採用帶有反射鏡的全息屏幕的投影電視的製作方法
2023-05-08 00:35:21
專利名稱：採用帶有反射鏡的全息屏幕的投影電視的製作方法
技術領域：
本發明涉及投影電視接收機領域，具體地說，本發明涉及具有朝向至少一個反射鏡取向的投影源的一種投影電視接收機，所說反射鏡將來自光源的光反射到全息屏幕的背面。該全息屏幕匯集在一定入射角範圍內的光，並將所說光轉向為與相對於所說屏幕正交的光軸更加平行的方向。這種全息屏幕與一個或多個反射鏡結合顯著地減小了色偏，提高了亮度，並且能夠明顯地減小機殼深度。
背景技術：
色偏被定義為在垂直視角的最大亮度位置測得的、由紅、綠、和藍色投影管發出的投射圖象在投影屏幕中心處形成的白圖象的紅/藍或綠/藍比例在不同的水平視角的變化。
色偏問題是由於不同顏色(如紅，藍和綠色)圖象需要至少三個圖象投影器而引起的。投影屏幕在第一側接收來自至少三個投影器的圖象，並在第二側通過控制所有顯示圖象的光色散而顯示這些圖象。通常為綠色，並且通常位於投影器陣列中心的一個投影器具有基本正交於屏幕取向的第一光路。通常為紅色和藍色，且通常位於陣列中心綠色投影器相對兩側的至少兩個投影器，分別具有以非正交取向的入射角向第一光路會聚的光路。紅、藍投影器相對於屏幕和綠投影器的非正交關係導致了色偏。色偏的結果是，在屏幕上各個位置的色調可能不相同。色調差別大的狀態通常被稱為白色均勻度較差。色偏越小白色均勻度越好。
用數碼標註色偏，其中較低的數值表示較小的色偏和較好的白色均勻度。根據通行的規程，從各個水平視角測量屏幕中心的紅、綠、藍亮度值，通常從至少大約-40°至+40°，到大約-60°至+60°的範圍，並以5°或10°為遞增間隔。正負角度分別代表屏幕中心右側和左側的水平視角。這些測量值是在峰值垂直視角處獲得的。在0°處歸一化紅、綠、藍的數據。在每個角度處用下述一或兩個方程(Ⅰ)和(Ⅱ)進行評價C=20log10(redblue)---(I)]]>C=20log10(greenblue)---(II)]]>其中θ是水平視角範圍內的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色的亮度值，blue(θ)是θ角處藍色的亮度值，而green(θ)是θ角處綠色的亮度值。這些值的最大值是屏幕的色偏。
通常，色偏不應當大於5這個商業上可接受的標定屏幕設計值。其他工程和設計約束條件可能有時需要色偏比5大一些，儘管這樣的色偏性能是不希望有的，並常常導致觀看效果低劣的白色均勻度較差的圖象。
投影電視接收機的投影屏幕通常是採用擠壓法利用一個或多個有圖案的軋輥形成熱塑性板材表面的形狀而製造的。其構造一般為雙凸透鏡元件陣列，也稱為小透鏡陣列。這些雙凸透鏡元件可以形成在相同板狀材料的一側或兩側；或者僅形成在不同板的一側上，再將這些不同的板永久地結合成一個疊層單元，或採用其它方式彼此相鄰地安裝而使其具有疊層單元的功能。在許多的設計中，屏幕的一個表面構成一個菲涅爾透鏡形成光散射。現有技術減小色偏和改進白色均勻度的嘗試僅僅集中在屏幕的兩個方面。一個方面是雙凸透鏡元件的形狀和布局。另一個方面是屏幕材料、或其中某些部分為控制光散射而摻雜光散射顆粒的程度。這些嘗試的例子見下列專利文獻。
在美國專利US.4，432，010和US.4，536，056中，投影屏幕包括一個具有輸入表面和出射表面的透光凸透鏡板。輸入表面的特點表現在水平散射的凸透鏡輪廓方面，其凸透鏡深度Xv與近軸曲率半徑R1的比值(Xv/R1)在0.5到1.8範圍內。該輪廓沿著光軸方向延伸，且形成許多非球面輸入凸透鏡。
通常採用的是雙側具有凸透鏡的屏幕。這種屏幕在其輸入表面上具有柱面輸入凸透鏡元件，和形成在該屏幕輸出表面側的柱面凸透鏡元件，以及形成在輸出表面上不會聚光部分的光吸收層。輸入和輸出凸透鏡元件都是圓形，橢圓形或雙曲線形的，並由下列方程(Ⅲ)表示Z(x)=Cx21+1-(K+1)C2x212--------(III)]]>其中C是主曲率，而K是圓錐曲線的常數。
此外，透鏡還可以具有其中添加了高於二次項的曲線。
