DK171004B1 - Bagprojektionsskærm - Google Patents

Description

DK 171004 B1

Opfindelsen angår projektionsskærme i almindelighed. Nærmere betegnet angår opfindelsen bagprojek-tionsskærme, der kan anvendes ved en TV-projektions-fremvisningsindretning med en forside og en bagside til 5 projektion til forsiden af et billede fra en billedkil-de, der er placeret på bagsiden af skærmen, hvilken skærm omfatter en feltlinse til fokusering af lys fra billedkilden via et indfaldsmedium og en skærmbasis.

Typiske TV-fremvisningsindretninger af denne art 10 indeholder organer til omsætning af et fjernsyns- eller videosignal til et optisk billede. Det optiske billede projiceres på en skærm, som en iagttager kan betragte.

I det tilfælde hvor projektionsafstanden er forholdsvis lille, såsom i kompakte TV-projektionssystemer, er ar-15 rangementer ifølge den kendte teknik mangelfulde, som det skal forklares mere detaljeret i det følgende.

Nogle indretninger ifølge den kendte teknik har en medfødt lavere optisk transmissionseffektivitet i nærheden af skærmens ydre kanter eller hjørnebelys-20 ningsproblemer, der resulterer i en "lys plet" i midten. Et eksempel på en sådan skærm er beskrevet i GB-A-2 072 276. Transmissionseffektiviteten i et givet område af skærmen kan bestemmes som forholdet mellem den samlede mængde lys, der passerer gennem dette områ-25 de af skærmen, og den samlede mængde indfaldende lys, der modtages af dette område, ved andre arrangementer ifølge den kendte teknik har man forsøgt at forbedre systemets kvalitet ved at fjerne virkningen med den lyse plet. Se f.eks. artiklen "Ultra Wide Viewing Angle 30 Rear Projection Television Screen" af R. Bradley et al, i IEEE Transactions on Consumer Electronics, bind CE-31, side 185-192 (1985), hvilket dokument beskriver en projektionsskærm med en Fresnel-linse, der virker som en kollimerende Fresnel-linse. Medens disse ar-35 rangementer har fjernet hjørnebelysningsproblemerne, er skærmens samlede effektivitet og kontrast reduceret.

DK 171004 B1 2

Desuden kan uønskede artefakter, såsom Moiré-interfe-rensmønstre, være synlige for iagttageren.

Moiré-effekten og lystabene ved kanten af skærmen kan mindskes, hvis man anvender en dobbelt Fresnel-5 linsestruktur, som angivet i sammendrag til JP patentansøgningen JP-A/61-90149. Skærmen ifølge dette dokument har en frontplade med en lysspredende linseflade og en Fresnel-bagplade, der både på sin frontside og sin bagside har en Fresnel-struktur. I skærmen ifølge 10 JP-A/61-90149 må billedlyset passere igennem yderligere to flader, hvorfor der for denne skærm er yderligere transmissionstab af billedlyset.

Det er følgelig opfindelsens formål at tilvejebringe en effektiv projektionsskærm uden hjørnebelys-15 ningsmangler.

Et andet formål med opfindelsen er at tilvejebringe en projektionsskærm med forbedret, samlet virkningsgrad og kontrast.

Et yderligere formål med opfindelsen er at til-20 vejebringe en projektionsskærm, der fremviser et billede fri for artefakter.

Endnu et formål med opfindelsen er at tilvejebringe en projektionsskærm, ved hvilken alle de ovenfor angivne formål opnås i en simpel udførelsesform.

25 Ovenstående og andre formål for opfindelsen rea liseres i en projektionsskærm som angivet i krav 1. Der er dannet en projektionsskærm i ét stykke, der opdeler skærmens feltlinses optiske styrke mellem mere end én overflade, hvor hver overflade fortrinsvis har en 30 Fresnel-linsestruktur. Brydningsindekset for materialet mellem fladerne (to i den foretrukne udførelsesform) er forskelligt fra brydningsindekset for mediet enten før den første overflade eller efter den anden overflade.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere un-35 der henvisning til tegningen, der ikke er målestokstro, og på hvilken DK 171004 B1 3 fig. 1 viser et vandret snit gennem en projektionsskærm i ét stykke, der har enkelt Fresnel-linse, fig. 2 et vandret snit gennem en projektionsskærm i to stykker, 5 fig. 3 et vandret snit gennem en foretrukket ud førelsesform for en projektionsskærm i ét stykke ifølge opfindelsen, fig. 4 geometrien for den i fig. 3 viste projektionsskærms feltlinse, og 10 fig. 5 i større målestok en del af fig. 4.

