采用全息屏和部分遮擋投影透鏡的投影電視的制作方法

專利名稱：采用全息屏和部分遮擋投影透鏡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領域，且尤其涉及具有全息屏和改進的投影透鏡的投影電視，該投影透鏡通過遮擋投影管光瞳透鏡的中心部分，提高了屏幕的整個視場范圍內的亮度均勻性。
背景技術：
投影電視屏幕需要至少三個圖象投影器以形成各個不同顏色的圖象，如紅，藍和綠色。投影屏在第一端接收來自三個投影器的圖象；在第二端顯示這些圖象，并對所有顯示圖象進行光散射控制。投影器之一，通常為綠色的且通常處于投影器排列中心，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。至少兩個投影器，通常為紅色和藍色且通常在排列上位于中心綠色投影器相對兩側，它們具有向第一光路會聚且不與屏幕正交而以一傾角入射的各自光路。投影器的這種位置安排的結果是，當從不同的角度觀看時屏幕上的圖象會有色偏，且圖象在中心區比在邊緣區要亮，或表現出不均勻的亮度。因此，需要減小投影屏幕電視系統的色偏提高亮度的均勻性。
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。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/Rl)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。
除了色偏問題之外，投影電視不能在觀看者能看見屏幕的足夠寬水平視角范圍提供有足夠亮度的圖象大多數體格亮度的方案是集中在提供全屏幕的增益，它定義為在正交或垂直于屏幕的方向測量，從源向觀看表面后方傳輸的光強，與從觀看表面前面向觀看者所傳遞光強的商。
在美國專利US.5，196，960中可以找到，通過加強圖象的增益和在水平和垂直方向確保合適視場，從而改進投影屏性能的各種方案。這些技術不是本文所要考慮的內容，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。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。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。所述的這種屏幕設計具有更大的屏幕增益，且因而整個圖象更亮了。
盡管雙側凸透鏡屏幕的總增益和亮度比簡單散射屏幕的要好，投影電視設計的另一個性能問題是在具有可比亮度條件下，屏幕邊緣與屏幕中心亮度的相對差異。通常是，畫面的邊角不如畫面的中心明亮。相對亮度差部分地是由于從投影器到屏幕中心的光路比投影器到屏幕邊緣的光路短而產生的；部分地是由于投影器一般都對準屏幕的中心，其射束一般都會聚在中心的緣故。所以，投影器照射到邊角的光強小(由于距離所致)，且不如中心處那么直接。
處理邊緣亮度的一種方法是在屏幕的散射或凸透鏡面板后面采用菲涅爾透鏡。該菲涅爾透鏡為一準直透鏡，并其焦距等于該準直透鏡與投影器輸出透鏡出瞳的軸向距離。目的是引導從投影器發散出來的光線，以使沿著每個投影管子投影軸的光線平行于該軸地從屏幕射出。
菲涅爾透鏡被細分為逐漸向著透鏡邊緣傾斜的凸脊，并其斜度基本等于實心準直透鏡斜度，選擇凸脊的具體角度，以使得透鏡表面空氣/玻璃(或空氣/塑料)折射本領能夠按所需的方向彎折光線。尤其是，從屏幕中心軸發散的光線被向內彎折向中心軸，以便平行于該中心軸地出射。并且，向著屏幕的邊緣，需要逐漸增大的折射本領，而中心無需有折射本領。
已知傳統的投影屏菲涅爾凸脊的焦距長度從畫面中心向外逐漸增大。屏幕邊緣的離軸光線被彎折而偏離開平行于中心軸的方向，而被向內引導偏向中心軸。這使得在沿著中心軸觀看屏幕時圖象邊緣的亮度較高，但對于從其它方向觀看沒有幫助。
在按照從屏幕中心上方一點沿著使用者視線方向引導光線的方式安置菲涅爾透鏡的投影電視中，例如在具有較小機殼的投影電視中，還能出現另一個亮度變化的問題。這要通過將菲涅爾透鏡中心線相對于屏幕中心向上偏移而實現。盡管這樣可以提高相對亮度，尤其是在中心處，屏幕的頂部通常也有比屏幕底部高的亮度。
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未在市場上出現。
小入射角α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。對于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，一般取決于反射鏡的布置。這些努力所獲得的色偏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，該文獻在本文中作為參考。全息光致聚合物通常用于借助將相干光分裂成照明光和參考光來記錄全息元件象。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記過的參考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。兩光束的光波相互干涉，即它們通過構造和重構的干涉，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，相應的干涉圖案就被記錄在媒質中。用相干參考光照射該媒質，被攝物的圖象被再現出來，并且可以在其視角范圍內觀看到。