在用這種雙側凸透鏡構成的屏幕中，已經規定了輸入透鏡與輸出透鏡或構成這些透鏡的凸透鏡元件之間的位置關係。例如，美國專利US.4，443，814所教導的，按這樣的方式確定輸入透鏡與輸出透鏡的位置一個透鏡的透鏡表面在另一個透鏡的焦點處。日本專利JP.58-59436也教導輸入透鏡的偏心率基本等於構成凸透鏡的材料折射率的倒數。美國專利US.4，502，755還教導，按以下方式組合出兩個雙側有凸透鏡的板各凸透鏡的光軸平面彼此互成直角，並按如下方式形成這種雙側凸透鏡在透鏡外圍的輸入透鏡和輸出透鏡關於光軸是不對稱的。美國專利US.4，953，948還教導，只有輸入透鏡凹谷處的光會聚位置應該偏向輸出透鏡觀看一側的表面，以使光軸失準的公差和厚度差可以較大，或使色偏可以較小。
除了這些減小色偏或白色不均勻性的各種方案之外，其他改進投影屏幕性能的方案是針對提高圖象亮度，和在水平和垂直方向確保適當視場的。這些方案的要點可以從美國專利US.5，196，960找到，該文獻教導了一種雙側凸透鏡板，它包括具有輸入透鏡的輸入透鏡層和具有輸出透鏡且其透鏡表面形成在輸入透鏡光會聚點和其附近的輸出透鏡層，其中輸入透鏡層和輸出透鏡層均由基本透明的熱塑性樹脂構成，且至少輸出層包括光散射微粒，而且輸入透鏡層和輸出透鏡層之間的光散射特性存在著差別。輸入透鏡組是一種柱透鏡。輸出透鏡由一組輸出透鏡層構成，其每一層都有一個透鏡表面位於輸入透鏡層各透鏡光會聚點所在的面或其附近。光吸收層形成在輸出透鏡層不會聚光的部分。這種屏幕設計提供了很好的水平視角，較小的色偏和較亮的畫面，並且易於用擠壓法製造。
儘管在投影屏幕設計中改進研究已有許多年，但是仍然不斷發現需要改進之處。而且，還沒有成功地超過某些基準。圖象投影器的幾何尺寸限定的入射角度，本文中稱為α角，一般限定為大於0°且小於或等於約10°或11°。圖象投影器的尺寸使α角基本不可能接近0°。在小於約10°或11°的α角範圍內，如根據等式(Ⅰ)和(Ⅱ)所確定的，已經實現的最佳色偏性能在5左右。在大於約10°或11°的α角範圍內，已經實現的最佳色偏性能沒有商業價值。事實上，具有在大於約10°或11°α角的投影電視接收機還未在市場上出現。
小α角有一個明顯且不希望的後果，即必須有很大的機殼深度來容納投影電視接收機。大的深度是需要容納具有小入射角(α)光路的直接結果。對於給定尺寸的圖象投影器和光學元件而言，僅僅可以通過增加圖象投影器或其光學件與屏幕之間的光路長度來減小入射角度。
減小投影電視機殼尺寸的技術，一般取決於用於摺疊長光路的多個反射鏡的布置。減小色偏的這些努力最終由於可能的入射角度範圍小(即使使用反射鏡)而受到限制。
寶麗來公司出售一種標牌為DMP-128光致聚合物，寶麗來公司可以用有專有權的方法將其製成三維全息元件。US.5，576，853描述了該全息攝影製造方法的一部分。全息光致聚合物通常用於藉助將相干光分解成照明光和基準光來記錄全息圖象。照明光照射在拍攝對象上。從被攝物反射的光束和從被攝物旁邊經過的基準光束照射在光致聚合物媒質上，該媒質包含可顯影的光敏攝影組合物。兩光束的光波相互幹涉，即它們通過構造和重構的幹涉，產生出駐波圖案，該圖案具有對局部攝影組合物曝光的正弦波峰，和不對局部組合物進行曝光的零點。在攝影媒質顯影時，相應的幹涉圖案就被記錄在媒質中。用相干基準光照射該媒質，被攝物的圖象被再現出來，並且可以在其視角範圍內觀看到。
由於從被攝物上所有被照明點發出的光與全息圖上所有點的基準光相互幹涉，所以代表普通全息被攝物的全息圖所記錄的幹涉圖案很複雜。通過記錄空白被攝物(通過兩個基準光束的有效幹涉)應該能夠產生一空白全息圖，其中的幹涉圖案更為規則。在此情況下，幹涉圖案與衍射光柵相似，但衍射光柵的間距和解析度與形成有更大尺寸凸透鏡單元以便從後面的投影器沿特定方向彎折或折射光線的投影屏幕相比細得多。
在為建立DMP-128光致聚合物全息產品市場的所做努力中，作為多種建議的一種，寶麗來公司提出了投影電視三維全息屏。該建議是基於寶麗來公司所希望的高亮度高解析度，低製造成本，低重量，和裝運過程中避免受到雙片屏幕所受磨損的優點而提出的。寶麗來公司從未提出過任何可製成這種全息投影電視屏幕體全息圖的具體全息結構，也從未考慮過全息或其它任何類型投影電視屏幕的色偏問題。
