專利名稱：一種分辨率高、機(jī)械穩(wěn)定性好的投影屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種投影系統(tǒng)的屏，特別是投影電視屏，但并不限于投影電視屏。
在“電氣與電子工程師學(xué)會會刊”(IEEE)的用戶電子學(xué)分冊，1985年8月，第31卷185～193頁發(fā)表了R.Bradley，J.Goldenberg和T.S.Mckechnie合寫的論文“超寬視角后投影電視屏”(“Ultra-wideViewingAngleRearProjectionTVScreen”)，其中論及一種有適度的高分辨率和良好的機(jī)械穩(wěn)定性的投影電視屏。

圖1即從此文轉(zhuǎn)繪。我們注意到其前單元是相當(dāng)厚的。其厚度要選擇得不會因溫度和/或溫度的變化而引起翹曲變形。許多小球遍布于前單元之內(nèi)，用以漫射光線。一較薄的菲涅耳透鏡具有一活性表面，此活性表面位于最靠近觀眾之處。此屏的前透鏡狀部分被疊壓到體漫射部分，使兩部分之間建立光學(xué)接觸，從而使從界面的反射最少。
在1985年9月出版的美國光學(xué)學(xué)會雜志”第一卷第12期發(fā)表的論文“在投影屏應(yīng)用中體漫射體的衍射分析(“DiffractionAnalysisofBulkDiffusersforProjectionScreenApplications”)中，本發(fā)明的發(fā)明者采用通過其上的無矢量衍射來分析體漫射體。該文已被作為參考納入本申請?bào)w構(gòu)成本申請的一部分。
本發(fā)明的任務(wù)是改進(jìn)公知的投影屏的設(shè)計(jì)，以便在保持機(jī)械穩(wěn)定性的同時提高屏的分辨率。
本發(fā)明的另一項(xiàng)任務(wù)是，在達(dá)到上述目標(biāo)的同時，某些情況下還能降低屏的制造成本。
本發(fā)明的投影屏包括一透明的、具有機(jī)械穩(wěn)定性的基底和一體漫射區(qū)或表面漫射界面，此界面盡可能地靠近微透鏡。在一特別優(yōu)選的實(shí)施例中，漫射粒子精確地分布在微透鏡中。
如果屏具有兩個單元，則具有機(jī)械穩(wěn)定性的基底可以是前后兩單元中任一單元的一部分。當(dāng)此機(jī)械性能穩(wěn)定的基底是在后單元時，通過將透鏡狀單元向內(nèi)彎曲一個弧度，可維持透鏡狀單元緊緊貼近基底。此弧度必須足以抵消透鏡狀單元在最惡劣的溫度/濕度條件所產(chǎn)生的向外彎曲的弧度。換句話說，此透鏡狀單元在一些限定的點(diǎn)處可能附著于基底。
圖1示出先有技術(shù)中屏的橫截面圖。
圖2是有三片式前單元的屏的示意圖，其接近雙凸透鏡狀表面處具有漫射體。
圖3是具有二片式前單元的屏的示意圖，其接近雙凸透鏡狀表面處有許多漫射單元。
圖4是具有二片式單元的屏的示意圖，在其微透鏡內(nèi)具有漫射體。
圖5是具有帶表面漫射的二片式前單元的屏的示意圖。
圖6是具有一片式前單元，并有一個厚的后單元的屏的示意圖，在前單元的透鏡狀表面內(nèi)有漫射體。
圖7所示意的屏具有一個帶表面漫射的一片式前單元和一個帶菲涅爾透鏡的厚后單元。
圖8是具有厚的后單元和兩片式前單元的屏的示意圖，后單元帶菲涅耳透鏡，前單元有一接近菲涅耳表面的后表面。
圖9是具有接近后菲涅耳透鏡單元的前透鏡狀單元的屏的示意圖，該后菲涅耳透鏡單元具有表面漫射。
根據(jù)在美國專利4，573，764中所示結(jié)構(gòu)的后投影屏來討論本發(fā)明的各實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不局限于此專利中微透鏡的特定結(jié)構(gòu)，也不局限于有透鏡狀表面和菲涅耳透鏡表面的屏。漫射作用使得在任何一個屏上的垂直光分布得到增強(qiáng)。在美國專利4，573，764號所披露的這種特定的屏中，漫射是使色偏移達(dá)到最小所必需的。
