DE4327123A1 - Optisches Element, wie beispielsweise ein Rückprojektionsschirm für eine Bildanzeigeeinrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element, wie beispielsweise einen Rückprojektionsschirm für eine Bildanzeigeeinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Elementes und insbesondere eines Schirms, der eine Fresnel- Linse aufweist, die aus einem UV (Ultra-Violett-Strahlung) aushärtbaren Harz gefertigt ist, welches eine geringe Schrumpfung und verbesserte Haftfähigkeit an einem Tragkörper aufweist als bekannte thermoplastische Materialien oder auf Filme aufgetragene UV-aushärtbare Harze, welche dann auf dem Tragkörper angebracht werden.

US-PS 4,414,316 beschreibt einige bekannte Verfahren der Herstellung von Reliefmusterflächen für solche Anwendungen als relativ dünne, flexible Fresnel-Linsen und für Projektionsschirme. Ein solches Verfahren schließt Plattieren oder Einprägen mit einer Plattierpresse ein. Dieses Verfahren umfaßt das Einbringen eines thermoplastischen Materials in eine Plattierpresse, die eine gravierte Oberflache entsprechend dem gewünschten Reliefmuster aufweist. Die Plattierpresse wird geschlossen und einem Erwärmungszyklus unterzogen, um das thermoplastische Material zu erwärmen und aufzuweichen und zu bewirken, daß es sich der gravierten Oberflache der Plattier­ presse anpaßt. Die Plattierpresse wird dann einem Kühlzyklus unterzogen, um abzukühlen und das thermoplastische Material zu harten, so daß es seine Form beibehält und von der Presse abgenommen werden kann. Wegen der benötigten Erwärmungs- und Abkühlzyklen ist das Plattierpreßverfahren langsam und relativ aufwendig. Auch hat die Plattierpresse die Neigung Blasen einzuschließen. Andere Verfahren sind besser geeignet zur Herstellung des Reliefmusters in Endloslängenform. Typischerweise benutzen solche kontinuierlichen Verfahren eine gravierte Walze und das Reliefmuster wird durch die Rollprägung des thermoplastischen Materials, während eines aufgeweichten oder geschmolzenen Zustandes geformt.

Jedoch kann solch ein Herstellungsverfahren nicht zur Fertigung einer Fresnel-Linse benutzt werden, weil solch eine Linse eine zickzackförmige Struktur hat, die sich mit dem Muster auf der Walze verhaken würde. Wegen der elastischen Beschaffenheit des thermoplastischen Materials und der inneren Spannungen, die dem Material durch die Pragerolle verliehen werden, hat die eingeprägte Schicht, die mit diesem Verfahren hergestellt wird, die Neigung, in ihre ursprüngliche, abgeflachte und ungespannte Konfiguration zurückzukehren. Daher andern die einzelnen linsenartigen oder anderen Konfigurationen, welche in die Schicht geformt werden, die Gestalt von ihrer ursprünglich gewünschten Form, wobei sie einige ihrer gewünschten optischen Eigenschaften verlieren. Auch Schichten, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, sind infolge der Schwitzwasserbildung auf der Schicht während der Abkühlung während des Herstellungsvorgangs besonders anfällig für Streifenbildung. Außerdem ist die Schicht anfällig für Maßabweichungen durch die Prägemaschinerie, je weniger genau die Walzengeschwindigkeit und die Trägerspannung aufrechterhalten werden.

