專利名稱：多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電視成像技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)是一種背投影屏幕技術(shù)，涉及了該種屏幕結(jié)構(gòu)及制造方法，背景技術(shù)背投影屏幕是背投電視的關(guān)鍵部件，如圖1所示，其主要功能是當(dāng)來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部投影鏡頭1的光線在屏幕2上成像后，使各像點(diǎn)(像素)的光線都能往觀眾的方向以最大的角度散射開去，從而使得每個(gè)像點(diǎn)的光線都能進(jìn)入觀眾眼球，觀眾就可以觀賞到整個(gè)屏幕的圖像了?？梢岳斫獾氖?，如果背投影屏幕不具備這種散射能力，也就是說(shuō)，各像點(diǎn)的光線仍按各自入射光方向射出，這些光線就很難同時(shí)進(jìn)入觀眾眼球，那么觀眾是看不到整個(gè)畫面的。屏幕的這種散射能力一般通過(guò)水平視角和垂直視角來(lái)表達(dá)。水平視角代表屏幕在水平方向的散射角度，垂直視角代表屏幕在垂直方向獲得的散射角度。如圖2所示，水平和垂直視角的最大值均為180度。超過(guò)180度的部分實(shí)際上是對(duì)光線的反射，觀眾也看不到。
另外，屏幕材料會(huì)反射和吸收一定的光線。反射和吸收都會(huì)對(duì)光線造成損耗，從而造成屏幕實(shí)際透光率降低，這種損耗的程度通常用增益來(lái)表達(dá)。增益越大的屏幕對(duì)光線的損耗越小，屏幕透光率越高，畫面也越亮。除此之外，對(duì)比度和清晰度也是屏幕的重要參數(shù)。
另外，值得強(qiáng)調(diào)的是，在評(píng)價(jià)屏幕質(zhì)量時(shí)人們往往會(huì)忽略視角均勻度這個(gè)概念。所謂視角均勻度反映的是屏幕在各個(gè)視角方向上散射光亮度的均勻性。實(shí)際上，屏幕在不同方向上的散射能力是不同的，這就造成不同方向上的光強(qiáng)有所不同，從而使觀眾在不同方向上看到的屏幕亮度不同。通常我們把最大光強(qiáng)方向稱為主力散射方向。視角均勻度可以用最小光強(qiáng)與最大光強(qiáng)的百分比來(lái)定量計(jì)算。通常，普通CRT(Crystal Ray Tube，陰極射線管)電視(這里主要指29寸以下的)能夠達(dá)到80％以上的視角均勻度，觀眾從各個(gè)角度觀看都會(huì)感覺到屏幕的亮度是基本相近的。對(duì)于背投電視來(lái)說(shuō)，因?yàn)槠聊坏南拗茀s很難達(dá)到這種水平。這主要是由于下述的原因目前，背投影屏幕根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為帶微觀光學(xué)結(jié)構(gòu)的背投影屏幕(簡(jiǎn)稱微結(jié)構(gòu)屏幕或光學(xué)幕)和微觀粒子散射式背投影屏幕(簡(jiǎn)稱散射幕)兩大類。
如圖3所示對(duì)大多數(shù)散射幕2而言，主力散射方向與該位置從投影鏡頭1發(fā)出的光線的入射方向往往是一致的。對(duì)該位置的其它散射方向而言，越偏離主力散射方向光強(qiáng)越低，當(dāng)你從不同角度觀看屏幕時(shí)，眼睛的視線方向正好與較近區(qū)域的主力散射光線方向一致，因此始終是離眼睛較近的區(qū)域更亮，而較遠(yuǎn)的區(qū)域較暗，這就是所謂的太陽(yáng)效應(yīng)或稱亮斑效應(yīng)。用玻璃微珠等高折射率材料代替散射微粒制作的散射幕雖然能使太陽(yáng)效應(yīng)有所緩解，但仍不能從根本上消除該現(xiàn)象。
