CN1042385C - 背投影式的显示系统 - Google Patents

Abstract

一种具有透射屏幕的背投影型显示系统。通过联接装置将透明增强板耦合到光的输出侧的屏幕的微粒透镜板以展宽水平发散角到右侧和左侧分别为60度或者更大些。构成在微粒透镜板上的黑条的占空系数设定为60%或更大些，用以改善图象的对比度。用以垂直方向上漫射光的垂直发散透镜的每一点上的发散角是根据每一点的高度调制的，用以在垂直的方向上提供适当的视觉角度范围。

Description

背投影式的显示系统

本发明涉及一种具有改进的对比度和水平方向性以及加宽垂直方向视觉场的高精密的背投影型的显示系统

图1示出了具有单一投影透镜的传统的背投影型显示装置的结构。在图1中，标号1表示作为初始图象形成装置的彩色阴极射线管(CRT)，标号2表示投影透镜装置，标号3表示透射屏装置。

图2示出了传统的透射屏的结构。为了更详尽了解它的工作机理，参考日本专利公开JP-A-58-59436，美国专利4,725,134，美国专利申请33,795，和日本专利公开JP-A-60-263932。以上所有的公开所披露的全部内容在此通过引用而结合到本发明中。标号4表示转变发散的入射光束成为平行光束的菲涅耳板，标号5表示用以发散水平方向的光束的微粒透镜板。

图3A是微粒透镜板5的截面的放大了的部分平面图。标号6表示在光输入射端形成的双凸透镜表面，标号7表示周围光吸收条，标号8表示光的透射部分，标号4＇(参照图2)表示在垂直方向上发散光束的双凸透镜表面。9表示到左和右侧分别约40度左右的范围内的发散的光束。标号10和10′表示在到左和右侧分别约50度或更多一些的范围内被发散的光束。

上述的传统的技术至少存在以下三个问题

(1)如图3A所示，为了改善图象的对比度，光的透射部分8的宽度T需要尽可能地小，这大约是双凸透镜6的阵列行距w的40％或者更小一些(T/W之比称作光透射的占空系数)。然而，用这种装置，如图3A所示，在到左侧和右侧分别大约是50度范围内发散的光束10、10′受到黑条7的阻断。如果改善对比度，传统的技术就和在到右侧和左侧分别的50度或更大些的范围内不能观看到图象这样的问题有关连。

(2)该微粒透镜板5一般是对透明的甲基丙烯树脂通过挤压滚压制成形制造而成。为了在对角线长度为50英寸的屏幕(1米宽，0.75米高)上显示高清晰度的图象，需要双凸透镜6的阵列行距W为0.4毫米或者更小。需要微粒透镜板5的厚度为0.6毫米或者更小。现将结合图4A和4B解释用挤压滚压制成形所存在的因精度上的限制所产生的问题。在图4A和4B中的标号5、6、7和8所表示的单元与在图3A中所表示的相类似。在图4A和4B所示的示例中，由于不充分高的压制精度，使得在光透射部分8的光输出表面处其边缘做成圆滑的。如图4A所示，微粒透镜板5的厚度比设计值更加小，反之，如图4B所示，微粒透镜板5的厚度比设计值要更大。由于边缘的圆滑，光束14、14′具有到左侧和右侧的不充分的发散角，而且光束15、15′表示在该光输出表面上的全反射。因此，用传统的技术制造高质量的和高精确度的屏是困难的。

(3)本发明的发明者还发现另外的问题，这就是具有0.6毫米或者更薄的微粒透镜板由于它的重量使其有翘曲的趋势。这种情形在图3B的垂直方向剖面图中表示出来了。60和60′表示支撑具有扭力的屏的屏的框架。标号5表示翘曲的微粒透镜板5。

下面给出了欧拉翘曲公式的分析结果。

$\frac{t}{l}>\frac{\sqrt{12}}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{F_2}{E}}\≈0.55\sqrt{\frac{F_2}{E}}---\left(1\right)$ t：厚度E≈200kg/mm²(弹性模量)1≈0.75米(屏的高度)F₂≈0.5m₃l(处在半屏高处的压力)    …(2)m₃≈1.2g/cm³(密度)∴F₂≈0.45g/mm²∴t₁/l＞0.00083 $t>0.55\sqrt{\frac{0.5m_{3}l}{E}}l\≈0.62\mathrm{mm}---\left(3\right)$

公式(1)是一般的欧拉翘曲防止公式，公式(2)是自重压力。

从上面的公式可以看出，从理论上证明具有0.62毫米或小一些厚度的微粒透镜板的50英寸的屏幕产生发生的自重翘曲现象。

甚至是当房间里照亮环境的灯光完全关闭(甚至关断室内照明)的情况下，由于在投影透镜装置2和初始图象形成装置1之间的连接部位的闪光，使得对比度限制在160∶1左右，这就是传统技术存在的问题。由人眼视觉上和心理上感受的对比度是约300∶1。这也就是希望进一步改善对比度的原因所在。

