CN1242083A - 一种具有三维全息屏的投影电视 - Google Patents

Abstract

投影电视包括由置于薄膜基板(24)上的三维全息图(26)构成的投影屏幕(26)。投影管(16)具有与屏幕(22)基本正交取向的第一光路(32),而至少另两个投影管(14,18)分别具有以非正交取向的倾斜角度会聚向第一光路的光路(34,36)。三维全息图(26)代表三维凸透镜阵列,它具有能有效减小显示图象色偏的结构。该屏幕具有在所有入射角α均小于或等于约5的色偏,其中0°≤α≤30°,如用至少下式之一所得最大值所确定的:C(θ)=20.log₁₀(red(θ)/blue(θ));及C(θ)=20.log₁₀(green(θ)/blue(θ))其中θ是一个水平视角范围内的任意角度,C(θ)是θ角处的色偏,red(θ)是θ角处红色亮度值,blue(θ)是θ角处蓝色亮度值,而green(θ)是θ角处绿色亮度值。

Description

一种具有三维全息屏的投影电视

发明领域

本发明涉及投影电视接收机领域，尤其涉及一种具有能显著减小色偏和/或显著减小机壳深度的屏幕的投影电视接收机。

相关技术描述

色偏被定义为：当在峰值亮度垂直观看角度处的水平面上以不同角度观看时，由红、绿和蓝投影管发出的投射图象在投影屏中心处形成的白图象的红/蓝或绿/蓝比例改变。

色偏问题是由必须有不同颜色图象，如红，蓝和绿色，的至少三个图象投影器而引起的。投影屏在第一端接收来自至少三个投影器的图象，并在第二端通过控制所有显示图象的光偏转而显示这些图象。通常为绿色的且通常位于投影器阵列中心的一个投影器，具有基本正交于屏幕取向的第一光路。通常为红色和蓝色且通常位于阵列中心绿色投影器相对两端的至少两个投影器，分别具有以非正交取向的入射角向第一光路会聚的光路。红蓝投影器相对于屏幕和绿投影器的非正交关系导致了色偏。色偏的结果是，在屏幕上各个位置的色调可能不相同。色调差别大的情况通常是白色均匀度较差。色偏越小白色均匀度越好。

用数码标注色偏，其中较低的数值表示较小的色偏和较好的白色均匀度。根据通行的规程，从各个水平视角测量屏幕中心的红绿蓝亮度值，通常从至少大约-40°至+40°，到大约-60°至+60°的范围，并以5°或10°为递增间隔。正负角度分别代表屏幕中心右侧和左侧的水平视角。这些测量值是在峰值垂直视角处测得的。在0°处归一化红绿蓝的数据。在每个角度处用下述一或两个等式(I)和(II)进行评价： $\left(I\right)........C\left(\mathrm{\θ}\right)={20\·\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$ ；及 $\left(\mathrm{II}\right)......C\left(\mathrm{\θ}\right)={20\·\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$

其中θ是水平视角范围内的任意角度，C(θ)是θ角处的色偏，red(θ)是θ角处红色的亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色的亮度值，而green(θ)是θ角处绿色的亮度值。这些值的最大值是屏幕的色偏。

一般地，色偏不应当大于5这个商业上可接受的标定屏幕设计值。其他工程和设计约束条件可能有时需要色偏比5大一些，尽管这样的色偏性能是不希望有的，并常常导致现看效果低劣的白色均匀度较差的图象。

投影电视接收机的投影屏通常是通过挤压法利用一或多个有图案的辊形成热塑性板材表面的形状而制造的。其轮廓一般为凸透镜元件阵列。凸透镜单元可以形成在相同板状材料的一侧或两侧；或者仅形成在不同板的一侧上，再将这些不同的板永久地结合成一个叠层单元，或另外彼此相邻地安装而使其具有叠层单元的功能。在许多的设计中，屏幕的一个表面是能够提供光散射的菲涅尔透镜型。现有技术减小色偏和改进白色均匀度的努力，仅仅集中在屏幕的两个方面。一个方面是凸透镜元件的形状和布局。另一个方面是屏幕材料、或其中某些部分为控制光散射而掺杂光散射颗粒的程度。这些努力的例子见下列专利文献。

