多層微透鏡結構的背投影屏幕及製造方法
2023-06-01 22:51:01 1
專利名稱：多層微透鏡結構的背投影屏幕及製造方法
技術領域：
本發明涉及電視成像技術，具體來說是一種背投影屏幕技術，涉及了該種屏幕結構及製造方法，背景技術背投影屏幕是背投電視的關鍵部件，如圖1所示，其主要功能是當來自系統內部投影鏡頭1的光線在屏幕2上成像後，使各像點(像素)的光線都能往觀眾的方向以最大的角度散射開去，從而使得每個像點的光線都能進入觀眾眼球，觀眾就可以觀賞到整個屏幕的圖像了。可以理解的是，如果背投影屏幕不具備這種散射能力，也就是說，各像點的光線仍按各自入射光方向射出，這些光線就很難同時進入觀眾眼球，那麼觀眾是看不到整個畫面的。屏幕的這種散射能力一般通過水平視角和垂直視角來表達。水平視角代表屏幕在水平方向的散射角度，垂直視角代表屏幕在垂直方向獲得的散射角度。如圖2所示，水平和垂直視角的最大值均為180度。超過180度的部分實際上是對光線的反射，觀眾也看不到。
另外，屏幕材料會反射和吸收一定的光線。反射和吸收都會對光線造成損耗，從而造成屏幕實際透光率降低，這種損耗的程度通常用增益來表達。增益越大的屏幕對光線的損耗越小，屏幕透光率越高，畫面也越亮。除此之外，對比度和清晰度也是屏幕的重要參數。
另外，值得強調的是，在評價屏幕質量時人們往往會忽略視角均勻度這個概念。所謂視角均勻度反映的是屏幕在各個視角方向上散射光亮度的均勻性。實際上，屏幕在不同方向上的散射能力是不同的，這就造成不同方向上的光強有所不同，從而使觀眾在不同方向上看到的屏幕亮度不同。通常我們把最大光強方向稱為主力散射方向。視角均勻度可以用最小光強與最大光強的百分比來定量計算。通常，普通CRT(Crystal Ray Tube，陰極射線管)電視(這裡主要指29寸以下的)能夠達到80％以上的視角均勻度，觀眾從各個角度觀看都會感覺到屏幕的亮度是基本相近的。對於背投電視來說，因為屏幕的限制卻很難達到這種水平。這主要是由於下述的原因目前，背投影屏幕根據內部結構主要分為帶微觀光學結構的背投影屏幕(簡稱微結構屏幕或光學幕)和微觀粒子散射式背投影屏幕(簡稱散射幕)兩大類。
如圖3所示對大多數散射幕2而言，主力散射方向與該位置從投影鏡頭1發出的光線的入射方向往往是一致的。對該位置的其它散射方向而言，越偏離主力散射方向光強越低，當你從不同角度觀看屏幕時，眼睛的視線方向正好與較近區域的主力散射光線方向一致，因此始終是離眼睛較近的區域更亮，而較遠的區域較暗，這就是所謂的太陽效應或稱亮斑效應。用玻璃微珠等高折射率材料代替散射微粒製作的散射幕雖然能使太陽效應有所緩解，但仍不能從根本上消除該現象。
由於散射幕觀賞效果低劣，所以已漸漸從市場退出，取而代之的是微結構的光學屏幕。如圖4所示，微結構屏幕通過在散射層2的前面增加一個菲涅爾透鏡或螺紋鏡3，使得投影鏡頭1發出的光線在進入散射層2之前的入射方向被菲涅爾透鏡或螺紋鏡3全部調整為與屏幕垂直，這樣，穿過散射層2後的各區域的主力散射光線方向始終保持與屏幕垂直，當觀眾正對屏幕(視線與屏幕垂直)觀賞時可獲得最高的亮度效果。而當觀眾改變視角從側面觀看時，各區域的散射光線的光強度都同步下降，雖然下降的幅度略有不同(仍然是較遠的區域下降多一點)，但這種差異能被控制在較小的範圍內。所以雖然屏幕整體亮度下降了，但太陽效應能被基本避免，微結構屏幕也因此被市場廣泛接受。與透鏡3配合使用的微結構屏幕的散射層2多種多樣，有的採用如圖5a所示的微透鏡，也有的採用如圖5b所示的玻璃微珠等。其中，微透鏡3的形狀也是多種多樣，圖5中只示出其中一種。另外，由於大尺寸的菲涅爾透鏡或螺紋鏡需要相當昂貴的模具和具有較高的加工成本，所以造成微結構屏幕價格長期居高不下，對背投電視的普及造成了負面影響。有的廠家為降低成本，使用錐型波導管或錐型透鏡作散射層，並省去菲涅爾透鏡等前置元件。這樣的屏幕由於在四周入射角較大的區域，光線在波導管或透鏡內多次反射，光損失較大，造成了屏幕在四個角上光線比較暗淡，嚴重影響畫面質量，雖然成本降低了，但卻是以犧牲屏幕的畫面質量為代價，所以也難以普及。
