CN1009133B - 背面投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种背面投影系统，该系统的投影屏(20)对信号光和环境光具有最大的透射能力，因而可以获得高的亮度和对比度。这是通过把投影屏的表面制成具有尽可能大的减反射性能来达到的。由外壳(30)内部的黑色层(45)吸收通过屏幕的环境光而进一步确保其具有良好的对比度，还可进一步采取步骤来防止入射到镜子(41)的环境光再从镜子反射回屏幕(20)。

Description

本发明涉及背面投影系统，该系统包括：至少装有一个图象源的外壳，与图象源数目对应的投影透镜系统，以及一个背面投影屏。

在背面投影系统中，投影透镜系统把由图象源产生的一次图象投影于称之为投影屏背面的第一侧上，这种图象能被位于投影屏第二侧（或前面）的观众看到。

对于再现黑白图象来说，背面投影系统包括一个阴极射线管形式的图象源，或为了再现彩色图象，有三个这样的图象源，采用了比一般显象管可达到的尺寸大得多的图象尺寸来显示视频节目。投影系统也可以用来显示其他信息，例如诸如有关向展览会等的参观者报导的涉及谈话的可见信息。用于投影系统的图象源也可以包括一个光源和安装于所述光源前面的透明的幻灯片或胶片。另一方面，图象源也可包括光源和一个用电子学方法可控的平板显示器件，该器件包括一个根据电信号，反射或吸收光，或者传输或吸收光的象元矩阵，这样一种平板显示器件例如可以用来显示视频图象。

上述背面投影装置是供诸如房间，展览会或礼堂这样的照明环境使用的。为了确保投影图象有足够的亮度和对比度，应该尽可能多的把由图象源产生的涉及信号的光由屏幕发送出来，反之，由屏幕和投影系统其它元件反射给观众的外界光应减至最少。

直到目前，就已知的背面投影系统而言，人们都通过从屏幕表面部 分集中发射信号光，而使其它表面部分成为光吸收体，以试图实现这种系统。这种投影屏的一个例子是美国专利说明书3，832，032中描述的系统。在该系统中，投影屏的后表面装有大量垂直延伸的园柱形透镜，这些透镜把图象源产生的光集中在屏幕前面的垂直带上。这些带之间的窄长条上涂有光吸收层。采取这种步骤的结果使观众可以看到从屏幕射出的信号光和从屏幕反射的环境光之间的比例显著地增加了。

但是，通过光吸收条之间的光传输带而进入屏幕的环境光（例如）可以作为来自园柱形透镜内部的总的内部反射而再次射出来。当光吸收材料复盖了表面积的50%时，其结果仍将有10%的环境光被反射出来。当光吸收材料位于屏幕的前部时，这种材料就会暴露于外部的机械和化学影响下。

本发明的目的是提供一种新的和改进型背面投影系统，在这种系统中，屏幕射出的信号光与反射的环境光之间可获得令人满意的比例。根据本发明的背面投影系统，特征在于所述背面投影屏的背面具有减反射的表面，所述外壳的内表面至少部分地敷设了一层光吸收层以防止透过所述投影屏的环境光被反射而返回到所述投影屏上。

本发明是基于对这样一种事实的认识：允许入射到投影屏上的环境光通过该屏，以便在投影系统外壳内部吸收，从而防止环境光反射到视野中。因此可以省略在屏幕前部提供吸收区域的步骤，从而消除该步骤固有的诸如降低信号光的透射和屏幕的易损性这类缺点。

根据本发明第一个实施例的投影系统，该系统包括一个单层的投影屏，其特点是该层的背面具有减反射的表面。

根据本发明第二个实施例的投影系统，其投影屏包括一个载有光散射元件的第一层和在前部具有菲涅尔透镜（Fresnel-lens）结构的第二层，进一步的特点在于第一层的背面以及第二层的前部和背面具有减反射表面。

减反射表面保证了环境光和信号光两者的最大限度的透射。减反射表面可以用已知的方法在表面上涂复包括折射率和厚度经适当选择的多层薄层来获得。

一个适当的实施例的特征在于减反射表面是在机械糙化的表面上涂复一层跟随粗糙表面形状的固定厚度的薄层。正如在已经公布的欧洲专利申请0，131，341（PHN    10，737）中所述的那样，这种表面在较宽的波长范围中具有非常好的减反射性能。

