电视投影屏 本发明涉及显示设备的投影屏。
背投电视例如包括在其中形成图像的投影型阴极射线管(CRT)。所形成的图像经投影透镜投射到背投屏幕。背投屏幕具有表面，在表面上显示用于观看的最终图像。背投屏幕将来自投影透镜的光线扩张锥重定向成将预定观众位置包括在内的有限的方向范围内，从而得到图像亮度增益。背投屏幕也会减少降低显示图像对比度的环境光的反射。
背投屏幕通常包括用于引导光线的菲涅耳透镜状元件和用于产生光线角扩散的独立地双凸透镜状元件。菲涅耳屏幕元件起单个大视野透镜的作用，它聚集来自投影仪的光线并重定向光线，以使光线近似平行地到达透镜状屏幕元件。因此，菲涅耳透镜的焦距由所需的平行光和到投影仪的光程来确定。菲涅耳屏幕元件由一片透明的光学材料形成，与单独透镜状屏幕元件的投影仪侧接触放置。
可以利用光线被菲涅耳透镜状元件重定向后传播的主要方法对投影屏幕进行分类。三种类别分别是漫射、折射及反射/折射。漫射结构由小曲面特性随机图案(pattern)和/或散布在传播光线的双凸透镜体上的光线散射粒子组成。折射结构由谨慎规定的类似曲面特性的小透镜组成，和/或以定义好节距的一个或两个尺寸进行复制。这种透镜排列引入了投影图像的定期空间采样，不利的是后者会形成与菲涅耳透镜结构的投影像素的莫尔拍频(beat)。
背投显示器的典型透镜屏幕部件有形成在观察器表面上的透镜状元件。相同的透镜状元件覆盖整个透镜状屏幕部件并按恒定位移水平重复。透镜状元件的高度仅在跨越屏幕水平方向上变化；沿经过任何给定水平位置的垂直方向上没有变化。给定的透镜体或透镜状元件线性跨越透镜状屏幕部件的整个高度，从尖端边缘到底边缘没有变化。给定的透镜状元件有一对反射侧面和介于侧面之间的透镜部分。透镜状元件通过反射和折射组合来改变光线的方向。反射主要发生在进行反射的透镜状元件的侧面上。折射发生在光线朝观众射出的透镜部分上。
采用创造性特征的投影屏的双凸透镜部件包括透镜状元件。每个透镜状元件沿垂直或高度方向延伸并高水平或宽度方向重复从而形成平面，该平面确定垂直于平面的第一轴。给定的透镜状元件包括一对反射侧面部分和插在两个侧面部分之间的折射尖端部分。一对侧面部分的其中之一在一个侧面部分和相邻透镜状元件的侧面部分之间的连接处形成倾斜区，倾斜区相对于第一轴的角度介于5和15度范围内。一个侧面部分至少在包括连接处的一个侧面部分的区域内覆盖有反射涂层。该对反射侧面部分将从投影仪入射的光线朝折射尖端部分反射，将反射光线通过面对观众的折射尖端部分的表面进行折射。每个折射光线被折射尖端部分的凸面折射。
环境光的陷阱结构设在透镜状元件之间。散射结构设在投影仪侧面上(和/或体内部)。
一种体现创造性特征的投影屏幕的双凸透镜包括多个透镜状元件。每个透镜状元件沿第一方向延伸并沿第二方向重复以形成平面，该平面确定垂直于平面的第一轴。给定的透镜状元件包括折射尖端部分及一对反射侧面部分。侧面部分在其一对端部边缘之间分别具有插入的折射尖端部分。一对侧面部分中至少有一个具有与相邻透镜状元件的侧面部分一样的连接边和包括公用连接边缘的倾斜区。倾斜区相对于第一轴形成小于15度的角。一个侧面部分至少在包括公用连接边缘的倾斜区上覆盖有反射涂层。该对反射侧面部分将从投影仪射入的光线朝反射尖端部分方向进行反射，用于通过面对观众的反射尖端部分的表面折射反射光。来自尖端部分的每个折射光线都被凸面折射。
图1所示为体现创造性特征的背投屏幕，其包括菲涅耳屏幕部件及透镜状屏幕部件；
图2a以简化方式示出了图1的透镜状屏幕部件的透镜状元件内的光路；
图2b和2c以简化方式示出了图2a中的透镜状元件及相邻的透镜状元件的结构和操作；及
图3a和3b以简化方式示出了图1中的透镜状屏幕部件的透镜状元件的第二实施例的结构和操作。
