具有消除高離軸光線全息屏的投影電視的制作方法

專利名稱：具有消除高離軸光線全息屏的投影電視的制作方法
技術領域：
本發明涉及投影電視接收機，尤其涉及色偏顯著減弱、機殼深度大大減小，和以大于預定最大入射角且與屏幕非正交的入射角入射的光被高比例排除的投影電視屏幕。
背景技術：
色偏被定義為當從水平面的不同角度觀看時，由紅、綠、和藍投影管發出的投射圖象在投影屏中心處形成的白圖象的紅/藍或綠/藍比例，相對于在垂直觀看角度的峰值亮度時所看到的改變。
色偏問題是由必須有不同顏色圖象，如紅，藍和綠色，的至少三個圖象投影器而引起的。投影屏在第一端接收來自至少三個投影器的圖象，并在第二端通過控制所有顯示圖象的光偏轉而顯示這些圖象。通常為綠色的且通常位于投影器陣列中心的一個投影器，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。通常為紅色和藍色且通常位于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、藍投影器相對于屏幕和綠投影器的非正交關系導致了色偏。色偏的結果是，在屏幕上各個位置的色調可能不相同。色調差別大的情況通常是白色均勻度較差。色偏越小白色均勻度越好。
用數碼標注色偏，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°的范圍，并以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等式(Ⅰ)和(Ⅱ)進行評價C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ))---(I)]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))---(II)]]>
其中θ是水平視角范圍內的任意角度，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。
一般地，色偏不應當大于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，盡管這樣的色偏性能是不希望有的，并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通常是通過擠壓法利用一或多個有圖案的輥形成熱塑性板材表面的形狀而制造的。其輪廓一般為凸透鏡元件陣列。凸透鏡單元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，或另外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，屏幕的一個表面是能夠提供光散射的菲涅爾透鏡型。現有技術減小色偏和改進白色均勻度的努力，僅僅集中在屏幕的兩個方面。一個方面是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。這些努力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開的凸透鏡輪廓方面，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范圍內。該輪廓沿著光軸方向延伸，且形成許多非球面輸入凸透鏡。
通常采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，橢圓或雙曲線形的，并由下列等式(Ⅲ)表示Z(x)=Cx21+[1-(K+1)C2x2]12--------(III)]]>其中C是主曲率，而K是圓錐曲線的常數。另外，透鏡具有高于二次項的曲線。在用這種雙側凸透鏡構成的屏幕中，已經規定了出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系。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于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，并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于光軸是不對稱的。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，或色差可以較小。
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合適視場的。這些技術不是本文的興趣所在，且在此不作詳述。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于輸入透鏡層各透鏡光會聚點所在的面和其附近。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，并且易于用擠壓法制造。
盡管在投影屏設計中危害性的研究已有許多年，但是有關的改進仍不斷地提出。而且，還沒有突破某些基準。圖象投影器的幾何尺寸限定的入射角度，本文中稱為α角，一般限定為大于0°且小于或等于約10°或11°。圖象投影器的尺寸使α角基本不可能接近0°。在小于約10°或11°的α角范圍內，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。在大于約10°或11°的α角范圍內，已經實現的最佳色偏性能沒有商業價值。事實上，具有在大于約10°或11°α角的投影電視接收機還是不為人知的。
