DE69931195T2

DE69931195T2 - Rückprojektionsschirm mit raster aus linsen mit unterschiedlicher brechkraft

Info

Publication number: DE69931195T2
Application number: DE69931195T
Authority: DE
Inventors: S. Robert Saint Paul MOSHREFZADEH; C. John Saint Paul NELSON; A. Patrick Saint Paul THOMAS
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: KR100632910B1; JP2003520982A; US6624934B1; KR20020013582A; TW429332B; CA2375417A1; AU1223800A; CN1361881A; DE69931195D1; EP1203263B1; DK1203263T3; WO2000079340A1; EP1203263A1

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen durchlässige Bildschirme und insbesondere durchlässige Bildschirme, die zur Verwendung in Rückprojektionssystemen geeignet sind.
Rückprojektionsschirme sind im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie ein Bild, das auf die Rückseite des Bildschirms projiziert wird, in einen Betrachtungsraum übertragen. Der Betrachtungsraum des Projektionssystems kann verhältnismäßig groß (z.B. Rückprojektionsfernseher) oder verhältnismäßig klein (z.B. Rückprojektionsdatenmonitore) sein. Die Leistung eines Rückprojektionsschirms kann vermittels verschiedener Charakteristiken des Bildschirms beschrieben werden. Typische Bildschirmcharakteristiken, die verwendet werden, um die Leistung eines Bildschirms zu beschreiben, umfassen Verstärkung, Betrachtungswinkel, Auflösung, Kontrast, das Vorhandensein von unerwünschten Artefakten, wie beispielsweise Farbe und Fleck, und dergleichen. Es ist im Allgemeinen wünschenswert, einen Rückprojektionsschirm zu haben, der eine hohe Auflösung, einen hohen Kontrast und eine große Verstärkung aufweist. Es ist auch wünschenswert, dass der Bildschirm das Licht über einen großen Betrachtungsraum verbreitet. Wenn, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, eine Bildschirmcharakteristik verbessert wird, verschlechtern sich unglücklicherweise oft eine oder mehr andere Bildschirmcharakteristiken. Um zum Beispiel die Bildschirmverstärkung unter Verwendung derselben Gesamtstruktur zu erhöhen, wird der Betrachtungswinkel, über welchen der Bildschirm leicht beobachtbar ist, normalerweise verkleinert. Folglich sind bestimmte Kompromisse bei den Bildschirmcharakteristiken und der Bildschirmleistung zu machen, um einen Bildschirm zu erzeugen, der eine annehmbare Gesamtleistung für eine bestimmte Rückprojektionsanzeigeanwendung aufweist.
Demnach besteht nach wie vor ein Bedarf an Bildschirmen, welche eine verbesserte Gesamtleistung aufweisen, während sie die Mindestleistungskriterien erfüllen, die für die Rückprojektionsanzeigeanwendung notwendig sind, in welcher der Bildschirm verwendet wird.
Kurzdarstellung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Rückprojektionsschirmanordnungen und insbesondere Rückprojektionsschirme, welche Linsensrasterfilme als Lichtdispersionskomponenten verwenden. Ein Linsenrasterfilm weist linsenförmige Linsen mit verschiedenen Brechwerten auf, und er kann linsenförmige Linsen aufweisen, die in zweidimensionalen Strukturen ausgebildet sind. Die Erfindung beabsichtigt, die Gleichmäßigkeit der Helligkeit über den gesamten Bildschirm, wie von einem Betrachter gesehen, der sich in einer bestimmten Position befindet, zu verbessern. Die bestimmte Position wird normalerweise so ausgewählt, dass sie der wahrscheinlichste Aufenthaltsort des Betrachters für die jeweilige Anwendung ist.
In einer Ausführungsform ist die Erfindung ein Rückprojektionsschirm zur Verwendung mit einer Lichtquelle und weist ein Substrat mit ersten und zweiten Durchlässigkeitsbereichen auf. Eine erste Linsenrasterstruktur ist auf mindestens einem Abschnitt einer ersten Oberfläche des Substrats, um dem Substrat einen optischen Brechwert zu verleihen. Ein erster Bereich der Linsenrasterstruktur weist Fokussierelemente mit einer ersten Brennweite auf, und ein zweiter Bereich der Linsensrasterstruktur weist Fokussierelemente mit einer zweiten Brennweite auf, die sich von der ersten Brennweite unterscheidet.
In einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung ein Rückprojektionsschirm, welcher ein Substrat mit einer ersten Oberfläche mit einer Linsenrasterstruktur auf der ersten Oberfläche aufweist. Fokussierelemente der ersten Linsenrasterstruktur sind im Wesentlichen nicht linear in der Ausdehnung auf der ersten Oberfläche, wobei benachbarte Fokussierelemente im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, um eine zweidimensionale Linsenrasterstruktur zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist ein Bildschirm erste transparente Lichttransmissionsmittel zum Durchlassen von Licht und Lichtdispersionsmittel, die auf mindestens einer Oberfläche der Lichttransmissionsmittel angeordnet sind, auf, wobei die Lichtdispersionsmittel mehrere Lichtfokussiermittel zum Fokussieren von Licht, das durch die Transmissionsmittel durchtritt, aufweisen. Mindestens eines der Lichtfokussiermittel weist eine Brennweite auf, die sich von einer Brennweite eines anderen Lichtfokussiermittels unterscheidet.
Die zuvor dargelegte Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt nicht, jede veranschaulichte Ausführungsform oder jede Implementierung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Figuren und die ausführliche Beschreibung, die folgen, erläutern diese Ausführungsformen genauer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser zu verstehen, wobei:
1 eine Rückprojektionsanzeige veranschaulicht;
2A und 2B Querschnittansichten von jeweiligen Ausführungsformen von Rückprojektionsanzeigen veranschaulichen;
3 optische Verstärkungskurven, die in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel eingezeichnet sind, für vertikale und horizontale Winkel darstellt;
4A einen bekannten Linsenrasterfilm veranschaulicht;
4B einen Querschnitt durch den Linsenrasterfilm von 4A veranschaulicht;
5A einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft gemäß einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5B einen Querschnitt durch den Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft von 4A veranschaulicht;
5C Betrachtungswinkel für verschiedene Abschnitte der linsenförmigen Linse mit veränderlicher Brechkraft, die in 5A und 5B dargestellt ist, veranschaulicht;
6 einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft gemäß einem alternativen Beispiel zur vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7A bis 7D linsenförmige Linsen mit veränderlicher Brechkraft und mit verschiedenen Ortskurvenlinien gemäß drei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, 7A bis 7C, und gemäß einem alternativen Beispiel, 7D, schematisch veranschaulichen;
8 eine linsenförmige Linse mit veränderlicher Brechkraft und mit zwei gekreuzten Linsenrasterstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9A einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft, der auf einen Volumendiffusorfilm laminiert ist, gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9B einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft, der Volumendiffusionsteilchen umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9C einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft und mit einer Lichtdispersionsfläche gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10A bis 10C zweidimensionale Linsenrasterstrukturen gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
11A einen Linsenrasterfilm mit veränderlicher Brechkraft, der Linsen mit versetzten optischen Achsen aufweist, gemäß einem alternativen Beispiel zur vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
11B bis 11D verschiedene Querschnitte von linsenförmigen Linsen veranschaulichen;
12 die Struktur einer Abtastschirmanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
13 Verstärkung als eine Funktion des Betrachtungswinkels für Punkte in der Mitte und am Rand der Abtastschirmanordnung veranschaulicht; und
14 eine Teilverstärkung zwischen dem Rand und der Mitte der Abtastschirmanordnung veranschaulicht.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen empfänglich ist, wurden Besonderheiten davon als Beispiel in den Zeichnungen dargestellt und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf bestimmte Ausführungsformen davon zu beschränken. Im Gegenteil ist beabsichtigt, dass alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen erfasst werden, die in den Rahmen der Erfindung fallen, wie durch die angehängten Ansprüche definiert.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf eine Anzahl von verschiedenen Bildschirmanordnungen anwendbar, und sie ist insbesondere für Bildschirmanordnungen geeignet, die in Rückprojektionssystemen verwendet. werden. Konkret ist die vorliegende Erfindung in Anwendungen vorteilhaft, in welchen die wahrscheinlichste Position des Betrachters oder der Betrachter bekannt ist; die Erfindung ist beim Lenken von Licht von allen Abschnitten des Bildschirms zur wahrscheinlichsten Betrachterposition verwendbar, um die Gleichmäßigkeit der Helligkeit über den Bildschirm zu erhöhen.