Fig. 1 viser en projektionsskærm 100, der er anvendelig f.eks. i et projektionsfjernsynssystem (PTV) . Bagsiden af skærmen 100 er udformet til at danne en feltlinse, der har en kort brændvidde, der er 15 sammenlignelig med diagonalstørrelsen af skærmen, som det er typisk for projektionsskærme, der anvendes i kompakte projektionsfjernsynssystemer. Lys omfattende det billede, der skal fremvises, udstråles fra projektionslinsen eller billedkilden 101. Lysstrålerne fra 20 kilden 101 omsættes af feltlinsen til parallelle stråler ved bagsiden 102 af skærmen, der har Fresnel-linsestruktur med facetter 103 omfattende facetoverflader 104 og trinoverflader 106. Skærmen 100 kan desuden indeholde en skærmbasis 115, der har en spre-25 der 108 med spredeelementer 110, der styrer spredningen af lyset i lodret retning til en vinkel på f.eks.

11°, og et linsenet 112 bestående af smålinser 114, der tillader effektiv vidvinkelbetragtning (f.eks. en vandret vinkel på 170°). Facetterne 103 bryder lyset, 30 der modtages fra kilden 110 til dannelse af parallelle eller kollimerede stråler, der rammer sprederen og de små linser.

Medens facetoverfladerne 104 først og fremmest er ansvarlige for afbøjningen i Fresnel-linsestruktu-35 ren, bevirker trinoverfladerne 106 først og fremmest et tab af transmissionseffektivitet fra skærmen 100, DK 171004 B1 4 fordi lys, der rammer disse overflader, ledes i forkert retning eller mistes. Som det ses af fig. l, har facetterne 103, der er placeret ved omkredsen af Fresnel-linseopbygningen, større trinoverflade end facetterne 5 103 ind imod centrum. Dette er en nødvendig begræns ning, eftersom størrelsen af afbøjning, der kræves for at omsætte divergente stråler fra en lille lyskilde til parallelle stråler på et givet sted på Fresnel-linsen, er direkte proportional med afstanden fra linsens cent-1 o rum til det givne sted.

På grund af at trinoverfladerne 106 er større i nærheden af Fresnel-linsestrukturens kanter, fejldirigeres en større del af lyset, hvilket resulterer i formindsket lysstyrke i nærheden af kanterne og således 15 giver linsen en virkning med en "lys plet" i dens midte.

Projektionsskærmen 200 i fig. 2 afhjælper kantlysstyrkereduktionsproblemerne ved den i fig. 1 viste projektionsskærm 100 ved adskillelse af dens 20 feltlinse 202, der indeholder en Fresnel-linsestruk-tur 204, fra resten af skærmen. Fresnel-linsestrukturen 204 omsætter strålerne fra lyskilden til parallelle stråler akkurat som Fresnel-linsestrukturen ved bagsiden 102 af den i fig. 1 viste skærm. Imidlertid er 25 indfaldet af fejldirigeret lys stærkt reduceret, således at der ikke viser sig nogen "lys plet" ved midten.

To ulemper ved udførelsesformen i fig. 2 er en ca. 16% reduktion af skærmens transmissionseffektivitet, fordi lyset skal gå igennem yderligere to flader, og indfø-30 reisen af forstyrrende artefakter, såsom Moiré-interfe-rensmønstre, i det projicerede billede. En udførelsesform for projektionsskærmen ifølge opfindelsen er vist i fig. 3.

Projektionsskærmen 300 reducerer i høj grad 35 problemet med fald i kantlysstyrke hos den i fig. 1 viste skærm 100, og den afhjælper det store trans- DK 171004 B1 5 missionseffektivitetstab hos den i fig. 2 viste skærm 200 på grund af mængden af forstyrrende artefakter. Skærmen 300 omfatter en feltlinse 308, der indeholder to Fresnel-linseoverflader 302 og 310. Feltlinsen 5 308 er med sin forreste overflade koblet til bagsiden af skærmbasen 315. Bagsiden af skærmbasen har en overflade, der griber ind i feltlinsen 308's overflade 310. Feltlinsen 308's bageste og forreste overflade 302 og 310 er adskilt af et område 309, der er fyldt 10 med et medium med et brydningsindeks (n^), der er forskelligt fra brydningsindekset for enten skærmbasen 315 (n2) eller indfaldsmediet 301 (n) . Området 309 er f.eks. fyldt med uv-hærdbar polymer, der har et brydningsindeks ^ på ca. 1,59. Skærmbasen 315 kan 15 være af polymethylmethacrylatmateriale (PMMA) med n2 ca. lig med 1,49.

Tilstedeværelsen af den anden Fresnel-linseover-flade 310 har den virkning, at den deler feltlinsen 308's nødvendige optiske styrke mellem de to Fresnel-20 linseoverflader 302 og 310. Trinfladerne 306 er således mindre end tilsvarende trinflader 106 i fig. 1, hvad der resulterer i mindre fejldirigeret lys.

