CN1350191A - 背投式显示装置及应用于它的透射型荧光屏 - Google Patents

背投式显示装置及应用于它的透射型荧光屏 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种背投式显示装置及用于该装置的透射型荧光屏,在采用了液晶面板和DMD(DigitalMicromirror Device)等图像调制元件的背投式显示装置中,既可以去除斑点(纹)的干扰,又可以以高亮度得到优越的解像度(聚焦性能)。本发明的透射型荧光屏,其结构包括:至少在其光的出射面形成有菲涅耳透镜(8)的菲涅耳板(6)和至少在其光的入射面形成有使光沿着水平方向发散的双凸透镜式透镜(10)的双凸透镜式板(7)。在菲涅耳板的内部掺有光扩散材料(9-1),而在双凸透镜状板的内部则掺有光扩散材料(9-2)。此时,需满足下列条件。15≤Hf·HL≤45,Hf<HL,式中:Hf(%)表示菲涅耳板的扩散材含有量的模糊值,HL(%)则表示前述双凸透镜状板扩散材含有量的模糊值。

Description

背投式显示装置及应用 于它的透射型荧光屏
技术领域
本发明是一种采用具有例如像透射型(式)/反射型液晶面板和DMD类的像素结构的图像调制元件进行影像显示的背投式显示装置,以及应用在它上面的透射式荧光屏。特别地,是一种以降低因投影光与包含在透射型(式)荧光屏中的扩散材料等扩散元件之间的干扰而产生的斑点干扰为目的的背投式显示装置及透射型荧光屏。
背景技术
传统的背投式显示器将显示在有效画面之尺寸各自为5英寸~7英寸左右的红、绿、蓝组成的投影式阴极射线管上的原图像,利用F值(F值是表示透镜明亮度的一个数值,与透镜的焦点距离f与透镜口径D之比f/D相等。F值越小则该透镜的明亮度越大)为1左右的大口径(指从荧光屏一侧看进去角度较大)投影透镜将其扩大投影在透镜型荧光屏上。该透镜型荧光屏,包括:菲涅耳板和双凸透镜式(状)板。至少在菲涅耳板的光出射面上形成有菲涅耳透镜。在双凸透镜状板的光入射面及/或者出射面上形成有双凸透镜式透镜,与此同时,在该板的内部掺有一定量的光扩散材料。
近年来,随着采用了备有多个反射型(式)或者透射式液晶面板和微型镜的显示元件等图像调制元件的背投式(背面投影式)显示装置的产品化进程的推进,正逐步替代阴极射线管。图像调制元件,依据输入的图像信号,以像素为单位对来自光源的光进行调制而形成原图像光。在设有图像调制元件的背投式显示装置里,采用了F值(表示透镜的明亮度的数值,等于透镜的焦点距离f与透镜口径D之比f/D。此外,F值越小,该透镜之明亮度越强)为2左右的瞳孔直径较小(从荧光屏一侧看到的角度很小)的投影透镜。
当投影透镜的入射角度很小时,掺在透射型荧光屏内的扩散材料等随机扩散体元件与光发生干扰现象,即产生所谓的斑点干扰。该斑点干扰,当将频谱宽度很窄的激光照射在扩散面(例如乌玻璃或毛玻璃)上时尤为明显,在所照射的图像中的某个范围内,产生闪闪发光的无数个辉点的现象便是最典型的例子。
首先,参照图1就斑点干扰产生的原因作一说明。图1中,投影透镜2,表示带有多个透镜元件的投影透镜,为了便于说明,该图中只给出了一个透镜元件。由投影透镜2射出的光,以入射角β(从荧光屏一侧看透镜中心所看到的角度)被射入在积层于透射型荧光屏上的扩散层10上。此时,当见入角(入射角)β很小时,将会在光线与扩散层10中含有扩散材料等随机扩展体元件之间在某个干涉范围D内,产生如波形12一样的相互干扰(即斑点干扰)。若选取如波形12右侧的坐标系的话,y轴表示范围,Z轴则表示强度。因此,如果表示波形12中的脉冲部分的y值很大的话,则斑点干扰的产生范围就广,若Z值部分大,则斑点干扰的强度增加。