在任何一種屏中，如在1985年12月的“美國光學(xué)學(xué)會雜志”上J.Goldenberg和T.S.Mckechnie所發(fā)表的文章“在投影屏應(yīng)用中體漫射體的衍射分析”中所敘述的屏中，當(dāng)體漫射體是指帶有懸浮在其中的許多微小的膠質(zhì)粒子的基底介質(zhì)的情況下，采用一種薄體漫射體也可達(dá)到采用原體漫射體時所達(dá)到的相同漫射角。
現(xiàn)在參看圖1所示先有技術(shù)的屏，屏的前單元用數(shù)字10來表示，此前單元是相當(dāng)厚的，并且在其整個寬度范圍內(nèi)都懸浮有漫射粒子。一透鏡狀表面由許多平行的微透鏡12組成，其長度尺寸在垂直于紙面方向延伸，此透鏡狀表面朝向觀看顯示的觀眾。相鄰微透鏡之間的間隔或槽，部分地填充黑化材料14。這些微透鏡和黑化材料的結(jié)構(gòu)和成份已如美國專利4，573，764號中所論及，這里不再贅述。但要注意，前單元厚度尺寸在溫度和濕度變化時將是防止起翹曲變形的因素。而且體漫射作用與在前單元的后表面上的表面漫射作用相比，會在一定程度上增加屏的分辨率。
先有技術(shù)投影屏還包括有一薄的后單元16，其對著前單元的表面是菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)。按照美國專利4，573，764號，由于在光準(zhǔn)直菲涅耳透鏡和光發(fā)散雙凸透鏡單元之間形成的漫射作用，使紅、蘭和綠光充分漫射，導(dǎo)致各種光線產(chǎn)生基本均勻的水平散射，從而基本上減少了任何色偏移現(xiàn)象的發(fā)生。在討論使其具有一種不同于前透鏡狀表面的表面結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生表面漫射的可能性時，在美國專利4，573，764號中沒有指出要把漫射體粒子移到盡可能靠近屏的前部、最好是移到微透鏡內(nèi)的位置。
現(xiàn)在參看圖2，這里采用帶透明基底20的前單元保證機(jī)械穩(wěn)定性，從而在保持透影屏機(jī)械穩(wěn)定性的同時，使漫射體粒子較為靠近單元的前部。在圖2的實(shí)施例中，基底厚度是2毫米。厚度僅1毫米的漫射體單元24有一后表面22，此后表面用機(jī)械方法貼附到基底20的前表面。更準(zhǔn)確地說，這兩個表面可以粘合或疊壓在一起。同樣地，體漫射體部分24的前表面26被疊壓到前單元的透鏡狀部分28。屏的黑化在圖2中省略，因?yàn)樗鼘斫楸景l(fā)明不是重要的。透鏡狀部分的厚度也是1毫米。圖2中的尺寸大小僅僅是說明性的，而不是用作規(guī)定。要注意，菲涅耳透鏡單元，即后單元29，是相當(dāng)薄的，因而機(jī)械穩(wěn)定性是不好的。因?yàn)榇藛卧姆€(wěn)定性對屏的性能來說不是重要的，所以像在屏的制造過程中通常所采取的做法那樣，除用它的邊緣將其卡緊到另一單元外，并不需要將此單元完全固緊或粘附到前面的穩(wěn)定的單元。作為一種選擇方案，菲涅耳透鏡可在其光學(xué)中心外用少量膠合劑粘接到穩(wěn)定的前單元。一吸附園片27可用來調(diào)整光導(dǎo)中心與交界面其余部分的亮度。后者由于反射而降低了大約8%。
前單元和靠近前透鏡狀表面的漫射區(qū)的整個厚度范圍構(gòu)成具有高分辨率和良好機(jī)械穩(wěn)定性的屏。