图1所示为背投屏幕200，它包括传统菲涅耳屏幕部件98，菲涅耳屏幕部件98具有面向例如包括CRT(未示出)的投影仪的侧面98a。体现创造性特征的透镜屏幕部件99具有底面101，底面101可以是相对扁平地面对菲涅耳屏幕部件98的侧面98。透镜屏幕部件99的相对表面101’面对观众。轴Z既与表面101垂直或正交，又与相对表面101’的平均面垂直或正交。透镜状屏幕部件99可用聚合材料形成。所投射的图像光线经图1的菲涅耳透镜部件98近似垂直入射到透镜状屏幕部件99的表面101。
图2a以简化方式示出了体现创造性特征的图1中的透镜状屏幕部件99的lenslet或透镜状元件100内的光路。图2b和2c以简化方式示出了图2a中的透镜状元件100和相邻透镜状元件100″的结构和操作。在图1、2a、2b和2c中的相同的符号和数字表示相同的对象或功能。
每个透镜状元件，例如图2b中的透镜状元件100沿垂直或高度方向V延伸并沿图1的水平或宽度方向H以图2b或3b中的恒定位移W1重复。恒定位移W1称为图1中的透镜状屏幕部件99的节距。为便于对比，同样定义的菲涅耳屏幕部件98的节距最好小于透镜屏状幕部件99的节距的75％。
例如，图2b中的透镜状元件100包括一对反射侧面104和105。在侧面104和相邻透镜状元件100″的侧面105a之间形成角Φ。具有连续曲线外凸形状的透镜尖端部分103，分别在末端边缘142和末端边缘141之间的透镜轮廓的尖端上插入到反射侧面104和105之间。尖端部分103具有宽度W2。相邻透镜状元件100″的侧面105a的末端边缘141a和透镜状元件100的末端边缘142之间的距离值等于差W1-W2。
在图2a中，来自未示出的投影仪的入射光的第一部分(用线束B表示)，大体上直接部分是间接反射地将尖端部分103截取。线束B的光线一旦射出透镜状屏幕部件99即被折射，并水平传播至关于垂直轴Z对称的相应的角光线扇面B’。角光线扇面B’的角度范围由与尖端部分103的表面的特定曲率有关的表面坡度范围确定。角β提供角度测量，在所述角度处，折射光角密度在光线扇面B’的中心降至近似1/2密度。
由线束A表示的入射光的第二部分被透镜状屏幕部件99的反射左侧面104反射。这些光线水平偏离角Φ,Φ是在反射点上侧面104和相邻透镜状元件100″的侧面105a之间的夹角。当偏离光线到达反射侧面104和反射侧面105之间的尖端部分103时，部分光线射出透镜状元件100，部分光线在透镜区内被全内反射阻止射出(未示出)。那些射出的光线形成光线扇面A’，以相对于垂直轴Z的顺时针角+Φ聚集在轴周围(未示出)。在扇面A’内的光线密度一般在量级与扇面B’中的角度β相当的角度范围内从最大值变为最大值的一半。
用于反射图2a的线束A的图2b的反射涂层120放置在图2b中侧面104的边缘140和边缘142之间。反射涂层120最好应用薄的保形涂层。涂层120可以是反射金属，例如银、铝或铬。或者，所需的反射可以通过全内反射实现。由于透镜状元件100的侧面104和105的陡度，如果透镜状元件100的侧面104和105涂上至少一个光波长厚度的低折射率材料，则发生全内反射。
低折射率涂层120的折射率nc最好满足条件nc＜nsin(θ)，其中n为透镜状元件100的折射率。例如，θ是侧面104相对于透镜状屏幕部件99的平面101的一个角度减去散射结构150的特征发散角，下文继续参考。θ的值接近90-Φ/2。
入射光的第三部分(未示出)以相同的方式在其底面101上进入元件100并到达透镜状元件100的侧面105。在入射光的第三部分(未示出)中，距透镜状元件100的垂直轴Z右侧给定距离的光线是与距垂直轴Z左侧同样距离的线束A中光线的镜像。因此，光线的第三扇面(未示出)以左向角位移Φ射出透镜状元件100。在光线第三扇面中的光线(未示出)在位置和角度上均形成光线扇面A’中的那些光线的镜像。
