具有一個面向後部的菲涅耳(Fresnel)透鏡的全息投影屏幕的製作方法

2023-05-22 22:30:26

專利名稱：具有一個面向後部的菲涅耳(Fresnel)透鏡的全息投影屏幕的製作方法
一般來說，本發明涉及投影式視頻顯示裝置領域；更具體地說，涉及一種具有使用全息圖與Fresnel透鏡結合一起的屏幕的投影式視頻顯示裝置。
圖1表示一種通常的投影式視頻顯示裝置10。一個投影陰極射線管14、16和18的組12，分別提供紅色、綠色和蘭色的圖象。這些陰極射線管帶有各自的透鏡15、17和19。投影圖象由一個反射鏡20反射至一個投影屏幕22上。根據光學路徑具體的幾何形狀的不同，也可以使用多個附加的反射鏡。該綠色的陰極射線管16，沿著一條在本例子中，其方向基本上是與屏幕22垂直的光學路徑32，投影上述的綠色圖象。換句話說，該光學路徑的中心線與該屏幕成直角。該紅色和蘭色的陰極射線管具有相應的光學路徑34和36，該光學路徑34和36沿著不與該屏幕垂直的方向，向著該第一條光學路徑32收斂，形成入射角α。
投影式視頻顯示裝置的屏幕，一般是通過擠壓的方法，利用一個或多個作有圖形的滾子，將一塊熱塑性塑料板材表面成形面而成。該構形一般為一組雙凸透鏡狀的元件，亦稱為微透鏡和小透鏡。該雙凸透鏡狀元件可以在同一個板材的一面或兩面上形成；也可以只在不同板材的一個面上形成，然後再將這些不同的板材永久地結合起來，作為一個層疊的部件，或互相貼近地安裝起來，起一個層疊部件的作用。在許多設計中，為了形成光的散射，將該屏幕的多個表面中的一個表面作成一個Fresnel透鏡。
然而，圖1中的屏幕22，包括一個放置在一個基底24上的三維的全息圖26。這種屏幕公開在1996年12月31日申請的，名為「帶有三維屏幕的投影電視」的申請人共同未決和共同轉讓的美國專利申請08/777887號中。這裡，引入該專利申請供參考。該全息圖26是一張主全息圖基本上形成處理從上述三個投影器14、16、18發出的光能量的分布的一個繞射圖形；並且，該全息圖26在橫跨該屏幕的寬度和/或高度上可以做成是變化的。該屏幕在其進入表面一側28上，接收從上述投影器送出的圖象，並在其出口表面一側30上，顯示該圖象；同時，所有顯示圖象的光線散射是可以控制的。該三維全息圖26的厚度不大於大約20微米。
該基底24最好是一塊很耐用的、透明的和抗水的薄膜，例如聚對苯二甲酸乙二(醇)酯樹脂薄膜。E.I.du Pont de Nemours公司擁有這樣一種薄膜，其商標為My lar。該薄膜基底的厚度在大約1～10密耳範圍內，相當於大約0.001-0.01英寸，或大約25.4-254微米。厚度大約為7密耳的薄膜，對於配置在其上面的該三維全息圖能夠提供適當的支承。一般，該薄膜的厚度不會影響屏幕的性能，或具體地說，不會影響顏色變換的性能，因此，可以使用不同厚度的薄膜。
該屏幕22還可以包括一個(例如)由丙烯酸類材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))製成的光透射增強件38。該增強件也可以使用聚碳酸酯材料。目前，該增強件38為厚度在大約2-4毫米範圍內的一個層。在整個該全息層26和該增強件38的相互邊界40上，該屏幕22和該增強件38是彼此粘接在一起的。為此，可以使用粘接劑，輻射，和/或熱粘接技術。該增強層的表面42可以用(例如)下列方法中的一種或多種方法進行處理著色，抗閃光塗層和抗刮傷塗層。