在圖3中，這些體漫射球是在透明基底的前面部分，透明基底如圖2所示，例如，是用透明的聚丙烯(acrylic)厚片制成。此聚丙烯片，例如，可用模壓方法這樣來制造，使得其中的漫射球在重力作用下朝向片的一個表面沉降，此種漫射球例如已由RalphBradley和本發(fā)明的發(fā)明者在“電氣與電子工程師學(xué)會會刊”(IEEE)的用戶電子學(xué)分冊，1985年8月第31卷(3)上發(fā)表的論文“超寬視角后投影屏”(“Ultra-WideViewingAngleRearProjectionScreen”)中詳細(xì)地做了介紹。漫射球的沉降是在片冷卻過程時發(fā)生的。然后，透鏡狀部分被疊壓到體漫射片的一個面，體漫射片靠近此面的部分含有許多漫射球。在圖3所說明的例子中，漫射基底30厚度是3毫米。透鏡狀單元與它相疊壓，此透鏡狀單元在圖3中厚度為1毫米。而且漫射單元30的前表面31可以粘接到透鏡狀單元32的后表面。菲涅耳透鏡34的厚度是1毫米，和圖2中的菲涅耳透鏡29一樣。同樣，前單元和靠近前透鏡狀表面的漫射區(qū)一起，整個厚度范圍構(gòu)成一個具有高分辨率和良好機(jī)械穩(wěn)定性的屏。
在圖4中，前透鏡狀部分40中含有漫射體。此前透鏡狀部分與一層聚丙烯或其他適當(dāng)材料的厚片相疊壓。同樣，此透鏡狀單元的厚度是1毫米，而透明基底42的厚度是3毫米。加上和以前所說的菲涅耳透鏡一樣的菲涅耳透鏡44，便構(gòu)成整個的后投影屏。
在圖5中，透鏡狀部分50粘接到厚的透明基底52上。使透明基底52和透鏡狀單元50二者相互接觸的表面中的一個或二個接觸面粗糙化，以產(chǎn)生光漫射。通過選擇材料的折射率和表面粗糙度以達(dá)到所要求的漫射角?；渍凵渎实牡湫蛿?shù)值是1.5，而透鏡狀部分則是1.6?；撞牧献詈檬蔷酆衔铮缇奂谆┧峒柞?Polymetyl methacylate)，也可以是玻璃。所需的粗糙度可利用例如100號(grade 100)的粗金剛砂粉研 加工來產(chǎn)生。透鏡狀部分最好用可濾除紫外線的聚合物制成。這兩部分折射率的相差越大，所要求的粗糙度就越小。
上述所有的例子中都是使漫射單元距離屏的前面盡可能地近，以及前單元都是足夠厚，以保證機(jī)械穩(wěn)定性。
其他一些建立機(jī)械穩(wěn)定的屏的方法將在下面的一些實(shí)施例中討論，并用圖6～8進(jìn)行說明，在其中，薄的前單元內(nèi)含有漫射體，而機(jī)械穩(wěn)定性用厚的后菲涅耳透鏡保證。
首先參考圖6，前單元60包括有微透鏡，其中散布有漫射粒子。在圖中所示的例子中，此單元的厚度是1毫米。然而在0.5～1.5毫米范圍內(nèi)都能方便地適應(yīng)。另一方面，后單元62是一厚的、機(jī)械穩(wěn)定的單元。圖中說明的厚度是3毫米，而其典型的范圍可以是2～5毫米。最大厚度只受材料成本的限制。
要注意，在此實(shí)施例中，前單元被制成向內(nèi)彎一個弧度。這可以把前單元放在具有所要求弧度的模具上，通過加熱成型來實(shí)現(xiàn)?；蛘?，如果在相鄰微透鏡之間的槽中黑化元素(圖中未示出)是一些黑線(Strings)，其適當(dāng)大小的張力所引起的應(yīng)力就會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)幕《取Ｔ谝环萆暾埲諡?985年5月1日，申請?zhí)枮?29，317，名稱為“改進(jìn)的黑化光學(xué)傳輸系統(tǒng)”(“ImprovedBlackenedOpticalTransmission”)的美國專利申請中討論了一種具有許多黑線的屏，此專利申請已轉(zhuǎn)讓給北美菲利浦用戶電子學(xué)公司，并已被納入本申請中參考。
對一對角線為40英寸的屏來說，其前單元中然形成的弓形深度應(yīng)在5～25毫米之間。這就要求曲率半徑在5～20米之間。當(dāng)屏的尺寸大小改變時，其弓形深度亦需進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通常它是根據(jù)預(yù)知的屏的工作環(huán)境溫度和濕度來確定。溫度的影響比濕度小。因?yàn)槠恋膬?nèi)外表面之間的溫度平衡比濕度平衡建立得快。由于溫度和濕度增加時，其外層膨脹，屏要向外作弓形彎曲。在用上述兩種工藝中的任一種加工時所建立的弓形深度，要用來補(bǔ)償預(yù)期在特定的溫度和/或濕度條件下屏膨脹所形成的最大弓曲。為補(bǔ)償這估計(jì)到的最大弓形，向內(nèi)彎曲的總趨勢應(yīng)該加以保持。這種輕微的弧度使屏在厚度方向上被壓緊，因而也壓緊穩(wěn)定的菲涅耳單元。
