CN1284238A - 采用全息屏和部分遮挡投影透镜的投影电视 - Google Patents

Abstract

一种电视投影屏幕(22)在其薄膜基片(24)上具有三维全息元件(26)。该屏幕(22)可以有重叠的全息元件和/或在分别水平和垂直方向具有变化的光学特性的菲涅尔透镜。例如,垂直和水平的全息元件可以在±40°水平视角范围和±20°垂直视角范围内具有变化的增益。投影管(14,16,18)向着屏幕(22)取向,至少一个(14,18)相对于屏幕的正交或垂直轴以α角度沿着光路(34,36)会聚。至少红(14)投影管,且也选择绿(16)和蓝(18)投影管,具有其中心区被部分地或全部地遮挡的透镜(15,17,19),它减弱了会产生明亮区的散射光。全息元件(26)由干涉图案构成,它有效地汇集了入射光并使光转向而更接近平行于法线,减小由于离轴入射的投影而引起的色偏,并提高图象总量度。提高的亮度弥补了透镜(15,17,19)遮挡区(44)的变暗影响。

Description

采用全息屏和部分遮挡投影透镜的投影电视

发明领域

本发明涉及投影电视接收机领域，且尤其涉及具有全息屏和改进的投影透镜的投影电视，该投影透镜通过遮挡投影管光瞳透镜的中心部分，提高了屏幕的整个视场范围内的亮度均匀性。

背景技术

投影电视屏幕需要至少三个图象投影器以形成各个不同颜色的图象，如红，蓝和绿色。投影屏在第一端接收来自三个投影器的图象；在第二端显示这些图象，并对所有显示图象进行光散射控制。投影器之一，通常为绿色的且通常处于投影器排列中心，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。至少两个投影器，通常为红色和蓝色且通常在排列上位于中心绿色投影器相对两侧，它们具有向第一光路会聚且不与屏幕正交而以一倾角入射的各自光路。投影器的这种位置安排的结果是，当从不同的角度观看时屏幕上的图象会有色偏，且图象在中心区比在边缘区要亮，或表现出不均匀的亮度。因此，需要减小投影屏幕电视系统的色偏提高亮度的均匀性。

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。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。

投影电视接收机的屏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/Rl)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{C{x}^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.4，443，814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.4，953，948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。

除了色偏问题之外，投影电视不能在观看者能看见屏幕的足够宽水平视角范围提供有足够亮度的图象大多数体格亮度的方案是集中在提供全屏幕的增益，它定义为：在正交或垂直于屏幕的方向测量，从源向观看表面后方传输的光强，与从观看表面前面向观看者所传递光强的商。

在美国专利US.5，196，960中可以找到，通过加强图象的增益和在水平和垂直方向确保合适视场，从而改进投影屏性能的各种方案。这些技术不是本文所要考虑的内容，在此不作详述。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。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。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。所述的这种屏幕设计具有更大的屏幕增益，且因而整个图象更亮了。

尽管双侧凸透镜屏幕的总增益和亮度比简单散射屏幕的要好，投影电视设计的另一个性能问题是在具有可比亮度条件下，屏幕边缘与屏幕中心亮度的相对差异。通常是，画面的边角不如画面的中心明亮。相对亮度差部分地是由于从投影器到屏幕中心的光路比投影器到屏幕边缘的光路短而产生的；部分地是由于投影器一般都对准屏幕的中心，其射束一般都会聚在中心的缘故。所以，投影器照射到边角的光强小(由于距离所致)，且不如中心处那么直接。

处理边缘亮度的一种方法是在屏幕的散射或凸透镜面板后面采用菲涅尔透镜。该菲涅尔透镜为一准直透镜，并其焦距等于该准直透镜与投影器输出透镜出瞳的轴向距离。目的是引导从投影器发散出来的光线，以使沿着每个投影管子投影轴的光线平行于该轴地从屏幕射出。

菲涅尔透镜被细分为逐渐向着透镜边缘倾斜的凸脊，并其斜度基本等于实心准直透镜斜度，选择凸脊的具体角度，以使得透镜表面空气/玻璃(或空气/塑料)折射本领能够按所需的方向弯折光线。尤其是，从屏幕中心轴发散的光线被向内弯折向中心轴，以便平行于该中心轴地出射。并且，向着屏幕的边缘，需要逐渐增大的折射本领，而中心无需有折射本领。

已知传统的投影屏菲涅尔凸脊的焦距长度从画面中心向外逐渐增大。屏幕边缘的离轴光线被弯折而偏离开平行于中心轴的方向，而被向内引导偏向中心轴。这使得在沿着中心轴观看屏幕时图象边缘的亮度较高，但对于从其它方向观看没有帮助。

