CN100476579C - 多层微透镜结构的背投影屏幕及制造方法 - Google Patents

多层微透镜结构的背投影屏幕及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层微透镜结构的背投影屏幕:背投影屏幕为由多层叠加在一起的微透镜构成的微透镜层,每层微透镜的两个折射面两侧均分别为高折射率物质和低折射率物质。还公开了这种背投影屏幕的制造方法。这种背投影屏幕具有视角均匀度好、无太阳效应的优点,而且成本低廉。

Description

多层微透镜结构的背投影屏幕及制造方法
技术领域
本发明涉及电视成像技术,具体来说是一种背投影屏幕技术,涉及了该种屏幕结构及制造方法,
背景技术
背投影屏幕是背投电视的关键部件,如图1所示,其主要功能是当来自***内部投影镜头1的光线在屏幕2上成像后,使各像点(像素)的光线都能往观众的方向以最大的角度散射开去,从而使得每个像点的光线都能进入观众眼球,观众就可以观赏到整个屏幕的图像了。可以理解的是,如果背投影屏幕不具备这种散射能力,也就是说,各像点的光线仍按各自入射光方向射出,这些光线就很难同时进入观众眼球,那么观众是看不到整个画面的。屏幕的这种散射能力一般通过水平视角和垂直视角来表达。水平视角代表屏幕在水平方向的散射角度,垂直视角代表屏幕在垂直方向获得的散射角度。如图2所示,水平和垂直视角的最大值均为180度。超过180度的部分实际上是对光线的反射,观众也看不到。
另外,屏幕材料会反射和吸收一定的光线。反射和吸收都会对光线造成损耗,从而造成屏幕实际透光率降低,这种损耗的程度通常用增益来表达。增益越大的屏幕对光线的损耗越小,屏幕透光率越高,画面也越亮。除此之外,对比度和清晰度也是屏幕的重要参数。
另外,值得强调的是,在评价屏幕质量时人们往往会忽略视角均匀度这个概念。所谓视角均匀度反映的是屏幕在各个视角方向上散射光亮度的均匀性。实际上,屏幕在不同方向上的散射能力是不同的,这就造成不同方向上的光强有所不同,从而使观众在不同方向上看到的屏幕亮度不同。通常我们把最大光强方向称为主力散射方向。视角均匀度可以用最小光强与最大光强的百分比来定量计算。通常,普通CRT(Crystal Ray Tube,阴极射线管)电视(这里主要指29寸以下的)能够达到80%以上的视角均匀度,观众从各个角度观看都会感觉到屏幕的亮度是基本相近的。对于背投电视来说,因为屏幕的限制却很难达到这种水平。这主要是由于下述的原因:
目前,背投影屏幕根据内部结构主要分为带微观光学结构的背投影屏幕(简称微结构屏幕或光学幕)和微观粒子散射式背投影屏幕(简称散射幕)两大类。
如图3所示:对大多数散射幕2而言,主力散射方向与该位置从投影镜头1发出的光线的入射方向往往是一致的。对该位置的其它散射方向而言,越偏离主力散射方向光强越低,当你从不同角度观看屏幕时,眼睛的视线方向正好与较近区域的主力散射光线方向一致,因此始终是离眼睛较近的区域更亮,而较远的区域较暗,这就是所谓的太阳效应或称亮斑效应。用玻璃微珠等高折射率材料代替散射微粒制作的散射幕虽然能使太阳效应有所缓解,但仍不能从根本上消除该现象。
由于散射幕观赏效果低劣,所以已渐渐从市场退出,取而代之的是微结构的光学屏幕。如图4所示,微结构屏幕通过在散射层2的前面增加一个菲涅尔透镜或螺纹镜3,使得投影镜头1发出的光线在进入散射层2之前的入射方向被菲涅尔透镜或螺纹镜3全部调整为与屏幕垂直,这样,穿过散射层2后的各区域的主力散射光线方向始终保持与屏幕垂直,当观众正对屏幕(视线与屏幕垂直)观赏时可获得最高的亮度效果。而当观众改变视角从侧面观看时,各区域的散射光线的光强度都同步下降,虽然下降的幅度略有不同(仍然是较远的区域下降多一点),但这种差异能被控制在较小的范围内。