一个最佳实施例的特征还在于投影屏的减反射表面带有不同高度的微型凹凸结构，其尖峰之间的距离和高度差大约为200至800毫微米。

这种结构提供了从周围介质（例如空气）到该投影屏材料折射率的梯度变化。这种结构的减反射性能与传统的减反射层相比更与入射光的波长和入射方向无关。

另一个实施例的特征在于投影屏的减反射表面是通过离子注入和蚀刻法糙化了的表面。这种表面类似上述微型凹凸表面，具有梯度折射率，并呈现出同样良好的性能。

上面的微型凹凸结构是适于用复制工艺来加工形成的，这种工艺利用一个其表面外形与要形成的微型凹凸结构表面外形相反的模子。该模子充满某种材料，在充分软化的状态下，把相应的表面压到所述的材料上。接着，该材料被固化，当从模子中取出带有固化层的表面时，在其上面已经形成有微型凹凸结构了。如果待加工凹凸结构的表面上还配置诸如光散射元件的结构等（例如，园柱形透镜或菲涅尔透镜结构）某种其它结构的话，那么微型凹凸结构和其它结构可以在一次复制工序中同时完成。

现已发现，如果采用一种紫外线可固化的材料，从一个模子中可以非常精确地再现微型凹凸结构。

一个减反射表面的微型凹凸结构最好是由一层紫外线可固化材料加 工而成。

在供投影系统用的投影透镜系统的一个或一个以上透镜表面上形成这种微型凹凸结构，以便对信号光和（根据具体情况）对任何仍能到达该表面的环境光产生相应的表面减反射也是有利的。在一般情况下，如果相应的透镜表面是非球面的，那这种表面最好通过复制工艺来形成，以便使透镜的表面形状和微型凹凸结构在一次复制工序中同时完成。

可能应用这种方法的一个投影系统，特征在于投影透镜系统的至少一个表面被配置有微型凹凸结构，这些凹凸结构的尖峰之间的高度差和距离大约为200至800毫微米。

根据本发明的背面投影系统进一步的特点在于，不在信号光辐射通道上的以及能反射已通过屏幕的环境光的所有系统部件均用载有无光黑色纤维材料制成的光吸收体。

这种材料使用方便，并由于这样形成的不规则表面而具有高度的光吸收能力。

实际上，为了弯折从图象源到投影屏的光路并减小机壳的尺寸，背面投影系统包括了一个或多个镜子。屏幕是一种用于把信号光散射到视野的光学部件。反过来，这也意味着屏幕也要散射部分从外部向着折光镜而入射到屏幕上的环境光。为了使投影图象保持高的对比度，必须注意从投影屏到达折光镜的光不能由镜子直接反射回屏幕。

为此目的，在本发明的一个至少包括一面镜子的背面投影系统的实施例中，其特征在于每面镜子是用这样的方法安装的：由屏幕向镜子散射的环境光通过镜子沿着不朝向屏幕的方向反射。

由于环境光是从上面或水平地入射的，而且由屏幕散射的光在垂直方向上受到限制，所以所述镜子的配置通常并不意味着该反射表面的法线应不和屏幕相交。

根据本发明另一个实施例的背面投影系统的特征在于一块包含光吸收 材料的挡块被安置在背面投影屏的前层的前表面和第一折光镜之间。当机壳内部的信号以一个非常有限的立体角（该角度与环境光的散射和反射角度不同）投射到屏幕上时，无光材料几乎能够吸收外壳内部的所有环境光而不会吸收很多信号光。

根据本发明的最佳实施例，该背面投影系统的特征在于：所述挡板包括一种沉积于菲涅尔透镜垂直边上的光吸收材料。这样做的优点是该挡板只吸收入射到菲涅尔透镜垂直方向上的信号光。因此，不会降低亮度。而且，也不必在外壳内为所述挡板提供独立的支撑结构。

现在将通过例子，参照附图对本发明的实施例作更详细的说明，这些附图是：

图1简略地示出了根据本发明一个实施例的背面投影系统;

