專利名稱：采用帶有反射鏡的全息屏幕的投影電視的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影電視接收機(jī)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及具有朝向至少一個(gè)反射鏡取向的投影源的一種投影電視接收機(jī)，所說(shuō)反射鏡將來(lái)自光源的光反射到全息屏幕的背面。該全息屏幕匯集在一定入射角范圍內(nèi)的光，并將所說(shuō)光轉(zhuǎn)向?yàn)榕c相對(duì)于所說(shuō)屏幕正交的光軸更加平行的方向。這種全息屏幕與一個(gè)或多個(gè)反射鏡結(jié)合顯著地減小了色偏，提高了亮度，并且能夠明顯地減小機(jī)殼深度。
背景技術(shù)：
色偏被定義為在垂直視角的最大亮度位置測(cè)得的、由紅、綠、和藍(lán)色投影管發(fā)出的投射圖象在投影屏幕中心處形成的白圖象的紅/藍(lán)或綠/藍(lán)比例在不同的水平視角的變化。
色偏問(wèn)題是由于不同顏色(如紅，藍(lán)和綠色)圖象需要至少三個(gè)圖象投影器而引起的。投影屏幕在第一側(cè)接收來(lái)自至少三個(gè)投影器的圖象，并在第二側(cè)通過(guò)控制所有顯示圖象的光色散而顯示這些圖象。通常為綠色，并且通常位于投影器陣列中心的一個(gè)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(lán)色，且通常位于陣列中心綠色投影器相對(duì)兩側(cè)的至少兩個(gè)投影器，分別具有以非正交取向的入射角向第一光路會(huì)聚的光路。紅、藍(lán)投影器相對(duì)于屏幕和綠投影器的非正交關(guān)系導(dǎo)致了色偏。色偏的結(jié)果是，在屏幕上各個(gè)位置的色調(diào)可能不相同。色調(diào)差別大的狀態(tài)通常被稱為白色均勻度較差。色偏越小白色均勻度越好。
用數(shù)碼標(biāo)注色偏，其中較低的數(shù)值表示較小的色偏和較好的白色均勻度。根據(jù)通行的規(guī)程，從各個(gè)水平視角測(cè)量屏幕中心的紅、綠、藍(lán)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(fù)角度分別代表屏幕中心右側(cè)和左側(cè)的水平視角。這些測(cè)量值是在峰值垂直視角處獲得的。在0°處歸一化紅、綠、藍(lán)的數(shù)據(jù)。在每個(gè)角度處用下述一或兩個(gè)方程(Ⅰ)和(Ⅱ)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(nèi)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(lán)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。
通常，色偏不應(yīng)當(dāng)大于5這個(gè)商業(yè)上可接受的標(biāo)定屏幕設(shè)計(jì)值。其他工程和設(shè)計(jì)約束條件可能有時(shí)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(dǎo)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(jī)的投影屏幕通常是采用擠壓法利用一個(gè)或多個(gè)有圖案的軋輥形成熱塑性板材表面的形狀而制造的。其構(gòu)造一般為雙凸透鏡元件陣列，也稱為小透鏡陣列。這些雙凸透鏡元件可以形成在相同板狀材料的一側(cè)或兩側(cè)；或者僅形成在不同板的一側(cè)上，再將這些不同的板永久地結(jié)合成一個(gè)疊層單元，或采用其它方式彼此相鄰地安裝而使其具有疊層單元的功能。在許多的設(shè)計(jì)中，屏幕的一個(gè)表面構(gòu)成一個(gè)菲涅爾透鏡形成光散射。現(xiàn)有技術(shù)減小色偏和改進(jìn)白色均勻度的嘗試僅僅集中在屏幕的兩個(gè)方面。一個(gè)方面是雙凸透鏡元件的形狀和布局。另一個(gè)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。這些嘗試的例子見(jiàn)下列專利文獻(xiàn)。
在美國(guó)專利US.4，432，010和US.4，536，056中，投影屏幕包括一個(gè)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(diǎn)表現(xiàn)在水平散射的凸透鏡輪廓方面，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(nèi)。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(cè)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?zhèn)鹊闹嫱雇哥R元件，以及形成在輸出表面上不會(huì)聚光部分的光吸收層。輸入和輸出凸透鏡元件都是圓形，橢圓形或雙曲線形的，并由下列方程(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(shù)。
此外，透鏡還可以具有其中添加了高于二次項(xiàng)的曲線。