例如，图2b中的透镜状元件100的成角的或倾斜的侧面104和105从连接边缘140延伸出高H1，其中侧面104和105a相连。成角的侧面104和105被具有宽度W2的连续弯曲的尖端部分103覆盖。透镜状元件100的侧面104和105既可以是直线的也可以是弯曲的。
光线110的光路在图2a中的底面101的左边缘140以平行于图2c的屏幕垂直轴Z的方向入射。边缘光线110相对于屏幕垂直轴Z以等于Φ的角度从透镜状元件100倾斜侧面104反射，其中Φ为相邻侧面104和105之间的夹角。反射的边缘光线110a最好在弯曲尖端部分103的极右手边缘141到达位于图2c中的虚水平线上方的尖端部分103。该几何关系可由以下算式表达：
H1=(W1+W2)/2tan(Φ) (1-1)
当满足等式(1-1)所表示的第一条件时，在图2a的透镜组件底面101上平行于屏幕垂直轴Z且指向倾斜左侧面104的所有光线都利于被反射。有利的是，这些被反射的光线会到达沿弯曲尖端部分103的宽度方向的所有位置。平行于屏幕垂直轴Z的入射光代表已经通过图1中的菲涅耳透镜部件98和透镜状屏幕99的漫射结构150的光线的平均方向。
在实现创造性特征时，例如侧面部分104具有与相邻透镜状元件100″的侧面部分105a一样的连接边缘140，且至少在包括公用连接边缘140以形成角130的区域上是倾斜的。角130处于5和15度的范围内。角130的范围等于确定斜度的角范围Φ的一半。包括连接边缘140的区域覆盖反射涂层120的相应部分。有利的是，图2c的边缘光线110会到达尖端部分103。另一方面，在光线110左面一点的未示出的光线会被反射到达相邻透镜状元件的相应尖端部分103，图2c中未示出。由此，可以得到有效的反射涂层120。
在边缘140和142之间所有点上的反射侧面104的斜度最好介于角范围130之内，角范围130介于大约5度和15度之间。例如，如果确定侧面104的斜度(在任一点上)的角范围130太大，则来自投影仪的过多的光线会经多次反射，不利之处是无法避免经过透镜部分103。另一方面，如果角范围130太小，则难于制作这个结构。这是因为塑模工艺需要后角以使塑料可以从模子中取出来。
图2b的侧面104或105的高度H1加上凸透镜部分103的高度H2一起确定透镜状元件100的总高度。透镜100的宽高比由透镜状元件100的总高度和节距之间的比率确定。
侧面104或105的长度最好选择为足够反射光横跨透镜部分103的总宽度，但不会大到足量光线从相对侧进行第二次反射。该条件与前述角范围130介于大约5度和15度之间的必要条件一样，均需要介于大约1.5至3.0范围内的更大的宽高比。
屏幕垂直轴Z和弯曲尖端部分103表面的每个垂直轴(例如垂直轴155)之间的角处于角±α范围内。从屏幕垂直轴Z沿顺时针测量正角α。尖端部分103的曲率半径不需要为常数。
最佳几何图形的第二个条件涉及图2b的透镜尖端部分103的边缘141上角α的大小。横跨凸面尖端部分103的角范围±α设得比大约30度还要大，也就是说，有利的是，范围大到足以在水平方向上提供充分的光扩散。
被从侧面104的边缘140反射的图2c的反射边缘光线110a，在透镜部分103的边缘141上被截断。为使被反射的边缘光线110a最锐利地被折射到弯曲尖端部分103的左侧，介于光线110a和相应的法线155之间的相对角|Φ-α|最好尽可能地接近透镜媒质的临界角。这可以用算式表示为：
α=Φ+sin-1(1/n),(1-2)
其中n为透镜媒质的折射率。满足上述第一和第二条件的透镜状元件100通常会以最大范围的角传播入射光。
