CN1673779A - 柱面镜组元及制作方法、背投影屏幕和背投影电视 - Google Patents

Abstract

柱面镜组元及制作方法、背投影屏幕和背投影电视，涉及光学技术，特别涉及背投影屏幕使用的柱面镜组元及制作方法。本发明提供一种柱面镜组元，包括柱面镜阵列(34)和光吸收条纹(31)，其特征在于，在柱面镜阵列(34)的表面覆盖有透明材料(33)，所述透明材料(33)的折射率小于柱面镜材料的折射率。本发明的有益效果是，本发明提出的柱面镜组元利用光线在柱面镜单元的侧面发生全反射从柱面镜单元顶部射出，在非出光区域形成黑条纹从而实现高对比度。具体的来说该发明的目的是提供一种高分辨率，高对比度的适用于高清背投电视的柱面镜组元，并在柱面镜组元的正确位置形成黑条纹，该柱面镜的条纹更加精细。

Description

柱面镜组元及制作方法、背投影屏幕和背投影电视

技术领域

本发明涉及光学技术，特别涉及背投影屏幕使用的柱面镜组元及制作方法。

背景技术

背投影屏幕通常是由菲涅尔透镜与柱面镜组元组合而成，现在三管CRT背投影电视所用屏幕中的柱面镜组元一般结构形式如图1所示，入射光通过入射面的柱状凸透镜聚焦于出射面的柱状凸透镜中心附近，在出射面上相邻柱状凸透镜的中间区域形成凸起部分，在凸起部分印刷黑条纹，这样可以保证出射面一侧有最大面积的涂黑，从而最大可能提高对比度。

随着以LCD、DLP、LCOS作为投影源的高清投影电视的日益普及，应用于这种投影电视的屏幕市场上有着极大的需求，现高清投影电视的像素从以往的几万像素已发展到现在的几百万像素，因而要求柱面镜的节距更加精细(要求至少小于0.25mm)来消除因柱面镜周期与像素周期造成的莫尔条纹；但以往应用于三管CRT背投影电视所用屏幕中的柱面镜组元的柱面镜的节距一般大于0.5mm已不能满足现在高清投影电视的要求，节距再往小的方向制造已经非常困难，因为前面提到传统的柱面镜组元入射光通过入射面的柱状凸透镜聚焦于出射面的柱状凸透镜中心附近，所以节距越小柱面镜组元就会做的越薄，同时对前后凸透镜的相对位置精度要求也越高，不然出射光就会打到黑色条纹上面。

综上所述，高清投影电视要求有节距更加精细并能在正确的位置形成黑条纹的柱面镜组元与之匹配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种柱面镜组元及其制作方法，所述的柱面镜组元能够实现高分辩率，高对比度。

本发明还提供一种采用前述柱面镜组元的背投影屏幕以及背投影电视。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种柱面镜组包括柱面镜阵列和光吸收条纹，在柱面镜阵列的表面覆盖有透明材料，所述透明材料的折射率小于柱面镜材料的折射率。

在透明材料的表面覆盖有另一种材料，所述光吸收条纹为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间的覆盖材料之上。相邻两个黑条纹之间的距离不大于0.25mm。

所述柱面镜的形状满足以下关系：

假设最终的投影光能在空间分布函数为f(θ)，投影光能经柱面镜扩散后的空间分布函数为f₁(θ)，投影光能经扩散层扩散后的空间分布函数为f₂(θ)，

$f\left(\mathrm{\θ}\right)={\∫}_{-\frac{\mathrm{\π}}{2}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{f}_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·f_2(\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})\mathrm{d\ω}$

f(θ)等于f₁(θ)与f₂(θ)的卷积。

柱面镜的材料的折射率、透明材料的折射率和柱面镜的形状之间满足以下关系：

N33/N34＜Sin(Ac)；

N33/N34＞Sin(At)；

其中，N33是低折射率的透明材料的折射率，N34是柱面镜列阵材料的折射率，Ac是投影光线打到柱面镜侧面的入射角，At是投影光线以及打到柱面镜侧面经全反射到柱面镜顶部的投影光线在柱面镜顶部的入射角。

所述柱面镜阵列为光固化成型或者为热压成型。所述透明材料为光固化材料、热固化材料或热塑性材料。光吸收条纹位于相邻两个柱面镜之间的非出光面区域。在柱面镜阵列下还有透明薄片。

