CN1197350A

CN1197350A - 背投显示设备

Info

Publication number: CN1197350A
Application number: CN98106667A
Authority: CN
Inventors: 河野俊也; 中西泰章
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1998-10-28
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: KR19980081503A; CN1126988C; US6256145B1; JP3697832B2; JPH10293362A; KR100588455B1

Abstract

提出一种背投显示设备以及一种屏幕单元。屏幕单元包括:菲涅耳透镜片,用于收集入射的图像光;柱状透镜片,用于使菲涅耳透镜片收集的图像光入射于其上并散射,在其出射侧还有外界光吸收层;光散射装置,用于散射入射到柱状透镜片的图像光。光散射装置的混浊度按预定值设定,单位面积外界光吸收层的覆盖比根据混浊度所表示的散射特性来设定,这样得到的覆盖比要小于没有使用光散射装置情形下的覆盖比。

Description

背投显示设备

本发明涉及一种背投显示设备及屏幕单元，它能从图像源经投影透镜把放大的图像投影到一透光的屏幕上。

人们熟知的一类背投显示设备，其图像源由CRT(阴极射线管)以及使用诸如液晶显示板的光学***所组成，从图像源发出的图像光经投影透镜，投射到透光的屏幕上，在其上形成放大的图像。

这一类背投显示设备中的屏幕单元，为了能投影出良好的图像，须具备各种不同功能，是由有特定功能的多个屏幕组合而成。

例如，《日本未经审查专利公告No.6-6739》中披露，屏幕单元一般包括放在图像源一侧的一片菲涅耳透镜片，和放在菲涅耳透镜片后面的柱状透镜片。

图7是一个透视图，画出一种屏幕单元30的结构，包括一片菲涅耳透镜片31，一片柱状透镜片32，等等。

放在前述CRT或光学***之后的投影透镜(未画出)，把图像光投射出去，投射出来的图像光被菲涅耳透镜片31中各个菲涅耳透镜收集并导向观众，菲涅耳透镜片31修正亮度在观看屏幕上的逐点变化。

放在菲涅耳透镜片31后面的柱状透镜片32，内含光散射媒质。图像光穿过柱状透镜片32传送的同时，被散射媒质散射，从而投影出一个图像。柱状透镜片32还在水平和竖直两个方向上控制光散射特性，并借助位于光入射侧的多个柱状透镜的透镜作用，使光会聚。

此外，在柱状透镜片32的光出射侧，在不是会聚光的部分，形成竖直带状的外界光吸收层32a，这些吸收层覆盖出射侧预定的区域，从而减小来自显示设备外部的外界光的影响，又不挡住要投射到屏幕上的图像光，改善图像的对比度。

为了减小外界光的影响和改善图像对比度，只须增加外界光吸收层32a的覆盖比，但如果覆盖比超过一个预定值，图像光便被外界光吸收层32a阻挡，亮度下降。因此，使用CRT作图像源的背投显示设备，外界光吸收层32a的覆盖比，按照其光学***等等结构，限制在例如40％左右。

使用与三种彩色R(红)、G(绿)、B(蓝)对应的三个CRT的背投显示设备，如图8所示，从红色CRT 40R，绿色CRT 40G，蓝色CRT 40B发出的三色图像光分别通过投影透镜41R，41G，41B，被放大并投影到屏幕单元30上，屏蔽单元30由菲涅耳透镜，柱状透镜等等组成。

CRT 40R，CRT40G，CRT 40B要这样放置，使它们的中心环绕并对着屏幕单元30的中心，如图所示，因此，CRT 40G放在屏幕单元的前面，而在CRT 40G两侧的CRT 40R和CRT 40B则与屏幕单元30成一角度，例如成10°左右的角度。从而各彩色光以不同角度入射到屏蔽单元30，它们在屏幕单元30前面并不互相平行，考虑到这一情况，覆盖比因而设定在前面提到的40％。

近年来，人们还熟悉一种背投显示设备，它使用液晶板等等组成的光学***作为图像源，用一个单独的投影透镜把该光学***所成的图像放大和投影出去。

图9是这种背投显示设备的示意图，其中光学***51由对应于彩色R，G，B的三块液晶板构成，而屏幕单元30放在箱体50内。

位于箱体50下部的光学***51所形成的图像，被投影透镜52放大，又如图上箭头所示被反射镜53反射，到达屏幕单元30。

现在参照图10，对光学***51的构造加以说明。

在光源55内，由例如金属卤化物构成的灯56放在抛物面反射镜的焦点，几乎与抛物面反射镜光轴平行的光，从灯56的开孔射出。光源55发出在红外和紫外区的不需要的光，被UV-IR截止滤光器57阻挡，只有有用的光被引向透镜阵列58。