Die Rückprojektionsanzeige 100 wird unter Bezugnahme auf 1, 2A und 2B beschrieben. Die Anzeige weist einen Bildprojektor 102, der ein Bild auf die Rückseite eines Bildschirms 104 projiziert. Das Bild wird durch den Bildschirm 104 übertragen, derart dass ein Betrachter 106, der sich an irgendeinem Punkt jenseits des Bildschirms 104 befindet, das Bild 108 sehen kann, das durch den Bildschirm 104 projiziert wird. Die Rückprojektionsanzeige 100 kann zum Beispiel ein Rückprojektionsfernseher oder ein Rückprojektionscomputermonitor oder jede andere Rückprojektionsanzeigevorrichtung sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Bildprojektor 102, der auf einer Flüssigkristallanzeige (LCD) basiert, in der Rückprojektionsanzeige 100 verwendet werden, um ein Bild auf die Rückfläche der Bildschirmanordnung 104 zu projizieren. Die Rückprojektionsanzeige kann in der Größe von verhältnismäßig kleinen Datenmonitoren zu Fernsehern mit großen Bildschirmen und Videoleinwänden variieren. Die Projektionsanzeige 100 kann auch auf einem gefalteten Bildprojektionsweg innerhalb ihres Gehäuses beruhen, wie beispielsweise die verschiedenen Projektionssysteme, die in der europäischen Patentanmeldung EP783133 mit dem Titel „Projecting Images" beschrieben werden. Wie aus den folgenden Beschreibungen ersichtlich ist, profitieren solche Systeme insbesondere von der Verwendung der verschiedenen Bildschirmanordnungen, die im Folgenden beschrieben werden.
Es erfolgt nun eine ausführlichere Beschreibung der verschiedenen Bildschirmcharakteristiken. Eine wichtige Bildschirmcharakteristik ist die Verstärkung. Die Verstärkung eines Bildschirms stellt die Helligkeit des Bildschirms als eine Funktion des Betrachtungswinkels dar. Die Verstärkung wird normalerweise unter Verwendung eines idealen Lambert-Reflektors kalibriert, wobei die Verstärkung des idealen Lambert-Standards für alle Winkel auf 1 eingestellt wird. Die Spitzenverstärkung eines Bildschirms (oder Bildschirmelements) entspricht der höchsten Verstärkung bei irgendeinem Winkel. Zum Beispiel ist die Spitzenverstärkung eines Volumendiffusorschirms, der von hinten bei einem senkrechten Einfall beleuchtet wird, normalerweise für das Licht zu beobachten, das durch den Bildschirm in einem Winkel senkrecht auf die Bildschirmoberfläche durchgelassen wird.
Eine andere wichtige Bildschirmcharakteristik ist der Betrachtungswinkel. Der Betrachtungswinkel eines Bildschirms, wie hierin verwendet, ist der Winkel, in welchem die Verstärkung des Bildschirms auf die Hälfte der Spitzenverstärkung abfällt. In vielen Situationen entspricht der Betrachtungswinkel dem Winkel, bei welchem die Intensität des übertragenen Bildes auf die Hälfte der Intensität von Licht abfällt, das senkrecht auf die Bildschirmoberfläche durchgelassen wird.
Die konkrete Anwendung eines Rückprojektionssystems bestimmt den gewünschten Betrachtungswinkel. Es ist normalerweise vorteilhaft, so viel Licht als möglich vom Bildschirm in den Bereich zu lenken, in dem der Betrachter sich am wahrscheinlichsten befindet. Wenn die Rückprojektionsanzeige zum Beispiel ein Datenmonitor ist, ist der Betrachter in Bezug auf den Bildschirm normalerweise mittig und innerhalb einer Entfernung von ungefähr drei Fuß davon positioniert. Die Augen des Betrachters können über einer Linie positioniert sein, die senkrecht auf die Mitte des Bildschirms ist, aber der Betrachter betrachtet den Bildschirm normalerweise nicht von einer Entfernung, die so viel wie einen oder zwei Fuß über dem Bildschirm ist. Außerdem ist es aus Gründen der Privatsphäre und der Sicherheit möglicherweise wünschenswert, die Lichtmenge zu verringern, die vom Bildschirm in einem Winkel von z.B. 30 Grad oder mehr in Bezug auf eine Normale auf den Bildschirm austritt. Dies verringert die Möglichkeit, dass jemand, der weit weg von der Achse des Bildschirms positioniert ist und vielleicht keine Berechtigung hat, die Inhalte des Bildschirms zu sehen, die Informationen auf dem Bildschirm sieht.
Eine andere Anwendung für einen Rückprojektionsschirm ist in einem Heimfernsehsystem, wobei im Allgemeinen gewünscht wird, das Bild vom Bildschirm horizontal über einen großen Winkel zu projizieren, da es üblich ist, dass Betrachter in einer anderen Position als direkt vor der dem Fernsehbildschirm sitzen. Andererseits schauen wenige Betrachter von einer Position auf den Fernsehbildschirm, die wesentlich über oder unter dem Bildschirm ist, weshalb üblicherweise gewünscht wird, den Betrachtungswinkel in der vertikalen Richtung, über welche das Bild übertragen wird, zu verkleinern. Demgemäß ist der Betrachtungswinkel für einen Fernseher normalerweise in der vertikalen Richtung kleiner als in der horizontalen Richtung. Außerdem wird die vertikale Divergenz des Lichts von einem Fernsehbildschirm in Bezug auf eine Normale vom Bildschirm vorzugsweise nach unten geneigt. Dies ermöglicht es zum Beispiel, dass Betrachter vom Boden aus fernsehen. Es ist nicht so wichtig, Licht vom Fernsehbildschirm nach oben abzulenken, da Betrachter normalerweise nicht für eine längere Zeit zum Fernsehen stehen.
