一种分辨率高、机械稳定性好的投影屏

摘要

一种屏由透明的、机械稳定的基底和体漫射体部分组成，体漫射体部分尽可能地靠近前部微透镜。此漫射体可以散布在微透镜内，或者在紧靠近它们的单独区域。此屏可以由两单元组成，透明基底可以处在前单元也可以在后单元。表面漫射可以作为体漫射体的替代和补充形式。

说明书

本发明涉及一种投影系统的屏，特别是投影电视屏，但并不限于投影电视屏。

在“电气与电子工程师学会会刊”（IEEE）的用户电子学分册，1985年8月，第31卷185～193页发表了R.Bradley，J.Goldenberg和T.S.Mckechnie合写的论文“超宽视角后投影电视屏”（“Ultra-wide    Viewing    Angle    Rear    Projection    TV    Screen”），其中论及一种有适度的高分辨率和良好的机械稳定性的投影电视屏。图1即从此文转绘。我们注意到其前单元是相当厚的。其厚度要选择得不会因温度和/或温度的变化而引起翘曲变形。许多小球遍布于前单元之内，用以漫射光线。一较薄的菲涅耳透镜具有一活性表面，此活性表面位于最靠近观众之处。此屏的前透镜状部分被叠压到体漫射部分，使两部分之间建立光学接触，从而使从界面的反射最少。

在1985年9月出版的美国光学学会杂志”第一卷第12期发表的论文“在投影屏应用中体漫射体的衍射分析（“Diffraction    Analysis    of    Bulk    Diffusers    for    Projection    Screen    Applications”）中，本发明的发明者采用通过其上的无矢量衍射来分析体漫射体。该文已被作为参考纳入本申请体构成本申请的一部分。

本发明的任务是改进公知的投影屏的设计，以便在保持机械稳定性的同时提高屏的分辨率。

本发明的另一项任务是，在达到上述目标的同时，某些情况下还能降低屏的制造成本。

本发明的投影屏包括一透明的、具有机械稳定性的基底和一体漫射区或表面漫射界面，此界面尽可能地靠近微透镜。在一特别优选的实施例中，漫射粒子精确地分布在微透镜中。

如果屏具有两个单元，则具有机械稳定性的基底可以是前后两单元中任一单元的一部分。当此机械性能稳定的基底是在后单元时，通过将透镜状单元向内弯曲一个弧度，可维持透镜状单元紧紧贴近基底。此弧度必须足以抵消透镜状单元在最恶劣的温度/湿度条件所产生的向外弯曲的弧度。换句话说，此透镜状单元在一些限定的点处可能附着于基底。

图1示出先有技术中屏的横截面图。

图2是有三片式前单元的屏的示意图，其接近双凸透镜状表面处具有漫射体。

图3是具有二片式前单元的屏的示意图，其接近双凸透镜状表面处有许多漫射单元。

图4是具有二片式单元的屏的示意图，在其微透镜内具有漫射体。

图5是具有带表面漫射的二片式前单元的屏的示意图。

图6是具有一片式前单元，并有一个厚的后单元的屏的示意图，在前单元的透镜状表面内有漫射体。

图7所示意的屏具有一个带表面漫射的一片式前单元和一个带菲涅尔透镜的厚后单元。

图8是具有厚的后单元和两片式前单元的屏的示意图，后单元带菲涅耳透镜，前单元有一接近菲涅耳表面的后表面。

图9是具有接近后菲涅耳透镜单元的前透镜状单元的屏的示意图，该后菲涅耳透镜单元具有表面漫射。

根据在美国专利4，573，764中所示结构的后投影屏来讨论本发明的各实施例。然而，本发明并不局限于此专利中微透镜的特定结构，也不局限于有透镜状表面和菲涅耳透镜表面的屏。漫射作用使得在任何一个屏上的垂直光分布得到增强。在美国专利4，573，764号所披露的这种特定的屏中，漫射是使色偏移达到最小所必需的。

在任何一种屏中，如在1985年12月的“美国光学学会杂志”上J.Goldenberg和T.S.Mckechnie所发表的文章“在投影屏应用中体漫射体的衍射分析”中所叙述的屏中，当体漫射体是指带有悬浮在其中的许多微小的胶质粒子的基底介质的情况下，采用一种薄体漫射体也可达到采用原体漫射体时所达到的相同漫射角。