透镜阵列58含有光学元件，诸如PBS(偏振光束分束器)，它使光源55发出的光偏振化，变成P偏振光和S偏振光，然后输出例如P偏振光。

就是说，透镜阵列58使通过UV-IR截止滤光器57的光源55的光起偏，成为P偏振光，有效且均匀地照射在液晶板62，63，68的有效孔径上。

在透镜阵列58与液晶板62，63，68的有效孔径之间，安放了二向色反射镜56，60，把来自光源55的光分成红光，绿光和蓝光。

在图10所示例子中，首先由二向色反射镜59反射红光R，透过绿光G和蓝光B。二向色反射镜59反射的红光R被反射镜61偏转90°，进入红色液晶板62。

另外，透过二向色反射镜59的绿光G和蓝光B被二向色反射镜60分离。就是说，绿光G被反射，偏转90°，走向绿色液晶板63。蓝光B通过二向色反射镜60，一直向前传播，经中继透镜64，反射镜65，中继透镜66，反射镜67，被引向蓝色液晶板68。

经液晶板62，63，68调制的彩色光被作为光合成装置的正交二向色棱镜69合成。正交二向色棱镜69由反射平面69a与反射平面69b组成。红光R与蓝光B分别被反射平面69a与反射平面69b反射，射向投影透镜52，绿光G则透过反射平面69a与69b。因此，R光，G光，B光混合在一起。被投影透镜52放大并投射到图9所示的屏幕单元。

在这样的背投显示设备中，由于图像光是用单个投影透镜52放大并投影，因此图像光是从一个方向进入屏幕单元30的。从而有可能令外界光吸收层32a的覆盖比达到，比如说，80％左右，这个比值大大高于图8所示用三个CRT的前述显示设备。

为了在不阻挡图像光情况下使外界光吸收层32a的覆盖比达到最大值，作为例子，这里介绍《日本已审查专利公告No.7-19029》，其中披露，构成柱状透镜片32的各个基元透镜，每一个的形状都像纵向的凸出的椭面的一部分，椭面的偏心率等于透镜介质折射率的倒数，而每一外界光吸收层32a则在椭面的焦点上形成。

图9与图10所示背投显示设备内，图像光能用单个投影透镜52沿一个方向投射出去。由于光源发出的光束强且窄，前述柱状透镜片32内含的散射媒质所散射的光有时会产生干涉。这是一种称为闪烁的现象，这种现象表现为投影在屏幕上的图像，局部亮得刺眼，因而大大降低图像质量。

为了减小闪烁，可以把散射光的光散射装置放在更靠近投影透镜52的地方，而不是更靠近柱状透镜片32，这一方案披露在，例如《日本未审查专利公告No.8-313865》等等上。这一光散射装置是在菲涅耳透镜片31内混入光散射媒质形成的，或者，把单独的光散射片放在菲涅耳透镜片前形成。

当图像源的光束越窄且越强时，闪烁现象越显著。因此，有必要根据影响光束的光学***51的设计因素，例如灯的输出，发光特性，透镜阵列和液晶板的大小，投影透镜f数的大小，屏幕单元30中屏幕尺寸等等，来定出表示光散射装置光散射特性的混浊度，例如，当屏幕单元30中屏幕尺寸增大时，混浊度要设定得低些，而当屏幕尺寸减小时，则要设定得高些。

如果光散射装置的混浊度定得比要求的低，由于闪烁现象，屏幕上会出现耀眼的强光。反之，当混浊度定得比要求的高，光不断地被散射，图像的峰值亮度被削弱。因此，根据光学***51的构造，把混浊度定在例如60％到80％的范围内。

混浊度是散射的透光度与全部光的透光度之比，按日本工业标准K7105第6.4节，要用积分球定向透光度测量仪测量。举例说，60％的混浊度意味着有60％的光被散射并从中心向外射出。

例如，柱状透镜片32使用了混浊度在60％到80％范围的光散射装置，柱状透镜片32的外界光吸收层32a的覆盖比是80％，那么被光散射装置散射的图像光被外界光吸收层32a阻挡，将要透过屏幕单元30的图像光的数量减小了。