Nunmehr bei Betrachtung der Veranschaulichung von 2A wird das Bildlicht 110, das durch den Bildprojektor 102 erzeugt wird, zur Bildschirmanordnung 124 gelenkt. Die Bildschirmanordnung 124 weist normalerweise mehrere verschiedene Schichten zum Steuern des Bildes auf, das durch den Betrachter gesehen wird, und sie weist eine Dispersionsschicht oder -schichten 134 und eine Glasplatte 136, um eine Unterstützung zu bieten, auf. Die Dispersionsschicht 134 streut oder diffundiert Licht, das durch einen bestimmten Punkt des Bildschirms durchtritt, in einen konischen Winkel, derart dass ein Betrachter auf der entfernten Seite des Bildschirms das Bildlicht von diesem konkreten Punkt erfassen kann. Es ist zu erkennen, dass die Dispersionsschicht 134 Licht normalerweise von allen Punkten über den Bildschirm streut, derart dass der Betrachter das ganze Bild sehen kann, das durch den Bildprojektor 102 auf die Bildschirmanordnung 124 projiziert wird.
Der axiale Strahl von Licht 112 wird durch die Dispersionsschicht 134 gestreut, um einen Betrachtungswinkel von 2 θ zu erzeugen. Die außeraxialen Lichtstrahlen 110 vom Bildprojektor 102 beleuchten den Rand der Bildschirmanordnung 124 und sind vom axialen Strahl 112 durch einen Winkel von α getrennt. Wenn die außeraxialen Strahlen 110 durch die Dispersionsschicht durchtreten, werden sie durch ±θ um einen Strahl 111 herum, das heißt in einem Winkel α in Bezug auf eine Bildschirmnormale, gestreut. Es ist zu erwähnen, dass der Betrachtungswinkel am Rand des Bildschirms nicht derselbe wie der Betrachtungswinkel in der Mitte des Bildschirms zu sein braucht, da der Lichtdispersionsvorgang für den Einfallswinkel von Licht von der Bildlichtquelle empfänglich sein kann.
Eine andere Bildschirmanordnung 104 ist in 2B veranschaulicht, in welcher Licht 110 vom Bildprojektor 102 durch eine Fresnel-Linse 113 kollimiert wird, bevor es auf der Dispersionsschicht 114 auftrifft. Die Dispersionsschicht 114 wird auf einer Trägerschicht 116 getragen, welche zum Beispiel ein Glasschirm sein kann. In diesem Fall wird das gestreute Licht, das durch den Rand des Bildschirms 104 durchgelassen wird, um einen Strahl 115 herum gestreut, der senkrecht auf den Bildschirm ist. Ein Vorteil der Bildschirmanordnung 104 gegenüber der Bildschirmanordnung 124 ohne jegliche Fresnel-Linse ist, dass der Winkel verkleinert wird, durch welchen Licht vom Rand des Bildschirms zu streuen ist, um von einem axialen Betrachter erfasst zu werden. Da die Intensität von gestreutem Licht im Allgemeinen bei vergrößertem Dispersionswinkel abnimmt, scheint das Bild, das von einem Betrachter auf der Bildschirmanordnung 104 mit einer Fresnel-Linse gesehen wird, normalerweise eine gleichmäßigere Intensität über den Bildschirm aufzuweisen, als wenn keine Fresnel-Linse verwendet wird.
Ein Beispiel einer gewünschten Verstärkungscharakteristik für einen Fernsehbildschirm ist in 3 veranschaulicht. Die Figur veranschaulicht zwei Kurven 302 und 304, welche die Verstärkung zu einem Betrachtungswinkel ^D _C in Beziehung setzen, wie sie für einen Bildschirm erhalten werden könnten, der in einem Fernseher verwendet wird. Die breitere Kurve 302 veranschaulicht die Verstärkung G als eine Funktion des Winkels ^D _C in einer horizontalen Richtung. Mit anderen Worten, dies beschreibt die Helligkeit des Bildschirms, die von einem Betrachter wahrgenommen wird, wenn der Betrachter sich seitlich vom Bildschirm wegbewegt. Der horizontale Betrachtungswinkel ^D _CH ist der Winkel, bei welchem die Intensität des horizontal gestreuten Lichts auf die Hälfte der axialen Intensität oder auf die Hälfte der maximalen Intensität abfällt.
Die schmalere Kurve 304 stellt die Abhängigkeit der Verstärkung als eine Winkelfunktion in Bezug auf den Bildschirm in einer vertikalen Richtung dar. Wie bereits erwähnt, wird in einer Fernseheranwendung normalerweise gewünscht, dass das Bild vom Bildschirm vertikal in einem verhältnismäßig schmalen Bereich von Winkeln gelenkt wird, um zu vermeiden, dass Licht vergeudet wird, dass sonst den Boden und die Decke beleuchten würde, wodurch die Bildschirmhelligkeit erhöht wird, die vom Betrachter wahrgenommen wird. In diesem Fall ist der vertikale Betrachtungswinkel ^D _CV, der Dispersionswinkel, bei welchem die Lichtintensität eine Hälfte der axialen Intensität oder eine Hälfte der maximalen Intensität ist, erheblich kleiner als der horizontale Betrachtungswinkel ^D _CH. Demgemäß ist zu erkennen, dass es mehrere Anwendungen für Rückprojektionsschirme gibt, in welchen der Betrachtungswinkel nicht symmetrisch ist, mit anderen Worten, der vertikale Betrachtungswinkel ^D _CV sich vom horizontalen Betrachtungswinkel ^D _CH unterscheidet. Außerdem braucht der Betrachtungswinkel in einer Richtung, zum Beispiel der vertikalen Richtung, keine symmetrische Winkelfunktion zu sein. Zum Beispiel kann die Verstärkung in der vertikalen Richtung bei zunehmendem Winkel über die Bildschirmachse schneller abfallen als für abnehmenden Winkel unter die Bildschirmachse, wie für Kurve 306 dargestellt, welche ihre Spitzenverstärkung bei θ = 0° aufweist, aber mehr Licht nach unten als nach oben wirft.
Die vorliegende Anmeldung ist an Dispersionsfilme zur Verwendung in einer Bildschirmanordnung gerichtet, wobei der Dispersionsfilm eine Linsenrastermatrix, normalerweise in Form eines Films, aufweist. Eine bekannte Linsenrastermatrix 400 ist in 4A schematisch dargestellt. Die Linse 400 ist aus einer Anzahl von linsenförmigen Zylinderlinsen 402 in paralleler Anordnung gebildet. In diesem konkreten Beispiel weist jede linsenförmige Linse 402 eine Breite d auf und erstreckt sich in der Länge von einem ersten Rand 406 der Matrix 400 zu einem anderen Rand 408. Man beachte die Achsen, welche die X-Y-Ebene als die Ebene der Linsenrastermatrix 400 und die Z-Richtung als die Hauptrichtung der Fortpflanzung von Licht durch die Matrix 400 bezeichnen. Die X-Richtung kann als die horizontale Richtung und die Y-Richtung als die vertikale Richtung angesehen werden.