Diese Probleme werden durch Verwendung wärmehärtender Polymere eher als mit Thermoplasten überwunden. Ausgehärtete duroplastische Polymere unterliegen weder der Verwindung oder Maßveränderung durch Hitze- oder Feuchtigkeit, noch zeigen sie eine Neigung zur Formveränderung, die aus der Elastizitätsspeicherung während der Herstellung resultiert. Die bevorzugten wärmehärtbaren Materialien sind jene, die durch aktinische Strahlung, wie UV- oder Elektronenstrahl-Strahlung zusätzlich zur Wärmehärtung ausgehärtet werden können. Die erwähnte US 4,414,316 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer zusammengesetzten Schicht, die einen Basisfilm enthält, der mit einem fließfähigen ungehärteten, wärmehärtbaren Harz mittels einer Formfläche, die das eingeformte, gewünschte Linsenmuster aufweist, beschichtet wird. Zum Erhöhen der Haftfähigkeit zwischen dem Basisfilm und der wärmehärtbaren Harzschicht wird vorzugsweise eine Grundierung oder ein Haftförderer auf der Vorderfläche des Films vor der Harzapplikation aufgetragen. Das Harz wird dann ausgehärtet, entweder thermisch oder durch aktinische Bestrahlung, um es zum Hartwerden zu veranlassen. Die Reliefgemusterte duroplastische Polymerschicht wird anhaftend und dauerhaft an den Basisfilm gebunden. Das zusammengesetzte Schichtmaterial wird dazu entweder in dieser Form genutzt oder es kann zusätzlich aufgetragene Überzugsschichten oder Laminierungen aufweisen. Die Dicke der zusammengesetzten Schicht erstreckt sich ungefähr von 0,15 bis 0,76 mm. Für andere Endanwendungen kann das zusammengesetzte Schichtmaterial als Zwischenprodukt beim Herstellen von Schichtmaterial mit vorbestimmten Reliefmustern, die in beide Oberflächen geformt sind, benutzt werden. Für solche Anwendungen wird die reliefgemusterte wärmehärtbare Polymerschicht an den Basisfilm mit einer relativ geringen Haftfestigkeit gebunden, das ein Abziehen des Basisfilms von der duroplastischen Polymerschicht zur weiteren nachfolgenden Verarbeitung der duroplastischen Polymerschicht erlaubt. Jedoch wird die resultierende Struktur als relativ dünn und biegsam beschrieben und ist daher nicht zur Verwendung in einem Projektionsschirm ohne Bindung der zusammengesetzten Schicht an eine geeignete Unterstützungsfläche geeignet.

US 5,066,099 beschreibt einen Rückprojektionsschirm und ein Verfahren zur Herstellung desselben. In der patentierten Struktur wird ein UV härtbares Material auf die linsenförmige Austrittsoberfläche des Schirms aufgestrichen, um einen Lichtdiffusor bzw. Licht streuenden Körper, der einer höhere Härte als das unterliegende Schichtmaterial hat, zu bilden. Es wird in dem Patent nicht erwähnt, daß UV-härtbare Materialien geformt werden können, um irgendwelche Linsenkomponenten des Schirms herzustellen.

Es besteht daher Bedarf für eine einfache Struktur und ein Verfahren, bei denen UV-härtbare Materialien verwendet werden können, um Linsenelemente auf im wesentlichen formstabilen, transparenten Materialien ohne Laminierung oder Verwendung von zusätzlichen Grundierungen oder Haftförderern zu formen.

Ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen im wesentlichen formstabilen Schichtkörper, der entgegengesetzt angeordnete Hauptoberflächen mit einer Linse, aufweist, die aus bestrahlungshärtbarem Material an einer der Hauptflächen gebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt einer Rückprojektions- Bildanzeigeeinrichtung in der die vorliegende Erfindung angewendet wird,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines neuartigen Rückprojektionsschirms gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 einen Grundriß einer Vorrichtung zum Herstellen des neuartigen Projektionsschirms.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Rückprojektions- Bildanzeigeeinrichtung, welche einen Rückprojektionsbildschirm 1, eine Projektions-Kathodenstrahlröhre (CRT) 7 als Videoquelle, eine Projektionslinse 8, eine Kupplung 9 zum Ankoppeln der Bildröhre 7 an die Linse 8, einen Projektionslichtstrom oder Licht 10, einen Reflexionsspiegel 11 zum Reflektieren des Lichtes 10 und ein Gehäuse 12 aufweist.

Eine perspektivische Darstellung des Rückprojektionsschirms ist in Fig. 2 gezeigt. Der Schirm 1 weist einen ersten im wesentlichen formstabilen, transparenten Schichtkörper 2 und einen zweiten im wesentlichen formstabilen Schichtkörper 3 auf, welcher im wesentlichen transparent ist, jedoch lichtstreuendes Material im Körper oder alternativ auf der Oberfläche enthalten kann. Der erste und zweite Schichtkörper 2 und 3 sind miteinander an den Endbereichen befestigt (nicht dargestellt). Jeder der Schichtkörper hat eine Dicke von etwa 3,18 mm. Der erste Schichtkörper 2 enthält eine erste Hauptoberfläche 21 und eine entgegengesetzt angeordnete zweite Hauptoberfläche 22, getrennt durch einen Körper 2B des Materials. Die erste Hauptfläche 21 stellt eine Eintrittsebene für das Licht 10 bereit, das von der Röhre 7 ausgesendet wird. Die zweite Hauptfläche 22 stellt eine Austrittsebene für das Licht bereit. Einlinsenförmiger Bereich 23 ist auf der ersten Hauptfläche 21 vorgesehen. Die Objektivlinsen auf der ersten Hauptfläche 21 des ersten Schichtkörpers 2 bewirken eine vertikale Betrachtungswinkelvergrößerung. Eine Fresnel-Linse 24 wird mit einem neuartigen, weiter unter beschriebenen Verfahren auf der Austrittsebene der zweiten Hauptfläche 22 des ersten Schichtkörpers 2 zur Verfügung gestellt. Die Fresnel-Linse 24 konvertiert das Lichtbild von der Röhre 7, um parallele Strahlen zu bilden, welche dann am zweiten Schichtkörper 3 auftreffen.