传统的技术的另一个问题是，如果照亮环境的光是很明亮时，由于该光反射到屏幕上，使得图象的对比度降低。

在图5中示出了传统的背投影型显示装置结构的另一个示例。在图5中，标号101表示屏幕，标号102表示投影透镜，标号103表示初始图象形成表面，标号104表示初始图象形成装置，标号105表示输出放大器，标号106表示前置放大器，以及标号107表示图象信号输入端。如果显示器是CRT，初始图象形成表面103就是CRT的荧光屏面，如果是液晶显示器，液晶板就是初始图象形成表面。

图6示出了传统的透射型屏幕结构的一个示例。在图6中，标号108表示菲涅耳板，标号109表示垂直地发散光的微粒透镜板，标号110表示水平地发散光的微粒透镜板，标号112表示具有约80μm行距的垂直地微光发散的双凸透镜表面，标号111表示具有约100μm行距的微光会聚菲涅耳透镜表面，标号113表示具有500μm行距的水平地微光发散的双凸透镜的表面，和标号114表示黑条表面。图7是板110的一行距的剖面放大了的示图。用有箭头的实线来表示光的传播方向。标号114′表示光的透射部分，标号114″表示黑条部分。板108、板109和板110中之一一般是有一层光的发散颗粒层。为了更详尽解释图6和图7，参考本发明的发明人在前引用的美国专利4,725,134。

图8和图9示出了在图7中所示屏幕的水平和垂直方向性的曲线。适当的视觉范围通常定义为具有1/3或更高些的相对亮度的角度范围。在这个实施例中这个角度范围称之为发散角。从图8和图9可看到，传统的技术水平发散角大约超过90度，垂直发散角约为20度，在整个屏幕上这些角是常量，该屏幕的增益约为6。

这些屏幕的特性对于每一个半帧约250扫描行的现行电视系统是足够的了。但是对具有1000或更多些的扫描行的计算机显示器来说就不够了。在随后我们将清楚地看到它的缘由。

图10示出了传统屏幕的垂直方向性和适当的视觉范围。标号115表示传统屏幕的输出侧的共轭点。

从屏幕上的每一点输出的光束的中心光束朝向该共轭点115传播。H是屏幕的有效高度。有箭头的实线表示光的传播方向，斜线的内侧范围是适当的视觉范围。

在一般电视系统的屏幕的情况下，正如所知，观看者和屏幕的距离也就是适当视觉范围应当是3H至8H。在图10中所示的适当的视觉范围包含该3H至8H的范围。因此，这一范围适于一般的电视系统的屏幕。

在具有1000或更多的扫描行的计算机显示器的屏幕的情况下，用户监视屏幕的位置比对一般电视机要更接近屏幕。图11示出了这种情形。标号116表示眼睛位置的分布。它需要最近的距离是约1H。为了满足这一要求，传统技术均匀地加强了图6所示的垂直地光发散的双凸透镜112以便约二倍(约40度)地加宽图9所示的垂直发散角。然而这一方法降低了约一半的屏幕增益，以及降低了整个屏幕上每一点上的约一半的亮度，这就表现出由于降低了亮度而增加了观看图象的难度的问题。如果为了补偿亮度下降而使光源的功率加倍，这势必使得功率消耗增加和为了热的排散而额外地增加成本。

本发明的一个目的是提供能解决传统技术所具有的上述的问题、而具有好的对比度的背投影型显示系统。

本发明的另一个目的是提供具有到左侧和右侧分别约50度或更多些的宽的水平发散角以及具有改善的水平方向，性的透射型屏幕。

本发明的又一个目的是提供一种能去除自重翘曲麻烦的透射型屏幕。

本发明还有一个目的是拓宽背投影型显示器的应用领域。

本发明进一步的目的是提供一种投影型显示器，它的垂直发散角是受屏幕的垂直位置调制。

本发明的另一个目的是提供一种投影型显示器，它具有补偿由于垂直发散角的调制所引起的至少是部分相对亮度的变化的功能。

为了实现上述目的，在本发明的一个实施例中，透射型屏幕除了菲涅耳板和微粒透镜板外还具有增强装置和联接装置。在该实施例的改进中，该屏幕还有偏振装置。

在本发明的另一个实施例中，在初始图象形成装置和投影透镜装置间安置一个防止闪光的装置。该防止闪光装置包括偏振装置和四分之一波长板装置。

在本发明的另一个实施例中，偏振装置用以防止由于房间照明灯光引起的对比度的降低。

在本发明的另一个实施例中传导膜装置附着在透射型屏幕的增强板装置上。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种具有对角线长度为100英寸或更大一些的大尺寸屏幕的安装方法。

增强板装置(透明的)通过联接装置(透明的)与光输出侧的微粒透镜板相耦合，同时除去了任何的空气层。增强板装置和联接装置的折射系数的设定以使其与微粒透镜板的折射系数差为0.1或者小一些。从而可以避免界面反射损耗的增加。通过联接装置的光的发散角的正弦可以减少约1/1.5。