Eine Querschnittansicht durch die Linsenrastermatrix 400 ist in 4B veranschaulicht. Die mittlere Linse 412 weist eine optische Achse 410 auf. Lichtstrahlen 414 und 416 treten durch die Ränder der Linse 412 durch, werden zu einem Fokus gebracht und divergieren dann in einem Winkel θ, wobei θ ≈ d/2f₀ und f₀ die Brennweite der Linse 412 ist. Gleichermaßen werden Lichtstrahlen 424 und 426 durch eine Endlinse 422 durchgelassen, und Lichtstrahlen 434 und 436 treten durch die Linse 432 am anderen Rand der Linsenrastermatrix 400 durch. Alle der Linsen 402, 412, 422 und 432 in der Matrix 400 weisen dieselbe Brennweite f₀ auf, wie durch die Linie L_i veranschaulicht, welche durch die Fokusse gezeichnet ist, die durch jede Linse 402, 412, 422 und 432 gebildet werden.
Solche Linsenrastermatrizen werden in Rückprojektionsschirmen verwendet, um das Licht entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung, zu streuen. Da die Dispersion von Licht durch diese Ausführungsform einer Linsenrastermatrix unidirektional ist, können zwei gekreuzte Linsenrastermatrizen verwendet werden, um Licht entlang der X- und der Y-Richtung zu streuen.
Eine konkrete Ausführungsform einer Linsensrastermatrix 500 mit veränderlicher Brechkraft ist in 5A veranschaulicht. Die Matrix 500 weist eine Anzahl von zylinderartigen Linsen in einer parallelen Anordnung auf. In dieser konkreten Ausführungsform weist jede linsenförmige Linse 502 eine Breite d auf und erstreckt sich von einem ersten Rand 506 der Matrix 500 zu einem anderen Rand 508. Die Koordinatenachsen sind ähnlich jenen, die in 4A veranschaulicht sind.
Eine Querschnittansicht durch die Linsenrastermatrix 500 ist in 5B veranschaulicht. Die mittlere Linse 512 weist eine optische Achse 510 auf. Parallele Lichtstrahlen 514 und 516 treten durch die Ränder der mittleren Linse 512 durch und werden zu einem Fokus 518 in einer Entfernung f₀ von der Linse 512 gebracht, wobei f₀ die Brennweite der mittleren Linse 512 ist. Die Strahlen 514 und 516 divergieren vom Fokus 518 in einem Winkel ^D _C0 in Bezug auf die optische Achse 510.
Die Linse 522 an einem Ende der Matrix 500 weist eine optische Achse 520 auf. Parallele Strahlen 524 und 526 fallen am Rand der Linse 522 ein. Die Lichtstrahlen 524 und 526 werden zu einem Fokus 528 in einer Position gebracht, die von der Linse 522 durch eine Entfernung getrennt ist, die gleich der Brennweite f₁ der Linse 522 ist. Die Strahlen 524 und 526 divergieren jeweils in einem Winkel ^D _C1 in Bezug auf die optische Achse 520 vom Fokus 528 weg. Die Linse 532 am anderen Rand der Matrix 500 weist ebenfalls eine Brennweite f₁ auf, so dass parallele Strahlen 534 und 536, die an jedem Rand der Linse 532 einfallen, an einem Punkt, der von der Linse 532 durch die Brennweite f₁ getrennt ist, zu einem Fokus 538 gebracht werden. Außerdem divergieren die Strahlen 534 und 536 vom Fokus 538 in einem Winkel von ^D _C1 in Bezug auf die optischen Achsen 530.
In dieser konkreten Ausführungsform ist die Brennweite von verschiedenen Linsen der Linsensrastermatrix 500 unterschiedlich. Konkret ist die Brennweite der mittleren Linse 512 verschieden von den Brennweiten der Linsen 522 und 532 an den Rändern der Matrix 500. Daher hängt der Brechwert der Linsenrastermatrix 500 von der Position ab, in welcher Licht auf die Matrix 500 trifft. Im dargestellten Beispiel wird die Ortskurve von Brennpunkten jeder Linse in der Matrix 500 durch die Linie L_i beschrieben. Die Linie L_i ist für die mittlere Linse 512 am weitesten von der Matrix 500 entfernt und für die Linsen 522 und 532 an den Rändern der Matrix am nächsten zur Matrix 500. Obwohl die Linie L_i so gezeichnet ist, dass sie zeigt, dass die Brennweite jeder Linse um dasselbe Maß kürzer ist als ihre näher zur Mitte gelegene Nachbarin, kann der Brechwert der Linsen in der Linsenrastermatrix um verschiedene Beträge variieren. Zum Beispiel können die Brennweiten zwischen benachbarten Linsen sich für Linsen nahe der Mitte der Matrix eher um einen größeren Betrag ändern als nahe dem Rand der Matrix; in solch einem Fall hätte die Ortskurvenlinie L_i einen Umkehrpunkt an der mittleren Linse 512.
Die linsenförmige Linse stellt Vorteile für den Bildschirmkonstrukteur bereit, da die Menge von Lichtdispersion, die durch den Bildschirm ermöglicht wird, so ausgewählt werden kann, dass sie für verschiedene Abschnitte des Bildschirms unterschiedlich ist. Daher ist der Konstrukteur zum Beispiel imstande, einen Bildschirm so zu konstruieren, dass er an den Rändern eine größere Lichtdispersion als in der Mitte aufweist, um die Menge von Licht zu erhöhen, die einen Betrachter erreicht, der sich auf den Bildschirm konzentriert. Dies kann besonders wichtig sein, da, wie bereits erwähnt, die Verstärkung normalerweise für größere Dispersionswinkel abfällt. Man betrachte die Verstärkungskurven, die in 5C veranschaulicht sind. Die erste Kurve 550 veranschaulicht die Verstärkung des Randabschnitts des Bildschirms, wenn der Brechwert derselbe wie in der Mitte des Bildschirms ist. Die Hellig keit des Randes des Bildschirms, die vom Betrachter gesehen wird, der mit der Bildschirmmitte ausgerichtet ist, ist durch die Verstärkung bei θ_v gegeben, da der Betrachter den Rand des Bildschirms in einem Winkel von θ_v sieht. Wenn der Dispersionswinkel für die Randabschnitte des Bildschirms durch Verwenden eines höheren Brechwerts vergrößert wird, wird die axiale (θ = 0°) Verstärkung des Randes des Bildschirms von G1 auf G2 reduziert, aber die Menge von Licht, die den Betrachter in einem Winkel von θ_v erreicht, wird von G3 auf G4 erhöht.
