DE19942478A1 - Holographischer Projektionsschirm mit einer Rückseitenfresnellinse - Google Patents

Abstract

Schirm für eine Video-Wiedergabevorrichtung vom Projektionstyp. Eine Fresnellinse vom linearen Typ enthält ein Linsenmuster auf einer ersten Seite zum Empfangen von Lichtenergie von einer Lichtquelle. Eine zweite Seite der Fresnellinse liegt gegenüber der ersten Seite. Die Lichtenergie tritt aus der Fresnellinse aus der zweiten Seite aus. Ein Hologramm ist zum Steuern der Streuung der von der zweiten Seite der Fresnellinse austretenden Lichtenergie auf der zweiten Seite der Fresnellinse befestigt. Das Hologramm ist an der Fresnellinse durch einen von verschiedenen Laminierungs- oder Walzvorgängen befestigt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Projektions- Videowiedergabevorrichtungen und insbesondere Projektions- Videowiedergabevorrichtungen mit Bildschirmen, die Hologramme in Verbindung mit Fresnellinsen verwenden.

Hintergrundinformationen

Eine bekannte Projektions-Videowiedergabevorrichtung 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Anordnung 12 von Projektions-Kathodenstrahlröhren 14, 16 und 18 liefert rote, grüne beziehungsweise blaue Bilder. Die Kathodenstrahlröhren sind jeweils mit Lin­ sen 15, 17 und 19 versehen. Die projizierten Bilder werden durch einen Spielgel 20 auf einen Projektionsschirm 22 reflektiert. Es können weitere Spiegel verwendet werden, abhängig von der jeweiligen Geometrie der optischen Wege. Die grüne Ka­ thodenstrahlröhre 16 projiziert das grüne Bild entlang eines optischen Weges 32, der in diesem Beispiel im wesentlichen senkrecht zu dem Schirm 22 ausgerichtet ist. In anderen Worten: Die Mittellinie des optischen Weges steht in einem rechten Winkel zu dem Schirm. Die rote und die blaue Kathodenstrahlröhre haben jeweils optische Wege 34 und 36, die mit dem ersten optischen Weg 32 in einer nicht-orthogonalen Ausrichtung zusammenlaufen und Einfallswinkel α bilden.

Schirme für Projektions-Videowiedergabevorrichtungen werden im allgemeinen durch einen Strangpreß- oder Extrudiervorgang unter Verwendung von einer oder mehreren Profilwalzen hergestellt, um die Oberfläche eines thermoplastischen Schichtmaterials zu formen. Der Aufbau ist im allgemeinen eine Reihe von linsen­ förmigen Elementen, auch mit "Lenticules" und "Lenslets" bezeichnet. Die linsenför­ migen Elemente können auf einer oder beiden Seiten desselben Schichtmaterials oder auch auf einer Seite von verschiedenen Schichten ausgebildet sein, die dann vollständig kombiniert werden können als eine geschichtete oder laminierte Einheit oder auf andere Weise aneinander befestigt werden und so als eine geschichtete oder laminierte Einheit wirken. In manchen Ausführungen ist eine der Oberflächen des Schirms zur Bildung einer Lichtstreuung als Fresnellinse ausgebildet.

Der Schirm 22 von Fig. 1 enthält jedoch ein dreidimensionales Hologramm 26 auf ei­ nem Substrat 24. Ein derartiger Schirm wurde beschrieben in der schwebenden US- Patentanmeldung Nr. 08/777 887 der Anmelderin, angemeldet am 31. Dezember 1996, mit dem Titel PROJECTION TELEVISIONS WITH THREE DIMENSIONAL SCREENS. Diese Anmeldung wird hier als Entgegenhaltung eingeführt. Das Holo­ gramm 26 ist ein Abdruck eines Haupt- oder Masterhologramms, das im wesentli­ chen ein Brechungsmuster bildet, das die Streuung der Lichtenergie von den drei Projektoren 14, 16, 18 regelt, und kann sich über die Breite und/oder Höhe des Schirms ändern. Der Schirm empfängt Bilder von den Projektoren auf einer Eintritts­ oberfläche 28 und gibt die Bilder auf einer Austrittsoberfläche 30 mit einer gesteuer­ ten Lichtstreuung aller wiedergegebenen Bilder wieder. Das dreidimensionale Holo­ gramm 26 hat eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 20 Micron oder µm.