所述柱面镜阵列之上或之下还有散射层，所述散射层内含有散射粒子。

本发明还提供一种背投影屏幕，由柱面镜组元和菲涅尔透镜构成，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列和光吸收条纹，其特征在于，在柱面镜阵列的表面覆盖有透明材料，所述透明材料的折射率小于柱面镜材料的折射率；在相邻两个柱面镜之间的透明材料的表面覆盖有第一材料，所述光吸收条纹为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间的覆盖材料之上。所述的第一材料为光固胶或电导材料。

本发明还提供一种背投影电视，屏幕由柱面镜组元和菲涅尔透镜构成，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列和光吸收条纹，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列和光吸收条纹，在柱面镜阵列的表面覆盖有透明材料，所述透明材料的折射率小于柱面镜材料的折射率；在相邻两个柱面镜之间的透明材料的表面覆盖有第一材料，所述光吸收条纹为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间的第一材料之上。

本发明还提供一种制作柱面镜组元的方法，包括以下步骤：

a.在透明薄片上涂敷光固化胶，然后经辊筒碾压到柱面镜模具辊上，光固化形成柱面镜列阵；

b.将成形好的柱面镜列阵经浸涂辊筒在有低折射率的透明液体的槽中浸涂光固胶或热固胶，流平后进行光固化或热固化，在柱面镜列阵的表面形成低折射率透明层；

c.在透明材料的表面覆盖第一材料，在相邻柱面镜之间的填充材料的表面形成黑条纹，制得带有黑条纹的薄片；

d.将步骤c制得的薄片与散射层相粘合。

所述步骤c包括：

c1)在透明材料的表面覆盖光固化材料；

c2)用紫外光从柱面镜列阵的下方照射光固化材料，进行曝光；

c3)在涂有光固化材料的一侧喷洒黑色粉末，使具有粘性的部分粘上黑色粉末。

所述步骤c2)中，所述紫外线垂直于柱面镜阵列的底面。

所述步骤c1)中，通过抽拉、喷涂工艺，在低折射率的透明材料的表面覆盖光固化材料。

喷洒的黑色粉末是碳粉或黑色磁性粉末。

本发明的有益效果是，本发明提出的柱面镜组元与菲涅尔透镜组合形成应用于以LCD、DLP、LCOS作为投影源的高清投影电视的背投影屏幕，该柱面镜组元的特点是利用光线在柱面镜单元的侧面发生全反射从柱面镜单元顶部射出，在非出光区域形成黑条纹从而实现高对比度。具体的来说该发明的目的是提供一种高分辩率，高对比度的适用于高清背投电视的柱面镜组元，并在柱面镜组元的正确位置形成黑条纹，该柱面镜的条纹更加精细。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是一种传统应用于三管CRT背投影电视所用屏幕中的柱面镜组元一般结构形式示意图。101为黑条纹。

图2是本专利提出的一种应用于柱面镜组元的核心薄片的结构图。图中31：黑条纹(碳黑或黑磁等)，32：光固胶或电导材料，33：光固胶或其他低折射率透明材料，34：光固胶或其他高折射率的透明材料，30：透明薄膜(PET或PC或PS或BOPP或PVC等)。

图3是本发明的柱面镜组元中，投影光线与柱面镜之间的光学关系示意图。

图4是本专利提出的一种柱面镜组元结构示意图。图中11：精细毛面，12：散射剂，10：MBS或MS或PMMA带散射剂及精细毛面的散射层(基板材料可以选择MBS或MS或PMMA等)，20：胶粘剂(光学不干胶(压敏胶)或光固胶等)；其他符号的参见图2的介绍与说明。

图5是本专利提出的另一种柱面镜组元结构示意图。其中各种符号参见图3的介绍与说明。

图6是本专利中提出该柱面镜组元的制造方法中的第一步：柱面镜列阵的结构成型。其中P11：透明薄膜，P12：展平辊，P13：光固胶，P14：刮刀，P15：展平辊，P16：带有未固化光固胶的薄膜，P17：压紧辊，P18：模具辊，P19：紫外光光源，P20：脱模辊，P21：保护膜，P23：贴膜辊，P24：压紧辊，P25：半成品收卷。