從前文可以了解到，目前使用的光學微結構屏幕雖然迴避了太陽效應的問題，但仍不能提供很好的視角均勻度。當觀眾以較大視角觀察屏幕時，因為屏幕的視角均勻度較差，屏幕亮度將會整體明顯下降。從這方面講，背投電視的觀賞效果仍不能與普通CRT電視媲美。雖然有廠家宣傳其背投電視能達到180度視角，實際當你大視角觀賞時，其亮度不及正面亮度的二分之一，有的甚至不到三分之一。所以，目前的背投影屏幕的整體畫面效果仍不是很理想。
發明內容
本發明正是針對現有的背投影屏幕在視角均勻度方面存在的上述不足，提供一種多層微透鏡結構的背投影屏幕，這種背投影屏幕不僅能消除太陽效應，而且能獲得較高視角均勻度，使得背投電視達到與CRT相同的亮度觀賞效果。
本發明的第二個目的還在於還提供一種多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法，該方法使這種背投影屏幕的造價低廉，為背投電視的普及創造了良好條件。
為了實現本發明的第一個目的，本發明採用的技術方案為一種多層微透鏡結構的背投影屏幕，背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個折射面兩側均分別為高折射率物質和低折射率物質。
本發明中的透鏡，是指廣義的透鏡，即擁有兩個面，並利用這兩個面對光線進行折射的透明物體。
所述的微透鏡的兩個折射面可以是一個曲面和一個平面的組合，或者是兩個曲面的組合，就本發明而言，曲面起到對光散射的作用。
所述的高折射率物質是指光密物質，例如玻璃、樹脂等；而低折射率物質是指相對於高折射率物質來說折射率較低的物質，即光疏物質，例如可以為空氣或其它光介質。
本發明採用多層微透鏡疊加結構。微透鏡各折射面兩側均分別為高折射率物質和低折射率物質，以確保每一層都有較高散射能力。高折射率物質與低折射率物質的折射率差距越大，散射能力越強。當光線穿透各微透鏡層時，主力散射方向的光強被多次削弱，而其它方向的光強逐層累加，最終達到與主力散射方向相接近的光強，從而能夠獲得很高的視角均勻度。所以，由於採用這樣的分層散射機制，不管入射方向如何，所獲得的視角均勻度都很高，因此不需要在其前面設置菲涅爾鏡或螺紋鏡。且各透鏡層可使用同一模具製造，因此製造成本將大幅度下降。由於保證了視角均勻度，所以太陽效應也自然消失，獲得了更加優良的畫面綜合質量。
本發明中在背投影屏幕中還可增加一層吸光層，以吸收反射的環境光，增強對比度。
本發明還提供了該種多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法，採用高透光率和高折射率的材料做基材，用磨砂工藝將基材表面處理形成各種自然形狀的透鏡，按預定尺寸切割後平鋪並堆疊整齊，壓上一層尺寸相當的重物板，使其相互緊貼排出多餘空氣，然後將各透鏡層四周用粘合劑相互粘牢、密封。
所述的基材優選樹脂材料，基材厚度以0.1～0.2mm為宜。
基材可單面磨砂也可雙面磨砂形成透鏡。
本發明提供的這種背投影屏幕的製造方法採用現有的成熟的磨砂工藝製備微透鏡層，以空氣為低折射率物質，並在四周粘接密封，具有製作簡便、材料成本和加工成本低的優點，可顯著降低這種多層微透鏡結構的背投影屏幕的成本，為這種背投影屏幕的推廣創造了條件。本發明提供的這種背投影屏幕不僅能消除太陽效應，而且能獲得較高視角均勻度，使得背投電視達到與CRT相同的亮度觀賞效果，其綜合畫面質量高於現有的背投影屏幕。
圖1為背投影屏幕光學原理圖；圖2為背投影屏幕的視角圖；圖3為背投影屏幕的太陽效應原理圖；圖4為現有技術中微結構光學屏幕原理圖；圖5現有的微結構光學屏幕的結構圖；圖6為本發明的多層微透鏡結構的背投影屏幕的結構示意圖；圖7為本發明的多層微透鏡結構的背投影屏幕的光學原理圖；圖8-圖14為本發明的多層微透鏡結構的背投影屏幕的結構示意圖。
