射的辐射光聚集，经过投影透镜系统就形成了放大的DMD图象。DMD图象显示装置不影响入射光束的偏振状态，而待再现的图象信息取自入射光被镜元反射的角度。

也可以用由一个或多个带有电光层的阴极射线管来代替图象显示系统。

投影屏5包括透光板13，透光板13具有正对图象投影器3的第一表面15和面向观众席25的第二表面17。

图2是投影屏5实例的透视图。第一表面15具有沿箭头23所示的第一方向延伸的并列柱面透镜21的结构。

柱面透镜21和屏5的最厚处具有这样的曲率，使源于图象投影器3并能投射在屏5上的入射在各柱面透镜21上的b部分光束聚焦在相关的聚焦线上。该聚焦线落于第二表面17上或其附近。

第二表面17配有吸收入射在屏上的环境光线的光吸收材料条带19.条带19沿与柱面透镜21相同的方向延伸并位于带29的外侧，柱面透镜21将辐射光聚集在条带29上。以这种方式，光信号仅入射在条带19之间的屏上，而大部分环境光入射在光吸收带19如果一方面考虑到柱面透镜21和条带19的相对位置，另一方面考虑到板13，其厚度应使每个b部分的信号光在表面17上的宽度W对应于在相邻条带19之间的距离，则所有的光信号都将准确地入射在这些带子之间。以这种方式不会丢失光信号，同时将吸收大部分环境光。因而可获得具有较高对比度的图象。柱面透镜21的聚焦线越靠近第二表面17，所说的宽度W就越小，光吸收带19就越宽，则投影图象的对比度就越好。

此外，投影屏5可配有在第一表面15上的Fresnel透镜27。这种Fresnel透镜27具有会聚作用并在观众侧形成投影透镜系统11的出射光孔图象。

在本发明中屏5的第二表面17还具有光吸收带形成之前即作成的漫射装置29，该漫射装置作为单一部件将入射在其上的光线沿水平方向或垂直方向漫射。全息照相包括这些装置。可以按照由J.M.Tedesco等人在SID文摘93第29～32页中的论文“Holographic Diffusers for LCD Backlights and ProjectionScreen”所述的方法制作漫射全息图。

通过用常规漫射器发射的物体光束获得全息漫射器。原则上，全息漫射器是用包括常规散射漫射器的光学干涉系统获得的斑点图形的图象。可以选择全息光拾取装置的几何图形以使获得的斑点图形沿两相互垂直方向具有不同结构。再现获得的全息图时，可用光信号照射全息漫射器时，由于沿两个方向具有不同结构的斑点图形，该光信号就因绕射沿这些方向进行不同的漫射。

应指出可以用计算机制作的全息图，代替由激光干涉来获得的全息图。

由于在观众侧有观众的区域的水平方向范围比垂直方向的要大得多，沿这些方向应以不同的角度漫射光线。实际上，沿水平方向最好在例如-40°～+40°之间散射，而沿垂直方向最好在例如-10°～+10°之间漫射。

由柱面透镜21聚集在条带29上的光信号在水平方向以第一角度漫射而在垂直方向以不同于第一角度的第二角度漫射。

以不同的方式均可以构成全息漫射装置。

第一种可能性是以表面凸出全息图的复制品来制成漫射装置。可认为表面凸出全息图是以表面立体高度形式将干涉图形固定在其上的全息图。在例如金属板上提供的感光层上，由激光干涉束制备干涉图形，经显影和蚀刻之后在这个板上的图形产生立体高度。可以将该立体高度很多次地复制在同样多的投影屏上。从而仅一次性作成漫射全息图，以此为模具就可以复制。诸如注模、冲压或UV复制均为适宜于该目的复制技术。在UV复制中，在需安置干涉结构的透明板上配有漆液涂层。将具有该结构的模具的一侧压入漆涂层。然后例如用UV光透过透明板照射漆涂层以使漆涂层固化，然后将模型移开。

第二种可能性是以体全息图来制成漫射装置。在这种全息照相中，以折射率沿涂层厚度改变的形式将三维干涉图形写入例如光致聚合层或二色胶上。这种全息图具有光滑的表面所以在该表面上可较简便地制备光吸收带。在这种情况下，用全息图本身代替复制品直接设置在屏上。

