DE2655527B1 - Projektionsschirm und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Projektionsschirm der im Obergriff des Patentanspruches genannten Art sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Bekannte Projektionsschirme lassen sich in zwei Gruppen ordnen:

a) diffus streuende Projektionsschirme mit matter Oberfläche, wobei die Bildhelligkeit vom Betrachtungswinkel weitgehend unabhängig ist,

b) selektiv streuende Projektionsschirme, die das an der Schirmoberfläche gestreute Licht innerhalb eines bestimmten Raumwinkels konzentrieren, und zwar bei einer ersten Untergruppe b₁ in einem die Einfallsrichtung des Lichtes einschließenden Raumwinkel und bei einer zweiten Untergruppe b₂ in einem die Reflexionsrichtung des Lichtes an der Ebene des Projektionsschirmes einschließenden Raumwinkel. Bekannte Projektionsschirme mit einer Perl-, Linsen- oder Prismenstruktur gehören der Untergruppe ö, ) und Projektionsschirme mit rauher metallisierter

Oberfläche der Untergruppe b₂ an.
Die Lichtausbeute und die Abstrahlcharakteristik eines Projektionsschirms können in einem Polardiagramm dargestellt werden, welches die Leuchtdichte ίο des am Projektionsschirm gestreuten Lichtes in Funktion des Betrachtungswinkels unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen zeigt. In der Fig. 1 ist ein solches Polardiagramm dargestellt, in der P die Projektionsschirmebene, / die Beleuchtungsrichtung π und φ den Betrachtungswinkel bedeutet. Die halbkreisförmige Kurve A zeigt die Abstrahlcharakteristik eines diffus streuenden Projektionsschirms der Gruppe α und die birnenförmige Kurve B die Abstrahlcharakteristik eines bekannten selektiv streuenden Projektionsschirms mit hohem Wirkungsgrad der Gruppe b.

Aus dem Polardiagramm der Fig. 1 geht die Abstrahlcharakteristik in nur einer Ebene hervor. Um ein vollständiges Bild über die Abstrahlcharakteristik 2·> eines Projektionsschirms zu erhalten, muß das Polardiagramm auch für andere in der Beleuchtungsrichtung / liegende Ebenen aufgezeichnet werden. Isotrope Projektionsschirme zeigen bei senkrechtem Lichteinfall für alle die Beleuchtungsrichtung / einschließenden Ebenen das gleiche Polarverhalten, anisotrope Projektionsschirme dagegen für verschiedene Ebenen ein unterschiedliches Polarverhalten.

Bei einem isotropen Projektionsschirm wird eine maximale Lichtausbeute erzielt, wenn das gesamte einfallende Licht ausschließlich innerhalb eines Kegels - und zwar gleichmäßig - zurückgestreut wird. In der Fig. 2 stellt der kreissektorförmige Verlauf C die Abstrahlcharakteristik eines solchen idealen Projektionsschirms dar, der das einfallende Licht innerhalb eines Streuwinkels β gleichmäßig zurückstreut. Ein kleiner Streuwinkel β ergibt ein helles Projektionsbild und begrenzt dementsprechend den Raum, innerhalb welchem das Bild betrachtet werden kann. Eine Abstrahlcharakteristik gemäß dem Verlauf C konnte bisher auch nicht annähernd realisiert werden. In vielen Fällen nehmen die Betrachter eines Projektionsschirmes eine horizontal breit gefächerte, vertikal durch ein schmales Band begrenzte Sitzanordnung ein. Das oberhalb und unterhalb dieses schmalen Bandes zurückgestreute Licht wird hierbei verschwendet. In solchen Fällen wird mit anisotropen Projektionsschirmen, die das einfallende Licht horizontal in einem Streuwinkel ß_H und vertikal in einem engeren Streuwinkel ß_H zurückstreuen, ein höherer Wirkungsgrad erzielt als mit isotropen Projektionsschirmen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die MikroStruktur eines idealen Projektionsschirms folgende Eigenschaften aufweisen soll:
1 - Sie soll genügend fein sein, so daß sie im vorgesehenen minimalen Betrachtungsabstand vom Auge nicht aufgelöst werden kann.

2. Gegenüber der Wellenlänge des Projektionslichtes soll die MikroStruktur genügend grob sein, damit wellenlängenabhängige Beugungseffekte vermieden werden.