图7是制造方法中第一步形成的柱面镜列阵示意图。

图8是本专利中提出该柱面镜组元的制造方法中的第二步：给成型好的结构上镀低折射率的膜。其中P26：上工序半成品，P27：保护膜收卷辊，P28：剥离辊，P29：浸涂棍，P30：光固胶槽，P31：展平辊，P32：紫外灯，P33：保护膜，P34：压紧辊，P35：压紧辊，P36：半成品收卷。

图9是制造方法中第二步得到的在柱面镜列阵表面镀有低折射率透明材料后的结构示意图。

图10是本专利中提出该柱面镜组元的制造方法中的第三步：形成黑条纹。其中P37：上工序半成品，P38：保护膜收卷辊，P39：剥离辊，P40：浸涂辊，P41：光固胶，P42：展平辊，P43：紫外曝光灯，P44：涂胶后的并曝光，光固胶的粘附性能发生改变的产品见图11，P45：墨斗，P46：二次固化紫外灯，P47：除墨装置，P48：保护膜(粘性良好，不转移)，P49：压紧辊，P50：压紧辊，P51：保护膜收卷辊，P52：剥离辊，P53：压紧辊，P54：胶粘膜(粘性良好，不转移)，P55：压紧辊，P56：压紧辊，P57：半成品收卷。

图11是在柱面镜相对于透明薄片的另一侧经紫外灯发出的垂直于透明薄片的紫外光曝光使柱面镜顶部的光固胶固化而其他部分不发生固化从而在光固胶表面形成粘附区及非粘附区的说明。201为非粘附区，202为粘附区。

图12是制造方法中第三步得到的本专利说明的核心薄片示意图。

图13是本专利中提出该柱面镜组元的制造方法中的第四部：最终成型。其中P58：上工序半成品，P59：剥离辊，P60：保护膜收卷辊，P61：浸涂棍，P62：不干胶(压敏胶)槽，P63：匀胶辊，P64：展平辊，P65：红外灯，P66：带毛面及散射剂散射层，P67：压力辊，P68：压力辊，P69：切断刀，P70：托辊。

具体实施方式

关于本发明的柱面镜组元的实施方式如下。为便于理解，本实施方式中，以图2为例，将柱面镜弧面的方向定义为上方，将柱面镜平面的方向定义为下方，将柱面镜阵列的下表面称为柱面镜阵列的底面。由此，在曝光过程中，紫外线是由下向上照射的，实际使用中，投影电视的光线从下方射入柱面镜，然后从柱面镜上方射出，或者说从顶部射出。

实施例1：

参见图2，在柱面镜阵列34的表面覆盖有透明材料33，所述透明材料33的折射率小于柱面镜材料的折射率。在相邻两个柱面镜之间填充有涂覆材料32，所述光吸收条纹31为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间、涂覆材料32之上，相邻两个黑条纹之间的距离不大于0.25mm。所述涂覆材料32为光固胶或电导材料。

在柱面镜阵列34的下方还粘合有透明薄片(30)。作为构成柱面镜阵列的单元，柱面镜的形状满足以下关系：

假设最终的投影光能在空间分布函数为f(θ)，投影光能经柱面镜

扩散后的空间分布函数为f₁(θ)，投影光能经扩散层扩散后的空间分布函数为f₂(θ)，

$\mathrm{f\ω}={\∫}_{-\frac{\mathrm{\π}}{2}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{f}_1\left(\mathrm{\ω}\right)\·f_2(\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})\mathrm{d\ω}$

即f(θ)等于f₁(θ)与f₂(θ)的卷积。

并且，柱面镜的材料的折射率、透明材料33的折射率和柱面镜的形状之间满足以下关系：

N33/N34＜Sin(Ac)；

N33/N34＞Sin(At)；

其中，N33是低折射率的透明材料的折射率，N34是柱面镜列阵材料的折射率，Ac是投影光线打到柱面镜侧面的入射角，At是投影光线以及打到柱面镜侧面经全反射到柱面镜顶部的投影光线在柱面镜顶部的入射角。如图3所示。