就是说，混浊度已按照屏幕单元30的屏幕尺寸及光学***51的构造设定之后，如果不是根据此混浊度来选取最佳的覆盖比，所得到的图像便与原图像不同。

本发明就是要解决这类问题，其目的是提供一种减小闪烁现象和改善图像对比度的背投显示设备。

按照本发明的一个方面，是提供一种背投显示设备，它包括：用于形成并投射出图像的图像源；透光的屏幕单元，此屏幕单元有一菲涅耳透镜片，以收集图像源投射出的图像光，有一柱状透镜片，使菲涅耳透镜片收集的图像光入射并散射，且在柱状透镜片的出射侧有外界光吸收层；光散射装置，以散射入射到柱状透镜片上的图像光，其中光散射装置的混浊度设定在预定值，并根据混浊度所表示的散射特性来设定单位面积上外界光吸收层的覆盖比。

按照本发明的另一个方面，是提供一个屏幕单元，它包括：收集入射图像光的菲涅耳透镜片；使菲涅耳透镜片收集的图像光入射并散射的柱状透镜片，在柱状透镜片的出射侧还有外界光吸收层；用于散射入射到柱状透镜片上图像光的光散射装置，其中光散射装置的混浊度设定在预定值，并根据混浊度所表示的散射特性来设定单位面积上外界光吸收层的覆盖比。

按照本发明，单位面积上外界光吸收层的覆盖比可根据光散射装置的混浊度(光散射特性)来设定，光散射装置放在离图像比离屏幕单元的柱状透镜片更近的位置上。

于是，覆盖比可以根据入射到柱状透镜片的图像光发散角所允许的范围内达到最大。

图1是示意的透视图，它按照本发明的一个实施例画出屏幕单元的结构。

图2是示意图，画出图1屏幕单元的柱状透镜片中基元透镜的形状。

图3是曲线图，表明与混浊度相关的光散射特性的差别。

图4是说明用图，说明当菲涅耳透镜内不含光散射媒质时外界光吸收层的覆盖比。

图5是说明用图，说明当菲涅耳透镜内混合了混浊度80％的光散射媒质时，外界光吸收层的覆盖比。

图6是说明用图，说明当菲涅耳透镜内混合了混浊度60％的光散射媒质时，外界光吸收层的覆盖比。

图7是示意的透视图，画出通常的屏幕单元的结构。

图8是解释用的视图，表示使用三个CRT的背投显示设备。

图9是解释用的视图，表示含有液晶板光学***的背投显示设备。

图10是解释用的视图，表示图9所示的光学***。

下面参照附图对本发明的一个优选实施例加以说明。这个显示设备实施例把三块液晶板调制了的彩色图像光R，G，B合成，用单一投影透镜把合成光投射出去，这些都和图9及图10所述通常技术类同。

图1是示意的透视图，画出了本显示设备实施例所用透光屏幕单元的结构。请看图1，屏幕单元1包括例如菲涅耳透镜片2及柱状透镜片3。本实施例的菲涅耳透镜片2相应于图7所示前述菲涅耳透镜片31，且含有预定混浊度(例如约为60％至80％)的光散射媒质，混浊度是按照闪烁现象对图像的影响来确定的。

柱状透镜片3在光入射侧有基元透镜3a，在出射侧有基元透镜3b，它们都按预先确定的形状做成。柱状透镜片3还含有光散射媒质，以把菲涅耳透镜片2收集的图像光通过散射及透射形成图像。这样就可以控制入射图像光在水平方向和竖直方向的光散射特性，还可以通过入射侧多个基元透镜3a的透镜作用，使光会聚，基元透镜3a的形状例如是非球面的。入射侧基元透镜3a和出射侧基元透镜3b的形状将在后面详细描述。

此外，在出射表面除了光会聚部分，都覆有外界光吸收层4，吸收层4覆盖着出射表面预定的区域。这样可以减小显示设备之外的外界光影响，又不阻挡要投射到屏幕上的图像光，且改善图像的对比度。本发明中，单位面积外界光吸收层4的覆盖比，根据混入菲涅耳透镜片2内散射媒质的混浊度，定在例如约65％至75％。

在本实施例屏幕单元1的菲涅耳透镜片2内混入光散射媒质的同时，还可以例如在菲涅耳透镜片2前面单独放一光散射片6，如图1中的虚线所示。

下面，要说明本实施例所用柱状透镜片3中基元透镜3a和3b的形状。

图2是示意性用图，画出柱状透镜3中一个基元透镜3a和一个基元透镜3b的形状，以及透过基元透镜3a和3b的图像光的光路。

如前所述，基元透镜3a和3b的形状是非球面形的，可用下面的一般公式表示：

这里Z是弧高，H是到中心的距离，K是锥形常数，C是光轴上的曲率，A₂至A₅均为常数。

当以K₁表示入射侧基元透镜3a的锥形常数，C₁表示入射侧基元透镜3a在光轴上的曲率，K₂表示出射侧基元透镜3b的锥形常数，C₂表示出射侧基元透镜3b在光轴上的曲率，在入射侧基元透镜3a的半节距取为1时以T表示入射侧基元透镜3a与出射侧基元透镜3b之间的透镜到透镜距离，那么在上面式1中，本实施例所用透镜的形状为，K₁是-0.45，G是1.2，K₂是-1.2，C₂是-1.3，T是2.4，A₂至A₅全为零。