由于散射幕觀賞效果低劣，所以已漸漸從市場(chǎng)退出，取而代之的是微結(jié)構(gòu)的光學(xué)屏幕。如圖4所示，微結(jié)構(gòu)屏幕通過(guò)在散射層2的前面增加一個(gè)菲涅爾透鏡或螺紋鏡3，使得投影鏡頭1發(fā)出的光線在進(jìn)入散射層2之前的入射方向被菲涅爾透鏡或螺紋鏡3全部調(diào)整為與屏幕垂直，這樣，穿過(guò)散射層2后的各區(qū)域的主力散射光線方向始終保持與屏幕垂直，當(dāng)觀眾正對(duì)屏幕(視線與屏幕垂直)觀賞時(shí)可獲得最高的亮度效果。而當(dāng)觀眾改變視角從側(cè)面觀看時(shí)，各區(qū)域的散射光線的光強(qiáng)度都同步下降，雖然下降的幅度略有不同(仍然是較遠(yuǎn)的區(qū)域下降多一點(diǎn))，但這種差異能被控制在較小的范圍內(nèi)。所以雖然屏幕整體亮度下降了，但太陽(yáng)效應(yīng)能被基本避免，微結(jié)構(gòu)屏幕也因此被市場(chǎng)廣泛接受。與透鏡3配合使用的微結(jié)構(gòu)屏幕的散射層2多種多樣，有的采用如圖5a所示的微透鏡，也有的采用如圖5b所示的玻璃微珠等。其中，微透鏡3的形狀也是多種多樣，圖5中只示出其中一種。另外，由于大尺寸的菲涅爾透鏡或螺紋鏡需要相當(dāng)昂貴的模具和具有較高的加工成本，所以造成微結(jié)構(gòu)屏幕價(jià)格長(zhǎng)期居高不下，對(duì)背投電視的普及造成了負(fù)面影響。有的廠家為降低成本，使用錐型波導(dǎo)管或錐型透鏡作散射層，并省去菲涅爾透鏡等前置元件。這樣的屏幕由于在四周入射角較大的區(qū)域，光線在波導(dǎo)管或透鏡內(nèi)多次反射，光損失較大，造成了屏幕在四個(gè)角上光線比較暗淡，嚴(yán)重影響畫面質(zhì)量，雖然成本降低了，但卻是以犧牲屏幕的畫面質(zhì)量為代價(jià)，所以也難以普及。
從前文可以了解到，目前使用的光學(xué)微結(jié)構(gòu)屏幕雖然回避了太陽(yáng)效應(yīng)的問(wèn)題，但仍不能提供很好的視角均勻度。當(dāng)觀眾以較大視角觀察屏幕時(shí)，因?yàn)槠聊坏囊暯蔷鶆蚨容^差，屏幕亮度將會(huì)整體明顯下降。從這方面講，背投電視的觀賞效果仍不能與普通CRT電視媲美。雖然有廠家宣傳其背投電視能達(dá)到180度視角，實(shí)際當(dāng)你大視角觀賞時(shí)，其亮度不及正面亮度的二分之一，有的甚至不到三分之一。所以，目前的背投影屏幕的整體畫面效果仍不是很理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有的背投影屏幕在視角均勻度方面存在的上述不足，提供一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，這種背投影屏幕不僅能消除太陽(yáng)效應(yīng)，而且能獲得較高視角均勻度，使得背投電視達(dá)到與CRT相同的亮度觀賞效果。
本發(fā)明的第二個(gè)目的還在于還提供一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法，該方法使這種背投影屏幕的造價(jià)低廉，為背投電視的普及創(chuàng)造了良好條件。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構(gòu)成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個(gè)折射面兩側(cè)均分別為高折射率物質(zhì)和低折射率物質(zhì)。
本發(fā)明中的透鏡，是指廣義的透鏡，即擁有兩個(gè)面，并利用這兩個(gè)面對(duì)光線進(jìn)行折射的透明物體。
所述的微透鏡的兩個(gè)折射面可以是一個(gè)曲面和一個(gè)平面的組合，或者是兩個(gè)曲面的組合，就本發(fā)明而言，曲面起到對(duì)光散射的作用。
所述的高折射率物質(zhì)是指光密物質(zhì)，例如玻璃、樹脂等；而低折射率物質(zhì)是指相對(duì)于高折射率物質(zhì)來(lái)說(shuō)折射率較低的物質(zhì)，即光疏物質(zhì)，例如可以為空氣或其它光介質(zhì)。