在按照从屏幕中心上方一点沿着使用者视线方向引导光线的方式安置菲涅尔透镜的投影电视中，例如在具有较小机壳的投影电视中，还能出现另一个亮度变化的问题。这要通过将菲涅尔透镜中心线相对于屏幕中心向上偏移而实现。尽管这样可以提高相对亮度，尤其是在中心处，屏幕的顶部通常也有比屏幕底部高的亮度。

尽管在投影屏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在市场上出现。

小入射角α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。对于给定尺寸的图象投影器和光学元件而言，仅仅可以通过增加图象投影器或其光学件与屏幕之间的光路长度来减小入射角度。减小投影电视机壳尺寸的技术，一般取决于反射镜的布置。这些努力所获得的色偏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，该文献在本文中作为参考。全息光致聚合物通常用于借助将相干光分裂成照明光和参考光来记录全息元件象。照明光照射在拍摄对象上。从被摄物反射的光束和从被摄物旁边记过的参考光束照射在光致聚合物媒质上，该媒质包含可显影的光敏摄影组合物。两光束的光波相互干涉，即它们通过构造和重构的干涉，产生出驻波图案，该图案具有对局部摄影组合物曝光的正弦波峰，和不对局部组合物进行曝光的零点。在摄影媒质显影时，相应的干涉图案就被记录在媒质中。用相干参考光照射该媒质，被摄物的图象被再现出来，并且可以在其视角范围内观看到。

由于从被摄物上所有被照明点发出的光与全息元件上所有点的参考光相互干涉，所以代表普通全息被摄物的全息元件所记录的干涉图案很复杂。通过记录空白被摄物(通过两个参考光的有效干涉)应该能够产生一空白全息元件，也就是公知的正弦光栅，其中的干涉图案更为规则。于是，干涉图案会形成一个衍射光栅，其分辨率比形成有更大尺寸凸透镜单元以便从后面的投影器沿特定方向弯折或折射光线的投影屏幕间距要细。

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的原理。该建议是基于宝丽来公所希望的司高亮度高分辨率，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的体全息元件的具体全息结构，也从未涉足过全息或其它任何类型投影电视屏的色偏问题。

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，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

根据本发明的一个方面，本发明的一个目的是开发大大提高增益的投影系统中全息屏，并因此优化光学系统改进色彩分布。尤其是，通过沿着每个投影管的中心轴遮挡每个投影管的透镜一个区域，而放弃每个投影管的一部分亮度。这样做改进了色彩总分布而没有引起亮度，否则将减损最佳观看所必需的亮度。

根据本文所教导的发明方案的投影电视接收机，提供了色偏性能(按幅值量级测量)方面的显著改进：入射角α在小于10°或11°的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大于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，并在小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。

最初开发的这种三维全息屏，是因为它们具有在高亮度、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所受的磨损的优点。当测试该三维屏幕的光学特性是否至少与传统屏幕一样好时，发现该三维全息屏的色偏。按照方程(Ⅰ)和(Ⅱ)所得到的三维全息屏的色偏性能出乎意料地低。限制现有技术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。

除了提高了色偏性能之外，三维全息屏幕比传统挤压透镜投影屏幕所获得的总增益更大。该全息屏获得的更大亮度可以使投影器有改进的余地，以使屏幕的总量度更为均匀。这是通过遮住投影其透镜的中心，从而降低投射在屏幕上图象的中心亮度而实现的。尽管传统的挤压透镜投影屏幕也可以做此改进，电视传统的投影屏幕没有足够大的总量度来承受屏幕视场中任何象点的任何亮度损失。

根据本文教导的本发明方案，具有非凡特性三维全息屏的投影电视包括：至少不同颜色各图象的三个图象投影器，其每个投影器都有一个部分被遮挡的透镜；由布置在基板上的三维全息元件构成的投影屏幕，该屏幕在第一端接收来自投影器的图象，并在第二端显示该图象，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以非正交取向的倾斜角度向第一光路会聚的光路；以及代表三维凸透镜阵列并具有用于有效减小显示图象中色偏结构的三维全息元件，该屏幕在大于0°且小于或近似等于30°入射角范围内具有小于或等于约5的色偏，如用至少下式之一所得到的最大值所确定的： $C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·\log 10\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right);$ $C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·\log 10\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$

其中θ是一个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角处红色亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色亮度值，而green(θ)是θ角处绿色亮度值。屏幕的色偏最好小于5，如小于或等于约4，3或甚至是2。