De to Fresnel-linseoverflader 302 og 310's facetvinkler kan beregnes som følgende under henvisning 25 til fig. 4 og 5. I den foretrukne udførelsesform er feltlinsen 308's optiske styrke ligeligt fordelt mellem overfladerne 302 og 310, og afstanden over området 309 mellem overfladerne 302 og 310 er lille og vil blive ladet ude af betragtning i den følgende 30 beregning. Den optiske styrke af hver overflade er derfor l/(2f), hvor f er feltlinsen 308's brændvidde. Facetvinklen α for en facetoverflade 302 er givet ved følgende ligning 35 DK 171004 B1 6 tg (a) = sln {φ}(la) ^ - cos (φ) Φ = tg'1 (J2-) (lb) 2f 5 hvor h er afstanden fra feltlinsen 308's optiske midtpunkt til facetten, og η^_ er området 309's brydningsindeks. En stråle, der falder ind på facetoverfla-10 den 304, danner en vinkel Θ1 med normalen, således at θχ = tg"1 (JL.) + α (2) 15 Vinklen Θ^' for den afbøjede stråle findes ved anvendelse af Snell's lov under antagelse af, at brydningsindekset n for indfaldsmediet 301 er lig med l.

20 - sin (θι) θη = sin 1 -±- (3) L n!

Vinklen θ2 for den afbøjede stråle målt i forhold til den optiske akse er givet ved 25 θ2 = θχ1 -α (4)

Vinklen for denne stråle i forhold til facetoverfladen 312's normal er 30 ω = β - θ2' (5) hvor facetvinklen β er den vinkel, der kræves for at kollimere strålen. Snell's lov forudsiger brydnings-35 vinklen ω' som DK 171004 B1 7 ηη sin (ω) ω' = sin χ —- (6) n2 _ _l hvor n2 er brydningsindekset for skærmbasen 315's område 316. For at kollimere strålen efter brydning må θ' -β være lig nul. Derfor haves _η n-, sin (β - θ9) sin 1 -±---±- - β = 0 (7) n2 10 Facetvinklen β for facetoverfladen 312 beregnes ved en rearrangering af ligning (7). Således fås n·, sin (θ0) tg (β) = -1—__2- (8) n^ cos (θ2) - n2 15

Under anvendelse af ovenstående ligninger og de nødvendige data kan facetvinkler for en projektionsskærm i ét stykke med en indlejret, tosidet Fresnel-linse som feltlinse let beregnes. Hvis f.eks. brænd-vidden for feltlinsen er 99 cm, skærmens diagonal er 20 94 cm, maksimumafstanden fra det optiske midtpunkt til facetten er 47 cm, og nj og n2 er henholdsvis 1,59 (for polystyren) og 1,49 (for PMMA), vil facetoverfladen 304 have en vinkel α på ca. 20°, og facetoverfladen 312 vil have en vinkel β på ca. 62°.

25

Kun ca. halvdelen af de lysstråler, der rammer den i fig. 1 viste projektionsskærm 100's yderste trinoverflade 106, rammer projektionsskærmen 300's tilsvarende trinoverflade 306, og yderkantbelysnings- ^ problemerne er således i høj grad reduceret ved skærmen ifølge opfindelsen.

I forhold til den i fig. 2 viste skærm 200 er antallet af overflader, der skal gennemløbes af lyset, reduceret med en. Da forskellen i brydningsindeks for feltlinsens materiale og skærmbasismaterialet er moderat, er den mængde lys, der tabes som følge af reflek-

Claims (3)

1. Bagprojektionsskærm (300) med en forside og en bagside til projektion på forsiden af et billede fra DK 171004 B1 9 en billedkilde anbragt ved bagsiden af skærmen, hvilken skærm (300) omfatter en feltlinse (308) til fokusering af lys, der ankommer fra lyskilden og via et medium (301) når frem til feltlinsen (308), samt en skærmbasis 5 (315), og hvor feltlinsen (308) har mindst to bryd ningsflader (302, 310), der har Fresnel-linsestruktur, kendetegnet ved, at frontsiden (310) på feltlinsen (308), der har nævnte mindst to brydningsflader ( 302, 310), er over hele sin overflade (310), 10 direkte forbundet med skærmbasen (315), og at feltlinsens (308) område (309) mellem nævnte to brydningsflader (302, 310) har et brydningsindeks, der er forskelligt fra brydningsindekset for skærmbasen (315).

2. Bagprojektionsskærm ifølge krav 1, k e n - 15 detegnet ved, at der i skærmbasen (315) er indlejret spredeelementer (318) til styring af spredningen af fokuseret lys i en første retning, og at et linsenet (320) er koblet til skærmbasen (315) på den i forhold til Fresnel-linsestrukturen (302, 310) modsatte 20 side heraf, til vidvinkelfordeling af lyset, der modtages fra spredeelementerne (318), i en anden retning vinkelret på førstnævnte retning.

3. Bagprojektionsskærm ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at feltlinsens (308) op- 25 tiske styrke er delt ligeligt mellem brydningsfladerne (302, 310).