在用這種雙側(cè)凸透鏡構(gòu)成的屏幕中，已經(jīng)規(guī)定了輸入透鏡與輸出透鏡或構(gòu)成這些透鏡的凸透鏡元件之間的位置關(guān)系。例如，美國(guó)專利US.4，443，814所教導(dǎo)的，按這樣的方式確定輸入透鏡與輸出透鏡的位置一個(gè)透鏡的透鏡表面在另一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處。日本專利JP.58-59436也教導(dǎo)輸入透鏡的偏心率基本等于構(gòu)成凸透鏡的材料折射率的倒數(shù)。美國(guó)專利US.4，502，755還教導(dǎo)，按以下方式組合出兩個(gè)雙側(cè)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(cè)凸透鏡在透鏡外圍的輸入透鏡和輸出透鏡關(guān)于光軸是不對(duì)稱的。美國(guó)專利US.4，953，948還教導(dǎo)，只有輸入透鏡凹谷處的光會(huì)聚位置應(yīng)該偏向輸出透鏡觀看一側(cè)的表面，以使光軸失準(zhǔn)的公差和厚度差可以較大，或使色偏可以較小。
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(jìn)投影屏幕性能的方案是針對(duì)提高圖象亮度，和在水平和垂直方向確保適當(dāng)視場(chǎng)的。這些方案的要點(diǎn)可以從美國(guó)專利US.5，196，960找到，該文獻(xiàn)教導(dǎo)了一種雙側(cè)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(huì)聚點(diǎn)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(shù)脂構(gòu)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(gòu)成，其每一層都有一個(gè)透鏡表面位于輸入透鏡層各透鏡光會(huì)聚點(diǎn)所在的面或其附近。光吸收層形成在輸出透鏡層不會(huì)聚光的部分。這種屏幕設(shè)計(jì)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。
盡管在投影屏幕設(shè)計(jì)中改進(jìn)研究已有許多年，但是仍然不斷發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)之處。而且，還沒(méi)有成功地超過(guò)某些基準(zhǔn)。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(nèi)，如根據(jù)等式(Ⅰ)和(Ⅱ)所確定的，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最佳色偏性能在5左右。在大于約10°或11°的α角范圍內(nèi)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最佳色偏性能沒(méi)有商業(yè)價(jià)值。事實(shí)上，具有在大于約10°或11°α角的投影電視接收機(jī)還未在市場(chǎng)上出現(xiàn)。
小α角有一個(gè)明顯且不希望的后果，即必須有很大的機(jī)殼深度來(lái)容納投影電視接收機(jī)。大的深度是需要容納具有小入射角(α)光路的直接結(jié)果。對(duì)于給定尺寸的圖象投影器和光學(xué)元件而言，僅僅可以通過(guò)增加圖象投影器或其光學(xué)件與屏幕之間的光路長(zhǎng)度來(lái)減小入射角度。
減小投影電視機(jī)殼尺寸的技術(shù)，一般取決于用于折疊長(zhǎng)光路的多個(gè)反射鏡的布置。減小色偏的這些努力最終由于可能的入射角度范圍小(即使使用反射鏡)而受到限制。
寶麗來(lái)公司出售一種標(biāo)牌為DMP-128光致聚合物，寶麗來(lái)公司可以用有專有權(quán)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。全息光致聚合物通常用于借助將相干光分解成照明光和基準(zhǔn)光來(lái)記錄全息圖象。照明光照射在拍攝對(duì)象上。從被攝物反射的光束和從被攝物旁邊經(jīng)過(guò)的基準(zhǔn)光束照射在光致聚合物媒質(zhì)上，該媒質(zhì)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(guò)構(gòu)造和重構(gòu)的干涉，產(chǎn)生出駐波圖案，該圖案具有對(duì)局部攝影組合物曝光的正弦波峰，和不對(duì)局部組合物進(jìn)行曝光的零點(diǎn)。在攝影媒質(zhì)顯影時(shí)，相應(yīng)的干涉圖案就被記錄在媒質(zhì)中。用相干基準(zhǔn)光照射該媒質(zhì)，被攝物的圖象被再現(xiàn)出來(lái)，并且可以在其視角范圍內(nèi)觀看到。
由于從被攝物上所有被照明點(diǎn)發(fā)出的光與全息圖上所有點(diǎn)的基準(zhǔn)光相互干涉，所以代表普通全息被攝物的全息圖所記錄的干涉圖案很復(fù)雜。通過(guò)記錄空白被攝物(通過(guò)兩個(gè)基準(zhǔn)光束的有效干涉)應(yīng)該能夠產(chǎn)生一空白全息圖，其中的干涉圖案更為規(guī)則。在此情況下，干涉圖案與衍射光柵相似，但衍射光柵的間距和分辨率與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相比細(xì)得多。
在為建立DMP-128光致聚合物全息產(chǎn)品市場(chǎng)的所做努力中，作為多種建議的一種，寶麗來(lái)公司提出了投影電視三維全息屏。該建議是基于寶麗來(lái)公司所希望的高亮度高分辨率，低制造成本，低重量，和裝運(yùn)過(guò)程中避免受到雙片屏幕所受磨損的優(yōu)點(diǎn)而提出的。寶麗來(lái)公司從未提出過(guò)任何可制成這種全息投影電視屏幕體全息圖的具體全息結(jié)構(gòu)，也從未考慮過(guò)全息或其它任何類型投影電視屏幕的色偏問(wèn)題。