上述方法可以和菲涅耳透鏡和雙凸透鏡狀單元之間使用小量的透明的粘結(jié)劑的方法相結(jié)合。此小量透明的粘結(jié)劑應(yīng)涂敷在光學(xué)中心，該處的菲涅耳透鏡的光學(xué)放大倍數(shù)是零(Zeroopticalpower)，該處所面對的表面大體上是平面。粘結(jié)劑的用量及其涂布方式應(yīng)選擇得使其不降低屏的光學(xué)或外觀特性。而且，用吸收園片，例如圖2中所說明的那種園片，可以降低透鏡光學(xué)中心的亮度。
雖然表面漫射不總是符合高分辨率的要求，但圖7的屏所達(dá)到的分辨率將能滿足最大多數(shù)的用途。在圖7中，前單元70在其后表面上存在著表面漫射。在最終裝配好的屏中，此后表面靠近后單元72的菲涅耳透鏡表面。如圖6所示，后單元72是一個厚的、機(jī)械穩(wěn)定的單元。
圖8和9示出具有厚后單元的這種類型實(shí)施例的另一些變種。在圖8中，像圖6那樣，所示后單元的厚度約3毫米。在已作成的屏中，其菲涅耳表面緊靠著一個體漫射層82，是前單元84的一部分。此體漫射層厚1毫米，而后單元厚3毫米，典型厚度在2～5毫米之間。由於光損耗是極其微小的，因而機(jī)械穩(wěn)定性是主要問題。借助在前單元中產(chǎn)生的應(yīng)力和/或借助粘著力，使前、后單元之間保持緊密接觸。
除表面漫射是發(fā)生在菲涅耳透鏡92的表面而不是在前單元90背面的表面外，圖9所示的實(shí)施例與圖7所示的實(shí)施例類似。
雖然是用優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行的說明，但并不受此限。專業(yè)技術(shù)人員們可使其產(chǎn)生許多變種和變化，而這些也都應(yīng)包括在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.投影屏包括在第一預(yù)定方向有一預(yù)定厚度的機(jī)械穩(wěn)定的前單元，此前單元由許多微適鏡、在所說第一方向上的所說微透鏡的第一預(yù)定間隔內(nèi)配置的許多體漫射體粒子和用以保持所說屏的機(jī)械穩(wěn)定性的透明基底組成，此基底的厚度大體上超過所說預(yù)定間隔，同所說的微透鏡有機(jī)械性的接觸；和一后單元，此后單元至少同所說透明基底的一部分有機(jī)械性的接觸，在所說的后單元上有一透鏡結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所說的投影屏，其中所說的透鏡結(jié)構(gòu)是菲涅耳透鏡。
3.按照權(quán)利要求1所說的投影屏，其中所說的體漫射體粒子配置在鄰近所說的微透鏡的體漫射體區(qū)間內(nèi)，并有一比所說第一預(yù)定間隔小的厚度。
4.按照權(quán)利要求3所說的投影屏，其中所說的體漫射體區(qū)間的所說的厚度是1毫米。
5.按照權(quán)利要求3所說的投影屏，其中所說的體漫射體區(qū)間包括一基底介質(zhì)和許多懸浮其中的細(xì)小的膠體粒子。
6.按照權(quán)利要求5所說的投影屏，其中所說的透明基底構(gòu)成所說的基底介質(zhì)，其中所說的體漫射體區(qū)間構(gòu)成所說透明基底的一部分。
7.投影屏包括一機(jī)械穩(wěn)定透明基底;和一薄的漫射和透鏡狀部分，與所說的透明基底有著機(jī)械和光學(xué)性的連接，因而使所說屏的分辨率壇加而不降低機(jī)械穩(wěn)定性。