為了控制投影屏幕的特殊的性能特性，如在通常的投影屏幕中所做的那樣，該屏幕的各個不同表面和/或該屏幕的多個組成層，可以設置其他的光學透鏡或一些雙凸透鏡狀的元件組。例如，如圖2所示，屏幕22′可以包括一個具有與上述屏幕22的進入表面一側28實際接觸的一個透鏡模型51的Fresnel透鏡50。如圖3所示，該透鏡模型51具有沿著該Fresnel透鏡50的寬度，互相平行的許多水平的隆起部分52。在該技術領域內具有普通熟練技術的人都知道，在該Fresnel透鏡50和該基底24之間可使用潤滑劑，並且，圍繞該Fresnel透鏡50和該基底24的邊緣，可以使用一條帶子，將這二個零件固定在一起。
圖2所示的該屏幕22的實施例的性能，比通常的屏幕有很大的改善顏色變換的性能大大地改善；在較大的水平視角範圍內，能見度好；較高的屏幕放大係數使在該屏幕上產生的圖象的總亮度增加；總的亮度更均勻；並且，解析度可以更高。然而，這種性能必然使製造成本提高。例如，將該Fresnel透鏡50固定在該屏幕22上，以形成圖2所示的該屏幕22′，其材料和勞動成本可以佔到該屏幕22′成本的大約15％至20％。這個數量是很大的，足以使該屏幕22′成為商業上不實用的。
本發明旨在提供一種投影電視接收機或監視器的屏幕，該屏幕的性能特性優良，而成本可使該屏幕製造在商業上是切實可行的。
根據這裡所述的本發明的裝置，一種投影式視頻顯示裝置的屏幕，包括一個固定在一個Fresnel透鏡上，用於處理從該Fresnel透鏡逸出的光能量的散射的全息圖。該全息圖可以利用一種層壓方法固定在該Fresnel透鏡上。
根據這裡所述的本發明的另一種方案，一種投影式的視頻顯示裝置的屏幕包括一個Fresnel透鏡，該Fresnel透鏡的第一個側面上具有一個用於接收從一個光源發出的光能量的透鏡模型；該Fresnel透鏡還具有上述光能量從那裡逸出該Fresnel透鏡的第二個側面。該第二個側面與該第一個側面相對。另外，上述屏幕還包括一個用於處理從該Fresnel透鏡的第二個側面上選出的上述光能量的散射的全息圖。該Fresnel透鏡可以是直線型形式的。
根據這裡所述的本發明的裝置的又一個方面，一種投影式視頻顯示裝置的屏幕包括一個直線型形式的Fresnel透鏡，該透鏡的第一個側面上具有一個用於接收從一個光源發出的光能量的透鏡模型；另外，該透鏡還具有上述光能量可以從那裡逸出該Fresnel透鏡的第二個側面。所述第二個側面與該第一個側面相對。另外，該屏幕還包括，一個全息圖，該全息圖被層壓在上述Fresnel透鏡的第二個側面上，用於處理從該Fresnel透鏡的第二個側面上逸出的上述光能量的散射。
本發明的上述和其他一些特點，方面和優點，從下面結合附圖進行的說明中，將會清楚。在附圖中，相同的標號表示相同的元件。
在附圖中圖1為一種投影電視接收機的示意圖；圖2表示一種投影電視接收機屏幕的一種可能的方案；圖3表示圖2的方案中所使用的一種Fresnel透鏡的正面圖；圖4表示根據這裡所述的本發明裝置的一種投影電視接收機的屏幕的側視圖；圖5表示圖4所示的屏幕的有代表性的實驗數據；和圖6表示獲取圖5數據的一些點。
圖4表示使良好的性能和商業上的可行性目標相協調的一個屏幕100的側視圖。該屏幕100具有一個直線型的Fresnel透鏡110，該透鏡又具有許多形成一個其方向指向該投影電視接收機的一個光源的透鏡模型111的水平的隆起部分112。雖然，因為直線型的Fresnel透鏡比圓形的Fresnel透鏡便宜，而目前更喜歡採用直線型的Fresnel透鏡，但是，在圖4的實施例中，也可以使用圓形的Fresnel透鏡。該光源包括圖1所述的投影電視接收機01中的陰極射線管14、16或18中的一個管，以及它們各自所帶的透鏡15、17或19。
該Fresnel透鏡110的透鏡模型111設計成可以在垂直方向改變，使得從該Fresnel透鏡110出來的光的垂直分量互相平行。當該Fresnel透鏡110的方向使其透鏡模型111面向上述投影電視接收機的光源時，則稱該Fresnel透鏡110是面向「後部」或是「向後」方向的；而該Fresnel透鏡110面向該光源的一側，就稱為該透鏡的「背」側或「後」側。相反，與該Fresnel透鏡的背側方向相反，並且光線通過它從該Fresnel透鏡110射出的一側，稱為「前」側。