Der zweite Schichtkörper 3 hat eine erste Hauptfläche 31 und eine entgegengesetzt angeordnete zweite Hauptfläche 32, die durch einen Körper 3B des Materials getrennt sind. Die erste Hauptfläche 31 stellt eine Eintrittsebene für die parallelen Strahlen, die am zweiten Schichtkörper 3 auftreffen, bereit. Ein linsenförmiger Bereich 33 ist auf der ersten Hauptfläche 31 vorgesehen, in welcher die Längsrichtungen der Linsenobjektive vertikal aufgestellt sind. Die zweite Hauptfläche 32, welche eine Austrittsebene für den zweiten Schichtkörper 3 vorsieht, ist mit einem Feld-von Linsenobjektiven 35 ausgestattet, ähnlich zu und in der Richtung der Linsen 33 auf der ersten Hauptfläche 31 ausgerichtet. Die Objektivlinsen auf den ersten und zweiten Hauptflächen 31 und 32, beziehungsweise auf dem zweiten Schichtkörper 3, sind senkrecht zu den Objektivlinsen 23, auf der Eintrittsebene auf der ersten Hauptfläche 21 des ersten Schichtträgers 2 gebildet. Die Objektivlinsenbereiche 33 und 35 auf dem zweiten Schichtkörper 3 vergrößern den horizontalen Betrachtungswinkel des Lichts, welches anschließend durch die Schichtkörper 2 und 3 der Rückprojektions-Bildanzeigeeinrichtung übertragen wird. Licht nicht übertragende Gebiete 3N an den Grenzabschnitten der Objektivlinsen 35 haben flache Oberflächen, auf denen eine lichtabsorbierende Schicht 36 vorgesehen ist.

Die Körper 2B und 3B jedes der ersten und zweiten Körper sind aus einer Schicht aus einem Acrylharz oder einem thermoplastischen Polycarbonat-Harz geformt. Die Linsenbereiche 33 und 35 auf den ersten und zweiten Hauptflächen 31 und 32 des Schichtkörpers 3 werden mit einem bekannten Verfahren gebildet. Beispielsweise wird der Schichtkörper 3 im erwärmten Zustand zwischen einer ersten Walze, die eine Matrize für die Abmessungen des Objektivlinsenbereiches 33 für die erste Hauptfläche 31 hat und einer zweiten Walze, die eine Matrize für die Abmessungen des Linsenbereiches 35 für die zweite Hauptfläche 32 hat, hindurchgeführt. Durch diese Arbeitsweise werden die Linsenfelder geformt. Alternativ wird der Schichtkörper 3 erhitzt und durch eine Plattierpresse, die entsprechende Platten, versehen mit Matrizen der Abmessungen der Objetivlinsenbereiche 33 und 35 für die ersten beziehungsweise zweiten Hauptflächen 31 und 32, verwendet. Das Schichtmaterial 3 kann geeignete Mengen lichtstreuender Materialien innerhalb oder auf einer Oberfläche angewendet, wie in der oben erwähnten US 5,066,099 beschrieben Weise, enthalten.

Der Schichtkörper 2 ist auch aus einem thermoplastischen Material mit dem Objetivlinsenbereich 23, der auf der ersten Hauptfläche 21 gestaltet ist, z. B. mit einem der oben beschriebenen konventionellen Mittel gebildet. Jedoch wird die Fresnel-Linse 24 nicht durch konventionelle Heißpreßverfahren gebildet, weil solch ein Verfahren zur Verfärbung der Linse neigt und beim Abkühlen die Fresnel-Linse auch dazu neigt, sich wegen ihres Elastizitätsspeichers zu verwinden oder in den Abmessungen zu verändern. Die Fresnel-Linse 24 wird durch ein neues, nachfolgend beschriebenes Verfahren gefertigt.