现在参看图1所示先有技术的屏，屏的前单元用数字10来表示，此前单元是相当厚的，并且在其整个宽度范围内都悬浮有漫射粒子。一透镜状表面由许多平行的微透镜12组成，其长度尺寸在垂直于纸面方向延伸，此透镜状表面朝向观看显示的观众。相邻微透镜之间的间隔或槽，部分地填充黑化材料14。这些微透镜和黑化材料的结构和成份已如美国专利4，573，764号中所论及，这里不再赘述。但要注意，前单元厚度尺寸在温度和湿度变化时将是防止起翘曲变形的因素。而且体漫射作用与在前单元的后表面上的表面漫射作用相比，会在一定程度上增加屏的分辨率。

先有技术投影屏还包括有一薄的后单元16，其对着前单元的表面是菲涅耳透镜结构。按照美国专利4，573，764号，由于在光准直菲涅耳透镜和光发散双凸透镜单元之间形成的漫射作用，使红、兰和绿光充分漫射，导致各种光线产生基本均匀的水平散射，从而基本上减少了任何色偏移现象的发生。在讨论使其具有一种不同于前透镜状表面的表面结构，以产生表面漫射的可能性时，在美国专利4，573，764号中没有指出要把漫射体粒子移到尽可能靠近屏的前部、最好是移到微透镜内的位置。

现在参看图2，这里采用带透明基底20的前单元保证机械稳定性，从而在保持透影屏机械稳定性的同时，使漫射体粒子较为靠近单元的前部。在图2的实施例中，基底厚度是2毫米。厚度仅1毫米的漫射体单元24有一后表面22，此后表面用机械方法贴附到基底20的前表面。更准确地说，这两个表面可以粘合或叠压在一起。同样地，体漫射体部分24的前表面26被叠压到前单元的透镜状部分28。屏的黑化在图2中省略，因为它对理介本发明不是重要的。透镜状部分的厚度也是1毫米。图2中的尺寸大小仅仅是说明性的，而不是用作规定。要注意，菲涅耳透镜单元，即后单元29，是相当薄的，因而机械稳定性是不好的。因为此单元的稳定性对屏的性能来说不是重要的，所以像在屏的制造过程中通常所采取的做法那样，除用它的边缘将其卡紧到另一单元外，并不需要将此单元完全固紧或粘附到前面的稳定的单元。作为一种选择方案，菲涅耳透镜可在其光学中心外用少量胶合剂粘接到稳定的前单元。一吸附园片27可用来调整光导中心与交界面其余部分的亮度。后者由于反射而降低了大约8%。

前单元和靠近前透镜状表面的漫射区的整个厚度范围构成具有高分辨率和良好机械稳定性的屏。

在图3中，这些体漫射球是在透明基底的前面部分，透明基底如图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，可用模压方法这样来制造，使得其中的漫射球在重力作用下朝向片的一个表面沉降，此种漫射球例如已由Ralph    Bradley和本发明的发明者在“电气与电子工程师学会会刊”（IEEE）的用户电子学分册，1985年8月第31卷（3）上发表的论文“超宽视角后投影屏”（“Ultra-Wide    Viewing    Angle    Rear    Projection    Screen”）中详细地做了介绍。漫射球的沉降是在片冷却过程时发生的。然后，透镜状部分被叠压到体漫射片的一个面，体漫射片靠近此面的部分含有许多漫射球。在图3所说明的例子中，漫射基底30厚度是3毫米。透镜状单元与它相叠压，此透镜状单元在图3中厚度为1毫米。而且漫射单元30的前表面31可以粘接到透镜状单元32的后表面。菲涅耳透镜34的厚度是1毫米，和图2中的菲涅耳透镜29一样。同样，前单元和靠近前透镜状表面的漫射区一起，整个厚度范围构成一个具有高分辨率和良好机械稳定性的屏。

在图4中，前透镜状部分40中含有漫射体。此前透镜状部分与一层聚丙烯或其他适当材料的厚片相叠压。同样，此透镜状单元的厚度是1毫米，而透明基底42的厚度是3毫米。加上和以前所说的菲涅耳透镜一样的菲涅耳透镜44，便构成整个的后投影屏。