總之，盡管多年來(lái)進(jìn)行了很多的開(kāi)發(fā)研究，以提供具有小于5，甚至大大小于5的色偏，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(jī)，但是與傳統(tǒng)投影屏幕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(wèn)題方面沒(méi)有進(jìn)展。而且，盡管建議了三維全息元件可以用于投影屏幕，但由于沒(méi)有涉及色偏問(wèn)題，也就不曾在提供有三維全息屏的投影電視方面作過(guò)嘗試。因此，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)一種具有大大提高色偏性能并且可以被裝入一個(gè)更小機(jī)殼內(nèi)的投影電視接收機(jī)的需求，還沒(méi)有得到滿足。
發(fā)明概要根據(jù)本文所教導(dǎo)的發(fā)明方案的投影電視接收機(jī)明顯改善了色偏性能(按幅值量級(jí)測(cè)量)，使得入射角α在小于10°或11°范圍內(nèi)的投影電視接收機(jī)可以達(dá)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(yè)要求的裝于很小機(jī)殼內(nèi)且入射角高達(dá)30°的投影電視接收機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)采用一個(gè)或多個(gè)反射鏡延長(zhǎng)光路長(zhǎng)度進(jìn)一步強(qiáng)化了這些因素。這種大α角接收機(jī)的色偏性能至少與傳統(tǒng)的小α角接收機(jī)一樣好，例如達(dá)到等于5的色偏，并且在小α角接收機(jī)和相對(duì)較小機(jī)殼的情況下有望接近或達(dá)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(shù)而獲得的。相反，根據(jù)本發(fā)明方案的投影電視接收機(jī)，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(gòu)成的屏幕。
最初開(kāi)發(fā)這種三維全息屏幕，是因?yàn)樗哂性诟吡炼取⒏叻直媛?、低制造成本、低質(zhì)量和在裝運(yùn)等過(guò)程中抗兩片屏幕相互磨損方面的突出優(yōu)點(diǎn)。在檢測(cè)該三維屏幕的光學(xué)特性是否至少與傳統(tǒng)屏幕一樣好時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)提高的障礙已經(jīng)完全消除。此外，現(xiàn)在可以開(kāi)發(fā)出具有更大入射角α投影結(jié)構(gòu)的更小機(jī)殼。
根據(jù)本文所教導(dǎo)的本發(fā)明方案，具有非凡特性三維全息屏幕的投影電視包括至少三個(gè)不同顏色圖象的投影器；由設(shè)置在基板上三維全息元件構(gòu)成的投影屏幕，該屏幕在第一側(cè)接收來(lái)自投影器的圖象，并在第二側(cè)顯示該圖象且同時(shí)控制所顯示圖象的光散射；其中每個(gè)圖象投影器具有一個(gè)投影軸，并且這些投影器是這樣配置的，使得任意兩個(gè)相鄰的圖象投影器具有會(huì)聚的投影軸，這些投影軸限定了一個(gè)入射角α；以及代表具有用于有效減小顯示圖象色偏結(jié)構(gòu)的凸透鏡三維陣列的三維全息元件，所說(shuō)屏幕在大于零且小于或近似等于30度入射角范圍內(nèi)具有小于或等于約5的色偏，如按照至少下式之一獲得的最大值確定的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(nèi)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(lán)色的亮度值，而green(θ)是θ角處綠色的亮度值?？梢灶A(yù)期屏幕的色偏小于5，例如小于或等于4，3或甚至2。
就已知的10°或11°左右入射角處障礙而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內(nèi)，屏幕的色偏在所有入射角度都小于或等于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(nèi)，屏幕的色偏在所有入射角度都小于或等于5左右。
該屏幕還包括一個(gè)透光的加強(qiáng)部件，如用厚度在2-4mm左右范圍內(nèi)的一層丙烯酸材料構(gòu)成的。基板包括長(zhǎng)壽命透明防水膜，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹(shù)脂薄膜。該基板可以是厚度約在1-10密耳范圍內(nèi)的薄膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)7密耳左右的厚度足以支撐三維全息元件。薄膜的厚度與性能無(wú)關(guān)。三維全息元件具有不大于約20微米范圍內(nèi)的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所說(shuō)投影電視沿圖象投影器與屏幕之間的光路設(shè)置有至少一個(gè)反射鏡。這些圖象投影器單獨(dú)或一起將它們各自產(chǎn)生的圖象投射到反射鏡上，所說(shuō)反射鏡將這些圖象反射到屏幕的第一側(cè)，并且為每一圖象相對(duì)于與屏幕正交的光軸限定了一個(gè)投影角。