柱面镜阵列34为光固化成型，所述透明材料33为光固化材料。或者，所述柱面镜阵列34也可以为热压成型，所述透明材料33为热固化材料或热塑性材料。

实施例2：

参见图4，本实施例与实施例1的区别在于，在柱面镜阵列34和黑条纹31的上方，还粘合了散射层10，所述散射层10内含有有机散射粒子12。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，在透明材料33内分布有有机散射粒子12。柱面镜阵列34之上还有一层介质层，所述介质层的表面为精细毛面。也可以在所述介质层10的表面镀上低反射的介质膜。

实施例4：

参见图5。本实施例与实施例1的区别在于，在透明薄片30的下方还使用胶粘剂20粘合了散射层10，所述散射层10内含有有机散射粒子12。所述散射层10的下表面还有一层介质层，所述介质层的表面为精细毛面。

生产该柱面镜组元可以采用以下工艺：

第一步：柱面镜列阵的结构成型

如图6所描述，透明薄片P11经P12展平辊展平后，在透明薄片的一侧涂光固化胶P13，经刮刀P14将光固化胶均匀的刮抹在透明薄片上；带有光固胶的透明薄片经压紧辊P17与柱面镜模具辊P18贴合，使光固胶填满柱面镜滚筒模具的条纹；用紫外灯发出紫外线穿透透明薄片照射光固胶，使光固胶固化在透明薄片上，这样就形成了与模具互补的柱面镜列阵，如图7所示；再经脱模辊P20脱模，脱模后经贴膜辊P23和压紧棍P24将保护膜P21贴到成型好的柱面镜列阵表面；贴膜后收卷为半成品P25，也就是下工序的半成品P26。

上述的透明薄片可以选择紫外光通过能力强的PET、PC、PS、BOPP、PVC等薄片。

第二步：给成型好的结构上镀低折射率的膜。

如图8描述，上工序半成品P26经剥离辊P28将上工序的保护膜剥离；经浸涂辊筒P29在光固胶槽P30中浸涂光固胶；经展平辊P31抽拉流平；经紫外灯P32光固化在柱面镜列阵表面形成低折射率层，如图9所示；再经压紧辊P34及P35将保护膜P33贴到镀有低折射率的柱面镜列阵的表面后收卷为半成品P36，也就是下工序的P37。

上述的镀膜工艺也可以采取将光固胶喷涂到柱面镜列阵表面的工艺。

第三步：形成黑条纹

如图10，上工序半成品P37经剥离辊P39将上工序的保护膜剥离；经浸涂辊筒P40在光固胶槽P41中浸涂光固胶；经展平辊P42抽拉流平；在柱面镜相对于透明薄片的另一侧经紫外灯P43发出的垂直于透明薄片的紫外光曝光使柱面镜顶部的光固胶固化而其他部分不发生固化从而在光固胶表面形成粘附区及非粘附区(见图11)；再经墨斗P45下墨粉；再经发出杂散紫外光的紫外灯P46将未固化的光固胶固化，使洒到未固化的光固胶与墨粉牢牢粘结；再经除墨装置P47将没有粘结的大部分墨粉除去形成黑条纹(见图12)；再经压紧辊P49与P50将胶粘膜P48贴到洒有墨粉的一面；再经剥离辊P52及压紧辊P53将胶粘膜剥离下来，使未粘结的墨粉被彻底的清除；再经压紧辊P55及P56将保护膜P54贴到已形成黑条纹的柱面镜列阵的表面后收卷为半成品P57，也就是下工序的P58。

第四步：最终成型

如图13描述，上工序半成品P58经剥离辊P59将上工序的保护膜剥离；经浸涂辊筒P61在不干胶(压敏胶)槽P62中浸涂的透明不干胶(压敏胶)；再经一对匀胶辊P63将不干胶(压敏胶)碾平，再经红外灯P65将不干胶(压敏胶)的溶剂及低分子量物质烘烤出去；将散射层P66经压力辊P67、P68把散射层与带有柱面镜列阵及黑条纹的透明薄片粘合到一起；再用切断刀P69在散射层的间隔处将带有柱面镜列阵及黑条纹的透明薄片切断，这样就完整的形成了本发明所述的柱面镜组元(见图2)。

