-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen transluzenten Schirm umfassend ein Linsensystem,
insbesondere einen Schirm mit einer Fresnellinse zur Benutzung als
oder in Verbindung mit einem Projektionsschirm, und bevorzugter
Weise zur Benutzung in einem Hinter-leinwandprojektionsschirm, und einen
Projektionsschirm mit solch einer Fresnellinse. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Herstellung eines
transluzenten Schirms gemäß der Erfindung.
-
Projektionsschirme mit Fresnellinsen
werden in verschiedenen Apparaten benutzt, um ein Bild zu erzeugen,
das sichtbar für
den Betrachter ist; beispielsweise werden Hinterleinwandprojektionsschirme
in Verbindung mit der Anzeige von Radarbildern, in Flugsimulatoren,
Kontrollräumen,
Fernsehgeräten, Videomonitoren,
Verkehrskontrollzeichen, Mikrofilmlesegeräten, Videospielen und um Filme
zu zeigen, benutzt. In solchen Apparaten projiziert eine Bildquelle,
angeordnet hinter dem Schirm, Licht vorwärts entlang einer Projektionsachse
in Richtung des Schirms mit dem Ziel, ein Bild auf der Vorderseite
des Schirms zu schaffen, das sichtbar für den Betrachter ist. Typischerweise
sind die Schirme rechteckig und können viele verschiedene Dimensionen
aufweisen, beispielsweise weist ein Schirm für ein Mikrofilmlesegerät eine Diagonale
von ungefähr
38 cm (15 Zoll) auf, wohingegen ein Schirm für einen Kontrollraum oder um
einen Film zu zeigen, eine Diagonale ungefähr so groß wie 450 cm (180 Zoll) oder
mehr aufweisen kann.
-
Ein Projektionsschirm umfasst zwei
funktionale Elemente, teilweise ein erstes Element, um die divergierenden
Lichtstrahlen von der Bildquelle zu parallelen Strahlen zu konvertieren, teilweise
ein Diffusionselement, das das Licht des ersten Elements streut,
um es dadurch sichtbar für
einen Betrachter zu machen. In der Praxis umfasst das erste Element eine
im wesentlichen ebene Fresnellinsenstruktur und das zweite Element
eine ebene Platte mit lichtstreuenden Eigenschaften.
-
Grundsätzlich kann ein solcher Schirm
auf zwei Weisen konstruiert werden, teilweise mit einem einzelnen,
ebenen Schichtelement, das auf der in Richtung der Bildquelle gewandten
Seite mit einer Fresnellinse und auf der anderen Seite mit einer
lichtstreuenden Beschichtung oder Struktur ausgestattet ist, teilweise
mit zwei ebenen Schichtelementen, parallel jeweils voreinander angeordnet,
wobei das Schichtelement, das sich am nächsten zu der Bildquelle befindet,
mit einer Fresnellinse auf der Seite der Schicht, die von der Bildquelle
abgewandt ist, ausgestattet ist, und wobei das Schichtelement, das in
Richtung des Betrachtes gewandt ist, mit einer lichtstreuenden Beschichtung
oder Struktur ausgestattet ist.
-
Der Nachteil des ersten Prinzips
ist, dass eine Fresnellinse, die direkt in Richtung der Lichtquelle
gewandt ist, einen relativ hohen Transmissionsverlust aufweist,
typischerweise von ungefähr
15 bis 20%. Dies ist dadurch begründet, dass ein Teil des Lichts
die Stufenflächen
der Fresnellinse trifft und daher in eine ungewünschte Richtung gestreut wird;
dieses Phänomen
verstärkt
sich in Richtung der Peripherie der Linse, wo die Höhe der Stufenflächen vergrößert ist,
was bedeutet, dass der Verlust von Licht am umfangreichsten an der
Peripherie des Schirmes ist. Ein Vorteil dieser Konfigwation ist
eine einfachere Konstruktion.
-
In dem anderen Prinzip, wo die Fresnellinse auf
der Seite des Schichtelements angeordnet ist, das von der Bildquelle
abgewandt ist, trifft das gesamte Licht, das in die Platte eintritt,
die „aktive"
Fresnelfacette, wo es zu dem oben beschriebenen parallelen Bündel von
Strahlen abgelenkt wird. Obgleich im Prinzip diese Konstruktion
eine verbesserte Effizienz der Transmission mit sich bringt, wird
die getrennte lichtstreuende Platte dennoch einen Trans missionsverlust
verursachen, wenn das Licht zusätzlich
zwei Randflächen
passieren soll, und daher weist dieser Schirmtyp eine Transmissionseffekterhöhung von
nicht mehr als 5 bis l0% insgesamt auf, ein Wert, bei dem wiederum
die komplexere Konstruktion davon zu berücksichtigen ist.
-
Der Nachteil von beiden Prinzipien
ist die Entstehung von Bildstörungen,
wie Regenbögen oder
Doppel- oder Mehrfachbildformationen, auch Geisterbilder genannt.
Solche Phänomene
beruhen auf Reflexionen, die jeweils von den Stufenflächen an der
Linse, die rückwärts gewandt
ist, und von der Rückfläche der
Fresnelfacetten der vorwärts
ausgerichteten Linse, stammen. Es trifft auf beide Prinzipien zu,
dass die Störungen
sich am meisten an der Peripherie der Linsen äußern, wo die Facetten am steilsten
sind und die höchsten
Stufenflächen
aufweisen. Hieraus ergibt sich auch, dass die umfangreichsten Probleme
mit Linsen mit kurzen Brennweiten auftreten, da diese mit den steilsten
Facetten ausgestattet sind.