3. Die MikroStruktur soll nicht periodisch sein, damit keine Moire-Effekte auftreten können.

4. Sie soll vom obengenannten Reflexionstypus b₂ sein, damit beleuchtende und reflektierte Strahlen zur Vermeidung von Schattenwurf durch Zuschauer oder Sichtbehinderung durch den Projektor genügend getrennt werden können.

5. Die Neigungswinkel von Oberflächenelementen der MikroStruktur sollen derart winkelbegrenzt sein, daß einfallendes Licht horizontal innerhalb eines wählbaren Streuwinkels ß_H und vertikal innerhalb eines wählbaren Streuwinkels ß_v zurückgestreut wird.

6. Die Neigungswinkel sollen derart homogen verteilt sein, daß innerhalb des unter 5. angegebenen Streuwinkels die Intensität des reflektierten Lichtes richtungsinvariant ist.

7. Wirkungsgradverschlechternde Mehrfachreflexionen an der MikroStruktur seilen vermieden werden.

8. Die MikroStruktur soll keine Depolarisation bewirken.

9. Die Absorption soll möglichst gering sein.

Bekannte Projektionsschirme erfüllen die Bedingungen 1. bis 4. meist recht gut, die Bedingungen 5. bis 9. jedoch zum Teil nur mangelhaft. Insbesondere ist kein Projektionsschirm bekannt, der gleichzeitig alle Bedingungen in befriedigendem Maße erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Projektionsschirm zu schaffen, der allen Anforderungen 1. bis 9. gerecht wird und der außerdem auf einfache Weise hergestellt werden kann.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bezeichneten Merkmalen. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Projektionsschirms ist im Patentanspruch 8 definiert.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Polardiagramme,

Fig. 3 Zwillingsblasen im Schnitt,

Fig. 4eineMikrosiruktur eines Projektionsschirms im Horizontalschnitt,

Fig. 5 eine MikroStruktur eines Projektionsschirms im Vertikalschnitt,

Fig. 6 eine MikroStruktur eines Projektionsschirms in perspektivischer Darstellung und

Fig. 7 einen in eine Halterung eingespannten Projektionsschirm.

In der Fig. 3 sind zwei aneinanderstoßende, gleich große Flüssigkeits-Blasen 1,2 sowie zwei aneinanderstoßende, verschieden große Flüssigkeits-Blasen 3, 4 aus Seifenlösung, flüssigem Kunststoff u. dgl. dargestellt. Aus Gründen des statischen Gleichgewichtes bilden drei aneinanderstoßende Lamellen solcher Zwillingsblasen unabhängig von ihrer Größe stets einen Winkel γ = 120°.

Dieses Winkelgesetz wird beim erfindungsgemäßen, z. B. aus geschäumtem Kunststoff bestehenden Projektionsschirm ausgenützt, dessen Strukturelemente gemäß der Fig. 4 die Form der Oberfläche von aneinanderstoßenden Blasen 5 aufweist. Die äußerste Grenzfläche 6 der statistisch auf einer Ebene verteilten, etwa gleich großen Blasen 5 bildet angenähert eine im mathematischen Sinn stückweise glatte Oberfläche. In der Fig. 4 ist ein Flächenelement 7 dieser durch die Blasen 5 gebildeten Oberflächenstruktur angedeutet, dessen Flächennormale gegenüber einem senkrecht einfallenden Lichtstrahl 8 um einen Neigungswinkel α geneigt ist. Es ist leicht einzusehen, daß die Neigungswinkel u solcher Flächenelemente 7 im Bereich -30° < α < 30° gleich häufig, größere Neigungswinkel dagegen nicht vorkommen.

Damit wirklich nur die äußerste Grenzfläche 6 der

j Blasen 5 optisch wirksam ist, ist diese verspiegelt. Das einfallende Licht wird dann nur innerhalb eines Kegels mit einem Streuwinkel β von 120° (Fig. 2) gleichmäßig und bei hinreichender Kleinheit der Blasen 5 für einen Beobachter innerhalb dieses Winkels diffus reflektiert. Ferner ergibt sich durch die Begrenzung der Neigungswinkel α auf ±30°, daß wirkungsgrad verschlechternde Mehrfachreflexionen vermieden werden, wodurch ebenfalls eine Depolarisation weitgehend verhindert wird.