在美国专利US.4,432,010和US.4,536,056中，投影屏包括一个具有输入表面和出射表面的透光凸透镜板。输入表面的特点表现在水平散开的凸透镜轮廓方面，其凸透镜深度Xv与近轴曲率半径R1的比值(Xv/R1)在0.5到1.8范围内。该轮廓沿着光轴方向延伸，且形成许多非球面输入凸透镜。

通常采用的是双侧具有凸透镜的屏幕。这种屏幕在其输入表面上具有柱面输入凸透镜元件，和形成在该屏幕输出表面侧的柱面凸透镜元件，以及形成在输出表面上不会聚光部分的光吸收层。输入和输出凸透镜元件都是圆，椭圆或双曲线形的，并由下列等式(III)表示： $\left(\mathrm{III}\right).......Z\left(x\right)=\frac{{\mathrm{Cx}}^2}{1+{[1-(K+1)C^2{x}^2]}^{\frac{1}{2}}}$ 其中C是主曲率，而K是圆锥曲线的常数。另外，透镜具有高于二次项的曲线。

在用这种双侧凸透镜构成的屏幕中，已经规定了出输入透镜与输出透镜或构成这些透镜的凸透镜元件之间的位置关系。例如，美国专利US.4,443,814所教导的，按这样的方式确定输入透镜与输出透镜的位置：一个透镜的透镜表面在另一个透镜的焦点处。日本专利JP.58-59436也教导：输入透镜的偏心率基本等于构成凸透镜的材料折射率的倒数。美国专利US.4,502,755还教导，按以下方式组合出两个双侧有凸透镜的板：各凸透镜的光轴平面彼此互成直角，并按如下方式形成这种双侧凸透镜：在透镜外国的输入透镜和输出透镜关于光轴是不对称的。美国专利US.4,502,755还教导，只有输入透镜凹谷处的光会聚位置应该偏向输出透镜观看一侧的表面，以使光轴失准的公差和厚度差可以较大，或色差可以较小。

除了这些减小色偏和白色不均匀性的方案之外，其他改进投影屏性能的方案是针对提高图象亮度，和在水平和垂直方向确保合适视场的。这些技术不是本文所要考虑的内容，在此不作详述。这些方案的要点可以从美国专利US.5,196,960找到，该文献教导了一种双侧凸透镜板，它包括具有输入透镜的输入透镜层和具有输出透镜且其透镜表面形成在输入透镜光会聚点和其附近的输出透镜层，其中输入透镜层和输出透镜层均由基本透明的热塑性树脂构成，且至少输出层包括光散射微粒，而且输入透镜层和输出透镜层之间的光散射特性存在着差别。输入透镜组是一种柱透镜。输出透镜由一组输出透镜层构成，其每一层都有一个透镜表面位于输入透镜层各透镜光会聚点所在的面和其附近。光吸收层形成在输出透镜层不会聚光的部分。这种屏幕设计提供了很好的水平视角，较小的色偏和较亮的画面，并且易于用挤压法制造。

尽管在投影屏设计中危害性的研究已有许多年，但是有关的改进仍不断地提出。而且，还没有突破某些基准。图象投影器的几何尺寸限定的入射角度，本文中称为α角，一般限定为大于0°且小于或等于约10°或11°。图象投影器的尺寸使α角基本不可能接近0°。在小于约10°或11°的α角范围内，如根据等式(I)和(II)所确定的，已经实现的最佳色偏性能在5左右。在大于约10°或11°的α角范围内，已经实现的最佳色偏性能没有商业价值。事实上，具有在大于约10°或11°α角的投影电视接收机还未出现。

小α角有一个明显且不希望的效果，即必须有很大的机壳深度来容纳投影电视接收机。大的深度是需要容纳具有小入射角(α)光路的直接结果。减小投影电视机壳尺寸的技术，一般取决于反射镜的布置。这些努力最终还受到入射角度范围小的限制。