Die Divergenz von Licht am Rand des Bildschirms kann auch durch Verwenden von linsenförmigen Linsen, die eine größere Breite als d aufweisen und manchmal als linsenförmige Linsen mit veränderlichem Abstand bezeichnet werden, erhöht werden. Die Einführung eines veränderlichen Abstands über eine linsenförmige Linse, wie beispielsweise die Verwendung von linsenförmigen Linsen mit einer größeren Breite, kann die Auflösung des Bildschirms reduzieren. Die Veränderung von linsenförmigen Linsen mit veränderlicher Brechkraft und mit einem einheitlichen Abstand ermöglicht es, dass dieselbe Auflösung über den Bildschirm aufrechterhalten wird, während verschiedene Dispersionswinkel in ausgewählten Bereichen des Bildschirms zur Verfügung stehen.
Ein Beispiel einer Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft ist in 6 veranschaulicht. Hierbei weist die Matrix 600 eine Linse 632 an einem Rand der Matrix 600 mit einer Brennweite von f₂ auf. Lichtstrahlen 634 und 636, die durch die Ränder der Linse 632 fokussiert werden, divergieren vom Fokus 638 in einem Winkel θ₂ in Bezug auf die optische Achse 630. Die Matrix 600 weist eine mittig angeordnete Linse 612 mit einer Brennweite von f₃ auf. Lichtstrahlen 614 und 616, die durch die Ränder der Linse 612 fokussiert werden, divergieren vom Brennpunkt 618 in einem Winkel θ₃ in Bezug auf die optische Achse 610. Eine dritte Linse 622 am anderen Rand der Matrix 600 weist eine Brennweite f₄ auf. Lichtstrahlen 624 und 626, die durch die Ränder der Linse 622 fokussiert werden, divergieren vom Fokus 628 in einem Winkel θ₄ in Bezug auf die optische Achse 620. In diesem Fall zeigt die Ortskurvenlinie L_i, dass die Brennweite der Linsen in der Matrix 600 vom ersten Rand 640 zum anderen Rand 642 kontinuierlich abnimmt.
Die Änderung der Brennweite über die Linsenrastermatrix 600 braucht nicht linear oder regelmäßig zu sein, sondern kann einige andere Charakteristiken annehmen. Zum Beispiel kann die Änderung der Brennweite über die Matrix 600 an einigen Stellen zwischen den Rändern ein Spitzenwert sein, oder sie kann ein Mindestwert zwischen den Rändern werden, statt den Mindestwert am Rand aufzuweisen. Es gibt viele verschiedene Arten von Brechwertänderung über die Linsenrastermatrix, von welchen einige Beispiele in 7A bis 7D veranschaulicht sind. Diese Figuren stellen den Linsenrastermatrixfilm als ein Rechteck dar, und sie stellen die Ortskurve L_i von Brennpunkten als eine Funktion der Position über den Film dar.
In 7A weist die Ortskurve L_i einen flachen Mittelabschnitt 702 auf, und die Brennweite nimmt an Abschnitten 704 nahe den Rändern der Linsenrastermatrix 700 ab. In 7B weist die Ortskurve L_i einen flachen Mittelabschnitt 712 mit Abschnitten 714, die zum Rand abnehmen, auf. Die Ortskurve L_i weist auch flache Abschnitte 716 nahe dem Rand auf. In 7C weist die Ortskurve L_i eine Gauss-Verteilung mit sanften Übergängen von einem flachen Mittelabschnitt 722 des Bildschirms 720 zu flachen Randabschnitten 724 auf. In 7D weist die Ortskurve L_i ein Minimum 732 in der Mitte des Bildschirms 730 mit Spitzen 734 auf jeder Seite der Mitte auf. Diese Beispiele von Ortskurvenlinien sollen nicht einschränkend oder erschöpfend sein, sondern werden nur dargestellt, um die Änderung der Ortskurvenlinienform zu veranschaulichen. Die Ortskurvenlinien form braucht nicht symmetrisch in Bezug auf die Linsenrastermatrix zu sein, sondern sie kann asymmetrisch sein.
Eine andere Ausführungsform einer Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft ist in 8 dargestellt, in welcher die linsenförmige Linse 800 zwei Linsenrasterteilmatrizen 802 und 804 aufweist. Die erste Teilmatrix 802 ist eine Linsenrastermatrix von parallelen Linsen 812 mit veränderlicher Brechkraft, die zum Streuen von Licht in der X-Z-Ebene verwendbar sind. Die zweite Linsenrasterteilmatrix 804, die auf der anderen Seite der linsenförmigen Linse 800 ausgebildet ist, ist eine Linsenrastermatrix von parallelen Linsen 822 mit veränderlicher Brechkraft, die in Bezug auf die erste Teilmatrix 802 gekreuzt ist, derart dass Licht in der Y-Z-Ebene gestreut wird. Demgemäß ermöglicht die Verwendung von zwei gekreuzten Linsenrasterstrukturen mit veränderlicher Brechkraft es, Licht in zwei Richtungen zu streuen. Der Brechwert der Linsen jeder Linsenrasterstruktur mit veränderlicher Brechkraft kann so ausgelegt sein, dass sie eine bestimmte asymmetrische oder ungleichmäßige Lichtausgabe über den Linsenrasterfilm 800 bereitstellt.
9A bis 9C veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen eines Linsenrasterfilms, der auch eine zusätzliche Lichtdispersion bereitstellt. Der Film 900 in 9A weist einen Linsenrasterfilm 902 mit veränderlicher Brechkraft auf, der zum Beispiel durch Laminierung, Haftung, Beschichtung oder dergleichen mit einem Dispersionsfilm 904 verbunden ist. Wenn der Dispersionsfilm 904 ein Volumendiffusor ist, wie dargestellt, weist der Dispersionsfilm 904 eine Anzahl von Teilchen 906 mit einer Brechzahl auf, die sich von der Brechzahl der kontinuierlichen Phase des Films 908 unterscheidet. Eine zufällige Ausrichtung, Form und Position der Teilchen 906 führt zur Dispersion von Licht, das durch den Volumendiffusor 904 durchtritt.
Solch eine Dispersion ist normalerweise symmetrisch, d.h. sie bildet einen Kegel mit einem kreisförmigen Querschnitt. Eine andere Art von Dispersionsfilm 904, die verwendet werden kann, ist ein Perlfilm.
Eine andere Ausführungsform eines Linsenrasterfilms 920 mit veränderlicher Brechkraft ist in 9B dargestellt. In dieser Ausführungsform enthält der Linsenrasterfilm 920 selbst Diffusionsteilchen 922 innerhalb der kontinuierlichen Phase 924 des Films 920. Ein Vorteil dieses Films 920 ist, dass eine eindimensionale Dispersion von der Linsenoberfläche 926 bereitgestellt wird, und eine zweidimensionale Dispersion von den Volumendiffusionsteilchen 922 bereitgestellt wird, was zu einer asymmetrischen Dispersionsstruktur führt.