-
Das Problem mit internen Reflexionen
ist gut dokumentiert und verschiedene Versuche wurden unternommen,
um diese zu beheben.
-
Beispielsweise offenbart die WO 99/53376 eine
Projektionsschirmanordnung umfassend eine Schicht mit einer Fresnellinsenstruktur
auf der einen Seite, wobei die Schicht aus einer Matrix mit darin verteilten
refraktiven Partikeln besteht. Die Partikel sind überall in
der gesamten Dicke der Platte verteilt, und sie dienen auf der einen
Seite als bilderzeugende Streumittel, und auf der anderen Seite,
um Störungen
zu unterbinden, die innerhalb der Fresnelkonstruktionselemente entstehen,
wie solche, die auch oben beschrieben sind. Das heißt, dass
der gleiche Typ von Streumitteln für beide Funktionalitäten benutzt
wird, und ebenfalls die Positionierung und Eigenschaften der bilderzeugenden
Teile für
die gesamte Schirmstruktur vorherbestimmt sind.
-
Die Fresnelschicht ist als eine eigentliche, selbsttragende
Schicht gestaltet, die entweder allei-ne oder in Kombination mit anderen Schichten
angebracht werden kann. Solch eine Platte weist eine typische Dicke
von 2 bis 3 mm auf. Falls andere Schichten benutzt werden, können die
verschiedenen Schichten entweder durch Kleben oder mechanisch kombiniert
werden. Die WO 99/53376 zeigt verschiedene Verfahren, um die Fresnelschicht
herzustellen, beispielsweise Extrusion einer Platte mit nachfolgendem
Einprägen
der Fresnelstruktur.
-
Auch die EP-A-0 732 615 offenbart,
wie ein lichtstreuendes Mittel in einer Fresnellinse enthalten sein
kann, die wiederum eine von mehreren Elementen in einer Projektionsschirmanordnung
darstellt. Dies ist auch ein Fall, wo der gesamte Projektionsschirm
durch eine Kombination von etlichen Schichten oder Schirmen konstruiert
wird.
-
Die US-A-5 477 380 beschreibt, dass
Reflexionen von der Rückseite
der Facetten durch Benutzung einer Linsenbasis, enthaltend ein refraktives Steumaterial,
verringert werden kann, aber da auf der einen Seite das refraktive
Streumaterial in Entsprechung mit der Oberfläche der Linsenbasisplatte,
die abgewandt von den Linsenfacetten ist, angeordnet ist und auf
der anderen Seite sehr dick ist (in bevorzugten Ausführungsformen
ist das refraktive Material nahezu überall in der gesamten Dicke
der Basisplatte verteilt), tritt eine starke Streuung der eintretenden Lichtstrahlen
auf, bevor sie die Rückseite
der Facetten treffen, was zu einem unscharfen und kontrastarmen
Bild führt.
Die EP-A-0 859 270 offenbart eine entsprechende Lösung, in
der die Rückseite
des Schirms mit einer relativ dicken Schicht eines refraktiven Streumaterials
beschichtet ist.
-
Der japanische Patent Abstract 11
072 849 beschreibt, wie die Entstehung von Regenbogenphänomenen
durch Benutzung einer Fresnellinse reduziert werden kann, wobei
die gesamte Linse, das heißt
sowohl die Linsenbasis als auch die Linsenfacetten, ein refraktives
Streumaterial enthalten. Wie oben beschrieben, wird dies zu einem
unscharfen wie auch kontrastar men Bild führen. Auch die EP-A-0 859 270,
US-A-4 361 382 und der japanische Patent Abstract 10 293 361 zeigen
Schirme, in denen ein refraktives Streumaterial entsprechend der
gesamten Dicke der Linse verteilt ist.
-
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung
einen Schirm bereitzustellen, umfassend eine Oberfläche mit
einer Vielzahl von Linsenfacetten, die sich verbinden, um ein Linsensystem
zur Parallelisierung von divergierenden Lichtstrahlen (insbesondere eine
Fresnellinsenstruktur) zu bilden, und der geeignet ist, um in einem
oder als ein Projektionsschirm zu agieren, und wobei die Probleme
mit Regenbögen und
Doppel- oder Mehrfachbildformationen auf ein Minimum reduziert worden
sind, während
hohe Bildschärfe
und angemessener Kontrast in der Bildtransmission erhalten wird.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
effektives und einfaches Verfahren zur Herstellung von Projektionsschirme
gemäß der Erfindung bereitzustellen.
-
Die obigen und weitere Aufgaben der
Erfindung, die sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung zeigen werden, werden mit einem transluzenten Schirm, wie
definiert durch die Ansprüche
1 und 6, und mit einem Verfahren zur Herstellung eines transluzenten Schirms,
wie in einem der Ansprüche
12, 13 und 14 definiert, erreicht. Ein transluzenter Schirm, umfassend
ein Linsensystem gemäß der Erfindung
enthält ein
refraktives Streumaterial, das entsprechend im wesentlichen der
Linsenfacetten als solche oder entsprechend der Linsenfacetten als
solche und einer Schicht direkt hinter denselben verteilt ist. Es
wurde überraschender
Weise festgestellt, dass dieses Prinzip zu einer sehr verbesserten
Bildtransmission verglichen mit den oben beschriebenen Lösungen führt, wobei
das lichtstreuende Mittel entweder überall in dem gesamten Schirm,
dem gesamten Fresnelschirm oder in dem Teile des Schirms, der am
weitesten entfernt von den Linsenfacetten ist, festgestellt wird.