投影屏幕利用反射鏡匯集并轉(zhuǎn)向反射到其上的這些圖象，使得在屏幕第二側(cè)上顯示的圖象相對(duì)于與屏幕正交的光軸成一個(gè)顯示角，其中顯示角范圍為從0至5°。所說(shuō)全息屏幕會(huì)集在一定入射角范圍內(nèi)的入射光，并以更加接近與所說(shuō)正交軸垂直的一條直線方向發(fā)射出這些光。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過(guò)將多個(gè)全息屏幕元件和/或準(zhǔn)直元件疊置可以進(jìn)一步改善投影屏幕的色偏性能。例如，在一個(gè)全息屏幕的背后可以疊置垂直和水平直線型菲涅爾透鏡，以在一定的垂直或水平視角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透光特性的所需變化?；蛘撸梢詫⒃谝欢ㄒ暯欠秶鷥?nèi)具有透光特性變化的多個(gè)全息屏幕元件疊置。根據(jù)一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例，疊置至少兩個(gè)全息元件，一個(gè)在垂直視角范圍內(nèi)提供預(yù)定變化，另一個(gè)在水平視角范圍內(nèi)提供預(yù)定變化。這樣，就可以調(diào)節(jié)在有用視角范圍內(nèi)圖象的亮度和使之達(dá)到最佳，以充分利用可用照度。此外，將全息元件和/或準(zhǔn)直元件疊置能夠以可以接受的成本適應(yīng)多種性能指標(biāo)要求，因?yàn)榫€性變化元件的制造成本低于周期性變化元件。例如，可以以低至圓形菲涅爾透鏡成本25％的成本采用壓軋或輥軋工藝制造出線性變化菲涅爾元件。與此類似，線性變化全息母版也比限定兩維變化的圓形母版較為簡(jiǎn)單和成本低廉。


在附圖中表示了目前優(yōu)選的一些示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于這些作為示例的實(shí)施例，而是在不脫離權(quán)利要求體現(xiàn)的構(gòu)思和范圍的前提下可以作出改變。在所說(shuō)附圖中圖1是表示根據(jù)本文教導(dǎo)的本發(fā)明方案的投影電視示意圖。
圖2是解釋本發(fā)明方案所用投影電視結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明方案的加強(qiáng)的投影屏幕側(cè)視圖。
圖4是投影屏幕另一實(shí)施例的示意圖，所說(shuō)屏幕具有兩個(gè)分別在水平和垂直視角范圍內(nèi)有增益變化的重疊的全息元件。
圖5是表示水平變化的全息元件垂直疊置著或不疊置著垂直變化的全息元件時(shí)，作為水平視角函數(shù)的白色峰值亮度比的曲線圖。
圖6是具有疊置全息元件和準(zhǔn)直屏幕層的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖7是用于解釋本發(fā)明方案的投影電視結(jié)構(gòu)的另一個(gè)簡(jiǎn)化示意圖。
圖8是在10°，20°和30°的垂直平面上，對(duì)φv投影角，在屏幕中心區(qū)的點(diǎn)，從±20°垂直視角測(cè)得的，作為白色峰值亮度百分比的亮度曲線圖。
圖9是用于解釋本發(fā)明方案的投影電視結(jié)構(gòu)的另一個(gè)簡(jiǎn)化示意圖。
圖10是在0°水平面上，對(duì)于φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍(lán)色偏的曲線圖。
圖是在0°水平面上，對(duì)于φh投影角，在屏幕中心區(qū)的點(diǎn)，在從±40°水平視角測(cè)得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖12是在15°水平面上，對(duì)于φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍(lán)色偏的曲線圖。
圖13是在15°水平面上，對(duì)于φh投影角，在屏幕中心區(qū)的點(diǎn)，在從±40°水平視角測(cè)得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖14是在30°水平面上，對(duì)于φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍(lán)色偏的曲線圖。
圖15是在30°水平面上，對(duì)于φh投影角，在屏幕中心區(qū)的點(diǎn)，在從±40°水平視角測(cè)得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖16是在45°水平面上，對(duì)于φh投影角，從±40°水平視角觀察的紅/綠和紅/藍(lán)色偏的曲線圖。
圖17是在45°水平面上，對(duì)于φh投影角，在屏幕中心區(qū)的點(diǎn)，在從+40°水平視角測(cè)得的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度曲線圖。
圖18是用于解釋本發(fā)明方案的投影電視結(jié)構(gòu)的另一個(gè)簡(jiǎn)化示意圖。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明圖1示意性表示一個(gè)投影電視接收機(jī)10。排成陣列12的投影陰極射線管14、16和18分別產(chǎn)生紅色，綠色和藍(lán)色的圖象。這些陰極射線管還配置有各自的透鏡15、17和19。投射出去的圖象被反射鏡20反射到投影屏幕22上。還可以根據(jù)光路的具體結(jié)構(gòu)，采用附加反射鏡。綠色陰極射線管16沿著光路32投射綠色圖象，該光路基本正交于屏幕取向。換句話說(shuō)，光路的中心線與屏幕成直角。紅色和藍(lán)色陰極射線管分別具有光路34和36，這兩個(gè)光路非正交取向地以入射角α向第一光路32會(huì)聚。這個(gè)入射角引發(fā)了色偏的問(wèn)題。