總之，儘管多年來進行了很多的開發研究，以提供具有小於5，甚至大大小於5的色偏，或具有低至5的色偏而α角大於10°或11°的屏幕的投影電視接收機，但是與傳統投影屏幕凸透鏡元件形狀位置和散射體的不斷變化出新不同，在解決色偏問題方面沒有進展。而且，儘管建議了三維全息元件可以用於投影屏幕，但由於沒有涉及色偏問題，也就不曾在提供有三維全息屏的投影電視方面作過嘗試。因此，長期以來對一種具有大大提高色偏性能並且可以被裝入一個更小機殼內的投影電視接收機的需求，還沒有得到滿足。
發明概要根據本文所教導的發明方案的投影電視接收機明顯改善了色偏性能(按幅值量級測量)，使得入射角α在小於10°或11°範圍內的投影電視接收機可以達到2或更小的色偏。而且，該色偏性能顯然可以提供符合商業要求的裝於很小機殼內且入射角高達30°的投影電視接收機。根據本發明，通過採用一個或多個反射鏡延長光路長度進一步強化了這些因素。這種大α角接收機的色偏性能至少與傳統的小α角接收機一樣好，例如達到等於5的色偏，並且在小α角接收機和相對較小機殼的情況下有望接近或達到低至大約2的值。
這些效果是由完全放棄擠壓透鏡屏幕技術而獲得的。相反，根據本發明方案的投影電視接收機，具有由形成在基板上，如Mylar等聚乙烯膜上的三維全息元件構成的屏幕。
最初開發這種三維全息屏幕，是因為它具有在高亮度、高解析度、低製造成本、低質量和在裝運等過程中抗兩片屏幕相互磨損方面的突出優點。在檢測該三維屏幕的光學特性是否至少與傳統屏幕一樣好時，發現了該三維全息屏幕的色偏。按照方程(Ⅰ)和(Ⅱ)所得到的三維全息屏幕色偏性能出乎意料地低。限制現有技術改進提高的障礙已經完全消除。此外，現在可以開發出具有更大入射角α投影結構的更小機殼。
根據本文所教導的本發明方案，具有非凡特性三維全息屏幕的投影電視包括至少三個不同顏色圖象的投影器；由設置在基板上三維全息元件構成的投影屏幕，該屏幕在第一側接收來自投影器的圖象，並在第二側顯示該圖象且同時控制所顯示圖象的光散射；其中每個圖象投影器具有一個投影軸，並且這些投影器是這樣配置的，使得任意兩個相鄰的圖象投影器具有會聚的投影軸，這些投影軸限定了一個入射角α；以及代表具有用於有效減小顯示圖象色偏結構的凸透鏡三維陣列的三維全息元件，所說屏幕在大於零且小於或近似等於30度入射角範圍內具有小於或等於約5的色偏，如按照至少下式之一獲得的最大值確定的C=20log10(redblue);]]>C=20log10(greenblue)]]>其中θ是水平視角範圍內的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色的亮度值，blue(θ)是θ角處藍色的亮度值，而green(θ)是θ角處綠色的亮度值。可以預期屏幕的色偏小於5，例如小於或等於4，3或甚至2。
就已知的10°或11°左右入射角處障礙而言，在大於0°和小於或等於10°左右的入射角第一子範圍內，屏幕的色偏在所有入射角度都小於或等於2左右；而在大於10°左右和小於或等於30°左右的入射角第二子範圍內，屏幕的色偏在所有入射角度都小於或等於5左右。
該屏幕還包括一個透光的加強部件，如用厚度在2-4mm左右範圍內的一層丙烯酸材料構成的。基板包括長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂薄膜。該基板可以是厚度約在1-10密耳範圍內的薄膜。已經發現7密耳左右的厚度足以支撐三維全息元件。薄膜的厚度與性能無關。三維全息元件具有不大於約20微米範圍內的厚度。
根據本發明的一個方面，所說投影電視沿圖象投影器與屏幕之間的光路設置有至少一個反射鏡。這些圖象投影器單獨或一起將它們各自產生的圖象投射到反射鏡上，所說反射鏡將這些圖象反射到屏幕的第一側，並且為每一圖象相對於與屏幕正交的光軸限定了一個投影角。投影屏幕利用反射鏡匯集並轉向反射到其上的這些圖象，使得在屏幕第二側上顯示的圖象相對於與屏幕正交的光軸成一個顯示角，其中顯示角範圍為從0至5°。所說全息屏幕會集在一定入射角範圍內的入射光，並以更加接近與所說正交軸垂直的一條直線方向發射出這些光。