在SPIE学会1997年2月的学会论文中,有关上述干扰范围D,曾有如下的记述。(1)有关见入角度β(rad),设投影透镜2的F值为F,投影透镜2的投影倍率为M,则β=1/[F×M],干涉范围D,则与β成反比例关系(D∝1/β)。(2)关于干涉范围D,设扩散层为1层的粒子层,射入在荧光屏的光的波长为λ,投影透镜的F值为F,投影透镜的倍率为M的话,其下列公式成立。
[数学公式1]
           D=λ×F×M
不过,若干涉范围D远大于随机扩散体元件的扩散材料的粒子直径时,易于产生斑点干扰现象,反之,干涉范围D远小于扩散材料的粒子直径时,则难以产生斑点干扰,或者不会产生斑点干扰现象。在使用阴极射线管时,上述波长λ、F值、投影倍率M的实际值,约为:λ=0.5μm,F=1.0,M=11(阴极射线管的显示尺寸:5英,荧光屏对角线:为55英寸),干涉范围D=6μm。该值,比实际上所采用的扩散材料的粒子直径(数10μm)要小。因此,采用阴极射线管装置时则不容易发生斑点干扰现象。
另一方面,在使用图像调制元件装置时,由于上述波长λ、F值、投影倍率M的实际值约为:λ=0.5μm,F=2.5,M=70左右(图像调制元件的显示尺寸:约为0.8英寸,荧光屏对角线尺寸:55英寸),故干涉范围D=90μm。该值由于比实际采用的扩散材料的粒子直径(约为数10μm)要大。因此,在使用图像调制元件装置时,因其投影透镜的见入角β(1/F·M)很小,故易发生斑点干扰现象。
作为一种在使用见入角β较小的投影透镜时的减轻斑点干扰的传统技术,曾在特开平11-024169号公报中有过记述。在该传统技术里还指出,在透射型(式)荧光屏的双凸透镜状板形成扩散层时,在比干涉范围D要大的面积上让菲涅耳板具有对图像实施平均化处理的空间滤光器作用。
但是,为扩大垂直以及/或者水平方向的视角,有时会在双凸透镜式板和菲涅耳板内部掺进光扩散材料。不过,在上述传统技术里,却未考虑在菲涅耳板内部掺入光扩散材料对斑点干扰的降低。此外,有关控制图像质量(特别是聚焦性能)的降低和减少斑点干扰的技术/理念的方案也并未涉及到。
发明内容
本发明之目的在于:在使用图像调制元件的背投式显示装置中,能够在双凸式板及菲涅耳板中掺进光扩散材料后抑制画面质量变坏的同时,又可以良好地减少斑点干扰现象。
为实现上述目的,其本发明之特征还在于:在双凸透镜状板和菲涅耳板中分别掺进光扩散材料后,还必须是满足下述条件的结构。
      15≤Hf·HL≤45
           Hf<HL
式中:Hf(%)、表示前述菲涅耳板的扩散材料的含有量的模糊值,HL(%)表示前述双凸透镜状板中的扩散材料含有量的模糊值。
也就是说,本发明就是依据上述条件对双凸板和菲涅耳板中的光扩散材料的含有量进行确定的,而且为了减低斑点干扰现象还需满足下述条件。
        t0·θv>D
式中,t0:表示从前述菲涅耳板的入射面到形成在前述双凸透镜状板上的双凸透镜状透镜的焦点的距离;
θv:表示前述菲涅耳板的光发散角θvf与双凸透镜状板的光发散角θvH的合成值;
D:表示由前述投影透镜的F值F和前述投影透镜的投影倍率M及入射在前述透射式荧光屏的光的波入λ三者之积所得到的前述光扩散材料与光的干涉范围。
根据上述结构,本发明便可以在维持高亮度:高聚焦性能的同时,减少作为画质变坏成因的斑点干扰现象。
附图说明
图1表示产生斑点干扰的说明图,
图2是应用本发明的背投式(背面投写型)显示装置的主剖面图,
图3表示涉及本发明的透射式荧光屏的第1实施状态图,
图4表示本发明的涉及的透射式荧光屏的第2种实施状态图,
图5表示本发明涉及的透射式荧光屏的第3种实施状态图,
图6表示透射式荧光屏的面模型图,
图7表示精算模糊值与平均长度TdV之间关系测定值之曲线。
具体实施方式