-
Typischerweise umfasst der transluzente Schirm
ein Schichtelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die
im wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche ist, und wobei die erste
Oberfläche
eine Anzahl von Linsenfacetten umfasst, die sich verbinden, um ein
Linsensystem zur Parallelisierung von divergierenden Lichtstrahlen
zu bilden, die in das Schichtelement von der ersten oder der zweiten
Oberfläche
eindringen. Die zweite Oberfläche
kann im wesentlichen eben sein oder sie kann ein weiteres Linsensystem,
beispielsweise ein linsenförmiges
Linsensystem umfassen.
-
Entsprechend einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
umfasst der Schirm eine einzige „einheitliche" Schicht, das
heißt
die Linsenfacetten sowie die darunterliegende Linsenbasis umfassen
eine gemeinsame Matrix. Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Schirm eine erste Matrix und eine zweite Matrix, wobei
die Linsenfacetten die erste Matrix umfassen und die darunterliegende Linsenbasis
die zweite Matrix umfasst, die letztere typischerweise als eine
durchgängige
Lage in der Form einer Schicht. Die Begriffe „erste und zweite Matrix" werden
benutzt, um zu bezeichnen, dass jede der zwei Matrizen zumindest
eine Eigenschaft aufweist, die die beiden nicht gemeinsam haben.
-
Wenn in der vorliegenden Anmeldung
beschrieben wird, dass ein refraktives Streumaterial oder ein Matrixmaterial
entsprechend im wesentlichen der Linsenfacetten als solche verteilt
wird, heißt das,
dass auch Teile der Linsenbasis, die am nächsten zu den Linsenfacetten
sind, refraktives Material in einer Schicht enthalten können, die
dünn im
Vergleich zu der Dicke der Linsenbasis ist, das heißt weniger
als 10% der Dicke der Basisplatte. Dies beruht typischerweise auf
der Tatsache, dass es oft technisch nicht möglich ist, Streumaterial nur
in den Linsenfacetten zu verteilen, aber „Brücken" von Streumaterial fast
immer zwischen den individuellen Linsenfacetten auftreten. Da eine
Basisplatte typischerweise eine Dicke von 2 bis 3 mm aufweist, heißt das, dass
die Brücken
eine Dicke von ungefähr
0,2 mm aufweisen können.
Dennoch wird es oft möglich
sein, die Dicke beträchtlich,
das heißt
so klein wie 0,005 mm zu verringern, wenn die Linsenbasis in Form
einer festen Platte gegen eine über
die Linsenfacetten verteilte flüssige
Matrix gedrückt
wird.
-
Die Schirme entsprechend der vorliegenden Erfindung
können
in Kombination mit anderen Schirmen benutzt werden und daher braucht
die erste und zweite Oberfläche
des Schirms nicht frei zu sein, kann aber auf oder in Verbindung
mit anderen Schirmelementen montiert werden.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung werden verschiedene Verfahren für eine effektive und einfache
Herstellung von Schirmen gemäß der Erfindung
bereitgestellt.
-
Die Erfindung wird nun in weiteren
Details mit Bezugnahme auf die Figuren erklärt, wobei
-
1 eine
erläuternde
Konfiguration eines Projektionssystems umfassend eine Bildquelle
und einen Projektionsschirm zeigt;
-
2 eine
Schnittdarstellung durch einen Projektionsapparat ist;
-
3 die
beispielhaften Elemente einer Fresnellinse zeigt;
-
4 eine
Schnittdarstellung durch eine erste Fresnellinse ist, um die Transmission
und Reflexion eines Lichtstrahls darzustellen;
-
5 eine
Schnittdarstellung durch eine zweite Fresnellinse ist, um die Transmission
eines Lichtstrahles darzustellen;
-
6 eine
Schnittdarstellung durch einen Projektionsschirm gemäß der vorliegenden
Erfindung, erleuchtet durch eine Bildquelle, ist;
-
7 eine
Schnittdarstellung durch einen Projektionsschirm entsprechend einer
al-ternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
8a–c Schirme
darstellen, hergestellt in einem ersten Verfahren gemäß der Erfindung;
und
-
9a–c Schirme
darstellen, hergestellt in einer alternativen Ausführungsform
gemäß der Erfindung.
-
Bevor die verschiedenen bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird mit Bezugnahme
auf die 1 und 2 eine Erklärung der
generellen Konfiguration der Projektionsanordnung des Typs, der
einen Hinterleinwandprojektionschirm benutzt, angegeben.
-
2 ist
eine Schnittansicht einer Basiskonfiguration eines Projektionssystems
mit einem Hinterleinwandprojektionsschirm, wobei eine Lichtquelle 7, via
einer divergierenden Linse 8, ein Bild in Richtung einer
Fresnellinse 9, die die divergierenden Lichtstrahlen so
ablenkt, dass sie von der Fresnellinse als ein Bündel von parallelen Strahlen,
die alle „normal" zu
der Oberfläche
sind, austreten, projiziert dadurch gefolgt, dass das Licht in der
Streuplatte 10 gestreut wird und es dadurch sichtbar für einen
Betrachter gemacht wird. Es sollte angemerkt werden, dass der Streuschirm
auch eine Linsenstruktur zur Streuung des Lichts aufweisen kann.