屏幕22包括布置在基板24上的三維全息元件26。全息元件26是形成有衍射圖案的全息圖母版印片，該全息圖案可以調(diào)配三個(gè)投影器14、16和18輸出光能的分布，并可以使其在屏幕高度和/或?qū)挾确较蛏习l(fā)生改變。在一個(gè)優(yōu)選的方案中，全息圖是中心型全息圖，它將從一定入射角范圍內(nèi)入射到全息元件上的光轉(zhuǎn)向，并且更加直接地向前出射。該屏幕在第一輸入表面一側(cè)28接收來(lái)自投影器的圖象，并在第二輸出表面?zhèn)?0顯示該圖象，并控制所有顯示圖象的光散射。
可取的是，基板為長(zhǎng)壽命透明防水膜，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹(shù)脂薄膜。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(chǎn)品。該薄膜基板具有1-10密耳范圍內(nèi)的厚度，等于0.001-0.01英寸或25.4-254微米。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，7密耳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(wú)關(guān)，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(nèi)的厚度。
三維全息屏至少可以從兩個(gè)來(lái)源獲得。寶麗來(lái)公司利用有專有權(quán)的濕式化學(xué)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(nèi)的屏幕增益變化。用相干光對(duì)光致聚合物全息介質(zhì)進(jìn)行曝光可以制備出全息母版，該相干光包含基準(zhǔn)光束，和從具有與所需增益變化對(duì)應(yīng)的明暗變化平面圖案上反射出來(lái)光束。
用于上述和本申請(qǐng)權(quán)利要求書提出的投影電視接收機(jī)中的三維全息屏，其優(yōu)選實(shí)施例是寶麗來(lái)公司利用有專利權(quán)的濕式化學(xué)方法按照下述性能指標(biāo)制成的水平半視角38°±3°，垂直半視角10°±1°，屏幕增益≥8，色偏≤3，其中水平和垂直視角是按照傳統(tǒng)方法測(cè)得的，屏幕增益是正交于屏幕進(jìn)行測(cè)量時(shí)，從光源射向觀看表面后面的光強(qiáng)與從觀看表面前面射向觀看者的光強(qiáng)相除的商，而色偏按上述的方法測(cè)量。如發(fā)明概述中所說(shuō)的，三維全息投影屏幕優(yōu)異的色偏性能是完全出乎意料的。
圖2是投影電視的簡(jiǎn)化示意圖，其中為了解釋色偏性能省略了反射鏡和透鏡。紅色和藍(lán)色陰極射線管14和18的光軸34和36，是相對(duì)于綠色陰極射線管16的光軸32以入射角α對(duì)稱取向的。機(jī)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(yīng)當(dāng)理解，α角越小，陰極射線管彼此越靠近，且還必須與屏幕隔開(kāi)以使之與各個(gè)射線管之間留有間隙。當(dāng)α角足夠小時(shí)，這種干擾是不可避免的。這將不得不增大機(jī)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，從而減小機(jī)殼的最小深度D。
在屏幕22的觀看一側(cè)，兩個(gè)水平半視場(chǎng)角用-β和+β表示。和在一起后的總水平視場(chǎng)角為2β。該半視場(chǎng)角通?？梢栽凇?0°至±60°的范圍內(nèi)。在每個(gè)半角內(nèi)是一組特定角度θ，在其中可以測(cè)量色偏，并根據(jù)上述等式(Ⅰ)和(Ⅱ)加以確定。
就已知的10°或11°左右入射角處的障礙而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范圍內(nèi)，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(nèi)，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右?？梢粤舷耄谝蛔臃秶行∮诨虻扔?左右的色偏也可以在更大入射角的第二子范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
參考圖3，基板24包括一個(gè)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(gè)透光的加強(qiáng)部件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(qiáng)部件38是一個(gè)厚度在約2-4mm范圍內(nèi)的層狀材料。屏幕22和加強(qiáng)部件是通過(guò)全息層26與加強(qiáng)部件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(shù)。加強(qiáng)層的表面42還可以做下述一種或多種處理著色，防眩光，涂覆涂層和涂覆防劃傷涂層。