下面,参照附图就本发明中理想的实施方案作一说明。图2表示应用本发明的背投式显示器的主要纵截面图。显示装置1包括:未图示的发射白光的光源;反射式/透镜式液晶面板;或DMD等图像调制元件。来自光源的光入射给图像调制元件。图像调制元件,输入由处理图像信号等的电路部件5输出的图像信号,并依据该输入的图像信号以像素为单位对入射光进行调制。该图像调制元件,例如,在DMD时,依据输入图像信号,利用每个象素所配置的微型镜(反射镜)按一个像素单位控制入射光的反射角对图像进行调制。有关该图像调制的结构、工作原理等详情,因不属于本发明之重点故略去不讲。经图像调制元件调制过的图像光,被照射在带有多个透镜元件的投影透镜2上。该投影透镜2将来自图像调制元件的图像光放大并投影,该投影光经反射镜3折射,被投影在透镜式荧光屏4的背面上。这样一来,在透射式荧光屏4的前面上(图像观看侧)便有图像显示出来。例如,对角线为0.8英寸的上述图像显示装置,其边长具有约14μm的矩形像素结构,投影透镜2的F值约为2.5,投影倍率M约为70倍,其光源灯则采用了短弧光的高压水银灯。
图3表示本发明涉及的透射式荧光屏4的实施例1(第一种实施方案)。该透射式荧光屏4,包括:形成在其光出射面上的同心圆状的菲涅耳透镜8的菲涅耳板6;和形成在其光入射面上,沿画面垂直方向伸出且使光向着水平方向发散的半圆型的水平凸透镜状透镜10的双凸透镜状板7。经投影透镜2放大,又经反射镜3被反射的图像光,被入射在菲涅耳板6的光入射面上(同图的左侧面上)。此外,在菲涅耳板6上,整体掺有第1扩散材料9-1,在双凸透镜状板的光出射侧积层由第2光扩散材料9-2构成的光扩散层15。上述第1扩散材料9-1和第2扩散材料9-2,可以采用不同的材质(折射率)及/或者具有不同粒径的材料。此外,也可采用具有相同材质(折射率)及/或者相同粒径的材料。此外,第1扩散材料9-1和第2扩散材料9-2的材料也可以采用材质(折射率)不同及/或者粒径不同的2种以上的扩散材料。第1扩散材料9-1以及第2扩散材料9-2的选材,例如可以采用氧化硅、氧化铝、玻璃粉、碳酸钙、云母、方解石等无机系列材料和丙烯树脂、聚碳酸酯树脂、氟化乙烯树脂等有机系列材料。通常,扩散材料的量用模糊值表示,全光线透射率T与散光透射率Td之比:由T/Td×100%式求得。
图4表示本发明涉及的透射式荧光屏4的实施方案2的图。在本实施方案中,与图3所示的实施方案的不同之处在于:双凸透镜板7被分成了两部分,在其中间将掺进了由第2扩散材料9-2的光扩散层15按照三明治形状而设置。除此之外,其它均与图3所示的第1种实施方案一样。
图5表示本发明涉及的透射式荧光屏4的实施方案3。在本实施例中,与图3及图4所示的实施例的不同之处在于:掺进了第2扩散材料9-2的扩散层并未被设置在双凸透镜板7的出射面和其中间部位,而是将第2扩散材料9-2扩展到了双凸透镜板7的整体。此外,在双凸透镜板7的光出射面上,形成有另外的双凸透镜(出射侧双凸透镜)10-1,该双凸透镜10-1位于与形成于光入射一侧的双凸透镜(入射一侧的双凸透镜)10的光轴相对应的位置,此外,在与入射一侧的双凸透镜10的边界相对应的位置(在出射一侧双凸透镜10-1同类之间),形成有以吸收外部光为主的黑色条纹。
这里,在图3~图5所示的透镜式荧光屏中,现就用于降低斑点的干扰的结构作一说明。图6表示透射式荧光屏的剖面模型图,图中概略地表示了菲涅耳板6及双凸透镜板7。屏幕上的一个像素的尺寸(HP)约为1mm,从适宜观察的距离观察时,可认为斑点干扰由观看者之目光以约为1mm2的面积内的平均亮度作检测。设平均亮度的标准偏差为σ,画面的亮度为B,下式则成立。
[数学公式2] &sigma; B &cong; &lambda; &CenterDot; F &CenterDot; M HP - - - ( Eq &CenterDot; 2 )