就已知的10°或11°左右入射角处遮挡而言，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。

为了提高宽的投影光束入射角范围内的亮度和均匀性，精心安排全息元件。采用越到边缘越显现更高增益的所述全息屏幕可以实现这一目的。全息屏的增益还可以通过在屏幕的背后加一或多个直线型菲涅尔板得到进一步加强，该菲涅尔板具有从中心到边缘渐变焦距长度的凸棱。屏幕增益的增大，使得投影器透镜的中心可以全部或部分地被遮住。尽管屏幕图象的中心因此而变暗，但全息屏所产生的增益可以抵偿屏幕中心亮度的损失，并且增大了中心与边缘的亮度比，或者说整个屏幕的亮度均匀性更好了。

附图说明

图1是表示根据本文教导的发明方案的投影电视的示意图。

图2是解释本发明方案所用的投影电视结构的简化示意图。

图3是本发明方案的加强的投影屏幕侧视图。

图4是表示具有两个重叠全息元件的图投影屏的可选实施例示意图，它包括分别在水平和垂直视角方向的增益变化。

图5是表示峰值白亮度比率作为水平视角函数的图表，其中采用了重叠有或未重叠垂直变化全息元件的水平变化全息元件。

图6是具有重叠的全息和准直屏幕层叠可选实施例的示意图。

图7是一个投影器被遮挡透镜的正面正视图。

图8是屏幕的示意图，和给出屏幕上数字标识的各点亮度与屏幕中心处亮度的比较。

对优选实施例的详细说明

在图1中示意性地表示出投影电视接收机10。投影阴极射线管14，16和18的阵列12分别提供了红，绿和蓝色图象。这些阴极射线管分别具有透镜15，17和19，每个透镜在其中心都具有遮挡区44。反射镜20将投影的图象反射到投影屏幕22上。还可以使用附加的反射镜，这取决于光路的具体结构。绿色阴极射线管16沿着基本与屏幕22正交取向的光路32投影绿色图象。红蓝阴极射线管分别具有光路34和36，它们以非正交取向的倾斜入射角α会聚向第一光路32。该入射角引入了色偏的问题。

屏幕22包括位于基板24上的三维全息元件26。全息元件26是大致印在衍射图象的主元件上，它控制投影器14、16、18发出的光的分布，并在屏幕的宽和/或高度上可变。在优选实施例中，全息元件是“只在中心”的全息元件，以便入射光重新排列。该屏幕在第一入射表面端28接收图象，并在第二输出表面端30显示这些图象，且全部显示图象都有受控的光散射。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。一个这样的膜是可以从E.I.du Pout de Nemours&Co.得到，其商标为Mylar。该薄膜基片厚度在大约1-10密耳范围内，等效于大约0.001-0.01英寸或大约25.4-254微米。已经发现，大约7密耳(178微米)厚度的薄膜足以支撑置于其上的三维全息元件。薄膜的厚度一般不影响屏幕的性能或尤其是色偏性能，而且用不同厚度的膜。三维全息元件26具有不大于约20微米范围内的厚度。

三维全息屏幕至少可以从两个来源得到。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。该方法包括：在光致聚合物上形成衍射全息元件，该全息元件可以包含水平和/或垂直视角范围内的屏幕增益变化。用相干光对光致聚合物全息介质进行曝光可以制备出全息母板，该相干光包含参考光束，和具有与所需增益变化对应的明暗变化平面图案上反射出来的光束。

用于本文所述和权利要求书中投影电视接收机的三维全息屏幕优选实施例，是根据以下性能说明用宝丽来公司湿式化学方法制造的：

水平半视场角：38°±3°，

垂直半视场角：10°±1°，

屏幕增益：≥8，

色偏：≤3，

其中水平和垂直视场角很容易测得，屏幕增益是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的商，正交于屏幕进行测量，且如上所述测量色偏。如本文摘要所述的，三维全息投影屏幕超乎寻常的色偏性能完全是意想不到。

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对称对准的。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，且还必须与屏幕间隔开以免彼此撞击。在α角足够小时，这种干扰不可避免。这将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，减小机壳的最小深度D。

在屏幕22的观看侧，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°左右入射角处遮挡而言，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的光致聚合物材料支撑在膜层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，可以具有其它光学透镜或凸透镜阵列，以控制除了色偏性能之外投影屏性能特性方面，如传统投影屏幕完成的，而同时而不削弱三维全息投影屏幕较好的色偏性能。图4表示了第一个这样的改变，其中至少有两个全息元件被重叠或叠放。根据所示的实施例，在+40°视场范围内具有水平增益变化的第一全息元件，与在±20°视场范围内具有垂直增益变化的第二全息元件叠放在一起。图中的阴影指示出增益的变化，但是当没有光照时，实际的全息元件简单地表现为其表面范围内有散射。将水平和垂直增益变化全息元件重叠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将以不同的速率变化，这是因为水平跨度比垂直跨度大得多。