方程式1-1的结果是对于H1/W1的比值要大于3/2的情况而言，尖端宽度W2大约为整个透镜宽度W1的三分之一。这意味着大约三分之一的入射光通量在行进至弯曲尖端部分103前从左侧面104被反射，三分之一没有被反射直接到达尖端部分103，其余三分之一从右侧面105被反射。因此形成的出射光的三个扇面具有近似相同的光通量水平。从左侧面104反射的图2a的光线扇面A’以向右角偏移从透镜部分103射出。从左侧面105反射的光线扇面(未示出)具有向左角偏移。未被反射的光线扇面B’关于屏幕垂直轴Z对称地重新分布。总的来说，三个光线扇面提供随着离屏幕垂直轴Z的水平角的增加而单调减少的连续亮度分布。
为实现创造性特征，至少在包括底边缘140的边界或连接区，施加图2b的涂层120，底边缘140处于透镜状元件100的侧面104及透镜状元件100″的侧面105a之间。因此，有利的是，图2c的光线110提供来自透镜部分103的折射光。然而，我们希望将涂层120应用到除尖端部分103外的透镜状元件100表面的所有部分，尖端部分103不用于光线的折射传播。
尖端部分103的折射作用由透镜状元件100的侧面104和105之间凸面来实现。因此，每个从侧面104和105反射的光线在尖端部分103的凸面被截断。尖端部分103的凸面的折射作用使光强在任何视角上变得比尖端部分103表面的任意部分都不凸要更均匀。
位于区121上的光陷阱结构最好形成在透镜状元件100侧面104和105的涂层120的顶部上，在面对观众的表面101’上。光陷阱结构121用吸光材料制成，吸光材料保形地涂在透镜状元件100的侧面104和105上反射涂层的观众侧。因为反射涂层120的存在，该吸收材料的吸收率和折射率对经过透镜状元件100的投射光的传播均不产生影响。
由于使用上述最佳侧角130产生深的、凹的材料可以涂在其上的向上表面，因此吸收效率会显著提高。从观众侧到达光陷阱的环境光通常会经历几个局部反射，在返回到观看空间前，每次反射时强度都会明显减弱。因此，在区域121处的光陷阱结构有效地吸收环境先。
由于光陷阱占据的观众侧表面区域的百分比很高，通常为40％至60％，这也会提高吸收效率。相比较，使用黑色矩阵条纹(矩阵涂层近似刨床[planer]，部分有吸收涂层)的屏幕将环境光在仅仅一次反射后反射回观众。因此，在区域121内光陷阱结构上的涂层的黑色不如具有黑色矩阵涂层的传统屏幕那样关键。这是因为存在多个表面碰撞。有利的是，在区域121上的光陷阱结构也会比传统屏幕更有效地减少反射到观众的环境光，传统屏幕是在塑料上使用染色的吸收材料。
为实现本发明的另一个创造性特征，散射结构150为通过透镜状屏幕部件99的光线引入控制角分布。散射结构150的最佳位置是放在面对投影仪(未示出)的表面101上。表面101上的散射结构150包括随机的或具有一定图案的细纹调制。或者，微小的散射结构150可以合并到透镜状部件99整体上，或者可以将表面效应和体效应组合起来。
在射出面101’上没有透镜100的情况下，散射结构150最好应该能够扩散来自投影仪(未示出)的以与屏幕轴Z成近似8至12度角垂直于屏幕到达的光。所扩散的光强分布通常关于轴Z呈圆对称，在全部方位角上具有相同亮度，且至少在垂直方向上扩散光线。
散射结构150提供三种不同的功能。首先，它在垂直方向V上提供所投影的光线远离屏幕轴Z的充分角扩散，以使所示图像不会局部出现“热点”。第二，散射结构150通过分散从环境光的投影仪侧的面101的内反射来改善对比度，环境光进入透镜状屏幕部件99的观察面101’。第三，散射结构150抑制由周期透镜状元件(例如透镜状元件100，在透镜状屏幕部件99的观察面101’上)确定的入射光模式的周期采样产生的莫尔假象。
所有入射光在射出透镜状元件100前均通过散射结构150。散射的一种结果是在平行的入射光在图1中的H方向上水平偏转，分布密度在由±δ确定的角偏转内降至约一半。