现在说明菲涅耳透镜片2的散射特性。

图3画出两种情形下的散射特性，一种情形是用混浊度为60％的光散射媒质(以虚线表示)，一种情形是用混浊度为80％的光散射媒质(以实线表示)。竖轴表示亮度，水平轴表示透射光的出射角(度)。在图3中，出射侧亮度的峰值(出射角在0°附近)规定为1。如前所述，混浊度要根据屏幕单元1中屏幕尺寸和光学***的设计来设定，在本实施例中，混浊度设定在60％至80％的范围内。

当混浊度是80％时，如图3实线所示，透射光的亮度小于峰值(1)的十分之一(0.1)时的出射角是±8°。当混浊度是60％时，如图3虚线所示，亮度小于峰值的十分之一(0.1)时的出射角是±3.6°。这表明，入射光出射时所经受散射的程度依赖于混浊度。如果亮度在十分之一(0.1)以下变化，这种变化不能被裸眼察觉。因此，亮度在低于这水平以下的变化，可以忽略。故在本实施例中，当参考亮度是十分之一时，它可能高于十分之一或低于十分之一。

据此可以认为，当光散射媒质的混浊度为80％时，入射到柱状透镜片3的光扩展到±8°的角度，而当光散射媒质的混浊度为60％时，扩展的角度是±3.6°。

因此，本发明成功地做到：根据混浊度来设定单位面积上外界光吸收层4的覆盖比(以后只称覆盖比)，从而有效地吸收外界光和传送图像光。

现在作为例子，对两种不同混浊度(80％与60％)下的外界光吸收层4的覆盖比加以说明。

首先，光未通过任何光散射装置入射到柱状透镜片3，光从竖直方向入射，在水平方向被散射的光路用图4来模拟。本例中，基元透镜3a与基元透镜3b之间的透镜到透镜距离T取2.4。

在没有使用光散射装置时，图像光以近于0°未经散射进入基元透镜3a，并沿图4所示光路从基元透镜3b出射。从制造的角度来看，柱状透镜片在成型时，每个外界光吸收层4的表面都从出射表面的顶部凸出出来，例如凸出约0.1mm。因而，即使覆盖比设定为80％，也能充分地透过图像光，且充分地阻挡外界光。

本发明中，图像光是经光散射装置散射后才入射到柱状透镜片3的，因为要考虑到闪烁现象及其他问题。在这种情况下设定混浊度，被散射的图像光将被外界光吸收层4吸收。就是说，如果固定覆盖比而不考虑不同的混浊度，图像光要被外界光吸收层4阻挡，图像质量下降，所得到的图像与原图像便不相同。

所以，外界光吸收层4的覆盖比要根据混浊度来设定，以便减小闪烁现象和获得良好的高对比度图像。

图5是个示意图，表明混浊度设定在80％时的覆盖比，图上只画出以8°入射角进入柱状透镜片3的图像光的光路。

混浊度设定在80％时，前面已经指出，以小于8°出射的光束(图像光)才被认为有视觉效果(其亮度在峰值亮度的十分之一以上)。因此，为了使以8°入射角入射到基元透镜3a的图像光，从基元透镜3b出射时不会被阻挡，外界光吸收层4的覆盖比要根据图5所示光路来设定。本实施例中，如果外界光吸收层4的覆盖比是65％，那么外界光吸收层4便不会阻挡以低于8°的角度出射的图像光，即被认为有效的图像光。

图6是个示意图，表明混浊度设定在60％时的覆盖比，图上只画出以3.6°入射角进入柱状透镜片3的图像光的光路。

混浊度设定在60％时，前面已经指出，以小于3.6°出射的光束(图像光)才被认为有视觉效果(其亮度在峰值亮度的十分之一以上)。因此，为了使以3.6°入射角入射到基元透镜3a的图像光，从基元透镜3b出射时不被阻挡，外界光吸收层4的覆盖比要根据图6所示光路来设定。本实施例中，如果外界光吸收层4的覆盖比是75％，那么外界光吸收层4便不会阻挡以低于3.6°的角度出射的图像光，即被认为有效的图像光。