图5是在±40°水平视角跨度上，测得的屏幕中心点处作为峰值白亮度百分比的屏幕亮度曲线图。图中的两条线分别表示仅仅采用水平变化全息元件时的亮度，和采用重叠的水平和垂直变化全息元件时的亮度。用重叠全息元件时的水平亮度变化基本等于只有水平全息元件时性能，或稍有改进。

在设计全息屏各种性能指标范围时，很难使屏幕同时达到所有所需的性能特性。叠放可使不同要求得到分别对待，如增益的水平和垂直变化，。该方案不局限于两个叠放在一起的全息元件，也可以采用附加叠放的全息元件，以控制屏幕透过光的其它方面。

图6表示了一种变化，其中中心型全息元件26上叠置有直线型菲涅尔透镜29和30，以产生水平的和转到垂直准直的效果。本实施例在成本意义上是可取的，其中直线型菲涅尔透镜可以比圆形菲涅尔透镜更廉价地压轧或辊压出来。圆形菲涅尔透镜占传统屏幕成本的60％。直线型菲涅尔透镜的成本大约是圆形菲涅尔透镜的25％。所以，可以节约30％的成本(即：(25％+25％)×60％=30％)。对于如上述所讨论的水平和旋转的全息元件而言，如果需要，直线型菲涅尔透镜可以在水平和/或垂直视角范围内变化，以便改变焦距长度而与垂直和水平的跨度无关。两个叠置的直线型菲涅尔与全息元件的放置次序可以随意。

与凸透镜屏幕相比，全息屏幕元件的增益有了很大提高，无论是采用单个全息元件，叠置的全息元件或是全息元件和传统叠置直线型菲涅尔透镜片的组合，均是如此。但是，与凸透镜屏幕类似，全息屏幕对投影管和相应的光学系统提供的照明很敏感。沿着每个管子的投影轴从光学系统入射到全息屏幕上的照明光最亮。这是色平衡问题的一个方面。

色平衡问题的另一方面归因于这样的事实：尽管凸透镜屏幕可能对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)，但该屏幕对剩余的光几近透明。由于瑞利散射效应，屏幕不能聚集这部分光，这与白昼天空为蓝色而日落天空为红色同理。在用大而散射光源投影的情况下，如CRT，图象的效果很差，而在用高效全息元件，或采用附近减散射材料的情况下，才可以考虑这样的源。在用小而聚焦光源投影的情况下，如用LCD或DMD投影的情况下，这个问题更为严重。全息元件使蓝色和绿色成分分散出去，常常不能形成很清楚的亮点。但是，来自红光源的光不因全息元件而向外分散，并且可以在屏幕上产生清楚美明亮的红点。光的损失和散射部分在图象中对应于后面光源的部分产生一个亮区。遮挡红色光源投影透镜的中心区和相邻区，可解决这一问题。

根据本发明的一个部分，全息屏幕优异的增益性能，使得该问题可以通过改变投影器透镜15，17和19，减小沿每个投影轴中心线的照明，而得到解决。这是通过部分地或全部遮挡每个透镜的中心区而实现的。如图7所示，通过在透镜17的中心直接放置不透明物即可将透镜17中心遮住。由于这种遮挡不是放置在投影器所发光的焦点位置上，所以这种遮挡在屏幕上是看不见的，而来自投影CRT的整个图象由未遮挡的透镜其余部分进行聚焦。但是，一些光(即沿着轴的光线)被遮住了，并由此因投影屏的散射和/或低效，而使光点亮度有所降低。

图8是一个表格，它给出了作为屏幕中心光强百分比的屏幕上数字标记点的亮度。表格的左起第二列列出了无遮挡时的百分比亮度，而左起第三列列出了有遮挡时的百分比亮度。这些测量值是用直径为3.0″的透镜上直径为0.25″的圆遮挡取得的。例如，在没有透镜遮挡的情况下，屏幕上三点钟位置的亮度仅仅是屏幕中心亮度的28％。但是在有透镜遮挡时则是中心亮度的34％。总之，透镜遮挡，沿着主轴(3点钟和9点钟的位置)把亮度均匀性提高了22％；沿着辅轴(6点钟和12点钟的位置)白亮度均匀性提高了27％；并在角落区(2，4，8和10点钟)也提高了27％。

发明的此方面适宜采用全息屏幕。统凸透镜屏幕的透镜遮挡应该会降低中心线的亮度。但是，传统屏幕不具有全息屏幕的增益，且在此情况下对中心线亮度的降低将不适当地使图象变暗。