从而可以使由于黑条阻断光产生的损耗更少于传统技术，而且在空气中具有到左侧和右侧的水平发散角度分别约50度或更大些。

在光的透射部分的占空系数(duty factor)可以调整为40％或者少一些。在黑条处的占空系数可以调整为60％或多些，这远比传统技术为40％的占空系数要好，因此，改善了对比度。由于增强板装置和联接装置的折射系数与微粒透镜板的折射系匹配，水平发散角不受由于成型状态变化而产生微粒透镜板的厚度变化引起的不利的影向。改进型的偏振装置吸收50％的外界照明光，从而防止了对比度的下降。

由于使用防止闪光装置可使光的偏振平面旋转90度，便可防止投影透镜反射的部分光返回到初始图象形成装置。从而可以防止由于闪光使得对比度的下降。

对房间环境照明的光起偏振的偏振器装置的偏振方向调整为与透射型屏幕的偏振器装置的偏振方向垂直。因此透射型屏幕的偏振器装置吸收了房间环境照明灯光，所以对比度得以改善。

传导膜装置连接到投影型显示器的电子系统上，从而防止静电带电的灰尘吸附到屏上，因而避免了由于灰尘而使对比度下降。这种类似在顶盖上笔输入计算机的具有传导膜的屏应用于人-机接口技术，改进了易于操作使用的功能。

用该实施例的安装方法，使用联接装置，将多个微粒透镜板叠置于和耦合到具有两倍或更多倍于的每个微粒透镜板的宽度的增强板的底表面上。尺寸上超过微粒透镜板的最大尺寸的大尺寸的屏幕便能极其容易地组装制造出来。背投影型显示器的应用领域因此可以拓宽。

在本发明的另一实施例中，为实现在屏幕上的每一点上改变沿垂直方向上的垂直发散角的目的，提供以用以沿垂直方向发散光的具有行距调制双凸透镜的透射型屏幕。

在本发明的另一实施例中，有一个光密度调制装置用以调制初始图象形成表面上的光密度。

在需要最宽的垂直发散角的区域处的行距调制双凸透镜装置的阵列行距为在接近需要最窄垂直发散角的区域的阵列行距的1.2倍或者更大些。由于在一维方向上安置一些具有相同断面的透镜单元来形成双凸透镜装置，双面透镜装置的发散角一般正比于阵列行距。在需要最宽垂直发散角的区域的垂直发散角因此可以加宽约1.2倍。

光密度调制装置增加了初始图象形成表面上需要最宽的会聚角的区域的光密度。因此至少可能部分地补偿需要最宽会聚角的区域的较低的亮度。

如果初始图象形成表面是由CRT荧光屏面构成的，通过使用电路控制电子束强度来调制光密度。具体地说，视频信号放大器的增益受垂直扫描同步控制。如果初始图象形成表面是由液晶板构成的，可以用两种方法调制光密度。第一种方法中，图象信号的增益用上述类似方法控制，第二种方法，入射到液晶板的光强度是光学控制的。也可以将第一和第二种方法结合使用。

综上所述，本发明提供的一种背投影型显示系统，其具有初始图象形成装置，单一投影透镜型的投影透镜装置；透射型屏幕装置；该透射型屏幕装置由至少配置在光输入侧的菲涅耳板和一个配置在光输出侧的微粒透镜板组成，该菲涅耳板包括至少用以将在输入侧的光发散在垂直方向的微粒透镜板表面，一个菲涅耳透镜表面形成在该菲涅耳板的光输出侧，该微粒透镜板包括一个只配置在光的输入侧并具有0.4毫米的行距用以将光在水平方向上发散的垂直条状微粒透镜表面，在该微粒透镜板的光输出侧上形成以条状黑条，该黑条的宽度设定成该微粒透镜表面的行距的60％或以上，设置以用以形成一个光透射层和联接装置的增强板装置，由该联接装置将该增强板装置在其间没有空气层下与该微粒透镜板的光输出侧连接，该微粒透镜板的总厚度(t)和该增强板装置的厚度满足可防止由于自身重量发生的翘曲的条件，该条件为

t/1＞0.55(F₂/E)^1/2其中：1=屏幕高度，

F₂=屏幕半宽上的压力，

E=弹性模量，而当所述光通过所述光透射层时，通过减少所述光发散角的正弦至所述光透射层的折射率的倒数倍数的值，所述透射型屏幕装置在水平方向上的发散角到右侧和左侧约在50度或以上。