小α角有一個明顯且不希望的效果，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。減小投影電視機殼尺寸的技術，一般取決于反射鏡的布置。這些努力最終還受到入射角度范圍小的限制。
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利權的方法將其制成三維全息元件。US.5，576，853描述了該全息攝影制造方法的一部分。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。該建議是基于寶麗來公司所希望的高亮度高分辨率，低制造成本，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制成這種全息投影電視屏的體全息元件的具體全息結構，也從未考慮過全息或其它任何類型投影電視屏的色偏問題。
總之，盡管多年來進行了很多的開發研究，以提供有小于5，甚至大大小于5色偏，或具有低至5的色偏而α角大于10°或11°的屏幕的投影電視接收機，但是與傳統投影屏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則沒有進展。而且，盡管建議了三維全息元件可以用于投影屏，但由于沒有涉及色偏問題，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供色偏性能且還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，提供了這樣一種對色偏性能(按幅值量級測量)所做的改進入射角α在小于10°或11°范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于很小機殼內且入射角大于30°的投影電視接收機。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(例如等于5的色偏)一樣好，而在小α角接收機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出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，具有由形成在基片上，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、高分辨率、低制造成本、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遮擋已經完全消除。而且，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不同顏色圖象的三個投影器；有布置在基片上三維全息元件構成的投影屏幕，該屏幕在第一側面接收來自投影器的圖象，并在第二側顯示該圖象且控制所顯示圖象的光散射；投影器之一具有基本與屏幕正交取向的第一光路，而至少兩個投影器分別具有在非正交傾斜入射角內向第一光路會聚的光路；以及代表具有用于有效減小顯示圖象色偏結構的三維衍射陣列的三維全息元件，該屏幕在大于零小于或等于約30度入射角范圍內具有小于或等于約5的色偏，如至少下式之一所獲得的最大值確定的那樣C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ))---(I)]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))---(II)]]>其中θ是水平視角范圍內的任意角度，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。屏幕的色偏最好小于5，例如小于或等于4，3或甚至為2。
就已知的10°或11°左右入射角處遮擋而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于2左右；而在大于10°左右和小于或等于30°左右的入射角第二子范圍內，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。
該屏幕進一步包括一個透光的加強組件，如用厚度在2-4mm左右范圍內的一層丙烯酸材料構成的。基片包括長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙烯酯樹脂膜。該基片可以是厚度在1-10密耳(25.4-254微米)范圍內的薄膜。已經發現7密耳(178微米)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于約20微米范圍內的厚度。
在本發明的另一方面，投影電視還包括一個或多個位于圖象投影器與屏幕之間的反射鏡，以便將來自透鏡的所需光反射到屏幕上，而不需要雜散光擋光板阻擋來自透鏡的“瞄準線”光到達屏幕上。更為具體地，投影電視具有用于投影不同顏色圖象的至少三個圖象投影器，其中圖象投影器輸出一定量散射光投射到投影屏幕的至少一部分上。該投影屏幕由布置在基片上三維全息元件構成，并表現為一個三維衍射圖案或干涉陣列。該屏幕在第一側面接收來自投影器的圖象，并在第二端顯示該圖象且控制所顯示圖象的光散射。有利的是，該屏幕選擇地排除散射光量。