圖中，以箭頭的長度來近似表示該方向光強的大小。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的多層微透鏡結構的背投影屏幕作進一步說明。
實施例1
如圖6所示，本發明的多層微透鏡結構的背投影屏幕，為由兩層以上的微透鏡4疊加形成的微透鏡層，每層微透鏡4的兩個折射面兩側均分別為高折射率物質41和低折射率物質5，高折射率物質是指光密物質，例如玻璃、樹脂等；而低折射率物質是指相對於高折射率物質來說折射率較低的物質，即光疏物質，例如為空氣或其它低折射率光介質，當為空氣時，其材料成本、製作成本更低。
光線從高折射率物質進入低折射率物質以及從低折射率物質射入高折射率物質時均會產生折射，這樣每層透鏡均會產生較強的散射能力，且折射面兩側的物質的折射率差值越大，透鏡的散射能力越強。如圖7所示，光束在各層的散射點實際並不相同，如果該間距較大，從觀眾的角度上看，可能會認為它是不同的像點，這就會降低畫面的解析度。該散射點的距離與每層透鏡厚度有關，也就時說與整個屏幕的總厚度有關，屏幕厚度越大，在屏幕兩側的散射點的距離越大，屏幕的畫面解析度越低。只要屏幕足夠薄，各散射點位置的差異就能小到低於屏幕的像點自身大小的程度，從而在視覺上認為那些散射光線仍是從同一個像點發出的，此時不會對解析度產生影響。既然各層散射點的散射光線被視為出自同一個像點，該像點在所有非主力散射方向上的光強就相當於對應各層散射點光線之和，而最後一層的主力散射方向的光強代表該像點在該方向上的光強，所以經過各層散射後，與入射光方向相同的主力散射方向的光強被多次削弱，而其它方向的光強因各層散射光的光強逐層累加而增強，最終可達到與主力散射方向相接近的光強，從而獲得很高的視角均勻度。
可以理解的是，微透鏡散射次數越多，視角均勻度就越好，但亮度會因此而下降。因此在兩者之間應權衡選擇。一般，整個微透鏡層總共應至少含有3個以上的曲面。擁有4層以上曲面能獲得80％以上的視角均勻度。微透鏡應選擇高透光率材料，以減少亮度損失。高透光率的材料如光學塑料，透光率一般可達90％以上，且這種材料有較高的折射率。
根據前述，為保證高清晰度，微透鏡層越薄越好，疊放緊密，整個屏幕總厚度以不超過1mm為最佳。相應的微透鏡的直徑可設置在0.02～0.15mm之間。
根據本發明的原理可知，透鏡層可以採用如圖8所示的雙面微透鏡層(或雙凸透鏡層，即兩面均為凸面的透鏡層)，與圖6所示的單面微透鏡層(或平凸透鏡層，即一面為平面一面為凸面的透鏡層)相比，減少了不必要的折射面，從而可在視角均勻度相同的情況下獲得較高的透光率和對比度。當然，也可以選用單雙面相結合(圖中未示出)的形式。
如圖9a所示，各層透鏡可以不需要相互對應。並且，如圖9b所示，平凸透鏡層的疊放方式可以自由選擇，如可改為平面對平面，凸面對凸面放置。
透鏡的形狀可以多種多樣。既可以是圖8、圖9所示的凸面鏡，也可以如圖10所示，低折射率物質層5之間的高折射率41部分為凹面鏡，或為圖13、圖14所示的不規則形狀。從正面看，微透鏡既可以是如圖11所示的矩形，也可以如圖12所示為圓形、橢圓形、多邊形、錐型等或其它形狀。
由於各折射面對環境光線有一定的反射，且層數越多，反射越多，這樣會降低屏幕的對比度。可增加一層吸光層，吸收反射的環境光，增加對比度。吸光物質可以是顏料、染料、碳黑等，這些都是目前背投影屏幕普遍使用的吸光材料。也可以直接將這些物質直接適量添加到透鏡層中。也或者將吸光物質添加到保護屏中。所謂保護屏是通常設置在背投影屏幕最外層，起防塵、防油汙或防劃傷作用的保護層，約4mm厚，一般為樹脂材料。