宝丽来公司出售一种标牌为DMP-128^光致聚合物，宝丽来公司可以用有专利权的方法将其制成三维全息片。US.5,576,853描述了该全息摄影制造方法的一部分。在为建立DMP-128^光致聚合物全息产品市场的所做努力中，作为多种建议的一种，宝丽来公司提出了投影电视三维全息屏。该建议是基于宝丽来公所希望的司高亮度高分辨率，低制造成本，低重量，和装运过程中避免受到双片屏幕所受磨损的优点而提出的。宝丽来公司从未提出过任何可制成这种全息投影电视屏的体全息元件的具体全息结构，也从未考虑过全息或其它任何类型投影电视屏的色偏问题。

总之，尽管多年来进行了很多的开发研究，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°的屏幕的投影电视接收机，但是与传统投影屏凸透镜元件形状位置和散射体的不断变化出新不同，在解决色偏问题方面则没有进展。而且，尽管建议了三维全息图可以用于投影屏，但由于没有涉及色偏问题，也就不曾在提供有三维全息屏的投影电视方面作过尝试。因此，长期以来对一种具有大大提供色偏性能且还可以被装入一个更小机壳内的投影电视接收机的需求，还没有得到满足。

发明概述

根据本文教导的发明方案的投影电视接收机，在色偏性能(按幅值量级测量)方面有了很大提高，入射角α在小于10°或11°的范围内的投影电视接收机可以达到2或更小的色偏。而且，该色偏性能显然可以提供符合商业要求的装于很小机壳内且入射角大于30°的投影电视接收机。这种大α角接收机的色偏性能至少与传统的小α角接收机(例如等于5的色偏)一样好，并在小α角接收机的情况下有望接近或达到低至大约2的值。

摒弃挤压透镜屏幕的技术，这些效果可以一起达到。根据本发明方案的投影电视接收机，具有一个用形成在基板上的三维全息图构成的屏幕，该基板可以是聚乙烯膜片，如Mylar^。

最初开发的这种三维全息屏，是要获得高亮度高分辨率，和低制造成本低重量，和装运过程中避免受到双片屏所受的磨损的优点。当测试确定三维屏幕光学特性是否至少与传统屏幕一样好时，对三维全息屏色偏的性能有了新发现。如借助等式(I)和(II)所测得的，三维全息屏的色偏性能意想不到地低，以至于到了令人振惊的程度。增加工艺步骤限制现有技术提高的遮挡层都已经去掉。而且，现在可以开发出具有较大α角投影结构的较小机壳。

根据本文教导的本发明方案，具有与三维全息屏有关的不良特性的投影电视，包括：不同颜色各图象的至少三个图象投影器；一个由置于基板上的三维全息图构成的投影屏幕，该屏幕在第一端接收来自投影器的图象，并在第二端显示该图象，且全部显示图象都有受控的光散射；一个投影器具有与屏幕基本正交取向的第一光路，而至少两个投影器分别具有以非正交取向的倾斜角度会聚向第一光路的光路；以及代表三维凸透镜阵列的三维全息图，它具有能有效减小显示图象中色偏的结构，在大于0°至小于或等于约30°该屏幕范围内，该屏幕具有对所有入射角均小于或等于约5的色偏，如用至少下式之一所得到的最大值所确定的： $C\left(\mathrm{\θ}\right)={20\·\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$ ；及 $C\left(\mathrm{\θ}\right)={20\·\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right),$ 其中θ是一个水平视角范围内的任意角度，C(θ)是θ角处的色偏，red(θ)是θ角处红色亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色亮度值，而green(θ)是θ角处绿色亮度值。可以要求屏幕的色偏小于5，如小于或等于约4，3或甚至是2。

就已知的10°或11°左右入射角处遮挡而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范围内，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围内，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。

该屏幕进一步包括一个透光的加强组件，如用厚度在2-4mm左右范围内的一层丙烯酸材料构成的。基板包括长寿命透明防水膜，如聚对苯二甲酸乙烯酯树脂膜。该基板可以是厚度在1-10密耳(25.4-254微米)范围内的薄膜。已经发现7密耳(178微米)左右的厚度足以支撑三维全息图。薄膜的厚度与性能无关。三维全息图具有不大于约20微米范围内的厚度。