将斑点的检测界限设定为σ/B=0.03。有关数学公式2及检测界限σ/B=0.03的来源,是本发明者通过由实验而得到的经验公式而给定的固定公式。
而在传统技术中,其σ/B=0.09(即90μm/1mm2),若将其设定为检测界(σ/B=0.03),则需要降低成1/3倍。如果考虑保存斑点的能量,根据数学公式2可知,相当于将干涉范围D的面积扩展成了9倍而起到了将斑点进行平均化计算后的滤波器的作用,即若附加了让光进行发散的光件,可以降低斑点的出现。也就是说,本发明在保存斑点能量的条件下,通过扩大干涉范围D的面积,便起到了均衡斑点之强度并使每单位面积的斑点强度降低之作用。
为了对斑点进行平均化处理的使光发散的元件是光扩散材料9-1和9-2。根据该两种光扩散材料而发散的光的发散角θv,如图6所示,用菲涅耳板6的光发散角θvf与水平双凸透镜式板7的光发散角θVH的合成值(θv=θvf+θVH)表示。图6中,t0为从菲涅耳板6的入射面到水平双凸透镜式板7的扩散层的距离,大致等于从菲涅耳板6的入射面到入射侧双凸透镜式透镜10的焦点距离。前者的定义,正如图3及图4所示的那样,在双凸透镜式板中当能够明确地区分光扩散层11时应用最为理想。此外,后者的定义则如图3及图4所示,在双凸透镜式板中能够明确地区分光扩散层15时便可以应用,此外,既使是在如图5所示的无法明确地区别光扩散层时也可以应用。在如图5的结构中,入射侧双凸透镜式透镜10的焦点距离,有时与从入射侧双凸透镜式透镜10的最大高度到出射侧双凸透镜式透镜10-1的最大高度的距离相等。此时,也可将to定义为:从菲涅耳板6的入射面到双凸透镜式板的射出面(出射面)(出射侧双凸透镜式透镜10-1的最大高度)的距离。此外,如果忽视菲涅耳板6和双凸透镜式板7之间的间隙,也可将to定义为:to=菲涅耳板厚度(等于约3mm)+水平双凸透镜的焦点距离(略等于0.5mm)。θv(rad)为:在菲涅耳板6内使光发散的角度θvf及在水平双凸透镜板7内使光发散的角度θVH的合成值,并定义为将最大亮度变为1/2的角度。
如果设必须进行平均化处理的长度为TdV的话,TdV可表示为TdV=to×θv,至少应使该TdV大于干涉范围D(其中D=λ·F·M),也就是说,如果D<TdV的话,便可能降低斑点图样。令人满意的地方在于:针对以干涉范围D为一边的正方形的面积,使以TdV为一边的正方形面积达到9倍以上。这样,由于可以将斑点强度设定成与上述检测界限基本相等或者略小于的程度,所以,使得斑点干扰得以大幅地降低。也就是说,本发明是在干涉范围D满足D<TdV的条件下确定菲涅耳板6及双凸透镜式板7的扩散材料的含有量和双凸透镜10的焦点距离以及菲涅耳板的厚度的。当然,最理想之举措是通过调整菲涅耳板6及双凸透镜板7的扩散材料的含有量(后面将途述的各板的模糊值)来满足上述条件式。此外,如果针对干涉范围D的长度而使TdV达到9倍以上的长度的举措(即σ/B之比例减低到约为0.01时),也可以略微去掉斑点的干扰现象。
图7表示通过实验而得到菲涅耳板的模糊值Hf与双凸透镜式板7的模糊值HL的乘积(积模糊值)和此时所得到的须平均化之值的长度TdV的关系。此外,扩散材料使光在各个方位上均等地扩散或发散的,因此以垂直方向代表θv的检测值。
现设:光的波长λ=0.5μm,投影透镜的F值=2.5,倍率M=70(设显示器对角线尺寸为55英寸时)的话,则干涉范围D=90μm。因此,为了消除斑点或者明显地减少斑点,则需要将不得不进行平均化处理的长度TdV至少选择成干涉范围D的9倍,即0.8mm(800μm)之上。为满足该条件,从图7可以看出需要将积模糊值选择在15%以上。不过,当积模糊值超出45%时,由于扩散材料使光的发散、扩散程度过甚而会使聚焦性能显著变差。所以,理想的积模糊值应为45%以内。也就是说,在本发明的各实施例中,菲涅耳板6的模糊值Hf与双凸透镜式板7的模糊值HL的乘积(积模糊值),应满足下列条件式,即