由于從被攝物上所有被照明點發出的光與全息元件上所有點的參考光相互干涉，所以代表普通全息被攝物的全息元件所記錄的干涉圖案很復雜。通過記錄空白被攝物(通過兩個參考光的有效干涉)應該能夠產生一空白全息元件，也就是公知的正弦光柵，其中的干涉圖案更為規則。于是，干涉圖案會形成一個衍射光柵，其分辨率比形成有更大尺寸凸透鏡單元以便從后面的投影器沿特定方向彎折或折射光線的投影屏幕間距要細。
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的原理。該建議是基于寶麗來公所希望的司高亮度高分辨率，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，也從未涉足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。
發明概要根據本發明的一個方面，本發明的一個目的是開發大大提高增益的投影系統中全息屏，并因此優化光學系統改進色彩分布。尤其是，通過沿著每個投影管的中心軸遮擋每個投影管的透鏡一個區域，而放棄每個投影管的一部分亮度。這樣做改進了色彩總分布而沒有引起亮度，否則將減損最佳觀看所必需的亮度。
根據本文所教導的發明方案的投影電視接收機，提供了色偏性能(按幅值量級測量)方面的顯著改進入射角α在小于10°或11°的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，并在小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。
最初開發的這種三維全息屏，是因為它們具有在高亮度、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所受的磨損的優點。當測試該三維屏幕的光學特性是否至少與傳統屏幕一樣好時，發現該三維全息屏的色偏。按照方程(Ⅰ)和(Ⅱ)所得到的三維全息屏的色偏性能出乎意料地低。限制現有技術提高的遮擋已經完全消除。現在可以開發出具有更大入射角α投影結構的更小機殼。
除了提高了色偏性能之外，三維全息屏幕比傳統擠壓透鏡投影屏幕所獲得的總增益更大。該全息屏獲得的更大亮度可以使投影器有改進的余地，以使屏幕的總量度更為均勻。這是通過遮住投影其透鏡的中心，從而降低投射在屏幕上圖象的中心亮度而實現的。盡管傳統的擠壓透鏡投影屏幕也可以做此改進，電視傳統的投影屏幕沒有足夠大的總量度來承受屏幕視場中任何象點的任何亮度損失。
根據本文教導的本發明方案，具有非凡特性三維全息屏的投影電視包括至少不同顏色各圖象的三個圖象投影器，其每個投影器都有一個部分被遮擋的透鏡；由布置在基板上的三維全息元件構成的投影屏幕，該屏幕在第一端接收來自投影器的圖象，并在第二端顯示該圖象，且同時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以非正交取向的傾斜角度向第一光路會聚的光路；以及代表三維凸透鏡陣列并具有用于有效減小顯示圖象中色偏結構的三維全息元件，該屏幕在大于0°且小于或近似等于30°入射角范圍內具有小于或等于約5的色偏，如用至少下式之一所得到的最大值所確定的C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ));]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))]]>其中θ是一個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角處紅色亮度值，blue(θ)是θ角處藍色亮度值，而green(θ)是θ角處綠色亮度值。屏幕的色偏最好小于5，如小于或等于約4，3或甚至是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。基板包括長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙烯酯樹脂膜。該基板可以是厚度在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。投影電視還可以包括一個或多個位于圖象投影器與屏幕之間的反射鏡。