来自散射结构150的相对小的水平偏转通常会对进一步产生在透镜状元件100的光路上的水平偏转的分布产生微不足道的变化。不在从投影仪到透镜状屏幕部件的第一通道上的杂散光通常会以大于±δ的角进入透镜状元件100，并超过由尖端部分103最后截取的接受角。杂散光在透镜状元件100的侧面104或105上经多次反射后最终被吸收，或反射回透镜状元件100的底面101上。
为实现创造性特征，透镜状屏幕部件99具有侧角130、尖端部分103的折射强度及散射结构150的散射强度的平衡，使得下列三个条件同时满足：2β≈Φ；3β=所需水平观察角；δ=所需垂直观察角。此外，透镜状屏幕部件99的厚度选择成散射结构150分散的光线抑制由于透镜状屏幕部件99和菲涅耳屏幕部件98采样形成的光线的莫尔拍频波形图。透镜状屏幕部件99的可用厚度范围为恒定位移的近似5至10倍，恒定位移具有例如在相邻透镜状元件100和100’之间的值W1，被称为透镜状屏幕部件99的节距。而且，透镜状屏幕部件99的节距要选择小于投影系统所需分辨率的近一半。
有利的是，透镜状屏幕部件99提供水平方向H上的宽阔的观察空间(例如大于±45度)，且垂直方向V上的狭窄观察空间(例如±8至±12度)。而且，最后得到的图像无莫尔假象。
图3a和3b以简化方式示出了与图2a和2b中的透镜状元件100相类似的透镜状元件111的第二实施例的结构和操作。在图3b中，也示出了与图2b中的透镜状元件100″相类似的相邻透镜状元件111″。在图1,2a,2b,2c,3a和3b中的相同的符号和数字表示相同的对象或功能。
在图3b中，双透镜尖端部分103具有弯曲的尖端表面，它由一对横向放置且关于lenslets的中心轴Z’对称的部分103a和103b形成。与图2b中的排列相同，透镜状元件111底的宽度为W1，同时整个弯曲尖端部分占据宽度W2。在相邻透镜状元件111和111″的相对侧面104’和105’之间测量夹角Φ。
假定在图3a中的实施例采用由方程式1-1和1-2定义的相同的几何限定，且形成的部分103a和103b是图3a和3b中的尖端部分103的一半尺寸的复制品。因此，由于在图3b的尖端部分103上所遇到的表面法线的角分布是相同的，所以出射光方向上的分布应与图2a和2b的排列相同。
然而，我们希望在图3a上具有反射的边缘光线111a，反射边光线111a在透镜状元件111的垂直轴Z’上的中心点156上到达尖端部分103’。从该条件得出下列表达式：
H1=W1/2tan(Φ) (2-1)
在图3a的排列中，平行于屏幕垂直轴Z’并从透镜状元件111的侧面104’或105’反射的诸如光线111b的入射光仅会跨越部分103a和103b中相应一个的全宽度。因此，反射光111a仅跨越部分103a的全宽度。在图3b的透镜部分103’中的表面法线155’的最大角α以前面方程式1-2中所表达的相同方式涉及介于倾斜侧面104’和105’之间的角Φ。
所介绍的图3a的双叶状尖端部分103’有三个有利的结果：
1．在希望与图2a的光线扇面B相类似，光线中间扇面(例如光线扇面，未示出)中较大部分出射通量的情况下，图3a和3b的排列提供了设计上的灵活性。
2．对于介于图3a和3b的相邻侧面104’和105’之间角Φ的给定值，比率H1/W1与图2a和2b中的排列相比略微减少。同样地，对于给定的比率H1/W1，介于图3a和3b的相邻侧面104’和105’之间角Φ也会减小。在图3a和3b排列中，最后得到的比W2/W1比图2a-2c排列中得到的值1/3更接近于值1/2。
3．对于位于图1中的透镜状屏幕部件99中心上的屏幕法线Z’附近的观察位置来说，光线分布由没有从图3a和3b中的倾斜侧面104’和105’反射的光线控制，每个透镜状元件，例如透镜状元件111，均以W2/2横向间距形成一对间距小的投影图像样本。这种由透镜状元件111形成的双样本的有利之处在于取消了任何来自于间距W2的同线定期模式的莫尔拍频(beat)。图3a和3b的这种排列可设计出透镜和菲涅耳节距比为2∶1的背投屏幕系统。