根据图像光相对于柱状透镜片3的入射角，即根据光散射媒质的混浊度，来设定外界光吸收层4的覆盖比，这样的设定方法能使图像交光充分地透射，并获得优良的图像。

由于在图5和图6所示例子中，所设定的覆盖比低于图4所示例子，所以会因显示设备安放位置等因素，使外界光进入而降低对比度。但是由于减小了闪烁现象，图像质量仍能得到改善。

本实施例中，当忽略混入菲涅耳透镜片2的光散射媒质的光散射影响时，由于菲涅耳透镜片2的透镜作用。可以假定光是以垂直方向入射到柱状透镜片3上的。但图像光也可以以任意角度进入柱状透镜片3，这个角度与菲涅耳透镜的形状有关。在这种情况下，可根据入射角，使柱状透镜片3中基元透镜3a的光轴不与基元透镜3b的光轴对准。基元透镜光轴并不对准的这种柱状透镜片披露在，例如《日本已审查专利公告No.3-60104》之中。通过使入射侧基元透镜的光轴与出射侧基元透镜的光轴偏离，可以改善图像光的传输效率而不必更改覆盖比。

虽然本实施例的混浊度设定为60％和80％作为两个例子，但外界光吸收层4的覆盖比可根据任何混浊度值来设定，而混浊度又依据屏幕单元1的屏幕尺寸及光学***的设计来设定。

如上所述，按照本发明，单位面积外界光吸收层的覆盖比是根据光散射装置的混浊度来设定的，光散射装置放在离图像源比离构成屏幕单元的柱状透镜片更近的位置。因此，即使混浊度将依各种技术条件变化，诸如屏幕单元的屏幕尺寸及光学***的设计，仍能根据图像光的发散角，成功地获得最大的可允许的覆盖比。

由于可以用光散射装置减小闪烁现象，且可以最大地阻挡住外界光，因此可能减少诸如闪烁之类的问题，显示高对比度的明亮图像。

Claims

1.一种背投显示设备，包括：

一个图像源，用于作为图像光投影所要的图像；

一个透光的屏幕单元，其中包含：用于收集图像光的菲涅耳透镜装置；用于使所述菲涅耳透镜装置收集到的图像光入射并在出射侧有外界光吸收层的柱状透镜装置；用于使入射到所述柱状透镜装置的图像光产生散射的光散射装置，

其中，所述光散射装置的一种光散射特性由所要求的混浊度表示，所述柱状透镜装置的所述外界光吸收层，其单位面积的覆盖比要根据混浊度来设定。

2.按照权利要求1的背投显示设备，其中所述覆盖比要低于不设光散射装置的背投显示设备的柱状透镜装置内单位面积外界光吸收层的覆盖比。

3.按照权利要求1的背投显示设备，其中所述光散射装置是把光散射媒质混入所述菲涅耳透镜装置内形成的。

4.按照权利要求1的背投显示设备，其中所述光散射装置是一置于所述菲涅耳透镜装置前的光散射片。

5.按照权利要求1的背投显示设备，其中所述光散射装置的混浊度设定在60％到80％，并且单位面积所述外界光吸收层的覆盖比设定在65％到75％。

6.按照权利要求1的背投显示设备，其中所述图像源包括一个单一的投影透镜。

7.一种屏幕单元，包括：

用于收集入射图像光的菲涅耳透镜装置；

柱状透镜装置，用于使所述菲涅耳透镜片收集的图像光入射于其上，并在其出射侧有外界光吸收层；以及

光散射装置，用于散射入射到所述柱状透镜装置上的图像光，

其中，所述光散射装置有以所要求的混浊度表示的一种散射特性，并且根据此混浊度来设定所述柱状透镜装置中的所述外界光吸收层单位面积的覆盖比。

8.按照权利要求7的屏幕单元，其中所述覆盖比要低于不设光散射装置的背投显示设备中的柱状透镜装置内单位面积外界光吸收层的覆盖比。

9.按照权利要求7的屏幕单元，其中所述光散射装置是把光散射媒质混入所述菲涅耳透镜装置内形成的。

10.按照权利要求7的屏幕单元，其中所述光散射装置是一置于所述菲涅耳透镜装置前的光散射片。

11.按照权利要求7的屏幕单元，其中所述光散射装置的混浊度设定在60％到80％，并且单位面积所述外界光吸收层的覆盖比设定在65％到75％。