根據本發明的另一方面，通過將多個全息屏幕元件和/或準直元件疊置可以進一步改善投影屏幕的色偏性能。例如，在一個全息屏幕的背後可以疊置垂直和水平直線型菲涅爾透鏡，以在一定的垂直或水平視角範圍內實現透光特性的所需變化。或者，可以將在一定視角範圍內具有透光特性變化的多個全息屏幕元件疊置。根據一個實際的實施例，疊置至少兩個全息元件，一個在垂直視角範圍內提供預定變化，另一個在水平視角範圍內提供預定變化。這樣，就可以調節在有用視角範圍內圖象的亮度和使之達到最佳，以充分利用可用照度。此外，將全息元件和/或準直元件疊置能夠以可以接受的成本適應多種性能指標要求，因為線性變化元件的製造成本低於周期性變化元件。例如，可以以低至圓形菲涅爾透鏡成本25％的成本採用壓軋或輥軋工藝製造出線性變化菲涅爾元件。與此類似，線性變化全息母版也比限定兩維變化的圓形母版較為簡單和成本低廉。
在附圖中表示了目前優選的一些示例性實施例。應當理解，本發明並不局限於這些作為示例的實施例，而是在不脫離權利要求體現的構思和範圍的前提下可以作出改變。在所說附圖中圖1是表示根據本文教導的本發明方案的投影電視示意圖。
圖2是解釋本發明方案所用投影電視結構的簡化示意圖。
圖3是根據本發明方案的加強的投影屏幕側視圖。
圖4是投影屏幕另一實施例的示意圖，所說屏幕具有兩個分別在水平和垂直視角範圍內有增益變化的重疊的全息元件。
圖5是表示水平變化的全息元件垂直疊置著或不疊置著垂直變化的全息元件時，作為水平視角函數的白色峰值亮度比的曲線圖。
圖6是具有疊置全息元件和準直屏幕層的另一個實施例的示意圖。
圖7是用於解釋本發明方案的投影電視結構的另一個簡化示意圖。
圖8是在10°，20°和30°的垂直平面上，對φv投影角，在屏幕中心區的點，從±20°垂直視角測得的，作為白色峰值亮度百分比的亮度曲線圖。
圖9是用於解釋本發明方案的投影電視結構的另一個簡化示意圖。
圖10是在0°水平面上，對於φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍色偏的曲線圖。
圖是在0°水平面上，對於φh投影角，在屏幕中心區的點，在從±40°水平視角測得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖12是在15°水平面上，對於φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍色偏的曲線圖。
圖13是在15°水平面上，對於φh投影角，在屏幕中心區的點，在從±40°水平視角測得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖14是在30°水平面上，對於φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍色偏的曲線圖。
圖15是在30°水平面上，對於φh投影角，在屏幕中心區的點，在從±40°水平視角測得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖16是在45°水平面上，對於φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍色偏的曲線圖。
圖17是在45°水平面上，對於φh投影角，在屏幕中心區的點，在從+40°水平視角測得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖18是用於解釋本發明方案的投影電視結構的另一個簡化示意圖。
對優選實施例的說明圖1示意性表示一個投影電視接收機10。排成陣列12的投影陰極射線管14、16和18分別產生紅色，綠色和藍色的圖象。這些陰極射線管還配置有各自的透鏡15、17和19。投射出去的圖象被反射鏡20反射到投影屏幕22上。還可以根據光路的具體結構，採用附加反射鏡。綠色陰極射線管16沿著光路32投射綠色圖象，該光路基本正交於屏幕取向。換句話說，光路的中心線與屏幕成直角。紅色和藍色陰極射線管分別具有光路34和36，這兩個光路非正交取向地以入射角α向第一光路32會聚。這個入射角引發了色偏的問題。