投影电视在图象投影器与屏幕之间还包括一或多个反射镜。

附图的简单描述

图1是表示根据本文教导的发明方案的投影电视的示意图；

图2是用于解释发明方案的投影电视结构简图；

图3是根据发明方案加强的投影屏幕侧视图。

优选实施例的详细描述

在图1中示意性地表示出投影电视接收机10。投影阴极射线管14、16和18的阵列12分别提供了红、绿和蓝色图象。这些阴极射线管分别具有透镜15、17和19。反射镜20将投影的图象反射到投影屏幕22上。还可以使用附加的反射镜，这取决于光路的具体结构。绿色阴极射线管16沿着基本与屏幕22正交取向的光路32投影绿色图象。红蓝阴极射线管分别具有光路34和36，它们以非正交取向的倾斜入射角α会聚向第一光路32。该入射角引入了色偏的问题。

屏幕22包括位于基板24上的三维全息图26。该屏幕在第一入射表面端28接收图象，并在第二输出表面端30显示这些图象，且全部显示图象都有受控的光散射。基板适宜为长寿命透明防水膜，如聚对苯二甲酸乙烯酯树脂膜。一个这样的膜是可以从E.I.du Pout de Nemours &Co.得到，其商标为Mylar。该薄膜基片厚度在大约1-10密耳范围内，等效于大约.001-.01英寸或大约25.4-254微米。已经发现，大约7密耳(178微米)厚度的薄膜足以支撑置于其上的三维全息图。薄膜的厚度一般不影响屏幕的性能或尤其是色偏性能，而且用不同厚度的膜。三维全息图26具有不大于约20微米范围内的厚度。

三维全息屏幕至少可以从两个来源得到。宝丽来公司利用有专利的湿式化学方法，在其DMP-128光致聚合物材料上形成三维全息图。

用于本文所述和权利要求书中投影电视接收机的三维全息屏幕优选实施倒，是根据以下性能说明用宝丽来公司湿式化学方法制造的：

水平半视场角：38°±3°，

垂直半视场角：10°±1°

屏幕增益：≥8，

色偏：≤3，

其中水平和垂直视场角很容易测得，屏幕增益是从源射向观看表面后面光强与从观看表面前面射向观看者光强的商，正交于屏幕进行测量，且如上所述测量色差。

如本文摘要所述的，三维全息投影屏幕超乎寻常的色偏性能完全是意想不到。

图2是投影电视的简图，其中为了解释色偏性能省略了反射镜和透镜。红色蓝色阴极射线管14和18的光轴34和36，是关于绿色阴极射线管16的光轴32以入射角α对称对准的。机壳的最小深度D由屏幕22与阴极射线管后缘之间的距离确定。应当理解，α角越小，阴极射线管彼此越靠近，且还必须与屏幕间隔开以免彼此撞击。在α角足够小时，这种干扰不可避免。这将不得已增大机壳的最小深度D。相反地，α角越大，阴极射线管可以更为靠近屏幕22，减小机壳的最小深度D。

在屏幕22的观看一侧，两个水平半视场角用-β和+β表示。和在一起后的总水平视场角为2β。该半视场角通常可以在±40°至±60°的范围内。在每个半角内是一组特定角度θ，在其中可以测量色偏，并根据上述等式(I)和(II)加以确定。

就已知的10°或11°左右入射角处遮挡而言，在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范围内，三维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围内，屏幕的色偏在所有角度都小于或等于5左右。可以料想，第一子范围中小于或等于2左右的色偏也可以在更大入射角的第二子范围内实现。

参考图3，基板24包括一个透明膜，如上所述的Mylar。形成三维全息图26的光致聚合物材料支撑在膜层24上。适合的光致聚合物材料是DMP-128。

该屏幕22还可以包括一个透光的加强组件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。加强组件38是一个厚度在约2-4mm范围内的层状材料。屏幕22和加强组件是通过全息层26与加强组件38间的界面40彼此粘在一起的。可以采用粘合剂，辐射和/或热粘合技术。加强层的表面42还可以做下述一和多种处理：着色，防眩光，涂覆涂层和涂覆防划伤涂层。