Um den ersten Schichtkörper 2 gemäß der Erfindung vorzubereiten, wird der Schichtkörper, der den Linsenbereich 23 aufweist, der auf der ersten Oberfläche 21 gebildet ist, mit dem Linsenbereich 23 in Berührung mit einer Tragfläche 40 auf einer Formeinrichtung 42, wie in Fig. 3 gezeigt, angeordnet. Die Tragfläche 40 besteht aus flachem transparenten Material, wie beispielsweise Glas oder Plastik. Eine flexible Form 44, die in einem Rahmen 46 abgestützt ist, und ein Negativmuster (nicht gezeigt) einer Fresnel-Linse aufweist, die in einer Oberfläche 47 vorgesehen ist, wird anfangs mit strukturierter Oberfläche nach oben auf einer Komplementärtragfläche 48 der Einrichtung 42 angeordnet. Die flexible Form 44 wird von einer beständigen Masterform gegossen (nicht dargestellt), die eingeformt das Fresnel-Linsen-Profil aufweist. Ein Menge eines geeigneten optisch transparenten UV- härtbaren Acryl-Materials, das ein vorgemischtes Harz und einen Katalysator enthält, wie beispielsweise Three Bond 3001, erhältlich von Three Bond of America, West Chester, Ohio; Norland UV-Materialien, erhältlich von Norland Products Inc., New Brunswick, NJ; Hercules UV-Material, erhältlich von Hercules Inc., Wilmington, Delaware; oder Lord Photoglaze UV-Material, erhältlich von Lord Corp., Erie, Pa wird entgast und von einem Behälter 49 durch einen Schlauch 50 auf die strukturierte Oberfläche 47 der flexiblen Form 44 gegeben. Vorzugsweise wird eine Schlange UV-Materials entlang einer Kante der Form 44 gebildet und gleichmäßig über die strukturierte Oberfläche 47 verstrichen, um die Fresnel-Linsen-Mustervertiefungen zu füllen, und um einen ungehärteten Überzug 52 zu bilden. Dann wird der Formrahmen 46 um einen Bogen A-A geschwungen, so daß die flexible Form 44 umgekehrt wird, mit dem ungehärteten Überzug 52 des UV- Materials in Nähe zur Austrittsebene auf der zweiten Hauptfläche 22 des Schichtkörpers 2. Eine Walze 54 wird zum gleichmäßigen Ebnen der flexiblen Form und ihres Überzugs 52 auf der zweiten Hauptfläche 22 des Schichtkörpers 2 verwendet. Als nächstes wird der Überzug 52 gehärtet, indem er einer aktinischen Strahlung in Form von UV-Licht von der Lichtquelle 56, die unter der transparenten Tragfläche 40 angeordnet ist, ausgesetzt wird. Vorzugsweise wird das Licht gepulst, um eine Erwärmung des Überzugs 52 durch das UV- Licht und dadurch die Bildung von Blasen, welche Störungen in der Fresnel-Linse bewirken würden, zu verhindern. Wenn der Überzug ausgehärtet ist, bildet er die Fresnel-Linse 24 direkt auf der Austrittsebene der zweiten Hauptfläche 22 des ersten Schichtkörpers 2. Insofern ist die Fresnel-Linse 24 integraler Bestandteil der zweiten Hauptfläche 22 und keine Grundierung oder Klebstoff sind erforderlich, um die Linse 24 zu befestigen und es gibt in einem gemäß dieser Erfindung gefertigten Projektionsschirm keine zusätzliche Lichtabschwächungsschicht; und daher gibt es keine Reduzierung der Helligkeit des übertragenen Lichtes. Zusätzlich gibt es, weil die Fresnel-Linse 24 durch UV-Härtung schneller als mit thermischer Härtung gebildet wird, keine Verwindung, Schrumpfung, Verfärbung oder Elastizitätsspeicher-Entspannung der resultierenden Linse. Dadurch wird eine größere Genauigkeit in der Lichtübertragung von der Videoquelle 7 gewährleistet. Nachdem der Überzug 52 erhärtet ist, wird die flexible Form von dem zweiten Schichtkörper 2 gelöst, um gleichmäßig die Form ohne Verwindung der Fresnel-Linse 24 freizugeben. Schließlich wird der Schichtkörper 2 von der Tragfläche 40 der Formeinrichtung 42 entfernt. Der erste Schichtträger 2 und der zweite Schichtträger 3 werden im Abstandsverhältnis, wie in Fig. 2 gezeigt, zusammengebaut, um den Rückprojektionsschirm 1 zu bilden.