為了提高寬的投影光束入射角范圍內的亮度和均勻性，精心安排全息元件。采用越到邊緣越顯現更高增益的所述全息屏幕可以實現這一目的。全息屏的增益還可以通過在屏幕的背后加一或多個直線型菲涅爾板得到進一步加強，該菲涅爾板具有從中心到邊緣漸變焦距長度的凸棱。屏幕增益的增大，使得投影器透鏡的中心可以全部或部分地被遮住。盡管屏幕圖象的中心因此而變暗，但全息屏所產生的增益可以抵償屏幕中心亮度的損失，并且增大了中心與邊緣的亮度比，或者說整個屏幕的亮度均勻性更好了。


圖1是表示根據本文教導的發明方案的投影電視的示意圖。
圖2是解釋本發明方案所用的投影電視結構的簡化示意圖。
圖3是本發明方案的加強的投影屏幕側視圖。
圖4是表示具有兩個重疊全息元件的圖投影屏的可選實施例示意圖，它包括分別在水平和垂直視角方向的增益變化。
圖5是表示峰值白亮度比率作為水平視角函數的圖表，其中采用了重疊有或未重疊垂直變化全息元件的水平變化全息元件。
圖6是具有重疊的全息和準直屏幕層疊可選實施例的示意圖。
圖7是一個投影器被遮擋透鏡的正面正視圖。
圖8是屏幕的示意圖，和給出屏幕上數字標識的各點亮度與屏幕中心處亮度的比較。
對優選實施例的詳細說明在圖1中示意性地表示出投影電視接收機10。投影陰極射線管14，16和18的陣列12分別提供了紅，綠和藍色圖象。這些陰極射線管分別具有透鏡15，17和19，每個透鏡在其中心都具有遮擋區44。反射鏡20將投影的圖象反射到投影屏幕22上。還可以使用附加的反射鏡，這取決于光路的具體結構。綠色陰極射線管16沿著基本與屏幕22正交取向的光路32投影綠色圖象。紅藍陰極射線管分別具有光路34和36，它們以非正交取向的傾斜入射角α會聚向第一光路32。該入射角引入了色偏的問題。
屏幕22包括位于基板24上的三維全息元件26。全息元件26是大致印在衍射圖象的主元件上，它控制投影器14、16、18發出的光的分布，并在屏幕的寬和/或高度上可變。在優選實施例中，全息元件是“只在中心”的全息元件，以便入射光重新排列。該屏幕在第一入射表面端28接收圖象，并在第二輸出表面端30顯示這些圖象，且全部顯示圖象都有受控的光散射。基板適宜為長壽命透明防水膜，如聚對苯二甲酸乙烯酯樹脂膜。一個這樣的膜是可以從E.I.du Pout de Nemours&Co.得到，其商標為Mylar。該薄膜基片厚度在大約1-10密耳范圍內，等效于大約0.001-0.01英寸或大約25.4-254微米。已經發現，大約7密耳(178微米)厚度的薄膜足以支撐置于其上的三維全息元件。薄膜的厚度一般不影響屏幕的性能或尤其是色偏性能，而且用不同厚度的膜。三維全息元件26具有不大于約20微米范圍內的厚度。
三維全息屏幕至少可以從兩個來源得到。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。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/或垂直視角范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制備出全息母板，該相干光包含參考光束，和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的光束。
用于本文所述和權利要求書中投影電視接收機的三維全息屏幕優選實施例，是根據以下性能說明用寶麗來公司濕式化學方法制造的水平半視場角38°±3°，垂直半視場角10°±1°，屏幕增益≥8，色偏≤3，其中水平和垂直視場角很容易測得，屏幕增益是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的商，正交于屏幕進行測量，且如上所述測量色偏。如本文摘要所述的，三維全息投影屏幕超乎尋常的色偏性能完全是意想不到。
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對稱對準的。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。在α角足夠小時，這種干擾不可避免。這將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，減小機殼的最小深度D。
在屏幕22的觀看側，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的光致聚合物材料支撐在膜層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方面，如傳統投影屏幕完成的，而同時而不削弱三維全息投影屏幕較好的色偏性能。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°視場范圍內具有水平增益變化的第一全息元件，與在±20°視場范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范圍內有散射。將水平和垂直增益變化全息元件重疊的效果基本等于中心型全息元件；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，這是因為水平跨度比垂直跨度大得多。