在已知投影屏中，柱面透镜21具有散光功能。特别是在沿水平方向散光时，柱面透镜21会更有效并且透明板会更薄以保证足够大的散射范围。在本发明中由于柱面透镜21不具有沿指定方向的散光功能，只需将光信号聚焦在指定的条带上，因此可以使用较弱的透镜，所以板可更厚些。这有利于屏的刚性。而且，由于光吸收带沿水平方向或者垂直方向延伸，柱面透镜也可沿同样的方向延伸。

在诸如美国专利US-A 4,566,756介绍用可变形材料制作模具，利用此模具复制的方法，就可在板13上作成柱面透镜21。在板13上配置经加热、紫外线照射或冷却处理的合成材料层例如PMMP或聚碳酸酯。接着，将具有与待形成的透镜构造互补的结构的模具压入合成材料层。合成材料层固化后移开模具。

然后，如下文所述在第二表面17上配置漫射装置29。

如果以表面凸出全息图来完成漫射装置，最好完全由可固化的合成材料制成屏5。原材料应为合成材料层，它在柔软状态下具有足够厚度在凝固状态具有透光性。然后用具有柱面透镜结构的模具装入该合成材料置于表面15上，同时将具有表面凸出全息图的模具置于第二表面17上。在固化后移开两个模型，随后在第二表面17上配置光吸收带19。

通过例如照相方法在板13的第二表面17上可配置光吸收带19.首先，在第二表面上设置光刻胶，照射其待黑化的条带区域。经显影和冲洗，在这些区域就不再残留感光剂。然后，黑化整个表面，在此之后去除未感光的光刻胶，留下黑色条带图形。

如果以这种方法形成表面17，则条带19高于信号光聚焦于其上的窄条带29，就可借助滚动或压印技术使用黑油墨或者借助涂敷技术使用黑色合成材料使条带19黑化。

Claims (9)

1.一种包括透光板的背面投影屏，该透光板的第一表面具有沿第一方向延伸的并列柱面透镜结构，第二表面与第一表面相对设置面向观众侧，并配置着也沿第一方向延伸的第一类型光吸收带，上述板包括在第二表面上的漫射装置，其特征在于用作为漫射全息图形成的第二类型漫射条带形式的单一部件构成漫射装置，该装置同时具有沿第一方向以第一角度和沿与第一方向垂直的第二方向以第二角度的散射效果，该第一和第二角度互不相同。

2.根据权利要求1所述的背面投影屏，其特征在于所说的全息图为表面凸出全息图的复制品。

3.根据权利要求1所述的背面投影屏，其特征在于所说的全息图为体全息图。

4.根据权利要求1、2或3所述的背面投影屏，其特征在于一方面透光板的厚度和柱面透镜的放大率，另一方面柱面透镜和第二类型条带的相互位置是这样的，应使所有柱面透镜的聚焦线均位于第二表面上的两个第一类型条带之间或其附近。

5.根据权利要求4所述的背面投射屏，其特征在于在板的第二表面区域上沿来自柱面透镜的各光束的第一方向的宽度基本上等于相应于所说透镜的第二类型条带的宽度。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的背面投影屏，其特征在于背面投影屏还包括位于第一表面侧的Fresnel透镜。

7.一种图象投影装置，包括图象投影器和图象投影屏，图象投影器配置有用于按照待投射的图象调制辐射光束的图象显示系统，其特征在于图象投影屏为如上述任一权利要求所述的背面投影屏。

8.一种如权利要求1所述的背面投影屏的制造方法，其特征在于在透光板的第一表面上形成并列的柱面透镜结构，该柱面透镜沿第一方向延伸，其特征还在于用模具在与第一表面相对的第二表面上制成表面凸出的全息图，接着在该板的第二表面上配置第一类型光吸收材料带，该带也沿第一方向延伸并位于柱面透镜照射的第二类型条带之间。

9.一种制造如权利要求1所述的背面投影屏的方法，其特征在于在透光板的第一表面上形成并列的柱面透镜结构，该柱面透镜沿第一方向延伸，并在与第一表面相对的第二表面上配置体全息图，接着在该板的第二表面上配置第一类型光吸收材料条带，该带也沿第一方向延伸并位于柱面透镜照射的第二类型条带之间。

Images