Eine andere Ausführungsform eines Linsenrasterfilms 940 mit veränderlicher Brechkraft ist in 9C veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist eine Linsenoberfläche 942 mit veränderlicher Brechkraft auf einer Oberfläche des Films 940 vorhanden, während die andere Fläche 944 als eine andere Dispersionsfläche vorgesehen ist. Die Dispersionsfläche 944 kann jede geeignete Dispersionsfläche sein, einschließlich zum Beispiel eines Zufallsoberflächendiffusor, einer holografischen Diffusionsfläche oder einer mikrostrukturierten Diffusionsfläche. Linsenoberflächen mit veränderlicher Brechkraft können bei Filmen verwendet werden, die neben der Lichtdispersion, die durch die Linsenoberfläche allein ermöglicht wird, zusätzliche Lichtdispersionscharakteristiken bereitstellen.
Ein Vorteil des Einbindens von zusätzlicher Lichtdispersion gegenüber und über der, die durch die Linsenrasterstruktur ermöglicht wird, ist, dass dies eine weitere Steuerung des Betrachtungswinkels bereitstellt. Man betrachte zum Beispiel die Kombination eines Volumendiffusors mit einem Dispersionswinkel von 30° und einer linsenförmigen Linse, die eine horizontale Dis persion von 20° bereitstellt. Die Kombination des Volumendiffusions- und der Linsendispersion in einem einzigen Film stellt einen horizontalen Betrachtungswinkel von ungefähr 50° und einen vertikalen Betrachtungswinkel von ungefähr 30° bereit. Da der asymmetrische Betrachtungswinkel in einem Film bereitgestellt wird, ist die Bildschirmanordnung einfacher und billiger herzustellen.
Da der Dispersionsfilm eine einfache Linsenrasterstruktur auf nur einer Seite aufweist, ist der Dispersionsfilm außerdem leichter herzustellen, als wenn eine Linsenrasterstruktur auf jeder Seite des Films vorhanden ist. Eine hochwertige Linsenrasterstruktur ist normalerweise leichter herzustellen, wenn der Krümmungsradius der Linsenrasterstruktur niedriger ist. Wenn ein Linsenrasterfilm eine Linsenrasterstruktur sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite aufweist, ist es wahrscheinlich, dass die zweite Linsenoberfläche in ein Material mit niedriger Brechzahl eingebettet ist. Da der Brechzahlenunterschied zwischen der linsenförmigen Linse und dem Material mit niedriger Brechzahl normalerweise niedriger als die Brechzahl zwischen der linsenförmigen Linse und Luft ist, erfordert die zweite Linsenrasterstruktur höhere Krümmungen, welche schwerer herzustellen sind. Die Kombination einer einzigen Linsenrasterstruktur und eines anderen Dispersionselements, wie beispielsweise eines Volumendiffusors, vermeidet das Problem des Einbettens einer Linsenoberfläche in ein Material mit niedriger Brechzahl.
Außerdem können Licht absorbierende Teilchen innerhalb des Films, auf welchem eine Linsenrastermatrix ausgebildet ist, verteilt werden. Wenn zum Beispiel die Licht absorbierenden Teilchen eine gleichmäßige Absorption über das sichtbare Spektrum zeigen, dann verleihen die absorbierenden Teilchen dem Bildschirm normalerweise einen grauen oder neutralen Farbton. Die absor bierenden Teilchen können in bevorzugten Abschnitten des sichtbaren Spektrums absorbieren, um Film ausgewählte Farbeigenschaften für den bereitzustellen.
Die Linsen der linsenförmigen Linse brauchen sich nicht nur linear über die Oberfläche der Linse zu erstrecken. Die Linsen können gekrümmt oder nichtlinear sein, um anstelle einer eindimensionalen Linsenrasterstruktur, die von geraden oder linearen Linsen erhalten wird, eine zweidimensionale Linsenrasterstruktur zu bilden. Eine konkrete Ausführungsform eines Linsenrasterfilms mit veränderlicher Brechkraft ist in 10A dargestellt. Hierbei weist der Linsenrasterfilm 1000 eine Reihe von konzentrischen linsenförmigen Linsen 1002 anstelle der geraden Linsen auf, die in den vorherigen Ausführungsformen dargestellt sind. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung von den Ecken des Bildschirms in Bezug auf jene, welche durch gekreuzte gerade Linsenrasterstrukturen bereitgestellt wird, verbessert werden kann, insbesondere wenn die Augen des Betrachters axial zum Bildschirm positioniert sind. Diese Linsenrasterstruktur wird zweidimensional genannt, da die linsenförmigen Linsen Licht sowohl in der X- als auch der Y-Richtung streuen. Im Gegensatz dazu streut eine einzelne gerade Linsenrastermatrix, wie zum Beispiel in 5A veranschaulicht, Licht nur in der X-Richtung, weshalb sie als eindimensional bezeichnet wird. Eine linsenförmige Linse 1004 nahe der Mitte der Matrix 1000 kann einen Brechwert aufweisen, der sich von einer linsenförmigen Linse 1006 unterscheidet, die weiter von der Mitte 1008 der Matrix 1000 entfernt ist. In dieser Anordnung kann die Linsenrasterstruktur auf einer Seite eines Films positioniert sein, stellt aber immer noch die Fähigkeit bereit, Licht von den Ecken der Matrix 1000 zu einem Betrachter abzulenken, der mit der Mitte 1008 des Bildschirms ausgerichtet ist, sollte dies gewünscht werden.
Die zweidimensionale Linsenrastermatrixstruktur kann ausgewählt werden, um jede bestimmte gewünschte Lichtdispersionsstruktur zu erzeugen. Zum Beispiel weist die Linsenrastermatrix 1050, die in 10B dargestellt ist, eine Linsenrasterstruktur auf, die eine Rotationssymmetrie veranschaulicht, wie eine Struktur in der Matrix 1000, wobei aber hier der Mittelpunkt der Rotationsachsen 1058 außerhalb der Mitte von der Matrix 1000 positioniert ist. Demgemäß wird das Licht, das durch diese Matrix 1050 gestreut wird, mehr zu einem Betrachter hin gelenkt, der im (X-, Y-) Quadranten in Bezug auf die Mitte der Struktur 1058 ist, statt mit der Mitte der Matrix 1050 ausgerichtet zu sein. Dies kann zum Beispiel nützlich sein, wenn bekannt ist, dass der Betrachter sich außerhalb der Mitte von einem Bildschirm befindet, wie dies bei einer Anzeige der Fall sein kann, die an der Wand montiert ist.
Eine andere zweidimensionale Linsenrastermatrixstruktur ist in 10C dargestellt. Hierbei ist die Linsenrasterstruktur 1060 elliptisch, wobei die elliptischen linsenförmigen Linsen konzentrisch um einen Punkt 1062 in der Mitte des Bildschirms 1064 sind. Von solch einer Struktur wäre normalerweise zu erwarten, dass sie den vertikalen Betrachtungswinkel für mehr Punkte auf dem Bildschirm als den horizontalen Betrachtungswinkel vergrößert, da die elliptische Struktur mit ihrer Hauptachse horizontal liegt.