-
Als ein Beispiel für ein komplettes
System zeigt 1 einen
senkrechten Schnitt durch einen Projektionsfernseher oder einen
Videoprojektionsapparat. Solch ein Apparat 1 kann mit drei
verschiedenen Fernsehröhren
konstruiert werden, eine Röhre für jede Grundfarbe,
oder, wie in 1 skizziert,
mit einer einzelnen Bildquelle 4 für die Reproduzierung eines
Farb-Bildes auf
dem Schirm 6 via einem Spiegel 5.
-
Mit Bezug auf 3 werden die erläuternden Strukturen und Elemente
für eine
Fresnellinse erläutert
und ebenfalls wird die Nomenklatur, die in der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Aushührungsformen
der vorliegenden Erfindung benutzt wird, eingeführt.
-
Eine Fresnellinse, die sich für die Benutzung in
dieser Erfindung eignet, umfasst eine Linsenbasis oder lediglich
eine Basis in der Form eines annähernd
ebenen Schichtelements 30 mit einer ersten Oberfläche 31 und
einer zweiten Oberfläche 32.
Die erste Oberfläche
umfasst eine Anzahl von Facettenstrukturen (auch Linsenfacetten
genannt) 33, die sich verbinden, um ein Linsensystem in
Form einer Fresnellinse zu bilden, während die zweite Oberfläche in der
gezeigten Ausführungsform
eine annähernd
ebene und glatte Oberfläche
ist, die die Referenzebene der Linse darstellt. Dennoch kann die
zweite Oberfläche
auch ein Linsensystem tragen, beispielsweise ein linsenförmiges Linsensystem.
Oft wird der Begriff Fresnellinse genutzt oder lediglich Linse,
um das gesamte System einer Linsenbasis mit Facetten zu bezeichnen.
Eine Fresnellinse kann entweder aus einer Anzahl von linearen, gegenseitig
paral-lelen Facettenstrukturen
oder einer Anzahl von konzentrischen, ringförmigen, in der Praxis kreisförmigen,
Facettenstrukturen gebildet sein.
-
Die individuelle Facettenstruktur
umfasst die eigentliche Facette 34, auch eine Facettenfläche genannt,
und eine Stufenfläche 35,
die sich gegenseitig in der der Facettenspitze entsprechenden Facettenkante 36 treffen.
Die Stufenflächen
werden oft als „Störflanken"
oder „Steigfacetten"
bezeichnet. Der Bereich zwischen zwei Facettenkanten wird als eine Rille
bezeichnet, und der tiefste Punkt in der Rille wird als Rillenboden 37 bezeichnet.
Der Bereich, der von einer Facette und einer Stufenfläche abgegrenzt ist,
wird als ein Facettenelement 38 oder eine Linsenfacette
bezeichnet. Die Höhe
der Stufenfläche
senkrecht zu der Referenzebene wird auch Höhe der Linsenfacetten oder
Rillentiefe genannt. Die Facetten können eben oder gebogen sein,
aber da es schwierig ist, eine eindeutig definierte Krümmung oder
eine sehr schmale Facette von typischerweise zwischen 0,05 und 0,35
mm, typischischerweise von 0,08 bis 0,12 mm herzustellen, ist es
gewünscht,
dass die Facetten eben sind. Die Facetten sind am steilsten entsprechend
der Linsenperipherie, wo die Facette einen Winkel von typischer
45° relativ
zu der Referenzebene aufweisen kann. In Richtung des mittleren Bereichs
oder des Zentrums der Linse verringert sich die Inklination kontinuierlich
für die
individuellen Facetten, um nahezu parallel mit der Referenzebene
zu werden. Die verschiedenen Winkel der individuellen Facetten bedeuten,
dass sich sowohl die Höhe
von der Stufenfläche
als auch das Volumen der individuellen Facettenelemente in Richtung
des Mittelabschnitts oder Zentrums der Linse verringern. Die Stufenflächen können senkrecht
zu der Referenzebene sein, aber sie können auch eine andere Orientierung aufweisen,
wie weiter unten beschrieben wird. Der Boden der individuellen Rillen
kann sich in annähernd
derselben Ebene oder in verschiedenen Ebenen befinden, aber aus
produktionstechnischen Erwägungen
wird der Abstand von den Rillenböden
zu der Referenzebene gewöhnlich
in Richtung der Linsenperipherie abnehmen.
-
Die verschiedenen Elemente des Schirms, das
heißt
die Facettenelemente und die Platte selbst, sind aus einem oder
mehreren verschiedenen Materialien hergestellt (oft eine Matrix
genannt), wobei ein transparentes, refraktives Mittel, typischerweise
in partikulärer
Form, verteilt werden kann.
-
Das Volumen oder der Gewichtsanteil
des refraktiven Mittels kann sehr wohl das Volumen oder den Gewichtsanteil
des individuellen Basismaterials überschreiten.