图2a和2b示出了用于根据本发明投影系统的两个投影屏，和

图3a，3b，3c和3d示出了进一步抑制环境光的步骤。

在图1中，一幅图片或风景被显示在阴极射线管11的屏幕12上。该图象源发射出的光通过由单片透镜表示的投影透镜系统13经由镜子41投射在背面投影屏20的背面。也可采用多个带有相同数目投影透镜系统的阴极射线管来代替再现黑白图象的单个阴极射线管11而再现彩色图片或风景。另一方面，图象源可以包括一个光源和置于光源和透镜系统之间的（例如）透明的幻灯片或胶片。图象源也可以包括一个含有一个象元矩阵的平板显示器件和一个光源，这些象元根据电信号反射或吸收光，或者传输或吸收光。

图象源和投影屏20都装于外壳30中，该外壳没有另外的能穿过进入光的开口。图象源被安装在外壳30的独立隔舱14中。

在外壳中装有镜子41，以使图象源到屏幕的光路长度能大于外壳的直线尺寸。该镜子是用支架43来安装的。使用多个折光镜可使外壳尺寸进一步减小。

根据本发明的外壳的内表面，其粘贴物和镜子支架均被制成具有高度吸光性，这可以采用（例如）贴上市场上买得到的载有无光黑色材料的纤维吸收层45来达到，这种材料几乎能吸收所有的入射光和在各个方向上散射少量的残余光。而且，使投影屏能最大限度地透射环境光。

图2a和2b示出了两种投影屏20的例子。图2a示出了只包括一层的投影屏。其前部21带有光散射元件（从本质上来说这是已知的）。该层的背面22具有菲涅尔透镜结构。这种菲涅尔透镜结构把来自图象源的发散的光束校正成为向前方向的平行光束。其背面制成减反射型的，例如，在菲涅尔透镜的表面上加工有尖峰间距离和高度差大约为200至800毫微米的微型凹凸结构。关于这种微型凹凸结构也称为“moth′s    eye”结构的更详细介绍，可参考“opticaActa”1982年29卷7期第993-1009页。

这种结构可以用（例如）复制工艺与前述的菲涅尔透镜结构同时形成。为此目的，在一个其表面外形具有与所要求的菲涅尔透镜和微型凹凸结构相反形状的模子内加入原料，关在充分软化下把该薄片的背面压到这种原料上。接着，使原料固化，并从模子中取出带有菲涅尔透镜结构和微型凹凸结构固化层叠层。最好用紫外线可固化的原料制成。现已发现，采用这种原料能非常精确地复制出微型凹凸结构。

图2b示出了一个包括两层的背面投影屏。在前层23的前表面24上附有光散射元件。其背面25是平的且是减反射的。在后一层26的前表面27上带有菲涅尔透镜结构，其背面28是平面。前面27和背面28两面均制成减反射的，例如用上述方法形成的微型凹凸结构。另一种制造各种减反射表面的可能方法是蒸发沉积一层薄的氟化镁MgF。当在首先经粗化了的表面上敷上一层精确跟随这种不规则性的固定厚度的MgF层时，能获得极好的效果。

图2a和2b所示的光散射元件的形状只是作为一种例子。人们可以对文献中叙述的大量的可能做法，尤其对用于不同彩色的不同图象源的彩 色再现和在投影屏上的亮度分布的水平和垂直方向上的光分布的标准作出选择。

图3a，3b，3c和3d示出了进一步抑制环境光的步骤。图3a概略地示出了在背面投影屏120的后面装有一面镜子140。如箭头150所指出的环境光入射到屏幕120的前部，并通过屏幕上的光散射元件在投影系统内散射。这样散射的一部分环境光（由箭头151指出）入射到镜子上，并被直接反射到屏幕上。这些由标号152表示的光，从屏幕前部射出，在一些特定的角度上，会导致图象质量的显著下降。

在图3b中，镜子140离屏幕120更远些，以使由镜子反射的环境光不能到达屏幕而被外壳壁吸收。这样，就不会因反射环境光而降低图象质量。

要注意的是，由镜子反射到屏幕的环境光对图象质量的影响，很大程度上取决于环境光入射到屏幕的方向以及屏幕对不是由图象源产生的光的散射作用。由于环境光通常是由位于投影系统相同高度或更高些的光源产生的，而且投影屏的光散射作用在垂直方向上是受到限制的，因此实际上并不需要让这些光在外壳内部散射，也不必使光线对水平方向向上成大于30°的角度。在图3b中，这个角度用θ表示。