在图5中，透镜状部分50粘接到厚的透明基底52上。使透明基底52和透镜状单元50二者相互接触的表面中的一个或二个接触面粗糙化，以产生光漫射。通过选择材料的折射率和表面粗糙度以达到所要求的漫射角。基底折射率的典型数值是1.5，而透镜状部分则是1.6。基底材料最好是聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（Polymetyl methacylate），也可以是玻璃。所需的粗糙度可利用例如100号（grade 100）的粗金刚砂粉研加工来产生。透镜状部分最好用可滤除紫外线的聚合物制成。这两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单元距离屏的前面尽可能地近，以及前单元都是足够厚，以保证机械稳定性。

其他一些建立机械稳定的屏的方法将在下面的一些实施例中讨论，并用图6～8进行说明，在其中，薄的前单元内含有漫射体，而机械稳定性用厚的后菲涅耳透镜保证。

首先参考图6，前单元60包括有微透镜，其中散布有漫射粒子。在图中所示的例子中，此单元的厚度是1毫米。然而在0.5～1.5毫米范围内都能方便地适应。另一方面，后单元62是一厚的、机械稳定的单元。图中说明的厚度是3毫米，而其典型的范围可以是2～5毫米。最大厚度只受材料成本的限制。

要注意，在此实施例中，前单元被制成向内弯一个弧度。这可以把前单元放在具有所要求弧度的模具上，通过加热成型来实现。或者，如果在相邻微透镜之间的槽中黑化元素（图中未示出）是一些黑线（Strings），其适当大小的张力所引起的应力就会产生适当的弧度。在一份申请日为1985年5月1日，申请号为729，317，名称为“改进的黑化光学传输系统”（“Improved    Blackened    Optical    Transmission”）的美国专利申请中讨论了一种具有许多黑线的屏，此专利申请已转让给北美菲利浦用户电子学公司，并已被纳入本申请中参考。

对一对角线为40英寸的屏来说，其前单元中然形成的弓形深度应在5～25毫米之间。这就要求曲率半径在5～20米之间。当屏的尺寸大小改变时，其弓形深度亦需进行适当的调整。通常它是根据预知的屏的工作环境温度和湿度来确定。温度的影响比湿度小。因为屏的内外表面之间的温度平衡比湿度平衡建立得快。由于温度和湿度增加时，其外层膨胀，屏要向外作弓形弯曲。在用上述两种工艺中的任一种加工时所建立的弓形深度，要用来补偿预期在特定的温度和/或湿度条件下屏膨胀所形成的最大弓曲。为补偿这估计到的最大弓形，向内弯曲的总趋势应该加以保持。这种轻微的弧度使屏在厚度方向上被压紧，因而也压紧稳定的菲涅耳单元。

上述方法可以和菲涅耳透镜和双凸透镜状单元之间使用小量的透明的粘结剂的方法相结合。此小量透明的粘结剂应涂敷在光学中心，该处的菲涅耳透镜的光学放大倍数是零（Zero    optical    power），该处所面对的表面大体上是平面。粘结剂的用量及其涂布方式应选择得使其不降低屏的光学或外观特性。而且，用吸收园片，例如图2中所说明的那种园片，可以降低透镜光学中心的亮度。

虽然表面漫射不总是符合高分辨率的要求，但图7的屏所达到的分辨率将能满足最大多数的用途。在图7中，前单元70在其后表面上存在着表面漫射。在最终装配好的屏中，此后表面靠近后单元72的菲涅耳透镜表面。如图6所示，后单元72是一个厚的、机械稳定的单元。

图8和9示出具有厚后单元的这种类型实施例的另一些变种。在图8中，像图6那样，所示后单元的厚度约3毫米。在已作成的屏中，其菲涅耳表面紧靠着一个体漫射层82，是前单元84的一部分。此体漫射层厚1毫米，而后单元厚3毫米，典型厚度在2～5毫米之间。由於光损耗是极其微小的，因而机械稳定性是主要问题。借助在前单元中产生的应力和/或借助粘着力，使前、后单元之间保持紧密接触。

除表面漫射是发生在菲涅耳透镜92的表面而不是在前单元90背面的表面外，图9所示的实施例与图7所示的实施例类似。

虽然是用优选实施例结合附图对本发明进行的说明，但并不受此限。专业技术人员们可使其产生许多变种和变化，而这些也都应包括在本发明的权利要求范围内。