Es können andere zweidimensionale Linsenrasterstrukturen verwendet werden, und es versteht solch von selbst, dass nicht beabsichtigt ist, die zweidimensionalen Strukturen auf jene zu beschränken, die in 10A und 10B veranschaulicht sind. Die zweidimensionalen Linsenrasterstrukturen brauchen weder rotationssymmetrisch noch in sonst irgendeiner Weise symmetrisch zu sein.
In einer Alternative zur Erfindung brauchen die Linsen in der Linsenrastermatrix nicht derart angeordnet zu sein, dass ihre optischen Achsen mittig positioniert sind. Die optischen Achsen einer Linse in einer Linsenrastermatrix können von der Mitte dieser Linse versetzt sein, derart dass zusätzlich zum Streuen von Licht in einer bestimmten Richtung die Linse Licht auch umlenkt. Dies wird unter Bezugnahme auf 11A veranschaulicht. In diesem Beispiel weist ein Linsenrastermatrixfilm 1100 eine Linsenoberfläche 1102 auf, in welcher die mittlere Linse 1112 eine große Brennweite f₄ aufweist. Außerdem ist die optische Achse 1110 in Bezug auf die Linse 1112 mittig positioniert. Demgemäß werden die Lichtstrahlen 1114 und 1116 an einer Position von 1118 fokussiert, um symmetrisch um die optischen Achsen 1110 herum mit Divergenzwinkeln ^D _C3 zu divergieren.
Eine andere Linse in der Matrix 1100, zum Beispiel die Linse 1122, mit einer Brennweite von f₅ kann derart ausgebildet sein, dass ihre optischen Achsen nicht durch die Mitte der Linse verlaufen. In solch einem Fall werden die Lichtstrahlen 1124 und 1126, die in die Linse 1122 eintreten, durch einen Fokus 1128 gelenkt und vom Fokus asymmetrisch in Bezug auf die Achsen der Linse 1122 divergiert. Die Linie 1129 stellt einen Strahl dar, der durch die Mitte der Linse 1122 verläuft. Der Strahl 1129 wird, nachdem er durch den Matrixfilm 1100 durchgelassen wurde, von der optischen Achse 1120 weg, in diesem Fall zur Achse 1110 hin, gelenkt. Die Strahlen 1124 und 1126 werden nach ihrem Durchtritt durch den Fokus 1128 asymmetrisch in Bezug auf die optische Achse 1120 in Winkeln ^D _C4 beziehungsweise ^D _C5 gestreut. Daher kann die Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft Linsen aufweisen, deren optische Achsen in Bezug auf die Linsenmitte versetzt sind, derart dass das Licht makroskopisch umgelenkt wird.
Das Querschnittsprofil jeder Linse in der Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft kann jede gewünschte Form aufweisen. Eine Linse 1132 der Matrix 1100 ist im vergrößerten Detail in 11B dargestellt. Die Linsenoberfläche 1134 weist ein kreisförmiges Profil mit einem Radius r auf. Diese Art von Linse wird üblicherweise verwendet, neigt aber dazu, optische Fehler einzuführen. Ein anderes mögliches Linsenoberflächenprofil 1136 ist in 11C dargestellt, wobei das Oberflächenprofil 1136 asphärisch ist und als Polynom hoher Ordnung ausgebildet sein kann. Ein anderes Linsenoberflächenprofil 1138 ist in 11D veranschaulicht. Dieses Oberflächenprofil 1138 ist asymmetrisch in Bezug auf die Z-Achse 1140. Daher erfährt Licht, das durch dieses Oberflächenprofil durchtritt, eine unterschiedliche Fokussierwirkung in Abhängigkeit davon, welchen Abschnitt der Linsenoberfläche das Licht beleuchtet.
Es wurde eine Bildschirmanordnung mit einer eindimensionalen Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft hergestellt, und die Ergebnisse werden folgendermaßen zusammengefasst. Die Bildschirmanordnung 1200, die in 12 schematisch veranschaulicht ist, wurde aus drei Schichten gebildet, nämlich einem Linsenfilm 1202, einem Substratfilm 1204 und einem Volumendiffusorfilm 1206.
Der Linsenfilm 1202 wurde aus Acrylat mit einer Brechzahl von etwa 1,51 gebildet. Die linsenförmigen Linsen wurden mit einem einheitlichen Abstand von 200 μm ausgebildet. Die linsenförmigen Linsen in der Mitte des Bildschirms wiesen eine Brechkraft auf, die ausreichte, um einen Betrachtungswinkel von 20° für einfallendes Planarwellenlicht zu erzeugen. Die linsenförmigen Linsen an den Rändern des Bildschirms, die sich etwa 7'' von der Mitte befanden, wiesen eine Brechkraft auf, die ausreichte, um einen Betrachtungswinkel von etwa 45° für einfallendes Planarwellenlicht zu erzeugen.
Der Substratfilm 1204 war eine Schicht aus Polycarbonat und ungefähr 250 μm (10 Milli-Inch) dick. Der Volumen diffusorfilm 1206 wies eine Beschichtungsdicke von ungefähr 270 µm (10,6 Milli-Inch) auf und wurde unter Verwendung eines Harzes mit einer Brechzahl von ungefähr 1,47 gebildet. Das Harz hatte etwa 15 Gew.-% Teilchen eingebettet. Die mittlere Teilchengröße betrug etwa 5 µm und die Brechzahl der Teilchen betrug 1,54. Die Bildschirmanordnung 1200 benötigt den Polycarbonatsubstratfilm 1204 nicht.
Der gemessene Betrachtungswinkel der Bildschirmanordnung 1200, d.h. der volle Winkel, Winkel mit der halben maximalen Intensität, betrug in der Mitte des Bildschirms 44° (horizontal) und 42° (vertikal) und an den Rändern 56° (horizontal) und 42° (vertikal).
Die Verstärkung des Bildschirms wurde für Planarwellenbeleuchtung auf der Eingangsfläche 1208 in einem Winkel von 20° vom senkrechten Einfall gemessen: die Ergebnisse der Verstärkungsmessungen, die in der Bildschirmmitte und am Bildschirmrand durchgeführt wurden, sind in 13 dargestellt. Die erste Kurve 1302 ist die Verstärkung, die in der Mitte des Bildschirms gemessen wurde, und die zweite Kurve 1304 ist die Verstärkung, die am Rand des Bildschirms gemessen wurde. Jede Kurvenspitze weist aufgrund des Winkels des Beleuchtungslichts ein Maximum bei ungefähr 20° oder so auf. Für Winkel im Bereich von ungefähr –18° bis +45° ist die Verstärkung, die in der Mitte des Bildschirms gemessen wurde, Kurve 1302, höher als die Verstärkung am Rand des Bildschirms, Kurve 1304. wenn jedoch der Betrachtungswinkel kleiner als etwa –18° oder größer als etwa +45° ist, ist die Verstärkung am Rand des Bildschirms, Kurve 1304, höher als die Verstärkung in der Mitte des Bildschirms, Kurve 1302. Daher wird bei diesen größeren Betrachtungswinkeln der Bildschirm als gleichmäßiger beleuchtet wahrgenommen, als wenn der Linsenrasterfilm eine konstante Brechkraft über seine Breite hätte.