目前，圖4所示的優選實施例中的該Fresnel透鏡110，是使用丙烯酸類材料製造的。上述透鏡模型111是被擠壓、浮雕或模製在該丙烯酸類材料的背面上的。從最大限度地減小該屏幕100的成本的觀點來看，目前最好是將該透鏡模型111，擠壓在該丙烯酸類材料的背面上。在該屏幕100的另一個實施例中，可以將該透鏡模型111，浮雕在一個聚乙烯材料層上，以形成一個較薄和便宜的Fresnel透鏡110。在該屏幕100的另外又一個實施例中，該Fresnel透鏡110可以是一個全息的Fresnel透鏡，而不是一個具有透鏡花紋111的機械式Fresnel透鏡。這種全息的Fresnel透鏡是具有普通技術熟練程度的人們所熟知的。
然後，利用技術上具有普通熟練程度的人們所熟知的各種不同的層壓方法，或許是高溫層壓方法中的任何一種方法-擠壓法，將上述全息圖26及其基底24，固定在該Fresnel透鏡110的前端側面113上。該全息圖26被夾在該Fresnel透鏡110的前端側面113和該基底24之間。這樣，該基底24就成為保護該全息圖26免遭物理損傷的一種措施。該全息圖26使從該Fresnel透鏡110的前端側面113發出的、入射至該全息圖上面的光的水平分量平行。該全息圖26還可以方便地修正上述屏幕100的顏色變換，並且在整個屏幕100上，在水平方向和垂直方向上，重新分布全部的光線束包線。
圖4所示的本發明的裝置，很方便地從該屏幕100上取消了圖2的屏幕22′所要求的上述增強件38。因此，該屏幕100的成本降低至使該屏幕在商業上切實可行的程度。取消該增強件38還有一個優點是，所得出的屏幕100比上述屏幕22′薄一些。例如，該屏幕100的厚度可能大約為2毫米，而通常的屏幕厚度可能大約等於3.5毫米。技術上具有普通熟練程度的人們都熟知，屏幕結構最好比較薄一些，因為它可減小投影電視屏幕所連帶產生的「重影」問題。
不太直觀的一點是，圖4所示的帶有面向後部的Fresnel透鏡的裝置，可以重現圖2所示的，帶有面向前部的Fresnel透鏡的裝置的性能特徵。一個眾所周知的現象是，光線並不總是理想地入射在上述透鏡花紋111的隆起部分上的。結果，可以預期到，從一個面向後部的Fresnel透鏡的中心，至其邊緣的亮度降低，比從同一個，但是面向前部的Fresnel透鏡的中心，至其邊緣的亮度降低要大。的確，從中心至邊緣亮度的降低，是實現圖4所示的本發明的裝置時的一個主要關心的問題。
然而，發明者們收集到的實驗數據顯示，對於一個直線型的、面向後部的Fresnel透鏡，該從中心至邊緣亮度降低並不是很嚴重的。該從中心至邊緣的亮度是在三種不同的條件下測量的(i)在一個46英寸的投影電視系統中，Fresnel透鏡的焦距為46英寸(即，焦距是正確的)；(ii)在一個46英寸的投影電視系統中，Fresnel透鏡的焦距為52英寸(即，焦距太大)；和(iii)在一個52英寸的投影電視系統中，Fresnel透鏡的焦距為46英寸(即，焦距太短)。在每一種條件下，測量該Fresnel透鏡，在面向前部和面向後部二個方向上的從中心至邊緣的亮度。在(i)和(iii)條件下，該亮度是在距離該屏幕8英尺的距離處測量的；在(ii)條件下，該亮度是在距離該屏幕9英尺的距離處測量的。在每一種條件下，使用一個小窄條的一種生產型的圓形Fresnel透鏡，來模擬一個直線型的Fresnel透鏡。