-
4 zeigt,
wie ein Lichtstrahl L3 durch eine klare Fresnellinse 20 mit
von der Bildquelle abgewandten Facetten transmittiert wird. Der
Lichtstrahl dringt in die Oberfläche 21 ein,
wird sehr leicht abgelenkt, woraufhin er die aktive Facettenfläche 22 der Fresnellinse
trifft, wo der Strahl in Richtung L4 abgelenkt wird. Ein
Teil des Lichtstrahls wird von der Facettenfläche 22 total reflektiert,
woraufhin er die angrenzende Stufenfläche 23 sowie die angrenzenden Facettenfläche 24 passiert,
um von der Rückseite 25 der
Linse nach vorne und durch die Stu fenfläche 26 reflektiert
zu werden, und erhält
eine unerwünschte Ablenkung L5,
die in den oben beschriebenen Phänomenen
mit der Formation von Regenbögen
und Doppel- und Mehrfachbildformation resultiert. Der gezeigte Lichtstrahl L3 mit
der abgelenkten Reflektion L5 ist nur ein einzelnes Beispiel,
da dort unzählige,
unerwünschte
Lichtstrahlen sind, die das Bild stören werden, z. B. als Doppelbildformation.
-
5 zeigt
eine Ausführungsform
einer Fresnellinse 27, wobei die Stufenflächen 28 so
konfiguriert sind, dass sie parallel mit den divergierenden Lichtstrahlen
L von einer Lichtquelle, angeordnet in einem Abstand, der für den Schirm
gegeben ist, sind, folgend einer Ablenkung von diesen durch die
erste Passage durch die Oberfläche 21.
Dies begegnet der Primärreflektion
in den Stufenflächen,
aber beeinflusst nicht die oben beschriebenen Reflexionen von den
Facettenflächen 29.
-
Für
den Typ von Projektionsschirmen, bei dem die Facetten der Fresnellinsenflächen rückwärts in Richtung
der Bildquelle gewandt sind, tritt die Formation von Regebögen und
Doppel- oder Mehrfachbildformationen in einer entsprechenden Weise
auf, wenn diese von den Lichtstrahlen, die in die Linse durch die
Stufenflächen
eintreten, abgelenkt werden.
-
6 ist
eine Schnittansicht einer erläuternden
Konfiguration eines Projektionssystems mit einem Hinterleinwandprojektionsschirm
in der Form einer Fresnellinse gemäß der vorliegenden Erfindung, und
wobei eine Lichtquelle 7 via einer divergierenden Linse 8 ein
Bild in Richtung einer Fresnellinse 11 projizieren wird.
Es wird sich aus der Figur zeigen, dass die Seite des Schirms, oder
Linse, die in Richtung der Bildquelle gewandt ist, eine Fresnelstruktur 12 aufweist,
um Lichtstrahlen von der Bildquelle abzulenken, so dass die Strahlen
abgelenkt werden, um ein Bündel
von parallelen Strahlen mit einer Orientierung annähernd senkrecht
zu der Schirmebene, bestimmt durch die ebene, vorwärts orientierte
Oberfläche
dieser, zu werden.
-
Wie es sich aus der Figur zeigen
wird, enthalten die Facettenelemente der Fresnellinse und der Teil
des Schirms, der sich am nächsten
zu den Facettenelementen befindet, ein lichtstreuendes Material 13.
Das lichtstreuende Material wird innerhalb des technischen Gebiets,
das sich auf Projektionsschirme bezieht, auch ein Streumaterial
oder ein Massenspreizer genannt. Um als ein lichtstreuendes Mittel
zu dienen, muß der
Brechungsindex des refraktiven Mittels von dem Brechungsindex des
Materials, in dem das Brechungsmittel sich befindet, abweichen.
Es wird sich aus der Figur zeigen, dass die Streuung des individuellen
Lichtstrahls an der Grenzfläche
zwischen dem Teil der Linse, der das lichtstreuende Material enthält, und
dem Teil der Linse, der das lichtstreuende Material nicht enthält, auftritt, aber
dies wird jedoch nur gemacht, um das Prinzip hinter der Erfindung
darzustellen, da natürlich
die Streuung von Licht durch die gesamte Schicht des lichtstreuenden
Materials auftritt.
-
Wenn die Facettenelemente der Fresnellinse und
optional der Teil des Schirms, der sich am nächsten zu den Facettenelementen
befindet, ein lichtstreuendes Material in einer dünnen Lage
enthält, wird
dies eine adäquate
Transmission derjenigen der Lichtstrahlen sicherstellen, die in
den Facettenflächen
mit nur geringer Streuung abgelenkt werden und so daraus folgend
eine gute Bildschärfe
und Kontrast gewährleisten,
wobei diejenigen der Lichtstrahlen, die in den Stufenflächen der
Linse abgelenkt werden, einer vergrößerten Streuung ausgesetzt
werden, und so eine beträchtliche
Verringerung der Reflexionen mit sich bringen, die für die Formation
von Schattenbildern verantwortlich sind.
-
Die Dicke der Lage, die das lichtstreuende Material
enthält,
kann gemäß der gewünschten
Unterdrückung
von Doppelbildformationen gewählt
werden. Beispielsweise kann die Lage eine Dicke aufweisen, die komplett
oder teilweise der Höhe
der Stufenfläche
der Facettenelemente entspricht, oder die Lage kann so dick sein,
dass auch ein Teil der Linsenbasisplatte selbst am nächsten zu
den Facettenelementen auch refraktives Material enthält.