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是本發明方案加強的投影屏側視圖。
圖4是表示本發明排除垂直光的特性圖表。
圖5是表示本發明排除水平光的特性圖表。
圖6表示用于獲得圖4和5所示數據的所用測試設備的示意圖。
對優選實施例的詳細說明圖1表示的是投影電視接收機10。排成陣列12的投影陰極射線管14，16和18分別提供了紅色，綠色和藍色的圖象。這些陰極射線管具有各自的用來將其各自的信號投影到投影屏幕22上的透鏡15，17和19。投影的圖象被反射鏡20反射到投影屏22上。還可以根據光路的具體結構，采用附加反射鏡。如圖1所示，綠色陰極射線管16沿著光路32投射綠色圖象，該光路正交于屏幕22(即屏幕成直角)。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向低于光路32會聚。這個入射角引發了色偏的問題。此外，從透鏡15，17和19垂直發出的一部分光直角散射到屏幕22上。這種情況將會損害屏幕22的對比度，并降低圖象質量。
在該投影系統的一個方面，屏幕22包括布置在基片24上的三維全息元件26。該屏幕在第一輸入表面一側28接收來自投影器的圖象，并在第二輸出表面側30顯示該圖象，并控制所有顯示圖象的光散射。有利的是，屏幕22具有于前面所述傳統屏幕不同的光學結構特性。更為具體地，該光學結構接近于理想，即無論屏幕的物理取向如何(如水平或垂直)，屏幕22的光學特性是相同的。擬用于本發明的這類全息屏幕通常顯示出高的橢圓光特性，即沿著一個軸(主軸)的傳輸特性較高而沿著另一個軸(副軸)的傳輸特性較低。在傳統的屏幕中，即那些包含凸透鏡等等的現有技術的屏幕，相應的光學特性是多級的，因此是非對稱的。在本發明中，全息屏幕22橢圓度較大，并以一個窄的垂直包絡線輸出光。換句話說，它僅僅接收在很窄垂直角度范圍內入射到其表面上的光。因此，散射或反射雜散光，即從垂直角度附近很小角度之外的角度入射到屏幕22上的光，不能透過屏幕22，由此提高了整個圖象的對比度。
圖4和5用圖表表示了本發明垂直和水平的消除特性。用于形成圖4和5曲線的數據，是用圖6所示的測試裝置25采集的。只有綠色CRT的46英寸的投影電視(46″PTV)27，用于采集與透過屏幕22的光有關的數據，該透過光是垂直和水平入射角(用光學傳感器29測得的用希臘字母θ表示的角度)的函數。屏幕組件30適于關于其垂直一側轉動(圖6)。于是，當屏幕組件轉動時，屏幕從不同θ角接收到綠光。光學傳感器29與屏幕22保持垂直，以便在屏幕的中心記錄從所測入射角入射的光的百分比透過率。有利的是，用全息散射屏幕在垂直位置(轉過90°)進行測量，以便模擬直接發自PTV透鏡15，17，19的光減少量。
下面的表格表示了從前述測試裝置中得到的數據，還為圖4和5的曲線打下了基礎。水平屏幕取向 垂直屏幕取向θ 綠光θ 綠光10° 111.55°33.920°77.5 10°8.030°47.7 15°2.040°20.9 20°.950° 9.9 25°.4760° 5.1 30°.320°167.0于是，來自透鏡15，17，19的反射或散射的雜散光，即入射到屏幕22內但在垂直角度附近的小角度之外的光，不透過屏幕22。圖4和5表示了除了垂直和水平輸入光之外的值。垂直全息影響是在任何角度處都減少輸入光，但傾向于一些輸入角，如2.5度附近為50％，7度附近為90％，而超過20度基本為零。水平全息影響是在18度附近減少50％而在45度附近減少90％。
從傳統PTV中屏幕的輸出表面一側30，常常可以看到透鏡的正象。在本發明中，當全息屏幕定向在轉動90度的位置上，即水平軸上下取向時，也可以透過全息屏幕看到透鏡的正象。但是，當屏幕22按其垂直方位定位時，從屏幕的輸出表面一側30將看不到透鏡15，17，19的正象。于是，全息圖遮擋了從尖銳的垂直角入射到屏幕上的不需要的雜散光或散射光。在現有技術的裝置中，需要用擋光板從圖象中去除這些正的透鏡象。
優選地，屏幕22的基片為長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙烯酯樹脂膜。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。該薄膜基片具有1-10密耳范圍內的厚度，等于0.001-0.01英寸或25.4-254微米。已經發現，7密耳(178微米)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，所用可采用不同的膜厚度。三維全息元件26具有不大于約20微米范圍內的厚度。
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利權的濕式化學方法將它的DMP-128光致聚合物材料制成三維全息元件。
用于上述和本文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濕式化學方法根據下述性能指標而制成的水平半視角38°±3°，垂直半視角10°±1°，平面增益 ≥8，色偏 ≤3，其中水平和垂直視角是其傳統方法測得的，屏幕增益是正交于屏幕進行測量時，從源射向觀看表面后面光強與從觀看表面前面射向觀看者光強相除的商，而色偏按上述的方法測量。