屏幕22包括布置在基板24上的三維全息元件26。全息元件26是形成有衍射圖案的全息圖母版印片，該全息圖案可以調配三個投影器14、16和18輸出光能的分布，並可以使其在屏幕高度和/或寬度方向上發生改變。在一個優選的方案中，全息圖是中心型全息圖，它將從一定入射角範圍內入射到全息元件上的光轉向，並且更加直接地向前出射。該屏幕在第一輸入表面一側28接收來自投影器的圖象，並在第二輸出表面側30顯示該圖象，並控制所有顯示圖象的光散射。
可取的是，基板為長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂薄膜。這類膜的一種是可以從E.I.du Pont de Nemours＆Co.公司得到的Mylar牌產品。該薄膜基板具有1-10密耳範圍內的厚度，等於0.001-0.01英寸或25.4-254微米。已經發現，7密耳左右厚度的薄膜足以支撐三維全息元件。薄膜的厚度一般與屏幕的性能無關，尤其是色偏性能，所用可採用不同的膜厚度。三維全息元件26具有不大於約20微米範圍內的厚度。
三維全息屏至少可以從兩個來源獲得。寶麗來公司利用有專有權的溼式化學方法將它的DMP-128光致聚合物材料製成三維全息元件。該方法包括在光致聚合物上形成衍射全息元件，該全息元件可以包含水平和/或垂直視角範圍內的屏幕增益變化。用相干光對光致聚合物全息介質進行曝光可以製備出全息母版，該相干光包含基準光束，和從具有與所需增益變化對應的明暗變化平面圖案上反射出來光束。
用於上述和本申請權利要求書提出的投影電視接收機中的三維全息屏，其優選實施例是寶麗來公司利用有專利權的溼式化學方法按照下述性能指標製成的水平半視角38°±3°，垂直半視角10°±1°，屏幕增益≥8，色偏≤3，其中水平和垂直視角是按照傳統方法測得的，屏幕增益是正交於屏幕進行測量時，從光源射向觀看表面後面的光強與從觀看表面前面射向觀看者的光強相除的商，而色偏按上述的方法測量。如發明概述中所說的，三維全息投影屏幕優異的色偏性能是完全出乎意料的。
圖2是投影電視的簡化示意圖，其中為了解釋色偏性能省略了反射鏡和透鏡。紅色和藍色陰極射線管14和18的光軸34和36，是相對於綠色陰極射線管16的光軸32以入射角α對稱取向的。機殼的最小深度D由屏幕22與陰極射線管後緣之間的距離確定。應當理解，α角越小，陰極射線管彼此越靠近，且還必須與屏幕隔開以使之與各個射線管之間留有間隙。當α角足夠小時，這種幹擾是不可避免的。這將不得不增大機殼的最小深度D。相反地，α角越大，陰極射線管可以更為靠近屏幕22，從而減小機殼的最小深度D。
在屏幕22的觀看一側，兩個水平半視場角用-β和+β表示。和在一起後的總水平視場角為2β。該半視場角通常可以在±40°至±60°的範圍內。在每個半角內是一組特定角度θ，在其中可以測量色偏，並根據上述等式(Ⅰ)和(Ⅱ)加以確定。
就已知的10°或11°左右入射角處的障礙而言，在大於0°和小於或等於10°左右的入射角第一子範圍內，三維全息屏幕的色偏在所有角度都小於或等於2左右；而在大於10°左右和小於或等於30°左右的入射角第二子範圍內，屏幕的色偏在所有角度都小於或等於5左右。可以料想，第一子範圍中小於或等於2左右的色偏也可以在更大入射角的第二子範圍內實現。
參考圖3，基板24包括一個透明膜，如上所述的Mylar。形成三維全息元件26的光致聚合物材料被放在膜層24上。適合的光致聚合物材料是DMP-128。
該屏幕22還可以包括一個透光的加強部件38，如丙烯酸材料，象聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等。也可以用聚碳酸酯材料。加強部件38是一個厚度在約2-4mm範圍內的層狀材料。屏幕22和加強部件是通過全息層26與加強部件38間的界面40彼此粘在一起的。可以採用粘合劑、輻射和/或熱粘合技術。加強層的表面42還可以做下述一種或多種處理著色，防眩光，塗覆塗層和塗覆防劃傷塗層。