8.按照權(quán)利要求7所說的投影屏，其中所說的漫射和透鏡狀部分包括許多微透鏡，微透鏡中散布有漫射體粒子。
9.按照權(quán)利要求8所說的投影屏，其中所說的薄的漫射和透鏡狀部分在其一邊有一表面漫射體。
10.按照權(quán)利要求7所說的投影屏，其中所說的薄的漫射和透鏡狀部分在鄰近所說機(jī)械穩(wěn)定的透明基底處有一后表面，而所說機(jī)械穩(wěn)定的透明基底在鄰近所說漫射和透鏡狀部分的所說后表面附近有一前表面;而且其中所說的后表面是一漫射表面。
11.一種顯示供觀眾觀看的圖象的投影屏，包括一透鏡狀和漫射單元，此單元有用以向所說觀眾顯示所說圖象的第一面和大體上平行于所說的第一面而延伸的第二面，所說的第一面和所說的第二面之間的間隔構(gòu)成所說透鏡狀和漫射單元的厚度;和一機(jī)械穩(wěn)定的后單元，此后單元在鄰近所說透鏡狀和漫射單元的第二面處有一前表面，在離開所說的前表面一預(yù)定厚度處有一后表面。
12.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的預(yù)定厚度大體上超過所說透鏡狀和漫射單元的所說厚度。
13.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的后單元在其一表面上有一菲涅耳透鏡。
14.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的透鏡狀和漫射單元包括許多其內(nèi)散布有漫射體的微透鏡。
15.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的透鏡狀和漫射單元的平的表面是一漫射表面。
16.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的透鏡狀和漫射單元有一弧度，此弧度適于使所說的透鏡狀和漫射單元去壓緊所說的后單元。
17.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏還包括粘結(jié)手段，用以對靠著所說的后單元固定所說的透鏡狀和漫射單元。
18.一種按照權(quán)利要求11所說的投影屏，其中所說的透鏡狀和漫射單元包括一第一部分，此第一部分有所說的第一面并有許多微透鏡;還包括一體漫射部分，此體漫射部分鄰近所說的透鏡狀部分，并在鄰近所說透鏡狀部分處有第一面，在鄰近所說后單元處有第二面。
19.一種投影屏包括一用來向觀眾顯示圖象的薄的透鏡狀單元;和一機(jī)械穩(wěn)定的后單元，此后單元在鄰近所說透鏡狀單元處有一前漫射表面;和用以防止所說透鏡狀單元和所說后單元之間移動的手段。
20.一種按照權(quán)利要求19所說的投影屏，其中所說的防止移動手段包括將透明粘合劑用于所說透鏡狀單元和所說后單元的所說前表面之間的一些預(yù)定位置處。
21.一種按照權(quán)利要求19所說的投影屏，其中所說的后單元的所說前表面包括一個有一光學(xué)中心的菲涅耳透鏡;以及其中所說的防止移動手段被采用在所說光學(xué)中心處。
全文摘要
一種屏由透明的、機(jī)械穩(wěn)定的基底和體漫射體部分組成，體漫射體部分盡可能地靠近前部微透鏡。此漫射體可以散布在微透鏡內(nèi)，或者在緊靠近它們的單獨(dú)區(qū)域。此屏可以由兩單元組成，透明基底可以處在前單元也可以在后單元。表面漫射可以作為體漫射體的替代和補(bǔ)充形式。
文檔編號G03B21/62GK1031608SQ8810207
公開日1989年3月8日 申請日期1988年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1987年4月21日
發(fā)明者托馬斯·斯圖爾特·麥肯尼, 吉爾·福勒·戈登堡 申請人:菲利浦光燈制造公司