图1示出了使用单一投影透镜的一般投影型显示器的结构图；

图2是由图1所示显示器所使用的传统透射型屏幕的结构的透视图；

图3A和3B是解释与图2所示屏幕有关的问题的示意图；

图4A和4B是解释与图2所示屏幕有关的问题的示意图；

图5是使用单一投影透镜的另一种一般的投影型显示器的示意图；

图6是图5中所示显示器使用的通常透射型屏幕的结构的透视图；

图7是解释与图6中的屏幕有关的问题的示意图；

图8是图6中所示屏幕的相对亮度的曲线图；

图9是图6中所示屏幕的垂直发散角的曲线图；

图10是解释图5所示显示器的适当的视觉范围的示意图；

图11是解释图5所示显示器适当的观看者分布的示意图；

图12是示出本发明显示器使用的屏幕的微粒透镜板和透明增强板的实施例的剖面的部分平面图的放大了的示意图；

图13A和13B是解释图12中所示的微粒透镜板和透明增强板的作用的示意图；

图14显示了微粒透镜板和透明增强板的另一个实施例；

图15是该发明的显示器的另一个实施例的结构的示意图；

图16是解释图15中所示显示器中消除闪光的不利影响的过程示意图；

图17是本发明的显示器的另一个实施例的结构的示意图；

图18是本发明的显示器的另一个实施例的结构的示意图；

图19是解释图18所示实施例的反射系数的曲线图；

图20是本发明显示器的另一个实施例的结构的示意图；

图21是解释本发明的显示器的微粒透镜板的安装方法的透视图；

图22是解释本发明的显示器的屏幕安装方法的侧视图；

图23是解释本发明的显示器的屏幕安装方法的侧视图；

图24是本发明的显示器使用的屏幕的另一个实施例的透视图；

图25是图24所示的行距调制的垂直微粒透镜板的侧视图；

图26是使用图24所示的屏幕的显示器的适当的视图范围的示意图；

图27是本发明的微粒透镜板的另一个实施例的侧视图；

图28是本发明显示器使用的屏幕的另一个实施例的透视图；

图29是本发明显示器使用的屏幕的另一个实施例的透视图；

图30是本发明的微粒透镜板的另一实施例的侧视图；

图31是本发明另一实施例的显示器的结构的示意图；

图32是解释图31所示实施例的工作过程的波形图；

图33是本发明另一实施例的显示器的结构的示意图；

图34是本发明的屏幕的另一实施例的透视图；和

图35示出了用以设计棱镜角的光路。

基本实施例的主要部分示于图12中。在这个图中，标号5表示微粒透镜板，标号6、7和8分别表示双凸透镜表面、黑条部分和光透射部分。

标号11表示本发明的透明的增强板装置。透明增强板装置和微粒透镜板的总厚度设定以满足公式(1)和(2)。标号12表示本发明的透明联接装置。装置11和12二者的折射系数的设定与微粒透镜板5的约1.5的折射系数的差约0.1。

可以使用丙烯酸树脂为基料的附着剂、硅胶或类似物用作联接装置12的材料。

玻璃、甲基丙烯树脂、苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂或类似的物可用作增强板装置的材料。

用下列步骤制作联接装置：

(1)在微粒透镜板的光输出侧印制黑条7；

(2)在微粒透镜板的光输出侧涂覆联接装置12；

(3)将处理过的微粒透镜板附着在增强板11上，同时，通过滚子或类似的东西施压给增强板11和处理过的微粒透镜板，以致他们彼此紧密接触在一起，以防止空气层和泡沫进入他们之间；和

(4)照射紫外线或将其放在高温气氛中以固化联接装置12。

通过如上构成的和如图12所示的显示器的光透射部件8的光发散角保持约40度或小一些(Sin^-11/1.5)。因此可以防止光被黑条7阻断。在图12中，标号9表示在到右侧和左侧分别约40度的范围内的发散光束，标号10和10′表示在到右侧和左侧分别约50度范围以外的发散光束。

图13A示出了薄的微粒透镜板5，图13B示出了厚的微粒透镜板5。这二种微粒透镜板5在光的透射部分8处的占空系数Df₂=P₂/P₀，为40％或者小一些，该部分8由于成型精度不充分的高，所以它的边缘是圆滑的。标号15、15′、16和16′表示的光束具有到左侧和右侧分别约50度的发散角。

从图12以及图13A和13B可以看到，如上面构造的显示器有如下的优点。

(1)可以获得到左侧和右侧分别约50度或更大些的水平方向发散角。因此在房间的所有角落可以看到图象。

(2)对成型装置精度的要求可以降低，产量得到提高，效能成本合算的显示器可以实现。

(3)在黑条处的点空系数Df₁可以增加到60％或者更大些，因此对比度可以得到改善，即Df₁=P₁/P₀＞60％，这里的P₀是双凸透镜6的行距(阵列行距)和黑条7的行距，P₁是黑条的宽度。在图12中的P₂是光透射部分8的宽度。

(4)假设平均折射系数是1.5，折射系数差是0.1，在微粒透镜板5和联接装置12间以及联接装置12和增强板11间的界面处的反射系数是0.1％那样小的程度。因此可以防止对比度的下降。

R=[(n₁-n₂)/(n₁+n₂)]²≈(0.1/3)²≈0.1％    …(4)

这里的n₁和n₂是光介质的折射系数。

(5)由于增强板装置11的输出表面是平的，可以在这个表面上构成防止反射的膜(未示出)，从而促进了对比度的改善。此外，诸如钕原子(Nd)的彩色过滤材料可以混入增强板装置以透射诸如红、绿和蓝的主要波长成分的光，而且吸收其他中间色成分的光。因此可以改善色纯和对比度。虽然在成型处理中混合Nd进入需高精度的微粒透镜板是很困难的，但在不需要高精度的增强板装置混合Nd是容易的。