屏幕的各個(gè)表面和/或其構(gòu)造層，可以包含其它光學(xué)透鏡或凸透鏡陣列，以在不削弱三維全息投影屏幕改善的色偏性能的前提下控制投影屏幕除了色偏性能之外的其它性能特性方面，如已知用傳統(tǒng)投影屏幕完成的。圖4表示了第一個(gè)這樣的改變，其中至少有兩個(gè)全息元件被重疊或疊放。根據(jù)所示的實(shí)施例，在±40°視場(chǎng)范圍內(nèi)具有水平增益變化的第一全息元件，與在±20°視場(chǎng)范圍內(nèi)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(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，實(shí)際的全息元件簡(jiǎn)單地表現(xiàn)為其表面范圍內(nèi)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效于中心型全息元件；但是，亮度量值在水平方向和垂直方向?qū)⒁圆煌乃俾首兓?，這是因?yàn)樗綌U(kuò)展范圍比垂直擴(kuò)展范圍大得多。
圖5是在±40°水平視角擴(kuò)展范圍內(nèi)測(cè)得的屏幕中心點(diǎn)處作為白色峰值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(shí)的亮度，和采用重疊的水平和垂直變化全息元件時(shí)的亮度。用重疊全息元件時(shí)的水平亮度變化基本相當(dāng)于只有水平全息元件時(shí)的性能，或稍有改進(jìn)。
在設(shè)計(jì)全息屏各種性能指標(biāo)范圍時(shí)，很難使屏幕同時(shí)達(dá)到所有所需的性能特性。疊放可使不同要求，如增益的水平變化和垂直變化得到分別對(duì)待。該方案不局限于兩個(gè)疊放的全息元件，也可以應(yīng)用于其它疊放的全息元件，例如以控制屏幕透過(guò)光的其它方面性能。
圖6表示了另一種變化，其中中心型全息元件(即具有水平和垂直增益變化)上疊置有直線型菲涅爾透鏡，以有效地實(shí)現(xiàn)水平和旋轉(zhuǎn)垂直準(zhǔn)直。由于直線型菲涅爾透鏡可以比圓形菲涅爾透鏡更廉價(jià)地壓軋或輥壓出來(lái)，所以本實(shí)施例在成本意義上是可取的。圓形菲涅爾透鏡占傳統(tǒng)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(jié)約30％的成本(即(25％+25％)×60％=30％)。對(duì)于如上述所討論的水平和旋轉(zhuǎn)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(nèi)變化，以便改變焦距長(zhǎng)度，而與垂直和水平擴(kuò)展范圍無(wú)關(guān)。兩個(gè)疊置的直線型菲涅爾可以按照任意次序放置在全息元件后面。
本發(fā)明的另一方面是能夠設(shè)計(jì)出顯著減小了機(jī)殼深度的背投影式電視。尤其是，本發(fā)明的背投影電視可以包括多個(gè)圖象投影器，其中每個(gè)投影器的投影軸均不與屏幕的正交軸重合。而且本發(fā)明這一方面可以提供一種背投影電視，其中的每個(gè)圖象投影器均有一個(gè)按與屏幕正交軸所夾投影角φ傾斜的投影軸。本發(fā)明的電視可以對(duì)超過(guò)30°的投影角φ進(jìn)行校正，以按照與屏幕正交軸所成的顯示角引導(dǎo)顯示在屏幕上的圖象，其中顯示角的范圍為0到5°。
例如，本發(fā)明的電視設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)包括過(guò)大角度的投影角，以便于更多地減小所需的機(jī)殼深度。圖7表示了一個(gè)按照垂直于屏幕22的平面內(nèi)γv角取向的反射鏡20，以使投影陰極射線管14，16和18投射在反射鏡20上的圖象，按照垂直平面內(nèi)具有極值上仰角度φv的投影角，反射到投影屏幕上。屏幕22將反射到其上的圖象轉(zhuǎn)向，以便按照垂直平面內(nèi)的顯示角θv引導(dǎo)已透過(guò)屏幕22的圖象，該顯示角從0至5°，優(yōu)選地是3至5°，其中按照垂直平面內(nèi)具有極值上仰角度φv的投影角，將圖象反射到屏幕22上，該角度是從10至30°，可取的是從15至30°，最好為至少15°。
可以從三個(gè)不同投影角，即10°，20°和30°測(cè)試本發(fā)明的這一方面。具體地說(shuō)，使投射光按照給定投影角φv反射到屏幕22的背面，同時(shí)在不同的垂直視角測(cè)量透過(guò)屏幕22的光強(qiáng)。這些測(cè)試的結(jié)果以圖表的形式表示在圖8上。具體地說(shuō)，圖8是在屏幕中心點(diǎn)處測(cè)得的±20°視角范圍內(nèi)的亮度值曲線圖，它表示白色峰值亮度的百分比。
本發(fā)明的另一方面是可以采用一個(gè)反射鏡20，它易于產(chǎn)生包括過(guò)度靠邊角的投影角。圖9表示了在屏幕22水平面中按角度γh取向的反射鏡20，使得投影陰極射線管16投射在反射鏡20上的圖象，以包括水平面內(nèi)過(guò)度靠邊角的投影角φh反射到屏幕22上。屏幕22再將反射到其上的圖象轉(zhuǎn)向，使得透過(guò)屏幕22的圖象按0至5°，可取的是為3至5°的顯示角θh定向，其中圖象按照包括過(guò)度靠邊角的投影角φh反射到屏幕22上，該投影角為10至30°，可取的是為15至30°，最好為至少15°。