-
Abhängig von dem Verfahren zur
Herstellung der Linse, kann jeweils verschiedenes refraktives Material
für die
Facettenelemente und die Linsenbasisplatte verwendet werden, und
ebenfalls kann die Dichte des refraktiven Materials kontrolliert
werden, wie es weiter unten beschrieben wird. Wenn refraktives Material
in der Linsenbasisplatte benutzt wird, sollte die Dicke der Lage
weniger als 50% der Dicke der Basisplatte betragen, bevorzugterweise
weniger als 20% und am bevorzugtesten weniger als 10%, aber selbst
mit einer relativ dicken Lage aus refraktivem Material wird eine
Verteilung von diesem in Übereinstimmung
mit der Erfindung, das heißt
am nächsten
zu den Facettenelementen, zu einem verbesserten Bild mit einem höheren Kontrastgrad
oder einer verbesserten Bildschärfe
als in dem Fall führen, wenn
die entsprechende Menge des refraktiven Materials in dem Teil der
Linsenbasisplatte angeordnet wurde, der von den Facettenelementen
abgewandt ist, wie beispielsweise beschrieben in der oben diskutierten
EP-A-0 859 270, oder überall
in dem gesamten Linsenschirm, wie beschrieben in der WO 99/53376,
und ebenso oben diskutiert.
-
Eine alternative Ausführungsform
der Erfindung wird in der Figur 7 gezeigt, aus der es sich
ergibt, dass die gesamte Schirmstruktur aus zwei ebenen Schichtelementen,
die jeweils paral-lel
voreinander angeordnet sind, besteht, wobei das Schichtelement 16 sich
am nächsten
zu der Bildquelle befindet, ausgestattet mit einer Fresnellinse 19 auf
der Seite der Platte, die von der Bildquelle 7 abgewandt
ist, und wo das Schichtelement 15, das in Richtung des Betrachters
gewandt ist, mit einer lichtstreuenden Beschichtung oder Struktur
ausgestattet ist. Es wird sich aus der Figur ergeben, dass sich
das refraktive Material nur entsprechend der Facettenelemente 17 so
befindet, dass der restliche Teil der Fresnellinse klar ist. Dies
beruht auf der Tatsache, dass ein Teil des notwendigen Streueffekts
in dem bilderzeugenden Element 15 auftritt, das aus einem
klaren Trageelement 18 besteht, mit einer Streulage 18a mit
der Dicke B am nächsten
zu der Fresnellinse. Wie anfänglich
diskutiert, wird eine erhöhte
Lichtintensität
in den Ecken erhalten, wenn die Fresnelfacetten von dem Projektor 7 abgewandt
sind, aber da ungefähr 6%
des Lichts auch durch Transition zu dem Element 15 verloren
geht, ist der Gewinn arm, nur ungefähr 5 bis 10%.
-
Außerdem haben Tests gezeigt,
dass der Kontrast wesentlich in einem Schirm entsprechend 6 verbessert ist, da nur
das Licht in 4, das durch
das Schichtelement 18 eindringt, von der Fresnellinsenoberfläche 19 in
Richtung des Betrachters reflektiert wird.
-
Im Folgenden werden verschiedene
bevorzugte Ausführungsformen
für die
Herstellung eines Schirms, umfassend eine Fresnellinsenstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung und der dazu entsprechenden Schirme beschrieben. Spezieller
werden zwei verschiedene Prinzipien der Herstellung beschrieben,
die jeweils auf die Herstellung von relativ großen Fresnellinsen auf einem
begrenzten Maßstab und
die Herstellung von relativ kleinen Fresnellinsen auf einem großen Maßstab abzielen.
-
Beispiele lichtstreuender Mittel,
die nachfolgend erwähnt
werden, beinhalten Kalziumkarbonat, Siliziumoxid oder Glasperlen,
die eine typische mittlere Parikelgröße von 5 bis 25 μm aufweisen.
Kalziumkarbonat ist ein sehr weiches Material und wird daher nicht
die Form verletzen, und dasselbe trifft auf Glasperlen zu, die annähernd sphärisch sind.
Glasperlen sind allerdings mit dem Nachteil verbunden, dass sie
gesamtreflektierend sein können.
Siliziumoxid hat sehr gute optische Eigenschaften, aber ist ein kristallines
Material mit scharfen Ecken mit einer sich daraus ergebenden verstärkten Abnutzung
der Form. Die endgültige
Wahl des lichtstreuenden Mittels wird eine Abwägung von Vorteilen und Nachteilen
für das ausgewählte Herstellungsverfahren
und für
die beabsichtigte Benutzung der Linse mit sich bringen.
-
Gemäß des ersten Verfahrens wird
eine geschlossene Form für
eine Fresnellinse annähernd horizontal
angeordnet, so dass die negative Form für das Fresnelmuster als solche
den Boden der Form darstellt und somit aufwärts gewandt ist. Die Form wird
dann mit einer Matrix in der Form eines härtenden, fluiden Kunststoffmaterials,
beispielsweise PMMA oder eine Mischung aus PMMA und Styrol oder
anderen geeigneten Kunststoffmaterialien mit den gewünschten
optischen und mechanischen Eigenschaften, gefällt, dem ein lichtstreuendes,
transluzentes Material zugemischt worden ist, typischerweise in
partikulärer
Form. Dem Füllen
der Form mit dem fluiden Kunststoffmaterial nachfolgend, wird es ihr
erlaubt zu ruhen, bis das lichtstreuende Material in Richtung des
Bodens der Form gefällt
wurde, das heißt
sich entsprechend der Facettenelemente sedimentiert hat. Das refraktive
Material wird mit einer annähernd
konstanten Lagendicke überall
in der gesamten Bodenfläche
der Form sedimentieren, und es folgt, dass abhängig von der Menge des refraktiven Materials
die Facettenelemente entsprechend des periphären Abschnitts der Fresnellinse,
wo die Facettenelemente am tiefsten sind – wie oben diskutiert – komplett
oder teilweise mit refraktivem Material gefüllt werden. Der Sedimentierung
des refraktiven Materials folgend, wird das Kunststoffmaterial gehärtet – beispielsweise
durch Anwendung von Hitze – dadurch
gefolgt, dass die fertige Linse aus der Form entnommen werden kann.