屏幕的各個表面和/或其構造層，可以包含其它光學透鏡或凸透鏡陣列，以在不削弱三維全息投影屏幕改善的色偏性能的前提下控制投影屏幕除了色偏性能之外的其它性能特性方面，如已知用傳統投影屏幕完成的。圖4表示了第一個這樣的改變，其中至少有兩個全息元件被重疊或疊放。根據所示的實施例，在±40°視場範圍內具有水平增益變化的第一全息元件，與在±20°視場範圍內具有垂直增益變化的第二全息元件疊放在一起。圖中的陰影指示出增益的變化，但是當沒有光照時，實際的全息元件簡單地表現為其表面範圍內有散射。將水平和垂直增益變化全息元件重疊的效果基本等效於中心型全息元件；但是，亮度量值在水平方向和垂直方向將以不同的速率變化，這是因為水平擴展範圍比垂直擴展範圍大得多。
圖5是在±40°水平視角擴展範圍內測得的屏幕中心點處作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。圖中的兩條線分別表示僅僅採用水平變化全息元件時的亮度，和採用重疊的水平和垂直變化全息元件時的亮度。用重疊全息元件時的水平亮度變化基本相當於只有水平全息元件時的性能，或稍有改進。
在設計全息屏各種性能指標範圍時，很難使屏幕同時達到所有所需的性能特性。疊放可使不同要求，如增益的水平變化和垂直變化得到分別對待。該方案不局限於兩個疊放的全息元件，也可以應用於其它疊放的全息元件，例如以控制屏幕透過光的其它方面性能。
圖6表示了另一種變化，其中中心型全息元件(即具有水平和垂直增益變化)上疊置有直線型菲涅爾透鏡，以有效地實現水平和旋轉垂直準直。由於直線型菲涅爾透鏡可以比圓形菲涅爾透鏡更廉價地壓軋或輥壓出來，所以本實施例在成本意義上是可取的。圓形菲涅爾透鏡佔傳統屏幕成本的60％。直線型菲涅爾透鏡的成本大約是圓形菲涅爾透鏡的25％。所以，可以節約30％的成本(即(25％+25％)×60％=30％)。對於如上述所討論的水平和旋轉的全息元件而言，如果需要，直線型菲涅爾透鏡可以在水平和/或垂直視角範圍內變化，以便改變焦距長度，而與垂直和水平擴展範圍無關。兩個疊置的直線型菲涅爾可以按照任意次序放置在全息元件後面。
本發明的另一方面是能夠設計出顯著減小了機殼深度的背投影式電視。尤其是，本發明的背投影電視可以包括多個圖象投影器，其中每個投影器的投影軸均不與屏幕的正交軸重合。而且本發明這一方面可以提供一種背投影電視，其中的每個圖象投影器均有一個按與屏幕正交軸所夾投影角φ傾斜的投影軸。本發明的電視可以對超過30°的投影角φ進行校正，以按照與屏幕正交軸所成的顯示角引導顯示在屏幕上的圖象，其中顯示角的範圍為0到5°。
例如，本發明的電視設計能夠適應包括過大角度的投影角，以便於更多地減小所需的機殼深度。圖7表示了一個按照垂直於屏幕22的平面內γv角取向的反射鏡20，以使投影陰極射線管14，16和18投射在反射鏡20上的圖象，按照垂直平面內具有極值上仰角度φv的投影角，反射到投影屏幕上。屏幕22將反射到其上的圖象轉向，以便按照垂直平面內的顯示角θv引導已透過屏幕22的圖象，該顯示角從0至5°，優選地是3至5°，其中按照垂直平面內具有極值上仰角度φv的投影角，將圖象反射到屏幕22上，該角度是從10至30°，可取的是從15至30°，最好為至少15°。
可以從三個不同投影角，即10°，20°和30°測試本發明的這一方面。具體地說，使投射光按照給定投影角φv反射到屏幕22的背面，同時在不同的垂直視角測量透過屏幕22的光強。這些測試的結果以圖表的形式表示在圖8上。具體地說，圖8是在屏幕中心點處測得的±20°視角範圍內的亮度值曲線圖，它表示白色峰值亮度的百分比。
本發明的另一方面是可以採用一個反射鏡20，它易於產生包括過度靠邊角的投影角。圖9表示了在屏幕22水平面中按角度γh取向的反射鏡20，使得投影陰極射線管16投射在反射鏡20上的圖象，以包括水平面內過度靠邊角的投影角φh反射到屏幕22上。屏幕22再將反射到其上的圖象轉向，使得透過屏幕22的圖象按0至5°，可取的是為3至5°的顯示角θh定向，其中圖象按照包括過度靠邊角的投影角φh反射到屏幕22上，該投影角為10至30°，可取的是為15至30°，最好為至少15°。