本發(fā)明這一方面中，測(cè)試了四個(gè)過(guò)度靠邊角的投影角φh，即0°，15°，30°和45°。具體地說(shuō)，使投射光按照給定的投影角φh反射到屏幕22的背面，同時(shí)測(cè)量透過(guò)屏幕22的光強(qiáng)，和作為水平視角函數(shù)的紅綠和紅藍(lán)色偏強(qiáng)度。這些測(cè)試的結(jié)果表示在圖10至17的圖表中。具體地說(shuō)，圖10和11分別是在±40°水平視角寬度范圍觀測(cè)到的紅綠和紅藍(lán)色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度范圍內(nèi)在屏幕中心點(diǎn)觀測(cè)到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為0°。圖12和13分別是在±40°水平視角寬度范圍觀測(cè)到的紅綠和紅藍(lán)色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度范圍內(nèi)在屏幕中心點(diǎn)觀測(cè)到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為15°。圖14和15分別是在±40°水平視角寬度范圍觀測(cè)到的紅綠和紅藍(lán)色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度范圍內(nèi)在屏幕中心點(diǎn)觀測(cè)到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為30°。圖16和17分別是在+40°水平視角寬度范圍觀測(cè)到的紅綠和紅藍(lán)色偏的曲線圖，和在±40°水平視角寬度范圍內(nèi)在屏幕中心點(diǎn)觀測(cè)到的作為白色峰值亮度百分比的屏幕亮度的曲線圖，其中φh角為45°。
在本發(fā)明的另一種變化中，每個(gè)獨(dú)立的投影陰極射線管均單獨(dú)配有至少一個(gè)反射鏡，其中將獨(dú)立的反射鏡取向，以使得反射的各個(gè)圖象一同會(huì)聚到屏幕背面上的同一點(diǎn)處。圖18表示了本發(fā)明這種變化的優(yōu)選實(shí)例，其中用反射鏡50，55和60代替反射鏡20。反射鏡50，55和60將分別取向，以使光束沿著會(huì)聚到屏幕22中心點(diǎn)的光軸反射出去，由此投影陰極射線管14，16和18分別完成圖象的投影。本發(fā)明的構(gòu)思，尤其是全息屏，使反射鏡50，55和60的光軸可以不必嚴(yán)格地接近與屏幕22正交的光軸。更準(zhǔn)確地說(shuō)，利用本發(fā)明的構(gòu)思，由反射鏡50，55和60反射到屏幕22上的圖象，可以按照0至30°，可取的是15至30°，最好是15°左右的投影角φ入射到其上。
從本申請(qǐng)所公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，本發(fā)明的這些和其它方面可以用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有比能夠想象得到的尺寸更小的機(jī)殼的背投影屏幕電視。
已經(jīng)結(jié)合前述示范性實(shí)施例和附加實(shí)施例而公開(kāi)的本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是清楚的。本發(fā)明不局限于所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)的構(gòu)思和范圍認(rèn)定應(yīng)該以所附的權(quán)利要求書為準(zhǔn)，而不是前述的討論。
權(quán)利要求
1．一種投影電視，包括用于分別產(chǎn)生不同顏色圖象的多個(gè)圖象投影器(14，16，18)，其中每個(gè)圖象投影器具有一個(gè)投影軸，其中任意兩個(gè)相鄰的圖象投影器限定一對(duì)圖象投影器，每對(duì)圖象投影器的投影軸形成一入射角；由設(shè)置在一個(gè)基板(24)上的至少一個(gè)全息元件(26)構(gòu)成的一個(gè)投影屏幕(22)，所說(shuō)基板(24)疊置在至少一個(gè)透光板(38)上，所說(shuō)屏幕在第一側(cè)接收來(lái)自所說(shuō)投影器的圖象，并在第二側(cè)顯示所說(shuō)圖象，同時(shí)控制所顯示圖象的光散射；沿投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間光路設(shè)置的至少一個(gè)反射鏡(20)，所說(shuō)至少一個(gè)反射鏡的取向使之將來(lái)自投影器的圖象反射到所說(shuō)第一側(cè)上，對(duì)于每一圖象，相對(duì)于與所說(shuō)屏幕正交的光軸形成一投影角，從而所說(shuō)投影屏幕使反射到其上的圖象轉(zhuǎn)向，使得在所說(shuō)第二側(cè)上顯示的圖象相對(duì)于與屏幕正交的光軸形成一顯示角，其中所說(shuō)顯示角范圍從0至5°；所說(shuō)屏幕(22)構(gòu)成一個(gè)干涉陣列，該陣列具有在水平和垂直視場(chǎng)內(nèi)變化的光學(xué)屬性，所說(shuō)屏幕在所有大于0°而小于或等于30°左右的所說(shuō)入射角范圍內(nèi)都具有小于或等于5的色偏，如從下式中至少之一獲得的最大值所確定的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(nèi)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(lán)色的亮度值，而green(θ)是B角處綠色的亮度值。
2．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角范圍從0至30°。