上面所描述的生产工艺只是对本专利提出的柱面镜组元的生产工艺的简单描述，本专业的从业人员或相关专业人员可以在本专利提出的生产工艺及方法上作许多变动：

如将本专利提出的工艺中第二步的低折射率胶与本专利提出的工艺中第三步的光固化胶合二为一，也就是在第二步描述的浸涂完低折射率光固胶后而不固化直接进入第三步，在柱面镜相对于透明薄片的另一侧经紫外灯发出的垂直于透明薄片的紫外光曝光使柱面镜顶部低折射率的光固胶固化而其他部分不发生固化，从而在光固胶表面形成粘附区及非粘附区(见图11)。

如本专利描述的生产工艺中多处提到浸涂抽拉镀膜，都可以变为喷涂流平镀膜。

如本专利描述的抽拉镀低折射率透明材料工艺也可以采用磁控溅射或蒸发溅射等方法镀一层低折射率的无机材料代替。

Claims (12)

1、柱面镜组元，包括柱面镜阵列(34)和光吸收条纹(31)，其特征在于，在柱面镜阵列(34)的表面覆盖有透明材料(33)，所述透明材料(33)的折射率小于柱面镜材料的折射率。

2、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，在透明材料(33)的表面覆有第一材料(32)，所述光吸收条纹(31)为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间、附于第一材料(32)之上。

3、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，柱面镜列阵(34)的材料的折射率、透明材料(33)的折射率和柱面镜的形状满足以下关系：

N33/N34＜Sin(Ac)；

N33/N34＞Sin(At)；

其中，N33是低折射率的透明材料的折射率，N34是柱面镜列阵材料的折射率，Ac是投影光线打到柱面镜侧面的入射角，At是投影光线以及打到柱面镜侧面经全反射到柱面镜顶部的投影光线在柱面镜顶部的入射角。

4、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，所述柱面镜阵列(34)为光固化成型或者为热压成型。

5、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，所述透明材料(33)为光固化材料、热固化材料或热塑性材料。

6、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，光吸收条纹(31)位于相邻两个柱面镜之间的非出光面区域。

7、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，在柱面镜阵列(34)的下方还有透明薄片(30)。

8、如权利要求1所述的柱面镜组元，其特征在于，所述柱面镜阵列(34)的上方或下方还有散射层(10)，所述散射层(10)内含有散射粒子(12)。

9、一种背投影屏幕，由柱面镜组元和菲涅尔透镜构成，其特征在于，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列(34)和光吸收条纹(31)，在柱面镜阵列(34)的表面覆盖有透明材料(33)，所述透明材料(33)的折射率小于柱面镜材料的折射率；在相邻两个柱面镜之间的透明材料(33)的表面覆盖有第一材料(32)，所述光吸收条纹(31)为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间、附于第一材料(32)之上。

10、一种背投影电视，其特征在于，屏幕由柱面镜组元和菲涅尔透镜构成，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列(34)和光吸收条纹(31)，所述柱面镜组元包括柱面镜阵列(34)和光吸收条纹(31)，在柱面镜阵列(34)的表面覆盖有透明材料(33)，所述透明材料(33)的折射率小于柱面镜材料的折射率；在相邻两个柱面镜之间的透明材料(33)的表面覆盖有第一材料(32)，所述光吸收条纹(31)为黑条纹，所述黑条纹位于相邻两个柱面镜之间、附于第一材料(32)之上。

11、制作柱面镜组元的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在透明薄片上涂敷光固化胶，然后经辊筒碾压到柱面镜模具辊上，光固化形成柱面镜列阵(34)；

b.将成形好的柱面镜列阵(34)经浸涂辊筒在有低折射率的透明液体的槽中浸涂光固胶或热固胶，流平后进行光固化或热固化，在柱面镜列阵的表面形成低折射率透明层；

c.在透明材料(33)的表面覆盖第一材料(32)，在相邻柱面镜之间的第一材料(32)的表面形成黑条纹，制得带有黑条纹的薄片；

d.将步骤c制得的薄片与散射层(10)相粘合。

12、如权利要求11所述的制作柱面镜组元的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

c1)在透明材料(33)的表面覆盖第一材料(32)，所述第一材料(32)为光固化材料；

c2)用垂直于柱面镜列阵底面的紫外光从柱面镜列阵(34)的下方照射第一材料(32)，进行曝光；

c3)在涂有第一材料(32)的一侧喷洒黑色粉末，使具有粘性的部分粘上黑色粉末。

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