Andere Verfahren des Härtens
des Kunststoffmaterials können
die Benutzung eines Zwei-Komponenten, autopolymerisierenden Kunststoffmaterials
vorsehen.
-
Mit dem zuvor Angeführten als
Startpunkt ist es möglich,
die Verteilung des lichtstreuenden Materials in der Matrix durch
Steuern der Sedimentationsrate und des Härtungsprozesses zu steuern.
Abhängig
von dem gewählten
lichtstreuenden Material auf der einen Seite und von den viskosen
Eigenschaften der ausgewählten
Matrix auf der anderen Seite, wird das lichtstreuende Material mit
einer gegebenen Rate sedimentieren. Durch Beginnen des Härtungsprozesses
zu einem Zeitpunkt, bei dem die gewünschte Verteilung erhalten
wurde, wird es möglich, das
lichtstreuende Material in der Matrix zu „blockieren". Da der größte Teil
des Härtungs-
oder Polymerisationsprozesses nicht einen augenblicklichen, sondern
einen sich einigermaßen
hinziehenden Verlauf aufweist, wird sich das lichtstreuende Material natürlich weiter
abwärts
in Richtung der Facetten bewegen, aber es kann dennoch relativ schnell
abgebremst werden, wenn die Matrix beginnt sich auszuhärten oder
zu polymierisieren.
-
8c ist
ein Beispiel, in dem das lichtstreuende Material entsprechend einer
Verteilung in ungefähr
der Hälfte
der Dicke des Schirms 40c, der in Richtung der Facetten 41c gewandt
ist, blockiert ist. Diese Konfiguration stellt auf der einen Seite
eine Unterdrückung
der Doppel-Bildformation
sicher, auf der anderen Seite, dass eine relativ dünne bilderzeugende
Lage formiert ist. Wie oben erwähnt
ist, stellt eine dünnere,
bilderzeugende Lage ein klarere Bild sicher. 8a zeigt ein Beispiel, in dem das lichtstreuende Material
zu dem Boden in den Linsenfacetten 41a gesunken ist, wobei
das lichtstreuende Material dort konzentriert ist, wo es den maximalen
Effekt hat, um Doppelbildformationen zu unterdrücken, d. h. entsprechend der
Spitzen 42 der Linsenfacetten. Wie in der Figur angedeutet,
wird das lichtstreuende Material typischerweise in einer solchen
Art sedimentieren, dass ein relativ erhöhter Teil der Stufenflächen 43 mit dem
Material bedeckt ist, verglichen zu den Linsenflächen 44a selbst, dadurch,
für eine
gegebene Menge des lichtstreuenden Materials, die bestmögliche Abschwächung der
Doppelbildformation sicherstellend.
-
Es wird angemerkt, dass wenn dieselbe Menge
an lichtstreuendem Material pro Flächeneinheit sedimentiert, dass
die tiefen, peripheren Facetten nur in einem geringeren Ausmaße gefüllt werden. Dies
kann durch Benutzung einer Kombination von Gießen in eine offene oder geschlossene
Form kompensiert werden, so dass eine fluide Matrix mit einem lichtstreuenden
Material vorrangig in den Rillen verteilt wird, wobei es sichergestellt
wird, dass die tiefen Facetten eine größere Menge an lichtstreuendem Material
empfangen. Die Form wird anschließend geschlossen, und der Schirm
wird, wie oben beschrieben, durch Benutzung einer Matrix mit oder
ohne zusätzlichem
lichtstreuenden Material gegossen. Offensichtlich muß das Füllen zu
einem Zeitpunkt erfolgen oder in einer solchen Weise erfolgen, dass
das in die Fa cetten gefüllte
lichtstreuende Material nicht weggespült wird. 8b zeigt ein Beispiel des letzteren Verfahrens,
wobei angemerkt wird, dass die tiefen, pertpheren Facetten 41b eine
größere Menge von
lichtstreuendem Material enthalten, als die flacheren, zentralen
Facetten 45b. Wenn die in die Form gegossene Matrix auch
ein lichtstreuendes Material enthält, wird es möglich sein,
einen Schirm fertigzustellen, der eine Kombination des in den 8b und 8c gezeigten Gegenstands sein wird, und
ebenfalls wird es möglich
sein, verschiedene lichtstreuende Materialien zu benutzen.
-
Da das oben genannte Problem der
Doppelbildformation von sowohl der Inklination der Facettenflächen als
auch der Höhe
Stufenflächen
abhängt, wird
sich das Problem der Doppel-Bildformation
mit der vergrößerten Inklination
der individuellen Linsenfacetten verstärken, so dass die Doppelbildformation sich
mit größerem Radius
verstärkt.