圖5是在±40°水平視角跨度上，測得的屏幕中心點處作為峰值白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采用水平變化全息元件時的亮度，和采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等于只有水平全息元件時性能，或稍有改進。
在設計全息屏各種性能指標范圍時，很難使屏幕同時達到所有所需的性能特性。疊放可使不同要求得到分別對待，如增益的水平和垂直變化，。該方案不局限于兩個疊放在一起的全息元件，也可以采用附加疊放的全息元件，以控制屏幕透過光的其它方面。
圖6表示了一種變化，其中中心型全息元件26上疊置有直線型菲涅爾透鏡29和30，以產生水平的和轉到垂直準直的效果。本實施例在成本意義上是可取的，其中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。圓形菲涅爾透鏡占傳統屏幕成本的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％)。對于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/或垂直視角范圍內變化，以便改變焦距長度而與垂直和水平的跨度無關。兩個疊置的直線型菲涅爾與全息元件的放置次序可以隨意。
與凸透鏡屏幕相比，全息屏幕元件的增益有了很大提高，無論是采用單個全息元件，疊置的全息元件或是全息元件和傳統疊置直線型菲涅爾透鏡片的組合，均是如此。但是，與凸透鏡屏幕類似，全息屏幕對投影管和相應的光學系統提供的照明很敏感。沿著每個管子的投影軸從光學系統入射到全息屏幕上的照明光最亮。這是色平衡問題的一個方面。
色平衡問題的另一方面歸因于這樣的事實盡管凸透鏡屏幕可能對聚集入射光和在所需方向散射光很有效(如全息屏可能有99.9％的效率)，但該屏幕對剩余的光幾近透明。由于瑞利散射效應，屏幕不能聚集這部分光，這與白晝天空為藍色而日落天空為紅色同理。在用大而散射光源投影的情況下，如CRT，圖象的效果很差，而在用高效全息元件，或采用附近減散射材料的情況下，才可以考慮這樣的源。在用小而聚焦光源投影的情況下，如用LCD或DMD投影的情況下，這個問題更為嚴重。全息元件使藍色和綠色成分分散出去，常常不能形成很清楚的亮點。但是，來自紅光源的光不因全息元件而向外分散，并且可以在屏幕上產生清楚美明亮的紅點。光的損失和散射部分在圖象中對應于后面光源的部分產生一個亮區。遮擋紅色光源投影透鏡的中心區和相鄰區，可解決這一問題。
根據本發明的一個部分，全息屏幕優異的增益性能，使得該問題可以通過改變投影器透鏡15，17和19，減小沿每個投影軸中心線的照明，而得到解決。這是通過部分地或全部遮擋每個透鏡的中心區而實現的。如圖7所示，通過在透鏡17的中心直接放置不透明物即可將透鏡17中心遮住。由于這種遮擋不是放置在投影器所發光的焦點位置上，所以這種遮擋在屏幕上是看不見的，而來自投影CRT的整個圖象由未遮擋的透鏡其余部分進行聚焦。但是，一些光(即沿著軸的光線)被遮住了，并由此因投影屏的散射和/或低效，而使光點亮度有所降低。
圖8是一個表格，它給出了作為屏幕中心光強百分比的屏幕上數字標記點的亮度。表格的左起第二列列出了無遮擋時的百分比亮度，而左起第三列列出了有遮擋時的百分比亮度。這些測量值是用直徑為3.0″的透鏡上直徑為0.25″的圓遮擋取得的。例如，在沒有透鏡遮擋的情況下，屏幕上三點鐘位置的亮度僅僅是屏幕中心亮度的28％。但是在有透鏡遮擋時則是中心亮度的34％。總之，透鏡遮擋，沿著主軸(3點鐘和9點鐘的位置)把亮度均勻性提高了22％；沿著輔軸(6點鐘和12點鐘的位置)白亮度均勻性提高了27％；并在角落區(2，4，8和10點鐘)也提高了27％。
發明的此方面適宜采用全息屏幕。統凸透鏡屏幕的透鏡遮擋應該會降低中心線的亮度。但是，傳統屏幕不具有全息屏幕的增益，且在此情況下對中心線亮度的降低將不適當地使圖象變暗。
已經結合前述的變化和實例、組合變化而公開的本發明，對本領域普通技術人員而言是清楚的。本發明不局限于所述的具體變化，對本發明要求保護的構思和范圍認定應該以所附的權利要求書為準，而不是對優選實例的前述討論。
權利要求
1．一種投影電視，包括多個圖象投影器(14，16，18)，其中每個投影器具有一個帶有中心遮擋區(44)的透鏡(15，17，19)并在屏幕(22)上形成一個圖象；投影屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一個全息元件(26)構成，該基片重疊在至少一個光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述顯示圖象的光散射，其中所述的屏幕在屏幕的視場范圍內產生總增益，從而在屏幕的視場范圍內使亮度的均勻性得以提高。