如發明概述中所說的，三維全息投影屏非凡的色偏性能是完全出乎意料的。
圖2是投影電視的簡圖，其中為了解釋色偏性能省略了反射鏡和透鏡。紅色藍色陰極射線管14和18的光軸34和36，是關于綠色陰極射線管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與陰極射線管后緣之間的距離確定。應當理解，α角越小，陰極射線管彼此越靠近，且還必須與屏幕間隔開以免彼此撞擊。當α角足夠小時，這種煩惱是不可避免的。這將不得已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，可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。和在一起后的總水平視場角為2β。該半視場角通常可以在±40°至±60°的范圍內。在每個半角內是一組特定角度θ，在其中可以測量色偏，并根據上述等式(Ⅰ)和(Ⅱ)加以確定。
就已知的10°或11°左右入射角處遮擋而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內，三維全息屏幕的色偏在所有角度都小于或等于2左右；而在大于10°左右和小于或等于30°左右的入射角第二子范圍內，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。可以料想，第一子范圍中小于或等于2左右的色偏也可以在更大入射角的第二子范圍內實現。
參考圖3，基片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組件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。加強組件38是一個厚度在約2-4mm范圍內的層狀材料。屏幕22和加強組件是通過全息層26與加強組件38間的界面40彼此粘在一起的。可以采用粘合劑，輻射和/或熱粘合技術。加強層的表面42還可以做下述一和多種處理著色，防眩光，涂覆涂層和涂覆防劃傷涂層。
屏幕的各個表面和/或其構造中的層，可以具有其它光學透鏡或凸透鏡陣列，以控制除了色偏性能之外投影屏性能特性，如傳統投影屏幕常常要做的而不削弱三維全息投影屏幕高色偏性能的處理。
權利要求
1．一種投影電視，包括至少三個圖象投影器(14，16，18)，用于投影各個不同顏色圖象，其中所述的圖象投影器輸出一定量的散射光投射到投影屏幕(22)的至少一部分上；所述的投影屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一個三維全息元件(26)構成，并表現為一個三維干涉陣列，所述的屏幕在第一側接收來自所述投影器(14，16，18)的圖象，且在第二側顯示所述的圖象同時控制所有顯示圖象的光散射，其中所述屏幕選擇地排除所述的散射量；所述投影器之一(16)具有相對于所述屏幕基本正交取向的第一光路，且至少兩個所述投影器(14，18)具有分別以非正交取向的傾斜入射角向著所述第一光路會聚的光路。
2．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)排除50％以相對于垂直軸約2.5°的角度入射到其上的所述散射光。
3．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)排除90％以相對于垂直軸約7°的角度入射到其上的所述散射光。
4．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)排除基本全部以相對于垂直軸以大于或等于20°的角度入射到其上的所述散射光。
5．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)排除50％以相對于水平軸約18°的角度入射到其上的所述散射光。
6．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)排除90％以相對于水平軸約45°的角度入射到其上的所述散射光。
7．權利要求6的投影電視，其中所述屏幕(22)沿著其至少一個垂直軸還具有高的橢圓光學特性。
8．權利要求2的投影電視，其中所述的三維全息元件(26)具有下述性能規范水平半視場角38°±3°，垂直半視場角10°±1°，屏幕增益≥8，色偏≤3。
全文摘要
投影電視接收機(10)具有圖象投影器(14,16,18)和用于投影不同顏色圖象的光學系統,并產生一定量入射到投影屏幕(22)至少一部分上的散射光。該投影屏幕(22)包括置于基片(24)上的三維全息元件(26)且表現為一個三維干涉陣列,它在其第一側接收來自投影器(14,16,18)的圖象而在第二側顯示這些圖象同時控制所有顯示圖象的光散射。投影屏幕(22)具體被構造成:排除大部分以不垂直于屏幕(22)角度入射的光,基本消除光散射的影響提高圖象對比度。
文檔編號G03B21/56GK1284235SQ98813391
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