所以虽然屏幕整体亮度下降了,但太阳效应能被基本避免,微结构屏幕也因此被市场广泛接受。与透镜3配合使用的微结构屏幕的散射层2多种多样,有的采用如图5a所示的微透镜,也有的采用如图5b所示的玻璃微珠等。其中,微透镜3的形状也是多种多样,图5中只示出其中一种。另外,由于大尺寸的菲涅尔透镜或螺纹镜需要相当昂贵的模具和具有较高的加工成本,所以造成微结构屏幕价格长期居高不下,对背投电视的普及造成了负面影响。有的厂家为降低成本,使用锥型波导管或锥型透镜作散射层,并省去菲涅尔透镜等前置元件。这样的屏幕由于在四周入射角较大的区域,光线在波导管或透镜内多次反射,光损失较大,造成了屏幕在四个角上光线比较暗淡,严重影响画面质量,虽然成本降低了,但却是以牺牲屏幕的画面质量为代价,所以也难以普及。
从前文可以了解到,目前使用的光学微结构屏幕虽然回避了太阳效应的问题,但仍不能提供很好的视角均匀度。当观众以较大视角观察屏幕时,因为屏幕的视角均匀度较差,屏幕亮度将会整体明显下降。从这方面讲,背投电视的观赏效果仍不能与普通CRT电视媲美。虽然有厂家宣传其背投电视能达到180度视角,实际当你大视角观赏时,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体画面效果仍不是很理想。
发明内容
本发明正是针对现有的背投影屏幕在视角均匀度方面存在的上述不足,提供一种多层微透镜结构的背投影屏幕,这种背投影屏幕不仅能消除太阳效应,而且能获得较高视角均匀度,使得背投电视达到与CRT相同的亮度观赏效果。
本发明的第二个目的还在于还提供一种多层微透镜结构的背投影屏幕的制造方法,该方法使这种背投影屏幕的造价低廉,为背投电视的普及创造了良好条件。
为了实现本发明的第一个目的,本发明采用的技术方案为:
一种多层微透镜结构的背投影屏幕,背投影屏幕为由多层叠加在一起的由多个各种自然形状的微透镜所形成的微透镜层所构成,每层微透镜的两个折射面两侧均分别为高折射率物质和低折射率物质。
本发明中的透镜,是指广义的透镜,即拥有两个面,并利用这两个面对光线进行折射的透明物体。
所述的微透镜的两个折射面可以是一个曲面和一个平面的组合,或者是两个曲面的组合,就本发明而言,曲面起到对光散射的作用。
所述的高折射率物质是指光密物质,例如玻璃、树脂等;而低折射率物质是指相对于高折射率物质来说折射率较低的物质,即光疏物质,例如可以为空气或其它光介质。
本发明采用多层微透镜叠加结构。微透镜各折射面两侧均分别为高折射率物质和低折射率物质,以确保每一层都有较高散射能力。高折射率物质与低折射率物质的折射率差距越大,散射能力越强。当光线穿透各微透镜层时,主力散射方向的光强被多次削弱,而其它方向的光强逐层累加,最终达到与主力散射方向相接近的光强,从而能够获得很高的视角均匀度。所以,由于采用这样的分层散射机制,不管入射方向如何,所获得的视角均匀度都很高,因此不需要在其前面设置菲涅尔镜或螺纹镜。且各透镜层可使用同一模具制造,因此制造成本将大幅度下降。由于保证了视角均匀度,所以太阳效应也自然消失,获得了更加优良的画面综合质量。
本发明中在背投影屏幕中还可增加一层吸光层,以吸收反射的环境光,增强对比度。
本发明还提供了该种多层微透镜结构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,用磨砂工艺将基材表面处理形成多个各种自然形状的微透镜,按预定尺寸切割后平铺并堆叠整齐,压上一层尺寸相当的重物板,使其相互紧贴排出多余空气,然后将各透镜层四周用粘合剂相互粘牢、密封。
所述的基材优选树脂材料,基材厚度以0.1~0.2mm为宜。
基材可单面磨砂也可双面磨砂形成透镜。