Das Substrat 24 ist vorzugsweise ein höchst haltbarer, transparenter, wasserabwei­ sender Film wie ein Polyethylenterephthalat-Kunststoffilm. Ein derartiger Film ist verfügbar von E. I. du Pont de Nemours & Co. unter dem Handelsnamen Mylar®. Das Filmsubstrat hat eine Dicke im Bereich von ungefähr 1-10 Millizoll, entsprechend un­ gefähr 0.001-0,01 Zoll oder ungefähr 25,4-254 µm. Es hat sich gezeigt, daß ein Film mit eiern Dicke von ungefähr 7 Millizoll einen ausreichenden Träger für das darauf angeordnete dreidimensionale Hologramm bildet. Die Dicke des Films beeinflußt im allgemeinen nicht die Leistungsfähigkeit des Schirms oder insbesondere die Lei­ stungsfähigkeit der Farbverschiebung, und es können Filme mit verschiedenen Dic­ ken angewendet werden.

Der Schirm 22 kann außerdem ein die Lichtdurchlässigkeit förderndes Teil 38 ent­ halten, zum Beispiel ein Acryl-Material, wie Polymethylmethacrylat (PMMA). Polycar­ bonat-Materialien können auch angewendet werden. Das Verstärkunksteil 38 ist im vorliegenden Fall eine Schicht mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 2-4 mm. Der Schirm 22 und das Verstärkungsteil sind über den gemeinsamen Rand 40 der holo­ graphischen Schicht 26 und des Verstärkungsteils 38 miteinander verbunden. Es können Kleber, Strahlung und/oder Lösungen für eine thermische Verbindung ange­ wendet werden. Die Oberfläche 42 der Verstärkungsschicht kann auch behandelt werden, zum Beispiel durch eine der folgenden Möglichkeiten: Abtönung, Beschich­ tungen gegen Blendung und Beschichtungen gegen Verkratzen.

Verschiedene Oberflächen des Schirms und/oder seiner dazugehörigen Schichten können mit anderen optischen Linsen oder linsenförmigen Anordnungen versehen werden, um besondere Leistungseigenschaften des Projektionsschirms zu beeinflus­ sen, wie es bei konventionellen Projektionsschirmen bekannt ist. Zum Beispiel kann der Schirm 22' eine Fresnellinse 50 mit einem Linsenmuster 51 in körperlichem Kontakt mit der Eintrittsoberfläche 28 des Schirms 22 enthalten, wie es in Fig. 2 dar­ gestellt ist. Das Linsenmuster 51 enthält eine Vielzahl von horizontalen Rippen 52, die parallel zueinander über die Breite der Fresnellinse 50 verlaufen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Wie es dem Fachmann auf diesem Gebiet hinreichend bekannt ist, wird zwischen der Fresnellinse 50 und dem Substrat 24 ein Gleitmittel angewendet, und es wird ein Band um die Kanten der Fresnellinse 50 und dem Substrat 24 ver­ wendet, um diese beiden Komponenten aneinander zu befestigen.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des Schirms 22 hat gegenüber bekannten Schirmen eine nennenswerte verbesserte Leistungsfähigkeit. Die Wirksamkeit der Farbverschiebung wird nennenswert verbessert. Die Sichtbarkeit ist gut über einen großen Bereich von horizontalen Betrachtungswinkeln, eine höhere Schirmverstär­ kung bewirkt einen Anstieg in der Gesamthelligkeit des Bildes auf dem Schirm, die Gesamthelligkeit ist gleichmäßiger, und eine höhere Auflösung ist möglich. Diese Leistungsfähigkeit bedingt jedoch nennenswerte Herstellungskosten. Zum Beispiel kann die Befestigung der Fresnellinse 50 an dem Schirm 22 zur Bildung des in Fig. 2 dargestellten Schirms 22' die Kosten des Schirms 22' für Material und Arbeit um un­ gefähr 15% bis 20% erhöhen. Dieser Betrag ist nennenswert und groß genug, den Schirm 22' kommerziell impraktikabel zu machen.

Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schirm für einen Projektions- Fernsehempfänger oder einen Monitor, der gute Leistungseigenschaften bei Kosten hat, die die Herstellung des Schirms kommerziell praktikabel machen.