實驗數據表示在圖5a-5f中。圖6表示進行測量的該屏幕上的一些點。白色亮度w的測量單位為英尺-朗伯。每一點的亮度w也可作為該屏幕中心亮度的百分數來測量。還計算了該屏幕長軸、短軸和拐角處的亮度的算術平均值。長軸120的亮度算術平均值是在圖6中的點3和9處測量的亮度的平均值。短軸121的亮度的算術平均值，是在圖6中的點6和12處測量的亮度的平均值。拐角的亮度的算術平均值，是在圖6中的點2，4，8和10處測量的亮度的平均值。
圖5a-5f所示的數據表明，對於一個面向後部的、直線型的Fresnel透鏡，最好的拐角亮度是在該透鏡的焦距較長的條件下出現的，該最好的拐角亮度，比面向前部的，該同一個較長焦距的直線型的Fresnel透鏡的相應亮度要大；儘管在焦距較長的面向後部的、直線型Fresnel透鏡中，其短軸的亮度，比該同一個Fresnel透鏡，但焦距較短或焦距正確的情況下的相應亮度要小些。上述數據揭示的一個意料不到的發現是，該短軸的亮度實際上可被該直線型的Fresnel透鏡的面向後部的指向增強。這種短軸亮度的增強，為設計者在設計時提供了，在一方面是該直線型Fresnel透鏡頂部和底部的焦距的增大，另一方面是從該直線型Fresnel透鏡的短軸，至其拐角的亮度降低之間，作新的協調折衷選擇的可能性。
雖然，已經結合


了本發明的優選實施例，但技術經驗豐富的人們應當理解，本發明不是僅局限於這些實施例，可以作各種各樣的更改和改進，而不脫離所附權利要求書規定的本發明的範圍或精神。
權利要求
1.一種投影式視頻顯示裝置的屏幕，所述屏幕的特徵在於該屏幕具有一個Fresnel透鏡(110)，該Fresnel透鏡(110)在其第一個側面上，具有接收從一個光源(14，16，18)發出的光能量的一個透鏡模型(111)；另外，該Fresnel透鏡(110)還具有一個所述光能量、能從那裡選出所述Fresnel透鏡的第二個側面；所述第二個側面與所述第一個側面相對；和該屏幕還具有一個全息圖(26)，該全息圖(26)用於處理從所述Fresnel透鏡的所述第二個側面逸出的所述光能量的散射。
2.如權利要求1所述的屏幕，其特徵為，所述全息圖是利用一種層壓方法，固定在所述Fresnel透鏡上的。
3.如權利要求1所述的屏幕，其特徵為，所述全息圖實質上包括一個繞射圖形。
4.如權利要求1所述的屏幕，其特徵為，所述Fresnel透鏡為一種全息的Fresnel透鏡。
5.如權利要求1所述的屏幕，其特徵為，所述的Fresnel透鏡為直線型形式等。
6.如權利要求1所述的屏幕，其特徵為，所述Fresnel透鏡包括一個具有許多隆起部分(112)的透鏡模型，這些隆起部分沿著所述Fresnel透鏡的寬度，是互相平行的。
7.如權利要求6所述的屏幕，其特徵為，所述透鏡模型在垂直方向是變化的，使得從所述Fresnel透鏡的第二個側面逸出的所述光能量的垂直分量互相平行。
8.如權利要求7所述的屏幕，其特徵為，所述Fresnel透鏡由一種丙烯酸類材料製成。
9.如權利要求7所述的屏幕，其特徵為，所述的Fresnel透鏡由聚乙烯材料製成。
全文摘要
本發明公布了一種投影式視頻顯示裝置的屏幕。一個直線型形式的Fresnel透鏡的第一個側面上,具有一個用於接收從一個光源發出的光能量的透鏡花紋。該Fresnel透鏡的第二個側面與該第一個側面相對。該光能量從該Fresnel透鏡的第二個側面上逸出。一個全息圖固定在該Fresnel透鏡的第二個側面上,該全息圖用以處理從該Fresnel透鏡的第二個側面上逸出的光能量的散射。該全息圖可以利用各種不同的層壓方法中的任何一種方法,固定在該Fresnel透鏡上。
文檔編號G03B21/60GK1249631SQ9911856
公開日2000年4月5日 申請日期1999年9月9日 優先權日1998年9月10日
發明者小E·T·霍爾, W·R·普菲勒 申請人:湯姆森消費電子有限公司