Die Neigungswinkel α der Flächenelemente 7 können auf einen Bereich begrenzt werden, der kleiner als ±30° ist, indem die Blasen 5 in der Ebene des Projektionsschirms gestreckt und dadurch der Winkel γ zwischen den Lamellen der Blasen vergrößert wird. Dies ermöglicht, sowohl den horizontalen Streuwinkel ß_H als auch den vertikalen Streuwinkel ß_v beliebig festzulegen. Werden die Blasen 5 überwiegend in der vertikalen Achse des Projektionsschirms gestreckt, so ergibt sich eine anisotrope Ab- Strahlcharakteristik. Die Fig. 5 zeigt die Mikrostruktur eines solchen Projektionsschirms mit in der vertikalen Achse gestreckten Blasen 5 im Vertikalschnitt und die Fig. 6 in räumlicher Darstellung. Die horizontale Achse des Projektionsschirms ist in der

jo Fig. 6 mit X, die vertikale Achse mit Y, die zur Ebene XY senkrechte Achse mit Z, der mittlere Radius der äußeren Blasenoberfläche in der Ebene XZ mit r, und in der Ebene YZ mir r_z, die Länge in der Achse X mit d_x und in der Achse Y mit d₂ bezeichnet.

Versuche haben gezeigt, daß mit einer Folie aus geschäumtem Kunststoff, die in der vertikalen Achse Y des Projektionsschirms gereckt wurde, ein vertikaler Streuwinkel ß_v von nur 20° ohne weiteres erreicht werden kann, was sich in einem entsprechend hohen Wirkungsgrad des Projektionsschirms äußert. Auch der horizontale Streuwinkel ß_H kann verengt werden, wenn die Blasen 5 zusätzlich horizontal gestreckt werden.

Ein enger vertikaler Streuwinkel ß_v bedingt, den Projektionsschirm im Sinn eines zylindrischen Hohlspiegels um eine horizontale Achse leicht zu krümmen, damit das in verschiedener Höhe auf den Projektionsschirm einfallende Licht von allen Punkten des Schirms gleichmäßig in Richtung der Zuschauer reflektiert wird. Ein breiter horizontaler Streuwinkel ß_H erübrigt eine entsprechende Krümmung um eine vertikale Achse. Die Fig. 7 zeigt einen solchen gekrümmten Projektionsschirm 9, der aus einer auf einen steifen flächigen Träger 10 aufgezogenen geschäumten Kunststoffolie 11 besteht und in eine Halterung 12 eingespannt ist. Der gewünschte Krümmungsradius des Projektionsschirms 9 kann mit der Halterung 12 eingestellt werden. Dadurch läßt sich der nutzbare Betrachtungsdistanzbereich variieren, dessen Tiefe durch geeignete Wahl des vertikalen Streuwinkels ß_v festgelegt werden kann.

Aus dem vorstehend Gesagten ist leicht zu erkennen, daß mit dem beschriebenen Projektionsschirm alle eingangs gestellten Anforderungen erfüllt und eine Abstrahlcharakteristik gemäß der Fig. 2 erreicht werden kann. Der erzielte hohe Wirkungsgrad des Projektionsschirms ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Projektionsschirmen eine starke Reduk-

tion der Lichtleistung des Projektors oder bei gleicher Lichtleistung die Projektion eines hellen und auch in einem voll beleuchteten Raum kontrastreichen Bildes, da das Licht der Raumbeleuchtung dank engem vertikalen Streuwinkel ß_v des Projektionsschirmes nicht als störendes Streulicht in die Richtung der Zuschauer reflektiert wird.

Als Projektionsschirm mit der beschriebenen Mikrostruktur eignet sich, wie bereits erwähnt, eine Folie aus geschäumtem Kunststoff, die gegebenenfalls in mindestens einer Achse gereckt ist. Besonders gut geeignet ist eine Folie aus geschäumtem Polypropylen. Je nach Reckverfahren kann sich ergeben, daß die Blasenoberfläche wegen des bei der Volumenvergrößerung entstehenden Unterdruckes kolabiert, so daß sich die konvexe Blasenstruktur in eine konkave Struktur verwandelt. Die makroskopisch beobachtbare Streucharakteristik ändert sich trotz dieser Inversion praktisch nicht.

Zur Verspiegelung der Oberfläche kann auf diese eine dünne Metallschicht z. B. aus Aluminium aufgedampft werden, deren hoher Reflexionsgrad verhindert, daß einfallendes Licht vom Kunststoff absorbiert und/oder in unerwünschte Richtungen gestreut wird. Die metallisierte Oberfläche kann nachträglich mit einer dünnen transparenten Schutzschicht, z. B. mit einer Lackschicht vor mechanischen Beschädigungen geschützt werden. Die Lackschicht kann auch dazu dienen, die Abstrahlcharakteristik des Projektionsschirms in gewissen Grenzen zu beeinflussen. Vorzugsweise wird die Kunststoffolie auf einen starren oder steifen flächigen Träger aufgezogen, um eine für den praktischen Gebrauch genügende Steifigkeit des Projektionsschirms zu erzielen.