       15≤Hf·HL≤45。
另外,因板的顺序是按菲涅耳板6、水平双凸透镜式板7配置的,故当菲涅耳板6的扩散材料之数量多于水平双凸透镜式板7的扩散材料之数量的话,将会在菲涅耳板6中形成影像光,通过掺入扩散材料的水平双凸透镜式板7看到该影像,导致其聚焦性能变坏。因此为保证良好的聚焦性能,与双凸透镜式板7的模糊值相比较应减小菲涅耳板6的模糊值。也就是说,在本发明的各实施方案中,菲涅耳板6的模糊值Hf与双凸透镜式板7的模糊值HL之关系应满足Hf<HL这一条件。
另外,在上述各实施例中均采用了扩散材料作为光扩散元件,不过如果沿水平方向配置较长的双凸透镜式透镜,使之形成所谓的Vレンチ的结构,即按照所述的那样如果采用可以确保干涉范围D与必须进行平均化处理的长度TdV之间的大小关系的结构,便可以达到本发明之目的。
另外,虽然上述实施例的投影透镜的F值=2.5,倍率M=70,不过,无论F值和M值比其小或者比它们大,只要能使干涉范围D与平均化长度TdV的大小关系保持在上述条件下,均可以达到本发明之目的。
通过本发明,在采用了具有图像构造的图像调制元件的背投式显示器中,既可以保证良好的聚焦性能、又可以降低斑点的干扰现象。

Claims (13)

1、一种背投式显示装置,其特征在于:
在该背投式显示装置中,设置有:调制所照射的光使之形成图像光的图像调制元件;透射式荧光屏以及将由前述图像调制元件所形成的图像进行放大并从前述透射式荧光屏之背面进行投影的投影透镜,
前述透射式荧光屏,包括:至少在其光射出面上形成菲涅耳透镜的菲涅耳板和至少在其光入射面上形成用于使光向着水平方向发散的双凸透镜式透镜的双凸透镜式板,
前述菲涅耳板和双凸透镜式板,包含:分别使光扩散的光扩散材料,且需满足的下述条件
     15≤Hf·HL≤45
          Hf<HL
式中:Hf(%)、表示前述菲涅耳板的扩散材料含有量的模糊值,HL(%)则表示前述双凸透镜式板的扩散材料含有量的模糊值。
2、一种背投式显示装置,其特征在于:在背投式显示装置中,设有:调制所照射的光,形成图像光的图像调制元件;透射式荧光屏、以及将前述图像调制元件所形成的图像光进行扩大并从前述透射式荧光屏之背面进行投影的投影透镜,
前述透射式荧光屏,包括:至少在其光的出射面形成菲涅耳透镜的菲涅耳板和至少在其光入射面形成使光沿水平方向发散用的双凸透镜状透镜的双凸透镜状板,
前述菲涅耳板和双凸透镜状板,分别包含使光扩散用的光扩散材料,且满足下列条件:
     to·θv>λ·F·M
式中:to表示从前述菲涅耳板入射面到在前述双凸透镜状板上所形成的双凸透镜状透镜的焦点的距离;
θv表示前述菲涅耳板的光发散角θvf与双凸透镜状板的光发散角θVH的合成值;
F表示前述投影透镜的F值;
M表示前述投影透镜的投影倍率;
λ表示入射于前述透射式荧光屏的光的波长。
3、一种背投式显示器,其特征在于:在背投式显示器装置中,设置有:调制所照射的光形成图像光的图像调制元件;透射式荧光屏;对前述图像调制元件所形成的图像光进行放大并从前述透射式荧光屏背面投影的投影透镜,
前述透射式荧光屏,包括:至少在其光出射面形成有菲涅耳透镜的菲涅耳板和至少在其光的入射面上形成有使光向着水平方向发散用的双凸透镜式透镜的双凸透镜式板,
前述菲涅耳板和双凸透镜式板,包含有分别使光扩散的光扩散材料,且满足下述条件,即
       t0·θv>D式中,t0表示从前述菲涅耳板的入射面到形成于前述双凸透镜状板的双凸透镜式透镜焦点的距离;
θv表示前述菲涅耳板的光发散角θvf与双凸透镜式板的光发散角θVH的合成值;
D表示前述投影透镜的F值F、前述投影透镜的投影倍率M、入射在前述透射式荧光屏上的光的波入λ三者之积所得到的前述光扩散材料和光的干涉范围。