實施例2本實施例是以樹脂材料作為高折射率物質，以空氣為低折射率物質，提供一種多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法採用高透光率和高折射率的樹脂材料做基材，厚度以0.1～0.2mm為宜，採用目前成熟的磨砂工藝將樹脂表面處理後，使樹脂表面形成如圖13或圖14所示的各種自然形狀的透鏡。可如圖13一樣單面磨砂，也可如圖14所示雙面磨砂。這樣，微透鏡層就製作好了。將多層微透鏡層按預定尺寸切割後平鋪並堆疊整齊，壓上一層尺寸相當的重物板，使其相互緊貼排出多餘空氣。然後將各透鏡層四周用粘合劑之類相互粘牢、密封。這樣可保證透鏡層之間仍有適量空氣充當光疏物質，又可防止多餘空氣進入透鏡層之間導致透鏡層變形、間距增大等。這樣，一種超薄的多層微透鏡屏幕就算做好了。
以上操作均在常溫常壓下進行，無需模具，磨砂工藝簡單，對背投影屏幕而言可謂生產成本空前低廉。
權利要求
1.一種多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個折射面兩側均分別為高折射率物質和低折射率物質。
2.如權利要求1所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於所述的微透鏡的兩個折射面是一個曲面和一個平面的組合，或者是兩個曲面的組合。
3.如權利要求1或2所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於所述的高折射率物質為玻璃或樹脂。
4.如權利要求1或2所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於所述的低折射率物質為空氣。
5.如權利要求1或2所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於所述的微透鏡層有4層以上的曲面。
6.如權利要求1或2所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於所述的微透鏡層的總厚度不超過1mm，所述的微透鏡的直徑為0.02～0.15mm。
7.如權利要求1或2所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕，其特徵在於還包括一層吸光層。
8.一種多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法，其特徵在於採用高透光率和高折射率的材料做基材，用磨砂工藝將基材表面進行處理形成各種自然形狀的透鏡，按預定尺寸切割後平鋪並堆疊整齊，壓上一層尺寸相當的重物板，使其相互緊貼排出多餘空氣，然後將各透鏡層四周用粘合劑之類相互粘牢、密封。
9.如權利要求8所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法，其特徵在於所述的基材為樹脂，厚度為0.1～0.2mm。
10.如權利要求8或9所述的多層微透鏡結構的背投影屏幕的製造方法，其特徵在於所述的基材採用單面磨砂或雙面磨砂形成透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種多層微透鏡結構的背投影屏幕背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個折射面兩側均分別為高折射率物質和低折射率物質。還公開了這種背投影屏幕的製造方法。這種背投影屏幕具有視角均勻度好、無太陽效應的優點，而且成本低廉。
文檔編號G03B21/62GK1603942SQ20041009610
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月26日 優先權日2004年11月26日
發明者羅筱泠 申請人:羅筱泠