Ein Projektionsschirm mit der beschriebenen Mikrostruktur kann auch dadurch hergestellt werden, daß die Oberflächenstruktur eines geschäumten Kunststoffes auf einen flächigen Körper aus geeignetem Material, z. B. aus Kunststoff, abgeformt wird. Vorzugsweise wird von der Oberflächenstruktur des geschäumten Kunststoffes durch chemische oder galvanische Beschichtung eine als Prägematrize dienende Kopie aus Metall hergestellt und mit dieser Prägematrize unter Anwendung von Druck und Wärme die MikroStruktur in einen aus thermoplastischem Mate's rial bestehenden flächigen Körper geprägt. Dieses Verfahren ermöglicht eine kostensparende Massenproduktion. Das Abformen der Oberflächenstruktur des geschäumten Kunststoffes kann natürlich auch unmittelbar auf einen als Projektionsschirm dienen-ο den Kunststoff mit niedrigem Erweichungspunkt oder auf einen aushärtbaren Kunststoff erfolgen.

Vorzugsweise wird nicht der geschäumte Kunststoff, sondern der flächige Körper nach dem Abformen der Oberflächenstruktur des geschäumten Kunststoffes gereckt. Dadurch können beim Recken von geschäumtem Kunststoff allenfalls auftretende undefinierbare Deformationen vermieden werden.

Das durch Abformen eines geschäumten Kunststoffes hergestellte Duplikat kann in gleicher Weise metallisiert und als reflektierender Projektionsschirm eingesetzt werden, wie dies oben für das aus geschäumtem Kunststoff bestehende Original beschrieben ist. Ferner ist es möglich, das Duplikat aus einem transparenten Material herzustellen und ohne Oberflächenverspiegelung als Transmissions-Projektionsschirm zu verwenden. Die Abstrahlcharakteristik eines solchen Transmissionsschirms unterscheidet sich zwar etwas von jener des beschriebenen Reflexionsschirms, die wesentlichen Eigenschaften, nämlich die statistische Verteilung der Strukturelemente, die Häufigkeitsverteilung der Neigungswinkel, eine Begrenzung des Streuwinkels und gegebenenfalls die Anisotropie, bleiben aber erhalten.

Die oben beschriebene Maßnahme der Krümmung des Reflexions-Projektionsschirms zur Fokussierung des reflektierten Lichts in den Beobachtungsbereich wird beim Transmissions-Projektionsschirm dadurch ersetzt, daß unmitelbar vor oder hinter dem Transmissions-Projektionsschirm eine sphärische oder zylindrische Sammellinse, vorzugsweise eine Fresnellinse, angeordnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Projektionsschirm, dessen dem Betrachter zugewandte Oberfläche eine die Abstrahlcharakteristik bestimmende MikroStruktur aufweist, die durch eine Vielzahl unregelmäßig verteilter Strukturelemente gebildet ist, d a d u r c h g e k e η nze ich η et, daß die MikroStruktur durch eine aneinanderstoßenden Blasen (5) geschäumten Kunststoffs entsprechende Oberflächenstruktur eines flächigen Körpers (11) gebildet ist.

2. Projektionsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStruktur durch eine aneinanderstoßenden Blasen (5) geschäumten und in wenigstens einer Achse gereckten Kunststoffes entsprechende Oberflächenstruktur gebildet ist.

3. Projektionsschirm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Körper (11) eine Folie aus geschäumtem Kunststoff ist.

4. Projektionsschirm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur der Blasen (5) des geschäumten Kunststoffes in den flächigen Körper (11) abgeformt ist.

5. Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Körper (11) mit einer Reflexionsschicht beschichtet ist.

6. Projektionsschirm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht mit einer transparenten Schutzschicht beschichtet ist.

7. Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Körper (11) auf einem steifen flächigen Träger (10) befestigt und in einer Halterung (12) eingespannt ist und eine einstellbare zylindrische Krümmung aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Projektionsschirms nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Oberflächenstruktur der Blasen (5) des geschäumten Kunststoffes durch chemische und/oder galvanische Beschichtung eine als Prägematrize dienende Kopie aus Metall hergestellt und mit dieser Prägematrize unter Anwendung von Druck und Wärme die Mikrostruktur in den flächigen Körper (11) geprägt wird.