诸如钕或碳原子作为光衰减材料可以混入透明的增强板装置11的介质中，不管光的传播效率是降低的多还是少，但可以改善对比度。

本发明不能应用在使用水平排放的三个三基色投影管以及三个投影透镜(在这个技术领域近来使用一般型的投影型显示器)的显示系统中，这是由于那种投影型显示系统需要安装色移相器，减少了在微粒透镜板的光输出侧的双凸透镜的表面。本发明仅可使用在诸如单投影透镜型的系统或者三色(透镜)垂直成一行排放型的系统。

图12中所示基本实施例已经描述了。然后参照图14描述该基本实施例的改进型。在图14中所示的除标号13外的其他标号与在图12和图13A和13B中相同标号表示相同的单元。标号13表示一个偏振器仅用以透射水平方向偏振的(光电场的)成分。

增加偏振器约一半地减少了投影的光的亮度，这可以防止由于室内照明环境的光线使对比度下降。通过将这一改进型与随后要讲述的图15、17和18中的每一种结构相结合，以进一步加强上述的作用。

图34示出了本发明的另一个实施例。在该图中标号4、5、6、7、8、11和12表示的那些单元已经描述过了。标号17表示一个垂直漫射双凸透镜装置，它用以在垂直方向上发散光+/-5度或更多些。在已经讲述过的通过联接装置12将板装置11和微粒透镜板5组装起来之前，装置17构成在透明的增强板装置11的输入侧。垂直漫射双凸透镜装置17的透镜部分所必要的最大值棱镜角的计算方法将结合图35(示出光路径)和下面的方程式予以描述。 $\tan \mathrm{\θ}=-\frac{\sin r}{n_2\sin {\cos }^{-1}\left(\frac{\sin r}{n_2}\right)-n_1}---\left(5\right)$

在图35和上述方程中，n₂表示透明增强板装置11的折射系数，n₂表示联接装置12的折射系数。根据上面的方程式，为了使发散角γ是5度或更大些，假设n₂≈1.6,n₁≈1.5,θ约为42度。因此，通过形成垂直漫射双凸透镜17的剖面以有约+/-42度或更大些的扇形角的弧形状可以获得+/-5度的光发散角γ。

如图34所示组装成一个整体结构的垂直漫射双凸透镜17不暴露在空气中。因此根据方程(4)在它的界面处的反射可抑制到约0.1％或更小些。在不降低对比度情况下可以获得需要的垂直漫射角。图34中所示的实施例的叙述已经完毕。

图15示出了本发明的另一实施例中。标号1、2和3′与在先描述过的单元相同。

标号2′表示投影透镜装置2的一个圆筒，标号18、19和20表示构成投影透镜装置2的透镜单元，标号21表示冷却剂溶液，标号22表示装冷却剂溶液的容器，标号23表示仅通过水平偏振分量的偏振器装置，和标号24、25表示四分之一波长板装置，这个装置具有与水平面成45度倾斜的双折射基轴。偏振器装置23和四分之一波长板装置24构成了本发明的消除闪光装置。当四分之一波长板装置25与图14所示的偏振器装置14一起使用时，将是有效的。

上面描述了图15所示的显示系统的结构。然后参照图16描述这个系统的工作机理。

在图16中在26至33处表示出了光的电场分量的偏振方向。如在26处所示，来自初始图象形成装置的投影的光具有垂直和水平的分量。如在27处所表示的，通过偏振器装置23只能得到水平方向的偏振的分量。如在28处所表示的，用四分之一波长板装置24将水平偏振波变成圆形偏振波。如在29处所示，用四分之一波长板装置25将圆形偏振波变为水平偏振波。如在30处所示，水平偏振波从屏幕的偏振器装置13仍然输出成相同的水平偏振波。如在31处所示，在透镜单元18、19和20的界面部分反射的光变为闪光。如在32处所示，通过四分之一波长板装置24，闪光变为垂直偏振波。只有水平偏振分量通过偏振器装置23，而垂直偏振分量被阻断，如在33处所示，所以闪光被阻断了。

闪光防止返回到初始图象形成装置1，因此图象的对比度不降低。参照图15和16的描述也就完成了。

然后，结合图17描述以上实施例的改进型。标号2、2′、3′、18、19、20、21、22、23、24和25与图15中所示的那些类似的单元。标号34表示白光投射光源，标号35表示反射镜，标号36表示作为初始图象形成装置的液晶板，和标号37表示会聚光的菲涅耳透镜。该显示系统的工作机理类似图16所示的类似的显示系统。对它们的描述就省略了。

图18示出了本发明的另一实施例。标号38表示一个演示厅，标号39表示前面描述过的本发明的透射屏幕，它安装在演播厅的墙壁上，并包含仅通过水平偏振分量的偏振器。标号40、41和42表示每个都安装有垂直偏振器的引进外面光线的窗子。标号43和44表示室内照明光源，标号45和46表示只通过垂直偏振分量的偏振器。标号47表示构成演播厅的墙壁的垂直偏振器。