本發明這一方面中，測試了四個過度靠邊角的投影角φh，即0°，15°，30°和45°。具體地說，使投射光按照給定的投影角φh反射到屏幕22的背面，同時測量透過屏幕22的光強，和作為水平視角函數的紅綠和紅藍色偏強度。這些測試的結果表示在圖10至17的圖表中。具體地說，圖10和11分別是在±40°水平視角寬度範圍觀測到的紅綠和紅藍色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度範圍內在屏幕中心點觀測到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為0°。圖12和13分別是在±40°水平視角寬度範圍觀測到的紅綠和紅藍色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度範圍內在屏幕中心點觀測到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為15°。圖14和15分別是在±40°水平視角寬度範圍觀測到的紅綠和紅藍色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度範圍內在屏幕中心點觀測到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為30°。圖16和17分別是在+40°水平視角寬度範圍觀測到的紅綠和紅藍色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度範圍內在屏幕中心點觀測到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為45°。
在本發明的另一種變化中，每個獨立的投影陰極射線管均單獨配有至少一個反射鏡，其中將獨立的反射鏡取向，以使得反射的各個圖象一同會聚到屏幕背面上的同一點處。圖18表示了本發明這種變化的優選實例，其中用反射鏡50，55和60代替反射鏡20。反射鏡50，55和60將分別取向，以使光束沿著會聚到屏幕22中心點的光軸反射出去，由此投影陰極射線管14，16和18分別完成圖象的投影。本發明的構思，尤其是全息屏，使反射鏡50，55和60的光軸可以不必嚴格地接近與屏幕22正交的光軸。更準確地說，利用本發明的構思，由反射鏡50，55和60反射到屏幕22上的圖象，可以按照0至30°，可取的是15至30°，最好是15°左右的投影角φ入射到其上。
從本申請所公開的內容，本領域技術人員很容易理解，本發明的這些和其它方面可以用於設計和生產具有比能夠想像得到的尺寸更小的機殼的背投影屏幕電視。
已經結合前述示範性實施例和附加實施例而公開的本發明，對本領域普通技術人員而言是清楚的。本發明不局限於所述的具體實施例，對本發明要求保護的構思和範圍認定應該以所附的權利要求書為準，而不是前述的討論。
權利要求
1．一種投影電視，包括用於分別產生不同顏色圖象的多個圖象投影器(14，16，18)，其中每個圖象投影器具有一個投影軸，其中任意兩個相鄰的圖象投影器限定一對圖象投影器，每對圖象投影器的投影軸形成一入射角；由設置在一個基板(24)上的至少一個全息元件(26)構成的一個投影屏幕(22)，所說基板(24)疊置在至少一個透光板(38)上，所說屏幕在第一側接收來自所說投影器的圖象，並在第二側顯示所說圖象，同時控制所顯示圖象的光散射；沿投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間光路設置的至少一個反射鏡(20)，所說至少一個反射鏡的取向使之將來自投影器的圖象反射到所說第一側上，對於每一圖象，相對於與所說屏幕正交的光軸形成一投影角，從而所說投影屏幕使反射到其上的圖象轉向，使得在所說第二側上顯示的圖象相對於與屏幕正交的光軸形成一顯示角，其中所說顯示角範圍從0至5°；所說屏幕(22)構成一個幹涉陣列，該陣列具有在水平和垂直視場內變化的光學屬性，所說屏幕在所有大於0°而小於或等於30°左右的所說入射角範圍內都具有小於或等於5的色偏，如從下式中至少之一獲得的最大值所確定的C=20log10(redblue);]]>C=20log10(greenblue)]]>其中θ是水平視角範圍內的任意角度，C(θ)是θ角處的色偏，red(θ)是θ角處紅色的亮度值，blue(θ)是θ角處藍色的亮度值，而green(θ)是B角處綠色的亮度值。