本发明提供的这种背投影屏幕的制造方法采用现有的成熟的磨砂工艺制备微透镜层,以空气为低折射率物质,并在四周粘接密封,具有制作简便、材料成本和加工成本低的优点,可显著降低这种多层微透镜结构的背投影屏幕的成本,为这种背投影屏幕的推广创造了条件。本发明提供的这种背投影屏幕不仅能消除太阳效应,而且能获得较高视角均匀度,使得背投电视达到与CRT相同的亮度观赏效果,其综合画面质量高于现有的背投影屏幕。
附图说明
图1为背投影屏幕光学原理图;
图2为背投影屏幕的视角图;
图3为背投影屏幕的太阳效应原理图;
图4为现有技术中微结构光学屏幕原理图;
图5现有的微结构光学屏幕的结构图;
图6为本发明的多层微透镜结构的背投影屏幕的结构示意图;
图7为本发明的多层微透镜结构的背投影屏幕的光学原理图;
图8-图14为本发明的多层微透镜结构的背投影屏幕的结构示意图。
图中,以箭头的长度来近似表示该方向光强的大小。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的多层微透镜结构的背投影屏幕作进一步说明。
实施例1
如图6所示,本发明的多层微透镜结构的背投影屏幕,为由两层以上的微透镜4叠加形成的微透镜层,每层微透镜4的两个折射面两侧均分别为高折射率物质41和低折射率物质5,高折射率物质是指光密物质,例如玻璃、树脂等;而低折射率物质是指相对于高折射率物质来说折射率较低的物质,即光疏物质,例如为空气或其它低折射率光介质,当为空气时,其材料成本、制作成本更低。
光线从高折射率物质进入低折射率物质以及从低折射率物质射入高折射率物质时均会产生折射,这样每层透镜均会产生较强的散射能力,且折射面两侧的物质的折射率差值越大,透镜的散射能力越强。如图7所示,光束在各层的散射点实际并不相同,如果该间距较大,从观众的角度上看,可能会认为它是不同的像点,这就会降低画面的分辨率。该散射点的距离与每层透镜厚度有关,也就时说与整个屏幕的总厚度有关,屏幕厚度越大,在屏幕两侧的散射点的距离越大,屏幕的画面分辨率越低。只要屏幕足够薄,各散射点位置的差异就能小到低于屏幕的像点自身大小的程度,从而在视觉上认为那些散射光线仍是从同一个像点发出的,此时不会对分辨率产生影响。既然各层散射点的散射光线被视为出自同一个像点,该像点在所有非主力散射方向上的光强就相当于对应各层散射点光线之和,而最后一层的主力散射方向的光强代表该像点在该方向上的光强,所以经过各层散射后,与入射光方向相同的主力散射方向的光强被多次削弱,而其它方向的光强因各层散射光的光强逐层累加而增强,最终可达到与主力散射方向相接近的光强,从而获得很高的视角均匀度。
可以理解的是,微透镜散射次数越多,视角均匀度就越好,但亮度会因此而下降。因此在两者之间应权衡选择。一般,整个微透镜层总共应至少含有3个以上的曲面。拥有4层以上曲面能获得80%以上的视角均匀度。微透镜应选择高透光率材料,以减少亮度损失。高透光率的材料如光学塑料,透光率一般可达90%以上,且这种材料有较高的折射率。
根据前述,为保证高清晰度,微透镜层越薄越好,叠放紧密,整个屏幕总厚度以不超过1mm为最佳。相应的微透镜的直径可设置在0.02~0.15mm之间。
根据本发明的原理可知,透镜层可以采用如图8所示的双面微透镜层(或双凸透镜层,即两面均为凸面的透镜层),与图6所示的单面微透镜层(或平凸透镜层,即一面为平面一面为凸面的透镜层)相比,减少了不必要的折射面,从而可在视角均匀度相同的情况下获得较高的透光率和对比度。当然,也可以选用单双面相结合(图中未示出)的形式。
如图9a所示,各层透镜可以不需要相互对应。并且,如图9b所示,平凸透镜层的叠放方式可以自由选择,如可改为平面对平面,凸面对凸面放置。
透镜的形状可以多种多样。既可以是图8、图9所示的凸面镜,也可以如图10所示,低折射率物质层5之间的高折射率41部分为凹面镜,或为图13、图14所示的不规则形状。从正面看,微透镜既可以是如图11所示的矩形,也可以如图12所示为圆形、椭圆形、多边形、锥型等或其它形状。