3．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角范圍從15至30°。
4．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角至少為15°。
5．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)至少一個(gè)反射鏡(20)在多個(gè)圖象投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間這樣取向，使得所說(shuō)投影角包括至少為10°的一個(gè)極值上仰角度。
6．如權(quán)利要求5所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括從10至30°的一個(gè)極值上仰角度。
7．如權(quán)利要求5所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括從15至30°的一個(gè)極值上仰角度。
8．如權(quán)利要求5所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括一個(gè)至少為15°的極值上仰角度。
9．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)至少一個(gè)反射鏡(20)在多個(gè)圖象投影器(14，16，18)與投影屏幕(22)之間這樣取向，使得所說(shuō)投影角包括大于0°的一個(gè)靠邊極值角度。
10．如權(quán)利要求9所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括從10至30°的一個(gè)靠邊極值角度。
11．如權(quán)利要求9所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括從15至30°的一個(gè)靠邊極值角度。
12．如權(quán)利要求9所述的投影電視，其中所說(shuō)投影角包括至少為15°的一個(gè)靠邊極值角度。
13．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)至少一個(gè)反射鏡(20)包括用于所說(shuō)多個(gè)圖象投影器中每一個(gè)圖象投影器(14，16，18)的至少一個(gè)獨(dú)立的反射鏡。
14．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)屏幕(22)包括彼此疊置的至少兩個(gè)全息元件，所說(shuō)全息元件具有獨(dú)立的視場(chǎng)光學(xué)特性變化。
15．如權(quán)利要求1所述的投影屏幕，其中所說(shuō)屏幕包括疊置在所說(shuō)至少一個(gè)全息元件之上的至少一個(gè)菲涅爾元件。
16．如權(quán)利要求15所述的投影屏幕，包括在所說(shuō)全息元件(26)后面疊置的至少兩個(gè)菲涅爾元件(29，31)，所說(shuō)至少兩個(gè)菲涅爾元件具有獨(dú)立的準(zhǔn)直作用，所說(shuō)作用相互疊加。
17．如權(quán)利要求16所述的投影屏幕，其中所說(shuō)至少兩個(gè)菲涅爾元件(29，31)在垂直和水平視場(chǎng)范圍分別具有變化的光學(xué)特性。
18．如權(quán)利要求17所述的投影屏幕，其中所說(shuō)至少兩個(gè)菲涅爾元件(29，31)在垂直和水平視場(chǎng)范圍分別具有變化的焦距。
19．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)基板(24)包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹(shù)脂薄膜。
20．如權(quán)利要求1所述的投影電視，其中所說(shuō)三維全息元件(26)具有下列性能指標(biāo)水平半視角38°±3°，垂直半視角10°±1°，屏幕增益 ≥8，色偏 ≤3。
全文摘要
一種電視投影屏幕(22)具有設(shè)置在薄膜基極(24)上的一個(gè)三維全息元件(26),用于會(huì)集一定入射角范圍內(nèi)的光,并使所說(shuō)光轉(zhuǎn)向?yàn)楦咏咏蚯暗姆较??？梢詫⒃凇?0°水平視角范圍內(nèi)和±20°垂直視角范圍內(nèi)具有變化增益的垂直和水平全息元件疊置。圖象投影管(14,16,18)將一個(gè)圖象投影到沿一條光路反射該圖象的至少一個(gè)反射鏡(20)上,所說(shuō)光路以相對(duì)于與屏幕正交軸成大約0°至30°之間的一個(gè)投影角Φ會(huì)聚。每個(gè)投影管(14,16,18)可以具有一個(gè)獨(dú)立的反射鏡。全息元件(26)將反射的圖象轉(zhuǎn)向到相對(duì)于與屏幕正交軸為0°至5°的一個(gè)顯示角。全息元件(26)還形成一個(gè)干涉圖案,有效地減小了在其它情況下由于離軸投影而在顯示圖象中產(chǎn)生的色偏,以實(shí)現(xiàn)在0°至30°入射角范圍內(nèi)具有2至5的色偏。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1284239SQ98813398
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期1998年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月29日
發(fā)明者小E·T·哈爾, W·R·普菲勒 申請(qǐng)人:湯姆森許可公司