屏幕的各个表面和/或其构造中的层，可以具有其它光纤透镜和凸透镜阵列，以控制除了投影屏色偏性能之有关外性能特性，如传统投影屏幕常常要做的以下处理，而不削弱三维全息投影屏幕提高了的色偏性能。

Claims (18)

1.一种投影电视，包括：

用于不同颜色图象的至少三个图象投影器(14，16，18)；

一个由置于基板(24)上的三维全息图(26)构成的投影屏幕(22)，所述屏幕在第一端(28)接收来自所述投影器的图象，并在第二端(30)显示所述图象，且全部所述的显示图象都有受控的光散射；

所述投影器之一(16)具有与所述屏幕(22)基本正交取向的第一光路(32)，而至少两个所述投影器(14，18)分别具有以非正交取向的倾斜角度(α)会聚向所述第一光路的光路(34，36)；以及

代表三维凸透镜阵列的三维全息图，它具有能有效减小所述显示图象色偏的结构，在大于0°至小于或等于约30°整个入射角范围内，所述屏幕具有在所有所述入射角均小于或等于约5的色偏，如用至少下式之一所得最大值所确定的： $C\left(\mathrm{\θ}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{red}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right)$ ；及 $C\left(\mathrm{\θ}\right)={20\·\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{green}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{blue}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right),$ 其中θ是一个水平视角范围内的任意角度，C(θ)是θ角处的色偏，red(θ)是θ角处红色亮度值，blue(θ)是θ角处蓝色亮度值，而green(θ)是θ角处绿色亮度值。可以要求屏幕的色偏小于5，如小于或等于约4，3或甚至是2。

2.如权利要求1的投影电视，其中所述屏幕的色偏在所有所述入射角均约小于等于4。

3.如权利要求1的投影电视，其中所述屏幕的色偏在所有所述入射角均约小于等于3。

4.如权利要求1的投影电视，其中所述屏幕的色偏在所有所述入射角均约小于等于2。

5.如权利要求1的投影电视，其中：

在大于0°和小于或等于10°左右的入射角第一子范围内，所述屏幕的色偏在所有所述角度都小于或约等于2；而

在大于10°和小于或等于30°左右的入射角第二子范围内，所述屏幕的色偏在所有所述角度都小于或约等于5。

6.如权利要求1的投影电视，其中所述屏幕还包括透光的加强组件(38)。

7.如权利要求1的投影电视，其中所述屏幕还包括丙烯酸的透光加强组件(38)。

8.如权利要求1的投影电视，其中所述基板(24)包括长寿命透明防水膜。

9.如权利要求8的投影电视，其中所述基板(24)包括聚对苯二甲酸乙烯酯树脂膜。

10.如权利要求8的投影电视，其中所述基板(24)包括厚度在约1-10密耳(25.4-254微米)范围内的薄膜。

11.如权利要求1的投影电视，其中所述三维全息图(26)包括置于所述基板(24)上的光致聚合物材料。

12.如权利要求6的投影电视，其中所述三维全息图包括置于所述基板上的光致聚合物材料。

13.如权利要求7的投影电视，其中所述三维全息图包括置于所述基板上的光致聚合物材料。

14.如权利要求8的投影电视，其中所述三维全息图包括置于所述基板上的光致聚合物材料。

15.如权利要求9的投影电视，其中所述三维全息图包括置于所述基板上的光致聚合物材料。

16.如权利要求10的投影电视，其中所述三维全息图包括置于所述基板上的光致聚合物材料。

17.如权利要求1的投影电视，进一步包括位于所述图象投影器(14，16，18)与所述屏幕(22)之间的反射镜(20)。

18.如权利要求1的投影电视，其中所述三维全息图具有如下性能规范；

水平半视场角：38°±3°，

垂直半视场角：10°±1°，

屏幕增益：≥8，

色偏：≤3。

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