本發(fā)明采用多層微透鏡疊加結(jié)構(gòu)。微透鏡各折射面兩側(cè)均分別為高折射率物質(zhì)和低折射率物質(zhì)，以確保每一層都有較高散射能力。高折射率物質(zhì)與低折射率物質(zhì)的折射率差距越大，散射能力越強(qiáng)。當(dāng)光線穿透各微透鏡層時(shí)，主力散射方向的光強(qiáng)被多次削弱，而其它方向的光強(qiáng)逐層累加，最終達(dá)到與主力散射方向相接近的光強(qiáng)，從而能夠獲得很高的視角均勻度。所以，由于采用這樣的分層散射機(jī)制，不管入射方向如何，所獲得的視角均勻度都很高，因此不需要在其前面設(shè)置菲涅爾鏡或螺紋鏡。且各透鏡層可使用同一模具制造，因此制造成本將大幅度下降。由于保證了視角均勻度，所以太陽(yáng)效應(yīng)也自然消失，獲得了更加優(yōu)良的畫面綜合質(zhì)量。
本發(fā)明中在背投影屏幕中還可增加一層吸光層，以吸收反射的環(huán)境光，增強(qiáng)對(duì)比度。
本發(fā)明還提供了該種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法，采用高透光率和高折射率的材料做基材，用磨砂工藝將基材表面處理形成各種自然形狀的透鏡，按預(yù)定尺寸切割后平鋪并堆疊整齊，壓上一層尺寸相當(dāng)?shù)闹匚锇?，使其相互緊貼排出多余空氣，然后將各透鏡層四周用粘合劑相互粘牢、密封。
所述的基材優(yōu)選樹脂材料，基材厚度以0.1～0.2mm為宜。
基材可單面磨砂也可雙面磨砂形成透鏡。
本發(fā)明提供的這種背投影屏幕的制造方法采用現(xiàn)有的成熟的磨砂工藝制備微透鏡層，以空氣為低折射率物質(zhì)，并在四周粘接密封，具有制作簡(jiǎn)便、材料成本和加工成本低的優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低這種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的成本，為這種背投影屏幕的推廣創(chuàng)造了條件。本發(fā)明提供的這種背投影屏幕不僅能消除太陽(yáng)效應(yīng)，而且能獲得較高視角均勻度，使得背投電視達(dá)到與CRT相同的亮度觀賞效果，其綜合畫面質(zhì)量高于現(xiàn)有的背投影屏幕。


圖1為背投影屏幕光學(xué)原理圖；圖2為背投影屏幕的視角圖；圖3為背投影屏幕的太陽(yáng)效應(yīng)原理圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中微結(jié)構(gòu)光學(xué)屏幕原理圖；圖5現(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)光學(xué)屏幕的結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的光學(xué)原理圖；圖8-圖14為本發(fā)明的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，以箭頭的長(zhǎng)度來(lái)近似表示該方向光強(qiáng)的大小。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1
如圖6所示，本發(fā)明的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，為由兩層以上的微透鏡4疊加形成的微透鏡層，每層微透鏡4的兩個(gè)折射面兩側(cè)均分別為高折射率物質(zhì)41和低折射率物質(zhì)5，高折射率物質(zhì)是指光密物質(zhì)，例如玻璃、樹脂等；而低折射率物質(zhì)是指相對(duì)于高折射率物質(zhì)來(lái)說(shuō)折射率較低的物質(zhì)，即光疏物質(zhì)，例如為空氣或其它低折射率光介質(zhì)，當(dāng)為空氣時(shí)，其材料成本、制作成本更低。