Gemäß einer hier offenbarten erfindungsgemäßen Anordnung enthält ein Schirm für eine Videowiedergabe-Vorrichtung vom Projektionstyp ein an einer Fresnellinse be­ festigtes Hologramm zum Steuern der Streuung der Lichtenergie von der Fresnellin­ se. Das Hologramm kann an der Fresnellinse durch einen Laminierungs- oder Walz­ vorgang befestigt werden.

Gemäß einer anderen hier offenbarten erfindungsgemäßen Anordnung enthält ein Schirm für eine Videowiedergabe-Vorrichtung vom Projektionstyp folgendes:
Eine Fresnellinse mit einem Linsenmuster auf einer ersten Seite zur Aufnahme von Lichtenergie von einer Lichtquelle und einer zweiten Seite, an der die Lichtenergie aus der Fresnellinse austritt, wobei die zweite Seite gegenüber der ersten Seite liegt, und ein Hologramm zur Steuerung der Streuung der aus der zweiten Seite der Fres­ nellinse austretenden Lichtenergie. Die Fresnellinse kann vom linearen Typ sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der hier offenbarten erfindungsgemäßen Anordnung enthält ein Schirm für eine Video-Wiedergabevorrichtung vom Projektionstyp folgen­ des: eine Fresnellinse vom linearen Typ mit einem Linsenmuster auf einer ersten Seite zur Aufnahme von Lichtenergie von einer Lichtquelle und eine zweite Seite, auf der die Lichtenergie aus der Fresnellinse austritt, wobei die zweite Seite gegenüber der ersten Seite liegt, und ein auf die zweite Seite der Fresnellinse aufgebrachtes oder aufgewalztes Hologramm zur Steuerung der Streuung der aus der zweiten Seite der Fresnellinse austretenden Lichtenergie.

Die obigen und weiteren Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefüg­ ten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine diagrammatische Darstellung eines Projektions-Fernsehempfängers,

Fig. 2 eine mögliche Anordnung für einen Schirm für einen Projektions- Fernsehempfänger,

Fig. 3 eine Vorderansicht einer in der Anordnung von Fig. 2 angewendeten Fresnellin­ se,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Schirms für einen Projektions-Fernsehempfänger ge­ mäß hier beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen,

Fig. 5 empirische Daten für den Schirm von Fig. 4 und

Fig. 6 die Punkte, an denen die Daten von Fig. 5 abgenommen wurden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines Schirms 100, der die Forderungen nach guter Wirksamkeit und kommerzieller Machbarkeit vereinigt. Der Schirm 100 enthält eine lineare Fresnellinse 110 mit einer Vielzahl von horizontalen Rippen 112, die ein Lin­ senmuster 11 bilden, das einer Lichtquelle des Projektions-Fernsehempfängers zu­ gewandt ist. Eine runde oder zirkulare Fresnellinse kann in der Anordnung von Fig. 4 auch angewendet werden, wenngleich derzeit eine lineare Fresnellinse wegen ihrer geringeren Kosten gegenüber einer runden Fresnellinse bevorzugt wird. Die Licht­ quelle ist eine der Kathodenstrahlröhren 14, 16 oder 18 des Projektions- Fernsehempfängers 10 mit dessen zugehörigen Linsen 15, 17 beziehungsweise 19.

Das Linsenmuster 111 der Fresnellinse 110 ist so ausgebildet, daß es sich vertikal so ändert, daß die vertikale Komponente des aus der Fresnellinse 110 austretenden Lichtes parallel geformt wird. Wenn die Fresnellinse 110 so ausgerichtet ist, daß ihr Linsenmuster 111 der Lichtquelle zugewandt ist, sagt man, daß die Fresnellinse 110 in der der "Hinter" (rear) oder "Rück" (backward)-Richtung ausgerichtet ist und die Seite der Fresnellinse 110, die der Lichtquelle zugewandt ist, wird als die "Rück"- oder "Hinter"-Seite der Linse bezeichnet. Umgekehrt wird die Seite der Fresnellinse, die der Rückseite gegenüberliegt und über die das Licht aus der Fresnellinse 110 aus­ tritt, mit "Vorder" (front)-Seite bezeichnet.