Es ist daher zweckdienlich, dass die größte Menge von Material in den
tiefsten Facetten gefunden wird.
-
Also können Schirme, die gemäß der Erfindung
geliefert werden, nun alleine genutzt oder mit anderen Schirmen
kombiniert werden (wie jeweils in den 6 und 7 gezeigt), entweder durch
beispielsweise Kleben oder einfache mechanische Montierung entsprechend
am Randabschnitt des Schirms.
-
Gemäß dem zweiten bevorzugten Verfahren, wird
eine Form für
eine Fresnellinse im wesentlichen horizontal angeordnet, so dass
die negative Form für das
Fresnelmuster als solches den Boden der Form darstellt und daher
zeigt es aufwärts.
Dann wird ein härtbares,
relativ mobiles Kunststoffmaterial, in das ein lichtstreuendes Material,
typischerweise in partikulärer
Form, zugemischt worden ist, verteilt, so dass es einen großen oder
schmalen Abschnitt der Form bedeckt. In dem nächsten Schritt des Verfahrens
zur Herstellung wird eine ebene Platte auf der Oberseite der Form
angeordnet und sie wird nach unten in Richtung derselben gedrückt, wobei
das mobile Kunststoffmaterial über
die Form verteilt wird und so daher zu den Facettenelementen gefüllt wird,
wobei eine dünne
Lage aus refraktivem Material direkt hinter den Facettenelementen
in den fertigen Fresnellinsen geformt wird. Die ebene Platte kann
eine klare Kunststoffplatte sein, eine klare Kunststoffplatte beschichtet
mit einer Beschichtung enthaltend ein refraktives Material auf der
Seite, oder es kann eine Platte sein, die überall ein refraktives Material
enthält. Außerdem kann
die Platte kontrastverstärkende
Materialien enthalten oder damit beschichtet sein, solche wie Schwarzkohle,
Anilinfarben oder eine sogenannte „Microlouver"-Lage, beispielsweise
vertrieben von 3M (Minnesota, USA) oder Nitto Denko (Japan). Die
Platte kann auch mit einer Antireflexbeschichtung auf der Seite
beschichtet sein, die ihrer freien Oberfläche entspricht. Auf die Positionierung der
Platte folgend wird das Kunststoffmaterial gehärtet, beispielsweise durch
Aussetzen an Hitze oder UV-Licht,
angewendet durch die Platte, dadurch gefolgt, dass die fertiggestellte
Linse aus der Form entfernt werden kann.
-
9a zeigt
ein Beispiel mit einer Platte 50a, wobei das lichtstreuende
Material entsprechend einer Verteilung in den Facetten 51a,
unmittelbar nachdem das Plastikmaterial in die Facettenrillen verteilt worden
ist, blockiert ist, und 9b zeigt
ein Beispiel, in dem das lichtstreuende Material Möglichkeit hatte,
in den Facetten 51b zu sedimentieren, bevor es durch Härten des
Kunststoffmaterials gebunden wurde. 9c zeigt
ein Beispiel, in dem die Platte 50c mit einer Lage 52c beschichtet
wurde, die entweder eine kontrasterhöhende Be-schichtung oder ein bilderzeugendes
Material sein kann. Die Platte kann auch ein weiteres Material enthalten,
und ebenfalls kann es eine Beschichtung auf nur einer oder beiden Seiten
umfassen.
-
Eine Linse hergestellt gemäß dem ersten Verfahren
wird nur aus einem einzigen Basismaterial (oder Matrix) bestehen,
wobei eine Linse, hergestellt in Übereinstimmung mit dem zweiten
Herstellungsverfahren, entsprechend zwei Basismaterialien für Platte
und Linsenfacetten aufweisen kann, oder jeweils drei Basismaterialien
für Platte,
Beschichtung und Lin senfacetten. Wie oben beschrieben, können die
Facetten und die Platte verschiedene refraktive Materialien enthalten,
insbesondere können
die Linsenfacetten aus einem Material mit einem Brechungsindex bestehen,
der unterschiedlich von dem des Materials bzw. der Materialen ist,
aus dem der Rest des Schirms besteht.
-
Wenn ein refraktives Material benutzt
werden kann, sollte es eine annähernd
sphärische
Form ohne scharfe Kanten aufweisen, um die Abnutzung der Form zu
reduzieren.
-
Es wird angemerkt, dass die 8a bis c und 9a bis c nur
Schirme als solche darstellen, und nicht die Formen, die für deren
Herstellung nötig
sind.
-
Typische Dimensionen für eine Fresnellinse, hergestellt
in Übereinstimmung
mit den oben beschriebenen Verfahren, wird eine Fresnelstruktur
mit einer Rillenweite zwischen 0,05 und 0,18 mm, bevorzugt zwischen
0,08 und 0,12 mm, einer Platte mit einer gesamten Dicke von 2 bis
3 mm und einer Beschichtung, wenn vorhanden, von typischerweise
0,1 bis 0,3 mm sein. Die tiefsten Rillen auf einem 50 bis 60 Zoll-Schirm
(diagonal gemessen) werden typischerweise ungefähr 0,12 mm sein.
-
Dennoch ist es innerhalb des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung, dass die endgültige Wahl von Dimensionen
und Materialien eine Abwägung
von Vorteilen und Nachteilen der gewählten Herstellungsverfahren
sowie der beabsichtigten Benutzung der Linsen und daher der gewünschten
optischen Eigenschaften mit sich bringen wird.