4、如权利要求3的背投式显示装置,前述距离to、前述光发散角的合成值θv及前述干涉范围D三者之间的关系,应满足下述条件。
    to·θv≥9D
5、如权利要求3的背投式显示装置,应满足下述条件:
         f·HL≤45
          Hf<HL
式中:Hf(%)、表示前述菲涅耳板的扩散材料的含有量的模糊值,HL(%)表示前述双凸透镜式板的扩散材料含有量的模糊值。
6、如权利要求3的背投式显示装置,前述图像调制元件是一个根据输入图像信号,以像素为单位调制入射光的器件。
7、如权利要求3的背投式显示装置,前述图像调制元件是一个设有根据输入图像信号,以像素为单位控制入射光反射角度的多个微型反射镜的器件。
8、如权利要求3所述的背投式显示装置,前述图像调制元件是一个反射型或者透射式液晶面板。
9、一种透射式荧光屏,其特征在于:将来自图像调制元件的光通过投影透镜扩大投影在其背面上,它设有:
至少在其光的出射面形成有菲涅耳透镜的菲涅耳板;和至少在其光的入射面上形成有为使光向着水平向发散的双凸透镜状透镜的双凸透镜式板,
前述菲涅耳板和双凸透镜式板,分别包含使光扩散用的光扩散材料,且需满足下列条件:
      15≤Hf·HL≤45
           Hf<HL
式中:Hf(%)表示前述菲涅耳板的扩散材含有量的模糊值,HL(%)表示前述双凸式板的扩散材含有量的模糊值。
10、一种透射型(式)荧光屏,其特征在于:来自图像调制元件的光通过投影透镜被扩大投影在其背面上,设有:
至少在其光出射面上形成有菲涅耳透镜的菲涅耳板;和至少在其光入射面形成有为使光沿着水平方向发散的双凸式透镜的双凸式板,
前述菲涅耳板和双凸式板,分别包含使光扩散的光扩散材料,并满足下列条件:
      to·θv>λ·F·M
式中:to表示从前述菲涅耳板入射面到在前述双凸透镜型板上形成的双凸透镜状透镜焦点的距离;
θv表示前述菲涅耳板的光发散角θvf及双凸式板的光发散角θVH的合成值;
F为前述投影透镜的F值;
M为前述投影透镜的投影倍率;
λ为入射到前述透射型荧光屏的光的波长。
11、一种透射式荧光屏,其特征在于:来自图像调制元件的光,通过投影透镜被扩大投影在其背面,设有:
至少在其光出射面上形成有菲涅耳透镜的菲涅耳板;和至少在其光入射面形成有使光沿着水平方向发散的双凸透镜的双凸透镜状板,
前述菲涅板和双凸透镜状板,分别包含有使光扩散的光扩散材料,并满足下列条件:
       t0·θv>D
t0、表示从前述菲涅耳板入射面到在前述双凸板上所形成的双凸透透镜焦点的距离;θv表示前述菲涅耳板的光发散角θvf及双凸透镜式板的光发散角θVH的合成值;D是由前述投影透镜的F值F和前述投影透镜的投影倍率M与入射在前述透射型荧光屏上的光的波长λ的乘积得到的前述光扩散材料与光的干涉范围。
12、如权利要求11的透射型荧光屏,前述距离to、前述光发散角的合成值θv,与前述干涉范围D的关系进一步满足下列条件:
     to·θv≥9D
13、如权利要求11所述的透射型荧光屏,还满足下列条件:
         15≤Hf·HL≤45
           Hf<HL
式中:Hf(%)表示前述菲涅耳板扩散材料含有量的模糊值,HL(%)表示前述双凸透镜式板扩散材料含有量的模糊值。
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Wu P‐63: Design and Fabrication of Wide‐Viewing‐Angle Ambient Light Rejection Front Projection Screen

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