图18的结构已经描绘完了。然后结合图19描述这个实施例的工作机理。曲线48和49表示S波和P波的界面率反射。这个曲线的形成以这样假设为前提，即每一种构成房屋的非金属材料的折射系数约为1.5。S波具有与界面平行的偏振方向，P波具有的偏振方向(电场矢量的方向)在由界面的法线和光传播的方向所限定的平面(输入平面)内。

如图19所示，在所谓的布鲁斯特角情况下p波变为零(tan^-11.5：约55度)。P波的反射率总是小于S波的。放在演播厅的桌子上的文件的表面是水平的。因此S波相对该文件是水平偏振波，而P波相对该文件是垂直偏振波。如果仅安排室内照明灯光是垂直偏振分量以传播到远场，可以消除文件上的闪耀。如图18所示的安排就能容易地读桌上的文件。到达屏幕39的外部环境光线主要仅仅是垂直偏振分量，它被屏上的水平偏振波透射偏振器13所吸收。这样可以使屏幕上的图象对比度的下降减至最小。参照图18和图19的描述已经完结。

图20示出了本发明的另一实施例，图20是透射型屏幕的垂直剖面图。标号50表示形成在光的输出侧的增强板装置11上的传导膜装置，传导膜装置50的材料可以是铟锡氧化物，标号51表示投影型显示器的电子系统。传导膜装置50通过电子系统51接地，所以防止屏幕静电带电，灰尘在屏表面上积累的速度下降，对比度的下降得以缓慢。通过使用带有这种传导膜的屏幕，人机接口技术可象笔输入膝上计算机一样地应用，改进了易用的功能(例如该屏幕可以象黑板或白板的方式使用，人们可用手写将字和图写在上面)。

图21和22是解释具有对角线长度100英寸或更长的大尺寸的屏幕的安装方法。

在图21中，标号11表示宽度约为2米或更大，厚度约为3毫米的透明的增强板装置，标号5和5′表示宽度约为1米的微粒透镜板。联接装置(未示出)预先涂覆在微粒透镜板5和5′的每一个的输出侧表面，该微粒透镜板5和5′于其后放在的增强板装置11的输入侧上，从而组装了大尺寸的屏幕。

以传统的技术而言，微粒透镜板也是在其相对的侧壁52上连结在一起的。在本发明中不需要这样困难的工作，组装工作变得容易。

图22是朝前倾斜约7度的大尺寸屏幕的垂直剖面图。标号60和60′表示屏幕的支撑框，标号4表示厚度为约2毫米或更小些的菲涅耳板，标号5表示厚度约为0.5毫米的微粒透镜板，标号12表示厚度为约0.2毫米的联接装置，标号11表现厚度约为3毫米的透明增强板装置。

用这种结构，通过自身的重量，菲涅耳板4和微粒透镜板5能彼此紧密地接触在一起。图23示出了改进的安装方法，标号61表示结合在菲涅耳板4的上部的矩形柱以施加菲涅耳板4的重量给增强板11的上端，从而防止了菲涅耳板的弯曲。

图24中示出的本发明的屏幕的另一个实施例将予以描述。除标号112′以外其它标号所表示的单元与图6中所示的相同标号的那些单元相同，标号112′表示了行距调制双凸透镜装置，在图25中示出了它的放大了的剖视图。V₁至V₄表示垂直发散角。从屏幕的底端到它的半高处，垂直发散角V₁和V₂取接近约20度的接触值。垂直发散角V₃是约30度，屏的顶端的发散角V₄约40度。在需要最宽的发散角处屏幕区域(接近顶端)的双凸透镜的阵列行距设置为(底端至半高的)屏幕区域的约两倍。在实际使用中，如果发散角比率调整为约1.2或更大些，亮度的下降被大大地抑制。本发明的特性特征是设定发散角比率为1.2倍或更大些。

图26中示出了图25的屏幕的适当的视觉范围。在图25中所示的菲涅耳透镜111的共轭点位于光输出侧的位置117，该点距屏幕101为3H的距离。从屏幕上的每一点来的中心光束朝共轭点117传播。屏幕101朝前倾斜约10度。

如图26所示，在屏幕的顶点的垂直发散角到上端和下端分别为20度，总计是40度(根据斯内耳法则(Snell laws)由于非线性，到下端的发散大于20度，在从底端到半高点的屏幕区域，到上侧和下侧的垂直发散角分别为10度，总计是20度，由斜线包围的区域对应于适当的视觉区域。借助于图11可以理解，该实施例的屏幕适合用于高清晰度的计算机显示器。

图25所示的行距调制双凸透镜装置112′的剖面可以是凸透镜形状，凹透镜形状，圆柱体透镜形状，或者更高阶曲线透镜形状。圆柱体透镜的最大值发散角约为40度。如果使用双曲线透镜，最大值发散角可以做得更宽，图24所示实施例的描述因此就完成了。