如果外壳内装有多面镜子，显而易见，上面的情况也适用于独立的各面镜子。此外，必须注意使通过屏幕进入的环境光不再通过装有多面镜子的光通道返回到屏幕上。这可以（例如）采用弯折光通道，使其成Z字形来确保。

吸收恼人的环境光的另一种方法示于图3c。和上面各图相同，信号光束通过折光镜140投射到背面投影屏120。在屏幕和镜子之间的一系列水平的光吸收细长元件（条板）145被一个又一个地叠起，形成挡板146。还是由箭头151表示的外壳内散射的环境光被挡板的上边和下边部分地吸收。入射到镜子上并因之向屏幕反射的剩余光（由箭头153所 示的那样）在所给出的方向上由挡板146吸收。

显然，为使吸收的信号光最少，挡板要尽可能地小。而且，必须注意不要把该结构件安排在从图象源到镜子的光通道上。

图3d示出了一个适用的挡板结构。为了清楚起见，屏幕120的元件相对于系统的其它元件的比例被大大地放大了。屏幕有一个带有光散射元件的前表面121。背面122有一个菲涅尔透镜结构，该结构的垂直边上带有光吸收层129。这些光吸收层同时构成挡板。这种结构有两个优点，首先，没有附加的信号光被吸收，即使由菲涅尔结构在不正确方向上折射的信号光也不会被吸收。其次，不需要独立的装置来支撑挡板。显然，把菲涅尔透镜结构的垂直边制成光吸收层并不限于用于图3d所示的投影屏，而且也可以用在任何其它使用菲涅尔透镜结构的投影屏上。

Claims (11)

1、一种背面投影系统，它包括：

开有一个开口的外壳；

连接到所述外壳和具有一个背面和一个前表面的背面投影屏，用以将投射在所述背面的光传递到所述前表面，而所述光通过所述开口，其中所述投影屏包括用于使所述光散射的装置并将其配置成：使投射在所述前表面的至少一部分环境光被传输到所述外壳内，及

在所述外壳内的至少一个图象源和至少一个投影装置，所述投影装置被设置成：将来自所述图象源的光投射到所述背面，所述系统的特征在于：

所述背面投影屏的背面具有减反射的表面；

所述外壳的内表面至少部分地敷设了一层光吸收层以防止透过所述投影屏的环境光被反射而返回到所述投影屏上。

2、如权利要求1所述的背面投影系统，其特征在于所述投影屏包括带有光散射元件的第一层和在前部具有菲湟尔透镜结构的第二层，且第一层的背面和第二层的前面和背面具有减反射表面。

3、如权利要求1或2所述的背面投影系统，其特征在于：所述减反射表面是在机械糙化的表面上涂复一层跟随粗糙表面形状的固定厚度的薄层。

4、如权利要求1或2的背面投影系统，其特征在于：所述减反射表面带有不同高度的微型凹凸结构，其尖峰之间的距离和高度差大约为200至800毫微米。

5、如权利要求1或2的背面投影系统，其特征在于所述减反射表面是通过离子注入和蚀刻法粗化了的表面。

6、如权利要求4的背面投影系统，其特征在于：所述微型凹凸结构是在一层紫外线可固化材料上形成的。

7、如前面任一权利要求所述的背面投影系统，其特征在于：在投影透镜系统的至少一个表面上配置微型凹凸结构，该结构尖峰之间的距离和高度差大约为200至800毫微米。

8、如前面任一权利要求所述的背面投影系统，其特征在于：所有不处在信号光辐射通道上的以及能反射透过屏幕的环境光的系统部件均是用无光黑色纤维材料制成的光吸收部件。

9、如前面任一权利要求所述的背面投影系统，包括至少一面用于弯折光通道的镜子，其特征在于所述镜子是用这样的方法安装的，由屏幕向镜子散射的环境光通过所述镜子沿着不朝向屏幕的另一方向反射。

10、如前面任一权利要求所述的背面投影系统，包括至少一面用于弯折光通道的镜子，其特征在于所述光吸收材料的挡板被安置在背面投影屏的前表面和第一折光镜之间。

11、如权利要求10所述的背面投影系统，其特征在于：所述挡板包括一种沉积于菲涅尔透镜结构的垂直边上的光吸收材料。

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