光線從高折射率物質(zhì)進(jìn)入低折射率物質(zhì)以及從低折射率物質(zhì)射入高折射率物質(zhì)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生折射，這樣每層透鏡均會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的散射能力，且折射面兩側(cè)的物質(zhì)的折射率差值越大，透鏡的散射能力越強(qiáng)。如圖7所示，光束在各層的散射點(diǎn)實(shí)際并不相同，如果該間距較大，從觀眾的角度上看，可能會(huì)認(rèn)為它是不同的像點(diǎn)，這就會(huì)降低畫面的分辨率。該散射點(diǎn)的距離與每層透鏡厚度有關(guān)，也就時(shí)說(shuō)與整個(gè)屏幕的總厚度有關(guān)，屏幕厚度越大，在屏幕兩側(cè)的散射點(diǎn)的距離越大，屏幕的畫面分辨率越低。只要屏幕足夠薄，各散射點(diǎn)位置的差異就能小到低于屏幕的像點(diǎn)自身大小的程度，從而在視覺上認(rèn)為那些散射光線仍是從同一個(gè)像點(diǎn)發(fā)出的，此時(shí)不會(huì)對(duì)分辨率產(chǎn)生影響。既然各層散射點(diǎn)的散射光線被視為出自同一個(gè)像點(diǎn)，該像點(diǎn)在所有非主力散射方向上的光強(qiáng)就相當(dāng)于對(duì)應(yīng)各層散射點(diǎn)光線之和，而最后一層的主力散射方向的光強(qiáng)代表該像點(diǎn)在該方向上的光強(qiáng)，所以經(jīng)過(guò)各層散射后，與入射光方向相同的主力散射方向的光強(qiáng)被多次削弱，而其它方向的光強(qiáng)因各層散射光的光強(qiáng)逐層累加而增強(qiáng)，最終可達(dá)到與主力散射方向相接近的光強(qiáng)，從而獲得很高的視角均勻度。
可以理解的是，微透鏡散射次數(shù)越多，視角均勻度就越好，但亮度會(huì)因此而下降。因此在兩者之間應(yīng)權(quán)衡選擇。一般，整個(gè)微透鏡層總共應(yīng)至少含有3個(gè)以上的曲面。擁有4層以上曲面能獲得80％以上的視角均勻度。微透鏡應(yīng)選擇高透光率材料，以減少亮度損失。高透光率的材料如光學(xué)塑料，透光率一般可達(dá)90％以上，且這種材料有較高的折射率。
根據(jù)前述，為保證高清晰度，微透鏡層越薄越好，疊放緊密，整個(gè)屏幕總厚度以不超過(guò)1mm為最佳。相應(yīng)的微透鏡的直徑可設(shè)置在0.02～0.15mm之間。
根據(jù)本發(fā)明的原理可知，透鏡層可以采用如圖8所示的雙面微透鏡層(或雙凸透鏡層，即兩面均為凸面的透鏡層)，與圖6所示的單面微透鏡層(或平凸透鏡層，即一面為平面一面為凸面的透鏡層)相比，減少了不必要的折射面，從而可在視角均勻度相同的情況下獲得較高的透光率和對(duì)比度。當(dāng)然，也可以選用單雙面相結(jié)合(圖中未示出)的形式。
如圖9a所示，各層透鏡可以不需要相互對(duì)應(yīng)。并且，如圖9b所示，平凸透鏡層的疊放方式可以自由選擇，如可改為平面對(duì)平面，凸面對(duì)凸面放置。
透鏡的形狀可以多種多樣。既可以是圖8、圖9所示的凸面鏡，也可以如圖10所示，低折射率物質(zhì)層5之間的高折射率41部分為凹面鏡，或?yàn)閳D13、圖14所示的不規(guī)則形狀。從正面看，微透鏡既可以是如圖11所示的矩形，也可以如圖12所示為圓形、橢圓形、多邊形、錐型等或其它形狀。
由于各折射面對(duì)環(huán)境光線有一定的反射，且層數(shù)越多，反射越多，這樣會(huì)降低屏幕的對(duì)比度?？稍黾右粚游鈱?，吸收反射的環(huán)境光，增加對(duì)比度。吸光物質(zhì)可以是顏料、染料、碳黑等，這些都是目前背投影屏幕普遍使用的吸光材料。也可以直接將這些物質(zhì)直接適量添加到透鏡層中。也或者將吸光物質(zhì)添加到保護(hù)屏中。所謂保護(hù)屏是通常設(shè)置在背投影屏幕最外層，起防塵、防油污或防劃傷作用的保護(hù)層，約4mm厚，一般為樹脂材料。