Die Fresnellinse 110 ist in der in Fig. 4 dargestellten, derzeit bevorzugten Ausfüh­ rungsform aus einem Acryl-Material hergestellt. Das Linsenmuster 111 wird auf die Rückseite des Acryl-Materials extrudiert, geprägt oder gegossen. Derzeit wird aus dem Gesichtspunkt der Minimierung der Kosten des Schirms 110 bevorzugt, das Linsenmuster 111 auf der Rückseite des Acryl-Materials zu extrudieren. In einer al­ ternativen Ausführungsform für den Schirm 100 kann das Linsenmuster 111 auf eine Schicht eines Polyethylen-Materials geprägt werden, um eine dünnere und weniger kostspielige Fresnellinse 110 zu bilden. In einer weiteren alternativen Ausführungs­ form für den Schirm 100 kann die Fresnellinse eine holographischen Fresnellinse und nicht eine mechanische Fresnellinse mit einem Linsenmuster 111. Derartige ho­ lographische Fresnellinsen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet weitgehend be­ kannt.

Das Hologramm 26 und dessen Substrat 84 werden dann auf der Vorderseite 113 der Fresnellinse 110 durch einen der verschiedenen Vorgänge wie Lamination - ausgenommen vielleicht einen Laminierungs- oder Walzvorgang bei hoher Tempe­ ratur - befestigt, die dem Fachmann auf diesem Gebiet hinreichend bekannt sind. Das Hologramm 26 ist zwischen der Vorderseite 113 der Fresnellinse 110 und dem Substrat 24 eingefaßt. Das Substrat 24 bildet so einen gewissen Schutz gegen kör­ perliche Beschädigung für das Hologramm 26. Das Hologramm 26 liegt dann parallel zu der Horizontalkomponente des Lichtes, das auf die Vorderseite 113 der Fresnel­ linse 110 einfällt. Das Hologramm 26 korrigiert auch in vorteilhafter Weise die Farbverschiebung des Schirms 100 und bildet eine Neuverteilung der Gesamt- Lichteinhüllenden horizontal und vertikal über den Schirm 100.

Die in Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung vermeidet in vorteilhafter Weise bei dem Schirm 100 das Vestärkungsteil 38, das bei dem Schirm 22' von Fig. 2 benötigt wird. Die Kosten des Schirms 100 werden dadurch auf einen Wert verrin­ gert, der den Schirm kommerziell praktikabel macht. Die Vermeidung des Verstär­ kungsteils 38 bringt außerdem den Vorteil, daß der sich ergebende Schirm 100 dün­ ner ist als der Schirm 22'. Zum Beispiel kann der Schirm 100 eine Dicke von unge­ fähr 2 mm aufweisen, während ein bekannter Schirm ein Dicke von ungefähr 3,5 mm aufweist. Wie für den Fachmann auf diesem Gebiet hinreichend bekannt ist, ist ein dünnerer Schirmaufbau vorzuziehen, da er das Problem des "Doppelbildes" verrin­ gert, das bei Schirmen für eine Fernsehprojektion auftritt.

Es ist nicht intuitiv, daß die Leistungseigenschaften der Anordnung von Fig. 2 mit sei­ ner Fresnellinse mit der Vorderseite durch die Anordnung von Fig. 4 mit ihrer Rück­ seiten-Fresnellinse nachgebildet werden kann. Es ist eine wohlbekannte Erschei­ nung, daß das Licht nicht immer in der gewünschten Weise auf die Rippen des Lin­ senmusters 111 auftrifft. Daher könnte man erwarten, daß ein Helligkeitsabfall von der Mitte zu der Kante einer Rückseiten-Fresnellinse größer ist als ein Helligkeitsab­ fall von der Mitte zu der Kante für dieselbe Fresnellinse mit Vorderseite. Tatsächlich war der Helligkeitsabfall von der Mitte zur Kante ein Hauptanliegen in der Ausführung der in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung.

Von den Erfindern gesammelte empirische Daten zeigten jedoch, daß die Hellig­ keitsabnahme von der Mitte zur Kante für eine lineare Rückwärts-Fresnellinse nicht so schwerwiegend ist. Die Helligkeit von der Mitte zur Kante wurde unter drei ver­ schiedenen Bedingungen gemessen: (i) eine Fresnellinse mit einer Brennweite von 46 Zoll (1170 mm) in einem Projektions-Fernsehsystem mit 46 Zoll (1170 mm) (das heißt die Brennweite ist richtig), (ii) eine Fresnellinse mit einer Brennweite von 52 Zoll (1320 mm) in einem Projektions-Fernsehsystem mit 46 Zoll (1170 mm) (das heißt die Brennweite ist zu groß), und (iii) eine Fresnellinse mit einer Brennweite von 46 Zoll (1170 mm) in einem Projektions-Fernsehsystem mit 52 Zoll (1320 mm) (das heißt, die Brennweite ist zu kurz). Unter jeder Bedingung wurde die Helligkeit von Mitte zur Kante für die Fresnellinse in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gemessen. Unter den Bedingungen (i) und (iii) wurde die Helligkeit in einem Abstand von 8 Fuß (2440 mm) von dem Schirm gemessen, für die Bedingung (ii) wurde die Helligkeit bei einem Ab­ stand von 9 Fuß (2745 mm) vom Schirm gemessen. Unter jeder Bedingung wurde ein schmaler Streifen einer runden Fresnellinse aus der Produktion zur Simulation einer linearen Fresnellinse verwendet.