由于各折射面对环境光线有一定的反射,且层数越多,反射越多,这样会降低屏幕的对比度。可增加一层吸光层,吸收反射的环境光,增加对比度。吸光物质可以是颜料、染料、碳黑等,这些都是目前背投影屏幕普遍使用的吸光材料。也可以直接将这些物质直接适量添加到透镜层中。也或者将吸光物质添加到保护屏中。所谓保护屏是通常设置在背投影屏幕最外层,起防尘、防油污或防划伤作用的保护层,约4mm厚,一般为树脂材料。
实施例2
本实施例是以树脂材料作为高折射率物质,以空气为低折射率物质,提供一种多层微透镜结构的背投影屏幕的制造方法:
采用高透光率和高折射率的树脂材料做基材,厚度以0.1~0.2mm为宜,采用目前成熟的磨砂工艺将树脂表面处理后,使树脂表面形成如图13或图14所示的各种自然形状的透镜。可如图13一样单面磨砂,也可如图14所示双面磨砂。这样,微透镜层就制作好了。将多层微透镜层按预定尺寸切割后平铺并堆叠整齐,压上一层尺寸相当的重物板,使其相互紧贴排出多余空气。然后将各透镜层四周用粘合剂之类相互粘牢、密封。这样可保证透镜层之间仍有适量空气充当光疏物质,又可防止多余空气进入透镜层之间导致透镜层变形、间距增大等。这样,一种超薄的多层微透镜屏幕就算做好了。
以上操作均在常温常压下进行,无需模具,磨砂工艺简单,对背投影屏幕而言可谓生产成本空前低廉。

Claims (10)

1、一种多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:背投影屏幕为由多层叠加在一起的由多个各种自然形状的微透镜所形成的微透镜层所构成,每层微透镜的两个折射面两侧均分别为高折射率物质和低折射率物质。
2、如权利要求1所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:所述的微透镜的两个折射面是一个曲面和一个平面的组合,或者是两个曲面的组合。
3、如权利要求1或2所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:所述的高折射率物质为玻璃或树脂。
4、如权利要求1或2所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:所述的低折射率物质为空气。
5、如权利要求1或2所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:所述的微透镜层有4层以上的曲面。
6、如权利要求1或2所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:所述的微透镜层的总厚度不超过1mm,所述的微透镜的直径为0.02~0.15mm。
7、如权利要求1或2所述的多层微透镜结构的背投影屏幕,其特征在于:还包括一层吸光层。
8、一种多层微透镜结构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,用磨砂工艺将基材表面进行处理形成多个各种自然形状的微透镜,按预定尺寸切割后平铺并堆叠整齐,压上一层尺寸相当的重物板,使其相互紧贴排出多余空气,然后将各透镜层四周用粘合剂之类相互粘牢、密封。
9、如权利要求8所述的多层微透镜结构的背投影屏幕的制造方法,其特征在于:所述的基材为树脂,厚度为0.1~0.2mm。
10、如权利要求8或9所述的多层微透镜结构的背投影屏幕的制造方法,其特征在于:所述的基材采用单面磨砂或双面磨砂形成透镜。
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