2．如權利要求1所述的投影電視，其中所說投影角範圍從0至30°。
3．如權利要求1所述的投影電視，其中所說投影角範圍從15至30°。
4．如權利要求1所述的投影電視，其中所說投影角至少為15°。
5．如權利要求1所述的投影電視，其中所說至少一個反射鏡(20)在多個圖象投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間這樣取向，使得所說投影角包括至少為10°的一個極值上仰角度。
6．如權利要求5所述的投影電視，其中所說投影角包括從10至30°的一個極值上仰角度。
7．如權利要求5所述的投影電視，其中所說投影角包括從15至30°的一個極值上仰角度。
8．如權利要求5所述的投影電視，其中所說投影角包括一個至少為15°的極值上仰角度。
9．如權利要求1所述的投影電視，其中所說至少一個反射鏡(20)在多個圖象投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間這樣取向，使得所說投影角包括大於0°的一個靠邊極值角度。
10．如權利要求9所述的投影電視，其中所說投影角包括從10至30°的一個靠邊極值角度。
11．如權利要求9所述的投影電視，其中所說投影角包括從15至30°的一個靠邊極值角度。
12．如權利要求9所述的投影電視，其中所說投影角包括至少為15°的一個靠邊極值角度。
13．如權利要求1所述的投影電視，其中所說至少一個反射鏡(20)包括用於所說多個圖象投影器中每一個圖象投影器(14，16，18)的至少一個獨立的反射鏡。
14．如權利要求1所述的投影電視，其中所說屏幕(22)包括彼此疊置的至少兩個全息元件，所說全息元件具有獨立的視場光學特性變化。
15．如權利要求1所述的投影屏幕，其中所說屏幕包括疊置在所說至少一個全息元件之上的至少一個菲涅爾元件。
16．如權利要求15所述的投影屏幕，包括在所說全息元件(26)後面疊置的至少兩個菲涅爾元件(29，31)，所說至少兩個菲涅爾元件具有獨立的準直作用，所說作用相互疊加。
17．如權利要求16所述的投影屏幕，其中所說至少兩個菲涅爾元件(29，31)在垂直和水平視場範圍分別具有變化的光學特性。
18．如權利要求17所述的投影屏幕，其中所說至少兩個菲涅爾元件(29，31)在垂直和水平視場範圍分別具有變化的焦距。
19．如權利要求1所述的投影電視，其中所說基板(24)包括聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂薄膜。
20．如權利要求1所述的投影電視，其中所說三維全息元件(26)具有下列性能指標水平半視角38°±3°，垂直半視角10°±1°，屏幕增益 ≥8，色偏 ≤3。
全文摘要
一種電視投影屏幕(22)具有設置在薄膜基極(24)上的一個三維全息元件(26),用於會集一定入射角範圍內的光,並使所說光轉向為更加接近向前的方向。可以將在±40°水平視角範圍內和±20°垂直視角範圍內具有變化增益的垂直和水平全息元件疊置。圖象投影管(14,16,18)將一個圖象投影到沿一條光路反射該圖象的至少一個反射鏡(20)上,所說光路以相對於與屏幕正交軸成大約0°至30°之間的一個投影角Φ會聚。每個投影管(14,16,18)可以具有一個獨立的反射鏡。全息元件(26)將反射的圖象轉向到相對於與屏幕正交軸為0°至5°的一個顯示角。全息元件(26)還形成一個幹涉圖案,有效地減小了在其它情況下由於離軸投影而在顯示圖象中產生的色偏,以實現在0°至30°入射角範圍內具有2至5的色偏。
文檔編號H04N9/31GK1284239SQ98813398
公開日2001年2月14日 申請日期1998年1月29日 優先權日1998年1月29日
發明者小E·T·哈爾, W·R·普菲勒 申請人:湯姆森許可公司