2．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少兩個彼此重疊的全息元件，其中所述的至少兩個全息元件分別在視場的水平和垂直方向上具有變化的增益。
3．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少一個重疊在所述至少一個全息元件上的至少一個菲涅爾元件。
4．權利要求3的投影電視，包括至少兩個疊置在全息元件(26)后面的菲涅爾元件(29，31)，該至少兩個具有獨立準直作用的菲涅爾元件是重疊的。
5．權利要求4的投影電視，其中該至少兩個菲涅爾元件(29，31)分別在視場的水平和垂直方向上具有變化的光學特性。
6．權利要求5的投影電視，其中該至少兩個菲涅爾元件(29，31)分別在視場的水平和垂直方向上具有變化的焦距長度。
7．權利要求1的投影電視，其中所述屏幕(22)還包括光透明的加強支撐組件(38)。
8．權利要求1的投影電視，其中所述的至少一個全息元件(26)包括涂覆在基片上的三維全息光聚合物材料。
9．權利要求8的投影電視，其中所述的至少一個全息元件(26)包括在所述基片上有至少兩層疊置的三維全息光聚合物材料，它們一起形成三維全息元件。
10．權利要求1的投影電視，其中所述三維全息元件(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。
11．權利要求1的投影電視，其中所述多個投影器(14，16，18)包括三個用于形成紅圖象、藍圖象和綠圖象的投影器。
12．權利要求11的投影電視，其中僅僅所述的紅(14)圖象投影器具有一個遮擋(44)的透鏡。
13．一種投影電視，包括多個用于在屏幕(22)上形成各個不同顏色圖象的圖象投影器(14，16，18)，所述的每個投影器具有一個帶有中心遮擋區(44)的透鏡(15，17，19)，其中至少一個所述投影器沿著會聚向正交于屏幕光路的光路取向，形成至少一個入射角；所述屏幕(22)由置于基片(24)上的至少一個全息元件(26)構成，該基片重疊在至少一個光透明的面板(38)上，所述屏幕控制所述顯示圖象的光散射，并形成沿視場水平和垂直方向有變化的光學特性的干涉陣列；使得屏幕(22)在屏幕的視場范圍呈現總增益，且在比大于0°且小于或近似等于30°更大的范圍內的所有所述入射角，色偏小于或近似等于5，如從下列表達式得到的最大值所確定的C(θ)=20·log10(red(θ)blue(θ));]]>C(θ)=20·log10(green(θ)blue(θ))]]>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；所述屏幕(22)接收來自投影器(14，16，18)的遮擋透鏡(15，17，19)的圖象，并在第二側以總增益顯示圖象，該總增益可以提高屏幕(22)視場范圍內的亮度均勻性。
14．權利要求13的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少兩個彼此重疊的全息元件，其中所述的至少兩個全息元件分別在視場的水平和垂直方向上具有變化的增益。
15．權利要求13的投影電視，其中所述屏幕(22)包括至少一個重疊在所述至少一個全息元件(26)上的至少一個菲涅爾元件。
16．權利要求13的投影電視，其中所述的至少一個全息元件(26)包括涂覆在基片(24)上的三維全息光聚合物材料。
17．權利要求13的投影電視，其中所述的至少一個全息元件(26)包括在所述基片上有至少兩層疊置的三維全息光聚合物材料，它們一起形成三維全息元件。
18．權利要求13的投影電視，其中所述三維全息元件(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。
19．權利要求13的投影電視，其中所述的多個投影器(14，16，18)包括三個用于形成紅圖象、藍圖象和綠圖象的投影器，且其中僅僅所述的紅圖象投影器具有遮擋的透鏡。
全文摘要
一種電視投影屏幕(22)在其薄膜基片(24)上具有三維全息元件(26)。該屏幕(22)可以有重疊的全息元件和/或在分別水平和垂直方向具有變化的光學特性的菲涅爾透鏡。例如,垂直和水平的全息元件可以在±40°水平視角范圍和±20°垂直視角范圍內具有變化的增益。投影管(14,16,18)向著屏幕(22)取向,至少一個(14,18)相對于屏幕的正交或垂直軸以α角度沿著光路(34,36)會聚。至少紅(14)投影管,且也選擇綠(16)和藍(18)投影管,具有其中心區被部分地或全部地遮擋的透鏡(15,17,19),它減弱了會產生明亮區的散射光。全息元件(26)由干涉圖案構成,它有效地匯集了入射光并使光轉向而更接近平行于法線,減小由于離軸入射的投影而引起的色偏,并提高圖象總量度。提高的亮度彌補了透鏡(15,17,19)遮擋區(44)的變暗影響。
文檔編號H04N9/31GK1284238SQ98813395
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