图27示出了这个实施例的改进型。在这个实施例的改进型中，和图24所示相反，在光输入侧形成行距调制双面凸出透镜装置112′，其他的单元同图24所示的那些相同。

图28示出了屏幕的另一实施例。在这种改进型中，图24中的板109省略了，在菲涅耳板108的光输入侧形成一个行距调制的双凸透镜装置112′。通过这个改进型，虽然构成屏幕的单元的数目可以减少，下侧发散角很可能变得比屏幕的的顶端处的上侧发散角宽，因此，这种改进型最好是在特殊的应用中使用。

在图28中示出了本发明的屏幕的改进型，它适用于有一个叠放在另一个上的两个或多个子屏幕构成的所谓的多屏幕。在一般的多屏幕的情况下，在光输出侧的菲涅耳透镜111的共轭点常常设置在无限远点。这就希望保证在第一和第二级子屏幕间的边界上垂直方向性特性的连续性。一种图29所示的改进型的屏幕适用于上一级的子屏幕使用。

在图29中，除了行距调制双凸透镜装置112′以外的其他单元和前述的那些相同。在图30中示出了板109的放大了的剖面图。在图30中在V₁、V₂、V₃和V₄处指示的垂直发散角具有随V的下标数的增加而增加的特征。在接近最大行距的区域，所实现的双凸透镜表面基本上形成连续依次的后面的双凸透镜地单元于由直线截割的一半，每个双凸透镜单元的剖面部分近似圆柱的或椭圆形的。如果椭圆的长轴对准屏幕的法线方向以及它的偏心度设置为1与光介质的折射系数的倒数间的中值，这个屏幕对于需要平坦和均匀垂直方向特性的应用是有效的。

在图24所示实施例和它的改进型中，行距调制双凸透镜装置112′或112″的行距在仅需要最窄发散角的区域设置为零(简单的平面)。这是由于光漫射颗粒层提供给前面叙过的与传统技术有关的板108,109和110中的一个，所以这个光漫射颗粒层提供较低的垂直发散角极限。另一个具有约10度发散角的双凸透镜装置可以提供给图29所示的板108的光输入表面或者板109的光输出表面。用这种方案，垂直方向特性的徒锐截止(参见图9)可以变成更缓和的斜坡。垂直的双凸透镜的行距可以从几十微米到约一毫米的范围，也可以根据具体应用设置成小于象素的尺寸。

优选与图24的实施例一起使用的另一个实施例将给予描述。将首先结合图31描述这个实施例的电子光密度调制装置。在图31中，除去单元117、118和119以外的其他的单元与前面已述过的那些单元相同。

标号117表示电子光密度调制装置，它是一个增益控制器，用以控制与端点118处的输入信号或比例于的增益。方块119是同步信号分离器和波形发生器的结合电路。将参照图32中的信号波形图描述电子光密度调制器的工作过程。在图32中，标号106′表示前置放大器106的输出信号波形，标号118′表示端点118处的信号波形，标号117′表示增益控制器117的输出波形，标号119表示垂直扫描周期，标号120表示垂直消隐周期，垂直扫描周期与垂直消隐周期构成一个垂直扫描周期Tv。在121处的波形对应屏幕的顶端，在122处的波形对应屏幕的一半高度，在123处的波形对应屏幕的底端。在图32所示的例子中，从屏幕的顶端到半高处的区域增益是增加的。用这种方式，在图24、25、27和28中所示屏幕的增益特性可以得到补偿。

在图32中所示波形117′允许增加屏顶端的相对亮度，实现了适于特殊应用的适当的补偿

电子光密度调制装置的描述因此就完成了。

图33中示出了光密度调制装置的例子。在图33中除去标号124至128以外，其他的单元和前面描述过的那些单元相同。标号103表示一个液晶板或者发光灯泡。标号124表示光源，标号125表示反射镜面，标号126表示光密度调制装置，它是一个玻璃板，它的下一半是弯月透镜。用在屏幕的顶端有箭头128的实线以及在屏的下端有箭头127的实线表示光密度调制装置126的输出的光束。从图33可以看到，在127处的光束的密度可以增加大于在128处的光束的密度。如果光密度调制装置126做得厚些，光的密度可以进一步增加。具有如图33所示结构，在屏幕101的顶端的增益和亮度可以得到补偿和防止下降。

图31和32所示的实施例仅给屏的顶端的区域提供相对大的功率，以便防止屏幕亮度的降低。用这种方式，能在保持总功率消耗最小情况下获得好的性能。

如果不是如图33所示使用一维弯月透镜126，光源124的上部的光发射区可以做得比下部的光源发射区要宽，从而改变光密度。

用本发明的该种结构，屏幕的水平方向特性可以保持到右侧和左侧分别为50度或更大些的发散角。光透射部分的占空系数可以设定40％或更小些，在黑条部分的占空系数可设定60％或更大些，因此改善了对比度和防止由于成型状态的变化而使生产的产量下降。此外，由于自重量引起的微粒透镜板的翘曲也可以避免。

此外，只通过水平偏振光分量的偏振装置可以吸收照射在屏上的室内照明灯光的约50％，进一步改善对比度。

另外，闪光防止装置进一步改善对比度。

此外，放置在屏幕和室内照明光源间的偏振装置只通过垂直偏振的光分量，从而进一步改善再现的图象的对比度和减少在桌子上的文件表面上的闪光。

还有，适合观众眼睛分布的垂直发散角可以适当设置在屏幕的每个垂直位置上，此外仅小的附加功率的消耗便可防止屏幕亮度的下降。因此可以减弱观众眼睛的疲倦，并且提供具有高的商业价值的屏幕。