已经结合前述的变化和实例、组合变化而公开的本发明，对本领域普通技术人员而言是清楚的。本发明不局限于所述的具体变化，对本发明要求保护的构思和范围认定应该以所附的权利要求书为准，而不是对优选实例的前述讨论。

Claims (19)

1．一种投影电视，包括：

多个图象投影器(14，16，18)，其中每个投影器具有一个带有中心遮挡区(44)的透镜(15，17，19)并在屏幕(22)上形成一个图象；

投影屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一个全息元件(26)构成，该基片重叠在至少一个光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述显示图象的光散射，其中所述的屏幕在屏幕的视场范围内产生总增益，从而在屏幕的视场范围内使亮度的均匀性得以提高。

2．权利要求1的投影电视，其中所述屏幕(22)包括至少两个彼此重叠的全息元件，其中所述的至少两个全息元件分别在视场的水平和垂直方向上具有变化的增益。

3．权利要求1的投影电视，其中所述屏幕(22)包括至少一个重叠在所述至少一个全息元件上的至少一个菲涅尔元件。

4．权利要求3的投影电视，包括至少两个叠置在全息元件(26)后面的菲涅尔元件(29，31)，该至少两个具有独立准直作用的菲涅尔元件是重叠的。

5．权利要求4的投影电视，其中该至少两个菲涅尔元件(29，31)分别在视场的水平和垂直方向上具有变化的光学特性。

6．权利要求5的投影电视，其中该至少两个菲涅尔元件(29，31)分别在视场的水平和垂直方向上具有变化的焦距长度。

7．权利要求1的投影电视，其中所述屏幕(22)还包括光透明的加强支撑组件(38)。

8．权利要求1的投影电视，其中所述的至少一个全息元件(26)包括涂覆在基片上的三维全息光聚合物材料。

9．权利要求8的投影电视，其中所述的至少一个全息元件(26)包括在所述基片上有至少两层叠置的三维全息光聚合物材料，它们一起形成三维全息元件。

10．权利要求1的投影电视，其中所述三维全息元件(26)具有下述性能规范：

水平半视场角：38°±3°，

垂直半视场角：10°±1°，

屏幕增益：≥8。

11．权利要求1的投影电视，其中所述多个投影器(14，16，18)包括三个用于形成红图象、蓝图象和绿图象的投影器。

12．权利要求11的投影电视，其中仅仅所述的红(14)图象投影器具有一个遮挡(44)的透镜。

13．一种投影电视，包括：

多个用于在屏幕(22)上形成各个不同颜色图象的图象投影器(14，16，18)，所述的每个投影器具有一个带有中心遮挡区(44)的透镜(15，17，19)，其中至少一个所述投影器沿着会聚向正交于屏幕光路的光路取向，形成至少一个入射角；

所述屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一个全息元件(26)构成，该基片重叠在至少一个光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述显示图象的光散射，并形成沿视场水平和垂直方向有变化的光学特性的干涉阵列；

使得屏幕(22)在屏幕的视场范围呈现总增益，且在比大于0°且小于或近似等于30°更大的范围内的所有所述入射角，色偏小于或近似等于5，如从下列表达式得到的最大值所确定的： $C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·\log 10\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right);$ $C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·\log 10\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$

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；

所述屏幕(22)接收来自投影器(14，16，18)的遮挡透镜(15，17，19)的图象，并在第二侧以总增益显示图象，该总增益可以提高屏幕(22)视场范围内的亮度均匀性。

14．权利要求13的投影电视，其中所述屏幕(22)包括至少两个彼此重叠的全息元件，其中所述的至少两个全息元件分别在视场的水平和垂直方向上具有变化的增益。

15．权利要求13的投影电视，其中所述屏幕(22)包括至少一个重叠在所述至少一个全息元件(26)上的至少一个菲涅尔元件。

16．权利要求13的投影电视，其中所述的至少一个全息元件(26)包括涂覆在基片(24)上的三维全息光聚合物材料。

17．权利要求13的投影电视，其中所述的至少一个全息元件(26)包括在所述基片上有至少两层叠置的三维全息光聚合物材料，它们一起形成三维全息元件。

18．权利要求13的投影电视，其中所述三维全息元件(26)具有下述性能规范：

水平半视场角：38°±3°，

垂直半视场角：10°±1°，

屏幕增益：≥8。

19．权利要求13的投影电视，其中所述的多个投影器(14，16，18)包括三个用于形成红图象、蓝图象和绿图象的投影器，且其中仅仅所述的红图象投影器具有遮挡的透镜。

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