Dies wird unter Bezugnahme auf 14 weiter veranschaulicht, welche den Prozentunterschied in der Verstärkung für die Mitte und den Rand des Bildschirms darstellt. Dieser wird für jeden Betrachtungswinkelwert durch Subtrahieren des Werts für die erste Kurve 1302 vom Wert der zweiten Kurve 1304 und Normalisieren auf den Wert der zweiten Kurve 1304 berechnet. Demnach gibt es eine Nettoabnahme der Verstärkung für Betrachtungswinkel zwischen etwa –18° und +45°. Dies entspricht dem Bereich, in dem die erste Kurve 1302 höher als die zweite Kurve 1304 ist. Für Betrachtungswinkel jedoch, die kleiner als –18° und größer als etwa +45° sind, ist dann die Nettozunahme groß und nähert sich 15 % für einen Betrachtungswinkel von etwa –55°. Dies zeigt, dass ein Linsenrasterschirm mit veränderlicher Brechkraft zum Erhöhen der Gleichmäßigkeit der Helligkeit über einen Bildschirm verwendbar ist und insbesondere für Situationen verwendbar sein kann, in welchen der Benutzer nahe am Bildschirm ist und einige Abschnitte des Bildschirms in einem großen Winkel sieht.
Es wurden zuvor mehrere verschiedene Ansätze für Linsenrasterschirme mit veränderlicher Brechkraft beschrieben. Es ist zu erkennen, dass verschiedene Kombinationen dieser Ansätze verwendet werden können. Zum Beispiel können zweidimensionale Linsenrastermatrixstrukturen mit verschiedenen Linsenrasterprofilen verwendet werden. Außerdem können verschiedene Ortskurvenlinien für die Linsenfokusse mit zweidimensionalen Linsenrasterstrukturen verwendet werden. Zusätzliche Dispersion, zum Beispiel unter Verwendung eines Volumendiffusors, kann mit jeder Linsenrastermatrix mit veränderlicher Brechkraft verwendet werden. Diese Beispiele beabsichtigen nicht, die verschiedenen Kombinationen, die verwendet werden können, zu erschöpfen.
Es ist wichtig, zu erwähnen, dass diese Erfindung die Auswahl der Brechkraft von einzelnen Linsen in der Linsenrastermatrix ermöglicht, um die Gleichmäßigkeit der Bildschirmintensität basierend auf den Charakteristiken des Lichts, das auf den Bildschirm einfällt, und dem erwarteten Aufenthaltsort des Betrachters zu verbessern. Außerdem ermöglicht die Erfindung die Kompensation von Unregelmäßigkeit in der Bildschirmleistung.
Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung auf Rückprojektionsschirme anwendbar, und es wird angenommen, dass sie insbesondere auf Bildschirme anwendbar ist, die in Anwendungen verwendet werden, die einen asymmetrischen Betrachtungswinkel benötigen. Demgemäß sollte die Erfindung nicht dahingehend angesehen werden, dass sie auf die zuvor beschriebenen konkreten Beispiele beschränkt ist, sondern es versteht sich vielmehr von selbst, dass sie alle Aspekte der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen ausreichend dargelegt, erfasst. Verschiedene Modifikationen und gleichwertige Prozesse, sowie zahlreiche Strukturen, auf welche die Erfindung möglicherweise anwendbar ist, sind für die Fachleute, an welche die vorliegende Erfindung gerichtet ist, bei Durchsicht der vorliegenden Spezifikation leicht zu erkennen.

Claims

Rückprojektionsschirm zur Verwendung mit einer Lichtquelle, aufweisend: einen Film mit einer ersten Oberfläche, wobei ein Abschnitt der ersten Oberfläche eine erste Linsenrasterstruktur definiert, wobei ein erster Bereich der ersten Linsenrasterstruktur mindestens ein Fokussierelement mit einer ersten Brennweite aufweist, und einen zweiten Bereich der Linsenrasterstruktur, der mindestens ein Fokussierelement, das eine zweite Brennweite, die sich von der ersten Brennweite unterscheidet, aufweist, aufweist, wobei die Brennweite eines linsenförmigen Fokussierelements nahe der Mitte des Schirms größer ist, als die Brennweiten der anderen linsenförmigen Fokussierelemente, wobei die Brennweiten der Fokussierelemente der Linsenrasterstruktur so ausgewählt sind, dass sie über den ganzen Schirm ein vorgewähltes ungleichmäßiges Betrachtungswinkelprofil bereitstellen, wobei Licht, das senkrecht auf den Film einfällt und durch ein Linsenelement scharf eingestellt wird, symmetrisch in Bezug auf die optische Achse des Linsenelements vom Film divergiert, und sich der Divergenzwinkel bei der Bewegung von der Mitte des Films in Richtung der Ränder des Films in einer Richtung senkrecht zum Linsenelement vergrößert.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei die erste Linsenrasterstruktur einen dritten Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aufweist, wobei mindestens ein Fokussierelement im dritten Bereich eine dritte Brennweite, die sich von der ersten und der zweiten Brennweite unterscheidet, aufweist.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Fokussierelementen über den ganzen Schirm einheitlich ist.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei der Film dafür angepasst ist, Licht durch einen ersten Betrachtungswinkel in einer ersten Richtung, und durch einen zweiten Betrachtungswinkel in einer zweiten Richtung, die rechtwinklig zur ersten Richtung angeordnet ist, zu streuen, wobei der zweite Betrachtungswinkel anders ist als der erste Betrachtungswinkel.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei der Film auf einer zweiten Oberfläche, die gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist, eine zweite Linsenrasterstruktur aufweist.
Schirm gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Linsenrasterstruktur einen vierten Bereich mit mindestens einem Fokussierelement mit einer vierten Brennweite und einen fünften Bereich mit mindestens einem Fokussierelement mit einer fünften Brennweite aufweist, die sich von der vierten Brennweite unterscheidet.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei die Fokussierelemente der ersten Linsenrasterstruktur im Wesentlichen linear zur ersten Oberfläche des Films ausgerichtet sind.
Schirm gemäß Anspruch 1, wobei der Film ein einseitiger Film linsenförmiger Linsen ist.
Schirm gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Trägerschicht, wobei der Film in Bezug auf die Trägerschicht so angeordnet ist, dass diese eine Unterstützung für den Film bereitstellt.
Schirm gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Bildlichtquelle, die so angeordnet ist, dass sie Bildlicht auf eine Eingangsoberfläche des Films, die der Bildlichtquelle zugewandt ist, überträgt.
Schirm gemäß Anspruch 10, ferner aufweisend eine Fresnellinse, um Licht von der Bildlichtquelle umzulenken, bevor das Licht auf die Eingangsoberfläche des Films einfällt.