Claims (11)

1．一种背投影型显示系统，其具有初始图象形成装置，单一投影透镜型的投影透镜装置；透射型屏幕装置；其特征在于，所述透射型屏幕装置由至少配置在光输入侧的菲涅耳板和一个配置在光输出侧的微粒透镜板组成，所述菲涅耳板包括至少用以将在输入侧的光发散在垂直方向的微粒透镜板表面，一个菲涅耳透镜表面形成在所述菲涅耳板的光输出侧，所述微粒透镜板包括一个只配置在光的输入侧并具有0.4毫米的阵列行距用以将光在水平方向上发散的垂直条状双凸透镜表面，在所述微粒透镜板的光输出侧上形成以条状黑条，所述黑条的宽度设定成所述双凸透镜表面的阵列行距的60％或以上，设置以用以形成一个光透射层和联接装置的增强装置，由所述联接装置将所述增强装置在其间没有空气层下与所述微粒透镜板的光输出侧连接，所述微粒透镜板的总厚度(t)和所述增强装置的厚度满足可防止由于自身重量发生的翘曲的条件，所述条件为t/l＞0.55(F₂/E)^1/2其中：1=屏幕高度，

F₂=屏幕半宽上的压力，

E=弹性模量，而当所述光通过所述光透射层时，通过减少所述光发散角的正弦至所述光透射层的折射率的倒数倍数的值，所述透射型屏幕装置在水平方向上的发散角到右侧和左侧约在50度或以上。

2．如权利要求1所述背投影型显示系统，其特征在于，其还包含一个只让水平偏振光分量通过的偏振装置，所述偏振装置在所述增强装置的光输入侧与所述增强装置设置成一体。

3．如权利要求1所述背投影型显示系统，其特征在于，其还包含一个防止闪光装置，所述防止闪光装置又包含放置在所述投影透镜装置和所述初始图象形成装置之间的偏振装置和四分之一波长板装置，而所述四分之一波长板装置的双折射基轴方向相对于通过所述偏振装置的偏振光的方向倾斜约45度。

4．如权利要求1所述背投影型显示系统，其特征在于，其中一个垂直漫射微粒透镜装置形成在所述增强装置的光输入侧，所述垂直漫射微粒透镜装置与所述透射型屏幕装置设置成一体，使得所述垂直漫射微粒透镜装置的透镜部分不暴露于空气中。

5．如权利要求1至4中任意一项所述背投影型显示系统，其特征在于，其中只让垂直偏振光通过的偏振装置设置在室内照明光源和所述透射型屏幕装置之间。

6．如权利要求1所述背投影型显示系统，其特征在于，所述垂直微粒透镜构成为一种行距调整微粒透镜装置，而所述行距调整微粒透镜装置在需要一个最宽的垂直发散角的区域处的阵列行距设定成在需要一个最窄的垂直发散角的区域处的阵列行距的1.2倍或以上。

7．如权利要求1所述背投影型显示系统，其特征在于，其中所述垂直微粒透镜构成为一种行距调整微粒透镜装置，而所述行距调整微粒透镜装置在需要一个最宽的垂直发散角的区域处的阵列行距设定成在需要一个最窄的垂直发散角的区域处的阵列行距的1.2倍或以上，所述显示系统还包含光密度调整装置，所述光密度调整装置在在需要一个最宽的垂直发散角的区域处所增加的所述图象形成装置的光密度比在需要一个最窄的垂直发散角的区域处所增加的所述图象形成装置的光密度要多。

8．如权利要求7所述背投影型显示系统，其特征在于，其中所述光密度调整装置为一个用以控制一个图象信号的幅度的增益控制器。

9．如权利要求7所述背投影型显示系统，其特征在于，其中所述光密度调整装置为一维弯月透镜装置。

10．一种背投影屏幕，其包含：至少设置在光输入侧的菲涅耳板装置，设置在光输出侧的微粒透镜板装置和增强装置，其特征在于，所述微粒透镜板装置由在光输入侧的一个微粒透镜和在光输出侧的黑条构成，及多个微粒透镜板装置叠置并粘结在所述增强装置上，从而将所述多个微粒透镜板装置结合成一个整体。

11．一种背投影屏幕，其包含：至少设置在光输入侧的菲涅耳板装置；设置在光输出侧的微粒透镜板装置，所述微粒透镜板装置在光输入侧配备以一个微粒透镜而在光输出侧配备以与增强装置粘结的黑条；和矩形柱装置；其特征在于，所述矩形柱装置粘结在所述菲涅耳板装置的上部并悬挂在配备以增强装置的所述微粒透镜板装置的上端，从而可防止所述菲涅耳发生翘曲，所述菲涅耳板装置的厚度比所述微粒透镜板装置和所述增强装置的总厚度要小。

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