實(shí)施例2本實(shí)施例是以樹脂材料作為高折射率物質(zhì)，以空氣為低折射率物質(zhì)，提供一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法采用高透光率和高折射率的樹脂材料做基材，厚度以0.1～0.2mm為宜，采用目前成熟的磨砂工藝將樹脂表面處理后，使樹脂表面形成如圖13或圖14所示的各種自然形狀的透鏡?？扇鐖D13一樣單面磨砂，也可如圖14所示雙面磨砂。這樣，微透鏡層就制作好了。將多層微透鏡層按預(yù)定尺寸切割后平鋪并堆疊整齊，壓上一層尺寸相當(dāng)?shù)闹匚锇?，使其相互緊貼排出多余空氣。然后將各透鏡層四周用粘合劑之類相互粘牢、密封。這樣可保證透鏡層之間仍有適量空氣充當(dāng)光疏物質(zhì)，又可防止多余空氣進(jìn)入透鏡層之間導(dǎo)致透鏡層變形、間距增大等。這樣，一種超薄的多層微透鏡屏幕就算做好了。
以上操作均在常溫常壓下進(jìn)行，無(wú)需模具，磨砂工藝簡(jiǎn)單，對(duì)背投影屏幕而言可謂生產(chǎn)成本空前低廉。
權(quán)利要求
1.一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構(gòu)成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個(gè)折射面兩側(cè)均分別為高折射率物質(zhì)和低折射率物質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于所述的微透鏡的兩個(gè)折射面是一個(gè)曲面和一個(gè)平面的組合，或者是兩個(gè)曲面的組合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于所述的高折射率物質(zhì)為玻璃或樹脂。
4.如權(quán)利要求1或2所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于所述的低折射率物質(zhì)為空氣。
5.如權(quán)利要求1或2所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于所述的微透鏡層有4層以上的曲面。
6.如權(quán)利要求1或2所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于所述的微透鏡層的總厚度不超過(guò)1mm，所述的微透鏡的直徑為0.02～0.15mm。
7.如權(quán)利要求1或2所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕，其特征在于還包括一層吸光層。
8.一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法，其特征在于采用高透光率和高折射率的材料做基材，用磨砂工藝將基材表面進(jìn)行處理形成各種自然形狀的透鏡，按預(yù)定尺寸切割后平鋪并堆疊整齊，壓上一層尺寸相當(dāng)?shù)闹匚锇澹蛊湎嗷ゾo貼排出多余空氣，然后將各透鏡層四周用粘合劑之類相互粘牢、密封。
9.如權(quán)利要求8所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法，其特征在于所述的基材為樹脂，厚度為0.1～0.2mm。
10.如權(quán)利要求8或9所述的多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕的制造方法，其特征在于所述的基材采用單面磨砂或雙面磨砂形成透鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層微透鏡結(jié)構(gòu)的背投影屏幕背投影屏幕為由多層疊加在一起的微透鏡構(gòu)成的微透鏡層，每層微透鏡的兩個(gè)折射面兩側(cè)均分別為高折射率物質(zhì)和低折射率物質(zhì)。還公開了這種背投影屏幕的制造方法。這種背投影屏幕具有視角均勻度好、無(wú)太陽(yáng)效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，而且成本低廉。
文檔編號(hào)G03B21/62GK1603942SQ20041009610
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者羅筱泠 申請(qǐng)人:羅筱泠