Die Daten sind in den Fig. 5a-5f dargestellt. Die Punkte auf dem Schirm, für die die Messungen vorgenommen wurden, sind in Fig. 6 dargestellt. Die Weißhelligkeit W wurde in Einheiten von Foot-Lambert gemessen. Die Helligkeit W an jedem Punkt wurde auch als Prozentsatz der Helligkeit in der Mitte des Schirms gemessen. Die arithmetischen Mittel für die Haupt- und die Nebenachse und die Ecken wurden ebenfalls berechnet. Das arithmetische Mittel für die Hauptachse 120 ist der Mittel­ wert der Helligkeitsmessungen an den Punkten 3 und 9 in Fig. 6. Das arithmetische Mittel für die Nebenachse 121 ist der Mittelwert der Helligkeitsmessungen an den Punkten 6 und 12 in Fig. 6. Der Mittelwert für die Ecken ist der Mittelwert der Hellig­ keitsmessungen an den Punkten 2, 4, 8 und 10 in Fig. 6.

Die in den Fig. 5a-5f dargestellten Daten zeigen, daß die beste Eckenhelligkeit für eine linearen Rückprojektions-Fresnellinse bei einer größeren Brennweite liegt, als sie für eine lineare Vorderseite-Fresnellinse gewählt würde, wenngleich auf Kosten einer geringeren Helligkeit der Nebenachse. Eine unerwartete Entdeckung durch die Daten besteht darin, daß die Helligkeit der Nebenachse durch die Rückwärtsaus­ richtung der linearen Fresnellinse tatsächlich verbessert wurde. Diese verbesserte Helligkeit in der Nebenachse liefert für den Konstrukteur einen neuen Kompromiß für die Gestaltung zwischen einerseits der Brennweite am oberen und am unteren Ende der linearen Fresnellinse und andererseits dem Helligkeitsabfalls von der Nebenach­ se der linearen Fresnellinse zu der Ecke hin.

Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, sollte verständlich sein, daß die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt ist und daß zahlreiche Änderun­ gen und Modifikationen durch den Fachmann auf diesem Gebiet durchgeführt wer­ den können, ohne von dem Schutzumfang oder dem Wesen der in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Erfindung abzuweichen.

Claims (9)

1. Schirm für eine Video-Wiedergabevorrichtung vom Projektionstyp, gekennzeichnet durch:
eine Fresnellinse (110) mit einem Linsenmuster (111) auf einer ersten Seite zum Empfang von Lichtenergie von einer Lichtquelle (14, 16, 18) und einer zweiten Seite, aus der die Lichtenergie aus der Fresnellinse austritt, wobei die zweite Seite gegen­ über der ersten Seite liegt und
ein Hologramm (26) zum Steuern der Streuung der aus der zweiten Seite der Fres­ nellinse austretenden Lichtenergie.

2. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm durch einen Laminierungs- oder Walzvorgang an der Fresnellinse befestigt ist.

3. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm im we­ sentlichen ein Brechungsmuster enthält.

4. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse eine ho­ lographische Fresnellinse ist.

5. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse vom li­ nearen Typ ist.

6. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse ein Lin­ senmuster mit einer Vielzahl von Rippen (112) enthält, die parallel zueinander ent­ lang der Breite der Fresnellinse verlaufen.

7. Schirm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenmuster sich vertikal derart ändert, daß eine Vertikalkomponente der aus der zweiten Seite aus­ tretenden Lichtenergie parallel geformt wird.

8. Schirm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse aus ei­ nem Acryl-Material besteht.

9. Schirm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse aus ei­ nem Polyethylen-Material besteht.