Obwohl spezifische UV-härtende Materialien hier beschrieben werden, können auch andere UV-härtbare Polymere, Dimere und Cyanacrylat -Materialien verwendet werden.

Claims (5)

1. Optisches Element mit einem im wesentlichen formstabilen Schichtkörper, der entgegengesetzt angeordnete Hauptflächen aufweist, gekennzeichnet durch eine Linse (24), die aus einem strahlungshärtbaren Material an wenigstens einer der besagten Hauptflächen (21, 22) des Körpers (2) gebildet ist.

2. Rückprojektionsschirm für eine Bildanzeigeeinrichtung, wobei der Schirm wenigstens zwei im wesentlichen formstabile Schichtkörper aufweist, die jeweils eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche haben, durch welche Licht nacheinander geleitet wird, worin ein erster Schichtkörper eine Fresnel-Linse (24) aufweist und ein zweiter Schichtkörper einen Objektivlinsenbereich auf jeder der Hauptflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptfläche (22) des ersten Schichtkörpers (2) die Fresnel-Linse (24), die aus strahlungshärtbarem Material gebildet ist, enthält.

3. Verfahren zum Bilden einer Fresnel-Linse für einen Rückprojektionsschirm (1) einer Bildanzeigeeinrichtung auf einer ersten Hauptfläche eines im wesentlichen formstabilen transparenten Schichtkörpers, der eine erste und eine zweite entgegengesetzt angeordnete Hauptfläche besitzt, die eine Eintrittsebene bzw. eine Austrittsebene aufweisen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anordnung der ersten Hauptfläche (21) des Schichtkörpers (2) auf einer Tragfläche (40) einer Formeinrichtung (42),
gleichmäßiges Verteilen eines UV-härtbaren Materials auf einem Fresnel-Linsen-Profil (47) einer flexiblen Form (44), um einen Überzug (52) zu bilden,
Verbinden der Austrittsebene der zweiten Hauptfläche (22) des Schichtkörpers (2) mit der Form (44), um den Überzug (52) des UV-härtbaren Materials darauf zu tragen,
Exponieren des Überzugs (52) mit einer aktinischen Strahlung, die durch die Tragfläche (40) der Formeinrichtung (42) und der Schichtkörper (2) übertragen wird, um den Überzug (52) zu härten und die Fresnel-Linse (24) auf der Austrittsebene der zweiten Hauptfläche (22) zu bilden und
Freigabe des Schichtkörpers (2) von der Form (44).

4. Verfahren zum Bilden einer Fresnel-Linse für einen Rückprojektionsschirm einer Bildanzeigeeinrichtung, auf einer Hauptfläche eines im wesentlichen formstabilen transparenten Schichtkörpers, der eine erste und eine zweite entgegengesetzt angeordnete Hauptfläche hat, die eine Eintrittsebene bzw. eine Austrittsebene aufweisen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anordnung der Eintrittsebene der ersten Hauptfläche (21) des Schichtkörpers (2) auf einer Tragfläche (40) einer Formeinrichtung (42),
Vorsehen einer Menge eines entgasten, UV-härtbaren Materials auf einem Fresnel-Linsen-Profil (47) einer flexiblen Form (44) und gleichmäßige Verteilung des Materials, um einen Überzug (52) darauf zu bilden,
Walzen der flexiblen Form (44), den Überzug (52) tragend auf dem Schichtkörper (2), dabei die Austrittsebene der zweiten Hauptfläche (22) des Schichtkörpers (2) mit dem Überzug (52) verbindend,
Aussetzen des Überzugs (52) einer gepulsten aktinischen Strahlung, die durch die Tragfläche (40) der Formeinrichtung (42) und den transparenten Schichtkörper (2) übertragen wird, um den Überzug zu härten und die Fresnel-Linse (24) auf der Austrittsebene der zweiten Hauptfläche (22) zu bilden,
Schälen der flexiblen Form (44) von dem Schichtträger (2), um gleichmäßig die Struktur ohne Verwinden der Fresnel- Linse (24) freizugeben, und
Entfernen des Schichtkörpers (2) von der Tragfläche (40) der Formeinrichtung (42).

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das UV-härtbare Material aus der Gruppe bestehend aus Three-Bond 3001, Norland UV-Material, Hercules UV-Material und Lord Photoglasur UV-Material ausgewählt wird.